CN117559126B - 自身电尺寸多频可调的辐射体及多频多模单极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自身电尺寸多频可调的辐射体及多频多模单极子天线，所述辐射体包括辐射枝节、低频呈感性高频呈容性的α电路和低频呈容性高频呈感性的β电路，所述α电路串联至辐射枝节，所述β电路并联至辐射枝节，所述α电路和β电路用于调控辐射枝节电长度。本发明利用α电路与β电路在高低频呈现的不同感性或容性，调控辐射体的电长度并令天线在不同的频段激励出多个谐振模式，以满足天线的宽带多频应用场景，有别于以往为实现多频性能常用的阻抗匹配技术以及寄生枝节方法，本发明的辐射体可在任意多个频段实现任意电尺寸值，基于该辐射体构造的单极子天线可在任意所需的多个频段激励出任意所需的谐振模式。

Description

自身电尺寸多频可调的辐射体及多频多模单极子天线

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及天线技术领域，更具体的说，涉及一种自身电尺寸具有多频可调特性的辐射体及基于此构造的多频多模单极子天线。

背景技术

在无线通信领域，实现各种功能通常需要覆盖不同的工作频段。为了满足多功能的要求，实现多频覆盖，天线需要激励出多个谐振模式，每个模式对应不同的频段应用需求。当前，为了实现多模，引入额外的寄生枝节这个手段最为直接有效，但是寄生枝节的长度通常与初始天线尺寸相当，因此其往往会占用额外的空间，导致更复杂的结构并增大天线尺寸。

因此，为了不增大天线尺寸，终端设备通常采用电容和电感构成匹配电路以改善天线工作带宽。由于这些匹配电路尺寸小，因此将其加载至天线单元不会引起天线整体尺寸的增大，然而该技术只能改善已有模式的激励，而无法增加额外的谐振模式，其效果有限，也难以拓展工作频段。

例如现有技术CN 213124725 U公开了一种天线组件及移动终端，其具体的技术方案为：该实用新型提供了一种天线组件及移动终端。该天线组件包括线路板和与线路板间隔设置的天线单元；线路板设置有天线地、射频馈源以及与射频馈源电连接的馈电点；天线单元的第一连接端与天线地电连接，天线单元的第二连接端通过匹配电路与馈电点电连接。上述天线组件，采用匹配电路将天线单元与馈电点电连接，其中匹配电路包括一串联的LC电路和一并联的LC电路，可使得天线单元在尺寸大大减小的同时能够具有突出的辐射性能，从而减小了天线单元的占用面积避免天线间拥挤。

上述现有技术虽然也涉及电容C和电感L组成的电路，但是实质上是采用LC电路做阻抗匹配，阻抗匹配是非常常见的技术，已有大量文献利用各种集总元件进行相关工作，其通常加载至馈电点附近，且辐射枝节的电长度基本不会有明显变化。阻抗匹配电路的原理复杂，使用困难，而且实现的工作频段有限。因此，基于阻抗匹配电路的天线虽已有广泛使用，但难以激励出额外的谐振模式，基本只能改善已有谐振的阻抗匹配。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题和缺陷，本发明提供了一种自身电尺寸具有多频可调特性的辐射体及基于该辐射体构造的多频多模单极子天线，辐射体利用α电路及β电路在高低频段的不同容性或感性实现多个频段下的电尺寸调控，从而实现天线的多频多模功能，无需设置额外的寄生枝节，具有小型化的优点。本方案突破了现有天线设计中的多频多模设计难题，令天线在任意多个频段激励出任意所需的谐振模式成为可能。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种自身电尺寸多频可调的辐射体，包括辐射枝节，还包括低频呈感性高频呈容性的α电路和低频呈容性高频呈感性的β电路，所述α电路串联至辐射枝节中，所述β电路并联至辐射枝节中，所述α电路和β电路用于调控辐射枝节电长度。在本发明中，辐射体上的α电路和β电路的数量不限，其组合方式也不限，两种电路可任意进行组合。

