CN111463563B - 一种适用于5g通信的超宽带差分pifa天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种适用于5G通信的超宽带差分PIFA天线。本发明将原有的两个单独PIFA天线通过接地端口直接相连，并将单端口馈电改为双端口差分馈电，从而为天线提供一对极性相反的信号，从而在微带传输线上产生等幅反向的高频电流。同时利用导带直角弯曲45°外斜切的方法有效控制微带特性阻抗的连续性，并对辐射贴片进行渐变开槽设计以满足超宽带特性。本发明在通带内的差模损耗小，经过测试后发现，该款差分天线在2‑5.4GHz的差模驻波比均小于1.7，且回波损耗均大于12dB,相对带宽大于90％。另外，天线在工作频段内的增益大于5dBi，辐射效率大于95％，具有超宽带、高增益、高效率以及卓越的端口匹配等性能。

Description

一种适用于5G通信的超宽带差分PIFA天线
技术领域
本发明属于5G通信技术领域，涉及一种差分馈电方式的镜像对称PIFA天线，可作为无线收发机射频前端的小型化天线，广泛应用于ISM频段，移动通信频段与卫星通信频段等无线通信频段中。
背景技术
近年来，随着5G通信技术的飞速发展，天线需要覆盖更多的频段且对应的带宽需要足够宽。同时，射频模块在逐渐朝着小型化的趋势发展，对于天线工作者来说，在设计天线的同时，不仅需要考虑天线自身的性能，也需要考虑整个射频系统的体积、功耗和实用性等性能。但是，目前的大多数天线工程师设计宽带天线时，都是采用的单端口馈电，这会造成信号的抗干扰能力差，线性度低等缺陷，相反，利用差分馈电可以避免这些问题，并且差分天线也可直接与射频前端差分电路相连，有效地规避了巴伦平衡转换器的使用。差分电路具有较高的线性度、较广的动态范围以及对于高次谐波优良的抑制能力等特点。因此，使用差分馈电技术的天线具有更高的辐射效率，更宽的带宽以及更好的带外抑制能力。
平面倒F天线(PIFA天线)的基本结构是采用一个平面辐射单元作为辐射体，并以一个大的地面作为反射面，辐射体上有两个引脚，分别用于接地和馈电。引入差分电路之后，可以利用平衡对称电路的原理，使得两个相同PIFA天线的接地端相连，并在共模操作中接地，从而让天线不再需要接地的通孔。由上可知，现有技术中较少地涉及超宽带差分PIFA天线，特别是兼顾小型化、实用性、集成化等的差分PIFA天线，同时本天线也可工作在ISM频段与5G通信频段(sub-6)中。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种差分馈电的超宽带PIFA天线，它将原有的两个单独PIFA天线通过接地端口直接相连，并将单端口馈电改为双端口差分馈电，从而为天线提供一对极性相反的信号，同时由于两个天线的接地端口已经镜像对称相连，可以达到替代地平面的效果，简化电路设计，并且，这种结构在通带内具备良好的辐射特性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
本发明包括单层介质基板(1)上表面蚀刻的一对对称辐射金属贴片(2)和下表面蚀刻的一对差分微带传输线(6)；两个称辐射金属贴片(2)和两条差分微带传输线(6)均关于介质基板的中心线轴对称相连；两条差分微带传输线(6)直接相连，转角处存在90°直角(7)，并在直角弯曲处进行45°外斜切；
所述的辐射金属贴片(2)上刻有两种槽缝，分别为渐变式槽缝(3)和一个横向槽缝(5)，渐变式槽缝(3)设计能够让天线产生两个谐振点，用于实现超宽带特性；横向槽缝(5)为长方形槽缝，能够更好地为天线提供宽带匹配效果；所述的差分微带传输线(6)能够为天线提供一对极性相反的馈电信号；所述的差分微带传输线(6)的对称中心和辐射金属贴片(2)的对称中心与介质基板(1)的中心在一条直线上。
进一步的，所述的渐变式槽缝(3)和横向槽缝(5)均关于介质基板的中心线轴对称相连。
进一步的，所述的渐变式槽缝(3)与横向槽缝(5)之间通过长条形细缝槽连接，长条形细缝槽的宽度s1为1.4mm，且长条形细缝槽对称设置，其两条边分别是辐射金属贴片(2)。
进一步的，所述的两个辐射金属贴片(2)总长度和总宽度与介质基板(1)的长度和宽度一致。
进一步的，所述介质基板(1)采用Rogers 5880材料制作而成，相对介电常数εr为2.2，损耗正切tanδ为0.0009，厚度h为0.787mm；介质基板(1)的长度l为50mm，宽度w为60mm。
进一步的，所述的辐射金属贴片(2)上的渐变式槽缝(3)的中心点位于辐射金属贴片的中心线上，且在辐射金属贴片(2)的末端。
进一步的，所述的渐变式槽缝(3)与横向槽缝(5)的中心点处在同一条直线上，靠近两个辐射金属贴片(2)的等效接地端口处。
