CN107369892B

CN107369892B - 一种用于全金属外壳的多频终端天线

Info

Publication number: CN107369892B
Application number: CN201710778208.XA
Authority: CN
Inventors: 杨鹏; 严魁锡; 王磊; 汪希萌; 杨峰; 曾莉尧; 曹厚华; 丁柏浪
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China; Guangdong Electronic Information Engineering Research Institute of UESTC
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China; Guangdong Electronic Information Engineering Research Institute of UESTC
Priority date: 2017-09-01
Filing date: 2017-09-01
Publication date: 2019-08-30
Anticipated expiration: 2037-09-01
Also published as: CN107369892A

Abstract

本发明提供一种用于全金属外壳的多频终端天线，属于天线技术领域。本发明天线包括装设在系统电路板背面的金属外壳，设置在系统电路板正面的馈电网络和缝隙；所述金属外壳位于系统电路板背面且其上分别开设有双端开口型缝隙和单端开口型缝隙，馈电网络中与馈电端口相匹配的馈电分支分别横跨上述两个缝隙，激励缝隙形成多个频点谐振。本发明进一步藉由U型折叠金属片加载于双端开口型缝隙的改良，形成有别于现有二维缝隙天线的三维结构用以覆盖更多频段；本发明在实现多频带和宽频带的同时也解决了天线与大面积的金属外壳共存致使天线性能受损的难题，提高了终端设备的强度、质感和美感。

Description

一种用于全金属外壳的多频终端天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种用于全金属外壳的多频终端天线。

背景技术

随着信息时代的来临，移动通信得到了前所未有的发展。天线作为无线通信的一个重要部件，决定着终端设备与外界通信的电气性能，通常来讲，一副好的天线应该在有效减小天线所占用空间的同时显著提高终端设备的整体性能，并且增加终端设备获得的信号强度和数据通信的速率。对着移动通信网络的发展，目前支持高速数据传输的4G通信网络正在全力普及中，而对于作为4G通信网络的升级版——5G通信网络的研究也如火如荼的开展，因此集4G、5G与WLAN于一体的4G/5G/WLAN通信网络是未来无线通信的发展趋势，这就要求终端设备要满足WLAN、4G与5G通信网络的所有频段，与此同时还要尽可能向下兼容仍在使用的3G通信网络的频段。而如此宽的频段覆盖范围对于终端设备天线的设计而言是一个很大的难题。另外，随着技术的发展，金属外壳逐步出现在通信终端产品中。金属外壳在很大程度上能够增强通信终端设备的结构强度以及能够满足消费者对美感与触感的需求。但是，通信终端设备的天线从最开始的外置天线到内置天线再到全金属外壳天线，产品的外形愈加美观，但是留给天线辐射的面积越来越小。因此，金属壳体往往严重影响了终端天线的辐射性能，而天线作为通信系统重要的组成部分，其性能的好坏直接影响到终端设备的性能的优劣。故而，如何解决天线与大面积的金属外壳共存的问题一直以来都是本领域亟需攻克的难点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：提供一种覆盖5G、4G与WLAN通信网络频段的终端天线，同时也解决了天线与大面积的金属外壳共存的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

技术方案一；

一种用于全金属外壳的多频天线，包括装设在系统电路板背面的金属外壳，开设于金属外壳上的缝隙以及设置在系统电路板正面的馈电网络；其特征在于：

所述金属外壳的四周边缘处设有从系统电路板的背面延伸至侧面的金属边框；所述金属外壳上开设有第一缝隙和第二缝隙，所述第一缝隙为双端开口型缝隙，所述第二缝隙为单端开口型缝隙；所述第一缝隙和第二缝隙将金属边框分为相互独立的三段；

