CN219086244U - 一种2.4GHz频段的PCB平板定向天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于平板天线技术领域，公开了一种2.4GHz频段的PCB平板定向天线，通过设有的同轴线与外部设备连接进行信号收发，包括基板，基板一侧端面中心处设有圆形且与基板边缘具有间距的馈面，另一侧相对的端面上覆盖有反射层；馈面一端设有向基板边缘延伸的馈线，在基板厚度方向的侧面上设有与馈线端部对应的馈点，所述同轴线通过馈点与馈线连接。本发明基于天线馈点、馈线、增益面、反射面。适用于低成本的2.4GHz的无线通信设备，安装面积小、增益高。

Description

一种2.4GHz频段的PCB平板定向天线

技术领域

本实用新型属于天线技术领域，具体涉及一种2.4GHz频段的PCB平板定向天线。

背景技术

定向天线是指在某一个或某几个特定方向上发射及接收电磁波特别强，而在其他的方向上发射及接收电磁波则为零或极小的一种天线。采用定向发射天线的目的是增加辐射功率的有效利用率，增加保密性；采用定向接收天线的主要目的是增强信号强度增加抗干扰能力。而平板天线是平板天线中的一种常见结构类型，平板天线一般用在点对点的情形下，同时也常被叫作“贴片天线”。平板天线有振子式、缝隙式等几种，它们集中的特点是体积小、重量轻、风阻小、安装使用方便；内置高频头使天线与高频头一体化，调节便利；平板天线的效率较高，特别适用于直播星电视的接收。

随着物联网技术的发展，对于无线信号传输技术的需求也越来越大。在这种情况下，以物联网产业为支撑的无线通信模组子产业开始进入市场，如LORA、BLE、ZIGBEE、NB-IoT、Sub-GHz等技术如雨后春笋般迭代发展。其中2.4GHz频段的产品也越来越多，虽然国家对于2.4GHz频段无线电发射功率有限制，但是随着该频段设备的增多，设备间干扰也越来越严重。其中采用定向天线是物联网设备无线数据发送的一种常见形式，但为了减小设备间无线通信的相互干扰，发展出了带有反射面的定向天线设计技术，定向天线在增益图主波瓣方向的增益最大，在与主波瓣相对的背面可以抑制电磁辐射，从而减小其他设备对设备的干扰，因为无源天线具有互易性，所以使用定向天线发射的电磁波在与主波瓣相对的背面方向辐射的功率密度很小，所以也能减小对其他设备的干扰。

一般的2.4GHz频段的定向天线多为铝合金材质馈面，若为了实现高增益效果，其结构较为复杂，导致该天线设备加工不易、材料成本比较高、体积大等问题，不适合使用在单个设备成本较低的场合。

实用新型内容

为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提供一种具有优化结构后的一种2.4GHz频段的PCB平板定向天线，通过设计其结构能够适用于低成本的2.4GHz的无线通信设备中，具有安装面积小、增益高的优势。

本实用新型所采用的技术方案为：

第一方面，本实用新型提供一种2.4GHz频段的PCB平板定向天线，通过设有的同轴线与外部设备连接进行信号收发，包括基板，基板一侧端面中心处设有圆形且与基板边缘具有间距的馈面，另一侧相对的端面上覆盖有反射层；

