CN106099354A - 一种双频内置天线及其设计方法 - Google Patents

一种双频内置天线及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双频内置天线及其设计方法。双频内置天线包括：低频信号辐射段，包括构成低频双极子振子且轴对称设置的低频馈电臂和低频接地臂；高频信号辐射段，包括构成高频双极子振子且轴对称设置的高频馈电臂和高频接地臂；馈电段和接地段，分别从高频馈电臂和高频接地臂相向延伸而出，馈电段和接地段呈一定的间距并相互交错；两个阻抗匹配段，分别连接低频馈电臂与高频馈电臂、低频接地臂与高频接地段；介质基板，将双频内置天线的各部件定位在PCB基板的顶表面上。连接的馈电段和第一阻抗匹配段与连接的接地段和第二阻抗匹配段之间存在弯折的缝隙，调节缝隙的宽度可调节天线的输入阻抗，使输入阻抗与射频同轴线的特性阻抗共轭匹配。

Description

一种双频内置天线及其设计方法
技术领域
本发明涉及无线通讯技术领域的一种天线及其设计方法，尤其涉及一种双频内置天线及其设计方法。
背景技术
现在随着移动通讯的飞速发展，人们物质生活水平的提高,网络通讯设备已成为日常生活不可或缺的一种工具。各种网络设备在社会上的普及率提升速度非常快，而且基于国家“三网合一”的大政策背景下，互联网、广播电视网、数据通信网将合并一网，丰富的网络信息资源，可以让个人通过一个网络得到所期望的信息，也可以让企业提供丰富多样的形式接入网络，在这其中，最方便、最快捷的方式就是无线接入方式，因为无线的接入方式节约了大量的网络铺设费用，可以快速规划、快速安装、快速投入使用，维护也相对简洁。
当前，高宽带大流量高速传输并支持高密度接入的市场需求越来越大，单一频段的网络设备已不能满足用户高宽带大流量的通信需求，802.11ac的出现解决了这一问题，即多天线多频段进行数据传输。由于天线的增多，双频天线的尺寸较大，加上天线之间的间距有一定的要求，所以多天线的网络设备一般尺寸较大，成本较高。但市场竞争越来越激烈，消费者对网络设备的要求也越来越高，低成本高性能的网络设备将会获得更大的竞争优势。在保证性能的前提下，天线的小型化可以缩小整机的尺寸，降低天线及整机成本，从而更具市场竞争力，所以一款小型化高性能内置天线对提升整机市场竞争力有重要意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种尺寸更小，性能更好的双频内置天线及 其设计方法，双频内置天线会缩小使用所述天线的整机尺寸，降低成本，以及改善家用型网通设备的无线网络信号覆盖，从而提升整机的市场竞争力。
本发明的解决方案是：一种双频内置天线，其设置在PCB基板的顶表面上，所述双频内置天线包括：
低频信号辐射段，其用于实现低频信号的辐射，其包括轴对称设置的低频馈电臂和低频接地臂，低频馈电臂和低频接地臂构成低频双极子振子；
高频信号辐射段，其用于实现高频信号的辐射，其包括轴对称设置的高频馈电臂和高频接地臂，高频馈电臂和高频接地臂构成高频双极子振子；
馈电段和接地段，其分别从高频馈电臂和高频接地臂相向延伸而出，馈电段和接地段呈一定的间距并相互交错；
第一阻抗匹配段和第二阻抗匹配段，其均用于调节低频双极子振子和高频双极子振子的输入阻抗，实现与天线的射频同轴线的特性阻抗共轭匹配；第一阻抗匹配段是低频馈电臂的延伸段，并与高频馈电臂相连；第二阻抗匹配段是低频接地臂的延伸段，并与高频接地段相连；
介质基板，其用于将双频内置天线的各部件定位在PCB基板的顶表面上；
其中，连接的馈电段和第一阻抗匹配段与连接的接地段和第二阻抗匹配段之间存在弯折的缝隙，调节缝隙的宽度可调节天线的输入阻抗，使输入阻抗与射频同轴线的特性阻抗共轭匹配。
作为上述方案的进一步改进，低频双极子振子和高频双极子振子形成两条主要的电流信号传输路径：低频电流信号传输路径和高频电流信号传输路径；低频电流信号传输路径和高频电流信号传输路径的长度均为规定频率的1/2波长。
优选地，高频馈电臂、馈电段、接地段、高频接地臂依次构成高频电流信号传输路径；馈电段加高频馈电臂的长度、接地段加高频接地臂的长度均为规定频率的1/4波长，高频馈电臂、馈电段、接地段、高频接地臂形成完整的1/2波长高频信号电流路径，中心馈电，在规定的高频段内辐射电磁波。
