CN108140931B

CN108140931B - 一种无线网络天线及通信设备

Info

Publication number: CN108140931B
Application number: CN201680042388.9A
Authority: CN
Inventors: 张彩文; 柳青; 孙树辉; 李正浩; 兰尧
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2016-09-18
Filing date: 2016-09-18
Publication date: 2020-07-07
Anticipated expiration: 2036-09-18
Also published as: WO2018049651A1; CN108140931A

Abstract

一种无线网络天线及通信设备。该无线网络天线包括：接地板及辐射单元；其中，所述接地板上设置有馈电探针，所述辐射单元环绕所述馈电探针设置并与所述馈电探针馈电连接；所述辐射单元通过接地柱与所述接地板连接。在上述实施方案中提供的天线基于磁环技术改善天线方向图、降低天线厚度。利用天线的对偶原理，在金属表面的卧式磁天线的辐射特性与竖直的单极子天线等效，利用该原理，可以大大降低天线高度，并且基于磁环技术，无线网络天线方向图在水平面内为全向，能有效解决Wi‑Fi天线水平覆盖不足的问题，并且该技术产生的Wi‑Fi信号以垂直极化为主，能大幅提高电磁波在空间中的传播效率。

Description

一种无线网络天线及通信设备

技术领域

本发明涉及到通信技术领域，尤其涉及到一种无线网络天线及通信设备。

背景技术

无线网络是一种可以将个人电脑、手持设备(如pad、手机)等终端以无线方式互相连接的技术，无线网络设备已经成为我们生活中的不可或缺的设备。如何使这些设备更好地为人民服务，对无线网络天线设计提出了新的要求。

在现有无线网络设备上，如车载BOX、电视盒子等设备上，信号零点对无线连接的影响是致命的。对于车机设备，车内金属环境复杂，存在各种金属遮挡问题，如车载BOX前面板上的无线网络天线易被按键面板遮挡。如果将无线网络天线放置在车载BOX上表面，常规天线(Microstrip patch antenna、PIFA、Dipole、Folded Monopole)的方向图均无法在低剖面的前提下实现水平面全向覆盖。在电视盒子设备上，为了实现超薄，无线网络天线通常采用印制或者卧式Dipole/Monopole的形式，这就导致无线网络天线在水平面上存在零点，影响用户体验。如何消除这些零点，对天线设计者提出了新的挑战。

现有技术中的微带贴片天线虽然能实现类单极子形式的方向图，但是尺寸过大，光微带贴片的直径就达到10cm，地板的尺寸会更大，这在小型终端设备上是不可行的。

发明内容

本发明提供了一种无线网络天线，用以提供一种尺寸较小信号强度较大的天线。

本发明提供了一种无线网络天线，该无线网络天线包括：接地板及辐射单元；其中，所述接地板上设置有馈电探针，所述辐射单元环绕所述馈电探针设置并与所述馈电探针馈电连接；所述辐射单元通过接地柱与所述接地板连接。

在上述实施方案中提供的天线基于磁环技术改善天线方向图、降低天线厚度。利用天线的对偶原理，在金属表面的卧式磁天线的辐射特性与竖直的单极子天线等效，利用该原理，可以大大降低天线高度，并且基于磁环技术，无线网络天线方向图在水平面内为全向，能有效解决Wi-Fi天线水平覆盖不足的问题，并且该技术产生的Wi-Fi信号以垂直极化为主，能大幅提高电磁波在空间中的传播效率。

在一个具体的方案中，所述馈电探针电连接有多个金属带线，所述馈电探针通过所述多个金属带线与所述辐射单元馈电连接。即馈电探针通过多个金属带线实现与辐射单元的馈电。

其中的所述辐射单元包括至少一个辐射线圈，且在所述辐射线圈的个数为多个时，所述多个辐射线圈嵌套设置，且每个辐射线圈通过至少两个接地柱与所述接地板连接，除最外环的辐射线圈连接的接地柱外，每个接地柱上串联有带阻滤波器。通过设置不同个数的辐射线圈实现不同频段的辐射，提高天线的频段。

