CN106972252A - 一种手持设备多系统集成式天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种手持设备多系统集成式天线，包括主机、盖板和金属转轴；所述盖板包括介质保护壳和介质基板；所述介质基板为双面覆铜板，其上金属层蚀刻有第一天线，下金属层蚀刻有第二天线和第三天线；所述第一天线为垂直线极化的宽带全向辐射天线；所述第二天线和第三天线为非对称的水平线极化宽带定向辐射天线。本发明的优点和有益效果是天线带宽宽、方向图覆盖范围大、增益高以及结构紧凑。

Description

一种手持设备多系统集成式天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种手持设备多系统集成式天线。
背景技术
随着现代生活数字化程度的不断提高，移动通信设备所发挥的作用将越来越重要。对于在市区中使用的手机来说，由于随处都有良好的基站信号覆盖，所以手机天线的方向图即使是定向辐射也能接受到良好的信号，同时手机本身的辐射功率也不需要太高。而对于一些专用的对讲设备而言，需要至少满足以下不同于手机的通信需求：一是用于卫星定位的天线需要包含多个导航卫星频段，同时具有较宽的方向图覆盖范围；二是为了保证在没有通信基站覆盖的情况下，对讲机之间或对讲机与指挥中心之间能够进行随时随地的通信，天线需要具有全向覆盖的方向图以及足够高的增益；三是通信天线还要具有足够的带宽，以满足一些特殊保密通信的需要。此外，设备的重量、体积、机械强度以及维修难易程度也是需要衡量的重要指标。由于对讲机多采用较手机通信频段更低的UHF频段，其对应的波长在30厘米到1米的范围内，而谐振式天线的尺寸与工作波长呈正比，因此其天线尺寸也要大出许多。一般来说，对讲机天线往往采用独立设计的杆型天线，外接在机身顶部，很大程度上延长了设备的整体长度，以牺牲部分便携性获得较好的天线性能。
本发明所提出的天线系统包含三个独立天线，第一天线用于跳频通信系统，利用主机的金属屏蔽壳作为部分地板，具有带宽宽、增益高、全向方向图且在不同工作频率下方向图一致性好等优点；第二天线和第三天线分别用于GPS导航和卫星通信，具有带宽宽、驻波低、波束宽等优点。利用天线位置的排布，可以使第二天线、第三天线与第一天线极化正交，从而达到较高的隔离度。同时，三个天线结构紧凑且均为平面化结构，能够集成在手持设备盖板中，既节省空间重量又能保持外形的简洁美观。
发明内容
本发明的目的在于提供一种手持设备多系统集成式天线方案，解决了现有方案天线带宽窄、方向图全向性差、结构不够紧凑的问题。
本发明所采用的技术方案包括手持设备的主机部分、盖板部分以及连接主机和盖板的金属转轴；其中，手持设备的主机部分包裹有金属屏蔽壳。所述盖板部分包括介质保护壳和夹在介质保护壳中的介质基板；所述介质基板为双面覆铜基板，包括上金属层、介质层以及下金属层；所述上金属层刻蚀有垂直线极化的第一天线；所述下金属层刻蚀有非对称的水平线极化第二天线以及非对称的水平线极化第三天线，其中第三天线位于第二天线上方。
进一步，所述上金属层包括第一天线，所述第一天线包括第一正方形金属片、第二正方形金属片、贴片电感、第一长方形金属片、贴片电容、第三正方形金属片、第二长方形金属片、第一金属化通孔以及第二金属化通孔，第二正方形金属片位于第一正方形金属片的正上方，二者相隔一个缝隙，贴片电感的一端与第二正方形金属片相连，另一端与第一长方形金属片相连，贴片电容的一端与第一长方形金属片相连，另一端与第三正方形金属片相连，所述第二长方形金属片与第一长方形金属片相连，第一金属化通孔位于第一正方形金属片的中央，第二金属化通孔位于第三正方形金属片的中央，第一金属化通孔与第二金属化通孔均