CN113258298B - 一种天线结构和网关设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种天线结构和网关设备。该天线结构包括介质板以及位于所述介质板一侧的天线体、馈线结构和超材料结构，所述馈线结构与所述天线体连接，所述超材料结构包括至少一个超材料滤波结构组，所述超材料滤波结构组包括对称分布在所述馈线结构两侧的超材料滤波单元，所述超材料滤波单元呈环状结构，且所述环状结构上设有开口，所述环状结构的周长适于根据工作频率而确定。本发明的技术方案可以有效滤除经由馈线结构的特定频率信号，进而有效避免环境中的电磁干扰，以提升天线结构的信号传输性。
Description
技术领域
本发明涉及微波天线技术领域，具体而言，涉及一种天线结构和网关设备。
背景技术
天线结构，例如贴片式天线结构通常包括天线体、馈线结构、介质板和金属地。在进行信号发射时，射频信号通过馈线结构传输至天线体，由天线体以电磁波形式辐射出去。但是，随着使用环境的日益复杂，电磁噪声可能增多，这将严重影响天线结构的信号收发能力。
为了降低电磁噪声对信号传输的影响，目前常用做法是在天线结构上增加滤波结构。一种为在天线体前端增加滤波电路，但这不仅提高了电路板排版难度，也增加了物料成本。另一种为在天线体或金属地上增加谐振结构进行滤波，通过在天线体或金属地上增加的若干枝节或槽缝产生与原天线体表面相反的电流，以抵消部分指定频段的部分电流，但这种办法设计难度较高，且不具备泛用性，无论是设计还是加工，都存在一定难度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种天线结构和网关设备。
第一方面，本发明提供了一种天线结构，其包括介质板以及位于所述介质板一侧的天线体、馈线结构和超材料结构，所述馈线结构与所述天线体连接，所述超材料结构包括至少一个超材料滤波结构组，所述超材料滤波结构组包括对称分布在所述馈线结构两侧的超材料滤波单元，所述超材料滤波单元呈环状结构，且所述环状结构上设有开口，所述环状结构的周长适于根据工作频率而确定。
进一步，多组所述超材料滤波结构组间隔设置，且相邻的所述超材料滤波结构组之间的距离适于根据所述工作频率而确定。
进一步，所述环状结构的周长为工作频率中心频点介质板表面工作波长的1/4至3/4。
进一步，所述环状结构的周长为工作频率中心频点介质板表面工作波长的1/2。
进一步，相邻的所述超材料滤波结构组之间的距离为工作频率中心频点介质板表面工作波长的1/8至3/8。
进一步，相邻的所述超材料滤波结构组之间的距离为工作频率中心频点介质板表面工作波长的1/4。
进一步，所述开口相对于所述馈线结构的方向适于根据所述工作频率而确定。
进一步，所述开口的宽度为所述环状结构半径的1/10至1/2。
进一步，所述天线体、所述馈线结构和所述超材料结构的厚度相同。
第二方面，本发明提供了一种网关设备，其包括如上所述的天线结构。
本发明提供的天线结构和网关设备的有益效果是，在连接天线体的馈线结构两侧设置超材料结构，通过将超材料结构设置为具有开口的环状结构，其内外径比以及开口尺寸、方向将使超材料结构成为具有一定电感性和电容性的滤波结构，从而可以有效滤除经由馈线结构的特定频率信号，不仅有利于降低设计成本，且加工物料成本也较低，可有效避免环境中的电磁干扰，进而提升天线结构的信号传输性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的一种天线结构的结构示意图；
图2为本发明实施例的天线结构的结构示意图一；
图3为本发明实施例的天线结构的结构示意图二；
图4为本发明实施例的天线结构的结构示意图三；
图5为本发明实施例的天线结构的结构示意图四；
图6为与图1对应的滤波效果示意图；
图7为本发明实施例的滤波效果示意图一；
图8为本发明实施例的滤波效果示意图二；
