一种UHF小型化低剖面天线的制作方法

一种uhf小型化低剖面天线
技术领域
1.本发明涉及天线技术领域，特别是小型化、低剖面、宽波束、高增益的天线技术领域。


背景技术：

2.随着物联网通信设备的发展，无源天线作为物联网通信系统的重要组成部分，越来越凸显其重要的作用。特别是工作于uhf频段的物联网通信天线，该频段天线波长较长，常规设计的天线尺寸很大，因此终端设备对天线提出了小型化、低剖面、宽波束、高增益、低成本等设计要求。因此，对于高性能低剖面uhf天线的研究越来越受到相关行业的重视。
3.以高介电常数材料为基板的微带天线形式是常见的uhf频段天线小型化，低剖面的手段。如专利“一种双馈电uhf_rfid圆极化阅读器天线”(申请号：cn202120056485.1)，天线实现形式为双馈点陶瓷微带天线。此类天线采用高介电常数的陶瓷作为微带天线的介质基板，缩小了天线尺寸。但陶瓷基材成本高、易碎，且这种实现方式天线工作带宽窄，陶瓷材料上的印刷图形不易调试，造成这类天线加工调试难度大，产品重量大等缺点，产品成品率极低，无法进行工业化生产。
4.另有印刷在pcb上的折弯振子形式的天线，如专利“一种矩形小型化fpcb印制物联网天线”(申请号：cn201821204472.9)，采用将1/4波长振子天线进行多次弯折的形式来缩小天线尺寸，可将天线尺寸缩小到(0.08λ0)，但缩小天线辐射长度的同时，造成天线辐射电阻的下降，此类天线辐射效率很低，增益一般小于-5db；振子天线辐射方向图为水平，经过多次折弯后，天线辐射方向图受安装环境影响大，仅适合近距离通信或测试使用。
5.还有采用法向模式螺旋天线来缩小天线尺寸，如专利“一种小型化天线”(申请号：cn201920868014.3)和专利“一种小型化折线型物联网天线”(申请号：cn201821205934.9)，分别采用金属螺旋绕线和pcb印刷螺旋绕线的天线形式。法向模螺旋天线可将天线长度缩小到0.02λ0，辐射方向图为水平全向，同样受安装环境影响大，同时小型化螺旋天线性能敏感，需要设计匹配网络来调试端口驻波比，加工调试难度大。
6.因此，为了进一步提升低剖面uhf天线辐射性能，需要在天线设计与工程实现方面开展工作。


