CN103326104B - 用于电子设备的内置天线 - Google Patents

Abstract

提供用于电子设备的内置天线。内置天线包括基板、具有至少两个辐射部的第一天线辐射器、第二天线辐射器和切换装置。基板具有导电区域和非导电区域。第二天线辐射器布置在基板的非导电区域内并由基板的射频(RF)端馈送。第二天线辐射器配置成在与第一天线辐射器的至少一个操作频带不同的频带上操作，并在邻近第一天线辐射器的位置上由RF端馈送。切换装置切换以有选择地馈送第一天线辐射器和第二天线辐射器。

Description

用于电子设备的内置天线

技术领域

本发明大体涉及用于电子设备的内置天线，并且更具体地，涉及多频带内置天线电子设备。

背景技术

便携式终端一般被看作是可以发送和/或接收RF信号的任何手持电子设备。便携式终端的示例包括蜂窝电话、智能电话、平板PC、个人数字助理(PDA)、游戏装置、电子书、数字摄像机和导航装置。随着技术进步并且更多功能已经被加到主流型号中，提供轻薄和美学设计这一目标一直是针对电子设备的重要考虑问题。终端制造商竞争以在实现相同或改进的功能的同时使得便携式终端与旧设计相比更小并更薄。

现代便携式终端采用至少一个内置的天线用于通信功能，例如语音和视频呼叫以及无线因特网冲浪。内置天线的趋势是在两个或更多个频带(即，多频带)操作，最小化便携式终端的天线安装空间、减少其体积和扩展其功能。

多频带内置天线的流行设计是平面倒F型天线(PIFA)。例如，内置天线已经设计成覆盖全球移动通信系统(GSM)900、数字蜂窝服务(DCS)1800、个人通信服务(PCS)1900和无线码分多址(WCDMA)频带1的主要频带，并且已经广泛地使用。已经提供了内置天线来用于对低频带集合的完全覆盖，例如GSM850和GSM900，使用分离添加的接地盘，通过切换技术在其之间切换。这种“接地盘切换技术”包括在天线导线的一个或多个点与接地盘之间使用一个或多个内嵌开关，以根据切换状态改变天线配置。执行切换以使在所需频带上天线性能最佳。

近年来，除了在上述频带上操作之外，出现了使用长期演进(LTE)技术的便携式终端，即，所谓的第4代(4G)技术。在一些情况中，LTE终端在比第2代(2G)或第3代(3G)频带高的频带上操作。例如，LTE终端可以在LTE频带7(2500MHz到2690MHz)和LTE频带11(1428MHz到1496MHz)上操作。因此，最近发布的终端采用在与2G(GSM900、DCS1800、和PCS1900)和3G(WCDMA频带1、2、5、8等)频带分离的LTE频带上操作的天线。

然而，对于接地盘切换技术，难以覆盖包括相对高的LTE频带7和LTE频带11在内的五(penta)频带。因此，常规方法是隔离并分离地安装GSM四(Quad)频带天线和LTE频带天线。

另一方面，接地盘切换技术适合用在低频带，例如在GSM900和GSM850之间切换。开关的切换状态被控制以移动天线的谐振频率，从而在一个频带或另一个频带上操作。然而，使用该方案，可获得的频移量仅限于大约60MHz。这种限制源于难以在辐射器之间确保所需的尽量大的间隔距离。接地盘切换技术可以增加频移，但是已经知道其会改变天线阻抗和劣化基本天线性能。此外，期望能够覆盖至少两个1GHz或更高的高频带的能力，例如DCS频带(1710MHz到1850MHz)和LTE频带11(1428MHz到1496MHz)。在这情况下，频带中心分开大约300MHz。为了使用接地盘切换技术在这些频带之间切换，需要复杂的设计，这不是期望的，损害了天线的性能。由此，通常提供单独的天线用于这两个频带。