图9为本发明实施例的滤波效果示意图三。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，目前贴片式天线主要为“三明治”结构，即，包括依次贴合的天线体1、介质板3和金属地4，且介质板3一侧还设置有馈线结构2与天线体1连接。其中，令天线体1和馈线结构2位于介质板3的正面，故图中以剖面线形式展示，令金属地4位于介质板3的反面，故图中以虚线形式展示。
以图1所示天线结构对其信号收发性能进行示例性说明。其中，介质板3呈矩形，其材质选用FR-4板，厚度取为1mm，长度L（Y轴方向尺寸）取为94mm，宽度W（X轴方向尺寸）取为48mm，天线体1整体呈圆形，其半径取为20mm，馈线结构2整体呈矩形，其长度L1取为50mm，宽度W1取为1.9mm，金属地4呈矩形，其长度L2取为45mm，宽度与介质板3宽度相同。
如图6所示，通过仿真上述天线结构模型可知其工作频段（S11<-10dB）覆盖2.2-4GHz，可以涵盖2.4G、WiFi、4G和5G等频段，具有较广的带宽。与此同时，其受到电磁干扰的影响也就越明显。
如图2所示，本发明实施例的一种天线结构包括介质板3以及位于所述介质板3一侧的天线体1、馈线结构2和超材料结构5，所述馈线结构2与所述天线体1连接。也就是说，在图1所示的天线结构的基础上，本实施例的天线结构还包括超材料结构5。另外，需要注意的是，由于金属地4位于介质板3的反面，在图2中并未将其示出。
所述超材料结构5包括至少一个超材料滤波结构组，所述超材料滤波结构组包括对称分布在所述馈线结构2两侧的超材料滤波单元，另外，各超材料滤波单元均与所述馈线结构2间隔设置以形成耦合，所述超材料滤波单元呈环状结构，且所述环状结构上设有开口，所述环状结构的周长适于根据工作频率而确定。
可选地，所述环状结构的周长为工作频率中心频点介质板表面工作波长的1/4至3/4。
可选地，所述开口的宽度为所述环状结构外圈半径的1/10至1/2。
更加优选地，所述环状结构的周长为工作频率中心频点介质板表面工作波长的1/2。
具体地，电磁波在超材料结构以基模传输，可以基于其自身特性对电磁波实现滤波处理。并且，超材料结构5可以和天线体1和馈线结构2等进行一体式加工。
更具体而言，以一个示例对本实施例的天线结构进行说明。以图2所示天线结构为基础，由于圆形的周长与半径呈正比，故将根据预设的工作频率中心频点介质板表面工作波长确定的环状结构外周长转换为半径，其中，环状结构的外径RO取为5mm，内径RI取为4mm，开口宽度W2取为1mm，环状结构的与馈线结构2的异侧边缘距离W3取为1mm，两个环状结构的中心间距ΔW取为13.9mm。
如图7所示，通过仿真上述天线结构模型可知其工作频段（S11<-10dB）覆盖2.2-4GHz，但是在3.1GHz（5G所使用的部分sub-6频段）附近出现明显陷波点。因此，本实施例的天线结构可以针对特定频段完成有效的带阻滤波。
在本实施例中，在连接天线体的馈线结构两侧设置超材料结构，通过将超材料结构设置为具有开口的环状结构，其内外径比以及开口尺寸、方向将使超材料结构成为具有一定电感性和电容性的滤波结构，从而可以有效滤除经由馈线结构的特定频率信号，不仅有利于降低设计成本，且加工物料成本也较低，可有效避免环境中的电磁干扰，进而提升天线结构的信号传输性能。
可选地，多组所述超材料滤波结构组间隔设置，且相邻的所述超材料滤波结构组之间的距离适于根据所述工作频率而确定。
可选地，相邻的所述超材料滤波结构组之间的距离为工作频率中心频点介质板表面工作波长的1/8至3/8。
可选地，相邻的所述超材料滤波结构组之间的距离为工作频率中心频点介质板表面工作波长的1/4。
具体地，上述实施例中只包括一个超材料滤波结构组，而本实施例中则可以具有多个以图中竖向间隔设置的超材料滤波结构组。
更具体而言，如图3所示，在图2所示天线结构的基础上，本实施例中共包括3个超材料滤波结构组，也就是具有3阶超材料结构，根据预设的工作频率中心频点介质板表面工作波长确定的相邻的超材料滤波结构组之间的距离ΔL取为12mm。
如图8所示，通过仿真上述天线结构模型可知，在3.03GHz和3.12GHz附近出现明显陷波点，也就是说，通过增加超材料结构的阶数可以拓宽或增加陷波的频段。
