CN102769178A - 一种多频段小型化天线及一种终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多频段小型化天线及一种终端，涉及天线技术领域，用以实现一种体积更小，同时可以覆盖多个频段的天线。本发明提供的多频段小型化天线，包括：介质基板；位于所述介质基板上第一区域的金属地；位于所述介质基板上第二区域的天线辐射单元；其中，所述天线辐射单元包括：第一金属带线和第二金属带线；所述第一金属带线和第二金属带线相连，并且所述第一金属带线和所述金属地相连，所述金属地为所述第一金属带线和第二金属带线馈电。

Description

一种多频段小型化天线及一种终端

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种多频段小型化天线及一种终端。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的发展，通信终端越来越趋于小型化及多功能化，即趋于集成化、多频段、多极化和多用途等功能。这对通信终端上天线的小型化、多功能化也提出更高的要求。

在实际的天线应用中，往往需要天线工作在多个频段，如在通信领域，天线需要工作在GSM(900M)、DCS、PCS、UMTS、WLAN(2.4GHz)等频段。但是，在天线设计时，很难同时做到小型化以及多频段工作的要求，实际应用中会使用体积较大的多天线结构实现多频。

现有技术常见的天线结构有“倒F”型天线，期刊“IEEE ANTENNAS ANDWIRELESS PROPAGATION LETTERS，vol.9，2010”中公开了关于一种用于手机终端的六频段“倒F”天线，题目为“Compact Hexaband PIFA Antenna forMobile Handset Applications”。文中介绍了一种工作于GSM(900M)、DCS、PCS、UMTS、WiBro、Bluetooth频段的结构紧凑的手机天线，该天线的体积为48mm(长)*16mm(宽)*1.6mm(厚)，但是该天线的体积仍然过大，用于较小的终端时受到限制。

发明内容

本发明实施例提供一种多频段小型化天线及一种终端，用以实现体积更小、且覆盖多个频段的天线。

本发明实施例提供的一种多频段小型化天线，包括：

介质基板；

位于所述介质基板上第一区域的金属地；

位于所述介质基板上第二区域的天线辐射单元；

其中，所述天线辐射单元包括：第一金属带线和第二金属带线；所述第一金属带线和第二金属带线相连，并且所述第一金属带线和所述金属地相连，所述金属地为所述第一金属带线和第二金属带线馈电。

本发明实施例提供的一种终端，包括上述多频段小型化天线。

本发明实施例，提供的多频段小型化天线，包括：介质基板；位于所述介质基板上第一区域的金属地；位于所述介质基板上第二区域的天线辐射单元；其中，所述天线辐射单元包括：第一金属带线和第二金属带线；所述第一金属带线和第二金属带线相连，并且所述第一金属带线和所述金属地相连，所述金属地为所述第一金属带线和第二金属带线馈电。本发明实施例提供的多频段小型化天线体积为24mm(长)*9.5mm(宽)*1.8mm(厚)，可覆盖890MHz～960MHz，以及1700MHz～2500MHz两个频段。在通信领域可覆盖GSM(900M)、DCS、PCS、UMTS、WLAN(2.4G)，DMB等频段。实现了一种体积更小且覆盖多个频段的终端小型化天线。

附图说明

图1为本发明实施例提供的多频段小型化天线结构示意图；

图2为本发明实施例提供的天线辐射单元中的第一金属带线和第二金属带线结构示意图；

图3为本发明实施例提供的位于介质基板顶部和底部的金属线结构示意图；

图4为本发明实施例提供的位于坐标系中的介质基板顶部的金属线结构示意图；

图5为本发明实施例提供的位于坐标系中的介质基板底部的金属线结构示意图；

图6为本发明实施例提供的位于坐标系中的介质基板顶部的金属线上具有过孔的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的第一金属带线和金属地相连的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的第一金属带线、第二金属带线，以及本发明天线的S参数仿真结果；

