CN110808463A - 一种强穿透天线装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有强穿透天线装置，所述天线装置包括第一辐射体、第二辐射体、第三辐射体以及介质基板。所述第一辐射体开槽用于调节天线阻抗，可以达到调节谐振频率的效果；第一辐射体与第二辐射体之间根据需求加入相应介电常数的介质基板；第三辐射体作为反射板，位于第二辐射体下方，增加0度角方向的增益；第一辐射体正上方加入一定厚度的低介电常数介质；馈电点设置在第一辐射体上，第二辐射体接地。所述天线装置具有强穿透性能，填埋在钢筋混凝土中依然能与外界顺畅传输能量。

Description

一种强穿透天线装置
技术领域
本发明涉及一种天线电子设备，尤其是涉及一种强穿透天线装置。
背景技术
绝大部分天线都是以自由空间或者物体表面为应用场景，具体而言大部分电子设备的天线都是应用在空气中，还有一部分电子设备是置于墙上、金属上、皮肤表面等，总之电子设备会有一个方向与空气接触，这样有利于电磁波能量的传输。相应的研究自由空间天线相关论文占绝大部分。可检索到的研究恶劣电磁传播环境的天线设计论文甚少。
恶劣的电磁传播环境对电磁波有衰减、反射、散射等影响，将电子设备置于此类环境之中如钢筋混凝土时，电磁波很难将能量传输出去，导致很难甚至无法与外界通信。
无源标签芯片的接收灵敏度差于有源标签10dBm或者更多，这样对无源标签置于恶劣电磁传播环境之中这种应用场景的天线设计挑战更艰巨。
发明内容
本发明提供了一种填埋在钢筋混凝土里的强穿透天线装置，用于解决无源标签芯片在恶劣的电磁传播环境中(如内置于混凝土结构物时)，且无法与外界通过有线连接的情况下，通过天线与外界通信的技术难题，其技术方案如下所述：
一种强穿透天线装置，包括从上到下依次布置的第一辐射体、第二辐射体、第三辐射体，第一辐射体和第二辐射体都为金属材质，两者之间设置有介质基板，第一、第二、第三辐射体均为平面导电结构，例如铜箔，厚度和横截面没有特殊要求。
第一辐射体的正上方加入有设定厚度的低介电常数介质，且第一辐射体设置有馈电点，馈电点通过阻抗匹配网络接入馈电系统，所述第二辐射体通过接地点进行接地。
所述第一辐射体在完整导电平面基础上开槽设计，形成电路局部断开，以此调节天线电场分布，进一步用于调节天线阻抗，实现调节谐振频率。
所述第二辐射体下方设置有电子设备的印制电路板，印制电路板至少为双层电路板结构，并且双层电路板采用焊接工艺安装在第二辐射体上面，双层电路板的顶面为元件面，底面和第二辐射体紧贴，并且双层电路板的地信号和第二辐射体焊接导通，以加强天线的可靠性。
所述阻抗匹配网络与馈电系统都位于印制电路板上，所述馈电点通过穿过所述介质基板的馈电线路与电子设备的印制电路板相连接。
第一辐射体、第二辐射体、第三辐射体、介质基板、印制电路板都位于外壳内，外壳的材料采用高分子材料，并通过第一低介电常数介质将外壳的内腔填满；第二辐射体、第三辐射体之间也填充有第二低介电常数介质，第一低介电常数介质与第二低介电常数介质相同或不相同。
所述阻抗匹配网络包含多组串联和并联的阻抗调谐单元。
第三辐射体采用金属材料，作为反射板，长度比第二辐射体长，增加0度角方向的增益。
第一辐射体的正上方的低介电常数介质的厚度不低于5mm。
馈电点能够设置在第一辐射体上的任意位置，接地点能够在第二辐射体上的任意位置。
馈电点和接地点分别布局在第一辐射体和第二辐射体后，两点连线后垂直于第一辐射体平面的方向。
第一辐射体、第二辐射体通过设定的距离安装在不同平面上，第一辐射体和第二辐射体平行设置，辐射体的平面大小和形状相同。
本发明具有如下明显优势：
(1)本发明结构简单，可根据性能需求来大型化设备，也可在考虑钢筋混凝图结构强度的情况下小型化设备。