贯通介质基板，其中第一金属化通孔的两端分别连接上金属层的第一正方形金属片和下金属层的地板，第二金属化通孔的两端分别连接上金属层的第三正方形金属片和下金属层的地板；第一天线可采用同轴线进行馈电，将馈电同轴线的外导体焊接在第一正方形金属片上，内导体焊接在第二正方形金属片上，内导体上的电流依次流经第二正方形金属片、贴片电感、第一长方形金属片和第二长方形金属片，并主要在第二长方形金属片上形成垂直线极化的半波长谐振，串联在电流通路中的贴片电感和并联接地的贴片电容起到了阻抗匹配的作用，使得第一天线可以在一个较宽的频带内达到良好的阻抗匹配效果。
进一步，所述下金属层从下至上依次包括地板、第二天线和第三天线，所述第二天线从下到上依次包括第一梯形金属片、第四正方形金属片、第五正方形金属片、第二梯形金属片以及第一长条形金属片，第一梯形金属片与第四正方形金属片相连，第五正方形金属片与第二梯形金属片相连，第四正方形金属片与第五正方形金属片相隔一个缝隙，其中第一梯形金属片和第二梯形金属片为对称放置的等腰梯形金属片，第一长条形金属片居中置于第一梯形金属片和第二梯形金属片的上方，第二天线为非对称的领结型偶极子天线，可采用同轴线进行馈电，将其外导体和内导体分别焊接在第四正方形金属片和第五正方形金属片上，从而在第四和第五正方形金属片上产生水平极化的电流谐振，第一和第二梯形金属片能够起到拓展带宽的作用，因其上下排布的非对称结构，馈电同轴线在焊接时始终垂直与偶极子臂，从而既减小了馈电线对天线的干扰，又便于实际加工，第一和第二梯形金属片的轴线距离地板的距离约为谐振中心频率的四分之一波长，从而使辐射电磁波在经地板反射后能够在垂直于地板的方向上呈同相叠加，形成定向辐射的方向图，第一长条形金属片通过其长度以及与第一、第二梯形金属片距离大小的调节，既可以对第二天线的阻抗匹配进行一定的优化，又能对天线方向图起到一定的引向作用，从而提高增益。
所述第三天线从下到上依次包括第二长条形金属片、第三梯形金属片、第六正方形金属片、第七正方形金属片、第四梯形金属片、以及第三长条形金属片，第三梯形金属片与第六正方形金属片相连，第七正方形金属片与第四梯形金属片相连，第六正方形金属片与第七正方形金属片相隔一个缝隙，其中第三梯形金属片和第四梯形金属片为对称放置的等腰梯形金属片，第二长条形金属片居中置于第三梯形金属片和第四梯形金属片的上方，第三长条形金属片居中置于第三梯形金属片和第四梯形金属片的下方，第三天线也为非对称的领结型偶极子天线，可采用与第二天线相同的方式进行馈电，由于第三天线置于第二天线的上方，与地板的距离较远且不能保证四分之一波长的距离，因此第三天线中加入了第三长条形金属片为其提供反射作用，第三天线的总体尺寸较第二天线更小，因此其工作频率比第二天线更高，同时也可尽量减小对第二天线的辐射遮挡，由于第二、第三天线与第一天线的电场极化方向正交，其辐射场具有较好的隔离度。
本发明的优点和有益效果是天线带宽宽、方向图覆盖范围大、增益高以及结构紧凑。
附图说明
图1是本发明天线总体结构示意图；
图2是盖板结构展开示意图；
图3是介质基板结构分解示意图；
图4是上金属层结构示意图；
图5是下金属层结构示意图；
图中，1.主机，2.盖板，3.连接主机和盖板的金属转轴，4.介质保护壳，5.介质基板，6.上金属层，7.介质层，8.下金属层，9.第一天线，10.第二天线，11.第三天线，61.第一正方形金属片，62.第二正方形金属片，63.贴片电感，64.第一长方形金属片，65.贴片电容，66.第三正方形金属片，67.第二长方形金属片，68.第一金属化通孔，69.第二金属化通孔，81.地板，82.第一梯形金属片，83.第四正方形金属片，84.第五正方形金属片，85.第二梯形金属片，86.