CN114982061A - 背腔式边框天线 - Google Patents

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CN114982061A CN202080088902.9A CN202080088902A CN114982061A CN 114982061 A CN114982061 A CN 114982061A CN 202080088902 A CN202080088902 A CN 202080088902A CN 114982061 A CN114982061 A CN 114982061A
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刘青
缪志龙
贾晓彬
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Abstract

公开了一种电子设备，该电子设备包括前表面和金属后表面，前表面包括显示屏和围绕显示屏的非金属边框。沿着边框的至少一部分界定在后表面与前表面的边框之间的空腔。电子设备还包括导电辐射元件和导电接地平面。导电辐射元件安装在空腔中或邻近空腔安装，以便在朝向前表面的第一方向上面向非金属边框，并且在朝向后表面的第二方向上面向空腔。导电辐射元件连接至导电接地平面，并且还连接至金属后表面。导电辐射元件被配置为通过RF馈电器激励，并且空腔用作反射器以引导RF信号通过边框。

Description

背腔式边框天线
本公开涉及一种天线装置(antenna arrangement)，该天线装置被配置成结合在便携式通信设备(例如，笔记本电脑或平板电脑)或移动手持设备(例如，智能手机)的边框(bezel)后面。
背景
随着当前移动电信设备(例如，平板电脑、笔记本电脑和智能手机)技术的进步，趋势是支持更多的无线标准、更薄和更美观。
对更薄设备的期望通常需要使用金属硬壳式外壳，这些外壳不能提供来自天线的射频(RF)信号的良好通道。这对于WLAN频率(例如，2.4GHz和5GHz)可能是一个问题，并且当与放置在显示屏(和相关电子部件)附近的天线耦合时，这对于任何有效工作的天线设计来说都是一个挑战。
众所周知，在金属盖或外壳中使用塑料窗口，以便RF信号可以容易地通过，但是这可能会有损于设备的美观设计，并且有时与某系列中不太高档的型号相关联。其他解决方案包括在壳体周围的边缘(rim)创建绝缘狭槽，以创建偶极天线元件或单极天线元件，如
Figure BDA0003703179020000011
上的天线元件。然而，在使用过程中，由于用手或手指使元件之间短路，这些设备尤其容易受到用户干预的影响，导致信号衰减。
另一种解决方案是在设备屏幕(例如，笔记本电脑屏幕)的非金属边框后面使用非常小的天线装置。这些类型的天线装置位于由外部的金属壳体和内部的显示屏所界定的少量自由空间中，并且设法通过屏幕后壳体中伪装为具有金属饰面(metallic finish)的非金属材料的狭槽，或通过形成屏幕边框的非金属盖来使信号穿过。边框相对较大(>10mm)的现有技术解决方案在2.4GHz和5.5GHz的WLAN频段中提供了良好的操作。然而，这些频段的性能可能会面临挑战，因为最新型号的设备几乎具有边对边的屏幕(具有典型的边框尺寸<10mm，通常<6mm)。
这种解决方案通常不太容易受到手指或手挡住任何狭槽或缺口的外部干预，并且允许在边框后面实施更复杂的谐振结构设计，这在使用壳体的部分作为辐射元件时是不可行的。
公开内容的简要概述
期望提供一种适用于具有无线能力的便携式设备的天线装置，其具有小尺寸(<6mm)的载体高度，并且可以放置在最新的非常薄的边对边屏幕边框后面，并且可以在2.4GHz和5.5GHz的WLAN频段中充分运行。
从第一方面来看，提供了一种电子设备，该电子设备包括：
前表面，该前表面包括显示屏和围绕显示屏的边框，边框的至少一部分是非金属的；
金属后表面；
空腔，该空腔沿着边框的至少非金属部分界定在后表面与前表面的边框之间；
导电辐射元件；以及
导电接地平面；
其中，导电辐射元件安装在空腔中或邻近空腔安装，以便在朝向前表面的第一方向上面向边框的非金属部分，并且在朝向后表面的第二方向上面向空腔；
其中，导电辐射元件连接至导电接地平面；
其中，导电辐射元件还连接至金属后表面；并且
其中，导电辐射元件被配置为通过RF馈电器激励。
从第二方面来看，提供了一种用于电子设备的天线，该天线包括：
