CN107851892A - 一种天线设备和用于天线设备的波束方向调整方法 - Google Patents

Abstract

一种天线设备和用于天线设备的波束方向调整方法。其中，一种天线设备，包括：天线元件、金属元件和基板，其中，天线元件和金属元件分别设置在基板上，且金属元件和天线元件在基板上相间隔预置的距离；天线元件至少工作在第一频率，且金属元件的接地点固定在基板的焊盘上，接地点位于金属元件靠近天线元件的一侧；在靠近天线元件的金属元件的侧部位置耦合出与天线元件产生的天线电流的方向相反的第一反向电流，且在与基板相接触的金属元件的下部位置耦合出与基板产生的基板电流的方向相反的第二反向电流，以使天线元件的上半球方向图通过第一反向电流和天线电流的综合和第二反向电流和基板电流的综合，实现波束宽度的增加。

Description

一种天线设备和用于天线设备的波束方向调整方法 技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种天线设备和用于天线设备的波束方向调整方法。

背景技术

全球定位系统(Global Positioning System，GPS)使用户的生活发生了巨大的变化。在车载终端设备上，导航等应用对GPS性能会有更高要求。GPS接收机能够接收到地平面上的卫星数目越多越好，因此要求天线上半球方向图(即朝向天空的方向)有一定的波束宽度，如何改善GPS上半球方向图是终端GPS天线设计的一大挑战。

目前存在一种采用四臂螺旋天线的方案，可实现较好的天线上半球波束宽度。但是这种四臂螺旋天线通常可以达到25毫米(millimeters，mm)×140毫米的尺寸，存在天线体积过大的问题。另外，这种四臂螺旋天线要实现上半空间的心形辐射特性，四个馈电端口要求有相差。实现这种相差可以通过分别给四个天线臂以不同的激励来实现，也可以视四臂螺旋天线为两个双臂螺旋天线组成，用90度正交馈电。目前广泛运用的有如下两种馈电方法，一种是采用移相网络馈电，另一种是采用自相移的方式馈电。对于采用移相网络的馈电方式，一般采用微带、带状线、共面波导等形式，但以微带形式的占多，常用的以功分器、定向祸合器、90度/180度移相器配合组成。对于采用自相移的方式馈电，自相移结构常常要与平衡-不平衡变换器配合使用。因此对于目前的两种导致馈电系统，均存在结构较为复杂的问题，在终端产品上不太适用。

发明内容

本发明实施例提供了一种天线设备和用于天线设备的波束方向调整方法，能够改善天线元件的天线方向图，且不会增大天线设备的体积。

第一方面，本发明实施例提供一种天线设备，包括：天线元件、金属元件和基板，其中，

所述天线元件和所述金属元件分别设置在所述基板上，且所述金属元件和 所述天线元件在所述基板上相间隔预置的距离；

所述天线元件至少工作在第一频率，且所述金属元件的接地点固定在所述基板的焊盘上，所述接地点位于所述金属元件靠近所述天线元件的一侧；

在靠近所述天线元件的所述金属元件的侧部位置耦合出与所述天线元件产生的天线电流的方向相反的第一反向电流，且在与所述基板相接触的所述金属元件的下部位置耦合出与所述基板产生的基板电流的方向相反的第二反向电流，以使所述天线元件的上半球方向图通过所述第一反向电流和所述天线电流的综合和所述第二反向电流和所述基板电流的综合，实现波束宽度的增加。

本发明实施例中，天线设备包括：天线元件、金属元件和基板，其中，天线元件和金属元件分别设置在基板上，金属元件和天线元件在基板上相间隔预置的距离，天线元件至少工作在第一频率。由于本发明实施例提供的天线设备中在基板上设置有金属元件，且金属元件的接地点固定在基板的焊盘上，接地点位于金属元件靠近天线元件的一侧，该金属元件和天线元件在基板上相互间隔开，而金属元件能够耦合出相对于天线元件产生的天线电流的第一反向电流，该金属元件同时可以在金属元件上耦合出相对于基板产生的基板电流的第二反向电流，通过金属元件产生的第一反向电流、第二反向电流分别和天线电流和基板电流进行综合，从而减弱天线元件在上半球方向图以外的周围方向上的波束宽度，使得天线元件的上半球方向图的波束宽度得到有效扩展，对天线的上半球方向图可以做到有效改善。本发明实施例中只需要在天线设备中部署一金属元件即可，不需要各种复杂的馈电系统，因此不会增大天线设备的体积。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述金属元件的长度为大于或等于0.25λ，且小于或等于0.5λ，所述λ为所述第一频率对应的波长。本发明一些实施例中金属元件的长度为大于或等于0.25λ，且小于或等于0.5λ时该金属元件对天线元件的上半球方向图中波束宽度的改善更明显。

结合第一方面，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述金属元件的宽度为大于或等于0.25λ，且小于或等于0.5λ，所述λ为所述第一频率对应的波长。本发明一些实施例中金属元件的宽度为大于或等于0.25λ，且小于或等于0.5λ时该金属元件对天线元件的上半球方向图中波束宽度的改善更明显。

结合第一方面，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述金属元件和所述天线元件在所述基板上间隔的距离小于或等于7mm。本发明一些实施例 中金属元件和天线元件之间的距离为0mm至7mm之间时该金属元件对天线元件的上半球方向图中波束宽度的改善更明显。

