CN111900534B - 天线结构及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种天线结构及电子设备。该天线结构包括：第一金属板，其上设置有至少一个天线单元；其中，每个天线单元包括：形成于第一金属板上的具有一开口的腔体；位于腔体内的介质基板设有第一馈电枝节、第二馈电枝节以及环形辐射单元，第一馈电枝节以及第二馈电枝节位于环形辐射单元围绕的空间内，与环形辐射单元耦合连接；馈电探针结构，馈电探针结构穿过腔体底部，且与第一馈电枝节和第二馈电枝节中的至少一者连接。本发明实施例的天线结构能够实现极化特性，且后续应用到电子设备上时能够与其上的非毫米波天线共用结构，且天线单元设置于金属板上作为天线的屏蔽器件，还能够降低周围器件对天线本体的干扰，提升天线性能。

Description

天线结构及电子设备
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种天线结构及电子设备。
背景技术
随着移动通信技术的不断发展，毫米波天线被逐渐引入到小型化的移动电子设备中，例如手机、平板、以及笔记本电脑等设备。
目前主流的毫米波天线设计方案主要是采用封装天线(Antenna In Package，AIP)技术与工艺，即把毫米波天线阵列、射频集成电路(Radiao Frquency IntergartedCircuit，RFIC)以及电源管理集成模块(Power Management Intergarted Circuit，PMIC)集成在一个模块内。在实际应用中，存在以下问题：
1、将此模块置入电子设备内部，与非毫米波天线共用结构较少，即毫米波天线嵌入到非毫米波天线设计较难实现，此外毫米波天线极易受到周边金属器件的影响，如金属框，金属背盖，喇叭，扬声器等金属器件的影响，导致天线性能急剧下降。
2、现有毫米波天线模组采用共用辐射体以及MIMO实现双极化较为困难。
3、将此模块置入电子设备内部，由于电子设备的外壳/电池盖等非金属材质的介电常数不同，以及靠近毫米波天线模组周围存在诸多的电子器件(金属或磁性材料)，使得毫米波天线模组周围环境的等效介电常数不同，因而造成毫米波天线模组AIP的谐振频率发生偏移导致无法满足最初的谐振需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种天线结构及电子设备，从而可以解决现有电子设备上毫米波天线的设计导致天线性能差的问题。
为了解决上述技术问题，本发明实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明的实施例提供一种天线结构，应用于电子设备，包括：
第一金属板，所述第一金属板上设置有至少一个天线单元；其中，每个天线单元包括：
形成于所述第一金属板上的腔体，所述腔体具有一开口；
介质基板，所述介质基板位于所述腔体内，所述介质基板设有第一馈电枝节、第二馈电枝节以及环形辐射单元，所述第一馈电枝节以及所述第二馈电枝节位于所述环形辐射单元围绕的空间内，且与所述环形辐射单元耦合连接；
馈电探针结构，所述馈电探针结构穿过所述腔体的底部，且分别与所述第一馈电枝节和所述第二馈电枝节连接。
第二方面，本发明的实施例还提供一种电子设备，包括：如上述实施例所述的天线结构。
在本发明实施例的上述方案中，通过在第一金属板上设置至少一个天线单元，每个天线单元包括：形成于第一金属板上的具有一开口的腔体；位于腔体内的介质基板，介质基板设有第一馈电枝节、第二馈电枝节以及环形辐射单元，第一馈电枝节以及第二馈电枝节位于环形辐射单元围绕的空间内，且与环形辐射单元耦合连接；馈电探针结构，馈电探针结构穿过腔体的底部，且分别与第一馈电枝节和第二馈电枝节连接，如此，具有上述结构的毫米波天线能够实现极化特性，且后续应用到电子设备上时能够与其上的非毫米波天线共用结构，而且天线单元设置于金属板上作为天线的屏蔽器件，还能够降低周围器件对天线本体的干扰，提升天线性能。
附图说明
图1为本发明实施例的天线结构的结构示意图；
