CN110676554B - 一种低剖面超宽带室内通信平面结构天线 - Google Patents

一种低剖面超宽带室内通信平面结构天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种低剖面超宽带室内通信平面结构天线。本发明包括介质板、金属贴片、金属接地板；在金属贴片和金属接地板间串并联加载各种集总电路如电阻和电感电路，馈电线由第二电阻、电感串联两长短不一的微带线后连接到金属贴片，馈电线的地与金属接地板直接相连。通过电阻电感混合串联加载技术以及电阻并联加载技术有效地改善天线的输入阻抗和拓宽天线的带宽，并改善天线增益。本发明实现了天线的低剖面特性，实现了100‑3000MHz的超宽带频率覆盖，并且在工作频段内具有较高的增益。

Description

一种低剖面超宽带室内通信平面结构天线
技术领域
本发明涉及移动通信***的室内天线，尤其涉及利用集总电路加载的超宽带室内平面结构天线。
背景技术
随着人们对通信质量的要求越来越高，移动通信多频带、多***并存的特点要求室内天线能够尽量同时覆盖多个频段。此外由于室内的特殊环境，还要求室内天线具有低剖面特性，以便于与建筑物共形以及室内美观设计。但是目前一般一种室内天线只能覆盖特定频段，并且其剖面较高、尺寸相对较大，不能满足超宽频带以及低剖面的要求。平面结构天线的低剖面特点虽然满足了室内天线的体积小要求，但是一般技术难以覆盖超宽频带，如100-3000MHz等整个连续频段。
发明内容
本发明的目的在于解决现有室内天线体积大，剖面高，结构复杂，覆盖频段窄的问题，针对室内天线对剖面、覆盖多个频段的要求，提供一种低剖面超宽带平面结构天线。本发明技术方案如下：
一种低剖面超宽带室内通信平面结构天线，包括介质板(3)以及设置在介质板(3)顶层的金属层，其中金属层由金属贴片(1)和金属接地板(2)构成。
在金属贴片和金属接地板间串联加载各种集总电路如电阻和电感电路。
金属贴片与金属接地板的末端并联加载第一电阻。
馈电线由第二电阻、电感串联两长短不一的微带线后连接到金属贴片，馈电线的地与金属接地板直接相连；通过电阻电感混合串联加载技术以及电阻并联加载技术有效地改善天线的输入阻抗和拓宽天线的带宽，并改善天线增益；具体如下：
所述金属贴片(1)和金属接地板(2)通过缝隙和弯折的阶梯状金属加强耦合，改善天线性能。
所述金属贴片(1)具有与金属贴片(1)一体成型的细长枝节辐射单元(11)和弯折的辐射枝节(12)；细长枝节辐射单元(11)与弯折的辐射枝节(12)间留有矩形缝隙(13)；弯折的辐射枝节(12)的弯折处留有不规则缝隙(14)；矩形缝隙(13)和不规则缝隙(14)可以改变电流流向，延长电流的有效路径，进一步将天线的阻抗带宽拓宽。
所述金属贴片还具有第一耦合金属贴片(15)、第二耦合金属贴片(16)。第一耦合金属贴片(15)位于弯折的辐射枝节(12)的末端，且两者间留有缝隙；第二耦合金属贴片(16)位于第一耦合金属贴片(15)的末端，且两者间留有缝隙。
所述金属接地板(2)具有与金属接地板(2)一体成型的弯折的末端为阶梯状的辐射枝节(21)；且辐射枝节(21)末端的最后一阶伸入矩形开槽(13)内，且不与金属贴片(1)接触；细长枝节辐射单元(11)伸入辐射枝节(21)的弯折处，且不与金属接地板(2)接触。
所述金属接地板(2)还具有与金属接地板(2)一体成型的弯折的细长枝节辐射单元(22)和短枝节辐射单元(23)；辐射单元(22)和辐射单元(23)相互垂直但不接触，且辐射单元(23)所在直线位于位于辐射单元(22)与金属接地板连接端的三分之一处。
所述金属接地板还具有与金属接地板(2)一体成型的弯折的末端分叉的枝节辐射单元(24)。该单元位于辐射单元(22)和辐射单元(23)的上方。
金属接地板(2)靠近金属贴片(1)处开有一矩形缺口(25)。
长微带线(71)与短微带线(72)间串联有电感(5)；短微带线(72)与金属贴片间串联有第二电阻(4)。串联后的两微带线矩形缺口内。
金属贴片和金属接地板的末端并联加载第一电阻(6)。
所述的馈电线的馈电点位于长微带线末端，馈电线的地与金属接地板相连。
所述的平面结构天线不仅限于同轴馈电，也包括通过微带馈电，缝隙耦合馈电和共面波导馈电方式。
所述的平面结构天线不限上述的正方形结构，也可以是圆形，椭圆或者矩形各种共形结构。
