CN102800948B - 天线及无线通讯装置 - Google Patents

Abstract

一种天线包括一介质基板和附着于介质基板上接地单元，天线还包括一附着于所述介质基板的金属结构，所述金属结构包括一电磁响应单元、用于包裹所述电磁响应单元的一金属开口环及与金属开口环的一端延长末端相连的馈点，所述电磁响应单元包括一电场耦合结构和至少一金属子结构，所述金属子结构设置于所述电场耦合结构中。将此种设计等效于增加了天线物理长度，可以在极小的空间内设计出工作在极低工作频率下的射频天线，解决传统天线在低频工作时天线受控空间面积的物理局限，满足手机天线的小型化、低工作频率、宽带多模的要求。同时为无线通讯设备的天线设计提供了一种更低成本的设计方式。

Description

天线及无线通讯装置

技术领域

本发明涉及一种天线领域，尤其涉及一种天线及应用该天线的无线通讯装置。

背景技术

随着半导体工艺的高度发展，对当今的电子系统集成度提出了越来越高的要求，器件的小型化成为了整个产业非常关注的技术问题。然而，不同于IC芯片遵循“摩尔定律”的发展，作为电子系统的另外重要组成——射频模块，却面临着器件小型化的高难度技术挑战。射频模块主要包括了混频、功放、滤波、射频信号传输、匹配网络与天线等主要器件。其中，天线作为最终射频信号的辐射单元和接收器件，其工作特性将直接影响整个电子系统的工作性能。然而天线的尺寸、带宽、增益等重要指标却受到了基本物理原理的限制(固定尺寸下的增益极限、带宽极限等)。这些指标极限的基本原理使得天线的小型化技术难度远远超过了其它器件，而由于射频器件的电磁场分析的复杂性，逼近这些极限值都成为了巨大的技术挑战。

同时，随着现代电子系统的复杂化，多模服务的需求在无线通信、无线接入、卫星通信、无线数据网络等系统中变得越来越重要。而多模服务的需求进一步增大了小型化天线多模设计的复杂度。除去小型化的技术挑战，天线的多模阻抗匹配也成为了天线技术的瓶颈。另一方面，多输入多输出系统(MIMO)在无线通信、无线数据服务领域的高速发展更进一步苛刻地要求了天线尺寸的小型化并同时保证良好的隔离度、辐射性能以及抗干扰能力。然而，传统的终端通信天线主要基于电单极子或偶极子的辐射原理进行设计，比如最常用的平面反F天线(PIFA)。传统天线的辐射工作频率直接和天线的尺寸正相关，带宽和天线的面积正相关，使得天线的设计通常需要半波长的物理长度。在一些更为复杂的电子系统中，天线需要多模工作，就需要在馈入天线前额外的阻抗匹配网络设计。但阻抗匹配网络额外的增加了电子系统的馈线设计、增大了射频系统的面积同时匹配网络还引入了不少的能量损耗，很难满足低功耗的系统设计要求。因此，小型化、多模式的新型天线技术成为了当代电子集成系统的一个重要技术瓶颈。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，现有的手机天线尺寸基于半波长的物理长度限制很难满足现代通信系统低功耗、小型化及多功能的设计要求，因此本发明提供一种低功耗、小型化及多谐振频点的天线。

本发明还提供一种应用该天线的无线通讯装置。

一种天线包括一介质基板和附着于介质基板上接地单元，天线还包括一附着于所述介质基板的金属结构，所述金属结构包括一电磁响应单元、用于包裹所述电磁响应单元的一金属开口环及与金属开口环的一端延长末端相连的馈点，所述电磁响应单元包括一电场耦合结构和至少一金属子结构，所述金属子结构设置于所述电场耦合结构中。

