CN108429012A - 一种移动终端的天线及移动终端 - Google Patents

Abstract

本申请涉及信息技术领域，公开了一种移动终端的天线及移动终端。该天线包括：接地板，以及至少一个天线单元，接地板具有至少一对相互垂直的侧边，且每个天线单元对应一对相互垂直的侧边，每个天线单元包括：两个缝隙天线；还包括：设置在相互垂直的两条侧边、两个缝隙天线界定区域内的金属波导天线，金属波导天线的金属层与接地板电连接，且金属波导天线、两个缝隙天线的电磁波极化方向及辐射极化方向分别两两相互垂直。在上述技术方案中，通过设置的两个缝隙天线以及一个金属波导天线形成正交天线，并且，金属波导天线同时作为一个去耦器件，减少两个缝隙天线之间的耦合效果，减少了天线占用的空间，提高了天线的通信效果。

Description

一种移动终端的天线及移动终端

技术领域

本申请涉及信息技术领域，尤其涉及一种移动终端的天线及移动终端。

背景技术

随着4G通信技术的成熟，4.5G、5G正被广泛的研究。毫无疑问，信道容量这一指标将成为5G通信技术的核心关注点之一。基于多天线MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)技术能够在不拓展频带的前提下提供更大的信道容量，并且，信道容量的大小直接取决于用于收发的天线单元数。因此，在5G通信中，更多的天线单元将被集成于手机等终端设备中。但是，在手机设备高度集成化的今天，如何在手机中布局更多的天线单元成为设计难题。在紧凑的环境下，天线单元间不可能获得很大的间距，因此天线单元间的耦合也非常强。过强的耦合必然会导致天线辐射效率降低、信号相关性上升，从而影响整个MIMO天线的信道容量。

传统的MIMO天线设计更多地是在天线单元设计完成后通过各种去耦合手段来降低天线单元间的耦合，如引入寄生单元、缺陷地、中和线、EBG(Electromagnetic Band Gap，电磁场带隙)或者去耦网络等，这样的设计思路虽然能够在一定程度上获得不错的隔离，但是由此得到的MIMO天线结构一般较为复杂、占用较大的空间，并且去耦手段的引入往往会在一定程度上降低天线本身的性能；因此，如何从天线单元的设计本身去考虑单元间的隔离成为设计的难点。

发明内容

本申请提供一种移动终端的天线及移动终端，用以解决现有技术中存在天线结构复杂占用空间较大的问题。

第一方面，本申请提供了一种移动终端的天线，该移动终端的天线包括：接地板，以及至少一个天线单元，其中，所述接地板具有至少一对相互垂直的侧边，且每个天线单元对应一对相互垂直的侧边，每个天线单元包括：设置在所述接地板上且垂直于其中一条侧边的第一缝隙天线，以及设置在所述接地板上且垂直于另一条侧边的第二缝隙天线；还包括：

设置在所述相互垂直的两条侧边、第一缝隙天线及第二缝隙天线界定区域内的金属波导天线，所述金属波导天线的金属层与所述接地板电连接，且所述金属波导天线、第一缝隙天线及第二缝隙天线的电磁波极化方向及辐射极化方向分别两两相互垂直。

在上述技术方案中，通过设置的两个缝隙天线以及一个金属波导天线形成正交天线，并且，通过设置的金属波导天线改变接地板上的电流流向，金属波导天线同时作为一个去耦器件，减少两个缝隙天线之间的耦合效果，进而改善形成的组成的天线的效果，从而无需额外设置去耦器件，减少了天线占用的空间，提高了天线的通信效果。

在一个具体的方案中，该接地板上还覆盖了介质层，并且，介质层上设置了馈点及馈线，其中，馈线上设置了电容及电感，并且，馈线与缝隙天线一一对应，并通过耦合进行馈电。

在一个具体的方案中，所述金属波导天线包括介质波导以及所述金属层；其中，所述金属层包裹在所述介质波导外侧，所述介质波导部分裸露形成辐射窗口，且所述辐射窗口朝向所述接地板的外侧。

在一个具体的方案中，金属波导天线还具有馈线，该馈线的外芯与覆盖在介质波导与接地板相邻的一面的金属层连接，内芯与覆盖在介质波导背离接地板的一面的金属层连接。

在一个具体的方案中，所述介质波导为长方体形结构，所述介质波导上裸露的部分包括介质波导上与所述接地板的两条侧边分别平行且靠近所述两条侧边的两个侧面中的至少一个面。采用长方体形的介质波导，从而可以与接地板边角处的外形匹配，从而减少占用的空间面积。

