CN103311641B - 电子设备的内置天线 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于电子设备的内置天线装置。所述天线装置包括具有导电区域和不导电区域的PCB。将天线辐射器设置在PCB的不导电区域；所述天线辐射器具有馈电部和配置为从所述馈电部分接的第一图案的至少第一辐射部，并且具有与所述导电区域电连接的端部。至少一个电容器在第一辐射部内串联电连接。第一辐射部的谐振频率是所述至少一个电容器的电容值的函数。由于所述电容，可以针对给定频带以较小的尺寸设置所述天线。也可以提供从所述馈电部分接的第二天线辐射器用于在不同的频带处操作。

Description

电子设备的内置天线

技术领域

本公开涉及一种电子设备内的内置天线。

背景技术

作为一种类型的电子设备，已经公认便携终端是日常现代生活的必备品之一。便携终端通常是能够接收射频(RF)信号的任意手持电子设备。便携终端可以是蜂窝电话、智能电话、电子书、照相机、个人数字助手(PDA)、平板PC等。

便携终端性能在功能性、处理速度、存储器、电池寿命和占用面积(尺寸、重量和厚度减小)方面持续改进。为了令客户满意，需要提供具有尽可能多的功能的薄、重量轻且小的设备(例外的是显示器尺寸，近来的趋势是更大)。便携终端卖主竞相实现更小和更纤细的终端，同时提供等同或更先进的性能。

早期阶段的便携终端使用外部天线(例如，杆状天线或螺旋天线)，在终端跌落时所述天线易受损坏，从而使便携性劣化。近来的设计已经使用一种或多种内置天线来消除这一问题。便携终端内的内置天线设计为具有特定长度的天线辐射器，以在规定频率下实现目标天线性能，例如辐射图、效率和S参数度量。因此，所述天线与天线辐射器的物理性质和尺寸成比例地操作。对于给定的工作频带，如果根据使得终端变小和变薄的趋势而在终端内缩短天线辐射器长度，天线性能可能受到损害。

具体地，作为一种天线辐射器，近来投放市场的便携终端使用在两个频带(双频带设计)或多个频带处操作的多频带天线辐射器。当应用多频带天线时，将天线辐射器的物理长度增加特定的长度(典型地是λ/2或λ/4)，所述特定的长度是有限的。另外，由于诸如载体之类的附加部件导致安装过程复杂，并且增加了制造成本。

例如，当使用针对2.4/5GHz设计的双频带天线时，在倒F天线(IFA)类型的情况下，天线辐射器的电学长度是约25～30mm(即2.4GHz频带处的λ/4)。具有在上面安装或形成的天线辐射器的印刷电路板(PCB)上的不导电区域必须尺寸上大于这一电学长度。结果，分配给便携终端内的天线的空间较大，不合需要的增加了便携终端的尺寸。

发明内容

本发明的一个方面是为了至少解决上述问题和/或缺点，并且至少提供下述优点。因此，本发明的一个方面是提供一种用于电子设备的内置天线，以提供纤细的电子设备。

本发明的另一个方面是提供一种用于电子设备的内置天线，以通过在印刷电路板(PCB)上的直接实施来节省制造成本，并且通过减小装配工艺的个数来改进生产率。

根据本发明的一个方面，提出了一种用于电子设备的内置天线。所述天线装置包括具有导电区域和不导电区域的PCB。将天线辐射器设置在PCB的不导电区域。天线辐射器具有馈电部和配置为从所述馈电部分接的第一图案的至少第一辐射部，并且具有与所述导电区域电连接的端部。至少一个电容器在第一辐射部内串联电连接。第一辐射部的谐振频率是所述至少一个电容器的电容值的函数。

有利地，通过与第一辐射器的端部与导电区域的电连接相结合地采用电容器，能够使得第一辐射器变小，同时实现所需频率下的谐振。还可以提供从所述馈电部分接的第二天线辐射器用于在不同的频带处操作。

