CN206293612U - 一种双频点宽频带偶极子天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种双频点宽频带偶极子天线，包括设置于基片上的巴伦和两条天线辐射臂，所述两条天线辐射臂分别通过垂直连接于其一端的传输线连接巴伦的输出端，所述天线辐射臂的另一端作为开路端分别为向传输线所在侧收拢的阶梯形；所述天线辐射臂的宽度大于传输线的宽度，传输线所连接的天线辐射臂端部相对侧设置有倒角。本实用新型对单体的偶极子天线增设传输线，使天线产生第二个谐振频点，增加天线辐射臂宽度，并将天线辐射臂开路端设置为阶梯形，结合倒角的设置，形成多条不同长度的电流路径，实现多频段覆盖；由于采用的是单体天线，不同频段的增益相同，系统的信号处理难度大幅降低，而且辐射全向性好、带内增益稳定。
Description
技术领域
本实用新型涉及偶极子天线领域，具体涉及一种双频点宽频带偶极子天线。
背景技术
移动通信系统中，天线作为无线信号的出入口，对系统的信道容量、传输速度、通信质量及覆盖范围存在关键影响。进入3G（The Third Generation MobileCommunication）时代以来，移动通信系统向移动用户提供的业务类型越来越多，这些业务被分配在不同的无线频段，需要使用不同的天线；但是多个天线在近距离安装时，相互之间耦合干扰严重，所以现代移动通信系统中的天线，尤其是移动终端的内置天线，应尽可能采用宽带天线，实现多频段覆盖，以减少天线使用数量。
为了实现多频段覆盖，研发人员通常采取多个辐射单元集成技术设计现代移动通信天线。《Chun-I Lin , Kin-Lu Wong,Printed Monopole Slot Antenna for InternalMultiband Mobile Phone Antenna,IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION,VOL. 55, NO. 12, DECEMBER 2007,pp:3690-3697.》公开了以接地导体板上直缝隙辐射单元和弯缝隙辐射单元实现一款宽频带手机内置天线；《Kin-Lu Wong, Wei-Ji Chen, Ting-Wei Kang,Small-Size Loop Antenna With a Parasitic Shorted Strip Monopole forInternal WWAN Notebook Computer,IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS ANDPROPAGATION, VOL. 59, NO. 5, MAY 2011,pp:1733-1738.》公开了以环形辐射单元与寄生单极子辐射单元集成实现宽频带移动终端内置天线；《HanJiang Liu, RongLin Li, YanPan,et al.A Multi-Broadband Planar Antenna for GSM/ UMTS/LTE and WLAN/WiMAXHandsets，IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 62, NO. 5, MAY2014，pp：2856-2860.》公开了以多根长度不同微带贴片弯折成不同形状的单极子辐射单元实现移动终端内置集成天线；《Chuan-Ling Hu, Wen-Feng Lee, Ye-Ee Wu, et al.ACompact Multiband Inverted-F Antenna for LTE/WWAN/GPS/WiMAX/WLAN Operationsin the Laptop Computer,IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS, VOL.9, 2010,pp:1169-1173.》公开了以辐射单元多分枝结构实现笔记本内置IFA天线。上述文献中的数据结果都反映出一些共性问题：这类多辐射单元的集成天线在不同频段的增益相差较大，给系统的信号处理带来难度；在不同方向辐射强度相差较大，对于位置时变、方向时变的移动终端，这种情况将影响通信质量。
