CN215418571U - 一种板载天线、usb网络分析工具和智能家居控制设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种板载天线、USB网络分析工具和智能家居控制设备，板载天线包括用于输入电信号的馈入部，辐射部，包括第一辐射段、第二辐射段、第三辐射段和第四辐射段，第一辐射段至第四辐射段与馈入部之间依次电连接形成G字型；第一辐射段与第二辐射段之间具有第一设定宽度的凹槽，第一、第四辐射段之间的间距为第二设定宽度，第一、第三辐射段之间的间距为第三设定宽度；还包括匹配部，具有第四设定宽度的凹槽，且该匹配部与辐射部电性连接，用于调整板载天线的阻抗。板载天线为G字型的走线方向，并在此基础上设置具有凹槽的匹配部，辐射效率高，能在一定程度上调整天线的阻抗，使天线与射频电路阻抗进行匹配，达到最好的辐射效果。

Description

一种板载天线、USB网络分析工具和智能家居控制设备

技术领域

本实用新型属于无线通信技术领域，具体涉及一种板载天线、USB网络分析工具和智能家居控制设备。

背景技术

天线是发射和接收电磁波的装置，处于无线通信和探测系统的最前端，其性能对整个系统具有非常重要的影响。天线的增益、驻波比、方向图等性能一方面由其天线本身pattern 决定，另一方面由天线的材质、工艺决定。可根据产品的不同定位选取不同的天线形式和天线制作工艺。目前众知的天线pattern(构型)和天线工艺如下：

一、天线构型

天线pattern也是决定天线性能的重要组成之一。目前众知的天线形式如半波偶极子天线、PIFA天线、单极天线、LOOP天线等，其中：

半波偶极子天线是无线电通信中，使用最早、结构最简单、应用最广泛的一类天线。它由两个对称放置的导体组成，导体相互靠近的两端分别与馈电线相连，常见的偶极子天线由两根共轴的直导线构成，这种天线在远处产生的辐射场是轴对称的，并且在理论上能够严格求解。

PIFA天线是由线性倒F天线(即IFA)天线演变而来，对于IFA天线而言，其辐射单元、接地线都是细导体线，这样等效的射频分布电感较大，而分布电容较小。这就意味着天线具有较高的Q值和较窄的频带。通过降低Q值，将IFA天线的细导线用具有一定宽度的金属片取代，从而增大了天线带宽，这样就形成了PIFA天线。

单极天线是具有四分之一波长的天线，在自由空间中，四分之一波长单极天线在垂直平面上的辐射方向图与半波偶极天线在垂直平面中的方向图形状相似，但没有地下辐射。在水平面上，垂直单极天线是全向性的。

二、天线工艺

现有天线工艺类型一般有LDS天线、钢片/FPC天线、陶瓷天线、PCB天线等。此几种天线都各有优劣。

LDS天线：利用计算机按照导电图形的轨迹控制激光的运动，将激光投照到模塑成型的三维塑料器件上，在几秒钟的时间内，活化出电路图案。其优点是一致性好，精度高，能够充分利用支架立体结构来形成天线pattern。并且其空间利用率高、制造流程短，无需电路图形模具，较为环保。

钢片/FPC天线：此种天线是把天线pattern使用钢片或者FPC柔性电路板的方式制作出来，通常用于频段复杂的中低端手机和智能硬件产品里。其优点是天线粘贴位置灵活，可根据产品环境适当调整；可以兼容多个频段。

陶瓷天线：块状天线使用高温将整块陶瓷体一次烧结完成再将天线的金属部分印在陶瓷块的表面上。多层天线低温共烧的方式讲多层陶瓷迭压对位后再以高温烧结，所以天线的金属导体可以根据设计需要印在每一层陶瓷介质层上。其优点是体积小、机械强度高。

PCB天线：将天线pattern绘制在电路板上，可大量应用于WIFI、蓝牙、Zigbee模块等单一频段的模块电路上。其优点是几乎不需要成本，一次调试完毕后无需再次调试。

通过对上述技术的了解以及技术应用至市场的研究，可以总结如下各类型天线的优缺点：

(1)LDS天线一般用于手机天线、TWS无线耳机等产品，此类产品天线净空、面积较小。使用镭雕技术可以有效提升空间利用率，在一定程度上加速了物联网产品小型化的产品趋势。但是其设计成本较高，且对产品表面的工艺也有很多特殊要求，不适用于物联网产品模块化、低成本的发展趋势。

