覆盖2G、3G、4G移动通信频段的多频宽带小型化微带天线的制作方法

本实用新型涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种覆盖2G、3G、4G移动通信频段的多频宽带小型化微带天线。

背景技术：

随着新技术的不断涌现，无线通信技术在全球范围内迅猛发展。国内商用系统先后经历了模拟、语音蜂窝电话为主的第一代移动通信；以GSM、IS-95制式为代表的第二代数字移动通信和随后采用WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000制式的第三代移动通信；到目前以TD-LTE和FDD-LTE为代表的第四代移动通信技术。为实现移动设备之间进行便捷数据交换，出现了包括蓝牙(Bluetooth)技术、无线局域网(WLAN)等短距通信传输系统。公交系统、私人汽车等移动载体往往需要在一个设备中加载多个天线，这样不但会加剧天线之间的耦合效应，同时会占据更多的宝贵空间，为了解决这些问题，小型化、多频一体化天线的研究成为近年来许多学者研究的热点。

如果不限定微带天线的体积，做到移动通信全频段覆盖并不难。但是如果限定天线尺寸，要实现移动通信全频段覆盖则非常困难。这是由于，天线辐射结构的尺寸总长度与其工作波长成比例关系，为保证低频范围内的有效辐射需要保证天线具备足够大的电尺寸。而此处，天线的总体长度需要保持在110mm范围内，天线总长仅为低频(800MHz)工作波长的三分之一。为同时满足整个通信频段的有效辐射，天线高频跨度需达到三个倍频程多。天线频段跨度大，势必会对天线各频段的阻抗匹配性能提出更高要求。而目前的微带贴片天线显然很难同时满足尺寸和频段跨度两个要求。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种覆盖2G、3G、4G移动通信频段的多频宽带小型化微带天线及其参数设计方法。

首先，为实现上述目的，提出一种多频宽带微带天线，包括金属地、介质基片、馈电微带线、微带连接结构以及辐射结构，所述金属地设置于所述介质基片的一面，所述介质基片的另一面依次设置所述馈电微带线、微带连接结构以及辐射结构，其特征在于，所述金属地在靠近辐射方向的一端设有U形槽，所述U形槽的长度和底部宽度根据所述多频宽带微带天线在谐振频段内的阻抗确定。所述馈电微带线的尺寸在天线工作频段满足输入阻抗50欧姆。

进一步，上述微带天线中，所述金属地的长度短于自所述馈电微带线输入端至所述微带连接结构输出端的总长；所述金属地的宽度与所述介质基片的宽度相等。由此，金属地与辐射结构之间形成电容。通过调节所述U形槽的长度和底部宽度，调节该电容的具体参数，使天线在更宽的频段内谐振，从而调整天线的阻抗带宽。

进一步，上述微带天线中，所述微带连接结构包括微带阻抗变换线，所述微带阻抗变换线的输入端作为所述微带连接结构的输入端，所述微带阻抗变换线的输入端宽度依据匹配段阻抗值确定，所述匹配段阻抗值其中，Z_L为所述微带阻抗变换线的输出端负载等效阻抗；所述微带阻抗变换线的输出端宽度采用与所述辐射结构的输入端宽度相等。即，可以采用等宽阻抗变换，也可以采用变宽阻抗变换(微带渐变)；所述微带阻抗变换线的长度约为高频中心频率(1.9GHz)的四分之一工作波长。

进一步，为压缩上述微带天线的尺寸，所述微带连接结构还包括微带弯折线(2)；所述微带弯折线(2)的宽度与所述馈电微带线(1)宽度相等；

所述微带弯折线(2)的输入端作为所述微带连接结构的输入端，连接所述馈电微带线(1)的输出端；所述微带弯折线(2)的输出端连接所述微带阻抗变换线(4)的输入端，所述微带弯折线(2)的弯折长度(即全部弯折部分拉直后的整体长度)为低频(0.8GHz)工作波长的1/4。