发明内容
本实用新型公开了一种双频点宽频带偶极子天线，可以解决现有技术采用多辐射单元的集成天线来实现多频段覆盖，导致不同频段的增益相差较大，给系统的信号处理带来难度，以及在不同方向辐射强度相差较大的问题。
本实用新型通过以下技术方案实现：
一种双频点宽频带偶极子天线，包括设置于基片上的巴伦和两条天线辐射臂，所述两条天线辐射臂分别通过垂直连接于其一端的传输线连接巴伦的输出端，所述天线辐射臂的另一端作为开路端分别为向传输线所在侧收拢的阶梯形；所述天线辐射臂的宽度大于传输线的宽度，传输线所连接的天线辐射臂端部相对侧设置有倒角。
本实用新型的进一步方案是，所述两条天线辐射臂分别设置于基片的正面和反面，所述巴伦包括分别设置于基片正面的第一部和基片反面的第二部，所述第一部和第二部通过贯穿基片的金属过孔导通。
本实用新型的进一步方案是，所述巴伦的第二部包括第一水平部和四条并排的一端连接于第一水平部的竖直部，所述四条竖直部与传输线平行，每条所述竖直部的长度等于天线谐振波长的四分之一；位于外侧的两条竖直部为C微带线，位于中间的两条竖直部为B微带线，所述两条B微带线的另一端之间连接有第二水平部，所述两条B微带线、第一水平部和第二水平部所包围形成的窗口区中设置有A微带线，所述第一水平部和第二水平部在相对外侧分别设置有第一输入端和第一输出端；所述巴伦的第一部包括两条端口线，所述两条端口线的外端分别作为第二输入端和第二输出端，内端分别延伸至窗口区在基片正面的投影区，并分别通过金属过孔与A微带线导通。
本实用新型的进一步方案是，所述窗口区在基片正面的投影区还设置有寄生贴片。
本实用新型与现有技术相比的优点在于：
一、对偶极子天线增设传输线，使天线产生第二个谐振频点，增加天线辐射臂宽度，并将天线辐射臂开路端设置为阶梯形，结合倒角的设置，形成多条不同长度的电流路径，实现多频段覆盖；由于采用的是单体天线，工作频段内增益稳定，系统的信号处理难度大幅降低、而且辐射全向性好，避免移动终端方位变化引起信号盲区；
二、巴伦及天线辐射臂采用异面结构，实现天线的小型化；
三、A微带线和B微带线作为传输电路，通过与传输电路平行的C微带线抵消不平衡馈电引起的交叉辐射，实现不平衡-平衡转换；
四、寄生贴片引入集总电容使第二个谐振频点向低频漂移，覆盖目标频段。
附图说明
图1为本实用新型的天线正面结构示意图。
图2为本实用新型的天线反面结构示意图。
图3为不同宽度天线辐射臂的天线回波损耗曲线图。
图4为两种天线辐射臂开路端不同的天线回波损耗曲线图。
图5为引入寄生贴片前后的天线回波损耗曲线图。
图6为实施例中的天线回波损耗曲线图。
图7为实施例中的天线最大增益仿真曲线图。
图8为实施例中的天线在2.3GHz的信号激励时的H面方向图。
图9为实施例中的天线在2.3GHz的信号激励时的E面方向图。
具体实施方式
如图1和图2所示的一种双频点宽频带偶极子天线，包括设置于基片1上的巴伦和两条天线辐射臂2，所述两条天线辐射臂2分别设置于基片1的正面和反面，每条天线辐射臂2的一面是自由空间，另一面是基片1，两条天线辐射臂2之间基片1中的耦合波长大幅度减短；所述巴伦包括分别设置于基片1正面的第一部和基片1反面的第二部，所述巴伦的第二部包括第一水平部5和四条并排的一端连接于第一水平部5的竖直部，每条所述竖直部的长度等于天线谐振波长的四分之一；相邻的竖直部之间留有间隙，位于外侧的两条竖直部为C微带线6，位于中间的两条竖直部为B微带线7，所述两条B微带线7的另一端之间连接有第二水平部8，所述两条B微带线7、第一水平部5和第二水平部8所包围形成的窗口区9中设置有A微带线10，所述A微带线10与两条B微带线7、第一水平部5和第二水平部8之间分别留有间隙，所述第一水平部5和第二水平部8在相对外侧分别设置有第一输入端和第一输出端；所述巴伦的第一部包括两条端口线11，所述两条端口线11的外端分别作为第二输入端和第二输出端，内端分别延伸至窗口区9在基片1正面的投影区12，并分别通过金属过孔4与A微带线10导通，所述投影区12还设置有寄生贴片13。