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CN102931473B - 2.4GHz/5.8GHz双频无线通讯装置 - Google Patents

2.4GHz/5.8GHz双频无线通讯装置 Download PDF

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CN102931473B CN201110228431.XA CN201110228431A CN102931473B CN 102931473 B CN102931473 B CN 102931473B CN 201110228431 A CN201110228431 A CN 201110228431A CN 102931473 B CN102931473 B CN 102931473B
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徐冠雄
方能辉
李岳峰
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Shenzhen Guangqi Higher Institute of Technology
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Kuang Chi Intelligent Photonic Technology Ltd
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Abstract

一种2.4GHz/5.8GHz双频无线通讯装置包括一双射频天线，双射频天线包括一馈电点、与该馈电点相连接的馈线及一金属结构；馈线与金属结构相互耦合；所述金属结构至少使两个不同波段的电磁波谐振。从而使得2.4GHz/5.8GHz双频无线通讯装置只需采用一根天线，使其满足小型化和多模式的工作趋势。

Description

2.4GHz/5.8GHz双频无线通讯装置
技术领域
本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种2.4GHz/5.8GHz双频无线通讯装置。
背景技术
随着无线通信技术的日益发展，使无线通讯电子设备同时进行多个不同频段通讯需求日益增强。现有无线通讯电子设备一般采用多根射频天线。然而这些天线的尺寸、带宽、增益等重要指标却受到了基本物理原理的限制(固定尺寸下的增益极限、带宽极限等)。这些指标极限的基本原理使得天线的小型化技术难度远远超过了其它器件，而由于射频器件的电磁场分析的复杂性，逼近这些极限值都成为了巨大的技术挑战。比如，传统的终端通信天线主要基于电单极子或偶极子的辐射原理进行设计，最常用的平面反F天线(PIFA)。传统天线的辐射工作频率直接和天线的尺寸正相关，带宽和天线的面积正相关，使得天线的设计通常需要半波长的物理长度。
在一些更为复杂的电子系统中，天线需要多模工作，就需要在馈入天线前额外的阻抗匹配网络设计。但阻抗匹配网络额外的增加了电子系统的馈线设计、增大了射频系统的面积同时匹配网络还引入了不少的能量损耗，很难满足低功耗的系统设计要求。因此，小型化、多模式的天线技术成为了当代无线通讯电子设备的一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，传统天线技术在2.4GHz/5.8GHz双频无线通讯装置中尺寸受限的前提下难以实施，以及现有技术的上述很难满足现代通信系统低功耗的系统设计要求；本发明提供一种突破传统天线设计的框架，省去阻抗匹配网络的复杂设计，保证其小型化，使天线辐射面积利用率高、抗干扰能力强的2.4GHz/5.8GHz双频无线通讯装置。
一种2.4GHz/5.8GHz双频无线通讯装置包括一双射频天线，双射频天线包括一馈电点、与该馈电点相连接的馈线及一金属结构；馈线与金属结构相互耦合；所述金属结构至少使两个不同波段的电磁波谐振。
进一步地，所述两种不同波段的电磁波的频率段为2.4GHz-2.49GHz和4.9GHz-5.9GHz。
进一步地，所述双射频天线还包括接地单元，所述接地单元上设置有若干个金属化的通孔。
进一步地，所述金属结构呈平面板状结构。
