折叠偶极子天线、无线通信模块及其构建方法
【专利摘要】本发明提供了一种折叠偶极子天线、一种无线通信模块及其构建方法。该折叠偶极子天线包括：第一导体段；第一馈电导体，一端与第一导体段相连接，另一端与射频处理电路的射频信号接收/发送端相连接；与第一导体段长度相等的第二导体段；第二馈电导体，一端与第二导体段相连接，另一端与所述射频处理电路的另一射频信号接收/发送端或接地端相连接；第三导体段；连接所述第一导体和所述第三导体段的第一连接段；以及连接所述第二导体和所述第三导体段的第二连接段，其中所述第一连接段和所述第二连接段具有相同的长度。其中，第一导体段和第二导体段被第一馈电导体和第二馈电导体分隔，第三导体段串联在第一导体段和第二导体段之间并平行于第一导体段与第二导体段组成的复合结构。
【专利说明】
折叠偶极子天线、无线通信模块及其构建方法
技术领域
[0001]本发明涉及天线领域，且具体地，涉及一种折叠偶极子天线、一种无线通信模块及其构建方法。【背景技术】
[0002]互联网家电要求家电连接到因特网，从而实现家电间以及家电与云端和人的互联。家电连接到互联网分为有线和无线两种。其中无线的连接方式因为避免了错综复杂的布线而被广泛使用。无线通信模块理想情况下可以安装在家电的任意位置，但是考虑到天线的信号不能被封闭的金属腔体遮挡，通常有三种安装方式:
[0003]1.天线与无线通信模块做在同一片印刷电路板上安装在家电的内部。家电外壳的靠近无线通信模块的部分没有金属。但是考虑到家电整体的结构稳固，不可能移除太多金属，因此，天线的信号不会很好。
[0004]2.无线通信模块安装在家电的内部，天线安装在壳体的外表面(或者壳体的内表面，此时也须移除壳体上的部分金属)。天线与模块之间通过射频电缆连接。很显然，射频电缆会增加成本和无线信号损耗。
[0005]3.无线通信模块与天线做成一个整体，安装在家电的壳体外表面，再通过便宜的连接器和线束连接到家电内部的主板。
[0006]上述方式(3)具有可以后装、升级方便和信号不受遮挡等优点。下面详细讨论方式(3)的无线通信模块的内置天线。
[0007]由于家电的种类和品牌繁多，因而许多家电的尺寸和形状大不相同，模块的安装位置也有不同的要求，因此，天线的设计具有很大的挑战性:
[0008]例如，现有技术存在使用手机等移动终端设备中广泛使用的倒F、平面倒F、单极子、偶极子天线来作为互联网家电中所使用的天线的技术方案。但是由于这些天线本身是非平衡天线，工作时在天线附近的金属上产生较大的电流，因而其性能受家电的金属外壳的影响很大。举例来说，同样的一个倒F天线(IFA)，安装在冰箱的顶部和侧面，该天线的性能会有很大变化。甚至安装在冰箱顶部的中央和角落，该天线的性能也有很大变化。
[0009]因此，需要一种能够使得无线传输的性能受其在家电(例如，冰箱)上的安装位置影响较小的天线和无线通信模块。
【发明内容】
[0010]由此，本发明提供了能够使得无线传输的性能受其在家电上的安装位置影响较小的天线和无线通信模块以及构建该天线和无线通信模块的方法。
[0011]根据本发明的一个方案，提供了一种折叠偶极子天线，包括:第一导体段；第一馈电导体，一端与第一导体段相连接，另一端与射频处理电路的射频信号接收/发送端相连接；与第一导体段长度相等的第二导体段；第二馈电导体，一端与第二导体段相连接，另一端与所述射频处理电路的另一射频信号接收/发送端或接地端相连接；第三导体段；连接所述第一导体和所述第三导体段的第一连接段；以及连接所述第二导体和所述第三导体段的第二连接段，其中所述第一连接段和所述第二连接段具有相同的长度。其中，第一导体段和第二导体段被第一馈电导体和第二馈电导体分隔，第三导体段串联在第一导体段和第二导体段之间并平行于第一导体段与第二导体段组成的复合结构。
[0012]根据本发明的另一方案，提供了一种无线通信模块，包括:外壳；射频处理电路， 内置于外壳内；以及上述的天线，内置于外壳内并与射频处理电路连接。
