一种基于MGAA单元超低剖面双频单层小型移动天线

一种基于mgaa单元超低剖面双频单层小型移动天线
技术领域
1.本发明属于小型移动天线技术领域，尤其涉及一种基于mgaa单元超低剖面双频单层小型移动天线。


背景技术：

2.目前，美国联邦通信委员会(fcc)定义超宽带(uwb)天线的工作范围为3.1ghz到10.6ghz，由于超宽带天线具有高传输速率和低功耗等优点，一直是天线领域的研究热点之一。超宽带频率的应用准则被包含在ieee802.15.4-2015和ieee802.15.4z中，其中小型移动天线通常应用的通道是通道5(中心频率6489.6mhz，带宽499.2mhz)和通道9(中心频率7987.2mhz，带宽499.2mhz)。
3.微带栅格阵列天线(microstrip grid array antenna)，简称为mgaa以其高增益、宽带宽、馈电简单、易构造等优点引起了人们的广泛关注。特别是在封装天线技术的发展中，mgaa是一个重要的备选方案。目前mgaa天线的主要工作频带范围主要集中在u波段(40-60ghz)，主要研究的特性是集中在组阵的情形，对单元的研究比较少，对双频的研究也集中在大频率比的情况，对频率比小的情况研究也很少。
4.设计双频带的微带天线的方法有很多，例如在贴片上开槽或者增加枝节，抑或是增加寄生结构，但要同时满足小型化、低剖面、宽带宽的要求却很困难。西北工业大学公布了一种可用于手机双频工作的新型微带天线(西北工业大学，一种可用于手机双频工作的新型微带天线，申请号cn200710018241.9，申请日2007.07.11)，该天线利用左右手复合微带线的工作原理，实现了天线在960mhz和1800mhz的双频工作，但带宽很窄，几乎只能是点频工作。现有技术中公布了一种双频微带天线(双频微带天线，申请号cn102983395a，申请日2013.01.12)，利用对上下层贴片进行分别馈电，实现双频工作；现有技术中还公布了一种双频微带天线(一种双频微带天线，申请号cn2020332429.8，申请日2021.02.19)，同样是将收发天线集成到一起，通过两个辐射体实现双频的功能。上述两种天线，虽然可以实现双频的功能，但上下层贴片的引入必然会导致天线的整体剖面增加，很难在手机这种剖面要求很高的场景应用。
5.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
6.现有的双频带的微带天线上下层贴片的引入必然会导致天线的整体剖面增加，很难在手机这种剖面要求很高的场景应用。
7.解决以上问题及缺陷的难度为：
8.根据传统的贴片天线理论，若使双频带的带宽覆盖通道5(中心频率6489.6mhz，带宽499.2mhz)和通道9(中心频率7987.2mhz，带宽499.2mhz)，增加介质基板的高度和增大介质基板的介电常数是一种有效的途径，但通常小型移动天线中介质基板的介电常数已经固定，所以要同时满足双频带的带宽和低剖面这两个指标，是极具挑战的。
9.解决以上问题及缺陷的意义为：
10.小型移动天线剖面的尺寸往往决定了手机剖面的尺寸，所以在满足双频带的带宽
要求的情况下，尽可能地降低小型移动天线的剖面是手机行业的刚需。