技术实现要素：

7.要解决的技术问题
8.为了克服现有uhf小型化低剖面天线工作带宽窄，辐射增益低的技术的不足，本发明提供一种设计新颖、简单，具有低剖面、宽波束、高增益的辐射性能的uhf频段天线。
9.技术方案
10.一种uhf小型化低剖面天线，其特征在于包括辐射pcb、射频连接器、金属支撑柱、射频电缆组件、底板和天线罩；所述辐射pcb为印刷有环状金属图形的微波介质板，射频连接器的内、外导体分别与辐射pcb上环状金属图形的首尾连接，构成天线的辐射部分；所述
射频连接器为辐射pcb上环状金属图形的馈电装置；所述金属支撑柱将辐射pcb支撑并悬置于底板之上；所述底板作为天线的安装座，同时为天线的金属地，辐射pcb通过四周金属支撑柱固定在底板上；金属支撑柱与辐射pcb上的环状金属图形通过特定的安装距离，在天线辐射pcb与底板之间形成等效的分布电容，有效降低天线谐振频率，从而降低了天线的剖面高度；所述天线罩安装在底板上保护整个天线结构；所述射频电缆组件的法兰安装在天线罩上，另一端与固定在辐射pcb上的射频连接器相连，将天线馈电端口引出到外形侧壁，便于与信号收发设备连接。
11.优选地：所述辐射pcb为玻璃纤维微波介质板。
12.优选地：所述辐射pcb上印刷环状金属图形总长度为0.4λ0～0.6λ0，λ0为对应频率的空气波长。
13.优选地：所述辐射pcb印刷的环状金属图形辐射结构为半波折合振子结构，显著增加了天线的辐射电阻，提高了天线的辐射效率。
14.优选地：所述辐射pcb的印刷环状金属图形设有调试枝节，通过改变调试枝节的长度与宽度，可以使天线谐振频率f0在一定范围内任意调试，保证天线在各种安装环境下具有较好的端口驻波。
15.优选地：所述的一定范围为f0±
40mhz。
16.优选地：所述金属支撑柱为n个对称安装的金属柱形结构，其作用是将所述辐射pcb安装并悬置于所述底版之上。
17.优选地：n≥4。
18.优选地：所述金属支撑柱与所述底板通过螺钉短路连接，与所述辐射pcb上印刷的环状金属图形的间距为0.001λ0～0.002λ0，使天线的环状金属图形辐射结构对底板(5)形成分布电容加载，降低天线谐振频率，从而降低了天线的剖面高度。
19.优选地：所述天线罩为具有高透波率的保护罩。
20.有益效果
21.本发明提出的一种uhf小型化低剖面天线，天线设计新颖，具有小型化、宽波束、高增益的辐射性能。天线整体尺寸≤0.3λ0×
0.15λ0×
0.05λ0(λ0为对应频率的空气波长)，最大增益＞6db，水平面3db波束宽度＞86
°
，垂直面3db波束宽度＞90
°
。天线结构形式简单、可靠，具备良好的工程特性，适用于不同工作平台。与现有技术相比的优点在于：
22.(1)本发明中天线辐射主体为将λ0/2长度的金属线进行弯折形成环状结构，增加天线的辐射电阻，提高了天线的辐射效率；
23.(2)本发明中天线增加安装底座，使天线具备覆盖半空域的宽波束、高增益的辐射性能；
24.(3)本发明中通过布置多个金属支撑柱，金属支撑柱与辐射pcb上的环状金属图形之间形成分布电容加载，使整体剖面高度降低到0.05λ0以下；
25.(4)本发明中金属支撑柱与辐射pcb上的环状金属图形之间形成分布电容加载，可通过改变金属支撑柱的高度，以及金属支撑柱与辐射pcb上的环状金属图形之间的距离，对天线谐振频率进行调试；
26.(5)本发明中辐射pcb上的环状金属图形部分设计有特定形状的调试枝节，通过改变调试枝节的长度与宽度，可以使天线谐振频率f0在一定范围内(f0±
40mhz)任意调试。
附图说明
27.为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，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。
28.图1为本发明的天线整体结构示意图，天线外形尺寸≤0.3λ0×
0.15λ0×
0.05λ0；
29.图2为本发明的天线的端口驻波比图，vswr≤2工作带宽为1.8％；
30.图3为本发明的天线的水平面辐射方向图，3db波束宽度86
°
；
31.图4为本发明的天线的垂直面辐射方向图，3db波束宽度90
°
；
32.附图标记说明
33.1-辐射pcb、2-射频连接器、3-金属支撑柱、4-射频电缆组件、5-底板、6-天线罩。
具体实施方式
34.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创新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。