[0013]根据本发明的另一方案，提供了一种构建折叠偶极子天线的方法，包括:设置第一导体段；设置第一馈电导体，第一馈电导体一端与第一导体段相连接，另一端与射频处理电路的射频信号接收/发送端相连接；设置第二馈电导体，第二馈电导体一端与第二导体段相连接，另一端与所述射频处理电路的另一射频信号接收/发送端或接地端相连接；设置第三导体段；设置连接所述第一导体和所述第三导体段的第一连接段；以及设置连接所述第二导体和所述第三导体段的第二连接段，其中所述第一连接段和所述第二连接段具有相同的长度，其中，第一导体段和第二导体段被第一馈电导体和第二馈电导体分隔，第三导体段串联在第一导体段和第二导体段之间并平行于第一导体段与第二导体段组成的复合结构。
[0014]根据本发明的另一方案，提供了一种构建无线通信模块的方法，包括:设置外壳； 将射频处理电路内置于外壳内；以及在外壳内设置根据上述构建折叠偶极子天线的方法构建的天线，该天线与射频处理电路连接。
[0015]通过本发明的上述方案，可提供使得无线传输的性能受其在家电上的安装位置影响较小的天线和无线通信模块。【附图说明】
[0016]通过下面结合附图对发明进行的详细描述，将使本发明的上述特征和优点更加明显，其中:
[0017]图1是示出将内置IFA天线的无线通信模块安装在家电的金属外壳上的示意图；
[0018]图2示出了将IFA天线放置在不同尺寸的金属板的中央时IFA天线的回波损耗；
[0019]图3是示出将IFA天线放置在尺寸为300mmX300mmX300mm的金属外壳的顶部角落的不意图；
[0020]图4示出了将IFA天线放置在尺寸为300mmX300mmX300mm的金属外壳的不同位置处时IFA天线的回波损耗；
[0021]图5示出了将IFA天线放置在尺寸为300mmX300mmX300mm的金属外壳的顶部中央时的辐射方向图；
[0022]图6示出了将IFA天线放置在尺寸为300mmX300mmX300mm的金属外壳的顶部角落时的辐射方向图；
[0023]图7示出了安装在家电的金属外壳上的内置了圆弧形折叠偶极子天线的无线模块的不意图；
[0024]图8示出了图7中所示的圆弧形折叠偶极子天线的示意性结构；
[0025]图9示出了将图8所示的圆弧形折叠偶极子天线放置在不同尺寸的金属板的中央时的回波损耗；
[0026]图10示出了将图8所示的圆弧形折叠偶极子天线放置在尺寸为 300mmX300mmX300mm的金属外壳的顶部不同位置时的回波损耗；
[0027]图11示出了将图8所示的圆弧形折叠偶极子天线放置在尺寸为 300mmX300mmX300mm的金属外壳的顶部中央时的福射方向图；
[0028]图12示出了将图8所示的圆弧形折叠偶极子天线放置在尺寸为 300mmX300mmX300mm的金属外壳的顶部角落时的辐射方向图；
[0029]图13示出了圆弧形折叠偶极子天线的另一示意性结构；
[0030]图14示出了半工字形折叠偶极子天线的一个示意性结构；
[0031]图15示出了半工字形折叠偶极子天线的另一示意性结构；
[0032]图16示出了构建折叠偶极子天线的方法；以及
[0033]图17示出了构建无线通信模块的方法。【具体实施方式】
[0034]下面，参考附图详细说明本发明的优选实施方式。在附图中，虽然示于不同的附图中，但相同的附图标记用于表示相同的或相似的组件。为了清楚和简明，包含在这里的已知的功能和结构的详细描述将被省略，以避免使本发明的主题不清楚。
[0035]在现有技术中，本领域所惯常采用的内置IFA天线的性能受到天线(及其所处无线通信模块)在家电上的安装位置以及安装处家电的金属板大小的极大影响。图1至图6 对此进行了详细示出。需要注意的是，虽然为了描述的简洁，本说明书将主要针对2.45GHz 的工作频率进行阐述，然而本发明的天线和无线通信模块不限于2.45GHz的工作频率，而是可应用于任何工作频率的天线和无线通信模块
