CN115064861B - 一种具有超宽带天线的usb无线数据传输终端 - Google Patents

一种具有超宽带天线的usb无线数据传输终端 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有超宽带天线的USB无线数据传输终端，包括终端壳体、天线模组、USB接口、SIM卡接口和天线辐射体，天线模组装配在一块四层线路板上置于终端壳体中，天线模组的天线接入端口连接天线辐射体，所述天线辐射体置于终端壳体中，所述天线辐射体包括PCB天线辐射体和2单元FPC天线辐射体，PCB天线辐射体和2单元FPC天线辐射体呈套筒状置于终端壳体中，本发明缩小了USB无线上网卡的体积，充分利用产品内部空间及特点进行设计，实现小体积超宽带高性能，即能满足天线宽带覆盖。可以做到免调试，装配难度极低。

Description

一种具有超宽带天线的USB无线数据传输终端
技术领域
本发明涉及一种具有超宽带天线的USB无线数据传输终端。
背景技术
目前市面上已生产出小型化5G模组，同时支持4G LTE和5G NR频段，且有相关成熟的电路排布要求，模组与印制板结合的电路设计尺寸各厂家设计都具有相似性。如何将产品尺寸做到最小化的难度在于天线的设计。目前，市面上有成熟的0.7G-5GHz全频段笔状天线，主要采用方式是平面套筒形式、平面偶极子形式和平面双锥来实现宽带，天线是独立设计，连接于模组之外独立配置，一般采用SMA接口输出，尺寸为193mmX19.5mm，体积庞大；也有成熟的小型化FPC柔性天线或LDS工艺制成的赋型天线，主要采用PIFA天线形式和monopole天线形式，在有限的体积内往往只能满足窄频段；对于平面多频段PIFA可以通过缝隙形成多支路，但对于辐射主体与地平面之间高度有一定要求，monopole也可以通过多枝路之间相互耦合扩展带宽，但对于净空有较高要求，他们都会随着支路增多，面积扩大，且频段扩展有一定极限，难以满足USB数据传输终端小型化要求；市面上的多层陶瓷封装天线由于载体的介电常数较高，且使用多层堆叠，容易实现较小体积，但陶瓷封装类天线由于已固定设计，对净空有一定要求，要想天线满足良好辐射特性，实际需求尺寸远大于天线尺寸，且无法赋型设计。目前由于5G产品的需求增长，迫切需要具有高性能USB供电能即插即用方便携带全网通的产品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有超宽带天线的USB无线数据传输终端，是一种支持0.7GHz-1GHz和1.7GHz-5GHz带宽的具有超宽带天线的USB无线数据传输终端的USB无线上网卡，超宽带天线置于USB无线上网卡中，网卡的体积可以做到110mmx36mmx13mm，天线满足0.7GHz-1GHz，1.7GHz-5GHz宽频带覆盖。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种具有超宽带天线的USB无线数据传输终端，包括终端壳体、天线模组、USB接口、SIM卡接口和天线辐射体，天线模组装配在一块四层线路板上置于终端壳体中，四层线路板的中间两层是电源层，天线模组的屏蔽外壳与电源层的接地层连接，天线模组通过端口与USB接口和SIM卡接口连接，天线模组的天线接入端口连接天线辐射体，其中：所述天线辐射体置于终端壳体中，所述天线辐射体包括PCB天线辐射体和2单元FPC天线辐射体，所述天线模组装配在四层线路板上表面层一端侧，在四层线路板上表面层另一端侧通过蚀刻覆铜基板形成PCB天线辐射体，PCB天线辐射体通过上表面层设置的共面波导中心带连接天线模组的天线接入端口，所述2单元FPC天线辐射体通过蚀刻两块柔性线路板覆铜基板形成，两块柔性线路板紧贴终端壳体内两侧壁位于四层线路板的PCB天线辐射体段两侧，2单元FPC天线辐射体末端在四层线路板顶端面水平间隔相对设置，2单元FPC天线辐射体平面垂直于PCB天线辐射体平面，2单元FPC天线辐射体在四层线路板两侧前端侧设置有FPC天线辐射体连接触点，在四层线路板下表面层设置有下层共面波导，装配后FPC天线辐射体连接触点通过下层共面波导的中心带与天线模组天线接入端口连接，所述四层线路板电源层的接地层作为背敷金属共面波导接地带经过渡孔与上层共面波导的接地带和下层共面波导的接地带连通。