进一步的，所述的渐变式槽缝(3)的宽度t_w为16.8mm，两条斜边长度t_l均为16.42mm；渐变式槽缝(3)与横向槽缝(5)的间距(4)l1为20.55mm；对于两个天线等效接地端口处的横向槽缝(5)，其宽度w1为28mm，长度l2为4.9mm。
进一步的，所述的两条相同的附着在介质基板(1)下表面的差分微带传输线(6)的宽度s2为2.45mm，差分微带传输线(6)的间隔w2为52.85mm，转角处距介质基板边缘的距离l3为19.78mm。
本发明工作过程如下：
一对等幅反相的馈电信号通过差分微带传输线(6)由两个馈电端口Port1和Port2同时输入，从而由馈电信号、差分微带传输线(6)、馈电端口形成差分馈电结构。将电磁波传递到介质基板上表面的辐射金属贴片(2)，最后将能量通过边缘辐射效应辐射出去从而形成天线。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
本发明提出的超宽带差分PIFA天线，采用差分馈电技术，可以直接与射频前端集成，使得工作频段内的阻抗匹配稳定，并且工作频段内地方向图稳定且对称，可以更好地抑制交叉极化，形成超宽带效果。本发明提出的超宽带差分PIFA天线，相比传统的PIFA天线，减少了接地平面的引入，使得馈电信号的抗干扰能力更加突出，简化电路的复杂性。并且将天线的辐射贴片采用渐变开槽设计，不仅能让PIFA天线兼具Vivaldi天线的超宽带效果，也能更好地让天线实现超宽带匹配，达到简化射频电路的效果。
本发明天线在2-5.4GHz的差模驻波比均小于1.7，且回波损耗均大于12dB,相对带宽大于90％。另外，天线在工作频段内的增益大于5dBi，辐射效率大于95％，具有超宽带、高增益、高效率以及卓越的端口匹配等性能。
附图说明
图1(a)是本发明超宽带差分PIFA天线的整体结构示图。
图1(b)是本发明超宽带差分PIFA天线的侧视图。
图1(c)是本发明超宽带差分PIFA天线的上表面辐射单元示意图。
图1(d)是本发明超宽带差分PIFA天线的下表面馈电结构示意图。
图2是本发明超宽带差分PIFA天线的辐射贴片开槽示意图，图中同时给出了差分天线辐射贴片上的两种类型的槽。
图3是本发明超宽带差分PIFA天线端口特性S参数仿真图和测试图，图中同时给出了端口差模反射系数
Figure BDA0002399094780000041
共模抑制系数
Figure BDA0002399094780000042
的比较。图中测试的端口反射系数通过公式(1)计算,式中的n代表c或d：
Figure BDA0002399094780000043
图4是本发明超宽带差分PIFA天线端口差模反射系数
Figure BDA0002399094780000044
与差模电压驻波比VSWRdd的比较，驻波比通过公式(2)计算,式中的n代表c或d：。
Figure BDA0002399094780000045
图5是本发明超宽带差分PIFA天线的峰值增益和辐射曲线仿真图，图中同时给出了该差分天线增益和辐射效率的变化趋势。
图6(a)是本发明超宽带差分PIFA天线在2.8GHz处的归一化辐射方向图。
图6(b)是本发明超宽带差分PIFA天线在3.7GHz处的归一化辐射方向图。
图6(c)是本发明超宽带差分PIFA天线在4.2GHz处的归一化辐射方向图。
图6(d)是本发明超宽带差分PIFA天线在4.9GHz处的归一化辐射方向图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步分析。
结合图1(a)和图1(b)，超宽带差分PIFA包括介质基板(1)、两个对称的辐射金属贴片(2)、馈电微带线(6)。两个相同的辐射贴片(2)位于介质基板(1)的上表面，关于介质基板的中心线轴对称相连。两条相同的馈电微带线(6)位于介质基板(1)的下表面，关于介质基板的中心线轴对称相连，转角处存在90°夹角(7)。
所述介质基板(1)采用Rogers 5880材料制作而成，相对介电常数εr为2.2，损耗正切tanδ为0.0009，厚度h为0.787mm。介质基板(1)的长度l为50mm，宽度w为60mm。
结合图1(b)和图1(c)，两个相同的辐射金属贴片(2)完全附着在介质基板(1)上，其总长度和总宽度与介质基板(1)的长度和宽度一致，但是在辐射金属贴片开了两种类型的槽。采用渐变式槽缝(3)与等腰三角形类似，宽度t_w为16.8mm，两条斜边长度t_l均为16.42mm。渐变式槽缝(3)与横向槽缝(5)之间通过长条形细缝槽连接，长条形细缝槽的宽度s1为1.4mm，且长条形细缝槽对称设置，其两条边分别是辐射金属贴片(2)；渐变式槽缝(3)与横向槽缝(5)的间距(4)l1为20.55mm。对于两个天线等效接地点附近的横向槽缝(5)，其宽度w1为28mm，长度l2为4.9mm。结合图1(b)和图1(d)，两条相同的馈电微带线(6)附着在介质基板(1)的下表面，微带线的宽度s2为2.45mm，微带线的间隔w2为52.85mm，微带线转角处距介质基板边缘的距离l3为19.78mm，并在转角处进行导带直角弯曲45°外斜切(7)。
