CN106505306A - 一种移动设备的天线及应用该天线的移动设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动设备的天线及移动设备，该天线包括天线本体和载体，天线本体包括：馈送部；接地部；第一辐射部，具有第一长度的第一辐射臂且分别连接所述馈送部和所述接地部，以根据所述第一长度适配于在第一频段产生谐振，其中所述第一辐射臂设置于所述载体的不同侧面上；第二辐射部，具有第二长度的第二辐射臂且与所述第一辐射部之间具有耦合间隙，其中所述第二辐射臂设置于所述载体的不同侧面上；调谐元件，连接于所述第二辐射臂和所述接地部，用于根据调节其电容值以调谐天线于第二频段的工作带宽。本发明采用特定结构的天线，使得天线结构紧凑的同时适用于低频段和高频段，并且无需在外壳上切槽就可以降低外壳对天线信号的影响。

Description

一种移动设备的天线及应用该天线的移动设备

技术领域

本发明涉及一种天线及应用该天线的移动设备。

背景技术

目前，在像移动电话和平板移动终端设备中金属外壳被广为采用。金属外壳具有使装置更薄，并具有良好的用户体验等优点。另一方面，它也造成了天线设计的大问题，例如天线体积减少，强电磁耦合到天线，效率退化和带宽减小等。因此，如何设计天线与金属外壳是世界范围内有挑战性的技术问题。

现有移动设备中覆盖低频段780MHz-1GHz和高频段1.9GHz-2.10GHz的天线尺寸通常较大。然而，受移动设备轻薄化的设计限制，天线的尺寸需要做到尺寸更小，但同时又不会影响到天线的工作范围。从ID设计和器件的机械强度的角度来看，最好在全金属外壳上没有任何切口或槽。然而，由于技术上的问题，像苹果和HTC(图1)等大部分厂商必须在金属外壳的后盖上切割一个或多个槽，使得天线可以设计为满足运营商的频带和效率等方面的要求。

然而，如何在满足天线上述频率覆盖范围的基础上缩小天线的尺寸、并不在金属外壳上切口或切槽，这对于本领域技术人员来说是一巨大挑战。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种无需在外壳上开槽就可以同时满足低频带和高频带需要的小尺寸天线以及应用该天线的移动设备。

本发明的一种移动设备的天线，包括天线本体和载体，所述天线本体设置于所述载体上；所述天线本体包括：

一馈送部；

一接地部；

一第一辐射部，具有第一长度的第一辐射臂且分别连接所述馈送部和所述 接地部，以根据所述第一长度适配于在第一频段产生谐振，其中所述第一辐射臂设置于所述载体的不同侧面上；

一第二辐射部，具有第二长度的第二辐射臂且与所述第一辐射部之间具有一耦合间隙，其中所述第二辐射臂设置于所述载体的不同侧面上；

一调谐元件，连接于所述第二辐射臂和所述接地部，用于根据调节其电容值以调谐天线带宽；

其中，所述第二辐射部和所述调谐元件适配于在第二频段产生谐振。

进一步，所述馈送部和所述接地部设置于所述载体的第一侧面，所述馈送部的一端连接一电路板的馈送端，所述接地部的一端连接所述电路板的接地端。

进一步，所述第一辐射臂包括第一段和第二段；所述第一段设置于所述载体的顶面，所述第一段分别连接所述接地部的另一端和所述馈送部的另一端；所述第二段，设置于所述载体的第二侧面，所述第二段的一端连接所述第一段。

进一步，所述第二辐射部包括第三段和第四段；所述第三段，设置于所述载体的所述顶面，与所述第一段之间具有所述耦合间隙；所述第四段，设置于所述载体的第三侧面，所述四段的一端连接所述第三段。