方案进一步是：所述终端壳体是宽不大于36mm，长不大于110mm，厚不大于13mm的塑料壳体。
方案进一步是：所述具有超宽频带是0.7GHz-1GHz频段和1.7-5GHz频段范围的超宽频带。
方案进一步是：所述PCB天线辐射体包括一个长条形椭圆覆铜平面，长条形椭圆覆铜平面下侧边设置有引出线条，引出线条与所述上表面层设置的共面波导中心带连接，在覆铜平面中间沿椭圆长度方向设置有在下侧边开口的曲流槽，所述曲流槽是多个直角往返弯曲槽，通过曲流槽对覆铜平面的分割使PCB天线辐射体形成了对称相套弯曲回转的长条形辐射体。
方案进一步是：所述FPC天线辐射体包括主辐射体、第一枝节和第二枝节，主辐射体是一个长条形椭圆覆铜平面，长条形椭圆覆铜平面的顶端凸起至柔性线路板顶边沿形成辐射体末端，长条形椭圆覆铜平面的中间被挖空形成长条环形椭圆覆铜平面，在长条环形椭圆覆铜平面的下边侧设置有由窄变宽的阶梯渐变线条，FPC天线辐射体连接触点有三个，三个连接触点的中间连接触点为与下层共面波导的中心带连接的连接触点，中间连接触点两侧分别是与下层共面波导的接地带连接的接地连接触点，所述第一枝节和第二枝节是直角弯曲线条，第一枝节和第二枝节的直角弯曲线条分别设置在阶梯渐变线条两侧，第一枝节和第二枝节直角弯曲线条在中间连接触点两侧分别与两个接地连接触点连接形成FPC天线辐射体连接触点共面波导。
方案进一步是：所述下层共面波导与FPC天线辐射体连接触点连接的连接触点设置有凸起的弹片，装配后，终端壳体促使FPC天线辐射体连接触点压实凸起的弹片。
方案进一步是：所述天线模组的天线接入端口有4个，4个天线接入端口分别是ANT0端口、ANT1端口、ANT2端口、ANT3端口，PCB天线辐射体与ANT0端口连接，两个FPC天线辐射体分别连接ANT1端口和ANT3端口，与ANT1端口和ANT3端口连接的FPC天线辐射体与ANT1端口和ANT3端口之间串接有3PF电容，ANT1端口和ANT3端口与电源地之间设置有15nH的电感，ANT2端口与电源地之间设置有50欧姆电阻。
本发明的有益效果是：缩小了USB无线上网卡的体积，充分利用产品内部空间及特点进行设计，实现小体积超宽带高性能，即能满足天线宽带覆盖。可以做到免调试，装配难度极低。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
附图说明
图1是本发明结构从上面看的分解示意图；
图2是本发明结构从下面看的分解示意图；
图3是本发明结构装配后的整体示意图；
图4是本发明四层线路板上层共面波导面及PCB天线辐射体形状示意图；
图5是本发明四层线路板下层共面波导面示意图；
图6是本发明FPC天辐射体正面投影示意图；
图7是天线模组接线示意图。
具体实施方式
