CN102738558B - 无线通信设备的天线馈电结构和馈电方法及无线通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线通信设备的天线馈电结构和馈电方法及无线通信设备。该无线通信设备包括金属外壳，天线馈电结构包括中空金属腔体以及伸入中空金属腔体内的馈电单元，中空金属腔体构成金属外壳的全部或者至少一部分，中空金属腔体具有开路端口，其中：馈电单元，用于为中空金属腔体馈电；中空金属腔体，用于作为天线单元。应用本发明以后，可以在拥有金属外壳环境下实现信号的有效辐射。天线的辐射除在开路端口外，其他机壳位置均不受外界触摸，因此所受到的干扰影响较小。本发明的金属腔体无额外成本，应用场合新颖独特，在结构上相对简单、尺寸小、重量轻，适用于大多数无线通信设备，应用性能非常好。

Description

无线通信设备的天线馈电结构和馈电方法及无线通信设备

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，更具体地，涉及一种无线通信设备的天线馈电结构和馈电方法及无线通信设备。

背景技术

在当前移动电话(mobile phone)、电子书/平板电脑(tablet)、笔记本电脑(notebook)和/或其他无线通信讯设备上，全金属外壳的应用非常广泛，逐渐取代塑料外壳以使设备更加薄。无线通信设备一般通过天线进行电磁信号传输，然而传统或现有技术下天线的辐射容易直接受到金属外壳的屏蔽和干扰。

在目前的一种现有技术中，无线通信设备的外壳由两部分组成，即金属部分与非金属部分。天线辐射单元设计在机壳的非金属区域，从而天线的辐射不被金属部分屏蔽或最大程度减少了金属壳的影响。然而，在这种现有技术中，并无法实现完整金属外壳，而是有部分塑料外壳以降低对内部天线辐射的屏蔽。

在目前的另外一种现有技术中，无线通信设备的外壳为全金属，天线的耦合单元被设计在金属壳下面。在这种方式中，天线的耦合单元与金属外壳产生电磁耦合，即将信号耦合到金属外壳表面，使得整个金属外壳在设计频段上辐射，从而使得金属外壳成为天线的辐射单元的一部分，而天线的耦合单元与金属外壳不直接接触。然而，在这种技术中，由于整个金属外壳成为天线辐射体的一部分，将非常容易受到人或环境的干扰(比如人头，手等)。而且，即使将设备放置在导体桌面上，其天线性能也会受很大干扰。

发明内容

有鉴于此，本发明实施方式提出一种无线通信设备的天线馈电结构，以在拥有金属外壳环境下实现信号的有效辐射。

本发明实施方式还提出一种无线通信设备的天线馈电方法，以在拥有金属外壳环境下实现信号的有效辐射。

本发明实施方式还提出一种无线通信设备，以在拥有金属外壳环境下实现信号的有效辐射。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种无线通信设备的天线馈电结构，该无线通信设备包括金属外壳，所述天线馈电结构包括中空金属腔体以及伸入所述中空金属腔体内的馈电单元，所述中空金属腔体构成所述金属外壳的全部或者至少一部分，所述中空金属腔体具有开路端口，其中：所述馈电单元，用于为所述中空金属腔体馈电；所述中空金属腔体，用于作为天线单元。

所述馈电单元与所述中空金属腔体的内壁接触，用于为所述中空金属腔体直接馈电。

所述馈电单元不与所述中空金属腔体的内壁接触，用于为所述中空金属腔体耦合馈电。

所述馈电单元为金属弹片或金属弹簧探针。

所述中空金属腔体内填充有塑料填充物。

所述中空金属腔体的内壁由金属材料直接构成或者由金属镀成。

所述中空金属腔体内壁上进一步具有金属脊或凹口。

所述开路端口位于所述中空金属腔体的两端中的任意一端，或者位于所述中空金属腔体的任意侧面。

一种无线通信设备的天线馈电结构的馈电方法，该无线通信设备包括金属外壳，所述天线馈电结构包括中空金属腔体以及伸入所述中空金属腔体内的馈电单元，所述中空金属腔体构成所述金属外壳的全部或者至少一部分，所述中空金属腔体具有开路端口，其中：所述馈电单元，用于为所述中空金属腔体馈电；所述中空金属腔体，用于作为天线单元；

