CN113328237B - 一种无线通用三频段单极子天线及无线通信装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线通讯领域，公开一种无线通用三频段单极子天线及无线通信装置，包括：介质基板、形成于介质基板表面的辐射贴片、形成于介质基板背离辐射贴片一侧表面的接地层以及贯穿介质基板且用于连接辐射贴片和接地层的馈电端口；辐射贴片形成有第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元，第一天线单元、第二天线单元以及第三天线单元均与馈电端口电连接。该无线通用三频段单极子天线三个天线单元可以分别在不同的频段范围内做出谐振响应，即本发明可同时在多个工作频段内做出谐振响应，功能强大，适用范围广。该天线单元紧凑，结构简单，并克服了传统单极子天线中心工作频率单一的缺点。

Description

一种无线通用三频段单极子天线及无线通信装置
技术领域
本发明涉及无线通讯技术领域，特别涉及一种无线通用三频段单极子天线及无线通信装置。
背景技术
随着无线通信技术的不断发展，无线局域网Wireless Local Area Networks(WLAN)和全球微波互联接入Worldwide Interoperability for Microwave Access(WIMAX)已经广泛应用于人们的日常生活中。具体地，WLAN是基于IEEE802.11标准的无线局域网，允许在2.4GHz-2.484GHz和5.725GHz-5.825GHz频段内进行语音、视频及其他数据的传输，应用在办公室、餐馆、酒店和广场等众多场所。WIMAX是基于IEEE802.16标准，主要在2.5GHz-2.69GHz，3.4GHz-3.69GHz和5.25GHz-5.85GHz频段内提供高速无线网络连接，可以为企业和家庭等解决“最后一公里”的无线宽带连接问题。同时，无线设备终端趋向小型和多功能化发展，相应天线设计上存在着多频谱覆盖及小型化要求。传统应用的单极子天线虽结构紧凑，制备相对简单，但其中心频率单一，应用范围受限，不利于多频段需求。
发明内容
本发明公开了一种无线通用三频段单极子天线及无线通信装置，用于克服传统单极子天线中心工作频率单一的缺点。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一方面，本发明提供一种无线通用三频段单极子天线，包括：介质基板、形成于所述介质基板表面的辐射贴片、形成于所述介质基板背离所述辐射贴片一侧表面的接地层以及贯穿所述介质基板且用于连接所述辐射贴片和所述接地层的馈电端口；
所述辐射贴片形成有第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元，所述第一天线单元、所述第二天线单元以及所述第三天线单元均与所述馈电端口电连接。
上述无线通用三频段单极子天线中辐射贴片和接地层分别形成于介质基板两个相对的表面，馈电端口贯穿介质基板并连接辐射贴片和接地层，辐射贴片形成有三个天线单元，分别是第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元，且三个天线单元均与馈电端口电连接，该无线通用三频段单极子天线三个天线单元可以分别在不同的频段范围内做出谐振响应，即本发明可同时在多个工作频段内做出谐振响应，功能强大，适用范围广。因此，上述无线通用三频段单极子天线可以覆盖WLAN和WIMAX频段，可以应用在WLAN和WIMAX中；该天线单元紧凑，结构简单，并克服了传统单极子天线中心工作频率单一的缺点。
可选地，所述辐射贴片包括第一辐射单元、第二辐射单元、第三辐射单元、第四辐射单元以及第五辐射单元，其中：
所述第一辐射单元的一端与所述第二辐射单元的一端连接形成所述第一天线单元；
所述第四辐射单元的一端与所述第五辐射单元的一端连接形成所述第二天线单元；
所述第三辐射单元的一端与所述第四辐射单元连接，所述第三辐射单元、所述第四辐射单元以及所述第五辐射单元配合形成所述第二天线单元，所述第三辐射单元的另一端与所述第二辐射单元的另一端连接。
可选地，所述第一天线单元为L型结构，所述第三天线单元为L型结构，且所述第一天线单元的L型结构开口与所述第三天线单元的L型结构开口相背。
可选地，所述第一辐射单元和所述第五辐射单元平行，所述第二辐射单元和所述第四辐射单元平行；所述第三辐射单元与所述第一辐射单元平行。
可选地，所述第一辐射单元的长度为8-12mm，宽度为1-3mm，所述第二辐射单元的长度为13-17mm，宽度为1-3mm；
