一种加载阻抗的天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种加载阻抗的天线。

背景技术

目前无线通信设备在生活工作中发挥巨大作用，因而众多消费类电子无线通信设备更考虑消费者的个性需求，不断在完成高性能指标的同时，追求外观新颖、小型别致。天线作为无线通信设备的重要组件，需要具有超小型、易集成、高性能、紧凑共型的特点，以适应新型无线通信设备的需求。无线通信设备，尤其是目前生活中常用的WiFi通信设备，包括路由器，移动终端等，其常见的天线类型为偶极子天线、单极子天线、倒F天线等。

偶极子和单极子天线结构简单，理论成熟，作为天线单个部件，容易设计，因而被广泛使用，但由于其辐射方向较为固定，通常需要竖直放置，难以结合目前新型的无线设备做低剖面、共形的设计。偶极子和单极子天线带宽较窄，单个天线不能适应多频的WiFi协议标准。当天线需要根据无线设备的要求被设计时，尺寸进一步变小，天线的阻抗带宽会变得更窄，因此偶极子和单极子的方案通常不能被直接应用在新型设备中。

倒F天线结构小，能够满足低剖面的要求，通常被印刷在射频板上的边缘位置，它克服了上述偶极子和单极子带宽较窄的不足，但其仍有缺陷。例如，在实际应用中需要预留特定空间的净空区，且需要避免元器件、金属构件在天线构件附近，否则将导致天线受到环境加载严重，天线的辐射阻抗通常急剧变化，难以与环境的阻抗进行匹配，导致天线在该环境空间下的辐射效率低。

使用加载阻抗的方法可以缓解天线阻抗和环境阻抗不匹配的问题，根据天线理论，加载集成电阻可以令天线的阻抗变化范围更广，在设计时具有更多匹配的可能性。当所加载的阻抗令天线在宽带内阻抗平坦，则天线具有更宽带的特性。目前，已有的加载天线多在某类特定天线上进行加载，天线的形态受限，难以集成到设备中进行共形设计。例如，专利文献1(公开号CN10227077A)在领结天线的基础上进行加载；专利文献2(公开号CN108461910A)使用Vivaldi天线作为设计原型，这些天线虽然能被印刷在电路板上，形成高度上的低剖面结构，但平面面积仍较大。

其次，使用加载阻抗方法可能导致天线的效率很低。参考文献3(S.V.Hum,J.Z.Chu,R.H.Johnston and M.Okoniewski,"Efficiency of a resistively loadedmicrostrip patch antenna,"in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,vol.2,pp.22-25,2003,doi:10.1109/LAWP.2003.810777.)从多个方面证实了加载阻抗的微带贴片式天线虽然带宽上提高了，但效率低到不能接受的程度。如何合理使用加载阻抗的方法，令天线既保持尺寸小，又能保持高辐射效率，具有很重要的学术意义和很大的经济价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的如何合理使用加载阻抗的方法，令天线既保持尺寸小，又能保持高辐射的效率的问题，提供一种加载阻抗的天线。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种加载阻抗的天线，所述天线呈长条扁平结构，所述天线内部开槽，形成开槽口，并且所述开槽口为半环绕形结构，所述半环绕形结构构成天线辐射面的主体部分，所述半环绕形结构上具有缝隙，加载阻抗放置在所述开槽口的缝隙处；

所述天线的底部还设置有一个馈电点和至少一个接地点，并且所述馈电点为所述半环绕形结构的开端，所述接地点为所述半环绕形结构的终端；

所述天线辐射面与所述加载阻抗用于将所述天线的电流形成行驻波形式。

采用上述技术方案，所述天线呈扁平状，能够印刷在单面PCB上，便于被装配在紧凑的无线设备环境中；并且提供了可调谐的、易操作的天线辐射面；将加载阻抗设置在开槽的缝隙处，保证了天线电流合理的行驻波分布，令天线阻抗带宽较宽的同时，保证了天线的高辐射效率，因此使得本发明的天线可内置在紧凑而复杂的无线通信设备环境中并保持高性能工作。

作为本发明的优选方案，所述半环绕形结构能够被一次或多次弯曲，弯曲时，转角为直角、倒斜角或者圆角，所述倒斜角或者圆角根据电流反射情况和阻抗匹配情况进行设置。

作为本发明的优选方案，所述半环绕形结构具有至少一个所述缝隙，每个所述缝隙的宽度不等，所述缝隙将所述半环绕形结构分割成若干个长度和宽度不等的谐振单元，所述谐振单元之间通过加载阻抗相连。

作为本发明的优选方案，所述谐振单元周围通过切割部分天线或增设金属枝节，形成金属枝节结构，所述金属枝节与所述半环绕形结构固定连接，或者通过所述缝隙与所述半环绕形结构进行耦合。

