CN114824778A - 一款应用于5g通信和北斗定位的多频平面微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一款应用于5G通信和北斗定位的多频平面微带天线，其包括正方形介质基板、正方形金属接地板、小三角形金属贴片、大三角形金属贴片、V型金属贴片以及馈电结构；所述正方形金属接地板位于正方形介质基板下，所述小三角形金属贴片、大三角形金属贴片和V型金属贴片设置在正方形介质基板上，所述馈电结构穿过正方形介质基板和正方形金属接地板，所述大三角形金属贴片上还设置有三角形缝隙和矩形缝隙，所述V型金属贴片水平嵌套在大三角形金属贴片右侧角外。本申请通过设计一款能够实现同时收发北斗定位无线信号和5G无线移动信号的平面结构天线，进而改变了现有北斗系统中功能单一的天线设计。

Description

一款应用于5G通信和北斗定位的多频平面微带天线

技术领域

本发明属于基本电气元件中的天线领域，具体涉及一款应用于5G通信和北斗定位的多频平面微带天线。

背景技术

北斗高精度定位作为时间和空间信息感知采集的关键技术，正在推动传统产业的改造升级与新兴产业的蓬勃发展。5G所带来的增强带宽、海量连接和超低延时等网络特性构筑起万物互联的核心基础，而北斗与5G的融合，不仅可以相互赋能，彼此增强，更将打造智能化信息时代的基础感知网络，结合人工智能、大数据等技术的融合推进，将推动社会由“万物互联”向“万物智联”进行演进。

北斗+5G导通融合技术优势可归纳为以下几个方面：(1)融合定位，结合北斗定位授时信号广覆盖和5G毫米波测距新技术的北斗+5G通信导航融合定位，能够进一步提升高精度定位的安全性、可用性和完好性，实现广域的导航和通信协同服务能力，弥补北斗导航信号覆盖在室内、地下及城市峡谷地带等环境下应用的局限性；(2)实时增强，基于北斗+5G的增强系统可以将端到端时延降低到毫秒级，对于需求高实时性和高可靠性的应用场景是一个巨大的改善；(3)泛在感知，基于5G的高并发接入技术，可以实现万物互联的泛在连接，再结合北斗高精度定位技术，就能实现时空泛在感知，不仅用户能够定位自身的位置，网络也能随时随地准确记录所有用户的精确位置信息；(4)统一时空基准，北斗+5G首先定义以北斗为核心的绝对时空基准，再实现和5G、智慧公路等相对时空位置的自由转换，最终实现全球统一的时空基准，实现绝对定位授时和相对定位授时的统一；(5)协同控制，基于5G的低时延高可靠连接和北斗的高精度定位授时，能够实现远距离精密协同控制。

因此北斗和5G的融合在理论上具有合理性，在实践上有着迫切性。但是现有的相关设备、器件还不能满足其融合需求。例如，北斗系统和5G系统都需要一个无线信号收发设备，即天线，具有单独功能的天线研究的很多，但是同时能够完成两种不同信号收发任务的天线还是鲜有报道。

中国专利CN101789538B公开了一种多频贴片天线装置，包括贴片天线、PCB板、屏蔽罩及低噪声放大电路，所述贴片天线装置进一步包含贴片天线、多频段馈电网络、多频段馈电探针以及至少四个馈点，该至少四个馈点构成至少两组馈电点，该至少两组馈电点一端与所述贴片天线连接，另一端通过所述多频段馈电探针分别穿过所述PCB板与所述多频段馈电网络相连接；所述屏蔽罩与所述PCB板连接。本发明提高了天线相位中心的稳定度，降低了轴比，同时使得匹配变得更加简单，使得天线变得更加紧凑；本发明所述装置能同时接收多路载波，进而消除电离层的干扰，提高测量精度。

