CN109462012B - 一种加载半圆形梳状嵌套结构单元阵列的平面单极子天线 - Google Patents

一种加载半圆形梳状嵌套结构单元阵列的平面单极子天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种加载新型半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的小型化低频段的印刷单极子天线。其中，新型开口谐振单元阵列是直接加载在下层接地面的3×2新型半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列，属于平面印刷结构。因其开口谐振单元结构中的梳状嵌套结构和中心缝隙的存在使得天线整体结构紧凑，并有利于与天线上层的印刷单极子结构耦合形成多个不同谐振模式，对应获得不同的谐振频率用来展宽天线频带。同时，加载半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列基本不影响天线本身的辐射特性。经仿真和实际测试分析，其实测频带为3.43‑4.54GHz和5.36‑5.73GHz，其频带宽度已经覆盖TDD‑LTE B42/43,WLAN 802.11a(5.470‑5.725GHz)。

Description

一种加载半圆形梳状嵌套结构单元阵列的平面单极子天线
技术领域
本发明提出了一种加载新型半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的低频段的平面印刷单极子天线，属于电磁波与接收技术领域。
背景技术
随着社会科技和制作工艺的提高，一些移动终端设备开始追求实物体积越来越小，覆盖频段范围越来越高及功能越来越多样化的特点。比如，手机中经常采用PIFA天线(Planar Inverted F Antenna，平面倒F 天线)来满足实际要求，但PIFA天线的辐射特性受天线高度的影响很大，往往导致天线频带变窄和辐射效率降低的结果。
单极子天线是另一种被广泛应用的宽带天线种类。它具有成本低，易于制造，频带宽等特点。为了使单极子天线拥有更宽的频带及更好的辐射特性，通常采用在地面开槽或者添加寄生单元的方法达到要求。而现有提出的寄生单元结构都是一些简单的多边形，比如矩形或者弯曲的条带，大多只能产生一个特定的谐振频率。因此，本发明从开口谐振单元结构作为一种寄生单元结构的思路出发，设计出可以同时产生多个谐振频率的半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元，加载至单极子天线结构中实现频带展宽。
发明内容
为设计在低频段实现小型化以及产生多个谐振频率点来拓展带宽，能够适应中国未来5G网络频段，本发明涉及一种基于半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元的平面印刷单极子天线。可使得单极子天线在类似一元硬币大小的体积下，达到频带为3.43-4.54GHz和5.36-5.73GHz，覆盖TDD-LTE B42/43,WLAN 802.11a(5.470-5.725GHz)。
1.本发明的具体实现措施
基于新型半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的平面印刷单极子天线可应用在无线移动通信系统和中国未来的5G标准频段的目标，其实现方法为：
该平面印刷单极子天线是包括辐射主体，馈电主体，半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列和介质基板四个部分。其中，在天线的辐射面采用的是不对称的单极子结构，辐射主体和馈电主体上边缘相互连接，而辐射单元相对馈电主体宽度略微突出一部分，用来实现天线的阻抗匹配。接地面采用的是3×2的半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列和额外的一个金属印刷面组成。天线的介质基底采用相对介电常数为4.4，正切损耗为0.02的FR4材料。
所述的馈电主体和辐射主体均为矩形贴片，如图1(a)所示，其具体参数为(mm)：W＝31,L＝31.5, PW＝4.45,PL＝20,PL1＝10,MW＝3.2。
所述的接地面是由3×2的半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列和一块金属印刷平面组成，如图 1(b)所示，金属印刷面的具体尺寸为(mm)：GL＝27.5,GW＝6.6,LG＝2。
所述的地面开口谐振单元阵列为3×2半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列。其中，一个嵌套结构的开口谐振单元由4个梳状结构组成，每一个梳状结构由7条细长矩形条带沿外圆环的内侧壁水平排列而成。半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元如图1(c)所示，其具体尺寸为(mm)：W1＝10.5,RO＝5,Ri＝ 3.8,LC＝3,WC＝0.2,S＝0.6,angle＝5°。
2.本发明与现有的天线结构相比，优点如下：
(1)本发明提出的半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元，可产生多个电容特性并使得单元结构紧凑；与介质上层的单极子的相互耦合之下，能够形成多个谐振频率用来扩展天线的带宽。
(2)本发明提出平面印刷单极子天线，其辐射性能在加载谐振单元阵列后基本保持不变，并可以通过调节接地面的圆形嵌套开口谐振单元阵列分布来调整频带范围；能够在小型化下实现低频段的目的，其带宽覆盖TDD-LTE B42/43,WLAN 802.11a(5.470-5.725GHz)。
(3)本发明的平面印刷单极子结构体积小，适用于便携设备；结构简单，易于加工，可以使用印制电路板进行大量制作。
