CN108110414A - 一种三频单极子微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种三频单极子微带天线，其采用了特殊的三个天线辐射段结构设计，包括呈“匚”形弯折线条状的第一天线辐射段、呈“L”形弯折线条状的第二天线辐射段和呈直线条状的第三天线辐射段，使得三频单极子微带天线具有1.575GHz、1.98GHz、2.45GHz三个谐振频率点，其有效工作频段为1.49GHz~2.27GHz和2.41GHz~2.55GHz，能够在实际应用中很好的覆盖GPS、GSM1800、UMTS2100、WiFi和蓝牙通信频段，且天线整体尺寸小，易于批量加工生产，制造成本低，能够很好的用于小型化的移动通信系统或智能移动终端设备上提供GPS定位、移动通信通话、WiFi以及蓝牙功能。

Description

一种三频单极子微带天线
技术领域
本发明涉及微带天线技术领域，尤其涉及一种三频单极子微带天线。
背景技术
自从 1897 年马可尼以实验的形式证明了运动中的物体之间可以完成无线通信，人们就开始了对未来移动通信孜孜不倦地探索。尤其是近二十年来，得益于微电子技术和制作工艺的快速发展，特别是微型电子计算机（微型处理器）、大规模和超大规模集成电路、数字信号处理器和专用集成电路芯片的出现，通信设备在小型化、智能化和多功能化方面取得了长足的进步。
随着移动通信技术的快速发展，用户对更高性能的智能终端设备提出了更高的要求，传统终端的使用功能已经不能满足人们的要求，人们渴望拥有能够全面具备GPS定位、移动通信通话、WiFi以及蓝牙功能的智能终端设备。由于终端设备变得越来越精巧，而天线作为终端设备，对于小尺寸更是拥有强烈的要求，但是小尺寸并不仅仅是先决条件。它们不仅要求天线的本质特性，例如宽带和效率，而且还要适合特定的硬件环境。一般来说，当天线的尺寸减小或频率降低的时候，天线的辐射特性也会随着降低。实际上，“小尺寸”与“宽带宽”是彼此冲突的。因此，当设计紧凑的天线时，如何缩小天线的尺寸是设计终端天线的主要难点。
为了适应现代移动通信系统，终端天线逐渐向多频段、宽带宽、小尺寸、低成本、易于制造等方向发展，因此如何设计出多频段小尺寸性能优越的天线，具有重要的实际意义。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是，如何设计一种易于制造、能够实现小型化且具有多频段的三频单极子微带天线，使其能够覆盖GPS定位、移动通信通话、WiFi以及蓝牙通信频段，使之能够用于小型化的移动通信系统或智能移动终端设备上提供GPS定位、移动通信通话、WiFi以及蓝牙功能。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种三频单极子微带天线，包括介质板，以及印制在介质板正面的天线辐射贴片和印制在介质板背面的金属接地层；所述天线辐射贴片包括呈“匚”形弯折线条状的第一天线辐射段、呈“L”形弯折线条状的第二天线辐射段、呈直线条状的第三天线辐射段以及呈直线条状的微带馈线段；所述微带馈线段从介质板正面的底端竖向向上延伸设置，其竖向延伸长度为15mm，线条宽度为2.97mm，且微带馈线段的下端与天线外接端口进行电连接；所述第一天线辐射段包括竖向设置的第一竖向辐射段、从所述第一竖向辐射段底端向右横向延伸的第一横向辐射段、以及从所述第一竖向辐射段顶端向右横向延伸的第二横向辐射段；所述第一横向辐射段的横向延伸长度为16.2mm，线条宽度为1.5mm，且第一横向辐射段的横向延伸末端与微带馈线段上端部的左侧边位置相连接；所述第一竖向辐射段的竖向延伸长度为20.8mm，线条宽度为1mm；所述第二横向辐射段的横向延伸长度为7.5mm，线条宽度为1mm；所述第二天线辐射段包括竖向设置的第二竖向辐射段以及从所述第二竖向辐射段底端向左横向延伸的第三横向辐射段；所述第三横向辐射段的横向延伸长度为10.5mm，线条宽度为2mm，且第三横向辐射段的横向延伸末端与微带馈线段上端部的右侧边位置相连接；所述第二天线辐射段的竖向延伸长度为20.8mm，线条宽度为2mm；所述第三天线辐射段整体竖向设置，其竖向延伸长度为18.2mm，线条宽度为1mm，第三天线辐射段的下端部与第一天线辐射段中第一横向辐射段的横向延伸末端位置处相连接，第三天线辐射段的竖向中轴线位置位于微带馈线段的竖向中轴线位置的左侧，且二者竖向中轴线位置的横向间隔距离为3mm。
