CN113937477B - 一种内嵌于屏幕内部结构的天线、设计方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种内嵌于屏幕内部结构的天线、设计方法及其应用，所述天线包括金属件制作的天线辐射体、基板以及设于基板上的信号芯片；所述的天线辐射体的走线形状包括倒F型、倒L型或蛇型；所述的基板上设有天线信号馈电端口和天线回路馈地端口，天线辐射体上对应的设置有两个馈点；所述天线辐射体通过其上设置的两个馈点分别与所述的馈电端口和馈地端口连接，所述的馈电端口与信号芯片连接。本申请具有天线整体小型化、结构简单、紧凑，接线方便，调整灵活，成本低，易于生产制造以及天线成品的一致性非常稳定的效果。
Description
技术领域
本申请涉及天线领域，尤其是涉及一种内嵌于屏幕内部结构的天线、设计方法及其应用。
背景技术
随着新型的移动终端产品越来越小型化的发展趋势，随之面对的是产品内部可利用空间减少、对天线的外观设计要求也随之精密化、小巧化的问题。传统的移动终端产品中的天线（如蓝牙天线、WIFI天线）一般仅限于置于产品内部的贴片天线或者不可调整的陶瓷天线。
但是贴片天线，比如：弹片+fpc贴片的天线，天线成本较高，而且一般内置的贴片天线都会占用较大的产品内部空间；陶瓷天线，比如金属+陶瓷烧结的天线，同样存在天线成本高及天线会占用较大的产品内部空间的问题，同时陶瓷天线对制备工艺要求非常严格，生产效率低下，而且容易出现天线性能测试结果优秀但实际应用到产品时不能达到理想效果的问题，使得天线成品的一致性不够稳定。因此仍需进行改进。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，尤其是置于产品内部的贴片天线和陶瓷天线，成本高并且天线会占用较大的产品内部空间的问题，以及陶瓷天线成品的一致性不够稳定的问题，本申请提供一种内嵌于屏幕内部结构的天线、设计方法及其应用。
第一方面，本申请提供的一种内嵌于屏幕内部结构的天线，采用如下的技术方案：
一种内嵌于屏幕内部结构的天线，包括金属件制作的天线辐射体、基板以及设于基板上的信号芯片；所述的天线辐射体的走线形状包括倒F型、倒L型或蛇型；所述的基板上设有天线信号馈电端口和天线回路馈地端口，天线辐射体上对应的设置有两个馈点；所述天线辐射体通过其上设置的两个馈点分别与所述的馈电端口和馈地端口连接，所述的馈电端口与信号芯片连接。
通过采用以上技术方案，尤其是采用金属件钢片制作的天线辐射体，天线辐射体的走线形状包括倒F型、倒L型或蛇型，天线辐射体通过其上设置的两个馈点分别与基板上设置的馈电端口和馈地端口连接，所述的馈电端口与信号芯片连接，从而实现了天线的整体小型化，减小了占用的产品内部空间，而且天线结构简单、紧凑，接线方便，调整灵活，成本低，易于生产制造；另外，由于天线辐射单元采用金属件钢片制作而成，使得天线成品的一致性非常稳定。此外，本申请中通过设置天线辐射体的走线形状采用包括倒F型、倒L型或蛇型，从而可以有效增强天线的辐射效果。
优选的，所述的天线辐射体的走线长度通过天线的谐振频率确定。
通过采用以上技术方案，从而可以快速、准确的调整天线的谐振频率。
优选的，所述基板上天线信号馈电端口和天线回路馈地端口之间设有凹槽，所述凹槽的长度、宽度及深度通过天线的带宽确定。
通过采用以上技术方案，从而可以快速、准确的实现对天线有效带宽的调整。
优选的，所述的天线辐射体与基板之间的距离与主板到屏幕之间的距离相等。
通过采用以上技术方案，结合天线辐射体的走线形状包括倒F型、倒L型或蛇型，从而可以有效增大天线的带宽，覆盖ISM的2.4—2.485GHz所有频段,完全兼容当前的移动通信频段。
优选的，所述天线为蓝牙天线、WIFI天线或RFID超高频天线。
第二方面，本申请提供一种内嵌于屏幕内部结构的天线的设计方法，采用如下的技术方案：
