CN116435772B - 一种小型化低剖面双极化天线、天线组件及pda设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供的一种小型化低剖面双极化天线、天线组件及PDA设备，该双极化天线包括从上至下依次平行间隔设置的至少一层引向层、辐射层以及接地层，引向层包括第一金属地板，该引向层可以看作是一个新的辐射贴片，将接地层和辐射层的电磁波聚拢后进一步向前向发射，从而有效提升前后比和增益；辐射层包括第一介质基板以及覆盖于第一介质基板上表面的金属层，该金属层包括四个在中心位置处呈十字型分布的偶极子单元，每一偶极子单元均包括偶极子振子，每两个相对设置的偶极子单元为一组，从而构成双极化天线结构。
Description
技术领域
本申请涉及超高频射频识别技术领域，尤其涉及一种小型化低剖面双极化天线、天线组件及PDA设备。
背景技术
超高频射频识别技术（UHF RFID）具有识别距离远、识别率高、传输速率高等显著优点。现已在动物晶片、汽车晶片防盗器、门禁管制、仓储物流、生产线自动化、物料管理等一系列场景有着广泛的应用。一般在特定的应用场景中，若需要更远的读取距离和更高的识别率，这就要求设备的天线具有更高的增益和更好的方向性。因此，开发具有低成本、结构简单、高增益、特点的天线，对于弥补现在行业设备的不足显得尤为重要。
目前，行业内使用UHF RFID的设备天线大部分采用的是圆极化天线，圆极化天线在读取线极化标签和圆极化标签时通用性较高，一般有两种实现方式。第一种是采用陶瓷微带天线方案，该方式使用一分二功分馈电网络实现圆极化，优点是低剖面，成本低，缺点是天线带宽很窄，增益低，导致识读距离近；第二种方案是采用四臂天线组合，通过采用威尔金森功分器技术对每个单元赋予同样功率以及对各个单元的相位做90度的旋转相位延迟技术来实现圆极化天线，这种方案的优点是天线增益、带宽等指标相对陶瓷天线有所提升，缺点是由于使用功分结构，天线增益有较大损失，且生产成本较高。
并且，行业内还存在着部分单线极化天线，这一类天线有着极高的增益和方向性，适用于大部分场景，但是在线极化标签与天线完全隔离时，会存在识读不到标签的情况，这一类场景是线极化天线的痛点所在。
此外，双线极化天线在读取大部分线极化标签场景下对比同增益的圆极化天线来说，有着较大的优势，而现有的双线极化天线由于其线极化的特性，导致其体积较大，剖面较高，未能在PDA设备中广泛应用。例如，在专利CN 114628912 A中，天线尺寸高达280mm*280mm*48mm，完全无法集成进PDA设备中。
综上所述，现阶段行业内使用UHF RFID的设备天线的主要痛点问题在于天线的增益较低，定向性比较差，在远距离寻卡、线极化标签读取速度等方面还有较大的提升空间；在单线极化天线方面存在着完全读取不到的盲区；而双线极化天线又因为体积较大不易于集成进手持终端中。
发明内容
本申请的目的旨在至少能解决上述的技术缺陷之一，特别是现有技术中天线的增益较低，定向性比较差，在远距离寻卡、线极化标签读取速度等方面还有较大的提升空间；在单线极化天线方面存在着完全读取不到的盲区；而双线极化天线又因为体积较大不易于集成进手持终端中的技术缺陷。
本申请提供了一种小型化低剖面双极化天线，所述双极化天线包括：从上至下依次平行间隔设置的至少一层引向层、辐射层以及接地层；
所述引向层包括第一金属地板；
所述辐射层包括第一介质基板以及覆盖于所述第一介质基板上表面的金属层，所述金属层包括四个在中心位置处呈十字型分布的偶极子单元，每一偶极子单元均包括偶极子振子、贯穿于所述偶极子振子中部以及所述第一介质基板的接地通孔，以及加载在所述偶极子振子末端的开路电容，所述开路电容的末端沿所述第一介质基板的侧面垂直向下延伸；
每两个相对设置的偶极子单元为一组，其中一组偶极子单元的两个偶极子振子的前端之间通过第一微带线连接，另一组偶极子单元的两个偶极子振子的前端之间通过馈电通孔连接；
所述接地层包括第二金属地板以及贴合于所述第二金属地板下表面的第二介质基板，所述第二金属地板与所述辐射层之间通过贯穿于所述接地通孔的等效电容固定连接。
可选地，所述引向层的尺寸与所述辐射层的尺寸一致，所述接地层的尺寸小于所述辐射层的尺寸。
可选地，所述接地层与所述辐射层之间的高度小于所述辐射层与所述引向层之间的高度。
可选地，所述引向层与所述辐射层之间的高度小于半波长。
可选地，所述引向层与所述辐射层之间的高度为四分之一波长。
可选地，所述引向层还包括贴合于所述第一金属地板表面的第三介质基板。
可选地，所述引向层为多层结构时，每一引向层之间平行间隔设置；
