CN112787090A

CN112787090A - 基于栅栏结构的天线电路

Info

Publication number: CN112787090A
Application number: CN202011614698.8A
Authority: CN
Inventors: 白帅
Original assignee: Beijing Microchip Blockchain And Edge Computing Research Institute
Current assignee: Beijing Microchip Blockchain And Edge Computing Research Institute
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2021-05-11
Anticipated expiration: 2040-12-30
Also published as: CN112787090B

Abstract

本发明提出一种基于栅栏结构的天线电路，包括：介质板、螺旋天线子电路，其中，螺旋天线子电路是金属线依次穿过两排通孔连接形成的，螺旋天线子电路的第一节螺旋天线到第N节螺旋天线互相平行，第一节螺旋天线到第N节螺旋天线逐渐远离馈线端的地端，每节螺旋天线上包括垂直于螺旋天线的多个平行排列的金属线，多个平行排列的金属线和所在节的螺旋天线构成栅栏结构。由此，栅栏型结构是通过传输路径上增加电容C微扰单元实现了天线进一步地小型化。该微扰结构利用了螺旋天线的螺距空间，是对螺旋天线空间利用的创新，不仅不影响原有螺旋天线的性能，还能进一步，这种微扰结构对天线性能会有所改良，接触面积增大，提高天线原来的增益，且可以量产。

Description

基于栅栏结构的天线电路

技术领域

本发明涉及通信结构技术领域，尤其涉及一种基于栅栏结构的天线电路。

背景技术

信息时代带来了大量的无线通信需求，天线作为无线通信发射或接受信号的前端设备，在越来越多的设备中收到重视。天线的小型化更有利于设备对不同尺寸的实际需求。

随着集成电路的发展，由于芯片的小体积带来的对天线尺寸与性能的要求一直很严格，如何在更小的尺寸实现更好的性能，并且易量产，是当下主要的研究热点。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种基于栅栏结构的天线电路，以实现通过栅栏型结构是通过传输路径上增加电容C微扰单元实现了天线进一步地小型化。该微扰结构利用了螺旋天线的螺距空间，是对螺旋天线空间利用的创新，不仅不影响原有螺旋天线的性能，还能进一步，这种微扰结构对天线性能会有所改良，接触面积增大，提高天线原来的增益，且可以量产。

为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种基于栅栏结构的天线电路，包括：介质板、螺旋天线子电路，其中，所述介质板中包括平行于所述介质板两侧边缘的两排通孔；

所述螺旋天线子电路是金属线依次穿过所述两排通孔连接形成的，所述螺旋天线子电路，所述螺旋天线子电路的第一节螺旋天线到第N节螺旋天线互相平行，所述第一节螺旋天线到第N节螺旋天线逐渐远离所述馈线端的地端，其中，N为大于1的自然数，

其中，每节所述螺旋天线上包括垂直于螺旋天线的多个平行排列的金属线，所述多个平行排列的金属线和所在节的螺旋天线构成栅栏结构。

可选的，所述多个平行排列的金属线之间的间距大于等于0.5倍所述金属线的线宽，小于等于3倍的所述金属线的线宽。

可选的，还包括：

π型分布式匹配子电路，所述π型分布式匹配子电路包括一个长臂枝节和两个短臂枝节，其中，所述长臂枝节的一端与所述两个短臂枝节中的一个短臂枝节的一端连接，所述长臂枝节的另一端与所述两个短臂枝节中的另一个短臂枝节的一端连接，所述两个短臂枝节的另一端均与所述天线电路的馈线端的地端连接；

所述长臂枝节与所述螺旋天线子电路连接。

可选的，所述螺旋天线子电路的第一节螺旋天线到第N节螺旋天线互相平行，所述第一节螺旋天线到第N节螺旋天线逐渐远离所述馈线端的地端，N为大于1的自然数。

可选的，所述长臂枝节与所述螺旋天线子电路连接，包括：

所述长臂枝节为所述螺旋天线子电路的第M节螺旋天线，其中，M为大于1小于N的自然数。

可选的，所述M为2或3。

可选的，所述π型分布式匹配子电路的等效电路包括：

第一电感、第二电感、电容子电路，其中，所述第一电感的一端与所述电容子电路的一端连接，所述第二电感的一端与所述电容子电路的另一端连接，所述第一电感和所述第二电感的另一端均与所述馈线端的地端连接。

