CN204303993U - 多频段偶极子移动通信天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多频段偶极子移动通信天线。本实用新型的目的在于提供一种具有多频、带宽大特性的多频段偶极子移动通信天线，它包括基板和贴覆在基板上的偶极子天线辐射贴片，所述偶极子天线辐射贴片由相互对称的两条偶极子臂构成，偶极子臂包括一条横向臂和两条以上间隔设置在横向臂上的纵向臂。较之现有技术而言，本实用新型的优点在于：多频段偶极子移动通信天线具有良好的多频工作特性，能够同时覆盖GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE等移动通信制式的所有工作频段，并同时能够放入移动通信终端设备里，具有小尺寸、低厚度、低回波损耗、大工作带宽的特点。

Description

多频段偶极子移动通信天线

技术领域

本实用新型涉及一种多频段偶极子移动通信天线。

背景技术

移动通信是无线技术的最重要应用之一，在目前广泛使用的GSM制式移动通信的基础上，中国正在大力推进TD-SCDMA的商业化，同时3G通信标准之一的WCDMA也将会在未来中国市场中占有一席地位，不同标准、不同频率、不同制式的支撑移动通信的无线信号将在空间长期共存。能够支撑多频段、多标准、多模式的无线通信技术，是面向未来中国无线通信应用事业发展的核心关键技术。目前，中国GSM制式的通信频段为905～915MHz、950～960M Hz、1710～1785MHz、1805～1880MHz，TD-SCDMA的通信频段为1880～1920MHz、2010～2025MHz、2300～2400MHz，WCDMA的通信频段为1920～1980MHz、2110～2170MHz。目前，中国的第四代移动通信技术经过多年研发，已日趋成熟，已开始进入商业化的实用阶段。TD-LTE标准是中国拥有自主知识产权的第四代移动通信标准，是一种专门为移动高宽带应用而设计的无线通信标准，拥有广阔的应用前景，而TD-LTE标准的常用工作频段为2570MHz～2620MHz。

未来的移动通信设备在使用过程中必须要面对这样一个问题：第二代、第三代、第四代移动通信系统将在很长的一段时间内共存，同一代移动通信系统的不同制式和标准也将长期共存。这就要求未来的移动通信天线具备多频段兼容的功能，同时覆盖GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE等移动通信制式的所有工作频段。

发明内容

本实用新型的目的一在于提供一种具有多频、带宽大特性的的多频段偶极子移动通信天线。

本实用新型的目的二在于提供一种能够同时覆盖GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE等移动通信制式的所有工作频段，并同时能够放入移动通信终端设备里，满足小尺寸、低厚度等要求的多频段偶极子移动通信天线。

本实用新型的目的一通过如下技术方案实现：一种多频段偶极子移动通信天线，它包括基板和贴覆在基板上的偶极子天线辐射贴片，所述偶极子天线辐射贴片由相互对称的两条偶极子臂构成，偶极子臂包括一条横向臂和两条以上间隔设置在横向臂上的纵向臂。

优选地，两条纵向臂在横向臂上内外而内依次变短。

本实用新型的目的二通过如下技术方案实现：偶极子臂的纵向臂条数为三条，三条纵向臂在横向臂上由外而内依次变短；在横向臂上由外而内的三条纵向臂连同其各对应的横向臂的长度之和分别为l₀₁＝32±5％mm、l₀₂＝20±5％mm、l₀₃＝12±5％mm。

优选地，所述l₀₁＝32mm，l₀₂＝20mm，l₀₃＝12mm。

偶极子天线臂满足以下条件：

$l_0=\frac{c}{4\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}{f}_0}---\left(1\right)$

天线整体可以看作是3个分别工作在不同频段的折叠偶极子天线的叠加。天线将有三个工作频段：第一个工作频段将覆盖GSM标准的905～915MHz、950～960M Hz通信频段；第二个工作频段将覆盖GSM标准的1710～1785MHz、1805～1880MHz通信频段、TD-SCDMA标准的1880～1920MHz、2010～2025MHz通信频段、WCDMA标准的1920～1980MHz、2110～2170MH通信频段；第三个工作频段将覆盖TD-SCDMA标准的2300～2400MHz通信频段、TD-LTE标准的2570～2620MHz通信频段。令天线三个工作频段的谐振频率分别为f₀₁＝0.9GHz，f₀₂＝1.8GHz，f₀₃＝2.5GHz，利用式(1)计算，并在设计时根据仿真和测试情况对天线臂长稍作调整，得到天线臂长的最终设计方案为：l₀₁≈32mm(可设计成横向臂长16mm，纵向臂长16mm)，l₀₂≈20mm(可设计成横向臂长10mm，纵向臂长10mm)，l₀₃≈12mm(可设计成横向臂长4mm，纵向臂长8mm)。另外，以上这些长度数值均可以有正负5％的波动。天线的结构示意图如图1所示。

偶极子天线在采用多折叠臂结构后，辐射能量会分散到多个工作频段中，因此在每个工作频段的相对工作带宽都不大。为了提高多频段兼容移动通信天线的带宽性能，我们在天线臂上使用了康托尔微观分形结构。