其他引向层的尺寸小于距离所述辐射层最近的引向层的尺寸，且每一引向层之间的间距小于距离所述辐射层最近的引向层与所述辐射层之间的高度。
可选地，所述等效电容为金属柱和/或第二微带线。
可选地，所述开路电容包括第一金属贴片和第二金属贴片；
其中，所述第一金属贴片的前端与所述偶极子振子的末端连接，所述第一金属贴片的末端延伸至所述第一介质基板的上表面边缘；
所述第二金属贴片下挂在所述第一金属贴片的末端，并沿所述第一介质基板的侧面垂直向下延伸。
可选地，所述第一金属贴片为三角形结构，所述第二金属贴片为方形结构；
其中，所述第一金属贴片的顶点为前端，所述第一金属贴片的底边为末端。
可选地，每一偶极子单元的等效电长度为四分之一波长。
可选地，所述双极化天线的剖面高度小于0.1λ。
本申请还提供了一种双极化天线组件，所述双极化天线组件包括天线外壳，以及安装在所述天线外壳内腔的上述实施例中任一项所述的小型化低剖面双极化天线。
可选地，所述双极化天线组件还包括射频开关和射频模块，所述天线外壳包括天线前壳和天线后壳；
所述引向层与所述天线前壳一体化设置，所述射频开关和所述射频模块设置于所述接地层和所述天线后壳的内壁之间；
所述天线前壳与所述天线后壳之间可拆卸连接。
可选地，所述两组偶极子单元分别通过贯穿于所述接地层的同轴线与所述射频开关的两个输入端相连；
所述射频开关的输出端与所述射频模块相连。
可选地，所述天线前壳的内侧壁和/或所述天线后壳的内表面覆盖有吸波材料。
可选地，所述天线前壳的内侧壁覆盖的吸波材料沿辐射方向的长度超过或不超过所述引向层。
可选地，所述吸波材料是以氧化铁和其他铁族或稀土族氧化物为主要成分的复合氧化物。
可选地，所述射频模块用于根据场内标签数量以及标签读取速率控制所述小型化低剖面双极化天线在两个极化方向的启停。
本申请还提供了一种PDA设备，所述PDA设备包括整机以及与所述整机连接的上述实施例中任一项所述的双极化天线组件。
可选地，所述双极化天线组件中的射频模块通过FPC与所述整机连接。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本申请提供的一种小型化低剖面双极化天线、天线组件及PDA设备，该双极化天线包括从上至下依次平行间隔设置的至少一层引向层、辐射层以及接地层，其中，引向层包括第一金属地板，该引向层可以看作是一个新的辐射贴片，将接地层和辐射层的电磁波聚拢后进一步向前向发射，从而有效提升前后比和增益；辐射层包括第一介质基板以及覆盖于第一介质基板上表面的金属层，该金属层包括四个在中心位置处呈十字型分布的偶极子单元，每一偶极子单元均包括偶极子振子，每两个相对设置的偶极子单元为一组，其中一组偶极子单元的两个偶极子振子的前端之间通过第一微带线连接，另一组偶极子单元的两个偶极子振子的前端之间通过馈电通孔连接，这样可以通过第一微带线以及馈电通孔将偶极子振子连接到电路中，从而通过电路来为双极化天线进行馈电，以实现双极化天线在两个极化方向进行变化，有效避免了极化方向完全隔离时读取不到标签的弊端；并且，本申请中每一偶极子单元还包括加载在偶极子振子末端的开路电容，该开路电容的末端沿第一介质基板的侧面垂直向下延伸，开路电容的设计，可以将原本的电容结构弯折分成两部分，进而将原本在水平面上的整体电容的体积缩小，并利用空余空间进行电容加载，这样既可以调整谐振频点，又可以缩小天线体积；而本申请的接地层包括第二金属地板以及贴合于第二金属地板下表面的第二介质基板，每一偶极子单元还包括贯穿于偶极子振子中部以及第一介质基板的接地通孔，这样，第二金属地板与辐射层之间可以通过贯穿于接地通孔的等效电容固定连接，该等效电容可以看作是一个电阻电容串联短路结构，这样可以将天线的回波损耗进一步降低的同时，还能将阻抗带宽拓展；并且，由于等效电容处于辐射层和接地层中间，若本申请将等效电容设置为金属棒，这样便相当于在一个类矩形空腔中加入了四个金属棒，利用微扰法可知，在电场较强的地方插入微小的金属棒，谐振频点将向低频移动，因此，通过此结构可以进一步微调谐振频点，从而进一步缩小天线体积；最后，从目前实测的结果可以得知，群读线极化标签比圆极化天线10秒提升20%，由于增益有所提升，群读圆极化标签比圆极化天线10秒提升10%；在单标签拉距测试方面，圆极化标签读取距离相近，而线极化标签则可以提升20%。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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它的附图。
