CN111211419B - 一种双谐振天线的设计方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双谐振天线的设计方法、装置及系统，从单谐振天线所在的净空区域外的元件角度出发，设置了独立于单谐振天线且与单谐振天线独立的串联谐振电路，以便与单谐振天线构成双谐振，且串联谐振电路的阻抗与射频模组的阻抗匹配，由于串联谐振电路不设置于净空区域内，且串联谐振电路中的器件所占面积要小于天线所占面积，因此，无需增大单谐振天线的面积也即无需增大净空区域的面积，便可实现在小空间内宽带宽的设计，且串联谐振电路还具有抑制谐波的作用；另外，通过阻抗调节模块便可将串联谐振电路的阻抗调节至单谐振天线的阻抗点，从而实现双谐振天线与射频模组的阻抗匹配，无需额外设置阻抗匹配电路，进一步减小了双谐振天线的尺寸。

Description

一种双谐振天线的设计方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及通信设备技术领域，特别是涉及一种双谐振天线的设计方法、装置及系统。

背景技术

在进行天线设计时，为了避免电路板对天线产生影响，需要在电路板上设置较大的净空区域来容纳天线。又随着用户对天线宽带宽需求的提高，现有技术中，为了增大天线的带宽，通常需要在天线上设计多个分支来实现双谐振，该种双谐振天线虽然能够增大天线的带宽，但是也增大了天线的面积，进而增大了净空区域的面积，与产品的小尺寸要求形成矛盾。

发明内容

本发明的目的是提供一种双谐振天线的设计方法、装置及系统，减小了双谐振天线的尺寸，且能够实现谐波抑制。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种双谐振天线的设计方法，包括：

建立与单谐振天线连接的串联谐振电路，所述串联谐振电路与所述单谐振天线构成双谐振，所述串联谐振电路的输入端和输出端的阻抗均等于射频模组的输出阻抗；

对一端与所述串联谐振电路的输入端或者输出端连接，另一端接地的阻抗调节模块进行调节，以使所述串联谐振电路的输入端的电抗与所述单谐振天线的电抗的差值小于差值阈值；

将所述串联谐振电路、调节后的所述阻抗调节模块与所述单谐振天线合并，形成双谐振天线。

优选地，所述阻抗调节模块为阻抗调节电容。

优选地，对阻抗调节模块进行调节，包括：

调节所述阻抗调节电容的容值和/或调节所述阻抗调节电容与所述串联谐振电路的连接端口。

优选地，以使所述串联谐振电路的输入端的电抗与所述单谐振天线的电抗的差值小于差值阈值，包括：

以使所述串联谐振电路的输入端的电抗与所述单谐振天线的电抗相等。

优选地，建立与单谐振天线连接的串联谐振电路，包括：

建立所述串联谐振电路的电路框架，所述电路框架包括串联连接的电感和电容；

基于与目标谐振频率及双谐振天线连接的射频模组的输出阻抗确定所述电感和电容的数值；

基于所述电感和所述电容的数值及所述电路框架得到串联谐振电路。

优选地，所述电容为可调电容。

优选地，所述射频模组的输出阻抗为50Ω。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种双谐振天线的设计系统，包括：

电路建立单元，用于建立与单谐振天线连接的串联谐振电路，所述串联谐振电路与所述单谐振天线构成双谐振，所述串联谐振电路的输入端和输出端的阻抗均等于射频模组的输出阻抗；

阻抗调节单元，用于对一端与所述串联谐振电路的输入端或者输出端连接，另一端接地的阻抗调节模块进行调节，以使所述串联谐振电路的输入端的电抗与所述单谐振天线的电抗的差值小于差值阈值；

合并单元，用于将所述串联谐振电路、调节后的所述阻抗调节模块与所述单谐振天线合并，形成双谐振天线。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种双谐振天线的设计装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述所述双谐振天线的设计方法的步骤。

