CN108023167A - 天线结构及应用该天线结构的无线通信装置 - Google Patents

天线结构及应用该天线结构的无线通信装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种天线结构，包括金属件，所述金属件上开设有至少一开槽，所述至少一开槽将所述金属件至少划分为间隔设置的第一结合部及第二结合部；馈入部，所述馈入部馈入电流信号至所述第一结合部；接地部，所述接地部为所述第一结合部提供接地；以及辐射体，所述辐射体用以馈入电流信号至所述第二结合部；其中，所述第一结合部、馈入部以及接地部构成所述天线结构的第一天线，用以激发第一模态以产生第一频段的辐射信号，所述第二结合部及所述辐射体构成所述天线结构的第二天线，用以激发第二模态以产生第二频段的辐射信号。该天线结构可实现多频段的操作频宽并达到LTE载波聚合的需求。本发明还提供一种应用该天线结构的无线通信装置。

Description

天线结构及应用该天线结构的无线通信装置
技术领域
本发明涉及一种天线结构及应用该天线结构的无线通信装置。
背景技术
随着无线通信技术的进步，无线通信装置不断朝向轻薄趋势发展，消费者对于产品外观的要求也越来越高。由于金属壳体在外观、机构强度、散热效果等方面具有优势，因此越来越多的厂商设计出具有金属壳体的无线通信装置来满足消费者的需求。但是，金属壳体容易干扰遮蔽设置在其内的天线所辐射的信号，不容易达到宽频设计，导致内置天线的辐射性能不佳。而且随着长期演进(Long Term Evolution，LTE)技术的不断发展，天线的频宽不断增加。因此，如何利用金属壳体设计出具有较宽频宽的天线，是天线设计面临的一项重要课题。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种结合金属壳体设计的天线结构。
另，有必要提供一种应用该天线结构的无线通信装置。
一种天线结构，包括：
金属件，所述金属件上开设有至少一开槽，所述至少一开槽将所述金属件至少划分为间隔设置的第一结合部及第二结合部；
馈入部，所述馈入部电连接至所述第一结合部，并馈入电流信号至所述第一结合部；
接地部，所述接地部电连接至所述第一结合部，并为所述第一结合部提供接地；以及
辐射体，所述辐射体用以与所述第二结合部电连接，并馈入电流信号至所述第二结合部；
其中，所述第一结合部、馈入部以及接地部构成所述天线结构的第一天线，用以激发第一模态以产生第一频段的辐射信号，所述第二结合部及所述辐射体构成所述天线结构的第二天线，用以激发第二模态以产生第二频段的辐射信号。
一种无线通信装置，包括上述天线结构。
上述天线结构通过在所述金属件上设置二个开槽，以将所述金属件划分为三个结合部，其中一个结合部构成天线结构的第一天线，以产生多频段的操作频宽，并通过所述第一切换电路的设置，使得低频频段的频率可调整，进而涵盖至GSM/WCDMA/LTE系统多频带的操作。另外，所述天线结构还将另外一个结合部作为第二天线，以达到LTE载波聚合的需求。
附图说明
图1为本发明第一较佳实施例具有天线结构的无线通信装置的示意图。
图2为图1无线通信装置另一角度下的示意图。
图3为图1所示天线结构中第一切换电路的电路图。
图4为图1所示天线结构中第一匹配电路的电路图。
图5为图1所示天线结构中第二匹配电路的电路图。
图6为图1所示天线结构的S参数(散射参数)曲线图。
图7为图1所示天线结构的辐射效率曲线图。
图8为图1所示天线结构利用载波聚合技术工作于LTE Band5频段及Band7频段的S参数(散射参数)曲线图。
图9为本发明第二较佳实施例具有天线结构的无线通信装置的示意图。
图10-12为图9所示天线结构利用载波聚合技术工作于LTE Band5频段及Band7频段的S参数(散射参数)曲线图。
主要元件符号说明
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参阅图1及图2，本发明第一较佳实施方式提供一种天线结构100，其应用于移动电话、个人数字助理等无线通信装置200中，用以发射、接收无线电波以传递、交换无线信号。