上述的三频单极子微带天线中，作为优选方案，所述微带馈线段采用50欧姆的微带线。
上述的三频单极子微带天线中，作为优选方案，所述天线辐射贴片和金属接地层均为印制在介质板上的铜涂覆层，厚度为35μm。
上述的三频单极子微带天线中，作为优选方案，所述介质板采用Rogers RO4003型碳氢化合物陶瓷材料板，其相对介电常数为3.55，损耗正切为0.0027，且介质板的横向宽度、竖向高度高以及板厚度尺寸分别为56mm、50mm和1.5mm。
上述的三频单极子微带天线中，作为优选方案，所述微带馈线段的竖向中轴线位置位于整个介质板面竖向中轴线位置的右侧，且与介质板面竖向中轴线的横向间隔距离为6mm。
上述的三频单极子微带天线中，作为优选方案，所述第一天线辐射段、第二天线辐射段和第三天线辐射段的谐振频率分别为1.575GHz、1.98GHz和2.45GHz。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明三频单极子微带天线的天线辐射贴片采用了特殊的三个天线辐射段结构设计，包括呈“匚”形弯折线条状的第一天线辐射段、呈“L”形弯折线条状的第二天线辐射段以及呈直线条状的第三天线辐射段，使得三频单极子微带天线具有1.575GHz、1.98GHz、2.45GHz三个谐振频率点，并且在满足电压驻波比VSWR为2:1或者回波损耗S11小于-10dB的条件下，其工作频段为1.49GHz~2.27GHz和2.41GHz~2.55GHz，能够在实际应用中很好的覆盖GPS、GSM1800、UMTS2100、WiFi和蓝牙通信频段；且该三频单极子微带天线整体尺寸小，结构简单，易于批量加工生产，制造成本低，因此能够很好的用于小型化的移动通信系统或智能移动终端设备上提供GPS定位、移动通信通话、WiFi以及蓝牙功能。
附图说明
图1为本发明三频单极子微带天线的正面结构及侧面结构示意图。
图2为本发明三频单极子微带天线的回波损耗曲线图。
图3为本发明三频单极子微带天线的Smith圆周曲线图。
图4为三种不同微带天线结构的回波损耗曲线对比图。
图5为本发明三频单极子微带天线中第三天线辐射段的竖向延伸长度对于天线整体回波损耗的影响对比曲线图。
图6为本发明三频单极子微带天线在1.575GHz频率的二维辐射范围仿真图。
图7为本发明三频单极子微带天线在1.98GHz频率的二维辐射范围仿真图。
图8为本发明三频单极子微带天线在2.45GHz频率的二维辐射范围仿真图。
具体实施方式
微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。常用的一类微带天线是在一个薄介质基板上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用电路印制、光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线或轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。微带天线具有如下优点：(1)、体积小，重量轻，低剖面，能与载体（如飞行器）共形，并且除了在馈电点处要开出引线孔外，不破坏载体的机械结构，这对于高速飞行器特别有利；(2)、性能多样化，不同设计的微带元，其最大辐射方向可以在边射到端射范围内调整，易于得到各种极化方式，特殊设计的微带元还可以在双频或多频方式下工作；(3)、能和有源器件、电路集成为统一的组件，因此适合大规模生产，简化了整机的制作和调试，有助于降低制造成本。
