同心半圆环微带天线及基于智能家居的无线传感器天线

技术领域

本发明属于智能天线技术领域，尤其涉及一种同心半圆环微带天线及基于智能家居的无线传感器天线。

背景技术

目前，随着物联网的兴起，使用2.4G ISM频段的无线电子产品越来越多，降低这些产品的制造成本是提高竞争力的重要手段，降低成本就意味着创造了价值。

现有无线通讯电子设备一般采用多根射频天线。然而这些天线的尺寸、带宽、增益等重要指标却受到了基本物理原理的限制(固定尺寸下的增益极限、带宽极限等)。这些指标极限的基本原理使得天线的小型化技术难度远远超过了其它器件，而由于射频器件的电磁场分析的复杂性，逼近这些极限值都成为了巨大的技术挑战。比如，传统的终端通信天线主要基于电单极子或偶极子的辐射原理进行设计，最常用的平面反F天线(PIFA)。传统天线的辐射工作频率直接和天线的尺寸正相关，带宽和天线的面积正相关，使得天线的设计通常需要半波长的物理长度

对比专利(CN204088568U)共面波导同心圆环天线，结构相比较为简单，满足2.4GISM频段。

对比专利(CN202797265U)单圆环小型微带天线，本次采用内外双圆环天线设计，极大增加天线增益。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有无线通讯电子设备一般采用多根射频天线。然而这些天线的尺寸、带宽、增益等重要指标却受到了基本物理原理的限制(固定尺寸下的增益极限、带宽极限等)。传统天线的辐射工作频率直接和天线的尺寸正相关，带宽和天线的面积正相关，使得天线的设计通常需要半波长的物理长度。

现有天线不能满足2.4ISM频段和传感器工作要求，低成高、体型大。

解决以上问题的意义为：

本发明使用一种PCB天线来进行传感器类天线制作，并采用一种新式天线结构以及半圆环天线结构设计，能够使天线满足2.4ISM频段和传感器工作要求，并且具有低成本、小型化等优势，适合用于智能家居无线传感器模块。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种同心半圆环微带天线及基于智能家居的无线传感器天线。

本发明是这样实现的，一种同心半圆环WLAN微带天线，所述同心半圆环WLAN微带天线设置有基板；

所述基板上表面设有双圆环形贴片、微带线馈电激励片、第一金属接地板、第二金属接地板、第三金属接地板；

所述阻抗匹配输入传输线的一端与双圆环形贴片相连，另一端与微带线馈电激励片的一端相连，微带线馈电激励片的另一端与第三金属接地板相连；

所述双圆环形贴片包括内半圆环形贴片、外半圆环形贴片；所述半圆环形贴片与外半圆环形贴片在边缘处相连；

所述半圆环形贴片与外半圆环形贴片的半圆内外径尺寸小于1/4λ，其中λ为自由空间波长；

所述第一金属接地板、第二金属接地板、第三金属接地板设置在基板后方区域。

进一步，所述半圆环形贴片与外半圆环形贴片的半圆内外径尺寸，对于2.4G频段天线，长度满足：

λ为自由空间波长，ε

进一步，所述外半圆环形贴片、内半圆环形贴片通过微带线馈电激励片产生激励源，通过与微带线馈电激励片连接在一起的阻抗匹配输入传输线进行传输到天线谐振体。

进一步，所述阻抗匹配输入传输线长度为1/4λ；

所述阻抗匹配输入传输线还连接有1/4λ阻抗转换器，其中，λ为自由空间波长。

进一步，所述第一金属接地板、第二金属接地板、第三金属接地板为圆形或三角形。

进一步，所述内半圆环形贴片、外半圆环形贴片为圆环形、矩形、或菱形。

进一步，所述内半圆环形贴片、外半圆环形贴片在基板上安装位置为水平、垂直或立体安装；

通过确定使用的工作频段，调整所述内半圆环形贴片、外半圆环形贴片的结构周长。

本发明的另一目的在于提供一种搭载任意一项所述同心半圆环WLAN微带天线的用于基于智能家居的无线传感器天线，所述用于基于智能家居的无线传感器天线工作在ISM 2.4GHz频段天线的仿真带宽为245MHz。

本发明的另一目的在于提供一种搭载所述同心半圆环WLAN微带天线的通过蓝牙、ZigBee、WiFi连接的无线通信设备。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明天线设计其主要构成分为介质层，接地平面以及天线谐振体(辐射结构)，结合相关WiFi模块板载pcb天线设计，本发明将天线设计在一块材料为环氧树脂的介质板之上，使得2.4GHz频段的带宽拓展100M、天线peak gain增益达5dB、基于金属片长度可以灵活调整天线尺寸，同时保证天线谐振体上下区域保持净空达到相关增益高、超带宽等效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的同心半圆环WLAN微带天线top层主视图。

图中：1、基板；2、微带线馈电激励片；3、阻抗匹配输入传输线；4、金属接地板；5、金属接地板；6、外半圆环形贴片；7、内半圆环形贴片；8、双圆环形贴片；9、金属接地板。

图2是本发明实施例提供的同心半圆环WLAN天线回波损耗图。

图3是本发明实施例提供的同心半圆环WLAN天线EH平面增益图。

图4是本发明实施例提供的印刷天线在频率为2.4GHz时的三维方向增益图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种同心半圆环微带天线及基于智能家居的无线传感器天线，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明提供的同心半圆环WLAN微带天线设计为微带天线设计，它是在一块厚度小于工作波长的介质基板上的一面敷以金属辐射片，另一面上敷以金属薄层作为接地板而成。其中本次微带半圆环天线设计中其辐射体(半圆环)尺寸小于1/4波长，因而天线剖面低(天线薄)，有利于共形设计保证优良的空气动力特性。