在本实施例中，通过增加超材料结构的阶数，并根据工作频率对超材料结构的相关尺寸进行调节后，可以拓宽或增加陷波的频段，进一步有效避免环境中的电磁干扰，以提升天线结构的信号传输性能。
可选地，所述开口相对于所述馈线结构2的方向适于根据所述工作频率而确定。
具体地，开口的相对两条边可以相互平行，例如均为图中所示的竖直方向，也可以与环状结构的圆心至边缘的方向保持一致，或者说为径向。如图4和图5所示，由于馈线结构呈竖向设置，令环状结构的圆心至开口的中心的连线与馈线结构的竖向轴线间的夹角为开口相对于馈线结构2的方向，可视为环状结构可以以其圆心进行旋转。其中，图3所示为该方向呈0°夹角，图4所示为该方向呈45°夹角，图5所示为该方向呈90°夹角。以图4、图5所示的天线结构进行仿真，如图9所示，通过改变上述方向，或者说旋转角度，可以调整陷波频段的中心频点，从而得到一个包络带宽为2.9-3.1GHz的连续可调的陷波区域。
在本实施例中，通过改变超材料结构的旋转角度，可以针对不同设备的陷波需要，更便捷且有针对性地调整天线结构的陷波区域，进一步提升天线结构的信号传输性能。
可选地，所述天线体1、所述馈线结构2和所述超材料结构5的厚度相同。
具体地，天线结构整体为PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）结构，因此，可将天线体1、馈线结构2和超材料结构5集成于同一PCB，也就是均位于介质板4的同一侧且三者厚度相同。这样在完成仿真设计后，制备PCB时，可以一次性加工出本实施例的天线结构，大幅降低加工难度并提高加工效率。
本发明另一实施例的一种网关设备包括如上所述的天线结构。
网关设备作为不同网络之间的连接器，通过配置上述天线结构，将有效提高抗干扰能力，改善无线信号的传输效果。
读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种天线结构，其特征在于，包括介质板（3）以及位于所述介质板（3）一侧的天线体（1）、馈线结构（2）和超材料结构（5），所述馈线结构（2）与所述天线体（1）连接，所述超材料结构（5）包括至少一个超材料滤波结构组，所述超材料滤波结构组包括对称分布在所述馈线结构（2）两侧的超材料滤波单元，所述超材料滤波单元呈环状结构，且所述环状结构上设有开口，所述环状结构的周长适于根据工作频率而确定。
2.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，多组所述超材料滤波结构组间隔设置，且相邻的所述超材料滤波结构组之间的距离适于根据所述工作频率而确定。
3.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述环状结构的周长为工作频率中心频点介质板表面工作波长的1/4至3/4。
4.根据权利要求3所述的天线结构，其特征在于，所述环状结构的周长为工作频率中心频点介质板表面工作波长的1/2。
5.根据权利要求2所述的天线结构，其特征在于，相邻的所述超材料滤波结构组之间的距离为工作频率中心频点介质板表面工作波长的1/8至3/8。
6.根据权利要求5所述的天线结构，其特征在于，相邻的所述超材料滤波结构组之间的距离为工作频率中心频点介质板表面工作波长的1/4。
7.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述开口相对于所述馈线结构（2）的方向适于根据所述工作频率而确定。
8.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述开口的宽度为所述环状结构半径的1/10至1/2。
9.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述天线体（1）、所述馈线结构（2）和所述超材料结构（5）的厚度相同。
10.一种网关设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的天线结构。
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