该方法包括：

无线通信设备的电磁信号通过馈电单元传输至所述中空金属腔体内；

所述中空金属腔体通过所述开路端口将所述电磁信号辐射出去。

一种无线通信设备的天线馈电结构的馈电方法，该无线通信设备包括金属外壳，所述天线馈电结构包括中空金属腔体以及伸入所述中空金属腔体内的馈电单元，所述中空金属腔体构成所述金属外壳的全部或者至少一部分，所述中空金属腔体具有开路端口，其中：所述馈电单元，用于为所述中空金属腔体馈电；所述中空金属腔体，用于作为天线单元；

该方法包括：

所述中空金属腔体通过所述开路端口接收电磁信号；

所述中空金属腔体通过馈电单元将所述接收到的电磁信号传输至所述无线通信设备。

一种无线通信设备，该无线通信设备包括具有天线馈电结构的金属外壳，所述天线馈电结构包括中空金属腔体以及伸入所述中空金属腔体内的馈电单元，所述中空金属腔体构成所述金属外壳的全部或者至少一部分，所述中空金属腔体具有开路端口，其中：所述馈电单元，用于为所述中空金属腔体馈电；所述中空金属腔体，用于作为天线单元。

所述无线通信设备为移动电话、平板电脑、电子书阅读装置、个人数字助理(PDA)或笔记本电脑。

从上述技术方案可以看出，在本发明的技术方案中，天线馈电结构包括中空金属腔体以及伸入中空金属腔体内的馈电单元，中空金属腔体构成金属外壳的全部或者至少一部分，中空金属腔体具有开路端口，其中：馈电单元，用于为中空金属腔体馈电；中空金属腔体，用于作为天线单元。由此可见，应用本发明实施方式以后，不同于现有技术中将金属外壳作为天线辐射的一部分，而是通过腔体设计由开路端口实现电磁辐射。因此，本发明实施方式可以在拥有金属外壳环境下实现信号的有效辐射。本发明实施方式还可以真正实现无线设备的无缝全金属外壳的要求，为设备整体的外观一致性提供了可能。

而且，应用本发明实施方式以后，射频信号在辐射前被控制在金属腔体内传输，受到腔外环境影响的程度被降至最小。同样，天线的辐射除在开路端口外，其他机壳位置均不受外界触摸，因此所受到的干扰影响较小。

另外，本发明实施方式的金属腔体可以和扬声器所需的音腔共享。特别是多个腔体可以在不占用额外空间的情况下提供实现立体声的多个音腔通道。

不仅于此，本发明实施方式的金属腔体无额外成本，应用场合新颖独特，在结构上相对简单、尺寸小、重量轻，适用于大多数无线通信设备，应用性能非常好。

附图说明

图1为现有技术无线通信设备金属外壳结构示意图。

图2为现有技术无线通信设备金属外壳截面示意图。

图3为本发明的无线通信设备金属外壳截面示意图。

图4为本发明的无线通信设备金属后壳结构整体示意图。

图5为本发明的无线通信设备侧面及后壳一体化的金属外壳结构整体示意图。

图6为本发明第一实施方式的无线通信设备的金属腔体天线结构示意图。

图7为本发明第二实施方式的无线通信设备的金属腔体天线结构示意图。

图8为本发明第三实施方式的无线通信设备的金属腔体天线结构示意图。

图9为本发明第四实施方式的无线通信设备的金属腔体天线结构示意图。

图10为根据本发明的无线通信设备的金属腔体天线的电磁信号发送方法流程图。

图11为根据本发明的无线通信设备的金属腔体天线的电磁信号接收方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明实施方式再作进一步详细的说明。