所述馈电网络包括：馈电分支、匹配电路和馈电端口；馈电端口与相应馈电分支之间连接有匹配电路，馈电分支分别横跨位于系统电路板背面的第一缝隙和第二缝隙。

技术方案二；

一种用于全金属外壳的多频智能终端天线，包括装设在系统电路板背面的金属外壳，开设于金属外壳上的缝隙以及设置在系统电路板正面的馈电网络；其特征在于：

所述金属外壳的四周边缘处设有从系统电路板的背面延伸至侧面的金属边框；所述金属外壳上开设有第一缝隙和第二缝隙,，所述第一缝隙为双端开口型缝隙，所述第二缝隙为单端开口型缝隙，所述第一缝隙和第二缝隙将金属边框分为相互独立的三段；

所述馈电网络包括：馈电分支、匹配电路、馈电端口和选通电路；馈电端口与馈电分支之间连接有选通电路，每一馈电分支与选通电路之间连接有匹配电路，馈电分支分别横跨位于系统电路板背面的第一缝隙和第二缝隙。

根据本发明实施例，本发明中选通电路包括：选通开关、比较控制电路和检测电路。

技术方案二是在技术方案一的基础上融入天线频率重构的功能，实现智能判断后选择天线的不同工作频段。

进一步的是，上面两个技术方案中，所述金属边框包括相对设置的两条长边和两条短边，所述两条第二短边相对设置且连接在两条长边之间；所述第一缝隙和第二缝隙靠近金属边框的短边设置。

进一步的是，上面两个技术方案中，所述系统电路板为介质基板或者单面覆铜的介质基板。

进一步的是，所述金属外壳上缝隙的宽度介于0.5毫米～5毫米之间。

进一步的是，上面两个技术方案中，所述金属外壳上缝隙距离其短边的距离可调。

进一步的是，上面两个技术方案中，缝隙的开口宽度与缝隙的宽度相同或者不同，所述缝隙的开口宽度介于0.5毫米～5毫米之间。

进一步的是，上面两个技术方案中，还包括加载于第一缝隙上将其分隔形成单端开口型缝隙的U型折叠金属片300。

进一步地，所述U型折叠金属片与系统电路板相互隔离设置。

根据本发明实施例，本发明中U型折叠金属片部分悬设于系统电路板正面上方，U型折叠金属片的两端向下穿入系统电路板中并与其背面金属外壳相连接，使得U型折叠金属片将第一缝隙分隔形成单端开口型缝隙。

其中：第一缝隙及加载于其上的U型折叠金属片形成的单端开口型缝隙的长度和宽度均可调。

作为本发明的一个具体实施例，悬浮设置的部分U型折叠金属片与其下方的系统电路板二者之间还可填充非金属材料。

进一步的是，上面两个技术方案中，所述金属外壳作为系统地。

相比现有技术，本发明的有益效果是：

1、本发明通过在金属外壳上加载双端开口型缝隙，双端开口型缝隙形成谐振的机理与现有单端开口型缝隙形成谐振的机理相类似，然而由于双端开口型缝隙区别于现有单端开口型缝隙能够使得馈电位置附近形成近似短路的工作状态，相当于同一馈电点激发的两条单端开口型缝隙；而不同的虚短路位置对应于不同频率，使得双端开口型缝隙形成多个频点谐振，从而实现多频段工作，根据本发明实施例结果，通过合理调整参数能够覆盖部分4G频段和5G频段。

2、本发明采用金属外壳作为系统地，金属外壳上的缝隙作为辐射单元，本发明采用三维结构设计有别于传统平面天线结构，在实现天线小型化和紧凑性的同时解决了天线与大面积的金属外壳共存致使天线性能受损的难题。

3、本发明的天线适用于全金属外壳终端设备，运用本发明天线的终端设备除了金属后盖的两条缝隙以及金属边框上的两条开口缝之外，终端设备的背面及侧面均为金属，提高了终端设备的强度、质感和美感，迎合市场需求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种用于全金属外壳的多频终端天线的三维立体示意图；

