CN112103658A - 超宽带天线结构及电子设备 - Google Patents

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CN112103658A CN202010940250.9A CN202010940250A CN112103658A CN 112103658 A CN112103658 A CN 112103658A CN 202010940250 A CN202010940250 A CN 202010940250A CN 112103658 A CN112103658 A CN 112103658A
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刘宏伟
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Abstract

本发明公开了一种超宽带天线结构及电子设备，超宽带天线结构包括PCB板和屏蔽罩，所述屏蔽罩设置于所述PCB板上，所述屏蔽罩的表面上形成有缝隙天线。通过在屏蔽罩上设计实现超宽带天线，无需额外配置天线，可有效减小超宽带***、模组的尺寸，从而减小最终产品的尺寸；天线的形式为缝隙天线，利用了超宽带模组PCB板的金属地反射特性，让天线形成定向的辐射特性，可有效减小辐射能量朝向人体的部分，同时，定向的辐射特性也让天线能量更集中，在工作覆盖区域可获得更远的工作距离。

Description

超宽带天线结构及电子设备
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种超宽带天线结构及电子设备。
背景技术
在日常生活中，获取自己、对方或目标物体的位置信息是一种基本需求，基于获得的位置信息，可催生出多种多样的应用和服务，例如定位工厂贵重仪器或个人贵重物件、地下隧道或室内建筑内定位、获取附近知名景点、餐馆、地标建筑等。为了得到位置信息，使用的典型技术包括全球导航卫星***GNSS、移动通信、蓝牙、超宽带等。其中，超宽带(UWB)技术具有定位精度高，可用于室内定位等优点，在工业领域中，已经有广泛应用。近年来，通过与智能手机等终端类设备结合，可实现超宽带技术在消费者领域大规模普及，前景广阔，特别是智能耳机/眼镜和AR/VR的应用需要这类天线尽量节省终端的空间并提供定向辐射。
对于消费者领域的产品，尺寸越小越好，其中天线是超宽带***、模组中不可或缺的部分，当前超宽带天线大部分通过外部挂接一个天线实现，典型的如PCB天线和陶瓷天线，这在超宽带终端中不仅会占用额外的区域，不利于产品小型化；同时，也无法满足定向辐射减小对人体的影响。
如图1所示，图1为典型的超宽带电路模组的示意图，显示了电路模组必须的三个组成部分：屏蔽罩200、PCB板100和天线300，其中天线通过印制在PCB表面的金属图形实现，是当前电路模组中常见的天线实现方式，这需要占用额外的PCB区域，使得整体模组的尺寸较大。
另外，图1所采用的天线大都具有全向辐射特性，优点是可以覆盖更广阔的区域，但潜在的不足之处是对人体的影响。图2表示人手持有超宽带模组时的场景，其中的黑色虚线箭头表示超宽带模组的全向辐射。由此可见，很大一部分辐射能量朝向人手，这势必对人体健康有潜在的不利影响。对于智能耳机/眼镜、AR/VR等应用，辐射能量将朝向人脑，潜在的影响更不容忽视。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种超宽带天线结构及电子设备，可减小超宽带***、模组的尺寸。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种超宽带天线结构，包括PCB板和屏蔽罩，所述屏蔽罩设置于所述PCB板上，所述屏蔽罩的表面上形成有缝隙天线。
