CN103346393B - 一种应用于移动终端的含有凸出地板的多频平面印制天线 - Google Patents
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Abstract
一种应用于移动终端的含有突出地板的多频平面印制天线，属于移动终端天线技术领域，其特征在于，利用激励分枝和寄生地枝两个谐振结构，对激励起的各谐振模式进行选择、组合获得宽频、多频特性，采用同轴探针馈电方式提高测试结果的可靠性，通过加载调节片进行阻抗匹配，并通过采用突出地板结构，在保证可接受的天线性能的情况下，为可能需要安置的摄像头、扬声器、数据接口、电源及耳机插口等电子设备提供了放置空间。该款天线占据的电路板上的净空区面积仅为15mm×28.3mm，其-6dB阻抗带宽能够有效覆盖GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE2300、2.4-GHz WLAN、LTE2500等工作频段。
Description
技术领域
本发明属于小型多频天线设计领域，涉及一种应用于移动终端的印制在双层PCB板上的含有凸出地板的多频平面天线。
背景技术
伴随着移动通信的迅猛发展，移动终端要求具备更丰富的业务功能和更优美的外观设计，同时，要实现全球漫游，需要满足不同地区不同通信协议的频段需求，因此，应用于移动终端的天线需要在尺寸受限的情况下，覆盖尽可能多的通信频段。已有的WWAN(Wireless WideArea Network)系统要求天线覆盖GSM850(824－894MHz)、GSM900(880－960MHz)、DCS(17101－880MHz)、PCS(1850－1990MHz)、UMTS(1920－2170MHz)等通信频段。要实现泛在无线互联网接入，天线还需要覆盖WLAN(Wireless Local Area Network)频段。相比于WWAN系统，LTE(Long Term Evolution)系统具有更高的数据速率和频谱效率，因此LTE技术能够提供比WWAN系统更好的宽带多媒体服务。要求覆盖LTE/WWAN工作频段的设计需求对应用于移动终端的多频天线设计提出了巨大挑战，并已经吸引大量学者的关注和研究。
目前，对于应用于移动终端的天线，要实现多频、宽频工作特性，主要通过对主辐射单元附加寄生单元来激励新的工作模式以增加谐振频段，或者利用环天线等的多模谐振特性，通过优化天线结构，对各可用模式进行选择、组合，来实现工作带宽的拓展。此外，可重构天线可以通过开关切换选择不同的工作模式，以实现对工作频率的调节，从而获得天线工作带宽的多频覆盖能力。然而，应用于移动终端的环天线一般要占据电路板的整个上边沿或下边沿，这给终端设备的数据接口、电源与耳机插口等的设计造成不便。可重构技术虽然能够为天线的频率覆盖提供选择自由度，但需要为开关切换设计偏置电路，由此引入的贴片电容、电感等集总元件以及开关元件本身都会不可避免地使天线系统的损耗增加，从而使天线效率降低。
已于2013年4月10日提交申请的，申请号为201310122067.8的发明专利提出了一款兼顾净空区面积和多频段覆盖的移动终端用平面印制天线，实现了LTE700(704-787MHz)、GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE2300、LTE2500等频段的有效覆盖。该天线占据的电路板面积为20×28mm2，剩余面积为20×32mm2的净空区未利用。若在剩余的净空区内安放电子设备，尤其是包含金属部分的电子器件，天线的性能不可避免地会有一定的恶化。为了能够减弱这种影响，同时在尽可能小的天线占用面积的前提下实现较宽的带宽覆盖，本发明提出了联合应用激励分枝和寄生分枝并带有凸出地板的紧凑设计结构。