因此，上述分离天线应用与近期同时实现电子设备轻薄化和多功能化的趋势背道而驰。此外，添加的天线和复杂性增加了制造成本。

发明内容

本发明的一个方面提供一种用于电子设备的多频带内置天线，其实现在紧凑设计的电子设备中以减少安装空间，从而有助于设备的轻薄化，并且还节约了制造成本。

根据本发明的一个方面，提供一种用于电子设备的内置天线。所述内置天线包括基板、具有至少两个辐射图案的第一天线辐射器、第二天线辐射器和切换装置。基板具有导电区域和非导电区域。第二天线辐射器布置在基板的非导电区域内并由基板的射频(RF)端馈送。第二天线辐射器布置成在不同于第一天线辐射器的至少一个操作频带的频带上操作，并在邻近第一天线辐射器的位置上由RF端馈送。所述切换装置切换以有选择地馈送第一天线辐射器和第二天线辐射器。

优选地，在第一天线辐射器的操作期间，第二天线辐射器与RF端断开，但是按照提高第一天线辐射器的天线性能的方式电磁耦合到第一天线辐射器。第二天线辐射器可以用于LTE频带，而第一天线辐射器用于2G和3G协议的四个其它频带。相比于比其他可能情形，这种配置使五频带天线能够部署在便携式终端的更小空间中。

附图说明

根据下文结合附图的详细描述，本发明的上述以及其他方面、特征以及优点将更加清楚，在附图中：

图1是根据本发明示例性实施例的作为安装了内置天线的电子设备的便携式终端的透视图；

图2是根据本发明示例性实施例的应用于图1便携式终端的内置天线的透视图；

图3是显示根据本发明示例性实施例的图2内置天线的第一天线辐射器的操作状态的平面/示意图；

图4是显示根据本发明示例性实施例的图2内置天线的第二天线辐射器的操作状态的平面/示意图；以及

图5是显示根据本发明示例性实施例的图2内置天线的电压驻波比(VSWR)的曲线。

具体实施方式

本文下面将参照附图描述本发明的示例实施例。在下面的说明书中，不再详细地描述熟知的功能或结构，以便它们不必要地导致本发明不清楚。此外，下文中描述的术语通过考虑本发明中的功能进行限定，可以根据用户和操作者想要的或实践而表示不同的意义。因此，应该基于整篇说明书的公开内容限定术语。

下文具体描述示出并描述一种作为电子设备的便携式终端，但是其并不限制本发明的范围和精神。例如，本发明可应用于多种领域的电子设备以进行通信，即使不是便携式的。

图1是示出根据本发明示例性实施例的作为安装了内置天线的电子设备的便携式终端的透视图。便携式终端100包括安装在其前表面102上的显示器103。显示器103可以是触摸屏，其能够同时执行数据输入和输出。扬声器104设置在显示器103之上，用于输出呼叫方语音的音频、音乐等。在显示器103下面安装有麦克风105，用于例如在打电话期间输入声音。虽然图中没有示出，在便携式终端100中还可以安装用于实现已知补充功能的摄像机模块和其他补充装置。

根据本发明的内置天线(例如，图2中的天线1)可以部署在便携式终端100的多个位置。例如，内置天线1可以配置成在五个频带上操作(即，五频带天线)。为此，天线可以包括四频带天线辐射器，构造为覆盖2G(全球移动通信系统(GSM)900)、数字蜂窝服务(DCS)1800和个人通信服务(PCS)1900)以及3G(无线码分多址(WCDMA)频带1、2、5、8等)频带，以及覆盖作为第五频带的LTE频带的LTE频带天线辐射器。五频带天线辐射器优选安装在便携式终端100的底侧(即，“A”部分)或顶侧(即，“B”部分)内。相反，传统天线占据A和B两个部分以隔离和安装构造为覆盖2G(GSM900、DCS1800和PCS1900)和3G(WCDMA频带1、2、5、8等)频带的四频带辐射器、以及覆盖LTE频带的LTE频带天线辐射器。因此根据本发明的内置天线可以节省安装空间。此外，如下文更充分地介绍的，在四频带天线辐射部操作的时候，LTE频带天线辐射部通过预定切换装置与馈送部电断开，并同时用作浮动虚设图案。这种方案用于扩展四频带天线辐射器的带宽。