(2)本发明提供了完善的阻抗匹配网络，可以在不改变天线形态的情况下，根据频段需求来改变天线的谐振频率。
(3)本发明的电子设备，填埋在钢筋混凝土之后信号衰减较小，相比于自由空间传输距离降低幅度较小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的强穿透天线装置的横切面结构示意图；
图2是本发明提供的强穿透天线装置的纵切面结构示意图；
图3是本发明提供的强穿透天线装置的斜切面的一半结构示意图；
图4是本发明提供的强穿透天线装置的斜切面另一半结构示意图；
图5是本发明提供的强穿透性天线装置的结构示意图；
图6是本发明提供的强穿透性天线装置的另一角度示意图；
图7是本发明提供的强穿透性的天线装置的拆分结构示意图；
图8是按照横向中间轴移动馈电点到各个位置的S11结果图；
图9是按照横向中间轴移动馈电点到各个位置的二维方向结果图；
图10是本发明提供的强穿透天线装置的天线辐射方向3D图；
图11是本发明提供的强穿透天线装置的整体结构示意图；
图12是本发明提供的强穿透天线装置的匹配网络的逻辑示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
本发明提供的实施例中，所述强穿透天线装置安装在无源标签芯片，并将无源标签芯片内置于钢筋混凝土中，以下将分别对天线的结构进行详细说明，该天线装置也可以设置在其他电子设备中。
如图1到图4所示，安装在电子设备10上的强穿透性的天线装置包括：外壳1、第一辐射体2、介质基板3、第二辐射体4、印制电路板组件5、第三辐射体6，低介电常数填充介质7。
所述外壳1采用长方体结构，包括壳顶101、壳底103以及四个侧壁，侧壁分别为壳左壁105、壳右壁106、壳前壁104、壳后壁102，外壳1的材料由高分子材料构成。
第一辐射体2与壳顶101接壤，介质基板3置于第一辐射体2之下，第二辐射体4至于介质基板3之下，印制电路板5置于第二辐射体4之下，印制电路板5的地与第二辐射体2充分接触，低介电常数填充介质7置于第二辐射体2之下并包裹住印制电路板5，第三辐射体6置于低介电常数填充介质7之下，壳底103置于第三辐射体6之下。
可见，在外壳1内，从上到下依次设置有第一辐射体2、第二辐射体4、第三辐射体6，所述第一辐射体2、第二辐射体4以及第三辐射体6采用金属材料，可以是铜，铝，钢等，根据具体施工需求来选材。
所述第一辐射体2开槽，用于调节天线阻抗可以达到调节谐振频率的效果，第三辐射体6作为反射板，增加0度角方向的增益。
第一辐射体2和第二辐射体4平行设置，辐射体的平面大小和形状可以相同，所述第一辐射体2和第二辐射体4之间填充有介质基板3，介质基板3是根据相应介电常数和损耗正切值的需求选定的，其可以采用材料譬如各种高分子材料、甚至是根据仿真而特制的改性材料、陶瓷、橡胶、玻璃等等。
第三辐射体6置于第二辐射体4之下，两个辐射体之间填充有低介电常数的介质7，是为了增强电子设备的结构强度。该介质可以采用空气，也可以选择填充其他介电常数较低的介质。进一步的，结合图5和图6所示，第三辐射体6的长度比第二辐射体4要长，这样有利于提高向上方向的增益，从而提高电子设备10在向上方向在同等条件下的传输距离。
如图7所示，在第二辐射体4和第三辐射体6之间设置有印制电路板5，所述印制电路板5用于承载阻抗匹配网络804和信号源805。
上述第一辐射体2、第二辐射体4、介质基板3、印制电路板5、第三辐射体6、低介电常数介质7都置于外壳1之内，其中低介电常数介质7将外壳1的内腔填满。
实施时，第一辐射体2的正上方加入一定厚度的低介电常数介质。可以将壳顶101厚度设置高于5mm，在该电子设备10填埋在钢筋混凝土中时，保障了第一辐射体2和混凝土之间保留有5mm以上的距离，从而保障了天线的辐射效率。