优选地，馈电段、第一阻抗匹配段、低频馈电臂、接地段、第二阻抗匹配段、低频接地臂依次构成低频电流信号传输路径；馈电段加第一阻抗匹配段和低频馈电臂的长度、接地段加第二阻抗匹配段和低频接地臂的长度均为规定频率的1/4波长，馈电段、第一阻抗匹配段、低频馈电臂、接地段、第二阻抗匹配段、低频接地臂形成完整的1/2波长低频信号电流路径，中心馈电，高效的在规定的低频段内辐射电磁波。
作为上述方案的进一步改进，低频馈电臂和低频接地臂的末端均做弯曲折叠处理。
作为上述方案的进一步改进，高频馈电臂和高频接地臂的宽度要大于低频馈电臂和低频接地臂的宽度。
优选地，高频馈电臂和高频接地臂做成扇形方式。
作为上述方案的进一步改进，天线布铜区域为介质基板的顶表面或底表面，天线安装方式为贴壳固定安装，安装方式包括卡扣方式和定位柱热熔方式。
作为上述方案的进一步改进，所述双频内置天线的电缆出线方式为垂直于低频双极子振子和高频双极子振子的走向方向。
本发明还提供一种上述任意双频内置天线的设计方法，其设计低频双极子振子和高频双极子振子，形成两条主要的电流信号传输路径：低频电流信号传输路径和高频电流信号传输路径；低频电流信号传输路径和高频电流信号传输路径的长度均为规定频率的1/2波长；
其中，高频馈电臂、馈电段、接地段、高频接地臂依次构成高频电流信号传输路径；馈电段加高频馈电臂的长度、接地段加高频接地臂的长度均为规定频率的1/4波长，高频馈电臂、馈电段、接地段、高频接地臂形成完整的1/2波长高频信号电流路径，中心馈电，在规定的高频段内辐射电磁波；
馈电段、第一阻抗匹配段、低频馈电臂、接地段、第二阻抗匹配段、低频接地臂依次构成低频电流信号传输路径；馈电段加第一阻抗匹配段和低频馈电臂的长度、接地段加第二阻抗匹配段和低频接地臂的长度均为规定频率的1/4 波长，馈电段、第一阻抗匹配段、低频馈电臂、接地段、第二阻抗匹配段、低频接地臂形成完整的1/2波长低频信号电流路径，中心馈电，高效的在规定的低频段内辐射电磁波。
本发明能设计出尺寸更小，性能更好的双频内置天线，能缩小使用所述天线的整机尺寸，降低成本，以及改善家用型网通设备的无线网络信号覆盖，从而提升整机的市场竞争力。
附图说明
图1为本发明提供的双频内置天线的结构示意图。
图2为图1中双频内置天线的电流走向示意图。
具体实施方式
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。
请参阅图1，本发明的双频内置天线设置在PCB基板的顶表面上，主要包括低频信号辐射段、高频信号辐射段、馈电段70、接地段80、第一阻抗匹配段50、第二阻抗匹配段90、介质基板10。
介质基板10用于将双频内置天线的各部件定位在PCB基板的顶表面上，PCB基板的顶表面是指PCB基板的top面。天线布铜区域可为基板的TOP面或Bottom面，天线安装方式为贴壳固定安装，安装方式可包括卡扣方式和定位柱热熔方式。
低频信号辐射段用于实现低频信号的辐射，主要包括轴对称设置的低频馈电臂30和低频接地臂20。低频馈电臂30和低频接地臂20构成低频双极子(dipole)振子。
高频信号辐射段用于实现高频信号的辐射，主要包括轴对称设置的高频馈 电臂40和高频接地臂60，高频馈电臂40和高频接地臂60构成高频双极子振子。为展宽高频带宽和加深高频的谐振深度，高频馈电臂40和高频接地臂60的宽度大于低频馈电臂30和低频接地臂20，且做渐变式扇形展开，这样阻抗随频率的变化就没那么敏感，带宽自然展宽。
馈电段70和接地段80分别从高频馈电臂40和高频接地臂60相向延伸而出，馈电段70和接地段80呈一定的间距并相互交错。
第一阻抗匹配段50和第二阻抗匹配段90均用于调节低频双极子振子和高频双极子振子的输入阻抗，实现与天线的射频同轴线的特性阻抗共轭匹配。第一阻抗匹配段50是低频馈电臂30的延伸段，并与高频馈电臂40相连；第二阻抗匹配段90是低频接地臂20的延伸段，并与高频接地段60相连。阻抗匹配段主要作用是调节低频dipole阵子和高频dipole阵子的输入阻抗，实现与射频同轴线的特性阻抗共轭匹配。第一阻抗匹配段50和低频馈电臂30之间做斜角处理，目的是确保阻抗的连续传递，避免阻抗失配或阻抗突变引起的信号反射，降低天线的辐射效率。