该无线通信装置200还包括基板21。该基板21可采用环氧树脂玻璃纤维(FR4)等介电材质制成。所述基板21上设置有第一馈入点211、第二馈入点212以及接地点213。该第一馈入点211及第二馈入点212间隔设置于所述基板21上，用于为天线结构100馈入电流。该接地点213设置于所述第一馈入点211与第二馈入点212之间，用于为天线结构100提供接地。所述基板21上还设置有净空区215。该净空区215设置于所述基板21的一侧。所述净空区215是指基板21上无导体存在的区域，用以防止外在环境中的电子组件如电池、振动器、喇叭、电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)等对天线结构100产生干扰，造成其工作频率偏移或辐射效率变低。在本实施例中，所述净空区215的尺寸大致为74*5mm2。
所述天线结构100包括金属件11、馈入部12、接地部13、第一切换电路15以及辐射体16。该金属件11为无线通信装置200的外观件，如金属边框。在本实施例中，该金属件11为一框体结构，包括第一边框111、第二边框112、第三边框113以及第四边框114。该第一边框111与第四边框114相对且相互平行设置。所述第二边框112与第三边框113相对且相互平行设置，且分别连接至该第一边框111及第四边框114的两端。所述第一边框111、第二边框112、第三边框113以及第四边框114共同围绕所述基板21设置，且所述第一边框111临近所述净空区215设置。
该第一边框111上开设有二个开槽，即第一开槽116及第二开槽117。该第一开槽116与第二开槽117的宽度可以为0.8-2.0mm。在本实施例中，该第一开槽116及第二开槽117的宽度均为1.5mm。该第一开槽116与第二开槽117将所述金属件11划分为相互间隔设置的三个结合部。其中所述第一开槽116与第二开槽117之间的金属件11构成第一结合部1111。所述第二开槽117远离所述第一结合部1111一侧的金属件11构成第二结合部1113。所述第一开槽116远离所述第一结合部1111一侧的金属件11构成第三结合部1115。在本实施例中，所述第二结合部1113及第三结合部1115分别通过至少一个接地点电连接至所述基板21的接地面，进而为所述天线结构100提供接地。
所述馈入部12临近所述第一开槽116设置。所述馈入部12的一端可通过一天线分离滤波器(图未示)电连接至所述第一馈入点211，另一端电连接至所述第一结合部1111。所述接地部13的一端电连接至所述接地点213，另一端电连接至所述第一结合部1111。如此，当电流从所述第一馈入点211馈入后，将通过所述馈入部12流入所述第一结合部1111，再通过所述接地部13流入所述接地点213，进而使得所述第一结合部1111构成所述天线结构100的第一天线A1，进而激发一第一模态以产生第一频段的辐射信号。本实施例中，所述第一模态为一低频模态。请一并参阅图3，所述第一切换电路15包括切换单元151及至少一切换元件153。在本实施例中，所述第一切换电路15包括三个切换元件153。所述三个切换元件153均为电感，且电感值分别为9nH、12nH、22nH。所述切换单元151电连接至所述接地部13。所述切换元件153之间相互并联，且其一端电连接至所述切换单元151，另一端接地。如此，通过控制所述切换单元151的切换，可使得所述第一结合部1111切换至不同的切换元件153。由于每一个切换元件153具有不同的电感，因此通过所述切换单元151的切换，可调整所述第一天线A1的第一模态的第一频段。
例如，当所述切换单元151切换至电感值为9nH的切换元件153时，所述天线结构100可工作于Band8频段(880-960MHz)。当所述切换单元151切换至电感值为12nH的切换元件153时，所述天线结构100可工作于LTE Band5频段(824-894MHz)。当所述切换单元151切换至电感值为22nH的切换元件153时，所述天线结构100可工作于Band17频段(704-746MHz)。
当然，可以理解的是，所述切换元件153不局限于上述所述的电感，其还可以为电容或者电感与电容的组合。另外，所述切换元件153的数量亦不局限为三个，其数量可根据实际情况进行调整。
请再次参阅图2，所述辐射体16临近所述第二结合部1113设置，且设置于所述净空区215上方。所述辐射体16包括馈入段161、辐射部163及接地段165。所述馈入段161大致呈矩形条状，其设置于与所述基板21相垂直的平面内。所述馈入段161的一端可通过馈线、金属弹片、探针等连接元件电连接至所述第二馈入点212，另一端电连接至所述辐射部163，用以馈入电流至所述辐射部163。所述辐射部163整体设置于与所述基板21相平行的平面内。所述辐射部163包括第一辐射段166、第二辐射段167、第三辐射段168以及第四辐射段169。所述第一辐射段166大致呈矩形条状。所述第一辐射段166的一端垂直连接至所述馈入段161。