CN112382852A - 电子设备及双天线能量采集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电子设备及双天线能量采集装置，双天线能量采集装置包括：第一天线、第二天线和第三天线，每个天线均包括第一辐射体、第二辐射体、第三辐射体及介质基板；介质基板填充于第一辐射体和第二辐射体之间，第三辐射体作为反射板置于第一辐射体和第二辐射体之下，第二辐射体接地，各天线的馈电点分别设置在各自的第一辐射体上，馈电点通过匹配网络接入馈电系统。本申请可以使天线在可利用方向上增益达到优秀的水平，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，达到强穿透性的效果。

Description

电子设备及双天线能量采集装置
技术领域
本发明涉及电子设备技术领域，尤其涉及一种电子设备及双天线能量采集装置。
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。
然而，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的这种应用场景的天线设计挑战更艰巨。
发明内容
本发明提供一种应用于恶劣电磁传播环境的电子设备及双天线能量采集装置。
为实现上述目的，本发明提供一种双天线能量采集装置，包括：第一天线、第二天线和第三天线，每个天线均包括第一辐射体、第二辐射体、第三辐射体以及介质基板；所述介质基板填充于所述第一辐射体和第二辐射体之间，所述第三辐射体作为反射板置于第一辐射体和第二辐射体之下，所述第二辐射体接地，各天线的馈电点分别设置在各自的第一辐射体上，所述馈电点通过匹配网络接入馈电系统。
其中，所述第一天线、第二天线和第三天线共用介质基板和第三辐射体。
其中，所述第一天线和第二天线的第二辐射体接装置的大地，第三天线的第二辐射体接入独立的地；所述第一天线和第三天线各自的馈电系统串联连接。
其中，所述第一辐射体开槽用于调节天线阻抗以调节谐振频率；和/或，所述第一辐射体与第二辐射体之间加入短路装置，用于调节天线阻抗以调节谐振频率；和/或，所述第一辐射体的长度可调，以改变所述第一辐射体的电流路径，调节天线的谐振频率。
其中，所述第一天线与第一能量采集芯片构成一组能量采集模块，第三天线与第二能量采集芯片构成一组能量采集模块，两组能量采集模块串联，其中第一天线与第三天线构造相同，所述第一能量采集芯片与第二能量采集芯片为同型号。
其中，所述第一天线和第三天线置于所述装置的两侧；和/或，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组件连接。
其中，所述匹配网络包含多组串联和并联的阻抗调谐单元。
其中，所述第一天线和第三天线作为能量采集天线，用于接收基站传输出来的能量，所述第二天线作为通信天线接收和发送数据；所述第三辐射体与第二辐射体之间填充有介质基板。
此外，本发明还提出一种电子设备，包括主体部分，还包括如上所述的双天线能量采集装置。
其中，所述主体部分包括外框、底盖和设置在所述外框内部的印制电路板组件；所述第一辐射体与外框顶面接壤，所述介质基板置于所述第一辐射体之下，所述印制电路板组件嵌入在所述介质基板之中，所述第二辐射体至于所述介质基板之下并与印制电路板接壤，所述第三辐射体至于第二辐射体之下，并与第二辐射体保持预定距离，所述底盖置于所述第三辐射体之下。
本发明的有益效果：本发明提出的一种电子设备及双天线能量采集装置，双天线能量采集装置包括：第一天线、第二天线和第三天线，每个天线均包括第一辐射体、第二辐射体、第三辐射体以及介质基板；所述介质基板填充于所述第一辐射体和第二辐射体之间，所述第三辐射体作为反射板置于第一辐射体和第二辐射体之下，所述第二辐射体接地，各天线的馈电点分别设置在各自的第一辐射体上，所述馈电点通过匹配网络接入馈电系统。本申请提供的天线设计方案通过调节馈电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。所述双天线能量采集装置极大程度的降低混凝土对天线的影响，使得天线填埋在钢筋混凝土中依然能与外界顺畅传输能量，可以达到强穿透性的效果。
相比现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明用两个相同的天线分别接入到两个串联的能量采集电路单元，增加整个系统的通信距离，用于应对恶劣电磁传播环境。
2、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。
3、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。
4、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
图1为本发明提供的电子设备的横切面结构示意图。
图2为本发明提供的电子设备的纵切面结构示意图。
图3为本发明提供的电子设备去掉外壳的结构示意图。
图4为本发明提供的电子设备去掉外壳和介质基板的结构示意图。
图5为本发明提供的电子设备去掉外壳、介质基板和反射板的结构示意图。
图6为为本发明提供的电子设备的电器逻辑示意图。
图7为本发明提供的双天线能量采集装置的匹配网络的一种逻辑示意图。
图8为本发明提供的双天线能量采集装置的匹配网络的另一种逻辑示意图。
图9为本发明提供的双天线能量采集装置的匹配网络的又一种逻辑示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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。
