WO2018068346A1 - 一种天线及终端 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种天线，包括断缝式天线本体、馈电枝节、第一接地支路和第二接地支路。以馈点的位置为分界点，断缝式天线本体被划分为长分支和短分支。第一接地支路包括开关和接地的容性加载金属体，开关的一端连接容性加载金属体，另一端连接位于长分支的第一接地脚；第二接地支路包括并联的多个支路，任意一条支路均包括元件，多个支路通过多路开关接地，多路开关中的一路开关对应一条支路，任意一条支路上的元件一端与位于短分支的接地脚相连，一端与该支路对应的一路开关相连。通过第一接地支路和第二接地支路中的开关的开断状态的组合，能改变天线的接地点及接地元件，以实现天线对常用通信频段的全面覆盖，并解决天线的"死亡之握"问题。

Description

一种天线及终端

本申请要求于2016年10月12日提交中国专利局、申请号为201610891864.6、发明名称为“一种天线”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本申请涉及通信领域，尤其涉及一种天线及终端。

背景技术

视觉外观是产品吸引消费者的第一亮点，因而工业设计(Industrial Design，ID)在手机开发中的地位愈发显得举足轻重。金属赋予了手机炫丽的外观和舒适的手感，成为目前手机ID中越来越被广泛采用的材质。

由于电磁波无法穿透金属，早期金属手机的上端或下端都会有非金属的区域，预留给内置天线。而为了进一步提升金属在外观中的占比，真正做到“全金属”，金属外壳天线的设计思路应运而生，但也由此带来了一些新的技术挑战：不同于内置天线，金属外壳终端的天线受限于ID，无法利用传统的开缝或者加分支等方法调节天线电长度。因此需要引入可调器件(如可变电容，开关)，通过变换馈电和接地点的位置和匹配值，调节天线的谐振频率。但由于天线本身能够激励的谐振数有限，而且可调器件的调节范围和损耗也有限制，使得天线的带宽不充分，在频段覆盖上往往捉襟见肘。为此，在频段难以兼顾时，天线设计者往往不得不做频段侧重，牺牲次要频段，保住重点频段，或者拆分版本，针对不同运营商的要求配置物料清单(Bill of Materials，BOM)。

发明内容

本申请提供了一种天线及终端，目的在于解决终端的全金属外壳导致的终端的天线覆盖频段不全面的问题。

本申请的第一方面提供了一种天线，包括断缝式天线本体、馈电枝节、第一接地支路和第二接地支路。以馈点的位置为分界点，所述断缝式天线本体被划分为长分支和短分支，所述馈点为所述馈电枝节与所述断缝式天 线本体相连的位置。所述第一接地支路包括串联的开关和接地的容性加载金属体，所述开关的一端连接所述容性加载金属体，所述开关的另一端连接位于所述长分支的第一接地脚。所述第二接地支路包括并联的多个支路，任意一条支路上均包括元件，所述多个支路通过多路开关接地，所述多路开关中的一路开关对应一条支路，任意一条支路上的元件一端与位于所述短分支的接地脚相连，一端与该支路对应的一路开关相连。通过第一接地支路与第二接地支路中开关的开闭状态的组合，能够实现断缝式天线本体的谐振频率的偏移，从而实现对于频段的全面覆盖。

在一种实现方式中，所述第一接地脚的位置与所述馈点的位置重合。

本申请的第二方面提供了另一种天线，包括：断缝式天线本体、馈电枝节、第一接地支路和第二接地支路。以馈点的位置为分界点，所述断缝式天线本体被划分为长分支和短分支，所述馈点为所述馈电枝节与所述断缝式天线本体相连的位置。所述第一接地支路包括一端接地、另一端连接位于所述长分支的第一接地脚的开关。所述第二接地支路包括并联的多个支路，任意一条支路上均包括元件，所述多个支路通过多路开关接地，所述多路开关中的一路开关对应一条支路，任意一条支路上的元件一端与位于所述短分支的接地脚相连，一端与该支路对应的一路开关相连。通过第一接地支路与第二接地支路中开关的开闭状态的组合，能够实现断缝式天线本体的谐振频率的偏移，从而实现对于频段的全面覆盖。

