CN115395211A - 低剖面双极化天线及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低剖面双极化天线及电子设备。所述低剖面双极化天线包括相对设置的第一、第二金属层以及设置于第一、第二金属层之间的绝缘介质层；第一金属层包括耦合单元以及环绕耦合单元设置的多个寄生片，且多个寄生片之间无接触，寄生片与耦合单元之间无接触；绝缘介质层中还设置有连通结构和馈电单元，第二金属层与寄生片及其对应的连通结构电连接，构成开口环形的谐振单元；耦合单元能够与谐振单元产生谐振；馈电单元用于向耦合单元馈电。本发明所提供的低剖面双极化天线在低剖面的基础上使双极化天线获得较大的带宽，创新性的将贴片天线的地板作为辐射体的一部分，加长电流路径，使天线剖面尺寸进一步缩小，有利于电子设备的小型化。

Description

低剖面双极化天线及电子设备

技术领域

本发明涉及双极化天线技术领域，尤其涉及一种低剖面双极化天线及电子设备。

背景技术

天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。

随着科技的发展，各种电子设备例如手机、电脑以及智能穿戴设备等终端设备日趋小型化，由于小型化的终端设备的空间限制，需要将天线进行低剖面化设计，但是对于贴片天线而言，低剖面就意味着带宽窄，就与我们所需要的大带宽相矛盾，而天线的物理尺寸很难做到低剖面小型化。

并且为了增加天线的通信容量，通常将天线进行双极化设计。双极化天线是一种新型天线技术，组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线并同时工作在收发双工模式下，因此其最突出的优点是节省单个定向基站的天线数量。

对于双极化天线而言，其结构相比单极化天线更为复杂，由于终端等设备空间限制，需要天线尽可能的低剖面小型化设计而由于天线的频段和带宽限制，天线的物理尺寸很难进行地剖面小型化。

如何实现在低剖面的基础上使双极化天线获得较大的带宽成为了摆在研发设计人员面前的一道难题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种低剖面双极化天线及电子设备。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

第一方面，本发明提供一种低剖面双极化天线，包括相对设置的第一金属层、第二金属层以及设置于所述第一金属层和第二金属层之间的绝缘介质层；

所述第一金属层包括耦合单元以及环绕所述耦合单元设置的多个寄生片，且多个所述寄生片之间无接触，所述寄生片与耦合单元之间无接触；

所述绝缘介质层中还设置有连通结构和馈电单元，所述第二金属层与寄生片及其对应的连通结构电连接，构成环形开口的谐振单元；所述耦合单元能够与所述谐振单元产生谐振；所述馈电单元用于向所述耦合单元馈电。

第二方面，本发明还提供一种电子设备，包括上述低剖面双极化天线。

在上述技术方案中，通过设置耦合单元，以耦合的方式将能量耦合到接地的第二金属层与寄生片及其对应的连通结构电连接构成的谐振单元上，且该谐振单元能产生辐射，即有谐振产生，进而实现在较小的天线剖面面积上，实现展开天线带宽的效果。

基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

本发明所提供的低剖面双极化天线在低剖面的基础上使双极化天线获得较大的带宽，创新性的将贴片天线的地板作为辐射体的一部分，加长电流路径，使天线尺寸进一步缩小，剖面尺寸能够进一步降低至0.03个波长，有利于电子设备的小型化。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

附图说明

图1是本发明一典型实施案例提供的低剖面双极化天线的主体结构示意图；

图2是本发明一典型实施案例提供的低剖面双极化天线的俯视结构示意图；

图3是本发明一典型实施案例提供的低剖面双极化天线的立体结构示意图；

图4是本发明一典型实施案例提供的低剖面双极化天线的仿真S参数曲线图；

图5是本发明一典型实施案例提供的低剖面双极化天线的辐射方向图；

图6是本发明一典型实施案例提供的低剖面双极化天线的f＝2.4GHz条件下的电流流向示意图；

图7是本发明一典型实施案例提供的低剖面双极化天线的f＝2.8GHz条件下的电流流向示意图；

图8是本发明另一典型实施案例提供的低剖面双极化天线的立体结构示意图；

图9是本发明一典型实施案例提供的低剖面双极化天线的谐振单元组成结构示意图；

图10是本发明又一典型实施案例提供的低剖面双极化天线的俯视结构示意图；

图11是本发明又一典型实施案例提供的低剖面双极化天线的俯视结构示意图；

图12是本发明又一典型实施案例提供的低剖面双极化天线的俯视结构示意图；

图13是本发明又一典型实施案例提供的低剖面双极化天线的立体结构示意图。

附图标记说明：

10、第一金属层；20、绝缘介质层；30、第二金属层；

101、耦合单元；1011、第一线型结构；1012、第二线型结构；102、寄生片；

201、连通结构；202、馈电单元；2021、第一馈电端口；2022、第二馈电端口；2023、第一馈电板；2024、第二馈电板；

301、谐振单元。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件或方法步骤区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件或方法步骤之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

