CN115693129A - 交指型天线结构及天线总成 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及贴片天线的技术领域，尤其是涉及一种交指型天线结构及天线总成，交指型天线结构包括：基体；两个馈电件，两个馈电件安装于基体；两个辐射臂，两个辐射臂设置在基体的上表面，两个辐射臂相背离的一端分别通过两个馈电件与两个金属接地片连接；其中，两个辐射臂的另一端均具有辐射部，两个辐射部位于两个辐射臂的内侧/外侧。本发明具有满足易小型化设计的需求的效果。
Description
技术领域
本发明涉及贴片天线的技术领域，尤其是涉及一种交指型天线结构及天线总成。
背景技术
随着无线通信技术的不断发展，5G技术的日益成熟，蓝牙和wifi技术应用也愈加广泛，促进了人们对小型化、智能化、便携式电子产品提出了更高的使用要求，小型化作为所有可穿戴设备中的最重要的因素之一，如何实现在保证现有可穿戴设备基本性能的前提下，尽可能减小可穿戴设备的尺寸实现小型化成为限制当下可穿戴设备发展的主要问题之一，同样地，对应用于该些电子设备中的贴片式天线也提出了小型化的技术要求。
发明内容
为了满足易小型化设计的需求，本发明提供一种交指型天线结构及天线总成。
本发明的上述发明目的一是通过以下技术方案得以实现的：
一种交指型天线结构，包括：
基体；
设置于基体的两个馈电件；
两个辐射臂，两个辐射臂设置在基体的上表面，两个辐射臂相背离的一端分别连接于两个馈电件，两个馈电件用于与外部匹配电路连接；
其中，两个辐射臂的另一端均具有辐射部，两个辐射部位于两个辐射臂的内侧/外侧。
采用上述技术方案，两个辐射臂与两个辐射部形成交指型的辐射结构，两个辐射臂分别通过两个馈电件与外部匹配电路连接，交指结构可以保证辐射臂和辐射部构成的辐射贴片具有一定大小的寄生耦合电容，且可在有限的空间范围内实现更长的天线尺寸，设计时能有效缩短天线的尺寸。
例如，常规的单极子辐射部仅单一的金属线状结构即可完成对外辐射，其对天线基材的长度有一定的要求，不易缩短天线尺寸，另一种是双极子类型的线状结构，同样对尺寸长度要求较长，不易小型化设计。因此，采用交指结构，既可以减小尺寸，亦可增加天线的耦合电容部分，所设计的天线易做好阻抗匹配；
本发明中的交指型天线结构相比于其他类型的天线（如弯折蛇形）所需加工的部分更少，因此尽可能地减小了加工误差，所以天线批量生产时具有更好的性能稳定性，且对应的天线设计采用交指对称结构也具有良好的辐射性能稳定性。其物理尺寸可以根据不同的需求，更改交指结构的大小和位置，从而调节其对应的等效电容和电感值，更有利于做好小型化的设计。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：还包括两个金属接地片，两个金属接地片设于基体的下表面，两个馈电件分别与两个金属接地片连接，两个金属接地片与外部匹配电路连接。
金属接地片的大小会影响分布电容的大小，两个金属接地片作为两个交指型辐射结构的等效枝节参与天线的辐射，并且能够调整天线的等效电感和电容值，相比于仅有上表面的辐射部设计出来的天线，其“交指型”的结构对应分布电容值相对较小，因此导致天线的带宽和最大方向增益较差，然而增加了金属接地片的结构会对于前述的性能参数有明显的提升。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述辐射部为多边形片状。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述辐射部为矩形片状/三角形片状。
采用上述技术方案，矩形片状或三角形片状的辐射部所需加工的部分更少，加工误差更小，更易稳定地批量加工和标准化生产。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述辐射臂为矩形条状/波浪形条状。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述辐射臂和其一端的辐射部形成整体呈类U型的结构。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述馈电件呈矩形板状，两个所述馈电件分别设于基体的相对两侧面。
