CN110828967A

CN110828967A - 一种加载接地lc结构的多频小型化折叠单极子天线

Info

Publication number: CN110828967A
Application number: CN201911137545.6A
Authority: CN
Inventors: 李海雄; 冯治东; 张雅琼; 崔娟娟
Original assignee: Yulin University
Current assignee: Yulin Chuanye Aomei Electronic Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2020-02-21
Anticipated expiration: 2039-11-19
Also published as: CN110828967B

Abstract

一种加载接地LC结构的多频小型化折叠单极子天线，包括矩形介质基板，矩形介质基板的下表面边沿设置矩形金属接地板，矩形介质基板的上表面边沿设置矩形金属辐射臂，矩形金属辐射臂末端设置与其相连的第一水平金属臂，第一水平金属臂末端设置与其相连的木梳交叉型结构；木梳交叉型结构由若干条间隔布置的水平金属臂和两条竖直金属臂组成，水平金属臂依次交替与两侧竖直金属臂连接形成两个木梳结构；矩形介质基板的下表面设置第二水平金属臂，第二水平金属臂通过矩形金属过孔与木梳结构的竖直金属臂连接；第二水平金属臂末端设置有竖直接地金属臂，竖直接地金属臂连接矩形金属接地板。本发明能够实现四个谐振频点的四频段，实现天线的小型化。

Description

一种加载接地LC结构的多频小型化折叠单极子天线

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及一种加载接地LC结构的多频小型化折叠单极子天线。

背景技术

信息技术的快速发展在给人类生活带来极大便利的同时，也在改变着人们的传统生产生活方式。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，能够将生活中的大量事物接入互联网，形成物联网系统，使人类社会进入智能和智慧时代，物联网就是通过射频识别(Radio Frequency identification,RFID)、红外感应器、无线传感技术、激光扫描器、全球定位系统等信息传感设备，把物品与Internet连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的网络。在该网络中，无线射频识别技术是最重要的一种物品识别和信息感知技术。由于无线射频识别技术是一种非接触式的无线自动识别技术，能够实现未来美好生活的很多技术都是要通过无线方式来实现的，而在无线通信系统中，天线则是必须而且是最重要的设备之一，天线性能的高低对整个无线通信系统性能的优劣有着重要影响。天线是无线通信系统中的基本元件，能够实现将导线中的高频电流转换成空间传播的电磁波，或将空间传播的电磁波转换为导线中高频电流。

随着无线通信技术的发展，智能通信设备中的无线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越来越复杂，而且无线通信设备在便携式的要求下不断向小型化方向发展，这就要求组成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。多频天线不但能见简化无线通信设备的复杂性，同时还能提高无线通信设备的可靠性。LC结构是通信电子线路中的一类重要的电路结果，将一个电容C和电感L串联起来，在某些频点处，LC串联电路可以谐振。在低频电路中，电容C和电感L都是以集成器件形式出现的，在高频或者微波电路中，电容C和电感L一般都是以分布参数器件出现的。两个距离很近的导体就可以认为是一个电容，一段通电导线可以认为是一个电感，尤其是接地通电导线就是一个典型的电感结构，两个木梳型结构交叉放置也是一个典型的电容结构。电容或者电感结构的加载会对电路特性产生重要影响。同样，在天线的设计过程中，也可以加载LC结构改变天线的特性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中单极子天线的谐振频点单一以及天线体型较大的问题，提供一种加载接地LC结构的多频小型化折叠单极子天线，能够将单频谐振的单极子天线扩展为四个谐振频点的四频段折合天线，减小了最低谐振频点的位置，实现天线的小型化。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种加载接地LC结构的多频小型化折叠单极子天线，包括矩形介质基板，矩形介质基板的下表面沿下边沿设置矩形金属接地板，矩形介质基板的上表面在下边沿设置矩形金属辐射臂，矩形金属辐射臂的短边与矩形介质基板的边沿重合，长边延伸至矩形介质基板的上表面内部；矩形金属辐射臂末端的矩形介质基板上设置与其相连的第一水平金属臂，第一水平金属臂末端的矩形介质基板上设置与其相连的木梳交叉型结构；木梳交叉型结构由若干条间隔布置的水平金属臂和两条竖直金属臂组成，水平金属臂依次交替与两侧竖直金属臂连接形成两个木梳结构；第一水平金属臂与其中一个木梳结构的竖直金属臂连接；矩形介质基板的下表面设置第二水平金属臂，另一个木梳结构竖直金属臂旁侧的矩形介质基板贯穿设置矩形金属过孔，第二水平金属臂通过矩形金属过孔与该木梳结构的竖直金属臂连接；第二水平金属臂末端的矩形介质基板下表面设有竖直接地金属臂，竖直接地金属臂连接矩形金属接地板。

