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CN109728405B - 天线结构及高频无线通信终端 - Google Patents

天线结构及高频无线通信终端 Download PDF

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CN109728405B CN201811627261.0A CN201811627261A CN109728405B CN 109728405 B CN109728405 B CN 109728405B CN 201811627261 A CN201811627261 A CN 201811627261A CN 109728405 B CN109728405 B CN 109728405B
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Abstract

本发明提供了一种天线结构及高频无线通信终端，包括金属板，金属板上开设有第一容置槽；天线单元，天线单元包括辐射片和耦合片；射频模块，射频模块设在金属板的第一侧，射频模块与辐射片电连接；其中，辐射片和耦合片中的至少一个置于第一容置槽内，辐射片与金属板绝缘设置，耦合片与金属板绝缘设置，辐射片与耦合片相对设置且二者之间绝缘，辐射片位于耦合片与射频模块之间，辐射片用于产生第一预设频段的谐振，耦合片用于拓展第一预设频段谐振的带宽。因此，本发明的方案，解决了现有技术中的天线占据终端上过多空间的问题。

Description

天线结构及高频无线通信终端
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种天线结构及高频无线通信终端。
背景技术
随着第五代移动通信(5G)世代的来临与即将发展，对于资料传输速率越来越快的无线通信需求，毫米波的技术与应用将扮演着关键性的角色，故毫米波的天线与设计逐渐地被引入移动终端上，如手机、平板，甚至是笔记本电脑。毫米波天线设计与性能因而成为相关天线工程师与电磁研究者的热点课题。
而现有技术中，目前主流的毫米波天线方案往往是一独立封装天线(Antenna inPackage，AiP)的形态，其与既存的天线，如蜂窝(cellular)天线，与非蜂窝(non-cellular)天线，常为分立设置，故会变相挤压既有天线的可得空间，而造成天线性能劣化，且易造成系统整体的体积尺寸的增加，而使产品整体竞争力下降。
发明内容
本发明的实施例提供了一种天线结构及高频无线通信终端，以解决现有技术中的天线占据终端上过多空间的问题。
本发明的实施例提供了一种天线结构，包括：
金属板，所述金属板上开设有第一容置槽；
天线单元，所述天线单元包括辐射片和耦合片；
射频模块，所述射频模块设在所述金属板的第一侧，所述射频模块与所述辐射片电连接；
其中，所述辐射片和所述耦合片中的至少一个置于所述第一容置槽内，所述辐射片与所述金属板绝缘设置，所述耦合片与所述金属板绝缘设置，所述辐射片与所述耦合片相对设置且二者之间绝缘，所述辐射片位于所述耦合片与所述射频模块之间，所述辐射片用于产生第一预设频段的谐振，所述耦合片用于拓展第一预设频段谐振的带宽。
本发明实施例的有益效果是：
本发明的实施例，在金属壳体上开设容置槽，并将天线单元的辐射片、和耦合片中的至少一个置于该容置槽内，将与辐射片电连接的射频模块设于金属壳体的一侧，从而达到将天线单元集成到金属壳体上的目的，进而减小了天线在终端上所占据的空间。
附图说明
图1表示本发明实施例中耦合片位于第一容置槽中的示意图之一；
图2表示本发明实施例中耦合片位于第一容置槽中的示意图之二；
图3表示在图2所示的第一容置槽中填充绝缘介质后的示意图；
图4表示本发明实施例中辐射片设置于射频模块上时的示意图；
图5表示图4中A虚线框所圈位置的局部放大图；
图6表示本发明实施例中射频模块的结构示意图；
图7表示发明实施例第一容置槽作为长槽在金属板上的设置示意图；
图8表示本发明实施例中射频模块装配到图7中所示的第一容置槽内的效果示意图；