图1为本申请实施例提供的一种小型化地低剖面双极化天线的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的辐射层的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的引向层、辐射层以及接地层三者的侧面结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种双极化天线组件的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的射频模块控制双极化天线在两个极化方向上进行启停的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的双极化天线在水平极化工作状态下读取线极化标签时的第一实际方向示意图；
图7为本申请实施例提供的双极化天线在水平极化工作状态下读取线极化标签时的第二实际方向示意图；
图8为本申请实施例提供的双极化天线在水平极化工作状态下读取线极化标签时的第三实际方向示意图；
图9为本申请实施例提供的一种PDA设备的结构示意图。
其中，上述附图中包括引向层10、辐射层20、接地层30、第一介质基板21、金属层22、偶极子振子221、接地通孔222、开路电容223、等效电容40、整机50、天线外壳51、天线前壳511、天线后壳510、射频开关52和射频模块53。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
现阶段行业内使用UHF RFID的设备天线的主要痛点问题在于天线的增益较低，定向性比较差，在远距离寻卡、线极化标签读取速度等方面还有较大的提升空间；在单线极化天线方面存在着完全读取不到的盲区；而双线极化天线又因为体积较大不易于集成进手持终端中。基于此，本申请提出了如下技术方案，具体参见下文：
在一个实施例中，如图1所示，图1为本申请实施例提供的一种小型化低剖面双极化天线的结构示意图；本申请提供了一种小型化低剖面双极化天线，所述双极化天线包括：从上至下依次平行间隔设置的至少一层引向层10、辐射层20以及接地层30。
所述引向层10包括第一金属地板。
所述辐射层20包括第一介质基板21以及覆盖于所述第一介质基板21上表面的金属层22，所述金属层22包括四个在中心位置处呈十字型分布的偶极子单元，每一偶极子单元均包括偶极子振子221、贯穿于所述偶极子振子中部以及所述第一介质基板的接地通孔222，以及加载在所述偶极子振子221末端的开路电容223，所述开路电容223的末端沿所述第一介质基板21的侧面垂直向下延伸。
每两个相对设置的偶极子单元为一组，其中一组偶极子单元的两个偶极子振子221的前端之间通过第一微带线连接，另一组偶极子单元的两个偶极子振子221的前端之间通过馈电通孔连接。
所述接地层30包括第二金属地板以及贴合于所述第二金属地板下表面的第二介质基板，所述第二金属地板与所述辐射层20之间通过贯穿于所述接地通孔222的等效电容40固定连接。
本实施例中，如图1所示，双极化天线主要由三层结构组成，从上至下依次为引向层10、辐射层20和接地层30，三层之间平行间隔设置。其中，上层的引向层10至少设置一层，主要由第一金属地板构成，引向层10既可以与承载双极化天线的壳体进行一体化设置，也可以通过螺钉固定或外壳卡扣结构固定，在此不做限制。另外，本申请还可以通过调整引向层10与辐射层20、以及接地层30与辐射层20之间的间距来进一步提升天线的前后比和增益。
紧接着，如图2、3所示，图2为本申请实施例提供的辐射层的结构示意图，图3为本申请实施例提供的引向层、辐射层以及接地层三者的侧面结构示意图；本申请双极化天线中层的辐射层20主要由第一介质基板以及覆盖于第一介质基板21上表面的金属层22构成。其中，如图2所示，金属层22主要包括四个在第一介质基板21的中心位置处呈十字型分布的偶极子单元，每一偶极子单元中设置有偶极子振子221，每两个相对设置的偶极子单元为一组，其中一组偶极子单元的两个偶极子振子221的前端通过第一微带线连接，另一组偶极子单元的两个偶极子振子221的前端通过馈电通孔连接，这样两组偶极子单元可以分别通过同轴线直接进行馈电，从而有效提高辐射效率并减少损耗；并且，本申请使用两组偶极子单元的结构，可以接收和发射垂直和水平两个极化方向的电磁波，这样有效避免了极化方向完全隔离时读取不到标签的弊端。另外，如图2、3所示，本申请中每一偶极子单元还在偶极子振子221的末端加载有开路电容223，且该开路电容223的末端沿第一介质基板21的侧面垂直向下延伸，该结构的设置可以将原本的电容结构弯折分成两部分，从而将原本在水平面上的整体电容的体积缩小，并利用空余空间进行电容加载，这样既可以用来调整谐振频点，又可以进一步缩小天线体积。
