具体实施方式
下面详细描述本申请,本申请的实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。此外,如果已知技术的详细描述对于示出的本申请的特征是不必要的,则将其省略。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本申请,而不能解释为对本申请的限制。
本技术领域技术人员可以理解,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语),具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是,诸如通用字典中定义的那些术语,应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义,并且除非像这里一样被特定定义,否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解,除非特意声明,这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是,本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、元件和/或组件,但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、元件、组件和/或它们的组。应该理解,当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时,它可以直接连接或耦接到其他元件,或者也可以存在中间元件。此外,这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本申请的发明人进行研究发现,一般地,单个天线具有固定的辐射带宽,该辐射带宽比较窄。随着智能终端设备的普及和发展,尤其是5G通信的到来,通讯设备需要具备的通信频段大大增加,因此不得不增加通讯设备中天线的数量来满足2/3/4/5G通信频段、以及GPS、WiFi通信频段等辐射带宽的要求。通讯设备中天线的数量过多,会带来成本增加的不利影响,而且,在通讯设备小型化的设计趋势下,过多的天线会占用通讯设备中的大量空间,会增加天线以及通讯设备的设计难度。例如金属手机上的天线数量增加,不得不在金属边框上开更多的断缝,断缝的数量增加,会影响手机的整体外观美感,而且手机的结构强度也会下降。
本申请提供的天线及电子设备,旨在解决现有技术的如上技术问题。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。
本申请实施例提供了一种天线,该天线的结构示意图如图1所示,包括:基板(图中未绘出),以及相互之间绝缘且依次层叠于基板一侧的反射板100、辐射层200和至少一层耦合层。
反射板100为金属材质,且用于接地。
辐射层200与至少一层耦合层电磁辐射耦合。
在本实施例中,天线采用依次层叠于基板一侧的反射板100、辐射层200,以及与辐射层200电磁辐射耦合的至少一层耦合层(例如第一耦合层300a和第二耦合层300b)的结构。其中,辐射层200用于产生电磁辐射(即电磁波信号)。反射板100可以捕捉由辐射层200发出的部分电磁辐射,并向辐射层200的靠近耦合层的一侧反射,以强化天线一侧方向的电磁辐射强度;反射板100也可以捕捉部分外来的电磁辐射,并反射至辐射层200,以强化天线接收到的电磁辐射的强度;反射板100接地,可以降低反射板100上可能产生的电荷对天线信号造成干扰。耦合层与辐射层200电磁辐射耦合,可以有效拓宽单个天线模块的辐射带宽,这样可以有效减少通讯设备中的天线数量,一方面可以降低成本,另一方面可以减少天线对通讯设备的空间的占用,有利于通讯设备的小型化设计。
