CN105305058A - 一种具有三频段陷波特性的超宽带多入多出天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有三频段陷波特性的超宽带多入多出天线，包括介质基板，所述介质基板的正面印制两个矩形辐射单元，所述两个矩形辐射单元关于介质基板中线对称，所述介质基板背面印制地板，每个矩形辐射单元开有倒U形槽，还包括两条输入端馈线，所述矩形辐射单元与输入端馈线连接，每条输入端馈线两侧均设有寄生条，包括内侧寄生条及外侧寄生条。本发明适用于包括手机在内的各类小型移动终端。

Description

一种具有三频段陷波特性的超宽带多入多出天线

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种具有三频段陷波特性的超宽带多入多出天线。

背景技术

随着现代无线通信技术的迅速发展，通信系统对天线的要求越来越高，设计具有多个频带陷波特性的超宽带多入多出天线是近年来研究的热点。多入多出Multiple-input-multiple-output(MIMO)技术，因为能够大幅度增加信道容量，而且不需要额外的增加频谱范围和输入功率，日益成为天线设计新的重要研究方向。超宽带ultra-wideband(UWB)是一种具有很宽频带，应用于大容量、高数据传输速率的无线便携式设备中的通信技术。为了进一步更大幅度的增加信道容量，近些年来，MIMO技术逐渐引入到超宽带天线的设计中来。考虑到工作在不同频段的系统间会存在干扰的问题，设计具有在多个频带都具有陷波特性的超宽带MIMO天线是当今的研究趋势。比如，工作在超宽带频段3.1GHz-10.6GHz，同时能够滤除无线局域网wirelesslocalareanetwork(WLAN)的5.15GHz-5.35GHz,5.725GHz-5.825GHz和卫星通信系统的C频带3.7GHz-4.2GHz的天线。随着高速集成电路的快速发展，系统设备向一体化，小型化，集成化不断迈进，作为无线电子设备的终端，现代电子设备对天线提出了小型化、易于集成的要求。

小型化的多陷波超宽带MIMO天线是一种常用的能有效滤除多个干扰频段的阵列天线。传统的超宽带MIMO天线陷波的实现方法主要有三种：一是在辐射贴片或者地板上开槽作为谐振器，二是在辐射贴片或者地板上延伸出特殊结构作为谐振器，三是在辐射贴片或者地板周围放置寄生的特殊结构作为谐振器。这些谐振器能够在特定的频率形成谐振从而达到在特点频段少向外辐射能量的目的。

传统的具有陷波特性的超宽带多入多出天线，由于尺寸的限制，只能实现一个或两个陷波频带。而且一个突出的缺陷是陷波频带过宽，从而使有用的频段被滤除，浪费了一定的可用频率。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种具有三频段陷波特性的超宽带多入多出天线。

本发明采用传统的微带线馈电方法，利用多个新的谐振器进而实现多个较窄的陷波频带，并通过设计一个宽度渐增的地板延伸枝节来提高全频段的馈电端口间隔离度，得到一种新型的具有多频段陷波特性的超宽带多入多出天线。尺寸紧凑，结构简单，加工制造成本低，工程实用性高。

本发明采用如下技术方案：

一种具有三频段陷波特性的超宽带多入多出天线，包括介质基板，所述介质基板的正面印制两个矩形辐射单元，所述两个矩形辐射单元关于介质基板中线对称，所述介质基板背面印制地板，每个矩形辐射单元内开有倒U形槽，还包括两条输入端馈线，所述矩形辐射单元与输入端馈线连接，每条输入端馈线两侧均设有寄生条，包括内侧寄生条及外侧寄生条。

所述地板的中轴线设有宽度渐增的地板延伸枝节，所述宽度渐增的地板延伸枝节与地板连接。

所述倒U形槽具体位于矩形辐射单元的中间，且沿着矩形辐射单元的边缘进行开槽。

所述倒U形槽的总长度为25.6mm。

所述输入端馈线为特征阻抗50欧姆的微带线。

所述内侧寄生条长度为16.0mm，所述外侧寄生条长度为17.4mm。

所述两条输入端馈线关于介质基板中线对称。

所述内、外侧寄生条均为C形寄生条。

本发明的有益效果：

(1)用平面的结构完全覆盖了超宽带频段，3.1GHz-10.6GHz，同时能够有效地滤除三个干扰频段：无线局域网wirelesslocalareanetwork(WLAN)的5.15GHz-5.35GHz,5.725GHz-5.825GHz和卫星通信系统的C频带3.7GHz-4.2GHz。最重要的是，由于陷波频带极窄，使得5.35GHz-5.725GHz的可用频率节省出来，可以得到有效利用。

(2)整个天线的平面尺寸，包含地板为30mm×26mm，占用的尺寸极其小，而且可用平面印刷工艺和低成本的FR4板材，降低了制造成本。

(3)天线的结构简单，调试方便，工作模式清晰，而且各个陷波频段内的模式可独立灵活的调节，从而用于滤除其他干扰频率。

附图说明

图1是本发明一种具有三频段陷波特性的超宽带多入多出天线的结构示意图；

图2是图1的俯视结构图；

图3是图1的仰视结构图；

图4是图1的侧视结构图；

图5为本发明实施仿真的回波损耗与频率关系图。

图6为本发明实施例仿真的端口间隔离度与频率关系图。

图7为本发明实施仿真的增益图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例中把靠近介质基板中线一侧称为内侧，未靠近介质基板中线一侧成为外侧。