可见，除了图1和图2，为了更明晰地阐述天线的结构，图3和图4给出了斜切图，图5和图6给出了强穿透天线装置的斜俯视图和斜仰视图，图7给出了强穿透天线装置的拆分图(爆炸示意图)。
如图11所示，所述第一辐射体2设有馈电点802，该第一辐射体2通过所述馈电点802与馈线803相接，馈线803可以由铜丝、铜箔、铝丝、金属顶针等导电材料构成。
馈线803的另一端与阻抗匹配网络804相连，阻抗匹配网络804通过微带线与信号源805相连，使得所述馈电点802通过穿过所述介质基板3的馈线803与电子设备的印制电路板5组件连接。
所述阻抗匹配网络804布局在印制电路板5上，其作用是用来控制信号的反射，可以包含多组串联与并联的元器件(阻抗调谐单元)，对于本领域技术人员来讲，可以根据天线阻抗做出相应调整。本实施例提供了其中一种组合方式，如图12所示，包括第一器件8041、第二器件8042、第三器件8043、第四器件8044，所述第一器件8041和第二器件8042相连接，两者间的线路通过第三器件8043接地，第一器件8041与信号源805相连接，第二器件8042通过馈线803与馈电点802相连接，第二器件8042和馈电点802之间的线路通过通过第四器件8044接地。第一器件8041、第二器件8042、第三器件8043、第四器件8044在使用时，可以是电容、电阻、电感等。
电子设备输出信号时，阻抗匹配网络804的输入端连接信号源805的输出端，匹配网络804的输出端通过馈电803连接到馈电点802。信号源805作为馈电系统的一种，这样，馈电点通过阻抗匹配网络接入馈电系统。根据图12可知，第一器件8041作为输入端，第二器件8042作为输出端。
所述第二辐射体4设接地点807，所述接地点807通过线连接接地801，使得第二辐射体4接地。
馈电点802可以在第一辐射体2上的任意位置，接地点807可以在第二辐射体4上的任意位置。为了方便本实施例的实施，可以将馈电点802和接地点807分别布局在第一辐射体2和第二辐射体4后，两点连线后垂直于第一辐射体2平面的方向。
馈电点802沿着电子设备10的横向中心线方向，由第一辐射体2的左边沿移动到第一辐射体2的中心时S11变化如图8所示，从图8可以看出馈电点802在不同位置，天线的谐振频率会呈现有规律的变化，相应的天线的阻抗也会发生变化。与此同时，如图9所示，在馈电点802移动到不同位置的时候天线在指定的频率(本实施例选择的925MHz)的增益(在不考虑回波损耗的前提下)变化甚微，即在只移动馈电点802的前提下，天线的阻抗会有变化，而通过图10所述的天线辐射方向3D图，可知天线辐射的方向性没有变化。通过配合天线馈电点802的位置和阻抗匹配网络4的第一器件8041、第二器件8042、第三器件8043、第四器件8044的不同参数选择，可以让天线在指定频率的辐射性能达到最优。
进一步的，所述阻抗匹配网络804和信号源805布局在印制电路板5上，印制电路板5至少为双层电路板结构(顶面和底面为双层)，并且双层电路板采用焊接工艺安装在第二辐射体4上面，双层电路板的元件面朝上，底面和第二辐射体4紧贴，并且双层电路板的地信号和第二辐射体4焊接导通，以加强天线的可靠性。将电子设备的印制电路板组件的地与第二辐射体充分接触。同时，双层电路板的地信号接地806。
即双层电路板采用焊接工艺安装在第二辐射体4上面，双层电路板的元件面朝上，底面和第二辐射体4紧贴，并且双层电路板的地信号和第二辐射体4焊接导通，以加强天线的可靠性。
通过以上结构，所述强穿透天线装置具有强穿透性能，填埋在钢筋混凝土中依然能与外界顺畅传输能量。
801和806是整个装置的地线的电气接地信号，标注的是地线的电气符号，这意味着电路板的电气地信号和天线的电气地信号是连通的。