图9表示本发明实施例中馈电顶针与辐射片的连接示意图；
图10表示本发明实施例的天线单元在终端壳体上的设置位置示意图之一；
图11表示本发明实施例的天线单元在终端壳体上的设置位置示意图之二。
图12表示本发明实施例中第一位置和第二位置在辐射片上的分布位置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施例提供了一种天线结构，如图1～9所示，该天线结构包括：
金属壳体1，金属壳体1上开设有第一容置槽101；优选地，该第一容置槽101的深度等于金属壳体1的厚度，即第一容置槽101为穿通金属壳体1的槽；
天线单元，天线单元包括辐射片201和耦合片202；
射频模块，射频模块设在金属壳体1的第一侧，射频模块与辐射片201电连接；其中，第一侧为第一容置槽的开口侧，当金属板1的第一侧朝向终端内侧时，射频模块则设置在终端的内部；
其中，辐射片201和耦合片202中的至少一个置于第一容置槽101内，辐射片201与金属壳体1绝缘设置，耦合片202与金属壳体1绝缘设置，耦合片202与金属板1绝缘设置，辐射片201与耦合片201相对设置且二者之间绝缘，辐射片201位于耦合片202和和射频模块之间，辐射片201用于产生第一预设频段的谐振，耦合片202用于拓展第一预设频段谐振的带宽。亦即，耦合片用于增加辐射片的工作带宽。
根据本发明实施例的天线结构，通过在金属板1上开设容置槽，并将天线单元的辐射片201和耦合片202中的至少一个置于该容置槽内，将与辐射片201电连接的射频模块设于金属板1的一侧，从而达到将天线单元集成到金属板1上的目的，进而减小了天线在终端上所占据的空间。此外，本发明可增加天线的无线分集连接能力，减少通信断线的机率，提升通信效果和用户体验；另一方面可有助MIMO功能，以提升数据的传输速率，故可提升用户的无线体验与产品竞争力。
可选地，第一容置槽101为多个，多个第一容置槽101间隔设置，天线单元为与多个第一容置槽101对应的多个，每一个天线单元的辐射片201和耦合片202中的至少一个置于对应于天线单元的第一容置槽101内。
其中，由多个天线单元组成阵列天线，从而使得本发明实施例的天线结构可以工作在宽频带，具有更好的无线频段覆盖能力与用户无线体验。
可选地，辐射片201的面积大于或等于耦合片202的面积。
另外，对于多个天线单元的辐射片201和耦合片202集成在金属板1上的方式，具体如下：
方式一：耦合片202固定在金属板1上开设的第一容置槽101内，辐射片201固定在射频模块上。
可选地，如图1所示，第一容置槽101内设有第一绝缘介质层，耦合片202设置于第一绝缘介质层内。
具体地，在第一容置槽101中未填入绝缘介质之前，如图2所示。其中，耦合片202的厚度小于金属板1的厚度，相邻第一容置槽101之间的金属板1的部分形成金属间隔结构，优选地，金属间隔结构的厚度小于金属板1的厚度，且大于耦合片202的厚度。而在图2的基础上，在第一容置槽101中填入绝缘介质之后，则如图3所示。其中，在第一容置槽101中填充的第一绝缘介质层可与金属板1外侧的表面(远离射频模块的一侧的一面)齐平，且与第一容置槽101之间的金属板形成的金属间隔结构齐平。
可选地，如图4和图5所示，射频模块上设置有第二绝缘介质层308，辐射片201设置在第二绝缘介质层308上，且辐射片201间隔设置。
可选地，如图4所示，本发明实施例的高频无线通信终端还包括：金属件303，金属件303设在第二绝缘介质层308上，且金属件303位于相邻的两个辐射片201之间，金属件303接地，金属件303与金属板1接触。以减小相邻的天线单元之间的耦合，提升天线单元之间的隔离度。
具体地，在第二绝缘介质层308上间隔设置的金属件303与金属板1接触，从而使得金属件303与金属板1电连接，进而在金属件303接地时，使得金属板1也接地，从而使得相邻第一容置槽101之间的金属板1可以形成间隔地，以减小相邻的天线单元之间的耦合，提升天线单元之间的隔离度。
可选地，金属件303的表面设置有顶针，顶针与金属板1接触；或者相邻第一容置槽101之间的金属板1的表面设置有凸包，凸包与金属件303接触，从而使得金属件303与金属板1之间可以更好地电连接。
