CN108258408A - 一种用于通信的天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通信的天线，包括：基板：具有顶表面以及与顶表面相对的底表面；顶部天线层：设置在顶表面上，包括从顶表面上同一个节点引出且向外发散设置的第一条形电极、第二条形电极和第三条形电极；底部天线层：设置在底表面上，并且通过同轴馈电点穿过基板与顶部天线层连接。本发明与传统的多频终端天线相比，有更优的增益特性，而且能实现宽带特性而不是点频，并且又有着更小的尺寸，结构简单容易实现。

Description

一种用于通信的天线

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其是涉及一种用于通信的天线。

背景技术

随着4G通信(其主要通信频率范围为700MHz-2700MHz)的普及，对用于移动通信的天线提出了宽频化、小尺寸、性能稳定等要求。

传统的微带天线(例如，单极子天线)只能实现大约1％的带宽，属于点频天线，因此难以直接应用在要求宽频的移动通信中。手机天线是另一种广泛使用的天线，然而，为了增加带宽，导致其天线结构不仅复杂度急剧增加，而且还受限于手机整体结构和PCB金属环境，同时还无法保证全频段的一致性。

因此，需要一种适用于移动通信的宽频化、小尺寸、性能稳定等要求且结构简单的天线。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于通信的天线。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于通信的天线，包括：

基板：具有顶表面以及与顶表面相对的底表面；

顶部天线层：设置在顶表面上，包括从顶表面上同一个节点引出且向外发散设置的第一条形电极、第二条形电极和第三条形电极；

底部天线层：设置在底表面上，并且通过同轴馈电点穿过基板与顶部天线层连接。

优选地，所述的第一条形电极和第二条形电极均呈L形，所述的第三条形电极呈直条形，所述的第一条形电极的第一端、第二条形电极的第一端以及第三条形电极的第一端在节点处连结。

优选地，所述的第一条形电极的第二端与第二条形电极的第二端均指向第一方向或具有一定夹角，所述第三条形电极的第二端指向第二方向。

优选地，所述的一定夹角为5-45度，所述的第一方向与第二方向之间的夹角为135-180度。

优选地，所述的第一条形电极与第三条形电极的长度之和为38mm，所述的第二条形电极与第三条形电极的长度之和为31mm，所述的第一条形电极与第三条形电极之间的距离为9.5mm，所述的第二条形电极与第三条形电极之间的距离为5.5mm。

优选地，所述的第一条形电极、第二条形电极和第三条形电极的厚度均为0.035mm，宽度均为2mm。

优选地，所述的第一条形电极的第二端端点处设有向垂直于第一方向的第三方向延伸的第一突出部，所述的第二条形电极的第二端端点处设有向第三方向延伸的第二突出部，所述的第三条形电极的第二端端点处设有向与第三方向相反的第四方向延伸的第三突出部。

优选地，所述的第一突出部为一个整体突出或多个相互隔开的区段。

优选地，所述的底部天线层包括沿基板的底表面一侧边缘设置的L型的边缘电极部以及其余电极部，所述的边缘电极部和其余电极部相互连通或相互分隔。

该天线在整个频段1710MHz-2690MHz内的驻波比低于2，全频段增益大于2.5dB。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、覆盖高频段：本发明是基于两个单极天线的组合成为一个Y形结构，两个单极天线长度各自实现一定的频带宽度，并且加上平面结构拓展频带宽度，从而实现了覆盖1710M-2690M的宽带性能，作为宽带天线设计覆盖了宽范围的移动通信的高频段。

二、驻波比低且增益高：在整个频段内的驻波比低于2，全频段增益大于2.5dB，中、高频段增益可达3dB；

三、结构简单且紧凑。

附图说明

图1-图3为用于解释和定义本申请中所涉及的相关术语的图示，其中，图1为条形形状的术语解释图示，其中，图(1a)为直条型形状，图(1b)为L型直角形状，图(1c)为L型弯角形状，图(1d)为钝角折角形状，图(1e)为S型形状，图2为长度的术语解释图示，图3为距离的术语解释图示。

