CN114976606B - 天线和通信装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种天线。本申请的天线包括介质基板、背心式辐射金属体、馈电部件和主电容耦合面，所述背心式辐射金属体位于所述介质基板的一个表面，所述主电容耦合面位于所述介质基板的另一个表面，所述主电容耦合面在所述介质基板上的一部分投影位于与所述背心式辐射金属体的顶部枝节在所述介质基板上的投影内，所述主电容耦合面在所述介质基板上的另一部分投影位于与所述背心式辐射金属体在所述介质基板上的投影外，所述馈电部件与所述主电容耦合面连接，所述主电容耦合面用于与所述背心式辐射金属体形成电容耦合以及用于馈电。本申请的天线可以产生三个频段，且有效地降低天线的复杂度，减小天线所需空间，能够更加普遍地适用于通信设备中。

Description

天线和通信装置

技术领域

本申请涉及通信领域，尤其涉及天线和通信装置。

背景技术

随着信息技术的高速发展，通信网络技术也在逐步成长，例如，第五代移动通信技术(5^th generation，5G)应运而生，而天线作为移动通信技术的核心部件，在通信系统的发展长河中也是起着关键性的作用。

目前，现有技术中可以采用如图1所示的天线，该天线具有四层结构，分别为基板103，设置为导电材质的辐射体102-1和102-2，以及设置为导电材质的辐射体101和辐射体100，高度为5毫米，从基板103上引出两个馈电端子104-1以及104-2，分别与辐射体102-1以及辐射体102-2耦接，实现对辐射体102的馈电。参考图2，该示例中的辐射体101和辐射体100呈正四边形，辐射体102-1以及102-2分别有一部分与辐射体101和辐射体100的垂直投影相重叠，并且辐射体102-1与102-2与辐射体101投影重叠的部分互相垂直。当电信号通过馈电端子104-1馈入辐射体102-1时，辐射体102-1可以通过空间耦合，在辐射体101的下边沿激励横向电流。类似的，电信号可以通过馈电端子104-2馈入辐射体102-2，则辐射体102-2可以通过空间耦合，在辐射体101的右边沿激励纵向电流。

然而，在如图1和图2所示的天线结构中，参与辐射的有效辐射体为辐射体101和辐射体100，因此，该天线只能工作在于辐射体101和辐射体100尺寸对应的两个频段；且该天线具有4层结构，加工工艺较为复杂，对纵向空间的需求较高。

发明内容

本申请提供了一种天线，该天线包括介质基板、背心式辐射金属体、馈电部件和主电容耦合面。本申请的天线能够在实现多谐振宽带(相对带宽≥30％)的前提下，有效地降低天线的复杂度，降低加工成本，同时显著减小天线所需空间，能够更加普遍地适用于通信设备中。

第一方面，本申请提供了一种天线，所述天线包括介质基板、背心式辐射金属体、馈电部件和主电容耦合面，所述背心式辐射金属体位于所述介质基板的一个表面，所述主电容耦合面位于所述介质基板的另一个表面，所述主电容耦合面在所述介质基板上的一部分投影位于与所述背心式辐射金属体的顶部枝节在所述介质基板上的投影内，所述主电容耦合面在所述介质基板上的另一部分投影位于与所述背心式辐射金属体在所述介质基板上的投影外，所述馈电部件与所述主电容耦合面连接，所述主电容耦合面用于与所述背心式辐射金属体形成电容耦合以及用于馈电。

本申请提供的天线，由于背心式辐射金属体覆盖在介质基板的表面，主电容耦合面覆盖在介质基板的另一个表面，馈电部件与主电容耦合面连接，也就是说，该天线具有三层结构，类似于贴片天线，与现有技术相比，现有技术中的天线具有四层结构，其加工工艺比较复杂，所以本申请中的天线复杂度相对较低，可以减少加工成本。

结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述背心式辐射金属体的顶部枝节的枝节宽度大于所述顶部枝节在单边开口槽缝差分模式下的谐振点的波长的1/20。

该实现方式中，对背心式辐射金属体的顶部枝节的枝节宽度进就行了限定，便于天线在使用时可以产生多个频段。

结合第一方面或第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述背心式辐射金属体的两个顶部枝节之间的距离大于或等于所述顶部枝节在单边开口槽缝差分模式下的谐振点的波长的1/20，且小于或等于所述波长的2/5。

