CN111525237A - 双天线解耦结构及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双天线解耦结构及电子设备，其中双天线解耦结构包括：电路板；设置于所述电路板上、且与电路板连接的第一天线和第二天线，第一天线和第二天线相互耦合；设置于所述电路板上、且位于所述第一天线和所述第二天线之间的至少一个解耦结构，解耦结构通过一连接组件接地。本发明提供的双天线解耦结构，使得能量到达另一天线的绝对量减小，从而提高了双天线间的隔离度，提高了辐射效率，同时还有效降低了双天线间的包络相关系数，使得天线能够更好的实现多输入多输出效果。

Description

双天线解耦结构及电子设备
技术领域
本发明涉及电子产品技术领域，尤其涉及一种双天线解耦结构及电子设备。
背景技术
5G(5th generation mobile networks，第五代移动通信技术)电子设备中的天线的工作频段和数量急剧增多，在电子设备尺寸变化不大的情况下，天线之间的间距变得很近，这就会造成天线间的隔离度下降，进而影响天线效率以及ECC(Envelope CorrelationCoefficient，包络相关系数)等指标。
在塑胶外壳的电子设备中，天线通常使用FPC(Flexible Printed Circuit，柔性电路板)或LDS(Laser-Direct-structuring，激光直接成型)的工艺制作，天线设计相比于金属边框的电子设备来说更为灵活多变，可使用的解耦方法和手段也更灵活一些。塑胶外壳的电子设备中，解耦合手段包括：1.电路型解耦方法，比如滤波电路加载来解耦不同时工作频段的天线间耦合；比如移相解耦网络，电子设备中一般用于解耦同频单频段间的耦合。2.天线设计相关的解耦方法，比如天线自解耦结构，通过天线不同模式电流达到高隔离；比如中和线，理论上可以实现多频段隔离改善；比如寄生解耦结构，通过双天线阻抗矩阵进行推导计算，在双天线间设计特殊的寄生天线结构达到解耦效果；比如在天线强电场区附近设计寄生结构，达到能量流动牵引效果，降低耦合。
其中，滤波电路加载的方法在双天线具有相同工作频率时无法使用；移相解耦网络在双天线工作频段为同频多频段时由于解耦网络过于庞大而在手机等电子设备难以实现；天线自解耦结构在电子设备中由于天线环境较为复杂，特别在频率较高的时候(如频率高于2GHz)，天线模式电流纯度不高，往往激励起多个模式，隔离效果不佳；中和线方法设计很繁琐，缺乏流程化指导，只能仿真扫参调试，费时费力，结果难以预知；寄生解耦结构对于多频段计算复杂度和设计复杂度很高，实现效率较低；在天线强电场区附近设计寄生结构，可能会牺牲天线某些频段的辐射性能。
由此可见，现有解耦方式存在解耦困难、效率低或影响天线性能的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种双天线解耦结构及电子设备，以解决现有技术中的解耦方式存在解耦困难、效率低或影响天线性能的问题。
为了解决上述问题，本发明实施例是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供一种双天线解耦结构，包括：
电路板；
设置于所述电路板上、且与所述电路板连接的第一天线和第二天线，所述第一天线和所述第二天线相互耦合；
设置于所述电路板上、且位于所述第一天线和所述第二天线之间的至少一个解耦结构，所述解耦结构通过一连接组件接地。
第二方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括上述的双天线解耦结构。
本发明技术方案，通过在位于电路板上的相互耦合的第一天线和第二天线之间设置至少一个解耦结构，且将解耦结构通过连接组件接地，可以实现利用双天线能量耦合与流动的特征，对双天线间的能量进行分流，使得能量到达另一天线的绝对量减小，从而提高了双天线间的隔离度，提高了辐射效率，同时还有效降低了双天线间的包络相关系数，使得天线能够更好的实现多输入多输出效果。
附图说明
图1a表示本发明实施例双天线解耦结构示意图一；
图1b表示本发明实施例双天线解耦结构示意图二；
图2a表示本发明实施例未设置解耦结构时双天线间的S参数曲线；
图2b表示本发明实施例设置解耦结构时双天线间的S参数曲线；
图3a是本发明实施例未设置解耦结构时对应的双天线辐射效率曲线；
图3b是本发明实施例设置解耦结构时对应的双天线辐射效率曲线；
图4a是本发明实施例未设置解耦结构时双天线间的ECC曲线；