图4为本发明的一个实施例中天线的截面图。

图5为本发明的一个实施例中顶部天线层的平面布置。

图6为不同移动通信频率驻波比的仿真结果。

图7为仿真的辐射图案。

图8为本发明的一个实施例的底部天线层的平面布置图。

图9为本发明的另一实施例的顶部天线层的平面布置图。

图10为图9中的顶部天线层的另一变体结构图。

图11为本发明的另一实施例的底部天线层的平面布置图。

图12为驻波比的仿真结果。

图13A和13B分别为本发明的顶部天线层和底部天线层的具体的尺寸设置。

图14示出采用图13A、13B中所示的尺寸设置的天线的驻波比的仿真和实测结果。

其中，400、天线，401、基板，402、顶部天线层，403、底部天线层，404、第一条形电极，405、第二条形电极，406、第三条形电极，407、同轴馈电点，408、节点，409、边缘天线部，1001、第一突出部，1002、第二突出部，1003、第三突出部。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

为了便于说明，首先对说明书中使用的相关术语进行解释和定义。

本申请中所述的“条形”(例如，条形电极)是指具有恒定宽度、沿一轨迹延伸的形状。在一些实施例中，“条形”的轨迹可以由一个或多个直线段组成，在其他实施例中，“条形”的轨迹也可以由一个或多个曲线段组成或可以由直线段和曲线段的组合构成。图1中示意性示出各种“条形”形状，它们的宽度以“W”来标记。

本申请中所述条形的“长度”是指从该的宽度中点处所取的该条形的延伸轨迹的长度。例如，如图2中示意性所述，条形的“长度”是指由虚线表示的沿条形的宽度中点所取的延伸轨迹的总长度。

本申请中所述的“L形”是指由两个直条形彼此呈90°形成的形状，如图2中的左图所示。当然，形成“L形”的两个直条形的长度可以相等或不相等。一个“L形”具有两个端部，例如，图2的左图中所示的第一端201和第二端202。

在本申请中，当描述两个条形之间的“距离”时，是针对这两个条形互相平行的情况而言的。作为示例，如图3中所示，第一条形301与第二条形302之间的距离是针对它们互相平行的情况而言的，且该距离为第一条形301与第二条形302的最接近边缘之间的距离，如图中的d所标注。

下面参考图4，示出根据本发明的一个实施例的天线400的截面图。天线400可包括基板401、顶部天线层402和底部天线层403。顶部天线层402和底部天线层403分别设置在基板401的相对的两侧上。

在一个实施例中，基板401可以是FR4基板。在一些实施例中，该基板401的相对介电常数可以是4.4。在一些实施例中，该基板401的厚度可以是1mm。当然，基板401也可选用其他材料和/或参数。

图4中所示的顶部天线层402和底部天线层403仅是示意性的。例如，在一个实施例中，顶部天线层402或底部天线层403中的任一层或这两层可以是图案化的天线层(即，通过半导体技术中的图案化技术实现的天线层)。

下面参考图5，示出根据本发明的一个实施例的顶部天线层402的平面布置。具体而言，图5示出从俯视视角观察到的设置在基板401上方的顶部天线层402。

如图5所示，顶部天线层402具有节点408，并且由在该顶部天线层402内从该节点408向外发散的第一条形电极404、第二条形电极405和第三条形电极406组成。第一条形电极404、第二条形电极405和第三条形电极406分别在它们第一端处汇合于节点408，并且它们的第二端指向向外发散的方向。在本实施例中，第一条形电极404的第二端和第二条形电极405的第二端可以指向基本上相同的方向。如本申请中所使用，术语“基本上相同的方向”可以指两个方向平行，或者可以指这两个方向彼此呈5°-45°之间的某一角度，例如，呈5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°，等等。在一个实施例中，第三条形电极406的第二端所指的方向与第一条形电极404、第二条形电极405的第二端所指的方向基本上反。如本申请中所使用，两个方向“基本上相反”可以指这两个方向平行且反向，或者可以指这两个方向指向总体上相反，但彼此呈135°-180°之间的某个角度。在实施例中，第一条形电极404、第二条形电极405可视为从第三条形电极406的第一端(即，节点408)分叉的两个电极，从而形成分支型双极天线。该分支型双极结构相比常规的单极结构(即，不存在分支)是有益的。首先，可以针对两个中心频段来设计目标频率，从而相比单极结构仅能针对单个中心频率设计目标频率大大拓宽了目标频率范围，增加带宽。其次，分支型双极结构在结构上紧凑、简单，且易于通过调整设计参数来优化其他特性(例如，驻波比、增益等)。

