CN104505589B - 具有全金属外壳便携式设备的lte载波聚合天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有全金属外壳便携式设备的LTE载波聚合天线，包括本体、接地板、金属环以及天线组件，所述金属环上对称地开设有第一缝隙和第二缝隙，所述第一缝隙及第二缝隙将金属环分成金属环上段与金属环下段；还包括金属后盖，其上开设有第三缝隙，所述第三缝隙将金属后盖分成第一金属盖体以及第二金属盖体；所述天线组件包括辐射主体、第一馈电部、第二馈电部、带通滤波器、具有滤波或双工器功能的低频匹配模块以及高频匹配模块，所述辐射主体为金属环下段及第二金属盖体，所述第一馈电部通过高频匹配模块与辐射主体连接，所述第二馈电部通过低频匹配模块与辐射主体连接。本发明能够支持LTE‑A技术的带外载波聚合天线，极大地提高数据传输率。

Description

具有全金属外壳便携式设备的LTE载波聚合天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种具有全金属外壳便携式设备的LTE载波聚合天线。

背景技术

随着LTE技术的迅速发展，越来越多的便携式设备开始支持LTE技术。在LTE天线设计中，天线带宽的要求为：低频带宽范围为698-960MHz，高频带宽范围为1710-2690MHz。通常的LTE技术中需要使用MIMO天线。为了进一步提高数据传输效率，LTE-A技术还需要使用载波聚合天线。

一方面，为了增加移动设备的外表面的美观效果，设计者开始广泛采用全金属壳体设计结构，该全金属壳体包括金属环以及金属后盖。近段时间，市场上出现了基于全金属壳体手机方案，如HTC One和iPhone6。HTC One和iPhone6均以金属壳体作为天线的辐射单元。就HTC One而言，为了使天线的能量能够从金属壳体中辐射出来，其金属后盖对应的天线区域需要开设一条缝隙。但是与HTC One相比iPhone6需要在金属后盖对应的天线区域开设两条缝隙，这样会影响手机的外观效果。

另一方面，HTC One和iPhone6手机均有如下两个缺点：1、为覆盖LTE全部频段，需要增设开关，具体的，利用开关将LTE低频段(698–960MHz)带宽分为多个子频段。通常，对于用开关形式覆盖LTE低频段的设计方案，一般是要把整个低频段分为三个子频段。由于子频段之间存在频段缝隙，上述天线结构的缺点在其子频段于并不能覆盖低频段中具有较宽带宽的频段，比如频段28。2、两种手机均不能支持LTE-A技术中的载波聚合，具体解释如下。

为了进一步加强移动通信系统的数据传输效率，第三代合作伙伴项目LTE-A规范中引入了载波聚合技术。载波聚合技术能够实施在带内载波聚合(连续频段或非连续频段)或者带外载波聚合(非连续频段)。在带内载波聚合中，所有载波均处于同一工作频带内(比如LTE低频段)，而带外载波聚合中载波处于不同的工作频段。对于天线设计而言，带内载波聚合容易实现。如果不采用开关方案做到覆盖高频段及低频段，可以通过设置一个单馈点来实现带内载波聚合。对比带内载波聚合，带外载波聚合的灵活度要优于带内载波聚合，所以在多数情况下带外载波聚合将被采用。目前，第三代合作伙伴项目(3GGP)提出的LTE-A的规范中带外载波聚合包含12对不同的工作频段的频段数。就天线设计的而言，带外载波聚合的一个主要前提条件是选择一个合适的RF前端架构。这是由于传统蜂窝天线的RF前端架构只有单个馈电端。如果使用传统的RF架构，(在不需要使用开关的情况下)带内载波聚合可以较容易的实现，但带外载波聚合只有在双工器的工作频段与天线馈电同步才能实现。这需要不同频段的双工器必须同步或者匹配，但所述的不同频段的双工器同步或者匹配方案很难实现。此外，考虑到天线的通信性能，带全金属壳体的手机天线设计比带金属框架的设计更难实现。

