天线及无线设备的制作方法

本申请涉及无线通讯技术领域，尤其涉及一种天线及无线设备。

背景技术：

随着科学水平的提高，产品愈发智能化和可控化，因此越来越多的产品依靠无线通讯技术与外界进行信息交互，而天线是接受信号和发射信号必不可少的器件。

相关技术中，同一产品可能需要能够工作在多种不同的频率段，接受不同服务，例如wifi、gps等。而通常情况下，一个天线只能工作在一个频率段，因此需要在移动终端内部同时设置多个天线，不但会导致产品尺寸扩大还会增加成本。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种天线及无线设备，以解决上述问题。

本申请实施例采用下述技术方案：

第一方面，本申请实施例提供了一种天线，包括介质基板、天线辐射层以及馈电点；

所述介质基板包括相互背离的第一表面以及第二表面，所述天线辐射层呈矩形铺设在所述第一表面上，所述天线辐射层的中心处存在馈电点连接区域，所述馈电点位于所述馈电点连接区域内；

所述天线辐射层的宽度w为第一工作频率所对应的波长的1/4±10mm，所述天线辐射层的长度l为第二工作频率所对应的波长的1/4±10mm；

所述馈电点连接区域为由所述天线辐射层等比例缩小的矩形，且所述馈电点连接区域的宽度为所述天线辐射层的宽度的1/4，所述馈电点连接区域的长度为所述天线辐射层的长度的1/4。

可选地，上述的天线中，以所述天线辐射层的中心为原点o，平行于所述天线辐射层的宽度w以及长度l分别建立w轴以及l轴，形成直角坐标系wol；

所述馈电点在w轴的坐标v的范围为w1±5mm，其中w1满足下列公式(1)：

公式(1)中，w为所述天线辐射层的宽度，ξre满足下列公式(2)：

公式(2)中，εr为所述介质基板的介电常数，h为介质基板的厚度；

所述馈电点在l轴的坐标i的范围为l1±5mm，其中l1满足下列公式(3)：

公式(3)中，l为所述天线辐射层的长度，ξre满足下列公式(4)：

公式(4)中，εr为所述介质基板的介电常数，h为介质基板的厚度。

可选地，上述的天线中，所述天线辐射层的宽度w的范围为m±5mm，其中m满足下列公式(5)：

公式(5)中，c为光速，f1为第一工作频率，εr为所述介质基板的介电常数。

可选地，上述的天线中，所述天线辐射层的长度l的范围为n±5mm，其中n满足下列公式(6)：

公式(6)中，c为光速，f2为第二工作频率，εe为介质基板的有效介电常数，△l为等效辐射缝隙长度。

可选地，上述的天线中，所述介质基板的介电常数εr为4.4，厚度h为3mm，所述天线辐射层的宽度w为33.6mm，所述天线辐射层的长度l为46.8mm，所述馈电点在wol坐标系内的坐标为(5.8mm，5.4mm)。

可选地，上述的天线中，还包括馈电线，所述馈电线贯穿所述介质基板，所述馈电线的一端与所述馈电点连接，所述馈电线的另一端由所述第二表面露出。

可选地，上述的天线中，还包括天线接地层，所述天线接地层铺设在所述第二表面上，所述天线接地层对应所述馈电点开设有避让区域，所述馈电线由所述避让区域露出，所述避让区域与所述馈电线之间存在绝缘间隙。

可选地，上述的天线中，所述馈电线的直径为1.2mm，所述避让区域的形状为圆孔状，且所述避让区域的直径为2.4mm。

可选地，上述的天线中，所述天线接地层处于所述天线辐射层的投影范围内且小于所述天线辐射层的面积。

可选地，上述的天线中，所述天线辐射层铺满所述第一表面。

可选地，上述的天线中，所述第一工作频率为gps工作频率，所述第二工作频率为2.4ghz通用频率。

第二方面，本申请实施例提供了一种无线设备，包括工作在所述第一工作频率的第一工作模块、工作在所述第二工作频率的第二工作模块以及所述的天线，所述第一工作模块以及所述第二工作模块均以所述天线作为接收/发射天线。

可选地，上述的无线设备中，所述第一工作模块为gps工作模块，所述第二工作模块为2.4ghz通用频率工作模块。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本申请实施例公开的天线及无线设备通过合理设置天线辐射层的长度与宽度以及馈电点的位置，能够通过同一天线辐射层同时工作在两个不同的工作频率上，从而大幅减小产品尺寸，节约成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例公开的天线的爆炸结构视图；