针对现有技术中传统金属外壳为单层金属板所带来的电磁信号易受干扰缺陷，本发明用中空金属腔体来取代传统的单层金属板。

图1为现有技术无线通信设备金属外壳结构示意图。

如图1所示，图1中的左图为无线通信设备的整体示意图(此处无线通信设备示范性为移动电话)，其中该图1的左图阴影部分表示该移动电话具有实心金属后壳。图1中的中间图为该移动电话的侧面及后壳一体化的金属壳。由该中间图阴影部分可见，侧面及后壳一体的金属壳也为实心金属。在具体实现中，金属壳还可以是曲面或其他形状的，如图1中右图所示。

图2为现有技术中无线通信设备金属外壳截面示意图。由该截面图可以清楚揭示，现有技术中无线通信设备的金属外壳为实心的单层金属板。正是由于现有技术中整个金属外壳成为天线辐射体的一部分，将容易受到人头、手等的极大影响，而且其天线性能也会受很大干扰。

为克服该缺陷，图3为本发明的无线通信设备金属外壳截面示范性示意图。图4为本发明的无线通信设备金属后壳示范性结构整体示意图。图5为本发明的无线通信设备侧面及后壳一体化的金属外壳结构示范性整体示意图。

由图3可见，本发明的金属外壳不再是实心的单层金属板，而是由中空金属腔体取代。由图4可见，本发明的金属后壳为中空金属腔体，其中L为腔体的长度，W为腔体的宽度。由图5可见，在本发明的无线通信设备侧面及后壳一体化的金属外壳中，不但金属后壳为中空金属腔体，而且侧面也可以由中空金属腔体形成。

在一种优选实施方式中，金属腔体一般为矩形。然而，在实际应用中，大多数无线通信设备的外壳都是弧形曲面或不规则的。因此相应地，本发明的金属外壳同样外表面也可以是弧形或不规则的。

基于本发明金属外壳所具有的腔体结构，下面更详细地对本发明的金属腔体天线功能进行详细说明。

图6为本发明第一实施方式的无线通信设备的金属腔体天线结构示意图。其中，该无线通信设备包括金属外壳。由该截面图的阴影可知，金属外壳具有中空腔体结构。

更具体地，如图6所示，天线馈电结构包括中空金属腔体1以及伸入所述中空金属腔体1内的馈电单元2，所述中空金属腔体1构成金属外壳的全部或者至少一部分，所述中空金属腔体1具有开路端口(图6中没有示出)，其中：所述馈电单元2，用于为所述中空金属腔体1馈电；所述中空金属腔体1，用于作为无线通信设备的天线单元。

优选的，中空金属腔体1的开路端口位于所述中空金属腔体1的两端中的任意一端，或者位于所述中空金属腔体1的任意侧面上，只要开路端口与外部环境相通即可。开路端口与外部环境相接触，从而可以接收和发送电磁信号。天线的辐射由开路端口实现。当金属腔体1的两个端口都开口时，两个端口可以同时辐射信号。也可以将金属腔体1的某一端用金属封闭，而另外一端开口，以辐射电磁信号。或者金属腔体1的两端都完全用金属封闭形成一个完整封闭金属腔体后，再根据天线设计在金属腔体1腔身的某处开槽，以辐射电磁信号。

开路端口的大小可以由天线设计的频段决定。在实际应用中，还可以在腔体1的侧面开口，或侧面与端口同时开口。

当无线通信设备需要发射电磁信号时，无线通信设备的信号源3的电磁信号需要通过馈电单元2传输至腔体1内，然后再通过腔体1的开路端口向外辐射出去。更具体地，电磁信号在腔体天线内部传输至开路端口时，以电场形式存在。根据开路的电场等效于磁流的原理，从而可以产生有效辐射。

当无线通信设备需要接收电磁信号时，外部电磁信号被腔体天线的开路端口接收至腔体1内，再通过馈电单元2传输至无线通信设备的各种后续信号处理电路。

通常，无线通信设备的信号源3的正负两端分别接至腔体1的上下壁。比如，如图6所示，根据天线设计需求，在腔体1某处开一小孔，馈电单元2的一端由小孔伸入腔体1，接触腔体内1的上壁进行馈电。此时，馈电单元2的另一端接信号源3的正极。