3.本发明的原理如下：
对于平面印刷单极子天线，理论上可以采用传输线模型来分析。单极子的长度可近似为半波长，宽度为W，介质基片的厚度为h，其谐振频率的波长为λ。可以将辐射贴片，介质基片和接地板视为一段长度为λ/2的低阻抗微带传输线，在传输线的两端断开形成开路。由于单极子长度约为半波长，所以在两端的开路端的电场的垂直分量的方向相反，水平分量方向相同，在边缘形成辐射。同时，接地面上加载的半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列，可以与介质上层的单极子印刷平面耦合形成微带传输线模型，其谐振单元多缝隙的特点耦合形成多个谐振频率，使得单极子天线的频带得以展宽。
附图说明
图1为提出的新型半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的平面印刷单极子天线的结构示意图，其中图(a)为天线介质上层的平面印刷单极子结构图，图(b)为天线介质下层接地面的结构示意图，包括3×2的新型半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列和额外部分的金属印刷面，(c)为单个半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元的结构示意图。
图2为未加载谐振单元阵列的平面印刷单极子天线结构示意图。其中图(a)为平面印刷单极子天线正面结构图，图(b)为平面印刷单极子天线的接地面结构示意图。
图3为具有3×2排列的四种不同圆形谐振单元组成的接地面结构示意图，其单元结构由简单向半圆形梳状嵌套开口结构转变。
图4为加载四种不同圆形谐振单元结构阵列的平面印刷单极子天线的反射系数结果对比图。从图中看出，加载圆环形谐振单元后的天线谐振频率明显下降，频段向低频移动；而加载具有梳状嵌套结构谐振单元的天线，其第二频带出现，且第一频带继续向低频移动；最后加载半圆环形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的天线，第一频带的带宽明显展宽并且其最小频点低至3.11GHz，第二频带宽度基本保持不变。
图5为平面印刷单极子天线和加载半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的平面印刷单极子天线的增益和辐射效率对比图。从图中可以看出，加载单元阵列后的单极子天线的增益相比典型单极子天线的增益有所增加，辐射效率可维持在80％左右。
图6为平面印刷单极子天线和加载半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的单极子天线的辐射特性对比图。从图中可以看出，加载了半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的天线方向图与其原来相比没有发生明显变化。可以得出，半圆形嵌套开口谐振单元阵列可以在保持天线本身的辐射方向特性下，达到天线展宽的目的。
图7是实际测试制作的平面印刷单极子天线和加载半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的平面印刷单极子天线的实物图。
图8为平面印刷单极子天线和加载半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的平面印刷单极子天线的反射系数仿真值和实测值的对比图。从图中可以看出，仿真结果和测试结果相符，验证了仿真结果的正确性。
具体实施方式
通过下面具体的实施方式进一步阐明本发明的特点和显著进步。
第一步，选择一款典型的平面印刷单极子天线作对比。获得典型的印刷单极子天线的频带，增益，方向图的基本特征，为进一步拓展天线的增益和带宽做分析和比较。选择制作工艺中最常用的FR4材料作为介质基底，对此天线的特性进行研究分析。如图1和图2结构，二者相应的尺寸参数均相同。
第二步，设计半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列。其嵌套开口谐振单元应满足如下要求：单元结构要具有紧凑的特点，还要尽可能多和单极子结构耦合产生多个谐振频率。谐振单元从最简单的圆环结构开始，在圆环中添加梳状结构，用一条沟槽平分圆形谐振单元，形成半圆环形梳状嵌套结构的开口谐振单元，使得开口谐振单元拥有多个缝隙可以产生多个谐振模式。
第三步，仿真计算四种谐振单元阵列情况下的平面印刷单极子天线的反射系数图，分析结果。根据图 4可知，添加圆环结构的谐振单元阵列的平面印刷单极子天线的带宽基本没有改变，但频带向低频移动，并在6GHz处有第二频带产生的趋势。在圆环中加载嵌套结构之后，其天线的第二频带的谐振频率向低频移动，在5.2GHz处出现第二频带。之后加入一个中心沟槽形成半圆形梳状嵌套结构开口谐振单元后，其天线的第一频段带宽明显增加，低频点向更低频移动，第二频段基本保持不变。满足了圆形谐振单元扩展天线频带带宽并实现天线结构小型化的目标。
第四步，计算未加载和加载半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的平面单极子天线的增益、辐射效率和方向图特性，进行比较分析。根据图5和图6可知，加载半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列可以有所提高天线的增益，同时又基本不会影响天线原有的辐射效率和辐射方向性。
第五步，加工制作天线，验证仿真结果的正确性。通过加工制造成型，可知天线的实际尺寸仅如一元硬币大小。用网络分析仪测量天线的反射系数，如图8可知，天线的仿真结果和测试结果相符，其实际带宽为3.43-4.54GHz和5.36-5.73GHz。仿真结果的正确性得以验证，其带宽可以覆盖TDD-LTE B42/43, WLAN 802.11a(5.470-5.725GHz)。

