CN114583456A - 一种小型化平面方向图可重构天线、物联网设备及路由器 - Google Patents

一种小型化平面方向图可重构天线、物联网设备及路由器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种小型化平面方向图可重构天线、物联网设备及路由器，其中，天线包括基板及设置在基板顶面的两个对称的偶极子；每个偶极子包括两个对称的天线臂，两个天线臂之间通过第一端形成耦合；两个偶极子的天线臂之间的中心轴线上设置有上金属贴片和下金属贴片，上金属贴片和下金属贴片的左右两端均分别与两个偶极子的天线臂的第二端形成耦合；基板的底面设置有馈电微带线，馈电微带线的一端通过金属化孔与上金属贴片或下金属贴片连接，馈电微带线的另一端连接馈电端口。所提供的天线具有小型化和平面方向图可重构的特点，天线结构设计巧妙，实现了较小的尺寸，有利于系统的集成和小型化设计，同时降低了加工成本。

Description

一种小型化平面方向图可重构天线、物联网设备及路由器
技术领域
本发明涉及无线通信系统中的天线技术，尤其是一种小型化平面方向图可重构天线、物联网设备及路由器。
背景技术
伴随着互联网和物联网的发展，为了进一步满足社会对无线通信系统的需求，无线通信系统不断发展。天线作为无线通信系统中的关键组成部分，其作用是实现传输线上导行波和自由空间中电磁波的相互转化，因此天线在无线通信系统中是接收信号和发射信号的装置，其性能的好坏直接影响着通信质量。
可重构天线可以根据环境的动态需求的改变天线的工作模式，以此来满足无线通信系统的多种需求，如改变天线的极化方式、工作频段或辐射方向，能够有效解决同一通信系统中搭载多个天线的问题，从而实现了低成本、体积小、质量轻的特点。通过电调节实现可重构天线的方式主要是在天线上加载可调控器件，如微波开关(PIN二极管、MEMS开关、MESFET开关)、可变电容。方向图可重构天线，即能够通过改变可调控器件的不同工作状态实现不同的天线辐射方向。
目前的电调节的方向图可重构天线主要是通过射频开关的通断或者变容二极管电容值的变化等方式达到改变辐射体结构、切换馈电相位或改变引向器、反射器结构的目的，最终在不改变天线工作频段和极化方式的前提下实现对天线方向图的控制。目前现有的方向图可重构天线研究都存在着工作频带带宽较窄、使用二极管数量较多或天线结构过于复杂等情况，因此，对方向图可重构天线的结构简化、使用尽量少的二极管以及扩展其带宽等问题的进一步研究是有价值和意义的。
发明内容
本发明的目的在于至少部分的解决上述现有技术问题，提供一种小型化平面方向图可重构天线、物联网设备及路由器。
本发明的目的之一是这样实现的：提供一种小型化平面方向图可重构天线，包括基板以及设置在基板顶面的对称的第一偶极子和第二偶极子；
每个偶极子包括两个对称的天线臂，两个天线臂之间通过第一端形成耦合；
第一偶极子的天线臂和第二偶极子的天线臂之间的中心轴线上设置有上金属贴片和下金属贴片，上金属贴片和下金属贴片的左右两端均分别与第一偶极子和第二偶极子的天线臂的第二端形成耦合；
所述基板的底面设置有馈电微带线，馈电微带线的一端通过金属化孔与上金属贴片或下金属贴片连接，馈电微带线的另一端连接馈电端口。
作为优选的，每个天线臂的两端均形成有交指部，每个偶极子中的两个天线臂之间通过第一端的交指部互补插合形成耦合，上金属贴片和下金属贴片的左右两端均形成有交指部，上金属贴片和下金属贴片与第一偶极子和第二偶极子的天线臂的第二端通过交指部形成耦合。
作为优选的，所述基板的底面设置有两条平行的寄生微带线，其中一条寄生微带线位于第一偶极子的天线臂的正下方，另一条寄生微带线位于第二偶极子的天线臂的正下方；每条寄生微带线包括两段微带线和连接在所述两段微带线之间的开关二极管。
作为优选的，每条所述寄生微带线中，一段微带线通过电感连接直流电源正极，另一段微带线依次通过电感和电阻连接直流电源负极。
