一种高增益天线电路的制作方法

本实用新型总的来说涉及天线技术领域，具体而言，涉及一种高增益天线电路。

背景技术：

近年来，随着无线通信技术的进步，基于该技术的多个高科技行业得以蓬勃发展，例如在物流、智能家居、智能门禁和安防等行业就涌现出了基于无线通信的大量技术创新和基于此的商业模式创新。

无线通信的一个重要部件是天线。天线的作用是可选地接收以及发送无线信号。天线的性能将极大地影响无线通信的效率和质量。例如，在物联网领域的有些场合中，信号强度较弱，常用的全向天线设计由于其低增益特性往往不能提供很好的信号，因而不能满足某些应用的要求，例如在信号屏蔽比较严重的保险箱、铁柜和离无线路由器比较远的门锁内部，情况尤其如此。一般来说，外置式天线往往会有较好的信号质量，但往往需要为天线设计专门的天线外壳和开孔，并使用射频连接件来连接天线和内部电路，这会造成较高的产品成本，如产品工艺更复杂，产品的体积也较大，不适应物联网市场的小型化要求。

天线的参数受很多因素的影响，例如天线所处周围的环境是否靠近铁磁类物质、是否靠近对电磁波有吸收或反射作用的大块物体等因素均会直接影响天线的性能。也就是说，在不同场合，天线的性能可能会因运行环境变化而改变，甚至降低至低于通信要求。但目前随着物联网设备的普及，产品的移动性越来越高、并且一个产品往往又需要在很多个场合使用，这就造成天线的使用场合越来越多、越来越复杂，因此有必要减少对天线的使用场合的限制约束，使产品具有更大的适应性，从而拥有更大的市场。

另一方面，天线的设计成本和改动成本都是较高的。这是因为，为了减小成本，天线往往被构造在印制电路板pcb上，其设计与调试过程耗时且复杂，且涉及多种考虑因素、例如材料介电常数、材料厚度、材料阻抗等等。一旦设计完成，其设计改动的成本将是较高的。而且一个设计良好的天线往往在更换pcb供应商时往往需要重新进行相关射频参数的重新测试与调整，如果影响较大时，还可能需要对天线本身的几何设计进行修正。为了保证产品的无线通信信号质量，往往需要指定pcb的原料厂家和生产工艺。由于这样的对生产厂家的限制，往往会造成不能及时根据pcb的技术发展而随意更换厂家。由此，也需要一种能够在无需电路改动的情况下适用于更多种应用场合的天线电路。

技术实现要素：

本实用新型的任务是，提供一种高增益天线电路，通过该天线电路，可以在提高天线频带宽度并且不提高电路面积的同时，提高天线在各种应用环境下的增益。

通过本实用新型，该任务通过一种高增益天线电路来解决，该电路包括：

电路板，其被配置为承载辐射单元；以及

多个辐射单元，其被配置为接收和/或发射无线信号并且包括第一辐射单元和第二辐射单元，其中第一辐射单元具有第一中心工作频率和第一工作频段，并且第二辐射单元具有第二中心工作频率和第二工作频段，其中所述多个辐射单元被构造为使得第一中心工作频率不同于第二中心工作频率并且第一工作频段与第二工作频段彼此至少部分地重叠。

在本实用新型中，术语“辐射单元”是指天线中的用于接收和/或发射信号的结构、例如天线收发单元、天线分支单元等等。术语“辐射单元的工作频段(或称工作频带)”是指该辐射单元可收发信号的频率范围，或者按照技术规范定义的频段、例如天线增益下降三分贝时的频带宽度、或者在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。术语“辐射单元的中心工作频率”是指该辐射单元在工作频段中达到最大收发功率的频率。在本实用新型中，为了实现各个辐射单元的不同中心工作频率和相重叠的工作频段，可以使各辐射单元的多种参数彼此不同，这些参数包括、但不限于尺寸(如长、宽、厚度等)、形状(如曲折性、弧线形、直线形等等)、材料类型(如选用不同的辐射支材料)、材料参数(辐射支材料的介电常数、材料间电阻匹配程度等等)等等。