图2是示出根据本发明示例实施例的应用于图1便携式终端的内置天线的透视图。内置天线1包括基板(例如，印刷电路板(PCB))10以及第一和第二天线辐射器30和40。基板10安装在便携式终端100内并安装有执行各自功能的多种电子部件(未示出)。第一和第二天线辐射器30和40布置在基板10之上。在图2示出的实施例中，辐射器30和40形成在载体20上，载体安装在基板10的非导电表面12上。在其他实施例中，载体20被省略，辐射器30和40形成为直接在非导电区域12上的图案，或实现为板型导体，或实现为包括图案等的、附着至基板10的柔性印刷电路。作为另一备选，在空间可用的情况下，第一和第二天线辐射器30和40形成或安装在形成了终端10外观的壳体的内侧表面上。

在一个实施例中，第一天线辐射器30形成为四频带天线辐射器，用于覆盖2G(GSM900、DCS1800、和PCS1900)和3G(WCDMA频带1、2、5、8等)频带。在这种情况中，第二天线辐射器40可以形成为LTE频带天线辐射器，用于覆盖LTE频带。

第一天线辐射器30配置成平面倒F天线(PIFA)类型。第二天线辐射器40实现为具有馈送结构的单极天线辐射器类型，该馈送结构弯曲并分支成类似T图案的端部。此外，设置预定切换装置40以在第一辐射器30和第二辐射器40之间切换RF端13。当第一天线辐射器30操作时，第二天线辐射器40从连接至RF端13的馈送部电断开，使得禁用LTE频带通信。在这种条件下，即，当第一天线辐射器30操作时，第二天线辐射器40与第一天线辐射器30耦合以作为副天线辐射器操作。这种耦合布置改善第一辐射器30的天线性能，使得可以在频率相差300MHz或更多的频带之间切换，同时保持要求的性能度量。这种独有的耦合布置克服了两个不同天线彼此接近时发生的隔离、效率劣化等问题。

在图2实施例中，第一和第二天线辐射器30和40安装在载体20上。载体20包括平面上表面21和从上表面21垂直地延伸的侧面22。由于载体20厚度均匀，所以上表面21与基板10的表面12以恒定高度h间隔开。在上表面21和侧面22之间设置有锥形部分27(侧面22从10基板垂直地延伸到小于h的高度)。第二天线辐射器40的主要部分设置在锥形部分27中。天线辐射器30和40的分支部在侧面22上从锥形部分27上的导体垂直地延伸。在其它实施例中，锥形部分27可以省略；在这种情况下第二天线辐射器40设置在上表面21上，即，与第一天线辐射器30在相同的平面上。然而，通过以所示方式相对于导体来设置锥形部分27，可以改进某些天线性能度量。如上述，载体20可以省略，使得天线辐射器可以直接印刷在基板10上。然而，如果包含载体，则介电常数比基板10高或低的材料可以用于载体，由此可以影响天线性能特点。辐射器尺寸可以根据介电常数而修整。在较高介电常数的情形下，对于相同频带上的操作，可以使天线辐射器尺寸更小，但是通常以较高传输损失为代价。另外，通过包括具有高度h的载体20，天线辐射器30和40中的每一个的一部分沿垂直方向(Z方向)延伸，使得对于相同总长度的辐射器，可以使在X-Y平面内占据的总空间更小。由此，如果在便携式终端内Z方向空间是可用的，则空间的折衷可以偏向于载体20的利用。