结合第一方面，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述金属元件和所述天线元件在长度方向上分别对应的垂直中心线之间的距离大于或等于0，且小于或等于20mm。本发明一些实施例中金属元件和天线元件在长度方向上分别对应的垂直中心线之间的距离为0mm至20mm之间时该金属元件对天线元件的上半球方向图中波束宽度的改善更明显。

结合第一方面，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述金属元件和所述天线元件相对于所述基板所在平面的高度差大于或等于0，且小于或等于5mm。本发明一些实施例中金属元件和天线元件相对于基板所在平面的高度差为0mm至5mm之间时该金属元件对天线元件的上半球方向图中波束宽度的改善更明显。

结合第一方面或第一方面的第一种可能或第二种可能或第三种可能或第四种可能或第五种可能的实现方式中，在第一方面的第六种可能的实现方式中，所述金属元件为设置在所述基板上的电池组件。本发明的一些实施例中金属元件可以通过电池组件中的电池金属壳来实现，从而利用天线设备中已有的电池组件完成本发明实施例中金属元件的功能，而不需要额外增加器件。

结合第一方面或第一方面的第一种可能或第二种可能或第三种可能或第四种可能或第五种可能的实现方式中，在第一方面的第七种可能的实现方式中，所述基板为印制电路板PCB。

第二方面，本发明实施例还提供一种用于天线设备的波束方向调整方法，包括：所述天线设备包括：天线元件、金属元件和基板，所述天线元件至少工作在第一频率，且所述金属元件的接地点固定在所述基板的焊盘上，所述接地点位于所述金属元件靠近所述天线元件的一侧；

所述方法包括如下步骤：

在所述基板上分别设置所述天线元件和所述金属元件，且使得所述金属元件和所述天线元件在所述基板上相间隔预置的距离，在靠近所述天线元件的所述金属元件的侧部位置耦合出与所述天线元件产生的天线电流的方向相反的第一反向电流，且在与所述基板相接触的所述金属元件的下部位置耦合出与所述基板产生的基板电流的方向相反的第二反向电流，以使所述天线元件的上半 球方向图通过所述第一反向电流和所述天线电流的综合和所述第二反向电流和所述基板电流的综合，实现波束宽度的增加。

本发明实施例中，天线设备包括：天线元件、金属元件和基板，其中，天线元件和金属元件分别设置在基板上，金属元件和天线元件在基板上相间隔预置的距离，天线元件至少工作在第一频率。由于本发明实施例提供的天线设备中在基板上设置有金属元件，且金属元件的接地点固定在基板的焊盘上，接地点位于金属元件靠近天线元件的一侧，该金属元件和天线元件在基板上相互间隔开，而金属元件能够耦合出相对于天线元件产生的天线电流的第一反向电流，该金属元件同时可以在金属元件上耦合出相对于基板产生的基板电流的第二反向电流，通过金属元件产生的第一反向电流、第二反向电流分别和天线电流和基板电流进行综合，从而减弱天线元件在上半球方向图以外的周围方向上的波束宽度，使得天线元件的上半球方向图的波束宽度得到有效扩展，对天线的上半球方向图可以做到有效改善。本发明实施例中只需要在天线设备中部署一金属元件即可，不需要各种复杂的馈电系统，因此不会增大天线设备的体积。

结合第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述方法还包括：调整所述金属元件的长度为大于或等于0.25λ，且小于或等于0.5λ，所述λ为所述第一频率对应的波长。本发明一些实施例中金属元件的长度为大于或等于0.25λ，且小于或等于0.5λ时该金属元件对天线元件的上半球方向图中波束宽度的改善更明显。

结合第二方面，在第二方面的第二种可能的实现方式中，所述方法还包括：调整所述金属元件的宽度为大于或等于0.25λ，且小于或等于0.5λ，所述λ为所述第一频率对应的波长。本发明一些实施例中金属元件的宽度为大于或等于0.25λ，且小于或等于0.5λ时该金属元件对天线元件的上半球方向图中波束宽度的改善更明显。

结合第二方面，在第二方面的第三种可能的实现方式中，所述方法还包括：调整所述金属元件和所述天线元件在所述基板上间隔的距离为小于或等于7mm。本发明一些实施例中金属元件和天线元件之间的距离为0mm至7mm之间时该金属元件对天线元件的上半球方向图中波束宽度的改善更明显。

结合第二方面或第二方面的第一种可能或第二种可能或第三种可能的实现方式中，在第二方面的第四种可能的实现方式中，所述方法还包括：调整所 述金属元件和所述天线元件在长度方向上分别对应的垂直中心线之间的距离为大于或等于0，且小于或等于20mm。本发明一些实施例中金属元件和天线元件在长度方向上分别对应的垂直中心线之间的距离为0mm至20mm之间时该金属元件对天线元件的上半球方向图中波束宽度的改善更明显。

结合第二方面或第二方面的第一种可能或第二种可能或第三种可能的实现方式中，在第二方面的第五种可能的实现方式中，所述方法还包括：调整所述金属元件和所述天线元件相对于所述基板所在平面的高度差为大于或等于0，且小于或等于5mm。本发明一些实施例中金属元件和天线元件相对于基板所在平面的高度差为0mm至5mm之间时该金属元件对天线元件的上半球方向图中波束宽度的改善更明显。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种天线设备的组成结构示意图；