因此，针对于现在移动通信产品天线设计上存在小型化、带宽覆盖频段范围广的技术要求相互冲突的问题，考虑到微带天线所具备的上述技术优点，本发明提供了一种易于制造、能够实现小型化且具有多频段的三频单极子微带天线设计方案。
如图1所示，本发明提供的三频单极子微带天线，其基本结构还是包括介质板1，以及印制在介质板正面的天线辐射贴片2和印制在介质板背面的金属接地层（金属接地层在图1中未进行标示）。其中，介质板背面的金属接地层可以采用现有微带天线设计方案中的接地层设计方式进行设计；但本发明三频单极子微带天线的天线辐射贴片2的结构经过了特殊的设计，包括呈“匚”形弯折线条状的第一天线辐射段、呈“L”形弯折线条状的第二天线辐射段、呈直线条状的第三天线辐射段以及呈直线条状的微带馈线段。
在天线辐射贴片的具体设计上，如图1所示，微带馈线段FL从介质板正面的底端竖向向上延伸设置，其竖向延伸长度为15mm，线条宽度为2.97mm，且微带馈线段FL的下端与天线外接端口进行电连接。具体技术实现上，微带馈线段优选采用50欧姆的微带线，以实现阻抗匹配，且微带馈线段采用微带线进行馈电，便于微带馈线段与三个天线辐射段一起进行电路的电路印制或光刻，制作更加简便。
如图1所示，呈“匚”形弯折线条状的第一天线辐射段包括竖向设置的第一竖向辐射段C2、从所述第一竖向辐射段底端向右横向延伸的第一横向辐射段C1、以及从所述第一竖向辐射段顶端向右横向延伸的第二横向辐射段C3；第一横向辐射段C1的横向延伸长度为16.2mm，线条宽度为1.5mm，且第一横向辐射段C1的横向延伸末端与微带馈线段FL上端部的左侧边位置相连接；第一竖向辐射段C2的竖向延伸长度为20.8mm，线条宽度为1mm；第二横向辐射段C3的横向延伸长度为7.5mm，线条宽度为1mm。
如图1所示，呈“L”形弯折线条状的第二天线辐射段包括竖向设置的第二竖向辐射段L2以及从所述第二竖向辐射段底端向左横向延伸的第三横向辐射段L1；第三横向辐射段L1的横向延伸长度为10.5mm，线条宽度为2mm，且第三横向辐射段L1的横向延伸末端与微带馈线段FL上端部的右侧边位置相连接；第二天线辐射段L2的竖向延伸长度为20.8mm，线条宽度为2mm。
如图1所示，呈直线条状的第三天线辐射段R整体竖向设置，其竖向延伸长度为18.2mm，线条宽度为1mm，第三天线辐射段R的下端部与第一天线辐射段中第一横向辐射段C1的横向延伸末端位置处相连接，第三天线辐射段R的竖向中轴线位置位于微带馈线段FL的竖向中轴线位置的左侧，且二者竖向中轴线位置的横向间隔距离为3mm。
而介质板在具体实现时，可以采用常用的微带天线介质层材料，如聚四氟乙烯玻璃纤维压层材料等，但作为优选方案，介质板优选采用Rogers公司的RO4003型碳氢化合物陶瓷材料板，其相对介电常数为3.55，损耗正切为0.0027；且基于上述天线辐射贴片中各天线辐射段的尺寸设计，如图1所示，介质板的横向宽度WLW、竖向高度WL以及板厚度WH的尺寸可分别设计为56mm、50mm和1.5mm，以满足小型化设计要求。相应的，考虑到天线辐射贴片中三个天线辐射段的布局位置，作为优选方案，可以设计微带馈线段的竖向中轴线位置位于整个介质板面竖向中轴线位置的右侧，且与介质板面竖向中轴线的横向间隔距离为6mm，因为微带馈线段在介质板正面上的布局位置确定后，三个天线辐射段的布局位置也就得以相应确定了。而天线辐射贴片和金属接地层在具体实现时，可以均采用印制在介质板上一定厚度的金属涂覆层，例如可采用35μm厚度的铜涂覆层，这样便于采用印制电路加工工艺对本发明的三频单极子微带天线进行生产加工，便于批量生产和降低成本。
针对于采用本发明设计的三频单极子微带天线，通过ANSYS ElectronicsDesktop软件的仿真，来确定本发明三频单极子微带天线的相关功能参数。