图2为本申请实施例公开的天线由第一表面一侧观察得到的外观视图；

图3为本申请实施例公开的天线由第二表面一侧观察得到的外观视图；

图4为本申请实施例公开的带有馈电点连接区域以及wol坐标系的天线辐射层的虚拟示意图；

图5为本申请实施例公开的天线的回波损耗曲线图；

图6为本申请实施例公开的天线的特性阻抗曲线图。

附图标记说明：

1-介质基板、10-第一表面、12-第二表面、2-天线辐射层、20-馈电点连接区域、3-馈电点、4-馈电线、5-天线接地层、50-避让区域。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

本申请实施例公开了一种天线，如图1至图3所示，包括介质基板1、天线辐射层2以及馈电点3。介质基板1为薄片状，具有相互背离的第一表面10以及第二表面12，天线辐射层2为一层铺设在第一表面10上的薄金属层，通常仅具有微米级别的厚度。天线辐射层2可以采用电镀、敷设等方式设置在第一表面10上，本实施例中不做限制。

在本实施例中，天线辐射层2的形状为矩形，具有宽度w以及长度l，天线辐射层2的宽度w以及长度l均需要根据所需的工作频率进行设计。具体而言，假设天线需要具有两个工作频率，分别为第一工作频率以及第二工作频率，则天线辐射层2的宽度w为第一工作频率所对应的波长的1/4±10mm，天线辐射层2的长度l为第二工作频率所对应的波长的1/4±10mm。因为矩形的长度l通常大于宽度w，因此第一工作频率通常高于第二工作频率，例如第一工作频率为通用频率(2.4ghz)，第二工作频率为gps工作频率(1575.42mhz)。

馈电点3的设置位置会影响到天线在工作频率下的阻抗，进而影响信号强度。为了使天线能够正常工作在两个工作频率，本实施例中的馈电点3与天线辐射层2的连接位置需要进行考量。参见图4，在本实施例中，天线辐射层2的中心处存在馈电点连接区域20(图中虚线围成区域)，该馈电点连接区域20通常情况下是一个虚拟的区域，由产品外观无法直接观察到，仅存在于产品设计环节。馈电点3位于该馈电点连接区域20内。馈电点连接区域20为由天线辐射层2等比例缩小的矩形，即其长度方向与宽度方向均与天线辐射层2保持一致，并且长度与宽度的比例也与天线辐射层2保持一致。具体地，馈电点连接区域20的宽度为天线辐射层2的宽度w的1/4，同时馈电点连接区域20的长度也为天线辐射层2的长度l的1/4。

本申请实施例的技术方案的天线辐射层2在宽度w方向上可以接收或发送第一工作频率的电磁波，而在长度l的方向上又可以接收或发送第二工作频率的电磁波，从而通过同一天线辐射层2同时工作在两个不同的工作频率上，大幅减了小产品尺寸，节约了生产成本。

通常情况下，为了实现较好的通信效果，天线在相应工作频率的阻抗值优选达到50ω左右。为了达到这一目的，本实施例可以对馈电点3的位置进行更为精确的计算定位。具体地，以天线辐射层2的中心为原点o，平行于天线辐射层2的宽度w以及长度l分别建立w轴以及l轴，形成直角坐标系wol(参见图4)。馈电点3的具体位置以在该wol坐标系内的坐标(v，i)进行表示，其中，v表示馈电点3在w轴的坐标，i表示馈电点3在l轴的坐标。

具体而言，v的范围为w1±5mm，其中w1满足下列公式(1)：

公式(1)中，w即为天线辐射层2的宽度，ξre满足下列公式(2)：

公式(2)中，εr为所述介质基板的介电常数，h为介质基板的厚度。

i的范围为l1±5mm，其中l1满足下列公式(3)：

公式(3)中，l即为天线辐射层2的长度，ξre满足下列公式(4)：

公式(4)中，εr为所述介质基板的介电常数，h为介质基板的厚度。

通过上述一系列公式便可精确计算出w1以及l1，并进而确定v与i的范围，馈电点3在该范围内可以基本保证天线在第一工作频率以及第二工作频率的特性阻抗均处于50ω左右，从而具备良好的通信效果。

在此基础上，技术人员还可以通过模拟或其它方式进一步优化馈电点3的位置，以进一步提升效果。

为了进一步提升馈电点3的位置精度以及天线的效果，本实施例中还可以进一步优化天线辐射层2的宽度w以及长度l。具体地，本实施例中的天线辐射层2的宽度w可以被更为精确地控制在m±5mm的范围内，其中m满足下列公式(5)：

公式(5)中，c为光速，f1为第一工作频率，εr为所述介质基板的介电常数。

天线辐射层2的长度l的范围为n±5mm，其中n满足下列公式(6)：

公式(6)中，c为光速，f2为第二工作频率，εe为介质基板的有效介电常数，△l为等效辐射缝隙长度。其中，εe以及△l可以通过下列公式或其它手段获得。具体地，

公式(6)中的εe可以通过下列公式(7)获得：

公式(6)中的△l可以通过下列公式(8)获得：

馈电点3是馈电电路(未示出)与天线辐射层2的连接端口，因此需要与馈电电路连接。理论上，馈电电路可以直接由天线辐射层2的上方向下连接馈电点3，但这种连接方式会导致馈电电路遮挡天线辐射层2，容易影响通信效果。