本发明还涉及一种电子设备，包括如上所述的超宽带天线结构。
本发明的有益效果在于：通过在屏蔽罩上设计实现超宽带天线，无需额外配置天线，可有效减小超宽带***、模组的尺寸，从而减小最终产品的尺寸；天线的形式为缝隙天线，利用了超宽带模组PCB板的金属地反射特性，让天线形成定向的辐射特性，可有效减小辐射能量朝向人体的部分，同时，定向的辐射特性也让天线能量更集中，在工作覆盖区域可获得更远的工作距离。
附图说明
图1为现有技术中的超宽带电路模组的示意图；
图2为人手持有超宽带模组时的示意图；
图3为本发明实施例一的超宽带天线结构的结构示意图；
图4为本发明实施例一的天线仿真的驻波和辐射效率曲线的示意图；
图5为本发明实施例一的天线在XoZ面仿真的增益方向图；
图6为本发明实施例二的结构示意图。
标号说明：
100、PCB板；200、屏蔽罩；300、天线；
1、PCB板；2、屏蔽罩；3、缝隙天线；4、馈电端口；5、馈电线；
31、第一缝隙；32、第二缝隙；33、第三缝隙；
51、第一段；52、第二段。
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3，一种超宽带天线结构，包括PCB板和屏蔽罩，所述屏蔽罩设置于所述PCB板上，所述屏蔽罩的表面上形成有缝隙天线。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：可有效减小超宽带模组的尺寸；且可有效减小辐射能量朝向人体的部分，同时，天线能量更集中，在工作覆盖区域可获得更远的工作距离。
进一步地，所述缝隙天线包括缝隙，所述缝隙上设有馈电端口，所述馈电端口靠近所述缝隙的一端。
进一步地，所述缝隙包括第一缝隙和第二缝隙，所述第一缝隙的一端与所述第二缝隙的一端连接，所述馈电端口设置于所述第二缝隙靠近所述第一缝隙的一端上。
进一步地，所述第二缝隙的长度大于所述第一缝隙的长度。
由上述描述可知，所述第一缝隙除了作为缝隙天线的一部分，还起到缝隙天线阻抗匹配支节的作用，通过改变第一缝隙的尺寸，如长度和宽度，可有效调整缝隙天线的输入阻抗，实现缝隙天线的阻抗匹配。
进一步地，所述缝隙还包括第三缝隙，所述第三缝隙的一端与所述第二缝隙的另一端连接。
由上述描述可知，当缝隙总长度越长时，缝隙天线的谐振频率越低，因此，可以依据实际超宽带***、模组的工作频率要求，调整缝隙总长度，让超宽带天线工作于所需频率。
进一步地，还包括馈电线，所述馈电线设置于所述屏蔽罩内，且所述馈电线的一端从馈电端口处横跨所述缝隙。
进一步地，所述馈电线为同轴线，所述同轴线包括依次连接的第一段和第二段，所述第一段包括内导体，所述第二段包括内导体和外导体；所述第一段从馈电端口处横跨所述缝隙，且所述第一段远离第二段的一端设置于所述屏蔽罩的内表面上。
由上述描述可知，通过同轴线实现馈电，在同轴线横跨缝隙天线的位置，剥除同轴线外导体，露出同轴线内导体，并焊接同轴线第一段的末端到屏蔽罩内表面，由此形成缝隙天线的馈电。
进一步地，所述PCB板上设有贯穿所述PCB板的通孔，所述第二段远离第一段的一端穿过所述通孔与信号输入装置连接。
进一步地，所述第二段远离第一段的一端安装有第一接头，所述PCB板上贴装有与所述第一接头相适配的第二接头，所述第一接头和第二接头扣合连接。
由上述描述可知，通过设置相适配的接头，让第二段远离第一段的一端通过互配扣合的方式，装配到PCB板上，实现超宽带天线与***电路的互联，此时PCB板不需要设置通孔。
进一步地，所述缝隙的宽度为1mm。
从上述描述可知，所述缝隙的宽度会影响天线的工作带宽，可根据超宽带***的工作频率及带宽的要求，设置缝隙的宽度。