中国专利CN213425205U一种应用于北斗便携式终端的多频段组合天线，包括有载板、B3频段天线、L频段天线、S频段天线和B2b频段天线；载板顶部设有B3频段天线、L频段天线和B2b频段天线，L频段天线顶部叠加有S频段天线等。本实用新型通过涉及的天线为陶瓷介质，并作为加载技术，从而实现天线的小型化，通过L频段天线、S频段天线采用层叠形式，又由于所述L频段天线通过耦合馈电的形式实现拓展天线带宽，在通过B2b频段天线外表面镀有电极银层，从而实现了B2b频段天线的超小型化，使得所述组合天线的能够达到80*30*10mm的超小型规格，如此，达到了结构紧凑，尺寸小巧，重量轻，性能高的效果。

上述现有技术的缺点是北斗导航系统的无线信号收发天线和5G无线信号收发天线是独立的，而且上述两个天线工作在两个不同的频点上，完成不同频率信号的收发任务，两个独立的天线不但造成了系统能量消耗过大，而且对于移动端，也增大了系统的体积，给使用者带来了极大的不便。

发明内容

为解决上述问题，以求通过设计一款能够实现同时收发北斗定位无线信号和5G无线移动信号的平面结构天线，进而改变现有北斗系统中功能单一的天线设计。

为达到上述效果，本发明设计一款应用于5G通信和北斗定位的多频平面微带天线。

一款应用于5G通信和北斗定位的多频平面微带天线，其包括，正方形介质基板、正方形金属接地板、小三角形金属贴片、大三角形金属贴片、V型金属贴片以及馈电结构；

所述正方形金属接地板位于正方形介质基板下；

所述小三角形金属贴片、大三角形金属贴片和V型金属贴片设置在正方形介质基板上；

所述馈电结构穿过正方形介质基板和正方形金属接地板。

优选地，所述大三角形金属贴片上还设置有三角形缝隙和矩形缝隙。

优选地，所述馈电结构包括圆形非金属区域和圆形非金属化过孔；

所述圆形非金属区域与圆形非金属化过孔的圆心重合；

所述圆形非金属化过孔半径小于圆形非金属区域；

所述圆形非金属区域位于正方形金属接地板中；

所述圆形非金属化过孔位于正方形介质基板中；

所述圆形非金属化过孔的高度等于正方形介质基板厚度。

优选地，其特征在于，所述大三角形金属贴片位于正方面介质基板上表面中心处，所述大三角形金属贴片的几何中心与正方形介质基板上表面的几何中心重合，所述大三角形金属贴片的一个边与正方形介质基板左侧边平行。

优选地，所述小三角形金属贴片位于正方形介质基板上表面左侧边缘；

所述小三角形金属贴片的右边与小三角形金属贴片的左侧边平行，同时与正方形介质基板上表面的左侧边平行；所诉小三角形金属贴片的一个角指向正方形介质基板上表面的左侧边。

优选地，所述三角形缝隙靠近大三角形金属贴片下侧角；

所述三角形缝隙的三个边与大三角形的三个边平行；

所述三角形缝隙左侧边靠近大三角形金属贴片左侧边；

所述三角形缝隙下侧边靠近大三角形金属贴片下侧边；

所述三角形缝隙上侧边远离大三角形金属贴片上侧边。

优选地，所述矩形缝隙两长边平行于大三角形金属贴片的一个边，同时也平行于三角形缝隙的一个边。

优选地，所述V型金属贴片水平嵌套在大三角形金属贴片右侧角外；

所述V型金属贴片左侧两个底边与正方形介质基板上表面左右两个边平行。

优选地，其特征在于，所述正方形金属接地板的制备材料金属铜。

优选地，所述正方形介质基板的制备材料为聚四氟乙烯FR-4。

本申请的优点和效果如下：

1、本申请设计的能够同时收发北斗定位无线信号和5G无线移动信号的多频平面微带天线，通过简单的设计，即可完成5G通信和北斗定位的信号结合，通过贴片的方式，将两者信号发生装置汇合成一个，大大的减少了天线的体积。

2、本申请设计的多频平面微带天线具有四个有效的工作频点，中心谐振频点分别为1.60±2％GHz、3.40±2％GHz、4.50±2％GHz和5.10±2％GHz；其中第一个工作频点可以为北斗卫星定位服务，第二个工作频点能够为5G无线通信服务，剩余两个谐振频点还能够实现其他功能的通信。

