CN113540789B - 天线系统及电子设备 - Google Patents

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CN113540789B CN202010321373.4A CN202010321373A CN113540789B CN 113540789 B CN113540789 B CN 113540789B CN 202010321373 A CN202010321373 A CN 202010321373A CN 113540789 B CN113540789 B CN 113540789B
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Abstract

本申请公开了一种天线系统及电子设备，天线系统包括地板、第一PIFA单元和第二PIFA单元。第一PIFA单元和第二PIFA单元朝向地板正投影分别形成有第一投影区域和第二投影区域，并在地板上形成有第一投影区域、第二投影区域和缝隙的投影区域在内的连续区域。连续区域的第一外轮廓线和第二外轮廓线上的任一轮廓点垂直地向连续区域外延伸，与地板的外边缘相交形成对应的地板交点，该任一轮廓点与对应的地板交点之间的距离小于或等于0.105λ。电子设备包括如上天线系统。本申请在不引入任何额外解耦结构的情况下，可以抑制超近距离放置的两个PIFA单元间的互耦，并实现较高的隔离度，且不影响PIFA单元的辐射方向图。

Description

天线系统及电子设备
技术领域
本申请涉及无线通讯天线领域，尤其是涉及一种天线系统及电子设备。
背景技术
MIMO(多输入多输出，multiple input multiple output)技术是无线通信系统中的关键技术之一，它通过在无线通信系统的发射端和接收端布署多个相同且隔离的天线，从而构建多条独立的数据流，因此在不增加频谱和功率资源的前提下可以线性地提升通信系统的容量。然而，由于移动终端设备尺寸受限，近距离放置的同频MIMO天线单元之间具有较强的互耦，会大大恶化MIMO系统的性能。因此，近距离下同频MIMO天线单元的解耦是实现高性能MIMO系统的核心技术之一。平面倒F天线(Planar Inverted F-shaped Antenna，PIFA)是一种四分之一波长谐振的腔体天线，由于其具有低剖面、小尺寸、低成本、定向辐射等优点，因此被广泛地应用于各种移动终端设备中。为了实现多个PIFA单元间的解耦，一般需要设置λ/4～λ/2的单元间距(其中，λ为PIFA单元的工作波长)，然而过大的单元间距导致其无法在尺寸受限的移动终端设备中应用。为了在近距离部署的环境下实现多个PIFA单元的解耦，中和线、寄生单元、缺陷地等技术被用来消除PIFA单元间的耦合。但是，这些技术面临解耦结构复杂、解耦带宽窄、解耦隔离度差、影响单元辐射方向图等缺点。
其中，文献【“A Novel Isolation Technique for Closely Spaced PIFAs forUMTS Mobile Phones”，Anissa Chebihi,Cyril Luxey,Aliou Diallo,Philippe Le Thuc,and Robert Staraj，《IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS》，第7卷，2008年】提出了一种用于UMTS(通用移动通信系统，Universal Mobile TelecommunicationsSystem)移动手机的近距离放置的PIFA天线单元的新型隔离技术，参见该文献中的图4和图6可知，提供了2个放置在金属地板上的PIFA单元，每个PIFA单元包含有一个水平辐射贴片、一个馈电枝节和一个短路枝节。两个PIFA单元的间距为4mm(0.029λ0)。该方案通过在两个PIFA单元外侧各连接一根接地的弯折金属枝节(即中和线)来实现两个PIFA单元的解耦，最终实现了9dB的单元隔离度(参见该文献中的图6)。该方案的工作原理为：中和线提供了一个新的耦合路径，并与原有耦合路径的耦合强度相等，相位相反，因此两个耦合路径互相抵消。但采用这种结构存在以下问题：需要引入额外的解耦结构(即接地的弯折金属枝节)，增加了天线设计和加工的复杂度，且增大了天线的整体尺寸；同时，解耦后的隔离度只有9dB，无法满足实际应用的需求。
文献【“Reducing Mutual Coupling for an Extremely Closely-PackedTunable Dual-Element PIFA Array Through a Resonant Slot Antenna Formed In-Between”，Shuai Zhang,Salman Naeem Khan,and Sailing He，《IEEE TRANSACTIONS ONANTENNAS AND PROPAGATION》，第58卷，2010年8月】提出了一种通过谐振的缝隙减小超近距离放置的两个PIFA单元之间的耦合度，参见该文献中的图1和图2可知，提供了2个放置在金属地板上的耦合馈电的PIFA单元，两个PIFA单元的间距为1.8mm(0.015λ0)。该方案通过在两个近距离放置的PIFA单元中间的金属地板上开一个缝隙来实现解耦。该方案的工作原理为：谐振的地板缝隙会产生带阻特性，从而抑制两个PIFA单元间的电磁耦合。但采用这种结构存在以下问题：需要额外在金属地板上开缝隙才能实现解耦，增加了天线设计和加工的复杂度；同时，金属地板上的缝隙会产生辐射，导致后向辐射增强，恶化天线单元的辐射方向图。
发明内容
本申请的目的在于解决现有技术中的天线系统需要引入额外的解耦结构才能实现两个PIFA单元的解耦导致增加了天线设计和加工的复杂度以及增大了天线的整体尺寸、由于解耦结构产生辐射会严重恶化天线的辐射方向图的问题。因此，本申请实施例提供了一种天线系统及电子设备，克服了现有的天线设计的痛点和难点，在不引入任何额外解耦结构的情况下，可以抑制超近距离放置的两个PIFA单元间的互耦，即实现在超近距离下同频的两个PIFA单元之间的解耦，并实现较高的隔离度，且不影响PIFA单元的辐射方向图，降低了天线设计和加工的复杂度以及减小了天线的整体尺寸。