参见图1-图13，本发明实施例提供一种低剖面双极化天线，包括相对设置的第一金属层10、第二金属层30以及设置于所述第一金属层10和第二金属层30之间的绝缘介质层20；所述第一金属层10包括耦合单元101以及环绕所述耦合单元101设置的多个寄生片102，且多个所述寄生片102之间无接触，所述寄生片102与耦合单元101之间无接触；所述绝缘介质层20中还设置有连通结构201和馈电单元202，所述第二金属层30与寄生片102及其对应的连通结构201电连接，构成开口环形的谐振单元301；所述耦合单元101能够与所述谐振单元301产生谐振；所述馈电单元202用于向所述耦合单元101馈电。

基于上述实施方案，本发明所提供的技术方案创新性的提出将贴片天线的地板(即所述第二金属层30)作为辐射体的一部分，这样就能增加电流路径，使天线尺寸能进一步缩小，同时剖面也能进一步降低。在一些实施方式中，其剖面尺寸可以降低至0.03个波长。

其中优选的，寄生片102、连通结构201、第二金属层30组成的开口环形谐振单元的尺寸约为1倍波长。

继续参见图2以及图3，在一些实施方案中，所述耦合单元101包括垂直交叉连接的第一线型结构1011和第二线型结构1012。

在一些实施方案中，所述第一线型结构1011和/或第二线型结构1012的形状包括直线形和/或折线形。

在一些实施方案中，所述馈电单元202包括第一馈电端口2021和第二馈电端口2022，用于向所述耦合单元101馈电。

在一些实施方案中，当所述耦合单元由上述第一线型结构1011和第二线型结构1012组成时，可以设置为所述第一馈电端口2021用于向所述第一线型结构1011馈电，所述第二馈电端口2022用于向所述第二线型结构1012馈电。

在一些实施方案中，所述第一馈电端口2021与所述第一线型结构1011电接触，所述第二馈电端口2022与所述第二线型结构1012电接触。

其中，所述第一线型结构1011和第二线型结构1012的长度优选设置为约为0.5倍波长。

在一些实施方案中，所述馈电单元202还包括设置于所述绝缘介质层20中的第一馈电板2023和第二馈电板2024；所述第一馈电端口2021与第一馈电板2023电连接，所述第二馈电端口2022与第二馈电板2024电连接；所述第一馈电板2023用于向所述第一线型结构1011耦合馈电，所述第二馈电板2024用于向所述第二线型结构1012耦合馈电。

在一些实施方案中，所述第一馈电板2023的延伸方向与所述第一线型结构1011的延伸方向平行，所述第二馈电板2024的延伸方向与所述第二线型结构1012的延伸方向平行。

在一些实施方案中，所述耦合单元101的形状包括井字形、L型和T形中的任意一种。

在一些实施方案中，所述寄生片102具有缺口，所述缺口朝向所述耦合单元101。

在一些实施方案中，所述缺口为弧形缺口。优选为圆弧形的缺口，且寄生片102的其余位置的形状为正方形，正方形的一个角设置所述缺口，以井字形结构的中心点呈对称。并且，4个所述寄生片102的位置正对所述井字形的耦合单元101的井字交叉点分布。

