CN105337051A - 一种终端设备及其频率可重构的内置天线 - Google Patents

一种终端设备及其频率可重构的内置天线 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种终端设备及其频率可重构的内置天线，该天线采用同一物理尺寸的天线即不改变天线的物理尺寸，通过控制电子开关的通断来控制是否对天线的耦合枝节进行电连接，从而使得整个天线谐振在不同频率处。这种方式对天线频率重构的效果明显，且结构简单，极大的节省了天线的布局空间。

Description

一种终端设备及其频率可重构的内置天线
技术领域
本发明涉及无线通信中的天线技术领域，尤其涉及一种终端设备及其频率可重构的内置天线。
背景技术
移动终端已经成为目前生活工作中不可缺少的通讯工具，移动终端的发展趋势，越来越向着超薄化、小型化和智能化的方向发展；目前移动终端虽然随着屏幕增大导致整机尺寸相应增大，但移动终端的天线实际可用的面积并未增大，且使用环境越来越差；另一方面，移动终端朝着超薄化发展，这就更影响了其天线的性能。随着近几年LTE(LongTermEvolution，长期演进)技术的发展，移动终端的天线要求支持更多的频段，这是2G/3G时代未面临过的挑战。而LTE是必须支持分集的制式，这也导致了随着LTE功能增加到移动终端中时，移动终端上也需要设置一个或更多的接收分集天线。而移动终端整机堆叠中可留给天线的地方都是有限的，如果一款整机要支持主天线、1～2个分集天线，还有GPS(GlobalPositioningSystem，全球定位***)天线、WIFI(Wireless-Fidelity，无线保真)/BT(bluetooth，蓝牙)天线、甚至是NFC(NearFieldCommunication，近距离无线通讯)天线等多种类型的天线，过多的天线导致布局时没有足够的地方能布设的下，那么天线性能也就无从谈起。因此，如何在有限的天线布设环境下设计出多频带天线成为终端天线设计领域的一大难点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种终端设备及其频率可重构的内置天线，在有限的天线布设环境下不改变天线物理尺寸来实现多频带天线功能。
本发明采用的技术方案是，所述频率可重构的内置天线，位于终端设备中，所述天线包括：电子开关、以及互不接触的直连枝节和耦合枝节；
所述直连枝节与终端设备电路板的天线馈电点相连；
由电子开关将所述耦合枝节与终端设备电路板的接地点连接起来，通过控制电子开关的导通与断开以使所述天线在不同频带下工作。
进一步的，所述天线，还包括：天线支架；
所述直连枝节和耦合枝节布设于所述天线支架上。
进一步的，所述通过控制电子开关的导通与断开以使所述天线在不同频带下工作，包括：
当控制电子开关断开时，所述天线以单极子天线的工作模式对应的频带工作；当控制电子开关导通时，所述天线以单极子天线加寄生的工作模式对应的频带工作。
进一步的，所述天线以单极子天线的工作模式对应的频带工作，包括：
所述直连枝节以单极子天线方式工作，所述耦合枝节作为悬浮金属对所述直连枝节的谐振频率产生影响。
进一步的，所述由电子开关将所述耦合枝节与终端设备电路板的接地点连接起来，通过控制电子开关的导通与断开以使所述天线在不同频带下工作，包括：
将所述耦合枝节的不同部位点分别通过电子开关连接到终端设备电路板的接地点处，通过控制各电子开关形成不同的导通与断开组合，以使所述天线在不同频带下工作。
进一步的，当所述耦合枝节为两个以上时，所述由电子开关将所述耦合枝节与终端设备电路板的接地点连接起来，通过控制电子开关的导通与断开以使所述天线在不同频带下工作，包括：
每个耦合枝节也通过对应的电子开关与终端设备电路板的接地点连接起来，通过控制各电子开关形成不同的导通与断开组合，以使所述天线在不同频带下工作。
进一步的，所述直连枝节和耦合枝节采用柔性电路板材料、LDS(Laser-Direct-structuring，激光直接成型)材料或者钢片制成。
进一步的，所述直连枝节和耦合枝节为平面结构或者立体结构。