Claims (3)

1.一种加载半圆形梳状嵌套结构单元阵列的平面单极子天线，包括辐射主体，馈电主体，半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列在内的接地面和介质基板四个部分，其特征在于：
所述的辐射主体为其一侧边与馈电主体齐平而另一侧边较馈电主体略宽的矩形贴片结构，其下边缘与馈电主体连接，并与馈电主体均位于介质基板的上表面；
所述的半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元是由两个半圆形梳状嵌套结构单元相距一定距离对称排布构成的开口圆结构，其中的半圆形梳状嵌套结构单元是由两个梳状结构沿半圆环内侧壁对称嵌套构成的半圆结构，梳状结构是由7条相互平行的矩形条以5°为圆心旋转角度、以圆环外壁半径R0为轴沿半圆环内侧壁等弧长距离排列构成的梳齿结构；
所述的半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元形成3×2的开口谐振单元阵列，与下端一块矩形贴片组成接地面，二者均位于介质基板的下表面；
所述的单极子天线结构整体为一层介质基板的平面印刷结构。
2.根据权利要求1所述的加载半圆形梳状嵌套结构单元阵列的平面单极子天线，其特征在于:
所述的一个半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元中的两个半圆形梳状嵌套结构单元之间的间距S为0.6mm，半圆形梳状嵌套结构单元中的圆环外壁半径R0为5mm，内壁半径Ri为3.8mm，梳状结构中的矩形条长Lc为3mm，矩形条宽Wc为0.2mm。
3.根据权利要求2所述的加载半圆形梳状嵌套结构单元阵列的平面单极子天线，其特征在于：
一个梳状结构中的相互平行的矩形条之间的等弧长间距、一个半圆形梳状嵌套结构中的两个沿半圆环内侧壁对称嵌套的梳状结构之间的间距和一个半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元中的两个半圆形梳状嵌套结构单元之间的间距，这三种结构的间距数值中的任二者比较是互不相同的；
所述的加载半圆形梳状嵌套结构单元阵列的平面单极子天线的工作频段展宽为3.43-4.54GHz和5.36-5.73GHz两个工作频段，并且覆盖TDD-LTE B42/43和WLAN 802.11a频段。
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