一种新型多层耦合LOOP天线

技术领域

本发明属于应用于蓝牙频段的LOOP(环形)天线技术领域，涉及一种新型多层耦合LOOP天线，尤其是一种采用多层走线耦合技术的新型多层耦合LOOP天线。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，智能移动终端设备成为了人们生活中不可或缺的电子产品。天线是其中无线电波发射和接收的重要器件，其工作性能与设计空间和设计环境有着密切的关系。随着人们对移动终端产品的要求越来越高，留给天线设计的空间愈来愈小，而较小的净空区，对于通信频段而言，需要较长的走线才能实现，用传统的LOOP结构虽然可以加长内置天线的等效电长度，但弊端是天线的工作带宽太窄，相应的工作频段往往难以覆盖。并且现有的LOOP天线走线复杂，设计难度较大，极大地限制了其在无线通信领域的广泛应用。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提出了一种新型多层耦合LOOP天线，具体是一种采用多层走线耦合技术的新型多层耦合LOOP天线。需要在40*100mm

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种新型多层耦合LOOP天线，包括：

测试地(1)、LOOP天线；

所述的测试地(1)为方形结构，其位于天线介质基板(33)的下表面，位于测试地基板(34)的上表面。其一侧的中心位置开有一个缺口为净空区(9)，所述的净空区(9)上设置了LOOP天线；

所述的LOOP天线包括天线主体部分(2)、接地金属片(3)、集总激励(7)、共面波导馈线(8)、匹配网络；

所述的匹配网络介于天线主体部分(2)和集总激励(7)之间；

所述的天线主体部分(2)包括天线介质基板(33)，以及分别位于所述天线介质基板(33)上下表面的天线上表面走线(31)、天线下表面走线(32)；所述天线上表面走线(31)的两端分别通过贯穿所述天线介质基板(33)的第一连接线(10)与第二连接线(11)与所述天线下表面走线(32)的两端连接；

所述的天线上表面走线(31)包括平行设置且留有一定间隙的第一横走线(12)、第二横走线(13)、第三横走线(14)、第四横走线(15)、第五横走线(16)，以及平行设置且留有一定间隙的第一竖导线(17)、第二竖导线(18)、第三竖导线(19)、第四竖导线(20)；所述第一竖导线(17)、第四竖导线(20)分别位于所述天线介质基板(33)上表面的两端；所述第一横走线(12)、第二横走线(13)、第三横走线(14)、第四横走线(15)、第五横走线(16)从上至下依次设置，且位于所述第一竖导线(17)、第四竖导线(20)间位置；所述第二竖导线(18)、第三竖导线(19)位于所述第一竖导线(17)、第四竖导线(20)间位置，且靠近所述第四竖导线(20)；所述第一竖导线(17)的外侧与所述第一连接线(10)连接，内侧下端与所述第四横走线(15)的一端、第五横走线(16)的一端连接；所述第二竖导线(18)的下端与所述第四横走线(15)的另一端连接，上端与所述第三横走线(14)的一端连接；所述第三竖导线(19)的下端与所述第五横走线(16)的另一端连接，上端与所述第二横走线(13)的一端连接；由第三横走线(14)、第四横走线(15)、第二竖导线(18)构成逆时针旋转90°的第一“凵”型结构；由第五横走线(16)、第三竖导线(19)、第二横走线(13)构成逆时针旋转90°的第二“凵”型结构；所述第一“凵”型结构嵌套在所述第二“凵”型结构的内部，且两者不接触；所述第二横走线(13)的另一端、第三横走线(14)的另一端与所述第一竖导线(17)间存在间隙；所述第四竖导线(20)的外侧与所述第二连接线(11)连接，内侧上端与所述第一横走线(12)的一端连接，所述第一横走线(12)的另一端与所述第一竖导线(17)间存在间隙；由所述第一横走线(12)、第四竖导线(20)构成先顺时针旋转90°且后水平翻转的L型结构；所述第二“凵”型结构嵌套在所述先顺时针旋转90°且后水平翻转的L型结构的内部，且两者不接触；

所述的天线下表面走线(32)包括第六横走线(21)、第七横走线(22)、第一走线(23)、第八横走线(24)、第九横走线(25)、第二走线(26)，以及平行设置且留有一定间隙的第五竖导线(27)、第六竖导线(28)、第七竖导线(29)、第八竖导线(30)；所述第五竖导线(27)和第八竖导线(30)分别位于所述天线介质基板(33)下表面的两端；所述第六横走线(21)、第七横走线(22)、第一走线(23)、第八横走线(24)、第九横走线(25)、第二走线(26)位于所述第五竖导线(27)、第八竖导线(30)间位置，且第六横走线(21)、第七横走线(22)、第一走线(23)、第八横走线(24)、第九横走线(25)从上至下依次平行且留有一定间隙设置，所述第二走线(26)与所述第一走线(23)的延长线重合；所述第五竖导线(27)外侧与所述第一连接线(10)连接，内侧中点与所述第一走线(23)的一端连接；所述第一走线(23)的另一端与所述第六竖导线(28)的中点连接；所述第六竖导线(28)位于所述第五竖导线(27)、第八竖导线(30)间位置，下端与所述第八横走线(24)的一端连接，上端与所述第七横走线(22)的一端连接；由所述第七横走线(22)、第六竖导线(28)、第八横走线(24)构成逆时针旋转90°的第三“凵”型结构；所述第七竖导线(29)位于所述第六竖导线(28)、第八竖导线(30)间位置，上端与所述第六横走线(21)的一端连接，下端与所述第九横走线(25)的一端连接，中点与所述第二走线(26)的一端连接；由所述第六横走线(21)、第七竖导线(29)、第九横走线(25)构成逆时针旋转90°的第四“凵”型结构；所述第三“凵”型结构嵌套在所述第四“凵”型结构的内部，且两者不接触；所述第六横走线(21)的另一端、第七横走线(22)的另一端、第八横走线(24)的另一端、第九横走线(25)的另一端与所述第五竖导线(27)间存在间隙；所述第八竖导线(30)的外侧与所述第二连接线(11)连接，内侧中点与所述第二走线(26)的另一端连接；

