CN104617395B

CN104617395B - 一种多频段介质谐振手机终端天线

Info

Publication number: CN104617395B
Application number: CN201410815595.6A
Authority: CN
Inventors: 刘元安; 苏明; 刁恒; 刁一恒; 黎淑兰; 于翠屏; 吴永乐; 王卫民
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2018-05-15
Anticipated expiration: 2034-12-23
Also published as: CN104617395A

Abstract

本发明公开了一种多频段介质谐振手机终端天线，设有：带有凹槽的高介电常数的矩形陶瓷电介质(3)、多分支单极子(4)、介质板(1)、馈电微带线(2)、印刷地(5)和过孔(6)。该天线结构创新之处是采用多分支单极子激励具有高介电常数的矩形电介质，改变介质中的电场分布使介质产生多模谐振，实现终端天线满足多模多频段的要求，同时，本发明的介质加有凹槽，在有效减轻天线重量的同时，还可以增大介质的辐射面积，改善天线的辐射效率。特点是：尺寸小、重量轻、结构简单；工作频带宽，辐射效率高。本发明制造成本低廉、结构简单、易于加工集成，可同时满足2G、3G、4G的通信标准，具有良好的推广应用前景。

Description

一种多频段介质谐振手机终端天线

技术领域

本发明涉及通信天线技术领域，特别是指一种多频段介质谐振手机终端天线。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，通信方式与通信标准逐渐增多，频率资源利用越来越高，通信产业的发展可谓势不可挡，终端设备也成为发展速度最快的通信产品。天线作为终端***的关键设备，是其不可或缺的组成部分，4G时代对终端天线提出了更高的标准和要求，各种无线通信技术共存、不同国家采用不同的网络制式共同决定了移动通信终端需要兼容不同的模式，移动终端将会集成更多的多媒体通信功能，这就需要多频段天线通过协同模式来完成基本的通信任务。终端天线不仅要满足多频段、宽带化和小型化的要求，而且要求更高的可靠性、高速率和高质量。因此，设计出既能支持2G/3G，又能满足正在普及的4G需要的小型化终端天线是一项非常有意义的研究工作。

传统终端天线的主要技术包括：1)倒F天线：结构简单，带宽窄不能满足现在通信宽带多频段的要求。2)平面倒F天线(PIFA)：可以增加天线的带宽，但不能同时满足多种通信频段的要求，剖面大，带宽受地面尺寸的影响较大。

为了满足多频段小型化的要求，产生了许多在传统天线上的改进型天线1)利用单极子激励结合耦合单元产生多频段。2)利用传统贴片天线结合介质加载。其中，介质只是起到减小天线尺寸的作用，不是主要辐射单元。基于以上技术，现有天线主要分为三维立体天线和二维平面印刷天线两类，但是三维立体天线存在尺寸大、带宽窄的缺陷，同时也很难满足天线形状设计灵活多样化、体积轻薄化的要求。二维平面印刷天线，虽然实现了体积上的轻薄化，但是存在结构比较复杂，调节不够简易，成本偏高等缺陷，因此，设计出尺寸小、结构简单，并且成本较低，能够满足多模多频段的要求的手机天线是未来终端天线的研究方向。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种多频段介质谐振手机天线，满足未来对多模多频段手机天线的要求。

基于上述目的本发明提供了一种多频段介质谐振手机终端天线，设有：带有凹槽的高介电常数的陶瓷介质、激励陶瓷介质产生多模的多分支单极子、50欧馈电微带线、介质板、连接单极子和微带线的过孔和印刷地。该天线特点是：尺寸小、重量轻、结构简单、频带宽、易于加工集成，因此本发明制造成本低廉、结构简单、工作频带宽，具有良好的推广应用前景。