在本实用新型的一个优选方案中规定，所述电路板具有第一面和背向第一面的第二面，并且每个辐射单元包括：

第一辐射支和第二辐射支，其中所述第一辐射支处于第一面并且所述第二辐射支处于第二面，其中相邻辐射单元的处于相同面的辐射支彼此并联并且连接到馈线；以及

多个馈线，其中所述多个馈线中的每个被分配给多个辐射单元中的一个或多个，并且所述多个馈线彼此连接并且连接到电源或信号源。

在本实用新型的另一优选方案中规定，第一中心工作频率与第二中心工作频率之间的差异为第一中心工作频率和第二中心工作频率中较小者的2％以上、例如10％、90％。通过该优选方案，可以最优地扩展整个天线电路的工作频带。例如，在使用宽频带辐射单元的情况下，第一尺寸和第二尺寸的差异上限可以大于90％，例如为200％。

在本实用新型的又一优选方案中规定，第一辐射单元的辐射支具有第一尺寸，并且第二辐射单元的辐射支具有第二尺寸，其中第一尺寸不同于第二尺寸，并且第一尺寸与第二尺寸之间的差异为第一尺寸和第二尺寸中较小者的2％以上，使得第一中心工作频率不同于第二中心工作频率并且第一工作频段与第二工作频段彼此至少部分地重叠。上述尺寸优选地为辐射支的长度。但是在本实用新型的教导下，其它参数也是可设想的、例如辐射支的宽度和厚度。

在本实用新型的另一优选方案中规定，第一辐射单元的辐射支具有第一形状，并且第二辐射单元的辐射支具有第二形状，其中第一形状不同于第二形状，使得第一中心工作频率不同于第二中心工作频率并且第一工作频段与第二工作频段彼此至少部分地重叠。辐射支的形状例如为曲折性、弧线形、直线形、波浪形、正弦形、折线形、三角形、蝶形等等。通过设置不同的形状，可以避免辐射支之间的过大的尺寸差异，从而简化设计并可能节省电路面积。例如，在设置不同形状的情况下，辐射支的长度可以基本相同。

在本实用新型的一个扩展方案中规定，所述多个辐射单元的第一辐射支和第二辐射支具有相同或不同的形状和/或长度。通过使同一辐射单元的两个辐射支具有不同的形状和长度，可以更加灵活地调节各辐射单元的中心工作频率和工作频段，从而有利于优化天线的增益和总带宽。

在本实用新型的一个优选方案中规定，所述多个辐射单元包括4个辐射单元，其中第一和第二辐射单元彼此相邻布置，并且第三和第四辐射单元彼此相邻。在设置4个辐射单元的情况下，可以达到天线总带宽与电路复杂度和电路长度之间的良好折中。在本实用新型的教导下，其它数目的辐射单元也是可设想的。

在本实用新型的另一优选方案中规定，第一辐射单元的辐射支和第三辐射单元的辐射支具有第一尺寸，并且第二辐射单元和第四辐射单元的辐射支具有第二尺寸，其中第一尺寸不同于第二尺寸，并且第一尺寸与第二尺寸之间的差异为第一尺寸和第二尺寸中较小者的2％以上，使得第一中心工作频率不同于第二中心工作频率并且第一工作频段与第二工作频段彼此至少部分地重叠。在该优选方案中，通过使第一和第三辐射单元以及使第二和第四辐射单元具有相同尺寸的辐射支，可以简化天线电路设计。

在本实用新型的一个扩展方案中规定，所述多个馈线包括第一馈线和第二馈线，第一馈线被分配给第一和第二辐射单元并且第二馈线被分配给第三和第四辐射单元，并且其中第一馈线的形状和/或尺寸不同于第二馈线的形状和/或尺寸。通过该扩展方案，可以优化各辐射单元的馈电。