作为优选的，每条所述寄生微带线中，两段微带线均为T型微带线，两段T型微带线通过开关二极管连接形成“工”字型结构。
作为优选的，在第一偶极子和第二偶极子中，每个天线臂均配置为L型微带线，上金属贴片被设置为T型，下金属贴片被设置为十字型，下金属贴片的上端与上金属贴片下端之间具有间隙，下金属贴片的下端延伸至基板边沿。
作为优选的，L型微带线的宽度w1＝5.1mm，上金属贴片和下金属贴片的竖直段的宽度w2＝9.5mm。
作为优选的，所述天线的工作频段设置为2.35GHz-2.55GHz频段。
本发明还提供一种物联网设备，其包括以上所述的小型化平面方向图可重构天线。
本发明还提供一种路由器，其包括以上所述的小型化平面方向图可重构天线。
本发明的有益效果至少体现在：
所提供的天线具有小型化和平面方向图可重构的特点，当工作在WiFi频段(2.4-2.48GHz)时，可适用于各种物联网设备和路由器中；天线结构设计较为巧妙，实现了较小的尺寸，有利于系统的集成和小型化设计；该天线稳定的辐射特性，有利于在宽带的场景应用。实现的方向图可重构的功能，能够适用于所需实现变化的辐射范围的设备中。同时在整体设计中仅使用两个电调节元件，降低了加工成本。
附图说明：
图1为本申请天线实施例的结构示意图；
图2为本申请天线中基板顶面的偶极子实施例的结构示意图；
图3为本申请天线中基板底面馈电结构示意图；
图4为本申请天线工作在三种辐射方向图状态下的仿真反射系数曲线和仿真增益曲线；
图5为本申请天线在三种状态下的辐射方向图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5所示，本发明提供的具体实施例如下：
结合图1-3所示，本实施例提供一种小型化平面方向图可重构天线，包括基板1以及设置在基板1顶面的对称的第一偶极子和第二偶极子，
每个偶极子包括两个对称的天线臂2，两个天线臂之间通过第一端形成耦合；
第一偶极子的天线臂2和第二偶极子的天线臂2之间的中心轴线上设置有上金属贴片3和下金属贴片4，上金属贴片3和下金属贴片4的左右两端均分别与第一偶极子和第二偶极子的天线臂2的第二端形成耦合；
所述基板的底面设置有馈电微带线6，馈电微带线6的一端通过金属化孔5与上金属贴片3或下金属贴片4连接，馈电微带线6的另一端连接馈电端口。
值得说明的是，基于上述实施例方案的天线结构设计，所述基板1仅需要设置为单层介质基板，比如单层的PCB基板，结构简单，同时实现低成本。进一步的，作为一种实现方式，第一偶极子和第二偶极子可印刷在所述基板1的顶面。在上述实施例天线的馈电结构设计中，利用一个印刷在基板1底面的馈电微带线6到金属化通孔5的结构对偶极子对进行馈电，简化了馈电结构。还可以理解的是，区别于现有的偶极子天线设计结构的尺寸通常较大，上述实施例的天线极大的缩小了天线尺寸，真正实现了小型化的设计。具体的，现有的印刷偶极子天线基于其独立的结构设计，在基板上所占据的尺寸通常较大。在上述实施例的天线中，巧妙的将第一偶极子和第二偶极子的中间部分进行了重叠设计，极大的优化了天线的尺寸。
作为一种优选的实施例，参阅图2所示，为达到最佳的小型化尺寸优化效果，在第一偶极子和第二偶极子中，每个天线臂2均配置为L型微带线，上金属贴片3被设置为T型，下金属贴片4被设置为十字型，下金属贴片4的上端与上金属贴片3下端之间具有间隙，下金属贴片4的下端延伸至基板1边沿。
参阅图1和图2所示，在一些优选的实施例中，每个天线臂2的两端均形成有交指部，每个偶极子中的两个天线臂之间通过第一端的交指部互补插合形成耦合，上金属贴片3和下金属贴片4的左右两端均形成有交指部，上金属贴片3和下金属贴片4与第一偶极子和第二偶极子的天线臂2的第二端通过交指部形成耦合。可以理解的是，本实施例中天线臂2与天线臂2之间，以及天线臂2与金属贴片之间形成的都是通过交指部形成耦合，两个交指部之间的配合形成交指状耦合结构，通过交指部进行耦合能够在较宽带宽内提供较强的耦合，从而保证了宽带内天线辐射的稳定性。
