CN212626055U - 2.4GHz的PCB天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种2.4GHz的PCB天线，包括：PCB板以及设置在PCB板一面上的辐射单元和馈电点，所述辐射单元包括：第一金属段和第二金属段，且所述第二金属段包括至少一个回折金属段，所述第一金属段的两端分别与所述馈电点和所述第二金属段的一端连接。本实用新型提供的2.4GHz的PCB天线采用单面多回折的蛇形线折叠方式，大大减小了天线的尺寸，并且成本低、性能佳，具有很强的实用性。

Description

2.4GHz的PCB天线

技术领域

本实用新型涉及天线技术领域，尤其涉及一种2.4GHz的PCB天线。

背景技术

天线是一种用来发送或者接收电磁波的器件，是一种能量变换器。天线的作用是将载有数据的高频电流和载有数据的空间电磁波进行转换，是无线通讯设备的重要组成部分。PCB天线可以和PCB上的电路直接耦合，不需要额外焊接，相对于其他类型天线，具有一体化强、成本低、可靠性高等显著优势，成为目前应用最广泛的天线类型之一。

现有技术中的2.4GHz的PCB天线，通常采用双面板结构，辐射单元位于正面，且呈倒F型结构或其他类似结构，馈电点与辐射单元连接并通过辐射单元与第一接地板和第二接地板连接。

但是，现有技术中的2.4GHz的PCB天线面积较大，无法应用于内部空间较小的电子产品中。

实用新型内容

本实用新型提供一种2.4GHz的PCB天线，用以至少解决天线体积较大，无法应用于内部空间较小的电子产品中的技术问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种2.4GHz的PCB天线，包括：PCB板以及设置在PCB板一面上的辐射单元和馈电点。

所述辐射单元包括：第一金属段和第二金属段，且所述第二金属段包括至少一个回折金属段，所述第一金属段的两端分别与所述馈电点和所述第二金属段的一端连接。

根据上述描述，至少一个回折金属段采用多回折的蛇形线折叠方式，可大大减小作为载体的PCB板的尺寸，满足应用于内部空间较小的电子产品中的要求。并且，辐射单元无接地点，可应用于有直流输出的电路，拓宽了天线的应用范围。

在一种可能实施的方式中，所述回折金属段的数量为多个，且多个所述回折金属段依次首尾相连形成所述第二金属段。

通过增加回折金属段的个数，压缩辐射单元在PCB板上的平铺面积，使板尺寸可以更小，进一步减小PCB天线的面积。

如上所述的2.4GHz的PCB天线，可选地，每个所述回折金属段包括：横向金属段和纵向金属段，所述横向金属段和纵向金属段垂直首尾相连，且相邻两个所述回折金属段中的其中一个所述回折金属段的所述横向金属段与另一个所述回折金属段的所述纵向金属段垂直相连。

如上所述的2.4GHz的PCB天线，可选地，所述第一金属段的一端与所述第二金属段中的首个所述回折金属段的所述横向金属段垂直相连，且所述第一金属段与所述回折金属段中的所述纵向金属段平行。

在一种可能实施的方式中，所述馈电点为方形，所述第一金属段的一端与所述馈电点重合。

在一种可能实施的方式中，所述第一金属段和所述第二金属段的宽度为0.2mm-0.4mm。

这样，既可以减小PCB天线的面积，也可以保证天线的性能，使其增益和带宽等参数满足应用要求。

如上所述的2.4GHz的PCB天线，可选地，还包括：至少一个接地板，所述接地板与所述辐射单元位于所述PCB板的同一面上，且所述接地板位于所述辐射单元下方。

如上所述的2.4GHz的PCB天线，可选地，所述接地板的数量为两个，两个所述接地板分别设置在所述PCB板的两面，且两个接地板通过多个过孔电连接。

如上所述的2.4GHz的PCB天线，可选地，所述接地板为铜层。

如上所述的2.4GHz的PCB天线，可选地，所述第一金属段的长度大于所述纵向金属段的长度。

本实用新型提供的2.4GHz的PCB天线，通过设置第一金属段和第二金属段，第一金属段的两端分别与馈电点和第二金属段的一端连接，其中，第二金属段包括至少一个回折金属段，采用回折型线折叠方式，大大减少了辐射单元在PCB板中所占用的面积大小，解决了传统2.4GHz的PCB天线尺寸较大，无法应用于内部空间较小的电子产品中的缺点。