本申请实施例提供了一种天线系统，包括地板、设置于所述地板上方且并列设置的第一PIFA单元和第二PIFA单元，所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元之间设有间距，以形成缝隙；
所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元朝向所述地板正投影分别形成有第一投影区域和第二投影区域，并在所述地板上形成有第一投影区域、第二投影区域和所述缝隙的投影区域在内的连续区域，所述连续区域的外轮廓线连续并形成闭环线，所述连续区域的所述外轮廓线中与第一投影区域的外轮廓线重叠的部分定义为第一外轮廓线，所述连续区域的所述外轮廓线中与第二投影区域的外轮廓线重叠的部分定义为第二外轮廓线；
所述第一外轮廓线和所述第二外轮廓线上的任一轮廓点垂直地向所述连续区域外延伸，与所述地板的外边缘相交形成对应的地板交点，该任一轮廓点与对应的所述地板交点之间的距离小于或等于0.105λ；其中，λ为第一PIFA单元和/或第二PIFA单元的工作波长。
在本方案中，通过合理设置第一PIFA单元(即第一平面倒F天线单元)和第二PIFA单元(即第二平面倒F天线单元)分别与相对设置的地板的外边缘之间的距离，在不引入任何额外解耦结构的情况下，可以抑制超近距离放置的第一PIFA单元和第二PIFA单元之间的互耦，即实现在超近距离下同频的两个PIFA单元之间的解耦，并实现较高的隔离度(15dB以上)，且不影响第一PIFA单元和第二PIFA单元的辐射方向图，降低了天线设计和加工的复杂度以及减小了天线的整体尺寸。
在一些实施例中，所述第一外轮廓线和所述第二外轮廓线上的该任一轮廓点与对应的所述地板交点之间的距离大于或等于0.03λ。这样能够更好地实现第一PIFA单元和第二PIFA单元之间的较高隔离度，能够实现天线系统的第一PIFA单元和第二PIFA单元之间的有效隔离。
在一些实施例中，所述第一外轮廓线和所述第二外轮廓线上的该任一轮廓点与对应的所述地板交点之间的距离为0.055λ。这样能够使得第一PIFA单元和第二PIFA单元之间的隔离度大于22dB，能够使得两个PIFA单元之间实现更有效的隔离。
在一些实施例中，当所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元被激励时，所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元能够产生一对+45°和-45°极化的正交极化辐射场。从而通过极化分集的方式在超近距离下实现了第一PIFA单元和第二PIFA单元之间的自解耦。
在一些实施例中，所述地板的形状为矩形，所述连续区域为矩形；所述第一外轮廓线上的各边分别与相向靠近的所述地板的外边缘平行，所述第二外轮廓线上的各边分别与相向靠近的所述地板的外边缘平行。
在一些实施例中，所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元平行设置，且所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元相对于一虚拟平面对称设置；其中，所述虚拟平面垂直于所述地板。
在一些实施例中，所述地板具有相互垂直的第一中心线和第二中心线，所述第一中心线或所述第二中心线位于所述虚拟平面。
在一些实施例中，所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元之间的所述间距大于或等于0.01λ。
在一些实施例中，所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元的工作频率相同，所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元的工作波长相同。
在一些实施例中，所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元的工作频率均为1.5GHz，所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元的工作波长均为200mm。
在一些实施例中，所述第一PIFA单元包括第一辐射体、第一接地部和第一馈电部，所述第一接地部的一端耦合至所述第一辐射体，另一端耦合至所述地板，所述第一馈电部的一端耦合至所述第一辐射体，所述第一辐射体与所述地板相对设置；
所述第二PIFA单元包括第二辐射体、第二接地部和第二馈电部，所述第二接地部的一端耦合至所述第二辐射体，另一端耦合至所述地板，所述第二馈电部的一端耦合至所述第二辐射体，所述第二辐射体与所述地板相对设置；
所述天线系统还包括第三接地部，第三接地部与第一接地部、第二接地部形成一整体结构，所述第三接地部耦合至所述地板，且所述第三接地部位于所述缝隙，以调节所述缝隙的长度。
在本方案中，通过第三接地部可以调节缝隙的长度，从而可以调节缝隙的辐射强度，作为调节X极化辐射强度的一个自由度，因此可用来进一步提升两个PIFA单元的隔离性能。
本申请实施例还提供了一种电子设备，其包括以上任一实施例所提供的天线系统。
在本方案中，电子设备采用以上任一实施例所提供的天线系统，在不引入任何额外解耦结构的情况下，可以抑制超近距离放置的第一PIFA单元和第二PIFA单元之间的互耦，即实现在超近距离下同频的两个PIFA单元之间的解耦，并实现较高的隔离度，能够提高电子设备的辐射效率，且不影响第一PIFA单元和第二PIFA单元的辐射方向图，降低了天线设计和加工的复杂度以及减小了天线的整体尺寸，便于实现电子设备的小型化和轻薄化。
附图说明
图1a为本申请实施例的天线系统的一实施方式的立体结构示意图；
图1b为本申请实施例的天线系统的一实施方式的俯视结构示意图；
图2为本申请实施例的天线系统的地板的结构示意图，其中，图中示出了第一PIFA单元和第二PIFA单元朝向地板正投影分别形成的第一投影区域和第二投影区域；
图3为本申请实施例的天线系统测量的第一PIFA单元和第二PIFA单元的S参数性能仿真曲线图；
图4为本申请实施例的天线系统测量的第一PIFA单元和第二PIFA单元的效率仿真曲线图；