(2)钢片/FPC天线适用于中低端手机以及其他特殊结构的天线，但由于钢片天线是冲压制成，无法制作复杂的形状；FPC天线是一整块平面，虽能适当弯折，但是也不能弯折的太复杂。此两种天线都需要根据每款产品单独调试，适用性较差。

(3)陶瓷天线很难做到多频段，对电路板净空要求高，不适用于物联网设备。

(4)常用的PCB天线需要占用电路板上比较大的空间，即对电路板的净空要求较高，天线增益较低，而且容易受到主板上的干扰，另外由于其本身结构限制，天线的部分方向上辐射效果较差，不利于天线对无线信号的收发。

并且，在设计天线时，还需考虑阻抗匹配问题，即天线的负载阻抗需与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。然后，对于不同特性的电路，匹配条件不一样；若设计的天线阻抗不匹配，则会形成反射，能量传递不过去，降低效率；会在传输线上形成驻波(就是有些地方信号强，有些地方信号弱)，导致传输线的有效功率容量降低；功率发射不出去，甚至会损坏发射设备。如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时，会产生震荡，辐射干扰等。因此，阻抗匹配不佳也是降低天线辐射效率的影响因素。

另外，目前USB网络分析工具(即抓包器)的电路板本身比较小，电路板上预留净空有限的情况下，设置上面这些净空要求较大的天线，则会导致天线容易受主板干扰，信号的辐射效果变差。

天线在一些智能家居控制设备中的应用，如智能插座、智能开关、温控器、中控主机、智能场景控制面板、智能语音面板等智能家居控制设备，通常采用标准86预埋盒嵌墙安装方式，电路板内部涉及元器件较多，例如开关控制器件(如继电器)、变压器、电源模块、线路板等，本身结构紧凑，导致电路板内为天线预留的天线净空也比较有限。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种板载天线，用于解决现有天线的净空要求大，不利于电路板集成的问题，以及天线在电路板上的净空受限降低信号传输效果的问题；同时，本实用新型提出一种USB网络分析工具和智能家居控制设备，以解决天线在电路板上的净空受限降低信号传输效果的问题。

基于上述目的，一种板载天线的技术方案如下：

馈入部，用于输入电信号；

辐射部，用于辐射电磁波信号；该辐射部包括第一辐射段、第二辐射段、第三辐射段和第四辐射段，该第一辐射段、第二辐射段、第三辐射段、第四辐射段与所述的馈入部之间依次电连接，形成G字型；第一辐射段与第二辐射段之间具有第一设定宽度的凹槽，第一辐射段与第四辐射段之间的间距为第二设定宽度，第一辐射段与第三辐射段之间的间距为第三设定宽度；

匹配部，该匹配部具有第四设定宽度的凹槽，且该匹配部与所述辐射部电性连接，用于调整板载天线的阻抗。

一种USB网络分析工具的技术方案如下：

包括网络分析工具的电路板，该电路板的首端设有USB接口，电路板的末端设有所述的板载天线。

一种智能家居控制设备的技术方案如下：

智能家居控制设备的控制主板上布置有项所述的板载天线。

上述三个技术方案的有益效果是：

本实用新型的板载天线，以及含有板载天线的网络分析工具和智能家居控制设备，采用单极天线，无需接地，减少地平面相对天线的影响，天线为G字型的走线方向，并在此基础上设置具有凹槽的匹配部，辐射效率高，能在一定程度上调整天线的阻抗，使天线与射频电路阻抗进行匹配，达到最好的辐射效果。

