CN108376832A - 低剖面高增益天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低剖面高增益天线，包括金属板、金属臂和天线臂；金属板与地连接；金属臂设有两连接端，一连接端通过馈电点与金属板连接；天线臂为连续导体；金属臂与天线臂相互靠近，但不发生接触；使天线臂与金属臂之间形成等效电容；且天线臂上靠近金属臂的点不包括天线臂的几何中心点；本发明采用了偏离天线臂中心位置馈电的方式，以及电容性耦合方式激励起对称阵子模式；在降低天线臂与金属板之间的距离同时而不会产生激励改变电流的分布，也就是在降低整体高度缩小天线尺寸的同时，不会降低天线的增益效果。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种低剖面高增益天线形式。
背景技术
天线是一种将特定频率的电磁波发射（或者接收）的装置；最简单的天线形式为半波对称振子，由两根等长的金属柱体置于左右两边构成，在两根金属柱体的中间位置馈电可以有效辐射；根据电磁场相关理论，只有当两根金属臂的尺寸为合适的长度时，才能接收或者辐射特定频率的电磁波；
在这种天线的基础上，衍生出了一种单极子天线；即只有一条金属臂的天线，单极子天线被广泛应用在手机中，其最终形态被称为PIFA（Planar Inverted-F Antenna，平面倒F天线）天线，又被称为皮法天线；但是在手机等手持设备中，天线的剖面不能太大，否则手机整体会变得非常厚，因此天线的辐射臂与地板之间靠得非常近，从而也产生了强烈的寄生电容，降低天线的增益值。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种低剖面高增益天线，减少了天线的体积和质量，同时提高天线的接收性能。
为了达到上述目的，本发明公开了一种低剖面高增益天线，其特征在于，包括金属板，所述金属板与地连接；金属臂，所述金属臂设有两连接端，一连接端通过馈电点与所述金属板连接；和天线臂；所述天线臂为连续导体；所述金属臂与所述天线臂相互靠近，但不发生接触；使所述天线臂与所述金属臂之间形成电容元件；且所述天线臂上靠近所述金属臂的点偏离所述天线臂的几何中心。
其中，所述金属臂包括上层金属和下层金属，所述上层金属与下层金属紧贴于中层PCB基板两侧，所述中层PCB设有金属化孔，实现所述上层金属和下层金属电气连接。
其中，所述上层金属和下层金属分别通过上层电气连接点和下层电器连接点与所述天线臂和所述金属板连接。
其中，所述金属板设有连通所述下层电器连接点的传输线，方便外部信号输入。
其中，其特征在于，所述天线臂为两侧宽中间窄的“工”字形金属层，紧贴于上层PCB基板，所述“工”字形金属层两侧宽度相等，且其中一侧设有通孔。
其中，所述天线臂数量可以为二，两条所述天线臂的中间窄部分别紧贴于所述上层PCB基板上表面和下表面，且相互垂直，成“十”字交叉形。
其中，所述上层金属穿过所述通孔，但不与所述天线臂发生接触，形成上层电气连接点；所述下层金属与所述金属板直接连接，形成下层电气连接点。
其中，所述传输线末端设有多根支线，所述支线数量与所述天线臂数量相等，且各相邻支线间相互垂直，实现90度差分馈电。
其中，其特征在于，所述天线臂呈多齿“弓”形，且各齿连接处与齿部宽度不同，所述天线臂紧贴于所述上层PCB基板。
其中，所述天线臂数量可以为四，各所述天线臂相互垂直但不接触，且所述天线臂轴线通过相邻天线臂轴线的中点。
其中，所述上层金属穿过所述上层PCB基板，靠近所述天线臂，但不与所述天线臂发生接触，形成上层电气连接点；所述下层金属与所述金属板直接连接，形成下层电气连接点。
其中，所述传输线末端设有多根支线，所述支线数量与所述天线臂数量相等，且各相邻支线间相互垂直，实现90度差分馈电。
本发明有益之处：与现有技术相比本发明有益之处在于，金属臂与天线臂相互靠近，但不发生接触；使天线臂与金属臂之间形成电容元件；在降低天线臂与金属板之间的距离同时而不会产生激励改变电流的分布，也就是在降低整体高度缩小天线尺寸的同时，而不会降低天线的增益效果；更利于与其他模块集成；相邻天线臂轴线相互垂直分布，更利于实现天线圆极化。
附图说明
图1为本发明天线结构原理图；
图2为本发明金属臂结构示意图；
图3为本发明天线臂为单个“工”字形金属层的天线结构示意图；
图4为本发明天线臂为两个“工”字形金属层的天线结构示意图；
图5为本发明天线臂为四个“弓”字形金属层的天线结构俯视图；
图6为本发明单根“工”字形金属层的天线软件(电磁仿真软件)模拟数据图；
图7为本发明两根“工”字形金属层的天线软件(电磁仿真软件)模拟数据图；