除了上面所描述的本实用新型实施例解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的有益效果外，本实用新型实施例提供的可穿戴电子等小型化设备所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的有益效果，将在具体实施方式中作出进一步详细的说明。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例提供的2.4GHz的PCB天线的顶层图；

图2为本实用新型实施例提供的2.4GHz的PCB天线的底层图；

图3为本实用新型实施例提供的2.4GHz的PCB天线的回波损耗图；

图4为本实用新型实施例提供的2.4GHz的PCB天线的增益图。

附图标记说明：

100-PCB板；

110-辐射单元；

111-第一金属段；

112-第二金属段；

113-回折金属段；

114-横向金属段；

115-纵向金属段；

120-馈电点；

130-接地板。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

天线是一种用来发送或者接收电磁波的器件，是一种能量变换器。天线的作用是将载有数据的高频电流和载有数据的空间电磁波进行转换，是无线通讯设备的重要组成部分。天线的工作原理是，当导线上有交变电流通过时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短、形状等参数有关。当导线的长度增大到可与波长相比拟的时，导线上的电流大大增加，就能形成较强的辐射。为了提高天线的接收或发送电磁波的能力，需要调节合适的天线形状和长度。天线的种类多种多样。导线天线、PCB天线、陶瓷片状天线、弹簧天线等天线的尺寸较小，利于和无线电子产品结合，广泛应用于无线通信系统中。其中，对于一些尺寸受限，并且成本敏感的消费类无线电子产品，PCB天线的应用更为广泛。因为PCB天线可以和PCB上的电路直接耦合，不需要额外焊接，相对于其他类型天线，具有一体化强、成本低、可靠性高等显著优势。所谓PCB天线，即Printed Circuit Board Antenna，是指以印刷电路板作为载体的印刷金属线，它有直线型、L型、倒F型、线型、螺旋线型等多种形状规格。

在无线通信中，2.4GHz天线的工作频率在2400MHz-2483MHz之间，适用于WIFI、蓝牙、ZigBee等短距离通信场景。由于2.4GHz信号的波长相对较短，故四分之一波长的导线天线体积适中，在一些尺寸不太受限的产品(例如中小型的四轴飞行器)中得到广泛应用。

然而，随着无线电子产品小型化、集成化发展的趋势，天线的小型化需求越来越高。现有的2.4GHz PCB天线，其体积相比很多无线电子产品还是偏大，其应用范围受到了很大的限制。导致很多小型化无线电子产品(如带无线功能的USB适配器)不得不采用体积更小但价格昂贵的陶瓷天线，或者采用压缩尺寸的PCB天线，导致性能严重下降。

有鉴于此，为了解决传统的2.4GHz的PCB天线尺寸偏大的问题，本实用新型提供的2.4GHz的PCB天线采用单面多回折的蛇形线折叠方式，大大减小了天线的尺寸，并且成本低、性能佳，具有很强的实用性。

下面参考附图描述本实用新型实施例的2.4GHz的PCB天线。

图1为本实用新型实施例提供的2.4GHz的PCB天线的顶层图。

参考图1所示，本实用新型实施例提供的2.4GHz的PCB天线，包括PCB板100以及设置在PCB板100一面上的辐射单元110和馈电点120。

其中，辐射单元110包括：第一金属段111和第二金属段112，且第二金属段112包括至少一个回折金属段113，例如，图1所示，第二金属段112包括14个回折金属段113，当然在一些示例中，第二金属段112还可以包括一个或多个回折金属段113。第一金属段111的两端分别与馈电点120和第二金属段112的一端连接。其中，馈电点120作为PCB天线的信号接入点，馈电点120与馈源(即信号发射源)电连接，馈源可以为射频模块。

