CN104347925A - 一种终端设备的天线装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种终端设备的天线装置，包括天线支架和天线拓扑单元，天线支架位于终端设备主板的非金属区域的一面，天线拓扑单元围绕着终端设备主板的非金属区域以及天线支架布设，天线拓扑单元的馈电端口与终端设备主板提供的射频信号输出端口相连，天线拓扑单元的接地端口与终端设备主板的金属地相连。本发明的所述装置仅占用终端设备主板顶部一小部分非金属区域的面积的前提下实现LTE频段的高增益高效率的工作性能，打破了传统的天线尺寸必须要达到工作波长的二分之一天线才能谐振工作的限制，符合谐振天线小型化高性能的要求，适用于各种终端类产品。

Description

一种终端设备的天线装置
技术领域
本发明涉及无线通讯和电信技术领域，尤其涉及一种终端设备的天线装置。
背景技术
随着无线通讯和电信技术的快速发展，无线终端设备如手机和平板电脑等、以及作为终端设备与网络之间无线数据收发装置的无线数据卡，需要高速率的数据传输以及较好的便携性。同时，随着通信制式的不断演进，LTE（Long TermEvolution，长期演进）系统从正式提出至今，已经实现了从仅有理论概念发展到一定成熟规模的程度。作为下一代通信系统的演进方案，LTE系统满足了人们对于通信高速率、低延迟的要求，所以对于要进行无线通信的终端设备的天线来说，要能够覆盖新的LTE系统工作频段，这成为本领域研究的重点。
现有的无线移动终端，大多采用单极子天线、PIFA（Planar Inverted-FAntenna，平面倒F天线）、环形天线等类型的天线。这些天线若要满足所需覆盖的频段工作，其物理尺寸会很大，而且其中单一类型天线的带宽不能够达到无线移动终端通信的工作要求。目前，对于要覆盖LTE频段的天线的设计，不仅天线的回波损耗及增益和效率等天线性能要良好，而且还要求天线的尺寸尽可能小。根据天线原理可知，传统的天线尺寸需要达到工作波长的二分之一或者四分之一才能谐振工作，这对于本来体积较小的无线移动终端来说很难找到合适的空间放置这些天线，所以使用传统的天线形式不能满足无线数据传输对天线的要求。因此如何在体积较小的无线移动终端保证天线具有小型化且高性能的工作状态是亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种终端设备的天线装置，能够满足终端设备对天线小型化及高性能的要求。
本发明采用的技术方案是，所述终端设备的天线装置，包括天线支架和天线拓扑单元，天线支架位于终端设备主板的非金属区域的一面，天线拓扑单元围绕着终端设备主板的非金属区域以及天线支架布设。
进一步的，所述天线拓扑单元的馈电端口与终端设备主板提供的射频信号输出端口相连，天线拓扑单元的接地端口与终端设备主板的金属地相连。
进一步的，所述天线拓扑单元包括：平面弯折线、立体弯折线、贴片和导电连接部件，贴片和平面弯折线分别位于终端设备主板上两个不同的印刷电路层，平面弯折线通过导电连接部件与贴片相连，平面弯折线的任一端与终端设备主板中任一印刷电路层的金属地相连；
立体弯折线位于终端设备主板的任一印刷电路层上，立体弯折线的一端作为馈电端口与该印刷电路层上提供的射频信号输出端口相连，围绕着贴片的形状进行平面弯折且留有间隙，同时围绕天线支架进行立体弯折后，其另一端悬空。
进一步的，贴片和平面弯折线分开布设，位于终端设备主板上的顶层印刷电路层和底层印刷电路层。
进一步的，在发射的过程中，终端设备主板上的射频信号从馈电端口馈入到立体弯折线，使立体弯折线激励起工作电流，该工作电流通过立体弯折线与贴片之间的间隙耦合到贴片中，贴片中的一部分工作电流通过导电连接部件流入平面弯折线，另一部分工作电流通过贴片与平面弯折线之间的间隙耦合到平面弯折线中，平面弯折线中的电流再回到终端设备主板的金属地。
