CN206301949U - 方向图可重构天线及通讯设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及天线技术领域，尤其涉及一种方向图可重构天线及通讯设备。方向图可重构天线包括基板、金属环、金属片、匹配网络、第一开关以及第二开关，第一开关串联于金属环的开口处，金属环沿其周向在开口处断开；相对于金属环的周向，基板与金属片分别位于金属环的两侧，且相对设置；金属片连接于金属环，与基板不垂直；在平行于周向的方向上，基板与金属环之间留有间隔；基板包括馈源和连接地，金属片通过匹配网络分别与连接地、馈源连接；第二开关设置于金属环与基板之间，其一端与基板的连接地连接，另一端连接金属环；沿周向第一开关、第二开关以及金属片位置相错。本申请通过金属环的加载，实现了在小于1GHz频段下的方向图可重构天线。

Description

方向图可重构天线及通讯设备

技术领域

本申请涉及天线技术领域，尤其涉及一种方向图可重构天线及通讯设备。

背景技术

随着4G技术的大规模应用，通信系统对于通信的可靠性以及传输速率的要求越来越高。方向图可重构天线由于其具有环境自适应性的优势，在此过程中受到越来越多的重视。它可以通过开关对于方向图的控制，使方向图的零点对准干扰信号，而将方向图的最大增益方向对准信号方向。如此，不仅可以抑制干扰，还能增加信噪比，实现更远的覆盖距离。

传统的通讯设备如手机，在天线设计中，主要辐射模式都依赖于基板的辐射，应用寄生元件的加载或者天线形状的改变来实现方向图可重构，使方向图可重构的天线频段集中在1.8GHz以及2.4GHz。

这种天线结构，由于基板的辐射方向图趋于偶极子的辐射方向图，而天线形状的改变只能起到有限的影响，因此，对于频率小于1GHz的通信频段，仅依赖于基板以及寄生元件或者天线形状的改变，方向图的可重构难以实现。

实用新型内容

本申请提供了一种方向图可重构天线及通讯设备，能够解决上述问题。

本申请的第一方面提供了一种方向图可重构天线，包括基板、金属环、金属片、匹配网络、第一开关以及第二开关，

所述金属环设有开口，所述金属环沿其周向在所述开口处断开，所述第一开关串联于所述开口处；

相对于所述金属环的周向，所述基板与所述金属片分别位于所述金属环的两侧，且相对设置；

所述金属片连接于所述金属环，与所述基板不垂直；在平行于所述周向的方向上，所述基板与所述金属环之间留有间隔；

所述基板包括馈源和连接地，所述金属片通过所述匹配网络分别与所述连接地、所述馈源连接；所述第二开关设置于所述金属环与所述基板之间，其一端与所述基板的连接地连接，另一端连接所述金属环；

沿所述周向所述第一开关、所述第二开关以及所述金属片位置相错。

优选地，沿垂直于所述周向的方向，所述基板的投影位于所述金属环的投影的内部。

优选地，还包括连接线，所述金属片通过所述连接线与所述匹配网络连接。

优选地，所述匹配网络为两元件L型匹配电路，所述连接线通过所述匹配网络的电感件连接于所述连接地，通过所述匹配网络的电容件连接于所述馈源。

优选地，所述金属环为矩形环，所述第二开关、所述金属片均位于所述矩形环的同一条长边上。

优选地，所述长边包括中心段，所述中心段的两端分别和与其相邻的所述矩形环的短边的距离为所述长边长度的四分之一；所述第二开关位于所述中心段内。

优选地，所述金属环的高度为4～8mm，所述高度为垂直于所述周向的方向上的尺寸。

优选地，所述基板设有条形槽。

优选地，所述条形槽位于所述基板靠近所述匹配网络的区域。

本申请的第二方面提供了一种通讯设备，包括如上任一项所述的方向图可重构天线。

本申请提供的技术方案可以达到以下有益效果：

本申请所提供的方向图可重构天线，增加金属环、金属片、第一开关与第二开关，在第一开关闭合，第二开关断开时，天线工作在环天线模式，在第一开关断开，第二开关闭合时，天线工作在偶极子模式，两种模式下的带宽均小于1GHz，因此，通过金属环加载基板的方式，实现了在小于1GHz频段下的方向图可重构天线。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