图5a-图5d为本申请实施例的天线系统测量的第一PIFA单元和第二PIFA单元的E面和H面辐射方向图，其中，第一PIFA单元和第二PIFA单元的工作频率为1.5GHz；
图6a-图6b为本申请实施例的天线系统的电场分布原理示意图；
图7为参考设计的天线系统的结构示意图，其中，X向边缘距离为0.23λ，Y向边缘距离为0.2675λ；
图8为参考设计的天线系统测量的第一PIFA单元和第二PIFA单元的S参数性能仿真曲线图；
图9a和图9b为参考设计的天线系统中的第一PIFA单元和第二PIFA单元的电场分布原理示意图；
图10a为本申请实施例的天线系统在X向边缘距离变化时测量的第一PIFA单元和第二PIFA单元的S参数性能仿真曲线图；
图10b为本申请实施例的天线系统在Y向边缘距离变化时测量的第一PIFA单元和第二PIFA单元的S参数性能仿真曲线图；
图11为本申请实施例的天线系统的另一实施方式的结构示意图。
附图标记说明：
10：天线系统；
100：地板；110：第一边缘；120：第二边缘；130：第三边缘；140：第四边缘；150：地板交点；
200：第一PIFA单元；210：第一辐射体；212：第一馈电点；220：第一接地部；230：第一馈电部；
300：第二PIFA单元；310：第二辐射体；312：第二馈电点；320：第二接地部；330：第二馈电部；
400：缝隙；410：投影区域；
500：第一投影区域；
600：第二投影区域；
700：连续区域；710：第一外轮廓线；712：第一外轮廓边；714：第二外轮廓边；716：第三外轮廓边；720：第二外轮廓线；722：第一外轮廓边；724：第二外轮廓边；726：第三外轮廓边；730：轮廓点；
800：第三接地部；
O1：第一中心线；
O2：第二中心线；
d1：缝隙的宽度；
dx：X向边缘距离；
dy：Y向边缘距离；
L1：地板的长度；
W1：地板的宽度；
L2：第一辐射体的长度；
W2：第一辐射体的宽度；
d2：第一馈电点与第一接地部之间的距离；
L3：第二辐射体的长度；
W3：第二辐射体的宽度；
d3：第二馈电点与第二接地部之间的距离。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。虽然本申请的描述将结合一些实施例一起介绍，但这并不代表此申请的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作申请介绍的目的是为了覆盖基于本申请的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本申请的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本申请也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本申请的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应注意的是，在本说明书中，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。此外，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。
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；可以是机械连接，也可以是电连接；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。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。
请参见图1a-图2，图1a和图1b示出了本申请实施例的天线系统的一实施方式的示意性结构，图2示出了该天线系统的地板的结构示意图，其中，图中示出了第一PIFA单元200(即第一平面倒F天线单元)和第二PIFA单元300(即第二平面倒F天线单元)朝向地板正投影分别形成的第一投影区域500和第二投影区域600，并示出了连续区域700。该天线系统应用于电子设备。该电子设备可以为智能手机、平板电脑或智能手表等等。
如图1a-图2所示，本申请实施例一种天线系统10，包括地板100、设置于地板100上方且并列设置的第一PIFA单元200和第二PIFA单元300。第一PIFA单元200和第二PIFA单元300之间设有间距，以形成缝隙400。第一PIFA单元200和第二PIFA单元300的工作频率相同。第一PIFA单元200和第二PIFA单元300的工作波长也相同。
第一PIFA单元200和第二PIFA单元300朝向地板100正投影分别形成有第一投影区域500和第二投影区域600，并在地板100上形成有第一投影区域500、第二投影区域600和缝隙400的投影区域410在内的连续区域700，连续区域700的外轮廓线连续并形成闭环线。连续区域700的外轮廓线中与第一投影区域500的外轮廓线重叠的部分定义为第一外轮廓线710，连续区域700的外轮廓线中与第二投影区域600的外轮廓线重叠的部分定义为第二外轮廓线720。其中，缝隙400的投影区域410指的是缝隙400朝向地板100正投影形成的区域。
第一外轮廓线710和第二外轮廓线720上的任一轮廓点730垂直地向连续区域700外延伸，与地板100的外边缘相交形成对应的地板交点150。该任一轮廓点730与对应的地板交点150之间的距离小于或等于0.105λ。其中，λ为第一PIFA单元200和第二PIFA单元300的工作波长。
通过合理设置第一PIFA单元200(即第一平面倒F天线单元)和第二PIFA单元300(即第二平面倒F天线单元)分别与相对设置的地板100的外边缘之间的距离，在不引入任何额外解耦结构的情况下，可以抑制超近距离放置的第一PIFA单元200和第二PIFA单元300之间的互耦，即实现在超近距离(比如缝隙400的宽度为0.01λ的情况下)下同频的两个PIFA单元之间的解耦，解耦带宽适中，并实现较高的隔离度(15dB以上)，且不影响第一PIFA单元200和第二PIFA单元300的辐射方向图，降低了天线设计和加工的复杂度以及减小了天线的整体尺寸。
