CN109286075B - 差分馈电的平面倒f型天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种差分馈电的平面倒F型天线，包括：开有间隙的辐射片，间隙将辐射片分割成两个部分，辐射片设置在介质板一侧；金属地设置在介质板另一侧，提供接地信号；金属化孔分别设置于辐射片的两个部分，将辐射片与金属地连接；天线接口的外导体与金属地相连，内导体穿过介质板分别与辐射片的两个部分相连以输入差分信号。本发明通过引入间隙和对称结构在天线尺寸不变的情况下将传统的平面倒F型天线由单端口改造为差分馈电，去除了倒F型天线单端口到差分端口的转换电路，提高了射频前端的集成度，同时改善了天线的辐射性能。

Description

差分馈电的平面倒F型天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体地，涉及一种差分馈电的平面倒F型天线。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，紧凑、高度集成化的射频前端产品已经逐渐成为无线通信系统的设计主流。由于平衡式的差分电路具有线性度高、抗干扰性能强、动态范围大且抑制谐波的优点，射频前端芯片常常采用差分电路设计。传统天线通常采用单端口馈电的设计方案。如果将传统天线直接用于差分系统中，则需要增加巴伦或反相功分器连接非平衡电路和平衡电路，实现单端口信号到差分信号之间的转换以适应不同阻抗的差分芯片。这将带来额外的插入损耗，降低整个射频前端系统的集成度。如果直接采用差分馈电天线，则天线可以直接连接到射频前端，使得整个系统更加紧凑，提高传输效率。此外，结构完全对称的差分天线具有稳定并高度对称的方向图，天线交叉极化方向上的电流在远场区域形成的电场相互抵消，具有更高的交叉极化抑制度。

现有的差分天线设计中，通常采用工作在基模的偶极子或微带天线，天线尺寸约为半个波长。相较于偶极子和微带天线，工作在基模的平面倒F型天线为四分之一波长，具有更加紧凑的结构尺寸。然而，传统的平面倒F型天线多采用单个探针或金属片馈电，其阻抗可随着馈电位置进行调节，这是一种单端口馈电方式，导致天线不能直接与射频前端的差分芯片连接。如果改用差分馈电，需要对平面倒F型天线进行重新设计。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种差分馈电的平面倒F型天线及其小型化结构。

根据本发明提供的一种差分馈电的平面倒F型天线，包括：

开有间隙(3)的辐射片(2)，所述间隙(3)将所述辐射片(2)分割成两个部分，所述辐射片(2)设置在介质板(1)一侧；

金属地(4)，设置在介质板(1)另一侧，提供接地信号；

金属化孔(5)，分别设置于所述辐射片(2)的两个部分，将辐射片(2)与金属地(4)连接；

天线接口(6)，外导体与金属地(4)相连，内导体穿过所述介质板(1)分别与辐射片(2)的两个部分相连以输入差分信号。

较佳的，所述辐射片(2)为矩形，被所述间隙(3)分割成关于所述辐射片(2)中心对称的两个部分。

较佳的，所述间隙(3)为直线或折线，所述间隙(3)的宽度小于所述辐射片(2)的宽度。

较佳的，所述金属地(4)为一块完整的金属。

较佳的，所述金属化孔(5)分为关于所述辐射片(2)中心点对称的两排，分别沿间隙(3)两侧的辐射片(2)末端起排列。

较佳的，所述天线接口(6)的两个馈电点即所述内导体与所述辐射片(2)的连接点关于所述辐射片(2)中心对称。

较佳的，采用石墨烯片替代所述金属化孔(5)。

较佳的，所述平面倒F型天线的工作频率与所述间隙(3)宽度成正相关关系。

较佳的，所述平面倒F型天线的工作频率与所述间隙(3)向所述金属化孔(5)偏折的距离成负相关关系。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明在不改变天线尺寸的情况下引入差分接口，去除了传统差分馈电芯片外围电路中从差分到单端的变换电路和阻抗匹配电路。相较于同尺寸的传统平面倒F型天线，本发明具有更高的增益和更低的交叉极化，在保留传统平面倒F型天线低剖面、易匹配、低成本等优点的同时，可方便地与不同阻抗的差分馈电芯片直接集成，适用于无线通信系统中高集成度要求的射频前端。

通过改变间隙宽度和形状可以实现天线的频率调节和小型化，进一步提升了天线的设计灵活度和实用性；通过利用石墨烯片代替金属化孔连接辐射片和金属地，进一步实现了天线的工作频率可重构。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为差分馈电的平面倒F型天线物理示意图；

图2为差分馈电的平面倒F型天线小型化结构物理示意图；

图3为可调谐型差分馈电的平面倒F型天线小型化结构物理示意图；

图4为差分馈电的平面倒F型天线S参数仿真结果；

图5为差分馈电的平面倒F型天线小型化结构S参数仿真结果；

图6为差分馈电的平面倒F型天线间隙宽度对工作频率的影响；

图7为差分馈电的平面倒F型天线小型化结构间隙曲折距离对工作频率的影响；

图8为差分馈电的平面倒F型天线方向图；

图9为差分馈电的平面倒F型天线小型化结构方向图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明专利中介质板1为介电常数为4.4，损耗角正切为0.02的FR-4正方型介质，介质板大小为50mm*50mm*0.8mm。差分馈电的平面倒F天线中辐射片大小为12.5mm*12.5mm，对应的小型化结构中辐射片尺寸为10mm*10mm。如果工作频率改变的话，辐射片大小尺寸或介质板也应作出相应的改变。