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。
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。
本申请实施例提供一种电子设备及双天线能量采集装置，以下将分别进行详细说明。该双天线能量采集装置可以设置在该电子设备中。
请参阅图1-图9所示，图1为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。该电子设备10可以包括外壳1、第一天线的第一辐射体2、介质基板3、第一天线第二辐射体4、第二天线的第一辐射体8、第二天线的第二辐射体9、第三天线的第一辐射体21、第三天线的第二辐射体41、印制电路板组件5(如图2所示)、第三辐射体6。
其中，第一天线的第一辐射体2、第一天线第二辐射体4、第二天线的第一辐射体8、第二天线的第二辐射体9、第三天线的第一辐射体21、第三天线的第二辐射体41以及第三辐射体6为金属材料，可以是铜，铝，钢等，根据需求来选材。所述第一天线的第一辐射体2与金属馈电片201相连，该第一辐射体2通过所述金属馈电片201与印制电路板组件5上面的馈电过孔2010相接，馈电过孔2010与馈线2011相连，馈线2011与匹配网络2012相连，阻抗匹配网络2012通过微带线与馈源2013相连,馈源2013的独立地210与第三天线馈源的VOUT相连。所述第二天线的第一辐射体8与金属馈电片81相连，该第一辐射体8通过所述金属馈电片81与印制电路板组件5上面的馈电过孔810相接，馈电过孔810与馈线811相连，馈线811与匹配网络812相连，阻抗匹配网络812通过微带线与馈源813相连,馈源813与电子设备的大地相连200。所述第三天线的第一辐射体21与金属馈电片211相连，该第一辐射体21通过所述金属馈电片211与印制电路板组件5上面的馈电过孔2110相接，馈电过孔2110与馈线2111相连，馈线2111与匹配网络2112相连，阻抗匹配网络2112通过微带线与馈源2113相连,馈源2113与电子设备的大地200相连。
所述阻抗匹配网络812、阻抗匹配网络2012、阻抗匹配网络2112布局在印制电路板组件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，对于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。本实施例只提供其中一种组合方式见图7、图8及图9，以图7为例，器件8121、器件8122、器件8123、器件8124可以是电容、电阻、电感等。电子设备采集能量时，匹配网络2012的输出端连接信号源2013的输入端，匹配网络2012的输入端通过馈线2011连接到馈电过孔2010；匹配网络2112的输出端连接信号源2113的输入端，匹配网络2112的输入端通过馈线2111连接到馈电过孔2110。
所述第一天线的第二辐射体4通过馈电过孔401、馈电过孔402与馈源2013的独立地210相连；第三天线的第二辐射体41通过馈电过孔411、馈电过孔412与电子设备的大地200相连。第二天线的第二辐射体9通过馈电过孔91、馈电过孔92与电子设备的大地200相连。
所述第一天线的第一辐射体2和第二辐射体4之间、第二天线的第一辐射体8和第二辐射体9之间、第三天线的第一辐射体21和第二辐射体41之间填充有相对介电常数和损耗正切值根据需求选定的介质基板3，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。
所述匹配网络812、匹配网络2012、匹配网络2112和信号源813、信号源2013、信号源2113布局在印制电路板5上，印制电路板5至少为双层板，其贴近第二辐射体4、第二辐射体41、第二辐射体9的方向即向下的方向的地露铜并与第二辐射体4、第二辐射体41、第二辐射体9充分接触，加强天线的可靠性。
第三辐射体6置于第二辐射体4、第二辐射体41、第二辐射体9之下，第三辐射体6与所有的第二辐射体4、第二辐射体41、第二辐射体9之间填充着介质基板3。第三辐射体6布满了整个设备的底部，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。
上述第一天线的第一辐射体2、介质基板3、第一天线第二辐射体4、第二天线的第一辐射体8、第二天线的第二辐射体9、第三天线的第一辐射体21、第三天线的第二辐射体41、印制电路板组件5、第三辐射体6都置于外壳1之内。外壳1由壳顶101，壳底103，壳4个侧壁：壳左壁105、壳右壁106、壳前壁104、壳后壁102组成。外壳材料由高分子材料构成。壳顶101厚度高于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、第一辐射体21、第一辐射体8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。
为了更明晰地阐述电子设备10的结构，附图2给出了电子设备10的纵切图，附图3给出了电子设备10剥离外壳1的内部图，附图4给出了双天线能量采集装置剥离填充介质后的内部视图，附图5给出了双天线能量采集装置剥离填充介质和反射板后的背向内部视图。