结合图3，超宽带差分PIFA天线差模反射系数
Figure BDA0002399094780000051
低于-10dB的工作频带为2-5.4GHz，绝对带宽为3.4GHz，相对带宽为91.9％，天线在工作频带内的共模抑制
Figure BDA0002399094780000052
大于-0.26dB。结合图4，超宽带差分PIFA天线在2-5.4GHz设计工作频带内差模驻波小于1.41，有着卓越的端口匹配效果，该超宽带差分PIFA天线具备优异的超宽带、低差模驻波及高共模抑制特性。结合图5，超宽带差分PIFA天线的峰值增益在2.4GHz处为6.5dBi，天线的效率为98.7％；在3.7GHz处的峰值增益为5.5dBi，天线的效率为99.1％；在4.9GHz处的峰值增益为4.9dBi，天线的效率为97.5％。在所需要的5G通信频段内均大于5dBi,该超宽带差分PIFA天线具备优异的高增益，高效率特性。图6反映出天线在差模操作中2.8GHz、3.7GHz、4.2GHz和4.9GHz的归一化辐射方向图，图中的结果可以通过以下分析解释：辐射场主要归结于两个PIFA的电流分布，在天线的结构中，电流仅存在y向和z向分量。在差模操作下，天线相对于对称平面的z向电流分量是相反的，并且辐射相互抵消，xoy平面中的Eθ几乎为零。另外，天线的y向电流分量相对于对称平面对称。
由上可知，本发明基于差分馈电技术的超宽带差分PIFA天线具有优异的超宽带、低差模驻波、高共模抑制、频带内高增益等特性，可广泛应用于现代无线通信领域。

Claims (6)

1.一种适用于5G通信的超宽带差分PIFA天线，其特征在于包括单层介质基板(1)上表面蚀刻的一对对称辐射金属贴片(2)和下表面蚀刻的一对差分微带传输线(6)；两个对称辐射金属贴片(2)和两条差分微带传输线(6)均关于介质基板的中心线轴对称相连；两条差分微带传输线(6)直接相连，转角处存在90°直角(7)，并在直角弯曲处进行45°外斜切；
所述的辐射金属贴片(2)上刻有两种槽缝，分别为渐变式槽缝(3)和一个横向槽缝(5)，渐变式槽缝(3)设计能够让天线产生两个谐振点，用于实现超宽带特性；横向槽缝(5)为长方形槽缝，能够更好地为天线提供宽带匹配效果；所述的差分微带传输线(6)能够为天线提供一对极性相反的馈电信号；所述的差分微带传输线(6)的对称中心和辐射金属贴片(2)的对称中心与介质基板(1)的中心在一条直线上；
渐变式槽缝(3)和横向槽缝(5)均关于介质基板的中心线轴对称相连；
渐变式槽缝(3)与横向槽缝(5)之间通过长条形细缝槽连接，长条形细缝槽的宽度s1为1.4mm，且长条形细缝槽对称设置，其两条边分别是辐射金属贴片(2)；
辐射金属贴片(2)上的渐变式槽缝(3)的中心点位于辐射金属贴片(2)的中心线上，且在辐射金属贴片(2)的末端；
渐变式槽缝(3)与横向槽缝(5)的中心点处在同一条直线上，靠近两个辐射金属贴片(2)的等效接地端口处。
2.根据权利要求1所述的一种适用于5G通信的超宽带差分PIFA天线，其特征在于所述辐射金属贴片(2)的总长度和总宽度与介质基板(1)的长度和宽度一致。
3.根据权利要求1或2所述的一种适用于5G通信的超宽带差分PIFA天线，其特征在于所述介质基板(1)采用Rogers 5880材料制作而成，相对介电常数εr为2.2，损耗正切tan δ为0.0009，厚度h为0.787mm；介质基板(1)的长度l为50mm，宽度w为60mm。
4.根据权利要求3所述的一种适用于5G通信的超宽带差分PIFA天线，其特征在于渐变式槽缝(3)的宽度t_w为16.8mm，两条斜边长度t_l均为16.42mm；渐变式槽缝(3)与横向槽缝(5)的间距(4)l1为20.55mm；对于两个天线等效接地端口处的横向槽缝(5)，其宽度w1为28mm，长度l2为4.9mm。
5.根据权利要求1或4所述的一种适用于5G通信的超宽带差分PIFA天线，其特征在于两条相同的附着在介质基板(1)下表面的差分微带传输线(6)的宽度s2为2.45mm，差分微带传输线(6)的间隔w2为52.85mm，转角处距介质基板边缘的距离l3为19.78mm。
6.根据权利要求5所述的一种适用于5G通信的超宽带差分PIFA天线，其特征在于一对等幅反相的馈电信号通过差分微带传输线(6)由两个馈电端口Port1和Port2同时输入，从而由馈电信号、差分微带传输线(6)、馈电端口形成差分馈电结构；将电磁波传递到介质基板上表面的辐射金属贴片(2)，最后将能量通过边缘辐射效应辐射出去从而形成天线。
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