图2是本发明实施例提供的一种用于全金属外壳的多频终端天线的侧视示意图；

图3是本发明实施例提供的一种用于全金属外壳的多频终端天线的俯视示意图；

图4是本发明实施例提供的多频终端天线中金属后盖的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的多频终端天线中位于系统电路板正面的馈电网络的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的多频终端天线中加载于第一缝隙上的U型折叠金属片与系统电路板的示意图；

图7是本发明实施例提供的多频终端天线中匹配电路的示意图；

图8是本发明实施例提供的多频终端天线中选通电路的原理图；

图9是本发明实施例提供的多频终端天线中选通电路的工作框图；

图10是本发明实施例提供的多频终端天线在两个工作状态下的反射系数曲线；

图11是本发明实施例提供的多频终端天线在两个工作状态下的效率曲线。

图中：100是金属外壳，101是金属后盖，102是金属边框，200是缝隙，201是第一缝隙，202是第二缝隙，300是U型折叠金属片，400是馈电端口，500是选通电路，601是馈电分支一，602是馈电分支二，701是匹配电路一，702是匹配电路二，800是系统电路板，900是馈电网络。

具体实施方式

本发明的要旨在于提供一种采用双端开口型缝隙加载的天线形式，通过缝隙天线形成多个频点谐振，从而实现多频段工作，能够用于未来5G通信网络的移动终端；同时本发明采用全金属外壳设计，消除了传统金属外壳对天线的屏蔽作用，天线性能优良，实现了适用于全金属外壳终端设备的天线装置。

下面结合具体实施例和说明书附图对本发明的原理和特性进行详细说明：

实施例：

本发明中终端设备包括但不局限于：手机终端，智能手表，便携式计算机或者类似的任何合适的终端设备。

结合图1至图6所示出的示意图，本发明具体实施例提供了一种用于全金属外壳的多频智能天线，包括装设在系统电路板800背面的金属外壳100，开设于金属外壳100上的缝隙200以及设置在系统电路板800正面的馈电网络900；其特征在于：

所述金属外壳100的四周边缘处设有从系统电路板800的背面延伸至侧面的金属边框102；所述金属外壳上开设有第一缝隙201和第二缝隙202,，所述第一缝隙201为双端开口型缝隙，所述第二缝隙202为单端开口型缝隙，所述第一缝隙201和第二缝隙202将金属边框分为相互独立的三段；

所述馈电网络900包括：馈电分支一601、馈电分支二602、匹配电路一701、匹配电路二702、馈电端口400和选通电路；馈电端口与馈电分支之间连接有选通电路，每一馈电分支与选通电路之间连接有匹配电路，馈电分支分别横跨位于系统电路板背面的第一缝隙201和第二缝隙202。

如图4所示，金属外壳100包括金属后盖101以及金属后盖周侧的金属边框102，金属后盖101和金属边框102相连形成终端设备的整体外壳；结合图1所示的三维立体图可以看出：在金属后盖上和金属边框上分别设置有相互连通的第一缝隙201和第二缝隙202；第一缝隙201包括开设在金属边框102上的两个缝隙带和开设在金属后盖101的一个窄缝，两个缝隙带位于窄缝始末两端并分别与上述窄缝连通形成双端开口型缝隙，其中：缝隙带的宽度与窄缝的宽度相同或者不同，所述缝隙带和窄缝的宽度介于0.5毫米～5毫米之间；第二缝隙202包括开设在金属边框102上的一个缝隙带和开设在金属后盖101的另一个窄缝，一个缝隙带位于上述窄缝一端并分别与窄缝连通形成单端开口型缝隙，其中：缝隙带的宽度与窄缝的宽度相同或者不同，所述缝隙带和窄缝的宽度介于0.5毫米～5毫米之间。所述缝隙200将金属外壳分隔不连续的区域，从而利用缝隙辐射，避免了金属外壳100对天线信号的不利影响，进而提高了天线性能.

