CN202275937U - 一种单极天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种单极天线，该单极天线包括一介质基板和设置于该介质基板一表面的一馈电点、与该馈电点相连接的馈线及一金属结构；馈线与金属结构相互耦合。本实用新型的天线能够接收或者发送一个不同的波段的电磁波，也可以同时接受或者发送两个或者两个以上的不同的波段的电磁波，使用本实用新型的一根天线可以满足单频时具有多个工作频段、多频时不同工作频段同时工作的模式需求，改变了现有的无线通讯设备在不同频段工作时需要多根天线的现象。本实用新型的天线是应用超材料技术设计出使一个波段、两个或者更多不同波段的电磁波谐振的天线，可以根据无线通讯设备本身尺寸设计出相应的天线，满足无线通讯设备小型化、天线内置的需求。

Description

一种单极天线

技术领域

本实用新型属于通讯设备领域，具体涉及一种单极天线。

背景技术

随着无线通讯技术的发展，无线通讯设备有了越来越高的要求，而作为电磁波接收与发送的天线也有了多种结构以适应通讯设备的要求，就天线的性能或者结构有了更高的挑战。

天线作为最终射频信号的辐射单元和接收器件，其工作特性将直接影响整个电子系统的工作性能。然而天线的尺寸、带宽、增益等重要指标却受到了基本物理原理的限制(固定尺寸下的增益极限、带宽极限等)。这些指标极限的基本原理使得天线的小型化技术难度远远超过了其它器件，而由于射频器件的电磁场分析的复杂性，逼近这些极限值都成为了巨大的技术挑战。

传统天线的辐射工作频率直接和天线的尺寸正相关，带宽和天线的面积正相关，使得天线的设计通常需要半波长的物理长度。在一些更为复杂的电子系统中，需要在馈入天线前额外的阻抗匹配网络设计。但阻抗匹配网络额外的增加了电子系统的馈线设计、增大了射频系统的面积同时匹配网络还引入了不少的能量损耗，很难满足低功耗的系统设计要求。现有天线由于其自身的功能限制，大多是外置于设备，会占用较大的空间，因而，天线的功能、大小成为应用天线的设备进一步缩小体积的技术瓶颈。因此，小型化、性能好的新型天线技术成为了当代电子集成系统的一个重要技术屏障。

另外，各种无线通讯设备的天线内置需求越来越强烈，例如现在各种无线接入点(AP)、无线路由器等电子设备基本上采用外置天线，极大限制产品的工业设计和机构设计发挥的余力，而且外置天线还需要设计适应的阻抗匹配连接器及机构模组，这些连接器及机构模组几乎占了整个天线百分之九十以上的成本，所以整个天线成本上升促使整个无线接入点(AP)、无线路由器等电子设备成本上升，而天线内置方式将极大地省掉了连接器及机构模组成本。

发明内容

为了解决现有单极天线中存在的问题，本实用新型提供了一种单极天线，通过应用超材料技术设计天线结构，在满足通讯设备性能要求的前提下实现天线的小型化，为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种单极天线，所述单极天线包括一介质基板和设置于所述介质基板一表面的一馈电点、与该馈电点相连接的馈线及一金属结构；所述馈线与所述金属结构相互耦合。

进一步地，所述金属结构是金属片经镂刻出槽拓扑结构而成。

进一步地，所述单极天线还包括接地单元，所述接地单元上设置有若干个金属化的通孔。

进一步地，所述接地单元对称地分布所述馈电点两侧。

进一步地，所述槽拓扑结构中槽宽与槽拓扑结构中相邻槽的间距相等。

进一步地，所述槽拓扑结构中槽宽为0.15mm。

进一步地，所述介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。

进一步地，所述单极天线至少使一种波段的电磁波谐振。

进一步地，所述电磁波谐振波段的频率段至少包括2.4GHz-2.49GHz和5.72GHz-5.85GHz。

进一步地，所述单极天线表面上设置有非金属的防氧化薄膜。

本实用新型的天线在不做改变的情况下，能够接收或者发送一个不同的波段的电磁波，也可以同时接受或者发送两个或者两个以上的不同的波段的电磁波，使用本实用新型的一根天线可以满足单频时具有多个工作频段、多频时不同工作频段同时工作的模式需求，改变了现有的无线通讯设备在不同频段工作时需要多根天线的现象。本实用新型的天线是应用超材料技术设计出使一个波段、两个或者更多不同波段的电磁波谐振的天线，决定该天线体积的金属结构尺寸的物理尺寸不受半波长的物理长度限制，与馈线进行信号耦合即可得到本实用新型中的天线，可以根据无线通讯设备本身尺寸设计出相应的天线，满足无线通讯设备小型化、天线内置的需求。