该实现方式中，对背心式辐射金属体的两个顶部枝节之间的距离进行了限定，便于天线在使用时可以产生多个频段。

结合第一方面或上述任意一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述背心式辐射金属体的顶部枝节的长度与所述顶部枝节在单边开口槽缝差分模式下的谐振点的波长的1/5的差值小于或等于第一阈值。

该实现方式中，对背心式辐射金属体的顶部枝节的长度进行了限定，结合上述两个实现方式中，对背心式辐射金属体的顶部枝节的枝节宽度和背心式辐射金属体的两个顶部枝节之间的距离的限定，这样天线在通电使用时，可以产生三种模式，也就是三种频段，以便适用于更多的场景下。

结合第一方面或上述任意一种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述背心式辐射金属体的边缘为锯齿化形状。

本实现方式中，边缘增加锯齿后，边缘电流路径更长，天线的谐振总体往低偏500M左右，有利于小型化；锯齿化后，耦合电容减小后，史密斯圆图更接近圆心，即50ohm阻抗匹配点，可以实现耦合电容调节。

结合第一方面或上述任意一种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述天线还包括备用电容耦合面，所述备用电容偶合面与所述主电容耦合面位于所述介质基板的同一个表面，且所述备用电容耦合面的位置与所述主电容耦合面的位置基于所述背心式辐射金属体的两个顶部枝节之间的中心轴对称。

本实现方式中，馈电部件与主电容耦合面连接，备用电容耦合面为兼容设计，在其他子线版本上起用。备用电容耦合面起用时主电容耦合面上不馈电，且由于此宽带天线对称，从主电容耦合面馈电或备用电容耦合面馈电均能激励3个谐振。

结合第一方面或上述任意一种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，所述介质基板为玻纤布覆铜FR4板。

结合第一方面或上述任意一种可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，所述介质基板的厚度为1毫米。

第二方面，本申请提供一种通信装置，所述电子设备包括如第一方面或其中任意一种可能的实现方式中的天线。

结合第二方面，在第一种可能的实现方式中，所述通信装置还包括接地极，所述背心式辐射金属体与所述接地极之间的距离小于或等于4毫米。

本实现方式中，背心式辐射金属体与接地极之间的距离小于或等于4毫米，显著减小了天线所需空间，能够更加普遍地应用于通信设备中。

附图说明

图1为现有技术提供的一种双极化天线的结构示意图；

图2为现有技术提供的一种双极化天线的俯视图；

图3为本申请一个实施例提供的天线的爆炸图；

图4为本申请一个实施例提供的天线的正视图；

图5为本申请一个实施例提供的天线产生的三种模式对应的电流或者电场分布图；

图6为本申请一个实施例提供的天线产生的三种模式的有益效果图；

图7为本申请一个实施例提供的天线的馈电部件的位置图；

图8为本申请另一个实施例提供的天线的馈电部件的位置图；

图9为本申请另一个实施例提供的背心式辐射金属体的正视图；

图10为本申请另一个实施例提供的天线的爆炸图；

图11为本申请另一个实施例提供的天线的锯齿化谐振边缘电流路径加长效果图；

图12为本申请另一个实施例提供的天线的锯齿化谐振频偏效果图；

图13为本申请另一个实施例提供的天线的锯齿化史密斯圆图阻抗匹配效果图；

图14为本申请另一个实施例提供的天线产生的三种模式的有益效果图；

图15为本申请另一个实施例提供的天线的爆炸图；

图16为本申请另一个实施例提供的增加了备用电容耦合面的天线产生的三种模式的有益效果图；

图17为本申请一个实施例提供的天线的顶视图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请实施例的实施方式进行详细描述。

图1为现有技术提供的一种双极化天线的结构示意图。如图1所示，该天线具有四层结构，分别为基板103，设置为导电材质的辐射体102-1和102-2，以及设置为导电材质的辐射体101和辐射体100，高度为5毫米。从基板103上引出两个馈电端子104-1以及104-2，分别与辐射体102-1以及102-2耦接，实现对辐射体a的馈电。

现有技术提供的天线的俯视图如图2所示，该示例中的辐射体101和辐射体100呈正四边形，辐射体102-1以及102-2分别有一部分与辐射体101和辐射体100的垂直投影相重叠，并且102-1与102-2与辐射体101投影重叠的部分互相垂直。当电信号通过馈电端子104-1馈入辐射体102-1时，辐射体102-1可以通过空间耦合，在辐射体101的下边沿激励横向电流。类似的，电信号可以通过馈电端子104-2馈入辐射体102-2，则辐射体102-2可以通过空间耦合，在辐射体101的右边沿激励纵向电流，这样，两个方向互相垂直的电流可以分别产生两个相位互相正交的电磁波，由此便实现了该天线的双极化辐射特性。