进一步的，所述第一设定宽度的范围为0.19mm～1.55mm。

进一步的，所述第二设定宽度的范围为0.125mm～1mm。

进一步的，所述第三设定宽度的范围为1.2mm～6.8mm。

进一步的，所述第四设定宽度的范围为0.1mm～3.43mm。

进一步的，为提高天线辐射效果，所述第一辐射段与第二辐射段之间的连接端，还与所述匹配部的连接端连接。

进一步的，为保证天线辐射效果，所述的馈入部和第一辐射段分别布置在第四辐射段两侧。

进一步的，为方便输入信号，所述的馈入部与第四辐射段之间垂直走向连接。

附图说明

图1是本实用新型天线实施例中的板载天线的结构示意图；

图中的标号为，①、馈入部，②、辐射部，③、匹配部，L1、第一辐射段，L2，第二辐射段，L3，第三辐射段，L4,第四辐射段；

图2-1、图2-2、图2-3是本实用新型天线实施例中的仿真一中选用的天线参数的回波损耗曲线图、电压驻波比曲线图、史密斯原图曲线图；

图3-1、图3-2、图3-3是本实用新型天线实施例中的仿真二中选用的天线参数的回波损耗曲线图、电压驻波比曲线图、史密斯原图曲线图；

图4-1、图4-2、图4-3是本实用新型天线实施例中的仿真三中选用的天线参数的回波损耗曲线图、电压驻波比曲线图、史密斯原图曲线图；

图5-1、图5-2、图5-3是本实用新型天线实施例中的仿真四中选用的天线参数的回波损耗曲线图、电压驻波比曲线图、史密斯原图曲线图；

图6-1、图6-2、图6-3是本实用新型天线实施例中的仿真五中选用的天线参数的回波损耗曲线图、电压驻波比曲线图、史密斯原图曲线图；

图7-1、图7-2、图7-3是本实用新型天线实施例中的仿真六中选用的天线参数的回波损耗曲线图、电压驻波比曲线图、史密斯原图曲线图；

图8-1、图8-2、图8-3是本实用新型天线实施例中的仿真七中选用的天线参数的回波损耗曲线图、电压驻波比曲线图、史密斯原图曲线图；

图9-1、图9-2、图9-3是本实用新型天线实施例中的仿真八中选用的天线参数的回波损耗曲线图、电压驻波比曲线图、史密斯原图曲线图；

图10-1、图10-2、图10-3是本实用新型天线实施例中的仿真九中选用的天线参数的回波损耗曲线图、电压驻波比曲线图、史密斯原图曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明。

天线实施例：

本实施例提出一种板载天线，该板载天线的具体结构如图1所示，包括三部分，分别为用于输入信号的馈入部①，用于辐射电磁波信号的辐射部②，和用于调整天线阻抗的匹配部③。该板载天线中，馈入部、辐射部、匹配部一体连接设置，且为同一种导电材料。

对于辐射部②，其包括四个辐射段，分别为第一辐射段L1、第二辐射段L2、第三辐射段L3和第四辐射段L4，四个辐射段按照此顺序依次连接，第四辐射段的末端与馈入部连接，因此，辐射部和馈入部整体上构成G字型走向。

该G字型走向天线的具体特点如下：

1)第一辐射段L1与第二辐射段L2之间连接形成一个凹槽，如图1所示，该凹槽的两端由第一辐射段L1的边D6与第二辐射段L2的边D1构成，且该凹槽的宽度为第一设定宽度D1-6，宽度范围为0.19mm～1.55mm(包括此范围的端点)。

2)第一辐射段L1与第四辐射段L4之间具有一定间距，如图1所示，该间距为第一辐射段的边D4与第四辐射段的边D3之间的距离，优选的，该间距的宽度为第二设定宽度 D3-4，在范围0.125mm～1mm(包括此范围的端点)内选取。

3)第一辐射段与第三辐射段之间也具有一定间距，如图1所示，该间距为第一辐射段的边D5与第三辐射段D2之间的距离，优选的，该间距的宽度为第三设定宽度D2-5，宽度范围为1.2mm～6.8mm(包括此范围的端点)。

如图1所示的板载天线，其匹配部与辐射部连接，具体的，匹配部与辐射部的第一辐射段L1、第二辐射段L2连接，且该匹配部具有一个凹槽，凹槽的宽度为第四设定宽度(即凹槽内边D8的宽度)，该宽度范围为0.1mm～3.43mm(包括此范围的端点)。

本实施例中，馈入部作为天线的接触端，馈入部①和第一辐射段L1分别布置在第四辐射段L4的两侧，且馈入部与第四辐射段之间垂直走向连接。作为其他实施方式，馈入部与第四辐射段之间也可以成一定夹角走向连接，而不仅限于垂直走向连接。

为验证板载天线的效果，选取板载天线的若干参数，对天线进行软件仿真，用回波损耗 (即球面平均增益)、电压驻波比、史密斯原图来验证板载天线是否符合要求。判断符合要求的标准为：回波损耗<-10；驻波比<1.5；史密斯原图中的标注点(m1、m2、m3)与目标点的距离小于设定距离，目标点为RX为1所在的圆与横轴的交汇点。