在一个具体的方案中，所述介质波导的四个侧面分别与所述接地板的所述两条侧边、所述第一缝隙天线的侧壁及所述第二缝隙天线的侧壁齐平。更进一步的减少了天线占用的空间。

在一个具体的实施方案中，所述介质波导上裸露的部分包括：所述介质波导上与所述接地板的两条侧边分别平行且靠近所述两条侧边的两个侧面，以及分别与所述两个侧面相邻的两个侧面的一部分。通过增大裸露的部分可以在不改变天线通信效果的前提下，降低金属波导天线占用的空间面积。

在另一个具体的方案中，所述介质波导的形状为扇形体，且所述介质波导的弧面侧壁裸露作为所述辐射窗口，所述介质波导的平面侧壁分别与所述第一缝隙天线及第二缝隙天线的缝隙的侧壁平行。

在一个具体的方案中，所述介质波导裸露的部分还包括与所述弧面侧壁连通的两个平面侧壁的一部分。通过增大裸露的部分可以在不改变天线通信效果的前提下，降低金属波导天线占用的空间面积。

在一个具体的方案中，所述接地板包括介质层以及覆盖在所述介质层上的金属接地层，每个所述天线单元的第一缝隙天线及所述第二缝隙天线开设在所述金属接地层上。

在一个具体的实施方案中，所述接地板为矩形板，且所述天线单元的个数为四个，所述四个天线单元分别设置在所述接地板的四个角。即天线单元的个数可以为不同的个数，通过设置不同个数的天线，增加了通信效果。

本申请还提供了一种移动终端，该移动终端包括至少一个上述任一项所述的天线。

在上述技术方案中，通过设置的两个缝隙天线以及一个金属波导天线形成正交天线，并且，通过设置的金属波导天线改变接地板上的电流流向，金属波导天线同时作为一个去耦器件，减少两个缝隙天线之间的耦合效果，进而改善形成的组成的天线的效果，从而无需额外设置去耦器件，减少了天线占用的空间，提高了天线的通信效果。

附图说明

图1为本申请提供的一种移动终端的天线结构示意图；

图2为本申请提供的另一种移动终端的天线结构示意图；

图3为本申请提供的移动终端的天线的s参数仿真图；

图4为本申请提供的移动终端的天线的效率仿真图；

图5为本申请提供的第一缝隙天线的远区电场方向图；

图6为本申请提供的第二缝隙天线的远区电场方向图；

图7为本申请提供的金属波导天线的远区电场方向图；

图8为本申请提供的移动天线的EEC仿真图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。

如图1所示，本申请提供了一种移动终端的天线，该移动终端的天线包括：接地板10，该接地板10作为天线的地，其可以为移动终端内的主板、金属壳或者其他能够作为地的部件。在一个具体的设置方案中，该接地板10包括一层介质层，以及设置在介质层上的金属接地层。此外，接地板10可以为不同的形状，只需要具有至少一对相互垂直的侧边即可，如正方形、长方形或者其他的形状但是具有一对相互垂直的其他多边形。

在本申请中的天线包括至少一个天线单元，每个天线单元与一对相互垂直的侧边相对应，具体的，每个天线单元设置在一对相互垂直的侧边界定的边角区域内。在本申请中，每对天线单元包括第一缝隙天线20、第二缝隙天线30以及金属介质波导天线40，并且金属波导天线40、第一缝隙天线20及第二缝隙天线30的电磁波极化方向及辐射极化方向分别两两相互垂直组成三极化天线。其中的两个缝隙天线包括设置在接地板10上的金属接地层上的缝隙以及馈线50，具体的，该接地板10上还覆盖了介质层，馈点及馈线50设置在该介质层上，并且馈线50上设置了电容及电感，该馈线50与缝隙一一对应进行耦合馈电。

在具体设置时，如图1所示，以两条相互垂直的侧边的交点作为原点，以两条侧边所在的方向分别作为x轴及y轴，并且以垂直与x轴及y轴第三方向作为z轴。其中，第一缝隙天线20沿y轴布局于天线中，且由图1可以看出，该第一缝隙天线20垂直于接地板10的一条侧边，由电与磁的对偶的原理可知，该第一缝隙天线20辐射的电磁波极化与其缝口径上的电场方向相同，即该布局下第一缝隙天线20的极化为x方向的线极化；此外，由于天线的接地板10的存在，其产生的辐射主要朝着-y轴方向。同理，沿x轴布局的长直的第二缝隙天线30，其垂直于接地板10的另一条侧边，并且该第二缝隙天线30辐射的电磁波为沿y方向极化的线极化波，并且其辐射方向朝着-x轴方向。由于沿x轴布局和沿y轴布局的第二缝隙天线30辐射的电磁波极化正交，并且其辐射方向也正交，在把第一缝隙天线20和第二缝隙天线30组合在一起，可以形成一个正交双极化缝隙天线。由于第一缝隙天线20和第二缝隙天线30的方向图和极化的正交，两条缝隙天线的辐射之间具有较低的包络相关性，这将有利于该天线被应用于天线之中。