在一种实现方式中，第二方面所述的天线还包括：接地的容性加载金属体。

本申请的第三方面提供了一种终端，包括第一方面或第二方面提供的天线。

在一种实现方式中，所述馈点的位置靠近断缝式天线本体的中点，且所述长分支和所述短分支的长度之比小于3:1。馈点靠近断缝式天线本体的中点，使得在开关均断开的情况下，天线能够处于Monopole态，从而避免能量全部接地，而解决“死亡之握”的问题。

在一种实现方式中，所述任意一条支路上的元件一端与位于所述短分支的接地脚相连包括：所述任意一条支路上的元件一端均与位于所述短分 支的第二接地脚相连。

在一种实现方式中，所述任意一条支路上的元件一端与位于所述短分支的接地脚相连包括：所述任意一条支路上的元件一端与位于所述短分支的多个接地脚中的一个相连，且不同的支路上的元件连接的接地脚不同。

在一种实现方式中，所述容性加载金属体的容性加载越强，所述天线被加载的辐射分支的谐振频率就越低。降低所述容性加载金属体的容性加载的方式包括以下一项或多项：所述容性加载金属体与所述断缝式天线本体之间的填充物的选用更低介电常数的材质、断缝式天线本体与所述容性加载金属体之间的距离在1mm以上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种天线的结构示意图；

图2为图1中所示的单刀单掷开关和多路开关在不同的开闭状态下，天线的理想谐振状态示意图；

图3为图1中所示的天线在不同的开闭状态下，天线的实际谐振状态示意图；

图4为图1中所示的天线被握住以及在自由空间的天线谐振状态示意图；

图5为本发明实施例公开的又一种天线的结构示意图；

图6为本发明实施例公开的天线在终端上的设置方式的示意图。

具体实施方式

本申请实施例公开的天线及具有该天线的终端，通过利用开关控制天线，变化天线的接地点以及接地器件，实现对常用无线通信频段的全面覆 盖，并且天线谐振能够单独调谐。同时，方案中引入天线切换的多天线选择机制(Multi-Antenna Selection，MAS)态，用于解决天线的“死亡之握”问题。

下面将结合附图，对本申请实施例中公开的天线及终端进行详细的说明。

图1所示为本申请实施例公开的一种天线，包括：断缝式天线本体201、馈电枝节202、第一接地支路203以及第二接地支路204。

其中，断缝式天线为未加馈点和接地点之前，天线本体与参考地完全断开的天线类型。天线本体与参考地完全断开可以通过图1所示的天线与地的物理断开实现，也可以通过高值电感做截断。本实施例不做限定。

以馈电枝节202与断缝式天线本体201相连的位置(即馈点的位置)为分界点，断缝式天线本体201被划分为长分支和短分支。

断缝式天线本体201具有两个接地脚：GND1和GND2。

GND1在长分支一侧，通过第一接地支路203接地，本实施例中，GND1与馈点重合。

具体地，第一接地支路203包括串联的开关(图1中，以单刀单掷开关Single-Pole,Single-Throw，简称SPST为例)和接地的容性加载金属体，例如(通用串行总线Universal Serial Bus，USB)。容性加载金属体(如USB)的容性加载越强，被加载的辐射分支的谐振频率就越低，但也会降低天线效率。降低容性加载的手段如下，反之则是增强：

(1)USB与断缝式天线本体201之间的填充物可选用更低介电常数的材质。

(2)断缝式天线本体201远离USB，尤其是USB附近的天线部分做避让，因为长分支四分之三模的第一个电场强点就在USB附近，优选距离在1mm以上。

(3)天线下地点GND1直连USB，使得USB成为天线辐射体的一部分。

进一步的，为了工业美观性，USB优选居中摆放，即USB邻近馈点。

GND2在短分支一侧，通过第二接地支路204相连。具体地，第二接 地支路204中包括并联的多个支路，多个支路均连接到GND2。任意一个支路中均包括元件，多个支路通过多路开关接地，其中，多路开关中的一路对应一条支路。元件包括电容、电阻或者电感的任意一种，例如，以图1为例，三个支路中的元件分别为0ohm的电阻，3.3nH的电感，以及6.8nH的电感。元件能够实现选频效应，由于电感器有低通高阻的特性，随着感值的增大，短分支的四分之一模的谐振频率会向低频方向移动。类似的，也可以用电容器低阻高通的特性来实现选频效应。