进一步，于所述第一侧面和所述顶面邻接处所述第一段分别连接所述接地部的另一端和所述馈送部的另一端。

进一步，于所述第二侧面和所述顶面邻接处所述第二段的一端连接所述第一段。

进一步，于所述第三侧面和所述顶面邻接处所述第四段的一端连接所述第三段。

进一步，所述第一段包括第一臂和第二臂，所述第二段包括第三臂和第四臂，所述第一臂和所述第二臂呈L形设置于所述顶面，所述第三臂和所述第四臂呈L形设置于所述第二侧面；所述第一臂分别与所述馈送部和所述接地部连接，所述第二臂向所述第二侧面延伸，使所述第二臂与所述第三臂于所述顶面和所述第二侧面的邻接处连接。

进一步，所述第三段包括第五臂和第六臂，所述第五臂和所述第六臂呈L形设置于所述顶面，所述第五臂平行于所述第二臂，向所述第一臂延伸，并与所述第一臂之间具有所述耦合间隙；所述第六臂平行于所述第一臂，向所述第 三侧面延伸，使所述第六臂与所述第四段于所述顶面和所述第三侧面的邻接处连接。

进一步，所述馈送部的一端向所述电路板延伸，使所述馈送部的一端连接所述电路板的所述馈送端，所述馈送部的另一端向所述顶面延伸，使所述馈送部的另一端连接所述第一段。

进一步，所述第一频段为780MH_Z-1GH_Z，所述第二频段为1900MH_Z-2110MH_Z。

进一步，所述调谐元件为可调电容器，所述可调电容器的调谐范围为1.1pF-5.1pF。

进一步，所述天线本体还包括一感性元件，设置于所述载体的所述第三侧面，与所述第四段的另一端以及所述电路板连接，并与所述调谐元件并联。

本发明的移动设备，包括外壳、电路板以及上述的天线；所述外壳上具有一开口，所述天线设置于所述开口处，并与所述外壳内设置的所述电路板电连接。

进一步，还包括显示屏，所述显示屏定位于所述天线和所述外壳共同形成的接合面。

本发明采用特定结构的天线，使得天线结构紧凑的同时适用于780MH_Z-1GH_Z以及1900MH_Z-2110MH_Z，并且无需在外壳上切槽就可以降低外壳对天线信号的影响，简化了外壳制造工艺，降低了制造成本。

附图说明

图1为现有技术中在外壳上切槽的移动设备的结构示意图；

图2为本发明的天线在移动设备中设置方式的结构示意图；

图3为本发明移动设备中外壳的结构示意图；

图4为本发明移动设备中电路板与外壳的连接示意图；

图5(a)-图5(c)为本发明的天线的结构示意图；

图6为图5(a)-图5(c)所示天线的等效电路示意图；

图7为采用1.1pF-5.1pF的可调节电容仿真的S11示意图；

图8(a)和图8(b)为低频带和高频带下本发明的天线的辐射图；

图9示出了可调节电容为1.1pf和5.1pf时测量的S11示意图。

具体实施方式

如图2-4所示，本发明移动设备1，包括金属外壳2、电路板3、天线4和显示屏5，金属外壳2是由底板和侧板所围成，金属外壳2右下角具有未被侧壁包围的区域，电路板3设置于底板上并被侧板包围于金属外壳2中，天线4被定位于该区域并与金属外壳2内设置的电路板3电连接。因此，金属外壳2的侧壁和底板上不需再切槽，如此可以保证金属外壳2的机械强度。由于天线4被设于侧壁的邻接区域也不会影响天线的工作效率和带宽。天线4与金属外壳2侧壁的顶面形成设置显示屏5的接合面，显示屏5被固定安装在该接合面上。

本实施例中移动设备1可以包括手机、平板电脑等电子设备，电路板可以为PWB板，显示屏可以为液晶显示屏。然而，本发明中移动设备、电路板和显示屏并不局限于此。

以下对移动设备1中的天线4的结构做如下详细说明：

如图5a-图5c所示，本发明的天线4，包括天线本体41和载体42，所述天线本体41设置于所述载体42上；载体42为电绝缘材料，与其上设置的天线本体41绝缘。

天线本体41包括：

馈送部411；

接地部412；

第一辐射部413，具有第一长度的第一辐射臂且分别连接所述馈送部411和所述接地部412，以根据所述第一长度匹配于在第一频段(高频段2GHZ范围)产生谐振，其中所述第一辐射臂设置于所述载体42的不同侧面上。

