CN114883805A - 一种具有前后比抑制的小型化天线单元及其阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有前后比抑制的小型化天线单元及其阵列，该天线单元包括：由上往下依次间隔设置的第一金属层、第二金属层及第三金属层；第一金属层包括辐射贴片及微带馈电线，辐射贴片顶部边缘形成有短路金属壁；第二金属层包括第一耦合金属片及第二耦合金属片，第一耦合金属片及第二耦合金属片被配置于辐射贴片的开路端，第一耦合金属片及第二耦合金属片的一部分均伸入辐射贴片的正下方；第三金属层为金属地板，短路金属壁、微带馈电线、第一耦合金属片及第二耦合金属片分别与金属地板连接，辐射贴片工作于TM₀₁模，在中心频率的四分之一波长尺寸下谐振。本发明的天线具有高前后比，更利于实现天线的小型化设计。

Description

一种具有前后比抑制的小型化天线单元及其阵列

技术领域

本发明涉及微波通信技术领域，尤其涉及一种具有前后比抑制的小型化天线单元及其阵列。

背景技术

随着5G时代的到来，MIMO（多输入多输出）技术及毫米波技术的兴起，消费级产品的内部空间正在变得越来越捉襟见肘，传统半波谐振的贴片天线难以满足其尺寸需求，因而面积小，剖面低且结构简单易于加工的平面倒F型天线常作为解决此类产品问题的经典选择。

近年来，国内外大量研究学者对平面倒F型天线做了大量深入的研究。有的文献指出，基于传统天线结构，通过短路壁加载可以使天线在四分之一波长尺寸下谐振，天线口径因此能减小一倍，但一方面该结构的宽度较宽，整体结构并不能满足终端设备日益严格的尺寸限制，另一方面，该结构馈电方式为同轴馈电，馈电结构与辐射贴片不在同一层平面，并不适用于实际工业加工中的多层基板。

为了进一步缩小平面倒F型天线的体积，后人发展出了多种小型化技术。首先是高介电常数材料的应用。平面倒F型天线属于面天线的一种，其工作波长与介电常数成反比。例如，有的文献指出通过使用高介电常数的低温共烧陶瓷（介电常数为100）作为基板，能将天线面积减少到使用传统材料作为基板时的20%。然而高介电常数介质这一解决方法并非完美，其会激励起较强的表面波进而增大天线损耗并减小天线带宽，且材料成本过高，并不利于在实际工业生产中应用。另一种常见的小型化思路是曲流技术，例如，有的文献给出了一种在平面倒F型天线尾部增加弯折结构的设计，通过交错排列的窄槽分割电流路径使其沿槽边流动，达到增加电流路径长度进而增大天线等效电尺寸，降低谐振频率的效果。在该设计下天线能在八分之一波长的尺寸下工作。但曲流技术会扰乱天线正常的表面电流分布，使其变得更为复杂且难以预测，存在方向图不可控的问题。最后是加载技术，通过在平面倒F型天线短路端加载感性元件或在开路端加载容性元件能显著减小平面倒F型天线的尺寸。这些感性及容性元件既可以是集总元件也可以是分布式元件，其区别在于集总元件精度高但会引入额外损耗，分布式元件损耗低但元件尺寸需要较为复杂的调试。此外，基于加载技术的小型化微带天线都会面临阻抗匹配困难的问题。解决该阻抗匹配问题的方法主要有电容耦合馈电及短路钉加载两种方式。有的文献通过采用电容耦合馈电，能在保证阻抗匹配的同时提高贴片的工作带宽，但为确保耦合强度，常采用面耦合的方式，这需要馈电的耦合电容片位于辐射贴片的正下方，势必会使馈电结构与辐射贴片位于不同平面，增大了加工难度不适合实际应用。短路钉加载的原理在于应用短路钉引入电流零点扰乱贴片表面的电流分布进而调节阻抗匹配，但同时也有文献指出在辐射贴片中加载短路钉会使谐振频率升高，这并不利于实现小型化。