在一些实施方案中，所述第二金属层30为连续金属层，且所述第二金属层30与任意两个寄生片102及其对应的连通结构201构成一环形开口的谐振单元301。

以下通过若干实施例并结合附图进一步详细说明本发明的技术方案。然而，所选的实施例仅用于说明本发明，而不限制本发明的范围。

实施例1

本实施例示例一种低剖面双极化天线，其结构如图1以及图2和图3所示。

该示例性的天线的尺寸为50*50*4mm，其中的绝缘介质层20采用的是DK＝3.6的PCB板材。

本实施例所提供的低剖面双极化天线由1层pcb板(作为所述绝缘介质层20)、2层金属层(作为所述第一金属层10和第二金属层30)组成，第一金属层10由“井”字形金属条(作为所述耦合单元101，井字形的相互垂直的两对线条分别作为第一线型结构1011和第二线型结构1012，且相互垂直以构成双极化结构，并且第一线型结构1011凸出与第二线型结构1012，第二线型结构1012凸出与第一线型结构1011)和开口金属片(作为所述寄生片102)组成，其中开口金属片包围着“井”字形金属条；第二金属层30作为天线地板，且寄生片102通过金属化过孔或金属柱构成的连通结构201与第二金属层30连接；馈电单元202可以是由金属化过孔或金属柱直接与耦合单元101连接，如图3中的第一馈电端口2021连接第一线型结构1011，第二馈电端口2022连接了第二线型结构1012。且连接点均设置于第一线型结构1011或第二线型结构1012的中心点上。

图4示出了本实施例提供的低剖面双极化天线的S参数曲线，由于结构的对称性，即所述耦合单元101的形状以及所述寄生片102的形状即排列位置均以天线的几何中心为对称点进行对称设置，图中的S11和S22重合，S21和S12重合。从中可以看出，S11小于等于-10dB，|S21|(隔离度)大于等于15dB的相对带宽约25％，显著优于现有技术。

图5示出了本实施例提供的低剖面双极化天线的辐射方向图，从中可以看出，本实施例所提供的天线的辐射最大指向是垂直天线结构的。特别适用于终端设备在高频(如毫米波)频段。然而，上述天线辐射方向仅为一种较优实施例中特有的，并非本发明的绝对限定，基于本发明技术方案的其他实施例可以具有不同于此的其他辐射方向。

图6和图7分别为本实施例提供的低剖面双极化天线的耦合单元101和谐振单元301的电流方向模拟示意图，图6中，谐振主要是“井”字形金属条构成的环形产生，因此“井”字形金属条构成的环形的大小影响谐振频率，图7中，谐振主要是由第二金属层30与寄生片102及其对应的连通结构201电连接构成的谐振单元301(如图9中的开口方框所示)的开口环产生，因此该开口环的大小影响谐振频率。

实施例2

本实施例示例一种低剖面双极化天线，与实施例1大体相同，区别仅在于馈电单元202的馈电方式由直接馈电替换为耦合馈电，其结构如图8所示。

本实施例提供的低剖面双极化天线是由2层PCB板，3层金属层组成，上下两层与实施例1相同(整体结构尺寸也是50*50*4mm)，馈电单元202由金属柱直接馈电变为L形探针耦合馈电，即由金属柱和所述第一馈电板2023或第二馈电板2024组成L形的金属馈电单元202，与“井”字形结构不是直接相连的，而是产生电磁耦合作用。

该第一馈电板2023或第二馈电板2024优选为与井字形的对应线条平行，进一步优选为沿所述低剖面双极化天线的厚度方向的投影是部分重叠的。

在上述实施例所示例的实施方案中，如图9所示，寄生片102片与第二金属层30通过金属化过孔或金属柱构成的连接机构连接，构成一个开口谐振环，作为所述谐振单元301。但在其他实施方式中，该开口环能产生一个环谐振。

并且，耦合单元101的形状也不限于井字形，patch形、圆形(包括圆环)、十字形、六边形等耦合结构均可，例如图10-图12所示并且其线型不限于直线，折线形亦可。馈电方式可以是金属化过孔与十字形等结构枝节相连的直接馈电方式，也可以是金属化孔连接在一段金属上构成L_proble，或T型(如图13所示)结构与十字形等结构耦合的方案馈电。只要满足双极化的形状并实现与上述谐振单元301的耦合，即可实现本发明的技术效果，同时对于上述形状及结构的常规替换亦应属于本发明的保护范围之内。

本发明实施例还提供一种电子设备，包括上述任一实施方式提供的低剖面双极化天线；本发明所提供的电子设备但不限于使用设备，如手机、手表、CPE、基站等设备。

在一些实施方案中，所述低剖面双极化天线的第一金属层10设置于所述电子设备的外壳上；例如，本发明所提供的低剖面双极化天线可以与上述电子设备的后盖或保护壳(套)之间构成折叠低结构，产生天线谐振。具体的，本发明所提供的天线能应用在很多场景。不限于类似于实施例1和2，基于PCB板上实现的实施方式。具体到其他的应用场景，有可能会利用电子设备的结构件，例如外壳或后盖等构造一个与本发明原理相同的天线结构。如以手机为例：后盖为非金属后盖，可以将耦合单元101、寄生片102印刷在手机后盖的内表面，构成第一金属层10，第二金属层30可以是手机主板上的金属地，两者之间的电连接可以通过金属弹片实现，将弹片作为所述连通结构201，这样就构成了开口环结构了，其绝缘介质层20也由PCB材料变成了后盖与主板之间的空气层。上述不同于实施例1和2的应用场景亦利用了本发明相同的原理和结构，理应属于本发明的保护范围之内。