第二辐射部414，具有第二长度的第二辐射臂且与所述第一辐射部413之间具有一耦合间隙d，其中所述第二辐射臂设置于所述载体42的不同侧面上，所述耦合间隙d和所述第二长度匹配于在第二频段(低频段800MHZ)产生谐振；

调谐元件415，连接于所述第二辐射臂和所述接地部412，用于根据调节其电容值以调谐所述天线4于所述第一频段和所述第二频段的工作带宽。

本实施例中将第一辐射部413和第二辐射部414中的辐射臂分别设置于载 体42的不同侧面上，以形成立体结构，并且第一辐射部413和第二辐射部414之间设置一耦合间隙d，如此可以根据第一辐射部413和第二辐射部414的长度以及第一辐射部413和第二辐射部414之间的耦合间隙d，使天线4匹配于高频段(第一频段)和低频段(第二频段)。在保证辐射臂有效长度的同时节省了辐射臂所占空间。

本实施例中所述馈送部411和所述接地部412设置于所述载体42的第一侧面421，所述馈送部411的一端连接电路板3的馈送端，以向第一辐射部413馈送信号。所述接地部412的一端连接所述电路板3的接地端。其中，所述馈送部411的一端向所述电路板3延伸，使所述馈送部411的一端连接所述电路板3的所述馈送端，所述馈送部411的另一端向载体42的顶面延伸，使所述馈送部411的另一端连接所述第一段4131。

本实施例中第一辐射部413的第一辐射臂包括设置于载体42不同侧面的第一段4131和第二段4132，第一段4131设置于所述载体42的顶面422，所述第一段4131分别连接所述接地部412的另一端和所述馈送部411的另一端；所述第二段4132，设置于所述载体42的第二侧面423，所述第二段4132的一端连接所述第一段4131。其中，第一段4131和第二段4132的总长度为第一辐射部413的第一长度，并且该第一长度为2GHz的四分之一波长。其中，第一段4131包括第一臂4133和第二臂4134，所述第二段4132包括第三臂4135和第四臂4136，所述第一臂4133和所述第二臂4134呈L形设置于所述顶面，所述第三臂4135和所述第四臂4136呈L形设置于所述第二侧面。然而，第一臂4133和第二臂4134，以及第三臂4135和第四臂4136所形成的形状并不局限于L形，其也可以为其他任意形状。所述第一臂4133分别与所述馈送部11和所述接地部412连接，所述第二臂4134向所述第二侧面延伸，使所述第二臂4134与所述第三臂4135于所述顶面和所述第二侧面的邻接处连接，第四臂4136向载体42的第三侧面424。

本实施例中第二辐射部414的第二辐射臂包括设置于载体42不同侧面的第三段4141和第四段4142，所述第三段4141设置于所述载体42的所述顶面422，与所述第一段4131之间具有所述耦合间隙d；所述第四段4142设置于所述载体42的第三侧面，所述第四段4142的一端连接所述第三段4141。其中，第三段4141和第四段4142的总长度为第二辐射部414的第二长度，并且 该第二长度和耦合间隙d使天线13匹配于低频段800MHZ。其中，所述第三段4141包括第五臂4143和第六臂4144，所述第五臂4143和所述第六臂4144呈L形设置于所述顶面，所述第五臂4143平行于所述第二臂4134，向所述第一臂4133延伸，并与所述第一臂4133之间具有所述耦合间隙；所述第六臂4144平行于所述第一臂4133，向所述第三侧面424延伸，使所述第六臂4144与所述第四段4142于所述顶面和所述第三侧面的邻接处连接。然而，第五臂4143、第六臂4144的形状以及与第一臂4133和第二臂4134之间的位置关系并不局限于此。