无论对于长分支还是短分支，接地脚的位置和所连接下地的元件，决定着分支的谐振频点。也就是说，第一接地支路和第二接地支路中开关的不同开闭状态，使得长分支以及短分支的电长度不同，从而使得断缝式天线本体具有不同的谐振频率。举例说明，在图1中接地脚介于天线分支末端和馈点之间的情况下，对于第二接地支路中的三个分支，越靠近馈点的分支的开关闭合(开关闭合意味着通过此支路接地)，短分支的电长度就越长，谐振频率相应就更低。

图1中所示的天线，可以通过接地支路中开关的开断，来实现对于断缝式天线本体的电长度的调节，以调节天线的谐振频率。图2所示为图1中所示的单刀单掷开关和多路开关在不同的开闭状态下，图1所示的天线的理想谐振状态。图3为图1中所示的单刀单掷开关和三单刀单掷开关在不同的开闭状态下，图1所示的天线的实际谐振状态。从图2以及图3均可以看出，能够全面覆盖目前所使用的频段。

举例说明，在多路开关断开，SPST导通时，低频谐振能够覆盖B5/B8/B20等频率低于1GHz的频段。多路开关连通0ohm，SPST断开时，长分支的电长度进一步变长，谐振频率变低，可以覆盖B28频段，并且全频带都有谐振覆盖，能实现载波聚合(Carrier Aggregation，CA)。实际上，State1～5均包含有低频谐振，谐振频率从1到5逐渐变低。因此本例中的频段分配方案只是一种参考。在实际运用中，可以根据整机具体的情况重新分配。

需要说明的是，图1中所示的单刀单掷开关和多路开关均为举例说明，也可以使用能够实现相同功能的其它开关，例如，第二接地支路中也可以 使用双刀开关Dual-SPST或者单刀四掷开关SP4T等开关。但优选具备低损耗，高隔离度，高耐压等特点的开关。使用时关注开关导通时的电阻Ron，开关断开时的电容Coff，多掷开关每条通路上的隔离度，以及开关对电压的承受能力(防止RSE问题)。

通常选择USB四点接地，亦可选择单边双点接地。甚至还可将USB浮空，不直接接地或通过高值电感(如68nH)接地，但须做好静电防护。

需要说明的是，如1所示的开关的开闭控制可以由控制设备依据算法进行控制，不属于本申请的范畴，这里不再赘述。

进一步地，图1中，馈点的位置需要遵循以下原则：馈点的位置靠近断缝式天线本体201的中点，即终端的中轴线的位置，并且以馈点为分界点划分出的长分支和短分支的长度之比小于3:1。

馈点的位置靠近断缝式天线本体201的中点的目的在于解决天线的“死亡之握”问题。

由于天线是做在外壳上，用户的手可以直接接触到天线本体。而人手既是导体，又是高损耗介质。直接接触天线，对天线造成的频偏和损耗效应要远远大于以往的内置天线。例如某知名企业A公司的“天线门”事件，其某款旗舰产品在手握住金属外框的狭缝处时，会出现信号完全消失的情况，严重影响通讯，引发舆论危机，产品质量遭质疑。经测试证实，在某些手握姿势下，该产品的天线效率会下降20dB以上，性能恶化严重，因而得名“死亡之握”。金属外壳天线由于辐射强点(通常在辐射体的末端)会被人手直接接触，因此普遍存在“死亡之握”的问题。

图1中所示的天线，在第一接地支路203和第二接地支路204的开关均断开的情况下，断缝式天线本体201处于单极子天线Monopole态。

举例说明，假定天线处在终端的下方，左手会握住短分支，右手会握住长分支。天线的能量不会被手完全吸收，大部分能量返回到天线本体，因为天线本体不接地，所以，能够不能回地，在此情况下，因为馈点靠近天线本体的中点，所以，高频和低频的差异不大，因此，大部分能量会通过多次震荡的方式辐射出去，如此，中频和低频都有未握死的分支，解决 了死亡之握问题。在手握状态下，图1所示的天线的谐振状态如图4所示。Monopole各状态的模式与谐振频率仿真数据如表1所示。