图4b是本发明实施例设置解耦结构时双天线间的ECC曲线。
具体实施方式
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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种双天线解耦结构，如图1a至图1b所示，包括：
电路板1；设置于所述电路板1上、且与电路板1连接的第一天线11和第二天线12，第一天线11和第二天线12相互耦合；
设置于所述电路板1上、且位于所述第一天线11和所述第二天线12之间的至少一个解耦结构2，解耦结构2通过一连接组件3接地。
本发明实施例的双天线解耦结构包括电路板1、第一天线11、第二天线12、至少一个解耦结构2以及连接组件3，其中第一天线11、第二天线12设置于电路板1上且与电路板1连接，第一天线11和第二天线12之间间隔一定距离，且两天线互相耦合，在电路板1上位于第一天线11与第二天线12之间的位置设置至少一个解耦结构2，且至少一个解耦结构2可通过连接组件3接地。
其中，如图1a至图1b所示，第一天线11具有第一馈电端口111、第一接地点112和第二接地点113，第二天线12具有第二馈电端口121和第三接地点122。第一馈电端口111、第二馈电端口121通过电路板1获取主板传输的信号，具体为从主板延伸出的一条信号线连接至电路板1的信号区域，第一馈电端口111、第二馈电端口121通过连接至电路板1的信号区域实现与主板连接，获取主板传输的信号。第一接地点112、第二接地点113和第三接地点122通过电路板1接地，具体为第一接地点112、第二接地点113和第三接地点122连接至电路板1的接地区域，其中电路板1可以为PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)。
可选的，相互耦合的第一天线11和第二天线12的天线类型可以相同也可以不同，天线类型可以为IFA天线、PIFA天线、LOOP天线，或可以为这几种类型带寄生结构的衍生类型。
解耦结构2通过一连接组件3与电路板1的接地区域连接，即连接组件3的一端与电路板1的接地区域连接，另一端连接至解耦结构2，使得解耦结构2可通过连接组件3连接至电路板1的接地区域。
连接组件3可以为金属件或者电器元件，解耦结构2可通过金属件或者电器元件连接至电路板1的接地区域。其中金属件可以为屏蔽罩、金属弹片或者顶针。屏蔽罩的具体结构可以为一金属块，屏蔽罩位于第一天线11和第二天线12之间。一般电子设备中由于天线设计空间有限，天线走线需要充分利用电子设备厚度方向的空间(立面)，在本实施例中，第一天线11和第二天线12的部分走线位于屏蔽罩的外侧。电器元件可以为电感、电容或者滤波器。
可选的，在第一天线11和第二天线12的天线类型为IFA天线时，第一天线11和第二天线12的开路端互相指向对方，为开路端对开路端的结构，双IFA天线设计使得双天线间的能量流动较为集中。
在本发明一实施例中，第一天线11的开路端与第二天线12的开路端相对，且第一天线11的开路端与第二天线12的开路端之间形成能量耦合路径；解耦结构2设置于能量耦合路径的预设位置，预设位置位于第一天线11的开路端和第二天线12的开路端之间1/3到2/3的位置区域。
在两个天线的开路端相对时，可以在两个相对的开路端之间形成能量耦合路径。解耦结构2置于两支相互耦合的天线之间能量耦合路径上的预设位置时，可以有效的减弱两天线间的能量耦合，起到能量的引流和阻断的效果。
其中，能量耦合路径至少为两条，且在至少两条能量耦合路径中的主能量耦合路径的预设位置设置解耦结构2；主能量耦合路径为至少两条能量耦合路径中承载能量大于预设值的路径。
能量耦合路径可以有两条或者多条，每一条能量耦合路径上可分别设置解耦结构2，或，依据实际实现指标，只在其中一条或部分能量耦合路径上设置解耦结构2。优选的可以只在主能量耦合路径上设置解耦结构2，且设置解耦结构2的位置可以为：两支相互耦合的天线之间主能量耦合路径的1/3到2/3的位置区域。
其中，本发明实施例的天线可优选为双IFA天线，双IFA天线设计使得每一支天线的主能量耦合路径为一支天线开路端到最近的另一支天线金属结构之间的区域。优选的，双IFA天线的开路端对开路端的设计也可以使得双天线间只存在一条主能量耦合路径。