技术实现要素：

11.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于mgaa单元超低剖面双频单层小型移动天线。
12.本发明是这样实现的，一种基于mgaa单元超低剖面双频单层小型移动天线包括：
13.介质基板、金属地板、mgaa单元、矩形寄生微带和同轴馈线；
14.所述mgaa单元与矩形寄生微带附着于介质基板的上侧，所述金属地板附着于介质基板的下侧；
15.所述mgaa单元呈漏斗形状，位于介质基板中间位置，所述mgaa单元的中心位置与同轴馈线的内导体相连进行馈电，用以辐射低频的线极化电磁波；
16.所述矩形寄生微带位于mgaa单元中心的左右两侧，用以辐射高频的线极化波。
17.进一步，所述mgaa单元边缘为倒圆角结构，所述倒圆角结构用于拓展带宽。
18.进一步，所述矩形寄生微带的长宽分别为0.24λ和0.06λ，所述矩形寄生微带靠近mgaa单元的一侧进行切角处理用以增加耦合量。
19.进一步，所述矩形寄生微带的切角方向与mgaa斜边角度相同，距离mgaa单元距离为0.3mm。
20.进一步，所述同轴馈线的外导体与金属地板相连，所述同轴馈线的内导体穿过所述介质基板，与辐射mgaa单元进行焊接。
21.进一步，所述mgaa单元和矩形寄生微带均为对称结构。
22.进一步，所述介质基板的介电常数为3.0，损耗角正切为0.002，剖面高度为0.05λ。
23.进一步，所述金属地板的材质为铜，尺寸为140mm*70mm。
24.进一步，所述同轴馈线为50欧姆的同轴馈线，所述同轴馈线的内导体半径为0.4mm，圆心位于mgaa单元的两个斜边的中心位置。
25.进一步，所述矩形寄生微带的长度为9.8mm，宽度为1.4mm。
26.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
27.1、首次将mgaa单元引入移动通信设备的双频设计中，用以解决天线的小型化、剖面较高以及多频带特性的问题，并通过增加寄生结构实现了天线的双频的工作；
28.2、与传统开槽和加枝节的双频微带天线，本发明可以实现工作在6.15ghz-6.76ghz和7.37ghz-8.32ghz，覆盖了ieee802.15.4-2015和ieee802.15.4z应用于小型移动天线的通道5和通道9两个频段，满足手机通信的需求，两个频段的相对带宽有8.3％和12.1％，这种宽带宽是传统微带天线难以实现的；
29.3、本发明采用的是低成本的常见基片板材，但在实现优异带宽和双频性能的同时，剖面却可以做得很低，只有0.05，同时天线可以实现小型化，金属面积仅有143mm2，在低频段增益可以达到5dbi以上，高频段增益可以达到1.8dbi以上。
附图说明
30.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于
本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1是本发明实施例提供的基于mgaa单元超低剖面双频单层小型移动天线的结构示意图。
32.图2是本发明实施例提供的基于mgaa单元超低剖面双频单层小型移动天线的端口反射系数曲线图。
33.图3(a)是本发明实施例提供的基于mgaa单元超低剖面双频单层小型移动天线在低频段的端口增益变化。
34.图3(b)是本发明实施例提供的基于mgaa单元超低剖面双频单层小型移动天线在高频段的端口增益变化。
35.图中：1、金属地板；2、介质基板；3、mgaa单元；4、矩形寄生微带；5、50欧姆的同轴馈线。
具体实施方式
36.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
37.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于mgaa单元超低剖面双频单层小型移动天线，下面结合附图对本发明作详细的描述。
38.如图1所示，本发明实施例提供的基于mgaa单元超低剖面双频单层小型移动天线包括金属地板1、介质基板2、mgaa单元3、矩形寄生微带4和50欧姆的同轴馈线5。
39.本发明实施例中的mgaa单元3与矩形寄生微带4附着于介质基板2上侧，位于天线的最上层。
40.本发明实施例中的介质基板2位于基于mgaa单元超低剖面双频单层小型移动天线的中间层。
41.本发明实施例中的金属地板1位于介质基板2的下层，材质为铜，尺寸为70mm*140mm。
42.本发明实施例中的mgaa单元3呈漏斗形状，位于介质基板2中央，mgaa单元3的中心位置与50欧姆的同轴馈线5的内导体相连进行馈电，主要用以辐射低频的线极化电磁波。mgaa单元3是由六条边组成的漏斗形状，每条边的长度为13.5mm，宽度为1.2mm，其中两条斜边所构成的角度126度。mgaa单元边缘进行倒圆角处理，用以拓展带宽的作用；
43.本发明实施例中的矩形寄生微带4位于mgaa单元3中心的左右两侧，主要用以辐射高频的线极化波。矩形寄生微带的长宽分别为0.24λ和0.06λ(针对高频频率)，在靠近mgaa单元的一侧进行切角处理用以增加耦合量。
44.作为优选，本发明实施例中的矩形寄生微带4的长度为9.8mm，宽度为1.4mm，切角方向与mgaa斜边角度相同，距离mgaa单元距离为0.3mm。
45.本发明实施例中的50欧姆的同轴馈线5穿过介质基板，与辐射mgaa单元进行焊接馈电。
46.本发明实施例中的mgaa单元和矩形寄生微带的材料均为铜，厚度为0.035mm。
47.本发明实施例中的介质基板2的材质是常用的宽带天线介质基板材料，其相对介电常数为3，损耗角正切为0.002，整体尺寸为40mm*40mm*2.4mm。
48.本发明实施例中的50欧姆同轴馈线5的内导体半径为0.4mm，圆心位于mgaa单元的两个斜边的中心位置。
49.对优化后的模型进行仿真，得到其回波损耗如图2所示，从图中可以看出阻抗带宽6.15ghz-6.76ghz和7.37ghz-8.32ghz；其在低频段的端口增益变化如图3(a)所示，可以看出该天线在低频端的法向增益均大于5dbi；其在高频段的端口增益变化如图3(b)所示，可以看出该天线在高频段的法向增益均大于1.8dbi。
50.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
51.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。