CN110739545A - 一种具有高效率高增益的双频段电小天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有高效率高增益的双频段电小天线。本发明包括介质基板、等效地端、短共面波导、馈电端口、适当延伸的馈电小棒、成对的拓展枝节；在介质基板的正面部分区域铺设金属作为等效地端，接着在等效地端的上边沿中间挖出一定深度的槽作为短共面波导，用来调节天线阻抗匹配，然后从短共面波导处适当延伸出一个馈电小棒，在馈电小棒两侧对称的位置放置成对的SRR结构。该电小天线通过在传统天线上加载成对的SRR结构，一方面减小天线的高度，实现小型化；另一方面克服了传统电小天线低辐射阻抗的缺点，提高了电小天线的辐射效率和增益。

Description

一种具有高效率高增益的双频段电小天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种具有高效率高增益的双频段电小天线，改善片上双频段电小天线的辐射效率、辐射电阻和辐射方向。
背景技术
随着通信技术的飞速发展，手机等通讯设备的体积变的越来越小，射频识别(RFID)的发展应用越来越成熟，作为这些应用的关键元件之一的天线也在朝着小型化方向发展。但是传统电小天线存在一些固有缺陷：
1、辐射效率低。由于电小天线电尺寸很小，因此其辐射电阻将降低，假定天线本身不存在损耗，尽管其辐射电阻降低，总可以通过适当办法消除天线的输入电抗成分，并变换其电阻为适当的数值使其与发射机或接收机匹配，从而有效完成能量转换功能。但遗憾的是，不仅天线本身存在热损耗，而且匹配电路也会引入损耗。当天线的辐射电阻很低时，这些损耗就会更加突出，从而降低了天线的辐射效率，因此对小天线来说，辐射效率低是其突出的问题。
2、工作频带窄。既然小天线相当于电容或电感，并且其电阻成分低，亦即其具有一定的高品质因数Q，而Q值反比于带宽，因此小天线的工作频带比较窄，这就意味着工作频带宽度也是在设计小天线中应当重视的问题。
提高电小天线辐射效率和增益的途径有：
1、提高辐射电阻，例如在天线结构中引入金属条，但这会引入一定的容感性，从而引起阻抗失配；
2、保证功率有效馈送到天线上，减少天线邻近物体及地面条件变化对天线的影响，例如在馈线端加入巴伦或者加入π型匹配电路，但这会增加成本且匹配级容易带来损耗，何况天线在实际应用中自身所处的环境并非理想。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述所提到的困难，正视挑战，克服电小天线低辐射阻抗和低辐射效率的缺点，满足无线通信设备对天线所提出的小型化，高增益，高效率的要求，提出了一种高辐射阻抗、效率及增益的片上双频段电小天线。
本发明包括介质基板(1)、等效地端(2)、短共面波导(6)、馈电端口(7)、适当延伸的馈电小棒(5)、成对的SRR拓展枝节；
在介质基板(1)正面上端留有部分空白区域作为天线系统的铺设区域，剩余下端区域铺设金属层，该金属层作为等效地端(2)。等效地端(2)靠近天线系统的铺设区域端中间挖有一定深度的槽作为短共面波导(6)，通过参数扫描得到合适的尺寸，用来调节天线阻抗匹配；
天线系统主要由两部分组成，一部分是从短共面波导(6)处适当延伸出的馈电小棒(5)，在等效地端(2)和馈电小棒(5)之间部分作为馈电端口(7)；另一部分是位于馈电小棒(5)两侧的四根SRR拓展枝节。
第一SRR拓展枝节(3-1)与第二SRR拓展枝节(3-2)关于馈电小棒(5)镜像对称，且结构大小相同。
第三SRR拓展枝节(4-1)与第四SRR拓展枝节(4-2)关于馈电小棒(5)镜像对称，且结构大小相同。