导电辐射元件；
导电接地平面；
接地平面延伸部，该接地平面延伸部在导电接地平面的平面外的方向上从导电接地平面延伸；以及
RF馈电器，该RF馈电器用于激励导电辐射元件中的RF电流；
其中，导电辐射元件连接至导电接地平面；并且
其中，导电辐射元件还设有用于连接至电子设备的金属后盖的连接器。
关于第一方面，空腔由金属后表面、显示屏的金属部分和/或安装在显示屏后面的主板上的电子部件等界定。在导电辐射元件后面提供由金属部件界定的空腔，有助于引导由导电辐射元件激励的RF信号通过电子设备的前表面上的非金属边框。
在一些实施例中，导电辐射元件是自支撑的，例如由冲压金属板等形成。在其他实施例中，导电辐射元件形成为在由介质材料制成的天线载体上或在天线载体中的导电天线图案(conductive antenna pattern)。导电天线图案可以通过已知的工艺(例如，打印、激光直接结构化(LDS)、粘合剂包裹等)在天线载体上或在天线载体中形成。
在具有天线载体的实施例中，导电接地平面可以从天线载体延伸。导电接地平面可以在大致平行于前表面和后表面的方向上延伸。
导电辐射元件可以通过直接焊接、导电泡沫、弹簧针(pogo pin)或任何合适的连接来连接至金属后表面。
导电辐射元件到金属后表面和导电接地平面二者的双重接地意味着空腔由导电辐射元件后面的导电接地平面表面界定，有助于引导由导电天线元件激励的RF信号在远离后表面离开前表面的方向上通过边框。
金属后表面通常是覆盖电子设备后部的大部分或全部的非常大的(相对于导电辐射元件)金属部件，该金属后表面可以用作反射器，以帮助以改进的效率和性能引导辐射的RF信号通过前表面的边框。
导电辐射元件可以具有长形形状。例如，导电辐射元件可以基本上是矩形的或线性的。导电辐射元件可以具有面向电子设备的前表面的相邻边缘并且基本平行于该电子设备前表面的相邻边缘的第一第二主边缘，以及面向显示屏的相邻边缘并且基本平行于该显示屏的相邻边缘的第二主边缘。这些主边缘中的一个主边缘，例如第一主边缘，连接至金属后表面，而另一个主边缘，例如第二主边缘，连接至导电接地平面。第一主边缘和第二主边缘的连接，结合金属后表面和导电接地平面的范围，可选地与诸如显示屏和/或主板或电池部件的其他导电部件一起，有助于界定导电辐射元件后面的接地空腔。
天线载体可以被成形或弯曲，以便符合电子设备中减小的可用空间，在该电子设备中，前表面和/或后表面在它们的边缘处朝向彼此会聚。
假如天线载体上的导电天线图案不与显示屏重叠，则天线载体可以设置成与显示屏重叠一部分。RF馈电器可以与显示屏重叠。
RF馈电器可以位于接地平面延伸部上。在一些实施例中，RF馈电器可以通过RF耦合激励导电辐射元件；在其他实施例中，RF馈电器可以直接地连接至导电辐射元件。
空腔可以具有2mm至10mm，优选2mm至6mm的深度，并且在一些实施例中具有3mm至4mm(例如，3.5mm)的深度。
空腔可以具有至少4mm、至少4.2mm、至少6mm或至少8mm的高度。
天线载体可以具有1mm至5mm的厚度，优选地大约2mm的厚度。
天线载体可以具有小于10mm、小于6mm、优选地小于4mm(例如，约3.5mm)的高度。
导电辐射元件的第一主边缘与第二主边缘之间的距离可以小于10mm，小于6mm，优选地小于4mm(例如，约3.5mm)。导电辐射元件的第一主边缘和第二主边缘之间的距离由边框的宽度决定，在现代电子设备设计中，边框的宽度可以小至3.5mm。
附图简述
在下文中参考附图进一步描述本发明的实施例，其中：
图1示出了翻盖式笔记本电脑设备的背立面；
图2示出了翻盖式笔记本电脑设备的正立面；
图3示出了笔记本电脑屏幕部分的正立面，其中B盖被移除；
图4示出了笔记本电脑屏幕部分的详细正立面，其中B盖被移除；
图5示出了天线和载体的侧立面；
图6示出了天线和载体的详细前立面；
图7示出了根据实施例的天线和馈电器的详细视图；
图8示出了根据实施例的天线和馈电器的详细视图；
图9示出了根据实施例的天线和馈电器的详细视图；
图10示出了2.4GHz的模拟远场主瓣辐射方向图；
图11示出了5.5GHz的模拟远场主瓣辐射方向图；和
图12示出了模拟的S参数图。
详细描述
本公开的实施例可以相对于典型的翻盖式设计笔记本电脑来描述。图1从背立面说明了这样的笔记本电脑，壳体包括不同的盖。在工业中，屏幕背面的盖被表示为A盖(1)，并且在笔记本电脑底面与设备所在表面接触的盖被表示为D盖(2)。图2从正立面示出了相同的笔记本电脑，并且包括屏幕前盖(包括边框)，屏幕前盖被表示为B盖(4)。最后，包围键盘的盖被表示为C盖(3)。