所述天线的介质带有凹槽，加槽对天线的性能影响不大，仍可以满足设计要求，加槽的目的是有效减小天线的重量。同时，还可以增大介质的辐射面积，改善天线的辐射效率。

所述天线的介质要求使用高介电常数(大于10)，由于介质介电常数的选择会影响天线的尺寸，因此，本发明实施例选用的是38的介电常数，以更好的缩小天线的尺寸。

所述天线的参考地印制在该介质板的正面，馈电微带线则印制在该介质板的反面。

所述介电常数为38的矩形电介质位于介质板的正面，放于参考地之外的介质板的一角，多分支单极子印刷于陶瓷介质的底面。

所述天线的多分支单极子作为激励单元，使能量通过介质辐射出去，同时相当于改变了介质的边界条件以及介质中电场和磁场的分布特性，通过调节单极子的尺寸可以得到所需的频段，激励陶瓷介质产生多次模，从而产生多频段。

所述微带线是天线的转换单元，其印制在介质板的反面，该馈电微带线始端连接无线电天线接口反级性公头(SMA)，尾端通过过孔连接多分支单极子。

所述过孔是天线的连接单元，连接位于介质板底端的微带线和介质底端的多分支单极子。

所述介质板是适用于射频微波频段并具有相应介电常数的绝缘材料所制成。

从以上所述可以看出，本发明提供的多频段介质谐振手机终端天线。其多频段的获得主要依靠介质下面的多分支单极子馈电，激励具有高介电常数的矩形电介质产生高次模。同时，在矩形电介质上加凹槽，以有效减小天线的尺寸和重量。本天线可覆盖全球移动通信***(GSM)/分散控制***(DCS)/个人通讯服务(PCS)/通用移动通信***(UMTS)/长期演进项目2300(LTE2300)/长期演进项目2500(LTE2500)等频段，能满足现今手机终端各频段的要求，而且，辐射效率高，增益稳定，相比于其他介质谐振的终端天线带宽更大。其主要结构的特点是：尺寸小、重量轻、设计灵活、馈电***简单、频带宽。因此本发明与其他偶极子天线相比，其制造成本低廉、馈电简单、工作频带宽，具有良好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例多频段介质谐振手机终端天线的三维结构示意图；

图2是本发明实施例多频段介质谐振手机终端天线的正面示意图；

图3是本发明实施例多频段介质谐振手机终端天线的背面示意图；

图4是本发明实施例多频段介质谐振手机终端天线的频率特性实测图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

下面参见图1、图2和图3，主要介绍本发明多频段介质谐振手机终端天线的一个实施例的结构组成。

如图1所示，该天线包括：如图1所示，该天线包括：介质板1、位于所述介质板1反面的馈电微带线2、位于所述介质板正面一角的高介电常数的矩形电介质3、位于所述矩形陶瓷电介质底面的多分支单极子4、位于所述矩形陶瓷电介质下方的印刷参考地5、以及连接单极子与馈电微带线的过孔6；其中，所述多分支单极子和馈电微带线通过过孔相连接；馈电微带线2的起始端焊接反级性公头(SMA)，再外接信号源，尾端通过过孔6连接多分支单极子4。

其中，介质板1是由适用于射频微波频段并具有相应介电常数的绝缘材料所制成。本实施例中选用耐燃材料等级为FR4的介质，介电常数为4.4。本实施例中介质板1的形状成矩形，长度为100mm、宽度为60mm、厚度为1mm。

天线的参考地5印制在该介质板1的正面，本实施例中为70mm*60mm；馈电微带线2则印制在该介质板1的反面，在本实施例中阻抗值为50欧姆。

如图2所示，高介电常数的矩形电介质3位于介质板1的正面。可放于参考地面5之外的介质板1的一角。

本实施例中，选择陶瓷作为矩形电介质3的材料，介电常数不低于10，作为一个优选实施例可以为38。经仿真验证，为了保证天线在高频处要覆盖1.7G-2.7G频率范围，当电介质的厚度减小到3mm时，频率因介质尺寸减小而升高，频点上升到了1.74G。因此为了保证有效的频率覆盖范围，本实施例中矩形电介质3的厚度不少于3mm，优选尺寸为长25mm、宽15mm、厚4mm。

为了进一步减轻矩形电介质3的重量，在矩形电介质正面上至少开一条凹槽。在本实施例中，矩形电介质3上加开有三条水平平行的凹槽。矩形槽深度1mm，宽度2mm，槽之间的间距是8mm。