方式二：
可选地，天线单元为多个，射频模块上设置有第二绝缘介质层308，耦合片202设置在第二绝缘介质层308内，且耦合片202间隔设置，辐射片201设置在第二绝缘介质层308内，且辐射片201间隔设置，射频模块安装在第一容置槽101内。其中，射频模块的厚度可以与第一容置槽101的深度相等，使得射频模块的表面可以与金属板1的内表面齐平。
其中，当辐射片201和耦合片202均固定在射频模块上的第二绝缘介质层308内时，金属板11上的第一容置槽101为一较大的长槽(如图7所示)，可以容纳整个射频模块。另外，射频模块安装到图7中所示的第一容置槽101内的效果如图8所示。
可选地，本发明实施例的终端还包括：金属件303，金属件303设在第二绝缘介质层308上，且金属件303位于相邻的两个辐射片201之间，金属件303接地，金属件303与金属板1接触。
其中，金属件303将多个辐射片201彼此隔开，在第二绝缘介质层308上间隔设置的金属件303与金属板1接触，从而使得金属件303与金属板1电连接，进而在金属件303接地时，使得金属板1也接地，从而使得相邻第一容置槽101之间的金属板1可以形成间隔地，进而可以减小相邻天线单元之间的耦合，提升天线单元之间的隔离度。
可选地，金属件303的表面设置有顶针，顶针与金属板1接触；或者相邻第一容置槽101之间的金属板1的表面设置有凸包，凸包与金属件303接触，从而使得金属件303与金属板1之间可以更好地电连接。
方式三：辐射片201和耦合片202均固定在金属板1上开设的第一容置槽101内。
可选地，第一容置槽101内设有第一绝缘介质层，辐射片201设置于第一绝缘介质层内。其中，在第一容置槽101中填充的第一绝缘介质层可与金属板1外侧表面(即未放置射频模块的表面)齐平。
可选地，一个耦合片202设置于一个第一容置槽101内的第一绝缘介质中，且属于同一个天线单元的耦合片202与辐射片201位于同一个第一容置槽101内。即属于同一个天线单元的辐射片201与耦合片202设置在一个第一容置槽101中的第一绝缘介质层内。
另外，当辐射片201和耦合片202采用此种方式集成在金属板1上时，可设置辐射片201和耦合片202为金属板1的一部分，即在金属板1上的一定区域内进行铺层设计，使得该区域内的金属板1可以形成多个天线单元，从而使得部分金属板1作为天线的辐射片201。
其中，该金属板1具体可为终端的金属外壳上的一部分，从而可以使得天线单元的设置不影响终端的金属质感，即较好地兼容在高金属覆盖比例的产品内。
可选地，如图6所示，射频模块包括射频集成电路310和电源管理集成电路路311，射频集成电路310分别与辐射片201和电源管理集成电路311电连接。其中，射频模块上还可设置BTB连接器309，用于射频模块与终端主板间的中频信号连接。其中，本发明的实施例中包括多个天线单元时，射频集成电路310与每一个天线单元的辐射片201电连接，从而使得辐射片201接收到的信号经由与每一个辐射片201相连的传输线，最后汇聚到射频集成电路310内。
进一步地，如图5所示，射频模块还包括第一地层304、第二地层305、第三绝缘介质层306，第三绝缘介质层位于第一地层304和第二地层305之间；射频集成电路310和电源管理集成电路路311位于第二地层305上，射频集成电路310通过第一走线与电源管理集成电路路311电连接，射频集成电路310通过第二走线与辐射片201电连接，第一走线和第二走线位于第三绝缘介质层内。其中，将射频集成电路310置于射频模块的地层上，可最大降低天线信号在通路上的损耗。另外，第一地层304和第二地层305可以通过过孔或通孔电连接。
其中，需要注意的是，将上述射频模块设置于金属板1的一侧后，射频模块的第一地层304与金属板1的内侧面(放置射频模块的这一面)连接，这样可以形成天线单元的反射器，以提升天线的增益，同时可以使得天线单元对金属板1后的系统内的环境较不敏感，从而使得终端可以集成更多的器件，实现更多的功能，从而提升产品的竞争力。