如图1所示，本发明提供的差分馈电的平面倒F型天线由介质板1、辐射片2、金属地4、金属化孔5以及天线接口6五部分组成。

辐射片2(发射电磁波能量)和金属地4(提供接地信号)分别位于介质板的上下两侧，辐射片2大小为12.5mm*12.5mm被宽度为0.2mm的间隙3分割成两个中心对称的部分。天线的工作频率主要有辐射片2沿间隙3方向的长度和介质板1参数决定。间隙3为直线或折线型，间隙3宽度远小于矩形辐射片2宽度。介质板1的形状可依据具体应用及外壳设计，可为长方型、正方型或是其他任意形状。

间隙3两侧的辐射片2沿末端起各设置一排金属化孔5，将辐射片2与金属地4连接，调节金属化孔5的长度可以调节天线的带宽和频率。

金属地4为一块完整的金属，其上开孔以供天线接口6馈电。

天线接口6外导体连接到金属地4，内导体穿过介质板1分别连接到间隙3两侧的辐射片2上且馈电位置关于辐射片2的中心点对称，以输入差分信号。通过调整馈电点到金属化孔的距离可以实现不同的差分输入阻抗以匹配不同的差分芯片。

调节天线接口6馈电位置、介质板1厚度以及介电常数可以改变天线的差分输入阻抗以匹配不同的差分芯片。

通过采用差分馈电，去除了单端口到差分的转换电路和匹配电路，提升了天线的可集成度。此外本发明相较于传统平面倒F型天线在同等尺寸下具有更低的交叉极化和更高的增益，天线的辐射特性相较于传统设计有很大提高。

图1所述差分馈电的平面倒F型天线及图2所述小型化结构对应模拟的反射参数分别如图4和图5所示。

图1所述差分馈电的平面倒F型天线中间隙3的宽度对天线谐振频率的影响如图6所示。平面倒F型天线的工作频率与间隙3宽度成正相关关系。通过改变间隙3的宽度可以在不改变辐射片2尺寸的情况下实现天线谐振频率调节，增加设计的灵活度。当间隙3的宽度增加时，天线工作频率上升。

由图2所示，改变间隙3形状可以在不改变辐射片2尺寸的情况下实现天线谐振频率的调节，当间隙3与金属化孔5距离减小时，天线谐振频率下降，从而工作在相同频率下的天线尺寸减小，可用于实现天线的小型化。

图2所述小型化结构中间隙向金属化孔偏折的距离s对天线反射系数的影响如图7所示。平面倒F型天线的工作频率与间隙3向所述金属化孔5偏折的距离s成反相关关系。距离s增加时，天线谐振频率下降，可用于实现天线的小型化。

图1所述差分馈电的平面倒F型天线及图2所述小型化结构对应模拟的方向图分别如图8和图9所示。

由图3所示，在毫米波或更高频段，通过采用石墨烯片7代替间隙两侧辐射片末端的金属化孔，未加偏置时，石墨烯电导率虚部为负值呈现感性，使得天线谐振频率下降，进而实现小型化。通过改变辐射片上的直流偏置可以控制石墨烯片7的化学式，进而改变石墨烯片的分布电感，实现天线的工作频率可调。

通过改变间隙宽度和形状可以实现天线的频率调节和小型化，进一步提升了天线的设计灵活度和实用性。采用石墨烯片替代金属化孔连接辐射片和金属地时，还可以进一步实现天线的工作频率可重构。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种差分馈电的平面倒F型天线，其特征在于，包括：

开有间隙(3)的辐射片(2)，所述间隙(3)将所述辐射片(2)分割成两个部分，所述辐射片(2)设置在介质板(1)一侧；

金属地(4)，设置在介质板(1)另一侧，提供接地信号；

金属化孔(5)，分别设置于所述辐射片(2)的两个部分，将辐射片(2)与金属地(4)连接；

天线接口(6)，外导体与金属地(4)相连，内导体穿过所述介质板(1)分别与辐射片(2)的两个部分相连以输入差分信号；

所述辐射片(2)为矩形，被所述间隙(3)分割成关于所述辐射片(2)中心对称的两个部分；

所述间隙(3)为直线或折线，所述间隙(3)的宽度小于所述辐射片(2)的宽度；

所述金属化孔(5)分为关于所述辐射片(2)中心点对称的两排，分别沿间隙(3)两侧的辐射片(2)末端起排列。

2.根据权利要求1所述的差分馈电的平面倒F型天线，其特征在于，所述金属地(4)为一块完整的金属。

3.根据权利要求1所述的差分馈电的平面倒F型天线，其特征在于，所述天线接口(6)的两个馈电点即所述内导体与所述辐射片(2)的连接点关于所述辐射片(2)中心对称。

4.根据权利要求1所述的差分馈电的平面倒F型天线，其特征在于，采用石墨烯片替代所述金属化孔(5)。

5.根据权利要求1所述的差分馈电的平面倒F型天线，其特征在于，所述平面倒F型天线的工作频率与所述间隙(3)宽度成正相关关系。

6.根据权利要求1所述的差分馈电的平面倒F型天线，其特征在于，所述平面倒F型天线的工作频率与所述间隙(3)向所述金属化孔(5)偏折的距离成负相关关系。

7.根据权利要求1所述差分馈电的平面倒F型天线，其特征在于，采用石墨烯片替代间隙两侧的辐射片末端的金属化孔(5)时，天线工作频率随辐射片(2)上叠加直流偏置大小变化。

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