CN107919527A - 一种天线装置和终端设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线装置和终端设备，一种天线装置，包括：PCB介质基板、第一辐射单元、第二辐射天线部件；第一辐射单元为分别印刷于PCB介质基板的两面的相互间隔排列的金属导线经由一系列过孔连接构成的螺旋状天线；第二辐射天线部件安装于PCB介质基板上，第二辐射天线部件的一连接端设有馈电部，第二辐射天线部件的另一连接端与第一辐射单元的一端连接；第二辐射天线部件的谐振状态能可控地调节而匹配调谐第一辐射单元的辐射特性，获得预先确定的整个天线的辐射特性。本发明实施例公开的天线装置和终端设备，提供了一种高可靠性且可调谐的小型化螺旋天线。

Description

一种天线装置和终端设备

技术领域

本发明实施例涉及天线技术，尤其涉及一种天线装置和终端设备。

背景技术

随着无线通信技术和物联网技术的发展，天线得到了空间广泛的应用，为了响应电子产品的尺寸缩小及多元性，小型内置天线因尺寸小、便于与设备电路集成的特点，广泛引用于各种电子装置中。日常生活中的低频无线终端设备，比如，智能家居、无线监控、数据采集和射频识别等系统，变得越来越小，越来越薄，越来越轻，而功能变得越来越强大，需要天线技术具备低功耗，高穿透性，通讯距离远等特点。

目前，这种应用中，传统的螺旋天线的辐射体是由螺旋状的金属导体制成的，将金属导体螺旋状地铺设在基板上，构成螺旋天线，这种类型的天线一般都是外置型的，体积较大，且不易安装。另外，传统的PCB单极子蛇形印刷天线，在小型化空间内增加了电流路径的有效长度，又节约了天线走线所需的空间，兼顾了天线的有效尺寸和增益特性，但是，一旦设计加工定型后，PCB介质基板的介电常数、厚度及其上布置的微带金属导线的宽度尺寸、形状等影响天线辐射特性的所有参数都完全固定，无法再改变，天线性能也就无法调整，这会导致以下问题：一方面受限于设备结构空间和天线生产加工能力，满足高性能要求的一些设计无法加工实现；另一方面，由于生产加工上存在一定的制造公差，会导致天线性能不稳定，这种硬伤无法改善。

因此，需要开发一种天线装置，适用于系统集成比较小的设备，不再局限于设备结构和制造加工限制，可以在任何的设计方案上都能最大程度地调节改变其中的一部分参数而使得整个天线装置具备更好的带宽、辐射效率和高增益的优点。

发明内容

本发明提供一种天线装置和终端设备，以提供一种高性能且可调谐的螺旋天线。

第一方面，本发明实施例提供了一种天线装置，包括：PCB介质基板、第一辐射单元、第二辐射天线部件；

所述第一辐射单元为分别印刷于所述PCB介质基板的两面的相互间隔排列的金属导线经由一系列过孔连接构成的螺旋状天线；所述第二辐射天线部件安装于所述PCB介质基板上，所述第二辐射天线部件的一连接端设有馈电部，所述第二辐射天线部件的另一连接端与所述第一辐射单元的一端连接；

所述第二辐射天线部件的谐振状态能可控地调节而匹配调谐所述第一辐射单元的辐射特性，获得预先确定的整个天线的辐射特性。。

在第一方面一种可能的实现方式中，所述第二辐射天线部件为由金属导体呈螺旋状弯曲形成的螺旋杆，所述第二辐射天线部件的螺旋的中心轴向与所述第一辐射单元的螺旋状天线的轴向平行或在同一直线上。

在第一方面一种可能的实现方式中，所述第一辐射单元的位于所述PCB介质基板两面上的金属导线依次交错地排列，且所述PCB介质基板的其中一面的金属导线为“Z”形。

在第一方面一种可能的实现方式中，所述PCB介质基板设有一凹槽，所述第二辐射天线部件的主体部分容设于所述凹槽。

在第一方面一种可能的实现方式中，所述第二辐射天线部件的连接端的馈电部连接一包括匹配电感、电容串并联联接的天线匹配网络。

在第一方面一种可能的实现方式中，所述PCB介质基板上还设有第三辐射单元，所述第三辐射单元的一端与所述第二辐射天线部件的馈电部连接，另一端悬空地布置于所述PCB介质基板表面。