此外，作为另一个实施例也可以在矩形电介质3上仅加开一个宽为6mm的凹槽，也可以实现相同的技术效果，即天线在高频处仍可覆盖1.7G-2.7G。

在本实施例中，经仿真实验验证，为了保证天线高频处的有效覆盖范围，若开一个深为1mm的凹槽，则凹槽的宽度应不大于12mm。

天线的多分支单极子4作为激励单元，用于激励矩形电介质3产生多次模，从而产生多频段。该多分支单极子4可印刷于矩形电介质3与介质板1相接触的底面，为实施例中为呈反S形的金属铜薄片。其中，最下面的水平分支(与过孔连接的那一段)对天线的性能会产生很大影响。为了保证天线性能，在本发明优选实施例中，该多分支单极子4从上到下(从远离过孔6一端到与过孔相连一端)各段分支的长度依次为:8.5mm,13mm,12mm,11mm,10mm，厚度约为1mm。

如图3所示，馈电微带线2是天线的转换单元，把从SMA端口输入的能量传送到天线。其印制在介质板1的反面，始端连接无线电天线接口SMA，尾端通过过孔6连接多分支单极子4。因为该馈电微带线的阻抗需要与SMA的特性阻抗相匹配，而后者的行业标准值为50欧姆，因此，该馈电微带线的阻抗也定为50欧姆。其宽度为1.9mm。

过孔6是天线的连接单元，连接位于介质板1底端的馈电微带线2和矩形陶瓷电介质3底端的多分支单极子4。

其中选择带有凹槽的高介电常数的矩形陶瓷电介质3作为天线的主要辐射单元。相比于传统的金属贴片天线，介质谐振天线在高频损耗低，效率更高。对于所需要的频段和固定的介电常数，矩形介质具有更大的设计灵活性，能通过在该介质上表面开槽的方式在不影响天线辐射性能的同时，减小天线的体积，减轻天线的重量。

本实施例中，所涉及的矩形电介质谐振器的场分布可以通过理想矩形介质波导模型分析，如图4所示。矩形电介质谐振器的谐振频率可通过求解矩形波导模型求得：

其中，m、n为正整数，k₀为自由空间的传播常数，k_x,k_y,k_z分别为x,y,z方向的传播常数。本实施例中带有凹槽的高介电常数矩形陶瓷电介质的尺寸为25×15×4mm³，通过式(1)(2)(3)(4)可得到介质谐振天线的谐振频率公式：

式中F为计算因子，c为光速，可以得到尺寸为25×15×4mm³介质的基次模为6.17GHz，不能满足手机天线所需的频段。由于介质表面的金属可以改变介质中电场的分布，可以通过改变馈电方法去改变介质的辐射特性。

本发明实施例中所采用的激励方式是印刷在介质底面的多分支单极子4，因为矩形电介质谐振器的电场和磁场的分布是由其边界条件决定的，所以通过在介质底端加载多分支单极子4相当于引进了理想的电导体可以有效的改变介质中电磁场的分布特性。通过调整多分支单极子的长度可以改变介质谐振天线的谐振频率，从而得到所需的频宽。

本发明实例所选用的矩形电介质是具有高介电常数的电介质，一般要求介电常数大于10，更优选地，本发明实例所采用的电介质为介电常数为38的陶瓷介质。介质的品质因数Q与介质的介电常数的符合如下关系：

介质谐振天线的阻抗带宽(BW)与品质因数的关系为：

其中，S为可接受的最大驻波比。由式(5)(6)可以得出介质谐振天线的带宽与品质因数成反比，介质的介电常数越大，介质的带宽越窄，但高介电常数的介质又有利于减小天线的尺寸。

介质谐振器的馈电方式对其谐振频率和品质因数都会产生很大的影响，常见的馈电方式有耦合馈电、同轴馈电和微带线馈电等。在本发明的各个实施例中，我们选择类似微带线馈电的多分支单极子(4)馈电的形式。一方面，多分支单极子的主要支节可以看作是波长为λ/4的单极子，产生满足手机终端天线低频段GSM900的要求；另一方面结合短分支可以达到改变介质谐振器品质因数和介质谐振器的电场和磁场分布从而可以产生多频谐振，主要满足介质谐振天线在高频频段，获得更宽的带宽。