进一步地，所述至少一金属子结构分别设置于所述电场耦合结构中且与电场耦合结构相连成一体。

进一步地，所述至少一金属子结构分别设置于所述电场耦合结构中且与电场耦合结构耦合。

进一步地，所述金属子结构由至少两个金属子结构复合叠加形成一个复合金属子结构。

进一步地，所述复合金属子结构包括三个开口谐振环金属子结构。

进一步地，基于所述三个开口谐振环金属子结构形成的复合金属子结构形成相应的互补式复合金属子结构。

进一步地，所述介质基板的相对两表面均有设置有接地单元，所述接地单元上开设至少一金属化通孔。

进一步地，所述介质基板相对两表面均附着金属结构。

进一步地，所述介质基板相对两表面均附着的金属结构形状相同。

进一步地，所述介质基板相对两表面均附着的金属结构形状不相同。

进一步地，所述介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料中任意一种材料制成。

一种无线通讯装置所述天线，无线通讯装置还包括一PCB板，所述天线与PCB板连接。

将此种设计等效于增加了天线物理长度，可以在极小的空间内设计出工作在极低工作频率下的射频天线，解决传统天线在低频工作时天线受控空间面积的物理局限，满足手机天线的小型化、低工作频率、宽带多模的要求。同时为无线通讯设备的天线设计提供了一种更低成本的设计方式。

附图说明

图1是本发明天线中一实施例的立体图；

图2为图1天线的金属结构的示意图；

图3是本发明天线另一实施例的立体图；

图4a为图2所示金属结构中的一种开口谐振环金属子结构平面图；

图4b为图4a所示开口谐振环金属子结构的一种互补式金属子结构平面图；

图5a为图2所示金属结构中的一种螺旋线金属子结构平面图；

图5b为图5a所示螺旋线金属子结构的一种互补式金属子结构平面图；

图6a为图2所示金属结构的一种弯折线金属子结构的平面图；

图6b为图6a所示弯折线金属子结构的一种互补式金属子结构平面图；

图7a为图2所示金属结构中的一种开口螺旋环金属子结构的平面图；

图7b为图7a所示开口螺旋环金属子结构的一种互补式金属子结构平面图；

图8a为图2所示金属结构中的一种双开口螺旋环金属子结构平面图；

图8b为图8a所示双开口螺旋环金属子结构的一种互补式金属子结构平面图；

图9是本发明天线第三实施例的立体图；

图10是本发明天线第四实施例的立体图；

图11为图4a所示开口谐振环金属子结构其中之一结构的几何形状衍生示意图；

图12为图4b所示互补式开口谐振环金属子结构中另一结构的几何形状衍生示意图；

图13a为图4b所示三个互补式开口谐振环金属子结构复合衍生得到一种金属子结构平面图；

图13b为图13a所示金属子结构的一种互补式的金属子结构平面图；

图14为应用本发明的天线的一无线通讯装置。

具体实施方式

以下结合说明书附图详细介绍本发明的具体内容。

请参考图1，为本发明天线中一实施例的立体图。所述天线10包括介质基板11、均附着在介质基板11上的金属结构12及接地单元22。所述接地单元22为金属片且上开设由至少一个金属化通孔23。在本实施方式中，所述天线10的介质基板11的一表面上附着金属结构12；在介质基板11的相对两表面均有设置有接地单元22，在所述金属化通孔23对应位置的质基板11也开设由通孔(图中未示)，通过这些金属化通孔23将各个分散的接地单元22电连接形成公共地。在其他实施方式中，所述天线10的介质基板11相对两表面均附着金属结构12，在介质基板11的相对两表面均有设置有接地单元22。

请参考图2，所示金属结构12包括一电磁响应单元120、用于包裹所述电磁响应单元120的一金属开口环121及与金属开口环121的一端延长末端相连的馈点123。所述电磁响应单元123包括一个电场耦合结构(electric-field-coupled，缩写ELC)。此种设计等效于增加了天线物理长度(实际长度尺寸不增加)，这样就可以在极小的空间内设计出工作在极低工作频率下的射频天线。解决传统天线在低频工作时天线受控空间面积的物理局限。