在本实用新型的另一扩展方案中规定，第一馈线或第二馈线的形状包括：直线形、弯折形、以及弧形。在本实用新型的教导下，其它形状也是可设想的。

在本实用新型的又一扩展方案中规定，第一辐射单元具有第一数目个辐射支，并且第二辐射单元具有第二数目个辐射支，其中第一数目不同于第二数目，使得第一中心工作频率不同于第二中心工作频率并且第一工作频段与第二工作频段彼此至少部分地重叠。通过使辐射单元具有不同数目的辐射支，可以据此调节各辐射单元的中心工作频率和工作频段，并使辐射单元的大小基本相同，从而简化设计。

在本实用新型的另一扩展方案中规定，所述高增益天线电路被配置为用于2.4ghz无线通信。

本实用新型至少具有下列有益效果：本实用新型基于研究独到地发现，现有天线之所以在布置在不同厚度和类型的诸如塑料、木材等材料之下时，天线的接收能力会变化较大，甚至发生信号较差无法接收，其原因主要在于，现有天线由多个相同频率特性的辐射单元(即多个辐射单元具有相同的中心工作频率)构成，这会造成：一旦这些辐射单元的信号被某种材质的遮盖物屏蔽，则整个天线的信号增益将会极大地降低；而如果在天线中设置中心工作频率彼此不同(差异在2％以上)但工作频段彼此部分地重叠的多个辐射单元，则可以较好地避免这一情况，这基于本发明人的如下洞察：具体的材料一般而言仅会对某个频率点或某个窄频率范围的频带的信号具有较大的衰减，而由于本实用新型的天线具有中心工作频率彼此不同的多个辐射单元，因此即使该材料对天线中的一个辐射单元的信号具有显著的屏蔽和衰减，但是天线中的其它辐射单元由于具有不同的中心工作频率，因此仍然可以正常收发信号；由此可以提高天线在各种应用场合中的增益，并扩展天线的频带宽度。

附图说明

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本实用新型。

图1至图3示出了根据本实用新型的天线电路的第一实施例；以及

图4至图15示出了根据本实用新型的天线的其它实施例。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本实用新型中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本实用新型中，各实施例仅仅旨在说明本实用新型的方案，而不应被理解为限制性的。

在本实用新型中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本实用新型的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本实用新型的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

在此还应当指出，在本实用新型的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本实用新型中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本实用新型。

图1至图3示出了根据本实用新型的天线电路的第一实施例。在本实施例中，天线电路100被示为布置在印制电路板pcb的第一面a和第二面b上并且具有四个辐射单元。在其它实施例中，可以采用其它形式的电路板以及其它数目的辐射单元。

如图1所示为天线从a面观看的视图，天线电路100包括四个辐射单元101-104，其包括：

·第一辐射单元101，其具有第一和第二辐射支101a、101b，第一辐射支101a布置在pcb的第一面a，并且第二辐射支101b布置在pcb电路板的第二面b，第一和第二辐射支101a、101b分别连接到馈线105a和105b。

·第二辐射单元102，其具有第一和第二辐射支102a、102b，第一辐射支102a布置在pcb的第一面a，并且第二辐射支102b布置在pcb电路板的第二面b，第一和第二辐射支102a、102b分别连接到馈线105a和105b。

·第三辐射单元103，其具有第一和第二辐射支103a、103b，第一辐射支103a布置在pcb的第一面a，并且第二辐射支103b布置在pcb电路板的第二面b，第一和第二辐射支103a、103b分别连接到馈线105a和105b。

·第四辐射单元104，其具有第一和第二辐射支104a、104b，第一辐射支104a布置在pcb的第一面a，并且第二辐射支104b布置在pcb电路板的第二面b，第一和第二辐射支104a、104b分别连接到馈线105a和105b。

