一种天线及天线设备

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种天线及天线设备。

背景技术

随着智能城市建设、物联网工程实施以及移动通信终端的不断更新换代，无线通信技术迅猛发展。在无线通信系统中，天线是必不可少的关键部件之一。为满足多层大户型建筑的无线通信覆盖，需要考虑同层覆盖及跨层覆盖。然而，当前市场上的天线最大辐射方向在水平面，使得它们只具备较好的同层覆盖能力，跨层覆盖能力却较弱。

这种天线结构主要包括一个辐射单元与一个寄生单元，虽然能通过改变寄生单元结构来实现方向图可重构，但往往只能实现天线方向图在水平面的变化，无法实现方向图在水平面和上下倾斜角度的切换，从而无法满足无线信号在水平面和上下倾斜角度的覆盖。

发明内容

本发明实施例的目的是提出一种天线及天线设备，通过在接地板设置缺陷地结构，并加入可重构开关实现通断，使得天线的方向图能实现在水平面和倾斜角度的切换，从而满足多层建筑的无线通信覆盖。

为实现上述目的，本发明一实施例提供了一种天线，包括介质基板、第一单极子天线、第二单极子天线和可重构开关；其中，所述介质基板的正反面均接地；所述第一单极子天线和所述第二单极子天线均设置在所述介质基板的正面；所述介质基板的接地面还设有缺陷地结构，所述可重构开关设在所述缺陷地结构内；所述缺陷地结构包括第一组沟槽和第二组沟槽，第一组沟槽靠近所述第一单极子天线，第二组沟槽靠近所述第二单极子天线。

优选地，所述介质基板的正面分为两侧，所述第一单极子天线位于其中一侧，所述第二单极子天线位于另一侧。

优选地，所述第一单极子天线和所述第二单极子天线均包括第一枝节、第二枝节和第三枝节；所述第一枝节设有馈电点，所述第一枝节还包括由所述馈电点往其延伸方向依次连接的且宽度递增的第一矩形块、梯形块和第二矩形块；第二枝节和第三枝节均为矩形块，所述第二枝节的短边与所述第二矩形块的短边连接，且所述第二枝节与所述第二矩形块在同一直线上，所述第三枝节与所述第二枝节的长边垂直连接，且所述第三枝节与所述馈电点在同一侧。

优选地，第一组沟槽包括第一沟槽和第二沟槽，所述第一沟槽靠近所述第一单极子天线的馈电点，所述第二沟槽靠近所述第一单极子天线的第二枝节，且所述第二沟槽有一段沟槽与所述第一单极子天线的第三枝节平行；

第二组沟槽包括第三沟槽和第四沟槽，所述第三沟槽靠近所述第二单极子天线的馈电点，所述第四沟槽靠近所述第二单极子天线的第二枝节，且所述第四沟槽有一段沟槽与所述第二单极子天线的第三枝节平行。

优选地，所述可重构开关包括第一可重构开关、第二可重构开关、第三可重构开关和第四可重构开关，所述第一可重构开关设在所述第一沟槽内，所述第二可重构开关设在所述第二沟槽内，所述第三可重构开关设在所述第三沟槽内，所述第四可重构开关设在所述第四沟槽内。

优选地，所述第一沟槽、所述第二沟槽、所述第三沟槽和所述第四沟槽均有一端与所述介质基板的边缘连通。

优选地，所述可重构开关的类型包括射频开关、PIN二极管或可变电容。

优选地，当所述可重构开关为射频开关时，所述可重构开关包括六个引脚，其中的两个引脚用于连接CPU，用于接收所述CPU的控制信号以控制所述射频开关的工作状态，一个引脚连接所述沟槽的一侧，作为信号输入端；一个引脚连接所述沟槽的另一侧，作为信号输出端；一个引脚悬空；一个引脚接地。

优选地，所述沟槽均为L型槽。

本发明另一实施例提供一种天线设备，包括如上述任一项所述的天线。

与现有技术相比，本发明实施例所提供的一种天线及天线设备，通过在接地板设置缺陷地结构，加入四个L型沟槽，并在沟槽内加入可重构开关实现通断，使得天线的方向图能实现上倾、水平、下倾三种辐射模式，以实现天线辐射在水平面和垂直面的切换，同时兼顾上下楼层的信号，满足多层建筑的无线通信覆盖的应用要求。而且本发明的天线为单极子双频天线，利用一个天线结构实现双频天线功能，使得天线尺寸较小，易于产品小型化；同时该天线成本低廉，无高成本器件，易于在家用产品上应用。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的一种天线的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的一种单极子天线的结构示意图；

