CN114976607B - 天线和通信设备 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种天线和通信设备，属于无线通信技术领域。本公开的天线包括：介质基板、第一辐射元件、第二辐射元件和开关元件。其中，第二辐射元件环绕第一辐射元件设置，且第二辐射元件为开环结构，第一辐射元件上有至少一个第一凹槽，一个开关元件与一个第一凹槽对应设置。开关元件包括膜桥和信号电极，各信号电极设置在介质基板上，且均与第一辐射元件连接，并与第二辐射元件绝缘设置。各膜桥设置在第一辐射元件背离介质基板的一侧，一个膜桥横跨一个第一凹槽，且信号电极的至少部分位于膜桥与第一凹槽所限定的空间内。

Description

天线和通信设备

技术领域

本公开属于无线通信技术领域，具体涉及一种天线和通信设备。

背景技术

天线作为无线通信中重要部分，其性能直接影响了信息通讯的质量，为满足科技及工业发展需求，天线正朝着超宽带、功能多样化、小型化和智能化进行发展。

通常可采取增加天线数量来提高天线性能，但天线数量太多会导致单元之间存在电磁干扰，同时也会使天线尺寸偏大，不利于实现小型化。频率可重构天线可以通过加载控制开关使天线频率在一定范围内可重构，其特点是不需要增加或减少天线的辐射单元即可对天线的谐振频率进行调整，因此具有结构简单、占用空间小的优点。

然而，目前的频率可重构天线尺寸大，且频率配置和调整范围小，不利于天线阵列的应用研究。

发明内容

本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种天线和通信设备。

第一方面，本公开实施例提供一种天线，包括：

介质基板；

第一辐射元件、第二辐射元件，设置在所述介质基板上；其中，所述第二辐射元件环绕所述第一辐射元件设置，且所述第二辐射元件为开环结构，所述第一辐射元件上有至少一个所述第一凹槽；

所述天线还包括：

开关元件，一个所述开关元件与一个所述第一凹槽对应设置，所述开关元件包括膜桥和信号电极，各所述信号电极设置在所述介质基板上，且均与所述第一辐射元件连接，并与所述第二辐射元件绝缘设置；各所述膜桥设置在所述第一辐射元件背离所述介质基板的一侧，一个所述膜桥横跨一个所述第一凹槽，且所述信号电极的至少部分位于所述膜桥与所述第一凹槽所限定的空间内。

可选地，所述第一辐射元件的至少一条边上设置有第一凹槽。

可选地，所述膜桥的两端分别连接所述第一辐射元件。

可选地，所述馈电结构设置在第二辐射元件开口的位置，且与所述第一辐射元件连接。

可选地，与设置有所述第一凹槽的第一辐射元件侧边相对的侧边设置有第二凹槽，所述馈电结构设置在所述第二凹槽内且与所述第一辐射元件连接。

可选地，所述第二辐射元件上设置有至少一个通槽，所述通槽将所述第二辐射元件分为多个部分，其中，所述第二辐射元件的每个部分均与至少一个所述开关元件对应设置。

可选地，所述第二辐射元件和所述信号电极为一体结构。

可选地，所述第一辐射元件和所述馈电结构为一体结构。

可选地，所述第一辐射元件和所述第二辐射元件为同层设置，且材料相同。

第二方面，本公开实施例提供一种通信设备，其包括上述的天线。

附图说明

图1为本公开实施例提供的一种天线的结构示意图；

图2为图1所示的天线沿A-A方向的剖面结构示意图；

图3为本公开实施例提供的另一种天线的结构示意图；

图4为本公开实施例提供的又一种天线的结构示意图；

图5为本公开实施例提供的再一种天线的结构示意图。

其中附图标记为：1、介质基板；2、第一辐射元件；3、第二辐射元件；4、膜桥；5、信号电极；6、绝缘层；7、馈电结构；31、第二辐射元件的第一部分；32、第二辐射元件的第二部分；41、第二凹槽；51、通槽；52、第一开关元件；53、第二开关元件；54、第三开关元件。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细描述。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

相关技术中，频率可重构天线可采用半导体开关、变容二极管、液晶等作为控制开关来实现频率可重构，然而，半导体开关或变容二极管对天线增益和效率指标影响明显，液晶可重构天线的响应时间较长，并且目前的频率可重构天线存在尺寸大，且频率配置和调整范围小的问题。