进一步地，第一缝隙201和第二缝隙202可以采用填充非金属材质的方式以保证金属外壳的强度。

进一步地，第一缝隙201和第二缝隙202的尺寸可根据具体情况来设定，此处不作限制，本实施优选两条窄缝201、202的宽度为3mm。

图5示出了全金属外壳移动智能终端天线的系统电路板800及其正面馈电网络900的俯视示意图；结合图1可知，在系统电路板800正面的馈电网络900包括：馈电端口400，选通电路500，馈电分支一601、馈电分支二602、匹配电路一701和匹配电路二702；

其中：馈电分支一601具体是采用终端开路的L型微带线作为馈电单元，从而激励第一缝隙201，并通过匹配电路一701与设于系统电路板800上的选通电路500连接；馈电分支二602亦是采用终端开路的L型微带线作为馈电单元，从而激励第二缝隙202，并通过匹配电路二702与设于系统电路板800上的选通电路500连接；馈电端口400通过一段微带线与选通电路500相连接，因而，射频信号从馈电点400经选通电路500选择馈入馈电分支；而被选择的馈电分支则通过耦合激励对应的缝隙的谐振，在实际工作过程中，金属后盖101及与其连接的金属边框102共同作为系统地。

为了能够覆盖更多的4G频段，作为优选实施方式，本实施例给出了一种加载于第一缝隙201上的U型折叠金属片300的结构示意图，图5中示出了U型折叠金属片300与系统电路板的位置关系。如图5中所示，U型折叠金属片300的水平面是与系统电路板相互隔离设置的，二者之间可填充非金属材料，而U型折叠金属片300中折叠的两端向下穿入系统电路板800中并与其背面金属外壳(即金属后盖101)相连接，使得U型折叠金属片与第一缝隙201形成一条单端开口的缝隙。这样使得U型折叠金属片300与第一缝隙201相结合形成新的谐振路径，从而实现低频的谐振，U型折叠金属片300的位置以及尺寸可以根据不同用户频段进行调整，进而实现多频段通信的需求。

具体地，如图7所示，本实例给出了用于调节天线阻抗带宽的匹配电路的形式，匹配电路一701如图7(a)所示，采用C1为串联电容，L1为并联电感；匹配电路二702如图7(b)所示，采用并联电容C2以及串联电感L2的形式；

具体地，本实例还给出了连接馈电端口400与匹配电路701、702之间的选通电路500的原理图，如图8所示，当开关选择左侧接通时，如图8(a)所示，右端馈电分支二602开路，射频信号经匹配电路一701以及馈电分支一601对缝隙加载U型折叠金属片300的第一缝隙201馈电，天线工作在状态1；当开关选择右侧接通时，如图8(b)所示，左侧馈电分支一601开路，射频信号经匹配电路二702以及馈电分支二602对第二缝隙202馈电，天线工作在状态2。

具体地，如图9所示.本实施例给出了位于系统电路板800上且用以连接馈电端口400与匹配电路701、702之间的选通电路500的工作框图；选通电路500包括：选通开关、检测电路和比较控制电路；选通开关预先接通其中一个馈电分支，并以这一路信号作为参考，检测电路对两路工作信号实时监测，检测指标可以是检测幅度也可以是相位，然后对两个馈电分支上的信号进行比较，比较控制电路实现比较与控制的功能，如果另外一路信号比参考信号弱，则开关不作出响应，保持原来的状态；如果比较出另外一路信号比参考信号强，那么开关作出切换响应，并以此时的状态作为下一次的参考信号。藉由这一技术手段实现天线的频率重构，即根据实际需要实时进行频段切换，智能选择天线的不同工作频段。