进一步的，所述导电连接部件为金属化过孔。
进一步的，所述天线支架为一立方体，其至少一面与终端设备主板的非金属区域侧面对齐。
进一步的，所述天线支架的尺寸根据所述立体弯折线所占的面积进行调整。
进一步的，所述天线支架的材料为ABS（丙烯--丁二烯--苯二烯共聚物）塑料。
进一步的，所述平面弯折线、立体弯折线和贴片均采用金属材料。
进一步的，所述立体弯折线与所述平面弯折线的长度均根据天线装置的工作频率进行调节。
采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：
本发明所述终端设备的天线装置，仅占用终端设备主板顶部一小部分非金属区域的面积的前提下实现LTE band12（698MHz-746MHz）、LTE band13（746MHz-787MHz）和GSM850/900（824MHz-960MHz）频段的高增益高效率的工作性能，打破了传统的天线尺寸必须要达到工作波长的二分之一天线才能谐振工作的限制，符合谐振天线小型化高性能的要求，适用于各种终端类产品。
附图说明
图1为本发明实施例终端设备的天线装置的结构示意图；
图2为本发明实施例终端设备的天线装置的详细结构示意图；
图3为本发明实施例的终端设备的天线装置的等效电路图；
图4为本发明实施例的天线装置应用于智能手机上时的S11参数图；
图5为本发明实施例的天线装置应用于无线数据卡的主板上的结构示意图；
图6为本发明实施例的天线装置应用于无线数据卡的主板上的详细结构示意图；
图7为本发明实施例的天线装置应用于无线数据卡上时的S11参数图；
图8为本发明实施例的天线装置应用于无线数据卡上时的辐射效率及峰值增益曲线。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
一种终端设备的天线装置，如图1所示，包括天线支架1和天线拓扑单元，天线支架1为一立方体，位于终端设备主板的非金属区域2的一面，比如图1中位于终端设备主板非金属区域2的下方，或者也可以位于终端设备主板非金属区域2的上方，天线支架1至少一面与终端设备主板的非金属区域2侧面对齐。天线支架1的材料可以为ABS塑料。终端设备主板的金属区域3中包含多层印刷电路层。
图2为终端设备的天线装置的详细结构示意图。如图2所示，天线拓扑单元围绕着终端设备主板的非金属区域2以及天线支架1布设，天线拓扑单元的馈电端口3与终端设备主板提供的射频信号输出端口相连，天线拓扑单元的接地端口4与终端设备主板的金属地相连。
天线拓扑单元包括：平面弯折线5、立体弯折线6、贴片7和导电连接部件8，贴片7和平面弯折线5分别位于终端设备主板上两个不同的印刷电路层，平面弯折线5通过导电连接部件8与贴片7相连，平面弯折线5的任一端与终端设备主板中任一印刷电路层的金属地相连；导电连接部件8可以为金属化过孔。平面弯折线5、立体弯折线6和贴片7均采用金属材料。
立体弯折线6位于终端设备主板的任一印刷电路层上，立体弯折线6的一端作为馈电端口3与该印刷电路层上提供的射频信号输出端口相连，围绕着贴片的形状进行平面弯折且留有间隙，同时沿着天线支架1上与终端设备主板的非金属区域2侧面对齐的一面，围绕天线支架1进行立体弯折后，其另一端悬空。天线支架1的尺寸即长宽高可以根据立体弯折线6所占的面积进行调整。立体弯折线6与平面弯折线5的长度均可以根据天线装置的工作频率进行调节。
为了便于加工，优选的，贴片7和平面弯折线5分别位于终端设备主板上的顶层印刷电路层和底层印刷电路层。或者，贴片7和平面弯折线5分别位于终端设备主板上的底层印刷电路层和顶层印刷电路层。