即，所述偶极子臂的横向臂和纵向臂均由若干个康托尔微观分形结构依次连接组合而成。

微观分形结构是一种应用于微带结构天线的分形结构，对于偶极子天线来说，天线臂有一定的宽度，我们在天线臂的每个0.5mm×0.5mm(可以根据天线臂的大小选择不同大小的微观分形结构)的区域使用康托尔(Cantor)分形来改善天线的带宽性能。宏观上天线是有一定线宽的多折叠臂偶极子天线，微观上每个0.5mm×0.5mm的小区域是康托尔(Cantor)面分形结构。

如图2所示，康托尔(Cantor)分形结构的初始元为一正方形，将其等分为四行四列十六个小正方形。去掉第一行第三个小正方形、第二行第一个小正方形、第三行第四个小正方形、第四行第二个小正方形，剩下十二个小正方形，即构成1阶康托尔(Cantor)分形结构。将1阶康托尔(Cantor)分形结构的每个小正方形再分别等分为四行四列十六个小小正方形。去掉第一行第三个小小正方形、第二行第一个小小正方形、第三行第四个小小正方形、第四行第二个小小正方形，得到2阶康托尔(Cantor)分形结构。按此迭代，可生成各高阶康托尔(Cantor)分形结构。

优选地，在相互对称的两条所述偶极子臂之间的对称中心线上还开设有断开间隙，在断开间隙的两侧设有天线馈电点。

优选地，偶极子移动通信天线还包括设置在基板上的镜像补偿贴片；镜像补偿贴片位于所述偶极子天线辐射贴片下方，且与偶极子天线辐射贴片呈镜像对称。

对于偶极子天线来说，如果天线附近存在金属导体，金属导体因受天线产生的电磁场的作用要激起电流，这种感应电流也会在空间激发电磁场，可以称其为二次场或散射场。空间任一点的场都是天线直接激发的场与二次场的叠加。当我们在偶极子天线中添加了镜像补偿结构后，只需要合理调节有源的偶极子天线臂和无源的镜像补偿结构之间的距离，就可使镜像补偿结构上的电流与有源偶极子天线臂上的电流有相同或相近的相位。这时，空间任一点的场都是天线直接激发的场与镜像补偿结构激发的二次场的同相叠加，天线的辐射性能将得到较大的提高。

优选地，所述镜像补偿贴片与偶极子天线辐射贴片的距离为2mm。

优选地，所述基板为FR4介质基板，其相对介电常数最好为6±10％。

优选地，所述基板的形状优先为矩形，尺寸是42mm±1mm×36mm±1mm，厚度为2mm±0.1mm。

所述偶极子臂的材质可以为铜、银、金或铝，优选为铜。

较之现有技术而言，本实用新型的优点在于：多频段偶极子移动通信天线具有良好的多频工作特性，能够同时覆盖GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE等移动通信制式的所有工作频段，并同时能够放入移动通信终端设备里，具有小尺寸、低厚度、低回波损耗、大工作带宽的特点。由于偶极子臂上使用了微观分形结构，天线在各个频段都具有较好的辐射性能和带宽性能，且天线结构稳定，有较大的性能冗余，即使因外力破坏等原因造成天线结构只剩下四分之一，天线仍然能够正常工作。

附图说明

图1是多频段偶极子移动通信天线结构示意图。

图2是康托尔(Cantor)分形结构示意图。在图2中，(a)为1阶康托尔(Cantor)分形结构；(b)为2阶康托尔(Cantor)分形结构，其中附图所示标号“a”表示1个单位长度。

图3为本发明实施例的回波损耗(S11)性能图，图中的横坐标表示频率Frequency(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度(The return loss value of theantenna(dB))。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本实用新型内容进行详细说明：

一种多频段偶极子移动通信天线，该偶极子天线包括基板和贴覆在基板上的偶极子天线辐射贴片，所述偶极子天线辐射贴片由相互对称的两条偶极子臂构成，偶极子臂包括一条横向臂和两条以上间隔设置在横向臂上。

所述偶极子臂上的每个0.5mm×0.5mm的区域使用了康托尔微观分形结构。

所述康托尔微观分形结构为至少1阶的康托尔分形结构。

在相互对称的两条所述偶极子臂之间的对称中心线上还开设有断开间隙，在断开间隙的两侧设有天线馈电点。

所述偶极子天线的基板上还设有镜像补偿贴片，该镜像补偿贴片位于所述偶极子天线辐射贴片下方，且与偶极子天线辐射贴片呈镜像对称。

所述镜像补偿贴片与偶极子天线辐射贴片的距离为2mm。

所述基板为FR4介质基板，其相对介电常数最好为6±10％。

所述基板的形状优先为矩形，尺寸是42mm±1mm×36mm±1mm，厚度为2mm±0.1mm。

所述偶极子臂的材质可以为铜、银、金或铝，优选为铜。

下面给出本实用新型的一具体实施例：

参见图1，本实施例上设有偶极子天线的FR4基板、由1对横向臂和3对纵向臂组成的偶极子天线辐射贴片和镜像补偿贴片结构。三对纵向臂在各自的横向臂上由外而内依次变短；在横向臂上由外而内的三条纵向臂连同其各对应的横向臂的长度之和分别为l₀₁＝32mm、l₀₂＝20mm、l₀₃＝12mm。