本发明提供了一种双谐振天线的设计方法，本发明从单谐振天线所在的净空区域外的元件角度出发，设置了独立于单谐振天线且与单谐振天线独立的串联谐振电路，以便与单谐振天线构成双谐振，且串联谐振电路的阻抗与射频模组的阻抗匹配，由于串联谐振电路不设置于净空区域内，且串联谐振电路中的器件所占面积要小于天线所占面积，因此，无需增大单谐振天线的面积也即无需增大净空区域的面积，便可实现在小空间内宽带宽的设计，减小了双谐振天线的尺寸，且串联谐振电路还具有抑制谐波的作用，无需额外设置谐波抑制电路，进一步减小了双谐振天线的尺寸；另外，通过阻抗调节模块便可将串联谐振电路的阻抗调节至单谐振天线的阻抗点，从而实现双谐振天线与射频模组的阻抗匹配，无需额外设置阻抗匹配电路，进一步减小了双谐振天线的尺寸。

本发明还提供了一种双谐振天线的设计系统及装置，具有与上述双谐振天线的设计方法相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种双谐振天线的设计方法的流程图；

图2为本发明提供的一种串联谐振电路的结构示意图；

图3为本发明提供的一种串联谐振电路和阻抗调节电容的结构示意图；

图4为本发明提供的另一种串联谐振电路和阻抗调节电容的结构示意图；

图5为本发明提供的另一种串联谐振电路和阻抗调节电容的结构示意图；

图6为本发明提供的另一种串联谐振电路和阻抗调节电容的结构示意图；

图7为本发明提供的一种电感为12nH，电容为0.5pF的串联谐振电路的1端口的S11的频率响应图；

图8为本发明提供的一种电感为12nH，电容为0.5pF的串联谐振电路的1端口的smith图；

图9为本发明提供的一种加入阻抗调节电容时串联谐振电路的1端口的S11的频率响应图；

图10为本发明提供的一种加入阻抗调节电容时串联谐振电路的1端口的smith图；

图11为本发明提供的一种单谐振天线的smith图；

图12为本发明提供的一种双谐振天线的S11的频率响应图；

图13为本发明提供的一种双谐振天线的smith图；

图14为本发明提供的一种双谐振天线的设计系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种双谐振天线的设计方法、装置及系统，减小了双谐振天线的尺寸，且能够实现谐波抑制。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明提供的一种双谐振天线的设计方法的流程图。

该方法包括：

步骤11：建立与单谐振天线连接的串联谐振电路，串联谐振电路与单谐振天线构成双谐振，串联谐振电路的输入端和输出端的阻抗均等于射频模组的输出阻抗；

具体地，本申请考虑到现有技术中为了拓宽天线的带宽，通常通过为单谐振天线多设计几个分支以形成双谐振天线的方式来实现双谐振，该种方式虽然能够实现双谐振，拓宽带宽，但是会增大双谐振天线的面积，进而增大净空区域的面积，最终增大通信设备的尺寸。

本申请考虑到上述技术问题，不从改变单谐振天线本身的角度出发，而是换个角度，从单谐振天线所在净空区域之外的元件出发。具体地，本申请在净空区域之外设置一个与单谐振天线连接的串联谐振电路，其中，该串联谐振电路与单谐振天线构成双谐振。

需要说明的是，串联谐振电路的目标谐振频率根据天线设备的目标频段及单谐振天线的谐振频率确定。以双谐振天线为蓝牙天线为例，蓝牙天线的目标频段为2.4GHz-2.48GHz，假设单谐振天线的谐振频率为2.48GHz，则可以设定串联谐振电路的目标谐振频率在2.4GH左右，本申请对于串联谐振电路的具体谐振频率不作特别的限定，串联谐振电路与单谐振天线构成的双谐振能够在满足VSWR(Voltage Standing Wave Ratio，电压驻波比)或者S11(回波损耗特性)条件的情况下覆盖目标频段即可。

由于串联谐振电路中的器件所占面积通常要小于天线所占面积，因此，无需增大单谐振天线的面积也即无需增大净空区域的面积，便可实现在小空间内宽带宽的设计，减小了双谐振天线的尺寸。此外，串联谐振电路还具有带通滤波器的特性，能够抑制谐波，因此，双谐振天线中无需额外设置谐波抑制电路，进一步减小了双谐振天线的尺寸。

此外，考虑到在进行天线设计时，除了需要双谐振天线满足带宽需求，还需要满足阻抗需求。为了保证双谐振的最大传输效率，还需要串联谐振电路的输入端的和输出端的阻抗和射频模组的输出阻抗(也即系统阻抗，常见为50Ω)相等，也即串联谐振电路是在系统阻抗下建立的。