采用上述技术方案，有利于天线的结构设计，不需要采用其他结构即可以完成RF链路馈电，以及对PCB的GND部分的耦合，更加有利于天线与金属焊盘之间的充分接触，从而增加天线的使用性能稳定性。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述金属接地片的相对两端沿自身长度方向分别延伸至下表面的相对两侧边缘。
本发明的上述发明目的二是通过以下技术方案得以实现的：
天线总成，包括如上述任一所述的交指型天线结构，还包括外部匹配电路，所述外部匹配电路包括金属接地板、金属传输线、介质板和阻抗匹配电路，所述交指型天线结构和所述金属接地板分别位于所述介质板的两板面；所述交指型天线结构通过金属传输线连接于阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路连接金属接地板。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述阻抗匹配电路采用Π型匹配电路。
综上所述，本发明至少包括以下有益技术效果：
两个辐射臂与两个辐射部形成交指型的辐射结构，交指结构可以保证辐射臂和辐射部构成的辐射贴片具有一定大小的寄生耦合电容，且可在有限的空间范围内实现更长的天线尺寸，设计时能有效缩短天线的尺寸。例如，常规的单极子辐射部仅单一的金属线状结构即可完成对外辐射，其对天线基材的长度有一定的要求，不易缩短天线尺寸，另一种是双极子类型的线状结构，同样对尺寸长度要求较长，不易小型化设计。因此，采用交指结构，既可以减小尺寸，亦可增加天线的耦合电容部分，所设计的天线易做好阻抗匹配；金属接地片的大小会影响分布电容的大小，两个金属接地片作为两个交指型辐射结构的等效枝节参与天线的辐射，并且能够调整天线的等效电感和电容值，相比于仅有上表面的辐射部设计出来的天线，其“交指型”的结构对应分布电容值相对较小，因此导致天线的带宽和最大方向增益较差，然而增加了金属接地片的结构会对于前述的性能参数有明显的提升。本发明中的交指型天线结构相比于其他类型的天线（如弯折蛇形）所需加工的部分更少，因此尽可能地减小了加工误差，所以天线批量生产时具有更好的性能稳定性，且对应的天线设计采用交指对称结构也具有良好的辐射性能稳定性。其物理尺寸可以根据不同的需求，更改交指结构的大小和位置，从而调节其对应的等效电容和电感值，更有利于做好小型化的设计。
附图说明
图1是本申请一实施例中交指型天线结构的结构示意图；
图2是本申请一实施例中交指型天线结构的结构示意图；
图3是本申请一实施例中交指型天线结构的基体上表面的两个辐射部位于两个辐射臂内侧的结构示意图；
图4是本申请另一实施例中交指型天线结构的基体上表面的两个辐射部位于两个辐射臂外侧的结构示意图；
图5是本申请另一实施例中交指型天线结构的基体上表面的辐射部呈三角形片状的结构示意图；
图6是本申请又一实施例中交指型天线结构的基体上表面的辐射部和辐射臂构成类U型结构的结构示意图；
图7是本申请一实施例中交指型天线结构对应的反射系数随频率变化的曲线图；
图8是本申请一实施例中交指型天线结构对应的驻波比系数随频率变化的曲线图；
图9是本申请一实施例中交指型天线结构的辐射效率随着频率变化的曲线图；
图10是本申请一实施例中交指型天线结构在其三维结构上画出的3D辐射方向图；
图11是本申请一实施例中天线总成的结构示意图；
图12是天线总成的部分结构的具体示意图。
附图标记：1、基体；2、金属接地片；3、馈电件；4、辐射部；5、辐射臂；6、外部匹配电路；7、金属接地板；8、金属传输线；9、介质板；10、缝隙。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的示范性实施例做出说明，其中包括本发明实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