也就是说，在本申请中，在不引入任何额外解耦结构的情况下即可实现两个PIFA单元间的解耦，并且具有解耦带宽适中，隔离度高等特性；另外，两个PIFA单元在超近距离的配置下，如0.01个波长(该波长λ为两个PIFA单元的工作波长)，也能实现两个PIFA单元间的解耦；此外，本申请使用的解耦技术可以在实现解耦的同时不影响天线单元的辐射方向图。
在本实施方式中，第一PIFA单元200和第二PIFA单元300的工作频率均为1.5GHz，第一PIFA单元200和第二PIFA单元300的工作波长均为200mm。本领域技术人员可以理解，在可替代的其它实施方式中，第一PIFA单元200和第二PIFA单元300的工作频率也可以采用其它频率，并不局限于1.5GHz，相应的，第一PIFA单元200和第二PIFA单元300的工作波长也可以采用其它的工作波长，并不局限于200mm，在此并不对本申请的保护范围产生限定作用。
进一步地，第一外轮廓线710和第二外轮廓线720上的该任一轮廓点730与对应的地板交点150之间的距离大于或等于0.03λ。这样能够更好地实现第一PIFA单元200和第二PIFA单元300之间的较高隔离度，能够实现天线系统10的第一PIFA单元200和第二PIFA单元300之间的有效隔离。
具体地，第一外轮廓线710和第二外轮廓线720上的该任一轮廓点730与对应的地板交点150之间的距离为0.055λ。这样能够使得第一PIFA单元200和第二PIFA单元300之间的隔离度大于22dB，能够使得两个PIFA单元之间实现更有效的隔离。
在本实施方式中，地板100的形状为矩形，连续区域700为矩形。其中，第一投影区域500和第二投影区域600的形状也为矩形。本领域技术人员可以理解的是，在可替代的其它实施方式中，地板100的形状也可以为梯形、三角形等其它形状，连续区域700、第一投影区域500和第二投影区域600的形状也可以为梯形、三角形等其它形状，在此并不对本申请的保护范围产生限定作用。
进一步地，第一外轮廓线710上的各边分别与相向靠近的地板100的外边缘平行，第二外轮廓线720上的各边分别与相向靠近的地板100的外边缘平行。本领域技术人员可以理解的是，在可替代的其它实施方式中，第一外轮廓线710上的各边也可以与相向靠近的地板100的外边缘不平行，第二外轮廓线720上的各边也可以与相向靠近的地板100的外边缘不平行。
如图1a-图2所示，对天线系统10定义一坐标系，该坐标系具有相互垂直的X向、Y向和Z向。其中，第一PIFA单元200的宽度方向和第二PIFA单元300的宽度方向平行于X向，第一PIFA单元200的长度方向和第二PIFA单元300的长度方向平行于Y向。地板100的长度方向平行于X向，地板100的宽度方向平行于Y向。
其中，地板100具有首尾依次相接的第一边缘110、第二边缘120、第三边缘130和第四边缘140，且第一边缘110与第三边缘130相对平行设置，第二边缘120与第四边缘140相对平行设置。第一边缘110和第三边缘130平行于X向，第二边缘120和第四边缘140平行于Y向。
连续区域700的第一外轮廓线710包括依次相接的第一外轮廓边712、第二外轮廓边714和第三外轮廓边716，第一外轮廓边712和第三外轮廓边716相对平行设置。连续区域700的第二外轮廓线720包括依次相接的第一外轮廓边722、第二外轮廓边724和第三外轮廓边726，第一外轮廓边722和第三外轮廓边726相对平行设置。第一外轮廓线710的第一外轮廓边712和第二外轮廓线720的第一外轮廓边722对齐，第一外轮廓线710的第三外轮廓边716和第二外轮廓线720的第三外轮廓边726对齐。第一外轮廓线710的第二外轮廓边714和第二外轮廓线720的第二外轮廓边724相背平行设置。
其中，第一外轮廓线710的第一外轮廓边712和第三外轮廓边，以及第二外轮廓线720第一外轮廓边722和第三外轮廓边平行于X向。第一外轮廓线710的第二外轮廓边714和第二外轮廓线720的第二外轮廓边724平行于Y向。
进一步地，第一外轮廓线710的第一外轮廓边712和第二外轮廓线720的第一外轮廓边722分别与地板100的第一边缘110相对平行设置。第一外轮廓线710的第三外轮廓边716和第二外轮廓线720的第三外轮廓边726分别与地板100的第三边缘130相对平行设置。
在本实施方式中，第一外轮廓线710的第一外轮廓边712与地板100的第一边缘110之间的距离、第二外轮廓线720的第一外轮廓边722与地板100的第一边缘110之间的距离、第一外轮廓线710的第三外轮廓边716与地板100的第三边缘130之间的距离、以及第二外轮廓线720的第三外轮廓边726与地板100的第三边缘130之间的距离均相等，且这些距离均定义为Y向边缘距离dy。本领域技术人员可以理解的是，在可替代的其它实施方式中，这些距离也可以部分相等，部分不相等，也可以全部不相等，在此并不对本申请的保护范围产生限定作用。
更进一步地，第一外轮廓线710的第二外轮廓边714与地板100的第四边缘140相对平行设置。第二外轮廓线720的第二外轮廓边724与地板100的第二边缘120相对平行设置。
在本实施方式中，第一外轮廓线710的第二外轮廓边714与地板100的第四边缘140之间的距离、以及第二外轮廓线720的第二外轮廓边724与地板100的第二边缘120之间的距离相等，且该距离均定义为X向边缘距离dx。本领域技术人员可以理解的是，在可替代的其它实施方式中，第一外轮廓线710的第二外轮廓边714与地板100的第四边缘140之间的距离、以及第二外轮廓线720的第二外轮廓边724与地板100的第二边缘120之间的距离也可以不相等，在此并不对本申请的保护范围产生限定作用。
具体地，X向边缘距离dx小于或等于0.105λ，且大于或等于0.03λ。Y向边缘距离dy小于或等于0.105λ，且大于或等于0.03λ。当λ为200mm时，X向边缘距离dx小于或等于21mm，且大于或等于6mm。Y向边缘距离dy小于或等于21mm，且大于或等于6mm。
在本实施方式中，X向边缘距离dx为0.055λ，Y向边缘距离为0.055λ。当λ为200mm时，X向边缘距离dx和Y向边缘距离dy均为11mm。