[0036]图1是示出了将内置IFA天线的无线通信模块安装在家电(例如冰箱)的金属外壳上的示意图。在图1中，为了清楚地示出无线通信模块内部的结构，并未示出该模块的外壳。在本发明说明书的以下描述中，将采用球面坐标来阐述天线信号的空间特性。如图1 中所示，符号phi表示球面坐标中的水平面角，以图1中示出X轴正方向为0° ;符号theta 表示球面坐标中的仰角，以图1中示出的Y轴正方向为0°。
[0037]图2示出了将IFA天线(及其无线通信模块)放置在不同尺寸的金属板的中央时IFA天线的回波损耗。图3是示出将IFA天线放置在尺寸为300mmX300mmX300mm的金属外壳的顶部角落的示意图。图4示出了将IFA天线放置在尺寸为300mmX300mmX300mm 的金属外壳的不同位置处时IFA天线的回波损耗。图5示出了将IFA天线放置在尺寸为300mmX300mmX300mm的金属外壳的顶部中央时的辐射方向图，其中，频率点为2.45GHz， 增益=3.98dBi，3dB波束宽度是117.1度。图6示出了将IFA天线放置在尺寸为 300mmX300mmX300mm的金属外壳的顶部角落时的辐射方向图，其中，频率点为2.45GHz。可以看出，天线在上半空间的增益降低到0.82dB，3dB波束宽度为158.5度；而在下半空间的增益增加到〇.49dB。可以看出，当天线(无线通信模块)放置在金属外壳的角落时，在需要信号覆盖的上半空间天线增益下降了 3.2dB，而在通常不希望信号覆盖的下半空间出现很强的辐射，在实际的家电使用中会导致对室内或其他家庭的电器的干扰。
[0038]为此，本发明提供了以下的折叠偶极子天线、无线通信模块及其构建方法。
[0039]根据本发明的折叠偶极子天线至少包括:第一导体段；第一馈电导体，一端与第一导体段相连接，另一端与射频处理电路的射频信号接收/发送端相连接；与第一导体段长度相等的第二导体段；第二馈电导体，一端与第二导体段相连接，另一端与所述射频处理电路的另一射频信号接收/发送端或接地端相连接；第三导体段；连接第一导体和第三导体段的第一连接段；以及连接第二导体和第三导体段的第二连接段，其中第一连接段和第二连接段具有相同的长度。其中，第一导体段和第二导体段被第一馈电导体和第二馈电导体分隔，第三导体段串联在第一导体段和第二导体段之间并平行于第一导体段与第二导体段组成的复合结构。
[0040]根据本发明的无线通信模块至少包括:外壳；内置于外壳内的射频处理电路；以及上述的折叠偶极子天线。该折叠偶极子天线内置于外壳内并与射频处理电路连接。
[0041]图7示出了根据本发明的一个实施例，安装在家电的金属外壳上的内置了圆弧形折叠偶极子天线的无线模块的示意图。需要注意的是，为了为了清楚地示出无线通信模块内部的结构，图7中同样没有示出该模块的外壳，然而本领域技术人员应该知道，为了保护内部电路和天线，图7中示出的无线通信模块可具有外壳。
[0042]图8示出了图7中所示的圆弧形折叠偶极子天线的示意性结构。
[0043]从图8中可以看出，由第一导体段与第二导体段组成的复合结构(图8中的内圆弧)是圆弧形，第三导体段(图8中的外圆弧)是与复合结构同心且具有相同扇面角的外圆弧。
[0044]在图8的示意图中，以2.4GHz的工作频率为例，内外圆弧及其之间的连接导体段的总长度应约等于2.4GHz电磁波的二分之一波长，即62.5mm。不同的外圆弧和内圆弧的宽度，两者之间的间距(或连接导体段的长度)以及圆弧面相对于其接地平面(例如，在图8 的示例中，其下方的PCB)的高度会产生不同的天线输入阻抗。一般而言，输入阻抗随着外圆弧与内圆弧的宽度比增加而减少，输入阻抗带宽随着天线高度的降低而减小。本领域技术人员可根据具体的设计需要采用相应的参数来产生相应的天线输入阻抗，以实现与射频处理电路(例如，无线通信模块所采用的无线射频芯片)输出阻抗的匹配，而无需引入电路匹配中通常使用的电容和电感等无源匹配元件。此外，图8中示出的两条垂直于圆弧面的金属引脚(即，馈电点，或上述的第一馈电导体和第二馈电导体)分别连接到射频处理电路的两个射频信号接收/发送端(射频处理电路采用差分形式的输入/输出的情况)，或分别连接到射频处理电路的射频信号接收/发送端以及接地端(射频处理电路采用非差分形式的输入/输出的情况)。
