CN104022352A - 基于金属外壳的双频段wifi天线及其便携式设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于金属外壳的双频段WIFI天线及便携式设备，其中天线包括基体元件及辐射元件。基体元件包括一平面，于平面四周设有边框，边框的一侧开设有缺槽，所述辐射元件对应设置于该缺槽处并与基体元件的平面电连接。所述缺槽宽度大于所述辐射元件的外尺寸。本发明提供了一种适用于具有金属外壳便携设备中应用的天线结构，且由于天线的辐射元件是沿着金属边框的侧壁设置的，因此当其应用于便携式设备中时，可支持边框面积内配备更大的显示屏。此外由于天线的基体元件直接包括平面和边框，因此平面部分还可作为外壳的一部分或直接与便携式设备的金属外壳制成一起或一体成型。

Description

基于金属外壳的双频段WIFI天线及其便携式设备

技术领域

本发明涉及无线通讯领域，尤其是指一种具有金属外壳的双频段WIFI天线及其便携式设备。

背景技术

在便携式电子设备上采用金属外壳近些年来收到市场的追捧。从工业设计的角度来看，金属外壳会对产品带来质感的提升，因此若一个便携式设备能具备完整的(包括背侧和侧壁)的金属外壳时，能成就该便携式设备(如平板电脑或移动电话)成为一个非常优选设计。

但是，采用全金属外壳对便携式电子设备会带来许多问题，其中公知的最具挑战性问题就在于如何在此类便携式电子设备的金属外壳上设计适合的天线(便携设备中时下最常见是双频WiFi天线)以其适用于具有金属外壳便携式设备的环境，因为金属对无线信号有屏蔽作用，天线仅能通过未覆盖金属物体的区域向外发送信号。因此，在现有设计中，大部分需要天线的便携式设备都会不会采用全金属外壳。只有少数的便携式设备(如苹果的iPad mini的WiFi版)，其搭载的双频WiFi天线在机构设计上还一直致力于金属外壳的应用上。

但是，即使在具有金属外壳的苹果iPad mini中WiFi版的天线设计上，其天线辐射元件采用的是一个平面的金属物体(尺寸大约为5mm(宽)x25mm(长))，且天线辐射元件平行放置在该设备前表面的平面上。此种结构的双频WiFi天线的缺点在于：由于设备前表面部分显示器的左/右边缘和金属外壳侧壁之间的距离或间隙留有约15mm，该15毫米的距离或间隙正是为了确保天线的正常工作。但这也意味着显示器的尺寸将大约较设备外部尺寸小2x15mm＝30mm。可见，苹果的该天线方案中，由于金属外壳的采用且需配备有双频WiFi天线，限制了同等体积下设备屏幕的大小。

综上可见，在金属外壳的设备上设计天线依然是业内一大技术难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种适用于屏蔽较强的金属外壳中的双频段WIFI天线及便携式设备。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于金属外壳的双频段WIFI天线，它包括基体元件及辐射元件；所述基体元件包括一平面，于平面四周设有边框，边框上开设有缺槽，所述辐射元件设置于缺槽处并与基体元件的平面电连接；所述缺槽宽度大于所述辐射元件的外尺寸；所述辐射元件包括第一天线，第二天线及第三天线；所述第一天线呈环形，其两端分别为第一地端及馈电端，第一地端及馈电端分别与基体元件的平面电连接；所述第二天线靠近第一天线的馈电端与第一天线相连；所述第三天线的一端与基体元件的平面电连接；所述基体元件由金属材料制成。

本发明还涉及一种便携式设备，它包括金属外壳，框架及显示屏；所述外壳主要包括面壳、边框及如上所述的基于金属外壳的双频段WIFI天线组成；所述基于金属外壳的双频段WIFI天线的基体元件的边框与辐射元件嵌套于所述框架内壁。

本发明的有益效果在于：提供了一种适用于具有金属外壳的便携设备中应用的天线结构方案，且由于天线的辐射元件是沿着边框的侧壁设置的，因此当其应用于便携式设备中时，可支持边框面积内配备更大的显示屏。此外由于天线的辐射基体元件直接包括平面和边框，因此本天线可作直接与便携式设备的金属外壳制成一起或一体成型。

附图说明

下面结合附图详述本发明的具体结构

图1为本发明双频段WIFI天线的实施例1的局部结构示意图；

图2为本发明双频段WIFI天线的实施例2的侧部结构示意图；

图3为本发明双频段WIFI天线的实施例3的侧部结构示意图；

图4为本发明的便携式设备的部分结构示意图；

图5为本发明实施例1中的S11的回波损耗特性图；

图6为本发明实施例1中的斯密斯圆图；

图7为本发明实施例1中的S11在-6dB级别下的回波损耗特性图；

图8为本发明实施例1中的第二天线分支对其S11影响的回波损耗特性图；

图9为本发明实施例1中的第一天线分支对其S11影响的回波损耗特性图；

图10为本发明实施例1中的第三天线分支对其S11影响的回波损耗特性图。

1-触摸屏；2-显示屏；3-电池；4-PCB板；5-框架；6-基体元件；7-辐射元件；61-平面；62-边框；63-缺槽；71-第一地端；72-馈电端；73-第二地端。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