作为本发明的优选方案，每两个所述接地点之间通过所述金属枝节进行连接。

作为本发明的优选方案，所述加载阻抗的数量小于或等于所述缝隙的数量，并且所述加载阻抗至少为一个。

作为本发明的优选方案，所述加载阻抗为：电阻、电容或电感中的一种，或者所述电阻、电容或电感的组合。

作为本发明的优选方案，所述天线的尺寸为0.344λ

另一方面，公开了一种加载阻抗的无线设备射频板，所述无线设备射频板上集成有上述任一所述的加载阻抗的天线，所述无线设备射频板接地，所述天线的馈电点和接地点与所述无线设备射频板的馈电点和接地点对应连接。

作为本发明的优选方案，所述天线的底部设置有至少一个不含金属层的固定脚，并且所述无线设备射频板上设有至少一个开槽，用于安装所述天线。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：所述天线呈扁平状，能够印刷在单面PCB上，便于被装配在紧凑的无线设备环境中；并且提供了可调谐的、易操作的天线辐射面；将加载阻抗设置在开槽的缝隙处，保证了天线电流合理的行驻波分布，令天线阻抗带宽较宽的同时，保证了天线的高辐射效率，因此使得本发明的天线可内置在紧凑而复杂的无线通信设备环境中并保持高性能工作。

附图说明

图1为本发明实施例1所述的一种加载阻抗的天线的形态示例图；

图2为本发明实施例1所述的一种加载阻抗的天线在5.9GHz下的电流分布情况图；

图3为本发明实施例1所述的一种加载阻抗的天线通过弯曲金属长条形成的半环绕形态天线的示例图；

图4为本发明实施例1所述的一种加载阻抗的天线有加载阻抗和金属枝节的天线示例图；

图5为本发明实施例2所述的一种加载阻抗的天线的馈电点和接地点示例图；

图6为本发明实施例2所述的一种加载阻抗的天线的装配示例图；

图7为本发明实施例3所述的一种加载阻抗的天线的具体实施例的示意图；

图8为本发明实施例3所述的一种加载阻抗的天线在2.420GHz频率下的3D方向图；

图9为本发明实施例3所述的一种加载阻抗的天线在5.320GHz频率下的3D方向图；

图10为本发明实施例3所述的一种加载阻抗的天线的S11图；

图11为本发明实施例3所述的一种加载阻抗的天线的辐射方向图在模型中的位置指示图；

图12为本发明实施例3所述的一种加载阻抗的天线在2.45GHz频率下的平面方向图及增益情况；

图13为本发明实施例3所述的一种加载阻抗的天线在5.5GHz频率下的平面方向图及增益情况；

图14为本发明实施例3所述的一种加载阻抗的天线的效率-频率关系图；

图中标记：1-半环绕形结构，2-加载阻抗，3-缝隙，4-馈电点，5-接地点，6-金属枝节。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

一种加载阻抗的天线，如图1和图5所示，所述天线呈长条扁平结构，所述天线内部开槽，形成开槽口，并且所述开槽口为半环绕形结构1，所述半环绕形结构1的材质为金属，所述半环绕形结构1构成天线辐射面的主体部分，所述半环绕形结构1上具有缝隙3，加载阻抗2放置在所述开槽口的缝隙3处；

所述天线的底部还设置有一个馈电点4和至少一个接地点5，并且所述馈电点4为所述半环绕形结构1的开端，所述接地点5为所述半环绕形结构1的终端；

馈电点4位于天线的左侧，接地点5位于馈电点4的右侧(由于天线能够进行镜面对称设计，因此馈电点4在左侧和接地点5在右侧都是相对的)，接地点5的数目、具体位置和接地金属的宽度不恒定。

所述天线辐射面与所述加载阻抗2用于将所述天线的电流形成行驻波形式。

具体的，根据天线理论和传输理论，未加载的天线能够建模为开路的传输线，天线的电流在天线辐射面形成驻波，当在天线的末端加载电阻时，当加载的负载等于天线末端处的特性阻抗，则形成末端加载匹配负载的传输线，此时天线辐射面没有反射波，形成宽阻抗宽带的行波天线。

合理的加载阻抗2位置有助于保证行驻波的比例，令天线既保留了行波天线的宽带特性，且驻波部分能提供较高的辐射效率。加载阻抗2的位置处于天线辐射面的中部，在馈电点4至加载阻抗2的谐振单元部分形成行波，该部分谐振单元应设置高频工作的辐射面，例如对带宽要求高的5GHz频段。

当频率在5.9GHz时，天线的电流分布情况如图2所示。可见在5GHz谐振单元中，电流的最小位置随相位的变化而改变，天线电流在左部分含有明显的行波特征。而天线的整体电流不全是行波，右半部分的谐振单元提供了驻波特征，令天线上的电流不完全被加载负载吸收，提高了天线的辐射效率。

如图3所示，所述半环绕形结构1能够被一次或多次弯曲，弯曲时，转角为直角、倒斜角或者圆角，所述倒斜角或者圆角根据电流反射情况和阻抗匹配情况进行设置。

所述半环绕形结构1具有至少一个所述缝隙3，每个所述缝隙3的宽度不等，所述缝隙3将所述半环绕形结构1分割成若干个长度和宽度不等的谐振单元，所述谐振单元之间通过加载阻抗2相连。