通过上述应用示例，可以明确，本发明的保护范围以权利要求为准，不受本发明实施例具体公开的部分示例性实施方式的限制。

在一些实施方案中，所述低剖面双极化天线与所述电子设备的部分结构共形。包括但不限于摄像头、键盘、按键等立体模型共形的天线设计，以及与SAR辐射体共形的天线设计。

并且，需要说明的是，图中所示频段为本发明一些典型实施案例所示例的频段范围，鉴于频段范围可以根据需求通过调整天线尺寸进行适应性调节，本发明保护范围所涵盖的天线频段不仅限于图中所示频段。

基于上述实施例，可以明确，本发明实施例通过设置耦合单元101，以耦合的方式将能量耦合到接地的第二金属层30与寄生片102及其对应的连通结构201电连接构成的谐振单元301上，且该谐振单元301能产生辐射，即有谐振产生，进而实现在较小的天线剖面面积上，实现展开天线带宽的效果。本发明所提供的低剖面双极化天线，在低剖面的基础上使双极化天线获得较大的带宽，创新性的将贴片天线的地板作为辐射体的一部分，加长电流路径，使天线尺寸进一步缩小，剖面尺寸能够进一步降低至0.03个波长，有利于电子设备的小型化。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低剖面双极化天线，其特征在于，包括相对设置的第一金属层、第二金属层以及设置于所述第一金属层和第二金属层之间的绝缘介质层；

所述第一金属层包括耦合单元以及环绕所述耦合单元设置的多个寄生片，且多个所述寄生片之间无接触，所述寄生片与耦合单元之间无接触；

所述绝缘介质层中还设置有连通结构和馈电单元，所述第二金属层与寄生片及其对应的连通结构电连接，构成开口环形的谐振单元；所述耦合单元能够与所述谐振单元产生谐振；所述馈电单元用于向所述耦合单元馈电。

2.根据权利要求1所述的低剖面双极化天线，其特征在于，所述耦合单元的形状包括井字形、patch形、圆形、十字形、六边形中的任意一种。

3.根据权利要求2所述的低剖面双极化天线，其特征在于，所述耦合单元包括垂直交叉连接的第一线型结构和第二线型结构；

优选的，所述第一线型结构和/或第二线型结构的形状包括直线形和/或折线形。

4.根据权利要求3所述的低剖面双极化天线，其特征在于，所述馈电单元包括第一馈电端口和第二馈电端口，用于向所述耦合单元馈电；

优选的，所述第一馈电端口用于向所述第一线型结构馈电，所述第二馈电端口用于向所述第二线型结构馈电。

5.根据权利要求4所述的低剖面双极化天线，其特征在于，所述第一馈电端口与所述第一线型结构电连接，所述第二馈电端口与所述第二线型结构电连接。

6.根据权利要求4所述的低剖面双极化天线，其特征在于，所述馈电单元还包括设置于所述绝缘介质层中的第一馈电板和第二馈电板；

所述第一馈电端口与第一馈电板电连接，所述第二馈电端口与第二馈电板电连接；

所述第一馈电板用于向所述第一线型结构耦合馈电，所述第二馈电板用于向所述第二线型结构耦合馈电。

7.根据权利要求6所述的低剖面双极化天线，其特征在于，所述第一馈电板的延伸方向与所述第一线型结构的延伸方向平行，所述第二馈电板的延伸方向与所述第二线型结构的延伸方向平行。

8.根据权利要求1所述的低剖面双极化天线，其特征在于，所述寄生片具有缺口，所述缺口朝向所述耦合单元；

优选的，所述缺口为弧形缺口。

9.根据权利要求1所述的低剖面双极化天线，其特征在于，所述第二金属层为连续金属层，且所述第二金属层与任意两个寄生片及其对应的连通结构构成一环形开口的谐振单元。

10.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1-9中任意一项所述的低剖面双极化天线；

优选的，所述低剖面双极化天线的第一金属层设置于所述电子设备的外壳上；

优选的，所述低剖面双极化天线与所述电子设备的部分结构共形。

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