如图1和图3所示，本实施例中可以在天线内部增设馈电线4，馈电线4贯穿介质基板1，馈电线4的一端与馈电点3连接，馈电线4的另一端由第二表面12露出。这样，馈电电路可以由第二表面12一侧与馈电线4连接，进而通过馈电线4与馈电点3以及天线辐射层2连接，从而避免馈电电路遮挡天线辐射层。

对于天线而言，通常情况下还需要设置地线，因此如图1和图3所示，本实施例中的天线还可包括天线接地层5，天线接地层5铺设在第二表面12上，天线接地层的厚度、材质以及铺设工艺均可效仿天线辐射层2。由于馈电线4由第二表面露出，因此为了避免馈电线4与天线接地层5电连接，本实施例中的天线接地层5在对应馈电点3的位置开设有避让区域50，馈电线4由避让区域50露出，并且避让区域50与馈电线4之间存在绝缘间隙，即二者之间不直接接触或连接。

本实施例中对避让区域50的形状没有限制，例如孔、缺口、槽等结构均可，避让区域50的形状以及尺寸可以以天线的性能为主要参考依据，可以通过对天线性能的模拟选择较佳方案。

在本实施例中，馈电线4可以采用直径1.2mm的金属丝，避让区域50可以采用圆孔状结构，这样可以使馈电线4与避让区域50之间形成一圈均匀的环隙。圆孔的直径可以采用2.4mm，这样形成的环隙宽度适中，效果较好。

在本实施例中，为了获得更好的通信效果，天线辐射层2的面积可以尽量铺满第一表面10。而天线接地层5可以处于天线辐射层2的投影范围内且其面积可以比天线辐射层2的面积稍小，这样更加有利于提高天线的工作带宽。

下面，本实施例以工作在gps(1575.42mhz)和2.4ghz两个工作频率的天线为例对其性能进行验证。

天线的结构参见图1至图3，介质基板1采用介电常数为4.4的电路板板材，介质基板1为长46.8mm、宽33.6mm、厚度3mm的矩形薄片。第一表面10上铺设有35μm厚度的天线辐射层2形成微带天线，天线辐射层2的宽度w以及长度l与介质基板1一致，即天线辐射层2铺满第一表面10。馈电点3的坐标(v，i)为(5.8mm，5.4mm)。

在介质基板1内部贯穿馈电线4，馈电线4为直径1.2mm的金属丝，其两端分别贯穿至第一表面10以及第二表面12，并且馈电线4在第一表面10处于馈电点3连接。第二表面12上铺设天线接地层5，天线接地层5的材料以及厚度与天线辐射层2一致，长度为46.8mm，宽度为26.88mm，第二表面12在天线接地层5的宽度方向的两侧均匀留白。第二表面12上对应馈电点3的位置设置有圆孔形的避让区域50，馈电线4由该避让区域50露出。

对上述天线进行回波损耗测试以及特性阻抗测试，分别形成回波损耗曲线图(图5)以及特性阻抗曲线图(图6)。

从回波损耗曲线图中可以看到，在1575.42mhz附近频段(m2至m3)以及2.4ghz附近频段(m5至m6)内，天线的回波损耗基本处于低于-10db的范围内，因此可以满足天线的辐射性能要求。

从特性阻抗曲线图中可以看到，天线的特性阻抗约为50ω左右时可获得对两个工作频率的良好匹配性能。具体地，在1575.42mhz附近，最高点m1的特性阻抗可达到48.4305ω，在2.4ghz附近，最高点m3的特性阻抗可达到49.0136ω，此时，天线可有效的将空中的电磁波信号接收下来或将发射机输出的射频信号发射出去。

综上所述，本申请实施例所提供的天线可以很好地工作在两个工作频率上，并能够大幅减小产品尺寸，节约成本。

本申请实施例所提供的天线可以应用于具有两个工作在不同工作频率的工作模块的无线设备，例如，该设备中有第一工作模块以及第二工作模块这两个工作模块，其中，第一工作模块工作在第一工作频率，而第二工作模块工作在第二工作频率，此时，将本申请实施例所提供的天线按照第一工作频率以及第二工作频率调整至合适尺寸，第一工作模块以及第二工作模块便均可以该天线作为接收/发射天线，从而节省了无线设备的内部空间。

该无线设备可以且不限于智能手表、智能手环、入耳式耳机、儿童遥控玩具飞机、遥控器、便携式灯具、移动终端或智能穿戴设备等对体积小型化有极大需求的设备。

本申请上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。