所述共面波导馈线(8)为顺时针旋转90°后L型馈线，包括一体成型的竖向馈线和第一横向馈线，以及第二横向馈线；所述竖向馈线的外侧与所述第八竖导线(30)连接，内侧下端与所述接地金属片(3)的一端连接，内侧上端与所述横向馈线的一端连接；所述共面波导馈线(8)与测试地不接触；

所述的接地金属片(3)用于连接测试地(1)和所述天线主体部分(2)；

所述的匹配网络包括第一匹配元件(4)、第二匹配元件(5)、第三匹配元件(6)；所述第一匹配元件(4)的下端与所述第一横向馈线的上端连接，上端与所述测试地连接；所述第二匹配元件(5)的一端与所述第一横向馈线的另一端连接，另一端与所述第二横向馈线的一端连接；所述第二横向馈线的另一端与集总激励(7)连接；所述第三匹配元件(6)的下端与所述第二横向馈线的上端连接，上端与所述测试地连接；

所述的集总激励(7)位于测试地(1)和共面波导馈线(8)之间；所述的共面波导馈线(8)的馈线宽度和其上下端的到地狭缝满足阻抗匹配；

作为优选，第一连接线(10)与第二连接线(11)采用金属包边工艺，实现天线上下部分走线的导通；

作为优选，所述的集总激励(7)要实现良好匹配，所设置的共面波导馈线(8)宽度与其两侧的间隙的比值满足共面波导的阻抗特性，与输入端的50Ω实现阻抗匹配，从而实现无反射输入。共面波导特征阻抗公式如下：

其中Zc为共面波导馈线(8)的等效电阻，C

作为优选，天线上表面各走线之间的线间距是等宽的；

作为优选，天线下表面走线(32)的线宽是等宽的，下表面各走线之间的线间距也是等宽的，均小于0.001个工作波长；

作为优选，所述的LOOP天线满足3612封装尺寸；

作为优选，所述的天线介质基板(33)和测试地基板(34)等高；

作为优选，所述天线主体部分(2)和接地金属片(3)距测试地基板(34)的边缘距离相同；

作为优选，所述的共面波导馈线(8)横向馈线与测试地两侧的间隙等宽设置；

作为优选，匹配网络在集总激励(7)、共面波导馈线(8)和天线主体部分(2)间采用一个π型阻抗匹配，将工作频段移至Smith原图的中心，使得工作频段可以达到良好的阻抗匹配；所述的第一匹配元件(4)、第二匹配元件(5)、第三匹配元件(6)分别相当于电容、电容、电感；

作为优选，所述的第一匹配元件(4)、第二匹配元件(5)、第三匹配元件(6)通过共面波导馈线(8)连接，且各匹配元件都采用0402规格的封装尺寸。

工作原理：

所述的一种新型多层容性耦合LOOP天线，其工作频带覆盖蓝牙频段。测试地的尺寸是40*100mm

本发明的有益效果如下：

(1)本发明设计的LOOP天线，利用地平面参与天线辐射技术，通过对地平面上的电流强度和天线上的电流路径进行调节，灵活地调整天线的谐振频率。

(2)本发明中的LOOP天线是3612尺寸，利用5*6mm

(3)本发明中的匹配网络采用的是容感加载技术，组成π型匹配网络，可以有效地调节天线的阻抗匹配和阻抗带宽，使天线有着更好的匹配和传输特性，也便于实际加工后天线的性能调试。

(4)本发明的馈电方式采用的是共面波导馈电技术，其工作在偶模模式，能量从中心导线馈入天线主体部分，共面波导的宽度和间隙满足输入阻抗匹配特性。

(5)本发明中的结构十分简单，易于设计，巧用LC谐振特性，通过耦合线引入容性电抗量，巧妙加到天线设计中，结构参数可调性高，性能参数优异，可应用于无线通信系统。

附图说明

图1是一种新型多层耦合LOOP天线俯视示意图。

图2是所述的LOOP天线及净空区、测试地的俯视示意图。

图3是所述的新型多层耦合LOOP天线结构示意图，其中(a)为LOOP天线的上表面走线示意图，(b)为LOOP天线的下表面走线示意图，(c)是LOOP天线结构侧视示意图。