所述第三辐射单元的长度为10-14mm，宽度为1-3mm；
所述第四辐射单元的长度为28-32mm，宽度为0.9-1.3mm，所述第五辐射单元的长度为8-12mm，宽度为1-3mm。
可选地，所述介质基板的介电常数的范围为2-8，介电损耗角正切的范围为0.001-0.05，厚度范围为0.5-6mm。
可选地，所述辐射贴片和/或所述接地层的材料为透明导电薄膜或者铜或者铝。
可选地，所述馈电端口的宽度与所述第四辐射单元的宽度相同。
可选地，所述接地层的长度与所述介质基板的长度相同，所述接地层的宽度小于所述介质基板的宽度。
本发明还提供一种无线通信装置，包括如上述方案中任一项所述的无线通用三频段单极子天线。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种无线通用三频段单极子天线的俯视图；
图2为本发明实施例提供的一种无线通用三频段单极子天线的仰视图；
图3为本发明实施例提供的一种无线通用三频段单极子天线的主视图；
图4为本发明实施例提供的一种无线通用三频段单极子天线中馈电端口的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种无线通用三频段单极子天线的回波损耗的仿真示意图；
图6为本发明实施例提供的一种无线通用三频段单极子天线的驻波比的仿真示意图；
图7为本发明实施例提供的一种无线通用三频段单极子天线在2.4GHz的方向示意图；
图8为本发明实施例提供的一种无线通用三频段单极子天线在3.4GHz的方向示意图；
图9为本发明实施例提供的一种无线通用三频段单极子天线在6.1GHz的方向示意图。
图标：1-介质基板；2-辐射贴片；3-接地层；4-馈电端口；21-第一辐射单元；22-第二辐射单元；23-第三辐射单元；24-第四辐射单元；25-第五辐射单元。
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。
如图1至图9所示，本发明实施例提供了一种无线通用三频段单极子天线，包括：介质基板1、形成于介质基板1表面的辐射贴片2、形成于介质基板1背离辐射贴片2一侧表面的接地层3以及贯穿介质基板1且用于连接辐射贴片2和接地层3的馈电端口4；辐射贴片2形成有第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元，第一天线单元、第二天线单元以及第三天线单元均与馈电端口4电连接。
上述无线通用三频段单极子天线中辐射贴片2和接地层3分别形成于介质基板1两个相对的表面，馈电端口4贯穿介质基板1并连接辐射贴片2和接地层3，辐射贴片2形成有三个天线单元，分别是第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元，且三个天线单元均与馈电端口4电连接，该无线通用三频段单极子天线三个天线单元可以分别在不同的频段范围内做出谐振响应，即本发明可同时在多个工作频段内做出谐振响应，功能强大，适用范围广。因此，上述无线通用三频段单极子天线可以覆盖WLAN和WIMAX频段，可以应用在WLAN和WIMAX中；该天线单元紧凑，结构简单，并克服了传统单极子天线中心工作频率单一的缺点。
可选地，辐射贴片2包括第一辐射单元21、第二辐射单元22、第三辐射单元23、第四辐射单元24以及第五辐射单元25，其中：第一辐射单元21的一端与第二辐射单元22的一端连接形成第一天线单元；第四辐射单元24的一端与第五辐射单元25的一端连接形成第二天线单元；第三辐射单元23的一端与第四辐射单元24连接，第三辐射单元23、第四辐射单元24以及第五辐射单元25配合形成第二天线单元，第三辐射单元23的另一端与第二辐射单元22的另一端连接。
一种可能实现的方式中，如图1所示，介质基板1上表面的辐射贴片2包括第一辐射单元21、第二辐射单元22、第三辐射单元23、第四辐射单元24和第五辐射单元25(为区分五个辐射单元图1中用虚线隔开)，第二辐射单元22位于第一辐射单元21右下侧，形成折线状，在天线工作时可激发第一谐振模态；第四辐射单元24在第五辐射单元25的左下侧，形成折线状，并结合第四辐射单元24左侧的长枝节第三辐射单元23调控，可在天线工作时共同激发第二谐振模态和第三谐振模态。整体设计原理是单极子天线的长度在工作波长的四分之一左右时，会产生谐振点；而为了实现多频段响应，每个单元需要对其他单元影响可接受情况下进行适当的曲流设计和阻抗匹配，谐振点上天线的阻抗虚部为0。通过对单极子天线的枝节结构形状和大小的设计，实现了单极子天线在多个工作频段范围内的谐振响应。