HTC One和iPhone6手机的天线设计结构均是基于单个馈电端的天线方案并不适合带外载波聚合，同时由于两者需要设置开关，开关划分频带时会出现频带间隙，甚至均不能支持非连续的带内载波聚合。为此，有必要对上述便携式设备的天线结构作进一步的改进。

发明内容

本发明提供一种具有全金属外壳便携式设备的LTE载波聚合天线，主要解决的技术问题是设计一种结构简单，能够支持LTE-A技术的带外载波聚合天线，特别是针对带有全金属外壳的便携设备。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：提供一种具有全金属外壳便携式设备的LTE载波聚合天线，包括本体、接地板、金属环以及天线组件，所述接地板容置于本体内，所述金属环固定于本体的四周侧壁，所述金属环底部与接地板之间设有容置腔，所述金属环上对称地开设有第一缝隙和第二缝隙，所述第一缝隙及第二缝隙将金属环分成金属环上段与金属环下段，所述金属环下段与接地板之间形成天线净空区；

还包括金属后盖，所述金属后盖的边侧与金属环固定连接，并且金属后盖上沿其宽度方向开设有第三缝隙，所述第三缝隙将金属后盖分成第一金属盖体以及第二金属盖体，所述第一金属盖体与金属环上段对应，所述第二金属盖体与金属环下段对应，所述第一缝隙、第二缝隙以及第三缝隙处于同一平面；

所述天线组件包括辐射主体、第一馈电部、第二馈电部、带通滤波器、具有滤波或双工器功能的低频匹配模块以及高频匹配模块，所述辐射主体为金属环下段及第二金属盖体，所述第一馈电部以及第二馈电部均位于天线净空区内且第一馈电部与第二馈电部相互平行，所述第一馈电部通过高频匹配模块与辐射主体连接，所述第二馈电部通过低频匹配模块与辐射主体连接；所述带通滤波器的一端与辐射主体连接，所述带通滤波器的另一端向接地板延伸。

本发明的有益效果在于：区别于现有技术中HTC One和iPhone6手机的天线设计结构均是基于单个馈电端的天线方案并不适合带外载波聚合，甚至不能支持非连续的带内载波聚合的问题，本发明提供了一种用于具有全金属壳体便携式设备的LTE载波聚合天线，采用在天线净空区设置独立的第一馈电部以及第二馈电部，第一馈电部支持高频段，第二馈电部支持低频段，第一馈电部与第二馈电部分别通过具有滤波或双工器功能的高频匹配模块及低频匹配模块与辐射主体连接，能够实现带外载波聚合，极大地提高数据传输效率；并且带通滤波器能够改进天线在高频段的性能；另外，直接利用金属环下段以及第二金属盖体作为辐射主体，无需设计额外辐射主体结构，能够精简天线结构，降低天线的生产成本，提高天线的制造效率。

附图说明

图1为本发明LTE载波聚合天线在第二金属盖体被隐藏时的结构示意图；

图2为本发明LTE载波聚合天线在第二金属盖体没被隐藏(既具有全金属外壳)时的结构示意图；

图3为本发明LTE载波聚合天线的工作原理图；

图4为本发明LTE载波聚合天线的回波损耗曲线图；

图5为本发明LTE载波聚合天线低频段的天线效率图；

图6为本发明LTE载波聚合天线高频段的天线效率图；

图7为本发明LTE载波聚合天线的高频段回波损耗曲线随用在带通滤波器中的电感变化图；

图8为本发明LTE载波聚合天线的低频段回波损耗曲线随用在金属后壳缝隙中的电感变化图。

标号说明：

11、金属环上段； 12、金属环下段； 31、第一馈电部；

32、第二馈电部； 4、容置腔； 5、USB接口； 6、带通滤波器；

71、第一缝隙； 72、第二缝隙； 81、第一金属盖体； 82、第二金属盖体；

83、第三缝隙； 9、电感组件。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于:采用在天线净空区设置独立的支持高频段的第一馈电部以及支持低频段的第二馈电部，第一馈电部与第二馈电部分别通过具有滤波或双工器功能的高频匹配模块及低频匹配模块与辐射主体连接，能够实现带外载波聚合，极大地提高数据传输效率；直接利用金属环下段以及第二金属盖体作为辐射主体，无需设计额外辐射主体结构，天线简单，降低天线的生产成本，提高天线的制造效率；带通滤波器能够改进天线在高频段的性能。