图1为本申请所提供的方向图可重构天线一种具体实施例的结构示意图；

图2为本申请所提供的方向图可重构天线一种具体实施例的一个局部结构示意图；

图3为本申请所提供的方向图可重构天线一种具体实施例的另一个局部结构示意图；

图4为本申请所提供的方向图可重构天线匹配网络一种具体实施例的示意图；

图5为本申请所提供的方向图可重构天线一种具体实施例特征模式图；

图6为本申请所提供的方向图可重构天线一种具体实施例的尺寸结构示意图；

图7为本申请所提供的方向图可重构天线一种具体实施例两种天线模式下的仿真S参数和频率的关系图；

图8a-8c为本申请所提供的方向图可重构天线一种具体实施例两种天线模式在谐振点的方向图。

附图标记：

10-基板；11-馈源；12-条形槽；13-过渡件；

20-金属环；21-开口；

30-金属片；

40-匹配网络；41-第一接入端；42-第二接入端；

50-连接线；

60-第一开关；

70-第二开关。

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。

如图1-4所示，本申请实施例提供了一种方向图可重构天线，用于通讯设备，如手机。方向图可重构天线包括基板10、金属环20、金属片30、匹配网络40、第一开关60以及第二开关70，金属环20设有开口21，金属环20沿其周向在开口21处断开，第一开关60串联于开口处，以在第一开关60闭合后，与金属环20能够形成封闭环，整个封闭环的周长等于谐振频率的一个波长，由于加工工艺，实际中可能会大于或者小于一个波长。

相对于金属环20的周向，基板10与金属片30分别位于金属环20的两侧，且相对设置；金属片30可以为矩形片、圆形片或者其它异形结构，金属片30连接于金属环20，与基板10不垂直，即金属片30与基板10平行或者呈一锐角或者钝角，优选金属片30与基板10平行，以提高方向图可重构天线的体积密度，进而便于后续其它器件的设置。在平行于周向的方向上，基板10与金属环20之间留有间隔，即基板10的的四周均与金属环20之间留有距离，该间隔沿垂直于周向的尺寸优选为1～3mm，以充分利用整个天线系统的空间，且能够保证天线的辐射性能，同时在与通讯设备的其它部件连接时，能够增加天线的结构强度。

通常，金属环20沿垂直于其周向的方向包括第一环面和第二环面，金属片30远离基板10的一面与第一环面位于同一平面，基板10远离金属片30的一面与第二环面位于同一平面，以提高整个方向图可重构天线的空间利用率，使其结构更为紧凑。

基板10可以为金属化基板或者单面金属化基板，其包括馈源11和连接地，其中，连接地为基板10的金属层，金属片30通过匹配网络40分别与连接地、馈源11连接，以实现天线的匹配。第二开关70设置于金属环20与基板10之间，即第二开关70位于金属环20与基板10之间的间隔内，其两端分别连接基板10的连接地与金属环20，以在第二开关闭合时，第二开关70形成金属环20与基板10之间的接地点。

其中，沿周向第一开关60、第二开关70以及金属片30位置相错。

上述实施例，增加金属环20、金属片30、第一开关60与第二开关70，如图5所示，由金属环20加载基板10的特征模式可以看出，在900MHz左右，这种该结构存在两个辐射模式，即在第一开关60闭合，第二开关70断开时，金属环20与第一开关60形成封闭环，金属环20作为主辐射体，通过金属片30在匹配网络40处形成馈点，天线工作在环天线模式，电流沿着金属环20的周向形成一个波长的电流分布，方向图也为金属环20的辐射方向图，产生在xoy方向的方向图；在第一开关60断开，第二开关70接通时，在第二开关70处形成接地点，馈点仍然通过金属片30位于匹配网络40处，此时的主辐射体为金属片30，与金属片30相连接的金属环20的一段以及其附近形成副辐射体，天线工作在偶极子模式，电流主要分布在基板10上，产生在xoz方向全向的方向图。两种模式共用一个馈源，通过控制第一开关60、第二开关70的闭合或者断开，实现两种天线模式的切换，实现了方向图的重构，且两种天线模式下的带宽均小于1GHz，从而通过基板10加载金属环20的方式，实现了在小于1GHz频段下的方向图可重构天线；且两种模式的方向图之间的相关性系数较小，接近于零，实现了正交，易于实现高分集增益。