一种具有超宽带天线的USB无线数据传输终端，所述具有超宽频带是0.7GHz-1GHz频段和1.7GHz-5GHz频段范围的超宽频带，如图1至图7所示，所述USB无线数据传输终端包括终端壳体1，天线模组2、USB接口3、SIM卡接口4和天线辐射体，天线模组装配在一块四层线路板5上置于终端壳体1中，USB接口3和SIM卡接口4分别焊接在四层线路板5上，如图1所示，所述终端壳,1是宽不大于36mm，长不大于110mm，厚不大于13mm的塑料壳体，所述终端壳体1包括壳体上盖101、壳体下盖102和USB接口罩103, 壳体上盖101和壳体下盖102通过子母口相扣闭合，USB接口罩103从前面将USB接口3套住，四层线路板的中间两层是电源层（图中未显示），天线模组2的屏蔽外壳与电源层的接地层连接，在天线模组2表面设置有齿形散热器6，天线模组2通过端口与USB接口3和SIM卡接口4连接，天线模组2的天线接入端口有4个，如图7所示，4个天线端口分别是ANT0端口、ANT1端口、ANT2端口、ANT3端口，天线接入端口连接天线辐射体，所述天线辐射体包括1单元PCB天线辐射体7和2单元FPC天线辐射体8和9，其中：所述天线辐射体置于终端壳体中，所述天线模组2装配在四层线路板5上表面层一端侧（前端侧），如图4所示，在四层线路板5上表面层另一端侧（后端侧）通过蚀刻覆铜基板形成PCB天线辐射体7，PCB天线辐射体7通过上表面层设置的共面波导中心带10连接天线模组2的天线接入端口，在上层共面波导中心带10两侧是共面波导的接地带11，所述2单元FPC天线辐射体8和9是通过蚀刻两块柔性线路板覆铜基板12和13形成，两块柔性线路板12和13紧贴终端壳体内两侧壁位于四层线路板5的PCB天线辐射体段501两侧。上述布局使得PCB天线辐射体和2单元FPC天线辐射体呈套筒状置于终端壳体1中，2单元FPC天线辐射体末端801和901在四层线路板顶端面502水平间隔相对设置，2单元FPC天线辐射体8和9平面垂直于PCB天线辐射体7平面，2单元FPC天线辐射体8和9在四层线路板两侧前端侧设置有FPC天线辐射体连接触点802和902，如图5所示，在四层线路板下表面层设置有下层共面波导，下层共面波导包括下层共面波导的中心带13和在中心带13两侧的下层共面波导的接地带14，装配后FPC天线辐射体连接触点通过下层共面波导的中心带13与天线模组2的天线接入端口连接，所述四层线路板电源层的接地层作为背敷金属共面波导接地带经过渡孔与上层共面波导的接地带和下层共面波导的接地带连通。
如图4所示：所述1单元PCB天线辐射体7包括一个长条形椭圆覆铜平面701，长条形椭圆覆铜平面下侧边设置有引出线条702，引出线条702与所述上表面层设置的共面波导中心带10连接，在覆铜平面中间沿椭圆长度方向设置有在下侧边开口703的曲流槽704，所述曲流槽是多个直角往返弯曲槽，通过曲流槽对覆铜平面的分割使PCB天线辐射体形成了对称相套弯曲回转的长条形辐射体。
如图6所示：所述2单元FPC天线辐射体包括主辐射体8和9、第一枝节803、903和第二枝节804、904，主辐射体8和9分别是一个长条形椭圆覆铜平面，长条形椭圆覆铜平面的顶端凸起至柔性线路板顶边沿形成辐射体末端，长条形椭圆覆铜平面的中间被挖空805、905形成长条环形椭圆覆铜平面，在长条环形椭圆覆铜平面的下边侧设置有由窄变宽的阶梯渐变线条806、906，FPC天线辐射体连接触点有三个A、B、C，三个连接触点A、B、C的中间连接触点B为与下层共面波导的中心带13连接的连接触点，中间连接触点B两侧分别是与下层共面波导的接地带连接的接地连接触点A和C，所述第一枝节和第二枝节是直角弯曲线条，第一枝节和第二枝节的直角弯曲线条分别设置在阶梯渐变线条两侧，第一枝节和第二枝节直角弯曲线条在中间连接触点两侧分别与两个接地连接触点连接形成FPC天线辐射体连接触点共面波导。
为了保证接触，所述下层共面波导与FPC天线辐射体连接触点连接的连接触点设置有凸起的弹片15，装配后，终端壳体促使FPC天线辐射体连接触点压实凸起的弹片。