进一步的，所述天线支架的介电常数范围为4.3～4.5。
本发明还提供一种终端设备，包括上述频率可重构的内置天线。
采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：
本发明所述终端设备及其频率可重构的内置天线，采用同一物理尺寸的天线即不改变天线的物理尺寸，通过控制电子开关的通断来控制是否对天线的耦合枝节进行电连接，从而使得整个天线谐振在不同频率处。这种方式对天线频率重构的效果明显，且结构简单，极大的节省了天线的布局空间。
附图说明
图1为本发明第一实施例的频率可重构的内置天线组成结构示意图；
图2为本发明第二实施例的频率可重构的内置天线组成结构示意图；
图3为本发明第三实施例的频率可重构的内置天线组成结构示意图；
图4为本发明第五实施例的频率可重构天线的三维结构示意图；
图5为本发明第五实施例的频率可重构天线的天线图案放大图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
本发明第一实施例，一种频率可重构的内置天线，位于终端设备中，如图1所示，该天线包括以下组成部分：电子开关100、以及互不接触的直连枝节200和耦合枝节300；
直连枝节200与终端设备电路板400的天线馈电点相连；
由电子开关100将耦合枝节300与终端设备电路板400的接地点连接起来，通过控制电子开关100的导通与断开以使该天线在不同频带下工作。
在本实施例中，直连枝节200和耦合枝节300可以同时位于终端设备电路板400一端专门为天线图案所开辟的区域中，具体的，通过印制电路的方式直接制作在终端设备的电路板400上。另外，直连枝节200和耦合枝节300也可以布设于天线支架上，那么优选的，该天线，还包括：天线支架，该天线支架的介电常数范围为4.3～4.5，优选值为4.4。直连枝节200和耦合枝节300采用柔性电路板材料、LDS材料或者钢片制成。直连枝节200和耦合枝节300为平面结构或者立体结构。
具体的，通过控制电子开关100的导通与断开以使所述天线在不同频带下工作，包括：
当控制电子开关100断开时，所述天线以单极子天线的工作模式对应的频带工作；此时，由直连枝节200实现的单极子天线的工作模式，耦合枝节300由于未进行电连接，只能作为一个类似于引向器的悬浮金属，该悬浮金属对旁边的单极子天线基本无效率上的影响，但会对单极子天线的谐振频率产生影响，使单极子天线的谐振频率偏低。由于单极子天线的电长度为所需谐振频率对应的波长的四分之一，若单极子谐振频率偏低，需要提高单极子天线的谐振频率才能达到所需的谐振频率，这就要降低单极子天线的电长度，因此其实际物理尺寸也可以相应的缩短，故该耦合枝节300的引入可以很好的起到天线小型化的作用，减小天线尺寸。
当控制电子开关导通时，所述天线以单极子天线加寄生的工作模式对应的频带工作；此时，由直连枝节200实现的单极子天线的工作模式，由于耦合枝节300也进行了电连接，其起到对单极子天线的耦合馈电作用。
因此，本实施例实际上针对的是只有一个电子开关100，对应一个耦合枝节300与终端设备电路板的接地点连接的情况。
本发明第二实施例，一种频率可重构的内置天线，位于终端设备中，本实施例的所述天线与第一实施例的天线结构大致相同，区别仅在于，在耦合枝节300上不只具有一个与终端设备电路板的接地点相连的结点，而是多个。
具体的，如图2所示，在本实施例中，由电子开关100将所述耦合枝节300与终端设备电路板的接地点连接起来，通过控制电子开关100的导通与断开以使所述天线在不同频带下工作，包括：
将耦合枝节300的不同部位点分别通过电子开关100连接到终端设备电路板的接地点处，通过控制各电子开关100形成不同的导通与断开组合，以使所述天线在不同频带下工作。
