CN109841941A - 双频段天线及无线通信设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种双频段天线以及无线通信设备。所述双频段天线包括布置在第一印制电路板(PCB)上的第一天线，布置在第二PCB上的第二天线和反射板。所述第一天线的工作频段为第一频段。所述第二天线的工作频段为第二频段。所述第一频段高于所述第二频段。所述第二PCB在所述第一PCB和反射板之间。所述反射板包括人工磁导体。所述人工磁导体的谐振频段包括所述第二频段。所述第一频段在所述谐振频段之外。上述双频段天线的体积小。

Description

双频段天线及无线通信设备
技术领域
本申请涉及通信领域，尤其涉及一种双频段天线以及无线通信设备。
背景技术
无线局域网(WLAN)的常用频段包括2.4吉赫兹(GHz)频段和5GHz频段。相比采用不同频段的两个天线的WLAN设备，采用双频段天线的WLAN设备部署更方便。然而双频段天线的体积大。
发明内容
本申请提供一种双频段天线以及无线通信设备，以实现小型化的双频段天线。
第一方面，提供了一种双频段天线。所述双频段天线包括布置在第一印制电路板(PCB)上的第一天线，布置在第二PCB上的第二天线和反射板。所述第一天线的工作频段为第一频段。所述第二天线的工作频段为第二频段。所述第一频段高于所述第二频段。所述第二PCB在所述第一PCB和反射板之间。所述反射板包括人工磁导体。所述人工磁导体的谐振频段包括所述第二频段。所述第一频段在所述谐振频段之外。
天线和反射板之间的距离一般为工作频段的电磁波在介质中波长的约四分之一。上述双频段天线用包括人工磁导体的反射板减小第二PCB和反射板之间的距离，从而使得第二PCB在第一PCB和反射板之间。由于双频段天线的体积为PCB的面积和离反射板最远的PCB与反射板间距离的乘积，上述双频段天线的体积从PCB的面积与第二频段的电磁波在介质中波长的四分之一之积减小到了PCB的面积与第一频段的电磁波在介质中波长的四分之一之积。
可选的，所述第一天线和所述第二天线为微带天线，以减小上述双频段天线的尺寸。
结合第一方面，在第一方面的第一种实现中，所述第一天线在所述第二PCB上的投影仅部分覆盖所述第二天线，以减小第一天线对第二天线的遮挡。
结合第一方面的第一种实现，在第一方面的第二种实现中，所述第二天线包括第一振子，第二振子和功分结。所述功分结的第一枝连接所述第一振子，所述功分结的第二枝连接所述第二振子。所述第一振子被所述第一天线在所述第二PCB上的投影覆盖。所述第二振子的至少一部分在所述第一天线在所述第二PCB上的投影之外。所述第二枝的长度大于所述第一枝的长度。
由于第一天线在第二PCB上的投影仅部分覆盖第二天线，第二天线发出的电磁波穿过第一天线时被影响相位，从而可能影响第二天线发出的电磁波的指向性。为了纠正第二天线发出的电磁波的方向，上述实现中的功分结的一枝被延长以补偿两个振子间的相位差，从而纠正第二天线发出的电磁波的方向。
结合第一方面，在第一方面的第三种实现中，所述第一天线在所述第二PCB上的投影仅部分覆盖所述第二天线。所述第一天线包括多个振子，所述第一天线的所述多个振子布置在所述第一PCB的边缘。所述第二天线包括多个振子。所述第二天线的所述多个振子中各个振子的中心在所述第一PCB上的投影位于所述第一天线的所述多个振子的各个振子的中心围成的图形内。该实现为多振子结构中减小第一天线对第二天线的遮挡的一种可选方式，使得第二天线发出的电磁波穿过第一PCB的中间部分时不受遮挡。
结合第一方面的第三种实现，在第一方面的第四种实现中，所述第二天线的所述多个振子中的每个振子包括第一振子，第二振子和功分结。所述功分结的第一枝连接所述第一振子。所述功分结的第二枝连接所述第二振子。所述第一振子被所述第一天线在所述第二PCB上的投影覆盖。所述第二振子的至少一部分在所述第一天线在所述第二PCB上的投影之外。所述第二枝的长度大于所述第一枝的长度。该实现为多振子结构中纠正第二天线发出的电磁波的方向的一种可选方式。
结合第一方面的第四种实现，在第一方面的第五种实现中，所述第一天线的所述多个振子中的每一个包括多个偶极微带振子。所述多个偶极微带振子中中心位置的偶极微带振子被分配的功率高。所述多个偶极微带振子中周围位置的偶极微带振子被分配的功率低。如果第一频段的频率为第二频段的频率倍频，第一天线发射的电磁波可能影响第二天线发射的电磁波。多个偶极微带振子中中心位置的偶极微带振子被分配的功率高，使得第一天线发射的电磁波的能量中心仅覆盖第二天线的一部分，从而减小倍频电磁波对第二天线的影响。
