CN1423365A - 移动通信终端内置天线 - Google Patents

Abstract

一种用于移动通信终端的内置天线,包括导体单元(101),由一印制电路板构成,在所述导体单元的顶部有一个金属层剥离区；天线单元(102),由一印制电路板构成,与所述导体单元顶部的金属层剥离区垂直连接,所述天线单元具有与所述移动通信终端内电路相连的接地脚和馈电脚；天线寄生单元(103),其一端与所述天线单元相连,另一端与所述天线单元间隔且平行。该天线具有极小的体积,可有效地工作在GSM/DCS频段,且具有中等增益和较低的SAR。

Description

移动通信终端内置天线

技术领域

本发明涉及移动通信终端的天线，尤其涉及GSM/DCS双频移动通信系统中的终端内置天线。

背景技术

随着移动通信技术的迅猛发展，以及移动通信系统的广泛应用，作为移动通信系统的终端产品，移动电话正在向着向小型化、多模化(能同时兼容GSM900/DCS1800、PCS、IS-95以及即将到来的3G系统)以及高性能化的方向发展。

对移动通信终端生产商而言，射频(RF)部分、基带部分以及数字信号处理(DSP)部分，到目前为止都已实现了很高程度的集成化，有力地促进了移动通信终端设备的小型化和低成本化。唯有天馈部分，特别是移动通信终端的天线部分，因其性能、结构尺寸受移动通信终端结构、外形大小、电子元器件安装位置以及移动通信终端机壳材料性能的影响，技术进步很慢，导致目前移动通信终端天线集成度仍较低，价格也较高，制约了移动通信终端技术的进一步发展。同时移动通信与计算机网络的结合，在未来多模移动通信终端技术中，这一问题将更加突出。

另一方面，随着人们对移动通信终端电磁辐射危害人体认识的加强，用户愈来愈强烈地要求在不降低现有移动通信终端设备性能的前提下，移动通信终端必须具有低的电磁辐射指标。普遍采用的移动通信终端外置天线技术，从原理上讲，都采用的是结构呈对称性的天线及其组合，这种天线其辐射方向性也呈对称性，因而是根本无法满足用户的上述要求的。

内置天线技术正真是在这种需求下产生的一种天线技术。内置天线不仅可以使移动通信终端的外形设计更加自如、尺寸更小，还可以实现较低的特定信号吸收比(SAR)和较高的峰值增益(Peak Gain)，而且内置天线还可以在相对小的体积中实现天线阵列。可以预见，内置天线是未来移动通信终端天线的发展方向。

然而，现有的平面内置天线都是在一个两维的平面中设计制造的，由于仅有两个设计自由度，导致有如下缺点：

1.体积过大，无法用于对尺寸要求很严的小型化移动通信终端(比如小型手机)；

2.内置天线安装需要支撑架或者需要连接在壳体上，既增加了生产成本，又降低了可靠性和可维护性；

3.电性能指标较低，比如带内电压驻波比较高，影响了天线效率，增加了手机的功耗。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的缺点，提供一种适用于移动通信终端的具有三维空间结构的移动通信终端内置天线。

根据本发明的一个方面，提供了一种移动通信终端内置天线，该内置天线包括导体单元，由一印制电路板构成，在所述导体单元的顶部有一个金属层剥离区；天线单元，由一印制电路板构成，与所述导体单元顶部的金属层剥离区垂直连接，所述天线单元具有与所述移动通信终端内电路相连的接地脚和馈电脚；天线寄生单元，其一端与所述天线单元相连，另一端与所述天线单元间隔且平行。

其中，天线单元可以基本呈矩形，它具有一个与导体单元相连的第一长侧边、与第一长侧边相对的远离导体单元的第二长侧边，以及一对相对的第一和第二短侧边；并且天线单元的第二面中部可以有一个呈“C”形的刻蚀区，其“C”形的开口朝向第二短侧边，该刻蚀区域从所述天线单元的第二长侧边的中部开始，向天线单元的第一长侧边延伸，然后向第一短侧边延伸，再向第一长侧边延伸，向第二短侧边延伸，并在尾部向第二长侧边凸起。

根据本发明的另一方面，提供了一种带有根据上述移动通信终端内置天线的移动通信终端，其中该移动通信终端包括一个接地板，所述接地板用作为导体单元。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的移动通信系统终端内置天线的正面视图；