为了至少上述技术问题之一，本公开实施例提供了一种天线和通信装置，下面结合附图和具体实施方式对本公开实施例提供的天线和通信装置作进一步详细描述。

第一方面，图1为本公开实施例提供的一种天线的结构示意图，图2为图1所示的天线沿A-A方向的剖面结构示意图，如图1和图2所示，本公开实施例提供了一种天线，其包括介质基板1、第一辐射元件2、第二辐射元件3和开关元件。其中，介质基板1的背面为金属地(图中未示出)，第一辐射元件2和第二辐射元件3均设置在介质基板1上，第二辐射元件3环绕第一辐射元件2设置，且第二辐射元件3为开环结构，即第二辐射元件3具有开口。第一辐射元件2上设置有至少一个第一凹槽，本实施例中是以第一辐射元件2上设有两个第一凹槽为例进行说明，这里对第一凹槽的数量不作具体限定。

在本实施例中，天线的一个开关元件与一个第一凹槽对应设置，例如：开关元件与第一凹槽一一对应设置。开关元件包括膜桥4和信号电极5，各信号电极5设置在介质基板1上，且均与第二辐射元件3连接，并与第一辐射元件2绝缘设置，例如：信号电极5背离介质基板1的一侧设置有绝缘层6，以使信号电极5与第二辐射元件2绝缘设置。各膜桥4设置在第一辐射元件2背离介质基板1的一侧，一个膜桥4横跨一个第一凹槽且与第一辐射元件2连接，且信号电极5的至少部分位于膜桥4与第一凹槽所限定的空间内。

具体的，如图2所示，膜桥4悬置在信号电极5上方，且与信号电极5上方的绝缘层6不接触，膜桥4为拱形结构，其包括桥面结构，膜桥4的桥面结构具有一定弹性，信号电极5的至少部分位于桥面结构与介质基板1之间所形成的空间中。当给膜桥4和信号电极5施加偏置电压时，在静电力的作用下，驱动膜桥4的桥面结构在垂直于信号电极5的方向上活动，即向膜桥4输入直流偏置电压，能够改变膜桥4的桥面结构与信号电极5之间的间距，从而能够改变膜桥4的桥面结构与信号电极5形成的电容的电容量，进而实现开关元件的通断控制。

在本实施例中，由于开关元件的膜桥4横跨于第一辐射元件2的第一凹槽两边并悬浮在绝缘层6上方，与下方的信号电极5形成电容结构，通过向第一辐射元件2和信号电极5/或第二辐射元件3之间施加偏置电压来改变膜桥4的高度，进而可控制开关元件的通断状态。具体的，当未对第一辐射元件2和信号电极5之间施加偏置电压时，膜桥4高度未发生变化，开关元件处于断开状态，微波信号不通过开关元件，此时主要由第一辐射元件2辐射电磁波能量；当对第一辐射元件2和信号电极5之间施加偏置电压后，膜桥4在偏置电压作用下高度发生变化，膜桥与信号电极之间的电容变大，当膜桥与信号电极之间的电容变为最大时，开关元件处于闭合状态，微波信号即可通过开关元件耦合至第二辐射元件3，此时由第一辐射元件2和第二辐射元件3共同辐射电磁波能量，从而使天线的辐射单元尺寸发生变化，进而改变了天线的工作频率，因此，与现有的频率可重构天线相比，具有体积小和结构简单的优点。

通过对图1所示天线进行仿真，当开关元件处于断开状态时，天线的谐振频率为22.5GHz，天线增益为3.99dB；当开关元件处于闭合状态时，天线的谐振频率为21GHz，天线增益为4.32dB。仿真结果表明通过控制开关元件的通断状态可实现天线频率的可重构，天线具有21GHz、22.5GHz两个谐振频率。可以理解的是，本实施例中开关元件的个数可根据情况进行选择，在此不作具体限定。

需要说明的是，本实施例中第一辐射元件2和第二辐射元件3优选为辐射贴片结构，信号电极5优选为矩形微带线结构，可以理解的是，第一辐射元件2、第二辐射元件3以及信号电极5还可以为其他结构，在此不作具体限定。

另外，本实施例中开关元件是以MEMS开关为例进行说明，可以理解的是，开关元件还可以是其他可实现相同功能的元件，在此也不做具体限定。

在一些实施例中，第一辐射元件2的至少一条边上设置有第一凹槽。具体的，如图1和图2所示，第一辐射元件2的顶边处设置有第一凹槽，膜桥4的横跨第一凹槽，信号电极5的至少部分位于膜桥4与第一凹槽所限定的空间内。信号电极5与第二辐射元件3连接，信号电极5背离介质基板1的一侧设置有绝缘层6。通过对第一辐射元件2和信号电极5/或第二辐射元件3之间施加偏置电压，可使膜桥4在偏置电压作用下高度发生变化，膜桥与信号电极之间的电容变大，当膜桥与信号电极之间的电容变为最大时，开关元件处于闭合状态，微波信号即可通过开关元件耦合至第二辐射元件3，从而使天线的辐射单元尺寸发生变化，即此时由第一辐射元件2和第二辐射元件3共同辐射电磁波能量，进而改变了天线的工作频率，相比于现有的频率可重构天线，具有体积小和结构简单的优点。