图4是利用仿真软件模拟出可应用于移动设备的新型多层耦合LOOP天线的S

图5是利用仿真软件模拟出应用于移动设备的新型多层耦合LOOP天线的增益结果图。

图6是利用仿真软件模拟出应用于移动设备的新型多层耦合LOOP天线的辐射效率结果图。

图7是利用仿真软件模拟出新型多层耦合LOOP天线分别在(a)

图中标记：测试地1、天线主体部分2、接地金属片3、第一匹配元件4、第二匹配元件5、第三匹配元件6、集总激励7、共面波导馈线8、净空区9、第一连接线10、第二连接线11、第一横走线12、第二横走线13、第三横走线14、第四横走线15、第五横走线16、第一竖导线17、第二竖导线18、第三竖导线19、第四竖导线20、第六横走线21、第七横走线22、第一走线23、第八横走线24、第九横走线25、第二走线26、第五竖导线27、第六竖导线28、第七竖导线29、第八竖导线30、天线上表面走线31、天线下表面走线32、天线介质基板33、测试地基板34。

具体实施方式

为了将本发明中所设计的技术方案、设计目的以及优点更好地阐述清楚，将结合实施例以及附图，对本发明的内容进行更详细地说明，此处所用到的具体实施例仅用于说明，并不用于限定本发明。

本发明中所使用的术语“第一” “第二”等，是为了更好地区分结构，将相似或相同的结构进行简要描述，但这些结构并不受这些术语的限制。

在本实施例中，提出了一种新型多层耦合LOOP天线。如附图中的图1所示，包括测试地和LOOP天线。其中，LOOP天线需要放在测试地上进行性能仿真，在设计时，将LOOP天线设置在测试地的一侧，位于5*6mm2区域的净空区上，并在净空区中给天线预留一定的到地距离。基于上述结构可知，天线位置的设置，可以降低地平面的镜像耦合干扰效果，也满足了加工工艺的要求。

在本实施例中，如附图的图2所示，所述的LOOP天线包括天线主体部分2、接地金属片3、集总激励7、匹配网络和共面波导馈线8。匹配网络中的第一匹配元件4、第二匹配元件5、第三匹配元件6分别相当于电容、电容、电感， 串并电容和并电感组成π型匹配网络，用于调节天线的输入阻抗，实现输入端口的阻抗匹配。

在本实施例中，如图3(a)所示是所述的天线上表面走线31，电流从共面波导馈线8过来，经过第二连接线11，进入到第四竖导线20，再到第一横走线12，经过耦合，将电流耦合到第二横走线13、第三竖导线19和第三横走线14、第二竖导线18，再分别流经第四横走线15和第五横走线16汇到第一竖导线17，经第一连接线10电流流向测试地1，基于上述结构可知，通过电流耦合引入寄生电容，可以有效调节天线的电抗特性，多路耦合可以在一定程度上加长有效电流路径，降低天线的谐振频率。

在本实施例中，如图3(b)所示是所述的天线下表面走线32，电流从共面波导馈线8过来，进入到第八竖导线30，经过第二走线26到达第七竖导线29，电流分成两个支路流向第六横走线21和第九横走线25，再通过电流耦合，耦合至第七横走线22、第八横走线24和第六竖导线28，经过第一走线23后到达第五竖导线27，最后流向测试地1，形成一个电流回路。基于上述结构可知，该结构类似于T型耦合，可以通过引入容性电抗分量，降低天线自身的感抗值，实现在工作频率附近产生谐振。

在本实施例中，给出了一种新型多层耦合LOOP天线的侧面图，如图3(c)所示，天线下表面走线32与测试地1在同一平面，LOOP天线位于测试地1的上方，测试地1位于测试地基板34的上表面，位于天线介质基板33的下表面，天线上表面走线31位于天线介质基板33的上表面。基于上述结构，天线需要在对应尺寸的测试地上测试相应的辐射性能，地平面也是天线辐射的一部分。

在一些具体的实施例中，所述的测试地的尺寸是40mm*100mm；所述的天线介质基板采用的是FR4材料，满足3216的封装尺寸。

在一些具体的实施例中，图4是利用仿真软件模拟出一种新型多层耦合LOOP天线的S

在一些具体的实施例中，图5是利用仿真软件模拟出的一种新型多层耦合LOOP天线增益随工作频率变化的结果图。可以看到在工作频段附近，天线的增益可以达到0.7dB。

在一些具体的实施例中，图6是利用仿真软件模拟出的一种新型多层耦合LOOP天线辐射效率随工作频率变化的结果图，在工作频段上有着73％以上的良好辐射效率。

在一些具体的实施例中，图7是利用仿真软件模拟出一种新型多层耦合LOOP天线分别在

以上所述实施例，介绍的十分详细，但不能因此理解为对本发明范围的限制。应当指出，对于本领域上的技术人员来说，在不脱离本发明的发明原理的基础上，可以对部分技术进行修改和改进，所进行的任何修改和改进都应在本发明的保护范围内。