一种基于双频段的偶极子PCB天线的制作方法

一种基于双频段的偶极子pcb天线
技术领域
1.本发明天线所涉及的天线技术领域，具体说来是一种基于490mhz、2.4ghz双频段的偶极子pcb天线，采用不同频段对应不同形式阵子的方式设计，将490mhz和2.45ghz两个频段的天线合成为一根，实现一根天线同时满足低频段470mhz～510mhz和高频段2.4ghz～2.4835ghz的使用场景。


背景技术：

2.现代物联网通信设备要求尽可能满足不改变外壳及更换外置天线的情况下，实现设备内部更换收发通信频率的使用场景。为满足户外通信设备的有效使用，例如网关类控制及传送单元，天线存在需要具备传输低频(以490mhz为中心点的lora通信或者同频段的其他通信调制形式)以及传输高频(以2.45ghz为中心点的zigbee、wifi、蓝牙通信)的使用功能。如果在此种情况下，网关类等控制设备在工作时，根据使用需求更换外置天线时，不但麻烦，同时产生的费用高，对安装人员增大了辨识及安装难度，且不同的天线外壳及天线的辐射体差异，造成外置天线的尺寸大小不一，在保证性能的同时，失去了设备的整体美观程度。


技术实现要素：

3.本发明的目的是克服现有技术难度，将可工作于低频段470mhz～510mhz和高频段2.4ghz～2.4835ghz的两个频点的天线，设计成一根天线。本发明的一种可工作在低频段470mhz～510mhz和高频段2.4ghz～2.4835ghz的双频偶极子天线，可保证低频段470mhz～510mhz和高频段2.4ghz～2.4835ghz正常工作。针对特定使用场景，有很强的实用性。。
4.本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于双频段的偶极子pcb天线，包括pcb板，在pcb板上设有两个对称设置的天线阵子部分；所述天线阵子部分，用于产生低频和高频的天线谐振，包括第一辐射单元、第二辐射单元、第三辐射单元、第四辐射单元和第五辐射单元；
5.所述第一辐射单元，设于pcb板中部，第一辐射单元的中心位置为馈点位或馈线接地位置；
6.所述第二辐射单元，与第一辐射单元连接；
7.所述第三辐射单元、第四辐射单元与第一辐射单元连接，且分别设于所述第二辐射单元两侧；
8.第五辐射单元，与第三辐射单元远离第一辐射单元的一端连接。
9.所述第二辐射单元、第四辐射单元用于产生高频2.4ghz～2.4835ghz的天线谐振。
10.所述第二辐射单元、第四辐射单元尺寸相等。
11.所述第一辐射单元、第三辐射单元、第五辐射单元用于产生低频470mhz～510mhz的天线谐振。
12.所述第三辐射单元的长度大于第二辐射单元、第四辐射单元的长度。
13.所述第二辐射单元与第三辐射单元之间的间距、和第四辐射单元与第三辐射单元之间的间距相等。
14.两个天线阵子部分旋转对称。
15.两个天线阵子部分的第一辐射单元之间设有间距。
16.在低频段发射信号时，第一天线阵子部分中的第一辐射单元、第三辐射单元、第五辐射单元产生470mhz～510mhz天线辐射谐振，与第二天线阵子部分中的第一辐射单元、第三辐射单元、第五辐射单元产生偶极子对称镜像作用，第二天线阵子部分同时产生470mhz～510mhz天线辐射谐振。
17.第一天线阵子部分中的第一辐射单元、第二辐射单元、第四辐射单元产生2.4ghz～2.4835ghz天线辐射谐振，与第二天线阵子部分中的第一辐射单元、第二辐射单元、第四辐射单元产生偶极子对称镜像作用，第二天线阵子部分同时产生2.4ghz～2.4835ghz天线辐射谐振。
18.本发明具有以下有益效果及优点：
19.1.将低频段470mhz～510mhz和高频段2.4ghz～2.4835ghz两个频段的天线合成为一根，增加了天线的集成度，使用场景增多；
20.2.天线的性能指标的天线增益、使用带宽等达到预期设计及使用要求。
附图说明
21.图1a是一种基于490mhz、2.4ghz双频段的偶极子pcb天线的平面示意图；
22.图1b是一种基于490mhz、2.4ghz双频段的偶极子pcb天线的天线辐射单元编码图；
23.图1c是一种基于490mhz、2.4ghz双频段的偶极子pcb天线的天线各辐射阵子的尺寸示意图；
24.图2是一种基于490mhz、2.4ghz双频段的偶极子pcb天线的回波损耗参数s11的数据图，得出数据，在满足s11低于-10db条件下，低频段490mhz的回波损耗s11为0.47ghz～0.53ghz，高频段2.45ghz的回波损耗s11为2.39ghz～2.67ghz；