可以理解的是，第一凹槽还可以设置在第一辐射元件2的任意位置，例如可以将第一凹槽设置在第一辐射元件2的左侧边，可以设置在第一辐射元件2的右侧边，还可以将第一凹槽设置在第一辐射元件2的底边。第一凹槽的设置可根据具体情况进行设置，在此不作具体限定。

在一些实施例中，膜桥4的两端分别连接第一辐射元件2。在本实施例中，由于开关元件的膜桥4横跨于第一辐射元件2的第一凹槽两边，并且膜桥4的两端分别直接连接第一辐射元件2，因此，不需要额外设计膜桥两侧锚点所需的固定结构，简化了开关元件的结构。进一步地，由于膜桥4跨接距离很小，因此，在膜桥4的形成过程中，膜桥4不容易塌陷，提高了成品率。

图3为本公开实施例提供的另一种天线的结构示意图，如图3所示，天线还包括馈电结构7，馈电结构7设置在第二辐射元件3开口的位置，且与第一辐射元件2连接。在本实施例中，由于设置有馈电结构7，因此可通过馈电结构7向第一辐射元件2施加偏置电压，并且在信号电极5也施加偏置电压的情况下，改变膜桥4的高度，从而控制开关元件的通断状态。馈电结构7可以为任意由于馈电的结构，本实施例的馈电结构7优选为微带线。需要说明的是，图3中天线的绝缘层未示出。

图4为本公开实施例提供的又一种天线的结构示意图，如图4所示，与设置有第一凹槽的第一辐射元件2侧边相对的一边设置有第二凹槽41，馈电结构7设置在第二凹槽41内且与第一辐射元件2连接。通过在馈电结构7与第一辐射元件2连接处设置第二凹槽41，可减少微波信号在馈电结构7与第一辐射元件2连接处的微波信号损失，保证了微波信号的传输。可以理解的是，只要保证馈电结构7设置在第二凹槽41内，且馈电结构7与第二凹槽41连接，第二凹槽41可以设置在第一辐射元件2的任意侧边，本实施例仅以第二凹槽41设置在第一凹槽相对的侧边为例进行说明。需要说明的是，图4中天线的绝缘层未示出。

在本实施例中，第二辐射元件3上设置有至少一个通槽，通槽将第二辐射元件2分为多个部分，其中，第二辐射元件3的每个部分均与至少一个开关元件对应设置。在本实施中，通过控制开关元件的通断状态，即可控制辐射单元的尺寸，进而实现了天线的多频率切换。

示例的，图5为本公开实施例提供的再一种天线的结构示意图，如图5所示，第二辐射元件2上设置有一个通槽51，通槽51将第二辐射元件2分为两个部分，即第一部分31和第二部分32。其中，第二辐射元件的第一部分31对应设置有第一开关元件52和第二开关元件53，第二辐射元件的第二部分32对应设置有第三开关元件54。当不给第一开关元件52、第二开关元件53和第二开关元件54施加偏置电压时，第一开关元件52、第二开关元件53和第三开关元件54处于断开状态，此时仅由第一辐射元件2辐射电磁波能量。当仅给第一开关元件52和第二开关元件53施加偏置电压时，第一开关元件52和第二开关元件53均闭合，微波信号即可通过第一开关元件52和第二开关元件53耦合至第二辐射元件3的第一部分31，即此时由第一辐射元件2和第二辐射元件3的第一部分31共同辐射电磁波能量。当仅给第三开关元件54施加偏置电压时，第三开关元件54处于断开状态，微波信号即可通过第三开关元件54耦合至第二辐射元件3的第二部分32，即此时由第一辐射元件2和第二辐射元件3的第二部分32共同辐射电磁波能量。当同时给第一开关元件52、第二开关元件53和第三开关元件54施加偏置电压时，第一开关元件52、第二开关元件53和第三开关元件54处于闭合状态，微波信号即可通过第一开关元件52和第二开关元件53耦合至第二辐射元件3的第一部分31，通过第三开关元件54耦合至第二辐射元件3的第二部分32，即此时由第一辐射元件2、第二辐射元件3的第一部分31和第二部分32共同辐射电磁波能量，通过控制开关元件的通断状态，实现了天线的多频率切换，相比于现有的频率可重构天线，具有体积小、频率调整范围大的优点。需要说明的是，图5中天线的绝缘层未示出。