参阅图1和图3所示，在一些优选的实施例中，所述基板1的底面设置有两条平行的寄生微带线7，其中一条寄生微带线位于第一偶极子的天线臂2的正下方，另一条寄生微带线位于第二偶极子的天线臂2的正下方；每条寄生微带线7包括两段微带线和连接在所述两段微带线之间的开关二极管(Pin1，Pin2)。进一步优选的，寄生微带线7的长度方向(图中X方向)与第一偶极子和第二偶极子的天线臂的长度方向平行。可以理解的是，在本实施例的天线中，当寄生微带线7中的相应开关二极管处于通的状态下，该寄生微带线并不能被激励，同时会影响基板顶面的偶极子的工作状态；当寄生微带线中的相应开关二极管处于断的状态下，该寄生微带线能够被有效激励起来，同时不会对基板顶面的偶极子产生影响。开关二极管的通断状态影响了天线的场分布，从而能够形成不同的辐射方向图。因此，通过本实施例的天线可以实现：当其中一条寄生微带线工作(相应开关二极管处于断的状态)，而另一条寄生微带线不工作(相应开关二极管处于通的状态)时，则天线的辐射方向图会指向工作的寄生微带线的方向；当两条寄生微带线同时工作时，则天线的浮生方向图会转化为全向辐射。也就是说，通过改变寄生微带线上的开关二极管的通断状态，可以实现在同一频段内三种不同的辐射方向图，使得天线能够电调节实现方向图可重构的功能特性。
在一些实施例中，每条所述寄生微带线7中，一段微带线通过电感L连接直流电源正极(DC+)，另一段微带线依次通过电感L和电阻R连接直流电源负极(DC-)。可以理解的是，本实施例中，在寄生微带线7与电源之间加载电阻R和/或电感L以作为隔离直流的元件，用来实现直流偏置电路与天线结构之间的高隔离度，可提升天线质量。
在一些实施例中，每条所述寄生微带线7中，两段微带线均为T型微带线，两段T型微带线连接形成“工”字型结构。根据实际的测试经验，基于本实施例的寄生微带线的设置结构，相较于单一直线段微带线或者其它结构形式的微带线，可以有效的减小设计尺寸，同时满足设计性能。此外，在一定程度上，也更易于对天线辐射图形成较好的方向性控制。
基于以上天线中第一偶极子和第二偶极子的重叠结构设置，为达到最优的匹配设计，依据实际测试经验，建议设置L型微带线的宽度w1＝5.1mm，设置上金属贴片和下金属贴片的竖直段的宽度w2＝9.5mm。
在一些优选的实施例中，所述天线的工作频段设置为2.35GHz-2.55GHz频段，使得该天线能够较好的适用于WiFi频段。
为验证本申请实施例中所提出的小型化平面方向图可重构天线的特性，下面提供一个实际测试例。所测试的天线采用的介质基板是厚度为0.5mm的F4BK基板，基板两面覆铜的厚度为0.0018mm，馈电为连接有50欧姆的SMA头。天线的设计频段为Wi-Fi应用频段(2.4-2.48GHz)，极化方向为水平极化。图2和图3中所标识出的天线的具体尺寸参数见下表1：
表1
参数 d<sub>1</sub> d<sub>2</sub> w<sub>1</sub> w<sub>2</sub> da dl
数值/mm 17.0 38.5 5.1 9.5 13.3 37.2
图4给出了天线工作在三种辐射方向图状态下的仿真反射系数曲线和仿真增益曲线，图4中，(a)图为仿真反射系数曲线，(b)图为仿真增益曲线；图5给出了天线在三种状态下的辐射方向图，图5中，(a)、(b)、(c)图分别对应State 1、State 2、State 3三种状态下的辐射方向图；开关二极管的通断状态与辐射方向图的对应关系如下表2所示。
表2
状态 Pin 1 Pin 2 辐射方向
State 1(状态1) 通 断 +y
State 2(状态2) 断 通 -y
State 3(状态3) 断 断 全向