第一SRR拓展枝节(3-1)、第三SRR拓展枝节(4-1)均为向右翻转90°的L形结构，其中一端与等效地端(2)边沿垂直连接。
第二SRR拓展枝节(3-2)、第四SRR拓展枝节均为向左翻转90°的水平翻转后L形结构，其中一端与等效地端(2)边沿垂直连接。
第三SRR拓展枝节(4-1)位于第一SRR拓展枝节(3-1)的内侧。
第四SRR拓展枝节(4-2)位于第二SRR拓展枝节(3-2)的内侧。
第一SRR拓展枝节(3-1)、第三SRR拓展枝节(4-1)垂直于等效地端(2)端间的间距与第一SRR拓展枝节(3-1)、第三SRR拓展枝节(4-1)远离等效地端(2)端间的间距不等。
第二SRR拓展枝节(3-2)、第四SRR拓展枝节(4-2)垂直于等效地端(2)端间的间距与第二SRR拓展枝节(3-2)、第四SRR拓展枝节(4-2)远离等效地端(2)端间的间距不等。
第一SRR拓展枝节(3-1)、第三SRR拓展枝节(4-1)垂直于等效地端(2)端间的间距以及第二SRR拓展枝节(3-2)、第四SRR拓展枝节(4-2)垂直于等效地端(2)端间的间距均为0.5mm，距离太近会引入拓展枝节间的容性，太远则需要增加拓展枝节远离等效地端(2)那一段的长度，从而引起拓展枝节与馈电小棒(5)之间的容性，从而引起阻抗失配。
第一SRR拓展枝节(3-1)、第三SRR拓展枝节(4-1)远离等效地端(2)端间的间距以及第二SRR拓展枝节(3-2)、第四SRR拓展枝节(4-2)远离等效地端(2)端间的间距为1.5mm，距离太近会引入拓展枝节间的容性，太远则需要增加拓展枝节与等效地端(2)之间的容性，从而引起阻抗失配。
馈电小棒(5)的形状是不固定的，可以是简单的一条直线，也可以是一条曲线，还可以是一种复杂的天线结构，其主要作用在于馈电，把能量耦合到四根SRR拓展枝节上。
金属层厚度要求一般为35μm，它的面积大小会改变电流分布从而影响天线的阻抗匹配；
馈电小棒(5)在等效地端(2)外的长度L3+G8-G2与第一SRR拓展枝节(3-1)、第二SRR拓展枝节(3-2)的高度W1一致，与第三SRR拓展枝节(4-1)、第四SRR拓展枝节(4-2)的高度W3不一致。第一SRR拓展枝节(3-1)、第二SRR拓展枝节(3-2)的整体长度会引入电感，第一SRR拓展枝节(3-1)、第二SRR拓展枝节(3-2)之间存在一定的距离引入容性，从而形成SRR结构，产生LC谐振，SRR结构能够明显减小天线的尺寸，并且SRR结构远离等效地端(2)的一段金属，相当于引入了一段金属条，该金属条能够明显增加天线的辐射阻抗以达到提高效率的目的，同时，该金属条距离等效地端(2)足够远，不会对天线的整体容感性产生大的影响。第三SRR拓展枝节(4-1)、第四SRR拓展枝节(4-2)的整体长度会引入电感，第三SRR拓展枝节(4-1)、第四SRR拓展枝节(4-2)之间存在一定的距离引入容性，从而形成SRR结构，产生另外一个LC谐振，SRR结构能够明显减小天线的尺寸，并且SRR结构远离等效地端(2)的一段金属，相当于引入了一段金属条，该金属条能够明显增加天线的辐射阻抗以达到提高效率的目的，同时，该金属条距离等效地端(2)足够远，不会对天线的整体容感性产生大的影响。两对SRR结构形成了双频段。
两对SRR结构的引入会限制电磁波在某些方向的传播，使天线能够产生类似端射的特性，使电磁能量主要沿着垂直介质基板(1)的方向传播，从而提高了天线的增益。
通过调整第一SRR拓展枝节(3-1)、第二SRR拓展枝节(3-2)、第三SRR拓展枝节(4-1)、第四SRR拓展枝节(4-2)和馈电小棒(5)的长度来改变天线的谐振点，使其工作在所需的频段；