图8为本发明四根“弓”字形金属层的天线软件(电磁仿真软件)模拟数据图。
主要元件说明
1、天线臂 2、金属臂
3、金属板 4、等效电容
5、馈电点 6、上层PCB基板
7、中层PCB基板 11、“工”字形金属层
12、多齿“弓”形金属层 21、上层金属
22、下层金属 31、传输线
71、金属化孔 112、通孔
113、导体金属
A、天线臂为单根 “工”字形金属层的天线各角度上方向性系数值的连线
B、天线臂为两根“工”字形金属层的天线各角度上方向性系数值的连线
C、天线臂为四根 “弓”字形金属层的天线各角度上方向性系数值的连线。
具体实施例
为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。
请参阅图1，一种低剖面高增益天线形式，包括金属板3、金属臂2和天线臂1；金属板3与地平面连接；金属臂2设有两连接端，一连接端通过馈电点5与金属板3连接；天线臂1为连续导体；金属臂2与天线臂1相互靠近，但不发生接触；使天线臂1与金属臂2之间形成等效电容4；且天线臂1上靠述金属臂2的点偏离天线臂1的几何中心。
本发明采用了偏离天线臂1中心位置馈电的方式，以及电容性耦合方式激励起对称阵子模式；在降低天线臂1与金属板3之间的距离同时而不会产生激励改变电流的分布，也就是在降低整体高度的同时，不会降低天线的增益效果。
请参阅图2，金属臂2包括上层金属21和下层金属22，上层金属21与下层金属22紧贴于中层PCB基板7两侧，中层PCB基板7设有金属化孔71，实现上层金属21和下层金属22电气连接；上层金属21和下层金属22分别通过上层电气连接点和下层电器连接点与天线臂1和金属板3连接；金属板3设有连通下层电器连接点的传输线31，亦可以在下层的电气连接点的位置直接焊接接头；方便外部信号输入。
实施例一
请参阅图3，单根天线臂1形成线极化天线，可用于GPS等领域；天线臂1为两侧宽中间窄的“工”字形金属层11，紧贴于上层PCB基板6，“工”字形金属层11两侧宽度相等，且其中一侧设有通孔112；上层金属21穿过通孔112，但不与“工”字形金属层11发生接触，形成上层电气连接点；下层金属22与金属板3直接连接，形成下层电气连接点；金属板3设有连通下层电器连接点的传输线31，方便外部信号输入；金属板3与“工”字形金属层11之间还通过导体金属113直接连接，通过调节导体金属113的位置改变金属板3与“工”字形金属层11之间的阻抗值，但在调节过程中导体金属113不与金属臂2之间发生相互接触。
在本实施例中，上层PCB基板6下表面与金属板3上表面之间的距离为12mm，通过CST MICROWAVE STUDIO(电磁仿真软件)模拟得到图6中的数据；图6为2.4GHZ频率下，180度剖面的角度和方向性系数的极坐标图，同一个圆上各点的方向性系数值相同，相邻圆间之间方向性系数相差2db，并由内向外依次增大；圆周数字代表对应点与圆心点连接后的形成射线与垂直线之间的角度值，其中线条A为本实施例中天线各角度上方向性系数值的连线，可见，本实施例中天线的最大增益值为4dbi，3db波瓣宽度是226°，3db波瓣宽度是指与最大增益值相差3db的方向性系数的角度范围值；增益效果远高于一般对称振子的最大增益值2.15dbi。
实施例二
请参阅图4，在实施例一的基础上，将天线臂1数量增加到二，并去掉导体金属113，两条天线臂1的中间窄部分别紧贴于上层PCB基板6上表面和下表面，且相互垂直，成“十”字交叉形；传输线31末端设有多根支线，支线数量与天线臂1数量相等，且各相邻支线间相互垂直，90度差分馈电；实现天线圆极化；上层PCB基板6与“工”字形金属层11上均设有小圆孔，对天线圆极化产生积极影响。
在本实施例中，上层PCB基板6下表面与金属板3上表面之间的距离为12mm，通过CST MICROWAVE STUDIO(电磁仿真软件)模拟得到图7中的数据；图7为0.915GHZ频率下，90度剖面的角度和方向性系数的极坐标图，同一个圆上各点的方向性系数值相同，相邻圆间之间方向性系数相差5db，并由内向外依次增大；圆周数字代表对应点与圆心点连接后的形成射线与垂直线之间的角度值，其中线条B为本实施例中天线各角度上方向性系数值的连线，可见，本实施例中天线的最大增益值为7.75dbi，3db波瓣宽度是70.1°；远高于一般对称振子的最大增益值。
实施例三