通过设置解耦结构，可以进行能量分流，可以使得能量到达另一天线的绝对量减小，从而提高了双天线间的隔离度，提高了辐射效率，同时还有效降低了双天线间的包络相关系数，使得天线能够更好的实现多输入多输出效果。可选的，在本发明一实施例中，所述第一天线11和所述第二天线12所对应的工作频段中，包括至少一个共有频段。
针对两支相互耦合的天线，至少有一个以上的共有工作频段，例如第一天线11和第二天线12的天线类型均为IFA天线，两支天线都工作在3.4-3.6GHz和4.8-4.9GHz双频段，因此可以确定两支天线存在两个共有频段。
其中两支相互耦合的天线在共有工作频率中的至少一个频段上，在解耦结构2不存在时，第一天线11和第二天线12间的S参数可满足：S11<-5dB、S22<-5dB、S12＝S21>-10dB；在解耦结构2存在时，在所有工作频率上，第一天线11和第二天线12间的S参数满足：S11<-5dB、S22<-5dB、S12＝S21<-10dB。其中S12或S21为传输系数，传输系数的相反数为隔离度，S11为第一天线的回波损耗，S22为第二天线的回波损耗。由此可知，通过设置解耦结构2，可以使得传输系数减小，进而可提升两天线之间的隔离度。
其中，在所述第一天线11和所述第二天线12所对应的工作频段中，包括至少一个共有频段的基础上，所述第一天线11和所述第二天线12的间距小于第一距离，所述第一距离为共有频段中最小工作频率所对应波长的1/10。
针对第一天线11和第二天线12具有至少一个共有频段的情况，两支相互耦合的天线最近的天线走线间距需要小于0.1个最低工作频率所对应的波长距离，这里的最低工作频率即为共有频段中最小工作频率。
可选的，在本发明一实施例中，如图1a所示，所述解耦结构2为至少一段接地走线，在所述解耦结构2为至少两段接地走线的情况下，各段接地走线并行排列，且各段接地走线在所述第一天线11和所述第二天线12的共有频段中不产生谐振。
解耦结构2可以为一段或数段并行排列的接地寄生走线，每一段接地寄生走线的长度较短，在两支相互耦合的天线的工作频段不谐振，具体可以为每一段接地寄生走线的长度需要小于两支相互耦合的天线的最高共有频率所对应波长的1/8。
优选的，接地寄生走线的高度与第一天线11或第二天线12的高度相近，其高度差可以小于1mm，优选的接地寄生走线的高度与第一天线11或第二天线12的高度相同，即在电子设备的厚度方向上，接地寄生走线和第一天线11、第二天线12的走线齐平。
优选的，接地寄生走线可与第一天线11和第二天线12的走线位于同一平面内，具体为三者走线都位于电子设备的侧面。
可选的，在本发明一实施例中，如图1b所示，解耦结构2为一金属结构，能量耦合路径与金属结构所在的端面垂直。
解耦结构2还可以为设置在第一天线11和第二天线12之间的金属结构，其中金属结构所在的端面与能量耦合路径相垂直。其中，解耦结构并不局限本发明实施例所列举的走线形式和金属结构形式，本领域技术人员可以采用其他形式来实现能量分流。
可选的，在本发明一实施例中，如图1a和图1b所示，第一天线11和第二天线12的至少部分位于电路板1的第一表面上，另一部分位于电路板1的第二表面上。第一表面和第二表面为电路板1相邻的两个表面。即第一天线11和第二天线12均为立体形式，且立体形式的两个天线的一部分位于电路板1的长度和宽度构成的表面上，另一部分位于与电路板1的厚度方向平行的表面上。
本发明实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括上述的双天线解耦结构，通过在位于电路板上的相互耦合的第一天线和第二天线之间设置至少一个解耦结构，且将解耦结构通过连接组件接地，可以实现利用双天线能量耦合与流动的特征，对双天线间的能量进行分流，使得能量到达另一天线的绝对量减小，从而提高了双天线间的隔离度，提高了辐射效率，同时还有效降低了双天线间的包络相关系数，使得天线能够更好的实现多输入多输出效果。
本发明设计思路清晰，易于理解，且实现简单，实现效果好，可以保持原有天线结构基本不变的情况下，有效提高双天线间的隔离度和效率，降低包络相关系数，对于塑料后盖电子设备中的双天线系统，尤其是FPC走线间距较近(小于0.1最低频率波长)的双天线系统多频段的解耦合设计尤其适用。
下面以具体实验过程对设置解耦结构前后双天线的情况进行比对。
参看图2a，为图1a或者图1b未设置解耦结构时对应的S参数曲线图，可以看到在没有解耦结构时，第一天线与第二天线的工作频段(3.4-3.6GHz和4.8-4.9GHz)内的S11(第一天线的回波损耗)以及S22(第二天线的回波损耗)都基本小于-5dB，但两天线之间的S21(传输系数)，在3.5GHz为-8.5dB，在4.85GHz为-9.9dB，均大于-10dB，隔离不达标。