在一个具体的实施方案中，每个金属带线与每个辐射线圈直流馈电。即采用直流馈电的方式，实现对每个辐射线圈的馈电。

在另一个具体的实施例方案中，还可以采用在所述辐射线圈的个数为多个时，每个金属带线与最外层的辐射线圈通过电容耦合馈电，并与其他的辐射线圈直流馈电。即对内层的辐射线圈采用直流馈电，对最外层的辐射线圈采用电容馈电的方式馈电。

其中，在采用电容馈电时，该电容为集总电容或分布式电容。即可以采用不同的电容实现对辐射线圈的馈电。

在具体设置时，辐射线圈可以采用不同给的形状，如每个辐射线圈为封闭的环形结构、或每个辐射线圈为带缺口的环形结构，或在所述辐射线圈为多个时，所述多个辐射线圈中至少一个为环形结构，其余的辐射线圈为带缺口的环状结构。在为封闭的环形结构时，该辐射线圈可以为不同的形状，如：所述辐射线圈为圆形或对称的多边形。更具体的该辐射线圈为圆形、椭圆形、三角形、四边形、五边形、六边形……。

其中的接地柱可以为不同形状的接地柱，包括但不限于圆柱形、三角形柱、四角形柱、……、N边形柱等，或者片状的接地柱。更具体的，在设置时，不但可以调整接地柱的粗细，还可以调整接地柱的形状，如通过不同弯折变形，调整接地柱的长度，包括但不限于螺旋状弯曲、波形弯曲等，或者直接采用圆柱体形。

此外，在一个优选的方案中，为了更进一步的降低接地柱的尺寸，所述接地柱上设置有电容、电感和电阻中的任一种电气件，或者电容、电感和电阻中的至少两种电气件组合。在采用个电容、电感和电阻的组合时，上述气件可以采用串联或并联的方式实现组合。

为了改善辐射单元与接地板之间的绝缘效果，所述辐射单元与所述接地板之间填充有绝缘介质。在具体设置时，该绝缘介质为空气或树脂层。该树脂层包括但不限定于FR4(一种耐燃材料等级的代号)材料。

在一个优选的方案中，为了改善天线在加工及装配时的误差，提高天线在组装后的效果，较佳的，所述馈电探针和/或所述接地柱上设置有用于消除所述无线网络天线频偏或阻抗失配的匹配电路。通过设置的匹配电路调整天线在生产时出现的误差，提高天线的性能。

在具体设置时，该匹配电路为电感和/或电容组成的电路。

本发明还提供了一种通信设备，该通信设备包括金属壳体以及设置在所述金属壳体上的上述任一项所述的无线网络天线。

作为一种优选的方案，所述无线网络天线的接地板与所述金属壳体为一体结构。即将金属壳体作为天线的接地板，更进一步的简化整个通信设备的结构。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的无线网络天线的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的无线网络天线的S11曲线示意图；

