一种新型蓝牙陶瓷双极性天线结构的制作方法

1.本实用新型涉及无线通信技术领域，具体涉及一种主要应用于各类小型化可穿戴设备中对电路尺寸有严格要求的贴片式蓝牙天线。


背景技术：

2.随着无线通信技术的发展和5g技术的成熟，蓝牙和wifi技术应用也愈加广泛，促进了人们对小型化、智能化、便携式电子产品提出了更高的使用要求，从而也推动了可穿戴设备的市场迅猛发展。小型化是人们对于可穿戴设备的最为关注的因素之一，如何在保证可穿戴设备基本性能的前提下，尽可能地减小设备的尺寸、实现小型化成为限制当下可穿戴设备发展的主要问题之一。
3.随着芯片的物理尺寸不断地减小，集成电路的飞速发展为可穿戴设备的推广应用提供了坚实的技术基础。通过将电路集成到芯片的方式实现整个产品的尺寸不断减小，满足人们对小型化电子产品的需求。尤其在蓝牙无线通信方向，如蓝牙耳机、蓝牙音响、智能手环等均有着良好的市场应用。在无线通信中为了满足电路小型化的要求，如何减小天线的物理尺寸成为最为关键的问题，天线作为无线通信中与外界实现通信的桥梁，其物理尺寸与工作频率通常成正比，较低的蓝牙频段需要的天线物理尺寸也相对较大，因此如何尽可能地实现蓝牙天线小型化的同时提高天线的工作性能成为当下急需解决的问题。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题是提供一种能够解决现有可穿戴设备中蓝牙天线尺寸较大、天线辐射全向性较差、天线辐射效率较低、天线谐振带宽较窄等问题的新型蓝牙陶瓷双极性天线结构。
5.为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种新型蓝牙陶瓷双极性天线结构，包括有陶瓷基板和金属贴片，金属贴片设置在陶瓷基板上形成蓝牙天线的主体部分并连接至外围匹配电路；外围匹配电路包括有金属接地板和阻抗匹配电路，阻抗匹配电路连接金属接地板，其特征在于：所述金属贴片包括有若干沿陶瓷基板横向设置的横向金属贴片和若干沿陶瓷基板纵向设置的纵向金属贴片，各横向金属贴片与各纵向金属贴片首尾依次垂直连接形成首尾相连的连续正反“几”字型贴片结构，或称蛇形走线结构；在陶瓷基板的左右两端分别设置有一馈电件和一接地件，该贴片结构的一端与馈电件连接，另一端与接地件连接；馈电件通过馈电传输线与阻抗匹配电路连接，接地件通过接地传输线与金属接地板连接；各横向金属贴片与各纵向金属贴片设置在陶瓷基板的内部，而在陶瓷基板的底面还设置有两条底面金属贴片，两条底面金属贴片的一端均与接地件连接，另一端延伸至靠近馈电件的位置但不与馈电件连接。陶瓷基板具有较高的介电常数和较低的正切损耗，其通过低温共烧技术进行层叠烧结实现，使电磁波在其内部传输具有较短的工作波长。
6.进一步地，两条底面金属贴片均与各横向金属贴片及各纵向金属贴片相互平行，
并且分别位于前后两边的纵向金属贴片下方。
7.进一步地，所述馈电件为方形的馈电铜柱，所述接地件为方形的接地铜柱；“几”字型贴片结构的两端分别通过其纵向金属贴片与馈电铜柱及接地铜柱的中部位置连接。
8.进一步地，所述横向金属贴片为矩形金属贴片，其数量为9片，每一横向金属贴片具有相同的宽度，两端的横向金属贴片的长度为中间的横向金属贴片的一半，相邻的横向金属贴片之间具有相同的间距，各横向金属贴片位于同一平面且互相平行。
9.进一步地，各纵向金属贴片均矩形金属贴片，其数量为10片，每一纵向金属贴片具有相同的宽度和长度；各纵向金属贴片沿横向金属贴片的首尾排成相互平行的两排，且各纵向金属贴片与各横向金属贴片处于同一平面。