[0045]图9至图12示出了图7所示的无线通信模块和图8所示的折叠偶极子天线所能实现的性能。其中，图9示出了将图8所示的圆弧形折叠偶极子天线放置在不同尺寸的金属板的中央时的回波损耗。图10示出了将图8所示的圆弧形折叠偶极子天线放置在尺寸为300mmX300mmX300mm的金属外壳的顶部不同位置时的回波损耗。图11示出了将图8所示的圆弧形折叠偶极子天线放置在尺寸为300mmX300mmX300mm的金属外壳的顶部中央时的辐射方向图，其中，频率点为2.45GHz，增益=7.58dBi，3dB波束宽度是100.1度。图12示出了将图8所示的圆弧形折叠偶极子天线放置在尺寸为300mmX300mmX300mm的金属外壳的顶部角落时的辐射方向图，其中，频率点为2.45GHz，增益=6.28dBi，3dB波束宽度是102.1 度。与图2和图4所示的IFA天线的示例相比，从图9与图10中可以看出，根据本发明的天线的匹配特性受其安装位置的影响很小。与图5和图6所示的IFA天线的示例相比，从图11和图12可以看出，根据本发明的天线安装在金属外壳的不同位置均能保持优秀的辐射性能，即较高的增益和波瓣的前后比。
[0046]图8中所示的形状仅是本发明的折叠偶极子天线的一个示例，本发明不限于此。 例如，折叠偶极子天线还可采用图13中示出的形状。在图13中，由第一导体段与第二导体段组成的复合结构(下圆弧)同样是圆弧形，第三导体段(上圆弧)位于与该复合结构所在平面平行的平面上，并与复合结构在垂直于复合结构所在平面的方向上重叠。虽然在图 8的示例中，第三导体段与复合结构在垂直于复合结构所在平面的方向上重叠(S卩，共面)， 然而在其他一些示例中，第三导体段与复合结构也可以不共面，而仅是平行。同样地，上圆弧和下圆弧各自的不同宽度，两者之间的间距以及圆弧面相对于其接地平面(例如，在图9 的示例中，其下方的PCB)的高度会产生不同的天线输入阻抗，本领域技术人员可根据具体的设计需要采用相应的参数来产生相应的天线输入阻抗，以实现与输出阻抗的匹配。
[0047]本发明上述实施例中采用的圆弧形折叠偶极子天线形式可具有良好的共形特性， 其对无线通信模块中其他元件/模块的空间布局造成的影响较小，可使得无线通信模块的设计和集成电路化变得更加简单和方便。
[0048]同样地，图8和图13中所示的形状也仅是本发明的折叠偶极子天线的示例，可以根据无线通信模块的外形将本发明的折叠偶极子天线灵活设计成不同的形状。例如，本发明的折叠偶极子天线还可以采用图14和图15所示的形式。
[0049]在图14所示的示例中，由第一导体段与第二导体段组成的复合结构(外半工字) 是半工字型，第三导体段(内半工字)位于复合结构的凹口内，并与复合结构形成空心的半工字型。
[0050]在图15所示的示例中，由第一导体段与第二导体段组成的复合结构(下半工字) 是半工字型，第三导体段(上半工字)位于与该复合结构所在平面平行的平面上，并与复合结构在垂直于复合结构所在平面的方向上重叠(即，共面)。
[0051]与圆弧形的情况一样，该第三导体段也可以与复合结构平行但不共面。
[0052]此外，虽然在图14和图15的示例中，第三导体段与复合结构具有相同的宽度，然而在其他一些示例中，第三导体段与复合结构也可以具有不同的宽度。
[0053]同样地，内/外半工字(或上/下半工字)各自的不同宽度，两者之间的间距以及半工字相对于其接地平面(例如其下方的PCB)的高度会产生不同的天线输入阻抗，本领域技术人员可根据具体的设计需要采用相应的参数来产生相应的天线输入阻抗，以实现与输出阻抗的匹配。
[0054]因此，本发明所述的折叠偶极子天线可以不限于图8、图13至图15中示出的形状， 而是可以采取其他任何适合的形状，只要其采用了平衡的天线结构即可。