作为优选地，所述α电路为分布参数电路或集总参数电路；其中，构成α电路的一种简单的集总参数电路是将一个电容与一个电感相并联；成α电路的一种简单的分布参数电路是将传输线末端短路。

作为优选地，所述β电路为分布参数电路或集总参数电路；其中，构成β电路的一种简单的集总参数电路是将一个电容与一个电感互相串联；构成β电路的一种简单的分布参数电路是将传输线末端开路。

一种多频多模单极子天线，所述多频多模单极子天线包括电路板以及上述自身电尺寸多频可调的辐射体，所述电路板包括地平面、射频馈源以及与所述射频馈源连接的馈电点，辐射体设置在电路板上；所述辐射体包括辐射枝节、α电路以及β电路，所述α电路和β电路可按周期排布在辐射枝节上，也可按非周期排布在辐射枝节上。

作为优选地，当α电路和β电路为非周期性排布时，所述α电路串联至单极子天线所需谐振模式的电流最大处，所述β电路并联至单极子天线所需谐振模式的电场最大处，两种电路的数量不限。

本发明的有益效果：

（1）工作频段是天线的关键指标，如何实现多频性能一直是天线领域的研究热点。为避免尺寸增大，电容及电感等小尺寸元器件被用于改善天线工作频段，但现有的电容、电感加载技术主要用于改善阻抗匹配，基本无法激励出额外的谐振模式，只能够对已存在的模式进行优化，工作频段拓展能力非常有限。目前最有效的多频段拓展方法仍然是产生额外的谐振模式，其常用的手段就是加载寄生辐射体，但寄生辐射体尺寸通常接近原有天线尺寸，因此往往占用大量空间，进而导致整体尺寸增大。此外寄生枝节可加载数量存在上限，可引入的谐振模式也存在上限。为解决上述问题，本发明提出了一种新的技术方法，定义了一种α电路和一种β电路，并利用α和β电路直接调控辐射体的电长度，然后通过电长度和谐振模式的激励关系引入谐振模式。该技术完全有别于以往的匹配电路方法或寄生枝节方法，令辐射体可在多个频段内实现任意电长度值。更重要的是，利用该电尺寸调控技术构造的天线，打破了天线模式数量以及工作频段数量这两个限制，通过不同的α电路和β电路加载方案，可实现各式各样的多频多模性能，为天线设计带来了无限可能。

（2）本发明的α电路和β电路可通过集总元件构成，其尺寸小，几乎不会占用额外的空间，有利于天线整体尺寸小型化。

附图说明

本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：

图1为本发明辐射体的通用形式示意图；

图2-图5为部分可行的α电路和β电路示意图；

图6-图9为几种理想的电尺寸可调辐射体的实施案例；

图10为多频多模单极子天线的通用形式示意图；

图11-图14为几种理想的多频多模单极子天线实施案例；

图15为一款非理想天线的简单实施例；

图16为单极子天线前三个模式的电流与电场分布；

图17为实施例3的天线电长度与传统天线的对比图；

图18为实施例3的天线仿真结果与传统单极子天线的对比示意图；

图19为几种基于非理想辐射体的多频多模单极子天线。

图中：

1、辐射体；2、电路板；3、α电路；4、β电路；11、辐射枝节；21、地平面；22、馈电点。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明提出了一种自身电尺寸多频可调的辐射体以及基于该辐射体构造的多频多模单极子天线，以解决当前天线设计领域所面临的难题。所提出的自身电尺寸多频可调辐射体，其调控能力突破了传统技术限制，可在任意所需多个频段进行调控且在每个频段都可在理论上实现0~∞的电尺寸值，其基本原理是就是基于一些可在不同频段呈现出不同电容特性及电感特性的电路，改变辐射体在不同频段的电波传输特性。本发明所提出的单极子天线，利用其辐射体的电尺寸多频调控能力，可解决现有天线设计中的多频多模设计难题，令天线在任意多个频段激励出任意多个谐振模式成为可能，并且由于调控电路尺寸小，设计的天线具有小型化优势。

