CN118174031A - 一种超低剖面双频全向WiFi天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超低剖面双频全向WiFi天线，属于通信技术领域，它包括3D打印一体成型的圆形介质，在圆形介质下表面设置有天线地，在天线地的中心开设有天线地馈电点；所述圆形介质从外向内依次包括基座、至少一圈介质基台环和介质基台，在介质基台的中心设置有馈电点，在所述介质基台环和介质基台之间开设有空气槽，在介质基台环上设置第一覆铜，在介质基台上设置有第二覆铜；通过调节空气槽的宽度，进而调节第一覆铜和第二覆铜的耦合强度，从而调整TM模式的谐振频率，实现每个频段的宽带辐射。本发明通过加载外围的第一覆铜拉低了天线的高次模，与天线的低频模式组合实现了第二个频段的宽度辐射。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种超低剖面双频全向WiFi天线。
背景技术
双频段低剖面全向WiFi天线是一种无线电信号传输社保，用于在2.4GHZ和5GHZ的两个频率带上发送和接收信号，这两个频段时WiFi技术最常用的频段；低剖面全向天线主要用于提供均匀的信号覆盖，尤其是在希望天线不显眼或空间有限的场合。
2.4GHZ频段的WiFi信号传播距离远，穿透能力强，但由于很多设备（如微波炉、蓝牙设备等）也使用这个频段，所以它容易受到干扰；5GHZ频段相较于2.4GHZ频段提供了更快的数据传输速率和更少的干扰，但其信号穿透力和覆盖范围较弱。低剖面全向WiFi天线的设计目标是在满足无线局域网的频率和速率要求的同时，尽可能减小天线的垂直尺寸，以便于安装和隐蔽，同时保持空间全向的辐射特性，以适应多路径和随机方向的信号传播。低剖面全向WiFi天线的设计主要有这几种方式：（1）利用天线的加载技术，如电容、电感、短路和开路等，来改变天线的谐振频率和电气长度，从而实现天线的小型化，例如，单极子天线、螺旋天线和套筒天线等。（2）利用天线的形状变化，如弯折、折叠、缠绕等，来减小天线的垂直尺寸，同时保持天线的全向辐射特性，例如，倒L形天线，倒F形天线和倒T形天线等。（3）利用天线的平面化技术，如微带天线、印刷天线、贴片天线等，来实现天线的低剖面和易集成，这类天线通常需要理由特殊的结构或者材料实现全向辐射特性，如环形天线、环缝天线、磁流环天线和人工磁导体天线等。
但是现有的几种方式存在以下问题：（1）带宽限制：微带天线的带宽通常较窄，当单极子天线和微带天线被设计成低剖面时，通常会牺牲一些带宽以满足尺寸限制，（2）效率问题：加载电容或电感以减小天线尺寸可能会引起额外的损耗，从而降低天线的辐射效率，尤其是在加载材料的质量不高时，损耗会变得更加显著。（3）制造复杂性：对于套筒单极子天线、人工磁导体微带天线等结构，制造过程可能相对复杂，增加了制造成本和对制造精度的要求。（4）结构强度：低剖面天线的机械强度不如传统的天线，尤其是外部条件（如风载、物理冲击等）恶劣的环境下。（5）全向性能的牺牲：在某些结构如弯折单极子天线的设计中，为了减小垂直尺寸，会牺牲一些全向性能，导致辐射模式在某些方向上变得不均匀。（6）温度敏感性：加载元件和人工结构可能对温度变化比较敏感，这可能影响天线的性能稳定性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种超低剖面双频全向WiFi天线，解决了现有技术存在的不足。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种超低剖面双频全向WiFi天线，它包括3D打印一体成型的圆形介质，在圆形介质下表面设置有天线地，在天线地的中心开设有天线地馈电点；
所述圆形介质从外向内依次包括基座、至少一圈介质基台环和介质基台，在介质基台的中心设置有馈电点，在所述介质基台环和介质基台之间开设有空气槽，在介质基台环上设置第一覆铜，在介质基台上设置有第二覆铜；通过调节空气槽的宽度，进而调节第一覆铜和第二覆铜的耦合强度，从而调整TM模式的谐振频率，实现每个频段的宽带辐射。