容易理解的是，由于2.4GHz中心频点(2450MHz)信号的波长约为122.45mm，则四分之一波长为30.6mm，若将30.6mm长的金属线作为PCB天线直接放置在PCB板上，则会使PCB板尺寸过大。在第一金属段111和第二金属段112之和满足走线长度的前提下，若第二金属段112包括至少一个回折金属段113，其中，至少一个回折金属段113采用多回折的蛇形线折叠方式，可大大减小作为载体的PCB板100的尺寸，满足应用于内部空间较小的电子产品中的要求。由于采用多回折线会对信号的辐射性能造成影响，所以要达到四分之一波长天线的性能，需要适当增加回折金属线的总长度。虽然多回折线的总长度有所增加，但由于采用回折结构，其所占PCB尺寸相比无回折的四分之一波长天线，仍然大大减小。

并且，在本实用新型实施例提供的2.4GHz的PCB天线中，辐射单元110可以不接地，可应用于有直流输出的电路，拓宽了天线的应用范围。

需要说明的是，在满足辐射单元110走线长度的前提下，第一金属段111和第二金属段112的长度可进行调节，满足天线使用条件即可，在此，对第一金属段111和第二金属段112的长度不做限制。

为了进一步减小PCB天线的面积，必须增加回折金属段113的折叠次数，在本实用新型的一些实施例中，回折金属段113的数量为多个，且多个回折金属段113依次首尾相连形成第二金属段112，第二金属段112为具有多个弯折点的折线金属段。

需要说明的是，在满足辐射单元110走线长度的前提下，回折金属段113的数量可进行删减或增加，满足天线使用条件即可，在此，对回折金属段113的数量不做限制。

此外，减小PCB天线尺寸除了考虑减小辐射单元110的长度之外，还可以考虑减小辐射单元110的宽度，即减小第一金属段111和第二金属段112的宽度，但将第一金属段111和第二金属段112的宽度缩减太多，其辐射单元110的总面积虽然减小，但是会导致应用的局限性，并且，会导致天线性能严重下降，增益降低，实用性较差，所以，在本实用新型的一些实施例中，将第一金属段111和第二金属段112的宽度设置为0.2mm-0.4mm之内。

在本实用新型一些可能的实施例中，每个回折金属段113可以包括：横向金属段114和纵向金属段115，其中，横向金属段114和纵向金属段115垂直首尾相连，且相邻两个回折金属段113中的其中一个回折金属段113的横向金属段114与另一个回折金属段113的纵向金属段115垂直相连，这样多个回折金属段113形成如图1所示的折线段。

可以理解的是，横向金属段114和纵向金属段115垂直首尾相连，相邻两个回折金属段113中的其中一个回折金属段113的横向金属段114与另一个回折金属段113的纵向金属段115垂直相连可进一步压缩辐射单元110在PCB板100上的平铺面积，使PCB板尺寸可以更小。

需要说明的是，在满足辐射单元110走线长度的前提下，横向金属段114和纵向金属段115的长度可进行调节，满足天线使用条件即可，在此，对横向金属段114和纵向金属段115的长度不做限制。

如上所述的2.4GHz的PCB天线，其馈电点120可以为方形，其边长在0.2mm-0.4mm之内，边长等于第一金属段111的宽度，且与第一金属段111重合，例如第一金属段111的一端将馈电点120部分或者全部覆盖实现电连接。