由于两条缝隙天线是蚀刻在同一块接地板10之上的，两个缝隙天线之间的耦合是需要解决的问题；虽然两条缝隙天线的正交布局，从而能够得到相互正交的极化方式和相互正交的辐射方向；但是，接地板10上的电流也是两天线之间的耦合的另一因素，为了实现小型化和紧凑的布局，两缝隙天线之间的距离较近，这也会导致两缝隙天线之间有较强的耦合。

由于两条缝隙天线正交放置，两缝隙天线之间所包围的角落有一定的空间，这部分空间可以被利用作为去耦结构；但是，如果这部分空间用作去耦结构，那么该正交极化模块仅能提供一个2单元的天线；若在这个区域再集成一个子天线，便能够在紧凑的空间下组成一个3单元的天线单元，如果能够很好地选择天线形式，利用正交极化和天线单元的合理布局，便能够获得一个性能优秀，结构紧凑的3单元正交极化的多输入多输出天线单元。因此，在本申请的天线单元中设置了金属波导天线40。

继续参考图1，该金属波导天线40设置在相互垂直的两条侧边、第一缝隙天线20及第二缝隙天线30界定区域内，应当理解的是，该界定的区域不包含两条缝隙天线中的缝隙，即该界定区域为金属接地层上的区域。具体的，在第一缝隙天线20和第二缝隙天线30组成的双极化缝隙天线之间集成一个沿z轴极化的子天线，从而形成一个3单元的天线单元；由于原有的两缝隙天线分别是沿x轴极化和沿y轴极化的线极化单元，因此，该3单元天线单元为一个正交三极化的天线单元模块。得益于子天线间极化的正交特性，以及金属波导天线40的金属层与接地板10之间的电连接，从该改变了接地板10上的电流分布，从而使得天线单元中任意两个子天线(第一缝隙天线20、第二缝隙天线30、金属波导天线40)间具有良好的隔离，这也为天线小型化和紧凑布局提供了有利条件。而本三极化天线单元可以紧密布局于接地板10的一个角落上的，接地板10为矩形板，且天线单元的个数为四个，四个天线单元分别设置在接地板10的四个角。具体的该天线单元同样可以对称地布局于接地板10的四个角落，从而形成一个12单元的正交三极化天线。一个具有良好性能的12单元天线能够在将来的移动通信系统中提供更大的信道容量和数据传输速率，从而满足消费者对数据传输率更高的要求。

在具体设置时，金属波导天线40包括介质波导以及金属层；并且，金属层包裹在介质波导外侧，并且在金属层包裹介质波导时，介质波导部分裸露形成辐射窗口，在具体设置时，该辐射窗口朝向接地板10的外侧，如图1所示中，沿垂直于z轴的方向，接地板10包含的区域为接地板10的内侧，其与的区域为接地板10的外侧。在具体设置时，金属波导天线40还具有馈线60，该馈线60的外芯与覆盖在介质波导与接地板10相邻的一面的金属层连接，内芯与覆盖在介质波导背离接地板10的一面的金属层连接。

在一个具体的实施方案中，该金属波导天线40为在两条缝天线与介质板角落所包围的空间内，集成的一个由矩形波导在其侧壁开口而构成的垂直极化单元。该垂直极化单元为一长方体结构，即介质波导为长方体形结构，介质波导上裸露的部分包括介质波导上与接地板10的两条侧边分别平行且靠近两条侧边的两个侧面中的至少一个面。在一个更具体的方案中，该介质波导的顶面、底面和靠近两条缝隙的两个侧面为理想金属壁，朝外的两个侧壁无金属覆盖，即该两个侧壁形成辐射窗口；这样，该天线单元辐射的电磁波极化方向与口径上电场的方向一致，即，该金属波导天线40辐射垂直(沿z方向)极化波。得益于正交极化特性，该垂直极化单元与前述的两个水平极化(分别为x方向极化和y方向极化)的缝天线有着良好的隔离。此外，由于金属波导天线40的引入，原来两条缝隙天线之家的耦合路径发生变化，原来两条缝天线之间由地板电流引起的较强的耦合得到减弱，天线性能得到进一步提升。该三极化天线占用的空间小，结构非常紧凑，并且，天线单元的性能能够得到保证，非常适用于当前和将来移动终端设备在紧凑空间下对多单元天线的需求。

