CN110783703B - 一种接地板缝隙辐射n型寄生结构多频平面单极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种接地板缝隙辐射n型寄生结构多频平面单极子天线，包括：正方形介质基板；单极子矩形辐射臂，设置于正方形介质基板上表面；“n”型金属寄生结构，设置于正方形介质基板上表面；金属接地板，设置于正方形介质基板下表面；单极子矩形辐射臂为矩形金属贴片；单极子矩形辐射臂平行于长臂的轴线过正方形介质基板上表面的中心，其一短边与正方形介质基板上表面的第一边沿重合，且两个边缘的中心重合，作为接地板缝隙辐射n型寄生结构多频平面单极子天线的馈电端口；金属接地板上对称地刻蚀有两组矩形缝隙结构。本发明解决了现有无线移动通信系统中天线存在工作频点单一，而导致系统复杂度提升、可靠性降低的技术问题。

Description

一种接地板缝隙辐射n型寄生结构多频平面单极子天线

技术领域

本发明属于无线移动通信系统终端设备领域，特别涉及一种平面结构天线。

背景技术

信息技术的快速发展不但给人类生活带来了极大的便利，同时也在改变着传统的生产生活方式。尤其是以高速率、低延时和大容量为代表特征的第五代无线通信技术到来之后，能够将全社会的所有东西全部接入互联网，而且获得智能或者被远程控制。从此人类社会进去了智能和智慧时代。但是这一切美好生活皆源于无线通信技术。天线是无线通信系统的基本元件，实现将导线中的高频电流转换成空间传播的电磁波或相反，将空间传播的电磁波转换为导线中高频电流。天线的性能对整个无线系统的性能有着重要影响。

随着无线通信技术的发展，无线移动通信设备智能化程度越来越高，简单的通话功能已经不能满足人们的通话功能，无线Wi-Fi、蓝牙、智能语音、数据传输等新的功能不断被集成，于是无线移动通信设备的组成就越来越复杂，而且无线通信设备的在便携式的要求下不断向小型化方向发展，这就要求组成的无线移动通信设备的元器件也应该尽可能地完成多个功能。比如，天线不仅仅能够完成一个工作频点的覆盖，实现一种数据的传输，而且能够工作在多个不同频点上，完成多种不同信号的接收或者发射任务。

多频天线的本质是增加天线的谐振模式或者增加辐射体上的电流路径，从而增加天线的工作频段。在不同类型天线结构中，实现多频的方法也有所不同。研究人员提出有效的多频实现方法包括多枝节法、加载寄生枝节法、多缝隙法、多片技术、电抗加载技术等等。在具体天线的设计中，可以采用以上的一种或者同时采用几种技术。

平面天线是近年来无线移动通信设备中被广泛使用的一类天线结构形式。因为相比偶极子天线、喇叭天线等类型，平面天线具有低剖面、易于与电路板上其他器件集成、容易实现圆极化、非全向辐射等各种优点。

天线作为电子无线通信系统的关键部件，其性能对整个通信系统的性能有重要影响。多频段工作的天线应用于智能移动通信系统中，能够减少设备中天线的数量，提供设备的可靠性，减小设备的体积，尤其是在移动设备中显得尤为重要。

然而现有无线移动通信系统中天线存在工作频点单一，而导致系统复杂度提升、可靠性降低的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种接地板缝隙辐射n型寄生结构多频平面单极子天线，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种接地板缝隙辐射n型寄生结构多频平面单极子天线，包括：

正方形介质基板；

单极子矩形辐射臂，设置于正方形介质基板上表面；

“n”型金属寄生结构，设置于正方形介质基板上表面；

金属接地板，设置于正方形介质基板下表面；

单极子矩形辐射臂为矩形金属贴片；单极子矩形辐射臂平行于长臂的轴线过正方形介质基板上表面的中心，其一短边与正方形介质基板上表面的第一边沿重合，且两个边缘的中心重合，作为接地板缝隙辐射n型寄生结构多频平面单极子天线的馈电端口；

