盲专网 - 一种适用于5G通信的超宽带差分PIFA天线

专利申请流程有哪些步骤？

申请

申请号：指国家知识产权局受理一件专利申请时给予该专利申请的一个标示号码。唯一性原则。

申请日：提出专利申请之日。

2020-03-03

申请公布

申请公布指发明专利申请经初步审查合格后，自申请日（或优先权日）起18个月期满时的公布或根据申请人的请求提前进行的公布。

申请公布号：专利申请过程中，在尚未取得专利授权之前，国家专利局《专利公报》公开专利时的编号。

申请公布日：申请公开的日期，即在专利公报上予以公开的日期。

2020-08-21

授权

授权指对发明专利申请经实质审查没有发现驳回理由，授予发明专利权；或对实用新型或外观设计专利申请经初步审查没有发现驳回理由，授予实用新型专利权或外观设计专利权。

2022-02-01

预估到期

发明专利权的期限为二十年，实用新型专利权期限为十年，外观设计专利权期限为十五年，均自申请日起计算。专利届满后法律终止保护。

2040-03-03

基本信息

有效性	有效专利	专利类型	发明专利
申请号	CN202010141048.X	申请日	2020-03-03
公开/公告号	CN111463563B	公开/公告日	2022-02-01
授权日	2022-02-01	预估到期日	2040-03-03
申请年	2020年	公开/公告年	2022年
缴费截止日
分类号	H01Q1/38 、H01Q1/50 、H01Q5/35 、H01Q13/10	主分类号	H01Q1/38
是否联合申请	独立申请	文献类型号	B
独权数量	1	从权数量	5
权利要求数量	6	非专利引证数量	0
引用专利数量	1	被引证专利数量	0
非专利引证
引用专利	CN105470643A	被引证专利
专利权维持	2	专利申请国编码	CN
专利事件		事务标签	公开、实质审查、授权

申请人信息

申请人	杭州电子科技大学	第一申请人	杭州电子科技大学
专利权人	杭州电子科技大学	当前专利权人	杭州电子科技大学
发明人	天烁、耿友林、尹川	第一发明人	天烁
地址	浙江省杭州市下沙高教园区2号大街	邮编	310018
申请人数量	1	发明人数量	3
申请人所在省	浙江省	申请人所在市	浙江省杭州市

代理人信息

代理机构

专利代理机构是经省专利管理局审核，国家知识产权局批准设立，可以接受委托人的委托，在委托权限范围内以委托人的名义办理专利申请或其他专利事务的服务机构。

杭州君度专利代理事务所

代理人

专利代理师是代理他人进行专利申请和办理其他专利事务，取得一定资格的人。

朱月芬

摘要

本发明公开一种适用于5G通信的超宽带差分PIFA天线。本发明将原有的两个单独PIFA天线通过接地端口直接相连，并将单端口馈电改为双端口差分馈电，从而为天线提供一对极性相反的信号，从而在微带传输线上产生等幅反向的高频电流。同时利用导带直角弯曲45°外斜切的方法有效控制微带特性阻抗的连续性，并对辐射贴片进行渐变开槽设计以满足超宽带特性。本发明在通带内的差模损耗小，经过测试后发现，该款差分天线在2‑5.4GHz的差模驻波比均小于1.7，且回波损耗均大于12dB,相对带宽大于90％。另外，天线在工作频段内的增益大于5dBi，辐射效率大于95％，具有超宽带、高增益、高效率以及卓越的端口匹配等性能。

摘要附图
说明书附图：图1(a)
说明书附图：图1(b)
说明书附图：图1(c)
说明书附图：图1(d)
说明书附图：图2
说明书附图：图3
说明书附图：图4
说明书附图：图5
说明书附图：图6(a)
说明书附图：图6(b)
说明书附图：图6(c)
说明书附图：图6(d)

法律状态

序号	法律状态公告日	法律状态	法律状态信息
1	2022-02-01	授权
2	2020-08-21	实质审查的生效	IPC(主分类): H01Q 1/38 专利申请号: 202010141048.X 申请日: 2020.03.03
3	2020-07-28	公开