10.进一步地，阻抗匹配电路包括fr4介质板和π型阻抗匹配电路，整个蓝牙天线的主体部分及馈电传输线和接地传输线设置在fr4介质板上，fr4介质板与金属接地板对接；馈电传输线将馈电铜柱与π型阻抗匹配电路连接，接地传输线将接地铜柱与金属接地板连接。馈电传输线的宽度根据天线的工作频率以及fr4介质板的规格参数计算得出，线长应在满足π型阻抗匹配电路所需空间的前提下尽可能减短，以减少在馈电传输线上的能量损耗。
11.进一步地，π型阻抗匹配电路包括有在馈电传输线中间位置截取的第一缝隙，以及在靠近该第一缝隙左右两侧并位于fr4介质板上的第二缝隙和第三缝隙，三处缝隙形成π型结构；在三处缝隙中分别设置rlc电子元件以实现蓝牙天线主体部分与金属接地板之间的电性连接，达到天线的阻抗匹配功能。
12.进一步地，在接地传输线的末端与金属接地板之间设置有第四缝隙，在第四缝隙中焊接有0201电感，以用于调节蓝牙陶瓷双极性天线的谐振频率。
13.优选地，陶瓷基板的尺寸不超过5.2mm（长）
×
2mm（宽）
×
1.12mm（高）。
14.优选地，π型阻抗匹配电路用于焊接rlc电子元件和0201电感的四处缝隙的宽度均不超过其内rlc电子元件或0201电感的长度，如2mm。
15.本实用新型通过将蓝牙天线采用弯折曲线结构、添加耦合寄生枝节，并配合ltcc低温共烧陶瓷技术，在陶瓷基板中间设置具有一定厚度的蛇形走线矩形金属贴片，在陶瓷基板底面设置具有一定厚度的直线形走线耦合寄生矩形金属贴片。蛇形走线矩形金属贴片和左右两端的金属铜柱同时连接，直线形走线的耦合寄生矩形金属贴片则只和接地金属铜柱连接，和另一侧的馈电金属铜柱则不相连，另天线输入端配合π型匹配电路以及连接调谐电感到接地端来实现其主要电磁特性。如此使得本实用新型能够在有限空间尺寸内，实现天线工作在蓝牙ism频段，并具有较宽的工作带宽、较好的辐射全向性、较高的辐射效率和较大的天线增益，避免了传统蓝牙天线对大尺寸电路和净空设计的要求。
附图说明
16.图1为本实用新型整体结构示意图；
17.图2为本实用新型单天线部分移除陶瓷基板后的立体结构示意图；
18.图3为本实用新型单天线部分移除陶瓷基板后的俯视示意图；
19.图4为本实用新型天线驻波比系数与频率变化仿真结果图；
20.图5为本实用新型天线的eh plane辐射方向图；
21.图6为本实用新型天线的辐射效率图；
22.图7为本实用新型天线的3d辐射方向图；
23.图8为本实用新型天线整体结构与其3d立体辐射方向图。
24.图中，1为陶瓷基板，2为横向金属贴片，3为纵向金属贴片，4为底面金属贴片，5为馈电铜柱，6为接地铜柱，7为馈电传输线，8为接地传输线，9为第一缝隙，10为第二缝隙，11为第三缝隙，12为第四缝隙，13为fr4介质板，14为金属接地板。
具体实施方式
25.本实施例中，参照图1-图3，所述新型蓝牙陶瓷双极性天线结构，包括有陶瓷基板1和金属贴片，金属贴片设置在陶瓷基板1上形成蓝牙天线的主体部分并连接至外围匹配电路；外围匹配电路包括有金属接地板14和阻抗匹配电路，阻抗匹配电路连接金属接地板14；所述金属贴片包括有若干沿陶瓷基板1横向设置的横向金属贴片2和若干沿陶瓷基板1纵向设置的纵向金属贴片3，各横向金属贴片2与各纵向金属贴片3首尾依次垂直连接形成首尾相连的连续正反“几”字型贴片结构，或称蛇形走线结构；在陶瓷基板1的左右两端分别设有一馈电件和一接地件，该贴片结构的一端与馈电件连接，另一端与接地件连接；馈电件通过馈电传输线7与阻抗匹配电路连接，接地件通过接地传输线8与金属接地板14连接；各横向金属贴片2与各纵向金属贴片3设置在陶瓷基板1的内部，而在陶瓷基板1的底面还设置有两条直线形走线的底面金属贴片4，两条底面金属贴片4的一端均与接地件连接，另一端延伸至靠近馈电件的位置但不与馈电件连接。陶瓷基板1具有较高的介电常数和较低的正切损耗，其通过低温共烧技术进行层叠烧结实现，使电磁波在其内部传输具有较短的工作波长。