通过仿真，本发明三频单极子微带天线的回波损耗曲线如图2所示，可以看到本发明三频单极子微带天线具有三个谐振频率点，分别为1.575GHz、1.98GHz、2.45GHz，并且在满足电压驻波比VSWR为2:1或者回波损耗S11小于-10dB的条件下，其工作频段为1.49GHz~2.27GHz和2.41GHz~2.55GHz，可见本发明的三频单极子微带天线在实际应用中能够很好的覆盖GPS、GSM1800、UMTS2100、WiFi和蓝牙通信频段（其中，GSM1800和UMTS2100均为移动通信通话频段）。此外，通过仿真，本发明三频单极子微带天线的Smith圆周曲线图如图3所示，在1.575GHz，1.98GHz，2.45GHz处的归一化阻抗分别为1.3323-0.1482iΩ，0.7106-0.0856iΩ，0.8344+0.3076iΩ，达到了较好的阻抗匹配状态。因此本发明的三频单极子微带天线能够用于小型化的移动通信系统或智能移动终端设备上提供GPS定位、移动通信通话、WiFi以及蓝牙功能。
为了更好的明确本发明三频单极子微带天线具备的三个谐振频率分别由哪部分的天线辐射段所提供，还通过ANSYS Electronics Desktop软件进行了仿真对比实验，将本发明的三频单极子微带天线方案标记为天线1，将本发明的三频单极子微带天线方案中去除呈直线条状的第三天线辐射段之后的天线结构方案标记为天线2，将本发明的三频单极子微带天线方案中去除呈“L”形弯折线条状的第二天线辐射段和呈直线条状的第三天线辐射段之后的天线结构方案标记为天线3，然后通过软件仿真得到三种天线方案的回波损耗曲线，如图4所示。由仿真结果可见，对于天线3，由于呈“匚”形弯折线条状的第一天线辐射段的总长度为C1+C2+C3=44.5mm，约为0.2336λ 1.575GHz（λ 1.575GHz表示1.575GHz无线电波波长），由于第一天线辐射段进行了弯折处理，电流流过第一横向辐射段C1末端的等效电长度为16.2mm，约为0.196λ 3.5GHz（λ 3.5GHz表示3.5GHz无线电波波长），因此第一天线辐射段在1.575GHz和3.5GHz处产生谐振。对于天线2，相比于天线3添加了呈“L”形弯折线条状的第二天线辐射段后，天线2在1.98GHz处产生谐振点，使3.5GHz处的阻抗匹配大大降低，电抗特性显容性。对于天线1，相比于天线2添加了呈直线条状的第三天线辐射段后，天线3激发处了2.45GHz处的谐振点，屏蔽掉了3.5GHz的谐振点，对其他两个谐振点的阻抗匹配产生了较小的影响。由此可见，在本发明的三频单极子微带天线中，1.575GHz的谐振频率主要由呈“匚”形弯折线条状的第一天线辐射段产生，1.98GHz的谐振频率主要由呈“L”形弯折线条状的第二天线辐射段产生，而2.45GHz的谐振频率则主要由呈直线条状的第三天线辐射段产生。
进一步的，还通过ANSYS Electronics Desktop软件对于本发明三频单极子微带天线中第三天线辐射段R的竖向延伸长度对于天线整体的回波损耗S11的影响情况进行了仿真，参见图5，可以看到，第三天线辐射段R的竖向延伸长度在不同的取值情况下，随着延伸长度的增大，高频谐振点向左移动，中频谐振点向右微微移动，回波损耗S11变大。可见第三天线辐射段R的竖向延伸长度是影响天线性能和工作频段位置的关键参数。为了兼顾工作频段位置和阻抗匹配效果，因此本发明三频单极子微带天线中设计第三天线辐射段R的竖向延伸长度为18.2mm。
此外，通过ANSYS Electronics Desktop软件仿真，本发明的三频单极子微带天线分别在1.575GHz、1.98GHz、2.45GHz三个中心频率工作频段的辐射范围仿真结果分别如图6、图7、图8所示，在图6、图7、图8中，辐射范围曲线①表示天线放置角度为0°时的辐射范围，辐射范围曲线②表示天线放置角度为90°时的辐射范围。由图8可以看出，当本发明的三频单极子微带天线工作在低频2.45GHz时，天线的整体辐射性能最好，在各个面都取得了趋于全向性的辐射模式，此外，在1.575GHz、1.98GHz工作频段的辐射方向范围呈现出背靠背的心形形状，这有利于接收/辐射各个方向的信号。