所述两条天线辐射臂2分别通过垂直连接于其一端的传输线3连接巴伦的第一输出端、第二输出端，所述传输线3与四条竖直部平行，所述天线辐射臂2的另一端作为开路端分别为向传输线3所在侧收拢的阶梯形；所述天线辐射臂2的宽度大于传输线3的宽度，传输线3所连接的天线辐射臂2端部相对侧设置有倒角。
A微带线10、B微带线7和C微带线6之间的间隙很小，较强的耦合令A微带线10上电流对称分布在靠近缝隙的两侧，B微带线7内侧分布与A微带线10等值反向电流；当C微带线6和B微带线7长度等于天线谐振波长四分之一时，失配电流将在C微带线6和B微带线7之间的间隙两侧等值反向分布，实现平衡-不平衡匹配。
中国TD-LTE制式业务频段为：
以目标为主谐振频点为2.3GHz、低于-10dB频带覆盖全部TD-LTE制式7个业务频段为例，采用厚度为1.6mm、相对介电常数εr=4.4的基片1，巴伦的第一输入端和第二输入端连接特性阻抗为50欧姆的同轴馈线进行馈电；图1和图2中的各结构参数（单位：mm）如下：
| L1 | W1 | L2 | W2 | L3 | W3 | a | b | c | d | G |
| 23.5 | 5.1 | 24.5 | 2.2 | 6 | 2.2 | 2.7 | 8.5 | 2.1 | 0.9 | 0.3 |
两条天线辐射臂2的总长度最长部分仅为49.2mm，而《刘棋. 超材料在超高频RFID天线中的应用研究[D]. 南京航空航天大学, 2015.》和《Wang C, Ge Y. Broadbandprinted dipole an-tenna with T-shape loadings[C]. Antenna Tec-hnology:" SmallAntennas, Novel EM Struct-ures and Materials, and Applications"(iWAT), 2014International Works-hop on. IEEE, 2014: 322-324.》中公开的谐振频率为2.45GHz、采取双臂共面的振子天线，两臂总长均为72mm，自由空间中频率为2.3GHz的电磁波波长稍长于2.45GHz，但以上天线辐射臂长对比表明天线辐射臂异面放置能大幅度缩减天线长度。
偶极子天线属于谐振天线，辐射臂长度是决定谐振频点的关键参数，而辐射臂的宽度主要影响天线的工作带宽。当其余参数不变，辐射臂宽度W1改变时，如图3所示，随着W1增加，对应的频率较高频段的回波损耗（S11）低于-10dB带宽随之增加；W1取值5.1mm时，在2.06～2.60GHz之间S11低于-10dB，但是W1取值更大时，天线低频特性被恶化，如图3中对应W1=5.78mm的回波损耗（S11）曲线；由于TD-LTE制式最高频段是中国电信的2635～2655MHz，为避免继续加宽辐射臂恶化低频特性，在保持辐射臂宽5.1mm时将辐射臂的开路端设置为阶梯形逐渐缩短，减少辐射电流径程，使回波损耗（S11）低于-10dB的频带上限提升。
辐射臂长度和宽度相同，开路端分别为平齐和阶梯形的两种天线结构的回波损耗（S11）仿真曲线如图4所示，辐射臂开路端平齐的天线的较高频带在2.06～2.60GHz内回波损耗（S11）低于-10dB，而辐射臂开路端呈阶梯形的天线的较高频带在2.10～3GHz内回波损耗（S11）均低于-10dB。