第二方面，提供了一种无线通信设备，包括上述第一方面或第一方面的第一种实现至第四种实现中的任意一个中的双频段天线。所述无线通信设备还包括工作频段为所述第一频段的第一射频电路以及工作频段为所述第二频段的第二射频电路。所述第一射频电路连接到所述第一天线。所述第二射频电路连接到所述第二天线。
附图说明
图1为本发明实施例中双频段天线的一个视角的三维示意图；
图2为本发明实施例中双频段天线的另一个视角的三维示意图；
图3为本发明实施例中偏置第一天线的双频段天线的示意图；
图4为本发明实施例中带有振子相位调节结构的第二天线220的示意图；
图5为本发明实施例中无线通信设备的示意图；
图6为本发明实施例的双频段天线的2.4GHz频段的方向图；
图7为本发明实施例的双频段天线的5GHz频段的方向图。
具体实施方式
以下结合图1至图4说明本发明实施例。
图1和图2为本发明实施例中双频段天线的三维示意图。该双频段天线包括布置在第一印制电路板(PCB)110上的第一天线120和布置在第二PCB210上的第二天线220。该双频段天线还包括反射板301。第一PCB110、第二PCB210、反射板301相互平行。
为缩小双频段天线的体积，第一天线120和第二天线220为微带天线。第一天线120的工作频段为第一频段。第二天线220的工作频段为第二频段。第一频段高于第二频段。第一频段高于第二频段是指第一频段的频率范围的下限高于第二频段的频率范围的上限。例如，第一频段为5GHz频段，第二频段为2.4GHz频段。虽然各国法规有些差异，但5GHz频段的频率范围的下限一定高于2.4GHz频段的频率范围的上限。以美国法规为例，2.4GHz频段的范围为2400兆赫兹(MHz)到2483.5MHz，5GHz频段的范围为5170MHz到5835MHz。5GHz频段的下限5170MHz高于2.4GHz频段的上限2483.5MHz。
反射板301为导体接地板。反射板301配合微带天线使微带天线产生的电磁波具有良好的指向性。天线和反射板301之间的距离由天线的工作频段以及天线和反射板301之间的介质的性质决定。天线和反射板301之间的距离一般为频率在工作频段范围内的电磁波在介质中波长的约四分之一，以提高微带天线的增益。由于第一频段高于第二频段，第一频段的电磁波在介质中波长小于第二频段的电磁波在相同介质中波长。因此，若反射板301被普通金属接地板替代，第一天线120和普通金属接地板之间的距离应当小于第二天线220和普通金属接地板之间的距离，即第一PCB110在第二PCB210和普通金属接地板之间。
天线的尺寸和天线的工作频段电磁波的频率成反比。因此，当第一天线120和第二天线220采用相同的相同结构时，第一天线120的尺寸小于第二天线220的尺寸。天线的电磁波沿着与反射板301到天线的方向传输，该方向为天线的前方。由于天线为导体，后面的天线发射的电磁波会被前面的天线遮挡。如果第一PCB110在第二PCB210和反射板301之间，即第二PCB210在第一PCB110之前，则第二天线220会遮挡第一天线120发射的电磁波。则尺寸更大的第二天线220对第一天线120发射的电磁波的遮挡效果大。
为减小双频段天线的两个天线对电磁波的相互遮挡，将第二PCB210设置在第一PCB110和反射板301之间。将第一PCB110和反射板301之间的距离设置为一般距离，即第一频段的电磁波在介质中波长的约四分之一。为了保持与反射板301间的距离短于一般距离的第二天线220的高增益，用人工磁导体(英文：artificial magnetic conductor，AMC)制造反射板301，以改变第二天线220和反射板301间电磁波的相位。AMC是一种人造的，金属的电磁结构。AMC通常具有与其谐振频段对应的周期性的图案。对AMC的谐振频段内的电磁波来说，AMC是理想磁导体(英文：perfect magnetic conductor，PMC)。对AMC的谐振频段外的电磁波来说，AMC是普通反射板。包括AMC的反射板301能改变谐振频段内的电磁波的相位，从而减小反射板301和天线之间所需要的距离。为了减小第二天线220和反射板301之间的距离并且不影响第一天线120和反射板301之间的距离，该AMC的谐振频段包括第二频段，并且不包括第一频段，即第一频段在AMC的谐振频段之外。
