CN211320332U - 超宽频带5g平面天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型超宽频带5G平面天线包括PCB基板以及形成于基板上的金属辐射层和接地层，辐射层包括圆形的主体以及分布于主体上的突出部，突出部沿圆形主体的径向向主体外侧延伸。本实用新型方案采用的平面天线，结构简单，具有良好的信号接受发射能力，且带宽范围宽，覆盖绝大部分无线通信的商用频段，应用范围广。

Description

超宽频带5G平面天线

技术领域

本实用新型属于通信天线技术领域，具体涉及超宽频带5G平面天线。

背景技术

天线是现代无线通信系统中辐射、接收能量的关键部件。其性能好坏往往决定了整个通信系统的成败。随着5G的逐步商用，加上之前已经普及的 4G，3G，GSM以及双频WiFi等无线通信模式的广泛普及，消费产品对天线的小型化以及多制式、多频段的兼容要求越来越高。开发小型化，易集成并且低加工成本的终端天线是大势所趋。具有极大阻抗带宽的平面贴片天线正是在这种背景下日渐流行。平面贴片天线直接由PCB版印刷而成。其不但制造低成本，设计方便快捷，并且可以达到超过100％的阻抗带宽，给日益拥挤的商业频段提供了极为有效的天线解决方案。但是其也有不足之处，传统的由PCB介质板设计的微带天线具有带宽窄，频段少的缺点。而5G的商用，直接导致商业领域引入了全新的频段如2600MHz,3500MHz与4800MHz等。

发明内容

本实用新型的超宽频带5G平面天线，结构简单，具有良好的信号接受发射能力，且带宽范围优秀，应用范围大，克服了现有平面天线的带宽窄，频段少的缺点，同时能够满足5G，4G，3G，GSM以及WiFi等商业无线通信的需要。

本实用新型公开的超宽频带5G平面天线，包括PCB基板以及形成于基板上的金属辐射层和接地层，辐射层包括圆形的主体以及分布于主体上的突出部，突出部沿圆形主体的径向向主体外侧延伸。

本实用新型公开的超宽频带5G平面天线的一种改进，突出部在主体上设置有至少2个。

本实用新型公开的超宽频带5G平面天线的一种改进，突出部在主体上设置有至少2个，且突出部均匀分布于主体的圆周上。

本实用新型公开的超宽频带5G平面天线的一种改进，突出部在主体上设置有4个。

本实用新型公开的超宽频带5G平面天线的一种改进，辐射层还包括微带线条带，微带线条带其一端连接到主体的圆周上。

本实用新型公开的超宽频带5G平面天线的一种改进，微带线条带为矩形的微带线条带。

本实用新型公开的超宽频带5G平面天线的一种改进，微带线条带的中心线的延长线经过主体的圆心。

本实用新型公开的超宽频带5G平面天线的一种改进，突出部在主体上以微带线条带的中心线为对称轴对称设置。

本实用新型方案设计出来的天线工作频率在600MHz到6GHz，具有极宽的带宽。不但支持传统的4G，3G，GSM以及WiFi低频段，还同时支持最新引入的5G低频段(600MHz)，高频段(4.8GHz)和高频WiFi(5.8GHz)。并且天线保持在整个600MHz-6GHz频带上的相对高增益。并具有较高的天线增益(6dBi 左右)，能较好的保障5G以及WiFi等无线通信的传输距离。还具有生产低成本，平面结构，易于共形的特点。

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，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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。

图1是本实用新型超宽频带5G平面天线的正向结构示意图；

图2是图1实施例的背向结构示意图；

图3是图1实施例的侧向结构示意图；

图4是图1实施例的回波损耗曲线；

图5是图1实施例的电压驻波比性能；

图6是图1实施例的各商业频段的三维方向图；

图7是图1实施例的增益性能曲线。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本实用新型进行详细描述。但该等实施方式并不限制本实用新型，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本实用新型的保护范围内。

本实用新型方案中中所使用的PCB基板100具有一定的介电常数2.0～8.0和厚度d30.5～5.0mm。其作用在于支撑正反两面的辐射层和接地层。为降低介质板对耦合结构处场分布的影响，通常采用较低介电常数2.0～5.0的基板100，并在保证硬度合适情况下选用较薄0.5～2.0mm的厚度。