步骤12：对一端与串联谐振电路的输入端或者输出端连接，另一端接地的阻抗调节模块进行调节，以使串联谐振电路的输入端的电抗与单谐振天线的电抗的差值小于差值阈值；

由于上述串联谐振天线是在系统阻抗下建立的，也即串联谐振电路的输入端和输出端均为系统阻抗，以系统阻抗为50Ω为例，而实际上单谐振天线在无阻抗匹配电路的情况下不容易做到50Ω，而是呈现为R+jX，其中，电阻R＜50Ω，电抗X不为零的情况。因此，本申请在无阻抗匹配电路的情况下引入阻抗调节模块，通过调节阻抗调节模块来将串联谐振电路的输入端在目标频段的阻抗位置调节至与单谐振天线在目标频段的阻抗位置大体一致，其中，这里的一致指的是对R不作特别的限定，串联谐振电路的电抗X与单谐振天线的电抗的差值小于差值阈值，基于该种设置方式，在串联谐振电路与单谐振天线组合后，便能够使得串联谐振电路的输入端的阻抗为系统阻抗，保证了双谐振的最大传输效率。在实际应用中，这里的差值阈值可以设置的小一些，本申请对于其具体数值不作特别的限定。

需要说明的是，由于阻抗调节模块设置于串联谐振电路的输入端或者输出端与地之间，因此，该结构决定了在调节阻抗调节模块以改变串联谐振电路的输入端的阻抗时不会对串联谐振电路的谐振频率产生影响。

可见，通过阻抗调节模块便可将串联谐振电路的阻抗调节至单谐振天线的阻抗点，从而实现双谐振天线与射频模组的阻抗匹配，无需额外设置阻抗匹配电路，进一步减小了双谐振天线的尺寸。

步骤13：将串联谐振电路、调节后的阻抗调节模块与单谐振天线合并，形成双谐振天线。

可见，本申请中，通过串联谐振电路与单谐振天线构成双谐振天线来满足宽带宽的需求，通过阻抗调节模块调节串联谐振电路的输入端的电抗来与单谐振天线的电抗大体一致，满足阻抗需求，则串联谐振电路、调节后的阻抗调节模块与单谐振天线合并后构成的双谐振天线便满足了小尺寸、宽带宽及阻抗需求。

综上，本发明从单谐振天线所在的净空区域外的元件角度出发，设置了独立于单谐振天线且与单谐振天线独立的串联谐振电路，以便与单谐振天线构成双谐振，且串联谐振电路的阻抗与射频模组的阻抗匹配，由于串联谐振电路不设置于净空区域内，且串联谐振电路中的器件所占面积要小于天线所占面积，因此，无需增大单谐振天线的面积也即无需增大净空区域的面积，便可实现在小空间内宽带宽的设计，减小了双谐振天线的尺寸，且串联谐振电路还具有抑制谐波的作用，无需额外设置谐波抑制电路，进一步减小了双谐振天线的尺寸；另外，通过阻抗调节模块便可将串联谐振电路的阻抗调节至单谐振天线的阻抗点，从而实现双谐振天线与射频模组的阻抗匹配，无需额外设置阻抗匹配电路，进一步减小了双谐振天线的尺寸。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选地实施例，阻抗调节模块为阻抗调节电容。

具体地，本实施例中，阻抗调节模块可以但不仅限为阻抗调节电容，通过改变阻抗调节模块的容值和/或与串联谐振电路的连接端口便可改变串联谐振电路的输入端的电抗，实现将串联谐振电路的输入端在目标频段的阻抗位置调节至与单谐振天线在目标频段的阻抗位置大体一致。可见，本实施例提供的阻抗调节模块的结构简单，简化了双谐振天线的结构。

作为一种优选地实施例，对阻抗调节模块进行调节，包括：

调节阻抗调节电容的容值和/或调节阻抗调节电容与串联谐振电路的连接端口。

请参照图2-6，其中，图2为本发明提供的一种串联谐振电路的结构示意图，图3为本发明提供的一种串联谐振电路和阻抗调节电容的结构示意图，图4为本发明提供的另一种串联谐振电路和阻抗调节电容的结构示意图，图5为本发明提供的另一种串联谐振电路和阻抗调节电容的结构示意图，图6为本发明提供的另一种串联谐振电路和阻抗调节电容的结构示意图。