然而，在现有技术提供的天线结构中，参与辐射的有效辐射体为辐射体101和辐射体100，因此，该天线只能工作在于辐射体101和辐射体100尺寸对应的两个频段。然而，一般天线都需要能够同时覆盖多个频段，例如支持WiFi 6E的WiFi天线需要能够同时覆盖5G低频、5G高频以及6G三个频段。如果采用现有技术的天线，在需要多个频段时，就需要采用多个天线，成本上升；此外，该天线具有4层结构，加工工艺较为复杂，而且该天线在使用时，对纵向空间的需求至少是5毫米，也就是说，对纵向空间的需求较高。

针对现有技术提供的天线频段少、加工工艺较为复杂和对纵向空间的需求较高的技术问题，本申请提供了一种天线，能够在实现多谐振宽带(相对带宽≥30％)的前提下，有效地降低天线的复杂度，降低加工成本，同时显著减小天线所需空间，能够更加普遍地适用于通信设备中。

图3为本申请一个实施例提供的天线的爆炸图。如图3所示，本申请提供的天线包括介质基板301、背心式辐射金属体302、馈电部件303和主电容耦合面304，背心式辐射金属体302位于介质基板301的一个表面，主电容耦合面304位于介质基板301的另一个表面，主电容耦合面304在介质基板301上的一部分投影位于与背心式辐射金属体302的顶部枝节在介质基板301上的投影内，主电容耦合面301在介质基板301上的另一部分投影位于与背心式辐射金属体302在介质基板301上的投影外，馈电部件303与主电容耦合面304连接，主电容耦合面304用于与背心式辐射金属体302形成电容耦合以及用于馈电。

作为一种示例，馈电部件303可以是一个金属片，当天线通电时，电信号经馈电部件303馈入背心式辐射金属体302。

作为一种示例，介质基板301可以采用玻纤布覆铜板(flame retardant type 4，FR4)，该玻纤板是以环氧树脂作粘合剂，以电子级玻璃纤维布作增强材料的一类基板，它的粘结片和内芯薄型覆铜板，是制作多层印制电路板的重要基材。

可以理解的是，本申请提供的天线，由于背心式辐射金属体302覆盖在介质基板301的表面，主电容耦合面304覆盖在介质基板301的另一个表面，馈电部件303与主电容耦合面304连接，也就是，该天线具有三层结构，类似于贴片天线，与现有技术相比，现有技术中的天线具有四层结构，其加工工艺比较复杂，所以本申请中的天线复杂度相对较低，可以减少加工成本。

可以理解的是，馈电部件303位于主电容耦合面304上，主电容耦合面304的大部分区域位于背心式辐射金属体302的顶部枝节上，一小部分区域位于背心式辐射金属体302的顶部枝节外。具体的分布可以参考图4提供的本申请的天线的正视图。

从图4中可以看出，主电容耦合面304的一小部分区域位于背心式辐射金属体302的顶部枝节外，背心式辐射金属体302的顶部枝节的宽度大于顶部枝节在单边开口槽缝差分模式下的谐振点的波长的1/20，背心式辐射金属体302的两个顶部枝节之间的距离大于或等于顶部枝节在单边开口槽缝差分模式下的谐振点的波长的1/20，且小于或等于波长的2/5，背心式辐射金属体302的顶部枝节的长与顶部枝节在单边开口槽缝差分模式下的谐振点的波长的1/5的差值小于或等于第一阈值。

可以理解的是，单边开口槽缝差分模式下的谐振点在不同的频率下，会对应不同的波长，该对应关系可以参考现有技术。

可以理解的是，对背心式辐射金属体的顶部枝节的长度、背心式辐射金属体的顶部枝节的枝节宽度和背心式辐射金属体的两个顶部枝节之间的距离进行限定，当满足这样的条件时，天线在通电后，可以产生三种模式，也就是三种频段，以便适用于更多的场景下。

也就是说，当背心式辐射金属体302的顶部枝节的相关参数满足上述条件时，该天线通电后可以产生三个谐振，分别对应差分模式电流分布1(patch differential mode，Patch DM1)、差分模式电流分布2(patch differential mode，Patch DM 2)和单边开口槽缝差分模式电场分布(slot differential mode，Slot DM)，一共三个模式，如图5所示的3种模式对应的电流或者电场分布。