为了更进一步的减少天线占用的空间，较佳的，介质波导的四个侧面分别与接地板10的两条侧边、第一缝隙天线20的侧壁及第二缝隙天线30的侧壁齐平。即介质波导的底面的四个边分别与接地板10的两条相互垂直的侧边，以及两个缝隙天线的缝隙的侧壁齐平，使得缝隙天线可以根据介质波导的尺寸最大限度的减少其占用面积的方式设置。应当理解的是，在具体设置时，介质波导的底面的四个边分别与接地板10的两条相互垂直的侧边，以及两个缝隙天线的缝隙的侧壁之间具有一定的间距，以保证装配时的误差。

通过上述描述可以看出，在上述实施例中，该金属波导天线40通过辐射窗口进行辐射，在具体设置时，该辐射窗口为介质波导上朝向接地板10外侧的至少一个面来形成，在介质波导为矩形时，其包含两个朝向外侧的侧面，为了更进一步的提高金属波导天线40的辐射性能，该辐射窗口(即介质波导上裸露的部分)包括：介质波导上与接地板10的两条侧边分别平行且靠近两条侧边的两个侧面，以及分别与两个侧面相邻的两个侧面的一部分。与采用两个完整的朝向外侧的面相比，增大了辐射窗口的面积，进而改善通信的效果，此外，在降低占用面积时，可以通过增大裸露的部分，以实现在不改变天线通信效果的前提下，缩小金属波导天线40的体积，但是在相对应的话在采用上述方法时，也会降低去耦的效果，因此，可以根据实际的情况合理设计辐射窗口与金属波导天线40的尺寸，以保证具有良好的辐射效果以及去耦效果。

如图2所示，在另一个具体的方案中，介质波导的形状为扇形体，且介质波导的弧面侧壁裸露作为辐射窗口，介质波导的平面侧壁分别与第一缝隙天线20及第二缝隙天线30的缝隙的侧壁平行。更佳的，该平面侧壁分别与第一缝隙天线20与第二缝隙天线30的缝隙侧壁齐平。

同理，为了提高辐射效果，可以增大辐射窗口的开口面积，具体的，介质波导裸露的部分还包括与弧面侧壁连通的两个平面侧壁的一部分。并且通过增大裸露的部分可以在不改变天线通信效果的前提下，降低金属波导天线40占用的空间面积。

为了方便理解本申请提供的天线的效果，下面以金属波导天线40采用长方体介质为例进行详细的说明，其中，该三极化天线占用的体积小于19*19*6mm³。

如图3所示，从仿真的S参数可以看出，该正交三极化天线的每个天线单元中的三个子天线在所需频带内都能有非常不错的阻抗匹配；并且，两条正交的缝天线的谐振带宽明显宽于金属波导天线40。此外，从图3中可以看出，虽然三个字天线布局紧凑，紧密地靠在一起，但是得益于正交极化的特性和特殊天线形式的选取，子天线之间的隔离较为不错，任意两个天线单元间的隔离度优于13dB。子天线间不错的隔离将有助于天线效率的提升，从而提升MIMO系统的信道容量。

如图4所示，图4为本申请的正交三极化天线的仿真天线效率，从图4中可以看出，该天线的每个天线单元中的子天线都有着较高的天线效率。两条正交的缝隙天线的效率接近90％，并且，得益于天较宽的谐振频带，缝天线的效率曲线比较平缓，整个频带内的效率都在85％以上；而由于金属波导天线40的阻抗带宽较窄，阻抗匹配在两边频处较差，因此，金属波导天线40的天线效率从中心频点向两边频处下降比较明显，在中心频点处效率超过80％，在两边频处效率大于53％。由此可见，该正交三极化天线在整个频带内的天线效率是高于50％的，符合终端设备对天线效率的一般要求。