如图1所示，一种具有三频段陷波特性的超宽带多入多出天线，包括介质基板，所述介质基板正面印制两个矩形辐射单元1、2，所述两个矩形辐射单元关于介质基板中轴线对称，所述介质基板背面印制地板9，本实施例中地板为矩形，两个矩形辐射单元1、2相当于两个单极子天线，用来形成宽度覆盖3.1-10.6GHz的工作频带。

所述每个矩形辐射单元内开有倒U形槽，所述倒U形槽位于矩形辐射单元的中间位置，所述倒U形槽沿着矩形单元边缘开槽，本实施例中倒U形槽的长度都为25.6mm，相当于半波长模式谐振于卫星通信系统C频带的4.0GHz附近，能够有效地滤除干扰频段：卫星通信系统的C频带3.7GHz-4.2GHz；

本发明还包括两条输入端馈线3、4，所述两条输入端馈线关于介质基板中线对称，两个矩形辐射单元分别与两条输入端馈线连接，每条输入端馈线两侧均设有寄生条，两侧的寄生条关于输入端馈线对称，内侧和外侧寄生条分别相当于半波长模式谐振于WLAN5.2GHz和WLAN5.8GHz附近，能够有效地滤除干扰频段无线局域网wirelesslocalareanetwork(WLAN)的5.15GHz-5.35GHz和5.725-5.825GHz。

所述内、外侧寄生条均为C形寄生条，具体是类似方形的C形，滤除效果最好。

本实施例中每条输入端馈线均有内侧寄生条及外侧寄生条，所述内、外侧寄生条关于输入端馈线对称，内侧寄生条7、8长度为16mm，相当于半波长模式谐振于WLAN5.8GHz附近；外侧寄生条5、6的长度为17.4mm，相当于半波长模式谐振于WLAN5.2GHz附近。

所述地板的中轴线设有宽度渐增的地板延伸枝节10，所述宽度渐增的地板延伸枝节10与地板9连接，地板延伸枝节的宽度逐渐增大来调节整个超宽带频带的隔离度。

所述输入端馈线3、4为特征阻抗50欧姆的微带线。

如图2、图3及图4所示，本实施例的具体尺寸如下：

介质基板的厚度H＝0.8,介质基板的横向宽度W＝30,地板的延伸枝节自下往上的第一部分的横向宽度W_G2＝3,地板延伸枝节自下往上的第二部分的横向宽度W_G3＝4.2,地板延伸枝节自下往上的第三部分的横向宽度W_G4＝8.8，矩形辐射单元的横向宽度W_r＝9.8，矩形辐射单元内倒U形槽的横向宽度W_r1＝8,矩形辐射单元内倒U形槽的开口处的横向宽度W_r2＝0.4，输入端馈线两侧寄生条的纵向长度W_C1＝8，输入端馈线外侧寄生条的开口处的纵向长度W_C2＝0.6，内侧寄生条的开口处纵向长度W_C3＝2，馈线内侧边缘到矩形辐射单元内侧边缘的横向间距W_S1＝3.5，馈线外侧边缘到矩形辐射单元外侧边缘的横向间距W_S2＝4.7，介质基板的纵向长度L＝26，地板矩形部分的纵向长度L_G1＝11.7,地板延伸枝节自下往上的第一部分的纵向长度L_G2＝6.8,地板延伸枝节自下往上的第二部分的纵向长度L_G3＝6.5,地板延伸枝节自下往上的第三部分的纵向长度L_G4＝1,，馈线的纵向长度L_f＝12.5，矩形辐射单元的纵向长度L_r＝8,矩形辐射单元内倒U形槽的下边缘与矩形辐射单元的下边缘的间距h_r1＝1,矩形辐射单元内倒U形槽的纵向长度h_r2＝6,馈线两侧寄生条的下边缘到介质板下边缘的距离h_C1＝2.5,馈线两侧寄生条的横向宽度h_C2＝2,矩形辐射单元内倒U形槽的槽宽度g_r＝0.5,馈线两侧寄生条的条宽度g_C1＝0.5,馈线两侧寄生条到馈线的横向间距g_C2＝0.4,馈线横向的外侧边缘到介质板外侧边缘的间距d_f＝4.9。

本发明实现超宽带频段(3.1GHz-10.6GHz)的覆盖。两个矩形辐射单元相当于两个单极子天线，相比只能产生单一谐振频率的长度较大的枝节线，结构较小的矩形辐射单元能够在3.1GHz-10.6GHz频率范围内产生多个谐振模式，从而覆盖3.1-10.6GHz的整个工作频带。而且相比枝节线中需要做蜿蜒结构的折叠处理，矩形辐射单元的加工精度要求较低，易于制造实现。同时利用矩形的长度和宽度两个较少的参数，可较灵活地调节超宽带频段(3.1GHz-10.6GHz)内的多个谐振模式，从而实现频率的准确完全覆盖。

