全向圆极化天线及电子设备的制作方法

1.本实用新型属于通信设备技术领域，尤其涉及一种全向圆极化天线，以及一种应用此种全向圆极化天线的电子设备。


背景技术：

2.5g移动通信网络将使用更宽的毫米波频率带宽，可以通过增加工作频率来得到更宽的带宽。28ghz频段适用于5g毫米波蜂窝系统，美国联邦通信委员会在2016年7月制定27.5ghz～28.35ghz为5g应用频段。
3.现有技术中中心频率在28ghz的天线大多数没有实现全向圆极化（omnidirectional circular polarization，ocp）辐射特性。一小部分可以在27ghz实现ocp辐射特性的天线体积较大，无法适用于手机或者可穿戴设备这种小型电子产品。另一小部分天线可以在28ghz实现圆极化辐射，但不是全向辐射，而且这种天线多采用多层结构，结构复杂。


技术实现要素：

4.本实用新型针对现有中心频率在28ghz的天线大多数没有实现全向圆极化辐射特性，天线体积较大、结构复杂，无法适用于小型电子设备的问题，设计并提出一种全向圆极化天线。
5.为实现上述实用新型目的，本实用新型采用下述技术方案予以实现：
6.一种全向圆极化天线，包括：第一天线基板，所述第一天线基板上设置有多个第一导电贴片，多个第一导电贴片首尾相邻依次布设，所述第一天线基板接地；第二天线基板，所述第二天线基板上设置有导电盘以及多个第二导电贴片；多个导电通道，其中任意一个所述导电通道的第一端设置有第一导电通孔，第二端设置有第二导电通孔，所述导电通道垂直设置在所述第一天线基板和第二天线基板之间，多个第一导电通孔分别与对应的第一导电贴片电连接，多个第二导电通孔分别与对应的第二导电贴片的第一端电连接；和单极辐射器，所述单极辐射器的第一端连接所述导电盘，第二端连接同轴电缆的中心导体，所述单极辐射器平行于所述导电通道。
7.进一步的，所述第一天线基板上设置有接地盘，所述接地盘上开设有连接孔，所述单极辐射器的第二端向所述连接孔延伸，同轴电缆自所述连接孔伸入，所述连接孔的内壁连接同轴电缆的外表面。
8.更进一步的，所述第一天线基板、所述接地盘和所述连接孔的中心重合，所述第一天线基板呈圆角矩形，多个第一导电贴片首尾相邻沿第一方向依次布设在所述第一天线基板的多个边缘处；所述接地盘呈圆角矩形。
9.优选的，所述第一导电贴片与相邻第一导电通孔之间的距离等于所述第一导电贴片的侧边缘与所述接地盘的侧边缘之间的距离。
10.进一步的，所述第二天线基板和所述导电盘的中心重合。
11.更进一步的，所述第二天线基板呈圆角矩形，多个第二导电贴片的第二端通过对应的连接导线连接所述导电盘，任一所述连接导线与相连接的第二导电贴片垂直，多个第二导电贴片依次沿第二方向布设在所述第二天线基板的边缘，所述第二方向与第一方向相反。
12.优选的，所述连接导线的宽度小于所述第二导电贴片的宽度。
13.优选的，所述导电通道为镀铜圆筒。
14.优选的，所述第一导电贴片和第二导电贴片为铜质贴片。
15.本实用新型的另一个方面提供一种电子设备，包括全向圆极化天线，全向圆极化天线，包括：第一天线基板，所述第一天线基板上设置有多个第一导电贴片，多个第一导电贴片首尾相邻依次布设，所述第一天线基板接地；第二天线基板，所述第二天线基板上设置有导电盘以及多个第二导电贴片；多个导电通道，其中任意一个所述导电通道的第一端设置有第一导电通孔，第二端设置有第二导电通孔，所述导电通道垂直设置在所述第一天线基板和第二天线基板之间，多个第一导电通孔分别与对应的第一导电贴片电连接，多个第二导电通孔分别与对应的第二导电贴片的第一端电连接；和单极辐射器，所述单极辐射器的第一端连接所述导电盘，第二端连接同轴电缆的中心导体，所述单极辐射器平行于所述导电通道。
16.与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：
17.在本实用新型所提供的全向圆极化天线中，由单极辐射器以及导电通道构成的电偶极子与多个第一导电贴片构成的磁偶极子平行且可以以适当的相位差辐射，从而使得天线从整体上实现具有lhcp或rhcp的全向圆极化辐射，在28ghz具有良好的性能参数。构成电偶极子和磁偶极子的元件集成在两个天线基板上或者天线基板之间，结构紧凑，体积小且易于制造和集成，适用于短距离通信，尤其适用于小型电子设备的5g通信。
18.结合附图阅读本实用新型的具体实施方式后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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。
20.图1为本实用新型所提供的全向圆极化天线一种实施例的立体透视图；