图2是图1所示的根据本发明的实施例的移动通信系统终端内置天线的左视图；

图3是根据本发明的实施例的移动通信系统终端内置天线的天线单元的底面视图；

图4是根据本发明的实施例的移动通信系统终端内置天线的天线单元和寄生单元的正面视图；

图5是天线单元原理等效图；

图6是根据本发明的一个实施例的移动通信系统终端内置天线的天线单元和寄生单元的底面视图；

图7是图6所示的根据本发明的一个实施例的移动通信系统终端内置天线的天线单元和寄生单元的正面视图；

图8是根据本发明的一个实施例的移动通信系统终端内置天线的导体单元的一部分，用于表现导体部分与天线单元的连接关系；

图9是根据本发明的一个实施例的移动通信系统终端内置天线的天线单元和导体单元的一部分，用于表现导体部分与天线单元的连接关系；

图10是根据本发明的一个实施例的移动通信系统终端内置天线电压驻波比测试曲线；

图11是根据本发明的一个实施例的移动通信系统终端内置天线900Mhz E面方向图测试曲线；

图12是根据本发明的一个实施例的移动通信系统终端内置天线900Mhz H面方向图测试曲线；

图13是根据本发明的一个实施例的移动通信系统终端内置天线1800Mhz E面方向图测试曲线；

图14是根据本发明的一个实施例的移动通信系统终端内置天线的透视图。

具体实施方式

下面将参考附图，结合实施例，对本发明进行详细描述。

图1是根据本发明的实施例的移动通信系统终端内置天线的正面视图。图2是图1所示的根据本发明的实施例的移动通信系统终端内置天线的左视图。如图1和2所示，本发明的移动通信系统终端内置天线由三个部分组成：导体单元101、天线单元102和天线寄生单元103。

导体单元101是一块矩型的印制电路板，顶部具有一个金属层剥离区111。天线单元102是一块印制电路板，它与导体单元101顶部的金属层剥离区111垂直相连。天线寄生单元103是一片状的具有一定强度的导电材料，如金属片。该天线寄生单元103安装于天线单元102的右部一侧，在天线单元102的上面与其相连，引出至天线单元102右侧边缘处，经过两次直弯折后与天线单元102的底面保持平行且不接触状态。

导体单元101可以是移动通信终端的接地板，而不需要一块单独的导体单元，这样就可以大大地减小移动通信终端的体积。天线单元102是一块双面覆铜的印制电路板，顶面印制有三条导电条带。

图3是根据本发明的实施例的移动通信系统终端内置天线的天线单元102的底面视图。在天线单元102贴近导体单元101的一侧长边上具有三个脚，依次为接地脚204、馈电脚205和支撑脚206。接地脚205与移动通信终端的接地端相连，馈电脚205与移动通信终端的内部电路相连用于传递接收和发送信号。以上三个脚分别与顶面的三条导电条带207、208和209(如图3中虚线所示)相连。如图3所示，与接地脚204相连的导电条带207，通过贯通天线单元102两面的接地金属化孔，与天线单元102底面的接地点201相连；与馈电脚205相连的导电条带208，通过贯通天线单元102两面的馈电金属化孔，与天线单元102底面的馈电点202相连。

如图3所示，天线单元102的底面中部有一个大致呈“C”形的刻蚀区域211，该刻蚀区域211从天线单元102远离导体单元101一侧长边的中部开始，先向下，然后向左侧延伸，再向下，向右侧延伸，并在尾部向远离导体单元101一侧的长边凸起。

图4是根据本发明的实施例的移动通信系统终端内置天线的天线单元和寄生单元的正面视图。如图所示，天线寄生单元103在天线单元102的顶面与其相连，然后沿着天线单元102的右侧经过两个弯折，延伸成与天线单元102的底面平行但不接触。

下面对本发明移动通信终端内置天线的原理进行描述。本发明移动通信终端内置天线的三个部分，即导体单元101、天线单元102和天线寄生单元103，共同参与完成电磁波与高频电流的转换。

导体单元101的作用是与天线单元102和寄生单元103共同构成电磁波与高频电流的转换开放结构，同时使天线单元102和寄生单元103的电磁波辐射/接收具有定向性。

天线单元102底面的刻蚀图案形成了两个并联的电磁谐振器，其作用是对载波信号进行选频，对其要求是能达到GSM900和DCS1800的带宽要求，同时有低的损耗。所述两个并联电磁谐振器的交汇点在馈电点202处，共用同一馈电点。