辐射层101铺设在尺寸长度L为180mm，宽度D为140mm的PCB基板100正面。辐射层101结构包括由圆形的主体以及分布于主体上的突出部形成的辐射单元和矩形微带线条带104两个部分构成，图1中展示的实施例为突出部的中心线与微带线条带的中心线所成夹角α均为45度，取锐角。两个单元结构左右对称，并具有相同的对称轴线。为使天线工作在设计频段，要求该圆环形辐射单元外径R选取在50.0～80.0mm之间，内径r选取在 3.0mm～15.0mm之间。为使天线达到最佳的50欧姆阻抗匹配，微带线条带 104的宽度d1选择范围在1.0mm～4.0mm。

本天线的PCB基板100的背面铺设有接地层102涂层。该接地层102 由经开槽105的矩形条带结构构成，并且关于长轴线左右对称。其中矩形条带的宽度与PCB基板100保持一致，这就使得接地层102的涂层有三个方向的便于与基板100对应的边沿重合，同时接地层102的面积小于基板100背面面积。并且可以优选地高度l1设置为38mm。接地层102还设置有矩形开槽105，矩形开槽105设置于远离基板100边沿的一侧，同样地设置了矩形开槽105的接地层102具有对称结构，其对称轴与l1所在方向相同，为使本天线有较宽的阻抗带宽，矩形开槽105的宽度d2距离应保持在0.4～4.0mm，高度l2应按照1.0mm～5.0mm进行优化。此矩形开槽决定了天线的高频段的谐振频率。因此精确的优化开槽的尺寸可以极大的增强天线的多谐振性能，从而优化天线的阻抗带宽。

需要注意的本实用新型中的辐射体和接地层均采用金属层制备，如采用铝层或者铜层等。以下实施例1-5均采用铝层制作辐射体和接地层。

实施例1

本实施例天线的形状、构造和各零部件之间的配合、联结关系，可参见图1给出的结构示意图正面,图2给出的结构示意图正背面以及图3给出的结构示意图侧面图：它由包括PCB基板100，以及分别铺设在基板100两侧的金属辐射层(参见图1)和接地层102(参见图3)三个部分构成，其中辐射层101 结构包括由圆形的主体以及均匀分布于主体上的突出部103形成的辐射单元和矩形微带线条带104两个部分构成，图中突出部103的中心线与微带线条带的中心线所成夹角α均为45度，也就是突出部103在主体上以微带线条带的中心线成对称设置，并且突出部103凸出主体的高度(平行于直径方向，下同)为3mm，其宽度(垂直于直径方向，下同)为1.5mm，整体呈矩形。这里PCB介质采用厚度为1.5mm，其介电常数为4.5。

如图1所示，辐射层101铺设在尺寸长度L为180mm，宽度D为140mm 的PCB基板100正面。辐射层101结构包括辐射单元和矩形微带线条带104 两个部分构成。两个单元结构左右对称，并具有相同的对称轴线。这里辐射单元的外径R选择为65mm。微带线条带104的宽度选择在2.6mm，长度为 38.3mm以达到最佳的阻抗匹配，以达到最佳的50欧姆阻抗匹配。

本天线的PCB基板100的背面铺设有接地层102涂层。该接地层102 由经开槽105的矩形条带结构构成，并且关于长轴线左右对称。其中矩形条带的宽度与PCB基板100保持一致，高度l1设置为38mm。为使本天线有较宽的阻抗带宽，设计开槽105高度l2与宽度d2分别选取为3.0mm与2.6mm 以构成合适的开槽105来获得最佳阻抗带宽。

天线的能量由正面的矩形微带线和背面的接地单元之间馈入。具体的馈电方式可采用SMA连接器或者同轴馈电进行馈电，该馈电结构不仅制作简单，且与其他形式的微波器件连接方便。

本实施例天线在设计完成后，对样品进行了600MHz-6.0GHz的微波全波仿真。图4展示的为本天线的回波损耗曲线。从图中可以明确得出本实用新型所展示的样例在600MHz到6GHz频段，天线的S11性能都在-10dB以下，完全满足天线正常工作所需要的低于-10dB的指标需求。

样品的电压驻波比性能在图5中给出。天线的电压驻波比在所讨论的 600MHz-6.0GHz频段中，都完全处于在2.0以下，完全符合天线正常工作所需要的电压驻波比2.0的要求。

为了体现本实例在各个商业频段的辐射方向性，图6给出了本实施例样品在各商业频段的三维方向图，这些方向图由微波全波仿真得出。在低频段的600MHz与900MHz频点，实施例天线的增益在1～2dBi的水平，天线展现出完整的全向性，并且在各个方向的辐射性能大体一致，如图6a)所示。图6b)与图6c)分别展示了实施例天线在中频段(1800MHz，2100MHz)以及高频段(3500MHz,5800MHz)的三维方向图。随着频率的增加，天线的辐射增益也在逐步增加，因此在中高频段实施例天线的辐射方向相较于低频段更为集中，但是天线的辐射全向性依然得到满足。