·馈线105，其包括布置在第一面a的第一和第三馈线105a和106a、以及布置在第二面b的第二和第四馈线105b和106b，第一馈线105a和第三馈线106a是连续的导线，第二馈线105b和第四馈线106b是连续的导线。第一馈线105a用于连接第一和第二辐射单元101和102的布置在第一面a的第一辐射支101a和第二辐射支102a，第二馈线105b用于连接第一和第二辐射单元101和102的布置在第二面b的第二辐射支101b和第二辐射支102b，第三馈线106a用于连接第三和第四辐射单元103和104的布置在第一面a的第一辐射支103a和第一辐射支104a，第四馈线106b用于连接第三和第四辐射单元103和104的布置在第二面b的第二辐射支103b和第二辐射支104b。第三馈线和第四馈线连接到输入输出端口107。

在本实用新型中，为了实现各个辐射单元的不同中心工作频率和相重叠的工作频段，天线100的各辐射单元101-104的多种参数可以彼此不同，这些参数包括、但不限于尺寸(如长、宽、厚度等)、形状(如曲折性、弧线形、直线形等等)、材料类型(如选用不同的辐射支材料)、材料参数(辐射支材料的介电常数、材料间电阻匹配程度等等)等等。在本实用新型中，各辐射单元101-104的中心工作频率和工作频段例如可以被设置为适于2.4g或5g无线通信。

图2、图3分别示出了本实用新型的一种天线实施例在pcb的第一面a和第二面b的图形设计。

在本实用新型的一个实施例中，pcb选用fr4材料，1.6毫米厚度，双面板。铜箔厚度为0.5盎司。其版图设计101a和102a、101b和102b、103a和104a、103b和104b的辐射支的横支长度为22.3mm,宽度为1.0mm,其垂直支长度为4.5mm,宽度为1.0mm，其在第一面a的馈线105a和在b面的馈线105b的长度均为47mm,宽度均为1.5mm。其在a面的馈线106a和在b面的馈线106b的长度均为22mm,宽度为2.8mm。其信号输入输出端口107的信号连接采用图6所述的共面波导。仿真结果表明最大增益为4.10dbi。例如对于wi-fi频带而言，其介电常数容许值为5.1～5.2之间,其驻波比小于2的频带宽度约为95mhz。这样的pcb介电常数一般需要定制才可以得到，这必然会造成产品成本的增加与产品生产的不便。采用本实用新型的技术，增加其第103b、104b的辐射支长度4.5mm,即增加了7％的长度，而其它辐射单元不变，其仿真结果为最大增益为3.98dbi，其wi-fi中心频点的驻波比小于2的频带宽度增加为500mhz。换言之，本实用新型的天线电路与具有相同材料的现有技术天线相比，频带宽度具有显著的增加，从而提高多场合下的天线性能。此外，例如wi-fi频带范围而言，仿真表明其pcb的介电常数许可范围扩展为3.8～4.9仍可保证2.4g的wifi频带范围内驻波比小于2。其中最大增益的略微降低对天线性能并没有实质上的影响，而这样的介电常数范围的pcb只需要使用廉价pcb材料和普通的pcb生产工艺就可得到，不需要定制。因而本实用新型还可以有利于提高产品良品率和降低pcb成本。

在某些实施例中，天线的结构上还可以添加其它分支或结构来对天线性能进行调整，比如对谐振频率进行微调，或增加谐振频带改善带宽的结构。在图4中所示的实施例中，41、42、43、44的短分支被用来进一步改善回波损耗特性。

在某些实施例中，辐射支可以有不同的宽度，或不同的长度。如101a、101b的长度可以和102a、102b是不同的长度，它们可以用作两种频率的天线。其pcb走线的宽度也可以是不同的宽度。

如图4所示为b面视图的一个实施例，馈线105a和105b被构造为弯曲折线，馈线106a和106b为基本直线形。在其它实施例中，馈线105a和105b也可以被构造为弧线形。通过不同形状的馈线构造，可以实现相关辐射单元的中心工作频率和工作频段的调整，由此实现辐射单元的中心工作频率不同，且工作频段彼此至少部分地重叠。通过对馈线105的长度的设置还可以调整辐射单元101、102与103、104之间的信号相位差，而达到对天线辐射的方向图的调整。