最后，追求小型化的平面倒F型天线均基于单颗短路钉加载，其电尺寸与天线平面的长宽之和成比例，这使得平面倒F型天线前后比表现均不理想，在传感器的应用中，过差的前后比会导致天线与其他器件相互干扰，降低探测准确度。有鉴于此，有必要提出对目前平面倒F型天线的结构进行进一步的改进。

发明内容

为解决上述至少一技术问题，本发明的主要目的是提供一种具有前后比抑制的小型化天线单元及其阵列。

为实现上述目的，本发明采用的一个技术方案为：提供一种具有前后比抑制的小型化天线单元，包括：由上往下依次间隔设置的第一金属层、第二金属层及第三金属层；

所述第一金属层包括辐射贴片，以及与所述辐射贴片连接的微带馈电线，所述辐射贴片顶部边缘形成有用于构建电压零点的短路金属壁；

所述第二金属层包括第一耦合金属片及第二耦合金属片，所述第一耦合金属片及第二耦合金属片被配置于所述辐射贴片的开路端，所述第一耦合金属片及第二耦合金属片的一部分均伸入所述辐射贴片的正下方；

所述第三金属层为金属地板，所述短路金属壁、微带馈电线、第一耦合金属片及第二耦合金属片分别与所述金属地板连接，所述辐射贴片工作于TM₀₁模，在中心频率的四分之一波长尺寸下谐振。

其中，还包括第一短路金属柱，所述第一短路金属柱的数量有多个，多个所述第一短路金属柱的一端均穿出辐射贴片并靠近辐射贴片的边缘以形成所述短路金属壁，另一端分别连接所述金属地板。

其中，还包括第二短路金属柱，所述第二短路金属柱的一端与所述微带馈电线连接，另一端与所述金属地板连接。

其中，还包括第三短路金属柱，所述第三短路金属柱的数量有两个，两个所述第三短路金属柱的一端分别与所述第一耦合金属片及第二耦合金属片连接，另一端均与所述金属地板连接。

其中，还包括第一介质基板及第二介质基板，所述第一介质基板位于所述第一金属层与第二金属层之间，所述第二介质基板位于所述第二金属层与第三金属层之间，所述第一短路金属柱、第二短路金属柱及第三短路金属柱均贯穿所述第一介质基板及第二介质基板。

其中，多个所述第一短路金属柱沿所述辐射贴片的X轴方向等距分布。

其中，所述辐射贴片与所述第一耦合金属片的重叠位置设置有第一切角，所述辐射贴片与所述第二耦合金属片的重叠位置设置有第二切角，所述第一切角与第二切角对称。

其中，所述微带馈电线的一端连接所述辐射贴片沿X轴方向的中点位置，另一端外接电源激励。

为实现上述目的，本发明采用的另一个技术方案为：提供一种天线阵列，包括上层金属地板，介质基板以及设置于所述介质基板的天线接收单元、天线发射单元以及用于安装射频芯片的射频芯片座，所述天线接收单元与天线发射单元镜像对称，且所述天线接收单元通过射频芯片接收端焊盘与射频芯片连接，所述天线发射单元通过射频芯片发射端焊盘与射频芯片连接，所述天线接收单元及天线发射单元均为上述的具有前后比抑制的小型化天线单元。

其中，所述上层金属地板靠近所述介质基板的边缘围设有多个短路金属柱。

本发明的技术方案采用在辐射贴片顶部的边缘设置有短路金属壁，由于辐射贴片顶部加载的短路金属壁的边本身并不辐射信号，故短路金属壁可以贴近金属地板边缘设置，能够提高辐射贴片的空间利用率，使其具有更高的前后比；同时在辐射贴片开路端的底部两角的正下方分别引入第一耦合金属片及第二耦合金属片，能够在更小的面积下引入更大的容性分量，可以降低天线单元的谐振频率，提高天线单元的性能，并且实现天线单元的小型化设计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一实施例天线单元的俯视图；

