CN111342223B - 一种地埋天线装置及通信系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种地埋天线装置和通信系统，该地埋天线装置包括介质基板、辐射体和外壳；外壳具有立体空间，介质基板和辐射体均适配地置于外壳的立体空间；辐射体、外壳包括的壳底均与介质基板贴合设置；其中，辐射体的中部具有呈菱形的镂空部，镂空部向辐射体的边缘延伸形成有切口。本申请通过改变辐射体的第一长度、切口在第一方向上的对角线长度以及阻抗匹配网络中电容、电阻和电感的数量及参数，来使地埋天线装置的辐射性能达到最优，从而保障了地埋天线装置在恶劣环境下的辐射效率。

Description

一种地埋天线装置及通信系统

技术领域

本申请涉及电子设备技术领域，特别涉及一种地埋天线装置及通信系统。

背景技术

通常，在实际使用中，绝大部分天线都是以自由空间或者物体表面为应用场景，例如，将电子设备设置在墙上、金属上、皮肤表面等，也就是说，大部分电子设备的天线都是应用在空气中，或存在至少一个方向与空气接触，这样有利于电磁波能量的传输，也即，实现电子设备与其他设备的通信。

众所周知的，恶劣的电磁传播环境对电磁波有衰减、反射、散射等影响，例如在钢筋混凝土、地下井等环境下，电磁波很难将能量传输出去，也即导致电子设备无法与外界通信。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种地埋天线装置及通信系统，能够实现钢筋混凝土、地下井等环境下的电子设备与外界进行通信。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例采用了如下技术方案：一种地埋天线装置，包括介质基板、辐射体和外壳；

所述外壳具有立体空间，所述介质基板和辐射体均适配地置于所述外壳的立体空间；

所述辐射体、所述外壳包括的壳底均与所述介质基板贴合设置；

其中，所述辐射体的中部具有呈菱形的镂空部，所述镂空部向所述辐射体的边缘延伸形成有切口。

作为优选，所述壳底为呈长方体的板状结构，所述外壳还包括四个侧壁；所述壳底的每个边缘分别与一个侧壁的边缘连接；

所述介质基板和所述辐射体均位于所述外壳和所述四个侧壁形成的所述立体空间中。

作为优选，还包括用于通信的电子元器件；所述电子元器件和所述辐射体连接；

所述电子元器件位于所述外壳和所述四个侧壁形成的立体空间中，并设置在所述介质基板上。

作为优选，所述立体空间通过填充电介质形成封装结构；

所述电介质的最高位置与所述侧壁的高度之间的距离，构造为大于或等于一预设距离。

作为优选，所述电子元器件包括阻抗匹配网络；

所述阻抗匹配网络与所述辐射体上的馈电点连接；

所述馈电点设置在所述辐射体远离所述壳底的一面上，且位于所述切口的一侧。

作为优选，所述电子元器件还包括信号源；

所述信号源与所述阻抗匹配网络连接。

作为优选，所述阻抗匹配网络包括电容、电阻和电感中的一个或多个。

作为优选，所述辐射体远离所述壳底的一面上设置有接地点，所述接地点相对于所述馈电点位于所述切口的另一侧。

第二方面，本申请还提供了一种通信系统，其中，包括上述任意一种地埋天线装置。

作为优选，所述通信系统还包括接收装置；所述地埋天线装置和所述接收装置无线通信连接；

所述接收装置，用于接收所述地埋天线装置发送的无线信号。

本申请实施例提供的地埋天线装置包括介质基板、辐射体和外壳；外壳具有立体空间，介质基板和辐射体均适配地置于外壳的立体空间；辐射体、外壳包括的壳底均与介质基板贴合设置；其中，辐射体的中部具有呈菱形的镂空部，镂空部向辐射体的边缘延伸形成有切口。本申请实施例通过改变辐射体的第一长度、切口在第一方向上的对角线长度以及阻抗匹配网络中电容、电阻和电感的数量及参数，来使地埋天线装置的辐射性能达到最优，从而保障了地埋天线装置在恶劣环境下的辐射效率。

