CN107681262B - 一种基于弯折磁壁的低剖面磁电偶极子天线 - Google Patents

一种基于弯折磁壁的低剖面磁电偶极子天线 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种基于弯折磁壁的低剖面磁电偶极子天线结构，包括辐射单元部分、“Γ”馈电部分和共地共面波导馈电部分。辐射单元部分包括一对梯形的电偶极子和一对短路弯折的磁偶极子，其中电偶极子水平放置于顶层介质基板上，磁偶极子通过在介质基板上打金属化过孔的方式实现，磁偶极子与电偶极子相互垂直放置。“Γ”馈电的水平放置部分为帽子形贴片，垂直部分通过金属化过孔形式实现。共地共面波导馈电位于底层介质基板上，该介质基板上表面是金属地，下表面则为共地共面波导的信号线与地线两部分，上下层金属地通过金属化过孔连接。本发明的磁电偶极子天线具有结构简单、易于集成、稳定性高、低剖面的特点，适用于现代无线通信系统中的移动性定位系统。

Description

一种基于弯折磁壁的低剖面磁电偶极子天线
技术领域
本发明涉及UWB定位测距领域，具体涉及一种基于弯折磁壁的低剖面磁电偶极子天线。
背景技术
室内定位技术是室外定位技术针对于不同应用场景下的技术延伸。目前，随着应用场景的推进和需求增多，室内定位技术逐渐走进大众视野。针对室内定位的精度问题，以UWB定位技术为首的厘米级定位技术已经实现市场化，室内定位技术的用途也越来越明显。
室内定位技术的应用领域涉及方方面面。近年来发展火爆的VR技术中，应用于VR主题游戏乐园的二维定位或三维定位，通过UWB定位技术已经达到了10cm的定位精度；在工业流水线中，生产流程可以通过室内定位来实现可视化、可追踪化；在安防中，UWB定位技术可对物品或者人员进行追踪，比如在消防系统中，后台指挥可通过室内定位技术与现场人员进行沟通，使现场人员的应对更加有效及时。室内定位技术目前的研究虽然取得快速进展，但是，在应用场景不断更新的过程中，对于技术又提出了新的要求。在移动的应用环境下，采用UWB实现精准定位，收发信号的天线成为了关键因素。
磁电偶极子天线是UWB工作频带范围内的一款天线。该天线由于带宽宽、增益高、加工简单等优势而得到了广泛的应用。磁电偶极子天线区别于其他天线的特征为采用了磁偶极子与电偶极子的互补结构，从而使磁电偶极子在谐振范围内的方向图E面与H面重合度良好，这一特性在定位精度中起到了关键性作用。
磁电偶极子的特性适用于室内定位的精准化研究，但是目前，对于轻便、简洁、易集成等特性要求，磁电偶极子仍然需要改进。为了使磁电偶极子天线轻便简洁，采用弯折的磁偶极子和延长的“Γ”形馈线，对结构进行调节，实现磁电偶极子天线的低剖面研究。为了使磁电偶极子天线与射频芯片、前端模块、基带电路的一体化设计，采用“Γ”馈电转共地共面波导馈电(即GCPW馈电)的形式进行实现。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供了一种基于弯折磁壁的低剖面磁电偶极子天线。
本发明采用如下技术方案：
一种基于弯折磁壁的低剖面磁电偶极子天线，包括辐射单元部分、“Γ”形馈电部分和共地共面波导馈电部分。所述辐射单元部分包括一对梯形的电偶极子和一对短路弯折的磁偶极子，其中电偶极子水平放置于顶层介质基板上，磁偶极子通过在介质基板上打金属化过孔的方式实现，磁偶极子与电偶极子相互垂直放置。为了延长磁偶极子的等效长度，采用在不同层的介质基板上进行错位打孔，使其在垂直方向形成弯折结构，降低了电磁偶极子天线的高度。
所述“Γ”形馈电水平方向的帽子形的贴片和竖直方向上的金属过孔，其中“Γ”形馈电的水平方向的帽子形的贴片位于电偶极子中间，垂直方向上的金属化过孔位于磁偶极子中间。在“Γ”形馈电水平放置的帽子形贴片上，帽子的底部(帽檐部分)长度可对天线的匹配进行灵活调控，降低了调节的复杂度。
GCPW馈电是在磁电偶极子天线的底层介质基板，该底层介质基板上表面连接金属地，下表面则为共地共面波导的信号线与地线两部分，底层介质基板上下表面金属地通过金属化过孔连接。“Γ”形馈电与GCPW馈电之间的转换，方便磁电偶极子天线与射频芯片、前端模块、基带电路的一体化设计。所述定位孔为各层介质板上的非金属化过孔，用于各层之间的定位连接。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供了一种具有低剖面、结构稳定、加工简单的磁电偶极子天线结构；