图2为本发明一实施例天线单元的侧视图；

图3为本发明一实施例天线单元的主视图；

图4为相关技术中PIFA天线阵列中辐射贴片表面电流图；

图5为本发明一实施例天线单元中辐射贴片表面电流图；

图6为本发明一实施例天线阵列整体结构的主视图；

图7为本发明天线阵列的两个激励端口的反射系数曲线；

图8为本发明天线阵列的两个激励端口的隔离度曲线；

图9为本发明天线阵列中发射天线和接收天线归一化辐射方向图；

图10为本发明天线阵列与相关技术中PIFA天线的归一化辐射方向对比图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

区别于相关技术中小型化的平面倒F型天线的前后比较差，影响天线的性能问题，本实施例提供了一种具有前后比抑制的小型化天线单元，旨在能够提高天线单元的前后比，同时满足小型化设计的要求。该具有前后比抑制的小型化天线单元的具体结构请参照下述的实施例。

请参照图1至图3，图1为本发明一实施例天线单元的俯视图；图2为本发明一实施例天线单元的侧视图；图3为本发明一实施例天线单元的主视图。在本发明实施例中，该具有前后比抑制的小型化天线单元，包括：由上往下依次间隔设置的第一金属层、第二金属层及第三金属层；所述第一金属层包括辐射贴片1，以及与所述辐射贴片1连接的微带馈电线，所述辐射贴片1顶部边缘设置有用于构建等效电壁的短路金属壁；所述第二金属层包括第一耦合金属片2及第二耦合金属片7，所述第一耦合金属片2及第二耦合金属片7被配置于所述辐射贴片1的开路端，所述第一耦合金属片2及第二耦合金属片7的一部分均伸入所述辐射贴片1的正下方；所述第三金属层为金属地板10，所述短路金属壁、微带馈电线4、第一耦合金属片2及第二耦合金属片7分别与所述金属地板10连接。所述辐射贴片1的中心工作频率波长为λ，工作于TM₀₁模，在1/4λ尺寸下谐振。所述辐射贴片1在y方向长为0.10λ~0.11λ，在x方向宽为0.084λ～0.091λ。所述耦合金属片2及第二耦合金属片7长为0.049λ～0.050λ，宽为0.010λ～0.011λ，其中伸入所述辐射贴片1部分长为0.028λ～0.029λ。

本实施例中，通过辐射贴片1的顶部边缘设置短路金属壁，能够增大辐射贴片1的空间利用率，能够解决平面倒F型天线的前后比较差的问题，但上述结构的代价是天线谐振频率将会上升，为此，本方案进一步在辐射贴片1的开路端，即辐射贴片1的底部两角的正下方分别加入第一耦合金属片2及第二耦合金属片7，第一耦合金属片2及第二耦合金属片7均部分伸入辐射贴片1并与辐射贴片1形成等效电容，如此，可以在更小的面积下引入更大的容性分量，可以降低天线单元的谐振频率，进而提高天线单元的性能。

在一具体的实施例中，还包括第一短路金属柱（11,12,13,14,15,16），所述第一短路金属柱（11,12,13,14,15,16）的数量有多个，多个所述第一短路金属柱（11,12,13,14,15,16）的一端均穿出辐射贴片1并靠近辐射贴片1的边缘以形成所述短路金属壁，另一端分别连接所述金属地板10。上述的多个第一短路金属柱（11,12,13,14,15,16）呈线状排列，且多个第一短路金属柱（11,12,13,14,15,16）与辐射贴片1的边缘的间距相同。上述的第一短路金属柱（11,12,13,14,15,16）的数量具体有6根，该第一短路金属柱（11,12,13,14,15,16）的具体数量可以根据实际的要求来设置，只需通过多根第一短路金属的组合能够等效形成短路金属壁即可。同理，使用完整的短路金属壁而不使用短路金属柱做等效与本方法并无原理上的不同。具体的，多个所述第一短路金属柱（11,12,13,14,15,16）沿所述辐射贴片1的X轴方向等距分布。