作为优选，所述的金属贴片(1)和金属接地板(2)可以不位于同一水平层，也可以是两者位于不同水平层的多层结构，或者是金属贴片(1)和金属接地板(2)上的辐射枝节与其主***于不同层通过缝隙耦合连接。
所述的平面结构天线不限于上述的集总电路布局构造，也包含若干集总电路组合设计。
本发明的有益效果为：1、采用平面结构的PCB来制作天线，实现了天线的低剖面特性，另外采用电阻电感混合串联加载技术，电阻并联加载技术以及辐射贴片的改进实现了100-3000MHz的超宽带频率覆盖，并且在工作频段内具有较高的增益。2、本发明的低剖面特性易于其和建筑物共形和室内的美观设计。3、本发明的体积小、重量轻、制作简单，便于批量制造。
附图说明
图1(a)为天线结构示意图一；图1(b)为天线金属层的结构示意图；
图2为天线集总器件位置示意,即图1(a)的局部放大图；
图3为对应图1所示天线S11参数测试结果；
图4为对应图1所示天线增益-频率测试结果；
图5(A)-(D)对应图1所示不同频率点的天线辐射方向图测试结果。
图中金属贴片1，金属接地板2，介质板3，第二电阻4，电感5，第一电阻6，长微带线71，短微带线72，细长枝节辐射单元11，弯折的辐射枝节12，矩形开槽13，不规则缝隙14，第一耦合金属贴片15，第二耦合金属贴片16，末端为阶梯状的弯折的辐射枝节21，弯折的细长枝节辐射单元22，短枝节23，弯折的末端分叉的枝节辐射单元24，矩形缺口25。
具体实施方式
为了更加清楚地说明本发明解决的问题、采用的技术方案和有益效果，下面结合图示说明本发明的具体实施方式，这里所描述的优选实施例子仅用于说明和解释本发明，并不用以限制本发明，凡是在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换和改进等。均应在本发明的保护范围之内。
如图1(a)、(b)所示，低剖面超宽带室内通信平面结构天线，包括介质板3以及设置在介质板3顶层的金属层，其中金属层由金属贴片1和金属接地板2构成，且位于同一水平层。
介质板3采用介电常数为4.4的FR4板材，尺寸为310mm*270mm*0.8mm。
金属贴片1作为主要的辐射贴片，整体尺寸长a为310mm，宽b为270mm，具有与金属贴片1一体成型的细长枝节辐射单元11和弯折的辐射枝节12；细长枝节辐射单元11长度a1为102mm，其与接地板之间的缝隙宽度d1为5mm,该部分结构用于改善高频段部分辐射特性；细长枝节辐射单元11与弯折的辐射枝节12间留有矩形缝隙13，矩形缝隙13其宽度为7.5mm；弯折的辐射枝节12沿着介质板边缘弯折，宽度d2为50mm,末端宽度d3为40mm，弯折处留有不规则缝隙14；以上设计用于改善天线表面电流分布，有助于天线的阻抗匹配和改善天线的辐射性能，提高天线的增益。
所述金属贴片还具有第一耦合金属贴片15、第二耦合金属贴片16。第一耦合金属贴片15位于弯折的辐射枝节12的末端，且两者间留有缝隙；第二耦合金属贴片16位于第一耦合金属贴片15的末端，且两者间留有缝隙。
所述金属接地板2具有与金属接地板2一体成型的弯折的末端为阶梯状的辐射枝节21，倒数第二阶梯宽长尺寸为a7*b7＝13mm*31.5mm；且辐射枝节21末端的最后一阶伸入矩形开槽13内，且不与金属贴片1接触；细长枝节辐射单元11伸入辐射枝节21的弯折处，且不与金属接地板2接触。
所述金属接地板2还具有与金属接地板2一体成型的弯折的细长枝节辐射单元22和短枝节辐射单元23，尺寸分别为a5*b5＝20mm*67mm，a6*b6＝12mm*27mm；辐射单元22和辐射单元23相互垂直但不接触，且辐射单元23所在直线位于位于辐射单元22与金属接地板连接端的三分之一处。
末端为阶梯状的辐射枝节21、弯折的细长枝节辐射单元22和短枝节辐射单元23主要是为了加强与金属贴片1之间的耦合，有助于拓宽天线带宽。
所述金属接地板还具有与金属接地板2一体成型的弯折的末端分叉的枝节辐射单元24。该单元位于辐射单元22和辐射单元23的上方。
金属接地板2靠近金属贴片1处开有一矩形缺口25。
如图2所示，长微带线71(a3*b3＝31.5mm*4.1mm)与短微带线72(a4*b4＝6.1mm*4.6mm)间串联有感值为1nH的贴片电感5；短微带线72与金属贴片间串联有阻值为39欧姆的第二贴片电阻4，可以有效改善天线的输入阻抗，扩展天线带宽。串联后的两微带线位于矩形缺口内。
金属贴片和金属接地板的末端并联加载阻值为62欧姆的第一贴片电阻6，可以有效改善低频部分的阻抗匹配。
