一种单极天线的设计方法、装置及系统与流程

本发明涉及通信设备技术领域，特别是涉及一种单极天线的设计方法、装置及系统。

背景技术：

无线耳机由于其便利性而受到越来越多用户的喜爱。无线耳机的外观丰富多样，无线耳机中的天线的设计也相应地发生变化，以便与无线耳机的外观相适应。无线耳机中的天线通常为单极天线，在进行单极天线设计时如何在有限的项目周期内快速确定一个可行的单极天线是工程师需要面对的一个重要问题，现有技术中在进行单极天线设计时只能根据工程师经验来进行调整，然后通过对调整后的单极天线进行可行性检测，并根据检测后的结果再对单极天线进行调整，并重复上述过程，直至单极天线符合天线要求，该种根据经验进行调节的调节方式周期较长。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种单极天线的设计方法、装置及系统，缩短了单极天线的设计周期。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种单极天线的设计方法，包括：

基于目标频段预先建立初始单极天线的等效电路；

确定所述初始单极天线的阻抗匹配电路，并对所述匹配电路中的元件进行属性不变、连接关系变成互耦的半互耦转换，得到半互耦阻抗匹配电路；

分别将所述阻抗匹配电路、所述半互耦阻抗匹配电路与所述初始单极天线的等效电路进行组合，得到多个中间单极天线；

从多个所述中间单极天线中确定符合预设天线限定条件的中间单极天线作为最终的单极天线。

优选地，所述基于目标频段预先建立初始单极天线的等效电路，包括：

建立初始单极天线的等效电路框架，所述等效电路包括串联连接的电感、寄生电阻及寄生电容；

获取所述初始单极天线在所述目标频段的两个端点频率点的阻抗；

基于所述端点频率点的阻抗、所述端点频率点及与单极天线连接的射频模组的输出阻抗确定所述电感、寄生电阻及寄生电容的数值；

基于所述等效电路框架、所述电感、寄生电阻及寄生电容的数值得到所述初始单极天线的等效电路。

优选地，所述射频模组的输出阻抗为50ω。

优选地，所述单极天线为蓝牙天线，两个所述端点频率点包括2.4ghz和2.48ghz。

优选地，从多个所述中间单极天线中确定符合预设天线限定条件的中间单极天线作为单极天线，包括：

从多个所述中间单极天线中选出阻抗与射频模组的阻抗满足共轭匹配的中间单极天线。

优选地，从多个所述中间单极天线中确定符合预设天线限定条件的中间单极天线作为单极天线，还包括：

从选择的中间单极天线中选出符合esd认证和/或辐射杂散认证的中间单极天线作为单极天线。

优选地，所述阻抗匹配电路包括第一阻抗匹配电路和/或第二阻抗匹配电路；

其中，所述第一阻抗匹配电路包括第一电容和第一电感，所述第一电感的一端与所述第一电容的一端连接，所述第一电感与所述第一电容连接的公共端作为所述阻抗匹配电路的输入端，所述第一电感的另一端接地，所述第一电容的另一端作为所述第一阻抗匹配电路的输入端；

所述第二阻抗匹配电路包括第二电容和第三电容，所述第二电容的一端与所述第三电容的一端连接，所述第二电容与所述第三电容连接的公共端作为所述第二阻抗匹配电路的输入端，所述第二电容的另一端接地，所述第三电容的另一端作为所述第二阻抗匹配电路的输出端。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种单极天线的设计系统，包括：

等效单元，用于基于目标频段预先建立初始单极天线的等效电路；

半互耦转换单元，用于确定所述初始单极天线的阻抗匹配电路，并对所述匹配电路中的元件进行属性不变、连接关系变成互耦的半互耦转换，得到半互耦阻抗匹配电路；

组合单元，用于分别将所述阻抗匹配电路、所述半互耦阻抗匹配电路与所述初始单极天线的等效电路进行组合，得到多个中间单极天线；

检测单元，用于从多个所述中间单极天线中确定符合预设天线限定条件的中间单极天线作为最终的单极天线。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种单极天线的设计装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述所述单极天线的设计方法的步骤。