所述的矩形介质基板采用FR4材料制成，材料介电常数为4.4±4％，损耗角正切为0.02±4％。

所述的矩形金属接地板沿矩形介质基板的长边设置，矩形金属接地板与矩形介质基板的长度相等，矩形金属接地板的宽度为矩形介质基板宽度的五分之一。

所述木梳交叉型结构的第奇数条水平金属臂与右侧竖直金属臂连接形成右侧木梳，第偶数条水平金属臂与左侧竖直金属臂连接形成左侧木梳，或者第偶数条水平金属臂与右侧竖直金属臂连接形成右侧木梳，第奇数条水平金属臂与左侧竖直金属臂连接形成左侧木梳；第一水平金属臂连接右侧木梳的竖直金属臂，矩形金属过孔连接左侧木梳的竖直金属臂。

所述木梳交叉型结构的两个木梳结构的竖直金属臂长度相等，等于W_d*n+W_s*(n-1)，W_d表示水平金属臂的宽度，n表示水平金属臂的数目，W_s表示水平金属臂的间距。

所述的矩形金属过孔的长度以及矩形金属辐射臂、第一水平金属臂、第二水平金属臂、竖直接地金属臂的宽度相等。

所述的矩形介质基板长为45±5％mm，宽为30±5％mm，厚为1.6±3％mm；矩形金属接地板的长为45±5％mm，宽为5±5％mm；矩形金属辐射臂距离矩形介质基板相近侧边的距离为8.5±5％mm，矩形金属辐射臂的宽为2±3％mm，长为23±5％mm；第一水平金属臂的长为1.65±3％mm，宽为2±3％mm；竖直接地金属臂距离矩形介质基板相近侧边的距离为8.75±5％mm，竖直接地金属臂的宽为2±3％mm，长为16±5％mm；第二水平金属臂与矩形金属接地板之间的距离为8±5％mm，第二水平金属臂的宽为2±3％mm，长为4.3±5％mm；矩形金属过孔的高为1.6±3％mm，长为2±3％mm，宽为0.2±2％mm。

所述木梳交叉型结构的水平金属臂长度为16±5％mm，宽度为1±3％mm，水平金属臂间距为0.25±3％mm；两条竖直金属臂的宽度为1±3％mm，长度为14.75±5％mm。

相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：矩形介质基板上设置的木梳交叉型结构等效于电容C，竖直接地金属臂和水平金属臂等效于电感L，通过在微带馈电单极子天线辐射臂中间位置加载一个由电感L和电容C组成的串联谐振电路，将原来单频谐振的单极子天线扩展为一个具有四个谐振频点的四频段折合单极子天线。本发明的折叠单极子天线能够在四个不同频点处谐振，四个谐振频点分别为1.84±4％GHz、2.58±4％GHz、3.12±4％GHz和3.74±4％GHz。本发明设计的折叠单极子天线最低谐振频点为1.84±4％GHz，远远低于单极子天线的谐振频点，是一个小型化的单极子天线。此外，本发明的天线制作方便，成本低，能够非常容易的与各种不同电路进行集成，满足批量生产的需求，具有显著的商业可用性。

附图说明

图1本发明天线结构的透视示意图；

图2本发明天线结构的俯视示意图；

图3本发明天线结构的仰视示意图；

图4本发明天线结构的剖面侧视图；

图5利用三维电磁仿真软件对本发明天线分析所得端口反射系数随频率变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

为了解决谐振频带单一，天线尺寸过大，以及实现天线的小型化问题。本发明设计在单极子天线辐射臂中间位置处，加载一个等效为LC的结构，并且通过金属臂将该结构与接地板连接，进而形成一个具有多频谐振，小型化的折叠单极子连线结构。

