CN108847525B - 一种紧凑型多频带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线移动通信领域，具体涉及一种紧凑型多频带天线。本发明由介质基板、微带传输线、第一弓形辐射单元、第二反形辐射单元、第三C形辐射单元、第四反C形辐射单元、以及接地面组成。第一弓形辐射单元和第二反形辐射单元采用弓形多次弯折结构，第三C形辐射单元和第四反C形辐射单元采用C形弯折结构。本发明采用微带传输线馈电，辐射单元采用直接馈电和间接馈电相结合的方式，采用多次弯折对称结构和多单元的一体化设计，实现了天线的多频带，小型化的设计，本发明所设计的紧凑型多频带天线具有剖面低、尺寸小、成本低、易集成、可加载电抗元件等特点，可广泛应用于各种无线移动通信设备中。

Description

一种紧凑型多频带天线
技术领域
本发明属于无线移动通信领域，具体涉及一种紧凑型多频带天线。
背景技术
随着人们生活水平的逐渐提高，对于电子产品的依赖性也越来越强，手机、电脑、平板电脑等移动通信设备越来越广泛的应用于人们的日常生活当中。并且随着科技的进步，制作工艺的更加稳定与成熟，移动通信设备的小型化已经成为一种发展趋势，对于连接移动通信设备内部元器件与外部环境的关键设备的天线也提出了更高的要求，小型化、集成化、宽带化、多频带等方向的发展将是今后天线设计的趋势。在无线局域网(WLAN)、全球微波无线互联网(WiMAX)等无线移动通信系统中通常需要采用多频带天线，早期的多频带天线常常采用多天线技术，但是由于在有效的空间内放置多副天线会使天线之间存在严重的干扰，很大程度上的影响了天线的性能以及通信系统的通信质量，所以在单个天线上实现多频带已经成为了重要的研究课题，这样就会减少天线的使用数量，从而避免天线之间的耦合，减少它们之间的相互干扰，从而提高通信质量。通信系统中天线具有多频带特性，这样不仅能够有效的简化系统的结构、降低设备系统的体积，同时也进一步促进了天线的小型化。在必须考虑重量、体积、成本、特性要求等的高性能飞机、卫星、雷达等应用中，根据空气动力学的原理，只有具有剖面低、易于集成、易于加工的天线才易于在这些高速运动的载体表面上共形，从而使微带天线在这些领域中具有广泛的应用前景。并且在军事领域中，微带天线已大量应用于100MHz-100GHz的宽广频域上的无线电设备中，例如卫星通信、导弹遥测遥控、电子对抗、武器引信等无线电系统。
Jaume Anguera等人在2017年提出一种MIMO多频带天线，该天线由四个天线单元组成，可以工作在824MHz-960MHz和1710MHz-2400MHz的频带内，但是由于该天线由多个天线单元组成，天线单元之间存在耦合影响了天线的性能，并且使天线具有较大的尺寸，不易于集成。Arvind Kumar,P.V.Naidu和Vinay Kumar三人在2017年提出一种微带三频带天线，该天线可以覆盖2.4/5.2/5.8GHz的WLAN频段和2.5/3.5/5.5GHzWiMAX频段。该天线为非对称共面馈电结构，由50Ω的馈线、三个枝节构成天线的主结构以及非对称的共面接地板组成。该天线的三个枝节分别为L形枝节，菱形环状枝节以及B形枝节，三个枝节分别形成了三个频带。但是该天线的阻抗匹配情况较差，并且前两个频带的带宽较窄。Kai Yu等人于2017年提出两种可以应用于WLAN和WiMAX频段的多频段微带天线，第一种天线采用超材料技术设计而成，将互补开环谐振器(CSRR)加载到介质基板背面，位于接地板上方，并将它们设置在贴片周围，从而可以实现双频带特性。第二种天线将互补开环谐振器设置在矩形辐射天线单元上，从而实现多频带特性。
综上所述，目前已有的天线设计方案存在以下问题：
问题1：若天线由多个天线单元组成，则天线单元之间存在耦合影响了天线的性能，并且天线具有较大的尺寸，不易于集成，目前对于紧凑型天线的研究较少；
问题2：天线的阻抗匹配情况较差，并且只能实现双频带，频带带宽较窄。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多频带、小型化的紧凑型多频带天线，本发明采用微带传输线102馈电，辐射单元采用直接馈电和间接馈电相结合的方式，以及采用多次弯折对称结构和多单元的一体化设计，以实现天线的多频带，小型化的设计。
