CN111710965B

CN111710965B - 一种与把手共形的天线

Info

Publication number: CN111710965B
Application number: CN202010607544.XA
Authority: CN
Inventors: 章朋
Original assignee: Suzhou Chien Shiung Institute of Technology
Current assignee: Jiangsu Hanyun Zhishu Technology Co ltd
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2022-01-04
Anticipated expiration: 2040-06-30
Also published as: CN111710965A

Abstract

本发明提供一种与把手共形的天线，包括：辐射体，形状为杆体，辐射体的一端可旋转地装设于无人值守的终端设备箱的箱门外壁上，辐射体的另一端弯折形成辐射体的门把手形状；馈电线缆，设置于终端设备箱的内侧，馈电线缆的内导体与辐射体电性连接，馈电线缆的外导体与终端设备箱电性连接。所述天线可以和无人值守设备终端箱的箱门上的门把手之间实现复用，即结构上充当把手，在射频上充当天线，实现设备终端和基站之间的通信。和现有的天线方案相比，该天线剖面高度低、结构强度高，且采用紧固件安装，结构可靠性强；在电性能上，该天线可以实现全向辐射，且引入了水平极化分量，提高通信系统的鲁棒性。

Description

一种与把手共形的天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体地，涉及一种与把手共形的天线。

背景技术

随着新一代信息技术的发展，越来越多的工业系统、移动终端、家用电器、车辆等设备被连入到物联网中，使得人们可以对设备实施远程控制，给生产生活带来了极大的便利。

对于无人值守终端设备，如配电柜、水文监测站、自助打印机、自动售货机等，目前多采用通用性天线解决方案，即根据工作频段采购现有的成熟天线产品。

经调研发现，这些设备基本采用单极子或者偶极子天线方案，该种形式的天线具有技术成熟度高、成本低的优势，然而作为通用部件，其尚存在以下不足：

由于其和设备本身集成度低，往往采用吸盘固定，在室外使用过程中容易脱落进而影响通信质量；天线馈电时需要从设备里单独引出一根馈线，容易被破坏；天线形态单一，不适用于设备嵌入墙体等特殊状况下的装配；天线为单线极化，应用在室内复杂工作环境场合时，通信质量往往难以保证。

对于天线，目前国内主要存在如下专利文献：

如专利公开号：CN208329878U，公开了一种具外置天线的门把手结构及智能门锁，具外置天线的门把手结构包括把手本体、把手盖、天线模块及第一数据线，把手本体包括把轴和把手壳，把手壳与把轴固定连接，通过掰动把手壳可转动把轴，把手壳的一侧设有开口，天线模块经开口安装在把手壳内，把手盖由非金属材料制成并盖设在把手壳的开口处，将天线模块夹设在把手盖和把手壳之间，第一数据线的外端与天线模块连接，第一数据线的内端穿过把轴用于与门锁主壳内的控制电路板连接。第一数据线的内端伸出固定套筒的通孔用于与门锁主壳内的控制电路板连接。能够使天线模块与外界更好地进行信号辐射，性能得到更好的发挥，发射及接收的范围更广，距离更远。然而，该专利所提供的具外置天线的门把手结构，还是将天线置于把手本体内，即使把手盖采用非金属结构，但是，封闭的结构依然会对天线的信号强度造成影响。

对于NB-IOT用天线，公开号为CN207542392U的中国专利公开了一种NB-IOT天线和通信装置，NB-IOT天线包括长条形的天线主体，天线主体包括基板、辐射本体和接地本体，辐射本体、接地本体间隔设置于基板的两端；辐射本体靠近接地本体的一端延伸出第一延伸体，接地本体包括第一侧臂和第二侧臂，第一延伸体部分位于第一侧臂和第二侧臂之间；第一延伸体上设有芯线连接部，芯线连接部用于与天线馈线的芯线连接，接地本体上设有接地连接部，接地连接部用于与地线或屏蔽线连接。基板、辐射本体、接地本体可以以PCB板的形式实现，便于大规模生产，成本较低，利于NB-IOT的大规模应用。然而，该专利提供的NB-IOT天线，装配时，需要通过天线接口进行装配，对于无人值守的设备终端箱的装配，还需额外设计装配结构，增加设计成本。