请参照图1至图3，一种具有全金属外壳便携式设备的LTE载波聚合天线，包括本体、接地板、金属环以及天线组件，所述接地板（未标出）容置于本体内，所述金属环固定于本体的四周侧壁，所述金属环底部与接地板之间设有容置腔4，所述金属环上对称地开设有第一缝隙71和第二缝隙72，所述第一缝隙71及第二缝隙72将金属环分成金属环上段11与金属环下段12，所述金属环下段12与接地板之间形成天线净空区；还包括金属后盖，所述金属后盖的边侧与金属环固定连接，并且金属后盖上沿其宽度方向开设有第三缝隙83，所述第三缝隙83将金属后盖分成第一金属盖体81以及第二金属盖体82，所述第一金属盖体81与金属环上段11对应，所述第二金属盖体82与金属环下段12对应，所述第一缝隙71、第二缝隙72以及第三缝隙83处于同一平面；

所述天线组件包括辐射主体、第一馈电部31、第二馈电部32、带通滤波器6、具有滤波或双工器功能的低频匹配模块以及高频匹配模块，所述辐射主体为金属环下段12及第二金属盖体82，所述第一馈电部31以及第二馈电部32均位于天线净空区内且第一馈电部31与第二馈电部32相互平行，所述第一馈电部31通过高频匹配模块与辐射主体连接，所述第二馈电部32通过低频匹配模块与辐射主体连接；所述带通滤波器6的一端与辐射主体连接，所述带通滤波器6的另一端向接地板延伸。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：区别于现有技术中HTC One和iPhone6手机的天线设计结构均是基于单个馈电端的天线方案并不适合带外载波聚合，甚至不能支持非连续的带内载波聚合的问题，本发明提供了一种用于具有全金属壳体便携式设备的LTE载波聚合天线，采用在天线净空区设置独立的第一馈电部31以及第二馈电部32，第一馈电部31支持高频段，第二馈电部32支持低频段，第一馈电部31与第二馈电部32分别通过具有滤波或双工器功能的高频匹配模块及低频匹配模块与辐射主体连接，能够实现带外载波聚合，极大地提高数据传输效率；并且带通滤波器6能够改进天线在高频段的性能；另外，直接利用金属环下段12以及第二金属盖体82作为辐射主体，无需设计额外辐射主体结构，能够精简天线结构，降低天线的生产成本，提高天线的制造效率。

进一步的，所述金属环的左侧壁上开设有第一缝隙71，金属环的右侧壁上开设有第二缝隙72，且第一缝隙71与第二缝隙72均靠近金属环底部位置。金属环左右两侧设置的开缝结构，能够使金属环下段12的长度较佳，即辐射主体的长度好，天线的性能稳定。

进一步的，所述带通滤波器6包括串接的电容和电感，带通滤波器6工作在LTE的高频段内。上述带通滤波器6不仅能够实现低频段和高频段的同步阻抗匹配，而且还能够提升天线在高频段的性能。带通滤波器6的共振频率和Q值由电容以及电感的值来决定。

进一步的，还包括一电感组件9，所述电感组件9位于第三缝隙83内，并且所述电感组件9的一端与辐射主体中的第一金属盖体连接，所述电感组件9的另一端与第二金属盖体连接。该电感组件9能够减轻低频匹配设计的难度。