本实施例中在所述第一侧面421和所述顶面422邻接处，所述第一段4131分别连接所述接地部412的另一端和所述馈送部411的另一端。在所述第二侧面和所述顶面邻接处，所述第二段4132的一端连接所述第一段4131。然而，第一段4131与馈送部411和接地部412的连接位置以及第二段4132和第一段4131的连接位置并不局限于此，可以根据实际需要做相应调整。

当第一辐射部413是由射频(RF)信号馈送，在第一辐射部413的电流将通过第一辐射部413和第二辐射部414之间的间隙d耦合到第二辐射部414。从射频的角度看，第一辐射部413和第二辐射部414将提供感性阻抗，它们之间的电磁耦合将产生容性阻抗，当感性和容性阻抗串联连接，将产生特定频率上的谐振。所以，第一辐射部413和第二辐射部414的间隙宽度(电容)和耦合长度是本设计中的关键。适当调整这些参数可以产生低频段谐振(800MHz)。而低频段的单个带宽大约为30MHz很窄，远小于所需的260MHz低频段。

为了弥补低频段的带宽，调谐元件415连接于所述第二辐射臂和所述接地部412，并且位于载体42的第三侧面上。调谐元件415可选择性地为可调谐电容器，并且选择其电容值1.1-5.1PF的可调节低频谐振，以实现整体220MHz的带宽。

可调谐电容器位于第2部分末端和印刷电路板的右端。可调谐电容器具有32个状态，其范围从1.1pF到5.1pF。选择电容值从1到5pF的可调节低频谐振，以实现整体220MHz的带宽适合LTE700/GSM850/900全球手机频段的应用。

另外，在一实施例中天线本体41还包括一感性元件416，设置于所述载 体42的所述第三侧面，与所述第四段4142的另一端以及所述电路板3连接，并与所述调谐元件415并联，这样可以进一步改善第二频段工作带宽的范围，使其整体带宽可以大于220MHz。

如图6所示，为图5a-图5c中天线结构的等效电路图。图中Ccoupling1表示第一辐射部和印刷电路板之间的耦合，Ccoupling2表示第二辐射部与所述印刷电路板之间的耦合，Ccoupling3表示第一辐射部和第二辐射部之间的耦合。Lmatch1是匹配部件，CDTC是可调电容、Lmatch2是匹配部件。

为了更为清楚地了解本发明天线的性能，这里将展示天线仿真和实测结果，包括S11，辐射方向图和效率。通过选择从1.1-5.1pF的可调谐电容器，模拟的S11示于图7。在可调谐电容器为1.1pF时，天线工作在1GHz和2.10GHz，在可调谐电容器为2pF时，天线将在低和高频段的较低频率下工作，在可调谐电容器为5.1pF的，天线工作的最低频率位于780MHz和1.9GHz。低频段780MHz-1GHz和高频段1.9-2.10GHz，低频覆盖范围约220MHz，高频约210MHz。这表明，对于LTE700/GSM850/900和DCS/PCS/UMTS有巨大的运用前景。

低频处的天线方向图和增益在图8a给出。由图可见，所述方向图是全向的，有利于理想信号的发射和接收。同样地，高频带方向图和增益在图8b中显示，该辐射模式有一定的指向性，但在一般情况下，仍然属于全向性。

在本发明中使用的是美国公司Peregrine的数字可调谐电容器(DTC)，它的可调谐范围从1.1至5.1pF。该DTC的好处是，它有32个调整状态，确保它可以覆盖所有需要的频带。为了改善调谐范围，在连接可调电容的同时并联一个10nH的电感。

测量的S11于图9所示，电容器的值可以选择从1.1pF至5.1pF，这里为显示覆盖的范围，仅使用C＝1.1pF和5.1pF的两种情况。并且实验结果和仿真结果有很好的吻合。

该天线在低频段处测得的平均效率为35％，在高频段是45％，在MIMO(多输入多输出)或移动设备中的分集天线中有很好的应用。

Claims (15)