在实际应用中，馈电单元2可以由弹簧探针或金属弹片实现。馈电单元2的信号源3接地端可以接触腔体1的下壁。信号源3接地端既可伸入小孔接触腔体1的下壁内侧，也可如图6所示接触腔体1的外壁。

相应地，馈电单元2如接至腔体1的下壁，那么信号源3接地端需接至腔体1上壁。腔体上的开孔大小，形状由天线设计决定。

在这里，馈电单元2和腔体直接接触的馈电方式称为直接馈电方式。

另一方面，图7为本发明第二实施方式的无线通信设备的金属腔体天线结构示意图。在图7中，馈电单元2伸入腔体1的一端没有直接接触腔体1内壁，这种馈电方式称之为耦合馈电方式。

在实际应用中，腔体1的四壁(即两端和两个侧壁)可直接由金属材料制成，也可以由其他材料如塑料，碳纤维等制成后，在内壁镀上金属以形成。腔体1的内部，既可以无任何填充物，只是空气，也可以设计有塑料填充物。

而且，根据具体用用场景以及设计指标的需求，可以通过设计腔的宽度(W)，长度(L)来确定天线不同的电磁传输模式(mode)。而且，通过设计馈电位置，开路端口的大小及位置来调节天线的频段和带宽。

在无线设备里常用的传统天线的设计需要考虑天线周边的金属，半导体等。因为这些周边元器件都会对天线的辐射产生影响。本发明所采用的腔体天线的设计相对独立，只要考虑腔体的物理尺寸和内部结构即可。腔体外的元器件则对腔体天线影响较小。

对于标准的矩形腔体天线，由于集成于金属外壳。外壳厚度很薄，我们可以称之为薄腔体天线。其谐振频率主要由腔体的长度与宽度决定。以下公式可以估算出两端开口，长度为L，宽度为W的无填充物(只有空气)的薄腔体天线的谐振频率。其中不同m，n的组合代表了不同模式。不同的模式对应了不同的谐振频率。其中：c为光速；Freqm，n为对应于m，n的谐振频率；

${\mathrm{Freq}}_{m,n}=C\sqrt{{\left(\frac{m}{2L}\right)}^2+{\left(\frac{n}{2W}\right)}^2};$

C：light speed

m＝0，1，2......

n＝1，2，3......

对于一端开口，长度为L，宽度为W的无填充物(只有空气)的薄腔体天线的谐振频率可以由以下公式估算。其中：c为光速；Freqm，n为对应于m，n的谐振频率；

${\mathrm{Freq}}_{m,n}=C\sqrt{{\left(\frac{m}{4L}\right)}^2+{\left(\frac{n}{2W}\right)}^2};$

m＝0,1，2......

n＝1，2，3......

本发明的金属腔体可以和扬声器所需的音腔共享。特别是多个腔体可以在不占用额外空间的情况下提供实现立体声的多个音腔通道。

在本发明的一种优选实施方式中，根据天线性能指标需要，可以在腔体内设计不同大小和/或长度的金属脊或凹口。金属脊通常只和腔体的上下左右的四个壁的一个壁连接，如果把上下壁或左右壁同时连接，则相当于短路，腔体被分割成两个。金属脊可以用和腔体本身相同或不同的材料制成。

与没有金属脊的腔体相比，金属脊可以改变腔体内电磁场的分布，从而改变天线的谐振。腔体天线可以具有，也可以不具有金属脊。

在本发明的一种优选实施方式中，根据天线性能指标需要，本发明的金属外壳腔体还可以为多层的。

图8为本发明第三实施方式的无线通信设备的金属腔体天线结构示意图。图9为本发明第四实施方式的无线通信设备的金属腔体天线结构示意图。

由图8可见，在腔体1的下壁具有金属脊。由8可见，在腔体1的右边侧壁具有金属脊。

基于上述详细阐述，本发明实施方式还提出了一种无线通信设备的天线馈电结构的馈电方法。该方法适用于包括金属外壳的无线通信设备，而且该天线馈电结构包括中空金属腔体以及伸入所述中空金属腔体内的馈电单元，中空金属腔体构成所述金属外壳的全部或者至少一部分，空金属腔体具有开路端口，其中：所述馈电单元，用于为所述中空金属腔体馈电；所述中空金属腔体，用于作为天线单元；