参见图1-4，本发明在矩形介质基板10的下表面下边沿附近，印刷一个矩形金属接地板11，该矩形金属接地板11的下边沿与矩形介质基板10下表面的下边沿重合。在矩形介质基板10上表面的右侧边界附近，印刷一个矩形金属辐射臂12。矩形金属辐射臂12的下边沿与矩形介质基板10的上表面下边沿重合，重合处即为天线的馈电端口。矩形介质基板10的下表面左侧边界处，印刷一个竖直接地金属臂17。竖直接地金属臂17的下边沿与矩形金属接地板11连接，上端开路。沿竖直接地金属臂17的右边界向上，在矩形介质基板10的下表面上印刷一个第二水平金属臂16。第二水平金属臂16的右侧边界与矩形金属过孔15连接。矩形金属过孔15将第二水平金属臂16和木梳交叉型结构14连接起来。在矩形介质基板10的上表面中心位置附近印刷木梳交叉型结构14，将宽度相等的12条水平金属臂等间隔排列，两侧印刷两条竖直金属臂。从上往下数，第1、3、5、7、9、11条水平臂与右侧竖直金属臂连接，形成右侧木梳，第2、4、6、8、10、12条水平臂与左侧竖直金属臂连接，形成左侧木梳。左右两侧木梳之间留有水平间距。右侧木梳通过中心位置处的第一水平金属臂13与矩形金属辐射臂12连接。左侧木梳在中心位置处与矩形金属过孔15的边沿连接。

本发明天线的具体制作过程如下：

如图1-4所示，首先，在长度45±5％mm，宽30±5％mm，厚1.6±3％mm的FR4基板下表面下边沿附近，印刷一个长度为45±5％mm，宽度为5±5％mm的金属贴片，即金属接地板，该金属接地板下边沿与介质基板下表面的下边沿重合。介质基板上表面的右侧边界附近，距离右侧边界8.5±5％mm处，印刷一个宽2±3％mm，长23±5％mm的金属臂，即矩形辐射臂。矩形辐射臂的下边沿与介质基板的上表面下边沿重合，重合处即为天线的馈电端口。介质基板的下表面左侧边界处，距离左侧边界8.75±5％mm处，印刷一个宽2±3％mm，长16±5％mm的金属贴片，即竖直金属臂。竖直金属臂的下边沿与接地板连接，上端开路。沿竖直金属臂的右边界向上，距离接地板8±5％mm处，介质基板的下表面印刷一个宽2±3％mm，长4.3±5％mm的金属臂，即第二水平臂。第二水平臂右侧边界与矩形过孔连接。矩形过孔是一个金属化的过孔，高1.6±3％mm，长2±3％mm，宽0.2±2％mm。矩形过孔将第二水平臂和木梳结构连接起来。介质基板的上表面金属过孔右侧，印刷木梳交叉结构。将宽度相等的12条水平金属臂等间隔排列，水平臂长度为16±5％mm，宽度为1±3％mm，间距为0.25±3％mm，两侧印刷两条竖直金属臂，宽度1±3％mm，长度14.75±5％mm。从上往下数，第1、3、5、7、9、11条水平臂与右侧竖直连接，形成右侧木梳；第2、4、6、8、10、12条水平臂与左侧竖直臂连接，形成左侧木梳。左右两侧木梳水平间距为0.6±3％mm。右侧木梳通过中心位置处宽度为2±3％mm的第一水平臂与辐射臂连接，第一水平臂的长度为1.65±3％mm。

上述完成了本发明设计的加载接地LC结构多频小型化折叠单极子天线的具体实施过程。本发明设计的天线已经利用三维电磁仿真软件进行了仿真分析，如图5所示，天线特性完全符合上述有益效果。实验测试时，可以将测试用SMA接头的金属内芯与介质基板上表面下边沿的辐射臂连接，SMA的外侧接地端与介质基板下表面的接地板连接，便可进行测试分析。

以上所述仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限定，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求所划定的保护范围之内。