第一长条形金属片，87.第二长条形金属片，88.第三梯形金属片，89.第六正方形金属片，810.第七正方形金属片，811.第四梯形金属片，812.第三长条形金属片。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的一种用于手持设备的三天线系统如图1至图5所示，包括手持设备的主机部分1、盖板部分2以及连接主机和盖板的金属转轴3；手持设备的主机部分1包裹金属屏蔽壳；盖板部分2包括介质保护壳4和夹在介质保护壳4中的介质基板5；介质基板5为双面覆铜基板，包括上金属6、介质层7以及下金属层8；上金属层6刻蚀有垂直线极化的第一天线9；下金属层8刻蚀有非对称的水平线极化第二天线10以及非对称的水平线极化第三天线11，其中第三天线11位于第二天线10上方。
上金属层6包括第一天线9，所述第一天线9包括第一正方形金属片61、第二正方形金属片62、贴片电感63、第一长方形金属片64、贴片电容65、第三正方形金属片66、第二长方形金属片67、第一金属化通孔68以及第二金属化通孔69；第二正方形金属片62位于第一正方形金属片61的正上方，二者相隔一个缝隙；贴片电感63的一端与第二正方形金属片62相连，另一端与第一长方形金属片64相连；贴片电容65的一端与第一长方形金属片64相连，另一端与第三正方形金属片66相连；第二长方形金属片67与第一长方形金属片64相连；第一金属化通孔68位于第一正方形金属片的中央，第二金属化通孔69位于第三正方形金属片66的中央；第一金属化通孔68与第二金属化通孔69均贯通介质基板5，其中第一金属化通孔68的两端分别连接上金属层6的第一正方形金属片61和下金属层8的地板81，第二金属化通孔69的两端分别连接上金属层6的第三正方形金属片66和下金属层8的地板81。
下金属层8包括地板81、第二天线10和第三天线11，第二天线从下到上依次包括第一梯形金属片82、第四正方形金属片83、第五正方形金属片84、第二梯形金属片85以及第一长条形金属片86；第一梯形金属片82与第四正方形金属片83相连，第五正方形金属片84与第二梯形金属片85相连；第四正方形金属片83与第五正方形金属片84相隔一个缝隙；第三天线从下到上依次包括第二长条形金属片87、第三梯形金属片88、第六正方形金属片89、第七正方形金属片810、第四梯形金属片811、以及第三长条形金属片812；第三梯形金属片88与第六正方形金属片89相连，第七正方形金属片810与第四梯形金属片811相连；第六正方形金属片89与第七正方形金属片810相隔一个缝隙。
为进一步说明上述技术方案的可实施性，下面给出一个具体设计实例，一个手持设备多系统集成式天线，如图4和图5所示，介质基板为厚度0.8mm、介电常数4.4的FR4基片，介质保护壳介电常数为2.9，厚度为2mm。对应的天线几何参数取值如下：l11＝120mm,l12＝4mm,l13＝2mm,w11＝13mm,w12＝2mm,l01＝80mm,w01＝10mm,l21＝35mm,l22＝55mm,w21＝22mm,w22＝2mm,l31＝55mm,l32＝24.5mm,l33＝40mm,w31＝2mm,w32＝10mm。仿真结果表明，第一天线驻波小于3的工作频段为310-760MHz，相对带宽84％，方向图为全向性，增益变化范围为2.3-3.5dBi，第二天线驻波小于2的工作频带为1.25-1.74GHz，相对带宽33％，方向图为定向性，增益变化范围为5.9-6.3dBi，第三天线驻波小于2的工作频带为1.25-1.74GHz，相对带宽33％，方向图为定向性，增益变化范围为5.9-6.3dBi。
本发明可用于手机、对讲机等移动通信设备，其优点是天线带宽宽、方向图覆盖范围大、增益高以及结构紧凑。