需要说明的是，本申请中开路电容223的形状可以任意设置，如半圆形+半圆形，半圆形+三角形，三角形+方形等的组合设计，该组合设计中位于第一介质基板侧面的开路电容为悬空状态。
进一步地，本申请的接地层30包括第二金属地板以及贴合于第二金属地板下表面的第二介质基板，而本申请偶极子振子221的中部以及第一介质基板21的表面还贯穿有用于固定等效电容40的接地通孔222，这样接地层30的第二金属地板与辐射层20之间便可以通过贯穿于该接地通孔222的等效电容40固定连接。此外，本申请的等效电容40可以是金属结构，也可以是射频走线形式的等效结构，将其设置在辐射层20与接地层30之间，可以将天线的回波损耗进一步降低的同时，还可以将阻抗带宽扩展，同时，由于等效电容40处于辐射层20与接地层30中间，相当于在一个类矩形空腔中加入了四个小金属棒，利用微扰法可知，在电场较强的地方插入微小的金属棒，谐振频点将向低频移动，通过此结构可以微调谐振频点，从而进一步缩小体积。
可以理解的是，根据天线Q值和带宽的关系，增大带宽的途径就是降低Q值。因此，将辐射层20与接地层30之间通过金属结构或射频走线形式的等效结构的等效电容40进行连接，这样可以增大分布电容并减小分布电感，从而增大天线带宽。并且，将等效电容40置于辐射层20与接地层30之间时，其可将辐射层20中的偶极子单元的长度减半，从而达到缩小天线尺寸的目的。另外，等效电容40的宽度对谐振频率也有着显著的影响，谐振频率会随着等效电容40宽度的增大而增大。也就是说，对于相同的谐振频率来说，等效电容40越窄，偶极子单元的面积也就越小，从而通过减小等效电容40的宽度可以进一步缩小天线的尺寸。当然，等效电容40的长度也对谐振频点有影响，改变等效电容40的长宽比也可以改变谐振频率，具体可以通过仿真以及调试结果来进行设置，在此不做赘述。
上述本申请的谐振频点与等效电容电感的关系可以用如下公式证明：
；
其中，L、C分别是上述等效电容40或开路电容223的等效电容电感，由上式可见，当本申请增大电路中的等效电容40或开路电容223后，可以在一定程度上降低谐振频点。
上述实施例中，该双极化天线包括从上至下依次平行间隔设置的至少一层引向层10、辐射层20以及接地层30，其中，引向层10包括第一金属地板，该引向层10可以看作是一个新的辐射贴片，将接地层30和辐射层20的电磁波聚拢后进一步向前向发射，从而有效提升前后比和增益；辐射层20包括第一介质基板21以及覆盖于第一介质基板21上表面的金属层22，该金属层22包括四个在中心位置处呈十字型分布的偶极子单元，每一偶极子单元均包括偶极子振子221，每两个相对设置的偶极子单元为一组，其中一组偶极子单元的两个偶极子振子221的前端之间通过第一微带线连接，另一组偶极子单元的两个偶极子振子221的前端之间通过馈电通孔连接，这样可以通过第一微带线以及馈电通孔将偶极子振子221连接到电路中，从而通过电路来为双极化天线进行馈电，以实现双极化天线在两个极化方向进行变化，有效避免了极化方向完全隔离时读取不到标签的弊端；并且，本申请中每一偶极子单元还包括加载在偶极子振子221末端的开路电容223，该开路电容223的末端沿第一介质基板21的侧面垂直向下延伸，开路电容223的设计，可以将原本的电容结构弯折分成两部分，进而将原本在水平面上的整体电容的体积缩小，并利用空余空间进行电容加载，这样既可以调整谐振频点，又可以缩小天线体积；而本申请的接地层30包括第二金属地板以及贴合于第二金属地板下表面的第二介质基板，每一偶极子单元还包括贯穿于偶极子振子221中部以及第一介质基板21的接地通孔222，这样，第二金属地板与辐射层20之间可以通过贯穿于接地通孔222的等效电容40固定连接，该等效电容40可以看作是一个电阻电容串联短路结构，这样可以将天线的回波损耗进一步降低的同时，还能将阻抗带宽拓展；并且，由于等效电容40处于辐射层20和接地层30中间，若本申请将等效电容设置为金属棒，这样便相当于在一个类矩形空腔中加入了四个金属棒，利用微扰法可知，在电场较强的地方插入微小的金属棒，谐振频点将向低频移动，因此，通过此结构可以进一步微调谐振频点，从而进一步缩小天线体积；最后，从目前实测的结果可以得知，群读线极化标签比圆极化天线10秒提升20%，由于增益有所提升，群读圆极化标签比圆极化天线10秒提升10%；在单标签拉距测试方面，圆极化标签读取距离相近，而线极化标签则可以提升20%。
