CN104901015A - 一种兼顾窄边框与多频段覆盖的移动终端用lte天线 - Google Patents

一种兼顾窄边框与多频段覆盖的移动终端用lte天线 Download PDF

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Abstract

一种兼顾窄边框与多频段覆盖的移动终端用LTE天线，属于天线设计领域，包含天线主体、馈电枝节、调谐连接线、介质板和金属地板，其中天线主体包含四个折叠部分，通过馈电枝节和馈电点之间的高通滤波器调谐天线主体工作模式的谐振频率，使所述天线工作在LTE700、GSM850和GSM900频段，调谐连接线用于调谐天线主体工作模式的谐振频率，使所述天线工作在DCS、PCS、UMTS、LTE2300和LTE2500频段，所述天线在占用非地板高度8mm的条件下覆盖所有2G/3G/4G频段，满足新一代移动通信系统对窄边框移动终端天线的设计需求。

Description

一种兼顾窄边框与多频段覆盖的移动终端用LTE天线
技术领域
本发明属于无线通信技术的天线设计领域，涉及一种应用于移动终端的兼顾窄边框和多频段覆盖的LTE天线。
背景技术
为了满足人们对更高数据率和更稳定数据传输服务的需求，移动通信系统已经经历了第二代(the second generation，2G)移动通信系统，目前正逐步从第三代(the third generation，3G)移动通信系统向以“长期演进”(long term evolution，LTE)为标志的第四代(the fourthgeneration，4G)移动通信系统迈进。不同移动通信系统所使用的工作频带范围不尽相同，比如2G移动通信系统的全球移动通信系统(GSM850：824-894MHz，GSM900：880-960MHz)、数字蜂窝系统(DCS：1710-1880MHz)和个人通信系统(PCS：1850-1990MHz)，3G移动通信系统的通用移动通信系统(UMTS：1920-2170MHz)，4G移动通信系统的LTE系统(LTE700：704-787MHz，LTE2300：2300-2400MHz，LTE2500：2500-2690MHz)，而在未来相当长的一段时间内，2G/3G/4G移动通信系统将长期共存，对于移动终端如手机、笔记本电脑、个人数字助理(personal digital assistant，PDA)等而言，设计出覆盖以上所有频带(LTE700、GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE2300和LTE2500)的多频移动终端天线将是必然的要求。此外，由于移动终端的发展趋势是小尺寸、大屏幕、窄边框以及低厚度，移动终端中留给天线设计的空间极其有限。因此，移动终端天线设计的难题是如何在较小的尺寸下设计出可覆盖多个频带的天线。
目前移动终端常用的天线形式有平面倒F天线(planar inverted-F antenna，PIFA)、环天线和单极子天线等。对于PIFA天线，天线的高度是决定天线带宽的关键因素，而为了覆盖LTE700、GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE2300和LTE2500频段，PIFA天线的高度需要很高，这与移动终端低厚度的发展趋势相矛盾。对于环天线，其最低工作模式是半个波长模式，与其它天线形式相比，其占用的空间比较大，这与移动终端小尺寸的发展趋势相矛盾。对于单极子天线，由于其尺寸小、设计灵活等优点，是移动终端最常用的天线形式。例如，专利[CN103199342B]和文献[“Small-size internal eight-band LTE/WWAN mobile phoneantenna with internal distributed LC matching circuit”，Kin-Lu Wong，等，《Microwave and OpticalTechnology Letters》，第52卷，2010年10月]均采用单极子天线形式，其均在较小的尺寸下覆盖了LTE700、GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE2300和LTE2500频段。但是，为了保证单极子天线覆盖所需的带宽，需要保证单极子天线占用一定高度的非地板区域，不能满足窄边框移动终端的设计需求。例如，专利[CN103199342B]的非地板高度为20mm，文献[“Small-size internal eight-band LTE/WWAN mobile phone antenna with internal distributed LCmatching circuit”，Kin-Lu Wong，等，《Microwave and Optical Technology Letters》，第52卷，2010年10月]的非地板高度为10mm。为了减小单极子天线占用的非地板高度，专利[CN102386485B]采用可重构技术，其在占用5mm的非地板高度条件下，设计的单极子天线可以覆盖GSM850、GSM900、DCS、PCS和UMTS频段。虽然专利[CN102386485B]所设计的天线的非地板高度仅为5mm，但是其只能覆盖2G和3G频段，不能覆盖到目前的4G频段，即不能同时覆盖2G/3G/4G频带，不能满足当前移动终端对天线工作频带的需求。本发明提出一种移动终端用LTE天线，其不仅仅覆盖LTE700、GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE2300和LTE2500频段，而且其占用的非地板高度仅为8mm，即在同时覆盖2G/3G/4G频带的条件下满足窄边框的设计需求。