为了便于对本发明的技术方案进行理解，首先对本发明所涉及的专业技术用语进行解释说明。

α电路：指低频呈感性高频呈容性的电路。

β电路：指低频呈容性高频呈感性的电路。

电尺寸：物理尺寸与电波波长的比值。

实施例1

本实施例公开了一种自身电尺寸具有多频可调特性的辐射体，通过采用不同的α电路和β电路组合方案，可满足各种不同的工作频段及模式需求，其通用结构形式可参照说明书附图1。其中辐射体1位于电路板2的边缘，所述辐射体1由辐射枝节11、α电路3和β电路4构成；所述α电路3串联至辐射枝节11，α电路3在低频呈感性在高频呈容性；所述β电路4并联至辐射枝节11与地平面21之间，β电路4在低频呈容性在高频呈感性。所述α电路3以及β电路4的数量、电路类型、组合形式具有多种方案，下面将通过具体案例进行说明。

在本实施例中，α电路3和β电路4具有多种形式，包括集总电路形式与分布参数电路形式，部分结构形式可参照说明书附图2-附图5。其中，附图2为基于LC的α电路3是一种集总电路，可通过一个电感L和一个电容C相互并联得到；附图3为基于LC的β电路4是一种集总电路，可通过一个电感L和一个电容C相互串联得到。这类通过LC构成的α电路3和β电路4，以各自的谐振频点为界，α电路3在低频/>呈电感特性，而在高频/>呈电容特性；β电路4可在低频/>呈电容特性，而在高频/>呈电感特性。

另外根据说明书附图4，基于传输线的α电路3为一种分布参数电路，可通过一个短路传输线得到；根据说明书附图5基于传输线的β电路4为一种分布参数电路，可通过一个开路传输线得到。这类通过传输线构成的α电路3和β电路4，以频点以及为界(/>是电波在传输线中的速度，/>是传输线的物理长度)，α电路3在低频/>呈电感特性，而在高频/>呈电容特性；β电路4可在低频/>呈电容特性，而在高频/>呈电感特性。

在本实施例中需要说明的是，辐射体的电尺寸调控具有多种方案。参照说明书附图6-图9所示的几种理想的电尺寸可调辐射体案例，这些案例中的辐射体由周期性的单元构成（注意，周期单元数≥1），每个周期单元由基于LC的α电路3、基于LC的β电路4以及辐射枝节11组成。参照说明书附图6，传统的辐射体上没有α电路3和β电路4加载，其电长度随频率呈线性增长；参照说明书附图7，该结构为具有一种β电路4（谐振频率为）的辐射体，可在/>以及/>频段内实现/>范围的电尺寸；参照说明书附图8，该结构为具有一种α电路3（谐振频率为/>）和一种β电路（谐振频率为/>）的辐射体，可在/>、以及/>频段内实现0~∞范围的电尺寸；参照说明书附图9，该结构为具有两种α电路3（两种α电路3的谐振频率分别为/>和/>）和一种β电路4（谐振频率为/>）的辐射体，其可在/>、/>、/>以及/>频段内实现0~∞范围的电尺寸。以此类推，α电路3或β电路4的谐振频率每增加一种，即可将电尺寸调控频段增加一段，且每个频段内的电尺寸都是全范围可调的。

基于这些辐射体构造天线可直接实现多频多模特性，下述实施例将详细描述这一优势。

实施例2

基于实施例1所述的辐射体，本实施例公开了一种多频多模单极子天线。参照说明附图10，所述多频多模单极子天线位于电路板2的边缘，且天线结构为基于实施例1中所述的电尺寸可调辐射体构成，天线包括α电路3、β电路4以及辐射枝节11，电路板2包括地平面21以及馈电点22。

在本实施例中需要说明的是，天线主要基于实施例1中所述辐射体构成，该辐射体的电尺寸具有多频调控能力，进而可实现天线的多频多模工作。为了便于理解电尺寸调控的意义，下文给出电尺寸与谐振模式的详细关系说明。单极子天线基模对应电尺寸为“0.25波长”，而第n个模式对应的电尺寸为“(0.25+0.5×(n-1))波长”。天线要激励出相关模式就必须令电尺寸接近相应波长，即模式n激励条件