如图5所示，在一个实施例中，辐射支可以被构造为弯折形或弧形。这样可以减小天线的总占用的pcb板面积。

如图6所示为一个使用共面波导来为天线馈电的实施例。其中600是连接a面和b面地线的过孔，图中显示了4个过孔。602是天线信号输入输出线。601是在第一面a包裹了信号线602的地线，603是在b面的地线。601和603通过过孔而电连接。第一面a的馈线106a和信号线602直接相连，信号线602和地线601之间至少保持一个由pcb生产厂家的工艺所规定的安全间距。该间距一般是6mil以上。第二面b的馈线和地线直接相连。

如图7所示，在一个实施例中，输入信号也可以用同轴电缆来代替pcb走线。73是输入电缆。71是输入端口在第一面a的铜层，和同轴电缆的外包铜层相连，通过过孔连到第二面b的第一馈线，电缆的输入信号由电缆的内导体连接到输入电缆72的所示位置，并且与第一面a的馈线直接相连。

虽然本实用新型的图中，相对的辐射支被分布于pcb的ab两面，如101a、101b被放于pcb的两面。但他们也可以部分或全部放于pcb的同一个表面。这往往会引入走线交叉的问题。但可以通过适当的pcb走线，采用过孔，或使用同轴电缆等常规的技术方法来解决走线交叉问题。

图8、9中示出了缺少辐射支的实施例。在此，第一辐射单元101缺少第一辐射支，并且第四辐射单元104缺少第一辐射支。受实际产品的设计条件制约为了在某些方面，比如为了在尺寸，或外观造型，或避免内部部件之间的冲突，在实施例中也可以设计为缺少某一个或两个辐射支，其性能会稍下降，但仍然可以正常工作，并具有高增益特性。

在图10、图11和图12中的实施例中，馈线和辐射支通过过孔连接到另一个平面。其中110是实现连接的过孔。

在图12的实施例中，馈线和大多数辐射单元位于a和b平面，一个辐射支101a位于和其它辐射单元不同的第3平面中。

在图13、14的实施例中，辐射支采用特别形状的实施例。只显示出了一部分辐射支，其它辐射支可以是对应相同也可以是不同的。

在图15的实施例中，显示出来的辐射单元所对应的辐射支使用三角形，使得辐射单元成为了宽频蝶形天线辐射单元。

本实用新型至少具有下列有益效果：本实用新型基于研究独到地发现，现有天线之所以在布置在不同厚度和类型的诸如塑料、木材等材料之下时，天线的接收能力会变化较大，甚至发生信号较差无法接收，其原因主要在于，现有天线由多个相同频率特性的辐射单元(即多个辐射单元具有相同的中心工作频率)构成，这会造成：一旦这些辐射单元的信号被某种材质的遮盖物屏蔽，则整个天线的信号增益将会极大地降低；而如果在天线中设置中心工作频率彼此不同(差异在2％以上)但工作频段彼此部分地重叠的多个辐射单元，则可以较好地避免这一情况，这基于本发明人的如下洞察：具体的材料一般而言仅会对某个频率点或某个窄频率范围的频带的信号具有较大的衰减，而由于本实用新型的天线具有中心工作频率彼此不同的多个辐射单元，因此即使该材料对天线中的一个辐射单元的信号具有显著的屏蔽和衰减，但是天线中的其它辐射单元由于具有不同的中心工作频率，因此仍然可以正常收发信号；由此可以提高天线在各种应用场合中的增益，并扩展天线的频带宽度。

本实用新型的实施例中天线的辐射单元均以偶极子天线单元为例，但辐射单元也可以是其它形式的天线。比如，辐射单元可以是、但不限于下列种类的天线：如单极天线、苜蓿叶天线、锥形槽天线、倒f天线、平面倒f天线、贴片天线、折叠式偶极子天线、环形天线、蝶形天线、螺旋天线、对数周期天线、对数周期偶极子天线、缝隙天线、波导天线、抛物线反射面天线等。

虽然本实用新型的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本实用新型的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本实用新型的范围。所附权利要求书旨在限定本实用新型的范围，并由此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。