本发明在设计中采用带有凸出地板结构，在保证可接受的天线性能的情况下，能够为可能需要的电子设备，如数码摄像头、扬声器、数据接口、电源及耳机插口等，预留安放所需的空间。该款天线占据的电路板上的净空区面积仅为15×28.3mm2，其实测-6dB阻抗带宽在低频段达到197MHz(775-972MHz)，在高频段达到1230MHz(1699-2929MHz)，能够有效覆盖GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE2300(2300－2400MHz)、2.4-GHz WLAN(2400－2484MHz)、LTE2500(2500－2690MHz)等工作频段。
发明内容
本发明针对下一代宽带移动通信对移动终端天线的小型化和多频段覆盖需求，同时考虑了含有金属部分的电子元件对天线性能的影响，设计了一款含有凸出地板的多频平面印制天线。该天线占用的净空区面积仅为15mm×28.3mm，同时兼顾了包括GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、2.4-GHz WLAN、LTE2300、LTE2500等频段在内的多频段覆盖。
本发明的特征在于，含有：介质板、主地板、凸出地板、馈线、激励分枝和寄生地枝，其中：
介质板，尺寸为115mm×60mm×0.8mm；
主地板位于所述介质板背面的下方，尺寸为100mm×60mm，用来模拟电路板中的电路部分；
凸出地板印制在所述介质板的背面，位于所述主地板的主体上的右上方，并与所述主地板相连，尺寸为15mm×31.7mm，可以用来安放可能需要的电子设备，如数码摄像头、扬声器、数据接口、电源及耳机插口等；
馈线，使用特征阻抗为50Ω的同轴线，采用同轴探针方式，对天线单元进行馈电，所述同轴线包括外导体和内导体，内、外导体之间隔有绝缘介质，所述同轴线外导体的柱面焊接在所述主地板上，所述同轴线内导体通过非沉铜孔，在位于所述介质板正面的相对于所述主地板上边沿偏左位置的馈电点处与激励分枝相连，所述同轴线的另一端与位于所述介质板的右长边的侧面上的射频同轴接头相连，这里未采用微带馈电方式，是因为所述馈电点靠近所述介质板的左侧长边，若采用微带馈电方式，所述馈线竖直部分将临近所述介质板左侧长边，并在所述主地板左侧边沿附近的强电流分布作用下激励起高次模式，所述馈线不能再看作是传播准TEM波的理想50Ω微带线，进而影响测试结果的可靠性；
激励分枝，包括折叠单极子分枝和矩形调节片，其中：
折叠单极子分枝，印制在所述介质板正面，且其在介质板背面的投影不与主地板、凸出地板重合，自下而上地由呈形结构的第一倒L形分枝部分、第一竖直分枝部分和正写的S形分枝部分依次首尾连接组成，其中所述第一倒L形分枝部分的垂直部分的未与水平部分连接的端部通过所述馈电点与所述馈线相连，所述第一倒L形分枝部分的竖直部分的宽度设置为1.5mm，所述S形分枝部分由第一水平部分、第一竖直部分、第二水平部分、第二竖直部分和第三水平部分自上而下地依次首尾相接组成，所述S形分枝部分位处末端的第三水平部分整体的宽度为2mm，以使在高、低频段同时获得最佳的带宽性能，所述第一倒L形分枝部分的其余部分的宽度和所述S形分枝部分的其余部分的宽度均为0.5mm，所述第一竖直分枝部分将所述第一倒L形分枝部分和所述S形分枝部分相连，其宽度为0.5mm，
矩形调节片水平地连接在所述第一倒L形分枝部分的水平金属带的下侧，尺寸为1mm×8.5mm；
寄生地枝位于所述介质板的背面，印制在所述主地板的上方，所述凸出地板的左侧，并与所述矩形调节片隔着所述介质板相交叠，在交叠部分偏右位置的接地点处与所述主地板相连，包括呈形结构的第二倒L形分枝部分、第二竖直分枝部分、呈形结构的U形分枝部分、第三竖直分枝部分和呈形结构的第三倒L形分枝部分，这五部分自下而上顺次相连，其中：
所述第二倒L形分枝部分、所述第三竖直分枝部分和所述第三倒L形分枝部分的金属带宽度均为0.5mm，