一种内嵌于屏幕内部结构的天线的设计方法，包括以下步骤：
设计天线辐射体的走线——呈倒F型、倒L型或蛇型；
利用金属件制作所述天线辐射体的走线，然后冲压成型，获得天线辐射体；
将所述天线辐射体通过其上设置的两个馈点与基板及设于基板上的信号芯片连接，制备得到内嵌于屏幕内部结构的天线。
通过采用以上方法制备天线——利用金属件钢片制作天线辐射体的走线，然后冲压成型，获得天线辐射体，将天线辐射体与基板及设于基板上的信号芯片连接，制备得到内嵌于屏幕内部结构的天线，不仅制备工艺要求低，制备工艺更简单，成本更低，生产效率高，而且还具有性能稳定、多批次天线成品一致性稳定、外形精致结实、易于安装匹配等优点；同时，通过将天线辐射体的走线设计成倒F型、倒L型或蛇型，从而可以有效增强天线的辐射效果。
优选的，所述的设计天线辐射体的走线，还包括：在屏幕材料确定时，通过天线辐射体的走线长度调节天线的谐振频率，确定出对应某种屏幕材料、某谐振频率的天线辐射体的走线长度。
通过采用以上方法，从而可以快速、高效、准确的进行天线调频，实现在不同的结构空间上允许多种频段的设计思路，能够很好地兼顾设备对多天线系统的需求。
优选的，还包括：在基板上的天线信号馈电端口和天线回路馈地端口之间开设凹槽，通过所述凹槽的长度、宽度和深度调节天线的有效带宽。
通过采用以上技术方案，从而可以快速、准确的设计出所需有效带宽的天线。
第三方面，本申请提供一种内嵌于屏幕内部结构的天线的应用，采用如下的技术方案：
内嵌于屏幕内部结构的天线的应用，将所述天线内嵌于具有屏幕结构的设备中；具体的，将所述天线辐射体嵌设于屏幕与外壳之间的间隙内，所述基板设于屏幕下方的空隙内；所述基板上设有信号芯片、天线信号馈电端口和天线回路馈地端口，天线辐射体上对应的设置有两个馈点；天线辐射体通过其上设置的两个馈点分别与所述的馈电端口和馈地端口连接，天线信号馈电端口与信号芯片连接。
通过采用以上技术方案，尤其是将所述天线辐射体嵌设于屏幕与外壳之间的间隙内，所述基板设于屏幕下方的空隙内，从而可以在产品内部没有预留空间的情况下，实现将天线很好的嵌入设备中，同时保证天线较好的辐射（接收）效果。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.通过采用本申请的天线结构，尤其是采用金属件钢片制作的天线辐射体，天线辐射体的走线形状包括倒F型、倒L型或蛇型，天线辐射体通过其上设置的两个馈点分别与基板上设置的馈电端口和馈地端口连接，所述的馈电端口与信号芯片连接，从而实现了天线的整体小型化，减小了占用的产品内部空间，而且天线结构简单、紧凑，接线方便，调整灵活，成本低，易于生产制造；另外，由于天线辐射单元采用金属件钢片制作而成，使得天线成品的一致性非常稳定。此外，本申请中通过设置天线辐射体的走线形状采用包括倒F型、倒L型或蛇型，从而可以有效增强天线的辐射效果。
2.通过采用本申请的方法制备天线——利用金属件钢片制作天线辐射体的走线，然后冲压成型，获得天线辐射体，将天线辐射体与基板及设于基板上的信号芯片连接，制备得到内嵌于屏幕内部结构的天线，不仅制备工艺要求低，制备工艺更简单，成本更低，生产效率高，而且还具有性能稳定、多批次天线成品一致性稳定、外形精致结实、易于安装匹配等优点；同时，通过将天线辐射体的走线设计成倒F型、倒L型或蛇型，从而可以有效增强天线的辐射效果。
附图说明
图1是本申请的一种实施例中天线的结构示意图。
图2是本申请的一种实施例中基板的结构示意图。
图3是本申请的一种实施例中倒F型天线辐射体的示意图。
图4是本申请的一种实施例中的设计方法流程图。
图5是本申请的一种实施例中的天线对应的S11曲线图。
图6是本申请的一种实施例中的天线对应的驻波比示意图。
图7是本申请的一种实施例中的天线对应的电场面示意图。
