CN112563751A - 双频带天线、设备及制造方法 - Google Patents

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CN112563751A CN202010941700.6A CN202010941700A CN112563751A CN 112563751 A CN112563751 A CN 112563751A CN 202010941700 A CN202010941700 A CN 202010941700A CN 112563751 A CN112563751 A CN 112563751A
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Abstract

提供了一种与无线设备应用相关的双频带天线(20)或耦合谐振器及其制造方法。天线(20)的实施例具有在较低的2‑3GHz频带和较高的5‑6GHz频带范围内的谐振频率。天线(20)具有高频元件(23)，该高频元件可以配置为用作倒F天线。高频元件(23)也定位成与附近的寄生元件(22)相邻。在操作中，高频元件(23)和寄生元件(22)耦合在一起并形成配置为在低频带处谐振的电流环路或环形天线。

Description

双频带天线、设备及制造方法
技术领域
本公开大体上涉及天线、设备和制造方法。更具体地，本公开涉及一种在无线设备中使用的双频带天线及其制造方法。
背景技术
各种设备，诸如无线接入点(AP)、流媒体设备、电话、笔记本电脑、平板电脑、手表、路由器等(统称为“无线设备”)，利用天线或耦合天线来进行无线通信。近来，对用于移动无线应用的天线的需求已急剧增加，并且现在有许多用于需要宽范围频带的无线通信的应用。
在常规的用户电子无线设备中，为了设计单频带天线，需要将诸如金属制PCD、金属制外壳等的接地平面以及辐射元件设计为在5GHz处谐振。辐射元件可以通过同轴电缆、传输线或链路来激励。另外，有时需要短路以补偿辐射元件与地面之间的寄生电容。在设计常规的双频带天线时(例如，对于WiFi应用为5GHz并且对于蓝牙设备为2.4GHz)，必须增大辐射元件的尺寸以支持两个谐振。典型地实施元件的增大使得一个元件支持较低的频带，并且另一个元件支持较高的频带。增大元件时，不期望具有更大的辐射元件，因为它们占据了设备内更大的体积，这反过来又使产品更大或者替代地减小了可放置在其中的附加组件的空间体积。当元件增大时，整个天线会变得更大，这使其很难在印刷电路板(PCB)上安装。与在表面贴装技术(SMT)过程中一样，天线需要在铺设在移动频带上的PCB上保持平衡。因此，天线最终具有作为附加部件和具有附加成本的载体部。
图1是用于在无线设备应用中使用的常规双频带天线10的截面图。如图所示，双频带天线10在左侧具有于2.4GHz处谐振的低频部分2并且在右侧具有于5GHz处谐振的高频部分3。低频部分2和高频部分3两者都是平面倒F(PIFA)单极或倒F天线(IFA)结构。PIFA/IFA元件2、3经由短引脚4连接到接地平面5。
常规双频带天线10的布置的缺点之一是需要在接地平面5与高频和低频部分2、3之间的空间7内容纳短引脚4和电缆6的长度LP。另外，低频部分2的定向减少了无线设备应用中的用于其他必要组件的可用体积。因此，必须增加任何无线设备应用的尺寸以容纳附加的组件。在一些情况下，常规的双频带天线的体积可以是常规的单频带天线的三倍。因此，需要单个紧凑型天线，该单个紧凑型天线具有在两个或更多个频带中可操作的天线辐射元件。此外，这种设备的设计趋势是它们能够对于附加设备组件具有可用体积的情况下，适于紧凑的形状因数。
发明内容
提供了双频带天线或耦合谐振器的实施例。在一个实施例中，天线包括：接地平面；电连接到接地平面的寄生元件；以及用于在高频带处谐振并经由短路连接到接地平面的高频元件。高频元件电容耦合到寄生元件，从而形成环形天线，该环形天线适于并配置为在低频带处谐振。在一个实施例中，高频元件在双频带天线中配置为倒F天线。在该实施例中，倒F天线具有一部分，使得该部分的宽度大于该部分的长度的1/4。在一个实施例中，高频带为5-6GHz，并且低频带为2-3GHz。