仿真一，选用的天线参数为：第一设定宽度(D1-6)为0.19mm，第二设定宽度(D3-4)为0.25mm，第三设定宽度(D2-5)为2.8mm，第四设定宽度(D8)为0.63mm。在此参数下得到的回波损耗曲线(Terminal S Paramerer Plot3)、电压驻波比曲线(Terminal VSWR Plot2)、史密斯原图曲线(Terminal S Parameter Chart2)如图2-1、图2-2、图2-3所示。

由图2-1所示，三个标注点m1、m2、m3的纵坐标表示回波损耗(单位dB，)，均在-10以下，横坐标表示频率(Freq，单位GHz)，三个标注点的横纵坐标值见图2-1的左上角m1 的横坐标X为2.4，纵坐标Y为-17.2627；m2的横坐标X为2.45，纵坐标Y为-20.3435； m3的横坐标X为2.5，纵坐标Y为-24.7891；由图2-2所示，m1、m2、m3对应驻波比曲线中的纵坐标(即电压驻波比)均在1.5以下，横坐标表示频率，且带宽为2.4-2.5GHz，具体 m1、m2、m3的坐标值见图2-2的左上角；由图2-3所示，m1、m2、m3的具体信息值见左上角，Freq为频率，Ang为极坐标角度，Mag为幅度，RX为直角坐标，对应的史密斯原图曲线上m1、m2、m3与目标点的距离在设定距离内，满足要求。

关于仿真曲线的符号说明，后面仿真二至仿真八中各曲线图中符号的含义与此段中记载的含义相同，不再赘述；并且，图2-1至图10-3中的右上角符号为系统自定义的曲线名称，不影响对曲线的理解。

仿真二，修改图1中边D1、D6之间的缝隙宽度(第一设定宽度)，选用的天线参数为：第一设定宽度为1.4mm，第二设定宽度为0.25mm，第三设定宽度为2.8mm，第四设定宽度为0.63mm。在此参数下得到的回波损耗曲线、电压驻波比曲线、史密斯原图曲线如图3-1、图3-2、图3-3所示。

仿真三，调整图1中边D1、D6之间的缝隙宽度，选用的天线参数为：第一设定宽度为1.55mm，第二设定宽度为0.25mm，第三设定宽度为2.8mm，第四设定宽度为0.63mm。在此参数下得到的回波损耗曲线、电压驻波比曲线、史密斯原图曲线如图4-1、图4-2、图4-3 所示。

仿真四，修改图1中边D3、D4之间的缝隙宽度(第二设定宽度)，选用的天线参数为：第一设定宽度为0.19mm，第二设定宽度为1mm，第三设定宽度为2.8mm，第四设定宽度为0.63mm。在此参数下得到的回波损耗曲线、电压驻波比曲线、史密斯原图曲线如图5-1、图5-2、图5-3所示。

仿真五，调整图1中边D3、D4之间的缝隙宽度，选用的天线参数为：第一设定宽度为0.19mm，第二设定宽度为0.125mm，第三设定宽度为2.8mm，第四设定宽度为0.63mm。在此参数下得到的回波损耗曲线、电压驻波比曲线、史密斯原图曲线如图6-1、图6-2、图6-3 所示。

仿真六，修改图1中边D7、D9之间的凹槽宽度(第四设定宽度D8)，选用的天线参数为：第一设定宽度为0.19mm，第二设定宽度为0.25mm，第三设定宽度为2.8mm，第四设定宽度为0.1mm。在此参数下得到的回波损耗曲线、电压驻波比曲线、史密斯原图曲线如图 7-1、图7-2、图7-3所示。

仿真七，调整图1中边D7、D9之间的凹槽宽度，选用的天线参数为：第一设定宽度为0.19mm，第二设定宽度为0.25mm，第三设定宽度为2.8mm，第四设定宽度为3.43mm。在此参数下得到的回波损耗曲线、电压驻波比曲线、史密斯原图曲线如图8-1、图8-2、图8-3 所示。

仿真八，修改图1中边D2、D5之间的宽度(第三设定宽度)，选用的天线参数为：第一设定宽度为0.19mm，第二设定宽度为0.25mm，第三设定宽度为1.2mm，第四设定宽度为0.63mm。在此参数下得到的回波损耗曲线、电压驻波比曲线、史密斯原图曲线如图9-1、图9-2、图9-3所示。