基板10包括导电区域11和非导电区域12，它们在基板10的相同平面上表面上彼此横向间隔分开。根据本发明，第一和第二天线辐射器30和40布置在非导电区域12中。接地盘15以及第一和第二馈送盘16和17设置在非导电区域中。接地盘15通过导线18电连接到导电区域11。第一和第二馈送盘16和17通过导线和切换装置14电连接至射频(RF)端13，其中切换装置14插入在第一和第二馈送盘16和17与射频端13之间。在给定时刻，第一和第二馈送盘16和17中仅一个被选择以电连接RF端13。切换装置14可以是熟知的微电机系统(MEMS)、场效应晶体管(FET)和二极管开关中的至少一个。RF端13连接到便携式终端10的RF部件(未示出)，并以任何适当的传统方式连接到天线馈送线(即，到切换装置14的电连接)。

作为PIFA类型的第一天线辐射器30包括在近端(图2视图中左端)上的接地部31、以及馈送部32，其中这两个部分31、32在此示例中形成为彼此分隔开并平行的线。要注意，在此所说的每一个辐射器的“部”是整体辐射器的导电带部分，其按照线或线图案延伸，并优选地，具有如图所示的统一宽度。接地部31电连接到接地盘15，馈送部32电连接到第一馈送盘16。此外，第一天线辐射器30包括连接到U形的L形状形式的第一辐射部33，和垂直于接地部31的直线形式的第二辐射器部34。第二辐射部34平行于第一辐射部33的U形的端部(开口端部)延伸。接地部31用以提供针对天线辐射部33和34中的每一个的电抗，允许天线1在所需频率上充分地调谐。

在此，第一辐射器部33可以实现为在一个或多个相对低的频带处操作，例如在GSM900的频带(880MHz到960MHz)处操作。第二辐射器部34可以实现为在一个或多个相对高的频带处操作，例如在DCS1800(1710MHz到1880MHz)、PCS1990(1850MHz到1990MHz)和WCDMA频带1(1920MHz到2170MHz)的频带处操作。因此，第二辐射器部34以能够支撑宽带宽的图案形成使得其可以在上述多个频带处操作是有利的。如下所述，第一天线辐射器30的天线性能由于存在用作虚设元件的第二天线辐射器40得以改进，其中该虚设元件电磁耦合到第一天线辐射器30的第一和第二辐射部33、34中的至少一个。

在所示实施例中，第二辐射部34在近端连接到接地部31并在接地部31处从交叉处垂直地延伸特定长度。馈送部32连接至第二辐射部34的偏离近端的点。在示例性实施例中，相对于第二辐射部的远端，该连接点更靠近近端。

第二天线辐射器40是单极类型，布置在可以与第一天线辐射器30耦合使得当第一天线辐射器30操作时第二天线辐射器40可以用作浮动虚设图案的位置上。期望地，第二天线辐射器40可以布置在第二辐射器部34附近，并在比指定由第一天线辐射器30使用的频带高的频带上操作。因此，第二天线辐射器40由第三辐射部41组成。第三辐射部41电连接到第二馈送盘17，第二馈送盘17布置在基板10的非导电区域12中。第三辐射部41设计为具有与第二辐射部34平行地延伸的两个主要部分，这得到由于近场耦合而增强了第一天线辐射器30的天线性能。第二天线辐射器可以在LTE频带处操作，例如，在LTE频带11(1428MHz到1496MHz)或LTE频带7(2500MHz到2690MHz)的频带处操作。

图3是图2内置天线的平面/示意图，仅示出天线辐射器的导电带的平面视图，没有载体和基板，并示意地示出开关14的电连接和切换状态。图3示出根据本发明示例性实施例的图2内置天线的第一天线辐射器30的操作状态。注意，为了显示清楚，该平面图省略了对锥形部27限定的天线辐射器的边缘进行划界的线。图3可应用到包括或省略载体20的实施例中的内置天线。图4是示出根据本发明示例性实施例的图2内置天线1的第二天线辐射器40的操作状态的平面/示意图。图4同样可应用到包括或省略载体20的实施例中的内置天线。图5是示出根据本发明示例性实施例的图2内置天线1的电压驻波比(VSWR)的曲线。