图3为本发明实施例1提供的无线网络天线的电流分布图；

图4为本发明实施例1提供的无线网络天线的3D方向图；

图5为1/2λ模式的环天线的示意图；

图6为本发明实施例1提供的无线网络天线的一种变形结构示意图；

图7为本发明实施例2提供的无线网络天线的结构示意图；

图8为本发明实施例2提供的无线网络天线的S11曲线示意图；

图9为本发明实施例2提供的无线网络天线的在2.3GHz时的电流分布图；

图10为本发明实施例2提供的无线网络天线的在2.66GHz时的电流分布图；

图11为本发明实施例2提供的无线网络天线的在5.5GHz时的电流分布图；

图12为本发明实施例2提供的无线网络天线的在2.3GHz时的3D方向图；

图13为本发明实施例2提供的无线网络天线的在2.66GHz时的3D方向图；

图14为本发明实施例2提供的无线网络天线的在5.5GHz时的3D方向图；

图15为本发明实施例2提供的无线网络天线的一种变形结构示意图；

图16～图18为本发明实施例提供的具有不同金属带线的无线网络天线的结构示意图；

图19为本发明实施例提供的具有三角形辐射线圈的无线网络天线结构示意图；

图20为本发明实施例提供的具有带缺口的环形结构辐射线圈的无线网络天线的结构示意图；

图21为本发明实施例提供的通信设备的结构示意图；

图22为图21提供的通信设备的实测效果图；

图23为图21提供的通信设备的天线的S11检测图；

图24为本发明实施例提供的另一通信设备的结构示意图。

附图标记：

10-辐射单元 11-第一辐射线圈 12-第二辐射线圈

20-馈电探针 30-金属带线 40-电容

50-接地柱 60-接地板 70-无线网络天线

80-金属壳体

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的天线基于磁环技术改善天线方向图，能有效解决Wi-Fi天线水平覆盖不足的问题，该技术产生的Wi-Fi信号以垂直极化为主，能大幅提高电磁波在空间中的传播效率，并且能够降低天线厚度。利用天线的对偶原理，在金属表面的卧式磁天线的辐射特性与竖直的单极子天线等效，利用该原理，可以大大降低天线高度。

如图1及图7所示，图1及图7示出了本发明实施例提供的天线的不同结构。

具体的，本发明实施例提供了一种无线网络天线，该无线网络天线包括：接地板60及辐射单元10；其中，接地板60上设置有馈电探针20，辐射单元10环绕馈电探针20设置并与馈电探针20馈电连接；辐射单元10通过接地柱50与接地板60连接。

在上述实施例中，天线由上下两部分构成，上面为辐射单元10，该辐射单元10包括至少一个辐射线圈，在辐射线圈的个数为多个时，多个辐射线圈嵌套设置，每个辐射线圈通过至少两个接地柱50与所述接地板60连接，除最外环的辐射线圈连接的接地柱50外，每个接地柱50上串联有带阻滤波器。在具体设置时，辐射线圈环绕馈电探针20设置，且馈电探针20连接有多个金属带线30，馈电探针20通过多个金属带线30与辐射单元10馈电连接。在具体设置时，多个金属带线30呈辐射状设置，并且在具体设置时，该金属带线30的个数可以为不同的个数，如2个、3个、4个、5个等等，如图16～图18所示，分别示出了采用2个、4个、5个金属带线30的天线结构，并且在具体设置时可以根据实际的需要设置。

金属带线30在与馈电探针20连接时，采用直接连接固定的方式，即两者之间不通过其他的电气元件，直接进行固定连接，馈电探针20通过直流馈电的方式将电流馈电到金属带线30上，在金属带线30与辐射线圈连接时，可以通过不同的方式连接，如在一个方案中，可以采用每个金属带线30与每个辐射线圈直流馈电。即采用直流馈电的方式，实现对每个辐射线圈的馈电。而在另一个具体的实施例方案中，还可以采用在辐射线圈的个数为多个时，每个金属带线30与最外层的辐射线圈通过电容40耦合馈电，并与其他的辐射线圈直流馈电。即对内层的辐射线圈采用直流馈电，对最外层的辐射线圈采用电容40馈电的方式馈电。从而保证天线能够实现双频以及多频。在采用电容40馈电时，该电容40为集总电容或分布式电容。即可以采用不同的电容40实现对辐射线圈的馈电。