图2-a为未设置金属元件的天线设备在XOZ面的天线方向示意图；

图2-b为未设置金属元件的天线设备在YOZ面的天线方向示意图；

图3-a为本发明实施例提供的设置金属元件的天线设备在XOZ面的天线方向示意图；

图3-b为本发明实施例提供的设置金属元件的天线设备在YOZ面的天线方向示意图；

图4-a为未设置金属元件的天线设备中天线元件和基板上模拟电流走向的示意图；

图4-b为本发明实施例中设置金属元件的天线设备中天线元件和基板上模拟电流走向的示意图；

图4-c为本发明实施例提供的金属元件中模拟电流走向的示意图；

图5-a为本发明实施例中一种天线元件的增益随金属元件的长度变化时的增益曲线示意图；

图5-b为本发明实施例中一种天线元件的增益随金属元件的宽度变化时的增益曲线示意图；

图5-c为本发明实施例中一种天线元件的增益随金属元件和天线元件之间的距离变化时的增益曲线示意图；

图5-d为本发明实施例中一种天线元件的增益随金属元件和天线元件在长度方向上分别对应的垂直中心线之间的距离左移变化时的增益曲线示意图；

图5-e为本发明实施例中金属元件和天线元件在长度方向上分别对应的垂直中心线之间的距离左移的位置关系图；

图5-f为本发明实施例中一种天线元件的增益随金属元件和天线元件在长度方向上分别对应的垂直中心线之间的距离右移变化时的增益曲线示意图；

图6-a为本发明实施例中另一种天线元件的增益随金属元件的长度变化时的增益曲线示意图；

图6-b为本发明实施例中另一种天线元件的增益随金属元件的宽度变化时的增益曲线示意图；

图6-c为本发明实施例中另一种天线元件的增益随金属元件和天线元件之间的距离变化时的增益曲线示意图；

图7-a为本发明实施例中另一种天线元件的增益随金属元件的长度变化时的增益曲线示意图；

图7-b为本发明实施例中另一种天线元件的增益随金属元件的宽度变化时的增益曲线示意图；

图7-c为本发明实施例中另一种天线元件的增益随金属元件和天线元件之间的距离变化时的增益曲线示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种天线设备和用于天线设备的波束方向调整方法，能够改善天线元件的天线方向图，且不会增大天线设备的体积。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，以便包含一系列单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或 对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它单元。

以下分别进行详细说明。首先对本发明实施例提供的天线设备进行说明，该天线设备可以实现上半球方向图的波束宽度扩展。请参阅图1所示，本发明一个实施例提供的天线设备，可以包括：天线元件101、金属元件102和基板103，其中，

天线元件101和金属元件102分别设置在基板103上，且金属元件102和天线元件101在基板103上相间隔预置的距离；

天线元件101至少工作在第一频率，且金属元件102的接地点固定在基板103的焊盘上，接地点位于金属元件102靠近天线元件101的一侧；

在靠近天线元件101的金属元件102的侧部位置耦合出与天线元件101产生的天线电流的方向相反的第一反向电流，且在与基板103相接触的金属元件102的下部位置耦合出与基板103产生的基板电流的方向相反的第二反向电流，以使天线元件101的上半球方向图通过第一反向电流和天线电流的综合和第二反向电流和基板电流的综合，实现波束宽度的增加。

在图1所示中，天线元件101和金属元件102相隔预置的距离，该距离在图1中用H来表示。另外，金属元件102的接地点固定在基板103的焊盘上，接地点位于金属元件102靠近天线元件101的一侧。可以理解的是，图1中所示的天线元件101在长度方向上产生天线电流，基板在长度方向上产生基板电流，图1中是以天线元件101和金属元件102水平放置为例进行示意说明，在实际应用中天线元件101、金属元件102、基板103的位置关系可以根据实际场景来调整。本发明实施例中金属元件102的接地点和基板103连接，金属元件102上分别产生第一反向电流和第二反向电流。第一反向电流和天线电流的综合，第二反向电流和基板电流的综合，有效的增加了天线方向图的上半球波束宽度。

需要说明的是，在本发明实施例中，该天线设备可以应用于终端产品中，天线设备中包括的天线元件101为辐射电磁波的天线，天线元件至少工作在第一频率，天线元件的工作频率可以结合应用场景灵活选择。该金属元件102可以是能够传导电流的金属件产品，例如金属元件102是一个金属薄片或者金属壳或金属条等，金属元件102可以采用多种金属，例如铜或者铁等。本发明实施例中，在基板103上设置有天线元件101，该天线元件101的朝向通过半 球方向图来描述，本发明实施例中在基板103上根据天线元件101的位置，相隔一距离(图中用“H”表示)设置一金属元件102，该金属元件102同样设置在基板103上且该金属元件102与天线元件101保持间隔开一个距离，则当该天线设备通电之后，天线元件101产生天线电流，基板103产生基板电流，金属元件102根据与天线元件101的耦合关系，金属元件102上会产生第一反向电流和第二反向电流，如前所描述，在靠近天线元件101的金属元件102的侧部位置耦合出与天线元件101产生的天线电流的方向相反的第一反向电流，且在与基板103相接触的金属元件102的下部位置耦合出与基板103产生的基板电流的方向相反的第二反向电流。天线元件101在其中心频率的周围产生辐射波束，该波束覆盖一定的范围，通过第一反向电流对天线电流的综合和第二反向电流对基板电流的综合，该金属元件102可以有效的改善天线元件101的上半球方向图中波束宽度，使的天线元件101朝向天空的方向波束覆盖范围得到有效增加。