在一个实施例中，所述引向层的尺寸与所述辐射层的尺寸一致，所述接地层的尺寸小于所述辐射层的尺寸。
本实施例中，引向层10的尺寸与辐射层20的尺寸一致，接地层30的尺寸小于辐射层20的尺寸。其中，辐射层20的大小是根据整机的需求来确定的，在限制了一定大小的情况下，可以通过调整偶极子单元来间接控制辐射层20的大小，进而控制整个天线的大小。
在一个实施例中，所述接地层与所述辐射层之间的高度小于所述辐射层与所述引向层之间的高度。
本实施例中，可以将引向层10与辐射层20之间高度设置为大于接地层30与辐射层20之间的高度，这样在加上引向层10之后，可以完全反转天线最大辐射方向，前后比提升4db左右，在距离小于半波长的情况下，引向层10距离辐射层越远，增益越高，当然，在实际设计使用时还需考虑到天线体积的限制来进行设计，在此不做赘述。
在一个实施例中，所述引向层10与所述辐射层20之间的高度小于半波长。
本实施例中，引向层10与辐射层20之间的高度小于半波长，在距离小于半波长的情况下，引向层10距离辐射层20中的辐射体越远，增益越高，当然，在实际设计使用时需考虑到天线体积的限制来设计，在此不做赘述。
在一个实施例中，所述引向层10与所述辐射层20之间的高度为四分之一波长。
本实施例中，引向层10与辐射层20之间的高度一般设置为小于半波长，具体可以是四分之一波长，这样可以进一步提升天线的前后比和增益，并且，加上引向层10后可以完全反转天线的最大辐射方向，以使天线的前后比提升4db左右。
在一个实施例中，所述引向层10还可以包括贴合于所述第一金属地板表面的第三介质基板。
本实施例中，引向层10既可以由单层的第一金属地板所构成，也可以由第一金属地板以及贴合在第一金属地板表面的第三介质基板所构成。当引向层10由第一金属地板和第三介质基板构成时，可以将第一金属地板设置为与辐射层20相对设置，也可以将第三介质基板设置为与辐射层20相对设置，具体可视实际情况进行设置，在此不做限制。
在一个实施例中，所述引向层10为多层结构时，每一引向层10之间平行间隔设置。
其他引向层10的尺寸小于距离所述辐射层20最近的引向层10的尺寸，且每一引向层10之间的间距小于距离所述辐射层20最近的引向层10与所述辐射层20之间的高度。
本实施例中，引向层10亦可看作是一个新的辐射贴片，将接地层30和辐射层20的电磁波聚拢后进一步向前向发射，进而提升天线的前后比和增益。而本申请的引向层10可以设置为多层结构，该多层结构的每一层之间平行间隔设置，且与辐射层20距离最近的首个引向层10的尺寸要大于其他引向层10的尺寸，其他引向层10之间的间距也小于首个引向层10与辐射层20之间的间距，其各个引向层10可以使用螺钉固定或外壳卡扣结构固定。
在一个实施例中，所述等效电容40为金属柱和/或第二微带线。
本实施例中，等效电容40在理论上可以等效为一个接地电容，所以等效电容的结构可以是金属结构，如金属柱，也可以是微带线形式，也就是射频走线形式的结构，如第二微带线。
在一个实施例中，所述开路电容223包括第一金属贴片和第二金属贴片。
其中，所述第一金属贴片的前端与所述偶极子振子221的末端连接，所述第一金属贴片的末端延伸至所述第一介质基板21的上表面边缘。
所述第二金属贴片下挂在所述第一金属贴片的末端，并沿所述第一介质基板21的侧面垂直向下延伸。
本实施例中，开路电容223可以由两个异形金属结构所构成，具体可以为第一金属贴片和第二金属贴片，该第一金属贴片加载在第一介质基板21的上表面，且其前端与偶极子振子221的末端连接，其末端延伸至第一介质基板21的上表面边缘处并与第二金属贴片的前端连接，第二金属贴片沿第一介质基板21的侧面垂直向下延伸，这样不仅可以将原本的电容结构在空间上进行折叠，还可以进一步缩小天线体积。
其中，本申请的第一金属贴片和第二金属贴片的形状可以相同，也可以不同，可以是半圆结构、椭圆结构等，也可以是三角形结构、方形结构、矩形结构或其他多边形结构等，在此不做限制。
在一个实施例中，所述第一金属贴片为三角形结构，所述第二金属贴片为方形结构。
其中，所述第一金属贴片的顶点为前端，所述第一金属贴片的底边为末端。
本实施例中，如图1、2所展示的示意图，本申请的第一金属贴片可以为三角形结构，第二金属贴片可以为方形结构，当第一金属贴片为三角形结构时，该三角形结构的顶点为前端，并与偶极子振子221连接，该三角形结构的底边为末端，并与第二金属贴片的方形结构连接。
在一个实施例中，每一偶极子单元的等效电长度为四分之一波长。