仿真八，调整边D2、D5之间的宽度，选用的天线参数为：第一设定宽度为0.19mm，第二设定宽度为0.25mm，第三设定宽度为6.8mm，第四设定宽度为0.63mm。在此参数下得到的回波损耗曲线、电压驻波比曲线、史密斯原图曲线如图10-1、图10-2、图10-3所示。

根据上面的仿真实验，可以得出当天线参数满足：第一设定宽度D1-6的范围为0.19mm～1.55mm，第二设定宽度D3-4的范围为0.125mm～1mm，第三设定宽度D2-5的范围为1.2mm～6.8mm，第四设定宽度D8的范围为0.1mm～3.43mm，可以满足使用要求。

本实用新型的板载天线具有如下优点：

(1)本实用新型的板载天线为单极天线，无需接地，减少地平面相对天线的影响，相对于PIFA天线适应环境能力更强。

(2)整体走线为G字型，辐射效率高、3D方向图更优、适用范围更广。具体的，辐射部中各辐射段的边D1、D2、D3、D4、D5、D6之间通过开槽耦合形成2.4-2.5GHz的波形，边D4、D5、D6的构型既有参与耦合2.4-2.5GHz波形的作用，又能在一定程度上调整天线的阻抗，使天线与射频电路阻抗进行匹配，达到最好的辐射效果。

(3)天线的匹配部开槽处理，能调整天线的阻抗，使天线与射频电路(射频电路的输入端连接馈入部)的阻抗进行匹配，能在保证其增益的情况下，达到较好的辐射效果。并且，匹配部的边D7、D8、D9组成的开槽形状增加了电流路径上的有效长度，使流过天线的电流分布更加均匀，在一定程度上增强天线的辐射方向。

网络分析工具实施例：

本实施例提出一种USB网络分析工具，包括PCB电路板，该电路板的首端设有USB接口，电路板的末端设有上面天线实施例中记载的板载天线。

为验证板载天线的实际使用效果，使用安捷伦E5071C网络分析仪对制成的含有板载天线的USB网络分析工具进行测试，测试结果为天线在2.4GHz-2.48GHz频率下S11＜-10，阻抗趋近于50Ω，驻波比＜1.5，增益＞2dbi，天线辐射效率在50％左右，已达到比较良好的效果，满足Zigbee、WIFI等的2.4GHz-2.5GHz频段的使用，可以极大的推进物联网产品小型化的发展。

智能家居控制设备实施例：

本实施例提出一种智能家居控制设备，该设备可以为智能插座、智能开关、温控器、中控主机、智能场景控制面板、智能语音面板等，这些控制设备中电路板设有上面天线实施例中记载的板载天线。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种板载天线，其特征在于，包括：

馈入部，用于输入电信号；

辐射部，用于辐射电磁波信号；该辐射部包括第一辐射段、第二辐射段、第三辐射段和第四辐射段，该第一辐射段、第二辐射段、第三辐射段、第四辐射段与所述的馈入部之间依次电连接，形成G字型；第一辐射段与第二辐射段之间具有第一设定宽度的凹槽，第一辐射段与第四辐射段之间的间距为第二设定宽度，第一辐射段与第三辐射段之间的间距为第三设定宽度；

匹配部，该匹配部具有第四设定宽度的凹槽，且该匹配部与所述辐射部电性连接，用于调整板载天线的阻抗。

2.根据权利要求1所述的板载天线，其特征在于，所述第一设定宽度的范围为0.19mm～1.55mm。

3.根据权利要求1所述的板载天线，其特征在于，所述第二设定宽度的范围为0.125mm～1mm。

4.根据权利要求1所述的板载天线，其特征在于，所述第三设定宽度的范围为1.2mm～6.8mm。

5.根据权利要求1所述的板载天线，其特征在于，所述第四设定宽度的范围为0.1mm～3.43mm。

6.根据权利要求1所述的板载天线，其特征在于，所述第一辐射段与第二辐射段之间的连接端，还与所述匹配部的连接端连接。

7.根据权利要求1或3所述的板载天线，其特征在于，所述的馈入部和第一辐射段分别布置在第四辐射段两侧。

8.根据权利要求7所述的板载天线，其特征在于，所述的馈入部与第四辐射段之间垂直走向连接。

9.一种USB网络分析工具，其特征在于，包括网络分析工具的电路板，该电路板的首端设有USB接口，电路板的末端设有如权利要求1-8任一项所述的板载天线。

10.一种智能家居控制设备，其特征在于，智能家居控制设备的控制主板上布置有如权利要求1-8任一项所述的板载天线。

Images