图2为本发明实施例的天线结构中的天线单元的结构示意图之一；
图3为本发明实施例的天线结构中的天线单元的结构示意图之二；
图4为本发明实施例的天线结构中的天线单元的反射系数曲线图；
图5为本发明实施例的天线结构的水平极化方向图；
图6为本发明实施例的天线结构的垂直极化方向图；
图7为本发明实施例的天线结构中的天线单元的结构示意图之二；
图8为本发明实施例的天线结构中的天线单元的结构示意图之三；
图9为本发明实施例的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图1～3所示，本发明实施例公开了一种天线结构，应用于电子设备。该天线结构包括：第一金属板1，第一金属板1上设置有至少一个天线单元2(图1中虚线框部分)；其中，每个天线单元2包括：形成于第一金属板1上的腔体3，腔体3具有一开口；介质基板4，介质基板4位于腔体3内，介质基板4设有第一馈电枝节5、第二馈电枝节6以及环形辐射单元7，第一馈电枝节5以及第二馈电枝节6位于环形辐射单元7围绕的空间内，且与环形辐射单元7耦合连接；馈电探针结构，馈电探针结构穿过腔体3的底部，且与第一馈电枝节5和第二馈电枝节6中的至少一者连接。
需要说明的是，形成于第一金属板1上的腔体3可以理解为第一金属板1上开设有凹槽，形成具有一开口的腔体3。
可选地，腔体3为矩形腔体，腔体3既作为环形辐射单元7的背腔，又充当环形辐射单元7以及介质基板4的地。
这里，具体的，介质基板4背离第一金属板1的一面设有第一馈电枝节5、第二馈电枝节6以及环形辐射单元7。
这里，第一馈电枝节5与第二馈电枝节6二者之间不交叠，第一馈电枝节5、第二馈电枝节6以及馈电探针结构共同组成天线的馈电系统，通过耦合方式激励天线的环形辐射单元7，使得该天线结构能够实现极化特性。
需要说明的是，环形辐射单元7的尺寸由天线的谐振频率确定。环形辐射单元7的具体形状由天线要求的极化方式以及馈电结构决定。
这里，天线单元2的数量由后期应用于电子设备上所要求的信道容量、天线增益和外观尺寸共同决定。
需要说明的是，至少一个天线单元2的数量为至少两个，即多个时，按照预设方式排列形成阵列。
这里，天线单元2的数量为至少两个时，每个天线单元2之间具有预设距离，该预设距离可根据天线单元2之间的隔离度以及阵列的增益、扫描角度等天线性能确定。
本发明实施例的天线结构为毫米波天线结构，多个天线单元2按照预设方式排列形成的阵列为毫米波阵列。
如图2所示，馈电探针结构包括第一馈电探针8和第二馈电探针9，其中，第一馈电探针8(图1中用P1表示)与第一馈电枝节5连接，第二馈电探针9(图1中用P2表示)与第二馈电枝节6连接。
基于图2所示的实施例，作为一可选地实现方式，第一馈电枝节5包括：第一耦合臂51和第一传输线52，第一传输线52分别连接第一耦合臂51和第一馈电探针8；第二馈电枝节6包括：第二耦合臂61和第二传输线62，第二传输线62分别连接第二耦合臂61和第二馈电探针9。
可选地，第一馈电枝节5和第二馈电枝节6均为T字型枝节。其中，第一耦合臂51垂直于第二耦合臂61。
本实现方式中，可选地，环形辐射单元7为矩形辐射单元。这里，在图2所示的坐标系下，第一馈电枝节5以及第一馈电探针8激励环形辐射单元7的水平极化，第二馈电枝节6以及第二馈电探针9激励环形辐射单元7垂直极化。如此，本实现方式中的天线结构能够实现双极化特性。
需要说明的是，第一馈电探针8激励第一馈电枝节5时，环形辐射单元7的主要辐射结构，即参与辐射的边，与第二馈电探针9激励第二馈电枝节6时，环形辐射单元7的主要辐射结构，即参与辐射的边是相互正交的。
基于本实现方式中的天线结构，天线单元3的反射系数曲线如图4所示，该天线可以满足以n261(28GHz)为主的5G毫米波频段。由于第一馈电枝节5和第二馈电枝节6激励水平极化以及垂直极化特性在反射系数上时完全一致的，因此，图4中只列出其中一种极化的反射系数。
图5为以第一馈电探针8和第一馈电枝节5激励的天线水平极化方向图增益以及交叉极化方向图增益。从图5中可以看出水平极化状态下具有超过20dB的交叉极化电平。