本发明的目的是这样实现的：紧凑型多频带天线包括介质基板107，设置在介质基板107上的微带传输线102，第一弓形辐射单元103，第二反弓形辐射单元104，第三C形辐射单元105和第四反C形辐射单元106，以及设置在介质基板107背面的部分接地面101。第一弓形辐射单元103和第二反弓形辐射单元104由矩形微带线经过多次弯折形成并且呈镜面对称结构，第一弓形辐射单元103与微带传输线102直接相连馈电，第三C形辐射单元105与第一弓形辐射单元103直接相连馈电。第二反弓形辐射单元104通过与第一弓形辐射单元103之间的缝隙进行耦合馈电，第四反C形辐射单元106与第二反弓形辐射单元104直接相连。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述天线采用直接馈电和间接馈电相结合的方式，第一弓形辐射单元103通过与微带传输线102直接相连馈电，第三C形辐射单元105通过与第一弓形辐射单元103直接相连馈电，第二反弓形辐射单元104通过与第一弓形辐射单元103之间的耦合缝隙进行间接馈电，第四反C形辐射单元106与第二反弓形辐射单元104直接相连。
2.所述第一弓形辐射单元103和第二反弓形辐射单元104均采用多次弯折结构，且两者呈对称分布，第三C形辐射单元105和第四反C形辐射单元106采用C形弯折结构，使其对第一弓形辐射单元103以及第二反弓形辐射单元104呈半包围形状，有效的减小了天线的尺寸。
3.所述第三C形辐射单元105以及第四反C形辐射单元106构成类环形天线结构，且具有类似偶极子天线结构，便于调整天线的谐振频率。
4.所述第一弓形辐射单元103和第二反弓形辐射单元104可以更换为E形、F形等结构，便于增加天线的带宽。
5.所述的第二反弓形辐射单元104通过与第一弓形辐射单元103缝隙耦合进行馈电，可以在缝隙上加载电抗元件等的方法，进行小型化天线的设计。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明采用微带传输线102馈电，辐射单元采用直接馈电和间接馈电相结合的方式，以及采用多次弯折对称结构和多单元的一体化设计，实现了天线的多频带，小型化的设计，并且可以根据实际工程需求，灵活设计各个辐射单元进行宽带化和多频带天线的设计。
2.使用微带传输线102对第一弓形辐射单元103和第三C形辐射单元105直接馈电，并通过耦合缝隙对第二反弓形辐射单元104以及第四反C形辐射单元106进行间接馈电，通过调整各个辐射单元的尺寸，以及第一弓形辐射单元103与第二反弓形辐射单元104之间的耦合缝隙的尺寸，可以实现天线的阻抗匹配。通过调整各个辐射单元之间的耦合缝隙，可以使天线达到很好的匹配，来满足无线通信系统的宽带以及多频带的需求。
3.可以根据工程实际需求，通过改变弓形辐射单元的弯折尺寸以及耦合缝隙的大小，可以实现多频带天线的设计，并且该天线尺寸小，成本低，且易于集成。
4.通过调整第一弓形辐射单元103和第二反弓形辐射单元104的弯折尺寸，以及第三C形辐射单元105和第四反C形辐射单元106的弯折尺寸，来调整天线的谐振频率。还可以采用集总元件加载的方法在第一弓形辐射单元103与第二反弓形辐射单元104之间的耦合缝隙上进行设计，降低天线的谐振频率。
5.通过调整第三C形辐射单元105和第四反C形辐射单元106共同构成的类环形结构，可以实现天线的宽带化特性。
本发明所设计的一种紧凑型多频带天线具有剖面低、尺寸小、成本低、易集成、可加载电抗元件等特点，可广泛应用于各种无线移动通信设备中，具有较为广阔的应用前景。
附图说明
图1是紧凑型多频带天线的俯视图；
图2是紧凑型多频带天线的侧视图；
图3是紧凑型多频带天线的第一弓形辐射单元的结构示意图；
图4是紧凑型多频带天线的第二反弓形辐射单元的结构示意图；
图5是紧凑型多频带天线的第三C形辐射单元的结构示意图；