需要说明的是，本发明中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。
另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，如无特殊说明，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
下面参考附图描述本发明的交指型天线结构。
常规的单极子辐射部仅单一的金属线状结构即可完成对外辐射，其对天线基材的长度有一定的要求，不易缩短天线尺寸，另一种是双极子类型的线状结构，同样对尺寸长度要求较长，不易小型化设计。
图1是本申请一实施例中交指型天线结构的结构示意图，如图1所示，该交指型天线结构包括基体1，基体1安装有两个馈电件3，基体1的上表面安装有两个辐射臂5，两个辐射臂5相背离的一端分别通过两个馈电件3与两个金属接地片2连接，两个辐射臂5的另一端均具有辐射部4，两个辐射部4位于两个辐射臂5的内侧/外侧，形成对称交错结构；该种对称结构可提供稳定的辐射方向图，不会受外界复杂的电磁环境的影响，使得天线具有更好的辐射特性。
可以理解的是，天线的收发为互易过程，谐振电流的能量输送到两个辐射部4上，两个辐射部4构成了经典半波振子电磁辐射结构，表面形成了波腹电流，辐射臂5对辐射部4表面电流进行扰动，使其在一定带宽内形成垂直于主极化的电场分量，从而形成涡旋电流。
本发明中两个辐射臂5与两个辐射部4形成交指型的辐射结构，交指结构可以保证辐射臂5和辐射部4构成的辐射贴片具有一定大小的寄生耦合电容，且可在有限的空间范围内实现更长的天线尺寸，设计时能有效缩短天线的尺寸，采用交指结构，既可以减小尺寸，亦可增加天线的耦合电容部分，所设计的天线易做好阻抗匹配；
本发明中的交指型天线结构相比于其他类型的天线（如弯折蛇形）所需加工的部分更少，因此尽可能地减小了加工误差，所以天线批量生产时具有更好的性能稳定性，且对应的天线设计采用交指对称结构也具有良好的辐射性能稳定性。其物理尺寸可以根据不同的需求，更改交指结构的大小和位置，从而调节其对应的等效电容和电感值，更有利于做好小型化的设计。
参照图2，作为一种可能实现的方式，该交指型天线结构还包括两个金属接地片2，两个金属接地片2设于基体的下表面，两个馈电件3分别与两个金属接地片2连接，然后通过两个金属接地片2与外部匹配电路连接。
通过上述方式，金属接地片2的大小会影响分布电容的大小，两个金属接地片2作为两个交指型辐射结构的等效枝节参与天线的辐射，并且能够调整天线的等效电感和电容值，相比于仅有上表面的辐射部4设计出来的天线，其“交指型”的结构对应分布电容值相对较小，因此导致天线的带宽和最大方向增益较差，增加金属接地片2结构会对于前述的性能参数有明显的提升。
两个辐射臂5中心对称，两个辐射部4中心对称，两个金属接地片2中心对称，可以理解的是，中心对称可以是指二者之间构成中心对称结构，或者称为是关于其所在基体1的表面的几何中心点中心对称。
值得说明的是，不对称的结构会导致天线的辐射易产生方向图畸形等情况，不利于天线优良的辐射特性设计，因此，本发明将两个矩形的金属接地片2也被配置为关于基体1下表面的几何中心点中心对称。
可以理解的是，本实施例中辐射部4、馈电件3和金属接地片2构成的金属导电区域作为陶瓷天线的辐射体，接收自由空间的信号以及将连接的射频电路发送的信号辐射至自由空间。
陶瓷天线的不同谐振模式的工作主要取决于辐射部4的尺寸，能够通过调整辐射部4各部分的具体尺寸对各模式进行调整，只要保证陶瓷天线可以满足工作的要求，本实施例并不限定辐射部4的具体规格尺寸和材料参数。
基体1三维尺寸中，可根据不同的使用场景，通过这种天线结构的形状参数的改变实现如3216、2012等尺寸的2.4GHz蓝牙频段天线设计，并且此天线结构具有通用性，可能根据不同的工作频率点设计不同的天线尺寸，以满足不同的使用场景需求。
