CN113097725A - 一种多频段分形天线及无线通信设备 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种多频段分形天线及无线通信设备,其中,该天线包括:介质基板、辐射体、接地板以及微带线,接地板和辐射体分别位于介质基板上相对的两个面上;辐射体和接地板通过微带线连接;辐射体包括:N个内部设置有三角形孔的圆形辐射贴片,N个圆形辐射贴片中的第n+1个圆形辐射贴片的外边缘与第n个圆形辐射贴片中的三角形孔的边相切;通过设置数量大于或等于2的圆形辐射贴片,可以使得该天线为多频段天线,通过将该辐射贴片设置为圆形,并设置三角形孔,可以降低该天线的复杂度,并且使得该天线更容易制造。并且由于圆形和三角形的尺寸更容易改变,因此,可以使得该天线更易于小型化,从而更易于集成。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域,特别是涉及一种多频段分形天线及无线通信设备。
背景技术
随着高速集成电路的快速发展,通信设备正在向着多功能一体化、高速率和智能化方向不断迈进。通信设备的多功能一体化急切需要多频段天线与其配合。多频段天线是指在有限的空间内合理利用一个或多个天线结构,形成可以覆盖多个频段并满足预期要求的天线系统。
为了避免用于不同服务的各个天线之间的互相干扰,进一步减小天线在系统中的占用空间,一般要求天线单元具有多频段、小型化、易于集成等特点。
发明人在实现本发明的过程中发现,现有的微带线天线虽然能够实现多频段工作,但是由于现有的微带线天线在实现多频段工作时,通常需要采用多个辐射单元或电抗性负载贴片,这些都增加了天线的复杂度。并不利于小型化和集成。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种多频段分形天线及无线通信设备,以实现降低天线的复杂性。具体技术方案如下:
第一方面,本发明实施例提供了一种多频段分形天线,该天线包括:介质基板、辐射体、接地板以及微带线,接地板和辐射体分别位于介质基板上相对的两个面上;辐射体和接地板通过微带线连接;
辐射体包括:N个内部设置有三角形孔的圆形辐射贴片,N个圆形辐射贴片中的第n+1个圆形辐射贴片的外边缘与第n个圆形辐射贴片中的三角形孔的边相切;其中,N大于等于2,1≤n≤N。
可选的,三角形孔为等边三角形孔,每个圆形辐射贴片的外边缘与该圆形辐射贴片中的三角形孔的顶角之间设置有第一预设间隙。
可选的,第n+1个圆形辐射贴片的半径Rn+1与第n个圆形辐射贴片的半径Rn满足以下关系:
Rn+1=(Rn-d)/2
第n个圆形辐射贴片内部的三角形孔的边长an与第n个圆形辐射贴片的半径Rn满足以下关系:
其中,d为第一预设间隙。
可选的,第n+1个圆形辐射贴片中的三角形孔与第n个圆形辐射贴片中的三角形孔相互倒置。
可选的,天线还包括:谐振环,谐振环设置在介质基板中接地板所在的面上;谐振环的中心与圆形辐射贴片的中心同心。
可选的,谐振环为圆形谐振环;接地板靠近圆形谐振环的边与圆形谐振环之间设置有第二预设间隙。
可选的,圆形谐振环的外径小于或等于第N个圆形辐射贴片的半径。
可选的,介质基板的介电常数为4.4,介质损耗角正切值为0.02,材料为聚四氟乙烯。
可选的,微带线包括:第一微带线和第二微带线;第一微带线的宽度大于第二微带线的宽度;
第一微带线与辐射体中的第1个圆形辐射贴片相连,第二微带线与接地板相连。
第二方面,本发明实施例还提供了一种无线通信设备,该无线通信设备至少包括:上述任一实施例所示的一种多频段分形天线。
本发明实施例有益效果:
本发明实施例提供的一种多频段分形天线及无线通信设备,可以包括:介质基板、辐射体、接地板以及微带线,接地板和辐射体分别位于介质基板上相对的两个面上;辐射体和接地板通过微带线连接;辐射体包括:N个内部设置有三角形孔的圆形辐射贴片,N个圆形辐射贴片中的第n+1个圆形辐射贴片的外边缘与第n个圆形辐射贴片中的三角形孔的边相切;其中,N大于等于2,1≤n≤N。
在本发明实施例中,通过设置数量大于或等于2的圆形辐射贴片,可以使得该天线为多频段天线,通过将该辐射贴片设置为圆形,并设置三角形孔,可以降低该天线的复杂度,并且使得该天线更容易制造。更进一步的,由于圆形和三角形的尺寸更容易改变,因此,可以使得该天线更易于小型化,从而更易于集成。当然,实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述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,还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1a为本发明实施例的一种多频段天线的介质基板的正面的第一种实施方式的结构示意图;