发明内容
本发明的目的是为第四代移动通信系统设计出一种兼顾窄边框与多频段覆盖的移动终端用LTE天线，此天线可以在占用较小的非地板高度的条件下，覆盖所有的2G/3G/4G频段。
本发明所述的一种兼顾窄边框与多频段覆盖的移动终端用LTE天线，其特征在于，含有：天线主体(1)、馈电枝节(2)、调谐连接线(3)、介质板(4)和金属地板(5)，其中：
介质板(4)，长、宽、厚度的尺寸为132mm×80mm×0.8mm，正面设有馈电点(6)，背面印有长×宽为132mm×80mm的矩形金属地板(5)；
天线主体(1)，由厚度为0.017mm的铜皮构成，包含第一折叠部分(1a)、第二折叠部分(1b)、第三折叠部分(1c)和第四折叠部分(1d)，在天线主体(1)的平面展开图上，其中：
第一折叠部分(1a)，呈“┌”形，其宽度沿着所述介质板(4)的宽度方向为80mm，长度为5mm，底部的宽度为1mm，长度为2mm；
第二折叠部分(1b)，长×宽为5.8mm×80mm；
第三折叠部分(1c)，长×宽为4mm×80mm；
第四折叠部分(1d)，长×宽为5mm×5.8mm，沿长度方向，所述第四折叠部分(1d)的右侧边与所述呈“┌”形的第一折叠部分(1d)的左侧边重合；
馈电枝节(2)和调谐连接线(3)在所述平面展开图上，其中：
所述馈电枝节(2)，由厚度为0.017mm的铜皮构成，长×宽为5mm×1.5mm，上端面垂直于所述第一折叠部分(1a)宽度方向的内侧面且整体相连；
所述调谐连接线(3)，由厚度为0.017mm的铜皮构成，呈“┘”形，线条的宽度为0.5mm，上端面垂直于所述第一折叠部分(1a)宽度方向的内侧面且整体相连，线条垂直部分的长度为5mm，水平部分的长度为12mm，水平部分的左侧端点与所述馈电枝节(2)的下端面相连于点(7)，在所述平面展开图上形成一个矩形窗口，所述馈电枝节(2)左侧面到所述第一折叠部分(1a)的左侧内侧面的水平距离为21.5mm，所述调谐连接线(3)垂直部分的右侧面到所述第一折叠部分(1a)的右侧末端的水平距离为43.5mm；
所述馈电枝节(2)与所述调谐连接线(3)的连接点(7)与所述馈电点(6)之间串接一个调谐电容(C)，并通过一个调谐电感(L)与所述金属地板(5)连接于点(8)；
所述第一折叠部分(1a)通过所述调谐连接线(3)水平部分的底面沿着所述介质板(4)宽度方向上的上部外侧边垂直固定在所述介质板(4)的正面，所述底面是一个矩形，其水平方向的长度为12mm，所述垂直方向为所述介质板(4)的厚度方向；
所述第二折叠部分(1b)与所述第一折叠部分(1a)成90度角，位于所述介质板(4)的右侧正上方且与介质板(4)平行，与金属地板(5)的距离为8mm；
所述第三折叠部分(1c)与所述第二折叠部分(1b)成90度角，并且与所述第一折叠部分(1a)平行，从而使所述天线主体(1)沿宽度方向的垂直剖面呈“П”形；
所述第四折叠部分(1d)与所述第一折叠部分(1a)成90度角，介于所述第一折叠部分(1a)与所述第三折叠部分(1c)之间，且与所述介质板(4)的正面成90度角。
本发明对比已有技术具有以下显著优点：
本发明提出的兼顾窄边框与多频段覆盖的移动终端用LTE天线，其在占用非地板高度为8mm的条件下，可以覆盖LTE700、GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE2300和LTE2500频段，即在同时覆盖2G/3G/4G频段的条件下满足窄边框的设计需求。
附图说明
图1为本发明提供的移动终端用LTE天线的平面展开图。
图2为图1中天线折叠后的三维图。
图3为图1中天线安装后的实施实例平面展开图，单位均为毫米(mm)。
图4为图2中天线安装后的实施实例三维图，单位均为毫米(mm)。
图5为以图3和图4所示尺寸制作天线实物的实测反射系数。
图6为以图3和图4所示尺寸制作天线实物的实测三维空间辐射方向图。
图7为以图3和图4所示尺寸制作天线实物的实测增益。
图8为以图3和图4所示尺寸制作天线实物的实测效率。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提出一种兼顾窄边框和多频段覆盖的移动终端用LTE天线，实现了在占用较小非地板高度的条件下达到多频段覆盖的天线结构。
如图1所示，为本发明提供的移动终端用LTE天线的平面展开图，包括天线主体(1)、馈电枝节(2)和调谐连接线(3)，天线主体(1)包括第一折叠部分(1a)、第二折叠部分(1b)、第三折叠部分(1c)和第四折叠部分(1d)。所述馈电枝节(2)的上端面垂直于所述第一折叠部分(1a)宽度方向的内侧面且整体相连。所述调谐连接线(3)，呈“┘”形，其上端面垂直于所述第一折叠部分(1a)宽度方向的内侧面且整体相连，水平部分的左侧端点与所述馈电枝节(2)的下端面相连与点(7)，在所述平面展开图上形成一个矩形窗口，。