可选的，所述电容子电路包括：

第三电感和电容，其中，所述第三电感和所述电容并联。

可选的，所述两个短臂枝节向包含向垂直于所述介质板的两侧边缘方向弯曲的部分。

可选的，所述馈线端用于为所述天线电路馈电激励，所述馈线端为接地共面面波导线馈线。

本发明的实施例，至少具有如下的技术效果：

栅栏型结构是通过传输路径上增加电容C微扰单元实现了天线进一步地小型化。该微扰结构利用了螺旋天线的螺距空间，是对螺旋天线空间利用的创新，不仅不影响原有螺旋天线的性能，还能进一步，这种微扰结构对天线性能会有所改良，接触面积增大，提高天线原来的增益，且可以量产。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例所提供的一种基于栅栏结构的天线电路的背面结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的一种栅栏结构示意图；以及

图3为本发明实施例所提供的一种π型分布式匹配子电路的等效电路示意图；

图4为本发明实施例所提供的一种基于栅栏结构的天线电路的三维结构示意图；

图5为本发明实施例所提供的一种端口驻波波形图；

图6为本发明实施例所提供的一种天线效率波形图；

图7为本发明实施例所提供的一种天线的增益波形图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的基于栅栏结构的天线电路。

图1为本发明实施例所提供的一种基于栅栏结构的天线电路的结构示意图。如图1所示，包括：介质板100、螺旋天线子电路200，其中，

介质板100中包括平行于介质板两侧边缘的两排通孔；其中，介质板可以是陶瓷或者其他电路材料均可。

螺旋天线子电路200是金属线依次穿过两排通孔连接形成的，螺旋天线子电路，螺旋天线子电路的第一节螺旋天线到第N节螺旋天线互相平行，第一节螺旋天线到第N节螺旋天线逐渐远离馈线端的地端，其中，N为大于1的自然数，其中，螺旋的结构是由顶层的一定宽度的L型金属线与底层类似的金属线通过金属的通孔实现连接。其中，在本发明的一个实施例中，通孔为金属通孔，位于介质板正面和背面的金属线通过金属通孔连接，该正面和背面的金属线可以理解为螺旋天线子电路200的螺旋天线。

其中，每节螺旋天线上包括垂直于螺旋天线的多个平行排列的金属线，多个平行排列的金属线和所在节的螺旋天线构成栅栏结构。

其中，螺旋天线子电路200的螺旋结构可简单理解为底层和顶层金属排线长度的总和与所有金属通孔的高度总和，这里，顶层与底层天线部分的金属排线总长度应为0.16～0.2倍的导波波长。该螺旋结构的单圈长度，即一圈的长度为四分之一波长除以圈数，螺距即同一面螺旋体的两排线的间距，与单圈长度有一定的关系，大致为0.4～0.6倍的单圈长度。在此关系之下可以找到合适的尺寸来实现天线的小型化。

如图2所示的栅栏结构，若是螺旋天线子电路200为轴向排序，则栅栏结构可以是任意细长形状结构的栅栏式排列形成，相邻栅栏结构之间无对齐需求，栅栏个数不限，能排列下为准，个数也需要根据端口阻抗后期优化。但是需要保证单层金属排线的加载结构不能有交叉的情况，即两个相邻的栅栏结构需要相聚0.5～3倍线宽的间距，只要是位于螺旋线的横向方向即可。即多个平行排列的金属线之间的间距大于等于0.5倍所述金属线的线宽，小于等于3倍的所述金属线的线宽。

栅栏型结构是通过传输路径上增加电容C微扰单元实现了天线进一步地小型化。该微扰结构利用了螺旋天线子电路200的螺距空间，是对螺旋天线空间利用的一种创新，不仅不会影响原有螺旋天线的性能(结构保证)，还能进一步，这种微扰结构对天线性能会有所改良，接触面积增大，提高天线原来的增益。

