一种宽带低剖面天线及双模式电场耦合的覆盖方法

技术领域

本发明涉及通信天线技术领域，具体为一种宽带低剖面天线及双模式电场耦合的覆盖方法。

背景技术

对于现代5G终端设备，几乎所有的天线都部署在边框上。然而，厂商对大屏幕、大摄像头、大电池甚至大扬声器的追求占用了终端边框上的空间，侵占了本该属于天线的位置。终端后盖是一个被忽略的空间，它可以为低剖面平面型天线提供放置条件。

如今市面上大部分平面宽带天线都利用较高的剖面(大概为0.05个波长)来换取通带内一致的辐射特性。但对于终端设备来说，通带内的辐射特性并不重要，具有低剖面特性的宽带天线在实际应用中更占优。更重要的是，在5G超薄终端设备的后盖上，可用剖面高度一般小于1.5mm，大概为0.017个波长(3.3GHz)。显然已有的宽带天线无法满足终端设备的苛刻需求。

根据图6所示，对于传统的半模贴片来说，它可以在18×35mm2的尺寸上实现双模谐振，即在3.50GHz和5.20GHz各产生一个谐振。天线左侧的非短路边为辐射边，天线在此处辐射电场能量。天线在3.50GHz和5.20GHz的工作模式为TM0.5,0和TM0.5,1模式。传统半模贴片的缺点是，它只能提供低频处4％和高频处2％的工作带宽，这对于5G终端设备来说是远远不够的。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种宽带低剖面天线及双模式电场耦合的覆盖方法，以解决现有技术中宽带天线剖面过高的问题无法覆盖较宽的频带的技术问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种宽带低剖面天线，包括两排短路柱单元、馈电柱、金属贴片、介质基板、金属地板和寄生贴片；

所述金属贴片和寄生贴片分别并排铺设在介质基板上，且金属贴片和寄生贴片之间存在间隙；两排短路柱单元分别沿着金属贴片和寄生贴片的长边方向布置，其中两排短路柱单元的一端装配在金属地板上，另一端贯穿介质基板分别延伸至金属贴片和寄生贴片上；在金属贴片侧的介质基板内设有馈电圆形槽，所述馈电柱的一端贯穿金属地板，另一端贯穿介质基板分别延伸至馈电圆形槽内设置；所述介质基板与金属地板之间存在间隙，所述间隙为空气层。

优选的，金属贴片与寄生贴片的形状及面积大小均相同。

优选的，金属贴片与寄生贴片之间的间距为4.8mm。

优选的，两排短路柱单元沿着金属贴片和寄生贴片的长边方向平行设置。

优选的，金属地板、金属贴片和两排短路柱单元的材质均为铜。

优选的，介质基板材料为FR-4，介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02，介质基板厚度为0.4mm。

优选的，空气层厚度为1.0mm。

优选的，馈电处圆形槽的内径为1.7mm、宽度为0.2mm。

一种宽带低剖面天线的双模式电场耦合的覆盖方法，基于上述所述的一种宽带低剖面天线，包括如下步骤：

设计一个介质基板上贴附金属贴片的半模贴片天线，利用半模贴片天线的两个工作模式覆盖两个工作频带；

在半模贴片天线的辐射区域旁边增加一个尺寸相同的寄生贴片，使得寄生贴片会以电场耦合的方式被金属贴片激励，两个工作模式会被扩展成同向和反向，因此两个工作模式的工作带宽成倍增加；

修改金属贴片和寄生贴片的尺寸，将两个工作模式融合成为一个宽带，通过该宽带来实现对较宽频带的覆盖工作。

优选的，半模贴片天线的金属贴片上的两个工作模式为TM

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所提供了一种宽带低剖面天线，在28.5*65mm2的尺寸和1.4mm的剖面下，实现了覆盖了5G N77波段全覆盖(3.3～4.2GHz)，且具备带内平均高效率的特性(-1.6dB，68％)。在剖面不变的情况下，通过在传统半模贴片天线的辐射区域处增加寄生贴片，寄生贴片会以电场耦合的方式被传统半模贴片激励，从而半模贴片前两个模式的带宽成倍增加。解决了传统半模贴片天线带宽不足的缺点。

本发明提供了一种宽带低剖面天线的双模式电场耦合的覆盖方法，在传统半模贴片的强电场区放置一个尺寸相同的寄生半模贴片天线。这样，寄生贴片会基于电场耦合的原理被主贴片激励起来，然后与主贴片天线形成同相、反向的模式电流(TM0.5,0和TM0.5,1模)，达到成倍扩充带宽的效果。

附图说明

图1为本发明中宽带低剖面天线结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明中金属地板的结构示意图；