[0055]相应地，如图16所示，根据本发明的一个实施例，还提供了构建折叠偶极子天线的方法。在图16所示的示例中，该方法包括:设置第一导体段(1610);设置第一馈电导体(1620)，第一馈电导体一端与第一导体段相连接，另一端与射频处理电路的射频信号接收/发送端相连接；设置与第一导体段长度相等的第二导体段(1630);设置第二馈电导体(1640)，第二馈电导体一端与第二导体段相连接，另一端与射频处理电路的发射端/ 接收端相连接；设置第三导体段(1650);设置连接第一导体和第三导体段的第一连接段 (1660);以及设置连接第二导体和第三导体段的第二连接段(1670)，其中第一连接段和第二连接段具有相同的长度。其中，第一导体段和第二导体段被第一馈电导体和第二馈电导体分隔，第三导体段串联在第一导体段和第二导体段之间并平行于第一导体段与第二导体段组成的复合结构。
[0056]在一些示例中，复合结构可以是圆弧形，第三导体段可以是与复合结构同心且具有相同扇面角的外圆弧。
[0057]在一些示例中，复合结构可以是圆弧形，第三导体段可位于与复合结构所在平面平行的平面上，并与复合结构在垂直于复合结构所在平面的方向上重叠或不重叠。
[0058]在一些示例中，复合结构可以是半工字型，第三导体段位于复合结构的凹口内，并与复合结构形成空心的半工字型。
[0059]在一些示例中，复合结构可以是半工字型，第三导体段位于与复合结构所在平面平行的平面上，并与复合结构在垂直于复合结构所在平面的方向上重叠或不重叠。
[0060]在上述天线的示例中，复合结构的宽度、第三导体段的宽度、复合导体与第三导体段之间的距离以及复合导体和第三导体段各自与接地平面之间的距离可被选择为产生与射频处理电路的输出阻抗相匹配的天线输入阻抗，以实现阻抗匹配。
[0061]需要注意的是，上述的步骤编号仅是为了易于阐述本发明的实施例而采用的附图标记，并不代表实际实现时所采用的顺序。例如，可以先设置第一馈电导体(1620)，再设置第一导体段(1610)，设置第一连接段(1660)，设置第三导体段(1650)，设置第二连接段 (1670)，设置第二导体段(1630)，最后设置第二馈电导体(1640)。或者采用本领域技术人员所知的其他任何顺序。甚至在一些情况下，例如在对该天线进行一次成型的方案中，上述步骤可同时进行。因此，本发明不受图16中所示的步骤顺序所限制。
[0062]此外，如图17所示，根据本发明的一个实施例，还提供了构建无线通信模块的方法。该方法包括:设置外壳(1710);将射频处理电路内置于外壳内(1720);以及在外壳内设置根据图16中所示方案构建的天线(1730)，该天线与射频处理电路连接。
[0063]同样地，如上所述，该方法不受图17中所示的步骤顺序所限制。
[0064]本发明所提供的无线通信模块具有平衡的折叠偶极子天线，工作时在附近金属片上感应的电流要远远小于非平衡天线，因而其性能受家电金属外壳的影响很小，因此具有很高的稳定性。采用此种天线的无线模块通用性很强，可以安装在不同家电的不同外表面的不同位置而同时保持优秀的性能，如较低的天线回波损耗、较高的天线效率和较好的辐射方向图，同时还能够满足物联网家电无线模块的小尺寸、低剖面的要求。
[0065]上面的描述仅用于实现本发明的实施方式，本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均应该属于本发明的权利要求来限定的范围，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【主权项】