本实施例中，每一偶极子单元的等效电长度为四分之一波长，也即是说，每一偶极子单元中的偶极子振子221、接地通孔222、开路电容223以及辐射层20与接地层30之间的等效电容40的功能加在一起，可以等效为一个尺寸为四分之一波长的偶极子天线，并实现接收和发射两个极化方向的电磁波。
在一个实施例中，所述双极化天线的剖面高度小于0.1λ。
本实施例中，双极化天线的设计属于低剖面天线，其剖面高度小于0.1λ。使用此结构的双极化天线可以轻松集成进PDA设备中，从而解决行业中无法使用双极化天线的痛点问题。并且，最终的实物实测结果表明，本申请的双极化天线整体的增益比同体积圆极化天线高3db左右，前后比比同结构的线极化天线高2db左右。
在一个实施例中，如图4所示，图4为本申请实施例提供的一种双极化天线组件的结构示意图；本申请还提供了一种双极化天线组件，所述双极化天线组件包括天线外壳51，以及安装在所述天线外壳51内腔的上述实施例中任一项所述的小型化低剖面双极化天线。
本实施例中，如图4所示，图4中，本申请可以将上述实施例中所描述的小型化低剖面双极化天线安装在天线外壳51的内腔，这样不仅可以对天线结构进行保护，还可以方便将其安装在手持设置中，以便日常使用。
在一个实施例中，所述双极化天线组件还可以包括射频开关52和射频模块53，所述天线外壳51包括天线前壳511和天线后壳510。
所述引向层10与所述天线前壳511一体化设置，所述射频开关52和所述射频模块53设置于所述接地层30和所述天线后壳510的内壁之间。
所述天线前壳与所述天线后壳之间可拆卸连接。
本实施例中，如图4所示，图4中，本申请的天线外壳51可以包括天线前壳511以及与天线前壳511可拆卸连接的天线后壳510，双极化天线组件还可以包括射频开关52和射频模块53，其中，射频开关52和射频模块53均设置在小型化低剖面双极化天线的接地层30和天线后壳510的内壁之间，并与天线后壳510的内壁进行固定连接，而小型化低剖面双极化天线的引向层10则与天线前壳511一体化设置，即，当引向层10为第一金属地板时，该第一金属地板可以雕刻在天线前壳511的内壁上，进而实现一体化设置，这样既可以减轻天线整体的重量，又可以减小整体的体积。
在一个实施例中，所述两组偶极子单元分别通过贯穿于所述接地层30的同轴线与所述射频开关52的两个输入端相连；所述射频开关52的输出端与所述射频模块53相连。
本实施例中，由于本申请的双极化天线是由两组偶极子单元构成的，每组偶极子单元的偶极子振子的前端通过第一微带线或馈电通孔连接，因此，本申请在实现双极化天线的发射与接收功能的时候，可以将两组偶极子单元中的正负极分别与两根同轴线的内芯与外皮连接，且两根同轴线可以贯穿于接地层30并与射频开关52的两个输入端连接，射频开关52的输出端可以与射频模块53连接，这样不仅可以通过射频模块53来控制双极化天线的发射与接收，并且还可以通过在射频模块53的内部设置控制算法来控制双极化天线在两个极化方向的启停。
在一个实施例中，所述天线前壳511的内侧壁和/或所述天线后壳510的内表面覆盖有吸波材料。
本实施例中，为了进一步提升双极化天线的前后比和增益，可以在天线前壳511的内侧壁和/或天线后壳510的内表面覆盖吸波材料，该吸波材料可以是铁氧体吸波材料，也可以是电介质陶瓷吸波材料，还可以是多晶铁纤维吸波材料、导电高分子吸波材料或纳米吸波材料等，在此不做限制。
可以理解的是，由于磁导率较大，位于天线前壳511内侧壁的吸波材料可以等效为一个开路电感，可以将频点向低频移动，若想将频点调回至使用频段，就必须将原天线的体积缩小，因此，通过添加吸波材料可以将双极化天线的体积进一步缩小；位于天线后壳510内表面的吸波材料由于磁导率较大，还可以起到屏蔽作用，这样天线背向的金属将不会对天线性能产生影响；另外，位于侧面和底面的吸波材料由于其磁导率虚部较大，所以可以吸收绕射波和后向波，同时可以在一定程度上聚拢波束，从而有效提升增益和前后比；并且，由于吸波材料的加入，可以使得天线整体的剖面在性能不变的情况下得到明显的降低。
在一个实施例中，所述天线前壳的内侧壁覆盖的吸波材料沿辐射方向的长度超过或不超过所述引向层。
本实施例中，天线前壳511的内侧壁覆盖的吸波材料沿辐射方向的长度可以超过引向层10，也可以不超过引向层10，具体可视引向层10与天线前壳511的内壁之间的间距进行设置，在此不做限制。
在一个实施例中，所述吸波材料是以氧化铁和其他铁族或稀土族氧化物为主要成分的复合氧化物。
本实施例中，覆盖在天线前壳511的内侧壁和/或天线后壳510的内表面的吸波材料可以是铁氧体，该铁氧体是以氧化铁和其他铁族或稀土族氧化物为主要成分的复合氧化物。这类材料是指具有铁离子、氧离子及其他金属离子所组成的复合氧化物磁性材料，存在少数不含铁的磁性氧化物。