图5的曲线(a)是显示了在GSM900、DCS1800、PCS1900和WCDMA频带的四频带上可操作的第一天线辐射器30的VSWR的曲线。图5的曲线(b)是显示了在LTE频带11上可操作的第二天线辐射器40的VSWR的曲线。

如图3所示，RF端13由切换装置14通过第一馈送盘16电连接第一天线辐射器30的馈送部32以馈送去往/来自第一天线辐射器30的RF功率(即，第一天线辐射器30被认为是在操作状态中)。在这种状态中，RF端13不与第二天线辐射器40连接。然而，第二天线辐射器40的第三辐射器部41布置在靠近第一辐射器的辐射部34的位置，因此电磁耦合到辐射部34。当第一天线辐射器30操作时，第三辐射器部41操作为浮动虚设图案，其用以扩展第二辐射器部34的操作带宽。在此，期望第二辐射器部34和第三辐射器部41之间用于耦合的间隔距离(d)的范围是大约0.5毫米(mm)到5mm。

因此，如图5曲线(a)显示，可以理解，第一天线辐射器30的第二辐射器部34在DCS1800、PCS1900和WCDMA频带1的相对高的频带处在扩展的带宽条件下有效地操作。注意，在不存在用作浮动虚设图案的辐射部41的情况下，曲线(a)的S11值通常在所关心的频带处较高。即，辐射部41的电磁耦合对于天线辐射器30支持的高频带产生调谐效应。(该耦合还可以对于辐射部33支持的低频带产生调谐效应以改善性能)。来自辐射部41中感应的表面电流的反射能量改变沿辐射部34的表面电流分布以改善在整个感兴趣的频带上的VSWR参数S11。辐射部41在天线辐射器30的操作状态下变成副天线辐射器。

另一方面，如图4显示，当RF端13由切换装置14电连接到第二天线辐射器40的第二馈送盘17时，仅第二天线辐射器40操作。因此，如图5的曲线(b)中显示，第二天线辐射器40在LTE频带处有效地操作，在本示例中是LTE频带11。

表1

在上述表1中，峰值表示峰值天线增益，单位为dbi，平均值表示平均天线增益，单位为dbi，效率表示示例性天线对于相应频率的数据传输效率，以％表示。

此外，如上表1所示，可以理解，根据本发明的有选择地切换和操作第一天线辐射器和第二天线辐射器这种结构在GSM900的频带处表现出51％的效率，在DCS1800的频带处表现出40％的效率，在WCDMA的频带1处表现出60％的效率，以及在LTE频带11处表现出39％的效率。这些效率值可与使用分别安装并隔离的两个PIFA可实现的性能相比。由此，在本实施例中，通过操作彼此接近的两个天线辐射器，实现大致相同的辐射性能，同时最小化天线安装空间并有效利用便携式终端内的空间。

第二天线辐射器的辐射部41布置在用以获得与第一天线辐射器30的至少两个辐射部33、34中的至少一个耦合的位置中。在图2-4显示的示例性实施例中，辐射部41由类似倒L形天线的输入部(“L部”)和具有左右水平臂的类似T空间类型天线的输出部(“T部”)组成。左和右臂长度可以不同，形成如在图2-4的示例中所示的不对称的T部，其中左臂比右臂长。输入倒L型部具有短的分段，其连接至接地盘17并且平行于导体32而取向；该短的分段以直角弯曲使得主要中心部在平行于T部的臂的方向上延伸。T部具有垂直于中心部的端部并开始于该端部的输入分段。辐射器34的开口端延伸到与T部的右臂相符的区域中。在任何情况下，可以理解的是，其他配置均可以用于天线辐射器40。

在图2-4中显示的示例性实施例中，辐射部33具有L形状的近端部(左部)和U形的远端部(右端)。近端部具有从接地部31延伸的输入侧作为连续导体。U形部的输出端(开口端)平行于辐射部34延伸。U形部使得天线辐射器30能够具有相对长的长度以便在较低频带处有效地操作。在任何情况下，应该理解，其他配置均可以用于天线辐射器30。