如图10所示，该方法包括：

步骤1001：无线通信设备的电磁信号通过馈电单元传输至所述中空金属腔体内；

步骤1002：所述中空金属腔体通过所述开路端口将所述电磁信号辐射出去。

而且，本发明实施方式还提出了另外一种无线通信设备的天线馈电结构的馈电方法。该方法适用于包括金属外壳的无线通信设备，而且该天线馈电结构包括中空金属腔体以及伸入所述中空金属腔体内的馈电单元，中空金属腔体构成所述金属外壳的全部或者至少一部分，空金属腔体具有开路端口，其中：所述馈电单元，用于为所述中空金属腔体馈电；所述中空金属腔体，用于作为天线单元；

如图11所示，该方法包括：

步骤1101：无中空金属腔体通过所述开路端口接收电磁信号；

步骤1102：中空金属腔体通过馈电单元将所述接收到的电磁信号传输至所述无线通信设备。

基于上述详细分析，本发明实施方式还提出了一种无线通信设备，该无线通信设备包括具有天线馈电结构的金属外壳，所述天线馈电结构包括中空金属腔体以及伸入所述中空金属腔体内的馈电单元，所述中空金属腔体构成所述金属外壳的全部或者至少一部分，所述中空金属腔体具有开路端口，其中：所述馈电单元，用于为所述中空金属腔体馈电；所述中空金属腔体，用于作为天线单元。

具体而言，上述无线通信设备可以为移动电话、平板电脑、电子书阅读装置、个人数字助理(PDA)或笔记本电脑，等等。

以上虽然具体罗列出一些具体的无线通信设备，本领域技术人员可以意识到，此处的罗列仅为示范性的，并不用于限制本发明实施方式的适用范围。

综上所述，在本发明的技术方案中，天线馈电结构包括中空金属腔体以及伸入所述中空金属腔体内的馈电单元，所述中空金属腔体构成所述金属外壳的全部或者至少一部分，所述中空金属腔体具有开路端口，其中：所述馈电单元，用于为所述中空金属腔体馈电；所述中空金属腔体，用于作为天线单元。由此可见，应用本发明实施方式以后，不同于现有技术中将金属外壳作为天线辐射的一部分，而是通过腔体设计由开路端口实现电磁辐射。因此，本发明实施方式可以在拥有金属外壳环境下实现信号的有效辐射。还可以真正实现无线设备的无缝全金属外壳的要求，为设备整体的外观一致性提供了可能。

而且，应用本发明实施方式以后，射频信号在辐射前被控制在金属腔体内传输，受到腔外环境影响的程度被降至最小。同样，天线的辐射除在开路端口外，其他机壳位置均不受外界触摸，因此所受到的干扰影响较小。

另外，本发明实施方式的金属腔体可以和扬声器所需的音腔共享。特别是多个腔体可以在不占用额外空间的情况下提供实现立体声的多个音腔通道。

不仅于此，本发明实施方式的金属腔体无额外成本，应用场合新颖独特，在结构上相对简单、尺寸小、重量轻，适用于大多数无线通信设备，应用性能非常好。

以上所述，仅为本发明实施方式的较佳实施例而已，并非用于限定本发明实施方式的保护范围。凡在本发明实施方式的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施方式的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种无线通信设备的天线馈电结构，其特征在于，该无线通信设备包括金属外壳，所述金属外壳具有中空腔体结构，所述天线馈电结构包括中空金属腔体以及伸入所述中空金属腔体内的馈电单元，所述中空金属腔体构成所述金属外壳的全部或者至少一部分，所述中空金属腔体具有开路端口，其中：所述馈电单元，用于为所述中空金属腔体馈电；所述中空金属腔体，用于作为天线单元；所述无线通信设备的信号源的正极连接馈电单元的一端；所述信号源的接地端既可伸入小孔接触所述腔体的下壁内侧，也可以接触所述腔体的外壁。