图6为以第二馈电探针9和第二馈电枝节6激励的天线垂直极化方向图增益以及交叉极化方向图增益。从图6中可以看出垂直极化状态下具有超过20dB的交叉极化电平。
基于图2所示的实施例，作为另一实现方式，馈入第一馈电探针8的第一信号的相位与馈入第二馈电探针9的第二信号的相位之差为90°。
需要说明的是，在上述实现方式中，天线结构的双极化特性对于应用MIMO天线有绝对的优势，但是在某些天线极化特性要求较高而不需要大规量MIMO场景下，天线的圆极化特性需求就显得尤为重要，圆极化天线在反射以及接收上均具备良好的增益，能够有效降低极化失效带来的不必要损耗。本实现方式，可在不改变图2所示的天线辐射结构的基础上实现圆极化特性，即仅需要设置馈入第一馈电探针8的第一信号的相位与馈入第二馈电探针9的第二信号的相位相差90°，同时馈入第一馈电探针8的第一信号的幅度与第二馈电探针9的第二信号的幅度保持一致，且环形辐射单元7参与辐射的辐射臂电流正交，即可实现天线的圆极化。
也就是说，设置馈入第一馈电探针8的第一信号的相位超前或者滞后馈入第二馈电探针9的第二信号的相位能够实现左旋圆极化或者右旋圆极化。
此外，为了减少馈电端口数目，本发明实施例中馈电端口为馈电探针，如图7所示，仅用一个馈电端口即可实现圆极化，作为另一可选地实现方式，所述馈电探针结构为第三馈电探针10(图中用P表示)；第一馈电枝节5包括：第三耦合臂11和第三传输线12，第三传输线12分别连接第三耦合臂11和第三馈电探针10；第二馈电枝节6包括：第四耦合臂13和第四传输线14，第四传输线14分别连接第四耦合臂13和第三馈电探针10。
这里，第三馈电探针10穿过腔体3的底部，且分别与第一馈电枝节5和第二馈电枝节6连接。
可选地，馈入第三馈电探针10的第三信号经第三传输线12到达第三耦合臂11时的相位与第三信号经第四传输线14到达第四耦合臂13时的相位之差为90°。
这里，如图7所示，可通过控制第三耦合臂11和第四耦合臂13的长度，或者，如图8所示，通过改变第三馈电探针10的位置，或者，既控制第三耦合臂11和第四耦合臂13的长度又改变第三馈电探针10的位置，实现馈入第三馈电探针10的第三信号经第三传输线12到达第三耦合臂11时的相位与第三信号经第四传输线14到达第四耦合臂13时的相位之差为90°。
需要说明的是，在通过改变第三馈电探针10的位置实现馈入第三馈电探针10的第三信号经第三传输线12到达第三耦合臂11时的相位与第三信号经第四传输线14到达第四耦合臂13时的相位之差为90°的情况下，可选地，第三馈电探针10与第三耦合臂11之间的垂直距离与第三馈电探针10与第四耦合臂13之间的垂直距离不相等。
可选地，如图2所示，本发明实施例的天线结构还包括：
具有非导电性的盖板15，盖板15覆盖于介质基板4背离腔体3的底部的一面。
这里，盖板15采用低损耗非导电材料，用于隐藏或者保护环形辐射单元7，充当保护套的作用。
可选地，非导电材料的介电常数为2.2，损耗正切角为0.0009的介质材料。
本发明实施例的天线结构，通过在第一金属板上设置至少一个天线单元，每个天线单元包括：形成于第一金属板上的具有一开口的腔体；位于腔体内的介质基板，介质基板设有第一馈电枝节、第二馈电枝节以及环形辐射单元，第一馈电枝节以及第二馈电枝节位于环形辐射单元围绕的空间内，与环形辐射单元耦合连接；馈电探针结构，馈电探针结构穿过腔体的底部，且与第一馈电枝节和第二馈电枝节连接，如此，具有上述结构的毫米波天线能够实现极化特性，且后续应用到电子设备上时能够与其上的非毫米波天线共用结构，而且天线单元设置于金属板上作为天线的屏蔽器件，还能够降低周围器件对天线本体的干扰，提升天线性能。
本发明实施例还提供一种电子设备，包括：如上述实施例所述的天线结构。
可选地，第一金属板1为所述电子设备的至少部分边框或者所述电子设备与显示屏相背的至少部分后盖。
需要说明的是，上述天线结构中的第一金属板1为电子设备的至少部分边框或者电子设备与显示屏相背的至少部分后盖，说明该天线结构基于电子设备的壳体设计，从而能够不影响电子设备的金属质感。