如图1a-图2所示，第一PIFA单元200和第二PIFA单元300平行设置。且第一PIFA单元200和第二PIFA单元300相对于一虚拟平面对称设置。其中，虚拟平面垂直于地板100。在本实施方式中，虚拟平面平行于YOZ平面。
具体地，地板100具有相互垂直的第一中心线O1和第二中心线O2。第一中心线O1平行于X向，第二中心线O2平行于Y向。虚拟平面经过第一中心线O1或第二中心线O2。在本实施方式中，第二中心线O2位于虚拟平面，且第一中心线O1垂直于虚拟平面。本领域技术人员可以理解，在可替代的其它实施方式中，第一中心线O1也可以为虚拟平面，此时，第二中心线O2垂直于虚拟平面。
进一步地，第一PIFA单元200和第二PIFA单元300之间的间距大于或等于0.01λ。也就是说，缝隙400的宽度大于或等于0.01λ。当λ为200mm时，缝隙400的宽度大于或等于2mm。在本实施方式中，缝隙400的宽度为0.01λ(即2mm)，此时，第一PIFA单元200和第二PIFA单元300之间相当于以超近距离放置。
另外，当第一PIFA单元200和第二PIFA单元300被激励时，第一PIFA单元200和第二PIFA单元300能够产生一对+45°和-45°极化的正交极化辐射场(请参见图6a和图6b)。从而通过极化分集的方式在超近距离下实现了第一PIFA单元200和第二PIFA单元300之间的自解耦。
此外，第一PIFA单元200包括第一辐射体210、第一接地部220和第一馈电部230。第一接地部220的一端耦合至第一辐射体210，另一端耦合至地板100。第一馈电部230的一端耦合至第一辐射体210，第一辐射体210与地板100相对间隔设置。
第二PIFA单元300包括第二辐射体310、第二接地部320和第二馈电部330。第二接地部320的一端耦合至第二辐射体310，另一端耦合至地板100。第二馈电部330的一端耦合至第二辐射体310。第二辐射体310与地板100相对间隔设置。第一辐射体210和第二辐射体310并列平行设置。具体地，第一馈电部230和第二馈电部330采用馈电探针。
在本实施方式中，第一辐射体210和第二辐射体310可以采用贴片。此时，其由导电材料制得。该导电材料可以采用以下材料中的任一者：铜、铝、不锈钢、黄铜和它们的合金、绝缘基片上的铜箔、绝缘基片上的铝箔、绝缘基片上的金箔、镀银的铜、绝缘基片上的镀银铜箔、绝缘基片上的银箔和镀锡的铜、浸渍石墨粉的布、涂覆石墨的基片、镀铜的基片、镀黄铜的基片和镀铝的基片。本领域技术人员可以理解，第一辐射体210和第二辐射体310也可以有其它导电材料制得，并不局限于此。
第一接地部220和第二接地部320可以采用贴片。此时，第一接地部220和第二接地部320由导电材料制得。该导电材料可以采用以下材料中的任一者：铜、铝、不锈钢、黄铜和它们的合金、绝缘基片上的铜箔、绝缘基片上的铝箔、绝缘基片上的金箔、镀银的铜、绝缘基片上的镀银铜箔、绝缘基片上的银箔和镀锡的铜、浸渍石墨粉的布、涂覆石墨的基片、镀铜的基片、镀黄铜的基片和镀铝的基片。本领域技术人员可以理解，第一辐射体210和第二辐射体310也可以有其它导电材料制得，并不局限于此。
地板100可由电子设备的电路板形成。本领域技术人员可以理解，该地板100也可以采用贴片。此时，其由导电材料制得。比如，该导电材料可以采用以下材料中的任一者：铜、铝、不锈钢、黄铜和它们的合金、绝缘基片上的铜箔、绝缘基片上的铝箔、绝缘基片上的金箔、镀银的铜、绝缘基片上的镀银铜箔、绝缘基片上的银箔和镀锡的铜、浸渍石墨粉的布、涂覆石墨的基片、镀铜的基片、镀黄铜的基片和镀铝的基片。
具体地，第一接地部220垂直于地板100和第一辐射体210，第二接地部320垂直于地板100和第二辐射体310。且第一接地部220的宽度和第一辐射体210的宽度相等，第二接地部320的宽度和第二辐射体310的宽度相等，使得第一PIFA单元200和第二PIFA单元300之间形成的缝隙400的形状为倒L形。
进一步地，第一馈电部230与第一辐射体210直接相连进行馈电，第一辐射体210的与第一馈电部230连接的部位定义为第一馈电点212。第二馈电部330与第二辐射体310直接相连进行馈电，第二辐射体310的与第二馈电部330连接的部位定义为第二馈电点312。
以下结合图3-图10b对天线系统10的性能做具体地说明。
为了验证本实施例中天线系统10的实际性能，采用全波电磁仿真软件HFSS对本实施例中的天线系统10进行仿真分析，获得了如图3-图5d所示的效果曲线图。
获取图3-图5d所示的曲线图的仿真条件如下表1所示(请结合图1a-图2予以理解)：
表1
Figure BDA0002461554200000101
请参见图3-图5d，图3为本申请实施例的天线系统测量的第一PIFA单元和第二PIFA单元的S参数性能仿真曲线图。图4为本申请实施例的天线系统测量的第一PIFA单元和第二PIFA单元的效率仿真曲线图。图5a-图5d为本申请实施例的天线系统测量的第一PIFA单元和第二PIFA单元的E面和H面辐射方向图，其中，第一PIFA单元和第二PIFA单元的工作频率为1.5GHz。
其中，在图3中，横坐标表示频率，单位为GHz，纵坐标表示S11或S22和S21的幅度值，单位为dB。S11、S22和S21分别属于S参数中的一种。S11和S22表示反射系数，此参数表示第一PIFA单元和第二PIFA单元的发射效率好不好，值越大，表示第一PIFA单元和第二PIFA单元本身反射回来的能量越大，这样天线的效率就越差。S21表示传输系数，隔离度为S21的绝对值，隔离度越高，第一PIFA单元和第二PIFA单元的辐射效率越高。
从图3可以看到，在1.465～1.53GHz的频段内，第一PIFA单元和第二PIFA单元均具有较好的阻抗匹配，即S11小于-10dB，S22小于-10dB，也就是说，第一PIFA单元和第二PIFA单元的工作频段均覆盖1.465～1.53GHz。也就是说，第一PIFA单元和第二PIFA单元的-10dBS11的绝对带宽为0.065GHz，第一PIFA单元和第二PIFA单元的-10dB S11的相对带宽为4.3％。从而具有解耦带宽适中的特性。
同时，在1.465～1.53GHz的频段内，第一PIFA单元和第二PIFA单元之间具有较好的隔离特性，即S21小于-22dB，隔离度大于22dB，第一PIFA单元和第二PIFA单元可以单独正常工作。从而具有隔离度高、很好的自解耦的特性。