请结合图2，双频内置天线的电缆出线方式为垂直于低频双极子振子和高频双极子振子的走向方向。本发明的双频内置天线工作在低频和高频两个频段，有两个主要的电流信号传输路径，分别为低频电流信号传输路径和高频电流信号传输路径，通过两个电流信号传输路径实现双频段辐射功能。低频双极子振子和高频双极子振子形成两条主要的电流信号传输路径，低频电流信号传输路径和高频电流信号传输路径的长度均为规定频率的1/2波长。
高频信号传输路径经过馈电段70，高频馈电臂40，高频电流信号路径经过接地段80，高频接地臂60。为确保高频信号的良好辐射，馈电段70加高频馈电臂40的长度为规定频率的1/4波长，接地段80加高频接地臂60的长度为规定频率的1/4波长，馈电段70加高频馈电臂40再加上接地段80和高频接地臂60的总长度为规定频率的1/2波长，这就形成了完整的1/2波长高频信号电流路径，中心馈电，高效的在规定的高频段内辐射电磁波。
低频信号传输路径经过馈电段70，第一阻抗匹配段50，低频馈电臂30，低频地电流信号路径经过接地段80，第二阻抗匹配段90，低频接地臂20。为确保低频信号的良好辐射，馈电段70加第一阻抗匹配段50和低频馈电臂30的长度为规定频率的1/4波长，接地段80加第二阻抗匹配段90和低频接地臂20的长度为规定频率的1/4波长。馈电段70加第一阻抗匹配段50加低频馈电臂30再加上接地段80、第二阻抗匹配段90和低频接地臂20的总长度为规定频率的1/2波长，这就形成了完整的1/2波长低频信号电流路径，中心馈电，高效的在规定的低频段内辐射电磁波。整个通路电长度为规定频率的1/2波长，形成良好谐振，高效地辐射电磁能。
馈电段70、第一阻抗匹配段50和接地段80、第二阻抗匹配段90之间弯折的缝隙，即连接的馈电段70和第一阻抗匹配段50与连接的接地段80和第二阻抗匹配段90之间存在弯折的缝隙，调节缝隙的宽度可调节天线的输入阻抗，使输入阻抗与射频同轴线的特性阻抗共轭匹配。
缝隙两边的金属面互相产生较强的电容耦合，调节缝隙的宽度可调节天线的输入阻抗，使之与射频线的特性阻抗相匹配。电容耦合可以在电长度不变的情况下有效缩短天线的物理尺寸，在较小的物理尺寸状态下，天线的固有频率与激励信号频率相等，天线中的电磁振荡振幅达到峰值，此时规定频率内形成较好谐振，提高辐射效率。缝隙的电容耦合可以降低Q值，降低天线所呈现感抗与等效辐射电阻之比，提高一个辐射周期内的辐射的能量与存储能量之比，展宽天线阻抗带宽和提高辐射效率。
高频馈电臂40和高频接地臂60的宽度可大于低频馈电臂30和低频接地臂20的宽度，高频馈电臂40和高频接地臂60可做成扇形方式。由于高频段的带宽要求比低频段宽，所以高频辐射通路宽度大于低频辐射通路，同时高频馈电臂40和高频接地臂60做成扇形方式，降低高频阻抗对频率的敏感程度，提高带宽。低频馈电臂30和低频接地臂20的末端均可做弯曲折叠处理，充分理由现有的空间走完低频电流路径，在有限的空间内增加天线的有效辐射面积，提 高天线的辐射效率，实现天线的小型化。故，低频辐射阵子(低频馈电臂30和低频接地臂20)末端弯曲折叠辐射枝节，在有限的空间内增加天线的有效辐射面积，提高天线的辐射效率，实现天线的小型化。
综上所述，本发明的型化双频段内置天线设计时，其设计方法的要点为：通过在基板上巧妙的布铜走线，使得在较小的空间中形成低频段和高频段电流谐振路径，同时对高频辐射单元的扇形处理以及在馈电段、第一阻抗匹配段和接地段、第二阻抗匹配段之间形成金属的缝隙产生较强的缝隙耦合，展宽带宽，同时也有一定的物理尺寸缩短效应。
以上该仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双频内置天线，其设置在PCB基板的顶表面上，其特征在于：所述双频内置天线包括：
低频信号辐射段，其用于实现低频信号的辐射，其包括轴对称设置的低频馈电臂(30)和低频接地臂(20)，低频馈电臂(30)和低频接地臂(20)构成低频双极子振子；
高频信号辐射段，其用于实现高频信号的辐射，其包括轴对称设置的高频馈电臂(40)和高频接地臂(60)，高频馈电臂(40)和高频接地臂(60)构成高频双极子振子；
馈电段(70)和接地段(80)，其分别从高频馈电臂(40)和高频接地臂(60)相向延伸而出，馈电段(70)和接地段(80)呈一定的间距并相互交错；