在一个实施例中，如404的第二端与第二条形电极405的第二端所指的方向相同，而与第三条形电极图5中示意性地所示，第一条形电极404和第二条形电极405是“L形”的，而第三条形电极406是直条形的。第一条形电极404和第二条形电极405在各自的第一端(即，节点408)处与第三条形电极406的第一端连接。在该实施例中，第一条形电极406的第二端所指的方向相反。在进一步的实施例中，第一条形电极404与第三条形电极406相邻的部分与该第三条形电极垂直(即，呈90°角)。在该实施例中，可进一步优化顶部天线层的尺寸设计。具体地，图5还以虚线示出顶部天线层的左臂长L1，并以D1标记第一条形电极404与第三条形电极406平行的部分与该第三条形电极406之间的距离。根据“具体实施方式”部分开头的相关定义，本领域技术人员能够清楚地理解右臂长L2以及第二条形电极405与第三条形电极406平行的部分与该第三条形电极406之间的距离D2。可以通过改变L1、L2来调整目标频率，并且可以通过进一步调整D1、D2(即，对应于电极的两个分支结合的位置)来进一步优化参数。在一个优选实施例中，L1可以是38mm，并且L2可以是31mm。在进一步的实施例中，D1可以是9.5mm，并且D2可以是5.5mm。在进一步的实施例中，第一条形电极404、第二条形电极405和第三条形电极406的宽度可以均为2mm。在进一步的实施例中，顶部天线层402的阻抗可以为50欧姆。根据该优选实施例，实现了围绕1.95GHz、2.45GHz两个中心频点的宽频段；1850MHz-2700MHz之间的驻波比可控制在1.5以下，1710-1850MHz之间的驻波比可控制在2以下；1710MHz处的天线增益可达到2.63dB，1850MHz和2690MHz处的天线增益均可达到3dB。

图6-图7示出针对一些优选实施例的仿真结果。图6示出根据一些优选实施例的针对5个不同移动通信频率(以m1、m2、m3、m4和m5)的驻波比的仿真结果。从该结果中可以看到，驻波比得到有效抑制，m1处低于2.5，m2-m5处均低于2。图7示出根据一些优选实施例的增益的仿真结果。从图7中所示的结果可以看出，增益均大于2.8dB。

虽然在图5中将基板401示出为矩形，但是这仅是示意性的，其他形状的基板(例如，圆形)也是可能的。此外，虽然顶部天线层402示出为由直线形条形电极构成，但是在其他实施例中，顶部天线层402也可由曲线形条形电极构成，或者可由直线形和曲线形条形电极的组合构成。

下面参考图8，示出根据本发明的一个实施例的底部天线层403的平面布置。具体地，图8示出从仰视视角观察的设置在基板401下方的底部天线层403。在一个实施例中，该底部天线层403包括靠近基板401的边缘而设的边缘天线部409。由于底部天线层充当地电极，因此，包括该边缘天线部409的该地电极设计也称为“边缘地电极”。现有的地电极设计往往采用完整地铺满整个底面基板的地电极(“完整地设计”)，或采用部分地铺设在底面基板上的地电极(“缺陷地设计”)。相比现有的地电极设计，包括边缘天线部409的底部天线层能够将波束集中到边缘天线部409这侧，从而提高该侧的增益(即，具有波束引导作用)。根据一些实施例，底部天线层403除了包括边缘天线部409之外还可包括覆盖基板401的一部分的其他天线部(如图8中所示的下半部分的矩形天线部)。在一些实施例中，天线400还包括同轴馈电点407(参见图5和图8)，其从顶部天线层402(参见图5)穿过基板401而至底部天线层403(参见图8)。

图9示出根据本发明的另一实施例的顶部天线层402的平面布置。在图9中，对于与图5中类似的要素沿用了相同的附图标记，以便于描述。图9中的顶部天线层402可以是上文参照图5描述的顶部天线层402的变体。因此，与图5中描述的顶部天线层类似的结构特征将不再描述。在该实施例中，第一条形电极404在第二端处具有在基板401的顶表面内向垂直于该第一条形电极404的延伸方向的第一方向(例如，图9中所示的左侧)延伸的第一突出部1001。第二条形电极405在第二端处具有在基板401的顶表面内向第一方向延伸的第二突出部1002。第三条形电极406在第二端处具有在基板401的顶表面内向与第一方向相反的第二方向(例如，图9中所示的右侧)延伸的第三突出部1003。发明人发现，第一突出部1001、第二突出部1002的设置可带来更好的边缘频率匹配，而第三突出部的设置可提升宽带匹配程度。根据该实施例的顶部天线层402与单纯的单极子天线和单纯的面天线相比都能实现更宽的带宽，能够实现1700-2700MHz的全频段匹配，甚至可将通信频率延展到3000MHz。