附图说明

图1为本申请实施例的一种地埋天线装置的结构示意图；

图2为本申请实施例的一种地埋天线装置的俯视图；

图3为本申请实施例的一种包括电子元器件的地埋天线装置的结构示意图；

图4为本申请实施例的一种地埋天线装置的横切面结构示意图；

图5为本申请实施例的一种地埋天线装置的横切面结构示意图；

图6为本申请实施例的一部分地埋天线装置的斜切面结构示意图；

图7为本申请实施例的另一部分地埋天线装置的斜切面结构示意图。

具体实施方式

此处参考附图描述本申请的各种方案以及特征。

应理解的是，可以对此处申请的实施例做出各种修改。因此，上述说明书不应该视为限制，而仅是作为实施例的范例。本领域的技术人员将想到在本申请的范围和精神内的其他修改。

包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本申请的实施例，并且与上面给出的对本申请的大致描述以及下面给出的对实施例的详细描述一起用于解释本申请的原理。

通过下面参照附图对给定为非限制性实例的实施例的优选形式的描述，本申请的这些和其它特性将会变得显而易见。

还应当理解，尽管已经参照一些具体实例对本申请进行了描述，但本领域技术人员能够确定地实现本申请的很多其它等效形式，它们具有如权利要求所述的特征并因此都位于借此所限定的保护范围内。

当结合附图时，鉴于以下详细说明，本申请的上述和其他方面、特征和优势将变得更为显而易见。

此后参照附图描述本申请的具体实施例；然而，应当理解，所申请的实施例仅仅是本申请的实例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详细描述以避免不必要或多余的细节使得本申请模糊不清。因此，本文所申请的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而是仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样地使用本申请。

本说明书可使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本申请的相同或不同实施例中的一个或多个。

图1为本申请实施例提供的地埋天线装置的结构示意图，其中，包括介质基板10、辐射体20和外壳30；具体的，外壳30具有立体空间，介质基板10和辐射体20均适配地置于外壳30的立体空间；且辐射体20、外壳30包括的壳底301均与介质基板10贴合设置；其中，介质基板10以 FR4为主要材料，例如，四功能(Tera-Function)的环氧树脂加上填充剂以及玻璃纤维所做出的复合材料等；辐射体20为金属材质，并作为覆铜附着于介质基板10上。考虑到本申请实施例提供的地埋天线装置主要在较为恶劣的电磁传播环境中使用，例如钢筋混凝土下、地下井内等，优选的，该地埋天线装置的外壳30采用较高强度的钢材制作而成，当然，也可以是其他强度更高的金属材质，本申请实施例对此不做具体限定。本申请实施例利用高强度的金属材料来增强地埋天线装置的物理强度，同时也增强了地埋天线装置所放置的混凝土结构的物理强度。

进一步的，外壳30还四个侧壁302；壳底301为呈长方体的板状结构，四个侧壁302也可以为呈长方体的板状结构，且四个侧壁302的结构相同。壳底301的每个边缘分别与一个侧壁302的边缘连接，且每个侧壁302与壳底301均呈90°角；四个侧壁302处于壳底301的同一侧，与壳底301 形成一个立体空间。其中，壳底301未在图1中示出。值得说明的是，壳底301和四个侧壁302之间使用的金属材料可以相同，也可以不同；壳底 301和四个侧壁302之间的厚度可以相同，也可以不同。

这里，介质基板10设置在壳底301，具体的，壳底301与介质基板10 的板面贴合设置，介质基板10的四个边缘分别与一个侧壁302的面连接，也即，介质基板10位于外壳30和四个侧壁302形成的立体空间中。

