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CN110474157A - 一种移动通信频段印刷单极子天线 - Google Patents

一种移动通信频段印刷单极子天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种移动通信频段印刷单极子天线，属于微波技术领域，包括金属地板、介质基板以及印刷在介质基板上的辐射单元，辐射单元包括相互连通的T形微带线辐射单元和锥型微带线辐射单元，介质基板、T形微带线辐射单元和锥型微带线辐射单元构成平面天线，该平面天线通过微带线馈电线垂直固定在金属地板的上；微带线馈电线作为天线的电波信号馈入源，一端连于平面天线，另一端与金属地板相连。本天线实现了宽带特性，可应用在GSM、LTE和5G等通信频段，应用范围广。

Description

一种移动通信频段印刷单极子天线
技术领域
本发明属于微波技术领域，具体涉及一种移动通信频段印刷单极子天线。
背景技术
1921年，美国的警车上使用了第一个覆盖通信频段的汽车。经过90多年，随着理论工艺的不断发展和移动无线通信技术的更新换代，汽车已经可以在小型化的同时实现了从1G到5G的不同移动通信频段的普遍覆盖。如今，移动通信频段主要包含三个频段：824-960MHz，1710-2690MHz和3.4GHz-3.6GHz。一般来说，微带天线以其体积小，质量轻，易集成，低剖面等优点成为多频小型化天线的最佳选择。
传统单极子天线由于体积等原因无法简易的集成到汽车上，而印刷单极子天线通过将传统单极子天线印刷在介质基板上，克服了传统单极子天线的体积缺陷和带宽缺陷，又兼有与微带天线有相似的结构特性和性能优点，因此在移动通信频段天线中得到广泛的应用。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种移动通信频段印刷单极子天线，实现了宽带的要求，在一定程度上增加了天线增益。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种移动通信频段印刷单极子天线，包括金属地板、介质基板以及印刷在介质基板上的辐射单元，所述的辐射单元包括相互连通的T形微带线辐射单元和锥型微带线辐射单元，所述的介质基板、T形微带线辐射单元和锥型微带线辐射单元构成平面天线，该平面天线通过微带线馈电线垂直固定在金属地板的上；所述的微带线馈电线作为天线的电波信号馈入源，一端连于平面天线，另一端与金属地板相连。
进一步地，所述的介质基板的介电常数为4.4，所述的金属地板为矩形金属板。
进一步地，所述的微带线馈电线为长度14mm，宽度2mm；所述的介质基板的长度为65-75毫米，宽度为55-65毫米，厚度为1.4-1.8毫米。
进一步地，所述的金属地板的长度为200-400毫米，宽度为200-400毫米。
进一步地，所述的T形微带线辐射单元包括相连的水平矩形天线单元和竖直矩形天线单元，其中，水平矩形天线单元的长度W为45-50毫米，宽度LS为10-14毫米，竖直矩形天线单元的长度L为65-75毫米，宽度WS为15-19毫米；其中，竖直矩形天线单元位于水平矩形天线单元的中点处。
进一步地，所述的锥型微带线辐射单元为对称设置的凹字形结构，其由中线均分为两个半边，该半边包括水平相互平行设置的ZA边和ZB边，竖直相互平行设置的ZC边和ZD边，其中，ZB边通过ZE边与ZD边相连，ZA边依次通过ZF边、ZG边与ZD边相连，其中，ZA边的长度为8-12毫米，ZB边的长度为6-8毫米，ZC边的长度为1.5到3.5毫米，ZD边的长度为20-30毫米，ZE边的长度为20-30毫米，ZF边的长度为25-35毫米，ZG边的长度为10-20毫米。其中，ZF边与ZG边的夹角∠A＝65.4°，ZG边与ZD边的夹角∠B＝133°，ZD边与ZE边的夹角∠C＝109°，ZB边与ZE边的夹角∠D＝70°，ZC边与ZF边的夹角∠E＝160°。
