CN110247183A - 一种用于5g通信的小型双频宽带贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于5G通信的小型双频宽带贴片天线，包括介质基板、设置在介质基板上表面的金属涂覆层、设置在介质基板下方的空气介质层、设置在空气介质层中的L型馈电探针、设置在空气介质层下方的接地板；介质基板为环氧树脂材料，金属涂覆层由两组四叶草形状的环形缝隙和周边螺旋结构组合而成。本发明的贴片天线工作在2.51 GHz至2.66 GHz和3.05 GHz至4.2 GHz的工作频段，覆盖当前5G通信的主要频段。贴片天线结构简单，频带宽，增益高，体积小，成本低，易于制造。贴片天线的综合性能优异，有利于未来5G移动通信的大规模应用。

Description

一种用于5G通信的小型双频宽带贴片天线
技术领域
本发明涉及5G通信贴片天线，具体涉及一种用于5G通信的多层小型双频宽带贴片天线。
背景技术
目前，随着无线通信技术的发展，人们对无线通信有了更高的要求。现在的4G通信技术已经不能满足人们的需要，而新一代5G通信技术将会应用在云计算，物联网，无人驾驶等方面，给成千上万的用户带来更快速、更便捷的用户体验。天线作为5G通信系统的重要组成部分，其结构和性能的好坏直接影响着整个通信系统的性能。一款结构简单，体积紧凑，经济低廉且有着宽带的天线更是在5G通信系统中扮演者重要的角色。另外由于5G技术的发展，人们对通信系统的天线尺寸也提出了更高的要求。因此，在不影响天线其他性能的前提下，小型化多频段宽带天线在未来有着广阔的应用前景。
由于具有成本低、重量轻、易于制造等优点，微带贴片天线可以应用在5G天线设备中。但是常规的微带贴片的带宽比较窄，只有0.6%~3%，不能满足实际需要。
发明内容
本发明针对上述问题，提供了一种应用于5G通信的贴片天线，旨在解决现有同轴馈电贴片天线存在的尺寸过大、频带较窄、在实现小型化双频段和带宽的同时增益较低以及制作复杂的问题。
本发明采用的技术方案为：一种用于5G通信的小型双频宽带贴片天线，包括介质基板、设置在介质基板上表面的金属涂覆层、设置在介质基板下方的空气介质层、设置在空气介质层中的L型馈电探针、设置在空气介质层下方的接地板；介质基板为环氧树脂材料，金属涂覆层由两组四叶草形状的环形缝隙和周边螺旋结构组合而成。
进一步地，所述用于5G通信的小型双频宽带贴片天线用于两个宽频带，分别为2.51GHz ～ 2.66GHz和3.06GHz ～4.2GHz。
更进一步地，所述空气介质层的厚度为10mm。
更进一步地，所述两组四叶草形状的环形缝隙的宽度均为1mm，两组缝隙的间距为1mm。
更进一步地，所述用于5G通信的小型双频宽带贴片天线为方形结构。
更进一步地，所述介质基板为用以减小天线的尺寸的介质基板。
本发明的优点：
本发明使用小型化技术降低了贴片天线整体尺寸，边长只有38mm，使其满足现代通信设备小型化的需要；
选用的材质为环氧树脂，不仅取材方便价格低廉还易于加工便于大规模生产制造；
仿真和实测数据证明，本发明设计的贴片天线拥有很好的带宽，天线仿真使用的是Ansoft HFSS 15.0 仿真软件有限元算法，天线实测使用的是矢量网络分析仪；
本发明具有10mm的空气介质层，通过减低天线介质基板的介电常数增加天线增益；
本发明通过表面开槽产生多个谐振频点，并与L型探针馈电结合展宽带宽，使带宽达到30%；
本发明金属涂覆层表面具有螺旋结构，使天线的尺寸进一步缩小；
本发明的用于5G通信的多层小型双频宽带贴片天线覆盖目前5G通信的3GHz-4GHz低频波段，另外由于所设计的贴片天线在2.51G-2.66G频段有大约150M的带宽。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1 是本发明实施例的用于5G通信的小型双频宽带贴片天线的金属涂覆层的结构示意图；
图2 是本发明实施例的用于5G通信的小型双频宽带贴片天线的电路参数S11 仿真结果图；
图3 是本发明实施例的用于5G通信的小型双频宽带贴片天线的电压驻波比仿真结果图；
图4 是本发明实施例的用于5G通信的小型双频宽带贴片天线的增益仿真结果图；
图5 本发明实施例的用于5G通信的小型双频宽带贴片天线在3.8GHz的EH 面方向图的仿真图；
图6是本发明实施例的用于5G通信的小型双频宽带贴片天线在3.8GHz的EH 面方向图的实测图；
图7 是本发明实施例的用于5G通信的小型双频宽带贴片天线的电路参数S11 实测结果图；