3、本申请设计的天线在结构上是单层介质基板结构，虽然基板两侧都有金属结构，但是两侧的金属结构都比较简单，其易于加工，可靠性高；同时，本申请设计的天线介质基板厚度只有1.6±2％mm，具有低剖面的特性。

4、本申请设计的天线是一个平面微带天线，微带天线易于与其他电路设备集成，因此本申请设计的天线还具有易集成的特点。

5、本申请设计的天线具有单向辐射特性，其天线的辐射结构全部位于介质基板的一侧，而另一侧全部表面覆铜，电磁能够无法辐射，所以本发明设计天线具有单向辐射特性。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

根据下文结合附图对本申请具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述及其他目的、优点和特征。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明提供的一款应用于5G通信和北斗定位的多频平面微带天线的俯视图；

图2为本发明提供的一款应用于5G通信和北斗定位的多频平面微带天线的侧视图；

图3为本发明提供的一款应用于5G通信和北斗定位的多频平面微带天线的仰视图；

图4为本发明提供的三维电磁仿真软件对本发明应用于5G通信和北斗定位平面微带天线分析所得端口反射参数随频率变化曲线图；

附图标记：10、正方形介质基板；11、V型金属贴片；12、三角形缝隙；13、小三角形金属贴片；14、矩形缝隙；15、大三角形金属贴片；16、正方形金属接地板；17、圆形非金属区域；18、圆形非金属过孔。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本申请的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本申请的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。

应该理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“本实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“一个实施例”或“本实施例”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。

此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身并不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

本文中术语“至少一种”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和B的至少一种，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

还需要说明的是，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。

实施例1

本实施例主要介绍一款应用于5G通信和北斗定位的多频平面微带天线的具体设计。

参见图1～3所示，本发明天线有一块正方形介质基板10，正方形介质基板10下表面全部覆铜，形成本发明天线的正方形金属接地板16，正方形金属接地板16中刻蚀一个圆形非金属区域17，用于焊接测试所需的测试接口，圆形非金属区域17圆心位于正方形金属接地板的右上半侧区域。在圆形非金属区域17圆心处，加工一个半径稍小的圆形非金属化过孔18，圆形非金属化过孔18的高度等于正方形介质基板10的厚度，圆形非金属化过孔18的圆心与圆形非金属区域17的圆心重合。圆形非金属化过孔18和圆形非金属区域17构成了该天线的馈电结构。

正方形介质基板10上表面中心处刻蚀一个三角形金属贴片15，三角形金属贴片15的几何中心与正方形介质基板10上表面的几何中心重合，三角形金属贴片15的三个边长度相等，是等边三角形，三角形金属贴片15的左侧边平行于正方形介质基板10上表面左侧边。在三角形金属贴片15向下的角处，加工一个三角形缝隙12，三角形缝隙12的三个边长度相等，是等边三角形缝隙。三角形缝隙12与三角形金属贴片15在几何结构上是相似三角形。并且三角形缝隙12的三个边与三角形金属贴片15的三个边分别平行。三角形缝隙12左侧、下侧边与三角形金属贴片15的左侧、下侧边距离分别相等，且远远小于两个三角形第三边间距。三角形缝隙12右上侧边处加工一个矩形缝隙14，矩形缝隙14两条长边平行于三角形缝隙12的右上侧边，矩形缝隙两个短边垂直于两个三角形缝隙12的右上侧边。三角形金属贴片15左边缘外侧刻蚀一个三角形金属贴片13，三角形金属贴片13右侧边平行于三角形金属贴片15左侧边，且两个边距离较近。三角形金属贴片13几何尺寸远远小于三角形金属贴片15的几何尺寸。三角形金属贴片13位于正方形介质基板上表面的下侧。三角形金属贴片15右侧角附近，刻蚀一个水平放置的V型金属贴片11，V型金属贴片11的箭头方向向右，水平放置的V型金属贴片11的内角为60度，等于三角形金属贴片15的三个角度。水平放置的V型金属贴片11两内侧边与三角形今天贴片15上下两个边距离极小。水平放置的V型金属贴片11左侧两个边沿竖直方向。