由以上实施例可以看出，本申请提供的天线设计方案通过调节馈电点的位置和匹配网络的器件参数来使天线的辐射性能达到最优；通过增加第三辐射体作为反射板可以调整天线的方向性，从而使天线在可利用方向上增益达到优秀的水平；通过增加壳顶厚度来降低天线在填埋在钢筋混凝土等恶劣电磁辐射环境中时辐射能量的损耗。综上所述可以达到强穿透性的效果。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以上对本申请实施例提供的电子设备及天线装置进行了详细介绍，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种强穿透天线装置，其特征在于：包括从上到下依次布置的第一辐射体、第二辐射体、第三辐射体，第一辐射体和第二辐射体都为金属材质，两者之间设置有介质基板，第一、第二、第三辐射体均为平面导电结构，第一辐射体的正上方加入有设定厚度的低介电常数介质，且第一辐射体设置有馈电点，馈电点通过阻抗匹配网络接入馈电系统，所述第二辐射体通过接地点进行接地。
2.根据权利要求1所述的强穿透天线装置，其特征在于：所述第一辐射体在完整导电平面基础上开槽设计，形成电路局部断开，以此调节天线电场分布，进一步用于调节天线阻抗，实现调节谐振频率。
3.根据权利要求1所述的强穿透天线装置，其特征在于：所述第二辐射体下方设置有电子设备的印制电路板，印制电路板至少为双层电路板结构，并且双层电路板采用焊接工艺安装在第二辐射体上面，双层电路板的顶面为元件面，底面和第二辐射体紧贴，并且双层电路板的地信号和第二辐射体焊接导通，以加强天线的可靠性；所述阻抗匹配网络与馈电系统都位于印制电路板上，所述馈电点通过穿过所述介质基板的馈电线路与电子设备的印制电路板相连接。
4.根据权利要求3所述的强穿透天线装置，其特征在于：第一辐射体、第二辐射体、第三辐射体、介质基板、印制电路板都位于外壳内，外壳的材料采用高分子材料，并通过第一低介电常数介质将外壳的内腔填满；第二辐射体、第三辐射体之间也填充有第二低介电常数介质，第一低介电常数介质与第二低介电常数介质相同或不相同。
5.根据权利要求3所述的强穿透天线装置，其特征在于：所述阻抗匹配网络包含多组串联和并联的阻抗调谐单元。
6.根据权利要求1所述的强穿透天线装置，其特征在于：第三辐射体采用金属材料，作为反射板，长度比第二辐射体长，增加0度角方向的增益。
7.根据权利要求1所述的强穿透天线装置，其特征在于：第一辐射体的正上方的低介电常数介质的厚度不低于5mm。
8.根据权利要求1所述的强穿透天线装置，其特征在于：馈电点能够设置在第一辐射体上的任意位置，接地点能够在第二辐射体上的任意位置。
9.根据权利要求1所述的强穿透天线装置，其特征在于：馈电点和接地点分别布局在第一辐射体和第二辐射体后，两点连线后垂直于第一辐射体平面的方向。
10.根据权利要求1所述的强穿透天线装置，其特征在于：第一辐射体、第二辐射体通过设定的距离安装在不同平面上，第一辐射体和第二辐射体平行设置，辐射体的平面大小和形状相同。
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Assignee: CHINA RAILWAY ENGINEERING SERVICE Co.,Ltd.

Assignor: CHINA RAILWAY ENGINEERING EQUIPMENT GROUP Co.,Ltd.

Contract record no.: X2023980041747

Denomination of invention: A Strong Penetration Antenna Device

License type: Common License

Record date: 20230918

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