图8 是本发明实施例的用于5G通信的小型双频宽带贴片天线的不同L型馈电探针半径R的影响图；
图9 是本发明实施例的用于5G通信的小型双频宽带贴片天线的不同L型馈电探针高度的影响图；
图10 是本发明实施例的用于5G通信的小型双频宽带贴片天线的总体结构示意图；
图11 是本发明实施例的用于5G通信的小型双频宽带贴片天线的主视图；
图12 是本发明实施例的用于5G通信的小型双频宽带贴片天线的侧视图；
图13 是本发明实施例的用于5G通信的小型双频宽带贴片天线的空气介质层内部的结构示意图。
附图标记：
1为金属涂覆层、2为介质基板、3为空气介质层、4为L型馈电探针。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1、图10至图13，如图1、图10至图13所示，一种用于5G通信的小型双频宽带贴片天线，包括介质基板、设置在介质基板上表面的金属涂覆层、设置在介质基板下方的空气介质层、设置在空气介质层中的L型馈电探针、设置在空气介质层下方的接地板；介质基板为环氧树脂材料，金属涂覆层由两组四叶草形状的环形缝隙和周边螺旋结构组合而成。
所述用于5G通信的小型双频宽带贴片天线用于两个宽频带，分别为2.51GHz ～2.66GHz和3.06GHz ～4.2GHz。
所述空气介质层的厚度为10mm。
所述两组四叶草形状的环形缝隙的宽度均为1mm，两组缝隙的间距为1mm。
所述用于5G通信的小型双频宽带贴片天线为方形结构。
所述介质基板用以减小天线的尺寸。
设置有两个四叶草形状的环形缝隙，通过表面开槽增加天线的谐振点。其中，缝隙的宽度为1mm，两个缝隙的间距为1mm。
所述表面金属涂覆层的四周变为螺旋结构，由于增加了电流的等效路径使得天线的体积减小。
采用L型探针馈电增加天线的阻抗匹配，使天线的带宽展宽。
在L型探针层增加10mm厚的空气层，来增加介质基板的增益。
使用双层上方涂覆有金属的环氧树脂的介质基板来进一步减小天线的尺寸。
首先用介质基板为环氧树脂材料减小天线的尺寸，主要是因为环氧树脂的介电常数为4.4，而空气的介电常数为1，介电常数越低则贴片天线的几何尺寸越大，通过两种不同介电常数的介质组合，会增大整体的的等效介电常数，这样就可以减少天线的几何尺寸。另外，天线尺寸的缩减还因为在天线的表面进行了开槽处理，增加了天线的等效电流路径，这也可以使天线的等效尺寸减小。由于开槽的同时又产生了多个谐振点，再配合探针馈电就实现了宽带多频。
传统的贴片天线的带宽比较窄，采用L型探针馈电的作用是可以有效实现天线的阻抗匹配，从而增加了天线的带宽。
在实现天线小型化双频段和带宽的同时，贴片天线在3GHz-4GHz的频段增益达到了5dBi左右。
所述的方形贴片天线使用介电常数并且具有切线损耗角为的FR4材料用作介电基板。介质基板的边长为Ws=38mm，高度为H=1.6mm，天线的边长为Wp=38mm 。如图1所示。贴片天线最里面的四叶草形缝隙的半径为R1=2mm，外面四叶草形缝隙的半径为R2=4mm，两个四叶草形缝隙的间距为D=1mm，连接两个四叶草形状贴片的两个正交矩形贴片的宽度为WL=1mm。外部的的螺旋结构的辐射条的宽度为Wf=1.2mm，辐射条缝隙为Wd=1.1mm。其他贴片天线的参数如表1所示：
表1 用于5G通信的小型双频宽带贴片天线的具体参数
W2 、W3、W4分别为阶梯型矩形槽TXW2、TXW3、TXW4的长度，分别为1mm，3mm，5mm。
W1是在天线表面开的阶梯型矩形槽TXW2、TXW3距离周围螺旋形缝隙的距离，为0.4mm；L1是在天线表面开的阶梯型矩形槽TXW4距离周围螺旋形缝隙的距离，为0.4mm。
为阶梯型矩形槽TXW2、TXW3、TXW4的宽度，为1mm。
Point是探针馈电点距离中心的距离。
为探针的探头长度，为空气介质层的高度，为探针的高度。
图2 是本发明实施例的可用于5G通信的多层小型双频宽带贴片天线的电路参数S11 仿真结果。由图2 可见，在2.51～ 2.66GHz 频段内S11在-10dB 以下，有150M左右的带宽。在3.06～ 4.2GHz 频段内S11均在-10dB 以下，其相对带宽大于30％。
图3 是本发明实施例的可用于5G通信的多层小型双频宽带贴片天线的电压驻波比的仿真结果。由图3 可见，在2.51～ 2.66GHz 频段内，和在3.06～ 4.2GHz 频段内VSER在2以下，整个天线的驻波比较好。
图4 是本发明实施例的可用于5G通信的多层小型双频宽带贴片天线的增益的仿真结果。由图4 可见，天线的增益在5dBi左右，在实现小型化双频段和宽带的同时天线的增益比较高，满足实际需要。