具体地，假设串联谐振电路的1端口为射频模组的射频输入输出端口，2端口为天线连接端口，则阻抗调节电容可以设置于1端口也可以设置于2端口，此外，串联谐振电路中的电容和电感的位置也可以交换。

在实际应用中，选择通过调节阻抗调节电容的容值还是调节阻抗调节电容与串联谐振电路的连接端口是由单谐振天线的阻抗来决定的，本申请在此不做特别地限定。

作为一种优选地实施例，以使串联谐振电路的输入端的电抗与单谐振天线的电抗的差值小于差值阈值，包括：

以使串联谐振电路的输入端的电抗与单谐振天线的电抗相等。

为了尽可能地使得串联谐振电路的输入端在目标频段的阻抗位置调节至与单谐振天线在目标频段的阻抗位置一致，在实际应用中，尽可能地的调节阻抗调节模块以使串联谐振电路的输入端的电抗与单谐振天线的电抗相等，从而提高双谐振天线的辐射效率。具体地，可以利用smith图比较串联谐振电路的输入端的电抗和单谐振天线的电抗的位置或者从smith图上读出串联谐振电路的输入端的电抗和单谐振天线的电抗的具体数值进行比较，本申请对于具体采用哪种方式不做特别地限定。

作为一种优选地实施例，建立与单谐振天线连接的串联谐振电路，包括：

建立串联谐振电路的电路框架，电路框架包括串联连接的电感和电容；

基于与目标谐振频率及双谐振天线连接的射频模组的输出阻抗确定电感和电容的数值；

基于电感和电容的数值及电路框架得到串联谐振电路。

具体地，在建立串联谐振电路时，先确定串联谐振电路的电路框架，本实施例中，电路框架由简单的电感和电容串联而成，在建立好电路框架后，需要根据射频模组的输出阻抗、目标谐振频率来确定电感和电容的数值。具体地，电感和电容分别与射频模组的输出阻抗、目标谐振频率存在如下关系：

以射频模组的输出阻抗为50Ω为例，目标谐振频率为2GHz为例，得到电感约等于12nH，电容约等于0.5pF。在得到电感和电容的数值后，结合电路框架便可得到串联谐振电路。

请参照图7和图8，图7为本发明提供的一种电感为12nH，电容为0.5pF的串联谐振电路的1端口的S11的频率响应图，图8为本发明提供的一种电感为12nH，电容为0.5pF的串联谐振电路的1端口的smith图。

需要说明的是，VSWR可以与S11进行换算，在VSWR＝2时，S11约等于-10dB；在VSWR＝3时，S11约等于-6dB。图7和图8中，mark点1(三角形)为2402MHz，点2为2480MHz。

在加入阻抗调节电容时，Cz＝2.2pF，请参照图9和图10，图9为本发明提供的一种加入阻抗调节电容时串联谐振电路的1端口的S11的频率响应图，图10为本发明提供的一种加入阻抗调节电容时串联谐振电路的1端口的smith图。不难得到，图9中，点1频率2400MHz和点2频率2480MHz的阻抗位置与图11中的单谐振天线的阻抗位置大体一致，图11为本发明提供的一种单谐振天线的smith图。

在将上述串联谐振电路与单谐振天线合并后，形成双谐振天线，请参照图12和图13，其中，图12为本发明提供的一种双谐振天线的S11的频率响应图，图13为本发明提供的一种双谐振天线的smith图。

不难得到，VSWR＝3的天线带宽从2GHz到2.55GHz，比原来的单频天线带宽宽约3倍。

作为一种优选地实施例，射频模组的输出阻抗为50Ω。

具体地，考虑到很多现有很多射频模组的输出阻抗为50Ω，为适用于这些射频模组，这里的射频模组的输出阻抗可以设置为50Ω，当然，也可能为其他数值例如75Ω，本申请对于射频模组的输出阻抗的具体数值不作特别的限定，根据实际情况来定。

作为一种优选地实施例，电容为可调电容。

具体地，串联谐振电路的目标谐振频率由天线设备的目标频段及单谐振天线的谐振频率确定，为了适用于更多地单谐振天线，本实施例中，电容为可调电容，在单谐振天线的谐振频率发生变化时，则可以调节可调电容的容值来改变串联谐振电路的目标谐振频率，以便串联谐振电路与单谐振天线构成的双谐振能够在满足VSWR或者S11条件的情况下覆盖目标频段，提高双谐振天线的适应性，得到可调宽带宽多频段的双谐振天线。