2.根据权利要求1所述的无线通信设备的天线馈电结构，其特征在于，所述馈电单元与所述中空金属腔体的内壁接触，用于为所述中空金属腔体直接馈电。

3.根据权利要求1所述的无线通信设备的天线馈电结构，其特征在于，所述馈电单元不与所述中空金属腔体的内壁接触，用于为所述中空金属腔体耦合馈电。

4.根据权利要求2或3所述的无线通信设备的天线馈电结构，其特征在于，所述馈电单元为金属弹片或金属弹簧探针。

5.根据权利要求1所述的无线通信设备的天线馈电结构，其特征在于，所述中空金属腔体内填充有塑料填充物。

6.根据权利要求1所述的无线通信设备的天线馈电结构，其特征在于，所述中空金属腔体的内壁由金属材料直接构成或者由金属镀成。

7.根据权利要求1所述的无线通信设备的天线馈电结构，其特征在于，所述中空金属腔体内壁上进一步具有金属脊或凹口。

8.根据权利要求1所述的无线通信设备的天线馈电结构，其特征在于，所述开路端口位于所述中空金属腔体的两端中的任意一端，或者位于所述中空金属腔体的任意侧面。

9.一种无线通信设备的天线馈电结构的馈电方法，其特征在于，该无线通信设备包括金属外壳，所述金属外壳具有中空腔体结构，所述天线馈电结构包括中空金属腔体以及伸入所述中空金属腔体内的馈电单元，所述中空金属腔体构成所述金属外壳的全部或者至少一部分，所述中空金属腔体具有开路端口，其中：所述馈电单元，用于为所述中空金属腔体馈电；所述中空金属腔体，用于作为天线单元；所述无线通信设备的信号源的正极连接馈电单元的一端；所述信号源的接地端既可伸入小孔接触所述腔体的下壁内侧，也可以接触所述腔体的外壁；

该方法包括：

无线通信设备的电磁信号通过馈电单元传输至所述中空金属腔体内；

所述中空金属腔体通过所述开路端口将所述电磁信号辐射出去。

10.一种无线通信设备的天线馈电结构的馈电方法，其特征在于，该无线通信设备包括金属外壳，所述金属外壳具有中空腔体结构，所述天线馈电结构包括中空金属腔体以及伸入所述中空金属腔体内的馈电单元，所述中空金属腔体构成所述金属外壳的全部或者至少一部分，所述中空金属腔体具有开路端口，其中：所述馈电单元，用于为所述中空金属腔体馈电；所述中空金属腔体，用于作为天线单元；所述无线通信设备的信号源的正极连接馈电单元的一端；所述信号源的接地端既可伸入小孔接触所述腔体的下壁内侧，也可以接触所述腔体的外壁；

该方法包括：

所述中空金属腔体通过所述开路端口接收电磁信号；

所述中空金属腔体通过馈电单元将所述接收到的电磁信号传输至所述无线通信设备。

11.一种无线通信设备，其特征在于，该无线通信设备包括具有天线馈电结构的金属外壳，所述金属外壳具有中空腔体结构，所述天线馈电结构包括中空金属腔体以及伸入所述中空金属腔体内的馈电单元，所述中空金属腔体构成所述金属外壳的全部或者至少一部分，所述中空金属腔体具有开路端口，其中：所述馈电单元，用于为所述中空金属腔体馈电；所述中空金属腔体，用于作为天线单元；所述无线通信设备的信号源的正极连接馈电单元的一端；所述信号源的接地端既可伸入小孔接触所述腔体的下壁内侧，也可以接触所述腔体的外壁。

12.根据权利要求11所述的无线通信设备，其特征在于，所述无线通信设备为移动电话、平板电脑、电子书阅读装置、个人数字助理(PDA)或笔记本电脑。