所述第一辐射段161的另一端沿平行所述第一边框111且朝向所述第二边框112的方向延伸，直至与所述第二边框112连接。所述第二辐射段167大致呈矩形条状。所述第二辐射段167垂直连接至所述第一辐射段166靠近所述第二边框112的一侧。所述第二辐射段167的另一端沿平行所述第二边框112且靠近所述第一边框111的方向延伸。所述第三辐射段168的一端垂直连接至所述第二辐射段167远离所述第一辐射段166的端部，另一端沿平行所述第一辐射段166且靠近所述第三边框113的方向延伸。所述第四辐射段169大致呈矩形条状。所述第四辐射段169的一端垂直连接至所述第三辐射段168远离所述第二辐射段167的一端，另一端沿平行所述第二辐射段167且靠近所述第一边框111的方向延伸，直至与所述第一边框111靠近所述第二开槽117的一端电连接。
所述接地段165设置于与所述基板21相垂直的平面内。所述接地段165的一端电连接至所述第一辐射段166靠近所述第二边框112的一端，另一端可通过一匹配电路(图未示)接地。如此，当电流从所述第二馈入点212馈入后，将通过所述馈入段161流入所述辐射部163，再通过所述接地段165接地，进而使得所述第二结合部1113及所述辐射体16构成所述天线结构100的第二天线A2，并激发一第二模态以产生第二频段的辐射信号。本实施例中，所述第二模态为一高频模态。可以理解，所述匹配电路用于调整所述天线结构100的阻抗匹配。
可以理解，在其他实施例中，所述第一馈入点211还可通过第一匹配电路23电连接至所述馈入部12。所述第二馈入点212可通过第二匹配电路25电连接至所述辐射体16。
其中，请一并参阅图4，在本实施例中，所述第一匹配电路23包括第一匹配元件231及第二匹配元件233。其中所述第一匹配元件231的一端电连接至所述第一馈入点211，另一端电连接至所述第二匹配元件233的一端及所述馈入部12。所述第二匹配元件233的另一端接地。在本实施例中，所述第一匹配元件231为一电容，其电容值为1.5pF。所述第二匹配元件233为一电感，其电感值为16nH。当然，在其他实施例中，所述第一匹配元件231不局限于上述所述的电容，其还可以为电感或者电感与电容的组合。同样，所述第二匹配元件233不局限于上述所述的电感，其还可以为电容或者电感与电容的组合。
请一并参阅图5，在本实施例中，所述第二匹配电路25包括第三匹配元件251及第四匹配元件253。其中所述第三匹配元件251的一端电连接至所述第二馈入点212，另一端电连接至所述第四匹配元件253的一端及所述辐射体16。所述第四匹配元件253的另一端接地。在本实施例中，所述第三匹配元件251为一电感，其电感值为8nH。所述第四匹配元件253为一电容，其电容值为500fF。当然，在其他实施例中，所述第三匹配元件251不局限于上述所述的电感，其还可以为电容或者电感与电容的组合。同样，所述第四匹配元件253不局限于上述所述的电容，其还可以为电感或者电感与电容的组合。
请一并参阅图6，为所述天线结构100的S参数(散射参数)曲线图。其中曲线S41为所述天线结构100中第一切换电路15切换至电感值为9nH的切换元件153时的S11值。曲线S42为所述天线结构100中第一切换电路15切换至电感值为12nH的切换元件153时的S11值。曲线S43为所述天线结构100中第一切换电路15切换至电感值为22nH的切换元件153时的S11值。显然，当所述第一切换电路15切换至不同的切换元件153时，所述天线结构100可工作于不同的低频频段，例如Band8频段(880-960MHz，对应于GSM900)、LTE Band5频段(824-894MHz，对应于GSM850)、Band17频段(704-746MHz，BTE band17)。另外，所述天线结构100于相应的高频频段，例如GSM1800/1900、UMTS2100、LTE Band7，亦可满足天线设计要求。
请一并参阅图7，为所述天线结构100的辐射效率曲线图。其中曲线S51为所述天线结构100中第一切换电路15切换至电感值为9nH的切换元件153时的辐射效率。曲线S52为所述天线结构100中第一切换电路15切换至电感值为12nH的切换元件153时的辐射效率。曲线S53为所述天线结构100中第一切换电路15切换至电感值为22nH的切换元件153时的辐射效率。显然，所述天线结构100可通过所述第一切换电路15的切换，而完整涵盖目前常用的GSM/WCDMA/LTE等通信系统所需要的系统频宽，符合天线设计需求，且具有较佳的辐射效率，例如天线辐射效率均在45％以上。