图3是本发明一实施例提供的一种天线在开槽前后对应的辐射方向图的变化示意图；

图4是本发明一实施例提供的一种天线在第一可重构开关、第三可重构开关导通时和四个可重构开关均断开时分别对应的竖直切面的辐射方向图；

图5是本发明一实施例提供的一种天线在第二可重构开关、第四可重构开关导通时和四个可重构开关均断开时分别对应的竖直切面的辐射方向图；

图6是本发明一实施例提供的一种天线在四个可重构开关均导通时和四个可重构开关均断开时分别对应的竖直切面的辐射方向图；

图7是本发明一实施例提供的一种射频开关的电路原理图；

图8是本发明一实施例提供的一种射频开关的开关引脚的简化结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明该实施例提供的一种天线的结构示意图，所述天线包括介质基板5、第一单极子天线1、第二单极子天线2和可重构开关；其中，所述介质基板5的正反面均接地；所述第一单极子天线1和所述第二单极子天线2均设置在所述介质基板5的正面；所述介质基板5的接地面还设有缺陷地结构，所述可重构开关设在所述缺陷地结构内；所述缺陷地结构包括第一组沟槽和第二组沟槽，第一组沟槽靠近所述第一单极子天线1，第二组沟槽靠近所述第二单极子天线2。

具体地，天线包括介质基板5、第一单极子天线1、第二单极子天线2和可重构开关；其中，介质基板5的正反面均接地，且正反面均覆铜。第一单极子天线1和第二单极子天线2均设置在介质基板5的正面。如图1所示，在介质基板5正面的左侧和右侧各空出一块，没有铺接铜皮，用于放置第一单极子天线1和第二单极子天线2。介质基板5的接地面还设有缺陷地结构(Defected Ground structure，DGS)，可重构开关设在缺陷地结构内，当可重构开关设在某一沟槽中时，通过可重构开关的闭合与断开，可以实现沟槽两侧的连通或关断，从而改变天线辐射方向图。缺陷地结构包括第一组沟槽和第二组沟槽，第一组沟槽靠近第一单极子天线1，第二组沟槽靠近第二单极子天线2。第一组沟槽和第一组沟槽中的可重构开关结合，用于控制第一单极子天线1的方向图倾角；第二组沟槽和第二组沟槽中的可重构开关结合，用于控制第二单极子天线2的方向图倾角。本发明还可以通过调整沟槽的位置和不同可重构开关的启闭，来实现天线整体方向图的可控，从而满足不同的通信需求。

本发明该实施例通过提供一种天线，在介质基板5中加入缺陷地结构，并加入可重构开关实现通断，使得天线的方向图能实现在水平面和上下倾斜角度的切换，从而满足多层建筑的无线通信覆盖。

作为上述方案的改进，所述介质基板5的正面分为两侧，所述第一单极子天线1位于其中一侧，所述第二单极子天线2位于另一侧。

具体地，介质基板5的正面分为两侧，第一单极子天线1位于其中一侧，第二单极子天线2位于另一侧。如图1所示，第一单极子天线1位于正面的左侧，第二单极子天线2位于正面的右侧。

第一单极子天线1与第二单极子天线2的位置可以左右对称或者不对称，取决于实际使用场景。当第一单极子天线1与第二单极子天线2设置为左右对称时，中心线为第一单极子天线1的馈电点与第二单极子天线2的馈电点连线的平分线。在实际应用场景下，当左右天线的位置不再对称分布时，可以通过调节铜皮的形状和槽线的位置，实现天线辐射方向的调整。

作为上述方案的改进，所述第一单极子天线1和所述第二单极子天线2均包括第一枝节、第二枝节和第三枝节；所述第一枝节设有馈电点，所述第一枝节还包括由所述馈电点往其延伸方向依次连接的且宽度递增的第一矩形块、梯形块和第二矩形块；第二枝节和第三枝节均为矩形，所述第二枝节的短边与所述第二矩形块的短边连接，且所述第二枝节与所述第二矩形块在同一直线上，所述第三枝节与所述第二枝节的长边垂直连接，且所述第三枝节与所述馈电点在同一侧。