附图说明

图1是本实用新型天线实施例1的结构示意图；

图2是本实用新型天线实施例2的结构示意图；

图3是本实用新型天线实施例2中金属结构的放大示意图；

图4是本实用新型实施例2的S参数仿真图；

图5是本实用新型实施例2操作于2.4、2.44、2.48GHz时E方向远场仿真结果图；

图6是本实用新型实施例2操作于2.4、2.44、2.48GHz时H方向远场仿真结果图；

图7是本实用新型实施例2操作于5.725、5.8、5.85GHz时E方向远场仿真结果图；

图8是本实用新型实施例2操作于5.725、5.8、5.85GHz时H方向远场仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型单极天线做一步说明。

所谓单极天线就是从输入端看去只有一个臂的天线。本实用新型中单极天线是基于人工电磁材料技术设计而成，人工电磁材料是指将金属片镂刻成特定形状的拓扑金属结构，并将所述特定形状的拓扑金属结构设置于一定介电常数和磁导率基材上而加工制造的等效特种电磁材料，其性能参数主要取决于其亚波长的特定形状的拓扑金属结构。在谐振频段，人工电磁材料通常体现出高度的色散特性，换言之，天线的阻抗、容感性、等效的介电常数和磁导率随着频率会发生剧烈的变化。因而可采用人工电磁材料技术对上述天线的基本特性进行改造，使得金属结构与其依附的介质基板等效地组成了一个高度色散的特种电磁材料，从而实现辐射特性丰富的新型天线。

如图1所示，为本实用新型实施例1的单极天线10的结构示意图。本实施例中的单极天线10包括介质基板7以及设置在介质基板7上的馈电点5、与该馈电点5相连接的馈线4、平面板状的金属结构6。其中，馈线4与金属结构6相互耦合；金属结构6是金属片经镂刻出槽拓扑结构61而成，镂刻时去除槽拓扑结构61对应的材料，剩余的金属片即为金属结构6，在镂刻出槽拓扑结构61后，金属片上呈现出包括在金属结构6内的金属走线62；槽拓扑结构61中相邻槽的间距即为金属走线62的宽度，槽拓扑结构61的槽宽与金属走线62的宽度相等，且均为0.15mm；介质基板7可由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成，优选地，由高分子材料制成，具体地可以是FR-4、F4B等高分子材料。

在本实施例中，金属结构6为轴对称的平面板状。其中金属结构6为铜或银材料制成。优选为铜，价格低廉，导电性能好。为了实现更好阻抗匹配，金属结构6也可为铜和银组合。

如图2、图3所示为本实用新型实施例2天线结构示意图及该实施例2中的金属结构的放大示意图。本实施例2中的天线10包括介质基板7以及设置在介质基板7上的馈电点5、与该馈电点5相连接的馈线4、平面板状的金属结构6与实施例1中所述均相同，区别在于还包括接地单元8，接地单元8上设置有若干金属化的通孔81；接地单元8对称地分布所述馈电点5两侧，介质基板7的选择与实施例1相同。

馈线4与金属结构6之间信号馈入方式可以有多种。所述馈线4直接与所述金属结构6相连；且所述馈线4与金属结构6的相连接点位置可以位于金属结构6上的任意位置。馈线4采用包围方式设置于所述金属结构6外围且馈线4的末端设置于金属结构6外围任意位置。

本实施例利用人工电磁材料的特性，采用在金属片上镂刻成金属结构的方式，使得金属结构及与金属结构所依附的介质基板共同组成一个等效介电常数按照洛仑兹材料谐振模型色散的电磁材料，从而设计出多谐振频段的天线。在本实施方式中，如图2所示的天线使2.4GHz-2.49GHz和5.72GHz-5.85GHz两个频段电磁波谐振，金属结构6的长和宽都可以根据通讯设备机构布局做任意调整，但是金属结构6结构形状保持与本实施例中一致即可，该单极天线可以用于单频2.4GHz-2.49GHz或5.72GHz-5.85GHz频段的通讯设备，也可以用于双频2.4GHz-2.49GHz和5.72GHz-5.85GHz频段的通讯设备。