图8是本申请的一种实施例中的天线对应的磁场面示意图。
图9是本申请的一种实施例中天线的3D增益图。
图10是将本申请中的一种实施例中的天线应用于电子设备的示意图。
附图标记说明：1、天线辐射体，2、基板，3、馈电端口，4、馈地端口，5、馈点，6、凹槽，7、长支节；8、第一短支节；9、第二短支节；10、倒F型天线辐射体；11、玻璃材质的屏幕；12、FR4材质的外壳；13、芯片PCB板；14、产品内部电池。
具体实施方式
以下结合附图1-10对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种内嵌于屏幕内部结构的天线。参照图1、图2，一种内嵌于屏幕内部结构的天线，包括金属件（比如钢片、FPC、LDS等（只要是金属的元素都可以））制作的天线辐射体1、基板2以及设于基板2上的信号芯片；所述的天线辐射体1的走线形状包括倒F型、倒L型或蛇型；所述的基板2上设有天线信号馈电端口3和天线回路馈地端口4，天线辐射体上对应的设置有两个馈点5；所述天线辐射体1通过其上设置的两个馈点5分别与所述的馈电端口3和馈地端口4连接，所述的馈电端口3与信号芯片连接。
所述天线辐射体1的长、宽、高没有特别限制，但需要结合具体应用的情况，比如在屏幕内部安装该天线时，则天线不能超出屏幕外观。
可选的，对于倒F型的天线辐射体1，包括长支节7、第一短支节8和第二短支节9，所述的两个馈点对应的设置在第一短支节8和第二短支节9上。
具体哪个短支节设置哪个馈点5，没有具体要求；也可以采用其他的设置方式，比如两个馈点5都设置在长支节上，或者一个设置在长支节上，一个设置在短支节上都可以；对于倒L型的天线辐射体1，所述的两个馈点5可以均设置在短支节上，也可以均设置在长支节上，或者一个设置在长支节上，一个设置在短支节上，没有具体要求；同样，对于蛇型走线，所述的两个馈点5的具体设置位置也没有限制。
可选的，所述的天线辐射体1的走线长度通过天线的谐振频率确定。
具体实施时，比如参照图3，对于倒F型天线辐射体1，由λ＝C/ν得到2.45GHz中心频率的天线波长为122mm，波的传输既要经过介质也要经过自由空间，因此实际波长应该介于介质的导波波长和自由空间的工作波长之间。而对2.45GHz工作频段，1/4波长介于16.6mm-30.5mm，在短支节2、3长度保持不变的情况下，也即确定出了图3中倒F型天线辐射体1的长支节7的长度。
可选的，所述基板2上天线信号馈电端口3和天线回路馈地端口4之间设有凹槽6，所述凹槽6的长度、宽度及深度通过天线的带宽确定。
可选的，所述的天线辐射体1与基板2之间的距离与主板到屏幕之间的距离相等。
可选的，所述天线为蓝牙天线、WIFI天线或RFID超高频天线。
本申请实施例还公开一种内嵌于屏幕内部结构的天线的设计方法，如图4所示，包括：
S1，设计天线辐射体1的走线——呈倒F型、倒L型或蛇型；
S2，利用金属件（比如钢片、FPC、LDS等（只要是金属的元素都可以））制作所述天线辐射体1的走线，然后冲压成型，获得天线辐射体1；
S3，将所述天线辐射体1通过其上设置的两个馈点5与基板2及设于基板2上的信号芯片连接，制备得到内嵌于屏幕内部结构的天线。
可选的，所述的设计天线辐射体1的走线，还包括：在屏幕材料确定时，通过天线辐射体1的走线长度调节天线的谐振频率，确定出对应某种屏幕材料、某谐振频率的天线辐射体1的走线长度。
对于倒F型天线，在短支节长度确定的情况下，通过谐振频率可对应的确定出长支节的长度。
可选的，还包括：在基板2上的天线信号馈电端口3和天线回路馈地端口4之间开设凹槽6，通过所述凹槽6的长度、宽度和深度调节天线的有效带宽。。
具体实施时，馈电端口3还可以使用pi匹配电路（即在主板上预留的一个π型电路（通过电容、电感组成））来调节天线的性能。