其中的辐射线圈可以采用不同的形状，每个辐射线圈为封闭的环形结构、或每个辐射线圈为带缺口的环形结构，或在所述辐射线圈为多个时，所述多个辐射线圈中至少一个为环形结构，其余的辐射线圈为带缺口的环状结构。在实际安装时，可以根据不同的需要选择不同的形状。在一个具体的实施方案中，当辐射线圈为封闭的环形结构时，该辐射线圈可以为不同的形状，如：圆形或对称的多边形。更具体的该辐射线圈为圆形、椭圆形、三角形、四边形、五边形、六边形……，如图16～图18所示，上述图示出了辐射线圈采用圆形的结构，如图19所示，该图示出了采用三角形的辐射线圈结构。在另一个具体的实施方案中，如图20所示，当辐射线圈为缺口的环形时，即可以理解为将环形的辐射线圈切除一部分，但是，在切除后，该辐射线圈应仍保持对称的结构，即该带缺口的环形结构至少具有一个对称轴，从而保证天线的辐射效果。

该天线的下面部分为接地板60，该接地板60为金属板，且馈电探针20设置在该接地板60的中心位置；并且接地板60上设置了与每个辐射线圈对应连接的接地柱50，每个辐射线圈对应设置的接地柱50的个数为多个。通过设置的多个接地柱50一方面实现接地连接，另一方面还可以作为辐射线圈的支撑结构，保证辐射线圈的稳定性。

在具体设置时，接地柱50可以为不同形状的接地柱50，包括但不限于圆柱形、三角形柱、四角形柱、……、N边形柱等，或者片状的接地柱50。更具体的，在设置时，不但可以调整接地柱50的粗细，还可以调整接地柱50的形状，如通过不同弯折变形，调整接地柱50的长度，包括但不限于螺旋状弯曲、波形弯曲等，或者直接采用圆柱体形。即通过改变接地柱50的形状以及粗细来调整辐射线圈的接地。在一个优选的方案中，为了更进一步的降低接地柱50的尺寸，可以在接地柱50上设置有电容、电感和电阻中的任一种电气件，或者电容、电感和电阻中的至少两种电气件组合。在采用电容、电感和电阻的组合时，上述电气件可以采用串联或并联的方式实现组合。如电容及电阻的串联、电感及电阻的串联等等，在具体设置时，可以根据实际的情况，选择电容、电感或电阻，或者电容、电感及电阻组成的电气件组合。

天线在具体生产时，无论在部件的生产过程或者在天线部件的组装过程，不可避免的会产生误差，上述误差会影响到天线的性能，为了改善天线在加工及装配时的误差，提高天线在组装后的效果，在一个优选的方案中，馈电探针20和/或接地柱50上设置有用于消除无线网络天线频偏或阻抗失配的匹配电路。即通过在馈电探针20及接地柱50中的一个中设置匹配电路、或者在馈电探针20及接地柱50中均设置匹配电路来消除天线生产过程中的误差，进而提高天线的性能。该匹配电路在具体设置时，为电感和/或电容组成的电路。即通过设置的电容和电感来调整天线的效果。具体的，以接地柱50为例，在接地柱50上加电容，天线会产生高频频偏；在接地柱50上加电感，天线会产生低频频偏。通过设置的电容或电感可以调整天线的频段，进而提高天线的使用效果。

为了更进一步的理解本实施例提供的天线，下面结合具体的附图以及实施例对其进行详细的说明。

实施例1

如图1所示，该天线由上下两部分构成，上面为一个封闭的环形辐射线圈，该辐射线圈环绕馈电探针20(同轴探针)设置，中间为三条金属带线通过电容40给辐射线圈馈电，下面为接地板60，采用同轴探针通过接地板60中心给辐射线圈馈电。辐射线圈通过三个接地柱50与接地板60相连，为了改善辐射单元10与接地板60之间的绝缘效果，辐射单元10与接地面之间填充有绝缘介质。在具体设置时，该绝缘介质为空气或树脂层。该树脂层包括但不限定于FR4(一种耐燃材料等级的代号)材料。