上述微带天线中，所述微带阻抗变换线与所述微带弯折线之间的连接部位，存在微带结构宽度上的跳变。

具体而言，上述微带天线中，所述辐射结构选用梯形结构，所述辐射结构的宽边设置于靠近辐射方向的一端，辐射结构的宽边宽度与所述介质基片的宽度相等。所述辐射结构的窄边与所述微带阻抗变换线的输出端连接，其窄边宽度为0.5mm。在保持长度一定的条件下，辐射结构的窄边宽度与宽边宽度相差越大，所能实现的天线频带越宽。

进一步，上述辐射结构中还设有矩形辐射贴片。所述矩形辐射贴片设置于靠近辐射方向的一端，与所述梯形辐射结构的宽边相连。所述矩形辐射贴片的宽度与所述介质基片的宽度相等。

上述梯形加矩形金属片共同构成的辐射结构的整体长度一直延伸至介质基片辐射方向的边缘，其整体长度为1/4高频工作波长。由于梯形贴片逐渐的结构能够起到部分阻抗渐变的作用。因而可以利用该结构进行阻抗变换，使得天线能够在更宽频带内辐射。其整体长度对天线的阻抗匹配有影响，可以适当微调来调整天线带宽。

进一步，为方便天线馈线走线，上述微带天线中，所述金属地和所述介质基片背离辐射方向的一端还设有相同尺寸的馈线凹槽，所述馈线凹槽为长方形，与所述馈电微带线的输入端相连。具体而言，该馈线凹槽长度小于1cm，宽度小于所述馈电微带线的宽度。馈线凹槽过长会减小天线的整体长度，影响天线的驻波比，同时，也会对天线的增益产生不利影响。

有益效果

本实用新型所述微带天线利用金属地与微带贴片结构(包括介质基片上的馈电微带线、微带连接结构以及辐射结构)之间产生的容性阻抗，对天线工作频段内的阻抗进行调节，拓展天线的阻抗带宽，使得本实用新型所述天线结构能够在更宽的频段范围内谐振。尤其，通过调节设置于金属地辐射方向端的U形槽，通过调节其长度和底部宽度，能够有效改变天线在谐振频段内的阻抗特性，使得天线能够在更宽的频段范围内谐振，拓宽工作频带。

为保证天线在更宽的频带范围内都能够进行有效的辐射，本实用新型中，采用微带阻抗变换线对辐射结构输入端进行阻抗变换。同时，本天线中所采用的梯形辐射结构，由于在辐射方向上辐射结构存在宽度变化，同样能够产生阻抗渐变的效果，能够保证天线在更宽频段范围内进行有效辐射。尤其针对移动通信频段，保证所述辐射结构(包括梯形金属贴片结构和矩形金属贴片结构)的整体长度为1/4高频工作波长，能够有效保证天线在较高频段进行有效辐射。同时，由于梯形金属辐射贴片具有阻抗变换的作用，其整体长度对天线的阻抗匹配会产生影响，因此需要配合微带阻抗变换线的尺寸，对天线带宽进行调整。

进一步，为压缩天线在低频段进行阻抗匹配与辐射所需要的尺寸，本天线采用微带弯折线对低频段的微带线结构进行电长度上的“折叠”，有效的减小了天线在低频工作时的总长度。相比于现有同样尺寸的微带天线，本实用新型所提供的天线有效辐射带宽提高了30％。本天线结构简单、易于加工，天线体积小，安装非常便利，易于产品化，实现了2G、3G、4G移动通信频段全覆盖。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本实用新型的实施例一起，用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为根据本实用新型的微带天线的整体结构示意图；

图2为根据本实用新型的微带天线的俯视图；

图3为根据本实用新型的微带天线中金属地结构中U形槽的放大图；

图4为本实用新型实施例中所提供的微带天线的驻波比曲线图；

图5为本实用新型实施例中所提供的微带天线的增益曲线图；

图6为本实用新型实施例中所提供的微带天线各频点的立体辐射方向示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1为根据本实用新型的微带天线整体结构示意图。天线包括金属地3、介质基片5、馈电微带线1、微带连接结构以及辐射结构6，所述金属地3设置于所述介质基片5的一面，所述介质基片5的另一面从馈电方向相辐射方向依次设置所述馈电微带线1、微带连接结构以及辐射结构6。所述金属地3紧贴介质基片5的馈电方向设置，在靠近其辐射方向的一端设有U形槽8，所述U形槽8的长度和底部宽度根据所述多频宽带微带天线在谐振频段内的阻抗确定。调节所述U形槽8的底部宽度、槽长度以及底部到辐射贴片的距离，可改变金属地与上层金属之间所形成的电容，使天线在更宽的频段内谐振，从而调整天线的阻抗带宽。