如上所述，本发明的示例性实施例将具有相对大的带移的不同的天线辐射器布置在一起并有效地操作天线辐射器。这致使有利地减少安装空间并有利于设备的轻薄化，节约设备的生产成本。通过不像常规设计中那样在分离的隔离位置上部署分离的天线，节省了生产成本。

此外，本发明示例性实施例具有扩展已有天线辐射器的带宽和实现良好辐射特性的效果。通过提供与已有天线辐射器耦合的用作副天线辐射器的浮动虚设图案，扩展了带宽。

虽然本发明以其特定的优选实施例显示和说明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离如所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可以做出形式上和细节的多种改变。

Claims (12)

1.一种用于电子设备的内置天线，所述天线包括：

基板，具有导电区域和非导电区域；

设置在基板上的载体；

第一天线辐射器，至少具有第一辐射部和第二辐射部，第一辐射部的一个端部为L形状形式，另一端部为U形状形式，第二辐射部为平行于所述U形状形式的另一端部的输出端的直线形式，其中第一天线辐射器由基板的射频端馈送并连接到导电区域；

第二天线辐射器，配置成在与第一天线辐射器的所述至少两个辐射部的操作频带不同的频带上操作，并在邻近第一天线辐射器的位置处由所述射频端馈送；和

切换装置，进行切换以有选择地馈送第一天线辐射器和第二天线辐射器；

其中第一天线辐射器设置在载体的第一表面上，第二天线辐射器设置在载体的不同于第一表面的第二表面上，第一表面和第二表面是与基板分开的，

其中第二天线辐射器是单极类型天线，具有包括伸长部分的输入部以及连接到伸长部分的T形输出部，T形输出部的左臂和右臂与伸长部分平行，

其中伸长部分和T形输出部都布置在载体的锥形部分上。

2.根据权利要求1所述的内置天线，其中，当通过切换装置操作第一天线辐射器时，第二天线辐射器与第一天线辐射器电磁耦合并用作浮动虚设图案，其中所述耦合足以扩展第一天线辐射器的操作带宽。

3.根据权利要求1所述的内置天线，其中，第二天线辐射器的辐射部布置在用以实现与第一天线辐射器的所述至少两个辐射部中的至少一个耦合的位置上。

4.根据权利要求3所述的内置天线，其中，当通过切换装置操作第一天线辐射器时，第二天线辐射器的辐射部与第一天线辐射器的至少一个辐射部电磁耦合并用作浮动虚设图案。

5.根据权利要求3所述的内置天线，其中，第一天线辐射器的辐射部中的任何一个与第二天线辐射器的辐射部之间的间隔距离在大约0.5毫米到5毫米的范围上。

6.根据权利要求1所述的内置天线，其中，当通过切换装置操作第二天线辐射器时，第一天线辐射器与射频端断开。

7.根据权利要求1所述的内置天线，其中第一天线辐射器包括：

在全球移动通信系统GSM 900的频带上操作的第一辐射部；以及

在数字蜂窝服务DCS 1800、个人通信服务PCS 1900和无线码分多址WCDMA频带1的频带上操作的第二辐射部，并且

其中第二天线辐射器包括在长期演进LTE频带上操作的第三辐射部。

8.根据权利要求7所述的内置天线，其中，第一天线辐射器的第二辐射部构造为布置在与第二天线辐射器的第三辐射部电磁耦合的位置上。

9.根据权利要求8所述的内置天线，其中，当通过切换装置操作第一天线辐射器时，第二天线辐射器的第三辐射部用作浮动虚设图案，用于扩展第一天线辐射器的第二辐射部的带宽。

10.根据权利要求1所述的内置天线，其中，所述切换装置是微电机系统MEMS、场效应晶体管FET和二极管中的至少一个。

11.根据权利要求1所述的内置天线，其中，所述第一表面相对于基板的上表面具有统一高度。

12.一种电子设备，包括根据权利要求1到11中任一个所述的内置天线、和显示器，所述显示器是用于输入和输出数据的触摸屏。