如上述所述，所述天线结构100通过所述第一馈入点211馈入电流信号至所述第一结合部1111，以构成第一天线A1，进而产生多频段的操作频宽，并通过所述第一切换电路15的切换，使得所述天线结构100涵盖至GSM/WCDMA/LTE系統。再者，所述天线结构100通过所述第二天线A2的设置，可达到长期演进技术升级版(LTE-Advanced)的载波聚合(CA，Carrier Aggregation)的需求，例如Band3+Band7频段、Band20+Band7频段等。即所述无线通信装置200可以使用所述载波聚合技术并使用第一天线A1及第二天线A2同时在多个不同频段接收或发送无线信号。
请一并参阅图8，为所述天线结构100利用所述载波聚合技术工作于LTE Band5频段及Band7频段的S参数(散射参数)曲线图。其中曲线S61为所述天线结构100中第一切换电路15切换至电感值为12nH的切换元件153时所述第一天线A1的S11值。曲线S62为所述天线结构100中所述接地段165通过一电容值为0.8pf的电容接地时所述第二天线A2的S11值。曲线S63为所述天线结构100同时工作于LTE Band5频段及Band7频段时的隔离度。显然，当所述无线通信装置200使用所述载波聚合技术同时在两个不同频段(LTE Band5频段及Band7频段)接收或发送无线信号时，其隔离度低于-10dB，符合天线的设计要求。
可以理解，在其他实施例中，所述第二天线A2中的接地段165还可接入相应的第二切换电路(图未示)。所述第二切换电路的结构及功能可与所述第一切换电路15一致，在此不再赘述。如此，通过所述第二切换电路的切换，可使得所述第二天线A2工作在不同的频段，并实现不同频段的组合。例如，通过所述第二切换电路的切换，可使得所述第二天线A2仅工作在GPS频段。通过所述第二切换电路的切换，可使得所述第二天线A2仅工作在BT频段或WIFI频段。通过所述第二切换电路的切换，可调整所述第二模态的第二频段，使得所述第二天线A2工作在GPS频段及Band7频段。通过所述第二切换电路的切换，可使得所述第二天线A2工作在GPS频段及BT频段或GPS频段及WIFI频段。
请一并参阅图9，为本发明第二较佳实施方式提供的无线通信装置400，其与所述无线通信装置200的区别在于，所述无线通信装置400还包括第三天线A3及第四天线A4。所述第三天线A3及第四天线A4与所述第一天线A1及第二天线A2相对设置，即所述第三天线A3及第四天线A4设置于所述无线通信装置400的另一端。在本实施例中，所述第三天线A3的结构与所述第一天线A1的结构一致，所述第四天线A4的结构与第二天线A2的结构一致，在此不再赘述。
在本实施例中，所述第一天线A1为主天线，所述第三天线A3为分集(diversity)天线。请一并参阅图10-12，为所述天线结构300利用所述载波聚合技术工作于LTE Band5频段及LTE Band7频段的S参数(散射参数)曲线图。其中曲线S81、S91、S101为所述天线结构300中第三天线A3切换至LTE Band5频段时的S11值。曲线S82、S92、S102为所述天线结构300中第四天线A4工作于LTE Band7频段时的S11值。曲线S83、S93、S103为所述天线结构300中第一天线A1切换至LTE Band5频段时的S11值。曲线S84、S94、S104为所述天线结构300中第二天线A2工作于LTE Band7频段时的S11值。曲线S85为所述天线结构300中第一天线A1与第三天线A3之间的隔离度。曲线S86为所述天线结构300中第三天线A3与第四天线A4之间的隔离度。曲线S87为所述天线结构300中第二天线A2与第三天线A3之间的隔离度。曲线S95为所述天线结构300中第一天线A1与第二天线A2之间的隔离度。曲线S96为所述天线结构300中第一天线A1与第四天线A4之间的隔离度。曲线S105为所述天线结构300中第二天线A2与第四天线A4之间的隔离度。
显然，当所述无线通信装置400使用所述载波聚合技术同时在两个不同的频段(LTE Band5频段及Band7频段)接收或发送无线信号时，每两个不同的天线之间的隔离度均低于-10dB，符合天线的设计要求。
可以理解，在其他实施例中，还可将所述第三天线A3设置为分集天线，而所述第四天线A4设置为GPS天线，并通过设置一双工器(图未示)来实现信号的分离。
本发明的天线结构100/300通过在所述金属件11上设置二个开槽，以将所述金属件11划分为三个结合部，其中一个结合部构成天线结构100的第一天线，以产生多频段的操作频宽，并通过所述第一切换电路15的设置，使得低频频段的频率可调整，进而涵盖至GSM/WCDMA/LTE系统多频带的操作。另外，所述天线结构100/300还将另外一个结合部作为第二天线，以达到LTE载波聚合的需求。