其中：PCB天线辐射体7与天线模组2天线接入端口中的ANT0端口连接，两个FPC天线辐射体分别连接天线模组2天线接入端口中的ANT1端口和ANT3端口，与ANT1端口和ANT3端口连接的FPC天线辐射体与ANT1端口和ANT3端口之间串接有3PF电容，ANT1端口和ANT3端口与电源地之间设置有15nH的电感，ANT2端口与电源地之间设置有50欧姆电阻。
本实施产品使用频率需要覆盖4G LTE和5G NR通信频段，两个相对设置的FPC天线辐射体采用曲面套筒天线形式，中间PCB天线辐射体采用宽带单极子天线形式。所以对于作为常规共面波导的四层线路板两侧前端侧设置的FPC天线辐射体连接触点802和902，以及弹片15及天线端在常规共面波导的上层共面波导的接地带和下层共面波导进行优化设计，得出此处印制线布局。采用倒扣的方式将四层线路板作为常规共面波导与FPC天线辐射体连接触点802和902的连接点通过焊锡膏焊接三个小尺寸弹片15与FPC天线辐射体进行连接，在四层线路板设置有支撑柱16，在FPC天线辐射体底部有补强增强板17，则通过上盖101和底盖102对扣锁时，就可以将弹片15压缩到合适程度使得FPC天线辐射体与模组共面波导连接，这样使得产品结构十分紧凑且不影响射频传输特性，利用模组接地部分频段表面电流与天线辐射体表面电流同向，构成辐射体一部分，增强辐射效率；同时等效加粗振子及不对称形式参差调谐，也相当于增加了天线辐射体套筒的长度，激励的谐振点向低频移动，从而扩展了天线带宽，从仿真可以看出，单套筒天线无模组地时天线反射系数为-10dB最低频率为1.95GHz，套筒天线含模组地时天线反射系数为-10dB最低频率为0.9GHz，并且本天线考虑到产品所使用的高导热塑料壳体1内部可用空间，侧面厚度方向仅有9mm能够排布套筒天线印制线，我们将2个FPC天线辐射体输入端口射频走线进行弯折，在四层线路板顶端面502水平间隔相对设置，贴合侧面结构布线，这样保证套筒天线辐射部分的完整性及连续性，更有利于辐射，要使得天线具有良好的辐射，辐射区域距离模组4层PCB板地平面需要尽量远，实施例直接将三天线辐射区域完全净空，使得模组元器件及散热齿完全在天线射频传输线后端，极大的减小了模组整体对天线的遮挡影响。由于体积限制，常规共面波导地连接触点802和902走线布置在靠近散热齿6的地方，因为常规共面波导电磁场被束缚在传输线与周围两地之间，所以基本不会对传输能量产生影响，这样既压缩了天线长度方向体积，又使得天线性能未有恶化。针对于FPC天线辐射体，利用曲流技术改变套筒的形式，使得1.7GHz-2.1GHz频段内，表面电流沿第一枝节803、903流动并辐射，使得3.3GHz-4.2GHz频段内，表面电流沿第二枝节804、904流动并辐射，这样两频段的阻抗则由主辐射体8、9与枝节共同作用，可以通过对枝节的优化及调试，使得天线小型化的同时具有全频段低驻波特点。辐射贴片馈电处采用阶梯渐变线806、906有利于扩展带宽。FPC天线辐射体辐射主体中间部分挖槽805、905，改变表面电流流向，有利于减小与中间的PCB天线辐射体直接互耦。天线赋形于壳体1内部，由于长度限制，使用LC匹配电路并联电感和串联电容，产生双谐振改善了低频段匹配特性，使0.7GHz-1GHz频段内驻波小于2.5， 1.7-5GHz频率范围内，端口驻波小于2，天线平均增益3dBi，中间硬质PCB天线辐射体宽带单极子天线，馈电处直接由模组端口接地共面波导11输出，PCB天线辐射体的主辐射体7采用曲流技术，产生新的谐振频段824MHz-915MHz驻波小于2.5，1.7-5GHz频率范围内驻波小于2，天线平均增益3dBi。
目前，本实施例结构只能容纳三根辐射性能良好的天线，所以使用50欧姆电阻连接于天线模组的ANT2端口，使得此处模组端口不辐射能量以影响其他天线性能。经过产品实际测试及试验，测试数据符合仿真结果，证明理论设计的正确性，最终产品下载速率高达600Mbps，此天线整体指标优于传统设计。