这里，在第一金属板1为电子设备的至少部分边框时，电子设备的边框本身作为天线的屏蔽器件，降低周围器件对天线本体的干扰，提高天线性能，同时天线单元的存在不占用额外的净空区域，有利于实现小型化设计。还有，在电子设备的边框内部设置一个腔体3而不破坏边框的结构强度。
需要说明的是，上述实施例中的天线结构应用于电子设备中，可与采用金属框或者金属壳体作为天线的非毫米波天线整合为一体，即使毫米波天线兼容在采用金属框或者金属壳体作为天线的非毫米波天线内。
较优地，如图9所示，所述边框为靠近所述电子设备的听筒的第一边框16，或者为靠近所述电子设备的话筒的第二边框17。如此，能够最大限度地降低手持电子设备对天线的影响。
在一示例中，如图8所示，在第一金属板1为电子设备的至少部分边框时，天线单元位于第一边框16的某个位置，与其他(如2G/3G/4G)通信天线300(图中虚线框内部分)共用第一边框16的某个部分。
需要说明的是，如图8所示，本发明实施例的电子设备包括：系统电路板20；所述系统电路板20四周围设有第一边框16、第二边框17、第三边框18和第四边框19，其中，第一边框16、第二边框17、第三边框18和第四边框19围设呈一矩形边框。
具体的，第一边框16、第二边框17、第三边框18和第四边框19部分或全部为金属。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种天线结构，应用于电子设备，其特征在于，包括：
第一金属板，所述第一金属板上设置有至少一个天线单元；其中，每个天线单元包括：
形成于所述第一金属板上的腔体，所述腔体具有一开口；
介质基板，所述介质基板位于所述腔体内，所述介质基板设有第一馈电枝节、第二馈电枝节以及环形辐射单元，所述第一馈电枝节以及所述第二馈电枝节位于所述环形辐射单元围绕的空间内，且与所述环形辐射单元耦合连接；
馈电探针结构，所述馈电探针结构穿过所述腔体的底部，且与所述第一馈电枝节和所述第二馈电枝节中的至少一者连接；
所述馈电探针结构包括第一馈电探针和第二馈电探针，其中，所述第一馈电探针与第一馈电枝节连接，所述第二馈电探针与所述第二馈电枝节连接；
所述第一馈电枝节包括：第一耦合臂和第一传输线，所述第一传输线分别连接所述第一耦合臂和所述第一馈电探针；
所述第二馈电枝节包括：第二耦合臂和第二传输线，所述第二传输线分别连接所述第二耦合臂和所述第二馈电探针。
2.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述第一耦合臂垂直于所述第二耦合臂。
3.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，馈入所述第一馈电探针的第一信号的相位与馈入所述第二馈电探针的第二信号的相位之差为90°。
4.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述馈电探针结构为第三馈电探针；
所述第一馈电枝节包括：第三耦合臂和第三传输线，所述第三传输线分别连接所述第三耦合臂和所述第三馈电探针；
所述第二馈电枝节包括：第四耦合臂和第四传输线，所述第四传输线分别连接所述第四耦合臂和所述第三馈电探针。
5.根据权利要求4所述的天线结构，其特征在于，馈入所述第三馈电探针的第三信号经所述第三传输线到达所述第三耦合臂时的相位与所述第三信号经所述第四传输线到达所述第四耦合臂时的相位之差为90°。
6.根据权利要求4所述的天线结构，其特征在于，所述第三馈电探针与所述第三耦合臂之间的垂直距离与所述第三馈电探针与所述第四耦合臂之间的垂直距离不相等。
7.一种电子设备，其特征在于，包括：如权利要求1至6任一项所述的天线结构。
8.根据权利要求7所述的电子设备，其特征在于，第一金属板为所述电子设备的至少部分边框或者所述电子设备与显示屏相背的至少部分后盖。
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