为了进一步减小PCB板100的尺寸，在本实用新型的一些实施例中，第一金属段111的一端与第二金属段112中的首个回折金属段113的横向金属段114垂直相连，例如图1中，第一金属段111的一端与第二金属段112中靠近第一金属段111的第一个回折金属段113的横向金属段114垂直相连，且第一金属段111与回折金属段113中的纵向金属段115平行，即本实施例中，各个回折金属段113中的纵向金属段115相互平行设置，且各个纵向金属段115与第一金属段111平行。

本实用新型提供的2.4GHz的PCB天线，可应用于2.4GHz ISM频段的WIFI、蓝牙、Zigbee、非标2.4GHz等各类无线通信产品。其中ISM是Industrial Scientific Medical的缩写，ISM频段是由国际通讯联盟无线电通讯局度定义，此频段主要开放给工业、科学、医学三个主要机构使用，无需授权许可。

在本实用新型的一些实施例中，还可以包括：至少一个接地板130，接地板130与辐射单元110位于PCB板的同一面上，且接地板130位于辐射单元110下方,接地板130为厚度极薄的铜层，并且第一金属段111的长度大于纵向金属段115的长度，以使第二金属段112与接地板130保持一定距离。

可选地，接地板130为矩形结构，且位于PCB板100的一侧。

图2为本实用新型实施例提供的2.4GHz的PCB天线的底层图，参考图2，当采用双面PCB板时，接地板130的数量可以为一个，也可以为两个，接地板130的数量为一个时，接地板130可以设置在PCB板100的顶层也可以设置在PCB板100的底层，接地板130的数量为两个时，两个接地板130分别设置在PCB板的顶层和底层，并且，两个接地板130通过多个过孔(图中未示出)电连接。

为了突出本实用新型的优势，下面对本实用新型的具体实现方式做进一步的说 明。

在本实用新型的一种可能实施的方式中，PCB板100采用FR4双面PCB板，其长为11.8mm，宽为16mm，厚为1.2mm。接地板130为两个，分别设置在PCB板100的顶层和底层，接地板130的长为18.5mm，宽为5.5mm，两个接地板130之间通过多个均匀放置的过孔(图中未示出)电连接。

FR4是一种耐燃材料等级的代号，所代表的意思是树脂材料经过燃烧状态必须能够自行熄灭的一种材料规格，它不是一种材料名称，而是一种材料等级，因此一般电路板所用的FR4等级材料就有非常多的种类，但是多数都是以四功能的环氧树脂加上填充剂以及玻璃纤维所做出的复合材料。

馈电点120作为天线的信号接入点，呈正方形，尺寸为0.3mmX0.3mm。

第一金属段111竖直放置，长度为5mm，宽度为0.3mm，第一金属段111的一端与馈电点120重合，另一端与第二金属段112中的首个回折金属段113的横向金属段114垂直相连。

第二金属段112包括14个回折金属段113，每个回折金属段113包括一个横向金属段114和一个纵向金属段115，且相邻两个回折金属段113中的其中一个回折金属段113的横向金属段114与另一个回折金属段113的纵向金属段115垂直相连，其中，前13个回折金属段113中的横向金属段114长为0.9mm，宽为0.3mm，纵向金属段115长为2.7mm，宽为0.3mm，最后一个回折金属段113中的横向金属段114长为0.9mm，宽为0.3mm，纵向金属段115长为3mm，宽为0.3mm。

由计算得出，本实用新型提供的2.4GHz的PCB天线实际走线长度为55.7mm，实际所占PCB板110的面积为(5+0.3)mm×(0.9+13×0.6)mm＝5.3mm×8.7mm＝46.11mm²，其面积比市场上通用的倒F型PCB天线缩小了40％。所以，本实用新型实施例提供的2.4GHz的PCB天线尺寸小，材料成本低，可应用于小尺寸的无线电子产品。

图3为本实用新型实施例提供的2.4GHz的PCB天线的回波损耗图，参考图3所示，回波损耗小于-10dB的频率范围在2226MHz-2520MHz之间，带宽约为290MHz，覆盖了2400-2483MHz的ISM频段，满足应用要求。