附图说明

根据结合附图的以下详细描述，本发明的特定示范实施例的以上和其他方面、特征和优势将变得更加清楚明白，其中：

图1是采用根据本发明示范实施例的内置天线的电子设备的透视图；

图2是根据本发明示范实施例的可以在图1的电子设备中使用的内置天线的透视图；

图3是根据本发明示范实施例的图2的内置天线的平面图；

图4是说明了依赖于根据本发明示范实施例的图1的内置天线中使用的电容器值的谐振频率的变化的示意图；

图5是说明了当应用于根据本发明示范实施例的图2-3的内置天线时的电压驻波比(VSWR)和史密斯图的图表；

图6是根据本发明第二示范实施例的内置天线的平面图；

图7是根据本发明第三示范实施例的内置天线的平面图；

图8是根据本发明第四示范实施例的内置天线的平面图；以及

图9是根据本发明第五示范实施例的内置天线的平面图。

具体实施方式

下面将参考附图描述本发明的示范实施例。在以下描述中将不再详细描述众所周知的功能或结构，以避免以不必要的细节混淆本发明。

尽管将在前表面具有触摸屏的条形智能电话说明和描述为电子设备以例证本发明，本发明不局限于此。具有用于无线发射和接收的内置天线的各种其他电子设备也在本发明的范围之内。此外，在下面的示例中描述了双频带内置天线，其中在一个天线辐射器中实现了分别在两个频带(2.4GHz和5GHz)操作的辐射图。然而，本发明也可应用于在三个或更多频带操作的多频带内置天线。另外，本发明的原理可以应用于单频带操作，其中使用单频带天线实现了天线尺寸减小。

图1是采用根据本发明示范实施例的内置天线的电子设备1的透视图。电子设备1在前表面2上具有触摸屏3，以执行数据输入/输出功能。扬声器4位于终端的上部以输出配对用户或音频播放器的声音。将麦克风5安装在下部中以向配对用户传递语音输入。尽管未示出，可以将数字照相机安装到电子设备1的背面。

将用作主板的印刷电路板(PCB)(参见图2的12)安装在电子设备中。将本发明的天线辐射器(参见图2的11)以导体图案的形式安装或者形成于PCB(参见图2的11)处。在其他实施例中，可以将天线辐射器实现为具有在终端的组成部分(例如外壳)上或者附着到PCB或组成部分上的特定图案的金属片，或者实现为具有附接或安装在PCB12中的特定图案的柔性印刷电路(FPC)。

如图1所示，优选地，本发明的内置天线(参见图2的10)位于电子设备1的下部(即，图1的位置A)处。下部位置的优势在于在电子设备1处于手持状态的状态下人的干扰效果最低，并且在呼叫状态下将内置天线与用户的头部分开最大的距离。然而，本发明不局限于此，因此可以替代地将天线放置于电子设备的上部或者中间部分，只要所选择的配置提供天线的有效屏蔽并且防止辐射性能劣化。

图2是根据本发明示范实施例的图1的电子设备内的内置天线的透视图。图3是根据本发明示范实施例的图2的内置天线的平面图。

参考图2和图3，本发明的内置天线10(可互换地，“天线装置”)包括在电子设备1内部安装的PCB12。PCB12包括不导电区域121和导电区域122，其中优选地，导电区域是针对电子设备1的参考地的一部分。天线10包括设置在不导电区域121处的天线辐射器11，例如在PCB12表面上形成或者安装或者形成于所述位置处。PCB12也具有在PCB12上安装的各种集成电路部件(未示出)。优选地，将天线辐射器11形成为PCB12上的导体图案。然而，本发明不局限于此。如上所述，可以通过附着上面形成特定图案的金属片来形成天线辐射器，或者天线辐射器可以形成为包括特定金属图案的FPC。(注意，当将内置天线10称作“包括PCB12”时，这通常指的是PCB12的用作天线10的一部分的那部分、而不是PCB12的上面安装其他电路部件的其他区域。用作图3中天线10的一部分的PCB部分实质上是所示的导电和不导电区域122、121。)