发明原理：如今，移动通讯频段主要包含三个频段：824MHz-960MHz，1710MHz-2690MHz和3.4GHz-3.6GHz。微带天线由于尺寸小，质量轻，易集成，低剖面等优点成为多频小型化天线的最佳选择。传统单极子天线由于体积等原因无法简易的集成到汽车上，而印刷单极子天线通过将传统单极子天线印刷在介质基板上，克服了传统单极子天线的体积缺陷和带宽缺陷，又兼有与微带天线有相似的结构特性和性能优点，因此在移动通信频段天线中得到广泛的应用。众所周知，无论是传统单极子天线还是印刷单极子天线都只有一个谐振频率点，谐振长度是波长的四分之一。所以，增加天线频带，拓宽天线带宽，减小天线尺寸成为研究印刷单极子天线的主要方向。
传统的单极子天线是垂直放置在地面上，长约四分之一个波长的金属柱。利用镜像理论，使用地面下方的一个镜像的单极子来代替地面的表面电流影响，所以，分析单极子的表面电流分布时可以用等效偶极子的上半部分的表面电流分布来代替。需要注意的是，偶极子天线可以在整个空间内都有辐射，而单极子天线只在地面上方有辐射。当地面无限大时，根据自由空间的对称振子理论，单极子天线的上半部分辐射区域可以直接等效成单极子天线的远场辐射场：
式中，r是源点到场点的距离，Im是最大电流，L是天线长度，β是相位常数，Fθ是天线的远场归一化方向图。由式(2)可知，当θ＝90°时，Fθ是一个定值，即天线的水平方向的方向图是一个圆，单极子天线是无方向性的。印刷单极子作为传统单极子的改进也具有类似特性。传统的单极子天线因为体积和剖面的限制无法集成到有限空间内，所以，通常将单极子天线印刷在介质基板上来实现集成。同时，印刷单极子是平面型天线，带宽比传统单极子更宽。因此，相较于传统单极子，印刷单极子天线还具有宽频带，体积小，易于加工和集成，价格低廉等众多优点。
印刷单极子由金属地板，介质基板和辐射贴片组成，主要有微带线馈电(微带馈线直接与辐射贴片相连)和共面波导馈电(微带馈线，地板和辐射贴片在同一平面)。依据金属贴片形状的不同，印刷单极子可分为圆形贴片单极子，矩形贴片单极子，三角形贴片单极子等。众所周知，微带天线也是由金属地板，介质基板和辐射贴片组成，区别只在于印刷单极子天线辐射贴片对应介质基板的下面没有金属贴片，而微带天线的辐射贴片对应下面有金属底板，与辐射贴片形成谐振腔。虽然微带贴片天线和印刷单极子天线都属于平面天线，有相似的结构特性，但他们的性能还是有差异的。与微带贴片天线相比，印刷单极子的带宽相对较宽。此外，印刷单极子天线的介质板一般都厚度很薄，介质损耗较小，不容易受到介质板材料的影响。
根据单极子理论，印刷单极子的谐振频率与辐射贴片的尺寸的计算公式为：
式(4)和式(5)中，εe是介质板等效介电常数，εr是介质板相对介电常数，W是单极子天线的宽度，L是单极子天线的长度，天线的辐射长度是W/2+L。通过上述谐振频率的表达式可以初步计算印刷单极子天线的尺寸，然后通过仿真软件进行尺寸调整，一般印刷单极子天线的辐射长度是波长的四分之一。实际应用中为了达到需要的性能，需要对印刷单极子天线进行变形，即改变辐射贴片，主要有两种变形措施：切割和加载。例如，当需要减小天线尺寸时，可以利用仿真软件显示天线的电流分布，从而得到天线的谐振路径，分析出主要辐射区域，然后对非主要辐射区域进行适当切割以达到天线小型化目的。或者可以在辐射贴片的合理位置上切割出缝隙，改变贴片的电流分布，增加天线的有效电流路径，减小天线谐振频率。当需要增加天线频段时，可以加载寄生单元或者加载其他枝节，增加天线的谐振器从而得到不同的谐振频率，当不同谐振频率靠的很近时，也可以增大天线带宽。