发明内容

为解决上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种与把手共形的天线，所述天线可以和无人值守设备终端箱的箱门上的门把手之间实现复用，即结构上充当把手，在射频上充当天线，实现设备终端和基站之间的通信。和现有的天线方案相比，该天线剖面高度低、结构强度高，且采用紧固件安装，结构可靠性强；在电性能上，该天线可以实现全向辐射，且引入了水平极化分量，提高通信系统的鲁棒性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种与把手共形的天线，所述天线包括：辐射体，形状为杆体，所述辐射体的一端可旋转地装设于无人值守的终端设备箱的箱门外壁上，所述辐射体的另一端弯折形成所述辐射体的门把手形状；馈电线缆，设置于所述终端设备箱的内侧，所述馈电线缆的内导体与辐射体电性连接，馈电线缆的外导体与终端设备箱电性连接。

进一步地，与辐射体连接处的箱门表面开设有旋转孔，对应旋转孔的箱门内壁设置有一旋转关节，所述旋转关节插设于旋转孔并与辐射体连接，辐射体旋转带动旋转关节旋转；所述馈电线缆的内导体通过旋转关节与辐射体电性连接，形成对辐射体的馈电。

进一步地，对应旋转孔的箱门表面设置有锁芯，辐射体旋转带动锁芯控制箱门的开启或锁闭。

进一步地，所述辐射体与箱门外表面之间设置有介质垫片。

进一步地，所述介质垫片为非导体材料介质垫片，所述非导体材料包括聚酰亚胺，橡胶，聚四氟乙烯，玻璃纤维树脂。

进一步地，所述辐射体包括垂直箱门所在平面的垂直段和平行箱门所在平面的平行段；所述垂直段与平行段配合形成所述辐射体的倒L型结构。

进一步地，所述辐射体的垂直段为圆柱形结构，所述辐射体的平行段为矩形板状结构或片状结构；所述辐射体的垂直段的直径D1为0.05λ~0.09λ；所述辐射体的平行段与箱门外表面之间的垂直距离h取值范围为0.075λ~0.12λ；其中λ为工作频段中心频率对应的自由空间波长；介质垫片的外径为D2，D2-D1≥2mm；介质垫片的厚度t2取值为1~3mm；所述辐射体的平行段的厚度t1取值为1~4mm。

进一步地，所述辐射体的平行段上套设有保护套。

进一步地，所述保护套为非金属保护套；所述保护套为塑料保护套、木头保护套、陶瓷保护套或玻璃钢保护套。

本发明的有益效果在于：

所述天线的辐射体结构为门把手形，在结构上天线本身可作为无人值守的终端设备箱的门把手，在射频上其作为发射或接收天线，实现了设备的复用；

辐射体装配于箱门表面，设备终端箱作为辐射体的接地板，为了避免辐射体和接地板之间短接，在辐射体和箱门之间采用了介质垫片；

考虑到门把手使用时需要旋转操作，在箱门内侧设置有旋转关节，天线馈线通过旋转关节实现对辐射体的馈电，这样可以保证把手在旋转操作时不会对天线馈电造成影响，提高天线的使用寿命；

辐射体可以采用铸造、钣金等制造工艺进行加工，从而降低制造成本，便于量产；

天线和箱门之间可以采用紧固件装配，可以抵抗一定强度外力的冲击，提高可靠性；

和现有的吸盘式安装方式相比，采用紧固件装接，故可靠性更高，且从外观上讲并没有增设额外部件，天线结构紧凑、剖面高度低，更适用于空间受限的使用场景；

辐射体采用倒L型结构设计，由于倒L形式天线的结构特点，其辐射的电磁波具备垂直于箱门和平行于箱门的两种极化，其中垂直于箱门的极化为主极化，由于基站天线采用的为双线极化，因此和现有的单线极化天线方案比，本发明所适用的场景更宽泛，通信质量更可靠；

所述天线不仅具备结构简单、成本低的特点，而且同时兼顾结构可靠性和电性能可靠性，保证通信质量，容易大批量的加工制造。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的一种与把手共形的天线的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的一种与把手共形的天线去除保护套的结构示意图；