如图4所示，所述谐振单元周围通过切割部分天线或增设金属枝节6，形成金属枝节结构，所述金属枝节6与所述半环绕形结构1固定连接，或者通过所述缝隙3与所述半环绕形结构1进行耦合，形成所述谐振单元的寄生结构，来优化天线的阻抗特性。

具体的，简单地通过调节各谐振单元的臂长，改变天线谐振单元的谐振中心频率，从而令天线工作在不同的谐振点。

每两个所述接地点5之间能够通过所述金属枝节6进行连接。

具体的，相连的多个接地的金属枝节6形成寄生电容，有助于改善天线的品质因数和匹配阻抗。

所述加载阻抗2的数量小于或等于所述缝隙3的数量，并且所述加载阻抗2至少为一个。

所述加载阻抗2为：电阻、电容或电感中的一种，或者所述电阻、电容或电感的组合。所述加载阻抗2的封装型号不恒定，可根据所述缝隙3的大小而定。

具体的，所述天线辐射面包括一个馈电点4、至少一个接地点5、多个谐振单元、多个金属枝节6或者寄生电容，天线的加载阻抗2和天线辐射面可被印刷在印制电路板上的单面上，印制电路板的介电常数、厚度不恒定，具体视工程需求而定。

所述天线的尺寸为0.344λ

采用上述技术方案，所述天线呈扁平状，能够印刷在单面PCB上，便于被装配在紧凑的无线设备环境中；并且提供了可调谐的、易操作的天线辐射面；将加载阻抗设置在开槽的缝隙处，保证了天线电流合理的行驻波分布，令天线阻抗带宽较宽的同时，保证了天线的高辐射效率，因此使得本发明的天线可内置在紧凑而复杂的无线通信设备环境中并保持高性能工作。

实施例2

一种加载阻抗的无线设备射频板，如图5所示，所述无线设备射频板上集成有实施例1所述的加载阻抗的天线，所述无线设备射频板接地，所述天线的馈电点4和接地点5与所述无线设备射频板的馈电点和接地点对应连接。

具体的，所述天线的扁平结构能令天线与无线设备射频板上元器件大致等高，所述天线可被视为无线设备射频板上的元件，因而易于集成。其装配特征在于，印制在电路板上的天线竖直于接地的无线设备射频板。无线设备射频板的大小和厚度不恒定，天线相对于无线设备射频板边缘的位置不恒定。无线设备射频板馈电点4和接地点5预留焊盘，可用焊接的方式连接天线和无线设备射频板各自对应的馈电点和接地点。

所述天线的底部设置有至少一个不含金属层的固定脚，并且所述无线设备射频板上设有至少一个开槽，用于安装所述天线。

具体的，如图6所示，天线装配时可以不严谨垂直于无线设备射频板，天线与无线设备射频板之间存在±10°以内的夹角被认为可接受的装配误差。为了使扁平的天线稳定装配，天线所在印刷电路板地底部可设置不含金属层的固定脚一个或多个，相应地，可在无线设备射频板对应位置上开一个或多个槽以安装天线。

实施例3

本实施例为实施例1的具体实施例，如图7所示，所述天线用于紧凑的无线设备环境中，本实施例展示所述天线在某路由器装置中的使用。所述天线垂直装配在射频板上，左右两侧各一个放置，两个天线镜像对称。在实际工作时，允许各种电气元件例如贴片电阻、电解电容、接插件、金属屏蔽罩等器件紧密布置在天线附近。射频板下是由铝金属构成的散热片，其金属结构对天线性能影响小。所发明天线被印刷在单面的PCB上，天线顶部的中间部分，焊接有一个阻值为402Ω的集总电阻，该电阻连接含馈电点的左部分结构和含一个接地点的右部分结构，使天线整体呈环绕形结构。如图8、图9所示，上述实施例的方向图实测结果显示，天线能很好地在其顶部方向形成半球形辐射。

所述天线工作在2.4GHz和5GHz频段，可覆盖Wi-Fi的两个频段，且阻抗带宽较宽，例如在某设计下，其-10dB阻抗带宽在2.4GHz频段中为2.24GHz-2.52GHz，在5GHz频段中为5.05GHz-5.9GHz，如图10所示。

如图11所示，所述天线的辐射方向为半球，其法线方向垂直于无线设备射频板。在分别和接地板平面、天线板平面均垂直的平面上，天线的方向图半侧圆度较好。如图12和图13所示，在2.4GHz频段和5GHz频段上，所述天线可实现均匀的增益。

如图14所示，所述天线在Wi-Fi协议的2.4GHz频段和5.8GHz频段效率达到-2dB以上，在5.2GHz频段，效率稍低，为-3dB～-2dB之间。根据天线理论，天线的尺寸越小，其辐射阻抗越难匹配，导致辐射效率越低。本发明的天线同比其他相近尺寸的天线，辐射效率较高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。