耦合层与辐射层200叠层,可以增加辐射波的谐振频率,例如:若耦合层中耦合结构的尺寸比辐射层200中辐射结构220的尺寸略大,则耦合出来的谐振偏低;若耦合层中耦合结构的尺寸比辐射层200中辐射结构220的尺寸略小,则耦合出来的谐振偏高。这些对辐射波构成的频率改变,直观表现就是带宽变宽。另外,耦合层与辐射层200叠层后,叠层增加可引起天线整体容值增加,进而引发品质因数Q值下降,Q值下降后带宽加宽。
可选地,可以根据辐射带宽的具体需求,选择耦合层的数量。
可选地,反射板100、辐射层200和至少一层耦合层中,每两相邻结构层之间可以间隔一定的距离,以保证两相邻结构层之间的绝缘性。
在一些可能的实施方式中,如图2、图3和图4所示,辐射层200包括依次层叠的辐射基板210和辐射结构220。
辐射基板210位于反射板100的一侧。
辐射结构220位于辐射基板210远离反射板100的一侧。
辐射结构220具有至少两个馈电端口221,至少两个馈电端口221在辐射基板210的投影呈正交布置。
在本实施例中,辐射基板210为辐射结构220提供承载。辐射结构220在馈电的状态下,与反射板100以及耦合层之间激励起射频电磁场,并通过辐射结构220的四周与反射板100以及耦合层之间的缝隙向外辐射。辐射基板210的厚度与波长相比一般很小,因而可以实现一维小型化,即可有效缩小天线的尺寸,方便天线模块化、小型化,更易于组装到终端设备中。
并且,辐射结构220具有至少两个呈正交布置的馈电端口221,这样能够在一个天线模块里,形成至少两个可以同时工作的子天线,在相同空间占用的情况下增加了天线数量,降低成本,节约空间。具体地,馈电端口221呈正交布置,有利于形成两个相互垂直的极化天线。由于天线的极化方向是垂直的,所以在空间中的场是相互垂直,不会产生耦合,隔离度较好。
假设辐射结构220的长度近似为半波长,宽度为w,辐射基板210的厚度为h,天线的工作波长为λ。当我们把辐射结构220、辐射基板210和反射板100(或耦合层)视作一段长度为0.5λ的低阻抗传输线,且传输线的两端形成开路。由于辐射基板210的厚度远远小于波长,所以电场的强度在厚度这一方向基本保持不变。在最简单的情况下,我们同样假设电场强度沿着宽度w方向也没有变化。那么,在只考虑主模激励的情况下,天线的电磁辐射基本是可以认为是由辐射结构220开路边的边缘引起的。在两开路端的电场可以分解为相对于反射板100或耦合层的水平分量和垂直分量。由于辐射结构220长度约为半个波长,因此两开路端电场的垂直分量方向相反,水平分量方向相同。所以,两开路端的水平分量电场可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙,缝隙的宽度为ΔL,长度为w,两缝隙间距为半波长,缝隙的电场沿着w方向均匀分布,电场垂直于w方向。
由于在实际的工程当中,馈电端口221是具备一定宏观结构的实体,馈电端口221的阻抗也会发生变化,导致进入天线的电流分量不能按照理想的情况进行辐射,部分分量会直接进入另外一个天线端口中,即至少两个馈电端口221所形成的至少两个子天线之间可能存在干扰,为此,本申请为天线的辐射层200提供如下一种可能的实现方式:
如图4所示,本申请实施例的辐射结构220开设有隔离槽缝222,隔离槽缝222位于至少两个馈电端口221之间连线的中垂线上。
在本实施例中,隔离槽缝222能隔断部分电流分量,同时可对馈电端口221的阻抗起到一定的调节作用,将极化隔离度提高。即保证两个端口之间较高的隔离度。
可选地,隔离槽缝222可以贯穿辐射结构220的厚度方向的两侧,隔离槽缝222位于两个馈电端口221之间连线的中垂线上。
可选地,隔离槽缝222为条状槽缝,条状槽缝的中轴线与各馈电端口221之间连线的中垂线重合。
在本实施例中,隔离槽缝222为条状槽缝时,可以更好地与各馈电端口221之间连线的中垂线重合,即条状槽缝的中轴线与各馈电端口221之间连线的中垂线重合,这样能够提高两个馈电端口221之间的隔离度,降低该两个馈电端口221之间的干扰。
在一些可能的实施方式中,如图2、图3、图5和图6所示至少一层耦合层包括依次层叠的耦合基板和耦合结构。例如,第一耦合层300a包括依次叠层的第一耦合基板310a和第一耦合结构320a;第二耦合层300b包括依次叠层的第二耦合基板310b和第二耦合结构320b。