图5是天线单元原理等效图。如图5所示，在馈电点202两侧两段长度不等的开放电路。假设从馈电点202至较长的一段的顶点的导带LA长度为La，从馈电点202至较短的一段的顶点的导带LB长度为Lb。为了使两个谐振器可工作在GSM900和DCS1800频段，它们的几何形状必须满足：几何形状所表现出来的长度要满足谐振器条件，即四分之一波导波长条件。为此，La和Lb应满足： $\mathrm{La}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{4\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}1}}}---\left(1\right)$ $\mathrm{Lb}=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{4\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}2}}}---\left(2\right)$

其中，La，λ₁，ε_re1分别为导带LA的长度，GSM900工作波长和导带LA下面介质的有效介电常数；Lb，λ₂，ε_re2分别为导带LB的长度，DCS1800工作波长和导带LB下面介质的有效介电常数。

如上所述，在天线单元102上形成了两个电磁谐振回路，也即LA和LB，它们分别谐振在两个工作频段(GSM900/DCS1800)。但是，低频端(GSM900频段)的高频电流，在天线单元102馈电点处呈现出较高的电抗，因此天线的驻波比在GSM900上很高，导致内置天线在该频段辐射效率较低。本发明的内置天线的天线寄生单元103正是为了解决这一问题。

下面就结合本发明的一个实施例，对本发明进行进一步描述。

图6是根据本发明的一个实施例的移动通信终端内置天线的天线单元和寄生单元的底面视图。如图6所示，在该实施例中，在天线单元102的底面刻蚀图案中，在远离导体单元101一侧的长边上刻蚀区211开口的左边边缘至天线单元102的左边的距离L1＝20.0mm；所述刻蚀区211开口的右边边缘至天线单元102的右边的距离L2＝14.0mm；刻蚀区211最左侧边缘至天线单元102的左边的距离L3＝5.5mm；刻蚀区211最向左侧凸起的右侧边缘至天线单元102的左边的距离L4＝6.5mm；在远离导体单元101一侧的长边上刻蚀区211开口的右边边缘至天线单元102的左边的距离L5＝21.0mm；刻蚀区211末端突起的根部至天线单元102的左边的距离L6＝22.2mm；馈电点202至天线单元102左边的距离L7＝3.8mm；接地点201至天线单元102左边的距离L8＝1.5mm；刻蚀区211最右侧边缘至天线单元102的右边的距离L9＝6.5mm；支撑脚206及相应的导电条带209至天线单元102右边的距离L11＝2.0mm。

如图6所示，馈电点202至天线单元102向导体单元101的一侧长边的距离w1＝2.1mm；接地点201至天线单元102向导体单元101的一侧长边的距离w2＝5.9mm；天线寄生单元103向导体单元101一侧边缘至天线单元102向导体单元101的一侧长边的距离w3＝0mm；天线寄生单元103远离导体单元101一侧边缘至天线单元102向导体单元101的一侧长边的距离w4＝6.0mm；刻蚀区211末端突起的顶端至天线单元102向导体单元101的一侧长边的距离w5＝5.5mm；刻蚀区211最远离导体单元101一侧的外缘至天线单元102向导体单元101的一侧长边的距离w6＝5.0mm；刻蚀区211最远离导体单元101一侧的内缘至天线单元102向导体单元101的一侧长边的距离w7＝4.7mm；刻蚀区211最接近导体单元101一侧的内缘至天线单元102向导体单元101的一侧长边的距离w8＝2.6mm；刻蚀区211最接近导体单元101一侧的外缘至天线单元102向导体单元101的一侧长边的距离w9＝2.2mm。

图7是图6所示的根据本发明的这个实施例的移动通信系统终端内置天线的天线单元和寄生单元的正面视图。如图7所示，天线单元102的厚度H＝1.0mm；与馈电点202相连的导电条带208的宽度wf＝1.5mm；与接地点201相连的导电条带207的宽度wg＝1.5mm；天线寄生单元103在天线单元底面一侧左侧边缘至天线单元102右侧边缘的距离L10＝14.5mm；天线寄生单元103与天线单元102平行但不接触的一端至天线单元102背向一面的距离wj＝3.0mm。

图8是根据该实施例的移动通信终端内置天线的导体单元101的一部分。在该图中可以看到，将分别与天线单元102的接地脚204、馈电脚205和支撑脚206相接的三个盲孔204’、205’和206’，盲孔的宽度WN1＝1.0mm。

