适用于5G物联网设备的天线结构及物联网设备

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种适用于5G物联网设备的天线结构及物联网设备。

背景技术

近年来，随着物联网的飞速发展，物联网通信技术也得到了很大的提高。NB-IoT(Narrow Band Internet of Things，窄带物联网)是最新物联网技术中突出的一种，这是2015年9月在3GPP标准组织中立项提出的一种新的窄带蜂窝通信LPWAN(Low-Power Wide-Area Network，低功耗广域网)技术。与GSM、CDMA、WCDMA以及LTE等传统的2G，3G和4G蜂窝通信技术相比，NB-IoT能够实现海量的接入，超低的功耗和成本，同时，NB-IoT系统能够进行深度覆盖，实现很强的穿透性，并且能够与现有移动通信系统进行共站共址，减少塔顶负荷，在第五代移动通信中具有明显的优势，能够满足广域物联网通信需求。现如今，NB-IoT在智能抄表、畜牧业管理、井盖监控、智能家居以及智能追踪定位中具有广泛的应用，对于NB-IoT的相关研究必然成为通信领域的研究热点。

在5G通信的应用中，一个崭新且重要的应用场景是大规模物联设备互连，使得NB-IoT的实际应用场景越来越广泛。同时，在5G通信系统中提出了节能环保以及可持续发展的要求。而天线作为物联网设备收发系统中重要的一部分，其性能的优劣对整个系统的通信性能有着非常重要的影响，因此设计合适的超宽带天线也是物联网系统提出的要求，这对于物联网系统的频谱利用率提高具有极大的帮助。此外，对于小型物联网设备来说，无论是从频段，带宽还是天线辐射性能上，其本身结构尺寸从根本上就使天线设计的难度大大增加。因此，设计出适用于物联网终端的超宽带天线，对于提升物联网系统的稳定性和通信质量具有重要的现实意义。

通常，在传统的天线设计中，为了增加天线的带宽覆盖范围，一些射频器件(例如可调电容芯片或者是射频开关芯片)及其相应的外围匹配电路会被应用在天线系统中。一来元器件的引入会增加天线系统的成本，生产原材料的成本，工艺工序的成本，二来在PCB电路板中则需要预留出相应的空间来放置额外的射频芯片以及外围电路，这不仅增加了整个产品电路设计的难度，也使得原本就结构紧凑的PCB设计会变得更加棘手。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种适用于5G物联网设备的天线结构及物联网设备，可实现较宽的带宽覆盖范围。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种适用于5G物联网设备的天线结构，包括PCB板、天线辐射体、接地连接件和馈电连接件，所述天线辐射体上设有接地点和馈电点；所述天线辐射体设置于所述PCB板的上方，所述接地点通过所述接地连接件与所述PCB板连接，所述馈电点通过所述馈电连接件与所述PCB板电连接；所述天线辐射体包括相连的第一辐射分支和第二辐射分支，所述第一辐射分支和第二辐射分支分别位于所述接地点和馈电点的两侧，且所述第一辐射分支和第二辐射分支非对称设置；所述第一辐射分支和第二辐射分支的长度和宽度均不相同。

本发明还提出了一种物联网设备，包括如上所述的适用于5G物联网设备的天线结构。

本发明的有益效果在于：天线辐射体包含相连的两个非对称结构的辐射分支，每个辐射分支可直接产生一个谐振，从而在进行馈电激励时能够产生两个不同中心频率的谐振，实现双频覆盖，达到拓宽工作频率带宽的目的；且辐射分支可随着实际利用空间随意变化，从而实现空间利用最大化；同时具有结构简单、成本低等优点。本发明仅以天线本身作为唯一的辐射器件，无需额外的射频芯片辅助，即可获得较好的带宽覆盖以及良好的天线性能。

