CN112490661B - 一种阻抗匹配装置及天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻抗匹配装置及天线，包括：设置于传输线上的多个输入端和共用输出端，其中，多个输入端，分别与不同频段的天线辐射体电连接，共用输出端，用于将传输线中不同频段的天线信号合路后输出，针对多个输入端中的任一输入端，输入端在传输线上与共用输出端之间的距离，使得与输入端电连接的天线辐射体在共用输出端的输出阻抗与馈电射频系统的特性阻抗实现阻抗匹配，进而使天线辐射体在共用输出端的输出阻抗与馈电线的特性阻抗相匹配，并保证了不同频段的天线辐射体同时工作，减少了匹配电路的使用，降低了实现不同频段的天线辐射体工作的难易程度。

Description

一种阻抗匹配装置及天线

技术领域

本发明涉及阻抗匹配技术领域，尤其涉及一种阻抗匹配装置及天线。

背景技术

随着通信技术的发展，单频段的设备逐步发展为多频段、多模式的设备，对于多频段、多模式的设备，一般要求设备自身的多频段天线设计能够满足在特定频段范围内提供最优的性能。

现有技术中，根据不同频段的工作需求，通过射频开关切换到对应频段的匹配电路，使与匹配电路相连接的天线的输入阻抗与馈电线实现阻抗匹配，以保证天线宽带化的辐射效率，例如，通过使匹配电路的天线的输入阻抗与馈电线的特性阻抗相等，以获得最大传输功率，防止馈电线产生反射波，降低传输信号的效率。

但是，现有技术的方法中，天线只能在各频段内工作时可以与馈电线实现阻抗匹配，并无法保证不同频段天线工作时，同时与馈电线实现阻抗匹配。

因此，现需一种装置，保证各频段的天线可以同时与馈电线实现阻抗匹配。

发明内容

本发明实施例提供一种阻抗匹配装置，用于实现多个输入端传输的天线信号实现阻抗匹配。

第一方面，本发明实施例提供一种阻抗匹配装置，包括：

设置于传输线上的多个输入端和共用输出端；

所述多个输入端，分别与不同频段的天线辐射体电连接；

所述共用输出端，用于将所述传输线中不同频段的天线信号合路后输出；

针对所述多个输入端中的任一输入端，所述输入端在所述传输线上与所述共用输出端之间的距离，使得与所述输入端电连接的天线辐射体在所述共用输出端的输出阻抗与馈电射频系统的特性阻抗实现阻抗匹配。

上述技术方案中，通过输入端在传输线上与共用输出端之间的距离，实现了不同频段的天线辐射体在共用输出端的输出阻抗与馈电射频系统的特性阻抗实现阻抗匹配，即天线辐射体的输入阻抗与馈电线的特性阻抗相匹配，以保证不同频段的天线辐射体同时工作，减少了匹配电路的使用，降低了实现不同频段的天线辐射体工作的难易程度。