图6是紧凑型多频带天线的第四反C形辐射单元的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明提供一种紧凑型多频带天线，包括介质基板107，设置在介质基板107上的微带传输线102，第一弓形辐射单元103，第二反弓形辐射单元104，第三C形辐射单元105和第四反C形辐射单元106，以及设置在介质基板107背面的部分接地面101。第一弓形辐射单元103和第二反弓形辐射单元104由矩形微带线经过多次弯折形成，第一弓形辐射单元103与微带传输线102直接相连馈电，第三C形辐射单元105与第一弓形辐射单元103直接相连馈电。第二反弓形辐射单元104通过与第一弓形辐射单元103之间的缝隙进行耦合馈电，第四反C形辐射单元106与第二反弓形辐射单元104直接相连。微带传输线102与连接器的内导体相连接，连接器的外导体与接地面101连接。本发明所涉及的一种紧凑型多频带天线，采用多次弯折对称结构和多单元的一体化设计，实现天线的小型化、多频带设计，同时可以通过调整辐射单元的结构尺寸，来实现天线的宽带化设计。
一种紧凑型多频带天线，包括介质基板107，设置在介质基板107上的微带传输线102，第一弓形辐射单元103，第二反弓形辐射单元104，第三C形辐射单元105和第四反C形辐射单元106，以及设置在介质基板107背面的部分接地面101。第一弓形辐射单元103和第二反弓形辐射单元104由矩形微带线经过多次弯折形成，并且呈镜面对称结构，第一弓形辐射单元103与微带传输线102直接相连馈电，第三C形辐射单元105与第一弓形辐射单元103直接相连馈电。第二反弓形辐射单元104通过与第一弓形辐射单元103之间的缝隙进行耦合馈电，第四反C形辐射单元106与第二反弓形辐射单元104直接相连。
所述的第一弓形辐射单元103和第二反弓形辐射单元104均采用多次弯折结构，减小了天线的横向和纵向尺寸，并且形成多个谐振频带，实现了紧凑型多频带天线的设计。所述的第三C形辐射单元105和第四反C形辐射单元106采用C形弯折结构，使其对第一弓形辐射单元103以及第二反弓形辐射单元104呈半包围形状，减小了天线的横向尺寸。并且第三C形辐射单元105以及第四反C形辐射单元106构成类环形天线结构，扩展了天线的带宽。
本发明具体涉及一种天线结构，结合图1至图6，本发明设计了一种紧凑型多频带天线，所设计的天线采用直接馈电和间接馈电相结合的方式，以及采用多次弯折对称结构和多单元的一体化设计，实现天线的低剖面设计，同时可以调整天线的结构尺寸，实现多频带设计。
本发明所设计的天线主要包括介质基板107，设置在介质基板107上的微带传输线102，第一弓形辐射单元103，第二反弓形辐射单元104，第三C形辐射单元105，第四反C形辐射单元106，以及设置在介质基板107背面的部分接地面101。第一弓形辐射单元103与第二反弓形辐射单元104采用矩形辐射单元经过多次弯折形成，并且呈对称分布，第一弓形辐射单元103与微带传输线102直接相连，第二反弓形辐射单元104通过与第一弓形辐射单元103之间的耦合缝隙进行间接馈电，第三C形辐射单元105通过与第一弓形辐射单元103相连馈电，第四反C形辐射单元106与第二反C形辐射单元104直接相连。微带传输线102与连接器的内导体相连接，连接器的外导体与部分接地面101连接。通过调整第一弓形辐射单元103，第二反弓形辐射单元104，第三C形辐射单元105，第四反C形辐射单元106的弯折尺寸，以及第一弓形辐射单元103与第二反弓形辐射单元104之间的耦合缝隙的尺寸，该天线可以达到很好的匹配，满足宽带多频带的天线设计需求。
所设计的天线采用微带传输线102进行馈电，微带传输线102与连接器的内导体相连接，连接器的外导体与接地面101连接。按照图1所示的结构印刷在介质基板107上，接地面101印刷在介质基板107的背面。
本发明所设计天线的谐振频率可以通过调整第一弓形辐射单元103以及第二反弓形辐射单元104的尺寸，形状，弯折尺寸，以及第一弓形辐射单元103和第二反弓形辐射单元104之间的耦合缝隙的尺寸等参数来共同确定。
本发明所设计天线的各个辐射单元均采用弯折结构，减小了天线的尺寸，第一弓形辐射单元103和第二反弓形辐射单元104均采用多次弯折结构，减小了天线的纵向尺寸，第三C形辐射单元105和第四反C形辐射单元106采用C形弯折结构，并使其对第一弓形辐射单元103以及第二反弓形辐射单元104呈半包围形状，减小了天线的横向尺寸。
本发明所设计的天线采用直接馈电和间接馈电相结合的方式，可以通过独立的对每个辐射单元的尺寸进行调整，来调节每个辐射单元所对应的谐振频率。同时可以通过调节各个辐射单元的尺寸以及单元之间的耦合，来实现各种宽带和多频带的天线的设计，并且第一弓形辐射单元103和第二反弓形辐射单元104可以更改为E形或F形等，通过不同的弯折结构来实现多频带天线的设计。