这里，辐射体20同样位于上述立体空间中，如图2所示，为本申请实施例提供的地埋天线装置的俯视图。具体的，辐射体20在第一方向的两个边缘可以与第一方向的两个侧壁302的面连接，也可以不连接，也就是说，在生产地埋天线装置时，辐射体20在第一方向上的第一长度可以根据实际需求进行调整，其中，辐射体20的第一长度取预设阈值与壳底301的第二长度之间的任意值；预设阈值为切口在第一方向上的对角线长度，第二长度为壳底301在第一方向上的长度。在具体实施中，可以通过调节辐射体20的第一长度来调节天线阻抗，在辐射体20的第一长度增加时，地埋天线装置的谐振频率会升高，阻抗的虚部电抗(输入电抗)增大；相反的，在辐射体 20的第一长度减小时，地埋天线装置的谐振频率会降低，阻抗的虚部电抗 (输入电抗)减小。另外，辐射体20在第二方向上的两个边缘可以与第二方向的两个侧壁302的面连接，也可以不连接，本申请实施例中的附图均以辐射体20在第二方向上的两个边缘可以与第二方向的两个侧壁302的面不连接进行示意的。

由图2可知，辐射体20的中部具有呈菱形的镂空部，镂空部向辐射体的边缘延伸形成有切口，镂空部可以呈矩形，菱形等多边形；本申请实施例中的附图均以镂空部呈菱形为例进行示意的；且，切口在第二方向上的对角线与辐射体20在第一方向上的中轴线重合。该切口在第二方向上的对角线长度小于辐射体20在第二方向上的第三长度。其中，也可以通过调节切口在第一方向上的对角线长度来调节天线阻抗，在切口在第一方向上的对角线长度增加时，阻抗的虚部电抗(输入电抗)增大；在切口在第一方向上的对角线长度减小时，阻抗的虚部电抗(输入电抗)减小。值得说明的是，切口在第一方向上的对角线长度变化时，地埋天线装置的谐振频率变化较小，相应的天线的阻抗变化也比较小，因此，切口在第一方向上的对角线长度可以用于阻抗微调。

与此同时，在辐射体20的第一长度和切口在第一方向上的对角线长度变化时，天线在指定的频率(本申请实施例选择的923MHz)的增益(在不考虑回波损耗的前提下)变化甚微，也即，在改变辐射体20的第一长度和切口在第一方向上的对角线长度时，地埋天线装置的阻抗会有变化，而地埋天线装置辐射的方向性没有变化。

如图1所示，本申请实施例提供的地埋天线装置还包括电子元器件40，电子元器件40位于外壳30和四个侧壁302形成的立体空间中，并设置在介质基板10上，且电子元器件40与辐射体20连接。

其中，如图3所示，为电子元器件40的结构示意图，具体的，电子元器件40包括阻抗匹配网络401；其中，阻抗匹配网络401与辐射体20上的馈电点连接；具体的，介质基板10上设置有微带线，通过微带线构成的馈线来连接阻抗匹配网络401和辐射体20上的馈电点。并且，馈电点设置在辐射体20远离壳底301的一面上，且位于切口的一侧，并且，辐射体20远离壳底301 的一面上设置有接地点，接地点相对于馈电点位于所述切口的另一侧，并设置接地点接地。

在具体实施中，阻抗匹配网络401包括电容、电阻和电感中的一个或多个，也即，可以包括A个电容、B个电阻和C个电感，且A、B、C的取值均大于或等于0。本领域技术人员可以对电容、电阻和电感的数量进行调整，可以实现多种不同的阻抗匹配网络401结构，但，基于电容、电阻和电感形成的任意结构均落入本申请的保护范围。

如图3所示，电子元器件40还包括信号源402；信号源402与阻抗匹配网络401连接。当然，电子元器件40还可以包括其他部件，并且，均设置在介质基板10上。

在实际使用中，可以通过配合调节辐射体20的第一长度、切口在第一方向上的对角线长度以及阻抗匹配网络401中电容、电阻和电感的数量及参数，以使得在不改变地埋天线装置形态的情况下，根据频段需求来改变地埋天线装置的谐振频率，也就说是，通过配合调节辐射体20的第一长度、切口在第一方向上的对角线长度以及阻抗匹配网络401中电容、电阻和电感的数量及参数，能够使地埋天线装置在指定频率的辐射性能达到最优。

如图4所示，为本申请实施例提供的地埋天线装置的横切面结构示意图，其中，立体空间通过填充电介质50形成封装结构；也即，填充电介质 50将辐射体20、电子元器件40进行覆盖包裹。其中，填充电介质50优选为低介电常数介质。