Claims

1.一种加载接地LC结构的多频小型化折叠单极子天线，其特征在于：包括矩形介质基板(10)，矩形介质基板(10)的下表面沿下边沿设置矩形金属接地板(11)，矩形介质基板(10)的上表面在下边沿设置矩形金属辐射臂(12)，矩形金属辐射臂(12)的短边与矩形介质基板(10)的边沿重合，长边延伸至矩形介质基板(10)的上表面内部；矩形金属辐射臂(12)末端的矩形介质基板(10)上设置与其相连的第一水平金属臂(13)，第一水平金属臂(13)末端的矩形介质基板(10)上设置与其相连的木梳交叉型结构(14)；所述的木梳交叉型结构(14)由若干条间隔布置的水平金属臂和两条竖直金属臂组成，水平金属臂依次交替与两侧竖直金属臂连接形成两个木梳结构；第一水平金属臂(13)与其中一个木梳结构的竖直金属臂连接；矩形介质基板(10)的下表面设置第二水平金属臂(16)，另一个木梳结构的竖直金属臂旁侧的矩形介质基板(10)贯穿设置矩形金属过孔(15)，第二水平金属臂(16)通过矩形金属过孔(15)与该木梳结构的竖直金属臂连接；第二水平金属臂(16)末端的矩形介质基板(10)下表面设置有竖直接地金属臂(17)，竖直接地金属臂(17)连接矩形金属接地板(11)。

2.根据权利要求1所述加载接地LC结构的多频小型化折叠单极子天线，其特征在于：所述的矩形介质基板(10)采用FR4材料制成，材料介电常数为4.4±4％，损耗角正切为0.02±4％。

3.根据权利要求1所述加载接地LC结构的多频小型化折叠单极子天线，其特征在于：矩形金属接地板(11)沿矩形介质基板(10)的长边设置，矩形金属接地板(11)与矩形介质基板(10)的长度相等，矩形金属接地板(11)宽度为矩形介质基板(10)宽度的五分之一。

4.根据权利要求1所述加载接地LC结构的多频小型化折叠单极子天线，其特征在于：木梳交叉型结构(14)的第奇数条水平金属臂与右侧竖直金属臂连接形成右侧木梳，第偶数条水平金属臂与左侧竖直金属臂连接形成左侧木梳，或者第偶数条水平金属臂与右侧竖直金属臂连接形成右侧木梳，第奇数条水平金属臂与左侧竖直金属臂连接形成左侧木梳；第一水平金属臂(13)连接右侧木梳的竖直金属臂，矩形金属过孔(15)连接左侧木梳的竖直金属臂。

5.根据权利要求1或4所述加载接地LC结构的多频小型化折叠单极子天线，其特征在于：所述木梳交叉型结构(14)的两个木梳结构的竖直金属臂长度相等，等于W_d*n+W_s*(n-1)，W_d表示水平金属臂的宽度，n表示水平金属臂的数目，W_s表示水平金属臂的间距。

6.根据权利要求1所述加载接地LC结构的多频小型化折叠单极子天线，其特征在于：

所述的矩形金属过孔(15)的长度以及矩形金属辐射臂(12)、第一水平金属臂(13)、第二水平金属臂(16)、竖直接地金属臂(17)的宽度相等。

7.根据权利要求1所述加载接地LC结构的多频小型化折叠单极子天线，其特征在于：所述的矩形介质基板(10)长为45±5％mm，宽为30±5％mm，厚为1.6±3％mm；矩形金属接地板(11)的长为45±5％mm，宽为5±5％mm；矩形金属辐射臂(12)距离矩形介质基板(10)相近侧边的距离为8.5±5％mm，矩形金属辐射臂(12)的宽为2±3％mm，长为23±5％mm；

第一水平金属臂(13)的长为1.65±3％mm，宽为2±3％mm；

竖直接地金属臂(17)距离矩形介质基板(10)相近侧边的距离为8.75±5％mm，竖直接地金属臂(17)的宽为2±3％mm，长为16±5％mm；第二水平金属臂(16)与矩形金属接地板(11)之间的距离为8±5％mm，第二水平金属臂(16)的宽为2±3％mm，长为4.3±5％mm；矩形金属过孔(15)的高为1.6±3％mm，长为2±3％mm，宽为0.2±2％mm。

8.根据权利要求7所述加载接地LC结构的多频小型化折叠单极子天线，其特征在于：

所述木梳交叉型结构(14)的水平金属臂长度为16±5％mm，宽度为1±3％mm，水平金属臂间距为0.25±3％mm；两条竖直金属臂的宽度为1±3％mm，长度为14.75±5％mm。