所述第二竖直分枝部分和所述U形分枝部分的金属带宽度需要根据带内匹配要求选取最优值，设计中分别设定为1mm和0.3mm。
本发明兼顾了下一代宽度移动通信对移动终端天线的小型化和多频段覆盖要求，采用平面结构，降低了加工制作成本，同时，通过采用凸出地板结构，在保证可接受的天线性能的情况下，为可能需要安置的摄像头、扬声器、数据接口、电源及耳机插口等电子设备提供了放置空间。
附图说明
图1为本发明提供的一种应用于移动终端的含有凸出地板的多频平面印制天线的结构图(介质板正面金属用黑色表示，介质板背面金属用纵线条纹表示)。
图2为图1所示平面印制天线的详细功能结构图(介质板正面金属边沿用实线表示，介质板背面金属边沿用虚线表示)。
图3为图1所示平面印制天线的正视图的实施尺寸图(介质板正面金属用黑色表示，介质板背面金属用纵线条纹表示)，单位均为毫米(mm)。
图4为图1所示平面印制天线的后视图的实施尺寸图(介质板正面金属用黑色表示，介质板背面金属用纵线条纹表示，同轴线用网格线表示)，单位均为毫米(mm)。
图5为图1所示平面印制天线的侧视图的实施尺寸图，单位均为毫米(mm)。
图6为图1—图5所示实施实例中的平面印制天线的回波损耗测量图(S11)。
图7为图1—图5所示实施实例中的平面印制天线工作在860MHz时的实测辐射方向图：7(a)X-Y平面；7(b)X-Z平面；7(c)Y-Z平面(——：θ分量功率增益方向图；--：分量功率增益方向图)。
图8为图1—图5所示实施实例中的平面印制天线工作在920MHz时的实测辐射方向图：8(a)X-Y平面；8(b)X-Z平面；8(c)Y-Z平面(——：θ分量功率增益方向图；--：分量功率增益方向图)。
图9为图1—图5所示实施实例中的平面印制天线工作在1940MHz时的实测辐射方向图：9(a)X-Y平面；9(b)X-Z平面；9(c)Y-Z平面(——：θ分量功率增益方向图；--：分量功率增益方向图)。
图10为图1—图5所示实施实例中的平面印制天线工作在2350MHz时的实测辐射方向图：10(a)X-Y平面；10(b)X-Z平面；10(c)Y-Z平面(——：θ分量功率增益方向图；--：分量功率增益方向图)。
图11为图1—图5所示实施实例中的平面印制天线工作在2600MHz时的实测辐射方向图：11(a)X-Y平面；11(b)X-Z平面；11(c)Y-Z平面(——：θ分量功率增益方向图；--：分量功率增益方向图)。
附图中的标示说明如下：
0为介质板；1为印制在介质板背面的主地板；2为印制在介质板背面的凸出地板；3为印制在介质板正面的激励分枝；31为激励分枝结构中与馈电点相连的第一倒L形分枝部分；32为激励分枝结构中的第一竖直分枝部分；33为激励分枝结构中的S形分枝部分；34为激励分枝结构中的用于进行阻抗匹配的矩形调节片；4为印制在介质板背面的寄生地枝；41为寄生地枝结构中的与接地点相连的第二倒L形分枝部分；42为寄生地枝结构中的第二竖直分枝部分；43为寄生地枝结构中的U形分枝部分；44为寄生地枝结构中的第三竖直分枝部分；45为寄生地枝结构中的第三倒L形分枝部分；5为射频同轴接头；6为作为馈线的同轴线；7为用来将同轴线内导体引到介质板上表面的非沉铜孔；8为馈电点；9为接地点。
具体实施方式
本发明提供了一种应用于移动终端含有凸出地板的多频平面印制天线，具体实施方案如下：