需要说明的是，本领域技术人员可以理解，第一PIFA单元和第二PIFA单元的S11和S22小于-10dB时便表明第一PIFA单元和第二PIFA单元均具有较好的阻抗匹配，第一PIFA单元和第二PIFA单元之间的隔离度在工作频段内大于15dB，第一PIFA单元和第二PIFA单元便能单独正常工作。
参见图4，横坐标表示频率，单位为GHz，纵坐标表示第一PIFA单元的效率(和第二PIFA单元的效率。从图4中可以看到，第一PIFA单元和第二PIFA单元在工作频段1.465～1.53GHz内的效率分别为87～99％，具有较好的辐射特性。
参见图5a-图5d，图5a和图5b分别给出了在工作频率1.5GHz时第一PIFA单元的E面和H面的辐射方向图，图5c和图5d分别给出了在工作频率1.5GHz时第二PIFA单元的E面和H面的辐射方向图，其中，图中的圆圈代表主极化，方块代表交叉极化。就本技术领域而言，本领域技术人员可以理解的是，E面也叫电面，是指通过最大辐射方向并平行于电场方向的方向平面，H面也叫磁面，是指通过最大辐射方向平行于磁场方向的方向平面。在本实施方式中，最大辐射方向是Z向(参见图1a)，第一PIFA单元的电场方向(如图6a)是XOY面内+45度方向。因此，对于第一PIFA单元，E面为水平面的+45度轴和z轴构成的平面，H面为水平面的-45度轴和z轴构成的平面。由于第二PIFA单元的电场方向与第一PIFA单元正好垂直，因此E面和H面刚好相反，即第二PIFA单元的E面为水平面的-45度轴和z轴构成的平面，H面为水平面的+45度轴和z轴构成的平面。
从图5a-图5d中可以看出，第一PIFA单元的E面和H面的主极化方向图以及第二PIFA单元的E面和H面的主极化方向图均为心形，从而第一PIFA单元和第二PIFA单元具有定向辐射特性，且在0°方向的辐射性能最佳，即0°方向为辐射的主方向。
从图5a可知，在辐射的主方向0°方向，交叉极化增益小于主极化增益15dB。从图5b可知，在辐射的主方向0°方向，交叉极化增益小于主极化增益18dB。从而，第一PIFA单元的交叉极化电平较低，对主极化方向图的影响较小。
从图5c可知，在辐射的主方向0°方向，交叉极化增益小于主极化增益18dB。从图5d可知，在辐射的主方向0°方向，交叉极化增益小于主极化增益15dB。从而，第二PIFA单元的交叉极化电平较低，对主极化方向图的影响较小。
从上可知，第一PIFA单元的E面和H面的辐射方向图和第二PIFA单元的E面和H面的辐射方向图与单个PIFA单元(即仅保留第一PIFA单元或仅保留第二PIFA单元的情况下)的E面和H面的辐射方向图类似，即在解耦的同时没有影响天线单元的辐射方向图。
参见图6a-图6b，图6a-图6b为本申请实施例的天线系统的电场分布原理示意图。以下结合图6a和图6b从天线系统的工作方式和工作机理来分析天线系统的性能。
如图6a所示，当激励第一PIFA单元时，第一PIFA单元产生+Y极化辐射，与此同时，地板可以激励起+X极化辐射，根据电场的矢量叠加原理，相同强度的+Y与+X极化电场叠加可产生+45°极化的辐射电场。
如图6b所示，当激励第二PIFA单元时，第二PIFA单元产生+Y极化辐射，与此同时，地板可以激励起-X极化辐射，根据电场的矢量叠加原理，相同强度的+Y与-X极化电场叠加可产生-45°极化的辐射场。
因此，本申请在第一PIFA单元与第二PIFA单元平行放置的情况下，通过叠加地板的X向辐射场，产生了一对+45°和-45°极化的正交极化辐射场，从而通过极化分集的方式在超近距离下实现了第一PIFA单元与第二PIFA单元的自解耦。
从上可知，本申请实现2个超近距离放置的PIFA单元自解耦的关键因素为：当X向边缘距离小于或等于0.105波长(即0.105λ)，Y向边缘距离小于或等于0.105波长(即0.105λ)，可以使地板的边缘电场产生一定强度的X极化辐射，从而使两个并排的PIFA单元产生正交的±45°极化辐射场。
为了说明本申请所保护的技术方案的作用，图7-图8给出了天线系统的参考设计的结构示意图以及针对该参考设计测量的第一PIFA单元与第二PIFA单元的S参数性能仿真曲线图。图9a和图9b给出了参考设计的天线系统中的第一PIFA单元和第二PIFA单元的电场分布原理示意图。
如图7所示，结合图1a-图2予以理解，该参考设计是在本申请的天线系统的基础上增大了X向边缘距离和Y向边缘距离，即也相应的增大了地板的长度和地板的宽度，其它结构以及参数保持不变。其中，X向边缘距离为0.23λ，Y向边缘距离为0.2675λ。
采用全波电磁仿真软件HFSS对本参考设计中的天线系统进行仿真分析，获得了如图8所示的效果曲线图。
获取图8所示的曲线图的仿真条件如下表2所示(请结合图7所示出的参考设计的天线系统的结构予以理解)：
表2
Figure BDA0002461554200000121
Figure BDA0002461554200000131
请参见图8，图8为参考设计的天线单元测量的第一PIFA单元和第二PIFA单元的S参数性能仿真曲线图。其中，在图8中，横坐标表示频率，单位为GHz，纵坐标表示S11或S22和S21的幅度值，单位为dB。
从图8可以看到，当X向边缘距离和Y向边缘距离增大到一定值时，在1.465～1.51GHz的频段内，第一PIFA单元和第二PIFA单元均具有较好的阻抗匹配，即S11小于-10dB，S22小于-10dB，也就是说，第一PIFA单元和第二PIFA单元的工作频段均覆盖1.465～1.51GHz。也就是说，第一PIFA单元和第二PIFA单元的-10dBS11的绝对带宽为0.045GHz，第一PIFA单元和第二PIFA单元的-10dB S11的相对带宽为3％。
同时，在1.465～1.51GHz的频段内，第一PIFA单元和第二PIFA单元之间的隔离度较低，即S21小于或等于-8.5dB，隔离度大于或等于8.5dB，从而导致第一PIFA单元和第二PIFA单元之间的隔离特性较差。
因此，对比图3和图8的结果，可以得出结论：当增大X向边缘距离和Y向边缘距离时，第一PIFA单元和第二PIFA单元的S11带宽几乎保持不变，但第一PIFA单元和第二PIFA单元之间的隔离度明显恶化，只有8.5dB。因此，X向边缘距离和Y向边缘距离是本申请实现第一PIFA单元和第二PIFA单元之间自解耦的关键因素。