本发明所设计的第一弓形辐射单元103与微带传输线102直接相连馈电，第二反弓形辐射单元104通过与第一弓形辐射单元103之间的耦合缝隙间接馈电，可以通过更改第一弓形辐射单元103和第二反弓形辐射单元104为分形结构，或者在两者的耦合缝隙上加载电抗元件的形式来实现天线的小型化设计，并且进一步缩小天线的尺寸。
本发明采用直接馈电和间接馈电相结合的方式，以及采用多次弯折对称结构和多单元的一体化设计，通过调整第一弓形辐射单元103和第二反弓形辐射单元104的弯折尺寸，以及第三C形辐射单元105和第四反C形辐射单元106的弯折尺寸，来调整天线的谐振频率。通过调整第三C形辐射单元105和第四反C形辐射单元106共同构成的类环形结构，可以实现天线的宽带化特性。通过调整各个辐射单元的尺寸以及各个辐射单元之间的耦合缝隙，可以使天线达到很好的匹配，来满足无线通信系统的宽带以及多频带的需求。本发明所设计的一种紧凑型多频带天线具有剖面低、尺寸小、成本低、易集成、可加载电抗元件等特点，可广泛应用于各种无线移动通信设备中，具有较为广阔的应用前景。
综上，本发明天线采用微带传输线102馈电，并且采用直接馈电和间接馈电相结合的方式，以及多次弯折对称结构和多单元的一体化设计，实现天线的低剖面、小型化设计，同时可以调整天线的结构尺寸，实现多频带、宽带化设计。通过将第一弓形辐射单元103以及第二反弓形辐射单元104进行多次弯折设计，减小了天线的尺寸，便于进行小型化以及多频带设计。通过将第三C形辐射单元105和第四反C形辐射单元106进行弯折设计，形成类环形结构，更改了辐射贴片中的电流方向，便于进行小型化和宽带化设计。该天线通过直接馈电与间接馈电相结合的方式，更加便于实现阻抗匹配，能独立的调节各个频带的谐振频率以及带宽，以满足无线通信的需求。并且可以通过在第一弓形辐射单元103和第二反弓形辐射单元104之间的耦合缝隙上加载电抗元件的方式来缩小天线的尺寸，或者进一步扩展天线的带宽。本发明所涉及的一种紧凑型多频带天线，采用多次弯折对称辐射单元结构和多单元的一体化设计，实现天线的小型化、多频带设计，同时可以通过调整辐射单元的结构尺寸，来实现天线的宽带化设计，该天线成本低，结构简单，易于集成，可以广泛的应用于无线通信系统中，满足多种通信需求。

Claims (1)

1.一种紧凑型多频带天线，包括介质基板(107)，在介质基板(107)正面设置有微带传输线(102)、第一弓形辐射单元(103)、第二反形辐射单元(104)、第三C形辐射单元(105)和第四反C形辐射单元(106)，在介质基板(107)的背面设置有接地面(101)，其特征在于：所述的第三C形辐射单元(105)是由矩形辐射单元经过两次直角弯折得到的C形半包围结构，且第三C形辐射单元(105)的下部长度小于上部；所述的第四反C形辐射单元(106)除下部以外整体上与第三C形辐射单元(105)镜面对称，对称轴为介质基板(107)的中线，第四反C形辐射单元(106)的下部与上部长度相等；所述的第一弓形辐射单元(103)是由矩形辐射单元经过多次直角弯折得到的弓形结构，第一弓形辐射单元(103)设置在第三C形辐射单元(105)的C形半包围圈中，第一弓形辐射单元(103)的顶部直角弯折处与第三C形辐射单元(105)的上端部连接，第一弓形辐射单元(103)的底部直角弯折处与微带传输线(102)连接；所述的第二反形辐射单元(104)设置在第四反C形辐射单元(106)的反C形半包围圈中，且第二反形辐射单元(104)与第一弓形辐射单元(103)镜面对称，对称轴为介质基板(107)的中线，第二反形辐射单元(104)顶部直角弯折处与第四反C形辐射单元(106)的上端部连接；所述的微带传输线(102)与连接器的内导体相连，连接器的外导体与接地面(101)连接；在第一弓形辐射单元(103)与第二反形辐射单元(104)之间的耦合缝隙上设置有加载电抗元件的结构；所述的第一弓形辐射单元(103)与微带传输线(102)直接相连馈电；所述的第三C形辐射单元(105)与第一弓形辐射单元(103)直接相连馈电；所述的第二反形辐射单元(104)通过与第一弓形辐射单元(103)之间的缝隙进行耦合馈电；所述的第四反C形辐射单元(106)与第二反形辐射单元(104)直接相连馈电。
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