本发明提供了一种单极天线的设计方法，该方案站在整体框架的角度，先基于目标频段建立初始单极天线的等效电路，然后确定初始单极天线与射频模组之间的阻抗匹配电路，并对阻抗匹配电路进行属性不变、连接关系变成互耦的半互耦转换，得到半互耦阻抗匹配电路，后续分别将阻抗匹配电路、半互耦阻抗匹配电路与初始单极天线的等效电路进行组合，便可得到多个中间单极天线。由于基于半互耦阻抗匹配电路的中间单极天线与基于阻抗匹配电路的中间单极天线的带宽是基本相同的，而阻抗、esd特性等是不同的，从而使得在保证中间单极天线的带宽特性的基础上有更多地不同阻抗、esd特性的中间单极天线的选择，增大了后续确定出符合预设天线限定条件的中间单极天线的概率，缩短了单极天线的设计周期。

本发明还提供了一种单极天线的设计系统及装置，具有与上述单极天线的设计方法相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明提供的一种单极天线的设计方法的流程图；

图2为本发明提供的一种蓝牙天线在目标频段的smith图；

图3a为本发明提供的第一阻抗匹配电路的结构示意图；

图3b为本发明提供的第一阻抗匹配电路对应的半互耦阻抗匹配电路的结构示意图；

图3c为本发明提供的第二阻抗匹配电路的结构示意图；

图3d为本发明提供的第二阻抗匹配电路对应的半互耦阻抗匹配电路的结构示意图；

图4a为本发明提供的第一阻抗匹配电路的s11的频率响应图；

图4b为本发明提供的第一阻抗匹配电路对应的半互耦阻抗匹配电路的s11的频率响应图；

图4c为本发明提供的第二阻抗匹配电路的s11的频率响应图；

图4d为本发明提供的第二阻抗匹配电路对应的半互耦阻抗匹配电路的s11的频率响应图；

图5a为本发明提供的第一阻抗匹配电路的smith图；

图5b为本发明提供的第一阻抗匹配电路对应的半互耦阻抗匹配电路的smith图；

图5c为本发明提供的第二阻抗匹配电路的smith图；

图5d为本发明提供的第二阻抗匹配电路对应的半互耦阻抗匹配电路的smith图；

图6为本发明提供的一种初始单极天线的s11的频率响应图；

图7为本发明提供的一种初始单极天线的smith图；

图8a为本发明提供的基于图3a对应的阻抗匹配电路的中间单极天线的s11的频率响应图；

图8b为本发明提供的基于图3a对应的阻抗匹配电路的中间单极天线的smith图；

图9a为本发明提供的基于图3b对应的半互耦阻抗匹配电路的中间单极天线的s11的频率响应图；

图9b为本发明提供的基于图3b对应的阻抗匹配电路的中间单极天线的smith图；

图10为本发明提供的一种单极天线的设计系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种单极天线的设计方法、装置及系统，缩短了单极天线的设计周期。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做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。

请参照图1，图1为本发明提供的一种单极天线的设计方法的流程图。

该方法包括：

步骤11：基于目标频段预先建立初始单极天线的等效电路；

为了加快单极天线的设计，便于后续与阻抗匹配电路组合并判定中间单极天线是否符合预设天线限定条件，本实施例中先基于目标频段建立初始单极天线的等效电路。具体地，基于初始单极天线的谐振特性可以确定等效电路的框架，基于初始单极天线的目标频段对应的阻抗便可确定等效电路的框架中各个元件的数值，最终确定初始单极天线的等效电路。