采用包含AMC的反射板时，第二PCB210在第一PCB110和反射板301之间，即第一PCB110在第二PCB210之前。尺寸更小的第一天线120对第二天线220发射的电磁波的遮挡效果小，从而总体上减小了双频段天线的两个天线对电磁波的相互遮挡。并且，由于双频段天线的体积为PCB的面积和离反射板301最远的PCB与反射板301间距离的乘积，相比于不包含AMC的双频段天线，包含AMC的双频段天线的体积从PCB的面积与第二频段的电磁波在介质中波长的四分之一之积减小到了PCB的面积与第一频段的电磁波在介质中波长的四分之一之积。以第一频段为5GHz频段，第二频段为2.4GHz频段为例，采用包含AMC的反射板的双频段天线的体积约为采用普通金属接地板的双频段天线的体积的一半。
为进一步减小第一天线120对第二天线220的遮挡，可以偏置第一天线120，使得第一天线120在第二PCB210上的投影仅部分覆盖第二天线220。
可以将第一天线120整体移动一段距离以使其中心的投影偏离第二天线220的中心，从而偏置第一天线120。如图3所示，如果第一天线120和第二天线220各自包括多个振子，可以把第一天线120的多个振子布置在第一PCB110的边缘，从而偏置第一天线120并扩大各个振子之间的部分。第二天线220则仍采用常规布置。这样，第二天线220的多个振子中各个振子的中心在第一PCB110上的投影位于第一天线120的多个振子的中心围成的图形内。从而使得第二天线220发出的电磁波穿过各个振子之间的部分时不受第一天线120的遮挡。
参见图3，图3以第一天线120和第二天线220各自包括4个振子为例，示出一种双频段天线的结构。图3右上的PCB为第一PCB110，其上布置有第一天线120。第一天线120的4个振子布置在第一PCB110的四角，从而空出各个振子之间的部分部分。图3左上的PCB为第二PCB210，其上布置有第二天线220。第二天线220采用常规布置。图3下方示出双频段天线安装好后，第二天线220投影到第一PCB110上的示意图。第一天线120用实线框表示，第二天线220的投影用虚线框表示。
如果第一天线120在第二PCB210上的投影仅部分覆盖第二天线220，第二天线220发出的电磁波穿过第一天线120的部分被影响相位，从而可能影响第二天线220发出的电磁波的指向性。
如果第二天线220包括至少两个振子，可以调节各振子的相位以纠正第二天线220发出的电磁波的方向。例如，第二天线220包括第一振子，第二振子和功分结。功分结的第一枝连接第一振子，功分结的第二枝连接第二振子。第一振子被第一天线120在所述第二PCB210上的投影覆盖，第二振子的至少一部分在第一天线120的投影之外，即相对于第二振子发出的电磁波，第一振子发出的电磁波的相位被延迟。相应的，增加第二枝的长度(第二枝的长度大于第一枝的长度)。相对于长度短的枝传输的射频信号，长度长的枝传输的射频信号的相位被延迟。即第二振子发出的电磁波的相位被延迟，从而使第一振子和第二振子发出的电磁波的相位相同，以纠正第二天线220发出的电磁波的方向。
参见图4，图4为带有振子相位调节结构的第二天线220的示意图。如果第一天线120和第二天线220各自包括多个振子，并且把第一天线120的多个振子布置在第一PCB110的边缘，并且如果第二天线220的多个振子中的每个振子包括至少两个振子，可以调节第二天线220的多个振子中每个振子的结构以纠正第二天线220发出的电磁波的方向。例如，第二天线220的所述多个振子中的每个振子包括第一振子221，第二振子222和功分结。功分结的第一枝B1连接第一振子221，功分结的第二枝B2连接第二振子222。第一振子221被第一天线120在第二PCB210上的投影覆盖，第二振子222的至少一部分在第一天线120的投影之外。第二枝B2的长度大于第一枝B1的长度。
如果第一频段为5GHz频段，第二频段为2.4GHz频段，由于第一频段的频率大约为第二频段的频率两倍，第一天线120发射的电磁波可能影响第二天线220发射的电磁波。为减小倍频电磁波对第二频段电磁波的影响，可以调整第一天线120的振子的功率分配，使第一天线120发射的电磁波的能量中心仅覆盖第二天线220的一部分。例如，以图3中的第一天线120为例，第一天线120包括4组天线振子，每组天线振子包括16(4×4)个偶极微带振子。可以调整这16个偶极微带振子间的功率分配，使这16个偶极微带振子中中心4个偶极微带振子分配的功率高，周围12个偶极微带振子分配的功率低。这样，第一天线120的每组天线振子的能量中心都只覆盖第二天线220的第一振子221，从而减小倍频电磁波对第二天线220的影响。