本发明最关键的构思在于:在具有屏蔽效果的金属材料上利用在边框上开辟的空间设置WIFI天线的辐射元件，从而不仅在具有金属外壳的环境下保障了WIFI天线的正常工作，且WIFI天线的辐射元件成为金属外壳的侧壁的一部分，使得需要配备显示屏的便携式设备不会因为天线原因而要在正面于屏蔽的边框(外壳)间预留过大的边缘间隙，满足了便携式设备同面积下更大显示屏搭载的需要。

请参阅图1，一种双频段WIFI天线，它包括基体元件及辐射元件。其中，基体元件包括一平面61，于平面61四周设有边框62，边框62的一侧开设有缺槽63，所述辐射元件对应设置于该缺槽63处并与基体元件的平面61电连接。所述缺槽63宽度大于所述辐射元件的外尺寸。

所述辐射元件包括第一天线分支，第二天线分支及第三天线分支；所述第一天线分支呈环形，其两端分别为第一地端71及馈电端72，第一地端71及馈电端72分别与基体元件的平面61电连接；所述第二天线靠近第一天线的馈电端72与第一天线相连；所述第三天线的一端与基体元件的平面61电连接。

进一步的，上述的基体元件采用金属材料制成。即基体元件的平面61为金属，且边框62也为金属，由此该部分可直接成为设备的外壳，拥有较好的质感。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：提供了一种适用于具有金属外壳的设备中应用的天线结构，且由于天线的辐射元件是沿着边框的侧壁设置的，因此当其应用于便携式设备中时，可支持边框面积内配备更大的显示屏。此外由于天线的基体元件直接包括平面和边框，因此天线的辐射元件还可作为外壳或直接与便携式设备的外壳一体成型。

实施例1：

上述结构中，所述辐射元件的第一天线分支包括依次相连的第一竖直部，第一水平部、第二竖直部、第二水平部B及第三竖直部；所述第一竖直部端部为第一地端，第三竖直部端部为馈电端；所述第二水平部B连接第三竖直部处还连接第二天线分支。通过该结构，可提供一种很好的折叠结构，使得环形的第一天线分支在较小空间中得以放置。

最佳的，第二天线分支也包括第三水平部A，由此第二天线分支的第三水平部A可与第一天线分支的第二水平部B连接并延伸，形成一个规则的形状，便于生产。

实施例2：

上述结构中，所述第一天线分支的第二水平部B与第一竖直部、第一水平部、第二竖直部、第三竖直部位于不同平面上。

本实施例中，通过将第一天线分支第二水平部B弯折至与其他与第一竖直部、第一水平部、第二竖直部、第三竖直部位于不同平面上(最佳的弯折成与基体元件的平面相平行的方向)，从而使得在合理的结构下天线整体的高度得以最大程度缩减。

实施例3：

与上述实施例不同的是，本实施例中，第一天线分支的第一竖直部，第一水平部、第二竖直部、第二水平部B及第三竖直部处于同一平面上，且第一竖直部，第一水平部、第二竖直部、第二水平部B的总高度不大于边框高度。如图2所示，此种结构省去了弯折水平部的麻烦，但整体天线的高度会增加，因此适合较边框较高的结构中应用。

实施例4：

上述结构中，所述第三天线分支包括依次连接的第四竖直部及第四水平部C；所述第四竖直部端部为第二地端73，第二地端73与基体元件的平面61电连接；所述第四水平部C与第一天线的第二水平部B间隔设置。

本实施例中，第三天线分支是直接与基体元件的平面61相连的。而弯折结构的第三天线分支可很好的设置于第二天线分支下部的空间，从而使得整个辐射元件占用面积最小。

实施例5：

与实施例5不同的是，如图3所示，本实施例中，所述第三天线分支包括第四水平部C；第四水平部C直接连接于第一天线分支的第三竖直部上且第四水平部C与第一天线分支的第二水平部间隔设置。此种结构也可直接将第三天线分支设置在第二天线分支下部，且可省一个地端。