寄生元件可以由屏蔽罐、散热器、外壳和冲压金属片之一形成。在一个实施例中，形成环形天线的寄生元件是散热器的一部分或从散热器中生长出来。在一个实施例中，经由模制工艺模制或制造寄生元件。在另一实施例中，将寄生元件设计为使得寄生元件在第一端处的第一宽度大于寄生元件在第二端处的第二宽度。环形天线可以包括连接到接地平面的机械连接。在又一实施例中，将寄生元件制造为单独的组件。
还提供了具有壳体的无线设备的实施例。该无线设备包括至少一个设备组件；以及包括在其中的至少一个双频带天线。双频带天线具有适于并配置为在高频带中谐振的高频元件；以及电容耦合到高频元件以形成电流环路的寄生元件，其中电流环路适于并配置为在低频带处谐振。至少一个设备组件可以是散热器、风扇模块和印刷电路板之一。高频带可为5-6GHz，并且低频带为2-3GHz。在一个实施例中，高频元件配置为倒F天线。在其他实施例中，倒F天线的一部分具有大于该部分的长度的1/4的宽度。
提供了一种用于制造无线设备的方法的实施例。在一个实施例中，该方法包括：提供设置在无线设备的壳体内的一个或更多个组件；并且提供设置在壳体内的至少一个天线元件。所述至少一个天线元件具有寄生元件和高频元件，其中该高频元件适于并配置为在高频带处谐振，并且该高频元件电容耦合至寄生元件，从而形成适于并配置为在低频带处谐振的电流环路。提供寄生元件的步骤可以包括模制寄生元件。寄生元件也可以从散热器中生长出来或作为散热器的一部分提供。提供至少一个天线元件的步骤可以包括获得或制造寄生元件作为单独的组件。在又一其他实施例中，高频带为5-6GHz，并且较低的频带为2-3GHz。
附图说明
在本文中，参考各种附图来示出和描述本公开，其中相同的附图标记用于表示相同的系统组件/方法步骤，并且其中：
图1是常规双频带天线的截面图，其对于无线设备组件的可用体积最小；
图2是根据在本文描述的实施例的双频带天线的截面框图；
图3A是图2的天线的侧面立体图；
图3B是图2的天线的俯视立体图；
图4A是寄生元件设计的实施例的渐缩宽度的俯视图；
图4B是寄生元件设计的实施例的渐缩厚度的侧视图；
图5A是根据本公开的实施例的作为天线的独立部分的寄生元件设计的俯视图；
图5B是作为图5A所示的天线的实施例的独立部分的寄生元件设计的侧视图；
图6是图2的天线的侧面透视图，示出了高频元件23辐射时的电流；
图7A是图2的天线的侧面立体图，示出了高频元件和低频环路两者均辐射时的电流流动；
图7B是图2的天线的俯视立体图，示出了高频元件和低频环路两者均辐射时的电流流动；
图8是利用本公开的双频带天线的实施例的无线设备的实施例的立体图；
图9是图8的无线设备的一部分的放大图，图中具有根据本公开的实施例的已被布线并焊接到天线的天线电缆；
图10是图8的无线设备的一部分的替代视图，箭头表示了根据本公开的实施例、在操作中的天线的低频电流环路；以及
图11A-C是示出了在本公开的操作中的天线的示例性实施例的调谐、效率和耦合的曲线图。
具体实施方式
在各种示例性实施例中，本公开涉及一种在无线设备应用中使用的天线及其制造方法。无线设备可以包括诸如流媒体设备、电话、笔记本电脑、平板电脑、手表、路由器等的应用。本发明的天线和相关设备的实施例在较低的2-3GHz频带和较高的5-6GHz频带范围中均具有谐振频率。在一个实施例中，无线设备在操作期间具有两个特定的谐振频率，即2.4GHz的低频带和5GHz的高频带。
双频带天线设计
图2是根据本申请的示例性实施例的双频带天线的截面图。天线20是双频带天线，该双频带天线具有在高频带(例如5GHz)处谐振的高频部分23。在一个实施例中，高频元件23配置为用作倒F天线。高频元件23定位成与附近的寄生元件22相邻。在操作中，在大约2GHz处，高频元件23和寄生元件22耦合在一起并形成配置为在低频带(例如2.4GHz)处谐振的电流环路或环形天线。寄生元件22经由短路28a和28b连接到接地平面25。激励馈源26在图中以+符号表示的接触点处也连接到高频元件23。在该点处电附接有诸如同轴电缆的电缆(未示出)、或者在该点处PCB上的传输线或信号线连接到天线20。