（1）；

其中是天线物理尺寸，/>是天线表面波的波长，/>是电尺寸，n是模式序号。当上述公式（1）满足时，天线即可激励出对应模式。

基于实施例1所述辐射体，可构造各种理想的多频多模单极子天线设计案例，部分案例可参照说明书附图11-图14，其中天线均采用图6-图9所示的辐射体构成，对应反射系数通过图6-图9所示电尺寸及上述公式（1）得到。附图11为传统辐射体构成的天线电尺寸随频率呈线性增长，因此每个模式n只对应一个工作频点；附图12为具有一种β电路4（谐振频率为）的辐射体所构成的天线，其电尺寸在/>以及/>频段内具有/>范围的变化，因此每个模式n对应两个工作频点；附图13为具有一种α电路（谐振频率/>）和一种β电路（谐振频率/>）的辐射体所构成的天线，其天线电尺寸在/>、/>以及/>频段内具有/>范围的变化，因此每个模式n对应三个工作频点；附图14为具有两种α电路（谐振频率/>、/>）和一种β电路（谐振频率/>）的辐射体所构成的天线，天线电尺寸在、/>、/>以及/>频段内具有/>范围的变化，因此每个模式n对应四个工作频点。从图11-图14中不难发现，随着α电路3和β电路4的数量及谐振频率的增加，天线的频段及谐振模式也在增多，更易实现多频多模功能。但实际应用中，辐射枝节长度有限，α电路3及β电路4可加载数量同样受限，不足以实现/>范围的理想电尺寸调控，只能实现有限范围的电尺寸调控，因此下面给出非理想天线的设计方案。

实施例3

实际天线需要的辐射模式是有限的，因此通常不需要采用理想辐射体，而只需要激励出几个特定的模式，此时可以只加载少数的α电路3或β电路4，令其影响小范围内的天线电尺寸，从而激励出特定的模式。为了理解该技术，首先从简单的实施方案开始，实施例3首先公开了一款基于非理想辐射枝节的多频多模单极子天线设计案例，其具体结构可参照说明书附图15。该实施例主要包括辐射体和电路板2，所述辐射体包括辐射枝节11、基于LC的α电路3以及基于LC的β电路4，所述电路板2包括地平面21、射频馈源以及与所述射频馈源电连接的馈电点22。本实施例中，基于LC的α电路3串联在单极子天线的基模的电流最大处，基于LC的β电路4并联在单极子天线基模的电场最大处，两个电路都能引入新的基模谐振。

在本实施例中，需要说明的是，当α电路3和β电路4较少以致无法构成理想的电尺寸可调辐射体时，天线不足以实现0~∞范围的电尺寸调控，此时每个电路需加载至特定位置以实现所需范围的电尺寸调控。其中，当α电路3串联至天线所需模式的电流最大处，就可调节天线达到该模式对应的电尺寸激励条件（公式1），而将β电路4并联至天线所需模式的电场最大处，也可调节天线达到该模式对应的电尺寸激励条件（公式1）。这些电流或电场最大点可参照说明书附图16，图中展示了单极子天线前三个模式的电流与电场分布，每个模式的电流与电场的极值位置也已进行了标注。根据附图15和附图16，本实施例中的α电路3及β电路4正好加载至基模的电流或电场最大值处。

在本实施例中需要说明的是，基于LC的α电路3与基于LC的β电路4分别谐振在3GHz以及4.5GHz附近，因此可对0GHz~3GHz、3GHz~4.5GHz以及4.5GHz~∞这三个频段内的电长度进行调控。根据说明书附图17，本实施例的辐射体电尺寸在上述三个调控频段内均可达到“0.25-波长”的基模激励条件，因此可在3个频段内实现基模激励，每个基模的工作频率就是图17中“0.25波长”虚线与“实施例的电尺寸”实线相交处附近。