采用双层印制电路板工艺将该平面印制天线各部分结构印制在一块介质板0上。印制在介质板0背面偏下位置的主地板1用来模拟电路板中的电路部分。印制在介质板0的背面，位于主地板1的右上方并与主地板1相连的凸出地板2，为可能需要的电子设备，如数码摄像头、扬声器、数据接口、电源及耳机插口等提供了安放空间。天线主体部分由印制在介质板0正面的激励分枝3和印制在介质板0背面的寄生地枝4组成。天线的低频段工作带宽内包括两个谐振点：第一和第二谐振点，高频段工作带宽内包括四个谐振点：第三、第四、第五和第六谐振点。在低频段，当天线工作在第一谐振点的谐振频率时，寄生地枝4上被激励起的四分之一波长谐振模式对辐射场起主导作用；当天线工作在第二谐振点的谐振频率时，激励分枝3上被激励起的四分之一波长谐振模式对辐射场起主导作用。在高频段，当天线工作在第三谐振点的谐振频率时，激励分枝3和寄生分枝4上均激励起四分之三波长谐振模式；当天线工作在第四谐振点的谐振频率时，激励分枝3和寄生分枝4上分别激励起四分之三波长谐振模式和四分之五波长谐振模式；当天线工作在第五谐振点的谐振频率时，激励分枝3和寄生分枝4上分别激励起四分之三波长谐振模式和四分之七波长谐振模式；当天线工作在第六谐振点的谐振频率时，激励分枝3和寄生分枝4上分别激励起四分之五波长谐振模式和四分之七波长谐振模式。激励分枝3包括与馈电点8相连的第一倒L形分枝部分31、第一竖直分枝部分32、S形分枝部分33以及矩形调节片34。通过改变S形分枝部分末端金属片的尺寸可以实现对第二谐振点的谐振频率的调节，而不会对第一谐振点的谐振频率产生较大影响，同时可以对高频段工作频带的带宽和匹配特性产生一定影响。合理选择矩形调节片34的位置和尺寸，可以对高频段工作频带的匹配特性进行优化，同时不会对低频段工作频带的带宽性能产生显著影响。寄生地枝4包括与接地点9相连的第二倒L形分枝部分41、第二竖直分枝部分42、U形分枝部分43、第三竖直分枝部分44及第三倒L形分枝部分45。改变与接地点9相连的第二倒L形分枝部分41在y方向上的长度，即对于接地点9选择不同的位置，可以调节除第二谐振点外的各谐振点的谐振频率，并对高频段工作频带的匹配性能产生显著影响。对于第二竖直分枝部分42，选择不同的宽度，可以同时对高、低频段工作频带的匹配性能进行调节。为了简化设计，第二竖直分枝部分42与凸出地板2的间距，和第三竖直分枝部分44与凸出地板2的间距保持一致。减小该间距的尺寸，可以拉低各谐振点的谐振频率。对于U形分枝部分43，选择不同的宽度，可以在不影响高频段工作频带带宽性能的情况下，通过改变第一谐振点的谐振频率，实现对低频段工作频带带宽性能的调节。通过改变第三倒L形分枝部分45的末端金属带的长度可以实现对第一谐振点的谐振频率的调节，而不会对第二谐振点的谐振频率产生较大影响，同时可以对高频段工作频带内除第六谐振点外的各谐振点的谐振频率和匹配特性产生一定影响。综合各结构参数对天线带宽性能的影响，并进行联合优化，可以获得能够覆盖GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE2300、2.4-GHz WLAN和LTE2500等频段的天线结构。
馈电方式采用同轴探针馈电。通过非沉铜孔7将同轴线6的内导体引到介质板0上表面，并在馈电点8处与激励分枝3相连。同轴线6的另一端与位于介质板的右长边的侧面上的射频同轴接头5相连。
为了验证本发明方案的有效性，下面给出具体实例进行说明。
在本实施实例中，选用相对介电常数为4.4、损耗角正切为0.02、厚度为0.8mm的FR4介质基板，平面印制天线各部分结构的尺寸如图3－图5所示，各图中所有尺寸的单位均为毫米(mm)。
以图3－图5所示尺寸制作的平面印制天线的回波损耗(S11)的实测结果如图6所示。由图6可知，该平面印制天线的-6dB阻抗带宽在低频段达到197MHz(775－972MHz)，在高频段达到1230MHz(1699－2929MHz)，可以有效覆盖GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE2300、2.4-GHz WLAN和LTE2500等多个频带。图7－图11给出了实施实例中平面印制天线分别工作在860MHz、920MHz、1940MHz、2350MHz和2600MHz时的X-Y平面、X-Z平面、Y-Z平面的实测辐射方向图。