21.图2为图1的仰视图；
22.图3为图1的俯视图；
23.图4为本实施例所提供的全向圆极化天线3.28ghz时的电流分布；
24.图5示出了仿真状态下本实施例所提供的全向圆极化天线的s11参数和轴比；
25.图6为本实施例所提供的全向圆极化天线的总增益方向图；
26.图7为本实施例所提供的全向圆极化天线在e面的左旋圆极化和右旋圆极化增益方向图。
具体实施方式
27.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本实用新型作进一步详细说明。
28.需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖”、“横”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
29.为解决现有中心频率在28ghz的天线大多数没有实现全向圆极化辐射特性、天线体积较大、结构复杂、无法适用于小型电子设备的问题，一种优化设计的全向圆极化天线如图1至图3所示，这种全向圆极化天线1的主体由第一天线基板11和第二天线基板12组成，二者上下间隔布设，中间形成一定空间。第一天线基板11和第二天线基板12可以采用高频电路板制成，例如rogers公司生产并销售的高频层压板rt/duroid
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5880。基板的介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度h为1mm。天线设计整体采用同轴线馈电。其中，第一天线基板11接地，在第一天线基板11上设置有多个第一导电贴片13，多个第一导电贴片13首尾相邻依次布设，形成一个非封闭的环形阵列。第二天线基板12上则设置有导电盘21，在第二天线基板12上设置有多个第二导电贴片20。第一天线基板11和第二天线基板12之间设置有多个导电通道16，其中每个导电通道16的第一端均设置有一个第一导电通孔14，第二端均设置有一个第二导电通孔18。导电通道16垂直设置在第一天线基板11和第二天线基板12之间。多个第一导电通孔14分别与对应的第一导电贴片13电连接，多个第二导电通孔18分别与对应的第二导电贴片20的第一端电连接，从而形成多个垂直于天线基板的电流路径。单极辐射器17的第一端连接导电盘21，第二端连接同轴电缆的中心导体(图中未示出)。全向圆极化天线1的电流分布图如图4所示，位于下侧的第一天线基板11上的第一导电贴片13上的电流形成电流回路，这部分电流回路产生磁偶极子m。同时，单极辐射器17以及多个导电通道16上的垂直电流产生电偶极子e。电偶极子e和磁偶极子m彼此平行取向。基于惠更斯源天线的原理，通过将具有特定取向的电偶极子e和磁偶极子m组合起来，并控制它们之间的相位差，可以获得不同的辐射模式：如果电偶极子e平行于磁偶极子m，且以90度的相位差激励，可以产生一种全向圆极化辐射模式，即右旋圆极化模式（right circular polarization, rhcp）；如果电偶极子e平行且反向于磁偶极子m，且以90度的相位差激励，也可以产生另一种全向圆极化辐射模式，即左旋圆极化模式（left circular polarization, lhcp）。在本实施例所提供的全向圆极化天线1中，由单极辐射器17以及导电通道16构成的电偶极子e与多个第一导电贴片13构成的磁偶极子m平行且可以以适当的相位差辐射，从而使得天线从整体上实现具有lhcp或rhcp的全向圆极化辐射，在28ghz具有良好的性能参数。构成电偶极子e和磁偶极子m的元件集成在两个天线基板上或者天线基板之间，结构紧凑，体积小且易于制造和集成，适用于短距离通信，尤其适用于小型电子设备的5g通信。
30.如图2所示，在一种可选的结构中，第一天线基板11通过接地盘15接地。具体来说，第一天线基板11和接地盘15均采用圆角矩形的基本设计。接地盘15上开设有连接孔19。单极辐射器17的第二端向连接孔19延伸，同轴电缆（图中未示出）自连接孔19伸入，单极辐射
器17的第二端连接同轴电缆的中心导体，天线整体套设在同轴电缆的外侧，接地盘15的连接孔19的内壁连接同轴电缆的外表面，连接结构稳定。
31.整体来看，第一天线基板11、接地盘15和连接孔19的中心重合，优选采用圆角正方形设计的第一天线基板11具有四条垂直的边以及四个圆角，这样四个第一导电贴片13可以采用首尾相邻的方式沿第一方向d1依次分别布设在第一天线基板11的四个边缘处，例如如图2所示，依次沿逆时针方向布设。