图4为本实用新型实施例提供的2.4GHz的PCB天线的增益图，参考图4所示，最大增益约为0.7dBi，其增益水平满足应用要求。

本实用新型实施例提供的2.4GHz的PCB天线具体实施方式，其构成辐射单元的回折线段长度、间距、位置等参数，都经过了反复的仿真计算与实际工程调试，保证了天线的性能。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

综上所述，本实用新型实施例提供的2.4GHz的PCB天线具有以下有益效果：

A、结构简单，可靠性高。

B、辐射单元占用PCB板面积小，材料成本低，可应用于小尺寸的无线电子产品。

C、天线增益大、回波损耗小、带宽宽，性能优于相似尺寸的PCB天线。

D、无接地点，可应用于单面、双面和多层PCB，并可应用于有直流输出的电路，适用范围广。

E、外观简洁，物理设计得当，不良率低，便于批量化生产。

本实用新型提供的2.4GHz的PCB天线，通过设置第一金属段和第二金属段，第一金属段的两端分别与馈电点和第二金属段的一端连接，其中，第二金属段包括至少一个回折金属段，采用回折型线折叠方式，大大减少了辐射单元在PCB板中所占用的大小，解决了传统2.4GHz的PCB天线尺寸较大，无法应用于内部空间较小的电子产品中的缺点。并且，辐射单元无接地点，可应用于有直流输出的电路，拓宽了天线的应用范围。在辐射单元的走线线宽减少到0.3mm的同时，增加了回折线的折叠次数，在保证走线长度的条件下，减小了作为载体的PCB板的尺寸，结构简单，可靠性强。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，所使用的术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“顶端”、“底端”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”“轴向”、“周向”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或原件必须具有特定的方位、以特定的构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成为一体；可以是机械连接，也可以是电连接或者可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以使两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种2.4GHz的PCB天线，其特征在于，包括：PCB板以及设置在PCB板一面上的辐射单元和馈电点；

所述辐射单元包括：第一金属段和第二金属段，且所述第二金属段包括至少一个回折金属段，所述第一金属段的两端分别与所述馈电点和所述第二金属段的一端连接。

2.根据权利要求1所述的2.4GHz的PCB天线，其特征在于，所述回折金属段的数量为多个，且多个所述回折金属段依次首尾相连形成所述第二金属段。

3.根据权利要求1或2所述的2.4GHz的PCB天线，其特征在于，每个所述回折金属段包括：横向金属段和纵向金属段，所述横向金属段和竖直金属段垂直首尾相连，且相邻两个所述回折金属段中的其中一个所述回折金属段的所述横向金属段与另一个所述回折金属段的所述纵向金属段垂直相连。

4.根据权利要求3所述的2.4GHz的PCB天线，其特征在于，所述第一金属段的一端与所述第二金属段中的首个所述回折金属段的所述横向金属段垂直相连，且所述第一金属段与所述回折金属段中的所述纵向金属段平行。

5.根据权利要求1或2所述的2.4GHz的PCB天线，其特征在于，所述馈电点为方形，所述第一金属段的一端与所述馈电点重合。

6.根据权利要求1或2所述的2.4GHz的PCB天线，其特征在于，所述第一金属段和所述第二金属段的宽度为0.2mm-0.4mm。

7.根据权利要求1或2所述的2.4GHz的PCB天线，其特征在于，还包括：至少一个接地板，所述接地板与所述辐射单元位于所述PCB板的同一面上，且所述接地板位于所述辐射单元下方。

8.根据权利要求7所述的2.4GHz的PCB天线，其特征在于，所述接地板的数量为两个，两个所述接地板分别设置在所述PCB板的两面，且两个接地板通过多个过孔电连接。

9.根据权利要求8所述的2.4GHz的PCB天线，其特征在于，所述接地板为铜层。

10.根据权利要求3所述的2.4GHz的PCB天线，其特征在于，所述第一金属段的长度大于所述纵向金属段的长度。

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