由于耦合枝节300与直连枝节200作为天线图案，是多种多样的，且本实施例对耦合枝节300与直连枝节200的相对位置关系也不做限定，只要满足以下条件即可：当控制所有电子开关100断开时，所述天线能够基于直连枝节200以单极子天线的工作模式对应的频带工作，所述耦合枝节作为悬浮金属对所述直连枝节的谐振频率产生影响；当控制各电子开关100形成不同的导通与断开组合，此时至少有一个电子开关100导通，所述天线能够基于直连枝节200和耦合枝节300以单极子天线加寄生的工作模式对应的频带工作。其实，所有电子开关100断开也是不同的导通与断开组合情况之一，此时天线的工作频率也必然不同于其他的导通与断开组合所对应的工作频率。
本发明第三实施例，一种频率可重构的内置天线，位于终端设备中，本实施例的所述天线与第一实施例的天线结构大致相同，区别仅在于，不只具有一个耦合枝节300与终端设备电路板400的接地点相连，而是多个耦合枝节。
具体的，如图3所示，在本实施例中，当耦合枝节300为两个以上时，由电子开关100将耦合枝节300与终端设备电路板400的接地点连接起来，通过控制电子开关100的导通与断开以使所述天线在不同频带下工作，包括：
每个耦合枝节300也通过对应的电子开关100与终端设备电路板400的接地点连接起来，通过控制各电子开关100形成不同的导通与断开组合，以使所述天线在不同频带下工作。
由于直连枝节200与所有耦合枝节300作为天线图案，是多种多样的，且本实施例对耦合枝节300与各直连枝节200的相对位置关系也不做限定，只要满足以下条件即可：当控制所有电子开关100断开时，所述天线能够基于直连枝节200以单极子天线的工作模式对应的频带工作，所述耦合枝节作为悬浮金属对所述直连枝节的谐振频率产生影响；当控制各电子开关100形成不同的导通与断开组合，所述天线能够基于直连枝节200和所有耦合枝节300以单极子天线加寄生的工作模式对应的频带工作。其实，所有电子开关100断开也是不同的导通与断开组合情况之一，此时天线的工作频率也必然不同于其他的导通与断开组合所对应的工作频率。
本发明第四实施例，一种终端设备，包括上述第一实施例、第二实施例、或者第三实施例的频率可重构的内置天线。
由于该频率可重构的内置天线尺寸的减小，有利于终端设备支持短波频段的工作，进一步扩展终端设备的应用场景。
本发明第五实施例，本实施例是在上述实施例的基础上，以移动终端内置天线为例，结合附图4～5介绍一个本发明的应用实例。
本应用实例介绍一种移动终端内置的频率可重构天线，通过连接在该天线和移动终端电路板的短路点即接地点之间的连接开关(即前述实施例的电子开关)调节天线的工作频段，在实现多频工作的情况下由于只用同一天线即不改变天线的物理尺寸，因此节省了天线空间。当连接在天线和短路点之间的连接开关断开时，该天线工作在直接馈电的单极子天线模式下，会产生一个谐振频率；当上述连接开关闭合时，该天线工作在耦合馈电的寄生模式下，产生与前述不同的谐振频率，从而实现了一个天线工作在多个不同频率下即天线频率可重构。
图4、图5分别为本应用实例的频率可重构天线的三维结构示意图和天线图案的放大图，可以看到该天线由以下几部分构成：第一连接开关11，负责连接电路板馈电点和天线图案中的直连枝节，且一直保持导通；第二连接开关12，负责连接电路板短路点和天线图案中的耦合枝节，也就是主要控制的开关；天线图案中的直连枝节13，直连枝节是因为其直接和馈电点相连因此得名；天线图案中的耦合枝节14，这是由于该枝节和馈电点无直接导通，仅通过耦合馈电或者寄生的方式进行辐射；电路板15，相当于整机中的PCB(PrintedCircuitBoard，印制电路板)；天线支架16，用于固定天线，比如：可以将移动终端的外壳作为天线支架。本应用实例中也可以不设天线支架，而将该天线的天线图案直接布设在移动终端的电路板上。
1、天线工作在模式一时：
连接开关11负责连通电路板上的馈电点，所以处于始终闭合的状态。当第二连接开关12断开时，从图5可以看到，该天线结构相当于一个正常的单极子天线，旁边增加一个类似引向器的悬浮金属，经过仿真分析和实际实验发现，该悬浮金属对旁边的单极子形式的天线基本无效率上的影响，但会使得该单极子天线的谐振频率偏低，即该虚浮金属可以很好的起到天线小型化的作用，减小天线尺寸。根据天线理论得知，单极子天线的谐振频率为其电长度的四分之一波长对应的频率，这也是单极子天线广泛应用在终端领域的重要原因，且易于调试；其附近的悬空金属片可以起到天线小型化的目的，因此其实际物理尺寸会比电长度偏短。所述天线工作频率在1575MHz附近，可以作为GPS天线使用。