图3A和3B是天线20的侧视图和俯视图。图3A描绘了连接器28部分，该连接器部分具有从寄生元件22延伸的上部连接器部分28a和从接地平面25延伸的下部连接器部分28b。在一个实施例中，上部连接器部分28a和下部连接器部分28b可以经由各种类型的金属紧固件(诸如螺钉或铆钉)紧固在一起，以将天线20固定在无线设备(未显示)内。图3B示出了在高频元件23与寄生元件22之间的物理耦合间隙29，其在两个元件之间产生了电容。可以调节该电容以增加或减小两个元件22、23之间所需的耦合。电容越高，耦合越高。另外，示出的寄生元件22相对于高频元件23具有更大的厚度。相对厚度可以根据需要来调节并且可以基于期望的制造容易度。在一个实施例中，高频元件23和寄生元件22中的每个的厚度近似相同。寄生元件22可以制造为单独的组件，并且可以例如由诸如屏蔽罐、散热器、外壳或冲压金属片的材料形成。
所提供的天线20的配置的好处和优点之一是，它允许将空间27用于无线设备应用中的各种组件。此外，该配置减小了天线20的整体高度，并且因此减小了整体天线20的高度，这允许天线20以更小的形状因数更紧凑地适合于无线应用。
寄生元件设计
如图3A进一步所示，寄生元件22的耦合部分应与高频元件23尽可能重叠以实现最大耦合。高频元件23的尺寸表示为高频长度HFL和高频高度HFH。在一个实施例中，寄生元件耦合高度PECH相对于寄生元件耦合长度PECL的比率大于或等于0.25。另外，寄生元件22还被设计为足够长以形成2.4GHz的环路。重叠面积越大，电容越大，这导致更大的耦合，并且导致所需的寄生元件22更短。在一个实施例中，高频元件23和寄生元件22具有大致相同的尺寸(例如12mm×5mm)，其与接地平面25一起，在2.4GHz的谐振处产生1/2波长环路。在一个实施例中，分别选择耦合面积(即寄生元件22与高频元件23之间的重叠)以及耦合间隙29的长度，以最大化在2.4GHz处的耦合。
寄生元件22可以通过模制工艺制造。可以将寄生元件22模制为单独的部件，该部件机械拧紧到天线20的内部位置。在制造寄生元件22的过程中，重要的是不要使其尺寸过长，以避免在模制和/或制造天线20的整体结构过程中开裂和弯曲。图4A-B分别示出了寄生元件22的俯视图和侧视图。在图4A所示的实施例中，寄生元件22在一端的宽度PEW1(沿长度PEL)大于寄生元件22在另一端的宽度PEW2。以这种方式使宽度变窄有助于使寄生元件22有效地更宽和更坚固，从而使其能够承受制造过程中的应力。例如，图4A中所示的设计具有以下好处和优点：使寄生元件22更坚固，从而使其能够在模制过程中承受来自模具芯部伸出的推出销的推力。类似地，实施例的图4B中示出的侧视图表示了渐缩式设计，其中厚度PET1(沿高度PEH)大于厚度PET2。当沿高度PEH的方向移除用于制造寄生元件22的模具时，该构造有助于减小模具之间的摩擦。
寄生元件22可以被制造为独立部件、或者可替代地从接地平面25生长出来，该接地平面例如也可以是散热器。图5A-5B分别是当被设计和制造为天线20的独立或单独的组件时，寄生元件22的设计的俯视图和侧视图。如图所示，在该实施例中，寄生元件22是由冲压金属片制成，该冲压金属片机械地固定、拧紧或夹紧至接地平面25。在该实施例中，接地平面25可以是散热器。此外，寄生元件22可以具有在金属片中所冲孔的孔21，以允许诸如螺钉的金属紧固件30将寄生元件22紧固到接地平面25。
天线操作和电流流动
图6是天线元件20的侧面透视图，示出了当高频元件23辐射时在高频带处发生的电流流动。高频元件23约为15mm的波长的1/4。电流流动的相对强度由箭头表示，使得较长的实心箭头表示较强的电流并且较短的箭头表示较弱的电流。在5GHz处，寄生元件22用作接地平面25的延伸，并且基本上不会有助于高频元件23的辐射。
图7A-B分别提供了在较低频带处的电流流动的侧视图和俯视图。当高频元件23和较低频带电流环路(例如2.4GHz环路)两者均辐射时，这种较低频的电流流动发生。由于15mm的高频元件23、15mm的寄生元件22、接地平面25上的15mm返回路径、以及在寄生元件22与高频元件23之间的电容性负载共同加起来形成有效的60mm电气环路(波长为在2.4GHz处的一半)，因此基本上创建环形天线。类似于图6所示，较长的实心箭头描绘电流环路中电流较强的部分，并且较弱的电流由较短的箭头表示。在图7B中，提供示出了穿过耦合间隙29的电流流动的天线20的俯视图。虚线箭头示出了更强的电场。电场是高频元件23和寄生元件22耦合以形成用于低频带的电连续电流路径的机制。
无线设备应用和制造方法