请参见图9a和图9b，图9a和图9b为参考设计的天线系统中的第一PIFA单元和第二PIFA单元的电场分布原理示意图。
如图9a所示，当激励第一PIFA单元时，第一PIFA单元产生+Y极化辐射，但地板并不产生辐射。如图9b所示，当激励第二PIFA单元时，第二PIFA单元产生+Y极化辐射，但地板并不产生辐射。由此可知，由于地板不产生辐射，第一PIFA单元和第二PIFA单元均只产生Y向极化的辐射电场，由于极化方向相同，因此会产生很强的互耦。
为了定量地分析X向边缘距离的尺寸对第一PIFA单元和第二PIFA单元隔离度的影响，采用全波电磁仿真软件HFSS对本实施例中的天线单元在不同的X向边缘距离情况下进行仿真分析，获得了如图10a所示的效果曲线图。其中，测试条件如下表3所示。
表3
Figure BDA0002461554200000141
请参见图10a，图10a为本申请实施例的天线系统在X向边缘距离变化时测量的第一PIFA单元和第二PIFA单元的S参数性能仿真曲线图。其中，横坐标表示频率，单位为GHz，纵坐标表示S21的幅度值，单位为dB。
从图10a可以看到，当X向边缘距离为6mm(即0.03λ)时，在1.465～1.53GHz频段内，S21小于或等于-20dB，即隔离度大于或等于20dB。
当X向边缘距离为11mm(即0.055λ)时，在1.465～1.53GHz频段内，S21小于或等于-21dB，即隔离度大于或等于22dB。
当X向边缘距离为16mm(即0.08λ)时，在1.465～1.53GHz频段内，S21小于或等于-19dB，即隔离度大于或等于19dB。
当X向边缘距离为21mm(即0.105λ)时，在1.465～1.53GHz频段内，S21小于或等于-15dB，即隔离度大于或等于15dB。
从上可知，随着X向边缘距离的减小，第一PIFA单元和第二PIFA单元之间的隔离度先逐渐变好，在X向边缘距离为11mm(即0.055λ)时，第一PIFA单元和第二PIFA单元之间的隔离度最高，达到22dB及以上。随着X向边缘距离的进一步减小，隔离度又逐渐变差。但当X向边缘距离在6mm～21mm(即0.03λ～0.105λ)时，第一PIFA单元和第二PIFA单元之间的隔离度均高于15dB，具有较好的隔离特性。
为了定量地分析Y向边缘距离的尺寸对第一PIFA单元和第二PIFA单元隔离度的影响，采用全波电磁仿真软件HFSS对本实施例中的天线单元在不同的Y向边缘距离情况下进行仿真分析，获得了如图10b所示的效果曲线图。其中，测试条件如下表4所示。
表4
Figure BDA0002461554200000151
Figure BDA0002461554200000161
请参见图10b，图10b为本申请实施例的天线系统在Y向边缘距离变化时测量的第一PIFA单元和第二PIFA单元的S参数性能仿真曲线图。其中，横坐标表示频率，单位为GHz，纵坐标表示S21的幅度值，单位为dB。
从图10b可以看到，当Y向边缘距离为6mm(即0.03λ)时，在1.465～1.53GHz频段内，S21小于或等于-16dB，即隔离度大于或等于16dB。
当Y向边缘距离为11mm(即0.055λ)时，在1.465～1.53GHz频段内，S21小于或等于-22dB，即隔离度大于或等于22dB。
当Y向边缘距离为16mm(即0.08λ)时，在1.465～1.53GHz频段内，S21小于或等于-18dB，即隔离度大于或等于18dB。
当Y向边缘距离为21mm(即0.105λ)时，在1.465～1.53GHz频段内，S21小于或等于-14.5dB，即隔离度大于或等于14.5dB(约15dB)。
从上可知，随着Y向边缘距离的减小，第一PIFA单元和第二PIFA单元之间的隔离度先逐渐变好，在Y向边缘距离为11mm(即0.055λ)时，第一PIFA单元和第二PIFA单元之间的隔离度最高，达到22dB及以上。随着Y向边缘距离的进一步减小，隔离度又逐渐变差。但当Y向边缘距离在6mm～21mm(即0.03λ～0.105λ)时，第一PIFA单元和第二PIFA单元之间的隔离度均高于15dB，具有较好的隔离特性。
因此，本实施例中X向边缘距离小于或等于0.105λ且Y向边缘距离小于或等于0.105λ，此时，地板的长度小于或等于100mm，地板的宽度小于或等于85mm，可使得第一PIFA单元和第二PIFA单元之间的隔离度达到15dB以上，具有较好的隔离特性。
本申请实施例还提供了一种电子设备，其包括以上任一实施例所提供的天线系统10。
电子设备采用以上任一实施例所提供的天线系统10，在不引入任何额外解耦结构的情况下，可以抑制超近距离放置的第一PIFA单元和第二PIFA单元之间的互耦，即实现在超近距离下同频的两个PIFA单元之间的解耦，并实现较高的隔离度，能够提高电子设备的辐射效率，且不影响第一PIFA单元和第二PIFA单元的辐射方向图，降低了天线设计和加工的复杂度以及减小了天线的整体尺寸，便于实现电子设备的小型化和轻薄化。
请参见图11，图11为本申请实施例的天线系统10的另一实施方式的结构示意图。如图11所示，该实施例的天线系统的结构基本与上述实施例所提供的天线系统的结构相同，其不同之处在于，结合图1a-图2予以理解，该天线系统10还包括第三接地部800，第三接地部800与第一接地部220、第二接地部320形成一整体结构，第三接地部800耦合至地板100(在本实施方式中，第三接地部800直接连接于地板100)。且第三接地部800位于缝隙400中，以调节缝隙400的长度。
在本实施例中，通过第三接地部800可以调节缝隙400的长度，从而可以调节缝隙400的辐射强度，作为调节X极化辐射强度的一个自由度，此时有两个调节自由度来调节X极化的辐射强度与Y极化辐射强度一致，因此可以更容易实现更高的隔离度以及更宽的隔离带宽，可用来进一步提升两个PIFA单元的隔离性能。
在本实施方式中，第三接地部800与第一接地部220、第二接地部320一体成型。本领域技术人员可以理解的是，第三接地部800也可以与第一接地部220、第二接地部320固定连接形成一整体结构，在此并不对本申请的保护范围产生限定作用。