可以理解的是，铁氧体多属半导体，电阻率远大于一般金属磁性材料，具有涡流损失小的优点，在高频和微波技术领域，如雷达技术、通信技术、空间技术、电子计算机等方面都到了广泛的应用。
在一个实施例中，如图5所示，图5为本申请实施例提供的射频模块控制双极化天线在两个极化方向上进行启停的结构示意图；所述射频模块53用于根据场内标签数量以及标签读取速率控制所述小型化低剖面双极化天线在两个极化方向的启停。
本实施例中，如图5所示，双极化天线的两个极化方向分别连接至射频开关52的两个接口，射频开关52输出连接至射频模块53，射频模块53与整机相连。在软件层面，本申请的射频模块53内编写了双极化控制算法，使用该算法可以根据场内标签的数量，各个标签读取速率自动切换天线两个极化方向的启停。该设计既吸取了线极化天线读取线极化标签的优势，又使用双极化方式避免了极化方向完全隔离时读取不到标签的弊端，整体使用效果优于圆极化方案。
具体地，射频模块53在控制双极化天线在两个极化方向的启停时，可以先判断双极化天线在一个极化方向的一定时间内读取的标签张数是否小于一定张数，如果小于，那么会自动切换至另一极化方向进行读取，当然，本申请还可以加入陀螺仪判断以及读取标签速率综合判定使用哪一个极化方向更容易读取到标签，这样既可以提升标签读取速率，又可以避免极化方向完全隔离时读取不到标签的弊端。
进一步地，本申请可以通过对双极化天线的两种工作状态的实际方向进行演示，来说明使用本申请的双极化天线所达到的技术效果。示意性地，如图6、图7、图8所示，图6为本申请实施例提供的双极化天线在水平极化工作状态下读取线极化标签时的第一实际方向示意图，图7为本申请实施例提供的双极化天线在水平极化工作状态下读取线极化标签时的第二实际方向示意图，图8为本申请实施例提供的双极化天线在水平极化工作状态下读取线极化标签时的第三实际方向示意图；由图6、图7和图8可见，本申请以水平极化工作状态和线极化标签举例，标签与水平极化天线角度越匹配，读取性能就越好，整机性能最差的工作状态是标签与水平极化天线夹角处在45°时，此时天线性能为原来的。但是，由于极化匹配的原因，本申请的双极化天线在最差工作状态下，也比圆极化天线的读取性能好约20%。垂直极化工作状态同理。由此可见，本申请双极化天线的结构设计既吸取了线极化天线读取线极化标签的优势，又使用双极化方式避免了极化方向完全隔离时读取不到标签的弊端，整体使用效果由于增益提升以及读取线极化标签极化衰减的原因，极大程度上优于圆极化方案。
在一个实施例中，如图9所示，图9为本申请实施例提供的一种PDA设备的结构示意图；本申请还提供了一种PDA设备，所述PDA设备包括整机50以及与所述整机连接的上述实施例中任一项所述的双极化天线组件。
在一个实施例中，所述双极化天线组件中的射频模块53通过FPC与所述整机50连接。
本实施例中，双极化天线组件中的射频模块53可以通过FPC连接器与整机50连接。FPC又称为柔性印刷电路板，通俗点说就是用软性材料（可以折叠、弯曲的材料）做成的PCB。PFC连接器主要应用于各种数码通讯产品、便携式电子产品、电脑周边设备、测量仪器、汽车电子等领域，如PDA设备、手机、数码相机、笔记本电脑、MID、MP3\4\5、掌上游戏机、音响系统等。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间可以根据需要进行组合，且相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (20)
1.一种小型化低剖面双极化天线，其特征在于，所述双极化天线包括：从上至下依次平行间隔设置的至少一层引向层、辐射层以及接地层；
所述引向层包括第一金属地板；
所述辐射层包括第一介质基板以及覆盖于所述第一介质基板上表面的金属层，所述金属层包括四个在中心位置处呈十字型分布的偶极子单元，每一偶极子单元均包括偶极子振子、贯穿于所述偶极子振子中部以及所述第一介质基板的接地通孔，以及加载在所述偶极子振子末端的开路电容，所述开路电容的末端沿所述第一介质基板的侧面垂直向下延伸；
所述开路电容由两个首尾相连的异形贴片结构所构成，其中一个异形贴片结构加载在所述第一介质基板的上表面，另一个异形贴片结构沿所述第一介质基板的侧面垂直向下延伸；
每两个相对设置的偶极子单元为一组，其中一组偶极子单元的两个偶极子振子的前端之间通过第一微带线连接，另一组偶极子单元的两个偶极子振子的前端之间通过馈电通孔连接；