在一具体的实施例中，还包括第二短路金属柱5，所述第二短路金属柱5的一端与所述微带馈电线4连接，另一端与所述金属地板10连接。本方案通过在微带馈电线4上加载第二短路金属柱5，能够实现阻抗匹配，能够避免引入容性分量后的阻抗匹配问题，还能避免使用同轴馈电，以保证整体设计的低剖面。第二短路金属柱5的位置随微带馈电线长度及激励源位置的改变变化，具***置依靠阻抗匹配效果确定。

在一具体的实施例中，还包括第三短路金属柱(3,6)，所述第三短路金属柱(3,6)的数量有两个，两个所述第三短路金属柱(3,6)的一端分别与所述第一耦合金属片2及第二耦合金属片7连接，另一端均与所述金属地板10连接。该第三短路金属旨在实现第一耦合金属片2及第二耦合金属片7分别与金属地板10连接。为了控制实际加工中的加工成本，将第一耦合金属片2及第二耦合金属片7处的第三短路金属柱(3,6)设计为贯穿整体结构的通孔，第一耦合金属片2及第二耦合金属片7的尾端因此拉伸一段长度伸出辐射贴片1的正下方，以保证通孔不会影响辐射贴片1的完整性。

此外，在实际应用中，上述的第一至第三短路金属柱(3,6)具体均为金属过孔。

具体的，还包括第一介质基板8及第二介质基板9，所述第一介质基板8位于所述第一金属层与第二金属层之间，所述第二介质基板9位于所述第二金属层与第三金属层之间，所述第一短路金属柱（11,12,13,14,15,16）、第二短路金属柱5及第三短路金属柱(3,6)均贯穿所述第一介质基板8及第二介质基板9。上述第一介质基板8及第二介质基板9旨在分隔第一金属层、第二金属层及第三金属层。第一介质基板8及第二介质基板9的具体材质可以实际要求选择，此处不做限制。

具体的，所述辐射贴片1与所述第一耦合金属片2的重叠位置设置有第一切角，所述辐射贴片1与所述第二耦合金属片7的重叠位置设置有第二切角，所述第一切角与第二切角对称。为了提高整体设计对实际加工中的误差的容忍度，对辐射贴片1与耦合金属片重叠部分进行切角处理，避免钻孔时影响到辐射贴片1。

其中，所述微带馈电线4的一端连接所述辐射贴片1沿X轴方向的中点位置，另一端外接电源激励。

请参照图4和图5，图4为相关技术中PIFA天线中辐射贴片表面电流图；图5为本发明一实施例天线单元中辐射贴片表面电流图。出于小型化及成本考虑，终端设计中常见的平面倒F型天线仅在贴片的一角处加载短路金属柱，其表现电流分布如图4。从图4中可以看出，表面电流分布大致上是沿对角线分布，故其谐振频率与辐射贴片的长宽之和相关。这样做的优点在于充分利用了辐射贴片的口径面积，辐射贴片的小型化程度高。但同时其缺点在于，由于辐射贴片四条边均参与辐射，故需要较大的方形地板才能保证天线辐射前后比维持在合理的范围。实际应用中，金属地板常常不是方形，天线也并不一定能放置于中心位置，而是常需要紧贴电路板边缘，通常只能保证其中的三条边与地板边缘有足够的距离。若在这种情况下仍然应用单颗短路钉加载的平面倒F型天线将会导致辐射前后比恶化，不可避免地引入干扰。为解决终端设计中常见的平面倒F型天线在实际应用中的缺陷，本发明从原理出发，在辐射贴片顶部设置短路金属壁，具体为：在靠近金属地板边缘沿着X轴方向打下一排第一短路金属柱（11,12,13,14,15,16）模拟更完整的电壁。这样做的好处在于，由于辐射贴片中加载理想电壁的边本身并不辐射信号，故可以贴近金属地板边缘放置，解决了平面倒F型天线的前后比问题，其电流分布图如图5。