如图2所示，为图1的平面图沿折叠第一轨迹(L1a-1b)、折叠第二轨迹(L1b-1c)和折叠第三轨迹(L1a-1d)向纸面内折叠90度角形成的三维图，折叠第一轨迹(L1a-1b)为所述第一折叠部分(1a)和所述第二折叠部分(1b)的交接边，折叠第二轨迹(L1b-1c)为所述第二折叠部分(1b)和所述第三折叠部分(1c)的交接边，折叠第三轨迹(L1a-1d)为所述第一折叠部分(1a)和所述第四折叠部分(1d)的交接边。所述第一折叠部分(1a)，呈“┌”形，通过所述调谐连接线(3)水平部分的底面沿着所述介质板(4)宽度方向上的上部外侧边垂直固定在所述介质板(4)的正面，所述底面是一个矩形，所述垂直方向为所述介质板(4)的厚度方向。所述第二折叠部分(1b)与所述第一折叠部分(1a)成90度角，位于所述介质板(4)的右侧正上方且与介质板(4)平行，其与金属地板(5)的距离为所述非地板高度。所述第三折叠部分(1c)与所述第二折叠部分(1b)成90度角，并且与所述第一折叠部分(1a)平行，从而使所述天线主体(1)沿宽度方向的垂直剖面呈形。所述第四折叠部分(1d)介于所述第一折叠部分(1a)与所述第三折叠部分(1c)之间，与所述第一折叠部分(1a)成90度角，且与所述介质板(4)的正面成90度角。
如图3和图4所示，为图1和图2中天线安装后的具体实施实例图，主介质板(4)采用0.8mm厚的FR4环氧树脂板，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。主介质板(4)的背面为金属地板(5)，用来模拟移动终端中除天线外的其它金属部分。所述馈电枝节(2)与所述调谐连接线(3)的连接点(7)与所述馈电点(6)之间串接一个调谐电容(C)，并通过一个调谐电感(L)与所述金属地板(5)连接于点(8)。
本发明的技术方案是这样实现的：天线主体(1)产生三个谐振模式，分别为基模、2次模和3次模，基模是所述天线主体(1)位于所述馈电枝节(2)右侧部分结构产生的四分之一波长单极子模式，2次模是所述天线主体(1)结构产生的二分之一波长偶极子模式，3次模是所述天线主体(1)位于所述馈电枝节(2)左侧部分结构产生的四分之一波长单极子模式。所述调谐电感(L)和所述调谐电容(C)构成一个高通滤波器，将基模的谐振频率调谐到所需的LTE700、GSM850和GSM900频带。调谐连接线(3)将3次模的谐振频率调谐到2次模的谐振频率附近，2次模和3次模的谐振频率共同构成一个较宽的频带，从而覆盖所需的DCS、PCS、UMTS、LTE2300和LTE2500频带。
为了说明本发明是一种在占用较小非地板高度条件下达到多频带覆盖的天线结构，下面给出一个具体实例。本实例的具体实施尺寸图如图3和图4所示，图中所有尺寸的单位均为毫米(mm)，所使用的调谐电感L＝3.9纳亨(nH)，调谐电容C＝6.2皮法(pF)，天线所占用的非地板高度为8mm。
以图3和图4所示尺寸制作的天线的反射系数的测试结果如图5所示。由图5可知，该天线的-6dB阻抗带宽为290MHz(690-980MHz)和1110MHz(1.63-2.74GHz)，覆盖LTE700、GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE2300、LTE2500等所有2G/3G/4G频段。
以图3和图4所示尺寸制作的天线在750MHz、850MHz、925MHz、1800MHz、2200MHz和2600MHz的三维辐射方向图的测试结果如图6所示。由图6可知，该天线在低频段(750MHz、850MHz、925MHz)为典型的偶极子辐射方向图形式，在高频段(1800MHz、2200MHz、2600MHz)具有一定的方向性，且向下半空间辐射较多的能量。
以图3和图4所示尺寸制作的天线在LTE700、GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE2300和LTE2500频段的实测增益结果如图7所示。由图7可知，该天线在LTE700、GSM850和GSM900频段的实测增益为0.3～3.0dBi，在DCS、PCS、UMTS、LTE2300和LTE2500频段的实测增益为3.1～5.6dBi。
以图3和图4所示尺寸制作的天线在LTE700、GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE2300和LTE2500频段的实测效率结果如图8所示。由图8可知，该天线在LTE700、GSM850和GSM900频段的实测效率为64.1％～97.5％，在DCS、PCS、UMTS、LTE2300和LTE2500频段的实测效率为50.2％～73.2％。
本发明提出的天线结构可以在80×8×5.8mm3的空间内完全覆盖LTE700、GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE2300、LTE2500等所有2G/3G/4G频段，且在频段内具有较高的增益和效率，满足新一代移动通信系统对窄边框移动终端天线的设计需求。