本实施例样品的增益性能曲线展示在图7中。天线的增益从600MHz的 1.2dBi逐步增加到5.8GHz频点的6.0dBi。并且整个天线在600MHz-6GHz频段平均约为4.5dBi。因此本实用新型展示出了较高的天线增益性能，远远高于一般终端天线的0～2dBi的天线增益性能指标。

实施例2

本实施例天线的形状、构造和各零部件之间的配合、联结关系，可参见图1给出的结构示意图正面,图2给出的结构示意图正背面以及图3给出的结构示意图侧面图：它由包括PCB基板100，以及分别铺设在基板100两侧的辐射体(参见图1)和接地层102(参见图3)三个部分构成，其中辐射层101结构包括由圆形的主体以及分布于主体上的突出部103形成的辐射单元和矩形微带线条带104两个部分构成，其中一个突出部103的中心线与微带线条带的中心线所成夹角α为30度，即突出部103在主体上以微带线条带的中心线成不对称设置，并且突出部103凸出主体的高度为3mm，其宽度为1.5mm，整体呈矩形。这里PCB介质采用厚度为0.5mm，其介电常数为3。

本实施例，辐射层101铺设在尺寸长度L为180mm，宽度D为140mm 的PCB基板100正面。辐射层101结构包括辐射单元和矩形微带线条带104 两个部分构成。这里辐射单元的外径R选择为65mm。微带线条带104的宽度选择在2.6mm，长度为38.3mm以达到最佳的阻抗匹配，以达到最佳的50 欧姆阻抗匹配。

本实施例天线的PCB基板100的背面铺设有接地层102涂层。该接地层 102由经开槽105的矩形条带结构构成，并且关于长轴线左右对称。其中矩形条带的宽度与PCB基板100保持一致，高度l1设置为38mm。为使本天线有较宽的阻抗带宽，设计开槽105高度l2与宽度d2分别选取为3.0mm与2.6mm以构成合适的开槽105来获得最佳阻抗带宽。

实施例3

本实施例天线的形状、构造和各零部件之间的配合、联结关系，可参见图1给出的结构示意图正面,图2给出的结构示意图正背面以及图3给出的结构示意图侧面图：它由包括PCB基板100，以及分别铺设在基板100两侧的辐射体(参见图1)和接地层102(参见图3)三个部分构成其中辐射层101结构包括由圆形的主体以及均匀分布于主体上的突出部103形成的辐射单元和矩形微带线条带104两个部分构成，其中一个突出部103的中心线与微带线条带的中心线所成夹角α为40度，即突出部103在主体上以微带线条带的中心线成不对称设置，并且突出部103凸出主体的高度为3mm，其宽度为1.5mm，整体呈矩形。这里PCB介质采用厚度为1.5mm，其介电常数为4.6。

本实施例，辐射层101铺设在尺寸长度L为180mm，宽度D为140mm 的PCB基板100正面。辐射层101结构包括辐射单元和矩形微带线条带104 两个部分构成。这里辐射单元的外径R选择为65mm。微带线条带104的宽度选择在2.6mm，长度为38.3mm以达到最佳的阻抗匹配，以达到最佳的50 欧姆阻抗匹配。

本实施例天线的PCB基板100的背面铺设有接地层102涂层。该接地层 102由经开槽105的矩形条带结构构成，并且关于长轴线左右对称。其中矩形条带的宽度与PCB基板100保持一致，高度l1设置为38mm。为使本天线有较宽的阻抗带宽，设计开槽105高度l2与宽度d2分别选取为3.0mm与 2.6mm以构成合适的开槽105来获得最佳阻抗带宽。

实施例4

本实施例天线的形状、构造和各零部件之间的配合、联结关系，可参见图1给出的结构示意图正面,图2给出的结构示意图正背面以及图3给出的结构示意图侧面图：它由包括PCB基板100，以及分别铺设在基板100两侧的辐射体(参见图1)和接地层102(参见图3)三个部分构成其中辐射层101结构包括由圆形的主体以及均匀分布于主体上的突出部103形成的辐射单元和矩形微带线条带104两个部分构成，其中一个突出部103的中心线与微带线条带的中心线所成夹角α为25度，即突出部103在主体上以微带线条带的中心线成不对称设置，并且突出部103凸出主体的高度为4mm，其宽度为1mm，整体呈矩形。这里PCB介质采用厚度为1.5mm，其介电常数为4.5。