(2)本发明采用弯折磁壁结构，增加了磁偶极子的等效长度，降低了天线剖面；
(3)本发明采用“Γ”形馈电和GCPW馈电形式，易于模块集成。
附图说明
图1是一种基于弯折磁壁的低剖面磁电偶极子天线的分层示意图；
图2是一种基于弯折磁壁的低剖面磁电偶极子天线的整体示意图；
图3是一种基于弯折磁壁的低剖面磁电偶极子天线的主视图；
图4是一种基于弯折磁壁的低剖面磁电偶极子天线的第一层介质基板示意图；
图5是一种基于弯折磁壁的低剖面磁电偶极子天线的第二层介质基板示意图；
图6是一种基于弯折磁壁的低剖面磁电偶极子天线的第三层介质基板示意图；
图7是一种基于弯折磁壁的低剖面磁电偶极子天线的第四层介质基板示意图；
图8是一种基于弯折磁壁的低剖面磁电偶极子天线的共地共面波导馈电示意图；
图9是一种基于弯折磁壁的低剖面磁电偶极子天线的反射系数与频率的变化曲线；
图10是一种基于弯折磁壁的低剖面磁电偶极子天线的4GHz的xoz平面和yoz平面辐射方向图。
图11是一种基于弯折磁壁的低剖面磁电偶极子天线的3.7GHz的xoz平面和yoz平面辐射方向图。
图12是一种基于弯折磁壁的低剖面磁电偶极子天线的4.5GHz的xoz平面和yoz平面辐射方向图。
其中，1-4为介质基板，5-20为定位孔，21、23为电偶极子贴片，22为帽子形贴片，24-45、53-74、82-103为金属化过孔组成的磁壁，46-48、75-77、104为“Γ”形馈电竖直方向的金属化过孔，49-52、78-81、 106为各层金属化过孔相连接的金属贴片，105为金属地，107为“Γ”形馈电和共地共面波导馈电转换的金属化过孔，108为环形缝隙，112-119为金属地和共地共面波导地线连接的金属化过孔，109-110为共地共面波导馈电地线，111为共地共面波导馈电的信号线。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本发明的一种基于弯折磁壁的低剖面磁电偶极子天线，通过将磁壁弯折的方法降低天线剖面。天线结构图见图1-8，图1示出了天线的分层结构，图2示出了天线的整体图，图3示出了天线的整体主视图，图4-7分别示出了1-4层介质基板示意图。图8示出了天线馈电单元的共地共面波导的结构图。
本发明的一种基于弯折磁壁的低剖面磁电偶极子天线，包括辐射单元部分、“Γ”形馈电部分和共地共面波导馈电部分(即GCPW馈电)。辐射单元部分包括一对梯形的电偶极子和短路弯折的磁偶极子，其中短路弯折的磁偶极子由两列短路弯折金属孔墙构成；“Γ”形馈电部分是一个由金属化过孔和顶层帽子形状金属片构成的“Γ”形结构，GCPW馈电是介质基板4上的109、110两个连接地板的金属贴片和 111金属贴片构成的共地共面波导(GCPW)；金属地是附着于最底层介质基板上的金属贴片105；定位孔 5-20是每块介质基板边缘的非金属化过孔。天线的整体尺寸为45mm×45mm×5.6mm。介质基板1、2、3、 4均采用FR_4的介质基板。介质基板1、2、3的厚度均为1.6mm，介质基板4的厚度为0.8mm。各介质基板连接顺序和方向如图1所示，由上至下分别为介质基板1、2、3、4。下面结合图示对天线各组成部分进行依次说明。
辐射单元部分分别由电偶极子和磁偶极子构成。两个梯形贴片21、23构成电偶极子，电偶极子采用梯形贴片能有效地扩展天线的带宽，梯形贴片的高度为8.8mm，长边为24mm，短边为20.5mm，两个梯形贴片之间的距离为7.1mm。磁偶极子由介质板的短路金属化孔墙构成，介质基板1、3的两排短路过金属化孔墙24-45、82-103，距离为8.6mm，介质基板2的两排短路金属化过孔墙53-74比介质基板1、 3的两排短路金属化过孔墙24-45、82-103间距大，距离为12.2mm。在同一介质基板上，两个金属化过孔之间的距离为1.4mm，单个金属化过孔的直径为1mm。因此磁偶极子沿z轴方向形成向外弯折结构。同时，介质板2上下层有金属带49-50、78-79，以连接沿z轴方向上下层之间不同间距的金属化过孔墙。弯折部分延长了磁偶极子上的电流路径，因此降低了天线的高度。