天线辐射器11包括RF馈电部111、第一辐射部112和第二辐射部113。馈电部111(通常也称作馈线)优选地是具有特定长度的导电带图案，并且与PCB12的不导电区域121中的射频(RF)节点电连接。馈电部111在RF节点123与第一和第二辐射部112、113之间馈送RF信号功率。第一和第二辐射部112、113均在点P处从馈电图案111分接，并且以延伸的方式形成。如将在下面进一步解释的，优选地，通过公共馈电部111传输至少两个不同频带的RF信号，例如2.4GHz和5GHz频带，一个频带的信号由辐射部112辐射，而另一个频带的信号由辐射部113辐射。在图3的实施例中，第一辐射部112包括以直角接线头的形式分接的导电图案114，与PCB12的导电区域122电连接。接线头114用于与第一辐射部112阻抗匹配。在例如如下所示的其他实施例中，接线头连接代替地从馈电部111形成，或者接线头源自第二辐射部113。

第一辐射部112在点P处从馈电图案111的一端(“近端”)分接，并且在相反的一端(“远端”)与PCB12的导电区域122电连接。因此，利用特定回路型配置和馈电部111一起实现第一辐射部112。另外，诸如芯片电容器之类的至少一个电容器C在第一辐射部112内串联电连接。也就是说，第一辐射部112在电容器C下方的区域中分离，以提供分离的部分(未示出)，并且将电容器C连接在所述两个部分之间。通过插入电容器C，可以根据电容器的电容值来调节谐振频率。电容器C导致了第一辐射部112的有效电学长度的延长。例如，假设第一辐射部112设计为具有特定的电学长度以在频率f1下辐射和接收信号。在没有电容器C的情况下，辐射部112的物理长度L将需要比图3所示的更长，使得不导电区域121将需要更宽。电容器的插入允许较小的物理长度L来实现相同频率f1下的谐振。

将第二辐射部113从馈电图案111的端弯曲特定的角度。辐射部113的端部具有开口形式，从而没有与PCB12的导电区域122电连接，即辐射部113的端部与导电区域122隔离。因此，与馈电图案111一起，第二辐射部113可以具有单极天线、倒-L天线(ILA)、倒F天线(IFA)的结构。在图3的实施例中，辐射部113是ILA天线的形式。

如图3所示，通过采用天线辐射器11的示例描述了本发明的天线10，其中一体化形成第一天线辐射器R1和第二天线辐射器R2。第一天线辐射器R1包括馈电部111和第一辐射部112，并且在低频带操作。第二天线辐射部R2包括馈电图案111和第二辐射部113，并且在相对高的频带操作。

在这种情况下，第一天线辐射器R1可以在相对低的频带操作，例如2.4GHz频带，而第二天线辐射器R2可以在相对高的频带操作，例如5GHz频带。逻辑上来说对于类似类型的天线设计，第一辐射部112的电学长度比第二辐射部113的电学长度更长，具体地大约是第二辐射部113的电学长度的两倍。

具有IFA结构的第一辐射部112的电学长度通常是λ/4。允许ILA形式的第二辐射部113的长度小于λ/4，并且因为指定用于高频带，第二辐射部113的长度小于辐射部112A。辐射器的长度与在使用的频带成反比。因此，PCB12的不导电区域121的宽度(沿所示的朝向，其中辐射器沿宽度方向从左向右延伸)通常必须大于至少λ/4，即第一辐射部112的电学长度。因此，因为不能降低PCB12的尺寸，难以使得终端变纤细(在这种情况下，难以沿宽度方向减小终端的尺寸)。

然而根据本发明，可以通过在第一辐射部112中串联连接具有特定值的电容器C，来基于使用的电容值设计谐振频率，从而也可以降低第一辐射部112的物理长度L。也就是说，电容器C的使用延长了第一辐射器R1的有效电学长度。

如在图2-3的实施例中所示，馈电部111可以是与第一和第二辐射部112、113相同表面上的导电带的形式。第二辐射部113的主要部分与第一辐射部112彼此实质上平行定向，并且均与馈电部111实质上垂直。第一和第二辐射部112、113从近侧至远侧定向，其中馈电部111设置在近侧。将导电区域122至少设置在不导电区域121的远侧，并且第一辐射部112的端部在远侧与导电区域122相连。导电区域122还延伸至不导电区域121下方的中心区域，并且第一辐射部112在近侧附近具有接线头114，所述接线头连接至导电区域的中心区域。然而应该理解的是其他配置是可能的。例如在一些应用中，只使用第一天线辐射器R1，并且省略了第二天线辐射器R2。