可选地，第一天线单元为L型结构，第三天线单元为L型结构，且第一天线单元的L型结构开口与第三天线单元的L型结构开口相背。
一种可能实现的方式中，如图1所示，第一辐射单元21的一端与第二辐射单元22的一端连接形成L型结构的第一天线单元，且第一天线单元的L型结构开口朝向左下方，第三天线单元的L型结构开口朝向右上方，两个L型结构的开口方向相背。
可选地，第一辐射单元21和第五辐射单元25平行，第二辐射单元22和第四辐射单元24平行；第三辐射单元23与第一辐射单元21平行。
如图1所示，第一辐射单元21和第二辐射单元22形成翻转“L”形状，第四辐射单元24和第五辐射单元25形成倒置“L”形状，第三辐射单元23连接两个类“L”单元，其中：第一辐射单元21、第三辐射单元23和第五辐射单元25均平行设置，第二辐射单元22和第四辐射单元24平行，第三辐射单元23于第四辐射单元24的中部连接，第四辐射单元24远离第五辐射单元25的一端延伸至介质基板1的边缘。
一种可能实现的方式中，第一辐射单元21的长度为8-12mm，宽度为1-3mm，第二辐射单元22的长度为13-17mm，宽度为1-3mm；第三辐射单元23的长度为10-14mm，宽度为1-3mm；第四辐射单元24的长度为28-32mm，宽度为0.9-1.3mm，第五辐射单元25的长度为8-12mm，宽度为1-3mm。
可选地，介质基板的介电常数的范围为2-8，介电损耗角正切的范围为0.001-0.05，厚度范围为0.5-6mm。
一种可能实现的方式中，本发明提供的无线通用三频段单极子天线中以玻璃材料为介质基板1。
另外，移动通信的快速发展，尤其5G毫米波网络布局，客户终端设备CustomerPremise Equipment(CPE)成为关键技术之一。5G毫米波段的高频率特性，使毫米波在遇到墙壁等建筑物会发生阻隔，严重影响覆盖范围。CPE可以中继移动网络信号，变成WiFi信号扩大室内覆盖范围，供给其他设备连接。因此，相应的玻璃基天线设计存在很高的市场需求。
基于此，本发明提供一种无线通信用透明三频段单极子天线设计方案。该透明天线可加工在窗户玻璃上，覆盖WLAN和WIMAX频段，可连接CPE设备为室内场所提供无线信号需求。
一种可能实现的方式中，介质基板1为透明玻璃，玻璃介电常数在2-8范围内变化，介电损耗角正切在0.001-0.05范围内变化，厚度在0.5-6mm范围内变化。
另外，介质基板的材料不限于透明玻璃、罗杰斯板材等。
可选地，辐射贴片2和/或接地层3的材料为透明导电薄膜或者常见的铜铝等金属。
一种可能实现的方式中，介质基板1上表面的辐射贴片2包括第一辐射单元21、第二辐射单元22、第三辐射单元23、第四辐射单元24和第五辐射单元25，每个辐射单元的组成材料包括氧化铟锡(ITO)、银纳米线和氧化锌(ZnO):铝(Al)等透明导电薄膜材料。该类透明导电薄膜材料可以通过磁控溅射、真空蒸镀和旋涂等工艺涂布在介质基板1上，并进行图案化处理成所需形状。
由于上述无线通信用透明三频段单极子天线采用氧化铟锡锌(ITZO)等光透明导电材料作为辐射单元，设计出的天线图案可加工于窗户玻璃上，在不影响透光性的情况下提供无线信号，解决室内空间无线信号无法覆盖问题，应用前景巨大。
如图1所示，介质基板1为四边形。可选地，馈电端口4的宽度与第四辐射单元24的宽度相同。
一种可能实现的方式中，馈电端口46为长方形，连接介质基板1上下两个表面。可选地，馈电端口4的宽度为0.9-1.3mm，与第四辐射单元24的微带线宽相对应；馈电端口4的高度为0.5-6mm，应与介质基板1的厚度相对应。
可选地，接地层3的长度与介质基板1的长度相同，接地层3的宽度小于介质基板1的宽度。
一种可能实现的方式中，介质基板1的下表面为接地层3，其中接地层3的长度同介质基板1大小。可选地，接地层3的宽度为10-16mm。接地层3的材料同为氧化铟锡(ITO)、银纳米线和氧化锌(ZnO):铝(Al)等透明导电薄膜材料，可通过磁控溅射、真空蒸镀和旋涂等工艺涂布在介质基板1的下表面。
上述技术方案对天线的辐射单元枝节长度和微带线宽的设计，该天线可产生3个谐振频段，谐振频率中心点分别为2.4GHz、3.4GHz和6.1GHz，工作频段覆盖2.2GHz-2.7GHz，3.2GHz-3.5GHz和5.7GHz-6.8GHz范围内，即该天线可在WLAN和WIMAX范围内使用。