所述介质基台的形状为圆形，且逐渐向圆心的方向凹陷，在圆心处通过渐变匹配结构的形式与馈电点匹配，进而实现天线两个频段的匹配。
当通过同轴接头进行馈电时，同轴接头的外导体连接天线地馈电点，内导体连接馈电点，第二覆铜作为一个圆形贴片天线，此时激励圆形贴片天线的TM模式，通过计算TM模式的谐振频率，Anm表示贝塞尔函数n阶导数的第m个零点，c表示光速，aeff表示圆形贴片的有效半径。
根据谐振频率使第一TM模式谐振在第一频段范围，实现第一个频段的宽带辐射，通过在第二覆铜外增加的第一覆铜拉低第三TM模式的谐振频率，使第三TM模式与第二TM模式均谐振在第二频段范围，实现第二个频段的宽带辐射。
所述介质基台环的高度与介质基台外沿的高度一致，所述基座的高度与所述空气槽的深度一直，且低于介质基台环的高度。
所述基座、介质基台环和介质基台均通过3D打印一体成型，介电常数为2.7，损耗角正切为0.02。
所述介质基台环不止一圈时，实现多频段的全向辐射，每圈介质基台环之间也开设有空气槽，每圈介质基台环均设置第一覆铜。
本发明具有以下优点：一种超低剖面双频全向WiFi天线，通过加载外围的第一覆铜拉低了天线的高次模，与天线的低频模式组合实现了第二个频段的宽度辐射；采用3D打印技术一体成型，无需额外组装，避免了组装误差，采用PVC塑料，具有很轻的重量和稳固的结构；采用3D打印的渐变匹配立体结构，实现了良好的阻抗匹配；通过加载外围第一覆铜的技术进行不同频段的调节和匹配，可以实现更多频段的全向辐射。
附图说明
图1为本发明的俯视图；
图2为图本发明的正视截面图；
图3为本发明的反射系数示意图；
图4为本发明不同频率电场分布式示意图；
图5为没有加载外围第一覆铜时不同频率电场分布示意图；
图6为本发明的Z参数示意图；
图7为没有加载外围第一覆铜时的Z参数示意图；
图中：1-基座，2-空气槽，3-介质基台环，4-介质基台，5-馈电点，6-第一覆铜，7-第二覆铜，8-天线地，9-天线地馈电点，10-圆形介质，11-渐变匹配结构。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1和图2所示，本发明具体涉及一种超低剖面双频全向WiFi天线，其包括将圆形介质10通过3D打印一体成型形成且由内向外的基座1、介质基台环3和介质基台4，在介质基台环3和介质基台4之间开设有空气槽2，在圆形介质10下表面设置有天线地8，在天线地8的中心开设有天线地馈电点9，整体打印材料为PVC塑料，介电常数为2.7，损耗角正切为0.02，在3D打印成型后，使用激光直接结构化技术在介质基台环3表面覆第一覆铜，在介质基台4表面覆第二覆铜，天线馈电采用同轴接头激励，同轴接头的外导体接在天线地馈电点9的位置，内导体接在馈电点5的位置。
当使用同轴接头在中心馈电时，第二覆铜7可以看作一个圆形贴片天线，此时激励圆形贴片天线的TM0n模式，谐振频率可以根据以下公式进行估算：
其中，Anm表示贝塞尔函数n阶导数的第m个零点，c表示自由空间中的光速，aeff表示圆形贴片的有效半径，其可以根据以下公式进行估算：
其中，h是介质的厚度，a是贴片的半径。
本发明首先根据公式估算谐振频率，使TM02模式谐振在2.4GHz附近，此时圆形贴片天线的高次模TM03和TM04模式谐振在5.5GHz和7.3GHz附近。由于这些模式都是全对称模式，所以方向图均为全向辐射。而Wi-Fi天线在5-6GHz需要的带宽较宽，本发明在3D打印的介质基台4上的第二覆铜7外围增加了一圈第一覆铜6，这一圈第一覆铜6加载拉低了TM04模式的谐振频率，使TM04模式也谐振在5-6GHz范围内，使得TM03模式和TM04模式组合在一起实现了宽带辐射。通过控制空气槽2的宽度，可以控制两个覆铜部分的耦合强度，从而调整TM04模式的谐振频率。调整第一覆铜6的宽度，也可以调整TM04模式的谐振频率。为了实现更好的匹配，充分利用3D打印技术的特性，在馈电处采用渐变匹配结构11，实现了两个频段的良好匹配。