25.图3是一种基于490mhz、2.4ghz双频段的偶极子pcb天线的电压驻波比vswr数据图，得出数据，在满足vswr《2的条件下，在图2所示的s11的对应频段范围内，低频点490mhz对应的电压驻波比vswr为1.316，高频点2.45ghz的电压驻波比vswr为1.717；
26.图4是一种基于490mhz、2.4ghz双频段的偶极子pcb天线的低频段470mhz～510mhz的远区场3d辐射增益图，根据图示可以读出低频点的空间最大增益为2.1dbi，根据图示可以读出高频点的空间最大增益为4.5dbi；
27.图5是一种基于490mhz、2.4ghz双频段的偶极子pcb天线的高频段2.4ghz～2.4835ghz的远区场3d辐射增益图,根据图示可以读出低频点的空间最大增益为2.1dbi。
具体实施方式
28.下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
29.本发明涉及一种基于490mhz、2.4ghz双频段的偶极子pcb天线，天线的应用场景为物联网类低频段470mhz～510mhz的lora通信(或该频段的其他通信模式)以及高频段2.45ghz的zigbee或者wifi类产品通信。该天线能够激起两个频率模式，设计合理且结构简
单。其中包括低频段发射阵子、高频段发射阵子、低频段镜像反射阵子、高频段镜像反射阵子、介质层、馈电焊接点和接地焊接点。天线图示参考图1a、图1b、图1c。偶极子天线对称布局，图1a、图1b、图1c天线上半部为发射部分，下半部分为发射部分旋转180
°
的镜像反射部分，天线介质层采用1mm厚度材质为fr-4的介质板。发射部分的中间长条发射体为低频部分发射阵子，两侧较短部分的发射体为高频部分的发射阵子。低频发射阵子和高频发射阵子的馈点在同一处。
30.一种基于490mhz、2.4ghz双频段的偶极子pcb天线，对应的工作频段为低频段470mhz～510mhz和高频段2.4ghz～2.4835ghz。所述印制电路板substrate和所述天线阵子部分组成整根天线，所述印制电路板的上端为所述天线辐射单元
①
、
②
、
③
、
④
、
⑤
，其中所述天线辐射单元的
①
的中心位置为所述馈点位置，所述辐射单元
①
为馈点与所述低频辐射单元即490mhz的所述发射阵子
③
和
⑤
连接部分。所述馈点位置在高频段即2.4ghz～2.4835ghz以内产生谐振时，通过所述辐射单元
①
、
②
和
④
将电磁波辐射传播出去。所述偶极子天线的镜像对称部分的所述反射阵子
⑥
、
⑦
、
⑧
、
⑨
、
⑩
，结构、尺寸、形状与所述发射阵子的
①
、
②
、
③
、
④
、
⑤
一致且镜像对称设计。
②
、
③
、
④
均与
①
垂直设置，
⑤
与
③
垂直设置。
31.所述印制电路板substrate采用材质fr-4、厚度1.0mm的pcb板，设计尺寸为260*17*1mm。sx、xy分别表示17mm和260mm，pcb天线的板厚度是1mm。
32.所述的天线辐射单元
①
的中心位置预留焊盘，为馈点的焊接位置。
33.所述的天线辐射单元
⑥
的中心位置预留焊盘，为外接馈线的参考地的焊接位置。
34.在低频段发射信号时，所述的天线辐射单元
①
、
③
和
⑤
产生470mhz～510mhz天线辐射谐振，所述的天线辐射单元
⑥
、
⑧
、
⑩
根据偶极子半波镜像谐振原理，与所述天线辐射单元
①
、
③
和
⑤
产生偶极子对称镜像作用，同时产生470mhz～510mhz天线辐射谐振。
35.在高频段发射信号时，所述的天线辐射单元
①
、
②
和
④
产生2.4ghz～2.4835ghz天线辐射谐振，所述的天线辐射单元
⑥
、
⑦
、
⑨
根据偶极子半波谐振原理，与所述天线辐射单元
①
、
②
和
④
产生偶极子对称镜像作用，同时产生2.4ghz～2.4835ghz天线辐射谐振。
36.所述pcb介质板，尺寸设计充分满足所述的低频天线辐射单元和所述的高频天线辐射单元的谐波振荡性能。
37.所述的高频天线辐射单元采用
②
和
④
对称同尺寸设计，有效保证和增大天线的增益。
38.所述的低频天线辐射单元
③
和
⑤
采用介于空气波长和介质波长之间的长度设计，有效保证天线辐射谐振的能效传输。
39.所述的天线辐射单元
①
、
③
和
⑤
，用于产生低频470mhz～510mhz的天线谐振。所述的天线辐射单元