其次是实现三个独立可调的陷波频带，从而有效地滤除三个干扰频段：无线局域网wirelesslocalareanetwork(WLAN)的5.15GHz-5.35GHz,5.725GHz-5.825GHz和卫星通信系统的C频带3.7GHz-4.2GHz。一是，在矩形辐射单元的正中间开总长度都为25.6mm倒U形槽，倒U形槽的长度相当于半波长模式谐振于卫星通信系统C频带的4.0GHz附近；二是，在两条输入端馈线的外侧添加寄生条，总长度都为17.4mm，其相当于半波长模式谐振于WLAN5.2GHz附近；三是，在两条输入端馈线的内侧添加寄生条，总长度都为16.0mm，其相当于半波长模式谐振于WLAN5.8GHz附近。这三个谐振器的添加可以有效滤除干扰频率。

再次是实现高的端口间隔离度。通过在介质板的背面正中间延伸出宽度渐增的地板延伸枝节10，可以使一个端口产生的辐射方向图被反射，同时利用该枝节10产生新的谐振模式来调节隔离度，进而使得两个端口间的隔离度降低至-20dB以下，有效的实现了不同端口间的相互干扰最小化。

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。

图2至图4给出了实施实例在俯视、仰视和侧视等不同角度下的尺寸图，各图中所有尺寸的单位均为毫米(mm)。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，基板的平面尺寸为30mm×26mm。地板的平面矩形部分的尺寸为30mm×11.7mm。矩形辐射单元位于介质基板的一侧，占用的平面尺寸为8mm×9.8mm。信号输入端馈线为特征阻抗50欧姆的微带线。在实际实施中，可适当延长至电路中射频馈线部分，也可在主地板上开孔，用50欧姆的同轴线直接馈电。同轴线的内导体与激励单元相连，外导体与主地板相连。

以上述图2、图3和图4所示尺寸制作的天线仿真的反射系数的结果如图5所示。由图可知，该平面印刷天线在超宽带频段有3.1GHz-10.6GHz频率范围内产生多个谐振点，形成的-10dB带宽为3GHz-11.2GHz，完全覆盖了超宽带频段有3.1GHz-10.6GHz频率范围内的所有可用频段。同时有效地滤除三个干扰频段：无线局域网wirelesslocalareanetwork(WLAN)的5.15GHz-5.35GHz,5.725GHz-5.825GHz和卫星通信系统的C频带3.7GHz-4.2GHz。

以上述3个图形所示尺寸制作的天线仿真的端口间隔离度的结果如图6所示。在整个超宽带频段3.1GHz-10.6GHz频率范围内，端口间的隔离度都低于-21dB，完全满足实际需要。(实际上只需要-15dB的隔离度即可满足实际应用的需要)。这得益于介质板的背面正中间延伸出宽度渐增的地板延伸枝节10产生的电磁反射作用和枝节10产生的新谐振模式。

以上述3个图形所示尺寸制作的天线仿真的增益如图7所示。天线增益在在2-4dBi之间波动，在3.2/5.5/8GHz三个陷波频带剧烈减少。实现了滤除不同系统间的干扰频率的目标。

从上述技术方案可见，本发明所述的天线在30mm×26mm的平面空间内实现了超宽带频段(3.1GHz-10.6GHz)的覆盖和三个独立可调的陷波频带，而且端口间有高隔离度，满足移动通信系统对用于移动终端天线的设计需求。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有三频段陷波特性的超宽带多入多出天线，其特征在于，包括介质基板，所述介质基板的正面印制两个矩形辐射单元，所述两个矩形辐射单元关于介质基板中线对称，所述介质基板背面印制地板，每个矩形辐射单元内开有倒U形槽，还包括两条输入端馈线，所述矩形辐射单元与输入端馈线连接，每条输入端馈线两侧均设有寄生条，包括内侧寄生条及外侧寄生条。

2.根据权利要求1所述的超宽带多入多出天线，其特征在于，所述地板的中轴线设有宽度渐增的地板延伸枝节，所述宽度渐增的地板延伸枝节与地板连接。

3.根据权利要求1所述的超宽带多入多出天线，其特征在于，所述倒U形槽具体位于矩形辐射单元的中间，且沿着矩形辐射单元的边缘进行开槽。

4.根据权利要求3所述的超宽带多入多出天线，其特征在于，所述倒U形槽的总长度为25.6mm。

5.根据权利要求1所述的超宽带多入多出天线，其特征在于，所述输入端馈线为特征阻抗50欧姆的微带线。

6.根据权利要求1所述的超宽带多入多出天线，其特征在于，所述内侧寄生条长度为16.0mm，所述外侧寄生条长度为17.4mm。

7.根据权利要求1所述的超宽带多入多出天线，其特征在于，所述两条输入端馈线关于介质基板中线对称。

8.根据权利要求1所述的超宽带多入多出天线，其特征在于，所述内、外侧寄生条均为C形寄生条。