综上所述，本发明三频单极子微带天线的天线辐射贴片采用了特殊的三个天线辐射段结构设计，包括呈“匚”形弯折线条状的第一天线辐射段、呈“L”形弯折线条状的第二天线辐射段以及呈直线条状的第三天线辐射段，使得三频单极子微带天线具有1.575GHz、1.98GHz、2.45GHz三个谐振频率点，并且在满足电压驻波比VSWR为2:1或者回波损耗S11小于-10dB的条件下，其工作频段为1.49GHz~2.27GHz和2.41GHz~2.55GHz，能够在实际应用中很好的覆盖GPS、GSM1800、UMTS2100、WiFi和蓝牙通信频段；且该三频单极子微带天线整体尺寸小，结构简单，易于批量加工生产，制造成本低，因此能够很好的用于小型化的移动通信系统或智能移动终端设备上提供GPS定位、移动通信通话、WiFi以及蓝牙功能。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种三频单极子微带天线，包括介质板，以及印制在介质板正面的天线辐射贴片和印制在介质板背面的金属接地层；其特征在于，所述天线辐射贴片包括呈“匚”形弯折线条状的第一天线辐射段、呈“L”形弯折线条状的第二天线辐射段、呈直线条状的第三天线辐射段以及呈直线条状的微带馈线段；
所述微带馈线段从介质板正面的底端竖向向上延伸设置，其竖向延伸长度为15mm，线条宽度为2.97mm，且微带馈线段的下端与天线外接端口进行电连接；
所述第一天线辐射段包括竖向设置的第一竖向辐射段、从所述第一竖向辐射段底端向右横向延伸的第一横向辐射段、以及从所述第一竖向辐射段顶端向右横向延伸的第二横向辐射段；所述第一横向辐射段的横向延伸长度为16.2mm，线条宽度为1.5mm，且第一横向辐射段的横向延伸末端与微带馈线段上端部的左侧边位置相连接；所述第一竖向辐射段的竖向延伸长度为20.8mm，线条宽度为1mm；所述第二横向辐射段的横向延伸长度为7.5mm，线条宽度为1mm；
所述第二天线辐射段包括竖向设置的第二竖向辐射段以及从所述第二竖向辐射段底端向左横向延伸的第三横向辐射段；所述第三横向辐射段的横向延伸长度为10.5mm，线条宽度为2mm，且第三横向辐射段的横向延伸末端与微带馈线段上端部的右侧边位置相连接；所述第二天线辐射段的竖向延伸长度为20.8mm，线条宽度为2mm；
所述第三天线辐射段整体竖向设置，其竖向延伸长度为18.2mm，线条宽度为1mm，第三天线辐射段的下端部与第一天线辐射段中第一横向辐射段的横向延伸末端位置处相连接，第三天线辐射段的竖向中轴线位置位于微带馈线段的竖向中轴线位置的左侧，且二者竖向中轴线位置的横向间隔距离为3mm。
2.根据权利要求1所述的三频单极子微带天线，其特征在于，所述微带馈线段采用50欧姆的微带线。
3.根据权利要求1所述的三频单极子微带天线，其特征在于，所述天线辐射贴片和金属接地层均为印制在介质板上的铜涂覆层，厚度为35μm。
4.根据权利要求1所述的三频单极子微带天线，其特征在于，所述介质板采用RogersRO4003型碳氢化合物陶瓷材料板，其相对介电常数为3.55，损耗正切为0.0027，且介质板的横向宽度、竖向高度高以及板厚度尺寸分别为56mm、50mm和1.5mm。
5.根据权利要求4所述的三频单极子微带天线，其特征在于，所述微带馈线段的竖向中轴线位置位于整个介质板面竖向中轴线位置的右侧，且与介质板面竖向中轴线的横向间隔距离为6mm。
6.根据权利要求1所述的三频单极子微带天线，其特征在于，所述第一天线辐射段、第二天线辐射段和第三天线辐射段的谐振频率分别为1.575GHz、1.98GHz和2.45GHz。
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