金属馈电片201可以设置在第一天线的第一辐射体2上的任意位置，金属馈电片211可以设置在第三天线的第一辐射体21上的任意位置，金属馈电片81可以设置在第三天线的第一辐射体8上的任意位置。金属馈电片201沿着电子设备10的纵向中心线方向由第一天线的第一辐射体2的前边沿移动到第一辐射体2的中心时S11相应的发生变化，金属馈电片201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，金属馈电片201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。即在只移动金属馈电片201的前提下天线的阻抗会有变化，而天线辐射的方向性没有变化。通过配合金属馈电片201的位置和阻抗匹配网络的器件2021、器件2022、器件2023、器件2024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。
同样的第二天线和第三天线也可以根据以上的方法对天线的性能作出调整。
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。
上述实施例中的双天线能量采集装置即为本发明提出的双天线能量采集装置。
具体地，本发明提出的双天线能量采集装置中，第一天线的第一辐射体和第二辐射体都为金属材质，第一辐射体和第二辐射体之间填充介质基板。第三辐射体作为反射板置于第一辐射体和第二辐射体之下。馈电点设置在第一辐射体上，馈电点通过匹配网络接入馈电系统。第二辐射体接地，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。
其中，选择高介电常数、低介质损耗的介质基板，用以降低天线的尺寸。
第一天线与第一能量采集芯片构成一组能量采集模块，第三天线与第二能量采集芯片构成一组能量采集模块，使两组能量采集模块串联，从而提高能量采集效率。其中第一天线与第三天线构造一样，第一能量采集芯片与第二能量采集芯片为同型号。
使用两组性能相同的天线需要将两组天线物理距离拉开提高隔离度，并且降低两组天线对各自方向图的影响。将第一天线和第三天线置于装置的两侧。
进一步地，所述第一辐射体可根据设计需求修改长度，从而改变辐射体的电流路径，调节天线的谐振频率。
进一步地，所述第一辐射体上作开槽设计，从而改变辐射体的电流路径，调节天线的谐振频率。
进一步地，所述第一辐射体与第二辐射体之间加入短路装置用于调节天线阻抗可以达到调节谐振频率的效果。
进一步地，所述第一辐射体上设有馈电点，根据需求馈电点可设置在第一辐射体的任意位置，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组件连接。
进一步地，所述匹配网络包含多组串联和并联的阻抗调谐单元。
进一步地，第一天线和第三天线作为能量采集天线，用于接收基站传输出来的能量。第二天线作为通信天线接收和发送数据。
进一步地，第三辐射体置于第一天线的第二辐射体和第三天线的第二辐射体下方。第三辐射体作为反射板同时提高了第一天线和第三天线的增益。
进一步地，第三辐射体与第二辐射体之间填充有介质基板，在提高第一天线和第三天线增益的同时，保障第一天线和第三天线的隔离度性能未降低。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种双天线能量采集装置，其特征在于，包括：第一天线、第二天线和第三天线，每个天线均包括第一辐射体、第二辐射体、第三辐射体以及介质基板；所述介质基板填充于所述第一辐射体和第二辐射体之间，所述第三辐射体作为反射板置于第一辐射体和第二辐射体之下，所述第二辐射体接地，各天线的馈电点分别设置在各自的第一辐射体上，所述馈电点通过匹配网络接入馈电系统。
2.根据权利要求1所述的双天线能量采集装置，其特征在于，所述第一天线、第二天线和第三天线共用介质基板和第三辐射体。
3.根据权利要求1所述的双天线能量采集装置，其特征在于，所述第一天线和第二天线的第二辐射体接装置的大地，第三天线的第二辐射体接入独立的地；所述第一天线和第三天线各自的馈电系统串联连接。
4.根据权利要求1所述的双天线能量采集装置，其特征在于，所述第一辐射体开槽用于调节天线阻抗以调节谐振频率；和/或，所述第一辐射体与第二辐射体之间加入短路装置，用于调节天线阻抗以调节谐振频率；和/或，所述第一辐射体的长度可调，以改变所述第一辐射体的电流路径，调节天线的谐振频率。
5.根据权利要求1所述的双天线能量采集装置，其特征在于，所述第一天线与第一能量采集芯片构成一组能量采集模块，第三天线与第二能量采集芯片构成一组能量采集模块，两组能量采集模块串联，其中第一天线与第三天线构造相同，所述第一能量采集芯片与第二能量采集芯片为同型号。
6.根据权利要求1所述的双天线能量采集装置，其特征在于，所述第一天线和第三天线置于所述装置的两侧；和/或，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组件连接。
7.根据权利要求1所述的双天线能量采集装置，其特征在于，所述匹配网络包含多组串联和并联的阻抗调谐单元。
8.根据权利要求1所述的双天线能量采集装置，其特征在于，所述第一天线和第三天线作为能量采集天线，用于接收基站传输出来的能量，所述第二天线作为通信天线接收和发送数据；所述第三辐射体与第二辐射体之间填充有介质基板。
9.一种电子设备，包括主体部分，其特征在于，还包括如权利要求1～8中任意一项所述的双天线能量采集装置。
10.根据权利要求9所述的电子设备，其特征在于，所述主体部分包括外框、底盖和设置在所述外框内部的印制电路板组件；所述第一辐射体与外框顶面接壤，所述介质基板置于所述第一辐射体之下，所述印制电路板组件嵌入在所述介质基板之中，所述第二辐射体至于所述介质基板之下并与印制电路板接壤，所述第三辐射体至于第二辐射体之下，并与第二辐射体保持预定距离，所述底盖置于所述第三辐射体之下。
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