本发明还提出一种电子设备，包括如上所述的超宽带天线结构。
实施例一
请参照图3-5，本发明的实施例一为：一种超宽带天线结构，可应用于超宽带***、模组中，并让所应用的超宽带***、模组尺寸更小。
如图3所示，包括PCB板1和屏蔽罩2，所述屏蔽罩2设置于所述PCB板1上，所述屏蔽罩1的表面上形成有缝隙天线3。即可在屏蔽罩的顶面或侧面上形成缝隙天线，本实施例以在顶面上形成缝隙天线为例进行说明。其中，所述屏蔽罩的材质为金属。
所述缝隙天线包括缝隙，所述缝隙上设有馈电端口，所述馈电端口靠近所述缝隙的一端。此时，馈电端口可将缝隙分为两段，且一段的长度较长，另一段较短，而较短的一段除了是缝隙天线的一部分，还起到缝隙天线阻抗匹配支节的作用，通过改变较短的一段的尺寸，可有效调整缝隙天线的输入阻抗，实现缝隙天线的阻抗匹配。
其中，缝隙可由一个缝隙、两个缝隙或多个缝隙组成。主要的考量因素在于缝隙的总长度，这是由于缝隙的总长度会影响缝隙天线的谐振频率，当缝隙总长度越长时，缝隙天线的谐振频率越低，因此，可以依据实际超宽带***、模组的工作频率要求，调整缝隙总长度，让缝隙天线工作于所需频率。
本实施例中以三个缝隙为例，如图3所示，缝隙包括依次连接的第一缝隙31、第二缝隙32和第三缝隙33，所述馈电端口4设置于所述第二缝隙32靠近所述第一缝隙31的一端上。其中，第二缝隙和第三缝隙的总长度大于第一缝隙的长度，优选地，第一缝隙与第三缝隙平行。此时，第一缝隙除了是缝隙天线的一部分，还起到缝隙天线阻抗匹配支节的作用，通过改变第一缝隙的尺寸，如长度和宽度，可有效调整缝隙天线的输入阻抗，实现缝隙天线的阻抗匹配。
其中，缝隙的宽度会影响天线的工作带宽。优选地，所述第一缝隙、第二缝隙和第三缝隙的宽度均为1mm。
通过在馈电端口处施加激励信号进行仿真，可得到如图4所示的天线仿真的驻波和辐射效率曲线。由图4中的驻波仿真曲线可知，该超宽带天线中心工作频率为7.9872GHz，参考IEEE Std 802.15.4TM-2015，此频率即为超宽带信道9的中心频率，且对于驻波小于3时，所对应的频率范围为7.7GHz至8.27GHz，可完整覆盖信道9的499.2MHz的频率范围。与此同时，在7.7GHz至8.27GHz的频率范围内，该天线的辐射效率在74％以上，可见馈入天线的大部分能量都有效辐射出去。
图5为本实施例的天线在XoZ面(XoZ面与XoY面垂直，XoY面与屏蔽罩的顶面平行，X轴方向与图3中的第二缝隙的长度方向平行)仿真的增益方向图，从图5可以看出，该天线为定向性天线，天线主辐射方向朝屏蔽罩正上方，3dB波瓣宽度为79.3°，总体而言，该缝隙天线可有效覆盖屏蔽罩正上方区域，实现超宽带***的定位功能。另外，如果采用本实施例提出的天线方案，集成于智能手机、超宽带模组等产品中时，也可省去对净空的需求，方便整机堆叠并减小整机尺寸。
本实施例通过在屏蔽罩上设计实现超宽带天线，无需额外配置天线，可有效减小超宽带***、模组的尺寸，从而减小最终产品的尺寸。同时，本实施例的缝隙天线，利用了超宽带模组PCB板的金属地反射特性，让天线形成定向的辐射特性，可有效减小辐射能量朝向人体的部分，并且，定向的辐射特性也让天线能量更集中，在工作覆盖区域可获得更远的工作距离。
实施例二
请参照图6，本实施例是实施例一的进一步拓展，相同之处不再累述，区别在于，还包括馈电线5，所述馈电线5部分位于所述屏蔽罩2内，且所述馈电线5的一端从馈电端口处横跨所述第二缝隙32。