可选的，还包括：层叠设置的第一基板、介质基板和第二基板；

所述传输线位于所述介质基板；

所述第一基板和所述第二基板用于隔离电磁干扰；

所述第一基板和/或所述第二基板设置有通孔；

所述通孔用于所述输入端与所述天线辐射体连接或所述共用输出端与馈电射频系统连接。

上述技术方案中，通过第一基板和第二基板，提高了隔离外界电磁干扰的能力，防止了因电磁干扰而引起装置性能下降。

可选的，所述输入端对应的至少一个通孔设置有集总元件；所述集总元件用于与所述传输线共同使得所述输入端电连接的天线辐射体实现阻抗匹配。

上述技术方案中，通过集总元件进一步调整输入端经传输线在共用输出端的输出阻抗，以提升与输入端电连接的天线辐射体阻抗匹配的准确性，增加了阻抗匹配的效果。

可选的，所述输入端对应的至少一个通孔处设置有焊盘，所述输入端通过所述焊盘与所述天线辐射体电连接。

可选的，所述不同频段的天线辐射体包括第一频段辐射体和第二频段辐射体；所述多个输入端包括第一输入端和第二输入端；

所述第一输入端和所述第二输入端设位于所述共用输出端的两侧。

可选的，所述输入端电连接的天线辐射体在所述共用输出端的输出阻抗是根据所述输入端与所述共用输出端之间的距离及所述传输线的特性阻抗决定的。

可选的，所述输入端电连接的天线辐射体在所述共用输出端的输出阻抗根据公式(1)得到：

其中，Z_out是所述输入端电连接的天线辐射体在所述共用输出端的输出阻抗；Z_a是与所述输入端连接的天线辐射体的输入阻抗；Z₀是所述传输线的特性阻抗；λ为天线信号波长；l为所述输入端在所述传输线上与所述共用输出端之间的距离，j为虚部单位。

上述技术方案中，通过调整连接天线辐射体的输入端与共用输出端之间传输线的距离，改变天线辐射体在共用输出端的输出阻抗，以此实现不同频段的天线辐射体与馈电射频系统的特性阻抗相匹配，从而保证了不同频段的天线辐射体不仅满足了阻抗匹配的条件，还可以同时工作。

第二方面，本发明实施例提供一种天线，包括上述的阻抗匹配装置、与所述阻抗匹配装置的输入端连接的天线辐射体及与所述阻抗匹配装置的共用输出端连接的馈电射频系统。

可选的，所述天线为四臂螺旋天线。

可选的，所述四臂螺旋天线中的每个臂具有对应的阻抗匹配装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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为本发明实施例提供的一种阻抗匹配装置的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种阻抗匹配装置的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种四臂螺旋天线的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中，为了保证天线的传输功率，需要实现天线中的负载与电源内阻相匹配。例如，通过调整负载的大小，保证天线的传输功率，具体的，负载阻抗为R，信号源内势为U，内阻为r(如内阻r为50Ω或75Ω)，计算出流过负载阻抗R的电流I为：I＝U/(R+r)，负载阻抗R上的电势U₀为：U₀＝IR＝U/[1+(r/R)]，负载阻抗R上消耗的功率P为：P＝I²×R＝[U/(R+r)]²×R＝U²×R/(R²+2×R×r+r²)＝U²×R/[(R-r)²+4×R×r]＝U²/{[(R-r)²/R]+4×r}，当R＝r时，即负载阻抗R与信号源内阻r相等时，[(R-r)²/R]为最小值0，此时负载阻抗R拥有最大输出功率。

而为了使信号在传输过程中无反射波，以更好的传输，需要对天线辐射体进行阻抗匹配，即使天线辐射体的输入阻抗与馈电射频系统的馈电线的特性阻抗相匹配，例如使天线辐射体的输入阻抗与馈电系统的馈电线的特性阻抗相等。其中，馈电线的特性阻抗是与馈电线的线宽、介质厚度、介质的介电常数等有关的常数。

目前，根据不同频段的工作需求，一般采用一个兼顾不同频段需求的调谐电路，实现对多个频段折中后的匹配电路，又或者根据不同频段天线的使用时段需求，采用射频开关切换到不同频段天线的匹配电路的方式。其中匹配电路可以为T型阻抗匹配电路等。

但是，现有技术的方法中，采用一个兼顾不同频段需求的调谐电路，对于多个频段差距较大的天线进行阻抗匹配时，并不能有效的实现，即使可以同时工作，但匹配效果差，导致天线信号传输效率低。

根据不同频段天线的使用时段需求，采用射频开关切换到不同频段天线的匹配电路的方式只能在各频段内工作时，使天线与馈电线实现阻抗匹配，并无法保证不同频段天线同时工作时，一同与馈电线实现阻抗匹配。