附图说明

图1为本发明实施例一的一种适用于5G物联网设备的天线结构的结构示意图；

图2为本发明实施例一的天线辐射体的俯视示意图；

图3为本发明实施例一的天线的回波损耗的仿真结果示意图；

图4为本发明实施例一在进行馈电激励时天线工作在820MHz的电流分布图；

图5为本发明实施例一在进行馈电激励时天线工作在930MHz的电流分布图；

图6为本发明实施例一的天线的总辐射效率示意图。

标号说明：

100、外壳；1、PCB板；2、天线辐射体；3、接地连接件；4、馈电连接件；5、接地点；6、馈电点；7、金属元器件；

21、第一辐射分支；22、第二辐射分支；

201、第一分支；202、第二分支；203、第一缝隙；204、第二缝隙；205、第三缝隙。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1，一种适用于5G物联网设备的天线结构，其特征在于，包括PCB板、天线辐射体、接地连接件和馈电连接件，所述天线辐射体上设有接地点和馈电点；所述天线辐射体设置于所述PCB板的上方，所述接地点通过所述接地连接件与所述PCB板连接，所述馈电点通过所述馈电连接件与所述PCB板电连接；所述天线辐射体包括相连的第一辐射分支和第二辐射分支，所述第一辐射分支和第二辐射分支分别位于所述接地点和馈电点的两侧，且所述第一辐射分支和第二辐射分支非对称设置；所述第一辐射分支和第二辐射分支的长度和宽度均不相同。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：无需额外的射频芯片辅助，即可获得较好的带宽覆盖以及良好的天线性能。

进一步地，所述天线辐射体与所述PCB板平行。

进一步地，还包括匹配电路，所述匹配电路与所述馈电点连接。

进一步地，所述PCB板上设有接地层，所述接地点通过所述接地连接件与所述PCB板上的接地层连接。

进一步地，所述PCB板上设有金属元器件，所述天线辐射体在所述PCB板上投影与所述金属元器件不重叠。

由上述描述可知，由于电磁波无法穿透金属，因此通过避开一些较大的金属部件可避免天线性能受其干扰。

进一步地，所述接地连接件为金属弹片。

进一步地，所述天线辐射体距离所述PCB板的高度为4.5mm。

本发明还提出了一种物联网设备，包括如上所述的适用于5G物联网设备的天线结构。

实施例一

请参照图1-6，本发明的实施例一为：一种天线结构，适用于5G小型物联网设备，如图1所示，所述天线结构设置于设备外壳100内，所述天线结构包括PCB板1、天线辐射体2、接地连接件3和馈电连接件4，所述天线辐射体2设置于所述PCB板1的上方，且与所述PCB板1平行。所述天线辐射体2上设有接地点5和馈电点6；所述接地点5通过所述接地连接件3与所述PCB板1连接，进一步地，与PCB板1上的接地层(图中未示出)连接；所述馈电点6通过所述馈电连接件4与所述PCB板1电连接。

优选地，所述接地连接件为金属弹片。所述馈电连接件可为天线顶针或馈线。进一步地，还包括匹配电路(图中未示出)，所述匹配电路与所述馈电点连接。

所述天线辐射体2包括相连的第一辐射分支21和第二辐射分支22，所述第一辐射分支21和第二辐射分支22分别位于所述接地点5和馈电点6的两侧，且所述第一辐射分支21和第二辐射分支22非对称设置。所述第一辐射分支21和第二辐射分支22的长度和宽度均不相同。

也就是说，为了能在有限的空间范围内实现良好的天线通信功能，本实施例采用了一种非对称形式的PIFA天线设计。在以馈电点和接地点为中心轴的两侧为两个长度和宽度均不相同的辐射分支，每个辐射分支均直接产生一个谐振，从而在进行馈电激励时能够产生两个不同中心频率的谐振，实现双频覆盖。非对称形式的优点在于短路枝节(接地连接件)与馈电枝节(馈电连接件)可随意放置于PCB的任何位置，辐射分支可随着实际利用空间随意变化，从而实现空间利用最大化。由于两个辐射分支相距较远，有很好的隔离度，在调试过程中不会直接相互影响和干扰。通过对各辐射分支的长度、宽度以及形态进行调整，即可较快满足覆盖不同频段的性能需求。