请参照图6，图6为本发明一实施例天线阵列整体结构的主视图。在本发明的实施例中，该天线阵列，包括上层金属地板100，介质基板200以及设置于所述介质基板200的天线接收单元31、天线发射单元32以及用于安装射频芯片的射频芯片座35，所述天线接收单元31与天线发射单元32镜像对称，且所述天线接收单元31通过射频芯片接收端焊盘33与射频芯片连接，所述天线发射单元32通过射频芯片发射端焊盘34与射频芯片连接，所述天线接收单元31及天线发射单元32均为上述的具有前后比抑制的小型化天线单元。该具有前后比抑制的小型化天线单元的具体结构请参照上述的实施例，此处不再赘述。由于本方案的天线阵列应用了上述的具有前后比抑制的小型化天线单元，故具有前后比抑制的小型化天线单元的所有优点和效果。

具体的，上述的天线接收单元31与天线发射单元32关于介质基板200呈镜像对称。射频芯片接收端焊盘33与射频芯片发射端焊盘34可以对称设置，也可以非对称设置，具体的设置可以根据实际需求来制定。在射频芯片接收端焊盘33与射频芯片发射端焊盘34为对称设置时，上述天线接收单元31与天线发射单元32的方向图的一致性较好。在上述射频芯片接收端焊盘33与射频芯片发射端焊盘34为非对称设置时（此时两者的微带馈电线4长度不同），相比于经过一个转折简单连接辐射贴片与焊盘的设计，将天线发射单元32在x轴方向馈电线上移并增加一个转折，以保持与天线接收单元31的微带馈电线4在同一水平线上的设计，能够提高发射与接收方向图的对称性。同时，因为两侧微带馈电线4长度的不同，相比于天线接收单元31，天线发射单元32的短路金属柱需要向x轴的正方向移动一段距离，才能保证天线发射单元32的匹配。

进一步的，所述上层金属地板100靠近所述介质基板200的边缘围设有多个短路金属柱101。多个短路金属柱101均匀且间隔分布，起到隔离高频信号的作用。

请参照图7和图8，图7为本发明天线阵列的两个激励端口的反射系数曲线；图8为本发明天线阵列的两个激励端口的隔离度曲线。从图7中S11及S22曲线可以看出，两个辐射贴片的工作频率基本重合，中心工作频率为10.52 GHz。从图8中S12曲线可以看出，发射天线与接收天线的隔离度达到了- 27.8dB，隔离度较好。

请参照图9和图10，图9为本发明天线阵列中发射天线和接收天线归一化辐射方向图；图10为本发明天线阵列与相关技术中PIFA天线的归一化辐射方向对比图。图9展示了本方案中的发射天线与接收天线在Phi = 90 deg时的归一化辐射方向图，从图9中可以看出发射天线与接收天线覆盖范围呈对称关系，两者结合能保证天线前方正负50 deg的信号覆盖，且方向图均匀规则，有利于在传感器等应用中的触发门限设置，实际应用中可根据需求灵活调整覆盖范围。图10展示了本设计天线与常见的加载单颗短路钉的平面倒F型天线（PIFA天线）在Phi = 0 deg时的方向图对比，从图10中可以看到，本方案的前向归一化增益为0 dB，后向归一化增益为-6 dB，前后比为6 dB，相较于加载单颗短路钉的平面倒F型天线的前后比有较大改善，提高了4.02 dB，有效降低了后向元器件带来的干扰。