本实施例，辐射层101铺设在尺寸长度L为180mm，宽度D为140mm 的PCB基板100正面。辐射层101结构包括辐射单元和矩形微带线条带104 两个部分构成。这里辐射单元的外径R选择为68mm。微带线条带104的宽度选择在2.6mm，长度为38.3mm以达到最佳的阻抗匹配，以达到最佳的50 欧姆阻抗匹配。

本实施例天线的PCB基板100的背面铺设有接地层102涂层。该接地层 102由经开槽105的矩形条带结构构成，并且关于长轴线左右对称。其中矩形条带的宽度与PCB基板100保持一致，高度l1设置为38mm。为使本天线有较宽的阻抗带宽，设计开槽105高度l2与宽度d2分别选取为3.0mm与 2.6mm以构成合适的开槽105来获得最佳阻抗带宽。

实施例5

本实施例天线的形状、构造和各零部件之间的配合、联结关系，可参见图1给出的结构示意图正面,图2给出的结构示意图正背面以及图3给出的结构示意图侧面图：它由包括PCB基板100，以及分别铺设在基板100两侧的辐射体(参见图1)和接地层102(参见图3)三个部分构成其中辐射层101结构包括由圆形的主体以及均匀分布于主体上的突出部103形成的辐射单元和矩形微带线条带104两个部分构成，其中一个突出部103的中心线与微带线条带的中心线所成夹角α为25度，即突出部103在主体上以微带线条带的中心线成不对称设置，并且突出部103凸出主体的高度为4mm，其宽度为1mm，整体呈矩形。这里PCB介质采用厚度为1mm，其介电常数为3。

本实施例，辐射层101铺设在尺寸长度L为200mm，宽度D为160mm 的PCB基板100正面。辐射层101结构包括辐射单元和矩形微带线条带104 两个部分构成。这里辐射单元的外径R选择为65mm。微带线条带104的宽度选择在2.6mm，长度为38.3mm以达到最佳的阻抗匹配，以达到最佳的50 欧姆阻抗匹配。

本实施例天线的PCB基板100的背面铺设有接地层102涂层。该接地层 102由经开槽105的矩形条带结构构成，并且关于长轴线左右对称。其中矩形条带的宽度与PCB基板100保持一致，高度l1设置为38mm。为使本天线有较宽的阻抗带宽，设计开槽105高度l2与宽度d2分别选取为3.0mm与 2.6mm以构成合适的开槽105来获得最佳阻抗带宽。

实施例2-5经过制备样品并进行性能检测，各自性能都基本符合图4-7 有关回波损耗性能、电压驻波比性能、辐射方向性、增益性能以及辐射效率等方面的展示，显示了本方案的优异性。并且通过采用新型平面天线结构构建了可应用于5G、4G以及双频WiFi等商业频段的低尺寸，低成本终端天线。天线正面的圆形配合背面锯齿形的接地板构成了多个频段的多谐振结构，从而极大的展宽了天线的带宽。使得天线覆盖的工作频率从低频段600MHz到高频段的6.0GHz，涵盖目前所有的5G、4G以及双频WiFi等商业频段。在外形上，本方案使用的平面结构利于天线在实际环境中与天线周围物体机械共形，外观上融为一体。

需要说明的是，上述本申请中对包括而不限于上述实施例的性能的测试，主要是针对符合实际应用标准条件下的测试，而非对产品的最大的极限性能的测试。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.超宽频带5G平面天线，包括PCB基板以及形成于基板上的金属辐射层和接地层，其特征在于，所述辐射层包括圆形的主体以及分布于主体上的突出部，所述突出部沿圆形主体的径向向主体外侧延伸。

2.根据权利要求1所述的超宽频带5G平面天线，其特征在于，所述突出部在主体上设置有至少2个。

3.根据权利要求2所述的超宽频带5G平面天线，其特征在于，所述突出部在主体上设置有至少2个，且所述突出部均匀分布于主体的圆周上。

4.根据权利要求3所述的超宽频带5G平面天线，其特征在于，所述突出部在主体上设置有4个。

5.根据权利要求1-4任一所述的超宽频带5G平面天线，其特征在于，所述辐射层还包括微带线条带，所述微带线条带其一端连接到主体的圆周上。

6.根据权利要求5所述的超宽频带5G平面天线，其特征在于，所述微带线条带为矩形的微带线条带。

7.根据权利要求6所述的超宽频带5G平面天线，其特征在于，所述微带线条带的中心线的延长线经过主体的圆心。

8.根据权利要求7所述的超宽频带5G平面天线，其特征在于，所述突出部在主体上以微带线条带的中心线为对称轴对称设置。

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