其中，金属地3的长度短于自所述馈电微带线1输入端至所述微带连接结构输出端的总长；所述金属地3的宽度与所述介质基片5的宽度相等。

具体而言，本实施例中的微带连接结构包括微带弯折线2和微带阻抗变换线4。所述微带弯折线2的输入端作为所述微带连接结构的输入端，连接所述馈电微带线1的输出端；所述微带阻抗变换线4的输入端连接所述微带弯折线2的输出端，所述微带阻抗变换线4的输入端宽度为0.2mm；所述微带阻抗变换线4的输出端作为所述微带连接结构的输出端，连接所述辐射结构6，所述微带阻抗变换线4的输出端宽度为0.5mm；所述微带阻抗变换线4的长度为40mm。

所述微带弯折线2的宽度与所述馈电微带线1宽度相等，其每一个弯折的长度为13.6mm，宽度为1.6mm。馈电微带线1在工作频段满足输入阻抗50欧姆要求，微带弯折线与馈电微带线宽度相同，通过弯折结构的宽度和长度共同调节其低频工作频段。

上述微带天线中，所述微带阻抗变换线与所述微带弯折线之间的连接部位，存在微带结构宽度上的跳变。但微带天线的辐射结构宽度保持连续。

具体而言，本实施例通过梯形结构的辐射结构6进行阻抗渐变，实现在宽频带内辐射。所述辐射结构6的宽边宽度与所述介质基片5的宽度相等，所述辐射结构6的窄边宽度0.5mm，在保持长度一定的条件下，其宽度与宽边宽度相差越大，所能实现的天线频带越宽。所述梯形辐射结构的宽边还连接有矩形辐射贴片(7)，所述矩形辐射贴片7的宽度与所述介质基片5的宽度相等。

这里，由于梯形贴片具有阻抗变换的作用，其整体长度对天线的阻抗匹配有影响，可以适当微调来调整天线带宽。矩形贴片与梯形贴片相连，其宽度与基板宽度相同，其长度一直延伸到基板边界，梯形贴片与矩形贴片总长度大约为高频四分之一工作波长(此处为36mm，其中包括矩形贴片的1mm宽度)。

此外，本天线为方便馈电，还在所述金属地3和所述介质基片5背离辐射方向的一端设有馈线凹槽9，所述馈线凹槽9为长方形，与所述馈电微带线1的输入端相连。其长度小于1cm，宽度小于所述馈电微带线1的宽度。如果馈线凹槽9再长，则天线的总体长度减小太多，会使天线的驻波比变差，同时调节凹槽的长度，天线的辐射增益也稍有影响。

本实施例中所提供的微带天线中，介质基片5采用厚度0.5mm、介电常数2.2的介质基片。若此参数改变，图1、图2所标注的天线的其他参数均相应调整。

能量由输入馈电微带线1馈入，经过微带弯折线2，经微带阻抗变换线4的阻抗变换馈入辐射贴片。小型化主要通过调节微带弯折线2的总长度实现；高频段的宽带主要通过微带阻抗变换线4的宽度长度、辐射结构6中梯形贴片的长度以及金属地3末端U形槽底部宽度、长度的调节实现。

结合图4、图5以及图6，本发明的多频宽带小型化微带天线工作在0.82GHz-1GHz、1.7GHz-2.7GHz的频段范围内，最低增益在1dBi以上，在工作频段内的远场辐射方向图满足辐射要求。

本实用新型所提供的覆盖2G、3G、4G移动通信频段的多频宽带小型化微带天线，天线结构简单、易于加工，仅通过微带线的弯折就实现了天线的小型化，使得天线安装非常便利，具有很强的设计简易性，易于产品化，同时比现有同样尺寸的产品带宽拓宽了30％，实现了2G、3G、4G移动通信频段全覆盖。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。