实施例6：

本实施例中，所述馈电端与基体元件的平面间通过匹配电路电连接。

如图5、6中虚线所示为天线的A，B和C的长度值被用于优化双波段无线WIFI的2.4&5GHz但不搭配任何匹配电路情况下的S11回波损耗特性图。从图5看出，虽然此时的天线不适合在WiFi低频段(即WiFi2.4G)工作，但可以很好地用于了WiFi高频段(既WiFi5G)。进一步的，如图5、6中的实线所示为在天线馈电端口串联了匹配电路后的情况，可见天线满足了WIFI低频带的要求且最重要其无线高频带的性能不被削弱。因此，当需要更好的兼容WIFI高频和低频时，可在天线的馈电端与基体元件间增加匹配电路(最常见的匹配电路即串联一个电感)，由此使得最终的天线的第一共振是在2.45GHz，而天线的第二个和第三共振是在4.98GHz和5.68GHz。如图7所示可以看出，天线的阻抗带宽-6dB时的水平覆盖低频带从2.39到2.52GHz和高频带从4.87到5.94GHz，表明该天线可以完全支持两个无线2.4GHz和无线5GHz的。

实施例7：

上述结构中，所述第一天线总长度与5G WIFI的头一个谐振(4.98GHz左右)的1/2波长相等，其可以被看作是一个环行类型的天线。

所述第二天线端部至馈电端总长度与2.4G WIFI的谐振(2.45GH在左右)的1/4波长相等；

所述第三天线端部至基体元件的平面的总长度与5G WIFI的第二个谐振(5.68GHz左右)的1/4波长相等，其可以被看作是一种寄生元件。

符合上述条件后，本天线可完全适用于2.4G及5G的WIFI双频WIFI天线使用。具体地说，该设计双频无线网络2.4、5GHz的天线应包括以下频段：

1)、低频段的WiFi：2.4-2.48GHz的(无线2.4GHz网络)；

2)、高频段的WiFi：4.9-5.9GHz的(无线5GHz的网络)。

本天线设计时，考虑到虽然一个谐振即可支持上述低频段的WiFi，但对于高频段的WiFi而言因为其所需带宽较宽，通常需要两个谐振。换言之，要同时支持双频段2.4、5GHz的WIFI，则天线应具有三个谐振，一个用于低频带，两用于高频段。因此，在本实施例中，第一天线是配合5G的第一个谐振、而第二天线则配合2.4G的谐振、第三天线适应5G的第二个谐振的。进一步的，由于天线自身是设置在金属的边框上的(即主要位于金属侧壁上)，实际上天线的辐射元件甚至直接可以由金属侧壁一部分制成，因此不像往常金属外壳的天线设计，本专利并不需要制造一个单独的辐射元件后配置，生产上效率更高。

本专利方案中，辐射元件的每个天线尺寸可根据共振需求来调整，但最佳是调整图1中的第二水平部A，第三水平部B和第四水平部C的值。

此处进一步说明如何将天线上述的A，B和C的值进行调整。天线中A、B、C的S11的变化可参见图8、9、10。如图8可以看出，第一谐振和第三共振会由于A的长度变化而发生显著变化，这表明，天线的第一和第三谐振可以通过参数A进行调整。而图9中，只有天线的第二谐振受B的影响。图10所示的结果表明，C的值主要是控制第三谐振。因此，通过梳理上述测试结果可以得出结论，第二谐振可以通过B的值进行控制的，该第三谐振可以主要通过调节C的值，并且所述第一谐振能由A的值进行调整。

在本发明中，环形的第一天线分支是必不可少的，因为它是用于产生频率在5GHz左右的第二谐振的。第一天线成分支为一个环形天线为元件的条件是：

1)第一天线分支的长度必须足够长；

2)在同一时间，当第一天线分支长度变化时，其第一地端和馈电端之间的距离必须保持在小范围内变化(或没有变化)。当第一天线分支作为环形天线工作时，第二天线分支仅作为一种单极天线，而不是作为IFA类天线即使它的馈电端和第一地端彼此靠的较近。但是，如果在天线的馈电端串联了匹配电路，则第二天线分支将成为IFA型天线即使第一天线分支仍然作为环形天线。当第二天线分支不作为IFA天线工作时，其产生的谐振的性能(例如，在围绕WiFi2.4GHz的范围内)是非常差的(见图5中所示的围绕2.4GHz的虚线)；然而，当匹配电路连接在馈电端后，围绕第二天线分支创建的2.4GHz的性能可显著改善(见图5中所示的围绕2.4GHz的实线)。

实施例8：

上述结构中，所述辐射元件的外尺寸与边框间隔1-2mm。

不论天线中A、B、C怎么调整，其与边框的缺槽63的壁之间的间隙始终保持为GAP＝1-2mm，由此，保持不变的间隙也意味着与金属边框协同设计的天线的尺寸可以始终保持为其最小。