图5 是本发明实施例的可用于5G通信的多层小型双频宽带贴片天线在3.8GHz的E面和H面的方向图的仿真结果。如图5 所示，P1 为天线的E面方向图，P2 为天线的H面方向图。E面是指与电场方向平行的方向图切面；H面是指与磁场方向平行的方向图切面。
图6是本发明实施例的可用于5G通信的多层小型双频宽带贴片天线在3.8GHz的E面和H面的方向图的实际测量结果。如图6 所示，P1 为天线的E面方向图，P2 为天线的H面方向图。通过与图5的方向图的仿真结果作对比，可以看出实测结果与仿真结果相吻合，说明了所设计的天线满足实际应用的需求。
图7是本发明实施例的可用于5G通信的多层小型双频宽带贴片天线的电路参数S11 仿真结果。实验结果表明，阻抗带宽大于30%。考虑到在实际天线制作过程中，由于采用手工制作和焊接L型馈电探针，其精度不高，引入了较大的加工误差。因此可以认为实测和模拟的工作频率吻合较好。
图8 是本发明实施例的可用于5G通信的多层小型双频宽带贴片天线的不同L型馈电探针半径R对谐振频率的影响。结果发现，L型探针的半径主要对2.5GHz左右的谐振频率有影响，而对3GHz到4GHz的谐振频率的影响较小。
图9 是本发明实施例的可用于5G通信的多层小型双频宽带贴片天线的不同L型探针的高度对谐振频率的影响。可以看出L型探针的高度对天线的频率影响比较明显，因为L型探针本身相当于一个匹配的电容和电感，通过增强阻抗匹配来实现带宽的增加。
通过对本发明提供的用于5G通信的多层小型双频宽带贴片天线仿真和测量结果对比分析，本发明用于5G通信的最终小型超宽带贴片天线工作在2.51 GHz至2.66 GHz和3.05 GHz至4.2 GHz的工作频段，覆盖当前5G通信的主要频段。 另外，贴片天线结构简单，频带宽，增益高，体积小，成本低，易于制造。贴片天线的综合性能优异，有利于未来5G移动通信的大规模应用。
本发明的贴片天线采用若干层结构与L型探针馈电组合，采用曲流技术、多层技术和L型探针馈电等多种技术组合来实现天线的小型化、双频段和宽带；所述贴片天线覆盖了目前5G通信的3GHz-4GHz的低频波段并且在2.51GHz ～ 2.66GHz的频段有着150M的带宽，这为有些国家和地区释放原有通信频段用于5G通信提供了可能。
本发明使用小型化技术降低了贴片天线整体尺寸，边长只有38mm，使其满足现代通信设备小型化的需要；
选用的材质为环氧树脂，不仅取材方便价格低廉还易于加工便于大规模生产制造；
仿真和实测数据证明，本发明设计的贴片天线拥有很好的带宽，天线仿真使用的是Ansoft HFSS 15.0 仿真软件有限元算法，天线实测使用的是矢量网络分析仪；
本发明具有10mm的空气介质层，通过减低天线介质基板的介电常数增加天线增益；
本发明通过表面开槽产生多个谐振频点，并与L型探针馈电结合展宽带宽，使带宽达到30%；
本发明金属涂覆层表面具有螺旋结构，使天线的尺寸进一步缩小；
本发明的用于5G通信的多层小型双频宽带贴片天线覆盖目前5G通信的3GHz-4GHz低频波段，另外由于所设计的贴片天线在2.51G-2.66G频段有大约150M的带宽。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于5G通信的小型双频宽带贴片天线，其特征在于，包括介质基板、设置在介质基板上表面的金属涂覆层、设置在介质基板下方的空气介质层、设置在空气介质层中的L型馈电探针、设置在空气介质层下方的接地板；介质基板为环氧树脂材料，金属涂覆层由两组四叶草形状的环形缝隙和周边螺旋结构组合而成。
2.根据权利要求1所述的用于5G通信的小型双频宽带贴片天线，其特征在于，所述用于5G通信的小型双频宽带贴片天线用于两个宽频带，分别为2.51GHz ～ 2.66GHz和3.06GHz～4.2GHz。
3.根据权利要求1所述的用于5G通信的小型双频宽带贴片天线，其特征在于，所述空气介质层的厚度为10mm。
4.根据权利要求1所述的用于5G通信的小型双频宽带贴片天线，其特征在于，所述两组四叶草形状的环形缝隙的宽度均为1mm，两组缝隙的间距为1mm。
5.根据权利要求1所述的用于5G通信的小型双频宽带贴片天线，其特征在于，所述用于5G通信的小型双频宽带贴片天线为方形结构。
6.根据权利要求1-5任一所述的用于5G通信的小型双频宽带贴片天线，其特征在于，所述介质基板为用以减小天线的尺寸的介质基板。
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