耦合基板位于辐射层200远离反射板100的一侧。
耦合结构位于耦合基板远离辐射层200的一侧。
耦合结构开设有耦合槽缝。
在本实施例中,耦合基板为耦合结构提供承载。耦合结构用于与辐射层200的辐射结构220形成电磁辐射耦合,可以有效拓宽单个天线模块的辐射带宽,这样可以有效减少通讯设备中的天线数量,一方面可以降低成本,另一方面可以减少天线对通讯设备的空间的占用,有利于通讯设备的小型化设计。
耦合槽缝可以贯穿耦合结构的厚度方向的两侧,耦合槽缝可以增加前述实施例中各子天线之间的隔离度。
在一些可能的实施方式中,耦合层至少包括依次层叠的第一耦合层300a和第二耦合层300b。下面以两层耦合层结构为例进行说明。
如图2、图3和图5所示,第一耦合层300a的第一耦合基板310a位于辐射层200远离反射板100的一侧,第一耦合层300a的第一耦合结构320a位于第一耦合基板310a远离辐射层200的一侧,第一耦合层300a的第一耦合槽缝321a位于第一耦合结构320a的中部。
如图2、图3和图6所示,第二耦合层300b的第二耦合基板310b位于第一耦合结构320a远离第一耦合基板310a的一侧,第二耦合层300b的第二耦合结构320b位于第二耦合基板310b远离第一耦合结构320a的一侧,第二耦合层300b的第二耦合槽缝321b位于第二耦合结构320b的边缘。
在本实施例中,依次层叠的第一耦合层300a和第二耦合层300b中,第一耦合层300a中的第一耦合结构320a可将辐射层200中的辐射结构220激励的电磁辐射进行第一次拓展带宽,第二耦合层300b中的第二耦合结构320b可将辐射层200中的辐射结构220激励的电磁辐射进行第二次拓展带宽,这样可以得到比辐射结构220激励的电磁辐射带宽更宽的电磁辐射。可以理解的是,可以根据目标带宽、并考虑辐射结构220激励得到的初始电磁辐射的能量,选择合适数量的耦合层进行电磁辐射带宽的拓展。
第一耦合层300a更靠近辐射层200,因此第一耦合层300a的第一耦合槽缝321a位于第一耦合结构320a的中部;第二耦合层300b相对更远离辐射层200,因此第二耦合层300b的第二耦合槽缝321b位于第二耦合结构320b的边缘。这样可以增加前述实施例中各子天线之间的隔离度。
可以理解的是,在多层耦合层的结构中,更靠近辐射层200的耦合层中的耦合槽缝更靠近该层耦合结构的中部,更远离辐射层200的耦合层中的耦合槽缝更靠近该层耦合结构的边缘(即更远离该层耦合结构的中部)。
为优化各耦合层中耦合槽缝的隔离性能,本申请实施例的第一耦合槽缝321a和/或第二耦合槽缝321b包括如下至少一种特征:
可选地,如图5所示,第一耦合槽缝321a为十字形槽缝。根据电磁场的对偶定理,十字形槽逢可利于形成两个极化相互垂直的耦合辐射场。
可选地,第一耦合槽缝321a为十字形槽缝,十字形槽缝的任一条中轴线与条状槽缝的中轴线的夹角为45度。辐射结构220上的条状槽缝可以切断两个馈电端口221之间的串扰电流分量,十字形槽缝是耦合相互的馈电端口221分量,十字缝隙与馈点端口方向一致,因此十字形槽缝的任一条中轴线就会与条状槽缝的中轴线形成45°夹角。
可选地,如图6所示,第二耦合槽缝321b包括至少两条一字形槽缝,至少两条一字形槽缝关于第二耦合结构320b的中心处中心对称,和/或至少一条一字形槽缝由第二耦合结构320b的内部向边缘延伸,并在边缘处形成开口。关于第二耦合结构320b的中心处中心对称的至少两条一字形槽缝,有利于将第二耦合结构320b切成两个相互垂直的耦合部分,并且利于与馈电端口221方向和第一耦合结构320a上的十字槽缝的方向都一致,可保持耦合部分的相互垂直,提升极化隔离度。
可选地,第一耦合槽缝321a为十字形槽缝,第二耦合槽缝321b包括至少两条一字形槽缝,任一一字形槽缝与十字形槽缝的任一条中轴线的夹角为45度。
为优化辐射结构220与各耦合结构的电磁辐射耦合性能,本申请实施例的辐射结构220、和/或第一耦合结构320a、和/或第二耦合结构320b包括如下至少一种特征:
可选地,如图4所示,辐射结构220为圆形和正多边形中的一种,正多边形的边数为偶数。在本实施例中,辐射结构220为圆形或偶数边的正多边形结构,使得辐射结构220的馈电端口221更容易形成正交布置,即更容易形成正交布置的两子天线,降低两子天线之间的干扰,优化子天线的收/发信号。
可选地,第一耦合结构320a为圆形和正多边形中的一种,正多边形的边数为偶数。在本实施例中,第一耦合结构320a的形状与辐射结构220的结构可以一致,这样可以强化第一耦合结构320a与辐射结构220之间的电磁辐射耦合强度,降低耦合过程中的能量损失。
可选地,如图5所示,第一耦合结构320a在第一耦合基板310a的投影为正多边形与圆形的重叠,正多边形的中心与圆形的圆形重合。在本实施例中,第一耦合结构320a的形状可以在辐射结构220与第二耦合结构320b形状不同时,起到“承上启下”的过渡效果,提高第一耦合结构320a与辐射结构220之间、以及第一耦合结构320a与第二耦合结构320b之间的电磁辐射耦合强度,降低耦合过程中从辐射结构220到第一耦合结构320a、再到第二耦合结构320b的能量损失。
可选地,如图6所示,第二耦合结构320b为圆形和正多边形中的一种,正多边形的边数为偶数。在本实施例中,第二耦合结构320b为圆形或偶数边的正多边形结构,可以适应偶数个子天线的辐射需要。
在一些可能的实施方式中,如图1所示,天线还包括支撑结构400。支撑结构400设置于如下至少一处:
可选地,反射板100与辐射层200之间。
可选地,辐射层200与至少一层耦合层之间。
可选地,相邻两耦合层之间。
可选地,支撑结构400可以采用泡沫板或其他塑料结构件,实现上述相邻结构层之间的支撑,也可以帮助上述相邻结构层之间能够间隔一定的距离,从而保证两相邻结构层之间的绝缘性。支撑结构400与各结构层之间,可以采用胶水粘接。
在一些可能的实施方式中,如图1和图3所示,反射板100包括:主体部110和延伸部120。
延伸部120沿主体部110的轴向、由主体部110的边缘向耦合层延伸。
在本实施例中,反射板100的主体部110可以捕捉由辐射层200发出的部分电磁辐射,并向辐射层200的靠近耦合层的一侧反射,以强化天线一侧方向的电磁辐射强度;反射板100的主体部110也可以捕捉部分外来的电磁辐射,并反射至辐射层200,以强化天线接收到的电磁辐射的强度。延伸部120可以提高天线结构的整体性。主体部110和延伸部120一起,可以对天线整体形成一定的屏蔽效果,提高天线的抗干扰能力。
可选地,延伸部120与主体部110一体成型,延伸部120是由主体部110的边缘翻折,形成天线模块的侧墙。
下面举例一种采用上述实施例提供的天线结构的双极化天线(即具有两个呈正交布置的馈电端口的天线结构)的相关性能参数,具体请参阅图7-图10。
图7是双极化天线中1#子天线的工作频段示意图,横坐标表示频率,单位为Ghz(吉赫兹),纵坐标表示反射系数,单位为dB(分贝)。图7中的曲线S1,1表示以dB(分贝)为单位的1#子天线的频率变化趋势。曲线S1,1中的点1的坐标为(4.6484,-5.9278),点2的坐标为(5.5526,-9.962),点3的坐标为(6.3507,-6.0065)。终端手机等行业标准S1,1值低于-6dB表示达到谐振状态。
图8是双极化天线中2#子天线的工作频段示意图,横坐标表示频率,单位为Ghz(吉赫兹),纵坐标表示反射系数,单位为dB(分贝)。曲线S2,2表示以dB(分贝)为单位的1#子天线的频率变化趋势。曲线S2,2中的点1的坐标为(4.6603,-61806),点2的坐标为(5.5765,-9.9503),点3的坐标为(6.3458,-6.1125)。终端手机等行业标准S2,2值低于-6dB表示达到谐振状态。
图9是双极化天线中1#子天线与2#子天线的隔离度示意图,横坐标表示频率,单位为Ghz(吉赫兹),纵坐标表示反射系数,单位为dB(分贝)。曲线S2,1表示1#子天线的馈电端口到2#子天线的馈电端口的信号值,越小越好。曲线S2,1中的点1的坐标为(4.1488,-15.678),点2的坐标为(6.0718,-14.984),点3的坐标为(6.4929,-14.844)。