在第一方面一种可能的实现方式中，所述第三辐射单元为印刷于所述PCB介质基板上的由所述第二辐射天线部件的馈电部向垂直于其螺旋轴向方向延伸的开路短截线。

在第一方面一种可能的实现方式中，所述PCB介质基板还包括连接座和弹性接触器，所述连接座与所述天线匹配网络的位于所述第二辐射天线部件的另一侧连接，所述弹性接触器与PCB介质基板的接地连接。

第二方面，本发明实施例还提供了一种终端设备，包括射频收发模块和如第一方面任一种实现方式所述的天线装置；

所述射频收发模块作为天线馈电源与所述天线装置电连接。

本发明实施例提供的螺旋天线，由印刷于PCB介质基板上成螺旋状的第一辐射单元和安装于PCB介质基板上的第二辐射天线部件组成，其中第二辐射天线部件的谐振状态能可控地调节而匹配调谐第一辐射单元的辐射特性，获得预先确定的整个天线的辐射特性，解决了目前印刷于PCB介质基板上的螺旋天线无法调整天线辐射性能的缺陷，同时也解决了传统的螺旋天线体积较大，无法内置于小型设备内部的问题，提供了一种高可靠性的螺旋天线。

附图说明

图1为传统的螺旋天线的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的天线装置实施例一的正面示意图；

图3为本发明实施例提供的天线装置实施例一的背面示意图；

图4为本发明实施例提供的天线装置实施例二的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的天线装置实施例三的正面示意图；

图6为本发明实施例提供的天线装置实施例三的正面示意图；

图7为采用本实施例提供的天线装置实现的433MHz螺旋天线的水平方向图；

图8为采用本实施例提供的天线装置实现的433MHz螺旋天线的垂直方向图；

图9为采用本实施例提供的天线装置实现的433MHz螺旋天线的驻波比；

图10为本发明实施例提供的终端设备实施例一的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

螺旋天线是一种常用的天线，螺旋天线是将作为辐射体的金属导体制成螺旋状而得名。图1为传统的螺旋天线的结构示意图，如图1所示，传统的螺旋天线直接将金属导体制成螺旋状，螺旋状的金属导体一端连接馈电点，另一端开路，整个螺旋天线位于自由空间。螺旋天线的工作频率、带宽、辐射方向等参数由螺旋天线的尺寸决定，包括螺旋的直径、金属导体的半径、螺距、轴向长度、螺旋的圈数等。但是，由于传统的螺旋天线是位于自由空间中的，仅有一端与馈电点连接，螺旋天线的状态可能由于运动、碰撞等发生改变，从而导致螺旋天线的性能发生变化。另外，传统的螺旋天线一般都是外置的，体积较大，内置安装有难度，不适于安装在小型化的设备中。而目前常用于小型设备中内置安装的螺旋天线采用印刷于PCB介质基板上的金属导线构成，但印刷在PCB介质基板上的螺旋天线一旦设计加工定型后，天线辐射特性就固定，无法再改变，天线性能也就无法调整。这会导致以下问题：一方面受限于设备结构空间和天线生产加工能力，满足高性能要求的一些设计无法加工实现；另一方面，由于生产加工上存在一定的制造公差，会导致天线性能不稳定，这种硬伤无法改善。

随着物联网技术的发展，越来越多的终端需要接入网络，每个终端上都需要有至少一根天线，成本较低、性能较佳的螺旋天线是选择之一。例如在物联网设备常用的433MHz频段，就广泛采用螺旋天线作为辐射天线，但传统的螺旋天线由于性能可能发生变化，可能影响安装螺旋天线的终端设备的信号收发能力。

有鉴于此，本发明提供一种天线装置，提高了螺旋天线的性能。下面将以多个实施例对本发明提供的天线装置进行详细说明。

图2和图3为本发明提供的天线装置实施例一的结构示意图，其中图2为本发明实施例提供的天线装置实施例一的正面示意图，图3为本发明实施例提供的天线装置实施例一的背面示意图。如图2和图3所示，本实施例提供的天线装置包括：印制电路板(PrintedCircuit Board，PCB)介质基板11、第一辐射单元12、第二辐射天线部件13。