“n”型金属寄生结构设置于单极子矩形辐射臂远离天线馈电端口处的一侧；“n”型金属寄生结构与单极子矩形辐射臂在位置上构成套筒状关系；

金属接地板上对称地刻蚀有两组矩形缝隙结构。

进一步的，单极子矩形辐射臂其余三个边分别与正方形介质基板上表面的第二边沿、第三边沿、第四边沿平行。

进一步的，“n”型金属寄生结构两个竖直臂和一个水平臂的宽度相同；“n”型金属寄生结构两个竖直臂与单极子矩形辐射臂的间距小于水平臂与单极子矩形辐射臂的间距。

进一步的，金属接地板三个边缘与正方形介质基板第一边沿、第三边沿、第四边沿重合；金属接地板与馈电端口垂直的两个边的长度小于上表面单极子矩形辐射臂长度。

进一步的，上表面的部分单极子矩形辐射臂与金属接地板构成微带线传输线结构，组成接地板缝隙辐射n型寄生结构多频平面单极子天线的微带馈电结构。

进一步的，下表面金属接地板平行于馈电端口所在边的另一条边处，以上表面单极子矩形辐射臂平行于长边中心线为轴线，对称地刻蚀两组矩形缝隙结构；与轴线较近的一组缝隙的宽度较大但是长度较小，与轴线较远的一组缝隙宽度较小但是长度较大；金属接地板上的矩形缝隙结构用于产生两个谐振辐射频点，上表面单极子矩形辐射臂用于产生一个谐振辐射频点。

进一步的，·正方形介质基板为介电常数为4.4±2％、损耗角正切为0.02±2％的玻璃纤维环氧树脂聚合物FR4。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明在传统微带线传输线馈电平面单极子天线结构中，增加一个“n”型套筒状寄生结构，该寄生结构有效地改善了天线三个工作频点处的端口匹配性能。其次，在天线接地板上刻蚀了两组对称的矩形缝隙，缝隙的位置和几何结构不同，产生了两个谐振频点，使该天线成为一款多频平面单极子天线。除此之外，本发明设计的天线介质基板采用FR4材料，这是一种广泛应用于各种电路板制作的材料，不但价格便宜，易于购买，降低了该天线的应用成本，而且使得该天线非常容易与各种不同功能电路板集成，即直接在普通电路板中的某个位置增加该天线。最后，本发明设计的天线结构非常简单，结构中没有任何复杂而难以加工的结构，所以本发明设计的天线成本低，易于加工，可批量生产，具有较大的实用价值。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书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。在附图中：

图1为本发明接地板四缝隙“n”型寄生结构多频带平面单极子天线结构透视图；

图2为本发明接地板四缝隙“n”型寄生结构多频带平面单极子天线结构顶视图；

图3为本发明接地板四缝隙“n”型寄生结构多频带平面单极子天线结构背视图；

图4为本发明接地板四缝隙“n”型寄生结构多频带平面单极子天线结构侧视图；

图5为本发明接地板四缝隙“n”型寄生结构多频带平面单极子天线仿真计算端口反射系数随频率变化曲线。

其中，10表示介质基板、11表示“n”型金属寄生结构、12表示单极子矩形辐射臂、13表示金属接地板、14表示接地板上距离单极子矩形辐射臂较远的两个缝隙、15表示接地板上距离单极子矩形辐射臂较近的两个缝隙。图1中的1、2、3、4分别表示正方形介质基板的四个边。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

为了解决无线移动通信系统中天线工作频点单一而导致系统复杂度提升、可靠性降低的问题。

本发明提供一种接地板缝隙辐射n型寄生结构多频平面单极子天线，该款平面单极子天线接地板边缘处刻蚀两组长度和宽度不等的缝隙，以此来增加天线的谐振频点，最终能够在三个频点上工作。

本发明一种接地板缝隙辐射n型寄生结构多频平面单极子天线，由四种部分组成，分别为单极子矩形辐射臂12、正方形介质基板10、“n”型金属寄生结构11和边缘刻蚀四个缝隙的金属接地板13。