本发明提供的多频终端天线实现了多频以及宽频的优点，能够覆盖通信所需的频段。结合图3、图5、图6和图7标示出天线的结构参数，本实施中l₁＝43mm，w₁＝w2＝3mm，l₂＝23mm，l₃＝18mm，h＝6mm，p₁＝28mm，p₂＝16.5mm，C₁＝2.2pF，L₁＝5.1nH，C₂＝0.75pF，L₂＝2.7nH；如图10所示，本实施例给出基于上述结构参数天线的回波损耗曲线；如图11所示，本实施例给出基于上述结构参数天线的效率曲线；从上述图中可以看出：本发明基于双端开口型缝隙加载U型折叠金属片形成的三维缝隙天线结构，在实现天线的小型化的同时有效覆盖了GSM850、GSM900、LTE2300和LTE2500这四个4G通信频段，5.8GHz的WLAN频段以及未来占主导的两个5G通信频段；进一步单端开口型缝隙天线配合上述三维缝隙天线结构覆盖DCS、PCS、UMTS2100这三个4G通信频段。更进一步地，本实施例通过改进馈电网络融入了频率重构功能，通过合理设置选通电路，使得天线在工作过程中可以根据实际需要实时进行频段切换，智能选择天线的不同工作频段。另外，本发明提供了一种能够实现终端设备全金属化外壳的天线装置，除了金属外壳100上的第一缝隙201和第二缝隙202之外均为金属覆盖，换而言之，本发明提供的终端设备的侧面、背面几乎完全覆盖金属，基本上实现了终端设备的全金属覆盖，提高了用户对机身金属质感与美感的需求。

Claims

1.一种用于全金属外壳的多频终端天线，包括装设在系统电路板(800)背面的金属外壳(100)，开设于金属外壳(100)上的缝隙(200)以及设置在系统电路板(800)正面的馈电网络(900)；其特征在于：

所述金属外壳(100)的四周边缘处设有从系统电路板(800)的背面延伸至侧面的金属边框(102)；所述金属外壳(100)上开设有第一缝隙(201)和第二缝隙(202)以及U型折叠金属片(300)；所述U型折叠金属片(300)部分悬设于系统电路板(800)正面上方，U型折叠金属片(300)的两端向下穿入系统电路板(800)中并与其背面金属外壳相连接，使得U型折叠金属片与第一缝隙(201)形成一条单端开口的缝隙；所述第一缝隙(201)为双端开口型缝隙，所述第二缝隙(202)为单端开口型缝隙；所述第一缝隙(201)和第二缝隙(202)将金属边框(102)分为相互独立的三段；

所述馈电网络(900)包括：馈电分支、匹配电路和馈电端口(400)；馈电端口(400)与相应馈电分支之间连接有匹配电路，馈电分支分别横跨位于系统电路板(800)背面的第一缝隙(201)和第二缝隙(202)。

2.根据权利要求1所述的一种用于全金属外壳的多频终端天线，其特征在于，所述金属边框(102)包括相对设置的两条长边和两条短边，所述两条第二短边相对设置且连接在两条长边之间；所述第一缝隙(201)和第二缝隙(202)靠近金属边框(102)的短边设置。

3.根据权利要求2所述的一种用于全金属外壳的多频终端天线，其特征在于，悬浮设置的部分U型折叠金属片(300)与其下方的系统电路板(800)二者之间还填充有非金属材料。

4.根据权利要求1所述的一种用于全金属外壳的多频终端天线，其特征在于，还包括选通电路，所述选通电路(500)连接于馈电分支与馈电端口(400)之间。

5.根据权利要求4所述的一种用于全金属外壳的多频终端天线，其特征在于，所述选通电路包括检测电路、比较控制电路和选通开关。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种用于全金属外壳的多频终端天线，其特征在于，金属外壳(100)上缝隙的宽度介于0.5毫米～5毫米之间。

7.根据权利要求1至5任一项所述的一种用于全金属外壳的多频终端天线，其特征在于，缝隙的开口宽度与缝隙的宽度相同或者不同，所述缝隙的开口宽度介于0.5毫米～5毫米之间。

8.根据权利要求1至5任一项所述的一种用于全金属外壳的多频终端天线，其特征在于，所述金属外壳(100)作为系统地。