所述接地层包括第二金属地板、贴合于所述第二金属地板下表面的第二介质基板，以及处于所述辐射层和所述接地层中间的等效电容，所述第二金属地板与所述辐射层之间通过贯穿于所述接地通孔的等效电容固定连接，所述等效电容为金属柱和/或第二微带线。
2.根据权利要求1所述的小型化低剖面双极化天线，其特征在于，所述引向层的尺寸与所述辐射层的尺寸一致，所述接地层的尺寸小于所述辐射层的尺寸。
3.根据权利要求1所述的小型化低剖面双极化天线，其特征在于，所述接地层与所述辐射层之间的高度小于所述辐射层与所述引向层之间的高度。
4.根据权利要求1所述的小型化低剖面双极化天线，其特征在于，所述引向层与所述辐射层之间的高度小于半波长。
5.根据权利要求1所述的小型化低剖面双极化天线，其特征在于，所述引向层与所述辐射层之间的高度为四分之一波长。
6.根据权利要求1所述的小型化低剖面双极化天线，其特征在于，所述引向层还包括贴合于所述第一金属地板表面的第三介质基板。
7.根据权利要求1或6所述的小型化低剖面双极化天线，其特征在于，所述引向层为多层结构时，每一引向层之间平行间隔设置；
其他引向层的尺寸小于距离所述辐射层最近的引向层的尺寸，且每一引向层之间的间距小于距离所述辐射层最近的引向层与所述辐射层之间的高度。
8.根据权利要求1所述的小型化低剖面双极化天线，其特征在于，所述开路电容包括第一金属贴片和第二金属贴片；
其中，所述第一金属贴片的前端与所述偶极子振子的末端连接，所述第一金属贴片的末端延伸至所述第一介质基板的上表面边缘；
所述第二金属贴片下挂在所述第一金属贴片的末端，并沿所述第一介质基板的侧面垂直向下延伸。
9.根据权利要求8所述的小型化低剖面双极化天线，其特征在于，所述第一金属贴片为三角形结构，所述第二金属贴片为方形结构；
其中，所述第一金属贴片的顶点为前端，所述第一金属贴片的底边为末端。
10.根据权利要求1-6、8-9中任一项所述的小型化低剖面双极化天线，其特征在于，每一偶极子单元的等效电长度为四分之一波长。
11.根据权利要求1-6、8-9中任一项所述的小型化低剖面双极化天线，其特征在于，所述双极化天线的剖面高度小于0.1λ。
12.一种双极化天线组件，其特征在于，所述双极化天线组件包括天线外壳，以及安装在所述天线外壳内腔的上述权利要求1-11中任一项所述的小型化低剖面双极化天线。
13.根据权利要求12所述的双极化天线组件，其特征在于，所述双极化天线组件还包括射频开关和射频模块，所述天线外壳包括天线前壳和天线后壳；
所述引向层与所述天线前壳一体化设置，所述射频开关和所述射频模块设置于所述接地层和所述天线后壳的内壁之间；
所述天线前壳与所述天线后壳之间可拆卸连接。
14.根据权利要求13所述的双极化天线组件，其特征在于，所述两组偶极子单元分别通过贯穿于所述接地层的同轴线与所述射频开关的两个输入端相连；
所述射频开关的输出端与所述射频模块相连。
15.根据权利要求13所述的双极化天线组件，其特征在于，所述天线前壳的内侧壁和/或所述天线后壳的内表面覆盖有吸波材料。
16.根据权利要求13所述的双极化天线组件，其特征在于，所述天线前壳的内侧壁覆盖的吸波材料沿辐射方向的长度超过或不超过所述引向层。
17.根据权利要求15或16所述的双极化天线组件，其特征在于，所述吸波材料是以氧化铁和其他铁族或稀土族氧化物为主要成分的复合氧化物。
18.根据权利要求13所述的双极化天线组件，其特征在于，所述射频模块用于根据场内标签数量以及标签读取速率控制所述小型化低剖面双极化天线在两个极化方向的启停。
19.一种PDA设备，其特征在于，所述PDA设备包括整机以及与所述整机连接的上述权利要求12-18中任一项所述的双极化天线组件。
20.根据权利要求19所述的PDA设备，其特征在于，所述双极化天线组件中的射频模块通过FPC与所述整机连接。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310710657.6A CN116435772B (zh) | 2023-06-15 | 2023-06-15 | 一种小型化低剖面双极化天线、天线组件及pda设备 |
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| CN202310710657.6A CN116435772B (zh) | 2023-06-15 | 2023-06-15 | 一种小型化低剖面双极化天线、天线组件及pda设备 |
Publications (2)
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