具体地，参见图2，是本发明该实施例提供的一种单极子天线的结构示意图，由图2可知，第一单极子天线1和第二单极子天线2均包括第一枝节、第二枝节和第三枝节；第一枝节设有馈电点，第一枝节还包括由馈电点往其延伸方向依次连接的且宽度递增的第一矩形块、梯形块和第二矩形块；第二枝节和第三枝节均为矩形，第二枝节的短边与第二矩形块的短边连接，且第二枝节与第二矩形块在同一直线上，第三枝节与第二枝节的长边垂直连接，且第三枝节与馈电点在同一侧。第二枝节的另一个长边与第二矩形块远离梯形块的长边对齐。

此外，由图2还可知，左侧为本发明使用的单极子天线，其等效为右边的两个天线单元，右边第一个天线单元，用来形成2.4GHz的谐振，右边第二个天线单元，用来形成5GHz的谐振。由此说明，单极子天线为双频天线，即通过一个天线结构来实现双频天线功能，比起单频天线，将天线的数量减小一半，在一定程度上节省了版面空间，实现了小型化的作用。

作为上述方案的改进，第一组沟槽包括第一沟槽41和第二沟槽42，所述第一沟槽41靠近所述第一单极子天线1的馈电点，所述第二沟槽42靠近所述第一单极子天线1的第二枝节，且所述第二沟槽42有一段沟槽与所述第一单极子天线1的第三枝节平行；

第二组沟槽包括第三沟槽43和第四沟槽44，所述第三沟槽43靠近所述第二单极子天线2的馈电点，所述第四沟槽44靠近所述第二单极子天线2的第二枝节，且所述第四沟槽44有一段沟槽与所述第二单极子天线2的第三枝节平行。

需要说明的是，在天线附近的地面上开槽，形成DGS(defected groundstructure)结构，可以改变天线附近地的表面电流分布，进而改变了电场分布，最终影响了天线的辐射方向。参见图3，是本发明该实施例提供的一种天线在开槽前后对应的辐射方向图的变化示意图。由图3可知，在2.4G频段，DGS的加入使天线辐射方向更趋向于水平面；在5G频段，天线的旁瓣减小，主瓣增益提高。总的来说，天线在两个频段的水平面增益都有了显著提高。

具体地，第一组沟槽包括第一沟槽41和第二沟槽42，第一沟槽41靠近第一单极子天线1的馈电点，第二沟槽42靠近第一单极子天线1的第二枝节，且第二沟槽42有一段沟槽与第一单极子天线1的第三枝节平行，且第二沟槽42也靠近第三枝节。优选地，如图1所示，介质基板5为矩形，第一单极子天线1印刷在介质基板5左上角，第一沟槽41位于第一单极子天线1水平方向的右侧，第二沟槽42位于第一单极子天线1竖直方向的下方。

第二组沟槽包括第三沟槽43和第四沟槽44，第三沟槽43靠近第二单极子天线2的馈电点，第四沟槽44靠近第二单极子天线2的第二枝节，且第四沟槽44有一段沟槽与第二单极子天线2的第三枝节平行，且第四沟槽44也靠近第二单极子天线2的第三枝节。优选地，如图1所示，介质基板5为矩形，第二单极子天线2印刷在介质基板5右上角，第三沟槽43位于第二单极子天线2水平方向的左侧，第四沟槽44位于第二单极子天线2竖直方向的下方。

作为上述方案的改进，所述可重构开关包括第一可重构开关31、第二可重构开关32、第三可重构开关33和第四可重构开关34，所述第一可重构开关31设在所述第一沟槽41内，所述第二可重构开关32设在所述第二沟槽42内，所述第三可重构开关33设在所述第三沟槽43内，所述第四可重构开关34设在所述第四沟槽44内。

具体地，可重构开关包括第一可重构开关31、第二可重构开关32、第三可重构开关33和第四可重构开关34，第一可重构开关31设在第一沟槽41内，第二可重构开关32设在第二沟槽42内，第三可重构开关33设在第三沟槽43内，第四可重构开关34设在第四沟槽44内。每个沟槽的可重构开关用于控制对应沟槽的通断。当可重构开关断开时，DGS结构生效，改变天线波束形状使得天线的最大波束指向水平面；当可重构开关导通时，DGS结构失效，天线波束形状恢复。