需要说明的是，在本发明实施例提供的天线设备中，在基板103上只要金属元件102和天线元件101在垂直方向中相间隔一个距离即可以实现对天线元件101的上半球方向图的波束宽度增加，对于该距离、天线元件101、金属元件102的具体实现，可以结合具体的应用场景来实现，详见后续实施例的说明。

通过前述实施例对本发明的举例说明可知，天线设备包括：天线元件、金属元件和基板，其中，天线元件和金属元件分别设置在基板上，金属元件和天线元件在基板上相间隔预置的距离。由于本发明实施例提供的天线设备中在基板上设置有金属元件，该金属元件和天线元件在基板上相互间隔开，而金属元件能够耦合出相对于天线元件产生的天线电流的第一反向电流，该金属元件同时可以在金属元件上耦合出相对于基板产生的基板电流的第二反向电流，通过金属元件产生的第一反向电流、第二反向电流分别和天线电流和基板电流进行综合，从而减弱天线元件在上半球方向图以外的方向上的波束宽度，使得天线元件的上半球方向图的波束宽度得到有效扩展，对天线的上半球方向图可以做到有效改善。本发明实施例中只需要在天线设备中部署一金属元件即可，不需要各种复杂的馈电系统，因此不会增大天线设备的体积。

为便于更好的理解和实施本发明实施例的上述方案，下面举例相应的应用 场景来进行具体说明。接下来以另一些实施例来对本发明实施例提供的天线设备进行举例说明，本发明实施例中可以直接利用金属元件改善天线元件的天线方向图和天线增益。具体的，本发明实施例提供的天线设备中通过直接利用金属元件可有效改善天线上半球方向图的波束宽度，有效增强天线设备的接收性能。在实际应用中，本发明实施例提供的天线设备可以应用在终端产品上，该产品可以呈长方形布局。如图1所示，该天线元件具体可以为GPS天线，天线元件可以设置在基板的靠上中部，该GPS天线可以采用倒F天线(Inverted-F Antenna，IFA)，IFA因其形状像一个倒置的字母F，因此被称为倒F天线。金属元件设置在天线元件的下方，金属元件与该天线元件之间间隔一个距离。

接下来分别以天线设备中是否设置金属元件来说明本发明实施例中金属元件在改善天线元件的上半球方向图中的波束宽度上的作用。请参阅图2-a所示，为未设置金属元件的天线设备在XOZ面的天线方向示意图，请参阅图2-b所示，为未设置金属元件的天线设备在YOZ面的天线方向示意图。其中，PHI表示倾斜角，图2-a为在XOZ面上的波束范围，图2-b为在YOZ面上的波束范围。在图2-a中，位于X轴以上的波束宽度属于上半球波束范围，在图2-b中，位于Y轴以上的波束宽度属于上半球波束范围。通过对未设置金属元件的天线设备进行实测，得到如下表1所示的未设置金属元件的天线设备的数据。

请参阅图3-a所示，为本发明实施例提供的设置金属元件的天线设备在XOZ面的天线方向示意图，请参阅图3-b所示，为本发明实施例提供的设置金属元件的天线设备在YOZ面的天线方向示意图。通过对设置金属元件的天线设备进行实测，得到如下表2所示的设置金属元件的天线设备的数据。

通过对图2-a和图3-a的比对，以及对图2-b和图3-b的比对可知，对于PHI＝0和90度面上的天线上半球波束宽度均得到了明显改善，例如图2-a和图3-a相比较，图3-a中在PHI＝0的面上位于X轴以上的波束宽度属于上半球波束范围，大于图2-a中在PHI＝0的面上位于X轴以上的波束宽度属于上半球波束范围。又如图2-b和图3-b相比较，图3-b中在PHI＝90的面上位于Y轴以上的波束宽度属于上半球波束范围，大于图2-b中在PHI＝90的面上位于Y轴以上的波束宽度属于上半球波束范围。

同时对比表1和表2可知，天线增益在设置金属元件之后也有提升，另外经实测表明，天线设备中设置金属元件前后对天线的S参数没有影响，对于天线的S11参数，表示回波损耗特性，在天线设备中设置金属元件前后S11参数不发生偏移。

通过前述对本发明的仿真说明，可以从仿真结果看出，在天线设备中附加金属元件后，在金属元件的侧部(即靠近天线元件一侧)耦合出相对于天线电流的第一反向电流，在金属元件的下部耦合出相对于基板电流的第二反向电流，从而综合达到改善上半球方向图的效果。

请参阅图4-a所示，为本发明实施例提供的未设置金属元件的天线设备中模拟电流走向的示意图，在未设置金属元件的天线设备中，天线元件产生天线电流，基板产生基板电流。请参阅图4-b所示，为本发明实施例提供的设置金属元件的天线设备中天线元件上和基板上模拟电流走向的示意图，图4-c为为本发明实施例提供的金属元件中模拟电流走向的示意图。图4-a中，以天线元件的右端为馈电端、左端为辐射端为例，天线电流从右向左移动，天线元件在辐射端将能量辐射出去，基板上产生基板电流从左向右移动。在图4-b中表示的设置有金属元件的天线设备，为便于说明金属元件产生的第一反向电流和第二反向电流，在图4-b中没有示意出金属元件，该金属元件产生的反向电流可 以如图4-c所示。在设置金属元件的天线设备中，天线元件产生天线电流，基板产生基板电流，同时金属元件会产生第一反向电流和第二反向电流，第一反向电流会和天线电流综合，第二反向电流会和基板电流综合，从而通过金属元件产生的第一反向电流和第二反向电流改善天线元件的上半球方向图中的波束宽度。在天线设备中设置金属元件之后，该金属元件分别基于耦合感应产生的第一反向电流和第二反向电流分别起到对天线电流和基板电流的综合作用。