其中，基体1的材质可以为陶瓷、FR4覆铜板（玻璃纤维环氧树脂覆铜板）、高分子材料、磁性材料等等，大部分的绝缘材料均可作为基体1，辐射部4为金属贴片，在采用陶瓷基体1时，可以采用低温共烧加工技术（LTCC），更易于对高介电常数的陶瓷材料进行加工处理，以保证天线产品的基本特性指标，陶瓷材料基体1的介电常数为9.8，体积根据不同的设计要求可以进行优化调节，在此不作赘述。
本公开实施例中，馈电件3（金属焊盘）呈矩形板状，两个矩形板状的馈电件3分别设于基体1的相对两侧面。如本发明中馈电件3的设置方式，有利于天线的结构设计，不需要采用其他结构即可以完成RF链路馈电，以及对PCB的GND部分的耦合，更加有利于天线与馈电件3之间的充分接触，从而增加天线的使用性能稳定性。
金属接地片2为矩形片状，其宽度可以按照工作频段优化设计得出。金属接地片2的相对两端沿自身长度方向分别延伸至下表面的相对两侧边缘，以实现金属接地片2的长度与陶瓷材料基体1的宽度一致，可以理解的是，此处的长度和宽度对于矩形状来说，是可以根据实际设计需要进行互换的；进一步地，两个金属接地片2的长边外侧也可分别与两个馈电件3的底边连接。
结合图3、图4和图5，辐射部4和辐射臂5为导电材料，例如银、铜或镍合金等，两个辐射部4位于两个辐射臂5的内侧/外侧，即，两个辐射部4可以是位于两个辐射臂5之间，也可以是位于两个辐射臂5相背的一侧。
作为一种可能实现的方式，辐射部4可以为多边形片状，例如，辐射部4可以为矩形片状、三角片状或者其余规则多边形或不规则多边形片状，辐射臂5可以为矩形条状、波浪形条状、拱形弯曲条状或者其余的规则或者不规则条状。辐射臂5可以是在辐射部4的外侧边沿该侧边长度方向延伸形成的。
作为一种可选的方式，辐射部4和辐射臂5均为矩形片状，其中较短的矩形金属贴片作为辐射部4，较长的矩形金属贴片作为辐射臂5，两个较短的矩形金属贴片关于基体1上表面的几何中心点中心对称，两个较长的矩形金属贴片关于基体1上表面的几何中心点中心对称，且两个较长的矩形金属贴片分别位于两个较短的矩形金属贴的外侧边沿，即辐射部4整体呈“斧头”型，并且，较长的矩形金属贴片沿该外侧边沿的长度方向延伸至基体1上表面的一侧边缘后，与基体1该侧的矩形板状的馈电件3顶边连接。
结合图6，作为另一种可选的方式，辐射部4还可以为条状，例如，辐射臂5和其一端的辐射部4形成整体呈类U型的结构，类U型是指U型结构的两端并不一定完全平齐；其中，U型结构的一端即为辐射臂5的一端，与馈电件3相连；U型结构的另一端即为辐射部4的一端，两个U型结构的辐射部4开口侧可以是相背或者相向。
可以理解的是，辐射部4不局限于“斧头”型、 “三角旗帜”型或“U”型弯折线型，只要是关于基体1的上表面的中心位置呈中心对称分布的形状均可通过调整辐射部4贴片形状对应的参数，亦可实现天线在所需的工作频段内表现出良好的性能参数。
上述的辐射部4、辐射臂5、馈电件3和金属接地片2可以是以厚膜工艺、薄膜工艺或压合工艺等附着于基体1上，还可以是通过LTCC技术烧结在基体1上，然后以电镀工艺或喷镀工艺使馈电件3和金属接地片2具备焊锡功能。
如图7和图8所示，使用ANSYS高频电磁仿真软件HFSS对本发明提出的交指型天线结构进行仿真，得到本发明所涉及的交指型天线结构对应的反射系数和驻波比系数分别随频率变化的曲线图。该种交指型天线结构，具有2400MHz-2480MHz共80MHz的工作带宽，明显满足蓝牙天线的基本工程要求。
如图9所示，显示的是交指型天线结构的辐射效率随着频率变化的曲线图，由图可知其对应的中心频点2440MHz时对应的辐射效率最大达到92%，工作频段内的平均辐射效率高达80%以上，满足工程基本参数要求。
如图10所示，显示的是交指型天线结构在其三维结构上画出的3D辐射方向图，可明显发现本发明涉及的蓝牙天线具有良好的辐射特性，增益值约为1.85dBi，满足工程基本参数要求。
本发明还提供一种天线总成，参照图11和图12，该天线总成可以包括如上述任一的交指型天线结构，还包括外部匹配电路6，外部匹配电路6包括金属接地板7、金属传输线8、介质板9和阻抗匹配电路，交指型天线结构和金属接地板7分别位于介质板9的两板面；交指型天线结构通过金属传输线8连接于阻抗匹配电路，阻抗匹配电路连接金属接地板7。