26.两条底面金属贴片4均与各横向金属贴片2及各纵向金属贴片3相互平行，并且分别位于前后两边的纵向金属贴片3下方。
27.所述馈电件为方形的馈电铜柱5，所述接地件为方形的接地铜柱6；“几”字型贴片结构的两端分别通过其纵向金属贴片3与馈电铜柱5及接地铜柱6的中部位置连接。
28.所述横向金属贴片2为矩形金属贴片，其数量为9片，每一横向金属贴片2具有相同的宽度，两端的横向金属贴片2的长度为中间的横向金属贴片2的一半，相邻的横向金属贴片2之间具有相同的间距，各横向金属贴片2位于同一平面且互相平行。
29.各纵向金属贴片3均矩形金属贴片，其数量为10片，每一纵向金属贴片3具有相同的宽度和长度；各纵向金属贴片3沿横向金属贴片的首尾排成相互平行的两排，且各纵向金属贴片3与各横向金属贴片2处于同一平面。
30.阻抗匹配电路包括fr4介质板13和π型阻抗匹配电路，整个蓝牙天线的主体部分及馈电传输线7和接地传输线8设置在fr4介质板13上，fr4介质板13与金属接地板14对接；馈电传输线7将馈电铜柱5与π型阻抗匹配电路连接，接地传输线8将接地铜柱6与金属接地板14连接。馈电传输线7的宽度根据天线的工作频率以及fr4介质板14的规格参数计算得出，线长应在满足π型阻抗匹配电路所需空间的前提下尽可能减短，以减少在馈电传输线7上的能量损耗。
31.π型阻抗匹配电路包括有在馈电传输线7中间位置截取的第一缝隙9，以及在靠近该第一缝隙9左右两侧并位于fr4介质板13上的第二缝隙10和第三缝隙11，三处缝隙形成π型结构；在三处缝隙中分别设置rlc电子元件以实现蓝牙天线主体部分与金属接地板14之间的电性连接，达到天线的阻抗匹配功能。
32.在接地传输线8的末端与金属接地板14之间设置有第四缝隙12，在第四缝隙12中焊接有0201电感，以用于调节蓝牙陶瓷双极性天线的谐振频率。
33.陶瓷基板1的尺寸不超过5.2mm（长）
×
2mm（宽）
×
1.12mm（高）。
34.π型阻抗匹配电路用于焊接rlc电子元件和0201电感的四处缝隙的宽度均不超过其内rlc电子元件或0201电感的长度，如2mm。
35.如图4所示，使用ansys高频电磁仿真软件hfss对本实用新型提出的天线模型3d结构进行仿真，得到本实用新型的蓝牙天线对应的驻波比系数随频率变化的曲线图。其具有2360mhz-2510mhz共150mhz的工作带宽，明显能满足蓝牙天线的基本工程要求。
36.如图5所示是电场e和磁场h与最大辐射方向互相垂直的两个剖面图，主要显示天线在辐射方向上的增益值大小，以及能量辐射方向的信息，图上显示为本实用新型蓝牙天线对应的辐射方向近似的基本全向辐射，满足工程基本参数要求。
37.如图6所示是天线的辐射效率图，在蓝牙的工作频段内，辐射效率平均能达到73%以上，满足工程基本参数要求。
38.如图7、8所示是天线在其三维结构上的3d辐射方向示意图，可明显发现本实用新型涉及的蓝牙天线具有良好的辐射特性，最大增益值为1.4db，满足工程基本参数要求。
39.以上已将本实用新型做一详细说明，以上所述，仅为本实用新型之较佳实施例而已，当不能限定本实用新型实施范围，即凡依本技术范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖范围内。