从图4可以看出，在工作频带内，仿真增益差异小于1dB，说明了该天线在不同状态下辐射方向图的稳定性；从图5可以看出，在工作频带内，实现了三种不同的辐射方向图，体现了该天线具有较好的可重构性能，实现了良好的辐射特性。该天线中，实现了2.35-2.55GHz的宽带覆盖，其中包含WiFi频段(2.4-2.48GHz)，因此该天线在能够广泛应用在各种在WiFi频段下工作的设备，天线实现的方向图可重构的功能，能够适用于所需实现变化的辐射范围的设备中。
本发明实施例还提供一种物联网设备，该物联网设备包括有以上任一实施例所述的小型化平面方向图可重构天线，有利于实现物联网设备的小型化设计需求。
本发明实施例还提供一种路由器，该路由器包括有以上任一实施例所述的小型化平面方向图可重构天线，有利于实现路由器的小型化设计需求。
在本发明的实施例的描述中，具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，“-”和“～”表示的是两个数值之同的范围，并且该范围包括端点。例如:“A-B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。“A～B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。
在本发明的实施例的描述中，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种小型化平面方向图可重构天线，其特征在于，包括基板以及设置在基板顶面的对称的第一偶极子和第二偶极子；
每个偶极子包括两个对称的天线臂，两个天线臂之间通过第一端形成耦合；
第一偶极子的天线臂和第二偶极子的天线臂之间的中心轴线上设置有上金属贴片和下金属贴片，上金属贴片和下金属贴片的左右两端均分别与第一偶极子和第二偶极子的天线臂的第二端形成耦合；
所述基板的底面设置有馈电微带线，馈电微带线的一端通过金属化孔与上金属贴片或下金属贴片连接，馈电微带线的另一端连接馈电端口。
2.根据权利要求1所述的小型化平面方向图可重构天线，其特征在于，每个天线臂的两端均形成有交指部，每个偶极子中的两个天线臂之间通过第一端的交指部互补插合形成耦合，上金属贴片和下金属贴片的左右两端均形成有交指部，上金属贴片和下金属贴片与第一偶极子和第二偶极子的天线臂的第二端通过交指部形成耦合。
3.根据权利要求2所述的小型化平面方向图可重构天线，其特征在于，所述基板的底面设置有两条平行的寄生微带线，其中一条寄生微带线位于第一偶极子的天线臂的正下方，另一条寄生微带线位于第二偶极子的天线臂的正下方；每条寄生微带线包括两段微带线和连接在所述两段微带线之间的开关二极管。
4.根据权利要求3所述的小型化平面方向图可重构天线，其特征在于，每条所述寄生微带线中，一段微带线通过电感连接直流电源正极，另一段微带线依次通过电感和电阻连接直流电源负极。
5.根据权利要求3所述的小型化平面方向图可重构天线，其特征在于，每条所述寄生微带线中，两段微带线均配置为T型微带线，两段T型微带线通过所述开关二极管连接形成“工”字型结构。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的小型化平面方向图可重构天线，其特征在于，在第一偶极子和第二偶极子中，每个天线臂均配置为L型微带线，上金属贴片被设置为T型，下金属贴片被设置为十字型，下金属贴片的上端与上金属贴片下端之间具有间隙，下金属贴片的下端延伸至基板边沿。
7.根据权利要求6所述的小型化平面方向图可重构天线，其特征在于，L型微带线的宽度w1＝5.1mm，上金属贴片和下金属贴片的竖直段的宽度w2＝9.5mm。
8.根据权利要求2所述的小型化平面方向图可重构天线，其特征在于，所述天线的工作频段设置为2.35GHz-2.55GHz频段。
9.一种物联网设备，其特征在于，包括权利要求1所述的小型化平面方向图可重构天线。
10.一种路由器，其特征在于，包括权利要求1所述的小型化平面方向图可重构天线。
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