为了连接的方便性，方向图可重构天线还包括连接线50，连接线50可以为条状结构，其延伸方向由金属片30指向基板10，金属片30通过连接线50与匹配网络40连接。具体地，连接线50远离金属环20的一侧与连接线50的一端连接，连接线50的另一端与匹配网络40连接。在金属片30与基板10平行设置时，连接线50通常垂直于金属片30。可选地，连接线50的宽度为2mm，当然，也可以为1mm、3mm或者其它尺寸。

通常，沿垂直于周向的方向，基板10的投影位于金属环20的投影的内部，以进一步充分利用方向图可重构天线的空间。当然，也可以金属环20的投影位于基板10的投影的内部。

其中，根据带宽和频率的需要，匹配网络40可以采用单一元件匹配、pi型匹配等，为了使整个天线结构简单且实现最优的匹配效果，匹配网络40采用两元件L型匹配电路，如图4所示，包括并联于基板10与金属片30(在设有连接线50时为连接线50)的电感件、电容件、第一接入端41、第二接入端42，金属片30(在设有连接线50时为连接线50)通过电感件连接于连接地，同时，金属片30(在设有连接线50时为连接线50)通过电容件连接于馈源11，即金属片30(在设有连接线50时为连接线50)与第一接入端41连接，第二接入端42与馈源11连接，其可以直接连接，也可以通过如图1所示的过渡件13连接，过渡件13可以为导线，形成馈线。

金属环20可以为圆环、矩形环或者其它异形环，在通讯设备为手机时，为了适应手机的形状，一般选为矩形环。在金属环20为矩形环时，相应地基板10也选为矩形结构，此时，由于偶极子模式特征电流分布的最大电流位于基板10的长边的中心位置，且环天线模式的近场电流分布在金属环20的长边中心位置也出现了最大值，因此，在金属环20为矩形环、基板10为矩形结构时，将两种天线模式的馈电位置均选在了基板10的长边中心，第二开关70、金属片30均位于金属环20的同一条长边上。在金属片30为矩形片时，金属片30的长边与金属环20连接，即金属片30的长边连接于金属环20的长边。对于第一开关60的设置位置，可以设置于矩形环的任一位置，一般地，设置在金属环20的长边与短边的交界处。

具体地，设置金属片30的长边包括中心段，中心段的两端分别和与其相邻的矩形环的短边的距离为长边长度的四分之一，即将长边分为长度相等的四段，中心段指中间的两段。第二开关70位于中心段内，金属片30也位于中心段内，以保证辐射性能与辐射效率。

上述各实施例中的第一开关60、第二开关70可以分别为开关二极管或者微机械(MEMS)开关。

为了保证两种天线模式下，天线的辐射效率，金属环20的高度选为4～8mm，如4mm、5mm、6mm、7mm、7.5mm、8mm，其中高度指金属环20在垂直于周向的方向上的尺寸。

由于上述两种模式的天线产生的频段基本小于1GHz，处于低频段，为了使两种天线模式能工作在多频段，基板10上设有条形槽12，如图1所示，以形成刻槽天线，从而使两种天线模式均可工作在高频段。条形槽12的长度通常为二分之一谐振波的波长，以保证高频的通信质量。

一般地，条形槽12位于基板10靠近匹配网络40的区域，以保证两种天线模式的辐射强度。匹配网络40与基板10的连接位置均位于条形槽12靠近馈源11的一侧

条形槽12可以为直线型，如图1所示，在基板12为矩形结构时，条形槽12的延伸方向与基板10的长边平行。条形槽12可以设有两条，两条条形槽12呈L型结构，或者T型结构；或者条形槽12设有三条，三条条形槽12呈H型结构。