本天线的激励采用同轴馈电，同轴线的馈电线馈电点位于长微带线末端，馈电线的地与金属接地板相连。
图3所示，本实施方式天线的实测S11参数在频段100-3000MHz范围内达到-10dB左右。能够覆盖大部分的移动通信频段，说明本发明具有良好的阻抗带宽特性。
如图4所示，本实施方式天线的实测增益-频率图在频段100-3000MHz范围内，增益最大0.8dBi。在700-3000MHz频率范围内增益在-2dBi左右。
如图5(A-D)所示，频率156MHz，380MHz，698MHz，1800MHz的天线辐射方向图测试结果，包括E面(虚线)和H面(实线)，可以看出该天线具有良好的全向特性。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种低剖面超宽带室内通信平面结构天线，其特征在于包括介质板（3）以及设置在介质板（3）顶层的金属层，其中金属层由金属贴片（1）和金属接地板（2）构成；其特征在于所述金属贴片（1）和金属接地板（2）通过缝隙和弯折的阶梯状金属辐射单元加强耦合；
金属贴片与金属接地板的末端并联加载第一集总电路；
馈电线由第二集总电路串联两长短不一的微带线后连接到金属贴片，馈电线的地与金属接地板直接相连；
所述金属贴片（1）具有与金属贴片（1）一体成型的第一细长枝节辐射单元（11）和弯折的辐射枝节（12）；第一细长枝节辐射单元（11）与弯折的辐射枝节（12）间留有矩形缝隙（13）；弯折的辐射枝节（12）的弯折处留有不规则缝隙（14）；
所述金属贴片还具有第一耦合金属贴片（15）、第二耦合金属贴片（16）；第一耦合金属贴片（15）位于弯折的辐射枝节（12）的末端，且两者间留有缝隙；第二耦合金属贴片（16）位于第一耦合金属贴片（15）的末端，且两者间留有缝隙；
所述金属接地板（2）具有与金属接地板（2）一体成型的弯折的末端为阶梯状的辐射枝节（21）；且弯折的末端为阶梯状的辐射枝节（21）末端的最后一阶伸入矩形缝隙（13）内，且不与金属贴片（1）接触；第一细长枝节辐射单元（11）伸入弯折的末端为阶梯状的辐射枝节（21）的弯折处，且不与金属接地板（2）接触；
所述金属接地板（2）还具有与金属接地板（2）一体成型的弯折的第二细长枝节辐射单元（22）和短枝节辐射单元（23）；第二细长枝节辐射单元（22）和短枝节辐射单元（23）相互垂直但不接触，且短枝节辐射单元（23）所在直线位于第二细长枝节辐射单元（22）与金属接地板连接端的三分之一处；
所述金属接地板还具有与金属接地板（2）一体成型的弯折的末端分叉的枝节辐射单元（24）；该单元位于第二细长枝节辐射单元（22）和短枝节辐射单元（23）的上方；
金属接地板（2）靠近金属贴片（1）处开有一矩形缺口（25）；
长微带线（71）与短微带线（72）间串联有电感（5）；短微带线（72）与金属贴片间串联有第二电阻（4）；串联后的两微带线位于矩形缺口内；
金属贴片和金属接地板的末端并联加载第一电阻（6）；
所述的馈电线的馈电点位于长微带线末端，馈电线的地与金属接地板相连。
2.如权利要求1所述的一种低剖面超宽带室内通信平面结构天线，其特征在于第一集总电路为第一电阻。
3.如权利要求1或2所述的一种低剖面超宽带室内通信平面结构天线，其特征在于第二集总电路为第二电阻和电感；两微带线间串联有电感（5）；串联后的微带线与金属贴片间串联有第二电阻（4）。
4.如权利要求1或2所述的一种低剖面超宽带室内通信平面结构天线，其特征在于所述的平面结构天线不仅限于同轴馈电，也包括通过微带馈电，缝隙耦合馈电和共面波导馈电方式。
5.如权利要求1或2所述的一种低剖面超宽带室内通信平面结构天线，其特征在于所述的平面结构天线为圆形或椭圆或矩形。
6.如权利要求1或2所述的一种低剖面超宽带室内通信平面结构天线，其特征在于金属贴片（1）整体尺寸长a为310mm，宽b为270mm；第一细长枝节辐射单元（11）长度a1为102mm，其与接地板之间的缝隙宽度d1为5mm；矩形缝隙（13）宽度为7.5mm；弯折的辐射枝节（12）弯折区域宽度d2为50mm,末端宽度d3为40mm；弯折的末端为阶梯状的辐射枝节（21）的倒数第二阶梯宽a7为13mm ，长b7为31.5mm；弯折的第二细长枝节辐射单元（22）宽a5为20mm ，长b5为67mm；短枝节辐射单元（23）宽a6为12mm，长b6为27mm。
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