CN102044753B - 带十字型高阻抗表面金属条接地的天线及其无线通讯装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了带十字型高阻抗表面金属条接地的天线及其无线通讯装置，天线设置在外壳内部，包括天线辐射单元及其接地板；在接地板上间隔设置有多个高阻抗表面单元；每个高阻抗表面单元均由两条高阻抗表面金属条交叉组成十字型；在十字型交叉处设置有高阻抗表面过孔，用于连接高阻抗表面单元之间的高阻抗表面金属条。由于采用了多个十字型高阻抗表面单元，一方面抑制或阻止了表面波沿其表面传播，另一方面同相位反射了垂直其表面入射的平面波；利用了高阻抗表面抑制表面波的特性，放置于天线周围，降低了对人头方向的辐射，减少了头部吸收的辐射能量，降低了比吸收率；同时不会降低天线辐射性能，不会对通讯质量产生影响，具有通用性和普遍适用性。

Description

带十字型高阻抗表面金属条接地的天线及其无线通讯装置
技术领域
本发明涉及无线通信装置的天线领域，更具体的说，改进涉及的是一种带十字型高阻抗表面金属条接地的天线及其无线通讯装置。
背景技术
无线通讯装置在通讯过程中所发射的无线电波，使用户暴露在可计量的射频电磁辐射中；如使用手机等移动终端本身在通话时，往往会使头部处于手机所发射的电磁辐射场内；为此，包括中国在内的各国政府均制定了全面而安全的准则和规范来管理和约束射频能源的暴露问题；其中，比吸收率(SAR，Specific Absorption Rate)就是很重要的一个评估参数，意为电磁波吸收比值，是手机或无线通讯产品的电磁波能量吸收比值；通俗地讲，就是测量手机辐射对人体尤其是头部的影响是否符合标准。这也是测量人体在使用移动终端时所吸收的射频能量的数量的单位，用作对人体保护的标准。
目前，移动终端已经被设计为能够在这些极为严格的限度内使用，因此各种用于减小SAR的装置和方法正被研发；例如，在移动终端上附加吸收电磁波的材料，或者通过金属件的布置优化射频感应电流，以及复杂的天线设计被用来降低比吸收率等等，但是，这些设计方法往往受到移动终端类型的影响很大，不具有通用性和普遍实用性。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种带十字型高阻抗表面金属条接地的天线及其无线通讯装置，既可降低天线对人体产生的辐射又不会对通讯质量产生影响，还具有普遍适用性。
本发明的技术方案如下：一种带十字型高阻抗表面金属条接地的天线，包括天线辐射单元及其接地板；其中：在接地板上间隔设置有多个高阻抗表面单元；每个高阻抗表面单元均由两条高阻抗表面金属条交叉组成十字型，在十字型交叉处设置有高阻抗表面过孔，高阻抗表面单元之间经由高阻抗表面过孔相互连接，用于抑制沿高阻抗表面传播的表面波和同相位反射垂直高阻抗表面入射的平面波。
所述的带十字型高阻抗表面金属条接地的天线，其中：接地板为印刷电路板；高阻抗表面单元位于印刷电路板表面；高阻抗表面过孔穿过印刷电路板设置。
所述的带十字型高阻抗表面金属条接地的天线，其中：组成十字型高阻抗表面金属条的长度为10mm；相邻两高阻抗表面金属条之间的间距范围在0.5mm～1.5mm之间，重叠部分的长度范围为2.5mm～3.5mm。
所述的带十字型高阻抗表面金属条接地的天线，其中：十字型高阻抗表面单元在接地板上成行设置。
所述的带十字型高阻抗表面金属条接地的天线，其中：至少一条高阻抗表面金属条与高阻抗表面单元形成的行相倾斜设置。
所述的带十字型高阻抗表面金属条接地的天线，其中：十字型高阻抗表面单元在接地板上成列设置。
所述的带十字型高阻抗表面金属条接地的天线，其中：至少一条高阻抗表面金属条与高阻抗表面单元形成的列相倾斜设置。
所述的带十字型高阻抗表面金属条接地的天线，其中：十字型高阻抗表面单元之间相对应的高阻抗金属条平行设置。
所述的带十字型高阻抗表面金属条接地的天线，其中：天线辐射单元为平面倒F型天线。
一种无线通讯装置，包括外壳和通讯用的天线；天线设置在外壳内部，包括天线辐射单元及其接地板；其中：所述天线为如上述中任一项所述的带十字型高阻抗表面金属条接地的天线。