进一步地，所述双射频天线还包括一介质基板，所述馈电点、接地单元、馈线及一金属结构均设置于所述介质基板一表面上。
进一步地，所述馈线与所述金属结构电相连。
进一步地，所述馈线采用包围方式设置于与所述金属结构外围且馈线的末端设置于金属结构外围任意位置。
进一步地，所述高分子材料为FR-4和F4B中任意一种。
进一步地，所述双射频天线表面上设置有非金属的防氧化薄膜。
进一步地，所述金属结构为所述金属结构的长和宽可以是任意的。
采用人工电磁材料理论设计出使至少使两个不同波段的电磁波谐振的金属结构，并根据应用无线电子产品选取阻抗匹配的金属结构；由于这些金属结构尺寸的物理尺寸不受半波长的物理长度限制；将所述金属结构与馈线进行信号耦合而形成本发明中的双射频天线。所述双射频天线能同时接收和发送至少使两个不同波段的电磁波，因此使用本发明的一根双射频天线可以同时满足多频段的多模式工作；减少目前市场上的2.4GHz/5.8GHz双频无线通讯装置在多频段的多模式工作需要至少两根天线的局面。另外，金属结构是设计不受半波长的物理长度限制，因此根据2.4GHz/5.8GHz双频无线通讯装置本身尺寸可以设计相应大小天线，以满足无线通讯装置的小型化需求。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明2.4GHz/5.8GHz双频无线通讯装置的示意图；
图2为本发明一实施方式的双射频天线平面结构图；
图3为图1所示双射频天线依附于一介质基板上的结构图；
图4为本发明双射频天线上的金属结构与馈线另一种信号馈入方式平面结构图；
图5为本发明双射频天线的金属结构与馈线第三种馈入方式平面结构图；
图6为本发明双射频天线的金属结构与馈线第四种馈入方式平面结构图；
图7为图2所示双射频天线的一互补式金属结构的双射频天线平面结构图；
图8为本发明第五实施方式的双射频天线的部分平面结构图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述：
请参阅图1和图2，为本发明2.4GHz/5.8GHz双频无线通讯装置的示意图和内置一实施方式的双射频天线平面结构图。所述2.4GHz/5.8GHz双频无线通讯装置100包括一本体101和内置于本体101的双射频天线10。所述双射频天线10能接收2.4GHz-2.49GHz和4.9GHz-5.9GHz两个频段电磁波，从而实现2.4GHz/5.8GHz双频无线通讯装置100同时进行双频段通讯。当然，为了提高无线信号接收性能，可以将双射频天线10外置于本体101上。2.4GHz/5.8GHz双频无线通讯装置包括但不限于无线数据卡、无线路由器、手机、个人数字助理、导航装置、蓝牙装置及WIFI无线基站等各种工作于2.4GHz和5.8GHz电子设备。
上述双射频天线10包括一馈电点5、与该馈电点5相连接的馈线4及一平面板状的金属结构6。其中馈线4与金属结构6相互耦合；所述金属结构6为采用人工电磁材料理论来设计，即超材料技术理论；所述人工电磁材料是指将金属片加工设计(如采用蚀刻工艺等方式)成响应电磁波的一定形状的金属结构，所述人工电磁材料也能将高频电信号转化电磁波，根据人工电磁材料设计的金属结构至少使两种不同波长的电磁波谐振；其性能直接取决于电磁波亚波长的金属结构。尤其在金属结构的谐振频段，人工电磁材料通常体现出高度的色散特性，换言之，金属结构的阻抗、容感性、等效的介电常数和磁导率随着频率会发生剧烈的变化。因而可基于人工电磁材料设计方法将金属结构的基本特性进行设计，使得金属结构与其依附的介质基板等效地组成了一个高度色散的特种电磁材料，从而实现辐射特性丰富的天线。
在本实施方式中，所述金属结构6为轴对称的平面板状金属结构。所述金属结构6的长和宽可以是任意的，主要根据其应用电子设备的机构设计来确定具体尺寸大小，当然在金属结构6面积在其应用电子设备允许的机构空间尽量大。其中金属结构6为铜或银材料制成。优选为铜，价格低廉，导电性能好。为了实现更好阻抗匹配，金属结构12也为铜和银组合。
双射频天线10还包括接地单元8，所述接地单元8上设置有若干个金属化的通孔81。在本实施方式中，所述接地单元8对称地分布所述馈电点5两侧。