接下来对本发明实施例提供的天线设备进行进一步的说明，例如可以是关于金属元件的尺寸、金属元件与天线元件相间隔的距离等。

在本发明的一些实施例中，金属元件的长度为大于或等于0.25λ，且小于或等于0.5λ，λ为第一频率对应的波长。需要说明的是，金属元件的长度为大于或等于0.25λ，且小于或等于0.5λ时该金属元件对天线元件的上半球方向图中波束宽度的改善更明显，例如，金属元件的长度可以等于0.4λ。但是本发明实施例提供的天线设备中金属元件的长度也可以不局限于0.5λ，例如，金属元件的长度也可以等于0.53λ，或者金属元件的长度等于0.6λ，具体结合应用场景来确定。

在本发明的另一些实施例中，金属元件的长度大于或等于5mm，且小于或等于77mm。例如金属元件的长度取5mm，也可以取22mm，或者取77mm等。需要说明的是，金属元件的长度为5mm至77mm之间时该金属元件对天线元件的上半球方向图中波束宽度的改善更明显，但是本发明实施例提供的天线设备中金属元件的长度也可以不局限于上述长度范围，例如，金属元件的长度也可以等于3mm，或者金属元件的长度等于80mm，在这些情况下，本发明实施例中只需要保证金属元件和天线元件之间存在距离的间隔即可实现对天线元件的上半球方向图中波束宽度的改善。

接下来以天线元件具体为GPS天线为例进行说明，在该GPS天线对应的第一工作频段下，λ＝190mm。如图5-a所示，为本发明实施例中一种天线元件的增益随金属元件的长度变化时的增益曲线示意图，其中NG代表长度为0(表示无金属元件)，在图5-a中以金属元件的宽度为40mm，金属元件和天线元件之间的相间隔的距离为5mm时对金属元件的长度进行多次调整所得到的天线增益曲线，例如47mm为本发明实施例中金属元件的一种可选长度。从仿真结果可以看出，随着金属元件的长度增长，天线增益不断提升，但在长度达 到77mm时，天线增益开始下降，因此为达到最佳效果，金属元件的长度可以为大于或等于0.25λ，且小于或等于0.5λ。

在本发明的一些实施例中，金属元件的宽度为大于或等于0.25λ，且小于或等于0.5λ，λ为第一频率对应的波长。需要说明的是，金属元件的宽度为大于或等于0.25λ，且小于或等于0.5λ时该金属元件对天线元件的上半球方向图中波束宽度的改善更明显，但是本发明实施例提供的天线设备中金属元件的宽度也可以不局限于0.5λ，例如，金属元件的宽度也可以等于0.53λ，或者金属元件的长度等于0.6λ，具体结合应用场景来确定。

在本发明的一些实施例中，金属元件的宽度可以为5mm至60mm。需要说明的是，金属元件的宽度为5mm至60mm之间时该金属元件对天线元件的上半球方向图中波束宽度的改善更明显，但是本发明实施例提供的天线设备中金属元件的宽度也可以不局限于上述宽度范围，例如，金属元件的宽度也可以等于3mm，或者金属元件的宽度等于72mm，在这些情况下，本发明实施例中只需要保证金属元件和天线元件之间存在距离的间隔即可实现对天线元件的上半球方向图中波束宽度的改善。接下来以天线元件具体为GPS天线为例进行说明，在该GPS天线对应的频段下，λ＝190mm。如图5-b所示，为本发明实施例中天线元件的增益随金属元件的宽度变化时的增益曲线示意图，在图5-b中以金属元件的长度为47mm，金属元件和天线元件之间的相间隔的距离为5mm时对金属元件的宽度进行多次调整所得到的天线增益曲线，例如其中NG代表长度为0(表示表示无金属件)，40mm为本发明实施例中金属元件的一种可选宽度。从仿真结果可以看出，随着宽度增加，天线增益不断提升，但是提升效果不如金属元件的长度提升方面。

在本发明的一些实施例中，金属元件和天线元件在基板上间隔的距离小于或等于7mm。需要说明的是，金属元件和天线元件之间的距离为0mm至7mm之间时该金属元件对天线元件的上半球方向图中波束宽度的改善更明显，但是本发明实施例提供的天线设备中金属元件和天线元件之间的距离也可以不局限于上述距离范围，例如，金属元件和天线元件之间的距离也可以等于8mm，或者金属元件和天线元件之间的距离等于12mm，在这些情况下，本发明实施例中金属元件和天线元件之间只要存在距离的间隔即可实现对天线元件的上半球方向图中波束宽度的改善。接下来以天线元件具体为GPS天线为例进行 说明，在该GPS天线对应的频段下，λ＝190mm。如图5-c所示，为本发明实施例中天线元件的增益随金属元件和天线元件之间的距离变化时的增益曲线示意图，在图5-c中以金属元件的宽度为40mm，金属元件的长度为47mm时对金属元件和天线元件之间相间隔的距离进行多次调整所得到的天线增益曲线，例如其中NG代表长度为0(表示表示无金属元件)，5mm为本发明实施例中金属元件和天线元件之间的距离的一种可选距离。从仿真结果可以看出，随着距离缩小，天线增益不断提升，距离在7mm以内时，距离越小，天线增益的提升越明显。