本发明所提供的一种带十字型高阻抗表面金属条接地的天线及其无线通讯装置，由于采用了多个经由高阻抗表面过孔连接的且由两条高阻抗表面金属条交叉组成十字型高阻抗表面单元，一方面抑制或阻止了表面波沿其表面传播，另一方面同相位反射了垂直其表面入射的平面波；利用了高阻抗表面抑制表面波的特性，放置于天线周围，降低了对人头方向的辐射，即降低了无线通讯装置的天线在工作时对人体方向的辐射，减少了头部吸收的辐射能量，降低了比吸收率；同时不会削弱平面波的能量，避免对信号强度产生影响，不会降低天线辐射性能，不会对通讯质量产生影响，具有通用性和普遍适用性。
附图说明
图1是本发明带十字型高阻抗表面金属条接地天线结构的立体示意图。
图2是本发明中设置在接地板上的十字型高阻抗表面单元示意图。
图3是本发明带十字型高阻抗表面金属条接地天线结构的侧视示意图。
图4是本发明中设置在接地板上的十字型高阻抗表面单元的工作原理示意图。
图5是本发明中设置在接地板上的十字型高阻抗表面单元的等效电路示意图。
图6是本发明无线通讯装置中的天线有无十字型高阻抗表面单元的回波损耗测试曲线对比图。
图7是本发明无线通讯装置中的天线有无十字型高阻抗表面单元的比吸收率测试曲线对比图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的具体实施方式和实施例加以详细说明，所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并非用于限定本发明的具体实施方式。
本发明的一种带十字型高阻抗表面金属条接地的天线，其具体实施方式之一，如图1所示，包括天线辐射单元120及其接地板110；其中，在接地板110上间隔设置有多个高阻抗表面单元；每个高阻抗表面单元均由两条高阻抗表面金属条130交叉组成十字型；在十字型交叉处的高阻抗表面金属条130上设置有高阻抗表面过孔160；高阻抗表面单元之间的高阻抗表面金属条130由其上的高阻抗表面过孔160相互连接。
基于上述带十字型高阻抗表面金属条130接地的天线，本发明还提出了一种无线通讯装置，其具体实施方式之一，包括外壳和通讯用的天线；天线设置在外壳内部，包括天线辐射单元120及其接地板110；其中，在接地板110上间隔设置有多个高阻抗表面单元；每个高阻抗表面单元均由两条高阻抗表面金属条130交叉组成十字型；在十字型交叉处的高阻抗表面金属条130上设置有高阻抗表面过孔160；高阻抗表面单元之间的高阻抗表面金属条130由其上的高阻抗表面过孔160相互连接。
本发明所述的高阻抗表面，指的是在天线的接地板110上构建的可以阻止电磁波传播的表面结构，即对某一频段的表面波具有高阻抗特性；具体来说，一是对其表面传播的频率位于其阻带之内的表面波具有抑制作用，或者说不支持频段位于其阻带之内的表面波的传播；二是对垂直于其表面入射的频率位于其阻带之内的平面波具有同相位反射的效果，即反射波与入射波的相位没有发生变化。本文所说的接地板110具体指的是整个印刷电路板，而高阻抗表面替代的则是位于天线下方的部分接地板110。
而对于垂直于金属表面入射的平面波，金属表面会使该平面波的相位发生180°的相位变化，如果天线的接地板110是完整金属，对其表面传播的表面波，不管频率是否位于其阻带之内，其对表面波的阻抗为零；与现有技术中的以完整的金属板接地的天线及其无线通讯装置相比，本发明所提供的以高阻抗表面单元接地的天线及其无线通讯装置，由于采用了多个经由高阻抗表面过孔160连接的且由两条高阻抗表面金属条130交叉组成十字型高阻抗表面单元，一方面抑制或阻止了表面波沿其表面传播，另一方面同相位反射了垂直其表面入射的平面波；利用了高阻抗表面抑制表面波的特性，放置于天线周围，降低了对人头方向的辐射，即降低了无线通讯装置的天线在工作时对人体方向的辐射，减少了头部吸收的辐射能量，降低了比吸收率；同时不会削弱平面波的能量，避免对信号强度产生影响，不会降低天线辐射性能，不会对通讯质量产生影响，具有通用性和普遍适用性。