步骤12：确定初始单极天线的阻抗匹配电路，并对匹配电路中的元件进行属性不变、连接关系变成互耦的半互耦转换，得到半互耦阻抗匹配电路；

具体地，在实际应用中，可以预先确定出适用于单极天线且带宽较宽的阻抗匹配电路，阻抗匹配电路用于对初始单极天线及射频模组之间的谐振阻抗特性进行调节，考虑到符合带宽较宽的要求的阻抗匹配电路的数量较少，为了在保证带宽特性的基础上得到更多地阻抗匹配电路，本申请中对阻抗匹配电路进行属性不变、连接关系变成互耦的半互耦转换。需要说明的是，电容和电感是不同的元件属性，为互耦关系，并联和串联是不同的连接关系，也是互耦关系。传统的互耦结构是指元件属性和连接关系均发生改变的结构。本申请中需要的是半互耦结构，本申请中的半互耦转换具体指的是：阻抗匹配电路中，电容还是电容，电感还是电感，只是这些元件的连接关系由原来的并联变成串联，或者由原来的串联变成并联。

经过半互耦转换后，得到半互耦阻抗匹配电路，需要强调的是，为了保持与阻抗匹配电路差不多的带宽特性，虽然元件属性不变，但是元件的数值还是需要重新调节一下。通过该种半互耦转换方式，半互耦阻抗匹配电路的带宽特性与阻抗匹配电路的带宽特性相差不大，基本相同。

通过本步骤，假定确定了两个阻抗匹配电路，则经过半互耦转换后便可以得到两个半互耦阻抗匹配电路，最终得到四个阻抗匹配电路。

步骤13：分别将阻抗匹配电路、半互耦阻抗匹配电路与初始单极天线的等效电路进行组合，得到多个中间单极天线；

步骤14：从多个中间单极天线中确定符合预设天线限定条件的中间单极天线作为最终的单极天线。

在确定带宽较宽的阻抗匹配电路和半互耦阻抗匹配电路后，分别将阻抗匹配电路、半互耦阻抗匹配电路与初始单极天线的等效电路进行组合，得到多个中间单极天线，由于半互耦阻抗匹配电路与等效电路组合得到的中间单极天线，和阻抗匹配电路与等效电路组合得到的中间单极天线的带宽是基本相同的，而阻抗、esd(electro-staticdischarge，静电释放)特性等是不同的，从而使得在保证中间单极天线的带宽特性的基础上有更多地不同阻抗、esd特性的中间单极天线的选择，增大了后续确定出符合预设天线限定条件的中间单极天线的概率，缩短了单极天线的设计周期。

需要说明的是，这里的预设天线限定条件可以基于天线设计需求来设定，例如阻抗设计需求、esd认证等需求等，本申请在此不作特别的限定。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选地实施例，基于目标频段预先建立初始单极天线的等效电路，包括：

建立初始单极天线的等效电路框架，等效电路包括串联连接的电感、寄生电阻及寄生电容；

获取初始单极天线在目标频段的两个端点频率点的阻抗；

基于端点频率点的阻抗、端点频率点及与单极天线连接的射频模组的输出阻抗确定电感、寄生电阻及寄生电容的数值；

基于等效电路框架、电感、寄生电阻及寄生电容的数值得到初始单极天线的等效电路。

具体地，初始单极天线多为一细长线，其在工作时会产生谐振，本申请基于其谐振特性来建立初始单极天线的等效电路框架，等效电路框架本质上为串联谐振电路，该等效电路框架包括串联连接的电感、寄生电阻及寄生电容，其中，电感、寄生电阻及寄生电容的位置可以互换。

然后，通过初始单极天线的smith图得到初始单极天线在目标频段的两个端点频率点的阻抗，然后基于如下公式得到电感、寄生电阻及寄生电容的数值。

其中，公式为：

初始单极天线的阻抗的实部＝r0；

其中，ω＝2πf，ω为角频率，f为频率；

以初始单极天线为蓝牙天线为例，其目标频段为2.4ghz-2.48ghz，请参照图2，图2为本发明提供的一种蓝牙天线在目标频段的smith图，mark点1(三角形)为2402mhz，点2为2480mhz。通常天线设计要求vswr(voltagestandingwaveratio，电压驻波比)小于3或者小于2，对于的在smith图上两个同心圆，如图2所示，天线的阻抗只要在vswr＝3的圈内也即vswr小于3(换算成s11(回波损耗特性)即s11<-6db带宽)则满足设计要求。同理，天线的阻抗只要在vswr＝2的圈内也即vswr小于2(换算成s11即s11<-10db带宽)则满足设计要求。