进一步的，还包括设置于天线净空区的USB接口5，所述USB接口5位于金属环底部的中垂线上，且USB接口5与接地板连接。虽然增加USB接口5对天线的整体性能设计影响较大或增加了整体天线的设计难度，但是在设计中增加该USB接口5能够大大地提高本天线设计方案的实用性。此外，本发明方案也适用于没有设置USB接口的LTE载波聚合天线的情况。

进一步的，所述第一馈电部31支持的高频范围为大于1.7GHz频率，所述第二馈电部32支持的低频范围为小于1GHz频率。

表1为带外载波聚合所有的频段数的载波聚合对数，该表包含12对不同的工作频段的载波聚合对数。从表1可以看出，除了频段3及频段7的载波聚合，其它11对载波聚合的低频带频率都小于1.0GHz，而高频带频率都大于1.7GHz。因此，通过设置第一馈电部以及第二馈电部能够实现(除了频段3和频段7以外)带外载波聚合，而不需要在前端架构中使用难以实现的双工器去同步匹配高频段与低频段。再有，如果要支持所有频段的载波聚合则需要设置支持频率范围为2.5GHz-2.69GHz的第三馈电部，以支持频段3及频段7之间的载波聚合。本方案实现的重点是着重对另外11对(即除了频段3和频段7以外的)聚合载波的天线设计。

频段数	下行(MHz)	上行(MHz)	对数
				1	1920-1980	2110-2170	5,18,19
2	1850-1910	1930-1990	17
				3	1710-1785	1805-1880	5,7,20
4	1710-1755	2110-2155	12,13,17
				5	824-849	869-894	1,3
7	2500-2570	2620-2690	3,20
				12	699-716	729-746	4
13	777-787	746-756	4
				17	704-716	734-746	2,4
18	815-830	860-875	1
				19	830-845	875-890	1
20	832-862	791-821	4,7

表1为带外载波聚合对

下面是基于尺寸70mm(宽边)*140mm(长边)*5mm(高度)的手机来测试本方案天线系统的工作性能参数。图4为本发明LTE载波聚合天线的回波损耗曲线图，从图4可以看出，天线低频段曲线S11完全覆盖LTE的低频部分，而天线高频段曲线S22完全覆盖LTE的高频部分。另外，本方案的低频段与高频段的隔离度非常好，如曲线S12所示的隔离度小于-20dB。图5为本发明LTE载波聚合天线低频段的天线效率图，图6为本发明LTE载波聚合天线高频段的天线效率图，从图5及图6中可以看出本方案符合天线对辐射效率的要求。图4至图6表明，本方案的提出的天线系统在所要求的各个方面均能够满足要求。图7为本发明LTE天线的高频段回波损耗随带通滤波器中的电感变化曲线图，根据不同的电感值L(L为分别L0，0.7*L0，1.4*L0)对LTE载波聚合天线的回波损耗进行测试，其中L0为带通滤波器中电感的最佳电感值。从图7中可以看出，电感值对高频段的作用很大。如果电感值相对于最佳值过大或过小，天线的高频段并不满足LTE高频要求。只有在电感值合适时，天线的高频段才能很好满足设计要求。然而，上述的带通滤波器对高频的影响很大，对低频的影响可以忽略不计。因此，通过带通滤波器能够实现高频段与低频段的同步匹配，故而能够实现LTE的带外载波聚合。图8为LTE载波聚合天线的低频段回波损耗曲线随用在金属后壳缝隙中的电感变化图，根据不同的电感值L(L为分别L1，0.7*L1，1.4*L1)对LTE载波聚合天线的回波损耗进行测试，其中L1为电感组件中电感的最佳电感值。从图8中可以看出，电感值L为L1时，也就是使用电感组件时天线具有最佳的低频性能。该电感组件对高频段的影响很小，其作用是能够减轻低频匹配电路设计的难度。特别是当天线的环境不好时，比如说天线的净空较小时或在天线净空中增加额外的组件如扬声器等时，该电感组件的使用可以有效地简化低频段匹配电路的设计难度。