Claims (1)

1.一种兼顾窄边框与多频段覆盖的移动终端用LTE天线，其特征在于，含有：天线主体(1)、馈电枝节(2)、调谐连接线(3)、介质板(4)和金属地板(5)，其中：
介质板(4)，长、宽、厚度的尺寸为132mm×80mm×0.8mm，正面设有馈电点(6)，背面印有长×宽为132mm×80mm的矩形金属地板(5)；
天线主体(1)，由厚度为0.017mm的铜皮构成，包含第一折叠部分(1a)、第二折叠部分(1b)、第三折叠部分(1c)和第四折叠部分(1d)，在天线主体(1)的平面展开图上，其中：
第一折叠部分(1a)，呈“┌”形，其宽度沿着所述介质板(4)的宽度方向为80mm，长度为5mm，底部的宽度为1mm，长度为2mm；
第二折叠部分(1b)，长×宽为5.8mm×80mm；
第三折叠部分(1c)，长×宽为4mm×80mm；
第四折叠部分(1d)，长×宽为5mm×5.8mm，沿长度方向，所述第四折叠部分(1d)的右侧边与所述呈“┌”形的第一折叠部分(1d)的左侧边重合；
馈电枝节(2)和调谐连接线(3)在所述平面展开图上，其中：
所述馈电枝节(2)，由厚度为0.017mm的铜皮构成，长×宽为5mm×1.5mm，上端面垂直于所述第一折叠部分(1a)宽度方向的内侧面且整体相连；
所述调谐连接线(3)，由厚度为0.017mm的铜皮构成，呈“┘”形，线条的宽度为0.5mm，上端面垂直于所述第一折叠部分(1a)宽度方向的内侧面且整体相连，线条垂直部分的长度为5mm，水平部分的长度为12mm，水平部分的左侧端点与所述馈电枝节(2)的下端面相连于点(7)，在所述平面展开图上形成一个矩形窗口，所述馈电枝节(2)左侧面到所述第一折叠部分(1a)的左侧内侧面的水平距离为21.5mm，所述调谐连接线(3)垂直部分的右侧面到所述第一折叠部分(1a)的右侧末端的水平距离为43.5mm；
所述馈电枝节(2)与所述调谐连接线(3)的连接点(7)与所述馈电点(6)之间串接一个调谐电容(C)，并通过一个调谐电感(L)与所述金属地板(5)连接于点(8)；
所述第一折叠部分(1a)通过所述调谐连接线(3)水平部分的底面沿着所述介质板(4)宽度方向上的上部外侧边垂直固定在所述介质板(4)的正面，所述底面是一个矩形，其水平方向的长度为12mm，所述垂直方向为所述介质板(4)的厚度方向；
所述第二折叠部分(1b)与所述第一折叠部分(1a)成90度角，位于所述介质板(4)的右侧正上方且与介质板(4)平行，与金属地板(5)的距离为8mm；
所述第三折叠部分(1c)与所述第二折叠部分(1b)成90度角，并且与所述第一折叠部分(1a)平行，从而使所述天线主体(1)沿宽度方向的垂直剖面呈“П”形；
所述第四折叠部分(1d)与所述第一折叠部分(1a)成90度角，介于所述第一折叠部分(1a)与所述第三折叠部分(1c)之间，且与所述介质板(4)的正面成90度角。
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