参看图2b，为图1a或者图1b设置解耦结构时S参数曲线图，可以看到在有解耦结构时，第一天线与第二天线的工作频段(3.4-3.6GHz和4.8-4.9GHz)内的S11以及S22都基本小于-5dB，且两天线之间的S21在所有工作频段内均小于-10dB。在3.4-3.6GHz频段隔离改善2.2dB，在4.8-4.9GHz隔离改善8.5dB左右。
参见图3a与图3b，为设置解耦结构前后的双天线辐射效率曲线。通过对比可以看出，相比于没有解耦结构，有解耦结构时，第一天线在3.4-3.6GHz的平均辐射效率从-3dB提高到-2.7dB；在4.8-4.9GHz的平均辐射效率从-2.3dB提高到-1.5dB。第二天线在3.4-3.6GHz的平均辐射效率从-3.4dB提高到-3.2dB；在4.8-4.9GHz的平均辐射效率从-5.1dB提高到-4dB。
参见图4a与图4b，为设置解耦结构前后的ECC(包络相关系数)曲线，可见无论有无解耦结构，双天线间的ECC在3.4-3.6GHz都很小，小于0.05。但在4.8-4.9GHz频段，没解耦结构时，双天线间的ECC最大值大于0.3，为0.32左右，而有解耦结构时，双天线间的ECC最大只有0.19左右。因此解耦结构有效降低了双天线在高频4.8-4.9GHz的ECC。
在一些别的双天线设计中，如存在多条主能量耦合路径，比如双IFA天线在位置一上高频走线相互指向，在位置二上低频走线相互指向，则可以在每一个主能量耦合路径的电场弱区都可以设置解耦结构，以达到最佳解耦合效果。或者综合实际调试指标和成本考虑，只设置一个或其中数个解耦结构，满足需求即可。
上面结合附图对发明的实施例进行了描述，但是发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种双天线解耦结构，其特征在于，包括：
电路板(1)；
设置于所述电路板(1)上、且与所述电路板连接的第一天线(11)和第二天线(12)，所述第一天线(11)和所述第二天线(12)相互耦合；
设置于所述电路板(1)上、且位于所述第一天线(11)和所述第二天线(12)之间的至少一个解耦结构(2)，所述解耦结构(2)通过一连接组件(3)接地。
2.根据权利要求1所述的双天线解耦结构，其特征在于，
所述第一天线(11)的开路端与所述第二天线(12)的开路端相对，且所述第一天线(11)的开路端与所述第二天线(12)的开路端之间形成能量耦合路径；
所述解耦结构(2)设置于所述能量耦合路径的预设位置。
3.根据权利要求2所述的双天线解耦结构，其特征在于，
所述能量耦合路径至少为两条，且在至少两条能量耦合路径中的主能量耦合路径的预设位置设置所述解耦结构(2)；
所述主能量耦合路径为至少两条能量耦合路径中承载能量大于预设值的路径。
4.根据权利要求2或3所述的双天线解耦结构，其特征在于，
所述预设位置位于所述第一天线(11)的开路端和所述第二天线(12)的开路端之间1/3到2/3的位置区域。
5.根据权利要求1所述的双天线解耦结构，其特征在于，
所述第一天线(11)和所述第二天线(12)所对应的工作频段中，包括至少一个共有频段。
6.根据权利要求5所述的双天线解耦结构，其特征在于，
所述第一天线(11)和所述第二天线(12)的间距小于第一距离，所述第一距离为共有频段中最小工作频率所对应波长的1/10。
7.根据权利要求1所述的双天线解耦结构，其特征在于，所述解耦结构(2)为至少一段接地走线；
在所述解耦结构(2)为至少两段接地走线的情况下，各段接地走线并行排列，且各段接地走线在所述第一天线(11)和所述第二天线(12)的共有频段中不产生谐振。
8.根据权利要求1所述的双天线解耦结构，其特征在于，
所述第一天线(11)和所述第二天线(12)的至少部分位于所述电路板(1)的第一表面上，另一部分位于所述电路板(1)的第二表面，所述第一表面和所述第二表面为所述电路板相邻的表面。
9.根据权利要求1所述的双天线解耦结构，其特征在于，所述连接组件(3)为金属件或者电器元件；
其中，所述金属件为屏蔽罩、金属弹片或者顶针，所述电器元件为电感、电容或者滤波器。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1至9任一项所述的双天线解耦结构。
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