图9为本发明实施例提供的多频段天线的S参数的仿真值和测试值比较示意图；

图10为本发明实施例提供的天线在0.95GHz，Phi＝0度时的归一化增益方向图；

图11为本发明实施例提供的天线在0.95GHz，Theta＝90度时的归一化增益方向图；

图12为本发明实施例提供的天线在1.88GHz，Phi＝0度时的归一化增益方向图；

图13为本发明实施例提供的天线在1.88GHz，Theta＝90度时的归一化增益方向图；

图14为本发明实施例提供的天线在1.88GHz，Phi＝0度时的归一化增益方向图；

图15为本发明实施例提供的天线在1.88GHz，Theta＝90度时的归一化增益方向图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种多频段小型化天线及一种终端，用以实现一种体积更小，同时可以覆盖多个频段的天线。

本发明实施例提供一种小型化多频段天线，该天线结构为平面螺旋状结构，包括天线辐射单元、介质基板和金属地。其中，天线辐射单元包括两条金属带线，第一金属带线由位于介质基板顶部和底部的多条金属线连接而成，第二金属带线为位于介质基板底部的一条金属线，第一金属带线和第二金属带线通过介质基板上的过孔相连接。本发明实施例提供的天线可用于手机等无线通信终端，或者用于航天领域的通信设备等。本发明实施例提供的平面螺旋状结构的天线其体积为24mm(长)*9.5mm(宽)*1.8mm(厚)，可覆盖的频带范围为890MHz～960MHz，以及1700MHz～2500MHz。在通信领域可覆盖GSM(900M)、DCS、PCS、UMTS、WLAN(2.4GHz)，DMB等频段。相比较现有技术的多频段终端小型化天线，该天线的体积较小。几乎是现有技术期刊“IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS，vol.9，2010”中公开的六频段“倒F”天线体积的四分之一，可以方便设置于各类通信终端或其他相关设备。

下面通过附图对本发明实施例提供的技术方案进行说明。

参见图1，本发明实施例提供的多频段小型化天线，包括：

介质基板1；

位于介质基板1上第一区域的金属地2；

位于介质基板1上第二区域的天线辐射单元3；

如图2所示，为本发明实施例提供的天线辐射单元，其包括：第一金属带线31和第二金属带线32。

第一金属带线31和第二金属带线32相连，并且第一金属带线31和金属地2相连，金属地2为所述第一金属带线31和第二金属带线32馈电。

第一金属带线31由多条金属线组成，部分金属线位于介质基板1的正面，部分金属线位于介质基板1的反面；第二金属带线32由一条金属线组成，该金属线位于介质基板1的反面。

需要说明的是，如果介质基板1水平放置，则位于介质基板1的正面的金属线也可以说是位于介质基板1的顶部，位于介质基板1的反面的金属线也可以说是位于介质基板1的底部。

图2中所示的第一金属带线31为介质基板1水平放置时，从介质基板1的顶部看下去的第一金属带线31，第一金属带线31由介质基板1的顶部的金属线和介质基板1的底部的金属线连接而成。也就是说第一金属带线31为由位于介质基板顶部和底部(即位于介质基板的正面和反面)的多条金属线相连而成的螺旋式结构。第二金属带线32位于介质基板的底部，第二金属带线32为L形金属线，且仅由一条金属线组成。

介质基板上的金属线可以是在印刷电路板上形成的图案。

具体地，参见图3，为位于介质基板顶部(左图)和位于介质基板底部(右图)的金属线结构图。

参见图3的左图，位于介质基板顶部的金属线包括相互独立的六条金属线，金属线310、金属线311、金属线312、金属线313、金属线314、金属线315。位于介质基板底部的金属线包括相互独立的五条金属线，金属线316、金属线317、金属线318、金属线319、金属线32。金属线32为第二金属带线，金属线310至金属线319十条金属线组成第一金属带线。

金属线310为“1”字形，金属线311为类似于U形，金属线312为U形(各个边都是垂直弯曲)，金属线313为“L”形，金属线314为与金属线310相垂直的“1”字形，金属线315为与金属线312开口方向相反的U形(各个边都是垂直弯曲)。