馈面一端设有向基板边缘延伸的馈线，在基板厚度方向的侧面上设有与馈线端部对应的馈点，所述同轴线通过馈点与馈线连接。

结合第一方面，本实用新型提供第一方面的第一种实施方式，所述馈点具有绝缘的两导体部分，即与馈面连接的上部，与反射层连接的下部；

所述同轴线具有屏蔽层和内芯，内芯与上部连接，屏蔽层与下部连接。

结合第一方面，本实用新型提供第一方面的第二种实施方式，所述馈点为基板形成的切口结构，馈线在馈点处的上部具有漏出部分，反射层在馈点下部具有漏出部分；

所述同轴线具有屏蔽层和内芯，同轴线穿入馈点内固定在馈点处，其内芯与馈线漏出部分连接，其屏蔽层与反射层的漏出部分连接。

结合第一方面，本实用新型提供第一方面的第三种实施方式，所述馈面为d2，反射层厚度为d1，d1和d2均为厚度为35um。

结合第一方面，本实用新型提供第一方面的第四种实施方式，所述基板的厚度为1.6mm。

结合第一方面的第三方面，本实用新型提供第一方面的第五种实施方式，所述馈面设置在基板的中心部，馈面半径为17.2mm，其圆心与基板边沿的最小间距为33.75mm。

结合第一方面的第五方面，本实用新型提供第一方面的第六种实施方式，所述馈线的宽度范围为1.4-1.44mm。

结合第一方面的第五方面，本实用新型提供第一方面的第七种实施方式，述基板为长70mm、宽67.68mm的FR-4方形板材。

本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型通过在馈面一侧设有整块反射层，从而具有高增益、方向图主瓣更长更大、副瓣更小的优点，且成本不高，制作工艺较为简单；

(2)本实用新型通过设置同轴线与馈点的结构和连接优化设计，具有较高的集成度，避免单独设置两个连接部件分别与反射层、馈面连接，体积较小且增加了天线的抗无线干扰性能。

附图说明

图1是本实用新型实施例中的平板定向天线的俯视图；

图2是本实用新型实施例中的平板定向天线的侧面示意图；

图3是本实用新型实施例中的平板定向天线的第一轴测图；

图4是本实用新型实施例中的平板定向天线的第二轴测图；

图5是本实用新型图4中的A局部放大示意图；

图6是本实用新型实施例中的平板定向天线dB(S11)参数图；

图7是本实用新型实施例中的平板定向天线Theta增益二维方向图；

图8是本实用新型实施例中的平板定向天线S11阻抗史密斯圆图。

图中：1-基板，2-馈面，3-馈线，4-馈点，5-反射层，6-同轴线；

d1-反射层厚度，d2-馈面厚度。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步阐释。

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，以下对在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范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，本申请的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，本申请的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1：

本实施例公开一种2.4GHz频段的PCB平板定向天线，该平板天线具有体积小增益高的特点，通常设置在小型终端设备中提供无线收发功能。

该天线通过设有的同轴线6与外部设备连接进行信号收发，而外部设备即为终端设备的电路板，电路板上具有同轴接头，将该平板天线固定在终端设备的内部，然后将一端已经固定在天线上的同轴线6的另一端与电路板的同轴接头连接。若要更换该天线，可直接将同轴线6与电路板断开，然后将天线取下后更换即可。

常规应用方式中，该平板天线的主体部分为一块一体式的板材结构，即采用绝缘材料基板1结构。基板1一侧端面中心处设有圆形且与基板1边缘具有间距的馈面2，另一侧相对的端面上覆盖有反射层5。

其中，基板1为矩形板材结构，其两个端面均为相同形状、大小的平整面，且先相互平行。

馈面2一端设有向基板1边缘延伸的馈线3，在基板1厚度方向的侧面上设有与馈线3端部对应的馈点，所述同轴线6通过馈点与馈线3连接。

进一步地，馈点具有绝缘的两导体部分，即与馈面2连接的上部，与反射层5连接的下部；所述同轴线6具有屏蔽层和内芯，内芯与上部连接，屏蔽层与下部连接。馈点为基板1形成的切口结构，馈线3在馈点处的上部具有漏出部分，反射层5在馈点下部具有漏出部分；所述同轴线6具有屏蔽层和内芯，同轴线6穿入馈点内固定在馈点处，其内芯与馈线3漏出部分连接，其屏蔽层与反射层5的漏出部分连接。

需要说明的是，本实施例中，如图1-8所示，整个平板天线的基板1的尺寸在70mm左右，为类正方形结构。本身材质采用FR-4板材制成，具有较好的结构强度和绝缘性能。

在图2中可以看到，其中的馈面2厚度为d2，反射层5厚度为d1，d1和d2均为厚度为35um，而基板1的厚度为1.6mm。

进一步的，馈面2设置在基板1的中心部，馈面2半径为17.2mm，其圆心与基板1边沿的最小间距为33.75mm，而图中馈线3的宽度范围为1.4-1.44mm。

图5中仅仅是展示了该馈点处的简单结构示意图，本实施例中采用同轴线6的实施方式，将同轴线6的一端直接固定在馈点处。由于馈点是基板1本身在一侧中部形成的一个缺口，在该缺口处为了方便固定同轴线6的端部，会采用绝缘的树脂采用进行填充。