在本发明的一个实施例中，参照图1，天线电路还包括π型分布式匹配子电路200，π型分布式匹配子电路200包括一个长臂枝节和两个短臂枝节，其中，长臂枝节的一端与两个短臂枝节中的一个短臂枝节的一端连接，长臂枝节的另一端与两个短臂枝节中的另一个短臂枝节的一端连接，两个短臂枝节的另一端均与所述天线电路的馈线端的地端连接。其中，长臂枝节和两个短臂枝节都是可以导电的金属线，长臂枝节和两个短臂枝节组成了π型结构，π型结构由于包含更多的枝节，获得了4个参数的可调参数范围，所以能够实现更小天线的匹配，并且，该π型分布式匹配子电路是与天线共用结构，属于分布式的无源电路，分布式的无源电路加载相较于集总电路，能够很大程度上降低了天线的损耗，提升天线的辐射效率，并且，天线电路方便集成到电路中，不需要额外匹配电路，空间占用极小。本方案采用分布式匹配网络，节省了匹配电路的体积，同样优化了原本集总匹配网络所产生的能量损耗。

继续参照图1，在本实施例中的螺旋天线子电路300的第一节螺旋天线到第N节螺旋天线互相平行，第一节螺旋天线到第N节螺旋天线逐渐远离馈线端的地端，N为大于1的自然数。

其中，螺旋天线子电路300可以认为是天线电路中的天线辐体，为了进一步实现小型化，可以将π型分布式匹配子电路200与天线辐体相融合。与天线辐射体相融合的类π型分布式匹配电路，利用该电路实现了天线的小型化性能，使其面积达到了0.028λ*0.008λ。

因此，在本发明的一个实施例中，π型分布式匹配子电路200可以为螺旋天线子电路的第M节螺旋天线，其中，M为大于1小于N的自然数。

其中，M为2或3，图1中示出的是π型分布式匹配子电路200的长臂枝节为螺旋天线子电路300的第2节螺旋天线。

在本实施例中，长臂枝节上还连接圆形金属片，长臂枝节与螺旋天线子电路200连接。

在本实施例中，π型分布式匹配子电路300利用馈电端的地，与天线辐射的第二节，通过添加圆形金属片形成电容效应，通过金属圆片两侧的西线构成电感效应，再通过该枝节左右两端的接地金属线形成等效的电感效应，最终实现了等效的π型分布式匹配电路。其中，馈线端用于为天线电路馈电激励，馈线端为接地共面波导线馈线。天线的馈电部分由CPWG线馈电，此方式可以更换，只要是50欧姆阻抗的传输线均可以。馈电线形式可以更换，只需提供一个50欧姆阻抗的传输线即可。即在本实施例中，由50欧姆的CPWG馈线给予激励，通过金属通孔连接到底部的紧凑螺旋结构来实现。图1的上部分黑色长条区域为馈线端的地，利用螺旋天线子电路300与两侧的接地枝节，构成了类π型分布式匹配电路，代替了传统意义上的集总元器件，不仅节省了天线匹配电路的体积，更是让天线在使用过程中占用的体积最大程度上实现了小型化。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，π型分布式匹配子电路300的等效电路包括：第一电感、第二电感、电容子电路，其中，第一电感的一端与电容子电路的一端连接，第二电感的一端与电容子电路的另一端连接，第一电感和第二电感的另一端均与馈线端的地端连接。

在本实施例中，电容子电路可包括：

第三电感和电容，其中，第三电感和电容并联。

在本实施例中，一般使用L型匹配即可，使用两个器件，L或者C，来实现匹配，但是天线小型化以后，因为分布式器件的参数都较低，可能需要更多地器件参与到原来一个器件就可以做到的效果，因此，利用了类π型的π型分布式匹配子电路，提供了4个参量，可以较好的与更小尺寸的天线进行匹配。具体参数的计算如下：