32.如图3所示，在第二天线基板12一侧，第二天线基板12与导电盘21的中心重合。第二天线基板12也同样优选采用圆角矩形，尤其是圆角正方形设计。同样具有四条垂直且等长的边以及四个圆角。多个第二导电贴片20的第二端通过对应的连接导线22连接导电盘21，呈辐射状的，任意连接导线22与相连接的第二导电贴片20垂直。这样四个第二导电贴片20依次沿第二方向d2布设在第二天线基板12的四个边缘处，第二方向d2与第一方向d1相反。例如如图3所示，沿顺时针方向布设。
33.进一步参照图1至图3介绍本实施例所提供的全向圆极化天线的走线设计：以单极辐射器17作为初始，单极辐射器17垂直穿过第一天线基板11上的连接孔19，连接位于第二天线基板12中心处的导电盘21，单极辐射器17与导电盘21同心设置；以单极辐射器17为中心，四条宽度为w2的铜质连接导线22以间隔90度的方向向外辐射，铜质连接导线22从单极辐射器17的中心导体延伸到第二天线基板12的四个边缘处，每条铜质连接导线22的末端连接第二导电贴片20的第二端，第二导电贴片20的外边缘与第二天线基板12的外边缘对齐且重合，每个第二导电贴片20沿着第二天线基板12的边缘以顺时针方向布设，第二导电贴片20的第一端终止于位于第二天线基板12圆角位置的第二导电通孔18并与第二导电通孔18电连接。第二导电通孔18通过导电通道16连接对应的位于第一天线基板11圆角位置的第一导电通孔14。优选的，第一导电通孔14为形成于镀铜圆筒第一端横截面处的圆孔，第二导电通孔18为形成于镀铜圆筒第二端横截面处的圆孔，四个镀铜圆筒分别设置在四个圆角处，基于镀铜圆筒的导电特性形成第一导电通孔14和第二导电通孔18之间的电连接。第一导电通孔14电连接对应的第一导电贴片13，第一导电贴片13继续沿第一方向d1布设在第一天线基板11的边缘处，即第一导电贴片13沿与第二导电贴片20延伸方向相反的逆时针方向延伸至相邻的第一导电通孔14附近，整体呈现以第一导电通孔14为首端，首尾相邻的类似环状布局。
34.如图4所示，在如图1至图3的第一导电贴片13和第二导电贴片20的布设方向下，第一天线基板11、第二天线基板12上的多个第一导电贴片13、多个第二导电贴片20和接地盘15上的电流形成电流回路，这部分电流回路会产生+z方向的磁偶极子m，而单极辐射器17、以及四个导电通道16上的垂直电流则会产生+z方向的电偶极子e。电偶极子e和磁偶极子m彼此同向且平行，该天线可以实现lhcp辐射特性。由于第一导电贴片13和第二导电贴片20的布设旋转方向决定磁偶极子m的方向，因此，如果改变第一天线基板11和第二天线基板12上多个第一导电贴片13和第二导电贴片20的布设旋转方向，则可以改变天线的圆极化类型，即产生右旋圆极化或左旋圆极化。
35.第一天线基板11和第二天线基板12均优选为圆角正方形，优选尺寸为3.28mm
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3.28mm
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1mm，第一导电贴片13和第二导电贴片20均选用铜质贴片，结构简单且易于制造和集成。第一导电贴片13的末端与相邻第一导电通孔14之间的距离优选等于第一导电贴片13
的侧边缘于接地盘15的侧边缘之间的距离，如图2中w3所示，w3优选设计为0.1mm。如图3所示，连接导线22的宽度w2小于第二导电贴片20的宽度w1,连接导线22的宽度w2优选设计为0.15mm,第二导电贴片20的宽度优选设计为0.5mm，以在整体结构强度、天线性能和天线尺寸之间达到平衡。从图5的仿真图像中可以看出全向圆极化天线的s11参数和轴比，仿真结果表明，天线的-10db阻抗带宽为自27.3ghz到28.8ghz，即阻抗带宽为1.5ghz，而3db轴比带宽为自26.2ghz到28.8ghz，即3db轴比带宽为2.6ghz，覆盖了专用于5g无线通信的整个27.5ghz到28.35ghz频段。图6中示出了天线的总增益方向图，图7中示出了天线在e面的左旋圆极化和右旋圆极化增益方向图，可以看出此时天线的极化方式为左旋圆极化，天线在28ghz处能够产生非常好的圆极化辐射图。
36.本实用新型同时公开一种电子设备，应用此种全向圆极化天线。电子设备包括但不限于用于手机的天线阵列，可穿戴设备、vr设备或者ar设备，其中，可穿戴设备包括但不限于耳机、智能手环、智能手表、智能戒指、智能脚环和智能头戴设备中的至少一种。全向圆极化天线的具体技术方案请参见上述实施例的详细描述以及说明书附图的详细记载，在此不再赘述。设置有上述全向圆极化天线的电子设备可以实现同样的技术效果。
37.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型所要求保护的技术方案的精神和范围。