若要对本发明设计天线进行测试，则需要焊接一个SMA接头。将SMA接头的金属内芯穿过正方形介质基板10中的非金属化过孔18，与正方形介质基板10上表面三角形金属贴片15连接。SMA接头的外侧接地端与介质基板10下表面的金属接地板16连接，即可对本发明设计天线的各个参数进行测试。

本申请设计的多频平面微带天线，通过简单的设计，即可完成5G通信和北斗定位的信号结合，通过贴片的方式，将两者信号发生装置汇合成一个，大大的减少了发射装置的体积。

本申请设计的天线是一个平面微带天线，微带天线易于与其他电路设备集成，因此本申请设计的天线还具有易集成的特点。

本申请设计的天线具有单向辐射特性，其天线的辐射结构全部位于介质基板的一侧，而另一侧全部表面覆铜，电磁能够无法辐射，所以本发明设计天线具有单向辐射特性。

实施例2

基于实施例1，本实施例主要介绍一款应用于5G通信和北斗定位的多频平面微带天线的具体制作过程：

首先选择一块长度和宽度都等于90±2％mm、厚度等于1.6±2％mm的聚四氟乙烯FR-4为介质板作为本发明设计天线的介质基板10。正方形介质基板10下表面全部覆盖金属涂层，即正方形金属接地板16，正方形金属接地板16的长度和宽度相等，等于正方形介质基板10的长度和宽度，为90±2％mm，金属涂层的厚度可以忽略不计。正方形金属接地板16的中加工一个圆形非金属区域17，圆形非金属区域17的半径为1.5±1％mm，圆形非金属区域17的圆心距离正方形金属接地板16右侧边43±2％mm，距离正方形金属接地板17上侧边40±2％mm，即圆形非金属区域17的圆心并非正方形金属接地板17的几何中心。在圆形非金属化区域17的圆心处，加工一个半径为0.6±1％mm，高的为1.6±1％mm的非金属化过孔18。上述圆形非金属化区域17和非金属化过孔18构成了本发明设计天线的馈电结构。

在正方形介质基板10的上表面刻蚀两个三角形金属贴片13、15。三角形金属贴片15三边长都是54±2％mm，左侧边与正方形介质基板10上表面左侧边平行，三角形金属贴片15的几何中心与正方形介质基板10上表面几何中心重合。三角形金属贴片15的左下侧内部加工一个三边长都为10.8±2％mm的三角形缝隙12，三角形缝隙12向下的顶点与三角形金属贴片15向下的顶点间距离为1.8±1％mm，三角形缝隙12三边与三角形金属贴片15的三边平行，向下的两边距离分别相等。距三角形缝隙12上侧边5.5±2％mm处，加工一个矩形缝隙14，矩形缝隙14的长边长度为15±2％mm，短边长度为4±1％mm。矩形缝隙14长边两个端点距离三角形缝隙12上侧边两个端点分别相等，即矩形缝隙过两长边中点连线与三角形缝隙12上侧长边的中垂线重合。三角形金属贴片13位于三角形金属贴片15的左侧，三角形金属贴片13右侧边平行于三角形金属贴片15左侧边，且两者距离等于1.44±1％mm。三角形金属贴片13的三个边长为10.8±2％mm，最下端顶点距离正方形介质基板10上表面下侧边30.8±2％mm。

上述即完成了本发明设计天线的一次完整的实施。

本申请设计的天线具有低剖面、结构简单的特性，天线在结构上是单层介质基板结构，虽然基板两侧都有金属结构，但是两侧的金属结构都比较简单，其易于加工，可靠性高；同时，本申请设计的天线介质基板厚度只有1.6±2％mm，具有低剖面的特性。

实施例3

基于上述实施例1-2，本实施例主要介绍本申请的效果验证。

利用三维电磁仿真软件HFSS对本发明设计多频平面微带天线进行仿真分析得知，如图4所述，该天线能够在四个不同频点处发生谐振，四个频点分别为1.60±2％GHz、3.40±2％GHz、4.50±2％GHz和5.10±2％GHz，即本发明设计的天线是一个多频天线。