如图6所示，本实施例中，所述馈电线为同轴线，所述同轴线包括依次连接的第一段51和第二段52，所述第一段51包括内导体，所述第二段52包括内导体和外导体；所述第一段51从馈电端口处横跨所述第二缝隙32，且所述第一段51远离第二段52的一端通过焊接的方式固定设置在所述屏蔽罩2顶部的内表面上；所述第二段远离第一段的一端与信号输入装置(测试仪器，如网络分析仪，图中未示出)连接。
也就是说，本实施例通过同轴线实现馈电，在同轴线横跨缝隙天线的位置，剥除同轴线外导体，露出同轴线内导体并焊接到屏蔽罩内表面，由此形成缝隙天线的馈电。
进一步地，所述PCB板上设有贯穿所述PCB板的通孔，所述第二段远离第一段的一端穿过所述通孔与信号输入装置(测试仪器，如网络分析仪)连接。
进一步地，所述第二段远离第一段的一端也可以不穿过所述PCB板，此时所述第二段远离第一段的一端可以安装有第一接头，同时在PCB板上贴装相适配的第二接头，让所述第二段远离第一段的一端通过互配扣合的方式，装配到PCB板上，实现超宽带天线与***电路的互联，此时所述PCB板也不需要设置所述通孔。
在同轴线材质的选择上，可以是刚性、半刚性和柔性，优选柔性同轴线，这样便于同轴线与***电路部分的互联，进而实现缝隙天线与***电路的互联，形成可完整工作的超宽带***、模块。
综上所述，本发明提供的一种超宽带天线结构及电子设备，通过在屏蔽罩上设计实现超宽带天线，无需额外配置天线，可有效减小超宽带***、模组的尺寸，从而减小最终产品的尺寸；天线的形式为缝隙天线，利用了超宽带模组PCB板的金属地反射特性，让天线形成定向的辐射特性，可有效减小辐射能量朝向人体的部分，同时，定向的辐射特性也让天线能量更集中，在工作覆盖区域可获得更远的工作距离。
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。

Claims (11)

1.一种超宽带天线结构，其特征在于，包括PCB板和屏蔽罩，所述屏蔽罩设置于所述PCB板上，所述屏蔽罩的表面上形成有缝隙天线。
2.根据权利要求1所述的超宽带天线结构，其特征在于，所述缝隙天线包括缝隙，所述缝隙上设有馈电端口，所述馈电端口靠近所述缝隙的一端。
3.根据权利要求2所述的超宽带天线结构，其特征在于，所述缝隙包括第一缝隙和第二缝隙，所述第一缝隙的一端与所述第二缝隙的一端连接，所述馈电端口设置于所述第二缝隙靠近所述第一缝隙的一端上。
4.根据权利要求3所述的超宽带天线结构，其特征在于，所述第二缝隙的长度大于所述第一缝隙的长度。
5.根据权利要求3所述的超宽带天线结构，其特征在于，所述缝隙还包括第三缝隙，所述第三缝隙的一端与所述第二缝隙的另一端连接。
6.根据权利要求2所述的超宽带天线结构，其特征在于，还包括馈电线，所述馈电线设置于所述屏蔽罩内，且所述馈电线的一端从馈电端口处横跨所述缝隙。
7.根据权利要求6所述的超宽带天线结构，其特征在于，所述馈电线为同轴线，所述同轴线包括依次连接的第一段和第二段，所述第一段包括内导体，所述第二段包括内导体和外导体；所述第一段从馈电端口处横跨所述缝隙，且所述第一段远离第二段的一端设置于所述屏蔽罩的内表面上。
8.根据权利要求7所述的超宽带天线结构，其特征在于，所述PCB板上设有贯穿所述PCB板的通孔，所述第二段远离第一段的一端穿过所述通孔与信号输入装置连接。
9.根据权利要求7所述的超宽带天线结构，其特征在于，所述第二段远离第一段的一端安装有第一接头，所述PCB板上贴装有与所述第一接头相适配的第二接头，所述第一接头和第二接头扣合连接。
10.根据权利要求2所述的超宽带天线结构，其特征在于，所述缝隙的宽度为1mm。
11.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-10任一项所述的超宽带天线结构。
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