图5所示的差分模式电流分布1Patch DM1、差分模式电流分布2Patch DM2和单边开口槽缝差分模式电场分布Slot DM仅仅是一种示例，是一个瞬时状态，下一时刻，其方向就可能会发生变化。图中的模式电流是上下振荡和左右振荡的，此时，馈电部件303处于阻抗的最佳位置。

作为一种示例，在图5中，在单边开口Slot DM模式下，下面的电场分布最弱，最上面电场最强。也就是说在单边开口处，下面产生的电场均匀的弱，中间的电场均匀的弱，上面的电场从左到右均匀的强。

此三种场分布的有益效果如图6所示，这三种模式下会产生三个对应的谐振，如图6所示，频率参数(S)＜-8dB时，其带宽可达到2.2GHz，相对带宽达到38％，且带内辐射效率≥-2dB，其对应频率为4.6GHz～6.8GHz。

图6只是作为一种示例，从图中可以看出，这三个谐振分布比较均匀，会达到一个比较宽的频段。在天线中，有相应的电流电场模式，就能得到相应的谐振频率。

为了能够得到如图6所示的三种分布比较好的谐振，馈电部件303位置的选择也有一定的诉求，为了更好的在频带内将3种模式激励起来，需要将馈电部件303的位置靠近槽缝slot偏馈，如图7所示。

从图7中，可以看出，当馈电部件303的位置靠近slot偏馈时，可以激励起3种模式；如果馈电部件303的位置放在背心式辐射金属体302的下方，则这3种模式中的单边开口Slot DM模式激励不出来；如果馈电部件303的位置放在背心式辐射金属体302的中间偏上的地方且不在背心式辐射金属体302的顶部枝节上，那么从上往下，这3个模式的效果会逐渐恶化，其中，单边开口Slot DM模式会逐渐消失，直至全部消失。

当馈电位置位于背心式辐射金属体302的对称线上时，如图8所示，无法激励PatchDM2和单边开口Slot DM，只能激励Patch DM1。也就是说，背心式辐射金属体302的最左边和最右边有一个阻抗关系，如果馈电位置位于背心式辐射金属体302的对称线上，那么这个阻抗就完全激励不起来，这个阻抗是最大的，称为高阻抗；如果馈电位置位于背心式辐射金属体302的边缘地方，称为低阻抗。当介于高阻抗和低阻抗之间时，可以激励起比较好的模式。

图9为本申请另一个实施例提供的背心式辐射金属体的正视图，该实施例中的新的背心式辐射金属体主要是在图4中背心式辐射金属体302的基础上在其周边增加锯齿状，其他参数同图4中背心式辐射金属体302。

图10为本申请另一个实施例提供的天线的爆炸图，如图10所示，本实施例提供的天线包括介质基板301、锯齿状背心式辐射金属体305、馈电部件303和主电容耦合面304，连接方式同图3所示的天线的连接。

图11为本申请另一个实施例提供的天线的锯齿化谐振边缘电流路径加长效果图。如图11所示，与边缘没有锯齿的背心式辐射金属体相比，在背心式辐射金属体边缘增加锯齿后，其边缘电流的路径更长。

图12为本申请另一个实施例提供的天线的锯齿化谐振频偏效果。如图12所示，图中对包含边缘锯齿化辐射金属体的天线和包含边缘无锯齿化背心辐射金属体的天线的谐振频偏效果进行了对比，从图12中可以得到，与包含边缘无锯齿化背心辐射金属体的天线相比，包含边缘锯齿化辐射金属体的天线的谐振总体往低偏500M左右，这样有利于天线小型化，可以适用于更多的场景下。

图13为本申请另一个实施例提供的天线的锯齿化史密斯圆图阻抗匹配效果。如图13所示，背心式辐射金属体锯齿化后，且耦合电容减小后，史密斯圆图更接近圆心，即50ohm阻抗匹配点。

可以理解的是，史密斯圆图是在反射系散平面上标绘有归一化输入阻抗(或导纳)等值圆族的计算图，是一款用于电机与电子工程学的图表，主要用于传输线的阻抗匹配上。该图由三个圆系构成，用以在传输线和某些波导问题中利用图解法求解，以避免繁琐的运算。一条传输线(transmission line)的电阻抗力(impedance)会随其长度而改变，要设计一套匹配(matching)的线路，需要通过不少繁复的计算程序，史密夫图表的特点便是省略一些计算程序。