本申请实施例还公开一种内嵌于屏幕内部结构的天线的应用，将所述天线内嵌于具有屏幕结构的设备中；具体的，将所述天线辐射体1嵌设于屏幕与外壳之间的间隙内，所述基板2设于屏幕下方的空隙内；所述基板2上设有信号芯片、天线信号馈电端口3和天线回路馈地端口4，天线辐射体1上对应的设置有两个馈点5；天线辐射体1通过其上设置的两个馈点5分别与所述的馈电端口3和馈地端口4连接，天线信号馈电端口3（可通过pi匹配电路）与信号芯片连接。
具体实施时，为了节约成本和空间，所述基板可采用设备主板所在的PCB板，在该PCB板上设置信号芯片、天线信号馈电端口和天线回路馈地端口，天线辐射体通过其上设置的两个馈点分别与所述的馈电端口和馈地端口连接，天线信号馈电端口预留天线阻抗匹配电路与信号芯片连接。
本申请中的天线可应用于智能手表、智能手机、智能电视等需要通信的设备中，因为它的体型小（同时保持天线性能基本不变），可隐藏于屏幕边缘，因而在有限的空间内可以较大程度利用好空间。
发明人对本申请中的天线结构进行了一系列测试，具体如下：
针对本申请中的天线结构——一种内嵌于屏幕内部结构的天线，包括金属件钢片制作的天线辐射体、基板以及设于基板上的信号芯片；所述的天线辐射体的走线形状包括倒F型、倒L型或蛇型；所述的基板上设有天线信号馈电端口和天线回路馈地端口，天线辐射体上对应的设置有两个馈点；所述天线辐射体通过其上设置的两个馈点分别与所述的馈电端口和馈地端口连接，所述的馈电端口与信号芯片连接。
发明人对该天线的损耗和阻抗特性进行了测试，通过回波损耗特性来衡量。S11表示回波损耗特性，一般通过网络分析仪通过该指标可以判定天线的损耗的dB值和阻抗特性，进而判定天线的发射效率好不好，S11值越大，表示天线本身反射回来的能量越大，则天线的发射效率就越差。根据图5所示，本申请结构的天线，其对应的S11值较小，说明天线的发射效率非常好。
发明人还对天线的驻波比（驻波比全称为电压驻波比，又名VSWR和SWR，为英文Voltage Standing Wave Ratio的简写，是驻波波腹电压与波谷电压幅度之比，又称为驻波系数、驻波比）进行了测试，驻波比等于1时，表示天线的走线匹配需要的频率点，此时高频能量全部被天线辐射出去，没有能量的反射损耗；驻波比为无穷大时，表示全反射，能量完全没有辐射出去。由图6可知，本申请的天线结构的驻波比接近1，因此，天线辐射效率较高，辐射效果较好。
此外，发明人还测试了本申请结构天线的方向图。天线方向图，即用来表示天线的方向性的图，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的图形，即在远区相同距离R的条件下，天线辐射场的相对值与空间方向的关系，通常采用天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。天线方向图是衡量天线性能的重要图形，可以从天线方向图中观察到天线的各项参数。
图7、图8、图9分别为基于本申请结构的天线（即包括金属件制作的天线辐射体、基板以及设于基板上的信号芯片；所述的天线辐射体的走线形状包括倒F型、倒L型或蛇型；所述的基板上设有天线信号馈电端口和天线回路馈地端口，天线辐射体上对应的设置有两个馈点；所述天线辐射体通过其上设置的两个馈点分别与所述的馈电端口和馈地端口连接，所述的馈电端口与信号芯片连接）获得的电场面方向和磁场面方向示意图以及3D增益示意图，由图7-图9可知：本申请结构的天线（即包括金属件制作的天线辐射体、基板以及设于基板上的信号芯片；所述的天线辐射体的走线形状包括倒F型、倒L型或蛇型；所述的基板上设有天线信号馈电端口和天线回路馈地端口，天线辐射体上对应的设置有两个馈点；所述天线辐射体通过其上设置的两个馈点分别与所述的馈电端口和馈地端口连接，所述的馈电端口与信号芯片连接）其指标是符合行业要求的。