因此，现需一种装置，保证各频段的天线可以一同与馈电线实现阻抗匹配。

图1示例性的示出了本发明实施例提供的一种阻抗匹配装置的示意图，如图1所示，包括设置于传输线100上的多个输入端200和共用输出端300。其中，多个输入端200，分别与不同频段的天线辐射体电连接，共用输出端300，用于将传输线100中不同频段的天线信号合路后输出，针对多个输入端200中的任一输入端(如输入端201或输入端202)，输入端200在传输线100上与共用输出端300之间的距离，使得与输入端200电连接的天线辐射体在共用输出端300的输出阻抗与馈电射频系统的特性阻抗实现阻抗匹配。

本发明实施例中，如图1所示，该阻抗匹配装置还包括层叠设置的第一基板410、介质基板420和第二基板430，其中，传输线100位于介质基板420中，第一基板410和第二基板430用于隔离电磁干扰，防止了因电磁干扰而引起装置性能下降。第一基板410和/或第二基板430设置有通孔，用于输入端200与天线辐射体连接或共用输出端300与馈电射频系统连接。其中，通孔的数量是根据输入端200和共用输出端300的数量确定的。

进一步地，第一基板410和第二基板430可以为金属基板，如材料为覆铜板等，介质基板420可以为一种耐热材料，如环氧板、环氧树脂板、溴化环氧树脂板等，还可以为高频板材、聚四氟乙烯或空气介质等。

本发明实施例中，输入端200对应的至少一个通孔设置有集总元件500，其中，集总元件500用于与传输线100共同使得输入端200电连接的天线辐射体实现阻抗匹配。

示例性的，集总元件500可以为电容，例如，电容为叠层式小容值接地电容，通过电容与传输线100为并联的方式与输入端200相连，以调整输入端200经传输线100在共用输出端300的输出阻抗，使输入端200经传输线100在共用输出端300的输出阻抗与馈电射频系统的特性阻抗相等，实现天线辐射体的输入阻抗与馈电射频系统的特性阻抗相匹配。需要说明的是，根据具体场景，集总元件500也可以为电感等，在此不做具体限定。

本发明实施例中，第一基板410和/或第二基板430也可以设置有盲孔，图2示例性的示出了一种阻抗匹配装置的示意图，如图2所示有通孔，图1所示的为盲孔，通过输入端200对应的至少一个通孔或盲孔处设置有焊盘440，使输入端200通过焊盘440与天线辐射体电连接。如输入端201通过焊盘441与天线辐射体电连接，输入端202通过焊盘442与天线辐射体电连接，共用输出端300通过焊盘443与馈电射频系统连接。

进一步地，不同频段的天线辐射体包括第一频段辐射体和第二频段辐射体，如，第一频段辐射体为传输高频段信号的辐射体，第二频段辐射体为传输低频段信号的辐射体，多个输入端200包括第一输入端201和第二输入端202，其中，第一输入端201和第二输入端202设位于共用输出端300的两侧。

需要说明的是，图1中仅示出了两个输入端200，但本发明并不限于输入端200的数量，可以为多个输入端200，且第一输入端201和第二输入端202也可以设位于共用输出端300的同一侧，如共用输出端300位于传输线100的左侧，第一输入端201和第二输入端202均设位与传输线的右侧。

在本发明实施例中，天线辐射体在共用输出端300的输出阻抗是根据输入端200在传输线100上与共用输出端之间的距离及传输线100的特性阻抗决定的。

具体的，输入端200电连接的天线辐射体在共用输出端300的输出阻抗根据下述公式(1)得到：

其中，Z_out是输入端200电连接的天线辐射体在共用输出端300的输出阻抗，Z_a是与输入端连接的天线辐射体的输入阻抗，Z₀是传输线100的特性阻抗，λ为天线信号波长，l为输入端200在传输线100上与共用输出端300之间的距离，j为虚部单位。