以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化等用在本发明的设计，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (11)

1.一种天线结构，其特征在于：所述天线结构包括：
金属件，所述金属件上开设有至少一开槽，所述至少一开槽将所述金属件至少划分为间隔设置的第一结合部及第二结合部；
馈入部，所述馈入部电连接至所述第一结合部，并馈入电流信号至所述第一结合部；
接地部，所述接地部电连接至所述第一结合部，并为所述第一结合部提供接地；以及
辐射体，所述辐射体用以与所述第二结合部电连接，并馈入电流信号至所述第二结合部；
其中，所述第一结合部、馈入部以及接地部构成所述天线结构的第一天线，用以激发第一模态以产生第一频段的辐射信号，所述第二结合部及所述辐射体构成所述天线结构的第二天线，用以激发第二模态以产生第二频段的辐射信号。
2.如权利要求1所述的天线结构，其特征在于：所述金属件包括第一边框、第二边框、第三边框及第四边框，所述第一边框与第四边框相对且相互平行设置，所述第二边框与第三边框相对且相互平行设置，且分别连接至所述第一边框及第四边框的两端，所述至少至少一开槽包括第一开槽及第二开槽，所述第一开槽及第二开槽开设于所述第一边框上，所述第一开槽与第二开槽之间的金属件构成第一结合部，所述第二开槽远离所述第一结合部一侧的金属件构成所述第二结合部，所述第一开槽远离所述第一结合部一侧的金属件还构成第三结合部，所述第二结合部及第三结合部均接地。
3.如权利要求1所述的天线结构，其特征在于：所述天线结构还包括第一切换电路，所述第一切换电路包括切换单元及至少一切换元件，所述切换单元电连接至所述接地部，所述切换元件之间相互并联，且其一端电连接至所述切换单元，另一端接地，通过控制所述切换单元的切换，使得所述切换单元切换至不同的切换元件，进而调整所述第一频段。
4.如权利要求2所述的天线结构，其特征在于：所述辐射体包括馈入段、辐射部及接地段，所述馈入段电连接至所述辐射部，用以馈入电流至所述辐射部，所述辐射部设置于与所述馈入段垂直的平面内，所述辐射部包括第一辐射段、第二辐射段、第三辐射段以及第四辐射段，所述第一辐射段的一端垂直连接至所述馈入段，所述第一辐射段的另一端沿平行所述第一边框且朝向所述第二边框的方向延伸，直至与所述第二边框连接，所述第二辐射段垂直连接至所述第一辐射段靠近所述第二边框的一侧，所述第二辐射段的另一端沿平行所述第二边框且靠近所述第一边框的方向延伸，所述第三辐射段的一端垂直连接至所述第二辐射段远离第一辐射段的端部，另一端沿平行所述第一辐射段且靠近所述第三边框的方向延伸，所述第四辐射段的一端垂直连接至所述第三辐射段远离第二辐射段的一端，另一端沿平行所述第二辐射段且靠近所述第一边框的方向延伸，直至与所述第一边框靠近所述第二开槽的一端电连接，所述接地段的一端电连接至所述第一辐射段靠近所述第二边框的一端，另一端接地。
5.如权利要求4所述的天线结构，其特征在于：所述天线结构还包括第二切换电路，所述第二切换电路电连接至所述接地段，用以调整所述第二频段。
6.如权利要求4所述的天线结构，其特征在于：所述天线结构还包括匹配电路，所述匹配电路电连接至所述接地段，用以调整所述第二天线的阻抗匹配。
7.如权利要求4所述的天线结构，其特征在于：所述天线结构还包括第三天线及第四天线，所述第三天线及第四天线与所述第一天线及第二天线相对设置，且临近所述第四边框设置，所述第三天线的结构与所述第一天线的结构一致，所述第四天线的结构与第二天线的结构一致。
8.如权利要求7所述的天线结构，其特征在于：所述第一天线为主天线，所述第三天线为分集天线。
9.如权利要求7所述的天线结构，其特征在于：所述第三天线为分集天线，所述第四天线为GPS天线，所述第三天线与第四天线均电连接至一双工器，进而实现信号的分离。
10.一种无线通信装置，包括如权利要求1-9中任意一项所述的天线结构。
11.如权利要求10所述的无线通信装置，其特征在于：所述无线通信装置还包括基板，所述金属件围绕所述基板设置，所述基板上设置有第一馈入点、第二馈入点及接地点，所述第一馈入点电连接至所述馈入部，所述第二馈入点电连接至所述辐射体，所述接地点电连接至所述接地部。
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