由图7－图11可知，实施实例中平面印制天线的辐射方向图在低频段(860MHz、920MHz)为典型的偶极子辐射方向图形式，在高频段(1940MHz、2350MHz和2600MHz)具有一定的方向性，且分别在高、低频段内保持相似的方向图形状。当实施实例中平面印制天线分别工作在860MHz、920MHz、1940MHz、2350MHz和2600MHz时，天线在三个主平面(X-Y平面、X-Z平面和Y-Z平面)上的最大增益测试结果分别达到0.34dBi、0.20dBi、2.11dBi、3.06dBi和4.84dBi，满足移动通信系统对用于移动终端的小型多频天线的设计需求。
Claims (1)
1.一种应用于移动终端的含有凸出地板(2)的多频平面印制天线，其特征在于，含有：介质板(0)、主地板(1)、凸出地板(2)、馈线、激励分枝(3)和寄生地枝(4)，其中：
介质板(0)，尺寸为115mm×60mm×0.8mm；
主地板(1)印制在所述介质板(0)背面的下方，尺寸为100mm×60mm，用来模拟电路板中的电路部分；
凸出地板(2)印制在所述介质板(0)的背面，位于所述主地板(1)的主体上的右上方，并与所述主地板(1)相连，尺寸为15mm×31.7mm，构成移动终端用电子部件的留置空间；
馈线，使用特征阻抗为50Ω的同轴线(6)，采用同轴探针方式，对天线单元进行馈电，所述同轴线(6)包括外导体和内导体，内、外导体之间隔有绝缘介质，所述同轴线(6)外导体的柱面焊接在所述主地板(1)上，所述同轴线(6)内导体通过非沉铜孔(7)，在位于所述介质板(0)正面的相对于所述主地板(1)上边沿偏左位置的馈电点(8)处与激励分枝(3)相连，所述同轴线(6)的另一端与位于所述介质板(0)的右长边的侧面上的射频同轴接头(5)相连；
激励分枝(3)，包括折叠单极子分枝和矩形调节片(34)，其中：
折叠单极子分枝，印制在所述介质板(0)正面，且其在介质板(0)背面的投影不与主地板(1)、凸出地板(2)重合，自下而上地由呈形结构的第一倒L形分枝部分(31)、第一竖直分枝部分(32)和正写的S形分枝部分(33)依次首尾连接组成，其中所述第一倒L形分枝部分(31)的垂直部分的未与水平部分连接的端部通过所述馈电点(8)与所述馈线相连，所述第一倒L形分枝部分(31)的竖直部分的宽度设置为1.5mm，所述S形分枝部分(33)由第一水平部分、第一竖直部分、第二水平部分、第二竖直部分和第三水平部分自上而下地依次首尾相接组成，所述S形分枝部分(33)位处末端的第三水平部分整体的宽度为2mm，以使在高、低频段同时获得最佳的带宽性能，所述第一倒L形分枝部分(31)的其余部分的宽度和所述S形分枝部分(33)的其余部分的宽度均为0.5mm，所述第一竖直分枝部分(32)将所述第一倒L形分枝部分(31)和所述S形分枝部分(33)相连，其宽度为0.5mm，
矩形调节片(34)水平地连接在所述第一倒L形分枝部分(31)的水平金属带的下侧，尺寸为1mm×8.5mm；
寄生地枝(4)位于所述介质板(0)的背面，印制在所述主地板(1)的上方，所述凸出地板(2)的左侧，并与所述矩形调节片(34)隔着所述介质板(0)相交叠，在交叠部分偏右位置的接地点(9)处与所述主地板(1)相连，包括呈形结构的第二倒L形分枝部分(41)、第二竖直分枝部分(42)、呈形结构的U形分枝部分(43)、第三竖直分枝部分(44)和呈形结构的第三倒L形分枝部分(45)，这五部分自下而上顺次相连，其中：
所述第二倒L形分枝部分(41)、所述第三竖直分枝部分(44)和所述第三倒L形分枝部分(45)的金属带宽度均为0.5mm，
所述第二竖直分枝部分(42)和所述U形分枝部分(43)的金属带宽度需要根据带内匹配要求选取最优值，设计中分别设定为1mm和0.3mm。
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