进一步地，传输线100的特性阻抗根据下述公式(2)得到：

其中，Z₀是传输线100的特性阻抗，ε_r为介质基板420的相对介电常数，b为介质基板420的厚度，W为传输线100的线宽，c为光速，f₀是天线信号的频率，通过调节传输线100的线宽W和介质基板420的厚度b来调整传输线100的特性阻抗，然后再根据传输线100的特性阻抗以及输入端200在传输线100上与共用输出端300之间的距离调整经过输入端200传输线100之后的输出阻抗，以使输入端200经过传输线100之后的输出阻抗与馈电射频系统中的馈电线的特性阻抗相等，实现输入端电连接的天线辐射体的输入阻抗与馈电射频系统阻抗匹配。

为了更好的解释上述技术方案，下面将结合图1在具体实例中进行阐述。

实例1

天线辐射体A经过图1中焊盘441和第一输入端201设置于传输线100左端，相同的，天线辐射体B过图1中焊盘442和第二输入端202设置于传输线100右端，天线辐射体A和天线辐射体B用于传输不同频段的天线信号，通过天线辐射体A和天线辐射体B经过传输线100和对应的集总元件501和502改变各自在共用输出端300的输出阻抗，实现天线辐射体A和天线辐射体B的阻抗转换，并通过共用输出端300输出天线信号至焊盘443，通过传输线100和对应的集总元件500实现不同频段天线辐射体同时实现阻抗匹配并同时工作，且通过一个共用输出端300实现多频段的天线信号的输出，提高了天线辐射体使用的便捷性和集成度。

需要说明的是，上述图1所示的结构仅是一种示例，本发明实施例对此不做限定。

本发明实施例还提供一种天线，包括上述图1和图2所示的阻抗匹配装置、与阻抗匹配装置的输入端连接的天线辐射体及与阻抗匹配装置的共用输出端连接的馈电射频系统。

具体的，该天线为四臂螺旋天线，其中，四臂螺旋天线中的每个臂具有对应的阻抗匹配装置。

为了更好的解释上述天线的结构，下面将在具体实例中进行阐述。

实例2

图3示例性的示出了一种四臂螺旋天线的示意图，如图3所示，四臂螺旋天线包括谐振在低频频段(如1176.45MHz～1268.52MHz)和高频频段(如1542MHz～1607MHz)的四臂螺旋天线辐射体900，其中，每一臂螺旋天线辐射体900包括低频频段的天线辐射体的和高频频段的天线辐射体。两个频段的天线辐射体由于间隔较小，存在互耦作用，且两个频段的天线辐射体的输入阻抗须通过阻抗转换和双频信号合路处理，实现天线信号的高传输效率和单端口实现两个频段的天线信号的输出。

具体的，四臂螺旋天线辐射体900中的低频段的天线辐射体通过第二基板430与第一输入端201相连接，同理，四臂螺旋天线辐射体900中的高频段的天线辐射体通过第二基板430与第二输入端202相连接，其中，第二基板430上设有多个焊盘，焊盘的位置与第一输入端201和第二输入端202的位置一一对应，在焊盘的位置处，还设置有多个集总元件500，用于实现天线辐射体900的输入阻抗与馈电射频系统的特性阻抗相匹配。第一基板410是覆盖在基板介质420上的覆铜板，通过第一基板410、基板介质420和第二基板430提高了隔离外界电磁干扰的能力，防止了因电磁干扰而引起的天线信号传输性能下降。