图14为本申请另一个实施例提供的天线产生的三种模式的有益效果图。从图14中可以看出，背心式辐射金属体锯齿化后，频率参数(S)＜-10dB时，其带宽可达到1.6GHz，相对带宽达到30％，且带内辐射效率≥-1.5dB，其对应的频率为4.6GHz～6.2GHz。

由于背心式辐射金属体体形状大体无变化，因此模式与图5所示的基本相同，且天线方向图与图5所示的基本一致。

可以理解的是，边缘锯齿化辐射金属体仅是背心式辐射金属体的一种示例，可以应用于一些对天线体积要求更小的场景下。

图15为本申请另一个实施例提供的天线的爆炸图。如图15所示，可以在天线中增加对称的备用电容耦合面306，对天线没有影响。且由于此宽带天线对称，从主电容耦合面304馈电或备用电容耦合面306馈电均能激励宽带3个谐振。

作为一种示例，同一块天线板可兼容不同子型号的主板馈电位置。

可以理解的是，备用电容耦合面306可以在一些必要的场景下使用，且备用电容耦合面306使用时，主电容耦合面304不工作。

图16为本申请另一个实施例提供的增加了备用电容耦合面的天线产生的三种模式的有益效果图。从图16中的效果可以看出，增加了备用电容耦合面后，对天线没有影响。由于激励的模式全部为DM，因此，此方案可实现带内全频段的定向高增益。

图17为本申请一个实施例提供的天线的顶视图。本申请中的介质基板为玻纤布覆铜FR4板，介质基板的厚度可以为1毫米。本申请中的天线可以应用于一些通信装置中，一般的通信装置还包括接地极，该天线在使用时，与接地极之间的距离可以小于或等于4毫米。也就是说本申请提供的天线，与现有技术相比，对纵向空间的要求相对较低，可以更加广泛应用。

或者，以上各个模块的部分或全部也可以通过集成电路的形式内嵌于电子设备的某一个芯片上来实现。且它们可以单独实现，也可以集成在一起。即以上这些单元可以被配置成一个或多个集成电路，例如：一个或多个特定集成电路(application specificintegrated circuit，ASIC)，或，一个或多个微处理器(digital singnal processor，DSP)，或，一个或者多个现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)等。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

本申请说明书和权利要求书及附图说明中的术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于限定特定顺序。

在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

在本申请的实施例中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。在本申请的文字描述中，字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

Claims (9)

1.一种天线，其特征在于，包括介质基板、背心式辐射金属体、馈电部件和主电容耦合面，所述背心式辐射金属体位于所述介质基板的一个表面，所述主电容耦合面位于所述介质基板的另一个表面，所述主电容耦合面在所述介质基板上的一部分投影位于与所述背心式辐射金属体的顶部枝节在所述介质基板上的投影内，所述主电容耦合面在所述介质基板上的另一部分投影位于与所述背心式辐射金属体在所述介质基板上的投影外，所述馈电部件与所述主电容耦合面连接，所述主电容耦合面用于与所述背心式辐射金属体形成电容耦合以及用于馈电；

所述背心式辐射金属体的顶部枝节的枝节宽度大于所述顶部枝节在单边开口槽缝差分模式下的谐振点的波长的1/20。

2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述背心式辐射金属体的两个顶部枝节之间的距离大于或等于所述顶部枝节在单边开口槽缝差分模式下的谐振点的波长的1/20，且小于或等于所述波长的2/5。

3.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述背心式辐射金属体的顶部枝节的长度与所述顶部枝节在单边开口槽缝差分模式下的谐振点的波长的1/5的差值小于或等于第一阈值。

4.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述背心式辐射金属体的边缘为锯齿化形状。

5.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述天线还包括备用电容耦合面，所述备用电容耦合面与所述主电容耦合面位于所述介质基板的同一个表面，且所述备用电容耦合面的位置与所述主电容耦合面的位置基于所述背心式辐射金属体的两个顶部枝节之间的中心轴对称。

6.如所述权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述介质基板为玻纤布覆铜FR4板。

7.如所述权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述介质基板的厚度为1毫米。

8.一种通信装置，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的天线。

9.如权利要求8所述的通信装置，其特征在于，所述通信装置还包括接地极，所述背心式辐射金属体与所述接地极之间的距离小于或等于4毫米。