本申请还提供一种通讯设备，包括如上任一实施例所述的方向图可重构天线。

下面以金属环20为矩形环、基板10为矩形结构、金属片30为矩形片、条形槽12为直线槽为例，给出方向图可重构天线的一系列具体参数，如图6所示，金属环20的长度L1＝130mm，宽度W1＝66mm，高度h＝7mm；基板10的长度L2＝124mm，宽度W2＝60mm；金属片30的的长度L3＝16mm，宽度＝5mm；条形槽12的长度Ls＝78mm，宽度为1.5mm，且相对于馈源11位于基板10靠近金属片30的一侧，距离基板10的边缘的距离为0.5mm；第一开关60以及第二开关70采用开关二极管，且由3V的锂电池控制其通断，即电压为零时，开关二极管处于短路状态，电压为1.2V时，处于接通状态。匹配网络40的的串联的电容件的电容值为2.7pF，并联的电感件的电感值为6.8nH，匹配网络40后接50ohm射频接头的内导体，即馈源11处连接50ohm射频接头的内导体，射频接头的外导体直接与基板10的连接地相连接。该参数的方向图可重构天线，仿真的S参数和频率的关系如图7所示，由图可以看出，通过增加条形槽12使该方向图可重构天线可工作在1800MHz左右的频率，具体地，不论是环天线模式还是偶极子天线模式，在低频的6-dB的阻抗带宽分别为820-920MHz、850-900MHz；两种天线模式的高频均覆盖了1930-2110MHz的频率范围，此外，环天线模式还覆盖1610-1670MHz的频率范围。两种天线模式下的三个主平面的方向图如图8a-8c所示，其中，图8a为xoy平面的方向图，图8b为xoz平面的方向图，图8c为xoz平面的方向图，三个图中的实线为环天线模式的方向图，虚线为偶极子天线模式的方向图，由图可以看出，在870MHz处，方向图的包络相关系数为0.067，在整个工作频段范围内，相关性系数小于0.2，因此两种天线模式下的方向图具有明显的正交性。显然，这种方向图可重构天线在小于1GHz的频段范围，实现了方向图的可重构，且可重构的方向图之间基本实现正交，因此，可以根据来波的方向以及场的特性，抑制干扰；同时应用空间分集也增大了接受信号的信噪比。

上述结构参数可用于手机，由于制造和装配误差的存在，以及不同频段、不同带宽的需求，各参数的具体数据可以根据实际需要进行相应的调整。金属环20可以直接为手机的外壳边缘，结构简单，占据空间小，能够为手机的其它模块集成带来便利，也为天线的集成提供了可能。

本申请还提供一种通讯设备，包括如上任一实施例所述的方向图可重构天线。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种方向图可重构天线，其特征在于，包括基板、金属环、金属片、匹配网络、第一开关以及第二开关，

所述金属环设有开口，所述金属环沿其周向在所述开口处断开，所述第一开关串联于所述开口处；

相对于所述金属环的周向，所述基板与所述金属片分别位于所述金属环的两侧，且相对设置；

所述金属片连接于所述金属环，与所述基板不垂直；在平行于所述周向的方向上，所述基板与所述金属环之间留有间隔；

所述基板包括馈源和连接地，所述金属片通过所述匹配网络分别与所述连接地、所述馈源连接；所述第二开关设置于所述金属环与所述基板之间，其一端与所述基板的连接地连接，另一端连接所述金属环；

沿所述周向所述第一开关、所述第二开关以及所述金属片位置相错。

2.根据权利要求1所述的方向图可重构天线，其特征在于，沿垂直于所述周向的方向，所述基板的投影位于所述金属环的投影的内部。

3.根据权利要求1所述的方向图可重构天线，其特征在于，还包括连接线，所述金属片通过所述连接线与所述匹配网络连接。

4.根据权利要求3所述的方向图可重构天线，其特征在于，所述匹配网络为两元件L型匹配电路，所述连接线通过所述匹配网络的电感件连接于所述连接地，通过所述匹配网络的电容件连接于所述馈源。

5.根据权利要求1所述的方向图可重构天线，其特征在于，所述金属环为矩形环，所述第二开关、所述金属片均位于所述矩形环的同一条长边上。

6.根据权利要求5所述的方向图可重构天线，其特征在于，所述长边包括中心段，所述中心段的两端分别和与其相邻的所述矩形环的短边的距离为所述长边长度的四分之一；所述第二开关位于所述中心段内。

7.根据权利要求1所述的方向图可重构天线，其特征在于，所述金属环的高度为4～8mm，所述高度为垂直于所述周向的方向上的尺寸。

8.根据权利要求1-7任一项所述的方向图可重构天线，其特征在于，所述基板设有条形槽。

9.根据权利要求8所述的方向图可重构天线，其特征在于，所述条形槽位于所述基板靠近所述匹配网络的区域。

10.一种通讯设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的方向图可重构天线。