综上所述，本发明提供的具有全金属外壳便携式设备的LTE载波聚合天线，采用在天线净空区设置平行的第一馈电部以及第二馈电部，带通滤波器，第一馈电部支持高频段，第二馈电部支持低频段，第一馈电部与第二馈电部分别通过具有滤波或双工器功能的高频频匹配模块及低频匹配模块与辐射主体连接；另直接利用金属环下段及第二金属盖体作为辐射主体，无需设计额外辐射主体结构，其优点如下：

1、本方案的天线系统不仅支持带内LTE载波聚合，而且能够支持带外LTE载波聚合，而现有的大部分LTE天线系统(在不使用开关设计的单一馈电条件下)仅仅能支持带内LTE载波聚合，并不能支持带外LTE载波聚合。

2、本方案支持带外LTE载波聚合的结构是采用两个馈电端，第一馈电端支持1.7GHz以上的频率，而第二馈电端支持1GHz以下的频率。

3、本方案采用了一个作用于高频段的带通滤波器，能够实现在对高频段性能改进的情况下同时对低频段和高频段进行同步的阻抗匹配。

4、本方案以其金属环下段以及第二金属盖体为整个的天线辐射体，能够节省成本并且容易实施。

5、本方案结构简单，而iPhone6中虽然使用金属壳体作为天线唯一的辐射体，并且需要利用开关将低频段分成多个子频段，并不仅不能支持带内的LTE载波聚合更不能支持带外的LTE载波聚合，同时因其使用了开关故而也较难支持频段28。

6、无需增设开关来划分频带，结构更简单。

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，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种具有全金属外壳便携式设备的LTE载波聚合天线，包括本体、接地板、金属环以及天线组件，所述接地板容置于本体内，所述金属环固定于本体的四周侧壁，所述金属环底部与接地板之间设有容置腔，其特征在于，

所述金属环上对称地开设有第一缝隙和第二缝隙，所述第一缝隙及第二缝隙将金属环分成金属环上段与金属环下段，所述金属环下段与接地板之间形成天线净空区；所述金属环的左侧壁上开设有第一缝隙，金属环的右侧壁上开设有第二缝隙，且第一缝隙与第二缝隙均靠近金属环底部位置；

还包括金属后盖，所述金属后盖的边侧与金属环固定连接，并且金属后盖上沿其宽度方向开设有第三缝隙，所述第三缝隙将金属后盖分成第一金属盖体以及第二金属盖体，所述第一金属盖体与金属环上段对应，所述第二金属盖体与金属环下段对应，所述第一缝隙、第二缝隙以及第三缝隙处于同一平面；

所述天线组件包括辐射主体、第一馈电部、第二馈电部、带通滤波器、具有滤波或双工器功能的低频匹配模块以及高频匹配模块，所述辐射主体为金属环下段及第二金属盖体，所述第一馈电部以及第二馈电部均位于天线净空区内且第一馈电部与第二馈电部相互平行，所述第一馈电部通过高频匹配模块与辐射主体连接，所述第二馈电部通过低频匹配模块与辐射主体连接；所述带通滤波器的一端与辐射主体连接，所述带通滤波器的另一端向接地板延伸；

所述带通滤波器包括串接的电容和电感，带通滤波器工作在LTE的高频段内；

还包括一电感组件，所述电感组件位于第三缝隙内，并且所述电感组件的两端分别与第一金属盖体和第二金属盖体连接。

2.根据权利要求1任一项所述的具有全金属外壳便携式设备的LTE载波聚合天线，其特征在于，还包括设置于天线净空区的USB接口，所述USB接口位于金属环底部的中垂线上，且USB接口与接地板连接。

3.根据权利要求2所述的具有全金属外壳便携式设备的LTE载波聚合天线，其特征在于，所述第一馈电部支持的高频范围为大于1.7GHz频率，所述第二馈电部支持的低频范围为小于1GHz频率。