所述介质基板1的顶部的金属线在一个平面上，介质基板1的底部的金属线也在一个平面上，具体可以通过对介质基板上的金属膜层进行刻蚀得到。

上述介质基板上的金属线之间的相对位置通过在介质基板平面内建立直角坐标系说明。

参见图4，在介质基板平面内(顶部)建立直角坐标系，最小刻度单位为1mm。

金属线310所在的位置由四个坐标点依次连接而成，分别为(0，0)、(0.5，0)、(0.5，16)、(0，16)；即金属线310为长16mm，宽0.5mm的金属线。

金属线311所在的位置由十个坐标点依次连接而成，分别为(5，0)、(5，1)、(3，1)、(3，5)、(8，5)、(8，4)、(4，4)、(4，2)、(6，2)、(6，0)；即金属线311的线宽为1mm，在图4中，位于金属线310的右下侧，具体形状如图4所示。

金属线312所在的位置由8个坐标点依次连接而成，分别为(3，8)、(3，9)、(5.5，9)、(5.5，11)、(3，11)、(3，12)、(6.5，12)、(6.5，8)；该金属线312为开口朝着金属线310的U形线，线宽为1mm，位于金属线310右侧，位于金属线311上侧，具体形状如图4所示。

金属线313所在的位置由六个坐标点依次连接而成，分别为(3，14)、(7，14)、(7，11)、(8，11)、(8，15)、(3，15)；该金属线313呈L形，线宽为1mm，位于金属线312的上侧，以及金属线310的右侧，具体形状如图4所示。

金属线314所在的位置由4个坐标点依次连接而成，分别为(4，17)、(4，18)、(8，18)、(8，17)；为一条直线，长度为4mm，线宽为1mm，与金属线313相目距2mm。

金属线315所在的位置由八个坐标点依次连接而成，分别为(3，20)、(3，24)、(8，24)、(8，23)、(4，23)、(4，21)、(8，21)、(8，20)；该金属线315为U形，线宽为1mm，开口背对金属线310，且位于金属线310的右侧，位于金属线314的上侧。

参见图5，位于介质基板底部的金属线包括相互独立的5部分，包括金属线316、金属线317、金属线318、金属线319，和金属线32。所述金属线在介质基板平面内(顶部)建立直角坐标系，最小刻度单位为1mm。即所述金属线和图4中的金属线在同一个直角坐标系。

金属线316、金属线317、金属线318、金属线319，和金属线32在所述直角坐标系中的位置如图5所示。图5中的金属线位于介质基板的底部。

金属线316为“L”形，所在的位置由六个坐标点依次连接而成，分别为(0.5，0)、(0，0)、(0，24)、(8，24)、(8，23)、(0.5，23)；金属线316的线宽不一致，水平部分线宽为1mm，垂直部分线宽为0.5mm。

金属线317为“L”形，所在的位置由六个坐标点依次连接而成，分别为(3，8)、(3，9)、(8，9)、(8，4)、(7，4)、(7，8)；

金属线318为“1”字形，所在的位置由四个坐标点依次连接而成，分别为(3，11)、(3，12)、(8，12)、(8，11)；长度为5mm，宽度为1mm。

金属线319为“5”字形(各个边都是垂直弯曲)，所在的位置由十二个坐标点依次连接而成，分别为(3，14)、(3，15)、(7，15)、(7，17)、(5，17)、(5，21)、(8，21)、(8，20)(6，20)、(6，18)、(8，18)、(8，14)；

作为第二金属带线的金属线32为“L”形，所在的位置由六个坐标点依次连接而成，分别为：(5，1)、(5，2)、(9，2)、(9，21)、(9.5，21)、(9.5，1)。

第一金属带线中的各金属线，以及第一金属带线和第二金属带线相互之间的连接关系介绍如下。

参见图6，在金属线310、金属线311、金属线312、金属线313、金属线314、金属线315上都有过孔，通过这些过孔和位于介质基板下面的金属线316、金属线317、金属线318、金属线319，以及金属线32相连接；