本申请设计的多频平面微带天线具有四个有效的工作频点，中心谐振频点分别为1.60±2％GHz、3.40±2％GHz、4.50±2％GHz和5.10±2％GHz；其中第一个工作频点可以为北斗卫星定位服务，第二个工作频点能够为5G无线通信服务，剩余两个谐振频点还能够实现其他功能的通信服务；即本发明设计天线是一个融合北斗定位和5G无线高速数据的多功能天线。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，其并非因此限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，通过常规的替代或者能够实现相同的功能在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和参数变更均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一款应用于5G通信和北斗定位的多频平面微带天线，其特征在于，其包括，正方形介质基板(10)、正方形金属接地板(16)、小三角形金属贴片(13)、大三角形金属贴片(15)、V型金属贴片(11)以及馈电结构；

所述正方形金属接地板(16)位于正方形介质基板(10)下；

所述小三角形金属贴片(13)、大三角形金属贴片(15)和V型金属贴片(11)设置在正方形介质基板(10)上；

所述馈电结构穿过正方形介质基板(10)和正方形金属接地板(16)。

2.根据权利要求1所述的一款应用于5G通信和北斗定位的多频平面微带天线，其特征在于，所述大三角形金属贴片(15)上还设置有三角形缝隙(12)和矩形缝隙(14)。

3.根据权利要求1所述的一款应用于5G通信和北斗定位的多频平面微带天线，其特征在于，所述馈电结构包括圆形非金属区域(17)和圆形非金属过孔(18)；

所述圆形非金属区域(17)与圆形非金属过孔(18)的圆心重合；

所述圆形非金属过孔(18)半径小于圆形非金属区域(17)；

所述圆形非金属区域(17)位于正方形金属接地板(16)中；

所述圆形非金属过孔(18)位于正方形介质基板(10)中；

所述圆形非金属过孔(18)的高度等于正方形介质基板(10)厚度。

4.根据权利要求1或2任一项所述的一款应用于5G通信和北斗定位的多频平面微带天线，其特征在于，所述大三角形金属贴片(15)位于正方面介质基板上表面中心处，所述大三角形金属贴片(15)的几何中心与正方形介质基板(10)上表面的几何中心重合，所述大三角形金属贴片(15)的一个边与正方形介质基板(10)左侧边平行。

5.根据权利要求1所述的一款应用于5G通信和北斗定位的多频平面微带天线，其特征在于，所述小三角形金属贴片(13)位于正方形介质基板(10)上表面左侧边缘；

所述小三角形金属贴片(13)的右边与小三角形金属贴片(13)的左侧边平行，同时与正方形介质基板(10)上表面的左侧边平行；所诉小三角形金属贴片(13)的一个角指向正方形介质基板(10)上表面的左侧边。

6.根据权利要求2所述的一款应用于5G通信和北斗定位的多频平面微带天线，其特征在于，所述三角形缝隙(12)靠近大三角形金属贴片(15)下侧角；

所述三角形缝隙(12)的三个边与大三角形的三个边平行；

所述三角形缝隙(12)左侧边靠近大三角形金属贴片(15)左侧边；

所述三角形缝隙(12)下侧边靠近大三角形金属贴片(15)下侧边；

所述三角形缝隙(12)上侧边远离大三角形金属贴片(15)上侧边。

7.根据权利要求2所述的一款应用于5G通信和北斗定位的多频平面微带天线，其特征在于，所述矩形缝隙(14)两长边平行于大三角形金属贴片(15)的一个边，同时也平行于三角形缝隙(12)的一个边。

8.根据权利要求1所述的一款应用于5G通信和北斗定位的多频平面微带天线，其特征在于，所述V型金属贴片(11)水平嵌套在大三角形金属贴片(15)右侧角外；

所述V型金属贴片(11)左侧两个底边与正方形介质基板(10)上表面左右两个边平行。

9.根据权利要求1或3任一项所述的一款应用于5G通信和北斗定位的多频平面微带天线，其特征在于，所述正方形金属接地板(16)的制备材料金属铜。

10.根据权利要求1或2或5或8任一项所述的一款应用于5G通信和北斗定位的多频平面微带天线，其特征在于，所述正方形介质基板(10)的制备材料为聚四氟乙烯FR-4。

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