在各种这里所示的实施例中，将RF馈电部111示出为以从RF节点123到辐射部112、113的实质相对长度延伸。然而在替代实施例中，可以在第一和第二辐射部112、113的之间的交叉处将RF功率(从顶部PCB表面下方或上面的另一层)直接馈送至点P

示意性示出的RF馈电节点123是两条导体传输线(例如，同轴、微带或带状线配置)的节点，其中第一导体(例如，同轴线的内导体)与馈电部导体111相连、而第二导体(例如外导体)与导电区域122电连接。

图4是说明了根据本发明示范实施例的依赖于在图1的内置天线中使用的电容器值的谐振频率变化。谐振频率通常指的是天线被最优地调谐的频率，即天线具有近似理想特性的频率。

参考图4，当将电容器C应用于第一辐射部112时，如果电容器C的值较大，所述图案在低频带的谐振频率下操作，而如果电容器C的值较小，图案在高频带的谐振频率下操作。

因此，可以将图3的第一辐射部112减小第二辐射部113的长度，并且将具有相应电容值的电容器C串联连接在第一辐射部112中，使得第一辐射部112在所需的谐振频带处操作。

因此，可以将PCB12的不导电区域121的宽度减小第一辐射部112的减小的电学长度，可以便于使得终端纤细。

图5是说明了当应用根据本发明示范实施例的图2和图3的内置天线时的电压驻波比(VSWR)和史密斯图的图表。

通常，当在2.4GHz的频带处使用第一辐射部112时，必须将传统的IFA-型天线辐射器的长度形成为在～2.4GHz处具有λ/4的长度，即25-30mm。然而，本发明的实施例可以通过向第一辐射部112应用电容器来实现在PCB12的不导电区域121中具有～9mm长度的第一天线辐射器R1。

因此，对于图5所示的示例，可以相对于2.4GHz频带处的输入获得68.6％(-1.64dB)的效率。可以相对于5GHz频带处的输入获得53.1％(-2.75dB)的效率。结果，本发明的天线10与相对于输入表现出30-60％效率的典型天线具有相同或更好的性质(通常，如果效率大于或等于50％就可以看作性能是优秀的)。

图6是根据本发明第二示范实施例的内置天线20的平面图。天线20具有与图2-3的天线相同的配置，不同之处在于用从RF馈电部延伸的短路接线头214替换从第一辐射器延伸的短路接线头114。

将天线辐射器21设置在PCB12的不导电区域121处。天线辐射器21包括：馈电部211，具有特定长度并且与RF节点123点连接；第一辐射部212，从馈电部211分接并且放置为与电容器C串联连接；以及第二辐射部213，沿第一辐射部212从馈电部211的端部分接的方向延伸。在这种情况下，第一辐射部212的端部与PCB12的导电区域122电连接，而第二辐射部213的端部是开路的，从而没有与PCB12的导电区域122相连。与图2不同，在馈电部211中，将导电图案214沿第一辐射部212的相反方向分接，并且与PCB12的导电区域122电连接。

图7是根据本发明第三示范实施例的内置天线30的平面图。天线30具有与图2-3的天线10相同的配置，不同之处在于用从RF馈电部延伸的短路接线头314替换从第一辐射器延伸的短路接线头114。

将天线辐射器31放置于PCB12的不导电区域121中。天线辐射器31包括：馈电部311，具有特定的长度并且与RF节点123电连接；第一辐射部312，从馈电部311分接并且放置为与电容器C串联连接；以及第二辐射部313，沿其中第一辐射部312从馈电部311的端部分接的方向延伸。在这种情况下，第一辐射部312的端部与PCB12的导电区域122电连接，而第二辐射部313的端部是开路的，从而没有与PCB12的导电区域122相连。与图2不同，在馈电部311中将导电图案314沿与第一辐射部312相反的方向分接，并且与PCB12的导电区域122电连接。

因此在图6-7的实施例中，导电区域122从远侧(右手一侧)延伸至不导电区域121下方的中心区域、并且延伸至近侧区域，从而在至少三侧包围所述不导电区域121。实现与导电区域122的接线头连接，所述接线头从馈电部延伸，以连接导电区域122的中心区域或近侧区域。