需要说明的是，本发明实施例中提到的“过孔”也即通常所说的“通孔”。

具体地，在金属线310和金属线316通过第一过孔40相连，该第一过孔40位于金属线310的低端；

金属线315的两端点处设置有第二过孔41和第三过孔42，其中第二过孔41将金属线315和位于金属线315下方的金属线316连接，以及第三过孔42将金属线315与位于金属线315下方的金属线319的相连接；

金属线314的最右端设置有第四过孔43，该第四过孔43将金属线314与位于其下方的金属线319相连接；

金属线313上有两个过孔分别为第五过孔44和第六过孔45，第五过孔44将金属线313和金属线319相连，第六过孔45将金属线313和金属线318相连；

金属线312的两端点有两个过孔，分别为第七过孔46和第八过孔47，第七过孔46将金属线312和318相连，第八过孔47将金属线312和317相连；

金属线311上有两个过孔分别为第九过孔48和第十过孔49，第九过孔48将金属线311和317相连，第十过孔49将金属线311和金属线(第二金属带线32)32相连。

可见，介质基板顶部的金属线分别和介质基板底部的金属线相连接，相连接的金属线之间在介质基板顶部看下去有重叠的部分，因此，在三维空间内，天线是一个平面螺旋状结构，即两个平面内的金属线通过介质基板相隔，并通过过孔相连接。这样，就大大减小了天线辐射单元的长度和宽度，减小了天线的体积。

需要说明的是，本发明提供的天线辐射单元中不限于上述结构，只要是平面螺旋式结构都可以达到减小天线的体积，并能覆盖多个工作频段。并且，本发明所述过孔的位置不限于图6中所示的过孔位置，可以是通过过孔将介质基板顶部和介质基板底部相对应的金属线连接起来的任何区域。

参见图7，所述第一金属带线的金属线311和金属地2相连。

较佳的一种实施例，参见图1，介质基板1的长为100mm，宽为60mm。金属地2的长为76mm，宽为60mm。辐射单元3的长为24mm，宽为9.5mm，厚为1.8mm。

较佳地，所述介质基板1可以为印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)，介质基板1的材料可以是FR-4材料。

所述第一金属带线或第二金属带线可以但不限于为金属铜或金属铝等。

在具体实施过程中，所述金属带线是对PCB上的金属膜层进行图形化工艺制作而成。

所述过孔也是经过专门的过孔工艺形成，形成的过孔侧壁有金属膜层，用于和PCB板的上下两面的金属线相连。

所述金属地为矩形金属片，长度为76mm，宽度为60mm，金属地的金属可以为和金属带线相同的金属，可以为铜或者铝。

较佳地，所述第一金属带线谐振于900MHz左右，具体谐振于890MHz～960MHz；

所述第二金属带线谐振于2GHz左右，具体谐振于1700MHz～2500MHz。

所述第一金属带线二次谐振模式谐振于1.8GHz左右，这样天线在2GHz频段具有较宽的带宽。可以覆盖的频段范围较大。在通信领域可以覆盖GSM(900M)、DCS、PCS、UMTS、WLAN(2.4G)，DMB等频段。实现了较小体积的天线可以覆盖多个频段。

较佳地，所述金属地2位于介质基板的顶部，即和金属线311位于同一个平面内。

本发明实施例通过仿真软件模拟上述结构的天线，对天线的回波损耗特性参数S和方向图进行了仿真，并且加工了发明天线，对本发明实施例提供的天线的S参数和方向图进行了测试。S参数和方向图的仿真值和测试值均较为吻合，验证了本发明天线的有效性。