“Γ”形馈电部分由介质基板1上的金属化过孔46、47、48，介质基板2上的金属化过孔75、 76、77，介质基板3上的金属化过孔104，金属贴片22、金属带51、52、80、81、106组成，金属贴片22 形状似帽子形，，金属贴片22的帽檐部分长边是为了将能量更好的耦合到电偶极子上，并且灵活的调节工作频率，。金属贴片1、52、80、81、106是为了上下层介质基板上的金属化过孔能够有效的连接。“Γ”形馈电在介质基板4上被转化为共地共面波导馈电。
共地共面波导馈电结构由金属带109、110、111和金属化过孔112-119组成，金属化过孔112-119 直径均为1mm，之间的距离相同均为1.2mm。金属化过孔112-119将面波导馈电的地线109、110和金属地105连接在一起，金属化过孔107连接共地共面波导馈电的信号线111和“Γ”形馈电。金属带111和 109、111和110之间的距离为0.4mm。金属带111宽2mm，长2mm，金属带109和110长5.5mm，宽2.8mm。共地共面波导方便了天线和芯片集成。
介质基板3和介质基板4之间的金属除了环形焊盘106其他均为金属地部分，环形缝隙108将“Γ”形馈电与金属地隔离。每层介质基板的四个角都有定位孔，均为非金属化的通孔。介质基板1的定位孔为 5-8，介质基板2的定位孔为9-12，介质基板3的定位孔为13-16，介质基板4的定位孔为17-20，定位孔5、 6、7、9、10、11、13、14、15、17、18、19距离介质基板的边缘均为2mm，定位孔8、12、16、20不在介质基板的直角边缘处，而是距离介质基板x轴正向边缘12.6mm，距离介质板y正轴正向边缘4.2mm。安装时用塑料螺丝将介质基板1、2、3、4按图1的顺序连接在一块。
图9示出了天线在中心频率为4GHz时的-10dB带宽为800MHz，覆盖范围为3.7GHz～4.5GHz的频带范围。图10示出了天线在中心频率4GHz的xoz平面和yoz平面的辐射方向图，最大增益为5.9dBi，在+100°至-100°范围内xoz平面和yoz平面辐射方向图重合良好；图11示出了天线在3.7GHz时的xoz 平面和yoz平面的辐射方向图，图12示出了本发明4.5GHz时的辐射方向图，本发明天线的辐射方向图具有对称的特点。
上述实施例为本发明较好的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰。替代、组合、简化，均为等效的转换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于弯折磁壁的低剖面磁电偶极子天线，其特征在于，包括辐射单元、馈电单元、金属地和介质板；所述辐射单元包括一对梯形贴片构成的电偶极子和一对短路弯折的磁偶极子，其中电偶极子水平放置于介质板上，磁偶极子通过在介质板上打金属化过孔以短路磁壁的方式实现，磁偶极子与电偶极子垂直放置；所述弯折磁壁，采用在不同层的介质板上进行错位打孔实现，所述的错位打孔是指孔的水平位置不同且位于从上至下数第二层介质板上，弯折磁壁有效地降低了天线的剖面高度；所述馈电单元包括“Γ”馈电和共地共面波导馈电两部分，其中“Γ”馈电的水平贴片部分与电偶极子互相耦合；水平贴片与电偶极子耦合位置处的宽度大于贴片其他位置，形成帽子形结构，帽檐长度即耦合长度可对天线的匹配进行灵活调控，降低了调节的复杂度；所述的金属地位于最底层介质板的上表面，所述的介质板是支撑金属贴片与过孔的PCB板。
2.根据权利要求书1所述的基于弯折磁壁的低剖面磁电偶极子天线，其特征在于，“Γ”馈电与共地共面波导结构一起实现了同轴转共地共面波导转换器；所述共地共面波导由最底层介质板上表面的金属地和下表面的信号线、地线构成，并且通过金属化过孔实现“Γ”馈电与共地共面波导馈电之间的转换，此转换器使得磁电偶极子天线易于与射频芯片、前端模块、基带电路进行一体化设计。
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