通过smith图得到其在2.4ghz的阻抗为7+35j，在2.48ghz的阻抗为7+45j。将这些数据代入到上述公式后得到r0＝7ω，l0＝4.7nh，c0＝2pf。

在得到电感、寄生电阻及寄生电容的数值后，便可得到最终初始单极天线的等效电路。

作为一种优选地实施例，射频模组的输出阻抗为50ω。

具体地，考虑到很多现有很多射频模组的输出阻抗为50ω，为适用于这些射频模组，这里的射频模组的输出阻抗可以设置为50ω，当然，也可能为其他数值例如75ω，本申请对于射频模组的输出阻抗的具体数值不作特别的限定，根据实际情况来定。作为一种优选地实施例，单极天线为蓝牙天线，两个端点频率点包括2.4ghz和2.48ghz。

本申请对于单极天线的具体类型不作特别的限定，根据实际情况来定，单极天线的类型不同，其目标频段也可能不同，进而其两个端点频率点也是不同的。

作为一种优选地实施例，从多个中间单极天线中确定符合预设天线限定条件的中间单极天线作为单极天线，包括：

从多个中间单极天线中选出阻抗与射频模组的阻抗满足共轭匹配的中间单极天线。

具体地，为了提高天线效率，保持最大传输功率，射频模组的阻抗需要与中间单极天线的阻抗满足共轭匹配，由于半互耦阻抗匹配电路与等效电路组合得到的中间单极天线，和阻抗匹配电路与等效电路组合得到的中间单极天线的带宽是基本相同的，而阻抗、esd特性、辐射杂散特性等是不同的，因此，本申请得到的多个不同阻抗的中间单极天线中大概率存在与射频模组的阻抗满足共轭匹配的中间单极天线。可见，基于本申请提供的天线设计方式可以增大确定出符合阻抗限定条件的中间单极天线的概率，缩短单极天线的设计周期。

作为一种优选地实施例，从多个中间单极天线中确定符合预设天线限定条件的中间单极天线作为单极天线，还包括：

从选择的中间单极天线中选出符合esd认证和/或辐射杂散认证的中间单极天线作为单极天线。

与上述实施例同理，本申请得到的多个不同esd特性和/或辐射杂散特性的中间单极天线中大概率存在与射频模组的阻抗满足共轭匹配的中间单极天线。可见，基于本申请提供的天线设计方式可以增大确定出符合esd认证和/或辐射杂散认证条件的中间单极天线的概率，缩短单极天线的设计周期。

当然，这里的预设天线限定条件还可以为其他类型的限定条件，根据天线的具体设计需求来定。

作为一种优选地实施例，阻抗匹配电路包括第一阻抗匹配电路和/或第二阻抗匹配电路；

其中，第一阻抗匹配电路包括第一电容和第一电感，第一电感的一端与第一电容的一端连接，第一电感与第一电容连接的公共端作为阻抗匹配电路的输入端，第一电感的另一端接地，第一电容的另一端作为第一阻抗匹配电路的输入端；

第二阻抗匹配电路包括第二电容和第三电容，第二电容的一端与第三电容的一端连接，第二电容与第三电容连接的公共端作为第二阻抗匹配电路的输入端，第二电容的另一端接地，第三电容的另一端作为第二阻抗匹配电路的输出端。

具体地，请参照图3a至图3d，其中，图3a为本发明提供的第一阻抗匹配电路的结构示意图，图3b为本发明提供的第一阻抗匹配电路对应的半互耦阻抗匹配电路的结构示意图，图3c为本发明提供的第二阻抗匹配电路的结构示意图，图3d为本发明提供的第二阻抗匹配电路对应的半互耦阻抗匹配电路的结构示意图。