具体地，加工时在基板1对应位置形成缺口，即为馈点位置。该缺口的宽度与馈线3宽度一致。而馈面2和反射均贴敷在基板1的两侧，且由于馈线3和反射层5本身在缺口处会形成覆盖，故缺口处露出两层金属材料。然后将同轴线6的一端端部拆开，将内部的屏蔽层和内芯分开，然后将其插入缺口处并分别连接到对应的一侧金属层上实现电连接。此时原本缺口处存在的空隙，通过树脂材料填充进行加固，并形成较好得绝缘屏蔽效果。

为了进一步提高稳定性，会在馈点的外侧端面上设有固定结构，将同轴线6的外部线皮固定，这种固定结构可采用软质的橡胶套材料，其一端覆盖在馈点处形成粘接。

为了验证该天线的性能，通过层仿真模拟测试获取在该结构和尺寸下的天线性能参数。

在图6中可以看到，低于-10dB的段为天线的频段，即2.387GHz-2.431GHz。

根据S11阻抗史密斯圆图确认，在Z轴(即垂直于馈面2的方向)正方向为辐射主瓣方向，相反的方向是需要屏蔽的信号方向。

图7中可以看到，天线在2.4GHz的归一化阻抗为0.5756-0.1090i，输入端的端接阻抗为50ohm。

本实用新型不局限于上述可选的实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本实用新型的保护范围的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (8)

1.一种2.4GHz频段的PCB平板定向天线，通过设有的同轴线(6)与外部设备连接进行信号收发，其特征在于：包括基板(1)，基板(1)一侧端面中心处设有圆形且与基板(1)边缘具有间距的馈面(2)，另一侧相对的端面上覆盖有反射层(5)；

馈面(2)一端设有向基板(1)边缘延伸的馈线(3)，在基板(1)厚度方向的侧面上设有与馈线(3)端部对应的馈点(4)，所述同轴线(6)通过馈点(4)与馈线(3)连接。

2.根据权利要求1所述的一种2.4GHz频段的PCB平板定向天线，其特征在于：所述馈点(4)具有绝缘的两导体部分，即与馈面连接的上部，与反射层连接的下部；

所述同轴线(6)具有屏蔽层和内芯，内芯与上部连接，屏蔽层与下部连接。

3.根据权利要求1所述的一种2.4GHz频段的PCB平板定向天线，其特征在于：所述馈点(4)为基板(1)形成的切口结构，馈线(3)在馈点(4)处的上部具有漏出部分，反射层(5)在馈点(4)下部具有漏出部分；

所述同轴线(6)具有屏蔽层和内芯，同轴线(6)穿入馈点(4)内固定在馈点(4)处，其内芯与馈线(3)漏出部分连接，其屏蔽层与反射层(5)的漏出部分连接。

4.根据权利要求1所述的一种2.4GHz频段的PCB平板定向天线，其特征在于：所述馈面(2)为d2，反射层(5)厚度为d1，d1和d2均为厚度为35um。

5.根据权利要求4所述的一种2.4GHz频段的PCB平板定向天线，其特征在于：所述基板(1)的厚度为1.6mm。

6.根据权利要求4所述的一种2.4GHz频段的PCB平板定向天线，其特征在于：所述馈面(2)设置在基板(1)的中心部，馈面(2)半径为17.2mm，其圆心与基板(1)边沿的最小间距为33.75mm。

7.根据权利要求6所述的一种2.4GHz频段的PCB平板定向天线，其特征在于：所述馈线(3)的宽度范围为1.4-1.44mm。

8.根据权利要求6所述的一种2.4GHz频段的PCB平板定向天线，其特征在于：所述基板(1)为长70mm、宽67.68mm的FR-4方形板材。

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