图9是根据该实施例的移动通信终端内置天线的天线单元和导体单元的一部分。如图9所示，天线单元102两侧边缘至导体单元101两侧边缘的距离LA1＝2.0mm；天线单元102的底面至导体单元101顶部剥离区111的底缘的距离WA2＝4.0mm；天线单元102顶面至导体单元101顶缘的距离WA1＝2.0mm；导体单元101顶缘至导体单元101顶部剥离区111的底缘的距离WA3＝7.0mm。

根据本发明的该实施例，以上数值可以有一定的容差具体如下：L1＝20.0±0.1mm，L3＝5.5±0.1mm，L4＝6.5±0.02mm，L5+L2＝21.0±0.1mm，L6＝22.2±0.1mm，L7＝3.8±0.02mm，L8＝1.5±0.02mm，L9＝6.5±0.02mm，L10＝14.5±0.02mm，L11＝2.0±0.02mm；w1＝2.1±0.02mm，w2＝5.9±0.02mm，w3＝±0.1mm，w4＝6.0±0.1mm，w5＝5.5±0.1mm，w6＝5.0±0.1mm，w矢量7＝4.7±0.1mm，w8＝2.6±0.1mm，w9＝2.2±0.1mm，H＝1.0mm，wf＝1.5±0.1mm，wj＝3.0±0.1mm，wg＝1.5±0.1mm，其余均为±0.1mm。

将上述本发明实施例的移动通信终端内置天线放入98mm*40mm*16mm的ABS塑料罩内固定，安放在3维测试架上。将测试架与天线一起放安装在微波暗室。用HP8753E矢量网路分析仪测试天线的电压驻波比。用天线分析仪和比较法测量天线的方向图测试和增益。

图10至13是本发明实施例的移动通信终端内置天线的电性能参数测试结果。由图10可以看出，本发明实施例的移动通信终端内置天线可有效地工作在GSM900/DCS1800频段。由图11至13可以看出，本发明的内置天线的空间方向图特性；在H面，与外法向方向成75度方向，有30dB的能量凹陷，它对应于人体头部位置，同样在E平面，对应于人体头部位置方向，有4dB的能量凹陷，因此，该曲线揭示了本发明的手机内置天线具有低SAR特性，即对人体有一定的保护作用。进一步的测量，可以得出该天线具有中等增益(大于0.5dBi)。

另外根据本发明的其他实施例，天线单元102的顶面和底面图案可以镜像的变化，天线单元102的顶面和底面也可以对换，相应的天线寄生单元103可以在天线单元102的顶面上方平行间隔。

根据本发明的另外一个实施例，一个移动电话安装了上述内置天线，并且该移动电话的接地主板被用作为内置天线的导体单元101，天线单元102的馈电脚205电气连接到移动电话内电路的射频部分的双工器。

以上是结合本发明的具体实施例对本发明作了描述，应当理解，本发明不仅限于以上的具体实施例，可以有多种变化和改动。例如天线单元102的刻蚀图案还可以有其他变化，也能够满足构成谐振电路的要求，或者其他具体形状距离的变化。在不背离本发明精神的情况下，这些变化和改动都应包含在所附权利要求的保护范围内。

Claims (15)

1.一种移动通信终端内置天线，包括

导体单元(101)，由一印制电路板构成，在所述导体单元的顶部有一个金属层剥离区(111)；

天线单元(102)，由一印制电路板构成，与所述导体单元顶部的金属层剥离区垂直连接，所述天线单元具有与所述移动通信终端内电路相连的接地脚(204)和馈电脚(205)；

天线寄生单元(103)，其一端与所述天线单元相连，另一端与所述天线单元间隔且平行。

2.根据权利要求1的移动通信终端内置天线，其中所述导体单元是所述移动通信终端的接地板。

3.根据权利要求1的移动通信终端内置天线，其中所述天线单元是一双面覆铜的印制电路板。

4.根据权利要求3的移动通信终端内置天线，其中

所述天线单元的第一面印制有三条导电条带，分别连接到所述接地脚、馈电脚和天线寄生单元的一端；

所述天线单元的第二面具有：一个馈电点(202)，它通过一个贯穿两面的金属化孔与所述连接到馈电脚的导电条带相连；一个接地点(201)，它通过另一个贯穿两面的金属化孔与所述连接到接地脚的导电条带相连。