另外，PCB设计中通常会有较大的元器件例如屏蔽罩等对天线性能影响很大，本实施例可以通过对辐射分支独立的调试，较为灵活地满足性能指标，也可以最大限度地利用空间用以覆盖不同的频段。天线辐射体的长度，宽度以及形状均与天线的工作频率、阻抗相关，当长度或宽度发生变化的时候，天线所产生的谐振也会随之发生偏移。并且随着PCB板中元器件例如屏蔽罩等大型金属部件的位置变化而变化以获得良好的天线性能。

本实施例中，所述天线辐射体2在所述PCB板1上投影与PCB板1上的金属元器件7不重叠。由于电磁波无法穿透金属，因此通过避开一些较大的金属部件可避免天线性能受其干扰。

从上述描述可以看出，本实施例的天线结构通过在某一频段内产生双谐振，能够实现较宽的带宽覆盖范围。本实施例不仅仅只适用于低频，但是由于低频在小机身的情况下往往更难达到较宽的频段，因此，下述以仿真790-960MHz为例进行说明。

如图2所示，所述第一辐射分支21包括第一分支201和第二分支202，所述第一分支201呈长条形，所述第二分支202呈倒U字形；所述第一分支201的一端与馈电点6和接地点5连接，所述第一分支201的另一端与所述第二分支202的一端连接。

所述第二辐射分支22上设有第一缝隙203和第二缝隙204，所述第一缝隙203呈η形，所述第二缝隙204呈倒L形；所述第二缝隙204的一端与所述第一缝隙203的一端连接，所述第二缝隙204的另一端延伸至所述第二辐射分支22的边缘。

所述天线辐射体2还包括第三缝隙205，所述第三缝隙205呈阶梯形；所述第三缝隙205位于所述接地点5和馈电点6之间，且所述第三缝隙205的一端与所述第二缝隙204连接。

模拟仿真的物联网设备主要尺寸如下，设备外壳长度为72mm，宽度为37mm，厚度为21mm；PCB板的尺寸约为64mm×30mm；天线辐射体距离PCB板的高度为4.5mm。

图3为回波损耗的仿真结果，从图中可以看出，上述天线在工作频段800MHz以及900MHz频段范围内分别产生了一个谐振，即该天线可以覆盖的工作频段为791-960MHz，满足了物联网设备的天线频段覆盖范围。与传统的天线设计方案相比较，该天线设计方案通过采用非对称性形式的设计，在工作频段处实现了双谐振，增加了天线的带宽覆盖范围。

图4和图5分别为在进行馈电激励时天线工作在820MHz和930MHz的电流分布图，从图中可以看出，第一辐射分支上所形成的电流回路使其主要用于覆盖800MHz频段，第二辐射分支所形成的电流回路使其主要用于覆盖900MHz频段。

图6为上述天线的总辐射效率，从图中可以看出，上述天线结构表现出良好的辐射效率。

从上述仿真结果可以看出，本实施例能够解决小型物联网设备的天线设计需求，并且能够实现天线的超宽频覆盖范围并表现出良好的辐射性能。

传统天线中，低频段通常是不会出现双谐振的。通常在设备环境较差的情况下，单谐振是不足以覆盖低频的带宽的。而为了使天线带宽尽可能的覆盖多频段，通常的使用手段是使用射频开关芯片或可调电容芯片并配合相应的匹配电路来移动单谐振以实现低频段的带宽覆盖。而本实施例中，通过设置非对称形式的两个辐射分支，可在低频段实现双谐振，达到与射频开关芯片或可调电容芯片类似的效果，达到拓宽工作频率带宽的目的。

综上所述，本发明提供的一种适用于5G物联网设备的天线结构及物联网设备，天线辐射体包含相连的两个非对称结构的辐射分支，每个辐射分支可直接产生一个谐振，从而在进行馈电激励时能够产生两个不同中心频率的谐振，实现双频覆盖，达到拓宽工作频率带宽的目的；且辐射分支可随着实际利用空间随意变化，从而实现空间利用最大化；同时具有结构简单、成本低(包括材料成本、生产工艺成本等)等优点。本发明仅以天线本身作为唯一的辐射器件，无需额外的射频芯片辅助，即可获得较好的带宽覆盖以及良好的天线性能。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。