也可以通过切割地板形成缺陷的结构来实现天线多频化，同时提高阻抗匹配。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种移动通信频段印刷单极子天线，包括金属地板，介质基板以及印刷设置在介质基板辐射单元，金属地板为矩形金属板，辐射单元为T形微带线辐射单元和锥型微带线辐射单元构成；介质基板、T形微带线辐射单元和锥型微带线辐射单元构成一个平面天线，该平面天线通过微带线馈电线垂直固定在金属地板的上面，微带线馈电线的一端连于微带线辐射单元的底端，另一端连于金属地板。本天线实现了宽带特性，可应用在GSM、LTE和5G等通信频段，应用范围广。
附图说明
图1是移动通信频段印刷单极子天线的立体结构示意图；
图2是移动通信频段印刷单极子天线的正视图；
图3是移动通信频段印刷单极子天线的反射系数示意图；
图4是移动通信频段印刷单极子天线在频率900MHz处E面的辐射方向图；
图5是移动通信频段印刷单极子天线在频率900MHz处H面的辐射方向图；
图6是移动通信频段印刷单极子天线在频率2.2GHz处E面的辐射方向图；
图7是移动通信频段印刷单极子天线在频率2.2GHz处H面的辐射方向图；
图8是移动通信频段印刷单极子天线在频率3.5GHz处E面的辐射方向图；
图9是移动通信频段印刷单极子天线在频率3.5GHz处H面的辐射方向图；
附图标记：1-金属地板；2-介质基板；3-T形微带线辐射单元；4-锥形微带线辐射单元；5-微带馈电线。
具体实施方式
为了更好地理解本发明专利的内容，下面结合附图和具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。
如图1-2所示，一种移动通信频段印刷单极子天线，包括金属地板1、介质基板2以及印刷在介质基板2上的辐射单元，辐射单元包括相互连通的T形微带线辐射单元3和锥型微带线辐射单元4，其中T型微带线辐射单元3与锥型微带线辐射单元4相连通；介质基板2、T形微带线辐射单元3和锥型微带线辐射单元4构成平面天线，该平面天线通过微带线馈电线5垂直固定在金属地板1的上。微带线馈电线5作为天线的电波信号馈入源，一端连于平面天线，另一端与金属地板1相连。介质基板2的介电常数为4.4，金属地板1为矩形金属板。微带线馈电线5为长度14mm，宽度2mm；介质基板2的长度为65-75毫米，宽度为55-65毫米，厚度为1.4-1.8毫米。
金属地板1的长度为200-400毫米，宽度为200-400毫米。
T形微带线辐射单元3包括相连的水平矩形天线单元和竖直矩形天线单元，其中，水平矩形天线单元的长度W为45-50毫米，宽度LS为10-14毫米，竖直矩形天线单元的长度L为65-75毫米，宽度WS为15-19毫米。其中，竖直矩形天线单元位于水平矩形天线单元的中点处。
锥型微带线辐射单元4为对称设置的凹字形结构，其由中线均分为两个半边，该凹字形结构的半边包括水平相互平行设置的ZA边和ZB边，竖直相互平行设置的ZC边和ZD边，其中，ZB边通过ZE边与ZD边相连，ZA边依次通过ZF边、ZG边与ZD边相连，其中，ZA边的长度为8-12毫米，ZB边的长度为6-8毫米，ZC边的长度为1.5到3.5毫米，ZD边的长度为20-30毫米，ZE边的长度为20-30毫米，ZF边的长度为25-35毫米，ZG边的长度为10-20毫米。其中，ZF边与ZG边的夹角∠A＝65.4°，ZG边与ZD边的夹角∠B＝133°，ZD边与ZE边的夹角∠C＝109°，ZB边与ZE边的夹角∠D＝70°，ZC边与ZF边的夹角∠E＝160°。
一种移动通信频段印刷单极子天线，带宽为824M-960MHz、1.7G-2.7GHz以及3.4G-3.6GHz。本天线实现了宽带特性，可应用在GSM、LTE和5G等通信频段，应用范围广。