Claims (5)

1.一种具有超宽带天线的USB无线数据传输终端，包括终端壳体、天线模组、USB接口、SIM卡接口和天线辐射体，天线模组装配在一块四层线路板上置于终端壳体中，四层线路板的中间两层是电源层，天线模组的屏蔽外壳与电源层的接地层连接，天线模组通过端口与USB接口和SIM卡接口连接，天线模组的天线接入端口连接天线辐射体，其特征在于，所述天线辐射体置于终端壳体中，所述天线辐射体包括PCB天线辐射体和2单元FPC天线辐射体，所述天线模组装配在四层线路板上表面层一端侧，在四层线路板上表面层另一端侧通过蚀刻覆铜基板形成PCB天线辐射体，PCB天线辐射体通过上表面层设置的共面波导中心带连接天线模组的天线接入端口，所述2单元FPC天线辐射体通过蚀刻两块柔性线路板覆铜基板形成，两块柔性线路板紧贴终端壳体内两侧壁位于四层线路板的PCB天线辐射体段两侧，2单元FPC天线辐射体末端在四层线路板顶端面水平间隔相对设置，2单元FPC天线辐射体平面垂直于PCB天线辐射体平面，2单元FPC天线辐射体在四层线路板两侧前端侧设置有FPC天线辐射体连接触点，在四层线路板下表面层设置有下层共面波导，装配后FPC天线辐射体连接触点通过下层共面波导的中心带与天线模组天线接入端口连接，所述四层线路板电源层的接地层作为背敷金属共面波导接地带经过渡孔与上层共面波导的接地带和下层共面波导的接地带连通；
所述PCB天线辐射体包括一个长条形椭圆覆铜平面，长条形椭圆覆铜平面下侧边设置有引出线条，引出线条与所述上表面层设置的共面波导中心带连接，在覆铜平面中间沿椭圆长度方向设置有在下侧边开口的曲流槽，所述曲流槽是多个直角往返弯曲槽，通过曲流槽对覆铜平面的分割使PCB天线辐射体形成了对称相套弯曲回转的长条形辐射体；
所述FPC天线辐射体包括主辐射体、第一枝节和第二枝节，主辐射体是一个长条形椭圆覆铜平面，长条形椭圆覆铜平面的顶端凸起至柔性线路板顶边沿形成辐射体末端，长条形椭圆覆铜平面的中间被挖空形成长条环形椭圆覆铜平面，在长条环形椭圆覆铜平面的下边侧设置有由窄变宽的阶梯渐变线条，FPC天线辐射体连接触点有三个，三个连接触点的中间连接触点为与下层共面波导的中心带连接的连接触点，中间连接触点两侧分别是与下层共面波导的接地带连接的接地连接触点，所述第一枝节和第二枝节是直角弯曲线条，第一枝节和第二枝节的直角弯曲线条分别设置在阶梯渐变线条两侧，第一枝节和第二枝节直角弯曲线条在中间连接触点两侧分别与两个接地连接触点连接形成FPC天线辐射体连接触点共面波导。
2.根据权利要求1所述的USB无线数据传输终端，其特征在于，所述终端壳体是宽不大于36mm，长不大于110mm，厚不大于13mm的塑料壳体。
3.根据权利要求1或2所述的USB无线数据传输终端，其特征在于，所述具有超宽频带是0.7GHz-1GHz频段和1.7-5GHz频段范围的超宽频带。
4.根据权利要求1所述的USB无线数据传输终端，其特征在于，所述下层共面波导与FPC天线辐射体连接触点连接的连接触点设置有凸起的弹片，装配后，终端壳体促使FPC天线辐射体连接触点压实凸起的弹片。
5.根据权利要求1所述的USB无线数据传输终端，其特征在于，所述天线模组的天线接入端口有4个，4个天线接入端口分别是ANT0端口、ANT1端口、ANT2端口、ANT3端口，PCB天线辐射体与ANT0端口连接，两个FPC天线辐射体分别连接ANT1端口和ANT3端口，与ANT1端口和ANT3端口连接的FPC天线辐射体与ANT1端口和ANT3端口之间串接有3PF电容，ANT1端口和ANT3端口与电源地之间设置有15nH的电感，ANT2端口与电源地之间设置有50欧姆电阻。
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