基于上面描述的本发明的终端设备的天线装置，在发射的过程中，终端设备主板上的射频信号从馈电端口3馈入到立体弯折线6，使立体弯折线6激励起工作电流，该工作电流通过立体弯折线6与贴片7之间的间隙耦合到贴片7中，贴片7中的一部分工作电流通过导电连接部件8流入平面弯折线5，另一部分工作电流通过贴片7与平面弯折线5之间的间隙耦合到平面弯折线5中，平面弯折线5中的电流再流回到终端设备主板的金属地，进而形成一个完整的谐振回路。
图3为本实施例的终端设备的天线装置的等效电路图，如图3所示，立体弯折线6可以等效成第一分布电感L1和辐射电阻Rrad,立体弯折线6与贴片7之间产生第一耦合电容C12；导电连接部件8以及平面弯折线5可以等效成第二分布电感L23；贴片7与平面弯折线5产生第一等效电容C23和辐射导纳Grad，同时弯平面折线5的线间间隙可以形成第二等效电容C3。只要适当调节L1、C12、L23、C23和C3的大小就可以控制整个天线装置的谐振状态。实现时，通过优化天线装置结构中的立体弯折线6的形状和尺寸，优化立体弯折线6与贴片7的耦合缝隙的大小，优化贴片7的形状和尺寸，优化平面弯折线5的长度和宽度以及金属化过孔的位置和直径，可以调节天线装置的谐振特性及匹配状态，并最终达到完全覆盖目标带宽。
下面列举本发明实施例的天线装置的两个应用场合。
1）将本发明实施例的天线装置应用于智能手机的主板，如图1、2所示。
图4是本发明实施例的天线装置应用于智能手机上时的S11参数图，可以看出本实施例中的智能手机天线覆盖了所需的LTE band12(698MHz-746MHz)、LTE band13(746MHz-787MHz)和GSM850/900(824MHz-960MHz)频段，并能正常工作。
2）将本发明实施例的天线装置应用于无线数据卡的主板上，如图5、6所示。
无线数据卡包括主板和USB连接器11，使用时通过末端的USB连接器11与PC机等设备相连。无线数据卡的主板是双层覆铜介质板，材质为FR4（玻璃纤维环氧树脂覆铜板），无线数据卡的主板的顶端有一片非金属区域2留给天线拓扑单元和放置天线支架1，主板上除去非金属区域2剩下的区域为金属地，并且无线数据卡主板的顶层和底层的金属地要共地。天线支架1放置在无线数据卡主板顶端非金属区域2的下方，天线支架1采用相对介电常数为3.5的ABS塑料材质，天线支架的1尺寸为11.5mm×20mm×5mm。
为满足无线数据卡产品小型化的要求，天线设计成局域谐振结构的形式。其中天线拓扑单元分为三个部分，其中第一部分为一总长67mm的立体弯折线，印刷在双层覆铜介质板顶面和天线支架1上；天线拓扑单元的第二部分为一尺寸为17.5mm×6mm的矩形贴片7印刷在双层覆铜介质板顶面上；天线拓扑单元的第三部分为线宽0.7mm、总长56mm的平面弯折线5，印刷在双层覆铜介质板的底面上；贴片7与平面弯折线5之间通过导电连接部件8连接，导电连接部件8贯穿双层覆铜介质板。立体弯折线6的形状也可以为除了图6或图2中所示形状以外其他平面结构形状，且均为金属条或带状，其具体形状可以依据实际调试的结果进行相应地调整，天线拓扑单元的顶部贴片7的形状可以是矩形、菱形、梯形、三角形、多边形等任意形状，并不局限于图6或图2中所示的形状。天线拓扑单元中的平面弯折线5的宽度、长度及线间间距均可适当调节，导电连接部件8的位置可以变化，只要保证贴片7和平面弯折线5电连接就可以，同时导电连接部件8的直径也可以根据要求变化。天线支架1的长度、宽度和高度均可根据立体弯折线6所占用的面积进行调整，并不局限于本实施例中的尺寸。