35.如图1所示，本发明中所述的一种uhf小型化低剖面天线由辐射pcb1、射频连接器2、金属支撑柱3、射频电缆组件4、底板5和天线罩6组成。辐射pcb1，所述辐射pcb1为印刷有环状金属图形的微波介质板，射频连接器2的内、外导体分别与辐射pcb1上环状金属图形的首尾连接，构成天线的辐射部分；射频连接器2，所述射频连接器2为辐射pcb1上环状金属图形的馈电装置；金属支撑柱3，所述金属支撑柱3将辐射pcb1支撑并悬置于底板5之上；底板5，所述底板5作为天线的安装座，同时为天线的金属地，辐射pcb1通过四周金属支撑柱3固定在底板5上；金属支撑柱3与辐射pcb1上的环状金属图形通过特定的安装距离，在天线辐射pcb1与底板5之间形成等效的分布电容，有效降低天线谐振频率，从而降低了天线的剖面高度；天线罩6，所述天线罩6为具有高透波率的保护罩，安装在底板5上保护整个天线结构；射频电缆组件4的法兰安装在天线罩6上，另一端与固定在辐射pcb1上的射频连接器2相连，将天线馈电端口引出到外形侧壁，便于与信号收发设备连接。
36.本实施例辐射pcb1通过四周金属支撑柱3固定在底板5上，外加天线罩6进行保护，射频电缆组件4的法兰安装在天线罩6上，另一端与固定在辐射pcb1上的射频连接器2连接，天线形式新颖、可靠，工程实现简单。
37.所述辐射pcb1上印刷环状金属图形：其中弯折的多边形环状金属线(总长度为0.4λ0～0.6λ0，λ0为对应频率的空气波长)结构作为天线的辐射主体，显著缩减天线横向尺寸，其首尾分别连接射频连接器2的内、外导体形成谐振回路。所述辐射pcb1的印刷环状金属图形留有调谐机构，在与所述射频连接器2的连接部分，设计有特定形状的调试枝节，通过改变调试枝节的长度与宽度，可以使天线谐振频率f0在一定范围内(f0±
40mhz)任意调试，保证天线在各种安装环境下具有较好的端口驻波。所述辐射pcb1为硬度较大的玻璃纤维微波介质板，具有一定的结构强度。
38.本发明实施例中天线辐射主体为将λ0/2长度的金属线进行弯折形成环状结构，增
加天线的辐射电阻，提高了天线的辐射效率。
39.所述金属支撑柱3为n(n≥4)个对称安装的金属柱形结构，既作为所述辐射pcb1的支撑结构，将其安装并悬置于底板5之上，又具有天线的电容加载功能，将所述金属支撑柱3与所述底板5通过螺钉短路连接，在与辐射pcb1上印刷的环状金属图形保持开路的同时保持较小的间距(间距约为0.001λ0～0.002λ0)，使天线的环状金属图形辐射结构对底板5形成分布电容加载，降低天线谐振频率，从而降低了天线的剖面高度(＜0.05λ0)。
40.本发明中天线增加安装底座5，所述底板5作为天线的金属地，增大底板5的尺寸，使天线具备覆盖半空域的宽波束、高增益的辐射性能。
41.本发明中通过布置多个金属支撑柱3，金属支撑柱3与辐射pcb1上的环状金属图形之间形成分布电容加载，使整体剖面高度降低到0.05λ0以下。
42.本发明中金属支撑柱3与辐射pcb1上的环状金属图形之间形成分布电容加载，可通过改变金属支撑柱3的高度，以及金属支撑柱3与辐射pcb1上的环状金属图形之间的距离，对天线谐振频率进行调试。
43.本发明中辐射pcb1上的环状金属图形部分设计有特定形状的调试枝节，通过改变调试枝节的长度与宽度，可以使天线谐振频率f0在一定范围内(f0±
40mhz)任意调试。
44.如图2所示，为天线在典型频段的驻波比示意图，驻波比＜2.0的相对带宽达到1.8％。
45.如图3所示，为天线在典型频段的水平面辐射方向图，3db波束宽度约为86
°
。
46.如图4所示，为天线在典型频段的垂直面辐射方向图，3db波束宽度约为90
°
。
47.本发明的工作原理如下：底板5作为天线的金属地，射频电缆组件4与射频连接器2连接，对辐射pcb1进行直接馈电，激励起对应频段高频电流，从而辐射出电磁波。本发明的天线接收电磁波的过程与上述辐射电磁波的过程相反。
48.通过上述技术方案，本发明天线剖面高度低，同时具有宽波束、高增益的辐射性能，且工作频率可在一定范围内自由调节；天线性能可靠稳定，结构简单，强度高，造价低，环境适应性强。
49.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明其他各种可能的组合方式不再另行说明。工程技术人员可根据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以根据以上所述对实施方案做一系列的变更。上述这些都应视为本发明涉及的范围。