在本发明的一些实施例中，金属元件和天线元件在长度方向上分别对应的垂直中心线之间的距离大于或等于0，且小于或等于20mm。需要说明的是，金属元件和天线元件在长度方向上分别对应的垂直中心线之间的距离为0mm至20mm之间时该金属元件对天线元件的上半球方向图中波束宽度的改善更明显，但是本发明实施例提供的天线设备中金属元件和天线元件在长度方向上分别对应的垂直中心线之间的距离也可以不局限于上述距离范围，例如，金属元件和天线元件在长度方向上分别对应的垂直中心线之间的距离也可以等于22mm，或者金属元件和天线元件在长度方向上分别对应的垂直中心线之间的距离等于25mm，在这些情况下，本发明实施例中金属元件和天线元件之间只要存在相间隔的预置距离即可实现对天线元件的上半球方向图中波束宽度的改善。接下来以天线元件具体为GPS天线为例进行说明，在该GPS天线对应的频段下，λ＝190mm。在接下来所示的图5-d和图5-e中以金属元件的宽度为40mm，金属元件的长度为47mm，金属元件和天线元件之间的相间隔的距离为5mm时，对金属元件和天线元件在长度方向上分别对应的垂直中心线之间的距离进行多次调整所得到的天线增益曲线，如图5-d所示，为本发明实施例中天线元件的增益随金属元件和天线元件在长度方向上分别对应的垂直中心线之间的距离左移变化时的增益曲线示意图，金属元件与天线元件的相对位置左移时，图5-d中0mm代表初始时金属元件和天线元件对齐的位置，从仿真结果可以看出，随着金属元件向左偏移，天线增益略有下降，但幅度较小。如图5-e所示，为本发明实施例中金属元件和天线元件在长度方向上分别对应的垂直中心线之间的距离左移的位置关系图，其中，A1表示天线元件在长度方向上的垂直中心线，A2表示金属元件在长度方向上的垂直中心线，则A1 和A2之间相隔的距离用W表示，则当W＝0mm代表金属元件和天线元件对齐，金属元件可以相对于天线元件向左平移，则该W的取值不断增大。

如图5-f所示，为本发明实施例中天线元件的增益随金属元件和天线元件在长度方向上分别对应的垂直中心线之间的距离右移变化时的增益曲线示意图。金属元件与天线元件的相对位置右移时，图5-f中0mm代表初始时金属元件和天线元件对齐的位置，从仿真结果可以看出，随着金属元件向右偏移，天线增益略有下降，但幅度较小。

在本发明的一些实施例中，金属元件和天线元件相对于基板所在平面的高度差大于或等于0，且小于或等于5mm。需要说明的是，金属元件和天线元件相对于基板所在平面的高度差为0mm至5mm之间时该金属元件对天线元件的上半球方向图中波束宽度的改善更明显，但是本发明实施例提供的天线设备中金属元件和天线元件相对于基板所在平面的高度差也可以不局限于上述高度范围。例如，金属元件和天线元件相对于基板所在平面的高度差也可以等于6mm，或者金属元件和天线元件相对于基板所在平面的高度差等于8mm，在这些情况下，本发明实施例中只需要保证金属元件和天线元件之间存在距离的间隔即可实现对天线元件的上半球方向图中波束宽度的改善。

接下来以天线元件具体为GPS天线为例进行说明，在该GPS天线对应的频段下，λ＝190mm。如图6-a所示，为本发明实施例中另一种天线元件的增益随金属元件的长度(参考图1，用“L”表示)变化时的增益曲线示意图，其中NG代表长度为0(表示表示无金属元件)，在图6-a中以金属元件的宽度为30mm，金属元件和天线元件之间的相间隔的距离为5mm时对金属元件的长度进行多次调整所得到的天线增益曲线，例如30mm为本发明实施例中金属元件的一种可选长度。从仿真结果可以看出，随着金属元件的长度增长，天线增益不断提升，但在长度达到75mm时，天线增益开始下降，因此为达到最佳效果，金属元件的长度可以为大于或等于0.25λ，且小于或等于0.5λ。

如图6-b所示，为本发明实施例中另一种天线元件的增益随金属元件的宽度(参考图1，用“B”表示)变化时的增益曲线示意图，在图6-b中以金属元件的长度为30mm，金属元件和天线元件之间的相间隔的距离为5mm时对金属元件的宽度进行多次调整所得到的天线增益曲线，例如其中NG代表长度为0(表示表示无金属件)，30mm为本发明实施例中金属元件的一种可选宽度。 从仿真结果可以看出，随着宽度增加，天线增益不断提升，但在宽度达到65mm时，天线增益开始出现下降趋势

如图6-c所示，为本发明实施例中另一种天线元件的增益随金属元件和天线元件之间的距离(参考图1，用“H”表示)变化时的增益曲线示意图，在图6-c中以金属元件的宽度为30mm，金属元件的长度为30mm时对金属元件和天线元件之间相间隔的距离进行多次调整所得到的天线增益曲线，例如其中NG代表长度为0(表示无金属元件)，5mm为本发明实施例中金属元件和天线元件之间的距离的一种可选距离。从仿真结果可以看出，随着距离缩小，天线增益不断提升，距离在7mm以内时，距离越小，天线增益的提升越明显。但是相比金属元件的尺寸47*40mm，间距对于天线增益提升的效果减弱很多。