本实施例利用人工电磁材料的特性，采用在金属片上镂刻成金属结构的方式，使得金属结构及与金属结构所依附的介质共同组成一个等效介电常数按照洛仑兹材料谐振模型色散的电磁材料，从而设计出多谐振频段的天线。在本实施方式中，如图1所示金属结构6使2.4GHz-2.49GHz和4.9GHz-5.9GHz两个频段电磁波谐振；所述金属结构6的长和宽都可以根据电子设备机构布局做任意调整(如图8所示)，但是金属结构6结构形状保持与本实施例中一致。
请参阅图3，所述双射频天线10还包括一介质基板7，所述馈电点5、接地单元8、馈线4及一金属结构6均设置于所述介质基板7一表面上；所述馈线4采用耦合方式馈入所述金属结构6。所述介质基板7可以采用空气、陶瓷或者绝缘功能的介质基板。本发明中，介质基板7由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。优选地，由高分子材料制成，具体地可以是FR-4、F4B等高分子材料。
请一并参考图4、图5及图6，所述馈线4与金属结构6之间信号馈入方式可以采用多种方式。如图4所示，所述馈线4直接与所述金属结构6相连；且所述馈线4与金属结构6的相连接点位置可以位于金属结构6上的任意位置。如图5、6所示，馈线4采用包围方式设置于与所述金属结构6外围且馈线4的末端设置于金属结构6外围任意位置。
请参阅图7，根据人工电磁材料设计理论，与上述双射频天线10的金属结构6互补式的一金属结构6’，所述金属结构6’的谐振频段包含2.4GHz和5.8GHz两个频段。因此基于此。也可设计成谐振频段包含2.4GHz和5.8GHz的双射频天线。
本实施例中，关于双射频天线10的加工制造，只要满足本发明的设计原理，可以采用各种制造方式。最普通的方法是使用各类印刷电路板(PCB)的制造方法，如覆铜的PCB制造均可满足本发明的加工要求。除此加工方式，还可以根据实际的需要引入其它加工手段，如导电银浆油墨加工方式、各类可形变器件的柔性PCB加工、铁片天线的加工方式以及铁片与PCB组合的加工方式。其中，铁片与PCB组合加工方式是指利用PCB的精确加工来完成芯片微结构部分的加工，用铁片来完成其它辅助部分。由于采用低成本的铜材料形成所述金属结构6，因此暴露空气中容易被氧化而使双射频天线10谐振频率偏移或者性能急剧下降，因此双射频天线表面上设置有非金属的防氧化薄膜。由于本发明的主要性能都集中在金属结构6拓扑和芯片部分的设计，因此，馈线4的引线对双射频天线10的辐射频率影响相对较小。基于这个特点，双射频天线可以被灵活的摆放在系统的任何位置，简化的安装测试的复杂度。
上述双射频天线10直接可应用可以直接设置于2.4GHz/5.8GHz无线通讯装置的PCB板上，也可以采用接口使双射频天线10通过一接口与2.4GHz/5.8GHz无线通讯装置的PCB板相连接。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种2.4GHz/5.8GHz双频无线通讯装置，其特征在于，所述双频无线通讯装置包括一双射频天线，双射频天线包括一馈电点、与该馈电点相连接的馈线及一金属结构；馈线与金属结构相互耦合，所述金属结构为轴对称的平面板状金属结构；根据人工电磁材料设计的所述金属结构至少使两个不同波段的电磁波谐振，所述两种不同波段的电磁波的频率段为2.4GHz-2.49GHz和4.9GHz-5.9GHz；
其中，所述双射频天线还包括接地单元，所述接地单元上设置有若干个金属化的通孔，且所述接地单元对称地分布所述馈电点的两侧；
其中，所述双射频天线还包括一介质基板，所述馈电点、接地单元、馈线及一金属结构均设置于所述介质基板一表面上。
2.根据权利要求1所述的2.4GHz/5.8GHz双频无线通讯装置，其特征在于，所述馈线采用包围方式设置于与所述金属结构外围且馈线的末端设置于金属结构外围任意位置。
3.根据权利要求2所述的2.4GHz/5.8GHz双频无线通讯装置，其特征在于，所述介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成，所述高分子材料为FR-4和F4B中任意一种。
4.根据权利要求1所述的2.4GHz/5.8GHz双频无线通讯装置，其特征在于，所述双射频天线表面上设置有非金属的防氧化薄膜。
5.根据权利要求1所述的2.4GHz/5.8GHz双频无线通讯装置，其特征在于，所述金属结构为所述金属结构的长和宽可以是任意的。
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