其中，分布电感计算为如下公式(1)：

其中，需要计算电感的金属线，即第一电感、第二电感、第三电感子电路的金属线，线宽为w，线长为l，单位均为cm，L单位为nH。

分布电容的计算为如下公式(2)：

其中，电容子电路等效线宽为w，ε_r为材料的相对介电常数，h为板厚，t为金属线的厚度。

根据公式可以调节电路等效的电感电容，来实现天线的匹配。以上计算均为大概值，具体需要根据仿真微调。

另外，在本实施例中，通过添加栅栏型结构在螺旋天线上，实现与螺旋天线的谐振，可以进一步实现小型化。其中，谐振频率w2的计算公式可以参照下述公式(3)：

由于，该谐振天线的频率与天线结构产生的L、C效应相关，通过提升电容C的值，可以将频率降低。而该结构的添加，近似的等效为只增加了天线等效电容值，因此并不改变天线的谐振状态，通过结构优化，就可以进一步实现结构的小型化。

天线结构的示意图如图4所示，其中，参照图4，π型分布式匹配子电路没有显示出。

在本发明的一个实施例中，为了进一步缩小天线电路的尺寸，两个短臂枝节向还可包含向垂直于介质板的两侧边缘方向弯曲的部分，即两个短臂枝节向还可向内完全等。参照图1，位于底层螺旋结构的相较于输入端口一侧的第二圈(第二节螺旋天线)为π型结构的中间连接部分结构，即长臂枝节，而π型结构的另外两个电路壁(短臂枝节)如图1所示为一条加载两个枝节短路臂结构接地与另一个类似，结构呈现一定的弯曲，同样是两个并联开路枝节，末端接地。该弯曲是为了节省天线的体积。同样，π型分布式匹配子电路的长臂枝节的位置位于第二圈，第三圈也可以，示例中为第二圈。

为了更好的说明，本发明实施例的天线电路的性能，下面结合具体的场景实验说明，其中，在该场景中，天线电路的大小：0.043λ*0.018λ(λ为信号的导波波长)，加上测试端口的CPWG结构，整体结构的尺寸：0.0968λ*0.112λ，其中，端口驻波为图5所示，参照图5，看S11的-6以下为天线使用时的带宽，32MHz带宽，满足2.4GHz通信频段20MHz的要求。天线电路的天线效率为如图6所示，天线效率近乎82％以上，最高效率86％。天线增益为如图7所示，天线的增益在带宽内大于-2.8dB，最大增益-0.93dB。

综上，本发明实施例的基于栅栏结构的天线电路，增加了与天线共用结构的π型分布式匹配子电路，缩小匹配电路尺寸，降低了匹配可能带来的损耗，提供了更多的调节余量，并因此实现了更小尺寸的匹配，通过栅栏结构的这种微扰结构的加载，实现了天线进一步地小型化，实现了更大的等效面积，充分利用了螺旋之间的空间，实现更大的增益。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种基于栅栏结构的天线电路，其特征在于，包括：介质板、螺旋天线子电路，其中，

所述介质板中包括平行于所述介质板两侧边缘的两排通孔；

2.如权利要求1所述的天线电路，其特征在于，所述多个平行排列的金属线之间的间距大于等于0.5倍所述金属线的线宽，小于等于3倍的所述金属线的线宽。

3.如权利要求1所述的天线电路，其特征在于，还包括：

所述长臂枝节上还连接栅栏型结构作为电容加载，所述长臂枝节与所述螺旋天线子电路连接。

4.如权利要求1所述的天线电路，其特征在于，所述螺旋天线子电路的第一节螺旋天线到第N节螺旋天线互相平行，所述第一节螺旋天线到第N节螺旋天线逐渐远离所述馈线端的地端，N为大于1的自然数。

5.如权利要求4所述的天线电路，其特征在于，所述长臂枝节与所述螺旋天线子电路连接，包括：

6.如权利要求5所述的天线电路，其特征在于，所述M为2或3。

7.如权利要求2-6任一所述的天线电路，其特征在于，所述π型分布式匹配子电路的等效电路包括：

8.如权利要求6所述的天线电路，其特征在于，所述电容子电路包括：

第三电感和电容，其中，所述第三电感和所述电容并联。

9.如权利要求2-6任一所述的天线电路，其特征在于，所述两个短臂枝节向包含向垂直于所述介质板的两侧边缘方向弯曲的部分。

10.如权利要求1所述的天线电路，其特征在于，所述馈线端用于为所述天线电路馈电激励，所述馈线端为接地共面波导线馈线。