权利要求

权利要求书是申请文件最核心的部分，是申请人向国家申请保护他的发明创造及划定保护范围的文件。

1.一种适用于5G通信的超宽带差分PIFA天线，其特征在于包括单层介质基板(1)上表面蚀刻的一对对称辐射金属贴片(2)和下表面蚀刻的一对差分微带传输线(6)；两个对称辐射金属贴片(2)和两条差分微带传输线(6)均关于介质基板的中心线轴对称相连；两条差分微带传输线(6)直接相连，转角处存在90°直角(7)，并在直角弯曲处进行45°外斜切；
所述的辐射金属贴片(2)上刻有两种槽缝，分别为渐变式槽缝(3)和一个横向槽缝(5)，渐变式槽缝(3)设计能够让天线产生两个谐振点，用于实现超宽带特性；横向槽缝(5)为长方形槽缝，能够更好地为天线提供宽带匹配效果；所述的差分微带传输线(6)能够为天线提供一对极性相反的馈电信号；所述的差分微带传输线(6)的对称中心和辐射金属贴片(2)的对称中心与介质基板(1)的中心在一条直线上；
渐变式槽缝(3)和横向槽缝(5)均关于介质基板的中心线轴对称相连；
渐变式槽缝(3)与横向槽缝(5)之间通过长条形细缝槽连接，长条形细缝槽的宽度s1为
1.4mm，且长条形细缝槽对称设置，其两条边分别是辐射金属贴片(2)；
辐射金属贴片(2)上的渐变式槽缝(3)的中心点位于辐射金属贴片(2)的中心线上，且在辐射金属贴片(2)的末端；
渐变式槽缝(3)与横向槽缝(5)的中心点处在同一条直线上，靠近两个辐射金属贴片(2)的等效接地端口处。

2.根据权利要求1所述的一种适用于5G通信的超宽带差分PIFA天线，其特征在于所述辐射金属贴片(2)的总长度和总宽度与介质基板(1)的长度和宽度一致。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于5G通信的超宽带差分PIFA天线，其特征在于所述介质基板(1)采用Rogers 5880材料制作而成，相对介电常数εr为2.2，损耗正切tan δ为
0.0009，厚度h为0.787mm；介质基板(1)的长度l为50mm，宽度w为60mm。

4.根据权利要求3所述的一种适用于5G通信的超宽带差分PIFA天线，其特征在于渐变式槽缝(3)的宽度t_w为16.8mm，两条斜边长度t_l均为16.42mm；渐变式槽缝(3)与横向槽缝(5)的间距(4)l1为20.55mm；对于两个天线等效接地端口处的横向槽缝(5)，其宽度w1为
28mm，长度l2为4.9mm。

5.根据权利要求1或4所述的一种适用于5G通信的超宽带差分PIFA天线，其特征在于两条相同的附着在介质基板(1)下表面的差分微带传输线(6)的宽度s2为2.45mm，差分微带传输线(6)的间隔w2为52.85mm，转角处距介质基板边缘的距离l3为19.78mm。

6.根据权利要求5所述的一种适用于5G通信的超宽带差分PIFA天线，其特征在于一对等幅反相的馈电信号通过差分微带传输线(6)由两个馈电端口Port1和Port2同时输入，从而由馈电信号、差分微带传输线(6)、馈电端口形成差分馈电结构；将电磁波传递到介质基板上表面的辐射金属贴片(2)，最后将能量通过边缘辐射效应辐射出去从而形成天线。

说明书

技术领域

[0001] 本发明属于5G通信技术领域，涉及一种差分馈电方式的镜像对称PIFA天线，可作为无线收发机射频前端的小型化天线，广泛应用于ISM频段，移动通信频段与卫星通信频段等无线通信频段中。

背景技术

[0002] 近年来，随着5G通信技术的飞速发展，天线需要覆盖更多的频段且对应的带宽需要足够宽。同时，射频模块在逐渐朝着小型化的趋势发展，对于天线工作者来说，在设计天线的同时，不仅需要考虑天线自身的性能，也需要考虑整个射频系统的体积、功耗和实用性等性能。但是，目前的大多数天线工程师设计宽带天线时，都是采用的单端口馈电，这会造成信号的抗干扰能力差，线性度低等缺陷，相反，利用差分馈电可以避免这些问题，并且差分天线也可直接与射频前端差分电路相连，有效地规避了巴伦平衡转换器的使用。差分电路具有较高的线性度、较广的动态范围以及对于高次谐波优良的抑制能力等特点。因此，使用差分馈电技术的天线具有更高的辐射效率，更宽的带宽以及更好的带外抑制能力。

[0003] 平面倒F天线(PIFA天线)的基本结构是采用一个平面辐射单元作为辐射体，并以一个大的地面作为反射面，辐射体上有两个引脚，分别用于接地和馈电。引入差分电路之后，可以利用平衡对称电路的原理，使得两个相同PIFA天线的接地端相连，并在共模操作中接地，从而让天线不再需要接地的通孔。由上可知，现有技术中较少地涉及超宽带差分PIFA天线，特别是兼顾小型化、实用性、集成化等的差分PIFA天线，同时本天线也可工作在ISM频段与5G通信频段(sub‑6)中。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种差分馈电的超宽带PIFA天线，它将原有的两个单独PIFA天线通过接地端口直接相连，并将单端口馈电改为双端口差分馈电，从而为天线提供一对极性相反的信号，同时由于两个天线的接地端口已经镜像对称相连，可以达到替代地平面的效果，简化电路设计，并且，这种结构在通带内具备良好的辐射特性。