图10示出根据本发明的实施例的图9中的顶部天线层的另一变体。在该实施例中的顶部天线层的结构与图9中所示的顶部天线层402的结构类似，区别仅在于，其中一个突出部可以包括多个彼此分开的突出区段。

图11示出根据本发明的另一实施例的底部天线层403的平面布置。该实施例中。图12中所示的底部天线层403与图8中所示的底部天线层类似，区别仅在于，图12中所示的底部天线层403的边缘天线部409与底部天线层403其余部分是分开的。这种布置能够进一步提高辐射性能。

图12示出采用图9中所示的顶部天线层402和图11中所示的底部天线层403的天线400的驻波比仿真结果。该结果显示，在1710-2690MHz范围内，驻波比都小于1.5。

图13A、13B示出根据本发明的一个优选实施例的顶部天线层和底部天线层的具体的尺寸设置。图中，a为3mm，b为7mm，c为18mm，d为2mm，e为9.5mm，f为12mm，g为5.5mm，h为2mm，i为21.5mm，j为3.25mm，k为22mm，l为4mm，m为18mm，n为4mm，o为64mm，p为15mm，q为26mm，r为6mm，s为44mm，t为31mm，u为8mm，v为0.6mm，w为0.9mm。

图14示出采用图13A、13B中所示的尺寸设置的天线的驻波比的仿真和实测结果。该结果显示，在1710-2690MHz范围内，仿真和实测的驻波比都小于1.5。

已针对具体实施例阐述了本发明的具体实施方式。本领域技术人员能够理解，可以适当修改所述实施例中的若干要素，可以向所述实施例增添若干要素，或者可以省略所述实施例中的若干要素而仍能实施本发明的多个实施例。本申请中所述的“一个实施例”不一定是指同一个实施例，而旨在表明该实施例中所描述的要素可与其他实施例结合。

Claims (10)

1.一种用于通信的天线，其特征在于，包括：

基板(401)：具有顶表面以及与顶表面相对的底表面；

顶部天线层(402)：设置在顶表面上，包括从顶表面上同一个节点(408)引出且向外发散设置的第一条形电极(404)、第二条形电极(405)和第三条形电极(406)；

底部天线层(403)：设置在底表面上，并且通过同轴馈电点(407)穿过基板(401)与顶部天线层(402)连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于通信的天线，其特征在于，所述的第一条形电极(404)和第二条形电极(405)均呈L形，所述的第三条形电极(406)呈直条形，所述的第一条形电极(404)的第一端、第二条形电极(405)的第一端以及第三条形电极(406)的第一端在节点(408)处连结。

3.根据权利要求2所述的一种用于通信的天线，其特征在于，所述的第一条形电极(404)的第二端与第二条形电极(405)的第二端均指向第一方向或具有一定夹角，所述第三条形电极(406)的第二端指向第二方向。

4.根据权利要求3所述的一种用于通信的天线，其特征在于，所述的一定夹角为5-45度，所述的第一方向与第二方向之间的夹角为135-180度。

5.根据权利要求2所述的一种用于通信的天线，其特征在于，所述的第一条形电极(404)与第三条形电极(406)的长度之和为38mm，所述的第二条形电极(405)与第三条形电极(406)的长度之和为31mm，所述的第一条形电极(404)与第三条形电极(406)之间的距离为9.5mm，所述的第二条形电极(405)与第三条形电极(406)之间的距离为5.5mm。

6.根据权利要求1、2或5所述的一种用于通信的天线，其特征在于，所述的第一条形电极(404)、第二条形电极(405)和第三条形电极(406)的厚度均为0.035mm，宽度均为2mm。

7.根据权利要求2所述的一种用于通信的天线，其特征在于，所述的第一条形电极(404)的第二端端点处设有向垂直于第一方向的第三方向延伸的第一突出部(1001)，所述的第二条形电极(405)的第二端端点处设有向第三方向延伸的第二突出部(1002)，所述的第三条形电极(406)的第二端端点处设有向与第三方向相反的第四方向延伸的第三突出部(1003)。

8.根据权利要求7所述的一种用于通信的天线，其特征在于，所述的第一突出部(1001)为一个整体突出或多个相互隔开的区段。

9.根据权利要求7所述的一种用于通信的天线，其特征在于，所述的底部天线层(403)包括沿基板(401)的底表面一侧边缘设置的L型的边缘电极部(409)以及其余电极部，所述的边缘电极部(409)和其余电极部相互连通或相互分隔。

10.根据权利要求1所述的一种用于通信的天线，其特征在于，该天线在整个频段1710MHz-2690MHz内的驻波比低于2，全频段增益大于2.5dB。