中国TD-LTE制式除了分配在2300～2655MHz内的6个频段外，还有中国移动一个处在1880～1890MHz的较低频段。传输线3可等效为天线辐射臂的部分结构延长折弯，从而增加谐振电流路径，在较低频率处产生新的第二个谐振频点。以HFSS对天线各结构尺寸进行优化，结果表明本天线中传输线长度L3与宽度W3分别为6mm和2.2mm，综合指标达到最优，但第二个谐振点处回波损耗（S11）低于-10dB频段范围为1890～1920MHz，为此，引入寄生贴片13，在天线馈电回路中增加容抗，根据图5所示的仿真结果表明，引入寄生贴片后第二个谐振点处回波损耗（S11）低于-10dB频段范围为1870-1910MHz，使天线可以完全覆盖中国TD-LTE制式所有的7个频段。
如图6所示，在1.8GHz到3GHz范围内，仿真和实测回波损耗（S11）曲线吻合较好，两个谐振频点基本重合。仿真回波损耗（S11）曲线在1.88～1.92GHz及2.1～3GHz频率范围内，实测回波损耗（S11）在1.87～1.91GHz及2.1GHz～2.72频率范围内低于-10dB，满足工程应用，而且能覆盖表一所示的中国TD-LTE制式的全部业务频段。如果按照手机等移动终端天线S11低于-6dB满足应用的指标要求，该天线具有更宽的工作带宽。
图7为该天线在1.8～3GHz范围内各频点处HFSS仿真得到最大增益曲线，该曲线可以看出在所分析的频率范围内，除了低于2GHz很小范围内最大增益稍低于2dB之外，其它频点的最大增益基本是平稳分布在2～2.6dB范围内。
图8和图9分别是以主谐振频率2.3GHz的信号激励时天线的E面和H面方向图，两幅图中的仿真和实测曲线吻合较好，体现了偶极子天线的辐射特性。图8中，仿真H面方向图的不圆度在0.5dB左右，全向特性较好，实测H面方向图后向不圆度稍大，这是因为实测时固定天线的支架对辐射产生了影响。图9中，仿真和实测方向图都体现偶极子天线E面呈“8”形的辐射特性，仿真和实测方向图在后向都稍有偏离主辐射方向15度左右，这是由于巴伦存在频率特性，在非中心频率处不能完美实现不平衡-平衡转换；实测前向波瓣宽于仿真前向波瓣，原因是3m×4m×3m的微波暗室无法满足远场的测试条件。
综上所述，本实施例的天线的-10dB频带能够覆盖中国4G标准的TD-LTE制式全部7个业务频段、频带内增益稳定、辐射全向性好，区别于其它4G移动通信宽带天线多辐射单元集成化的设计方法，本设计以单个偶极子实现宽频化和双频化，拥有其它4G天线无法比拟的辐射特性和稳定的增益，能有效提高通信系统的传输质量。
Claims (4)
1.一种双频点宽频带偶极子天线，包括设置于基片上的巴伦和两条天线辐射臂，其特征在于：所述两条天线辐射臂分别通过垂直连接于其一端的传输线连接巴伦的输出端，所述天线辐射臂的另一端作为开路端分别为向传输线所在侧收拢的阶梯形；所述天线辐射臂的宽度大于传输线的宽度，传输线所连接的天线辐射臂端部相对侧设置有倒角。
2.如权利要求1所述的一种双频点宽频带偶极子天线，其特征在于：所述两条天线辐射臂分别设置于基片的正面和反面，所述巴伦包括分别设置于基片正面的第一部和基片反面的第二部，所述第一部和第二部通过贯穿基片的金属过孔导通。
3.如权利要求2所述的一种双频点宽频带偶极子天线，其特征在于：所述巴伦的第二部包括第一水平部和四条并排的一端连接于第一水平部的竖直部，所述四条竖直部与传输线平行，每条所述竖直部的长度等于天线谐振波长的四分之一；位于外侧的两条竖直部为C微带线，位于中间的两条竖直部为B微带线，所述两条B微带线的另一端之间连接有第二水平部，所述两条B微带线、第一水平部和第二水平部所包围形成的窗口区中设置有A微带线，所述第一水平部和第二水平部在相对外侧分别设置有第一输入端和第一输出端；所述巴伦的第一部包括两条端口线，所述两条端口线的外端分别作为第二输入端和第二输出端，内端分别延伸至窗口区在基片正面的投影区，并分别通过金属过孔与A微带线导通。
4.如权利要求3所述的一种双频点宽频带偶极子天线，其特征在于：所述窗口区在基片正面的投影区还设置有寄生贴片。
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