如图7-a所示，为本发明实施例中另一种天线元件的增益随金属元件的长度(参考图1，用“L”表示)变化时的增益曲线示意图，其中NG代表长度为0(表示无金属元件)，在图7-a中以金属元件的宽度为50mm，金属元件和天线元件之间的相间隔的距离为5mm时对金属元件的长度进行多次调整所得到的天线增益曲线，例如60mm为本发明实施例中金属元件的一种可选长度。从仿真结果可以看出，随着金属元件的长度增长，天线增益不断提升，但在长度达到75mm时，天线增益开始下降，因此为达到最佳效果，金属元件的长度可以为大于或等于0.25λ，且小于或等于0.5λ。

如图7-b所示，为本发明实施例中另一种天线元件的增益随金属元件的宽度(参考图1，用“B”表示)变化时的增益曲线示意图，在图7-b中以金属元件的长度为60mm，金属元件和天线元件之间的相间隔的距离为5mm时对金属元件的宽度进行多次调整所得到的天线增益曲线，例如其中NG代表长度为0(表示无金属件)，50mm为本发明实施例中金属元件的一种可选宽度。从仿真结果可以看出，随着宽度增加，天线增益不断提升，但在宽度达到65mm时，天线增益开始出现下降趋势

如图7-c所示，为本发明实施例中另一种天线元件的增益随金属元件和天线元件之间的距离(参考图1，用“H”表示)变化时的增益曲线示意图，在图7-c中以金属元件的宽度为50mm，金属元件的长度为60mm时对金属元件和天线元件之间相间隔的距离进行多次调整所得到的天线增益曲线，例如其中NG代表长度为0(表示无金属元件)，5mm为本发明实施例中金属元件和天 线元件之间的距离的一种可选距离。从仿真结果可以看出，随着距离缩小，天线增益不断提升，距离在7mm以内时，距离越小，天线增益的提升越明显。

在本发明的前述应用场景中，通过多种不同的应用场景分别对金属元件的不同尺寸规格以及金属元件和天线元件之间相间隔的距离进行了详细说明，可以理解的是，上述实施例是在具体的应用场景下对天线增益的效果进行了举例说明，在金属元件的其它尺寸规格以及金属元件和天线元件之间相间隔的距离下天线增益的变化曲线需要进行具体应用场景下的仿真。

需要说明的是，在前述实施例中对金属元件、天线元件的尺寸、位置、相对关系进行了进一步的举例说明，不限定的是，在本发明实施例中需要根据具体的应用场景来设置天线设备中的金属元件和天线元件，例如需要根据天线设备的整体尺寸大小来灵活设置金属元件的长度和宽度、金属元件和天线元件之间间隔的距离等。

在本发明的一些实施例中，金属元件的接地点固定在基板的焊盘上，接地点位于金属元件靠近天线元件的一侧。具体的，金属元件的接地点需在靠近天线元件的一侧，金属元件有接地点连接到基板的焊盘上，即金属元件有线缆与基板进行接地。当金属元件的接地点位于金属元件靠近天线元件的一侧时，金属元件产生的第一反向电流要大于金属元件的接地点远离天线元件一侧时的情形。

在本发明的一些实施例中，金属元件具体可以为设置在基板上的电池组件。即本发明实施例中金属元件可以通过电池组件中的电池金属壳来实现，从而利用天线设备中已有的电池组件完成本发明实施例中金属元件的功能，而不需要额外增加器件。不限定的是，本发明实施例中，金属元件可以不局限于上述电池组件，该金属元件还可以利用在天线设备中已有的其它可以实现耦合感应的金属件来完成。本发明实施例提供的天线设备中通过直接利用金属元件可有效改善天线上半球波束宽度，以及天线增益，可有效增强天线接收性能，同时不会增加多余器件。

在本发明的一些实施例中，基板具体可以为印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)。不限定的是，本发明实施例中基板作为电子部件，只要能够实现电子元器件的支撑作用和实现电子元器件电气连接的连接作用都可以作为本发明实施例提供的天线设备中的基板。

需要说明的是，对于前述的各装置实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的元件组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的组成顺序结构的限制，其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

为便于更好的实施本发明实施例的上述方案，下面还提供用于实施上述方案的相关方法。其中，一种用于天线设备的波束方向调整方法中，天线设备包括：天线元件、金属元件和基板，方法包括如下步骤：

在基板上分别设置天线元件和金属元件，且使得金属元件和天线元件在基板上相间隔预置的距离，在靠近天线元件的金属元件的侧部位置耦合出与天线元件产生的天线电流的方向相反的第一反向电流，且在与基板相接触的金属元件的下部位置耦合出与基板产生的基板电流的方向相反的第二反向电流，以使天线元件的上半球方向图通过第一反向电流和天线电流的综合和第二反向电流和基板电流的综合，实现波束宽度的增加。

在本发明的一些实施例中，上述方法还包括：调整金属元件的长度为大于或等于0.25λ，且小于或等于0.5λ，λ为第一频率对应的波长。

在本发明的一些实施例中，上述方法还包括：调整金属元件的宽度为大于或等于0.25λ，且小于或等于0.5λ，所述λ为所述第一频率对应的波长。

在本发明的一些实施例中，上述方法还包括：调整金属元件和天线元件在基板上间隔的距离为小于或等于7mm。

在本发明的一些实施例中，上述方法还包括：调整金属元件和天线元件在长度方向上分别对应的垂直中心线之间的距离为大于或等于0，且小于或等于20mm。

在本发明的一些实施例中，上述方法还包括：调整金属元件和天线元件相对于基板所在平面的高度差为大于或等于0，且小于或等于5mm。

需要说明的是，上述方法中各步骤的执行过程等内容，由于与本发明装置实施例基于同一构思，其带来的技术效果与本发明装置实施例相同，具体内容可参见本发明前述所示的装置实施例中的叙述，此处不再赘述。