另一实施例可以关于可以与键盘对接的典型平板电脑或可转换平板电脑来描述。在该实施例中，主设备将仅具有平板模式下的A盖和B盖。此外，主板和电池将被安置在屏幕后面，以形成多合一单元。
图3示出了笔记本电脑的屏幕部分的更近的视图，该笔记本电脑包括屏幕背面A盖(10)、屏幕单元(11)、紧凑空腔(12)和就位的天线载体(14)。空腔形成在屏幕和/或主板和电池单元端接的地方，并且壳体的弯曲部或剩余长度折叠以完成A盖形状。该空腔使设计良好的天线和天线载体能够定位在该区域内。屏幕和/或主板和电池设备通常都接地到金属A盖上。
空腔区域具有最大高度空间，该最大高度空间定义为A盖折叠并接受B盖的区域与屏幕边缘之间的间隙，小于10mm，通常小于6mm，对于最新的边对边屏幕，小于5mm。在该特定实施例中，天线载体具有3.50mm的高度以配合在空腔弯曲部内，并且是矩形的，然而应该理解的是，载体可以是其他形状，例如弯曲的以适当地配合弯曲部，或者天线操作参数要求的其他形状。
图4示出了笔记本电脑屏幕区域的另一更近的视图，其中B盖也被移除。这更详细地说明了天线尺寸，高度为3.50mm，长度为30.00mm。在该实施例中，载体朝向设备的左手侧放置，然而，取决于RF噪声部件的放置、其他天线或电缆路由到特定设备平台中的RF卡的容易程度，这可以是沿着屏幕边缘的任何地方。
图5示出了笔记本电脑屏幕部分的侧立面，其中B盖被移除。图5更详细地示出了空腔中的可用空间。屏幕(23)和A盖(22)的弯曲部在弯曲部的中点处产生大约3.5mm深(20)的空腔。空腔可以具有大于8.0mm，优选地大于6.0mm，或更优选地大于4.2mm的高度(21)。出于明显的原因，天线载体不能放置在屏幕单元后面，因为金属背部(对于笔记本电脑)或笔记本电脑/主板/电池单元(对于平板电脑或可转换平板电脑)会阻挡任何信号并且妨碍天线。
在该特定实施例中，载体被设计成整齐地位于屏幕单元上方并且通过使用3.5mm高度和2.0mm厚度的尺寸留下空间。在某些情况下，天线载体的一部分可以放置在屏幕单元后面，但是不能将有源辐射元件放置在载体表面的遮蔽部分上。这将必须支持非有源元件，如不辐射的馈电器或无源耦合部件。
图6示出了天线和载体(34)在屏幕单元(33)上的原位的正立面详细视图，其中设备B盖被移除。天线载体具有以贴片或其他图案形式的金属化(metallisation)，以形成可在
Figure BDA0003703179020000061
频段中操作的辐射结构(36)。天线设备还具有馈电结构(37)，用于向辐射结构和从辐射结构提供RF能量，并与来自设备中无线卡的同轴引线接口连接。天线贴片或金属化图案结构(36)通过连接件(35)直接地连接至金属A盖；这种连接可以通过导电泡沫、弹簧针或在设备组装期间直接焊接到位来进行。
图7示出了根据实施例的天线和载体装置的更详细视图。载体(40)的形状基本上是矩形的，但也可以是为配合A盖的曲率而制成的其他适形的形状。载体通常是RF透明塑料材料(例如，ABS)，并且天线图案(41)包括金属贴片或曲折线图案或其他图案，以产生2.4GHz和5.5GHz的
Figure BDA0003703179020000071
所需的谐振。天线金属图案可以使用天线工业中众所周知的技术来制造，例如激光直接结构化(LDS)或金属冲压。还应注意，天线图案不必局限于载体的一侧，在某些情况下，取决于性能要求或其他金属部件的放置；天线可以形成在载体的多于一个侧面上。
如前所述，天线图案(41)通过连接点(49)连接至设备A盖。这种连接可以是导电泡沫、弹簧针、或直接焊接。这种相对紧凑的天线装置的接地是重要的，接地的底部连接和顶部连接产生由金属A盖、屏幕单元和/或主板/电池元件(24)形成的空腔。该空腔，如图5所示，尺寸约为3.5mm(20)×6.0mm(21)，位于天线和载体装置后面，产生了背腔式天线效应(cavity-backed antenna effect)，该效应进一步确保RF能量指向RF透明B盖边框，以便辐射并且提供所需的性能和效率。
天线装置具有从载体底部延伸的大接地平面(42)，其中接地平面延伸部(45)连接至大的主接地并延伸到载体上。接地平面可以是从载体底部边缘延伸的冲压金属或箔，并且在正常的天线图案处理期间可以使用LDS或金属冲压形成接地平面延伸部。接地平面然后连接至设备中的屏幕/主板/电池部分，这是主要的设备接地点。