图1b为本发明实施例的一种多频段天线的介质基板的反面的第一种实施方式的结构示意图;
图1c为本发明实施例的一种多频段天线的介质基板的正面的第二种实施方式的结构示意图;
图1d为本发明实施例的一种多频段天线的介质基板的正面的第三种实施方式的结构示意图;
图2为本发明实施例的一种多频段天线的介质基板的反面的第二种实施方式的结构示意图;
图3为图1a和图2所示的一种多频段天线的回波损耗曲线示意图;
图4a为图1a和图2所示的一种多频段天线在谐振频率为2.6GHz时的强电流分布示意图;
图4b为图1a和图2所示的一种多频段天线在谐振频率为3.8GHz时的强电流分布示意图;
图4c为图1a和图2所示的一种多频段天线在谐振频率为5.3GHz时的强电流分布示意图;
图5a为图1a和图2所示的一种多频段天线在谐振频率为2.6GHz时的辐射方向示意图;
图5b为图1a和图2所示的一种多频段天线在谐振频率为3.8GHz时的辐射方向示意图;
图5c为图1a和图2所示的一种多频段天线在谐振频率为5.3GHz时的辐射方向示意图。
具体实施方式
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基于本申请所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
为了解决现有技术中存在的问题,本发明实施例提供了一种多频段分形天线及无线通信设备,以实现降低天线的复杂性。下面,首先对本发明实施例的一种多频段分形天线进行介绍。
如图1a和图1b所示为本发明实施例的一种多频段分形天线第一种实施方式的一个面的结构示意图,该天线包括:
介质基板110、辐射体120、接地板130以及微带线140,接地板130和辐射体120分别位于介质基板110上相对的两个面上;例如,如图1a和图1b所示,辐射体120位于介质基板110的正面111上,接地板130位于介质基板110的反面112上。该正面111和反面112是该介质基板110上相对的两个面。
在一些示例中,该辐射体120和接地板130可以是附着于该介质基板110两个面上的附着层,该辐射体120和接地板130的材料可以是铜或者黄铜。
在一些示例中,辐射体120和接地板130通过微带线140连接;
在又一些示例中,上述的辐射体120和接地板130可以通过微带线140和信号转接头连接。
在一些示例中,如图1a所示,该辐射体120包括:N个内部设置有三角形孔的圆形辐射贴片,N个圆形辐射贴片中的第n+1个圆形辐射贴片的外边缘与第n个圆形辐射贴片中的三角形孔的边相切;其中,N大于等于2,1≤n≤N。
例如,可以包括两个内部设置有三角形孔的圆形辐射贴片,或者可以包括如图1a所示的四个内部设置有三角形孔的圆形辐射贴片。
如图1a所示,辐射体共设置了四个内部具有三角形孔的圆形辐射贴片,第一个内部具有三角形孔的圆形辐射贴片的三角形孔的边与第二个内部具有三角形孔的圆形辐射贴片的外边缘相切;第二个内部具有三角形孔的圆形辐射贴片的三角形孔的边与第三个内部具有三角形孔的圆形辐射贴片的外边缘相切;第三个内部具有三角形孔的圆形辐射贴片的三角形孔的边与第四个内部具有三角形孔的圆形辐射贴片的外边缘相切;可见,该四个内部具有三角形孔的圆形辐射贴片的半径依次减小。
本发明实施例提供的一种多频段分形天线,通过设置数量大于或等于2的圆形辐射贴片,可以使得该天线为多频段天线,通过将该辐射贴片设置为圆形,并设置三角形孔,可以降低该天线的复杂度,并且使得该天线更容易制造。更进一步的,由于圆形和三角形的尺寸更容易改变,因此,可以使得该天线更易于小型化,从而更易于集成。
在一些示例中,如图1a所示,为了使得电流通过天线表面时的路径更长,上述的三角形孔为等边三角形孔,此时在每个圆形辐射贴片的外边缘与该圆形辐射贴片中的三角形孔的顶角之间设置第一预设间隙。该第一预设间隙是预先根据经验设置的。
在一些示例中,当每个圆形辐射贴片的外边缘与该圆形辐射贴片中的三角形孔的顶角之间设置有第一预设间隙时,则第n+1个圆形辐射贴片的半径Rn+1与第n个圆形辐射贴片的半径Rn满足以下关系:
Rn+1=(Rn-d)/2
在又一些示例中,当每个圆形辐射贴片的外边缘与该圆形辐射贴片中的三角形孔的顶角之间设置有第一预设间隙时,则第n个圆形辐射贴片内部的三角形孔的边长an与第n个圆形辐射贴片的半径Rn满足以下关系:
其中,d为第一预设间隙。
例如,第2个圆形辐射贴片的半径R2与第1个圆形辐射贴片的半径R1满足以下关系:
R2=(R1-d)/2
第1个圆形辐射贴片内部的三角形孔的边长a1与第1个圆形辐射贴片的半径R1满足以下关系:
在一些示例中,如图1c所示,每个圆形辐射贴片中的三角形孔的顶点可以竖直向上的,在又一些示例中,如图1d所示,每个圆形辐射贴片中的三角形孔的顶点可以竖直向下的。这也是可以的。
在又一些示例中,第n+1个圆形辐射贴片中的三角形孔与第n个圆形辐射贴片中的三角形孔相互倒置。例如,如图1a所示,第一个圆形辐射贴片中的三角形孔与第2个圆形辐射贴片中的三角形孔相互倒置。也即,一个三角形孔的形状是另一个三角形孔旋转180°并缩放后的形状。
在一些示例中,为了提高天线带外抑制和扩展带宽,上述的天线还包括:谐振环150,如图2所示,该谐振环150设置在介质基板110中接地板130所在的面112上;谐振环150的中心与圆形辐射贴片的中心同心。
在又一些示例中,该谐振环150为圆形谐振环;
在又一些示例中,如图2所示,该接地板130靠近圆形谐振环150的边与圆形谐振环150之间设置有第二预设间隙。
在一些示例中,为了提高圆形谐振环的耦合作用,进而扰乱电流方向,圆形谐振环150的外径小于或等于第1个圆形辐射贴片的半径。也即,该圆形谐振环150的外径小于或等于半径最大的圆形辐射贴片的半径。
在一些示例中,该介质基板的介电常数为4.4,介质损耗角正切值为0.02,材料为聚四氟乙烯。
在一些示例中,如图1a、图1c和图1d所示,该微带线140可以包括:第一微带线和第二微带线;第一微带线的宽度大于第二微带线的宽度;
第一微带线与上述的辐射体中的第1个圆形辐射贴片相连,第二微带线与接地板相连。
通过采用较宽尺寸的第一微带线和第1个圆形辐射贴片相连,可以增加连接的强度,提高天线的寿命。
为了更清楚的说明本发明实施例的效果,本发明在图1a和图2所示的结构的基础上进行了仿真。在进行仿真时,图1a和图2所示的天线的尺寸如表1所示。
表1天线尺寸表
变量 | 值(mm) | 变量 | 值(mm) | 变量 | 值(mm) | 变量 | 值(mm) |
W | 61 | L | 87.5 | R5 | 22 | R6 | 19.5 |
w1 | 1 | l1 | 32.5 | a1 | 39.84 | a2 | 18.19 |
w2 | 2 | l2 | 2 | a3 | 7.36 | a4 | 1.95 |
R1 | 24 | R2 | 11.5 | b | 4 | d | 1 |
R3 | 5.25 | R4 | 2.125 |
其中,W为介质基板的宽度,L为介质基板的长度,w1为第二微带线的宽度,l1为第二微带线的长度,w2为第一微带线的宽度,l2为第一微带线的长度,R1为第一个圆形辐射贴片的半径,R2为第二个圆形辐射贴片的半径,R3为第三个圆形辐射贴片的半径,R4为第四个圆形辐射贴片的半径,R5和R6分别为圆形谐振环的外径和内径。a1为第一个圆形辐射贴片中的三角形的边长,a2为第二个圆形辐射贴片中的三角形的边长,a3为第三个圆形辐射贴片中的三角形的边长,a4为第四个圆形辐射贴片中的三角形的边长,b和d分别为第二预设间隙和第一预设间隙。
在表1所示的尺寸的基础上,为了实现图1a和图2所示的结构,可以先制作第一个具有等边三角形孔的圆形辐射贴片,实现一阶分形,然后再制作第二个具有等边三角形孔的圆形辐射贴片,实现二阶分形,再制作第三个具有等边三角形孔的圆形辐射贴片,实现三阶分形,最后制作第四个具有等边三角形孔的圆形辐射贴片,实现四阶分形。
然后分别对每阶分析后的效果进行仿真,仿真的效果如图3所示,参见图3。横坐标为频率,纵坐标为回波损耗。由图3中曲线可以看出,随着分形阶数的不断提高,天线的谐振点个数也逐渐增多,可覆盖的频段的数量也逐渐增加。在回波损耗为-10dB时,带宽明显变宽,当天线分形阶数为4时,该天线可以在低频段(1.3GHz-3.1GHz)覆盖TD-SCDMA(1.880-2.025GHz)、WCDMA(1.920-2.170GHz)、CDMA2000(1920-2125MHz)、LTE33-41(1900-2690MHz)等网络标准的频段,在中频段(3.4GHz-4.7GHz)覆盖LTE42/43(3.4-3.8GHz)标准的频段,在高频段(5GHz-5.8GHz)覆盖WLAN(5.15-5.35GHz)标准的频段。
在一些示例中,在第一个谐振点处时,辐射体的有效长度L1约为:
此时,该第一个谐振点处的理论频率f1为:
可见,该第一个谐振点处的理论频率与图3所示的实际频率2.6GHz比较接近,其中,εr为介点常数。
在又一些示例中,在第二个谐振点处时,辐射体的有效长度L2约为:
此时,该第二个谐振点处的理论频率f2为:
可见,该第二个谐振点处的理论频率与图3所示的实际频率3.8GHz也比较接近。
在另一些示例中,在第三个谐振点处时,辐射体的有效长度L3约为:
L3≈2*π*R1≈13.345mm
此时,该第三个谐振点处的理论频率f3为:
可见,该第三个谐振点处的理论频率与图3所示的实际频率5.3GHz相同。
因此,可以说明本发明实施例的多频段天线的实际效果与理论计算基本一致。
如图4a、图4b以及图4c中的阴影所示,为天线在频率分别为2.6GHz、3.8GHz和5.3GHz时的强电流分布度,在图4a中,强电流主要集中在辐射体的外部区域,可以理解2.6GHz谐振点是由一阶分形产生的。在图4b中,强电流主要集中在中间区域,因此3.8GHz谐振点是由二阶分形引起的。在图4c中,强电流主要集中在内部区域,因此5.3GHz谐振点由高阶分形产生。因此,通过分析可知,电流随着频率的增加由外向内流动。由f=c/λ可知,天线尺寸小,辐射频率高。因此,内圈产生的谐振频率高于外圈产生的谐振频率,其中,c为无线信号的传播速度,λ为无线信号的波长,f为无线信号的频率。
为了说明本发明实施例的一种多频段天线的方向性,这里结合图5a~图5c进行说明,图5a为谐振频率为2.6GHz时多频段天线的方向图,图5b为谐振频率为3.8GHz时多频段天线的方向图,图5c为谐振频率为5.3GHz时多频段天线的方向图。从图5a~图5c可知,随着谐振频率的增加,主瓣变小,副瓣增多,方向性变复杂。也就是说明,随着谐振频率的增加,本发明实施例的多频段天线的辐射方向性也会增强。
相应于上述的一种多频段天线,本发明实施例还提供了一种无线通信设备,该无线通信设备至少包括上述任一实施例所示的一种多频段天线。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,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。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其,对于无线通信设备而言,由于其基本相似于多频段分形天线实施例,所以描述的比较简单,相关之处参见多频段分形天线实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种多频段分形天线,其特征在于,所述天线包括:介质基板、辐射体、接地板以及微带线,所述接地板和所述辐射体分别位于所述介质基板上相对的两个面上;所述辐射体和所述接地板通过所述微带线连接;
所述辐射体包括:N个内部设置有三角形孔的圆形辐射贴片,所述N个圆形辐射贴片中的第n+1个圆形辐射贴片的外边缘与第n个圆形辐射贴片中的三角形孔的边相切;其中,所述N大于等于2,所述1≤n≤N。
2.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,所述三角形孔为等边三角形孔,每个所述圆形辐射贴片的外边缘与该圆形辐射贴片中的三角形孔的顶角之间设置有第一预设间隙。
4.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,所述第n+1个圆形辐射贴片中的三角形孔与所述第n个圆形辐射贴片中的三角形孔相互倒置。
5.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,所述天线还包括:谐振环,所述谐振环设置在所述介质基板中所述接地板所在的面上;所述谐振环的中心与所述圆形辐射贴片的中心同心。
6.根据权利要求5所述的天线,其特征在于,所述谐振环为圆形谐振环;所述接地板靠近所述圆形谐振环的边与所述圆形谐振环之间设置有第二预设间隙。
7.根据权利要求6所述的天线,其特征在于,所述圆形谐振环的外径小于或等于第N个圆形辐射贴片的半径。
8.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,所述介质基板的介电常数为4.4,介质损耗角正切值为0.02,材料为聚四氟乙烯。
9.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,所述微带线包括:第一微带线和第二微带线;所述第一微带线的宽度大于所述第二微带线的宽度;
所述第一微带线与所述辐射体中的第1个圆形辐射贴片相连,所述第二微带线与所述地板相连。
10.一种无线通信设备,其特征在于,所述无线通信设备至少包括:权利要求1~9任一项所述的多频段分形天线。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210709 |