实施例一的天线S11曲线如图2所示，从该曲线中可以看出，天线工作在2.4-2.5GHz，由于该天线采用耦合馈电，因此，拥有耦合馈电的优点，天线的带宽比较宽。

图3所示为本实施例天线在2.45GHz处的电流分布，从电流分布可以看出，在馈电点和接地柱50附近均为电流大点，在电容40耦合馈电点附近，为电场大点。图4所示为本实施例提供的天线在2.45GHz处的3D方向图，从3D方向图上看，方向图为类单极子形式，并且最大增益在4dB左右，在水平面上为全向，天线性能正常。本实施例提供的天线可以看成是由三个1/2λ模式的环天线(如图5所示)组合而成。

在本实施例中，还可以采用其他的变形方式，图6所示为实施例一天线的另外一种变形，即采用电流源方式直接馈电，在结构上的变化为金属带线30直接与辐射线圈固定连接，不通过电容连接。该天线在外环和地板上的电流分布与电容耦合馈电完全一致，因此，这两种结构的辐射特性也相同，3D方向图为类单极子形式。该天线可以通过调整结构尺寸，应用在不同频段上，如作为GPS天线、5G Wi-Fi天线等。

实施例2

本实施例提供的天线结构如图7所示，该天线结构在实施例一的基础上，从单频天线变换到了双频天线，相对于实施例一，主要变化为在最外环的辐射线圈内添加了一个小环，即辐射单元10为采用两个嵌套的辐射线圈的结构，该辐射线圈分别为第一辐射线圈11及第二辐射线圈12；三个接地柱50以及三个带阻滤波器。新增的这个小环谐振在5.5GHz，通过三个接地柱50与地面连接，在该三个接地柱50的末端还分别串联了三个带阻滤波器，该带阻滤波器谐振中心工作在2.45GHz，主要目的为阻止2.45GHz电流直接通过该处的接地柱50流向地面。

图8所示为本实施例提供的双频天线的S11曲线，从图中可以看出，该天线可以覆盖2.4G Wi-Fi和5G Wi-Fi，在低频部分，该天线有两个谐振点，其中2.66GHz为接地柱50上增加带阻滤波器之后，新增的谐振点，有效的拓宽了低频部分的带宽。

图9、图10及图11分别为本实施例提供的天线在2.3GHz、2.66GHz和5.5GHz三个谐振频点上的电流分布，从电流分布可以清晰的看出三个谐振频点的形成机理。

图12、图13及图14分别为本实施例提供的天线在2.3GHz、2.66GHz和5.5GHz三个频点上的3D方向图，从图中可以看出，天线方向图为类单极子形式，在水平面内360°全向。

图15所示为双频耦合馈电模型，它是图7所示的双频直流馈电的另外一种变形，但是该天线的两个环上的电流仍没有发生本质变化，因此天线的辐射方向图仍然为类单极子形式。该模型中，内环与外环不在同一个水平面上，内环通过带线耦合馈电，外环通过电容耦合馈电与带线连接。

通过上述具体的实施例1及实施例2可以看出，本发明实施例提供的天线提出的基于磁环天线可以解决金属表面上安装天线导致无线性能恶化的问题，同时在超低垂直剖面的前提下，产生与单极子天线类似的方向图，保证水平面上能够360覆盖。

此外，本实施例还提供了本发明还提供了一种通信设备，该通信设备包括金属壳体80以及设置在金属壳体80上的上述任一项的无线网络天线70。

在上述实施方案中提供的天线基于磁环技术改善天线方向图、降低天线厚度。利用天线的对偶原理，在金属表面的卧式磁天线的辐射特性与竖直的单极子天线等效，利用该原理，可以大大降低天线高度，并且基于磁环技术，无线网络天线70方向图在水平面内为全向，能有效解决Wi-Fi天线水平覆盖不足的问题，并且该技术产生的Wi-Fi信号以垂直极化为主，能大幅提高电磁波在空间中的传播效率。