单极子矩形辐射臂12是一个刻蚀于正方形介质基板10上表面(将正方形介质基板辐射臂12所处表面称为上表面，另一个表面称为下表面，以下同)，长度远远大于宽度的矩形金属贴片。该矩形辐射臂平行于长臂的轴线过正方形介质基板10上表面的中心，其一短边与正方形介质基板10上表面的一个边沿1重合，且两个边缘的中心重合；单极子矩形辐射臂12其余三个边也与介质基板上表面三个边沿2、3、4分别平行。两个重合的边缘处就是该多频天线的馈电端口，可以将测试用50±3％ΩSMA接头焊接于此处，然后对该天线进行测试分析。

单极子矩形辐射臂12另一个短边沿附近，即远离天线馈电端口处，在正方形介质基板10上表面刻蚀一个“n”型金属寄生结构11。该“n”型金属寄生结构11与单极子矩形辐射臂12在位置上构成“套筒状”关系。“n”型金属寄生结构11两个竖直臂和一个水平臂的宽度相同，但是“n”型金属寄生结构11两个竖直臂与单极子矩形辐射臂12的间距小于水平臂与单极子矩形辐射臂12的间距。在天线性能改善方面，该“n”型金属寄生结构11的主要作用在于改善天线三个工作频点处的端口匹配特性。

正方形介质基板10下表面靠近天线馈电端口处，首先刻蚀一个矩形金属接地板。该矩形接地板三个边缘都与正方形介质基板10边缘1、3、4重合，与馈电端口垂直的两个边的长度小于上表面单极子矩形辐射臂12长度。上表面的部分单极子矩形辐射臂12与接地板构成微带线传输线结构，组成该天线的微带馈电结构。上表面单极子矩形辐射臂12延伸到金属接地板外的部分主要用来完成能量的辐射。下表面矩形接地板平行于馈电端口所在边的另一条边处，以上表面单极子矩形辐射臂12平行于长边中心线为轴线，对称地刻蚀两组矩形缝隙结构(14、15)。与轴线较近的一组缝隙的宽度较大但是长度较小，与轴线较远的一组缝隙宽度较小但是长度较大。金属接地板13上的两组缝隙的主要作用是产生两个谐振辐射频点，上表面矩形辐射臂也可以产生一个谐振辐射频点，于是该天线是一个能够工作在三个不同频点的多频天线。

上述所有金属结构都刻蚀于一块正方形介质基板10的两个表面上。该正方形介质基板10是一块厚度为h，组成材料是介电常数为4.4±2％、损耗角正切为0.02±2％玻璃纤维环氧树脂聚合物FR4。这是一种价格便宜，广泛应用于电子线路板制作的材料。该材料的使用可以极大地降低本发明设计天线的应用成本。

具体实施方法为：

如图1所示，选长40±5％mm、宽40±5％mm、厚1.6±2％mm的FR4介质基板10，在介质基板10上表面边沿1的中心为起点，采用电路板印刷工艺，印刷一个长为26±4％mm，宽为2±4％mm的矩形金属结构。该矩形金属结构就是上述单极子矩形辐射臂12。单极子矩形辐射臂12远离边沿1的另一短边附近，印刷一个“n”型金属寄生结构11。该寄生结构三个臂宽度都是2±5％mm，两个竖直臂与中心辐射主臂间距为0.5±5％mm，水平臂与中心辐射主臂间距为2.5±3％mm。该“n”型寄生结构11与单极子矩形辐射臂12形成一种套筒状的位置关系。

同样，在正方形介质基板10下表面的边沿1附近，印刷一个宽40±5％mm，长13±5％mm的矩形金属贴片结构，该结构构成了天线的接地板13。其平行于边沿3和边沿4的两个边长为13±5％mm，另两个边的长度与介质基板边长相同，即40±5％mm。矩形金属结构平行于边2且远离1的边缘上，加工四个矩形缝隙。这四个矩形缝隙形成了两组对称缝隙，对称轴为边沿1和边沿2中点的连线。距离轴线较近的两个缝隙宽度为3±3％mm，长度为6±3％mm，缝隙边沿距离中心轴线7±3％mm，而距离轴线较远的两个缝隙宽度为2±5％mm，长度为8±5％mm，边沿距离中心轴线14±4％mm。两个缝隙的最近边缘距离只有4±2％mm。