通过对图5所示天线进行仿真，当第一开关元件52、第二开关元件53和第三开关元件54均处于断开时，天线的谐振频率为23GHz；当第一开关元件52、第二开关元件53和第三开关元件54均处于闭合状态时，天线的谐振频率为21.5GHz；当第一开关元件52和第二开关元件53均处于断开状态、第三开关元件54处于闭合状态时，天线的谐振频率为22.5GHz；当第一开关元件52和第二开关元件53均处于闭合状态、第三开关元件54处于断开状态时，天线的谐振频率为22GHz。仿真结果表明通过控制开关元件的状态实现了天线的多频率切换，天线具有21.5GHz、22GHz、22.5GHz、23GHz四个谐振频率。

可以理解的是，第二辐射元件2上还可以通过设置有多个通槽51以将第二辐射元件2划分为多个部分，只要每个部分均对应设置有开关元件，即可通过控制开关元件的通断状态来控制辐射单元的尺寸，进而可改变天线的工作频率。通槽51设置的个数及位置可根据情况进行选择，在此不作具体限定。

在一些实施例中，第二辐射元件3和信号电极5可以为分体结构，也可以为一体结构。优选的，本实施例中的第二辐射元件3和信号电极5为一体结构，即第二辐射元件3和信号电极5为同层设置，且由同种材料通过一次构图工艺形成，“构图工艺”是指形成具有特定的图形的结构的步骤，其可为光刻工艺、压印工艺、喷墨打印工艺等其它工艺。通过将第二辐射元件3和信号电极5设置为一体结构，减少了制作步骤，节约了成本。

在一些实施例中，第一辐射元件2和馈电结构7可以为分体结构，也可以为一体结构，本实施优选的，第一辐射元件2和馈电结构7为一体结构。即第一辐射元件2和馈电结构7为同层设置，且由同种材料通过一次构图工艺形成，通过将第一辐射元件2和馈电结构7设计为一体结构，减少了制作步骤，节约了成本。

在一些实施例中，第一辐射元件2和所述第二辐射元件3为同层设置，且材料相同。在本实施例中，通过将第一辐射元件2和所述第二辐射元件3为同层设置，且第一辐射元件2和所述第二辐射元件3材料相同，减少了制作步骤，节约了成本。

第二方面，本公开实施例提供一种通信设备，其包括上述的天线。对于该通信设备的效果与上述天线的效果相同，在此不再重复赘述。

具体的，该通信设备可以为智能手机、平板电脑或智能电脑等。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。

Claims (8)

1.一种天线，其特征在于，包括：

介质基板；

设置在所述介质基板上的第一辐射元件和第二辐射元件，其中，所述第二辐射元件环绕所述第一辐射元件设置，且所述第二辐射元件为开环结构，所述第一辐射元件上有至少一个第一凹槽；

所述天线还包括：

开关元件，一个所述开关元件与一个所述第一凹槽对应设置；所述开关元件包括膜桥和信号电极，各所述信号电极设置在所述介质基板上，且均与所述第二辐射元件连接，并与所述第一辐射元件绝缘设置；各所述膜桥设置在所述第一辐射元件背离所述介质基板的一侧，一个所述膜桥横跨一个所述第一凹槽，且所述信号电极的至少部分位于所述膜桥与所述第一凹槽所限定的空间内；

所述第一辐射元件的至少一条边上设置有第一凹槽；所述膜桥的两端分别连接所述第一辐射元件。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，还包括馈电结构，所述馈电结构设置在第二辐射元件开口的位置，且与所述第一辐射元件连接。

3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，与设置有所述第一凹槽的第一辐射元件侧边相对的侧边设置有第二凹槽，所述馈电结构设置在所述第二凹槽内且与所述第一辐射元件连接。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第二辐射元件上设置有至少一个通槽，所述通槽将所述第二辐射元件分为多个部分，其中，所述第二辐射元件的每个部分均与至少一个所述开关元件对应设置。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的天线，其特征在于，所述第二辐射元件和所述信号电极为一体结构。

6.根据权利要求2或3所述的天线，其特征在于，所述第一辐射元件和所述馈电结构为一体结构。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的天线，其特征在于，所述第一辐射元件和所述第二辐射元件为同层设置，且材料相同。

8.一种通信设备，其特征在于，包括权利要求1-7中任一项所述的天线。