即，第一组纵向臂长16mm，其对应的横向臂长16mm；第二组纵向臂长10mm，其对应的横向臂长10mm，第三组纵向臂长8mm，其对应的横向臂长4mm。

偶极子臂上的每个0.5mm×0.5mm的区域使用了1阶康托尔微观分形结构。

FR4介质基板相对介电常数为6±10％，形状为矩形，尺寸是42mm±1mm×36mm±1mm，厚度为2mm±0.1mm。

所述偶极子臂的材质为铜。

左偶极子臂和右偶极子臂(即对称的两条偶极子臂)的对称中心线上设有断开间隙，断开间隙的两侧设有天线馈电点。在偶极子天线辐射贴片的下方对称位置设有相同的镜像补偿贴片结构，其尺寸大小与偶极子天线辐射贴片完全一致(镜像补偿结构不能有间隙吧？)，二者间距为2mm。

参见图3，图3给出了本发明实施例的回波损耗(S11)性能图。从图3可以看出，天线有三个工作频带，天线的三个谐振中心频率分别为0.915GHz、1.847GHz和2.379GHz，谐振频率处的回波损耗S11值(S11最小值)分别为-25.85dB、-24.88dB和-26.11dB；当S11<-10dB时，天线在三个工作频段的带宽分别为0.572GHz(0.583-1.155GHz)、0.401GHz(1.702-2.173GHz)和0.455GHz(2.173-2.628GHz)。

与用于移动通信系统的常规微带天线比较，本发明具有以下突出的优点和显著的效果：天线具有良好的多频工作特性，同时覆盖了GSM标准的905～915MHz、950～960MHz、1710～1785MHz、1805～1880MHz通信频段、TD-SCDMA标准的1880～1920MHz、2010～2025MHz、2300～2400MHz通信频段、WCDMA标准的1920～1980MHz、2110～2170MH通信频段、TD-LTE标准的2570～2620MHz通信频段，并在各个工作频带都具有较大的工作带宽。该天线成功实现了GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE等多个移动通信主要频段的兼容，并且尺寸较小，能够放入移动通信终端设备里，同时满足小尺寸、低厚度、低回波损耗、大工作带宽的要求。

同理，对于需要更多工作频段的移动通信天线，可将本天线的横向臂适当延长后，通过增加纵向臂的对数来实现。

Claims (10)

1.一种多频段偶极子移动通信天线，其特征在于：它包括基板和贴覆在基板上的偶极子天线辐射贴片，所述偶极子天线辐射贴片由相互对称的两条偶极子臂构成，偶极子臂包括一条横向臂和两条以上间隔设置在横向臂上的纵向臂。

2.根据权利要求1所述的多频段偶极子移动通信天线，其特征在于：偶极子臂的纵向臂条数为三条，三条纵向臂在横向臂上由外而内依次变短；在横向臂上由外而内的三条纵向臂连同其各对应的横向臂的长度之和分别为l₀₁＝32±5％mm、l₀₂＝20±5％mm、l₀₃＝12±5％mm。

3.根据权利要求2所述的多频段偶极子移动通信天线，其特征在于：所述l₀₁＝32mm，l₀₂＝20mm，l₀₃＝12mm。

4.根据权利要求1、2或3所述的多频段偶极子移动通信天线，其特征在于：所述偶极子臂的横向臂和纵向臂均由若干个康托尔微观分形结构依次连接组合而成。

5.根据权利要求1、2或3所述的多频段偶极子移动通信天线，其特征在于：在相互对称的两条所述偶极子臂之间的对称中心线上还开设有断开间隙，在断开间隙的两侧设有天线馈电点。

6.根据权利要求1、2或3所述的多频段偶极子移动通信天线，其特征在于：它还包括设置在基板上的镜像补偿贴片；镜像补偿贴片位于所述偶极子天线辐射贴片下方，且与偶极子天线辐射贴片呈镜像对称。

7.根据权利要求6所述的多频段偶极子移动通信天线，其特征在于：所述镜像补偿贴片与偶极子天线辐射贴片的距离为2mm。

8.根据权利要求1、2或3所述的多频段偶极子移动通信天线，其特征在于：所述基板为FR4介质基板；

所述FR4介质基板的相对介电常数为6±10％。

9.根据权利要求8所述的多频段偶极子移动通信天线，其特征在于：所述基板的形状为矩形，尺寸是42mm±1mm×36mm±1mm，厚度为2mm±0.1mm。

10.根据权利要求1、2或3所述的多频段偶极子移动通信天线，其特征在于：所述偶极子臂的材质为铜、银、金或铝。