其中，第一辐射单元12为分别印刷于PCB介质基板11的两面的相互间隔排列的金属导线经由一系列过孔连接构成的螺旋状天线。第一辐射单元12是由在PCB介质基板11的两个表面上依次交错铺设的多条金属导线组成的，这多条金属导线呈螺旋状延伸分布。如图2和图3所示，在于PCB介质基板11的两个表面上，分别铺设有多条金属导线，且这多条导线相当于围绕着于PCB介质基板11呈螺旋状分布。组成第一辐射单元12的多条导线中，两个表面上相邻的两条金属导线通过PCB介质基板11上的过孔电连接，这样螺旋状分布的多条金属导线将依次电连接在一起，组成一个一体的第一辐射单元12。由于第一辐射单元12也是呈螺旋状分布，实际上第一辐射单元12也相当于是一个螺旋天线。

组成第一辐射单元12的多条金属导线可以为PCB介质基板11上的覆铜。在PCB介质基板上通过覆铜形成第一辐射单元12的方法此处不再赘述。在一种可选的方式中，第一辐射单元12的位于PCB介质基板11两面上的金属导线依次交错地排列，且PCB介质基板11的其中一面的金属导线为“Z”形。

第二辐射天线部件13安装于PCB介质基板11上，第二辐射天线部件13的一连接端设有馈电部14，第二辐射天线部件13的另一连接端与第一辐射单元11的一端连接。第二辐射天线部件13的谐振状态能可控地调节而匹配调谐第一辐射单元12的辐射特性，获得预先确定的整个天线的辐射特性。也就是说，第二辐射天线部件13的谐振状态是可调的。第一辐射单元12由于是由PCB介质基板11上的金属导线组成，当确定了相关参数制作完成后，第一辐射单元12的谐振状态已经固定，无法调整。而第二辐射天线部件13采用可调设计进行设置，那么通过调整第二辐射天线部件13的谐振状态，即可相应地匹配调谐第一辐射单元12的辐射特性，从而调整由第一辐射单元12和第二辐射天线部件13共同组成的天线的辐射特性。一般地，第二辐射天线部件13为由金属导体呈螺旋状弯曲形成的螺旋杆，也就是说，第二辐射天线部件13的结构与传统的螺旋天线相同。第二辐射天线部件13可由任一种金属导体制成，例如铜、铝、铁等。通过调整组成第二辐射天线部件13的螺旋状的金属导体的弹簧紧密程度，可以对第二辐射天线部件13的谐振状态进行调整，从而实现上述调整。

需要说明的是，为了使得由第一辐射单元12和第二辐射天线部件13组成的天线实现最佳的辐射，可以使第二辐射天线部件13的螺旋的中心轴向与第一辐射单元12的螺旋状天线的轴向平行或在同一直线上。优选地，第一辐射单元12沿第二辐射天线部件13的轴向延伸，第一辐射单元12与第二辐射天线部件13共轴。将第二辐射天线部件13与第一辐射单元12电连接的一端称为第一端，另一端称为第二端。第一辐射单元12没有与第二辐射天线部件13电连接的一端处于开路状态。

PCB介质基板11上可以包括一凹槽15，第二辐射天线部件13的主体部分容设于凹槽15内。在PCB介质基板11上根据第二辐射天线部件13的尺寸切出凹槽15，使得第二辐射天线部件13可以固定安装于凹槽15内。由于PCB介质基板11为硬质介质基板，因此固定安装在凹槽15内的第二辐射天线部件13能够稳定地固定在凹槽15内，第二辐射天线部件13的状态因运动、碰撞等因素发生改变的几率将大大降低。

PCB介质基板11上的凹槽15的形状不以图2和图3为限，只要能够将第二辐射天线部件13容纳在内，并为第二辐射天线部件13提供固定即可。在图2和图3中，以在PCB介质基板11上开一“口”型凹槽15为例进行示意，凹槽15的形状例如还可以是“匚”型等。

馈电部14通过馈线16与第二辐射天线部件13的第二端电连接。馈电部14可以是任一种射频连接器，例如SMA、SMB等，使得螺旋天线的组装简易方便。

第一辐射单元12和第二辐射天线部件13均为螺旋天线，通过调整第一辐射单元12和第二辐射天线部件13的相关尺寸，可以使得第一辐射单元12和第二辐射天线部件13组成一个统一的天线，第一辐射单元12和第二辐射天线部件13均为该统一的天线的一部分。这样，从馈电部14输入的信号将通过第一辐射单元12和第二辐射天线部件13共同组成的天线辐射出去；第一辐射单元12和第二辐射天线部件13共同组成的天线接收到的无线信号也将通过馈电部14输出。通过调整第一辐射单元12和第二辐射天线部件13的尺寸，可以对第一辐射单元12和第二辐射天线部件13共同组成的天线的工作频率、带宽、辐射方向等参数进行调整。第一辐射单元12和第二辐射天线部件13的尺寸与其组成的天线的性能参数的关系与传统的螺旋天线类似，此处不再赘述。