作为一种优选的方案，无线网络天线70的接地板与金属壳体80为一体结构。即将金属壳体80作为天线的接地板，更进一步的简化整个通信设备的结构。

下面结合具体的附图对上述通信设备进行详细的描述。

如图21所示，关于该天线的一个典型应用，该天线安装在车机BOX上表面的中央位置，该车机BOX的尺寸为180*150*66mm，Wi-Fi天线单体为圆形，天线直径为30mm，高度为5mm。为了简便起见，该Wi-Fi天线选取单频模式，工作在2.4GHz的，直流馈电。

以下为实际测试数据：

表2.1天线效率实测数据

一并参考图22，在图22中为上述天线的实测效果，从二者可以看出，天线在金属面板附近之后，效率有了明显的提升，并且该天线在与金属面板连接或不连接的情况下，均能良好的工作，具有良好的适应能力。图23所示为天线实测S11曲线，其中，图中的英文分别代表：Without BOX：仅天线单体，不带车机T-BOX测试；With BOX，But Don’t Connected：带车机T-BOX测试，但是天线与车机T-box绝缘，不导电；With BOX,and Connect with Box：带车机T-box测试，并且天线与车机T-box导电连接，即共地。

图24所示为上述天线的另外一种应用场景，我们设计的Wi-Fi天线放置在CPE(Customer Premise Equipment客户终端设备)的顶部，作为该CPE在中上部方向上的一种补充。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种无线网络天线，其特征在于，包括：接地板及辐射单元；其中，所述接地板上设置有馈电探针，所述辐射单元环绕所述馈电探针设置并与所述馈电探针馈电连接；所述辐射单元通过接地柱与所述接地板连接；

所述辐射单元包括多个辐射线圈，所述多个辐射线圈嵌套设置，且每个辐射线圈通过至少两个接地柱与所述接地板连接，除最外环的辐射线圈连接的接地柱外，每个接地柱上串联有带阻滤波器。

2.如权利要求1所述的无线网络天线，其特征在于，所述馈电探针电连接有多个金属带线，所述馈电探针通过所述多个金属带线与所述辐射单元馈电连接。

3.如权利要求2所述的无线网络天线，其特征在于，每个金属带线与每个辐射线圈直流馈电。

4.如权利要求2所述的无线网络天线，其特征在于，每个金属带线与最外层的辐射线圈通过电容耦合馈电，并与其他的辐射线圈直流馈电。

5.如权利要求4所述的无线网络天线，其特征在于，所述电容为集总电容或分布式电容。

6.如权利要求1～5任一项所述的无线网络天线，其特征在于，每个辐射线圈为封闭的环形结构、或每个辐射线圈为带缺口的环形结构，或所述多个辐射线圈中至少一个为环形结构，其余的辐射线圈为带缺口的环状结构。

7.如权利要求6所述的无线网络天线，其特征在于，在每个辐射线圈为封闭的环形结构时，所述辐射线圈为圆形或对称的多边形。

8.如权利要求6所述的无线网络天线，其特征在于，所述接地柱上设置有电容、电感和电阻中的任一种电气件，或者电容、电感和电阻中的至少两种电气件组合。

9.如权利要求6所述的无线网络天线，其特征在于，所述接地柱为螺旋形、波形或者圆柱体形。

10.如权利要求6所述的无线网络天线，其特征在于，所述辐射单元与所述接地板之间填充有绝缘介质。

11.如权利要求10所述的无线网络天线，其特征在于，所述绝缘介质为空气或树脂层。

12.如权利要求6所述的无线网络天线，其特征在于，所述馈电探针和/或所述接地柱上设置有用于消除所述无线网络天线频偏或阻抗失配的匹配电路。

13.如权利要求12所述的无线网络天线，其特征在于，所述匹配电路为电感和/或电容组成的电路。

14.一种通信设备，其特征在于，包括金属壳体以及设置在所述金属壳体上的如权利要求1～13任一项所述的无线网络天线。

15.如权利要求14所述的通信设备，其特征在于，所述无线网络天线的接地板与所述金属壳体为一体结构。