上述正方形介质基板10两个表面印刷的所有金属结构可以使用银或铜。在计算机辅助仿真分析过程中，本天线馈电端口设置为50±3％Ω的阻抗特性。在实验测试过程中，可以将测试用50±3％ΩSMA接头的内芯与介质基板上表面的主辐射臂连接，SMA接头的接地端和天线的接地板连接，即可进行测试。

请参阅图5所示，图中三个工作频点(即S11参数小于-10±3％dB的区域)分别为f01＝3.22±3％GHz，f02＝4.78±3％GHz和f03＝6.5±3％GHz。上述三个频点中第一个频段为2.86GHz～3.58GHz。该频段覆盖了当前5G无线移动通信的3.3GHz～3.5GHz频段，能够应用于无线移动通信。其余两个频段还可以应用于其他通信。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (5)

1.一种接地板缝隙辐射n型寄生结构多频平面单极子天线，其特征在于，包括：

正方形介质基板(10)；

单极子矩形辐射臂(12)，设置于正方形介质基板(10)上表面；

“n”型金属寄生结构(11)，设置于正方形介质基板(10)上表面；

金属接地板(13)，设置于正方形介质基板(10)下表面；

单极子矩形辐射臂(12)为矩形金属贴片；单极子矩形辐射臂(12)平行于长臂的轴线过正方形介质基板(10)上表面的中心；单极子矩形辐射臂(12)的第一短边与正方形介质基板(10)上表面的第一边沿(1)重合，且第一短边的中心与第一边沿(1)的中心重合，第一短边的中心与第一边沿(1)的重合处作为接地板缝隙辐射n型寄生结构多频平面单极子天线的馈电端口；

“n”型金属寄生结构(11)设置于单极子矩形辐射臂(12)远离天线馈电端口处的一侧；“n”型金属寄生结构(11)与单极子矩形辐射臂(12)在位置上构成套筒状关系；“n”型金属寄生结构(11)两个竖直臂和一个水平臂的宽度相同；“n”型金属寄生结构(11)两个竖直臂与单极子矩形辐射臂(12)的间距小于水平臂与单极子矩形辐射臂(12)的间距；

金属接地板(13)上对称地刻蚀有两组矩形缝隙结构(14、15)；下表面金属接地板(13)平行于馈电端口所在边的另一条边处，以上表面单极子矩形辐射臂(12)平行于长边中心线为轴线，对称地刻蚀两组矩形缝隙结构(14、15)；与轴线较近的一组缝隙的宽度较大但是长度较小，与轴线较远的一组缝隙宽度较小但是长度较大；金属接地板(13)上的矩形缝隙结构(14、15)用于产生两个谐振辐射频点，上表面单极子矩形辐射臂(12)用于产生一个谐振辐射频点。

2.根据权利要求1所述的一种接地板缝隙辐射n型寄生结构多频平面单极子天线，其特征在于，单极子矩形辐射臂(12)其余三个边分别与正方形介质基板(10)上表面的第二边沿(2)、第三边沿(3)、第四边沿(4)平行。

3.根据权利要求1所述的一种接地板缝隙辐射n型寄生结构多频平面单极子天线，其特征在于，金属接地板(13)三个边缘与正方形介质基板(10)第一边沿(1)、第三边沿(3)、第四边沿(4)重合；金属接地板(13)与馈电端口垂直的两个边的长度小于上表面单极子矩形辐射臂(12)长度。

4.根据权利要求1所述的一种接地板缝隙辐射n型寄生结构多频平面单极子天线，其特征在于，上表面的部分单极子矩形辐射臂(12)与金属接地板(13)构成微带线传输线结构，组成接地板缝隙辐射n型寄生结构多频平面单极子天线的微带馈电结构。

5.根据权利要求1所述的一种接地板缝隙辐射n型寄生结构多频平面单极子天线，其特征在于，正方形介质基板(10)为介电常数为4.4±2％、损耗角正切为0.02±2％的玻璃纤维环氧树脂聚合物FR4。

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