第一天线120和第二天线220中振子的个数可以为任意正整数，并且第一天线120和第二天线220中振子的个数可以不同。图1-图4以第一天线120和第二天线220个包括4个振子为例示出本发明实施例中双频段天线的示意图。
图5为本发明实施例中无线通信设备的示意图。该无线通信设备包括图1至图4所示任一实施例中的双频段天线，工作频段为第一频段的第一射频(RF)电路RF1以及工作频段为第二频段的第二RF电路RF2。第一RF电路RF1连接到第一天线120。第二RF电路RF2连接到第二天线220。RF电路又称为RF模块，用于收发RF信号。第一RF电路RF1和第二RF电路RF2可以集成在一个芯片中，也可以是相互独立的芯片。
图6为本发明实施例的双频段天线的2.4GHz频段的方向图。图6以2450MHz信号为例，示出采用图1至图4所示实施例的结构的双频段天线在各方向上的增益。其中横轴为角度，以度为单位，0度为双频段天线的正前方。横轴范围为-200度至200度，其中-180度至180度为有效范围。纵轴为增益，单位为分贝(dB)。纵轴范围为-25dB至12.5dB。
图7为本发明实施例的双频段天线的5GHz频段的方向图。图7以5500MHz信号为例，示出采用图1至图4所示实施例的结构的双频段天线在各方向上的增益。其中横轴为角度，以度为单位，0度为双频段天线的正前方。横轴范围为-200度至200度，其中-180度至180度为有效范围。纵轴为增益，单位为dB。纵轴范围为-30dB至15dB。
由图6和图7可以看出，示出本发明实施例的结构的双频段天线具有良好的方向性以及高增益。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种双频段天线，包括布置在第一印制电路板PCB上的第一天线，布置在第二PCB上的第二天线和反射板，其中，
所述第一天线的工作频段为第一频段，所述第二天线的工作频段为第二频段，且所述第一频段高于所述第二频段；
所述第二PCB在所述第一PCB和所述反射板之间；
所述反射板包括人工磁导体，所述人工磁导体的谐振频段包括所述第二频段，所述第一频段在所述谐振频段之外。
2.根据权利要求1所述的双频段天线，其中，
所述第一天线在所述第二PCB上的投影仅部分覆盖所述第二天线。
3.根据权利要求2所述的双频段天线，其中，所述第二天线包括第一振子，第二振子和功分结，所述功分结的第一枝连接所述第一振子，所述功分结的第二枝连接所述第二振子；
所述第一振子被所述第一天线在所述第二PCB上的投影覆盖，所述第二振子的至少一部分在所述第一天线在所述第二PCB上的投影之外，所述第二枝的长度大于所述第一枝的长度。
4.根据权利要求1所述的双频段天线，其中，
所述第一天线在所述第二PCB上的投影仅部分覆盖所述第二天线；
所述第一天线包括多个振子，所述第一天线的所述多个振子布置在所述第一PCB的边缘；
所述第二天线包括多个振子，所述第二天线的所述多个振子中各个振子的中心在所述第一PCB上的投影位于所述第一天线的所述多个振子的各个振子的中心围成的图形内。
5.根据权利要求4所述的双频段天线，其中，所述第二天线的所述多个振子中的每个振子包括第一振子，第二振子和功分结，所述功分结的第一枝连接所述第一振子，所述功分结的第二枝连接所述第二振子；
所述第一振子被所述第一天线在所述第二PCB上的投影覆盖，所述第二振子的至少一部分在所述第一天线在所述第二PCB上的投影之外，所述第二枝的长度大于所述第一枝的长度。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的双频段天线，其中，
所述第一天线和所述第二天线为微带天线。
7.根据权利要求5所述的双频段天线，其中，第一频段的频率为第二频段的频率倍频；
所述第一天线的所述多个振子中的每一个包括多个偶极微带振子，所述多个偶极微带振子中中心位置的偶极微带振子被分配的功率高，所述多个偶极微带振子中周围位置的偶极微带振子被分配的功率低。
8.一种无线通信设备，包括，如权利要求1至7中任意一项所述的双频段天线，工作频段为所述第一频段的第一射频电路以及工作频段为所述第二频段的第二射频电路，其中，所述第一射频电路连接到所述第一天线，所述第二射频电路连接到所述第二天线。
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