天线的馈电方式可以有多种，可以采用同轴馈电形式，也可以采用共面波导馈电形式，还可以采用微带线馈电形式，该天线采用的短共面波导馈电能够在不增加额外的匹配电路的基础上达到良好的阻抗匹配效果。
本发明具有的有益的效果是：
该天线可以显著提高传统电小天线的辐射阻抗，从而不需要额外的阻抗匹配电路就可以改善传统电小天线的辐射效率。该天线辐射的电磁能量主要是沿着垂直与介质基板(1)的方向传播的，与全向辐射的传统电小天线不同，该天线的增益得到了明显提高。由于该天线是平面结构，易于和PCB电路集成，而且其低剖面，结构简单，因此易加工，成本低，可批量生产，可广泛应用在移动手持终端设备中。
附图说明
图1是天线的整体结构示意图；
图2是天线的尺寸标注；
图3(a)、(b)分别是天线的侧视图和辐射方向；
表1是天线的具体尺寸大小；
图中：1.介质基板；2.金属地；3.第一对拓展枝节；3-1.第一拓展枝节；3-2.第二拓展枝节；4.第二对拓展枝节；4-1.第三拓展枝节；4-2.第四拓展枝节；5.单极子天线；6.短共面波导；7.馈电端口；8.辐射方向。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的优选实施方案步骤。
如图1、2所示，介质基板1的正面下方区域铺金属地2，天线位于介质基板1正面的无金属地空白区域，这里采用的是最简单的单极子天线5。然后从金属地2的左右两端沿着介质基板1正面空白区域分别向上延伸出的第一对拓展枝节3和第二对拓展枝节4。第一对拓展枝节3包括第一拓展枝节3-1、第二拓展枝节3-2，为向右翻转90°的L形结构；第二对拓展枝节4包括第三拓展枝节4-1、第四拓展枝节4-2，为向左翻转90°的水平翻转后L形结构。单极子天线5在金属地2外的长度与第一对拓展枝节3的长度一致，与第二对拓展枝节4的长度不一致，以便产生双频段。第一对拓展枝节3和第二对拓展枝节4关于单极子天线5对称，并且要保持一定距离，防止两者之间产生容感性。
第一拓展枝节3-1、第二拓展枝节3-2、第三拓展枝节4-1、第四拓展枝节4-2的线宽相同。
天线采用短共面波导馈电形式，以达到良好的阻抗匹配。
如表1所示，列出了天线结构的具体尺寸
表1
本发明方法的天线建模仿真在CST中进行，结构的相关尺寸如图2所示，先通过调节拓展枝节3的W1和L1和拓展枝节4的W3和L2，使天线工作在所需的双频段，然后通过调节拓展枝节3、4到单极子天线5的距离G6和G5，使天线的阻抗匹配达到要求。
本发明方法通过在原有天线上加载L型金属条，明显减小了天线的高度、提高了天线的辐射阻抗，并且使电磁波只能沿着一定的方向传播，从而提高了天线的辐射效率和增益。如图3，单极子天线加载L型金属条后，使全向辐射变成了沿着垂直于介质基板1的方向辐射，L型金属条方向的辐射被抑制了，实现了天线的高增益。
由于该天线具有低剖面，平面印制，结构简单等特点，便于和电路集成且易于加工，成本低，再通过连接阻抗为50欧姆的SMA射频连接器就可测试，操作简单。因而可广泛推广使用。
通过本发明所设计的天线，解决了天线辐射效率高与天线尺寸小的矛盾，有效提高了天线的辐射效率，同时提高了增益。
在不背离本发明广义范围的前提下，可以对上述实施案例进行改动。因而，本发明不仅限于所公开的特定实施例，其范围应当涵盖所附权利要求书限定的本发明核心及保护范围内的所有变化。

Claims (5)

1.一种具有高效率高增益的双频段电小天线，其特征在于包括介质基板(1)、等效地端(2)、短共面波导(6)、馈电端口(7)、适当延伸的馈电小棒(5)、SRR拓展枝节；