①
的宽度l1y为4.5mm，长度l1x为16mm。所述的天线辐射单元
③
的宽度l3x为3mm，长度l3y为125mm。所述的天线辐射单元
⑤
的宽度l4y采用3mm，长度l4x为6.5mm。(长度标号参照图1c)
40.所述的天线辐射单元
②
和
④
，用于产生高频2.4ghz～2.4835ghz的天线谐振。所述的天线辐射单元
②
和
④
的设计尺寸为宽度l2x为3mm，长度l2y为19mm。
②
和
④
采用一样的尺寸对称设计，能有效增加辐射增益。
41.所述偶极子镜像对阵的天线辐射单元
⑥
、
⑦
、
⑧
、
⑨
、
⑩
与所述的天线辐射单元
①
、
②
、
③
、
④
、
⑤
尺寸完全一致且180
°
方向镜像。即所述的天线辐射单元
⑥
与所述的天线辐射
单元
①
尺寸一致，方向镜像。所述的天线辐射单元
⑦
与所述的天线辐射单元
②
尺寸一致，方向镜像。所述的天线辐射单元
⑧
与所述的天线辐射单元
③
尺寸一致，方向镜像。所述的天线辐射单元
⑨
与所述的天线辐射单元
④
尺寸一致，方向镜像。所述的天线辐射单元
⑩
与所述的天线辐射单元
⑤
尺寸一致，方向镜像。
42.所述的天线辐射单元
②
与
③
、
④
与
③
、
⑦
与
⑧
、
⑨
与
⑧
的间距一致，均为w0＝3.5mm。
43.所述的天线辐射单元
①
和
⑥
之间的距离w1为3mm.
44.一种基于490mhz、2.4ghz双频段的偶极子pcb天线，性能指标s11满足低频段470mhz～510mhz的40mhz带宽以及高频段2.4ghz～2.4835ghz的83.5mhz的使用要求，设计参数参考图2。
45.一种基于490mhz、2.4ghz双频段的偶极子pcb天线，性能指标电压驻波比vswr满足在低频段470mhz～510mhz和高频段2.4ghz～2.4835ghz的vswr《2的设计要求，设计参数参考图3。
46.一种基于490mhz、2.4ghz双频段的偶极子pcb天线，性能指标天线增益在低频段470mhz～510mhz满足增益》2dbi、在高频段2.4ghz～2.4835ghz的增益满足增益》4dbi的设计要求，设计参数参考图4(低频段)、图5(高频段)。
47.如图1a、图1b、图1c所示，该天线在材质为fr-4厚度为1mm的pcb介质板上，以介质板中心点为参考呈对称分布排列。图1a、图1b、图1c所示的天线设计的上半部分为发射单元阵子，下半部分为偶极子天线的对称镜像单元阵子。
48.介质板的尺寸设计为260*17*1mm。
49.在距离介质板的中心点位置处，设计天线辐射阵子
①
，尺寸为16*4.5mm。在天线阵子
①
的两端朝纵向上板边方向设计天线阵子
②
和
④
，尺寸均为19*3mm。在天线阵子的
①
的中心处，在介质板纵向的剧中位置，朝向上板边设计天线阵子
③
，尺寸为3*125mm。在天线阵子
③
的末端靠近上板边一侧，设计天线阵子
⑤
，尺寸为3*6.5mm。将天线阵子
①
、
②
、
③
、
④
、
⑤
，按照设计图的xoz面(即介质板下半边方向)复制镜像，得到尺寸、形状完全一致且角度180度镜像的天线阵子
⑥
、
⑦
、
⑧
、
⑨
、
⑩
。
50.在天线阵子
①
、
⑥
的中心位置，制作pcb是预留焊盘，
①
的中心焊盘位置为天线传输馈线的馈点，
⑥
的中心焊盘位置为天线传输馈线的gnd。
51.天线的理论长度是满足1/4个工作波长，工作波长介于自由空间波长和介质波长之间，按照频率与自由空间波长的计算公式：
52.波长＝30万公里/频率＝300000000米/频率(得到的单位为米)
53.本专利涉及的天线频段，低频部分490mhz天线长度为：
54.波长＝300000000米/490mhz＝0.6122米，换算成mm为612mm，1/4波长为153mm。
55.本专利涉及的天线频段，高频部分2.4ghz天线长度为：
56.波长＝300000000米/2.4ghz＝0.125米，换算成mm为125mm，1/4波长为31.25mm。
57.根据pcb天线的实际长度，介于自由空间波长和pcb板材的介质波长之间，低于自由空间波长，经过仿真验证，得出低频部分的谐振天线部分的实际长度为
③

⑤
为125mm 6.5mm＝131.5mm；得出高频部分的谐振天线部分的实际长度为
②
(或者
④
)19mm。
58.根据pcb板尺寸、低频点490mhz和高频点2.45ghz的仿真验证以及天线指标的设计
要求，设计天线辐射体的宽度为3mm。