为了进一步展示本申请三极化天线的极化特性，三个天线单元的远区电场方向图(x-o-y平面上)展示成如图5、图6及图7中。从图5、图6及图7可以看出，两条缝天线的最大辐射方向分别朝着-y轴和-x轴，并且，在最大辐射方向上，均为远大于Eθ(超过20dB)，因此，两条缝天线分别辐射极化纯度较纯的x极化和y极化波。从第三幅图可以看出，金属波导天线40的辐射方向沿着其开口的那个角，并且，在起最大辐射方向上，Eθ远大于也就是说，该金属波导天线40能够辐射较纯的垂直(z向)极化电磁波。综合三个天线单元的远场图可以看出，该正交三极化天线不仅存在极化正交的特性，同时也有方向图分集的特性，这将有利于降低天线ECC(Envelope Correlation Coefficient，包络相关性系数)，从而实现更高的信道容量。

如图8所示，本申请提供的正交三极化天线的ECC图，可以看出，得益于正交的极化特性和方向图分集特性，该三极化天线能够在紧凑的布局下获得较低的ECC值(均小于0.05)。由此可以预见，在较高的天线效率和较低的ECC值的前体现，该正交三极化模块作为MIMO系统将能获得不错的信道容量。

通过上述描述可以看出，通过设置的两个缝隙天线以及一个金属波导天线40形成正交天线，并且，通过设置的金属波导天线40改变接地板10上的电流流向，金属波导天线40同时作为一个去耦器件，减少两个缝隙天线之间的耦合效果，进而改善形成的组成的天线的效果，从而无需额外设置去耦器件，减少了天线占用的空间，提高了天线的通信效果。

此外，本申请还提供了一种移动终端，该移动终端包括至少一个上述任一项的天线。其中，该移动终端可以为手机、平板电脑等常见的移动终端，并且该移动终端中的天线通过设置的两个缝隙天线以及一个金属波导天线40形成正交天线，并且，通过设置的金属波导天线40改变接地板10上的电流流向，金属波导天线40同时作为一个去耦器件，减少两个缝隙天线之间的耦合效果，进而改善形成的组成的天线的效果，从而无需额外设置去耦器件，减少了天线占用的空间，提高了天线的通信效果。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种移动终端的天线，其特征在于，包括：接地板，以及至少一个天线单元，其中，所述接地板具有至少一对相互垂直的侧边，且每个天线单元对应一对相互垂直的侧边，每个天线单元包括：设置在所述接地板上且垂直于其中一条侧边的第一缝隙天线，以及设置在所述接地板上且垂直于另一条侧边的第二缝隙天线；还包括：

设置在所述相互垂直的两条侧边、第一缝隙天线及第二缝隙天线界定区域内的金属波导天线，所述金属波导天线的金属层与所述接地板电连接，且所述金属波导天线、第一缝隙天线及第二缝隙天线的电磁波极化方向及辐射极化方向分别两两相互垂直。

2.如权利要求1所述的移动终端的天线，其特征在于，所述金属波导天线包括介质波导以及所述金属层；其中，所述金属层包裹在所述介质波导外侧，所述介质波导部分裸露形成辐射窗口，且所述辐射窗口朝向所述接地板的外侧。

3.如权利要求2所述的移动终端的天线，其特征在于，所述介质波导为长方体形结构，所述介质波导上裸露的部分包括介质波导上与所述接地板的两条侧边分别平行且靠近所述两条侧边的两个侧面中的至少一个面。

4.如权利要求3所述的移动终端的天线，其特征在于，所述介质波导的四个侧面分别与所述接地板的所述两条侧边、所述第一缝隙天线的侧壁及所述第二缝隙天线的侧壁齐平。

5.如权利要求4所述的移动终端的天线，其特征在于，所述介质波导上裸露的部分包括：所述介质波导上与所述接地板的两条侧边分别平行且靠近所述两条侧边的两个侧面，以及分别与所述两个侧面相邻的两个侧面的一部分。

6.如权利要求2所述的移动终端的天线，其特征在于，所述介质波导的形状为扇形体，且所述介质波导的弧面侧壁裸露作为所述辐射窗口，所述介质波导的平面侧壁分别与所述第一缝隙天线及第二缝隙天线的缝隙的侧壁平行。

7.如权利要求6所述的移动终端的天线，其特征在于，所述介质波导裸露的部分还包括与所述弧面侧壁连通的两个平面侧壁的一部分。

8.如权利要求1所述的移动终端的天线，其特征在于，所述接地板包括介质层以及覆盖在所述介质层上的金属接地层，每个所述天线单元的第一缝隙天线及所述第二缝隙天线开设在所述金属接地层上。

9.如权利要求1～8任一所述的移动终端的天线，其特征在于，所述接地板为矩形板，且所述天线单元的个数为四个，所述四个天线单元分别设置在所述接地板的四个角。

10.一种移动终端，其特征在于，包括至少一个如权利要求1～9任一项所述的天线。