2、天线工作在模式二时：
当第二连接开关12从断开变为闭合时，其天线图案相当于单极子加寄生的方式，从天线理论可知，耦合馈电是设备常用的提升效率及带宽的方式之一，因此在该耦合馈电下，天线图案中的耦合枝节14可以向外进行辐射，从而在另一不同频率处产生谐振。该天线此时工作频率在2.4GHz附近，可作为WIFI或BT天线使用。
在本应用实例的天线中，直连枝节13的尺寸长为35mm，宽为1.5mm，耦合枝节14的尺寸长为28mm，宽为1.5mm；天线支架高为6mm，天线尺寸已将天线支架的高度算上。电路板尺寸为长100mm，宽50mm。
在实验室利用无源治具进行实验，在模式一和模式二两种状态下，天线效率在所需频带内均在40％以上，可正常使用。
以上所述仅为该实验的具体较佳实例，凡依本专利所述权利要求范围内所做的均等变化皆属本专利权利要求覆盖范围。
本发明实施例的终端设备及其频率可重构的内置天线，采用同一物理尺寸的天线即不改变天线的物理尺寸，通过控制电子开关的通断来控制是否对天线的耦合枝节进行电连接，从而使得整个天线谐振在不同频率处，可以满足多种不同频率之间切换的要求。这种方式对天线频率重构的效果明显，且结构简单，极大的节省了天线的布局空间。
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (10)

1.一种频率可重构的内置天线，其特征在于，位于终端设备中，所述天线包括：电子开关、以及互不接触的直连枝节和耦合枝节；
所述直连枝节与终端设备电路板的天线馈电点相连；
由电子开关将所述耦合枝节与终端设备电路板的接地点连接起来，通过控制电子开关的导通与断开以使所述天线在不同频带下工作。
2.根据权利要求1所述的频率可重构的内置天线，其特征在于，所述天线，还包括：天线支架；
所述直连枝节和耦合枝节布设于所述天线支架上。
3.根据权利要求1所述的频率可重构的内置天线，其特征在于，所述通过控制电子开关的导通与断开以使所述天线在不同频带下工作，包括：
当控制电子开关断开时，所述天线以单极子天线的工作模式对应的频带工作；当控制电子开关导通时，所述天线以单极子天线加寄生的工作模式对应的频带工作。
4.根据权利要求3所述的频率可重构的内置天线，其特征在于，所述天线以单极子天线的工作模式对应的频带工作，包括：
所述直连枝节以单极子天线方式工作，所述耦合枝节作为悬浮金属对所述直连枝节的谐振频率产生影响。
5.根据权利要求1所述的频率可重构的内置天线，其特征在于，所述由电子开关将所述耦合枝节与终端设备电路板的接地点连接起来，通过控制电子开关的导通与断开以使所述天线在不同频带下工作，包括：
将所述耦合枝节的不同部位点分别通过电子开关连接到终端设备电路板的接地点处，通过控制各电子开关形成不同的导通与断开组合，以使所述天线在不同频带下工作。
6.根据权利要求1所述的频率可重构的内置天线，其特征在于，当所述耦合枝节为两个以上时，所述由电子开关将所述耦合枝节与终端设备电路板的接地点连接起来，通过控制电子开关的导通与断开以使所述天线在不同频带下工作，包括：
每个耦合枝节通过对应的电子开关与终端设备电路板的接地点连接起来，通过控制各电子开关形成不同的导通与断开组合，以使所述天线在不同频带下工作。
7.根据权利要求1所述的频率可重构的内置天线，其特征在于，所述直连枝节和耦合枝节采用柔性电路板材料、激光直接成型LDS材料或者钢片制成。
8.根据权利要求1所述的频率可重构的内置天线，其特征在于，所述直连枝节和耦合枝节为平面结构或者立体结构。
9.根据权利要求2所述的频率可重构的内置天线，其特征在于，所述天线支架的介电常数范围为4.3～4.5。
10.一种终端设备，其特征在于，包括：权利要求1～9中任一项所述的频率可重构的内置天线。
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