图3为图2所示辐射体的俯视结构示意图；

图4为本发明实施例1所提供的一种与把手共形的天线作为窄带物联网（NB-IoT）的天线回波损耗频响曲线图；

图5本发明实施例1所提供的一种与把手共形的天线作为窄带物联网（NB-IoT）的天线在典型频点（890MHz）处的俯仰面方向图；

图6本发明实施例1所提供的一种与把手共形的天线作为窄带物联网（NB-IoT）的天线在典型频点（890MHz）处的方位面方向图；

图7为本发明实施例1所提供的一种与把手共形的天线作为窄带物联网（NB-IoT）的天线的增益频响曲线图；

图8为本发明实施例1所提供的一种与把手共形的天线作为中国移动GSM上行频段（890~909MHz）的天线在中心频点（899.5MHz）处的俯仰面方向图；

图9为本发明实施例1所提供的一种与把手共形的天线作为中国移动GSM上行频段（890~909MHz）的天线在中心频点（899.5MHz）处的方位面方向图；

图10为本发明实施例1所提供的一种与把手共形的天线作为中国联通GSM上行波段（909~915GHz）的设备天线在中心频点（912MHz）处的俯仰面方向图；

图11为本发明实施例1所提供的一种与把手共形的天线作为中国联通GSM上行波段（909~915GHz）的设备天线在中心频点（912MHz）处的方位面方向图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1~3，本发明所述的一种与把手共形的天线，所述天线包括：辐射体1，形状为杆体，所述辐射体1的一端可旋转地装设于无人值守的终端设备箱（未图示）的箱门100外壁上，所述辐射体1的另一端弯折形成所述辐射体的门把手形状；馈电线缆2，设置于所述终端设备箱的内侧，所述馈电线缆2的内导体（未图示）与辐射体1电性连接，馈电线缆2的外导体（未图示）与终端设备箱电性连接。

进一步地，与辐射体1连接处的箱门100表面开设有旋转孔（未图示），对应旋转孔的箱门100内壁设置有一旋转关节3，所述旋转关节3插设于旋转孔并与辐射体1连接，辐射体1旋转带动旋转关节3旋转；所述馈电线缆2的内导体通过旋转关节3与辐射体1电性连接，形成对辐射体1的馈电。

其中，设备终端箱的箱体作为辐射体1的接地板；

馈电线缆2的内导体为芯线，外导体为地线或屏蔽线。

进一步地，对应旋转孔的箱门100表面设置有锁芯（未图示），辐射体1旋转带动锁芯控制箱门100的开启或锁闭。

进一步地，所述辐射体1与箱门100外表面之间设置有介质垫片4。

进一步地，所述介质垫片4为非导体材料介质垫片，所述非导体材料包括聚酰亚胺，橡胶，聚四氟乙烯，玻璃纤维树脂。

进一步地，所述辐射体1包括垂直箱门100所在平面的垂直段11和平行箱门100所在平面的平行段12；所述垂直段11与平行段12配合形成所述辐射体1的倒L型结构。

进一步地，所述辐射体1的垂直段11为圆柱形结构，所述辐射体1的平行段12为矩形板状结构或片状结构；

所述辐射体1的垂直段11的直径D1为0.05λ~0.09λ；

所述辐射体1的平行段12与箱门100外表面之间的垂直距离h取值范围为0.075λ~0.12λ；

其中λ为工作频段中心频率对应的自由空间波长；

介质垫片4的外径为D2，D2-D1≥2mm；

介质垫片4的厚度t2取值为1~3mm；

所述辐射体1的平行段12的厚度t1取值为1~4mm。

进一步地，所述辐射体1的平行段12上套设有保护套5。

进一步地，所述保护套5为非金属保护套；所述保护套5为塑料保护套、木头保护套、陶瓷保护套或玻璃钢保护套。

其中，辐射体1为导体材质或表面做金属化处理的非金属材料，可选用铜、铝、不锈钢、涂覆金属的玻璃钢等。

馈电线缆2采用同轴线，通过旋转关节3对辐射体1进行馈电，在箱门100上开旋转孔，馈电线缆2的内导体和辐射体1连接，外导体与箱门100连接，为了避免辐射体1和箱门100之间短接，在辐射体1和箱门100之间设置有介质垫片4。

通过优选倒L型结构的辐射体1的结构参数，使得其谐振于所需工作频段，其中垂直段11的结构参数为关键参数。为了便于安装锁芯，垂直段11的直径一般不低于20mm。

为便于批量生产，整个L形辐射体可采用铸造或钣金工艺实现。

保护套5为可选配件，其尺寸和材质根据实际使用要求进行加装，需要指出的是，非金属保护套5的材质和尺寸会对天线的谐振点造成细微影响，需要在设计时或者样机调试时综合考虑。

此外，需要说明的是天线工作时其表面电流微弱，即便和人体直接接触，也不会对人体安全产生任何风险。

实施例1

参见图1~11，本发明所述的一种与把手共形的天线作为窄带物联网（NB-IoT）的天线使用方式如下：

其中介质垫片4采用耐高温耐腐蚀的聚酰亚胺材质。天线的工作频段866~918MHz（驻波比小于1.5），兼顾了中国电信的B5频段（869~894MHz）和中国移动、中国联通的B8频段（880~915GHz），天线的回波损耗特性示于图4。天线在典型频点（890MHz）的方向图如图5和图6所示，方向图表明天线具备全向辐射特性，由于设备终端箱和基站相对位置的不确定性，该天线可以有效的实现设备和基站之间的通信。