如图4所示为本实用新型实施例2的S参数仿真图，该图示出了实施例2的天线在2.4GHz和5.8018GHz分别具有-15.426dB和-19.184dB的损耗，在本实用新型所要求的2.4GHz-2.49GHz和5.72GHz-5.85GHz频率段内均具有-10dB以下的损耗，表明本实用新型天线能够单独在2.4GHz-2.49GHz或5.72GHz-5.85GHz频率段内工作，也可以同时在2.4GHz-2.49GHz和5.72GHz-5.85GHz频率段内工作，并且满足无线通讯设备中对天线的要求。

图5、图6、图7及图8分别示出了本实用新型实施例2天线操作于2.4、2.44、2.48GHz和5.725、5.8、5.85GHz时分别在垂直平面(E-Plane)和水平平面(H-Plane)方向远场仿真结果图，在此结果中能够观察到本实用新型的天线的极化效果不亚于现有天线并符合应用标准。

本实用新型中，关于单极天线10的加工制造，只要满足本实用新型的设计原理，可以采用各种制造方式。最普通的方法是使用各类印刷电路板(PCB)的制造方法，如覆铜的PCB制造均可满足本实用新型的加工要求。除此加工方式，还可以根据实际的需要引入其它加工手段，如导电银浆油墨加工方式、各类可形变器件的柔性PCB加工、铁片天线的加工方式以及铁片与PCB组合的加工方式。其中，铁片与PCB组合加工方式是指利用PCB的精确加工来完成槽拓扑结构的加工，用铁片来完成其它辅助部分。由于采用低成本的铜材料形成所述金属结构6，因此暴露空气中容易被氧化而使单极天线10谐振频率偏移或者性能急剧下降，因此单极天线表面上设置有非金属的防氧化薄膜。由于本实用新型的主要性能都集中在金属结构6槽拓扑结构61的设计，因此，馈线4的引线对单极天线10的辐射频率影响相对较小。基于这个特点，单极天线可以被灵活的摆放在系统的任何位置，简化的安装测试的复杂度。

上述天线10直接可应用包含2.4GHz和5.8GHz的无线通讯装置特别是AP和无线路由器中，该天线10可以直接设置于无线通讯装置的PCB板上，使天线10内置于应用该天线的设备中，也可以采用接口使天线10通过一接口与无线通讯装置的PCB板相连接，使天线10相对于应用该天线的设备外置。

以上是对本实用新型实施例的描述，不脱离本实用新型宗旨下的改变均属于本实用新型的保护之内。

Claims (10)

1.一种单极天线，其特征在于，所述单极天线包括一介质基板和设置于所述介质基板一表面的一馈电点、与所述馈电点相连接的馈线及一金属结构；所述馈线与所述金属结构相互耦合。

2.根据权利要求1所述的单极天线，其特征在于，所述金属结构是金属片经镂刻出槽拓扑结构而成。

3.根据权利要求1所述的单极天线，其特征在于，所述单极天线还包括接地单元，所述接地单元上设置有若干个金属化的通孔。

4.根据权利要求3所述的单极天线，其特征在于，所述接地单元对称地分布所述馈电点两侧。

5.根据权利要求2所述的单极天线，其特征在于，所述槽拓扑结构中槽宽与槽拓扑结构中相邻槽的间距相等。

6.根据权利要求5所述的单极天线，其特征在于，所述槽拓扑结构中槽宽为0.15mm。

7.根据权利要求1-6任一项所述的单极天线，其特征在于，所述介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。

8.根据权利要求7所述的单极天线，其特征在于，所述单极天线至少使一种波段的电磁波谐振。

9.根据权利要求8所述的单极天线，其特征在于，所述电磁波谐振波段的频率段至少包括2.4GHz-2.49GHz和5.72GHz-5.85GHz。

10.根据权利要求1所述的单极天线，其特征在于，所述单极天线表面上设置有非金属的防氧化薄膜。

Images