请一并参阅图2和图3，天线的金属结构的示意图和本发明天线第二实施例的立体图。为了实现阻抗匹配和更好提高天线10的性能，还可以将天线10进一步修改；所述金属结构12还包括至少一个金属子结构122，即在所述电磁响应单元123的电场耦合结构(electric-field-coupled，缩写ELC)中嵌套至少一个金属子结构122。在本实施方式中，在电场耦合结构(ELC)中嵌套分别四个相同的金属子结构122且与电场耦合结构相连成一体(如图3所示)。在本其他方式中，所述四个相同的金属子结构122可以直接与电场耦合结构采用电场耦合或电感耦合方式连接。

上述四个金属子结构122中的至少两个金属子结构的形状不相同，即所述四个金属子结构122可以完全不相同和部分不相同。

各种无线通讯装置都可以采用本发明中的天线10或20，但是为了天线10或20与各种无线通讯装置之间的阻抗匹配或者实现多模工作模式，所述金属子结构122可以采用各种对电磁波响应的金属子结构及其衍生结构。如所述金属子结构122可选用互补式的开口谐振环金属子结构(如图4a、4b所示)，即如图4a、4b所示两种金属子结构的形状形成互补。

所述图4a和4b所示金属子结构122相互形成一对互补式的开口谐振环金属子结构。由于如图4a所示的金属子结构122未设置有连接末端，因此图4a所示的金属子结构122可以采用耦合方式设置于金属结构12中，从而形成本发明的所述天线10(如图9所示)。同理，图4b所示也未设置由连接末端，也可采用耦合方式设置于金属结构12中。

所述金属子结构122还可选用如图5a和5b所示的一对互补式螺旋线金属子结构、如图6a和6b所示的一对互补式弯折线金属子结构、如图7a和7b所示的一对互补式的开口螺旋环金属子结构及如图8a和8b所示的一对互补式的双开口螺旋环金属子结构。若所述金属子结构122设置有连接末端，则所述金属子结构122可以与金属结构12直接相连，如图6b金属子结构122。请一并参阅图10，将如图6b金属子结构122电连接于金属结构12的电场耦合结构上，从而获得本发明衍生的天线10。在上述各种金属子结构122形成各种的弯折处都是呈直角形状的。在其他实施方式中，金属子结构122形成各种的弯折处为圆角，如电磁响应单元120的弯折处的圆角形状。

所述金属子结构122可以由一种或者是通过前面几种结构衍生、复合或组阵得到的金属子结构。衍生分为两种，一种是几何形状衍生，另一种是扩展衍生。此处的几何形状衍生是指功能类似、形状不同的结构衍生，例如由方框类结构衍生开口曲线金属子结构、开口三角形金属子结构、开口多边形金属子结构及其它不同的多边形类结构，以图4a所示的开口谐振金属子环结构为例，图11为其几何形状衍生示意图，图11为其几何形状衍生示意图。由上述几何形状衍生方式从而得出相对应的互补式衍生结构，如基于所述开口谐振环金属子结构形成的互补式衍生结构(如图12所示)。

此处的扩展衍生即在图4至图8的金属子结构的基础上相互复合叠加形成符合金属子结构；此处的复合是指，如图4至图8所示的至少两个金属子结构复合叠加形成一个复合金属子结构122。如图13a所示的复合金属子结构是由三个如图4b所示互补式开口谐振环金属子结构复合嵌套形成。从而由如图13a所示的金属子结构得到一种互补式的复合金属子结构(如图13b所示)。