图8是根据本发明第四示范实施例的内置天线40的平面图。所述天线具有与图2-3的天线10相同的配置，不同之处在于在短路接线头的区域中的第二辐射部和第一辐射部之间设置附加的接线头连接415。

将天线辐射器41放置于PCB12的不导电区域121中。天线辐射器41包括：馈电部411，具有特定的长度并且与RF节点123电连接；第一辐射部412，从馈电部411分接并且放置为与电容器C串联连接；以及第二辐射部413，沿其中第一辐射部412从馈电部411的端部分接的方向延伸。在这种情况下，第一辐射部412的端部与PCB12的导电区域122电连接，而第二辐射部413的端部是开路的，从而没有与PCB12的导电区域122相连。导电图案414在第一辐射部412中分接并且与PCB12的导电区域电连接，并且第二导电图案415将第一辐射部412和第二辐射部413电连接。

如图6至图8所示，在辐射部或馈电部的不同位置处以各种形式将导电图案214、314、414和415与PCB12的导电区域122电连接。因此，可以根据导电图案的形状来配置具有各种形状的回路结构，从而卖主可以通过在设计天线时考虑辐射性质来提供各种天线。

图9是根据本发明第五示范实施例的内置天线50的平面图。在该实施例中，将开关单元定位于第一辐射部的分离的部分之间。不同的辐射部具有与开关单元电连接的一个端部以及与第一辐射部的导电区域或端部电连接的相反端部。第二电容器串联电连接在不同的辐射部内，并且具有与第一电容器不同的电容值。开关单元可控制用于在第一和第二辐射部之间切换馈电部的连接，选择第一或不同的辐射部以获得最高的天线性能。开关单元执行切换，以在考虑当电子设备处于手持状态时第一或不同辐射部的辐射效率劣化的情况下来动态地获得最高的天线性能。

更具体地，参考图9，天线辐射器51包括：馈电部511，具有特定长度并且与RF单元123电连接；以及第一辐射部512，从所述馈电部511分接。第二辐射部513与图2-3的第二辐射部113类似或相同，并且可以用于在高频带操作，例如在上述实施例中的5GHz。

第一电容器或电容器组C1串联插入到第一辐射部512内。将开关S同样地串联插入到第一辐射部512中。也就是说，将开关S(未示出)下方的辐射部512的区域分离，其中开关S连接分离的部分。附加的辐射部515与第一辐射部515并联连接，一端与开关S相连、相反的一端与远侧上的导体区域122相连或者与所示的第一辐射部512的相反端相连。将至少一个第二电容器或电容器组C2串联插入到辐射部515内。第一电容器组C1和第二电容器组C2具有不同的电容值。

选择性地切换第一辐射部512和第二辐射部515。开关单元S安装用于切换辐射部。电子设备1的控制器(未示出)控制开关单元S交替地切换第一辐射部512和附加的辐射部515，从而可以表现出天线更好的辐射性质。另一方面，可以应用开关单元S的切换操作以降低对终端用户的身体有影响的特定吸收率(SAR)。此外，开关单元S通过优先考虑当电子设备处于手持状态时引起的天线的辐射效率劣化，来执行接通辐射部。例如，当在低频带处操作时(不同时使用辐射器512、515)，控制器监测当前使用的辐射器512或515的天线性能度量。如果性能下降到阈值以下，控制器可以立即控制开关S将路径切换至其他辐射器，并且查明天线性能是否改善为阈值以上。因此，控制器动态地控制辐射路径以获得最高的天线性能。

根据本发明，至少一个电容器电连接在具有相对低的频带的天线辐射部中，并且可以通过调节电容值来修改天线辐射器的谐振频率。因此，可以在降低辐射器的整体体积的同时提供相同或更好的性能。

此外，因为节省了用于在PCB上安装或形成天线辐射器的空间，可以以纤细的尺寸实现电子设备。因为排除了诸如载体等附加部件，减小了装配工艺的个数，并且降低了制造成本，从而改善了生产率。