通过前述对本发明实施例的举例说明可知，天线设备包括：天线元件、金属元件和基板，其中，天线元件和金属元件分别设置在基板上，金属元件和天 线元件在基板上相间隔预置的距离，天线元件至少工作在第一频率。由于本发明实施例提供的天线设备中在基板上设置有金属元件，且金属元件的接地点固定在基板的焊盘上，接地点位于金属元件靠近天线元件的一侧，该金属元件和天线元件在基板上相互间隔开，而金属元件能够耦合出相对于天线元件产生的天线电流的第一反向电流，该金属元件同时可以在金属元件上耦合出相对于基板产生的基板电流的第二反向电流，通过金属元件产生的第一反向电流、第二反向电流分别和天线电流和基板电流进行综合，从而减弱天线元件在上半球方向图以外的周围方向上的波束宽度，使得天线元件的上半球方向图的波束宽度得到有效扩展，对天线的上半球方向图可以做到有效改善。本发明实施例中只需要在天线设备中部署一金属元件即可，不需要各种复杂的馈电系统，因此不会增大天线设备的体积。

另外需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过专用硬件包括专用集成电路、专用CPU、专用存储器、专用元器件等来实现。一般情况下，凡由计算机程序完成的功能都可以很容易地用相应的硬件来实现，而且，用来实现同一功能的具体硬件结构也可以是多种多样的，例如模拟电路、数字电路或专用电路等。但是，对本发明而言更多情况下软件程序实现是更佳的实施方式。

综上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (14)

1. 一种天线设备，其特征在于，包括：天线元件、金属元件和基板，其中，

   所述天线元件和所述金属元件分别设置在所述基板上，且所述金属元件和所述天线元件在所述基板上相间隔预置的距离；

   所述天线元件至少工作在第一频率，且所述金属元件的接地点固定在所述基板的焊盘上，所述接地点位于所述金属元件靠近所述天线元件的一侧；

   在靠近所述天线元件的所述金属元件的侧部位置耦合出与所述天线元件产生的天线电流的方向相反的第一反向电流，且在与所述基板相接触的所述金属元件的下部位置耦合出与所述基板产生的基板电流的方向相反的第二反向电流，以使所述天线元件的上半球方向图通过所述第一反向电流和所述天线电流的综合和所述第二反向电流和所述基板电流的综合，实现波束宽度的增加。
2. 根据权利要求1所述的天线设备，其特征在于，所述金属元件的长度为大于或等于0.25λ，且小于或等于0.5λ，所述λ为所述第一频率对应的波长。
3. 根据权利要求1所述的天线设备，其特征在于，所述金属元件的宽度为大于或等于0.25λ，且小于或等于0.5λ，所述λ为所述第一频率对应的波长。
4. 根据权利要求1所述的天线设备，其特征在于，所述金属元件和所述天线元件在所述基板上间隔的距离小于或等于7mm。
5. 根据权利要求1所述的天线设备，其特征在于，所述金属元件和所述天线元件在长度方向上分别对应的垂直中心线之间的距离大于或等于0，且小于或等于20mm。
6. 根据权利要求1所述的天线设备，其特征在于，所述金属元件和所述天线元件相对于所述基板所在平面的高度差大于或等于0，且小于或等于5mm。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的天线设备，其特征在于，所述金属元件为设置在所述基板上的电池组件。
8. 根据权利要求1至6中任一项所述的天线设备，其特征在于，所述基板为印制电路板PCB。
9. 一种用于天线设备的波束方向调整方法，其特征在于，所述天线设备包括：天线元件、金属元件和基板，所述天线元件至少工作在第一频率，且所 述金属元件的接地点固定在所述基板的焊盘上，所述接地点位于所述金属元件靠近所述天线元件的一侧；

   所述方法包括如下步骤：

   在所述基板上分别设置所述天线元件和所述金属元件，且使得所述金属元件和所述天线元件在所述基板上相间隔预置的距离，在靠近所述天线元件的所述金属元件的侧部位置耦合出与所述天线元件产生的天线电流的方向相反的第一反向电流，且在与所述基板相接触的所述金属元件的下部位置耦合出与所述基板产生的基板电流的方向相反的第二反向电流，以使所述天线元件的上半球方向图通过所述第一反向电流和所述天线电流的综合和所述第二反向电流和所述基板电流的综合，实现波束宽度的增加。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：调整所述金属元件的长度为大于或等于0.25λ，且小于或等于0.5λ，所述λ为所述第一频率对应的波长。
11. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：调整所述金属元件的宽度为大于或等于0.25λ，且小于或等于0.5λ，所述λ为所述第一频率对应的波长。
12. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：调整所述金属元件和所述天线元件在所述基板上间隔的距离为小于或等于7mm。
13. 根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：调整所述金属元件和所述天线元件在长度方向上分别对应的垂直中心线之间的距离为大于或等于0，且小于或等于20mm。
14. 根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：调整所述金属元件和所述天线元件相对于所述基板所在平面的高度差为大于或等于0，且小于或等于5mm。