假设天线辐射单元120是一种平面倒F型天线，如图1所示，天线辐射单元120上有两个终端开路的分支，其工作原理为四分之一波长谐振；外侧较宽长度较短的是高频分支，内侧较窄长度较长的是低频分支。通过天线辐射单元120的接地脚140和天线辐射单元120的馈入脚150与印刷电路板的射频收发电路相连接。
在本发明带十字型高阻抗表面金属条130接地的天线及其无线通讯装置的优选实施方式中，如图2所示，接地板110为印刷电路板；高阻抗表面单元位于印刷电路板表面；高阻抗表面过孔160穿过印刷电路板设置；利用印刷电路板表面上的覆铜层制作十字型高阻抗表面金属条130，以及利用印刷电路板上的通孔制作高阻抗表面过孔160。
较好的是，如图3所示，高阻抗表面过孔160穿过印刷电路板设置，十字型高阻抗表面金属条130通过其交叉处的高阻抗表面过孔160，与印刷电路板的下表面金属层形成电气连接，以实现高阻抗表面单元的接地。
具体的，十字型的高阻抗表面金属条130设置在印刷电路板的上表面，印刷电路板的下表面由完整的金属层组成。十字型高阻抗表面金属条130尽可能平铺在金属电路板的上表面，特别是天线辐射单元120所覆盖的下方区域，以替代原有的整块金属层作为天线辐射单元120新的接地面，即实现将零欧姆的接地面过渡到阻抗无穷大的接地面。
优选地，如图2所示，组成十字型高阻抗表面金属条130的长度L为10mm；相邻两高阻抗表面金属条130之间的间距δ范围在0.5mm～1.5mm之间，重叠部分的长度S范围为2.5mm～3.5mm。
进一步地，十字型高阻抗表面单元在接地板110上成行设置；其中，至少一条高阻抗表面金属条130与高阻抗表面单元形成的行相倾斜设置。以及，十字型高阻抗表面单元在接地板110上成列设置；其中，至少一条高阻抗表面金属条130与高阻抗表面单元形成的列相倾斜设置。优选地，十字型高阻抗表面单元之间相对应的高阻抗金属条平行设置。当然，十字型高阻抗表面单元中的高阻抗表面金属条130也可与高阻抗表面单元形成的行或列相平行或相垂直设置。
由于印刷电路板的介电常数以及厚度将会影响到十字型金属条的结构尺寸大小，所以在设计时可通过调整十字型金属条的长度、宽度以及十字型金属条之间的间隙，来优化高阻抗表面单元的工作频带，以使其位于通信制式的发射信道范围内。
本发明的天线及其无线通讯装置的接地所采用的十字型高阻抗表面金属条130，该结构的电磁特性可以用集总电路元件、电容和电感来描述。其等效电路参数表现为并联谐振的LC电路，如图5所示，其作用可看作一种二维电滤波器以阻止电流沿其表面流动。
如图4所示，当十字型金属条连同接地过孔与电磁波相互作用时，在十字型金属条上将产生感应电流，平行于顶部表面的电压作用，导致在十字型金属条的两端累积出电荷，因此可等效于电容效应。而电荷在金属过孔和印刷电路板的下表面之间来回流动形成电流环路，同电流联系在一起的是磁场和电感，其电容和电感的示意图如图4所示，其等效谐振电路如图5所示。
在低于谐振频率时表面阻抗呈现电感性，而在高于谐振频率时，表面阻抗呈现电容性，在谐振频率附近，表面阻抗是很大的值，等效为无穷大。设计过程中，若使十字型金属片连同过孔的单元结构谐振在通信制式的无线发射信道的频带内，则该结构将在此频带内形成无限大的阻抗，阻止射频表面电流的通过，从而减小该频带内的比吸收率。
如图6所示，虚线A为有高阻抗表面单元接地的情况下平面倒F型天线的回波损耗测试曲线图，实线B为无高阻抗表面单元接地的情况下平面倒F型天线的回波损耗测试曲线图；从曲线A上看，加载十字型高阻抗表面金属条130以及高阻抗表面过孔160对回波损耗的影响并不大，由此保证了辐射性能基本不受影响。
如图7所示，虚线A为有高阻抗表面单元接地的情况下平面倒F型天线的比吸收率测试曲线图，实线B为无高阻抗表面单元接地的情况下平面倒F型天线的比吸收率测试曲线图；从虚线A上看，加载十字型高阻抗表面金属条130以及高阻抗表面过孔160有效地降低比吸收率，较同频点的比吸收率均可下降35%左右。