本实施例提供的天线装置，由印刷于PCB介质基板上成螺旋状的第一辐射单元和安装于PCB介质基板上的第二辐射天线部件组成，其中第二辐射天线部件的谐振状态能可控地调节而匹配调谐第一辐射单元的辐射特性，获得预先确定的整个天线的辐射特性，解决了目前印刷于PCB介质基板上的螺旋天线无法调整天线辐射性能的缺陷，同时也解决了传统的螺旋天线体积较大，无法内置于小型设备内部的问题，提供了一种高可靠性的螺旋天线。

图4为本发明实施例提供的天线装置实施例二的结构示意图，如图4所示，本实施例提供的天线装置与图2所示天线装置的区别在于，在馈电部14和馈线16之间，还包括天线匹配网络17。

图4仅示出本实施例提供的天线装置的正面示意图，本实施例提供的天线装置的背面与图3类似。天线匹配网络17用于对天线装置的性能进行调试和匹配，天线匹配网络17可以采用任一种对天线进行匹配的匹配网络，例如由离散器件组成的离散器件匹配网络。离散器件匹配网络成本较低，便于更换，很适于对天线进行匹配调试。

在图4中，天线匹配网络17由匹配电感21和匹配电容22组成，其中，匹配电感21串联于馈电部14和馈线16之间，匹配电容22并联于馈电部14和馈线16之间。匹配电感21用于调节第一辐射单元12和第二辐射天线部件13组成的天线辐射单元的感抗部分，匹配电容22用于调节第一辐射单元12和第二辐射天线部件13组成的天线辐射单元的容抗部分，以增加天线带宽。通过选择恰当电感量的匹配电感21和恰当电容量的匹配电容22，可以对天线装置的工作频段、带宽、增益等性能参数进行调整。天线匹配网络17的具体结构和匹配方法与传统的螺旋天线匹配类似，此处不再赘述。

进一步地，为了便于对天线装置进行调试，组成天线匹配网络17的匹配电感21可以为可调谐电感，匹配电容22可以为可调谐电容。

图5和图6为本发明提供的天线装置实施例三的结构示意图，其中图5为本发明实施例提供的天线装置实施例三的正面示意图，图6为本发明实施例提供的天线装置实施例三的正面示意图。

其中，PCB介质基板11上包括第一过孔31和第二过孔32，第二辐射天线部件13的第一端和第二端分别电连接在第一过孔31和第二过孔32上。同时，第一过孔31位于第一辐射单元12距离第二辐射天线部件13最近的金属导线上，即PCB介质基板11上距离第二辐射天线部件13最近的一段覆铜的上。这样第二辐射天线部件13即实现了与第一辐射单元12的电连接。组成第一辐射单元12的每段覆铜的两个末端都包括过孔，相邻的覆铜段共享末端的过孔，从而实现电连接。第二过孔32位于馈线16上，馈线16通过第二过孔32与第二辐射天线部件13电连接。

可选地，如图5所示，本实施例提供的天线装置还包括第三辐射单元33，第三辐射单元33由第二过孔32向外延伸的金属导线构成。第三辐射单元33的一端与第二辐射天线部件13的馈电部14连接，另一端悬空地布置于PCB介质基板表面11。也即，馈线16向外延伸的部分，组成第三辐射单元33。第三辐射单元33与第二辐射天线部件13和第一辐射单元12共同组成天线装置的天线辐射单元。第三辐射单元33用于对螺旋天线进行进一步地匹配。可选地，第三辐射单元33为印刷于PCB介质基板11上的由第二辐射天线部件13的馈电部14向垂直于其螺旋轴向方向延伸的开路短截线。