总的来说，传统的PIFA单元解耦技术需要引入额外的解耦结构，增加了天线设计和加工的复杂度，也增大了天线的整体尺寸，为了解决这一问题，本申请提供了一种PIFA单元自解耦技术，不需要任何额外的解耦结构，只需通过调节两个PIFA单元的边缘分别与相应的地板的边缘之间的距离即可实现两个PIFA单元的解耦。
传统的PIFA单元解耦技术的解耦带宽窄，在超近距离下实现的隔离度较差，为了解决这一问题，本申请提供了一种具有宽带适中和高隔离特性的PIFA单元解耦方案。
传统的PIFA单元解耦技术由于解耦枝节或缝隙产生辐射会严重恶化天线单元的方向图，为了解决这一问题，本申请提供了一种不影响PIFA单元辐射方向图的PIFA天线解耦方案。
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 (15)

1.一种天线系统，包括地板、设置于所述地板上方且并列设置的第一PIFA单元和第二PIFA单元，所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元之间设有间距，以形成缝隙，其特征在于：
所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元朝向所述地板正投影分别形成有第一投影区域和第二投影区域，并在所述地板上形成有第一投影区域、第二投影区域和所述缝隙的投影区域在内的连续区域，所述连续区域的外轮廓线连续并形成闭环线，所述连续区域的所述外轮廓线中与第一投影区域的外轮廓线重叠的部分定义为第一外轮廓线，所述连续区域的所述外轮廓线中与第二投影区域的外轮廓线重叠的部分定义为第二外轮廓线；
所述第一外轮廓线和所述第二外轮廓线上的任一轮廓点垂直地向所述连续区域外延伸，与所述地板的外边缘相交形成对应的地板交点，该任一轮廓点与对应的所述地板交点之间的距离小于或等于0.105λ；其中，λ为第一PIFA单元和/或第二PIFA单元的工作波长。
2.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述第一外轮廓线和所述第二外轮廓线上的该任一轮廓点与对应的所述地板交点之间的距离大于或等于0.03λ。
3.如权利要求2所述的天线系统，其特征在于，所述第一外轮廓线和所述第二外轮廓线上的该任一轮廓点与对应的所述地板交点之间的距离为0.055λ。
4.如权利要求1-3中任一项所述的天线系统，其特征在于，当所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元被激励时，所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元能够产生一对+45°和-45°极化的正交极化辐射场。
5.如权利要求1-3中任一项所述的天线系统，其特征在于，所述地板的形状为矩形，所述连续区域为矩形；所述第一外轮廓线上的各边分别与相向靠近的所述地板的外边缘平行，所述第二外轮廓线上的各边分别与相向靠近的所述地板的外边缘平行。
6.如权利要求4所述的天线系统，其特征在于，所述地板的形状为矩形，所述连续区域为矩形；所述第一外轮廓线上的各边分别与相向靠近的所述地板的外边缘平行，所述第二外轮廓线上的各边分别与相向靠近的所述地板的外边缘平行。
7.如权利要求5所述的天线系统，其特征在于，所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元平行设置，且所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元相对于一虚拟平面对称设置；其中，所述虚拟平面垂直于所述地板。
8.如权利要求6所述的天线系统，其特征在于，所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元平行设置，且所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元相对于一虚拟平面对称设置；其中，所述虚拟平面垂直于所述地板。
9.如权利要求7所述的天线系统，其特征在于，所述地板具有相互垂直的第一中心线和第二中心线，所述第一中心线或所述第二中心线位于所述虚拟平面。
10.如权利要求8所述的天线系统，其特征在于，所述地板具有相互垂直的第一中心线和第二中心线，所述第一中心线或所述第二中心线位于所述虚拟平面。
11.如权利要求1-3中任一项所述的天线系统，其特征在于，所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元之间的所述间距大于或等于0.01λ。
12.如权利要求1-3中任一项所述的天线系统，其特征在于，所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元的工作频率相同，所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元的工作波长相同。
13.如权利要求12所述的天线系统，其特征在于，所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元的工作频率均为1.5GHz，所述第一PIFA单元和所述第二PIFA单元的工作波长均为200mm。
14.如权利要求1-3中任一项所述的天线系统，其特征在于，所述第一PIFA单元包括第一辐射体、第一接地部和第一馈电部，所述第一接地部的一端耦合至所述第一辐射体，另一端耦合至所述地板，所述第一馈电部的一端耦合至所述第一辐射体，所述第一辐射体与所述地板相对设置；
所述第二PIFA单元包括第二辐射体、第二接地部和第二馈电部，所述第二接地部的一端耦合至所述第二辐射体，另一端耦合至所述地板，所述第二馈电部的一端耦合至所述第二辐射体，所述第二辐射体与所述地板相对设置；
所述天线系统还包括第三接地部，第三接地部与第一接地部、第二接地部形成一整体结构，所述第三接地部耦合至所述地板，且所述第三接地部位于所述缝隙，以调节所述缝隙的长度。
15.一种电子设备，其特征在于，其包括如权利要求1-14中任一项所述的天线系统。
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