第一阻抗匹配段(50)和第二阻抗匹配段(90)，其均用于调节低频双极子振子和高频双极子振子的输入阻抗，实现与天线的射频同轴线的特性阻抗共轭匹配；第一阻抗匹配段(50)是低频馈电臂(30)的延伸段，并与高频馈电臂(40)相连；第二阻抗匹配段(90)是低频接地臂(20)的延伸段，并与高频接地段(60)相连；
介质基板(10)，其用于将双频内置天线的各部件定位在PCB基板的顶表面上；
其中，连接的馈电段(70)和第一阻抗匹配段(50)与连接的接地段(80)和第二阻抗匹配段(90)之间存在弯折的缝隙，调节缝隙的宽度可调节天线的输入阻抗，使输入阻抗与射频同轴线的特性阻抗共轭匹配。
2.如权利要求1所述的双频内置天线，其特征在于：低频双极子振子和高频双极子振子形成两条主要的电流信号传输路径：低频电流信号传输路径和高频电流信号传输路径；低频电流信号传输路径和高频电流信号传输路径的长度均为规定频率的1/2波长。
3.如权利要求2所述的双频内置天线，其特征在于：高频馈电臂(40)、馈电段(70)、接地段(80)、高频接地臂(60)依次构成高频电流信号传输路径；馈电段(70)加高频馈电臂(40)的长度、接地段(80)加高频接地臂(60)的长度均为规定频率的1/4波长，高频馈电臂(40)、馈电段(70)、接地段(80)、高频接地臂(60)形成完整的1/2波长高频信号电流路径，中心馈电，在规定的高频段内辐射电磁波。
4.如权利要求2所述的双频内置天线，其特征在于：馈电段(70)、第一阻抗匹配段(50)、低频馈电臂(30)、接地段(80)、第二阻抗匹配段(90)、低频接地臂(20)依次构成低频电流信号传输路径；馈电段(70)加第一阻抗匹配段(50)和低频馈电臂(30)的长度、接地段(80)加第二阻抗匹配段(90)和低频接地臂(20)的长度均为规定频率的1/4波长，馈电段(70)、第一阻抗匹配段(50)、低频馈电臂(30)、接地段(80)、第二阻抗匹配段(90)、低频接地臂(20)形成完整的1/2波长低频信号电流路径，中心馈电，高效的在规定的低频段内辐射电磁波。
5.如权利要求1所述的双频内置天线，其特征在于：低频馈电臂(30)和低频接地臂(20)的末端均做弯曲折叠处理。
6.如权利要求1所述的双频内置天线，其特征在于：高频馈电臂(40)和高频接地臂(60)的宽度要大于低频馈电臂(30)和低频接地臂(20)的宽度。
7.如权利要求6所述的双频内置天线，其特征在于：高频馈电臂(40)和高频接地臂(60)做成扇形方式。
8.如权利要求1所述的双频内置天线，其特征在于：天线布铜区域为介质基板(10)的顶表面或底表面，天线安装方式为贴壳固定安装，安装方式包括卡扣方式和定位柱热熔方式。
9.如权利要求1所述的双频内置天线，其特征在于：所述双频内置天线的电缆出线方式为垂直于低频双极子振子和高频双极子振子的走向方向。
10.一种如权利要求1所述的双频内置天线的设计方法，其特征在于：设计低频双极子振子和高频双极子振子，形成两条主要的电流信号传输路径：低频电流信号传输路径和高频电流信号传输路径；低频电流信号传输路径和高频电流信号传输路径的长度均为规定频率的1/2波长；
其中，高频馈电臂(40)、馈电段(70)、接地段(80)、高频接地臂(60)依次构成高频电流信号传输路径；馈电段(70)加高频馈电臂(40)的长度、接地段(80)加高频接地臂(60)的长度均为规定频率的1/4波长，高频馈电臂(40)、馈电段(70)、接地段(80)、高频接地臂(60)形成完整的1/2波长高频信号电流路径，中心馈电，在规定的高频段内辐射电磁波；
馈电段(70)、第一阻抗匹配段(50)、低频馈电臂(30)、接地段(80)、第二阻抗匹配段(90)、低频接地臂(20)依次构成低频电流信号传输路径；馈电段(70)加第一阻抗匹配段(50)和低频馈电臂(30)的长度、接地段(80)加第二阻抗匹配段(90)和低频接地臂(20)的长度均为规定频率的1/4波长，馈电段(70)、第一阻抗匹配段(50)、低频馈电臂(30)、接地段(80)、第二阻抗匹配段(90)、低频接地臂(20)形成完整的1/2波长低频信号电流路径，中心馈电，高效的在规定的低频段内辐射电磁波。
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