第一阻抗匹配电路和第二阻抗匹配电路是适用于单极天线且带宽较宽的阻抗匹配电路，二者具有相同的带宽，从而使得第一阻抗匹配电路、第一阻抗匹配电路对应的半互耦阻抗匹配电路、第二阻抗匹配电路及第二阻抗匹配电路对应的半互耦阻抗匹配电路具有相同的带宽。

以图3a为例，节点1和节点2之间连接了第一电容和第一电感，靠近节点1的是第一电感，靠近节点2的第一电容，第一电感并联在节点1和节点2之间，第一电容串联在节点1和节点2之间。在对第一阻抗匹配电路中的元件进行属性不变、连接关系变成互耦的半互耦转换后，靠近节点1的还是第一电感，但是第一电感由原来的并联关系改成了串联关系，同理，与节点靠近的还是第一电容，同时第一电容由原来的串联关系改为了并联关系。从图3a到图3b完成了传统意义上的一半的倒数关系。

请参照图4a-图4d，其中，图4a为本发明提供的第一阻抗匹配电路的s11的频率响应图，图4b为本发明提供的第一阻抗匹配电路对应的半互耦阻抗匹配电路的s11的频率响应图，图4c为本发明提供的第二阻抗匹配电路的s11的频率响应图，图4d为本发明提供的第二阻抗匹配电路对应的半互耦阻抗匹配电路的s11的频率响应图。

请参照图5a-图5d，其中，图5a为本发明提供的第一阻抗匹配电路的smith图，图5b为本发明提供的第一阻抗匹配电路对应的半互耦阻抗匹配电路的smith图，图5c为本发明提供的第二阻抗匹配电路的smith图，图5d为本发明提供的第二阻抗匹配电路对应的半互耦阻抗匹配电路的smith图，其中，marking点1和点2表示目标频段的两个端点频率点。

不难得到，图5a和图5b中的目标频段的阻抗的最有可能在容性平面，图5c和图5d中的smith图最有可能在感性平面。

假设射频模组的输出阻抗为感性，在smith图的上半平面，则为满足最大功率传输，单极天线需要设计为容性阻抗，也即选择与图5a对应的图3a的阻抗匹配电路和与图5b对应的图3b的半互耦阻抗匹配电路。

进一步，请参照图6，图6为本发明提供的一种初始单极天线的s11的频率响应图，图7为本发明提供的一种初始单极天线的smith图。将图3a对应的阻抗匹配电路和图3b对应半互耦阻抗匹配电路分别与等效电路相结合，得到中间单极天线，图8a为本发明提供的基于图3a对应的阻抗匹配电路的中间单极天线的s11的频率响应图，图8b为本发明提供的基于图3a对应的阻抗匹配电路的中间单极天线的smith图；图9a为本发明提供的基于图3b对应的半互耦阻抗匹配电路的中间单极天线的s11的频率响应图，图9b为本发明提供的基于图3b对应的阻抗匹配电路的中间单极天线的smith图。

从图中对比可以看出，图9a的匹配具有带外辐射抑制效果，因此，可以选择3b的半互耦匹配电路作为最终的阻抗匹配电路。

请参照10，图10为本发明提供的一种单极天线的设计系统的结构示意图。

该系统包括：

等效单元1，用于基于目标频段预先建立初始单极天线的等效电路；

半互耦转换单元2，用于确定初始单极天线的阻抗匹配电路，并对匹配电路中的元件进行属性不变、连接关系变成互耦的半互耦转换，得到半互耦阻抗匹配电路；

组合单元3，用于分别将阻抗匹配电路、半互耦阻抗匹配电路与初始单极天线的等效电路进行组合，得到多个中间单极天线；

检测单元4，用于从多个中间单极天线中确定符合预设天线限定条件的中间单极天线作为最终的单极天线。

对于本发明提供的一种单极天线的设计系统的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。

本发明还提供了一种单极天线的设计装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行计算机程序时实现如上述单极天线的设计方法的步骤。

对于本发明提供的一种单极天线的设计装置的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。