本发明包括无线设备的实施例以及采用上述天线的实施例对这种无线设备的制造。示例性无线设备是紧凑型无线设备，其可以包括壳体(例如，箱、外壳等)内的多个组件。在本文描述的天线的实施例可以适于并配置为折叠成无线设备的壳体的形状、尺寸和/或形状因数。因此，天线可以采用壳体的相应形状或其他期望的形状，例如环形、圆柱形或多边形(例如，六边形、棱柱形、矩形、正方形等)。
图8是利用本公开的双频带天线20的实施例的无线设备80的实施例的透视图。无线设备80可以具有从壳体82延伸出来的壁式插头8，例如用于插入壁式电源插座。正如本领域普通技术人员将理解的，使用虚线示出了壳体82，以便更容易地描绘无线设备80内的一个或更多个组件84。一个或更多个组件84还可以包括散热器、风扇模块、印刷电路板、处理器、多个无线电设备、本地接口、数据存储、网络接口、电源等。本领域技术人员应该理解，图8以简化的方式描绘了无线设备80，并且替代实施例可以在其中包括附加的组件，该附加的组件适应地配置用于处理逻辑以支持本文描述的特征或本文未详细描述的已知或常规的操作特征。例如，处理器可以是任何定制的或市售的处理器、中央处理器(CPU)、多个处理器中的辅助处理器、基于半导体的微处理器(以微芯片或芯片组的形式)、或者通常是用于执行软件指令的任何设备。处理器可以配置为执行存储在存储器中的软件，以根据软件指令总体上控制操作。在示例性实施例中，处理器可以包括诸如针对功耗和移动应用而优化的移动优化处理器。
还提供了用于制造无线设备80的方法。该方法包括提供设置在无线设备80的壳体82内的一个或更多个组件；并且提供设置在壳体82内的至少一个天线20。正如本领域普通技术人员将理解的，可以在单个无线设备80内提供根据在本文中提供的实施例的多个双频带天线20。该方法可以包括根据上述公开的尺寸的冲压或模制寄生元件22的步骤。本申请的天线20的好处和优点之一是，在一个实施例中，天线20可以独立于无线设备80完全组装。在图3B中，天线20是指5G天线元件23和寄生元件22。一旦构造了天线元件20，就可以通过拧紧、连接、夹紧或以其他方式将天线20机械固定在无线设备80的壳体82内来将其固定。这样，在一个实施例中，高频元件23是表面贴装在PCB上的，而寄生元件22可以从散热器中生长出来并通过螺钉附接至接地平面25。
图9-10是图8的无线设备80的一部分的放大图。在图9中提供了根据本公开的实施例的已经布线并焊接到天线20的天线电缆86a-c。可以仅提供天线电缆86a-c来测试无线设备80中的天线实施例，并且对于无线设备80起作用来说不需要所述天线电缆。图10是图8的无线设备80的以一部分的又一视图。根据本公开的实施例，当无线设备80在操作中时所示箭头表示了低频带(2.4GHz)的电流环路9。电流环路9在加号(+)端(例如RF连接器的正端)处从接触点31处开始，并且穿过RF迹线(未示出)行进至高频元件23。高频元件23耦合到寄生元件22，并且电流穿过耦合间隙29行进至寄生元件22。电流环路9从寄生元件22继续通过连接器28内的金属紧固件30到达接地平面25，然后在减号(-)端(例如RF连接器的负端)返回到接触点31。
图11A-C是在无线设备内操作中的天线元件的示例性调谐、效率和耦合的曲线图。图11A示出了天线20的两个谐振频率。在一个实施例中，低频带谐振为2.4至2.48GHz，并且高频带谐振为5.1至5.8GHz。2.4-2.48GHz的谐振是由于环路电流，而5.1-5.8的谐振是由于5GHz元件/PIFA电流。类似地，在图11B中示出了天线20的效率的实施例，其中2.4-2.48GHz的谐振是由于环路电流，并且5.1-5.8是由于5GHz元件/PIFA电流。图11C是在耦合间隙29的三个不同长度处的高频元件23与寄生元件22之间的耦合的曲线图示。该图示出了如果耦合间隙29约为1mm，则耦合几乎为0dB或100％。
应当理解，在本文描述的无线设备的一些示例性实施例可以包括诸如一个或更多个诸如微处理器的通用或专用处理器(“一个或更多个处理器”)的各种组件；中央处理器(CPU)；数字信号处理器(DSP)：诸如网络处理器(NP)或网络处理单元(NPU)的定制处理器，图形处理单元(GPU)等；现场可编程门阵列(FPGA)等；并且具有唯一的存储程序指令(包括软件和固件)，该唯一的存储程序指令用于控制其结合某些非处理器电路来实施在本文中描述的方法和/或系统的一些、大部分或全部功能。替代地，一些或全部功能可以通过没有存储程序指令的状态机来实施，或者在一个或更多个专用集成电路(ASIC)来实施，其中每个功能或功能中的某些功能的一些组合被实施为定制逻辑或电路系统。当然，可以使用前述方法的组合。对于在本文中描述的一些示例性实施例，硬件中的以及可选地具有软件、固件及其组合的对应设备可以被称为“配置或适配为…的电路系统”、“配置或适配为…的逻辑”等以执行如在本文中针对各种示例性实施例所描述的对于数字和/或模拟信号的一系列操作、步骤、方法、过程、算法、功能、技术等。