天线从位于载体一端处并位于接地平面延伸部(45)上的馈电装置(43)馈电，以使电缆布线和通过焊接连接同轴电缆更容易。在该特定实施例中，天线直接馈电，并且具有放置在馈电器中的无源部件(44)，以调谐所需的谐振。其他馈电装置可以包括更主动的装置，该装置包括无源部件和RF开关，以在所需的频率范围内主动调谐或匹配天线。
图8示出了根据实施例的天线和馈电器的详细视图。该装置包括载体(40)、天线图案(41)、接地平面(42)和相关的接地平面延伸部(45)。
本实施例中的馈电装置(43)从接地平面延伸部(45)指向天线图案(41)。
图9示出了根据实施例的天线和馈电器的详细视图。该装置包括载体(40)、天线图案(41)、接地平面(42)和相关的接地平面延伸部(45)。
本实施例中的馈电装置利用了耦合。馈电装置(43)靠近地位于天线图案(41)的延伸耦合部分(46)附近，以便在馈电器处呈现的RF能量可以与延伸部分(46)耦合并在天线图案辐射结构中感应RF能量，对于接收模式反之亦然。
图10示出了2.4GHz的模拟远场主瓣辐射方向图。该图清楚地表明，主要辐射是从设备的正面发出的，通过B盖边框。
图11示出了5.5GHz的模拟远场主瓣辐射方向图。该图也清楚地表明，主要辐射是从设备的正面发出的，通过B盖边框。
图12示出了天线性能的模拟S参数图。该图指示了天线在操作频率范围内的模拟回波损耗。理想情况下，由于辐射在系统中传输而不是反射，人们希望回波损耗大幅下降。根据
Figure BDA0003703179020000081
频率的要求，这种谐振响应在2.4GHz和5.5GHz处被指示。
在本说明书的整个描述和权利要求书中，词“包括”和“包含”及其变体意指“包括但不限于”，并且它们不意欲(并且不)排除其他部分、添加物、部件、整数或步骤。在本说明书的整个描述和权利要求书中，单数形式包含复数形式，除非上下文另有要求。具体地，在不定冠词被使用的情况下，本说明书应被理解为设想了复数以及单数，除非上下文另有要求。
结合本发明的特定方面、实施例或例子描述的特征、整数、特性、化合物、化学部分或基团应被理解为可应用于本文描述的任何其他方面、实施例或例子，除非与其不相容。在本说明书(包括任何随附的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以在任何组合中被组合，除了这类特征和/或步骤中的至少一些是互斥的组合之外。本发明并不限于任何前述实施例的细节。本发明扩展至在本说明书(包括任何随附的权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖的特征或任何新颖的组合，或扩展至如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖的步骤或任何新颖的组合。
读者的注意力被引导到与本说明书同时或在本说明书之前与本申请相关地被提交的并且与本说明书一起对公众查阅开放的所有论文和文件，并且所有这样的论文和文件的内容通过引用被并入本文。

Claims (28)

1.一种电子设备，包括：
前表面，所述前表面包括显示屏和围绕所述显示屏的边框，所述边框的至少一部分是非金属的；
金属后表面；
空腔，所述空腔沿着所述边框的至少所述非金属部分界定在所述后表面与所述前表面的所述边框之间；
导电辐射元件；以及
导电接地平面；
其中，所述导电辐射元件安装在所述空腔中或邻近所述空腔安装，以便在朝向所述前表面的第一方向上面向所述边框的所述非金属部分，并且在朝向所述后表面的第二方向上面向所述空腔；
其中，所述导电辐射元件连接至所述导电接地平面；
其中，所述导电辐射元件还连接至所述金属后表面；并且
其中，所述导电辐射元件被配置为通过RF馈电器激励。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述导电辐射元件是自支撑的。
3.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述导电辐射元件形成为在介质天线载体上或在介质天线载体中的导电天线图案。
4.根据权利要求3所述的电子设备，其中，所述导电接地平面从所述介质天线载体延伸。
5.根据权利要求3或4所述的电子设备，其中，假如所述天线载体上的所述导电天线图案不与所述显示屏重叠，则所述天线载体设置成与所述显示屏重叠一部分。