表1

图5为本申请实施例公开的又一种天线的示意图，与图1所示的天线的区别在于以下两点：

第一、GND1与馈点不重合，且不通过USB连接地，也就是说，天线接地脚GND1不是从馈电线上延伸出来的，而是从天线本体上延伸下来，并且不经过USB下地，而是直接单独下地。这种下地方式既可以调节长分支的电长度，也可以改变USB的容性加载效应。

如图5所示，第一接地支路包括一端接地、另一端连接GND1的开关，长分支通过开关可开断地与地相连。而容性加载金属体(例如USB)单独接地。

在实际中，第一接地支路还可能不仅仅包括开关，还可以包括电联接器件等，也就是说，第一接地支路可能是包括开关以及电联接器件的PCB链路。

第二、短分支具有多个接地脚，多个接地支路分别连接一个接地点与地连接。这样在选择每个支路的时候，不仅元件值可变，短分支的物理长度也在变，短分支的谐振频率可以有更大的调节范围。

如图5所示，第二接地支路包括多个支路，每个支路分别连接到短分支的一个接地脚，图5中以GND2、GND3以及GND4为例。其中每一条支路的设置与图1所示的实施例相同，这里不再赘述。

当然，图1所示的天线的第二接地支路也可以替换为图5所示的形式。图6为本申请实施例所述的天线在终端上的设置方式的一个示例。需要说明的是，在实际应用中，馈电枝节可以具有多种形式，而图6中仅为一种连接示意。

综上所述，本发明基于单极子天线的两个谐振：工作于四分之一波长谐振频率的一次模，以及工作于四分之三波长谐振频率的三次模。本发明馈点靠近手机的中轴线摆放，将天线本体分成一长一短两个分支，然后再加入两个接地脚用于调谐分支的电长度。其中长分支四分之一模谐振频率典型值为0.9GHz，由于长分支会跨过接地的金属体(如USB)，接地金属体会对天线起到容性加载效应，四分之三模谐振频率会从2.7GHz向低频方向移动，可以用于覆盖工作频段。而短分支四分之一模谐振频率典型值为1.8GHz，四分之三模谐振频率则偏高，难以被利用。

短分支一侧会加上一个多路开关连接到地，选择不同通路的下地器件，实现谐振频率移动。短分支的四分之一模的谐振频率，可以覆盖中频和高频。另外长分支通过一个SPST到地，通过控制SPST和多路开关的通断，能够实现用四分之一模覆盖低频，四分之三模覆盖高频。

本方案的高频谐振是长分支的四分之三模和短分支的四分之一模组合而成，无论哪只手握，都不会出现握死的现象。而中频和低频由于只有一个分支参与辐射，会出现死亡之握。因此导入Monopole态，此时SPST与多路开关两个开关全部断开，天线从IFA变成Monopole。由于没有了下地点，长短分支的电长度会增加，且因为馈点近似呈居中摆放，长短分支的谐振频率接近。长分支的四分之三模谐振频率靠近中频，而短分支的四分 之一模谐振频率接近低频。Monopole状态规避死亡之握的机理，实际上就是在死亡之握发生时，“转移”了辐射体，利用未握死的分支来覆盖原工作频段。

本发明所述的天线带来的有益效果包括：

(1)短分支接地开关的通断，以及切换不同值的器件，可以调节短分支四分之一模谐振频率移动，覆盖1.2～2.3GHz的频段，谐振频率跨度超过1GHz。天线可全频段完全覆盖，没有弱势频段，也无需拆分BOM。有利于物料统一，降低成本。

(2)通过两个开关状态的控制，长分支四分之一模谐振频率连续可调，完全覆盖0.7～1GHz的频段。且状态多选，可根据实际整机的调试结果选择，容差性强。

(3)能够满足CA要求中难度最大的低中高三频组合态(例如B20+B3+B7)。

(4)全频带极大优化“死亡之握”。高频有双谐振覆盖，中频和低频通过monopole态进行辐射分支转移，优化死亡之握，有效提升用户通讯体验。全频段均无死亡之握，提升整机OTA性能，改善用户通讯体验。IFA变成Monopole后，每个谐振的回损会偏低，但是带宽会增加，因此对手握有较好的容差性。