图7是本发明实施例的天线装置应用于无线数据卡上时的S11参数图，可以看出无线数据卡天线发覆盖了所需的LTE band12(698MHz-746MHz)、LTEband13(746MHz-787MHz)和GSM850/900(824MHz-960MHz)频段。
图8是本发明实施例的天线装置应用于无线数据卡上时的辐射效率及峰值增益曲线，如图8所示，本发明实施例中的无线数据卡天线在工作带宽684MHz～960MHz范围内的辐射效率大于40%，峰值增益大于0dBi，因此具有高效率、高增益的特点，满足天线高性能的要求。
本发明实施例的所述终端设备的天线装置，仅占用终端设备主板顶部一小部分非金属区域的面积的前提下实现LTE band12（698MHz-746MHz）、LTE band13（746MHz-787MHz）和GSM850/900（824MHz-960MHz）频段的高增益高效率的工作性能，打破了传统的天线尺寸必须要达到工作波长的二分之一天线才能谐振工作的限制，符合谐振天线小型化高性能的要求，适用于各种终端类产品。
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (10)

1.一种终端设备的天线装置，其特征在于，包括天线支架和天线拓扑单元，天线支架位于终端设备主板的非金属区域的一面，天线拓扑单元围绕着终端设备主板的非金属区域以及天线支架布设。
2.根据权利要求1所述的终端设备的天线装置，其特征在于，所述天线拓扑单元的馈电端口与终端设备主板提供的射频信号输出端口相连，天线拓扑单元的接地端口与终端设备主板的金属地相连。
3.根据权利要求2所述的终端设备的天线装置，其特征在于，所述天线拓扑单元包括：平面弯折线、立体弯折线、贴片和导电连接部件，贴片和平面弯折线分别位于终端设备主板上两个不同的印刷电路层，平面弯折线通过导电连接部件与贴片相连，平面弯折线的任一端与终端设备主板中任一印刷电路层的金属地相连；
立体弯折线位于终端设备主板的任一印刷电路层上，立体弯折线的一端作为馈电端口与该印刷电路层上提供的射频信号输出端口相连，围绕着贴片的形状进行平面弯折且留有间隙，同时围绕天线支架进行立体弯折后，其另一端悬空。
4.根据权利要求3所述的终端设备的天线装置，其特征在于，贴片和平面弯折线分开布设，且分别位于终端设备主板上的顶层印刷电路层和底层印刷电路层。
5.根据权利要求3所述的终端设备的天线装置，其特征在于，在发射的过程中，终端设备主板上的射频信号从馈电端口馈入到立体弯折线，使立体弯折线激励起工作电流，该工作电流通过立体弯折线与贴片之间的间隙耦合到贴片中，贴片中的一部分工作电流通过导电连接部件流入平面弯折线，另一部分工作电流通过贴片与平面弯折线之间的间隙耦合到平面弯折线中，平面弯折线中的电流再回到终端设备主板的金属地。
6.根据权利要求3所述的终端设备的天线装置，其特征在于，所述导电连接部件为金属化过孔。
7.根据权利要求1所述的终端设备的天线装置，其特征在于，所述天线支架为一立方体，其至少一面与终端设备主板的非金属区域侧面对齐。
8.根据权利要求1所述的终端设备的天线装置，其特征在于，所述天线支架的尺寸根据所述立体弯折线所占的面积进行调整。
9.根据权利要求1所述的终端设备的天线装置，其特征在于，所述天线支架的材料为丙烯--丁二烯--苯二烯共聚物ABS塑料；
所述平面弯折线、立体弯折线和贴片均采用金属材料。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的终端设备的天线装置，其特征在于，所述立体弯折线与所述平面弯折线的长度均根据天线装置的工作频率进行调节。
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