[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

[0006] 本发明包括单层介质基板(1)上表面蚀刻的一对对称辐射金属贴片(2)和下表面蚀刻的一对差分微带传输线(6)；两个称辐射金属贴片(2)和两条差分微带传输线(6)均关于介质基板的中心线轴对称相连；两条差分微带传输线(6)直接相连，转角处存在90°直角(7)，并在直角弯曲处进行45°外斜切；

[0007] 所述的辐射金属贴片(2)上刻有两种槽缝，分别为渐变式槽缝(3)和一个横向槽缝(5)，渐变式槽缝(3)设计能够让天线产生两个谐振点，用于实现超宽带特性；横向槽缝(5)为长方形槽缝，能够更好地为天线提供宽带匹配效果；所述的差分微带传输线(6)能够为天线提供一对极性相反的馈电信号；所述的差分微带传输线(6)的对称中心和辐射金属贴片(2)的对称中心与介质基板(1)的中心在一条直线上。

[0008] 进一步的，所述的渐变式槽缝(3)和横向槽缝(5)均关于介质基板的中心线轴对称相连。

[0009] 进一步的，所述的渐变式槽缝(3)与横向槽缝(5)之间通过长条形细缝槽连接，长条形细缝槽的宽度s1为1.4mm，且长条形细缝槽对称设置，其两条边分别是辐射金属贴片(2)。

[0010] 进一步的，所述的两个辐射金属贴片(2)总长度和总宽度与介质基板(1)的长度和宽度一致。

[0011] 进一步的，所述介质基板(1)采用Rogers 5880材料制作而成，相对介电常数εr为2.2，损耗正切tanδ为0.0009，厚度h为0.787mm；介质基板(1)的长度l为50mm，宽度w为60mm。

[0012] 进一步的，所述的辐射金属贴片(2)上的渐变式槽缝(3)的中心点位于辐射金属贴片的中心线上，且在辐射金属贴片(2)的末端。

[0013] 进一步的，所述的渐变式槽缝(3)与横向槽缝(5)的中心点处在同一条直线上，靠近两个辐射金属贴片(2)的等效接地端口处。

[0014] 进一步的，所述的渐变式槽缝(3)的宽度t_w为16.8mm，两条斜边长度t_l均为16.42mm；渐变式槽缝(3)与横向槽缝(5)的间距(4)l1为20.55mm；对于两个天线等效接地端口处的横向槽缝(5)，其宽度w1为28mm，长度l2为4.9mm。

[0015] 进一步的，所述的两条相同的附着在介质基板(1)下表面的差分微带传输线(6)的宽度s2为2.45mm，差分微带传输线(6)的间隔w2为52.85mm，转角处距介质基板边缘的距离l3为19.78mm。

[0016] 本发明工作过程如下：

[0017] 一对等幅反相的馈电信号通过差分微带传输线(6)由两个馈电端口Port1和Port2同时输入，从而由馈电信号、差分微带传输线(6)、馈电端口形成差分馈电结构。将电磁波传递到介质基板上表面的辐射金属贴片(2)，最后将能量通过边缘辐射效应辐射出去从而形成天线。

[0018] 本发明与现有技术相比，其有益效果是：

[0019] 本发明提出的超宽带差分PIFA天线，采用差分馈电技术，可以直接与射频前端集成，使得工作频段内的阻抗匹配稳定，并且工作频段内地方向图稳定且对称，可以更好地抑制交叉极化，形成超宽带效果。本发明提出的超宽带差分PIFA天线，相比传统的PIFA天线，减少了接地平面的引入，使得馈电信号的抗干扰能力更加突出，简化电路的复杂性。并且将天线的辐射贴片采用渐变开槽设计，不仅能让PIFA天线兼具Vivaldi天线的超宽带效果，也能更好地让天线实现超宽带匹配，达到简化射频电路的效果。

[0020] 本发明天线在2‑5.4GHz的差模驻波比均小于1.7，且回波损耗均大于12dB,相对带宽大于90％。另外，天线在工作频段内的增益大于5dBi，辐射效率大于95％，具有超宽带、高增益、高效率以及卓越的端口匹配等性能。

实施方案

[0035] 下面结合具体实施例来对本发明进行进一步分析。

[0036] 结合图1(a)和图1(b)，超宽带差分PIFA包括介质基板(1)、两个对称的辐射金属贴片(2)、馈电微带线(6)。两个相同的辐射贴片(2)位于介质基板(1)的上表面，关于介质基板的中心线轴对称相连。两条相同的馈电微带线(6)位于介质基板(1)的下表面，关于介质基板的中心线轴对称相连，转角处存在90°夹角(7)。