四臂螺旋天线辐射体900中的低频段天线辐射体根据集总元件500和传输线100上低频段天线辐射体与共用输出端300的距离，通过上述公式(1)和公式(2)进行阻抗转换，实现低频段天线辐射体在共用输出端300的输出阻抗与馈电射频系统中馈电线700的特性阻抗(如50Ω或75Ω等)相匹配，同理，高频段天线辐射体也会实现在共用输出端300的输出阻抗与馈电射频系统中馈电线700的特性阻抗相匹配(如馈电线700的特性阻抗为50Ω，高频段天线辐射体的输入阻抗Z_a为30+16·jΩ，通过集总元件500和传输线100上低频段天线辐射体与共用输出端300的距离，使低频段天线辐射体在共用输出端的输出阻抗为50Ω，以使实现天线辐射体在共用输出端300的输出阻抗与馈电线700的特性阻抗相等，实现阻抗匹配)，其中，馈电线700为特性阻抗为50Ω的四路微带线。

天线辐射体在共用输出端300的输出阻抗与馈电线700的特性阻抗相匹配之后，共用输出端300通过底板600与馈电线700相连，其中，底板600设有通孔，且通孔与共用输出端300的位置一一对应，用于使共用输出端300不直接与外部接触，隔绝外部电磁信号的干扰，底板600的材质可以为塑料，绝缘体等。

馈电线700中传输的信号通过功率分配单元和相位移动单元进行合路，最后由合路端口800输出四臂螺旋天线900的天线信号。

本发明实施例中，通过与天线辐射体相连的输入端与共用输出端在传输线上的不同距离，实现不同频段的天线辐射体的阻抗匹配，并实现天线信号的合路输出，即保证了不同频段的天线辐射体实时不间断的工作，还可以通过灵活调整传输线的宽度、输入端与共用输出端在传输线的距离以及调整集总元件的值实现不同输入阻抗的天线辐射体的阻抗匹配。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种阻抗匹配装置，其特征在于，包括：设置于传输线上的多个输入端和共用输出端；

所述多个输入端，分别与不同频段的天线辐射体电连接；

所述共用输出端，用于将所述传输线中不同频段的天线信号合路后输出；

针对所述多个输入端中的任一输入端，所述输入端在所述传输线上与所述共用输出端之间的距离，使得与所述输入端电连接的天线辐射体在所述共用输出端的输出阻抗与馈电射频系统的特性阻抗实现阻抗匹配；所述不同频段的天线辐射体包括第一频段辐射体和第二频段辐射体；所述多个输入端包括第一输入端和第二输入端；所述第一输入端和所述第二输入端设位于所述共用输出端的两侧。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

层叠设置的第一基板、介质基板和第二基板；

所述传输线位于所述介质基板；

所述第一基板和所述第二基板用于隔离电磁干扰；

所述第一基板和/或所述第二基板设置有通孔；

所述通孔用于所述输入端与所述天线辐射体连接或所述共用输出端与馈电射频系统连接。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述输入端对应的至少一个通孔设置有集总元件；所述集总元件用于与所述传输线共同使得所述输入端电连接的天线辐射体实现阻抗匹配。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述输入端对应的至少一个通孔处设置有焊盘，所述输入端通过所述焊盘与所述天线辐射体电连接。

5.如权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，所述输入端电连接的天线辐射体在所述共用输出端的输出阻抗是根据所述输入端与所述共用输出端之间的距离及所述传输线的特性阻抗决定的。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述输入端电连接的天线辐射体在所述共用输出端的输出阻抗根据公式(1)得到：

其中，Z_out是所述输入端电连接的天线辐射体在所述共用输出端的输出阻抗；Z_a是与所述输入端连接的天线辐射体的输入阻抗；Z₀是所述传输线的特性阻抗；λ为天线信号波长；l为所述输入端在所述传输线上与所述共用输出端之间的距离，j为虚数单位。

7.一种天线，其特征在于，包括如权利要求1至6任一项所述的阻抗匹配装置、与所述阻抗匹配装置的输入端连接的天线辐射体及与所述阻抗匹配装置的共用输出端连接的馈电射频系统。

8.如权利要求7所述的天线，其特征在于，所述天线为四臂螺旋天线。

9.如权利要求8所述的天线，其特征在于，所述四臂螺旋天线中的每个臂具有对应的阻抗匹配装置。

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