如图1所示，同心半圆环WLAN微带天线包括基板1、双圆环形贴片8、阻抗匹配输入传输线3、第一金属接地板4、第二金属接地板5、第三金属接地板9。

双圆环形贴片8包括：内半圆环形贴片7、外半圆环形贴片6。基板1的上表面设有内半圆环形贴片7、外半圆环形贴片6、微带线馈电激励片2、第一金属接地板4、第二金属接地板5、第三金属接地板9，阻抗匹配输入传输线3的一端与双圆环形贴片8相连，另一端与微带线馈电激励片2的一端相连，微带线馈电激励片2的另一端与第三金属接地板9相连。

外半圆环形贴片6、内半圆环形贴片7的环形微带天线元为天线辐射体，其通过微带线馈电激励片2lump port(集总端口)产生一个激励源，通过与其连接在一起的阻抗匹配输入传输线3进行传输到天线谐振体，电流按驻波分布，可以达到沿馈点水平方向上天线接收能力最强，同时因为ISM频段为2.4G频段，因此本此天线谐振点(S11最小，传输损耗最小点)需要满足在2.4G频段。

在本发明中，优选地，基于常规WiFi模块尺寸建立，基板1的长度为54mm,宽度为48mm，且厚度设置为0.8mm,材料则选取是pcb板的材质FR4_epoxy(环氧树脂)，介电常数为4.9，满足小型化双层pcb板设计要求。

内半圆环形贴片7、外半圆环形贴片6边缘处直接相连，从内半圆环形贴片7内顶部引出一条竖直臂，其中外圆环形贴片6的内外半径分别为9.2mm，10.2mm，内圆环形贴片7的内外半径分别为7.2mm，8.2mm，竖直臂长度为7.2mm，宽度为1mm。

在本发明中，优选地，第一金属接地板4、第二金属接地板5、第三金属接地板9长度为16mm，宽度为10mm；为满足天线上下区域保持净空，此次天线设计将第一金属接地板4、第二金属接地板5、第三金属接地板9设置在基板后方区域，达到天线附近净空的效果，同时可以有效降低接地金属片对天线辐射性能的影响，间接增强天线的辐射效率和增益效果。

在本发明中，优选地，阻抗匹配输入传输线3微带传输线：长度为11.5mm，宽度为2mm，其目的是使微带传输线的阻抗与微带天线阻抗进行匹配，其设计长度要求满足1/4λ(工作波长)附近。

微带天线的特性阻抗并不符合微波器件通用的50Ω系统，所以在设计微带天线时，可加上一段1/4波长阻抗转换器，以此来达到阻抗匹配的效果，减小损耗。

在本发明中，优选地，内半圆环形贴片7、外半圆环形贴片6设计中，对于2.4G频段天线而言，长度应满足：

在本发明中，优选地，该天线装置可以通过改变相关参数从而达到不同的效果。例如，通过改变接地金属片大小形状(第一金属接地板4、第二金属接地板5、第三金属接地板9)：由于金属接地片在满足天线净空要求时，金属地板对其影响较小，可以通过改变金属地为圆形、三角形等均能满足此要求。

在本发明中，优选地，辐射贴片形状更改(内半圆环形贴片7、外半圆环形贴片6)：本次天线设计为圆环形设计；形状可替代更换为矩形、菱形等；位置可替代为水平、垂直或立体结构通过确定使用的工作频段，调整环形辐射体结构周长，可达到相近使用效果。

下面结合仿真测试对本发明作进一步描述。

本发明所设计同心半圆环WLAN天线的各项性能指标采用HFSS软件进行仿真分析测试，所得的回波损耗曲线如图2所示。由图2可见，-10dB以下的工作频段为2.3GHz～2.5GHz，天线带宽200Mhz，图3所示为同心半圆环WLAN天线在2.4GHz时的EH增益图，由图3可见，在频率为2.4GHz时，增益为5dB。

以上数据为经验公式所得，设计建模中作为参考项，在实际仿真设计中运用anasys optimetrics进行参数优化和调整来达到天线最优性能。本次天线参数调试相比类似微带贴片天线，天线peak gain达5db。有效带宽达到120MHz。

图3所示的增益图为同心半圆环WLAN天线EH平面增益图，其中下标记线为E平面上天线增益显示，其满足标准红细胞增益图显示，E平面最高增益达0-1db；上标记线为H平面上天线增益显示，其最高增益达到5dB。

本发明天线3D空间波瓣图的斜视图如图4所示，3D Directivity天线增益为5dB，通过仿真可以看出该天线沿着Z轴负方向的辐射强度最大，因此无线传感器模块沿着该方向的发射与接收效果最佳。

下面结合具体应用实施例对本发明作进一步描述。

应用例

本发明提出了一款用于基于智能家居的无线传感器天线。

如图4所示，该天线top层所在的平面为XOY平面。在TOP层俯视图中绕着与XOY平面垂直的Z轴逆时针转动时，与X轴的夹角用phi表示，其中的Feed Point是所述的印刷天线的馈电点，其中的Short point与印刷电路板的接地(GND)相连，构成了所述天线的短路一端。

天线工作在ISM 2.4GHz频段，天线的仿真带宽为245MHz，仿真结果满足传感器模块所需工作带宽。

该类型天线具有低剖面、小型化、易加工等优点，因此广泛应用于蓝牙、ZigBee、WiFi等无线通信设备中，对比专利(CN204088568U)共面波导同心圆环天线，结构相比较为简单，并且满足2.4GISM频段。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。