本发明还涉及一种便携式设备，如图4所示。它包括外壳，框架及显示屏。其中，外壳主要包括金属面壳、金属边框及如上所述的双频段WIFI天线组成。所述双频段WIFI天线的辐射基体元件嵌套于所述框架内。

如图4所示就是一种典型的便携式设备，其包括有触摸屏1、显示屏2、电池3、PCB板4、框架5及如上述的双频段WIFI天线的基体元件6，双频段WIFI天线的辐射元件7。其中，6双频段WIFI天线的基体元件的平面可充当底壳。在基体元件的边框上可看到设置了辐射元件7。可见，由于天线的辐射元件是沿着边框的侧壁设置的，因此当其应用于便携式设备中时，可支持边框面积内配备更大的显示屏。此外由于天线的基体元件直接包括平面和边框，因此平面部分还可作为外壳或直接与便携式设备的外壳制成一起。

综上所述，本发明提供的双频段WIFI天线，通过在设备的金属边框侧壁上设置天线的方法，不仅确保了天线可在此种环境(例如具有金属外壳的条件)下正常工作，且使得其搭配显示屏使用时，由于设备的上表面没有布置大面积的天线辐射体，使显示屏与金属外壳的边缘间的间隙可以比现有设计小很多，从而确保了同体积下最大限度的屏幕搭载需求。此外，由于天线是设置在边框的侧壁上，且进一步可由边框的一部分制成，因此不同于其他天线设计，无需额外配备天线的辐射元件，该天线可以容易地和金属外壳一体制造。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，问稳重的第一、第二……只代表其名称的区分，不代表它们的重要程度和位置有什么不同。因此，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于金属外壳的双频段WIFI天线，其特征在于：它包括设备的金属基体元件及辐射元件；所述基体元件包括一平面，于平面四周设有边框，边框上开设有缺槽，所述辐射元件设置于缺槽处并与基体元件的平面电连接；所述缺槽宽度大于所述辐射元件的外尺寸；所述辐射元件包括第一天线分支，第二天线分支及第三天线分支；所述第一天线分支呈环形，其两端分别为第一地端及馈电端，第一地端及馈电端分别与基体元件的金属平面电连接；所述第二天线分支靠近第一天线分支的馈电端与第一天线分支相连；所述第三天线分支的一端与金属基体元件的平面电连接；所述基体元件由金属材料制成。

2.如权利要求1所述的基于金属外壳的双频段WIFI天线，其特征在于：所述辐射元件的第一天线分支包括依次相连的第一竖直部，第一水平部、第二竖直部、第二水平部及第三竖直部；所述第一竖直部端部为第一地端，第三竖直部端部为馈电端；所述第二水平部连接第三竖直部处还连接第二天线分支。

3.如权利要求2所述的基于金属外壳的双频段WIFI天线，其特征在于：所述第一天线分支的第二水平部与第一竖直部、第一水平部、第二竖直部、第三竖直部位于不同平面上。

4.如权利要求2所述的基于金属外壳的双频段WIFI天线，其特征在于：所述第一天线分支的第一竖直部，第一水平部、第二竖直部、第二水平部及第三竖直部处于同一平面上，且第一竖直部，第一水平部、第二竖直部、第二水平部的总高度不大于边框高度。

5.如权利要求2-4任意一项所述的基于金属外壳的双频段WIFI天线，其特征在于：所述第三天线分支包括依次连接的第四竖直部及第四水平部；所述第四竖直部端部为第二地端，第二地端与基体元件的平面电连接；所述第四水平部与第一天线分支的第二水平部间隔设置。

6.如权利要求2-4任意一项所述的双频段WIFI天线，其特征在于：所述第三天线分支包括第四水平部；第四水平部连接于第一天线分支的第三竖直部上且第四水平部与第一天线分支的第二水平部间隔设置。

7.如权利要求1所述的基于金属外壳的双频段WIFI天线，其特征在于：所述馈电端与基体的平面间通过匹配电路电连接。

8.如权利要求1所述的基于金属外壳的双频段WIFI天线，其特征在于：所述第一天线分支总长度与5G WIFI的头一个谐振的1/2波长相等；所述第二天线分支端部至馈电端总长度与2.4G WIFI的谐振的1/4波长相等；所述第三天线分支端部至基体元件的平面的总长度与5G WIFI的第二个谐振的1/4波长相等。

9.如权利要求1所述的基于金属外壳的双频段WIFI天线，其特征在于：所述辐射元件的外尺寸与边框间隔1-2mm。

10.一种便携式设备，其特征在于：它包括金属外壳，框架及显示屏；所述外壳主要包括金属面壳、金属边框及如权利要求1-9任意一项所述的基于金属外壳的双频段WIFI天线组成；所述基于金属外壳的双频段WIFI天线的基体元件的边框与辐射元件嵌套于所述框架内。