可选地，如图5所示，天线装置还包括接地点18，接地点18为PCB介质基板11上凸起的弹性接触器，在图5中，示出了两个凸起的弹性接触器，该金弹性接触器一端固定在PCB介质基板11上，与PCB介质基板11上的地平面电连接，另一端凸起于空间中，弹性接触器可以为凸起的金属弹片。由于本实施例提供的天线装置需要安装于终端设备中，那么天线装置除了需要通过馈电部14与终端设备的射频电路连接，还需要与终端设备的地平面电连接，与终端设备实现共地。而凸起的弹性接触器组成的接地点18便于与终端设备进行共地连接，只要将凸起的弹性接触器设计在与终端上的接地点对应的位置，或者与终端设备的金属外壳对应的位置，那么在将本实施例提供的天线装置安装在终端设备上时，凸起的弹性接触器将很可靠地与终端设备上的地平面实现电连接，保证天线装置可靠接地。PCB介质基板11上还可以包括连接座，连接座与天线匹配网络17的位于第二辐射天线部件13的另一侧连接。

根据上述实施例提供的天线装置，通过调整第一辐射单元12、第二辐射天线部件13的相关参数，使得天线装置工作在433MHz，并对天线装置的相关参数进行测量，得到天线装置的辐射方向图和驻波比，如图7至图9所示。其中，图7为采用本实施例提供的天线装置实现的433MHz螺旋天线的水平方向图；图8为采用本实施例提供的天线装置实现的433MHz螺旋天线的垂直方向图；图9为采用本实施例提供的天线装置实现的433MHz螺旋天线的驻波比。

从图7至图9中可以看出，由本实施例提供的天线装置结构实现的433MHz螺旋天线为全向辐射天线。且在425MHz-440MHz的工作频段内，驻波比小于1.25，天线性能优异。

图10为本发明实施例提供的终端设备实施例一的结构示意图，如图10所示，本实施例提供的终端设备包括射频收发模块101和天线装置102，射频收发模块101作为天线馈电源与天线装置102的馈电部14电连接。天线装置102可以为图2至图6所示的任一种天线装置，在图10中以图2所示天线装置为例。本实施例提供的终端设备还根据需要，可以配置处理器、供电模块、机壳、以及实现终端设备所需功能的其他器件，此处不再赘述。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种天线装置，其特征在于，包括：PCB介质基板、第一辐射单元、第二辐射天线部件；

所述第一辐射单元为分别印刷于所述PCB介质基板的两面的相互间隔排列的金属导线经由一系列过孔连接构成的螺旋状天线；所述第二辐射天线部件安装于所述PCB介质基板上，所述第二辐射天线部件的一连接端设有馈电部，所述第二辐射天线部件的另一连接端与所述第一辐射单元的一端连接；

所述第二辐射天线部件的谐振状态能可控地调节而匹配调谐所述第一辐射单元的辐射特性，获得预先确定的整个天线的辐射特性。

2.根据权利要求1所述的一种天线装置，其特征在于，所述第二辐射天线部件为由金属导体呈螺旋状弯曲形成的螺旋杆，所述第二辐射天线部件的螺旋的中心轴向与所述第一辐射单元的螺旋状天线的轴向平行或在同一直线上。

3.根据权利要求1或2所述的一种天线装置，其特征在于，所述第一辐射单元的位于所述PCB介质基板两面上的金属导线依次交错地排列，且所述PCB介质基板的其中一面的金属导线为“Z”形。

4.根据权利要求1或2所述的一种天线装置，其特征在于，所述PCB介质基板设有一凹槽，所述第二辐射天线部件的主体部分容设于所述凹槽。

5.根据权利要求1或2所述的一种天线装置，其特征在于，所述第二辐射天线部件的连接端的馈电部连接一包括匹配电感、电容串并联联接的天线匹配网络。

6.根据权利要求1或2所述的一种天线装置，其特征在于，所述PCB介质基板上还设有第三辐射单元，所述第三辐射单元的一端与所述第二辐射天线部件的馈电部连接，另一端悬空地布置于所述PCB介质基板表面。

7.根据权利要求6所述的一种天线装置，其特征在于，所述第三辐射单元为印刷于所述PCB介质基板上的由所述第二辐射天线部件的馈电部向垂直于其螺旋轴向方向延伸的开路短截线。

8.根据权利要求1或2所述的一种天线装置，其特征在于，所述PCB介质基板还包括连接座和弹性接触器，所述连接座与所述天线匹配网络的位于所述第二辐射天线部件的另一侧连接，所述弹性接触器与PCB介质基板的接地连接。

9.一种终端设备，其特征在于，包括射频收发模块和如权利要求1-9任一项所述的天线装置；

所述射频收发模块作为天线馈电源与所述天线装置电连接。