在本发明中，所述介质基板11、21两相对表面都设有金属结构12情况下，两表面上的金属结构12可以连接，也可以不连接。当所述两表面上的金属结构12不连接的情况下，所述两表面上的金属结构12之间通过容性耦合的方式馈电；此种情况下，通过改变介质基板11、21的厚度可以实现两表面上的金属结构12的谐振。在所述两表面上的金属结构12电连接的情况下(例如通过导线或金属化通孔的形式连接)，所述两表面上的金属结构12之间通过感性耦合的方式馈电。

本发明中，介质基板11、21由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。优选地，由高分子材料制成，具体地可以是FR-4、F4B等高分子材料。

本发明中，金属结构12为铜或银材料制成。优选为铜，价格低廉，导电性能好。为了实现更好阻抗匹配，金属结构12也为铜和银组合，例如，电磁响应单元120和金属子结构122采用银材料制成，而金属开口环121与馈点123采用铜材料制成，如此可以得出多种铜和银组合制成的金属结构12。

本发明中，关于天线的加工制造，只要满足本发明的设计原理，可以采用各种制造方式。最普通的方法是使用各类印刷电路板(PCB)的制造方法，当然，金属化的通孔，双面覆铜的PCB制造也能满足本发明的加工要求。除此加工方式，还可以根据实际的需要引入其它加工手段，比如RFID(RFID是RadioFrequency Identification的缩写，即射频识别技术，俗称电子标签)中所使用的导电银浆油墨加工方式、各类可形变器件的柔性PCB加工、铁片天线的加工方式以及铁片与PCB组合的加工方式。其中，铁片与PCB组合加工方式是指利用PCB的精确加工来完成天线微槽结构的加工，用铁片来完成其它辅助部分。另外，还可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法来加工。

请参阅图14，一种应用上述天线无线通讯装置100，所述装置包括一个装置壳体97、设置所述装置壳体97内的一PCB板99和本发明中所述天线10。所述天线与PCB板相连接。所述天线用于接收电磁波信号并将电磁波信号转换为电信号传送至PCB板中进行处理。采用本发明的天线设计思想，可以根据各种无线通讯装置的通讯频段的很容易设计阻抗匹配的天线。所述无线通讯装置100包括但不限于手机、移动多媒体设备、WIFI设备、个人计算机、蓝牙设备，、无线路由器、无线上网卡及导航装置等。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (12)

1.一种天线，包括一介质基板和附着于介质基板上接地单元，其特征在于，天线还包括一附着于所述介质基板的金属结构，所述金属结构包括一电磁响应单元、用于包裹所述电磁响应单元的一金属开口环及与金属开口环的一端延长末端相连的馈点，所述电磁响应单元包括一电场耦合结构和至少一金属子结构，所述金属子结构设置于所述电场耦合结构中，所述电磁响应单元和所述金属子结构均呈长条形延伸，在垂直于延伸方向的横向上，所述金属子结构具有比所述电场耦合结构更大的横向分布尺寸。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述至少一金属子结构分别设置于所述电场耦合结构中且与电场耦合结构相连成一体。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述至少一金属子结构分别设置于所述电场耦合结构中且与电场耦合结构耦合。

4.根据权利要求1、2或3所述的天线，其特征在于，所述金属子结构由至少两个金属子结构复合叠加形成一个复合金属子结构。

5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，所述复合金属子结构包括三个开口谐振环金属子结构。

6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，基于所述三个开口谐振环金属子结构形成的复合金属子结构形成相应的互补式复合金属子结构。

7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述介质基板的相对两表面均有设置有接地单元，所述接地单元上开设至少一金属化通孔。

8.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述介质基板相对两表面均附着金属结构。

9.根据权利要求8所述的天线，其特征在于，所述介质基板相对两表面均附着的金属结构形状相同。

10.根据权利要求9所述的天线，其特征在于，所述介质基板相对两表面均附着的金属结构形状不相同。

11.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料中任意一种材料制成。

12.一种无线通讯装置，包含权利要求1至11任意一项权利要求所述天线，其特征在于，无线通讯装置还包括一PCB板，所述天线与PCB板连接。