请参照图14，图14为本发明提供的一种双谐振天线的设计系统的结构示意图，该设计系统包括：

电路建立单元1，用于建立与单谐振天线连接的串联谐振电路，串联谐振电路与单谐振天线构成双谐振，串联谐振电路的输入端和输出端的阻抗均等于射频模组的输出阻抗；

阻抗调节单元2，用于对一端与串联谐振电路的输入端或者输出端连接，另一端接地的阻抗调节模块进行调节，以使串联谐振电路的输入端的电抗与单谐振天线的电抗的差值小于差值阈值；

合并单元3，用于将串联谐振电路、调节后的阻抗调节模块与单谐振天线合并，形成双谐振天线。

对于本发明提供的一种双谐振天线的设计系统的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。

本发明还提供了一种双谐振天线的设计装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行计算机程序时实现如上述双谐振天线的设计方法的步骤。

对于本发明提供的一种双谐振天线的设计装置的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。

需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种双谐振天线的设计方法，其特征在于，包括：

建立与单谐振天线连接的串联谐振电路，所述串联谐振电路与所述单谐振天线构成双谐振，所述串联谐振电路的输入端和输出端的阻抗均等于射频模组的输出阻抗；

对一端与所述串联谐振电路的输入端或者输出端连接，另一端接地的阻抗调节模块进行调节，以使所述串联谐振电路的输入端的电抗与所述单谐振天线的电抗的差值小于差值阈值；

将所述串联谐振电路、调节后的所述阻抗调节模块与所述单谐振天线合并，形成双谐振天线；

建立与单谐振天线连接的串联谐振电路，包括：

建立所述串联谐振电路的电路框架，所述电路框架包括串联连接的电感和电容；

基于目标谐振频率及与双谐振天线连接的射频模组的输出阻抗确定所述电感和电容的数值；

其中，所述

所述

L为所述电感的感值，C为所述电容的容值；

基于所述电感和所述电容的数值及所述电路框架得到串联谐振电路。

2.如权利要求1所述的双谐振天线的设计方法，其特征在于，所述阻抗调节模块为阻抗调节电容。

3.如权利要求2所述的双谐振天线的设计方法，其特征在于，对阻抗调节模块进行调节，包括：

调节所述阻抗调节电容的容值和/或调节所述阻抗调节电容与所述串联谐振电路的连接端口。

4.如权利要求2所述的双谐振天线的设计方法，其特征在于，以使所述串联谐振电路的输入端的电抗与所述单谐振天线的电抗的差值小于差值阈值，包括：

以使所述串联谐振电路的输入端的电抗与所述单谐振天线的电抗相等。

5.如权利要求1所述的双谐振天线的设计方法，其特征在于，所述电容为可调电容。

6.如权利要求1所述的双谐振天线的设计方法，其特征在于，所述射频模组的输出阻抗为50Ω。

7.一种双谐振天线的设计系统，其特征在于，包括：

电路建立单元，用于建立与单谐振天线连接的串联谐振电路，所述串联谐振电路与所述单谐振天线构成双谐振，所述串联谐振电路的输入端和输出端的阻抗均等于射频模组的输出阻抗；

阻抗调节单元，用于对一端与所述串联谐振电路的输入端或者输出端连接，另一端接地的阻抗调节模块进行调节，以使所述串联谐振电路的输入端的电抗与所述单谐振天线的电抗的差值小于差值阈值；

合并单元，用于将所述串联谐振电路、调节后的所述阻抗调节模块与所述单谐振天线合并，形成双谐振天线；

建立与单谐振天线连接的串联谐振电路，包括：

建立所述串联谐振电路的电路框架，所述电路框架包括串联连接的电感和电容；

基于目标谐振频率及与双谐振天线连接的射频模组的输出阻抗确定所述电感和电容的数值；

其中，所述

所述

L为所述电感的感值，C为所述电容的容值；

基于所述电感和所述电容的数值及所述电路框架得到串联谐振电路。

8.一种双谐振天线的设计装置，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述双谐振天线的设计方法的步骤。

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