本实施例的仿真结果可参照说明附图18，图中也对比了传统单极子天线（无α电路3和β电路4）的仿真结果。其中的所有谐振点均为单极子天线的基模。未加载α电路3和β电路4前，该天线只能激励一个基模以覆盖单频段，而当加载一个α电路3和一个β电路4后，天线基模数量扩展至三个，即在三个频点实现了0.25波长的天线电尺寸，其分别覆盖三个频段，而这三个频段包含了中国三个主要运营商的所有5G频段，即移动的2515-2675MHz（n41）/4800-4900MHz（n79）、中国电信的3400-3500MHz（n78）以及中国联通的3500-3600MHz（n78），可见本方案对天线性能的改进以及优异的多频性能。

实施例4

上述实施例3给出了一种非理想辐射体天线的简单实施例，该实施例将谐振在3GHz的α电路3和谐振在4.5GHz的β电路4分别加载至基模的电流最大以及电压最大位置，即可在0GHz~3GHz、3GHz~4.5GHz以及4.5GHz~∞这三个频段内激励出基模。

进一步，本实施例公开了更多可行的非理想辐射体天线设计案例实现多频多模功能，可参照说明书附图19。这些方案通过选择α电路3和β电路4的谐振频点，调控新模式出现的频段；通过选择α电路3和β电路4的位置，调控新模式的类型。基于LC的α电路3及β电路4方案设计规律归纳如下：

1）每个谐振在的α电路3和β电路4都可调控/>以及/>内的电尺寸，因此所调控的模式可在/>以及/>内同时激励；

2）通常基于LC的α电路3及β电路4主要影响其谐振频率附近的电尺寸，因此利用α电路3及β电路4新激励的模式通常位于/>附近；

3）α电路3和β电路4只有加载至所需调控模式的电流或电压最大处才能发挥最优效果，若所需模式对应的最大电流或最大电压点有多个，则需加载多个α电路3和β电路4以确保对应模式激励。

说明书附图19所示的几种基于非理想辐射体的多频多模单极子天线，则完全符合上述规律1）~3），其详细展示了更多模式更多频段天线的设计方法及性能。利用上述规律也可构建出本实施例之外的更多方案。本发明突破了现有天线设计中的多频多模设计难题，令天线在任意所需的多个频段激励出任意所需的多个谐振模式成为可能。

基于同一发明构思，本发明的实施例还提供了一种终端设备，所述终端设备包括上述多频多模单极子天线。

在本实施例中，需要说明的是，所述终端设备可以是手机、笔记本电脑、平板电脑、路由器、CPE等其它设备。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种自身电尺寸多频可调的辐射体，包括辐射枝节（11），其特征在于，还包括低频呈感性高频呈容性的α电路（3）和低频呈容性高频呈感性的β电路（4），所述α电路（3）串联至辐射枝节（11），所述β电路（4）并联至辐射枝节（11）与电路板（2）的地平面（21）之间，所述α电路（3）和β电路（4）用于调控辐射枝节电长度。

2.根据权利要求1所述的自身电尺寸多频可调的辐射体，其特征在于，所述α电路（3）包括分布参数电路和集总参数电路。

3.根据权利要求1所述的自身电尺寸多频可调的辐射体，其特征在于，所述β电路（4）包括分布参数电路和集总参数电路。

4.一种多频多模单极子天线，其特征在于，包括电路板（2）以及权利要求1-3任意一项所述的辐射体，所述辐射体设置在电路板（2）上，所述电路板（2）包括地平面（21）、射频馈源以及与所述射频馈源连接的馈电点（22）；所述辐射体（1）的α电路（3）和β电路（4）可按周期进行排布，也可按非周期进行排布。

5.根据权利要求4所述的多频多模单极子天线，其特征在于，当α电路（3）和β电路（4）为非周期性排布时，所述α电路（3）串联至单极子天线所需谐振模式的电流最大处，所述β电路（4）并联至单极子天线所需谐振模式的电场最大处。

6.一种终端设备，其特征在于，所述终端设备包括上述权利要求4所述的多频多模单极子天线。