本发明的优点还在于：
(1)相比于传统的对讲机通信天线，第一天线带宽更宽，且在全工作频段方向图一致性都很好，因此更适用于最新的宽带跳频通信技术；
(2)第二天线和第三天线覆盖包括民用和军用的多个卫星导航频段，方向图覆盖角度大、增益高，能够满足多种导航定位需求；
(3)第二天线和第三天线采用非对称结构设计，更便于实际安装，减小馈电线弯折带来的损耗；
(4)所有天线均为平面化结构，利用天线之间的极化以及模式正交，大大缩小天线所占的结构空间，在保持不同通信系统隔离度的情况下，使天线结构更加紧凑。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种手持设备多系统集成式天线，包括手持设备的主机部分(1)、盖板部分(2)以及连接主机和盖板的金属转轴(3)，其特征在于：手持设备的主机部分(1)包裹金属屏蔽壳；所述盖板部分(2)包括介质保护壳(4)和夹在介质保护壳(4)中的介质基板(5)；所述介质基板(5)为双面覆铜基板，包括上金属层(6)、介质层(7)以及下金属层(8)；所述上金属层(6)刻蚀有垂直线极化的第一天线(9)；所述下金属层(8)刻蚀有非对称的水平线极化的第二天线(10)以及非对称的水平线极化的第三天线(11)，其中第三天线(11)位于第二天线(10)上方。
2.根据权利要求书1所述的一种手持设备多系统集成式天线，其特征在于：所述第一天线(9)包括第一正方形金属片(61)、第二正方形金属片(62)、贴片电感(63)、第一长方形金属片(64)、贴片电容(65)、第三正方形金属片(66)、第二长方形金属片(67)、第一金属化通孔(68)以及第二金属化通孔(69)；所述第二正方形金属片(62)位于第一正方形金属片(61)的正上方，二者相隔一个缝隙；所述贴片电感(63)的一端与第二正方形金属片(62)相连，另一端与第一长方形金属片(64)相连；所述贴片电容(65)的一端与第一长方形金属片(64)相连，另一端与第三正方形金属片(66)相连；所述第二长方形金属片(67)与第一长方形金属片(64)相连；所述第一金属化通孔(68)位于第一正方形金属片的中央，第二金属化通孔(69)位于第三正方形金属片(66)的中央；所述第一金属化通孔(68)与第二金属化通孔(69)均贯通介质基板(5)，其中第一金属化通孔(68)的两端分别连接上金属层(6)的第一正方形金属片(61)和下金属层(8)的地板(81)，第二金属化通孔(69)的两端分别连接上金属层(6)的第三正方形金属片(66)和下金属层(8)的地板(81)。
3.根据权利要求书1所述的一种手持设备多系统集成式天线，其特征在于：所述下金属层(8)包括地板(81)、第二天线(10)和第三天线(11)，所述第二天线从下到上依次包括第一梯形金属片(82)、第四正方形金属片(83)、第五正方形金属片(84)、第二梯形金属片(85)以及第一长条形金属片(86)；所述第一梯形金属片(82)与第四正方形金属片(83)相连，第五正方形金属片(84)与第二梯形金属片(85)相连；第四正方形金属片(83)与第五正方形金属片(84)相隔一个缝隙；所述第三天线从下到上依次包括第二长条形金属片(87)、第三梯形金属片(88)、第六正方形金属片(89)、第七正方形金属片(810)、第四梯形金属片(811)、以及第三长条形金属片(812)；所述第三梯形金属片(88)与第六正方形金属片(89)相连，第七正方形金属片(810)与第四梯形金属片(811)相连；第六正方形金属片(89)与第七正方形金属片(810)相隔一个缝隙。
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