5.根据权利要求4的移动通信终端内置天线，其中

所述天线单元的第二面被刻蚀形成以馈电点为交汇点的两个并联的电磁谐振器。

6.根据权利要求5的移动通信终端内置天线，其中

所述天线单元的第二面被刻蚀形成的两个电磁谐振器的导带长度为La和Lb，且La和Lb满足： $\mathrm{La}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{4\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}1}}}$ $\mathrm{Lb}=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{4\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}2}}}$

其中λ₁和ε_re1分别为第一工作波长和长度为La的导带下面介质的有效介电常数；λ₂和ε_re2分别第二工作波长和长度为Lb的导带下面介质的有效介电常数。

7.根据权利要求6的移动通信终端内置天线，其中所述第一工作波长为GSM900频段对应的工作波长，所述第二工作波长为DCS1800频段对应的工作波长。

8.根据权利要求7的移动通信终端内置天线，其中，

所述天线单元基本呈矩形，它具有一个与导体单元相连的第一长侧边、与第一长侧边相对的远离导体单元的第二长侧边，以及一对相对的第一和第二短侧边；

所述天线单元的第二面中部有一个呈“C”形的刻蚀区(211)，其“C”形的开口朝向第二短侧边，该刻蚀区域从所述天线单元的第二长侧边的中部开始，向天线单元的第一长侧边延伸，然后向第一短侧边延伸，再向第一长侧边延伸，向第二短侧边延伸，并在尾部向第二长侧边凸起。

9.根据权利要求8的移动通信终端内置天线，其中

馈电点至天线单元的第一短侧边的距离L7＝3.8mm；

接地点至天线单元的第一短侧边的距离L8＝1.5mm；

与天线寄生单元相连的导电条带至天线单元的第二短侧边的距离L11＝2.0mm；

馈电点至天线单元的第一长侧边的距离w1＝2.1mm；

接地点至天线单元的第一长侧边的距离w2＝5.9mm。

10.根据权利要求9的移动通信终端内置天线，其中

所述在天线单元的第二面的刻蚀图案，在天线单元的第二长侧边上刻蚀区开口靠近天线单元的第一短侧边的边缘至天线单元的第一短侧边的距离L1＝20.0mm；

所述刻蚀区开口靠近天线单元的第二短侧边的边缘至天线单元的第二短侧边的距离L2＝14.0mm；

刻蚀区最靠近天线单元的第一短侧边的边缘至天线单元的第一短侧边的距离L3＝5.5mm；

刻蚀区最向天线单元的第一短侧边凹入的边缘至天线单元的第一短侧边的距离L4＝6.5mm；

在天线单元的第二长侧边上刻蚀区开口的靠近天线单元第二短侧边的边缘至天线单元第二短侧边的距离L5＝21.0mm；

刻蚀区末端突起的根部至天线单元的第一短侧边的距离L6＝22.2mm；

刻蚀区最靠近天线单元第二短侧边的边缘至天线单元第二短侧边的距离L9＝6.5mm；

刻蚀区末端突起的顶端至天线单元第一长侧边的距离w5＝5.5mm；

刻蚀区最远离天线单元第一长侧边的外缘至天线单元第一长侧边的距离w6＝5.0mm；

刻蚀区最远离天线单元第一长侧边的内缘至天线单元第一长侧边的距离w7＝4.7mm；

刻蚀区最接近天线单元第一长侧边的内缘至天线单元第一长侧边的距离w8＝2.6mm；

刻蚀区最接近天线单元第一长侧边的外缘至天线单元第一长侧边的距离w9＝2.2mm。

11.根据权利要求4的移动通信终端内置天线，其中所述天线寄生单元是一片金属片。

12.根据权利要求11的移动通信终端内置天线，其中所述天线寄生单元在所述天线单元的第一面与所述天线单元连接，经过两个直弯折在所述天线单元的第二面外侧与所述天线单元平行且间隔延伸。

13.根据权利要求12的移动通信终端内置天线，其中所述天线寄生单元在天线单元第二面外侧延伸的最远边缘至天线单元第二短侧边的距离L10＝14.5mm；天线寄生单元与天线单元平行且间隔延伸的一端至天线单元第一面的距离wj＝3.0mm。

14.根据权利要求13的移动通信终端内置天线，其中

天线寄生单元向导体单元一侧边缘至天线单元第一长侧边的距离W3＝0mm；

天线寄生单元远离导体单元一侧边缘至天线单元第一长侧边的距离w4＝6.0mm。

15.一种带有根据上述任一项权利要求的移动通信终端内置天线的移动通信终端，其中该移动通信终端包括一个接地板，所述接地板用作为导体单元(101)。

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