1.一种折叠偶极子天线，包括:第一导体段；第一馈电导体，一端与所述第一导体段相连接，另一端与射频处理电路的射频信号接 收/发送端相连接；与所述第一导体段长度相等的第二导体段；第二馈电导体，一端与所述第二导体段相连接，另一端与所述射频处理电路的另一射 频信号接收/发送端或接地端相连接；第三导体段；连接所述第一导体和所述第三导体段的第一连接段；以及连接所述第二导体和所述第三导体段的第二连接段，其中所述第一连接段和所述第二 连接段具有相同的长度，其中，所述第一导体段和所述第二导体段被所述第一馈电导体和所述第二馈电导体分 隔，所述第三导体段串联在所述第一导体段和所述第二导体段之间并平行于所述第一导体 段与所述第二导体段组成的复合结构。2.根据权利要求1所述的折叠偶极子天线，其中，所述复合结构是圆弧形，所述第三导 体段是与所述复合结构同心且具有相同扇面角的外圆弧。3.根据权利要求1所述的折叠偶极子天线，其中，所述复合结构是圆弧形，所述第三导 体段位于与所述复合结构所在平面平行的平面上。4.根据权利要求1所述的折叠偶极子天线，其中，所述复合结构是半工字型，所述第二 (三)导体位于所述复合结构的凹口内，并与所述复合结构形成空心的半工字型。5.根据权利要求1所述的折叠偶极子天线，其中，所述复合结构是半工字型，所述第二 (三)导体位于与所述复合结构所在平面平行的平面上。6.根据权利要求2-5中任一项所述的折叠偶极子天线，其中，所述复合结构的宽度、所述第三导体段的宽度、所述复合导体与所述第三导体段之间 的距离以及所述复合导体和所述第三导体段各自与接地平面之间的距离被选择为产生与 所述射频处理电路的输出阻抗相匹配的天线输入阻抗，以实现阻抗匹配。7.—种无线通信模块，包括:外壳；射频处理电路，内置于所述外壳内；以及根据权利要求1至6中任一项所述的天线，内置于所述外壳内并与所述射频处理电路连接。8.—种构建折叠偶极子天线的方法，包括:设置第一导体段；设置第一馈电导体，所述第一馈电导体一端与所述第一导体段相连接，另一端与所述 射频处理电路的射频信号接收/发送端相连接；设置与所述第一导体段长度相等的第二导体段；设置第二馈电导体，所述第二馈电导体一端与所述第二导体段相连接，另一端与所述 射频处理电路的另一射频信号接收/发送端或接地端相连接；设置第三导体段；设置连接所述第一导体和所述第三导体段的第一连接段；以及设置连接所述第二导体和所述第三导体段的第二连接段，其中所述第一连接段和所述 第二连接段具有相同的长度，其中，所述第一导体段和所述第二导体段被所述第一馈电导体和所述第二馈电导体分 隔，所述第三导体段串联在所述第一导体段和所述第二导体段之间并平行于所述第一导体 段与所述第二导体段组成的复合结构。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述复合结构是圆弧形，所述第三导体段是与所 述复合结构同心且具有相同扇面角的外圆弧。10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述复合结构是圆弧形，所述第三导体段位于 与所述复合结构所在平面平行的平面上。11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述复合结构是半工字型，所述第三导体段位 于所述复合结构的凹口内，并与所述复合结构形成空心的半工字型。12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述复合结构是半工字型，所述第三导体段位 于与所述复合结构所在平面平行的平面上。13.根据权利要求9-12中任一项所述的方法，其中，所述复合结构的宽度、所述第三导体段的宽度、所述复合导体与所述第三导体段之间 的距离以及所述复合导体和所述第三导体段各自与接地平面之间的距离被选择为产生与 所述射频处理电路的输出阻抗相匹配的天线输入阻抗，以实现阻抗匹配。14.一种构建无线通信模块的方法，包括:设置外壳；将射频处理电路内置于所述外壳内；以及在所述外壳内设置根据权利要求8至13中任一项所述的方法构建的天线，所述天线与 所述射频处理电路连接。
【文档编号】H01Q1/50GK105990650SQ201510084101
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月15日
【发明人】王少永, 宋玉明, 戴丰
【申请人】泰科电子(上海)有限公司