如图3所示，天线在2.394GHZ-2.645GHz和4.656GHZ-5.864GHz范围|S11|小于-10dB，证明了天线的双频阻抗特性。
图4展示了本发明在不同频率处的电场分布图，可以看出四个频点出不同的TM0n模式。图5展示了没有加载外围第一覆铜6时不同频率电场分布图，去掉外围第一覆铜6时可以看出7.8GHz电场分布和加载后5.6GHz电场分布类似。图6和7展示了加载和不加载第一覆铜6的Z参数，可以看出，加载后在5.6GHz附近产生谐振。
由于TM0n模式的谐振频率受介质厚度的影响不大，所以可以实现很低的剖面，非常适合低剖面应用，但越低的剖面带宽越窄，因此为了在低剖面情况下实现良好的匹配，添加了一个渐变匹配结构，相比于平面PCB结构，3D打印技术可以灵活地实现渐变结构。最终本发明实现了在6.55mm（0.0524λ@2.4GHz）总厚度的情况下覆盖2.4-2.5GHz和4.7-5.85GHz的频率范围。天线所有的结构都通过3D打印一体成型后经过LDS工艺实现特定位置覆铜，适合大批量加工并保证产品一致性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和完善，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种超低剖面双频全向WiFi天线，其特征在于：它包括3D打印一体成型的圆形介质（10），在圆形介质（10）下表面设置有天线地（8），在天线地（8）的中心开设有天线地馈电点（9）；
所述圆形介质（10）从外向内依次包括基座（1）、至少一圈介质基台环（3）和介质基台（4），在介质基台（4）的中心设置有馈电点（5），在所述介质基台环（3）和介质基台（4）之间开设有空气槽（2），在介质基台环（3）上设置第一覆铜（6），在介质基台（4）上设置有第二覆铜（7）；通过调节空气槽（2）的宽度，进而调节第一覆铜（6）和第二覆铜（7）的耦合强度，从而调整TM模式的谐振频率，实现每个频段的宽带辐射。
2.根据权利要求1所述的一种超低剖面双频全向WiFi天线，其特征在于：所述介质基台（4）的形状为圆形，且逐渐向圆心的方向凹陷，在圆心处通过渐变匹配结构（11）的形式与馈电点（5）匹配，进而实现天线两个频段的匹配。
3.根据权利要求1所述的一种超低剖面双频全向WiFi天线，其特征在于：当通过同轴接头进行馈电时，同轴接头的外导体连接天线地馈电点（9），内导体连接馈电点（5），第二覆铜作为一个圆形贴片天线，此时激励圆形贴片天线的TM模式，通过计算TM模式的谐振频率，Anm表示贝塞尔函数n阶导数的第m个零点，c表示光速，aeff表示圆形贴片的有效半径。
4.根据权利要求3所述的一种超低剖面双频全向WiFi天线，其特征在于：根据谐振频率使第一TM模式谐振在第一频段范围，实现第一个频段的宽带辐射，通过在第二覆铜（7）外增加的第一覆铜（6）拉低第三TM模式的谐振频率，使第三TM模式与第二TM模式均谐振在第二频段范围，实现第二个频段的宽带辐射。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种超低剖面双频全向WiFi天线，其特征在于：所述介质基台环（3）的高度与介质基台（4）外沿的高度一致，所述基座（1）的高度与所述空气槽（2）的深度一直，且低于介质基台环（3）的高度。
6.根据权利要求5所述的一种超低剖面双频全向WiFi天线，其特征在于：所述基座（1）、介质基台环（3）和介质基台（4）均通过3D打印一体成型，介电常数为2.7，损耗角正切为0.02。
7.根据权利要求5所述的一种超低剖面双频全向WiFi天线，其特征在于：所述介质基台环（3）不止一圈时，实现多频段的全向辐射，每圈介质基台环（3）之间也开设有空气槽（2），每圈介质基台环（3）均设置第一覆铜（6）。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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