电介质50填充立体空间时，电介质50的最高位置与侧壁302的高度之间的距离，构造为大于或等于一预设距离。也就是说，在远离壳底301的一侧形成第一水平面，该第一水平面与侧壁302远离壳底301的一端所在的第二水平面之间的距离，大于或等于预设距离，如5mm。其中，预设距离可以根据地埋天线装置所处的环境来确定，例如，地埋天线装置填埋在钢筋混凝土(密度较大)中时，可以设置预设距离为5mm；地埋天线装置填埋在地下井(密度较小)中时，可以设置预设距离为10mm等。第一水平面与第二水平面之间的距离大于或等于预设距离时，可以在一定程度上确保地埋天线装置的辐射效率。

本申请实施例提供的地埋天线装置通过改变辐射体20的第一长度、切口在第一方向上的对角线长度以及阻抗匹配网络401中电容、电阻和电感的数量及参数，来使地埋天线装置的辐射性能达到最优；通过设置电介质50 形成的第一水平面与侧壁302远离壳底301的一端所在的第二水平面之间的距离，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，从而同时保障了地埋天线装置的辐射效率。

为了能够清楚的公开地埋天线装置的具体结构，本申请实施例还公开了地埋天线装置的纵切面结构示意图，也即图5；还公开了一部分地埋天线装置的斜切面结构示意图，也即图6；还公开了另一部分地埋天线装置的斜切面结构示意图，也即图7。

本申请实施例还提供了一种通信系统，该通信系统包括上述提供的任意一种地埋天线装置。当然，通信系统还包括接收装置；地埋天线装置和接收装置无线通信连接；接收装置，用于接收地埋天线装置发送的无线信号。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种地埋天线装置，其特征在于，包括介质基板、辐射体和外壳；

所述外壳具有立体空间，所述介质基板和辐射体均适配地置于所述外壳的立体空间；

所述辐射体、所述外壳包括的壳底均与所述介质基板贴合设置；

其中，所述辐射体的中部具有呈菱形的镂空部，所述镂空部向所述辐射体的边缘延伸形成有切口，所述切口在第二方向上的对角线与所述辐射体在第一方向上的中轴线重合，所述第一方向与所述第二方向相互垂直；

所述壳底为呈长方体的板状结构，所述外壳还包括四个侧壁；所述壳底的每个边缘分别与一个侧壁的边缘连接；

所述介质基板和所述辐射体均位于所述外壳和所述四个侧壁形成的所述立体空间中；

所述立体空间通过填充电介质形成封装结构；

所述电介质的最高位置与所述侧壁的高度之间的距离，构造为大于或等于一预设距离；

所述地埋天线装置还包括用于通信的电子元器件，所述电子元器件包括阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络包括电容、电阻和电感中的一个或多个；

通过配合调节所述辐射体的第一长度、所述切口在第一方向上的对角线长度以及所述阻抗匹配网络中电容、电阻和电感的数量及参数，改变所述地埋天线装置的谐振频率。

2.根据权利要求1所述的地埋天线装置，其特征在于，所述电子元器件和所述辐射体连接；

所述电子元器件位于所述外壳和所述四个侧壁形成的立体空间中，并设置在所述介质基板上。

3.根据权利要求2所述的地埋天线装置，其特征在于，所述阻抗匹配网络与所述辐射体上的馈电点连接；

所述馈电点设置在所述辐射体远离所述壳底的一面上，且位于所述切口的一侧。

4.根据权利要求3所述的地埋天线装置，其特征在于，所述电子元器件还包括信号源；

所述信号源与所述阻抗匹配网络连接。

5.根据权利要求3所述的地埋天线装置，其特征在于，所述辐射体远离所述壳底的一面上设置有接地点，所述接地点相对于所述馈电点位于所述切口的另一侧。

6.一种通信系统，其特征在于，包括权利要求1-5中任意一种地埋天线装置。

7.根据权利要求6所述的通信系统，其特征在于，还包括接收装置；所述地埋天线装置和所述接收装置无线通信连接；

所述接收装置，用于接收所述地埋天线装置发送的无线信号。

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