本发明的各个实例中，选择参考地面(6)与多分支单极子(4)共面的形式，参考地面的尺寸对天线的低频有很大的影响，选择参考地的尺寸为70×60mm²，位于介质谐振器的下方，可以提高低频谐振的带宽要求。

本发明已经进行了多次实施试验，仿真实施试验的情况介绍如下：

在天线的50欧馈电微带线(2)的起始端焊接工程用SMA接头，再外接信号源，外加的激励信号通过50欧馈电微带线(1)、过孔(6)到达多分支单极子(4)。由多分支单极子(4)激励具有高介电常数的陶瓷介质(3)，由陶瓷介质将电磁波的能量辐射出去，完成无线通信的功能。

参见图4，介绍本发明实施例的频率特性，即回波损耗参数的实验结果：图中的横坐标为频率分量单位为GHz；纵坐标为幅度分量，单位为dB。本发明实施例的一种多频介质谐振终端天线可覆盖的频段为880MHz-960MHz,1.70G-2.70G，其回波损耗参数在工作频带内小于-6dB。因此，该实施例的试验是成功的，实现了发明目的。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多频段介质谐振手机终端天线，其特征在于，包括：介质板(1)、位于所述介质板(1)反面的馈电微带线(2)、位于所述介质板正面一角的高介电常数的矩形陶瓷电介质(3)、位于所述矩形陶瓷电介质(3)底面的多分支单极子(4)、位于所述矩形陶瓷电介质(3)下方的印刷参考地(5)、以及连接多分支单极子(4)与馈电微带线(2)的过孔(6)；其中，所述多分支单极子和馈电微带线通过过孔相连接；馈电微带线(2)的起始端焊接反级性公头SMA，再外接信号源，尾端通过过孔(6)连接多分支单极子(4)；

所述矩形陶瓷电介质(3)正面开有至少一条凹槽；所述矩形陶瓷电介质(3)正面带有三条水平平行的矩形凹槽；或者，所述矩形陶瓷电介质(3)正面开有一条矩形凹槽；

所述天线的多分支单极子(4)呈反S形印刷于矩形陶瓷电介质(3)的底面，所述多频段介质谐振手机终端天线采用多分支单极子馈电的方式。

2.根据权利要求1所述的多频段介质谐振手机终端天线，其特征在于，所述矩形陶瓷电介质(3)的介电常数为不低于10；和/或所述矩形陶瓷电介质(3)的厚度不少于3mm。

3.根据权利要求2所述的多频段介质谐振手机终端天线，其特征在于，所述矩形陶瓷电介质(3)的介电常数为38；和/或所述矩形陶瓷电介质(3)长度为25mm，宽度为15mm，厚度为4mm。

4.根据权利要求1所述的多频段介质谐振手机终端天线，其特征在于：所述矩形陶瓷电介质(3)正面带有三条水平平行的矩形凹槽，矩形凹槽的深度为1mm，宽度为2mm，槽之间的间距为8mm；

或者

所述矩形陶瓷电介质(3)正面开有一条矩形凹槽，该凹槽深度为1mm，宽度为12mm。

5.根据权利要求1所述的多频段介质谐振手机终端天线，其特征在于：所述的多分支单极子从远离过孔(6)一端到与过孔(6)相连一端各段分支的长度依次为：8.5mm、13mm、12mm、11mm、10mm，厚度约为1mm。

6.根据权利要求1所述的多频段介质谐振手机终端天线，其特征在于：所述天线的印刷参考地(5)印制在所述介质板(1)的正面，长度为70mm、宽度为60mm、厚度为1mm。

7.根据权利要求1所述的多频段介质谐振手机终端天线，其特征在于：所述馈电微带线(2)的阻抗值为50欧姆。

8.根据权利要求1所述的多频段介质谐振手机终端天线，其特征在于：所述介质板(1)采用耐燃材料等级为FR4介质，其介电常数为4.4，厚度为1mm，长度为100mm，宽度为60mm。