从图7所提供的增益频响曲线图的增益频响曲线上可以看出，天线在整个工作频段内增益≥4.5 dBi，比现有的印刷偶极子薄膜天线方案增益要高1.5dB以上；此外天线增益随电尺寸的增加而线性增加，说明天线在工作频带内的辐射性能具备稳定性和可靠性。

图2中设计尺寸分别为：h=30mm、w=28mm、l=65mm、t₁=2mm、t₂=2mm、D₁=20mm、D₂=22mm。

本发明所述的一种与把手共形的天线，既可以作为NB-IoT用的天线，也可以作为中国移动终端的上行天线（俯仰面方向图参见图8，方位面方向图参见图9），也可作为中国联通终端的上行天线（俯仰面方向图参见图10，方位面方向图参见图11），所以属于一种多用途天线。

其中，天线尺寸受设备影响较小，但是若修改天线的保护套材质，为阻抗匹配需要微调其尺寸，主要参数满足前述提及的D1=0.05λ~0.09λ， h=0.075λ~0.12λ要求范围即落入本发明的保护范围。

本发明所述的一种与把手共形的天线的辐射体1结构为门把手形，在结构上天线本身可作为无人值守的终端设备箱的门把手，在射频上其作为发射或接收天线，实现了设备的复用；

辐射体1装配于箱门100表面，设备终端箱作为辐射体1的接地板，为了避免辐射体1和接地板之间短接，在辐射体1和箱门100之间采用了介质垫片4；

考虑到门把手使用时需要旋转操作，在箱门100内侧设置有旋转关节3，天线馈线2通过旋转关节3实现对辐射体1的馈电，这样可以保证把手在旋转操作时不会对天线馈电造成影响，提高天线的使用寿命；

辐射体1可以采用铸造、钣金等制造工艺进行加工，从而降低制造成本，便于量产；

天线和箱门100之间可以采用紧固件装配，可以抵抗一定强度外力的冲击，提高可靠性；

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims

1.一种与把手共形的天线，其特征在于，所述天线包括：

辐射体，形状为杆体，所述辐射体的一端可旋转地装设于无人值守的终端设备箱的箱门外壁上，所述辐射体的另一端弯折形成所述辐射体的门把手形状；

馈电线缆，设置于所述终端设备箱的内侧，所述馈电线缆的内导体与辐射体电性连接，馈电线缆的外导体与终端设备箱电性连接；

所述辐射体包括垂直箱门所在平面的垂直段和平行箱门所在平面的平行段；

所述垂直段与平行段配合形成所述辐射体的倒L型结构；

所述辐射体的垂直段为圆柱形结构，所述辐射体的平行段为矩形板状结构或片状结构；

所述辐射体的垂直段的直径D1为0.05λ~0.09λ；

所述辐射体的平行段与箱门外表面之间的垂直距离h取值范围为0.075λ~0.12λ；

其中λ为工作频段中心频率对应的自由空间波长；

所述辐射体与箱门外表面之间设置有介质垫片；

介质垫片的外径为D2，D2-D1≥2mm；

介质垫片的厚度t2取值为1~3mm；

所述辐射体的平行段的厚度t1取值为1~4mm。

2.根据权利要求1所述的一种与把手共形的天线，其特征在于，与辐射体连接处的箱门表面开设有旋转孔，对应旋转孔的箱门内壁设置有一旋转关节，所述旋转关节插设于旋转孔并与辐射体连接，辐射体旋转带动旋转关节旋转；

所述馈电线缆的内导体通过旋转关节与辐射体电性连接，形成对辐射体的馈电。

3.根据权利要求2所述的一种与把手共形的天线，其特征在于，对应旋转孔的箱门表面设置有锁芯，辐射体旋转带动锁芯控制箱门的开启或锁闭。

4.根据权利要求1所述的一种与把手共形的天线，其特征在于，所述介质垫片为非导体材料介质垫片，所述非导体材料包括聚酰亚胺，橡胶，聚四氟乙烯或玻璃纤维树脂。

5.根据权利要求1所述的一种与把手共形的天线，其特征在于，所述辐射体的平行段上套设有保护套。

6.根据权利要求5所述的一种与把手共形的天线，其特征在于，所述保护套为非金属保护套；

所述保护套为塑料保护套、木头保护套、陶瓷保护套或玻璃钢保护套。