尽管已经参考本发明的示范实施例，具体示出和描述了本发明，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行形式和细节上的多种改变。

Claims (13)

1.一种用于电子设备的内置天线装置，所述天线装置包括：

包括导电区域和不导电区域的印刷电路板PCB；以及设置在所述PCB的不导电区域处的天线辐射器，

其中所述天线辐射器包括：

馈电部，向所述PCB的射频RF节点馈送信号功率或馈送来自所述PCB的射频RF节点的信号功率；

第一辐射部，配置为在其近端从所述馈电部分接的第一图案，并且第一辐射部在其远端与所述导电区域电连接；

至少一个电容器，在所述第一辐射部内串联电连接；以及

第二辐射部，配置为在一端从所述馈电部分接的第二图案，并且在相反的一端与所述导电区域隔离；

其中所述第一辐射部的谐振频率是所述至少一个电容器的电容值的函数，

其中所述至少一个电容器是至少一个第一电容器，并且所述天线装置还包括：

开关单元，定位于所述第一辐射部的分离部分之间；

至少一个不同的辐射部，具有与所述开关单元电连接的一个端部以及与所述导电区域电连接的相反端部；以及

至少一个第二电容器，串联电连接在所述不同的辐射部内，并且具有与所述至少一个第一电容器不同的电容值。

2.根据权利要求1所述的天线装置，其中所述内置天线装置是双频带天线，其中包括所述第一辐射部和所述馈电部的第一天线辐射器基于所述第一图案在第一频带处操作，包括所述第二辐射部和所述馈电部的第二天线辐射器基于所述第二图案在第二频带处操作，并且一体化地形成所述第一和第二辐射器。

3.根据权利要求1所述的天线装置，其中所述第一辐射部在2.4GHz的频带处操作，而所述第二辐射部在5GHz的频带处操作。

4.根据权利要求1所述的天线装置，其中所述至少一个电容器具有延长所述第一辐射部的有效电学长度的电容值。

5.根据权利要求1所述的天线装置，其中所述第一辐射部具有从所述馈电部分接的近端，所述第一辐射部是倒F天线型辐射器，所述倒F天线型辐射器具有接线头，所述接线头到所述近端的距离比到所述远端的距离近，所述接线头与所述导电区域电连接。

6.根据权利要求5所述的天线装置，其中所述第二辐射部是L形状的辐射器。

7.根据权利要求1所述的天线装置，其中所述天线辐射器是在所述PCB的不导电区域中形成或安装的条形导体、金属片和柔性印刷电路FPC中的至少一个。

8.根据权利要求1所述的天线装置，其中所述开关单元能够被控制以在所述第一辐射部和所述不同的辐射部之间切换所述馈电部的连接，所述第一辐射部或所述不同的辐射部被选择以获得最高的天线性能。

9.根据权利要求8所述的天线装置，其中所述开关单元执行切换，以在考虑到当电子设备处于手持状态时所述第一辐射部或所述不同的辐射部的辐射效率劣化的情况下，动态地获得最高的天线性能。

10.根据权利要求1所述的天线装置，其中：

所述馈电部具有与所述第一和第二辐射部位于相同表面上的导电带的形式；

所述第二辐射部的大部分与所述第一辐射部定向为彼此平行，并且均与所述馈电部垂直；

其中第一和第二辐射部以从近侧到远侧的方式来定向，所述馈电部设置在近侧，所述导电区域至少设置在所述不导电区域的远侧，并且所述第一辐射部的端部在远侧与所述导电区域相连。

11.根据权利要求10所述的天线装置，其中所述导电区域还延伸至所述不导电区域下方的中心区域，并且所述第一辐射部在近侧附近具有接线头，所述接线头连接至所述导电区域的中心区域。

12.根据权利要求10所述的天线装置，其中：

所述导电区域还延伸至所述不导电区域下方的中心区域并且延伸至近侧区域，从而在至少三侧上包围所述不导电区域；以及

实现与所述导电区域的接线头连接，所述接线头从所述馈电部延伸以连接至所述导电区域的中心区域和近侧区域之一。

13.一种电子设备，包括根据权利要求1至12中任一项所述的内置天线装置。