图10是双极化天线中1#子天线与2#子天线的工作频段与辐射效率的关系示意图,横坐标表示频率,单位为Ghz(吉赫兹),纵坐标表示辐射效率,单位为dB(分贝),0dB相当于100%的辐射效率。例如点1(4.8,-0.63255)相当于在4.8GHz处的辐射效率为-0.63255dB,将dB转化为百分比的公式为:
点1处的辐射效率y=10-0.63255/10×100%=86.4%。
基于同一发明构思,本申请实施例提供了一种电子设备,该电子设备包括:如上述实施例提供的任一种天线。
本实施例提供的电子设备,由于采用了前述实施例提供的任一种天线,其实现原理相类似,此处不再赘述。
可以理解的是,本实施例提供的电子设备可以包括具有通讯功能的终端设备,例如:手机、平板电脑、笔记本电脑等。
在一些可能的实施方式中,电子设备还包括射频收发链路,射频收发链路与天线的辐射层200通过同轴线电连接。
在一些可能的实施方式中,电子设备还包括电路板,天线与电路板相嵌合,天线的辐射层200与电路板电连接。
应用本申请实施例,至少能够实现如下有益效果:
1、天线采用依次层叠的反射板100、辐射层200,以及与辐射层200电磁辐射耦合的至少一层耦合层的结构。其中,辐射层200用于产生电磁辐射(即电磁波信号)。反射板100可以捕捉由辐射层200发出的部分电磁辐射,并向辐射层200的靠近耦合层的一侧反射,以强化天线一侧方向的电磁辐射强度;反射板100也可以捕捉部分外来的电磁辐射,并反射至辐射层200,以强化天线接收到的电磁辐射的强度。耦合层与辐射层200电磁辐射耦合,可以有效拓宽单个天线模块的辐射带宽,这样可以有效减少通讯设备中的天线数量,一方面可以降低成本,另一方面可以减少天线对通讯设备的空间的占用,有利于通讯设备的小型化设计。
2、辐射基板210为辐射结构220提供承载。辐射结构220在馈电的状态下,与反射板100以及耦合层之间激励起射频电磁场,并通过辐射结构220的四周与反射板100以及耦合层之间的缝隙向外辐射。并且,辐射结构220具有至少两个呈正交布置的馈电端口221,这样能够在一个天线模块里,形成至少两个可以同时工作的子天线,在相同空间占用的情况下增加了天线数量,降低成本,节约空间。
3、隔离槽缝222可以贯穿辐射结构220的厚度方向的两侧,隔离槽缝222位于两个馈电端口221之间连线的中垂线上,能使得该两个馈电端口221之间保持较好的隔离度,降低该两个馈电端口221之间的干扰。
4、耦合基板为耦合结构提供承载。耦合结构用于与辐射层200的辐射结构220形成电磁辐射耦合,可以有效拓宽单个天线模块的辐射带宽,这样可以有效减少通讯设备中的天线数量,一方面可以降低成本,另一方面可以减少天线对通讯设备的空间的占用,有利于通讯设备的小型化设计。
5、耦合槽缝可以贯穿耦合结构的厚度方向的两侧,耦合槽缝可以增加前述实施例中各子天线之间的隔离度。
6、反射板100包括:主体部110和延伸部120。反射板100的主体部110可以捕捉由辐射层200发出的部分电磁辐射,并向辐射层200的靠近耦合层的一侧反射,以强化天线一侧方向的电磁辐射强度;反射板100的主体部110也可以捕捉部分外来的电磁辐射,并反射至辐射层200,以强化天线接收到的电磁辐射的强度。延伸部120可以提高天线结构的整体性。主体部110和延伸部120一起,可以对天线整体形成一定的屏蔽效果,提高天线的抗干扰能力。
本技术领域技术人员可以理解,在本申请的描述中,术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本说明书的描述中,具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅是本申请的部分实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。