[0037] 所述介质基板(1)采用Rogers 5880材料制作而成，相对介电常数εr为2.2，损耗正切tanδ为0.0009，厚度h为0.787mm。介质基板(1)的长度l为50mm，宽度w为60mm。

[0038] 结合图1(b)和图1(c)，两个相同的辐射金属贴片(2)完全附着在介质基板(1)上，其总长度和总宽度与介质基板(1)的长度和宽度一致，但是在辐射金属贴片开了两种类型的槽。采用渐变式槽缝(3)与等腰三角形类似，宽度t_w为16.8mm，两条斜边长度t_l均为16.42mm。渐变式槽缝(3)与横向槽缝(5)之间通过长条形细缝槽连接，长条形细缝槽的宽度s1为1.4mm，且长条形细缝槽对称设置，其两条边分别是辐射金属贴片(2)；渐变式槽缝(3)与横向槽缝(5)的间距(4)l1为20.55mm。对于两个天线等效接地点附近的横向槽缝(5)，其宽度w1为28mm，长度l2为4.9mm。结合图1(b)和图1(d)，两条相同的馈电微带线(6)附着在介质基板(1)的下表面，微带线的宽度s2为2.45mm，微带线的间隔w2为52.85mm，微带线转角处距介质基板边缘的距离l3为19.78mm，并在转角处进行导带直角弯曲45°外斜切(7)。

[0039] 结合图3，超宽带差分PIFA天线差模反射系数低于‑10dB的工作频带为2‑5.4GHz，绝对带宽为3.4GHz，相对带宽为91.9％，天线在工作频带内的共模抑制大于‑
0.26dB。结合图4，超宽带差分PIFA天线在2‑5.4GHz设计工作频带内差模驻波小于1.41，有着卓越的端口匹配效果，该超宽带差分PIFA天线具备优异的超宽带、低差模驻波及高共模抑制特性。结合图5，超宽带差分PIFA天线的峰值增益在2.4GHz处为6.5dBi，天线的效率为
98.7％；在3.7GHz处的峰值增益为5.5dBi，天线的效率为99.1％；在4.9GHz处的峰值增益为
4.9dBi，天线的效率为97.5％。在所需要的5G通信频段内均大于5dBi,该超宽带差分PIFA天线具备优异的高增益，高效率特性。图6反映出天线在差模操作中2.8GHz、3.7GHz、4.2GHz和
4.9GHz的归一化辐射方向图，图中的结果可以通过以下分析解释：辐射场主要归结于两个PIFA的电流分布，在天线的结构中，电流仅存在y向和z向分量。在差模操作下，天线相对于对称平面的z向电流分量是相反的，并且辐射相互抵消，xoy平面中的Eθ几乎为零。另外，天线的y向电流分量相对于对称平面对称。

[0040] 由上可知，本发明基于差分馈电技术的超宽带差分PIFA天线具有优异的超宽带、低差模驻波、高共模抑制、频带内高增益等特性，可广泛应用于现代无线通信领域。

附图说明

[0021] 图1(a)是本发明超宽带差分PIFA天线的整体结构示图。

[0022] 图1(b)是本发明超宽带差分PIFA天线的侧视图。

[0023] 图1(c)是本发明超宽带差分PIFA天线的上表面辐射单元示意图。

[0024] 图1(d)是本发明超宽带差分PIFA天线的下表面馈电结构示意图。

[0025] 图2是本发明超宽带差分PIFA天线的辐射贴片开槽示意图，图中同时给出了差分天线辐射贴片上的两种类型的槽。

[0026] 图3是本发明超宽带差分PIFA天线端口特性S参数仿真图和测试图，图中同时给出了端口差模反射系数共模抑制系数的比较。图中测试的端口反射系数通过公式(1)计算,式中的n代表c或d：

[0027]dd

[0028] 图4是本发明超宽带差分PIFA天线端口差模反射系数与差模电压驻波比VSWR的比较，驻波比通过公式(2)计算,式中的n代表c或d：。

[0029]

[0030] 图5是本发明超宽带差分PIFA天线的峰值增益和辐射曲线仿真图，图中同时给出了该差分天线增益和辐射效率的变化趋势。

[0031] 图6(a)是本发明超宽带差分PIFA天线在2.8GHz处的归一化辐射方向图。

[0032] 图6(b)是本发明超宽带差分PIFA天线在3.7GHz处的归一化辐射方向图。

[0033] 图6(c)是本发明超宽带差分PIFA天线在4.2GHz处的归一化辐射方向图。

[0034] 图6(d)是本发明超宽带差分PIFA天线在4.9GHz处的归一化辐射方向图。

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