6.根据权利要求5所述的电子设备，其中，所述RF馈电器设置在与所述显示屏重叠的所述天线载体的一部分上。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的电子设备，其中，所述介质天线载体具有1mm至5mm的厚度，或基本上2mm的厚度。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的电子设备，其中，所述介质天线载体具有小于10mm、小于6mm、小于4mm的高度或基本上3.5mm的高度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电子设备，其中，所述导电辐射元件具有长形形状，或者基本上是矩形的或线性的。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电子设备，其中，所述导电辐射元件具有第一主边缘和第二主边缘，所述第一主边缘面向所述电子设备的所述前表面的相邻边缘并且基本上平行于所述电子设备的所述前表面的相邻边缘，所述第二主边缘面向所述显示屏的相邻边缘并且基本上平行于所述显示屏的相邻边缘。
11.根据权利要求10所述的电子设备，其中，所述第一主边缘和所述第二主边缘中的一个连接至所述金属后表面，并且所述第一主边缘和所述第二主边缘中的另一个连接至所述导电接地平面。
12.根据权利要求11所述的电子设备，其中，所述第一主边缘和所述第二主边缘至所述金属后表面和所述导电接地平面的连接，与所述金属后表面和所述导电接地平面一起，将所述空腔界定为所述导电辐射元件与所述金属后表面之间的接地空腔，所述接地空腔被配置成引导RF信号通过所述边框的所述非金属部分。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的电子设备，其中，所述导电辐射元件的所述第一主边缘与所述第二主边缘之间的距离小于10mm、小于6mm、小于4mm或基本上为3.5mm。
14.根据前述权利要求中任一项所述的电子设备，其中，所述导电接地平面基本上平行于所述第一表面和所述第二表面延伸。
15.根据前述权利要求中任一项所述的电子设备，其中，所述导电接地平面设置有接地平面延伸部，所述接地平面延伸部在所述导电接地平面的平面外的方向上延伸。
16.根据权利要求15所述的电子设备，其中，所述RF馈电器设置在所述接地平面延伸部上。
17.根据前述权利要求中任一项所述的电子设备，其中，所述空腔具有2mm至10mm的深度，或2mm至6mm的深度，或3mm至4mm的深度，或基本上3.5mm的深度。
18.根据前述权利要求中任一项所述的电子设备，其中，所述空腔具有至少4mm、至少4.2mm、至少6mm或至少8mm的高度。
19.一种用于电子设备的天线，所述天线包括：
导电辐射元件；
导电接地平面；
接地平面延伸部，所述接地平面延伸部在所述导电接地平面的平面外的方向上从所述导电接地平面延伸；以及
RF馈电器，所述RF馈电器用于激励所述导电辐射元件中的RF电流；
其中，所述导电辐射元件连接至所述导电接地平面；并且
其中，所述导电辐射元件还设置有用于连接至电子设备的金属后盖的连接器。
20.根据权利要求19所述的天线，其中，所述导电辐射元件是自支撑的。
21.根据权利要求19所述的天线，其中，所述导电辐射元件形成为在介质天线载体上或在介质天线载体中的导电天线图案。
22.根据权利要求21所述的天线，其中，所述导电接地平面从所述介质天线载体延伸。
23.根据权利要求21或22所述的天线，其中，所述介质天线载体具有1mm至5mm的厚度，或基本上2mm的厚度。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的天线，其中，所述介质天线载体具有小于10mm、小于6mm、小于4mm的高度或基本上3.5mm的高度。
25.根据权利要求19至24中任一项所述的天线，其中，所述导电辐射元件具有长形形状，或者基本上是矩形的或线性的。
26.根据权利要求19至25中任一项所述的天线，其中，所述导电辐射元件具有相对的并且基本上平行的第一主边缘和第二主边缘。
27.根据权利要求26所述的天线，其中，所述第一主边缘和所述第二主边缘中的一个设置有用于连接至所述金属后盖的所述连接器，并且所述第一主边缘和所述第二主边缘中的另一个连接至所述导电接地平面。
28.根据权利要求19至27中任一项所述的天线，其中，所述RF馈电器设置在所述接地平面延伸部上。
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