结合图3所示，用电磁仿真软件HFSS对这种移动通信频段印刷单极子天线进行仿真实验。实验反射系数S11特性，在824-960MHz,1.7-2.7GGHz和3.4-3.6GHz之间S11<-10dB，实现了宽带特性，支持移动通信频段。
结合图4-9所示，用电磁仿真软件HFSS对这种新型移动通信频段印刷单极子天线进行仿真实验。给出了天线辐射方向图。图4-9显示了在三个频点(900MHz，2.2GHz，3.5GHz)处，天线在E面和H面上的仿真归一化方向图。由图可知，天线的H面在900MHz和2.2GHz两个频点处都可以有很好的全向性，满足车载天线的全向辐射要求，在3.5GHz处向x方向倾斜。并且，因为天线的不对称，天线的E面方向图随着频率的增高而向-x方向倾斜。0.9GHz处，天线在E面上方向图近似为“8”字形，与半波偶极子天线相似，但由于地板反射的原因，天线的主辐射方向不在是严格意义上的90度，而是在45度处。在2.2GHz处，天线E面辐射方向图也有向上倾斜的趋势，但相比于0.9GHz的测量方向图，主辐射方向更加向90度倾斜。3.5GHz处，天线测量的E面辐射方向图明显副瓣增多，主瓣增强，因此天线在高频处的增益比低频的增益大。

Claims (6)

1.一种移动通信频段印刷单极子天线，其特征在于：包括金属地板(1)、介质基板(2)以及印刷在介质基板(2)上的辐射单元，所述的辐射单元包括相互连通的T形微带线辐射单元(3)和锥型微带线辐射单元(4)，所述的介质基板(2)、T形微带线辐射单元(3)和锥型微带线辐射单元(4)构成平面天线，该平面天线通过微带线馈电线(5)垂直固定在金属地板(1)的上；所述的微带线馈电线(5)作为天线的电波信号馈入源，一端连于平面天线，另一端与金属地板(1)相连。
2.根据权利要求1所述的一种移动通信频段印刷单极子天线，其特征在于：所述的介质基板(2)的介电常数为4.4，所述的金属地板(1)为矩形金属板。
3.根据权利要求1所述的一种移动通信频段印刷单极子天线，其特征在于：所述的微带线馈电线(5)为长度14mm，宽度2mm；所述的介质基板(2)的长度为65-75毫米，宽度为55-65毫米，厚度为1.4-1.8毫米。
4.根据权利要求1所述的一种移动通信频段印刷单极子天线，其特征在于：所述的金属地板(1)的长度为200-400毫米，宽度为200-400毫米。
5.根据权利要求1所述的一种移动通信频段印刷单极子天线，其特征在于：所述的T形微带线辐射单元(3)包括相连的水平矩形天线单元和竖直矩形天线单元，其中，水平矩形天线单元的长度W为45-50毫米，宽度LS为10-14毫米，竖直矩形天线单元的长度L为65-75毫米，宽度WS为15-19毫米；其中，竖直矩形天线单元位于水平矩形天线单元的中点处。
6.根据权利要求1所述的一种移动通信频段印刷单极子天线，其特征在于：所述的锥型微带线辐射单元(4)为对称设置的凹字形结构，其由中线均分为两个半边，该半边包括水平相互平行设置的ZA边和ZB边，竖直相互平行设置的ZC边和ZD边，其中，ZB边通过ZE边与ZD边相连，ZA边依次通过ZF边、ZG边与ZD边相连，其中，ZA边的长度为8-12毫米，ZB边的长度为6-8毫米，ZC边的长度为1.5到3.5毫米，ZD边的长度为20-30毫米，ZE边的长度为20-30毫米，ZF边的长度为25-35毫米，ZG边的长度为10-20毫米；其中，ZF边与ZG边的夹角∠A＝65.4°，ZG边与ZD边的夹角∠B＝133°，ZD边与ZE边的夹角∠C＝109°，ZB边与ZE边的夹角∠D＝70°，ZC边与ZF边的夹角∠E＝160°。
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