可重构开关处于不同的工作状态时，天线有不同的辐射形态，具体参见图4、图5和图6，图4是本发明该实施例提供的一种天线在第一可重构开关、第三可重构开关导通时和四个可重构开关均断开时分别对应的竖直切面的辐射方向图，图5是本发明该实施例提供的一种天线在第二可重构开关、第四可重构开关导通时和四个可重构开关均断开时分别对应的竖直切面的辐射方向图，图6是本发明该实施例提供的一种天线在四个可重构开关均导通时和四个可重构开关均断开时分别对应的竖直切面的辐射方向图。由图4可知，第一可重构开关31、第三可重构开关33导通时，天线的2.4G方向图均上倾，5G的方向图反方向上倾。由图5可知，第二可重构开关32、第四可重构开关34导通时，天线的2.4G方向图均下倾，5G的方向图上倾。由图6可知，四个可重构开关均导通时，天线的2.4G波束分散，由于上边槽影响比较大，所以最大辐射方向上倾，5G的方向图上倾。最终结果如表1所示，表1为本发明该实施例提供的一种天线在不同开关状态下对应的天线性能。

表1天线在不同开关状态下对应的天线性能

作为上述方案的改进，所述第一沟槽41、所述第二沟槽42、所述第三沟槽43和所述第四沟槽44均有一端与所述介质基板5的边缘连通。

具体地，第一沟槽41、第二沟槽42、第三沟槽43和第四沟槽44均有一端与介质基板5的边缘连通。当介质基板5为矩形，第一沟槽41与第三沟槽43均有一端与矩形介质基板5的第一边缘连通，第二沟槽42的一端与矩形介质基板5的第二边缘连通，第四沟槽44的一端与矩形介质基板5的第三边缘连通，第一边缘与第二边缘、第四边缘相互垂直，第二边缘与第四边缘相互平行。

作为上述方案的改进，所述可重构开关的类型包括射频开关、PIN二极管或可变电容。

具体地，可重构开关的类型包括射频开关、PIN二极管或可变电容。其中，射频开关和PIN二极管是通过控制内部电路的通断来实现开关的通断，可变电容，即可变电容器，是通过改变电容量来实现通断的。

作为上述方案的改进，当所述可重构开关为射频开关时，所述可重构开关包括六个引脚，其中的两个引脚用于连接CPU，用于接收所述CPU的控制信号以控制所述射频开关的工作状态，一个引脚连接所述沟槽的一侧，作为信号输入端；一个引脚连接所述沟槽的另一侧，作为信号输出端；一个引脚悬空；一个引脚接地。

具体地，当可重构开关为射频开关时，可重构开关包括六个引脚。优选地，射频开关型号为RTC6619SP。参见图7，是本发明该实施例提供的一种射频开关的电路原理图，其开关引脚的简化结构图可参见图8。六个引脚分别为VC1、VC2、RFC、RF1、RF2和GND，其中的两个引脚VC1和VC2用于连接CPU，具体为连接主芯片的GPIO端口，用于接收CPU的控制信号以控制射频开关的工作状态。一个引脚RFC连接沟槽的一侧，作为信号输入端。一个引脚RF1连接沟槽的另一侧，作为信号输出端。一个引脚RF2悬空，也就是说，本发明中只采用了RFC-RF1这一路。一个引脚GND接地。其中，CPU的控制信号包括高电平和低电平。参见表2，为射频开关的真值表。由表2可知，当VC1是高电平且VC2是低电平时，开关导通；当VC1是低电平且VC2是高电平，开关断开。

表2射频开关的真值表

作为上述方案的改进，所述沟槽均为L型槽。

具体地，所述沟槽均为L型槽，即第一沟槽41、第二沟槽42、第三沟槽43和第四沟槽44均为L型槽。

本发明另一实施例还提供一种天线设备，包括如上述任一实施例所述的天线。其中，所述天线的具体结构可以参照上述实施例的相关说明，此处不再赘述。

综上，本发明实施例所提供的一种天线及天线设备，通过在接地板设置缺陷地结构，加入四个L型沟槽，并在沟槽内加入可重构开关实现通断，使得天线的方向图能实现上倾、水平、下倾三种辐射模式，以实现天线辐射在水平面和倾斜角度的切换，同时兼顾上下楼层的信号，满足多层建筑的无线通信覆盖的应用要求。而且本发明的天线为单极子双频天线，利用一个天线结构实现双频天线功能，使得天线尺寸较小，易于产品小型化；同时该天线成本低廉，无高成本器件，易于在家用产品上应用。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。