为验证该设计方案的正确性及天线的可行性，使用电磁仿真软件对该天线结构进行了仿真实验。仿真环境如下所示：
软件：Ansoft HFSS，版本：16.1，电脑环境：主频1.7，16G内存。
图5-图9是在典型实施方案参数下的得到的仿真结果。
具体地，第一辐射单元21的长度为10mm，宽度为2mm；第二辐射单元22的长度为15mm，宽度为2mm；第三辐射单元23长度为12mm，宽度为2mm；第四辐射单元24的长度为30mm，宽度为1.1mm；第五辐射单元25的长度为10mm，宽度为2mm；馈电端口4的宽度为1.1mm，高度为1mm；接地层3的宽度为12mm。
从仿真结果可以看出，图5是该设计天线馈电端口4馈电情况下的回波损耗S(1,1)仿真曲线，在2.2GHz-2.7GHz，3.2GHz-3.5GHz和5.7GHz-6.8GHz频段范围内均小于-10dB，说明具有较好的谐振和阻抗匹配，验证了该方案的可行性。
图6是该设计天线馈电端口4馈电情况下的驻波比参数的仿真结果。可以看出，该三频段单极子天线的工作频率范围分别是2.2GHz-2.7GHz，3.2GHz-3.5GHz和5.7GHz-6.8GHz，中心频率分别是2.4GHz、3.4GHz和6.1GHz，相应的天线驻波比参数均小于2，同样也验证了该方案的可行性。
另一方面，通过仿真软件对该天线在不同工作频率下的辐射方向图进行了仿真，如图6-图8所示，分别为在三个谐振中心频率点的E面和H面的方向图。
基于同样的发明构思，本发明还提供一种无线通信装置，包括如上述方案中任一种无线通用三频段单极子天线。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种无线通用三频段单极子天线，其特征在于，包括：介质基板、形成于所述介质基板表面的辐射贴片、形成于所述介质基板背离所述辐射贴片一侧表面的接地层以及贯穿所述介质基板且用于连接所述辐射贴片和所述接地层的馈电端口；
所述辐射贴片形成有第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元，所述第一天线单元、所述第二天线单元以及所述第三天线单元均与所述馈电端口电连接；
所述辐射贴片包括第一辐射单元、第二辐射单元、第三辐射单元、第四辐射单元以及第五辐射单元，其中：
所述第一辐射单元的一端与所述第二辐射单元的一端连接形成所述第一天线单元；
所述第四辐射单元的一端与所述第五辐射单元的一端连接形成所述第二天线单元；
所述第三辐射单元的一端与所述第四辐射单元连接，所述第三辐射单元、所述第四辐射单元以及所述第五辐射单元配合形成所述第三天线单元，所述第三辐射单元的另一端与所述第二辐射单元的另一端连接；
所述第一天线单元为L型结构，所述第三天线单元为L型结构，且所述第一天线单元的L型结构开口与所述第三天线单元的L型结构开口相背；
所述第三辐射单元与所述第四辐射单元的中部连接，所述第四辐射单元远离所述第五辐射单元的一端延伸至所述介质基板的边缘。
2.根据权利要求1所述的无线通用三频段单极子天线，其特征在于，所述第一辐射单元和所述第五辐射单元平行，所述第二辐射单元和所述第四辐射单元平行；所述第三辐射单元与所述第一辐射单元平行。
3.根据权利要求1所述的无线通用三频段单极子天线，其特征在于，所述第一辐射单元的长度为8-12mm，宽度为1-3mm，所述第二辐射单元的长度为13-17mm，宽度为1-3mm；
所述第三辐射单元的长度为10-14mm，宽度为1-3mm；
所述第四辐射单元的长度为28-32mm，宽度为0.9-1.3mm，所述第五辐射单元的长度为8-12mm，宽度为1-3mm。
4.根据权利要求1所述的无线通用三频段单极子天线，其特征在于，所述介质基板的介电常数的范围为2-8，介电损耗角正切的范围为0.001-0.05，厚度范围为0.5-6mm。
5.根据权利要求1所述的无线通用三频段单极子天线，其特征在于，所述辐射贴片和/或所述接地层的材料为透明导电薄膜或者铜或者铝。
6.根据权利要求1所述的无线通用三频段单极子天线，其特征在于，所述馈电端口的宽度与所述第四辐射单元的宽度相同。
7.根据权利要求1所述的无线通用三频段单极子天线，其特征在于，所述接地层的长度与所述介质基板的长度相同，所述接地层的宽度小于所述介质基板的宽度。
8.一种无线通信装置，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的无线通用三频段单极子天线。
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