请参阅图5，在实施例一的基础上替换天线臂1，替换后的天线臂呈多齿“弓”形金属层12，且各齿连接处与齿部宽度不同，多齿“弓”形金属层12紧贴于上层PCB基板6；天线臂数量为四，各多齿“弓”形金属层12之间相互垂直但不接触，且多齿“弓”形金属层12轴线通过相邻天线臂1轴线的中点，实现天线圆极化；天线臂1是主体辐射部分，其宽窄的变化是为了做出合适的阻抗，以及更合理地辐射；信号输入后沿着金属臂2向上流动，并通过电磁耦合作用将能量耦合致天线臂1上；通过非直接接触点缝隙高度的调整以及金属臂2与天线臂1相对位置的调整，我们可以找到合适的位置与使得天线臂1上产生对称振子式的电流分布；而这种电流分布是产生高增益的必要条件。
在本实施例中，上层PCB基板6下表面与金属板3上表面之间的距离为15mm，通过CST MICROWAVE STUDIO(电磁仿真软件)模拟得到图8中的数据；图8为0.915GHZ频率下，90度剖面的角度和方向性系数的极坐标图，同一个圆上各点的方向性系数值相同，相邻圆间之间方向性系数相差10db，并由内向外依次增大；圆周数字代表对应点与圆心点连接后的形成射线与垂直线之间的角度值，其中线条C为本实施例中天线各角度上方向性系数值的连线，可见，本实施例中天线的最大增益值为8.07dbi，3db波瓣宽度是77.5°；远高于一般对称振子的最大增益值。
本发明优势在于：
1、天线臂为连续导体，金属臂与天线臂相互靠近，但不发生接触；使天线臂与金属臂之间形成电容元件；在降低天线臂与金属板之间的距离同时而不会产生激励改变电流的分布，也就是在降低整体高度缩小天线尺寸的同时，而不会降低天线的增益效果；
2、相邻天线臂轴线相互垂直分布，更利于实现天线圆极化；
3、在与中间传输层的电气连接点位置引出了一段变通的传输线，亦可以在与中间传输层的电气连接点的位置直接焊接接头，方便外部信号输入；
4、通过非直接接触点缝隙高度的调整以及金属臂与天线臂相对位置的调整，我们可以找到合适的位置与使得天线臂上产生对称振子式的电流分布；而这种电流分布是产生高增益的必要条件；
5、天线臂是主体辐射部分，其宽窄的变化是为了调整更合适的阻抗，以及更合理地辐射。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种低剖面高增益天线，其特征在于，包括
金属板，所述金属板与地连接；
金属臂，所述金属臂设有两连接端，一连接端通过馈电点与所述金属板连接；
和天线臂；所述天线臂为连续导体；所述金属臂与所述天线臂相互靠近，但不发生接触，使所述天线臂与所述金属臂之间形成电容元件；且所述天线臂上靠近所述金属臂的点偏离所述天线臂的几何中心。
2.根据权利要求1所述的低剖面高增益天线，其特征在于，
所述金属臂包括上层金属和下层金属，所述上层金属与下层金属紧贴于中层PCB基板两侧，所述中层PCB设有金属化孔，实现所述上层金属和下层金属电气连接。
3.根据权利要求2所述的低剖面高增益天线，其特征在于，所述上层金属和下层金属分别通过上层电气连接点和下层电器连接点与所述天线臂和所述金属板连接。
4.根据权利要求3所述的低剖面高增益天线，其特征在于，所述金属板设有连通所述下层电器连接点的传输线，所述传输线末端设有多根支线，所述支线数量与所述天线臂数量相等，且各相邻支线间相互垂直，实现90度差分馈电。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的低剖面高增益天线，其特征在于，所述天线臂为两端宽中间窄的“工”字形金属层，紧贴于上层PCB基板，所述“工”字形金属层两端宽度相同，且其中一端设有通孔。
6.根据权利要求5所述的低剖面高增益天线，其特征在于，所述天线臂数量为二，两条所述天线臂的中间窄部分别紧贴于所述上层PCB基板上表面和下表面，且相互垂直，成“十”字交叉形。
7.根据权利要求5所述的低剖面高增益天线，其特征在于，所述上层金属穿过所述通孔，但不与所述天线臂发生接触，形成上层电气连接点；所述下层金属与所述金属板直接连接，形成下层电气连接点。
8.根据权利要求1-4任意一项所述的低剖面高增益天线，其特征在于，所述天线臂呈多齿“弓”形，且各齿连接处与齿部宽度不同，所述天线臂紧贴于所述上层PCB基板。
9.根据权利要求8所述的低剖面高增益天线，其特征在于，所述天线臂数量为四，各所述天线臂相互垂直但不接触，且所述天线臂轴线通过相邻天线臂轴线的中点。
10.根据权利要求8所述的低剖面高增益天线，其特征在于，所述上层金属穿过所述上层PCB基板，靠近所述天线臂，但不与所述天线臂发生接触，形成上层电气连接点；所述下层金属与所述金属板直接连接，形成下层电气连接点。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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