图4为本发明中天线仿真的回波损耗和总效率曲线；

图5为本发明中天线频带内4个谐振点分别对应的E面和H面辐射方向图；

图6为传统半模天线的仿真参数；

图7为本发明半模天线的仿真参数；

图8位本发明的实现原理。

图中：1-短路柱；2-馈电柱；3-馈电圆形槽；4-金属贴片；5-介质基板；6-金属地板；7-寄生贴片。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明的目的在于提供一种宽带低剖面天线及双模式电场耦合的覆盖方法，以解决现有技术中宽带天线剖面过高的问题无法覆盖较宽的频带的技术问题。

具体的，该宽带低剖面天线，包括两排短路柱单元、馈电柱2、金属贴片4、介质基板5、金属地板6和寄生贴片7；

所述金属贴片4和寄生贴片7分别并排铺设在介质基板5上，且金属贴片4和寄生贴片7之间存在间隙；两排短路柱单元分别沿着金属贴片4和寄生贴片7的长边方向布置，其中两排短路柱单元的一端装配在金属地板6上，另一端贯穿介质基板5分别延伸至金属贴片4和寄生贴片7上；在金属贴片4侧的介质基板5内设有馈电圆形槽3，所述馈电柱2的一端贯穿金属地板6，另一端贯穿介质基板5分别延伸至馈电圆形槽3内设置；所述介质基板5与金属地板6之间存在间隙，所述间隙为空气层。

使用仿真软件CST按照图1所示结构对进行仿真验证，金属地板，金属贴片，短路销钉的材质均为铜(copper)，介质层材料为FR-4，介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02。地板尺寸为100*100mm2，天线尺寸为28.5*65mm2，介质层厚度为0.4mm，空气层厚度为1.0mm，馈电处圆形槽的内径为1.7mm、宽度为0.2mm。

本发明中天线方案的结构包括金属贴片、介质层、金属大地板、短路柱。天线采用短路贴片天线的形式，使用介质层覆铜构成贴片天线，介质与金属大地板之间含有的空气层。

根据图4所示，回拨损耗曲线和总效率曲线，可以看出天线的工作频率很好的覆盖了5G N77波段(3.3～4.2GHz)，带内平均效率为-1.6dB(68％)。图5是天线在频带内4个谐振点E面和H面的辐射方向图。相较于简单的短路贴片天线，本发明所提出的天线具有更宽的带宽和更低的剖面。

根据图7所示，本发明在传统半模贴片天线的辐射边处添加了一个寄生贴片之后，天线尺寸变为35×34mm

将图7天线的长度增加，就可以将这4个模式融合在一起，形成宽带特性。

本发明通过加载寄生贴片实现天线带宽的增长，之后利用馈电处蚀刻圆形馈电槽以实现阻抗匹配，该方案适用于5G终端宽带通信。

本发明还提供了一种宽带低剖面天线的双模式电场耦合的覆盖方法，基于上述所述的一种宽带低剖面天线，包括如下步骤：

设计一个介质基板5上贴附金属贴片4的半模贴片天线，利用半模贴片天线的两个工作模式覆盖两个工作频带；

在半模贴片天线的辐射区域旁边增加一个尺寸相同的寄生贴片7，使得寄生贴片7会以电场耦合的方式被金属贴片4激励，两个工作模式会被扩展成同向和反向，因此两个工作模式的工作带宽成倍增加；

修改金属贴片4和寄生贴片7的尺寸，将两个工作模式融合成为一个宽带，通过该宽带来实现对较宽频带的覆盖工作。

具体的，半模贴片天线的金属贴片4上的两个工作模式为TM

图8通过电场分布，展示了电场耦合的具体方式。在没有寄生贴片的时候，传统半模贴片的强电场区在天线的左边，这是传统半模贴片天线的主辐射区域。当增加了寄生贴片并且将其辐射区域靠近传统半模贴片天线后，可以看到，寄生贴片也具有与传统半模贴片天线相同的电场分布，也就是被激励起来了。实际上，寄生贴片是被传统半模贴片天线辐射出去的电场能量给激励起来的，即图中的“电场耦合区”。

综上所述，本发明提供了一种宽带低剖面天线及双模式电场耦合的覆盖方法，采用短路贴片天线的形式，使用介质层覆铜构成贴片天线，介质与金属大地板之间含有空气层。通过加载寄生贴片，即在主贴片的辐射区域上放置一个寄生贴片，天线就可以从双谐振变成四谐振，从而带宽可以成倍增长。通过在主贴片馈电柱处刻蚀的圆形槽，可以改善天线的匹配情况。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。