(5)天线谐振模式原理简明，确定可激励，且每个模式均有单独调谐的手段。无未知谐振，或者谐振联动导致频段不能单独调节。

本申请实施例还公开了一种终端，包括上述实施例所述的天线。所述终端具有全金属外壳，能够全面覆盖目前使用的频段，并且能够有效避免“死亡之握”问题的发生。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

Claims (13)

1. 一种天线，其特征在于，包括：

   断缝式天线本体、馈电枝节、第一接地支路和第二接地支路；

   以馈点的位置为分界点，所述断缝式天线本体被划分为长分支和短分支，所述馈点为所述馈电枝节与所述断缝式天线本体相连的位置；

   所述第一接地支路包括串联的开关和接地的容性加载金属体，所述开关的一端连接所述容性加载金属体，所述开关的另一端连接位于所述长分支的第一接地脚；

   所述第二接地支路包括并联的多个支路，任意一条支路上均包括元件，所述多个支路通过多路开关接地，所述多路开关中的一路开关对应一条支路，任意一条支路上的元件一端与位于所述短分支的接地脚相连，一端与该支路对应的一路开关相连。
2. 根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述馈点的位置靠近断缝式天线本体的中点，且所述长分支和所述短分支的长度之比小于3:1。
3. 根据权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述任意一条支路上的元件一端与位于所述短分支的接地脚相连包括：

   所述任意一条支路上的元件一端均与位于所述短分支的第二接地脚相连。
4. 根据权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述任意一条支路上的元件一端与位于所述短分支的接地脚相连包括：

   所述任意一条支路上的元件一端与位于所述短分支的多个接地脚中的一个相连，且不同的支路上的元件连接的接地脚不同。
5. 根据权利要求1至4任一项所述的天线，其特征在于，所述第一接地脚的位置与所述馈点的位置重合。
6. 根据权利要求1至5任一项所述的天线，其特征在于，所述容性加载金属体的容性加载越强，所述天线被加载的辐射分支的谐振频率就越低；

   降低所述容性加载金属体的容性加载的方式包括以下一项或多项：

   所述容性加载金属体与所述断缝式天线本体之间的填充物的选用更低介电常数的材质；

   断缝式天线本体与所述容性加载金属体之间的距离在1mm以上。
7. 一种天线，其特征在于，包括：

   断缝式天线本体、馈电枝节、第一接地支路和第二接地支路；

   以馈点的位置为分界点，所述断缝式天线本体被划分为长分支和短分支，所述馈点为所述馈电枝节与所述断缝式天线本体相连的位置；

   所述第一接地支路包括一端接地、另一端连接位于所述长分支的第一接地脚的开关；

   所述第二接地支路包括并联的多个支路，任意一条支路上均包括元件，所述多个支路通过多路开关接地，所述多路开关中的一路开关对应一条支路，任意一条支路上的元件一端与位于所述短分支的接地脚相连，一端与该支路对应的一路开关相连。
8. 根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述馈点的位置靠近断缝式天线本体的中点，且所述长分支和所述短分支的长度之比小于3:1。
9. 根据权利要求7或8所述的天线，其特征在于，所述任意一条支路上的元件一端与位于所述短分支的接地脚相连包括：

   所述任意一条支路上的元件一端均与位于所述短分支的第二接地脚相连。
10. 根据权利要求7或8所述的天线，其特征在于，所述任意一条支路上的元件一端与位于所述短分支的接地脚相连包括：

    所述任意一条支路上的元件一端与位于所述短分支的多个接地脚中的一个相连，且不同的支路上的元件连接的接地脚不同。
11. 根据权利要求7至10任一项所述的天线，其特征在于，所述天线还包括：

    接地的容性加载金属体。
12. 根据权利要求11所述的天线，其特征在于，所述容性加载金属体的容性加载越强，所述天线被加载的辐射分支的谐振频率就越低；

    降低所述容性加载金属体的容性加载的方式包括以下一项或多项：

    所述容性加载金属体与所述断缝式天线本体之间的填充物的选用更低介电常数的材质；

    断缝式天线本体与所述容性加载金属体之间的距离在1mm以上。
13. 一种终端，其特征在于，包括权利要求1～6任一项所述的天线，或者，包括权利要求7～12任一项所述的天线。

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