交指型天线结构可以是直接通过两个馈电件3（金属焊盘）连接于金属传输线8以实现连接于阻抗匹配电路，也可以是两个馈电件3（金属焊盘）分别通过两个金属接地板7连接于金属传输线8以实现连接于阻抗匹配电路。
其中，金属传输线8的宽度根据天线的工作频率以及介质基体1的规格参数计算得出，线长应在满足Π型阻抗匹配电路所需空间的前提下尽可能减短，以减少金属传输线8上的能量损耗。
阻抗匹配电路可以采用L型，T型和Π型匹配电路，作为一种可能实现的方式，阻抗匹配电路采用Π型匹配电路，Π型匹配电路包括在金属传输线8中间截取一个缝隙10用于安装RLC电子元件实现电连续，在缝隙10位置的左边与右边均截取一个缝隙10位置，二者分别连接在金属传输线8和金属接地板7之间，同样用于焊接RLC电子元件，三处缝隙10形成Π型结构，主要用于实现贴片天线的阻抗匹配功能。本公开实施例中，Π型匹配电路中用于焊接RLC电子元件的缝隙10宽度均不超过RLC电子元件的长度，如1.2mm、2mm等，也可以应用其他不同的RLC尺寸材料。
其中，介质板9的厚度、介电常数和正切损耗均对整个金属传输线8的线宽值有较大影响，可根据实际的工程要求进行计算得出线宽值参数，Π型匹配电路对应的金属传输线8的线宽可根据介质板9的具体规格参数进行调整。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (13)
1.交指型天线结构，其特征在于，包括：
基体(1)；
设置于基体(1)的两个馈电件(3)；
两个辐射臂(5)，两个辐射臂(5)设置在基体(1)的上表面，两个辐射臂(5)相背离的一端分别连接于两个馈电件(3)，两个馈电件(3)用于与外部匹配电路连接；
其中，两个辐射臂(5)的另一端均具有辐射部(4)，两个辐射部(4)位于两个辐射臂(5)的内侧/外侧。
2.如权利要求1所述的交指型天线结构，其特征在于，还包括两个金属接地片(2)，两个金属接地片(2)设于基体(1)的下表面，两个馈电件(3)分别与两个金属接地片(2)连接，两个金属接地片(2)与外部匹配电路连接。
3.如权利要求2所述的交指型天线结构，其特征在于，两个金属接地片(2)中心对称。
4.如权利要求1所述的交指型天线结构，其特征在于，所述辐射部(4)为多边形片状。
5.如权利要求4所述的交指型天线结构，其特征在于，所述辐射部(4)为矩形片状/三角形片状。
6.如权利要求1所述的交指型天线结构，其特征在于，所述辐射臂(5)为矩形条状/波浪形条状。
7.如权利要求1所述的交指型天线结构，其特征在于，所述辐射臂(5)和其一端的辐射部(4)形成整体呈类U型的结构。
8.如权利要求1所述的交指型天线结构，其特征在于，两个辐射臂(5)中心对称。
9.如权利要求1所述的交指型天线结构，其特征在于，两个辐射部(4)中心对称。
10.如权利要求1-9任一所述的交指型天线结构，其特征在于，所述馈电件(3)呈矩形板状，两个所述馈电件(3)分别设于基体(1)的相对两侧面。
11.如权利要求1-9任一所述的交指型天线结构，其特征在于，所述金属接地片(2)的相对两端沿自身长度方向分别延伸至下表面的相对两侧边缘。
12.天线总成，其特征在于，包括如权利要求1-11任一所述的交指型天线结构，还包括外部匹配电路(6)，所述外部匹配电路(6)包括金属接地板(7)、金属传输线(8)、介质板(9)和阻抗匹配电路，所述交指型天线结构和所述金属接地板(7)分别位于所述介质板(9)的两板面；所述交指型天线结构通过金属传输线(8)连接于阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路连接金属接地板(7)。
13.如权利要求12所述的天线总成，其特征在于，所述阻抗匹配电路采用Π型匹配电路。
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