1.一种移动设备的天线，包括天线本体和载体，所述天线本体设置于所述载体上；

所述天线本体包括：

一馈送部；

一接地部；

一第一辐射部，具有第一长度的第一辐射臂且分别连接所述馈送部和所述接地部，以根据所述第一长度适配于在第一频段产生谐振，其中所述第一辐射臂设置于所述载体的不同侧面上；

一第二辐射部，具有第二长度的第二辐射臂且与所述第一辐射部之间具有一耦合间隙，其中所述第二辐射臂设置于所述载体的不同侧面上，所述耦合间隙和所述第二长度适配于在第二频段产生谐振；

一调谐元件，连接于所述第二辐射臂和所述接地部，用于根据调节其电容值以调谐所述天线于所述第一、二频段的工作带宽。

2.如权利要求1所述的移动设备的天线，其特征在于，所述馈送部和所述接地部设置于所述载体的第一侧面，所述馈送部的一端连接一电路板的馈送端，所述接地部的一端连接所述电路板的接地端。

3.如权利要求2所述的移动设备的天线，其特征在于，所述第一辐射臂包括第一段和第二段；所述第一段设置于所述载体的顶面，所述第一段分别连接所述接地部的另一端和所述馈送部的另一端；所述第二段，设置于所述载体的第二侧面，所述第二段的一端连接所述第一段。

4.如权利要求3所述的移动设备的天线，其特征在于，所述第二辐射部包括第三段和第四段；所述第三段，设置于所述载体的所述顶面，与所述第一段之间具有所述耦合间隙；所述第四段，设置于所述载体的第三侧面，所述第四段的一端连接所述第三段。

5.如权利要求4所述的天线，其特征在于，于所述第一侧面和所述顶面邻接处所述第一段分别连接所述接地部的另一端和所述馈送部的另一端。

6.如权利要求5所述的天线，其特征在于，于所述第二侧面和所述顶面邻接处所述第二段的一端连接所述第一段。

7.如权利要求6所述的天线，其特征在于，于所述第三侧面和所述顶面邻接处所述第四段的一端连接所述第三段。

8.如权利要求3所述的天线，其特征在于，所述第一段包括第一臂和第二臂，所述第二段包括第三臂和第四臂，所述第一臂和所述第二臂呈L形设置于所述顶面，所述第三臂和所述第四臂呈L形设置于所述第二侧面；所述第一臂分别与所述馈送部和所述接地部连接，所述第二臂向所述第二侧面延伸，使所述第二臂与所述第三臂于所述顶面和所述第二侧面的邻接处连接。

9.如权利要求4所述的天线，其特征在于，所述第三段包括第五臂和第六臂，所述第五臂和所述第六臂呈L形设置于所述顶面，所述第五臂平行于所述第二臂，向所述第一臂延伸，并与所述第一臂之间具有所述耦合间隙；所述第六臂平行于所述第一臂，向所述第三侧面延伸，使所述第六臂与所述第四段于所述顶面和所述第三侧面的邻接处连接。

10.如权利要求3所述的天线，其特征在于，所述馈送部的一端向所述电路板延伸，使所述馈送部的一端连接所述电路板的所述馈送端，所述馈送部的另一端向所述顶面延伸，使所述馈送部的另一端连接所述第一段。

11.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一频段为780MH_Z-1GH_Z，所述第二频段为1900MH_Z-2110MH_Z。

12.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述调谐元件为可调电容器，所述可调电容器的调谐范围为1.1PF-5.1PF。

13.如权利要求4所述的天线，其特征在于，所述天线本体还包括一感性元件，设置于所述载体的所述第三侧面，与所述第四段的另一端以及所述电路板连接，并与所述调谐元件并联。

14.一种移动设备，包括外壳、电路板以及如权利要求1-13任一项所述的天线；所述外壳上具有一开口，所述天线设置于所述开口处，并与所述外壳内设置的所述电路板电连接。

15.如权利要求14所述的移动设备，其特征在于，还包括显示屏，所述显示屏定位于所述天线和所述外壳共同形成的接合面。