在介质基板(1)正面下端铺设金属层，该金属层作为等效地端(2)，剩余区域作为天线系统的铺设区域；等效地端(2)靠近天线系统的铺设区域端中间挖有一定深度的槽作为短共面波导(6)，用来调节天线阻抗匹配；
天线系统主要由两部分组成，一部分是从短共面波导(6)处适当延伸出的馈电小棒(5)，在等效地端(2)和馈电小棒(5)之间部分作为馈电端口(7)；另一部分是位于馈电小棒(5)两侧的四根SRR拓展枝节；
第一SRR拓展枝节(3-1)与第二SRR拓展枝节(3-2)关于馈电小棒(5)镜像对称，且结构大小相同；
第三SRR拓展枝节(4-1)与第四SRR拓展枝节(4-2)关于馈电小棒(5)镜像对称，且结构大小相同；
第一SRR拓展枝节(3-1)、第三SRR拓展枝节(4-1)均为向右翻转90°的L形结构，其中一端与等效地端(2)边沿垂直连接；
第二SRR拓展枝节(3-2)、第四SRR拓展枝节均为向左翻转90°的水平翻转后L形结构，其中一端与等效地端(2)边沿垂直连接；
第三SRR拓展枝节(4-1)位于第一SRR拓展枝节(3-1)的内侧；
第四SRR拓展枝节(4-2)位于第二SRR拓展枝节(3-2)的内侧；
第一SRR拓展枝节(3-1)、第三SRR拓展枝节(4-1)垂直于等效地端(2)端间的间距与第一SRR拓展枝节(3-1)、第三SRR拓展枝节(4-1)远离等效地端(2)端间的间距不等；
第二SRR拓展枝节(3-2)、第四SRR拓展枝节(4-2)垂直于等效地端(2)端间的间距与第二SRR拓展枝节(3-2)、第四SRR拓展枝节(4-2)远离等效地端(2)端间的间距不等。
2.如权利要求1所述的一种具有高效率高增益的双频段电小天线，其特征在于馈电小棒(5)的形状是不固定的，其主要作用在于馈电，把能量耦合到四根SRR拓展枝节上。
3.如权利要求1所述的一种具有高效率高增益的双频段电小天线，其特征在于金属层厚度要求一般为35μm，它的面积大小会改变电流分布从而影响天线的阻抗匹配。
4.如权利要求1所述的一种具有高效率高增益的双频段电小天线，其特征在于馈电小棒(5)在等效地端(2)外的长度与第一SRR拓展枝节(3-1)、第二SRR拓展枝节(3-2)的高度一致，与第三SRR拓展枝节(4-1)、第四SRR拓展枝节(4-2)的高度不一致。
5.如权利要求1所述的一种具有高效率高增益的双频段电小天线，其特征在于第一SRR拓展枝节(3-1)、第二SRR拓展枝节(3-2)的整体长度会引入电感，第一SRR拓展枝节(3-1)、第二SRR拓展枝节(3-2)之间存在一定的距离引入容性，从而形成SRR结构，产生LC谐振，SRR结构能够明显减小天线的尺寸，并且SRR结构远离等效地端(2)的一段金属，相当于引入了一段金属条，该金属条能够明显增加天线的辐射阻抗以达到提高效率的目的，同时该金属条距离等效地端(2)足够远，不会对天线的整体容感性产生大的影响；第三SRR拓展枝节(4-1)、第四SRR拓展枝节(4-2)的整体长度会引入电感，第三SRR拓展枝节(4-1)、第四SRR拓展枝节(4-2)之间存在一定的距离引入容性，从而形成SRR结构，产生另外一个LC谐振，SRR结构能够明显减小天线的尺寸，并且SRR结构远离等效地端(2)的一段金属，相当于引入了一段金属条，该金属条能够明显增加天线的辐射阻抗以达到提高效率的目的，同时该金属条距离等效地端(2)足够远，不会对天线的整体容感性产生大的影响；两对SRR结构形成了双频段；
两对SRR结构使电磁能量主要沿着垂直介质基板(1)的方向传播，从而提高了天线的增益。
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