综上，本专利中所提出的具有前后比抑制的小型化天线应用于传感器的小型化高前后比天线，具有尺寸小，前后比高的优势，适用于多种实际产品。例如，其可以应用于各种智能家居产品传感器中作为辐射天线。由于其具有小尺寸的优势，可以明显缩小传感器的整体尺寸。同时，由于其具有前后比抑制的特点，可以在紧贴传感器电路板边沿放置，而不用担心与传感器后方其他元件相互作用，导致引发虚警，降低了传感器整体的设计难度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的技术方案构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有前后比抑制的小型化天线单元，其特征在于，包括：由上往下依次间隔设置的第一金属层、第二金属层及第三金属层；

所述第一金属层包括辐射贴片，以及与所述辐射贴片连接的微带馈电线，所述辐射贴片顶部边缘设置有用于构建等效电壁的短路金属壁；

所述第二金属层包括第一耦合金属片及第二耦合金属片，所述第一耦合金属片及第二耦合金属片被配置于所述辐射贴片的开路端，所述第一耦合金属片及第二耦合金属片的一部分均伸入所述辐射贴片的正下方；

所述第三金属层为金属地板，所述短路金属壁、微带馈电线、第一耦合金属片及第二耦合金属片分别与所述金属地板连接，所述辐射贴片工作于TM₀₁模，在中心频率的四分之一波长尺寸下谐振。

2.如权利要求1所述的具有前后比抑制的小型化天线单元，其特征在于，还包括第一短路金属柱，所述第一短路金属柱的数量有多个，多个所述第一短路金属柱的一端均穿出辐射贴片并靠近辐射贴片的边缘以形成所述短路金属壁，另一端分别连接所述金属地板。

3.如权利要求2所述的具有前后比抑制的小型化天线单元，其特征在于，还包括第二短路金属柱，所述第二短路金属柱的一端与所述微带馈电线连接，另一端与所述金属地板连接。

4.如权利要求3所述的具有前后比抑制的小型化天线单元，其特征在于，还包括第三短路金属柱，所述第三短路金属柱的数量有两个，两个所述第三短路金属柱的一端分别与所述第一耦合金属片及第二耦合金属片连接，另一端均与所述金属地板连接。

5.如权利要求4所述的具有前后比抑制的小型化天线单元，其特征在于，还包括第一介质基板及第二介质基板，所述第一介质基板位于所述第一金属层与第二金属层之间，所述第二介质基板位于所述第二金属层与第三金属层之间，所述第一短路金属柱、第二短路金属柱及第三短路金属柱均贯穿所述第一介质基板及第二介质基板。

6.如权利要求2至5任一项所述的具有前后比抑制的小型化天线单元，其特征在于，多个所述第一短路金属柱沿所述辐射贴片的X轴方向等距分布。

7.如权利要求6所述的具有前后比抑制的小型化天线单元，其特征在于，所述辐射贴片与所述第一耦合金属片的重叠位置设置有第一切角，所述辐射贴片与所述第二耦合金属片的重叠位置设置有第二切角，所述第一切角与第二切角对称。

8.如权利要求6所述的具有前后比抑制的小型化天线单元，其特征在于，所述微带馈电线的一端连接所述辐射贴片沿X轴方向的中点位置，另一端外接电源激励。

9.一种天线阵列，其特征在于，包括上层金属地板，介质基板以及设置于所述介质基板的天线接收单元、天线发射单元以及用于安装射频芯片的射频芯片座，所述天线接收单元与天线发射单元镜像对称，且所述天线接收单元通过射频芯片接收端焊盘与射频芯片连接，所述天线发射单元通过射频芯片发射端焊盘与射频芯片连接，所述天线接收单元及天线发射单元均为权利要求1至8任一项所述的具有前后比抑制的小型化天线单元。

10.如权利要求9所述的天线阵列，其特征在于，所述上层金属地板靠近所述介质基板的边缘围设有多个短路金属柱。

Images