此外，一些示例性实施例可以包括其上存储有用于对计算机、服务器、装置、设备、处理器电路等进行编程的计算机可读代码的非暂时性计算机可读存储介质，其中的每个都可以包括处理器以执行本文所述和所要求保护的功能。这种计算机可读存储介质的示例包括但不限于硬盘、光存储设备、磁存储设备、ROM(只读存储器)、PROM(可编程只读存储器)、EPROM(可擦可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦可编程只读存储器)、闪存等。当存储在非暂时性计算机可读介质中时，软件可以包括可由处理器或设备(例如，任何类型的可编程电路系统或逻辑)执行的指令，响应于这种执行，该指令使处理器或设备执行如本文针对各种示例性实施例所述的一组操作、步骤、方法、过程、算法、功能、技术等。
尽管已经参考优选的实施例及其具体示例在本文中表明和描述了本公开，但是对于本领域的普通技术人员而言显而易见的是，其他实施例和示例可以执行类似的功能和/或实现类似的结果。所有这样的等同实施例和示例都在本公开的精神和范围内，由此考虑并且旨在由所附权利要求来覆盖。

Claims (12)

1.一种双频带天线(20)，包括：
接地平面(25)；
寄生元件(22)，其电连接到所述接地平面(25)；以及
高频元件(23)，所述高频元件用于在高频带处谐振并经由短路连接到接地平面(25)，
其中，所述高频元件(23)电容耦合到所述寄生元件(22)，从而形成在低频带处谐振的环形天线。
2.根据权利要求1所述的双频带天线(20)，其中，高频元件(23)配置为倒F天线。
3.根据权利要求2所述的双频带天线(20)，其中，所述倒F天线具有一部分，使得所述部分的宽度大于所述部分的长度的1/4。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的双频带天线(20)，其中，所述高频带为5-6GHz，并且所述低频带为2-3GHz。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的双频带天线(20)，其中，所述寄生元件(22)由屏蔽罐、散热器、外壳和冲压金属片之一形成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的双频带天线(20)，其中，形成所述环形天线的寄生元件(22)是散热器的一部分。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的双频带天线(20)，其中，所述寄生元件(22)为模制的。
8.根据权利要求7所述的双频带天线(20)，其中，所述寄生元件(22)在第一端处的第一宽度大于所述寄生元件(22)在第二端处的第二宽度。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的双频带天线(20)，其中，所述环形天线包括连接到接地平面(25)的机械连接。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的双频带天线(20)，其中，将所述寄生元件(22)制造为单独的组件。
11.一种具有壳体(82)的无线设备(80)，所述无线设备(80)包括：
至少一个设备组件(84)；以及
至少一个根据权利要求1至10中任一项所述的双频带天线(20)。
12.一种用于制造无线设备(80)的方法，所述方法包括：
提供设置在无线设备(80)的壳体(82)内的一个或更多个组件(84)；以及
提供设置在壳体(82)内的至少一个根据权利要求1至10中任一项所述的双频带天线(20)。
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