图10为本申请中的内嵌于屏幕内部结构的天线的应用示意图，图中标号10为倒F型天线辐射体，所述天线辐射体嵌设于屏幕与外壳之间的间隙内；标号11为玻璃材质的屏幕，标号12为FR4材质的外壳，标号13为芯片PCB板（具体实施时，为了节约成本和空间，所述基板可采用设备主板所在的PCB板，在该PCB板上设置信号芯片、天线信号馈电端口和天线回路馈地端口，天线辐射体通过其上设置的两个馈点分别与所述的馈电端口和馈地端口连接，天线信号馈电端口预留天线阻抗匹配电路与信号芯片连接），标号14为产品内部电池。
此外，发明人还对本申请中的天线的无源效率与增益进行了测试，如表1所示（表1为一种内嵌于屏幕内部结构的天线设计的Laboratory System:MVG SG24LT的无源数据，在实验室中测试出的天线无源效率与增益的数据表）：
由表1可知：本申请的天线（包括金属件制作的天线辐射体、基板以及设于基板上的信号芯片；所述的天线辐射体的走线形状包括倒F型、倒L型或蛇型；所述的基板上设有天线信号馈电端口和天线回路馈地端口，天线辐射体上对应的设置有两个馈点；所述天线辐射体通过其上设置的两个馈点分别与所述的馈电端口和馈地端口连接，所述的馈电端口与信号芯片连接）达到了行业天线设计要求，覆盖频率、辐射效率、增益都较好。
表1
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种内嵌于屏幕内部结构的天线，其特征在于，所述天线为蓝牙天线、WIFI天线或RFID超高频天线，包括：
天线辐射体（1），所述的天线辐射体（1）由金属件制作而成，天线辐射体（1）的走线形状包括倒F型、倒L型或蛇型；所述天线辐射体（1）的走线长度通过天线的谐振频率确定；
基板（2），所述的天线辐射体（1）与基板（2）之间的距离与主板到屏幕之间的距离相等；
设于基板（2）上的天线信号馈电端口（3）、天线回路馈地端口（4）和信号芯片，所述的天线信号馈电端口（3）与信号芯片连接；
两个馈点（5），所述的两个馈点（5）设置于天线辐射体上，且分别与所述的天线信号馈电端口（3）和天线回路馈地端口（4）连接；
凹槽（6），设于基板（2）上天线信号馈电端口（3）和天线回路馈地端口（4）之间，所述凹槽（6）的长度、宽度及深度通过天线的微波频段的带宽确定。
2.一种权利要求1中所述的内嵌于屏幕内部结构的天线的设计方法，其特征在于，包括：
设计天线辐射体（1）的走线为倒F型、倒L型或蛇型；在屏幕材料确定时，根据所述屏幕材料的类型和天线的谐振频率确定所述天线辐射体的走线长度；
利用金属件制作所述天线辐射体（1）的走线，然后冲压成型，获得天线辐射体（1）；
将设置于所述天线辐射体（1）上的两个馈点（5）分别与设于基板（2）上的天线信号馈电端口（3）和天线回路馈地端口（4）连接，所述的天线信号馈电端口（3）与设于基板（2）上的信号芯片连接；
在所述的天线信号馈电端口（3）和天线回路馈地端口（4）之间开设凹槽（6），通过所述凹槽（6）的长度、宽度和深度调节天线的有效微波频段的带宽；从而制备得到内嵌于屏幕内部结构的天线。
3.权利要求1所述的内嵌于屏幕内部结构的天线的应用，其特征在于，将所述天线内嵌于具有屏幕结构的设备中；具体的，将所述天线辐射体（1）嵌设于屏幕与外壳之间的间隙内，所述基板（2）设于屏幕下方的空隙内；所述基板（2）上设有信号芯片、天线信号馈电端口（3）和天线回路馈地端口（4），天线辐射体（1）上对应的设置有两个馈点（5）；天线辐射体（1）通过其上设置的两个馈点（5）分别与所述的天线信号馈电端口（3）和天线回路馈地端口（4）连接，天线信号馈电端口（3）与信号芯片连接。
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2021
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