首先分别对由第一金属带线和第二金属带线构成的天线、第一金属带线和第二金属带线的回波损耗特性S11参数和天线辐射频率的关系进行了仿真。

参见图8，图8中的“金属带线1”为第一金属带线，“金属带线2”为第二金属带线，图8中“整个天线”为由第一金属带线和第二金属带线构成的天线。从图8中可以看出，第一金属带线在频率为0.9GHz左右以及在频率为1.8GHz左右天线的损耗值最小。第二金属带线在频率为1.9GHz左右天线的损耗最小。由第一金属带线和第二金属带线构成的天线在1.7GHz左右天线的损耗最小，以及在1.8GH左右天线的损耗最小。由第一金属带线和第二金属带线构成的天线在890MHz～960MHz的频带内天线的损耗最小，天线的效率最大，在2GHz左右的频带也较宽。这是因为第一金属带线和第二金属带线之间电信号相互耦合，使得频带覆盖在890MHz～960MHz，以及1700MHz～2500MHz两个频段。

图9为本发明实施例提供的天线的S11和频率的仿真值和测试值，黑点所表示的曲线为实际测试值，圆圈所表示的曲线为仿真值。由图9中可以看出，仿真曲线和实际测试的曲线几乎重合，在频率为0.8GHz左右以及在频率为1.8GHz左右，天线的损耗较小，天线的效率较大。

图10至图15为多频段天线在不同频率下不同角坐标Phi下或Theta下的归一化增益方向图的仿真值和测试值的对比图。从图中可以看出，测试结果和仿真结果几乎一致，测试结果和仿真结果略有差别有可能是天线电缆带来的误差。

综上，本发明实施例提供了一种特殊结构的天线，可以覆盖两个频段，890MHz～960MHz，以及1700MHz～2500MHz。实现了覆盖GSM(900M)、DCS、PCS、UMTS、WLAN(2.4G)，DMB等频段。

但是本发明实施例提供的天线不限于上述提到的坐标中表示的天线结构。本发明提供的天线是一种平面螺旋式天线，通过PCB板的顶部和底部设置天线辐射单元，并使用两条金属带线构成辐射单元，通过打孔的方式使得介质基板的顶部和底部的金属线相连接，构成平面螺旋式天线，实现了较小尺寸可覆盖多频段的天线。

本发明实施例还提供了一种终端，包括所述多频段小型化天线。

综上所述，本发明实施例提供了一种多段频小型化天线，包括：介质基板；位于介质基板顶部第一区域的金属地；位于介质基板顶部第二区域的天线辐射单元，该天线辐射单元和金属地相连，金属地用于为天线辐射单元馈电，其中，所述天线辐射单元包括第一金属带线和第二金属带线。通过打孔的方式使得介质基板的顶部和底部的金属线相连接，构成平面螺旋式天线，实现了较小尺寸可覆盖多频段的天线。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储吐介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (12)

1.一种多频段小型化天线，其特征在于，包括：

介质基板；

位于所述介质基板上第一区域的金属地；

位于所述介质基板上第二区域的天线辐射单元；

其中，所述天线辐射单元包括：第一金属带线和第二金属带线；所述第一金属带线和第二金属带线相连，并且所述第一金属带线和所述金属地相连，所述金属地为所述第一金属带线和第二金属带线馈电。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一金属带线谐振于900MHz，所述第二金属带线谐振于2GHz，以及所述第一金属带线二次谐振于1.8GHz。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线辐射单元的长度为24mm，宽度为9.6mm，厚度为1.8mm。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一金属带线由多条金属线组成，部分金属线位于所述介质基板的正面，部分金属线位于所述介质基板的反面；

所述第二金属带线由一条金属线组成，该金属线位于所述介质基板的反面。

5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，位于所述介质基板正面的金属线通过介质基板上的通孔和所述介质基板背面属于第一金属带线的金属线相连。

6.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，第一金属带线中与金属地相连的金属线，与第二金属带线相连。

7.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，所述第一金属带线由十条金属线组成，其中的六条金属线位于介质基板的正面，其余四条金属线位于介质基板的反面。

8.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述金属线为铜线或者铝线。

9.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述金属地位于所述介质基板的正面。

10.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述金属地为矩形。

11.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述金属地为铜片或者铝片。

12.一种终端，其特征在于，包括权利要求1-11任一权项所述的多频段小型化天线。

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