应当理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不足以限制本发明的技术方案，对本领域普通技术人员来说，在本发明的精神和原则之内，可以根据上述说明加以增减、替换、变换或改进，例如，天线辐射单元120包括单不限于是平面型倒F型天线，也可以是多频段天线等，而所有这些增减、替换、变换或改进后的技术方案，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种带十字型高阻抗表面金属条接地的天线，包括天线辐射单元及其接地板；其特征在于：在接地板上间隔设置有多个高阻抗表面单元；每个高阻抗表面单元均由两条高阻抗表面金属条交叉组成十字型，在十字型交叉处设置有高阻抗表面过孔，高阻抗表面单元之间经由高阻抗表面过孔相互连接，用于抑制沿高阻抗表面传播的表面波和同相位反射垂直高阻抗表面入射的平面波。
2.根据权利要求1所述的带十字型高阻抗表面金属条接地的天线，其特征在于：接地板为印刷电路板；高阻抗表面单元位于印刷电路板表面；高阻抗表面过孔穿过印刷电路板设置。
3.根据权利要求1所述的带十字型高阻抗表面金属条接地的天线，其特征在于：组成十字型高阻抗表面金属条的长度为10mm；相邻两高阻抗表面金属条之间的间距范围在0.5mm～1.5mm之间，重叠部分的长度范围为2.5mm～3.5mm。
4.根据权利要求1所述的带十字型高阻抗表面金属条接地的天线，其特征在于：十字型高阻抗表面单元在接地板上成行设置。
5.根据权利要求4所述的带十字型高阻抗表面金属条接地的天线，其特征在于：至少一条高阻抗表面金属条与高阻抗表面单元形成的行相倾斜设置。
6.根据权利要求1所述的带十字型高阻抗表面金属条接地的天线，其特征在于：十字型高阻抗表面单元在接地板上成列设置。
7.根据权利要求6所述的带十字型高阻抗表面金属条接地的天线，其特征在于：至少一条高阻抗表面金属条与高阻抗表面单元形成的列相倾斜设置。
8.根据权利要求1所述的带十字型高阻抗表面金属条接地的天线，其特征在于：十字型高阻抗表面单元之间相对应的高阻抗金属条平行设置。
9.根据权利要求1至8中任一所述的带十字型高阻抗表面金属条接地的天线，其特征在于：天线辐射单元为平面倒F型天线。
10.一种无线通讯装置，包括外壳和通讯用的天线；天线设置在外壳内部，包括天线辐射单元及其接地板；其特征在于：所述天线为如权利要求1至9中任一项所述的带十字型高阻抗表面金属条接地的天线。
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Analysis of a Microstrip Reflectarray Antenna for Microspacecraft Applications;J.Huang;《TDA Progress report》;19950215;170页倒数第一段，图16 *
Broadband reflectarray antenna with double cross loops;M.R. Chaharmir, J. Shaker, M. Cuhaci and A. Ittipiboon;《Electronics Letters》;20060119;第42卷(第2期);全文 *
J.Huang.Analysis of a Microstrip Reflectarray Antenna for Microspacecraft Applications.《TDA Progress report》.1995,170页倒数第一段.
M.R. Chaharmir, J. Shaker, M. Cuhaci and A. Ittipiboon.Broadband reflectarray antenna with double cross loops.《Electronics Letters》.2006,第42卷(第2期),全文.

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