可选地，如图9所示，射频模块上设置有馈电顶针307，馈电顶针307与辐射片201电连接。其中，需要注意的是，馈电顶针307可以与金属板1一体化集成设计，也可以与射频模块一体化集成设计，也可作为独立的分立器件用于馈源信号的馈入。
具体地，当辐射片201和耦合片202采用上述方式一或方式三集成在金属板1上时，需要在耦合片202与辐射片201之间的绝缘介质上开设过孔103，使得馈电顶针307可以穿过馈电孔103后，与辐射片201电连接，其中，馈电孔的直径大于馈电顶针307的直径。
另外，当辐射片201和耦合片202采用上述方式二时，则不需要设置馈电顶针307与辐射片201电连接，直接在射频模块的绝缘层内布置走线，其中，必要时可以开设过孔，从而实现射频模块与辐射片201的电连接。
此外，馈电顶针307可设置于第一地层304上。具体地，馈电顶针307位于第三绝缘介质层306内，并通过第三绝缘介质层306内的走线，与位于第二地层305上的射频集成电路311电连接，且第一地层304上设置有第一过孔，第一过孔的直径大于馈电顶针307的直径，即馈电顶针307位于第一过孔内，但不与第一地层304相接触。
可选地，辐射片201和耦合片202呈正方形，第一容置槽101与辐射片201和耦合片202适配。由此，可以利于将辐射片201和耦合片202安装在第一容置槽101内。其中，可以理解的是，辐射片201与耦合片并不局限于为正方形，还可设置为其他形状，如圆形，正三角形，正五边形，正六边形等。
可选地，辐射片201和耦合片202平行设置，且辐射片201的对称中心和耦合片的对称中心所在的直线垂直于辐射片201，从而使得由该辐射片201和耦合片202构成的天线单元为对称结构，从而使得由该天线单元组成的阵列天线可工作在宽频带，以有更好的无线频段覆盖能力与用户无线体验，且在波束扫描时在空间的对称或映射方向上性能可保持相同或接近。
更进一步地，如图12所示，辐射片201与射频模块电连接的位置包括第一位置801和第二位置802，第一位置801位于正方形的第一对称轴701上且邻近正方形的边沿(即第一位置到正方形的四边中的最短距离小于预设值)，第二位置802位于正方形的第二对称轴702上且邻近正方形的边沿(即第二位置到正方形的四边中的最短距离小于预设值)。其中，第一对称轴701和第二对称轴702为正方形相对的两边相对折叠形成的对称轴。即本发明实施例中的天线单元采用正交馈电的方式，一方面可增加天线的无线分集连接能力，减少通信断线的机率，提升通信效果和用户体验；另一方面可有助MIMO功能，以提升数据的传输速率。
可选地，射频模块为毫米波射频模块。
其中，本发明实施例中的金属板1还可作为终端上现有天线的辐射体的一部分，例如为现有的2G/3G/4G/sub 6G通信天线的辐射体的一部分，则本发明实施例中可将毫米波天线融入到现有的2G/3G/4G/sub 6G通信天线中，即让毫米天线兼容在金属框或金属壳作为天线的非毫米波天线内，而不影响2G/3G/4G/sub 6G通信天线的通信质量。
本发明的实施例还提供了一种高频无线通信终端，包括上述所述的天线结构。
其中可选地，高频无线通信终端具有壳体，至少部分壳体为金属背盖或金属边框，金属板1为金属背盖或金属边框的一部分。即金属板1具体可为终端的金属外壳上的一部分，从而可以使得天线单元的设置不影响终端的金属质感，即较好地兼容在高金属覆盖比例的产品内。
此外，天线单元在金属板1上的具体分布情况可如图10和11所示。
例如图11所示，终端的壳体包括第一边框601、第二边框602、第三边框603、第四边框604和金属背盖605，第一至第四边框包围一系统地9，该系统地9可以由PCB板，和/或金属背盖，和/或屏上的铁框等组成。其中，天线单元4可以集成在图11中虚线所圈定的金属边框上；或者，如图10所示，上述的天线单元4可以设置在终端的金属背盖605上，从而可以提升天线信号的空间覆盖，并且减小天线被遮挡造成性能劣化的风险，以增强通信效果。
以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种天线结构，其特征在于，包括：
金属板，所述金属板上开设有第一容置槽，所述金属板为终端壳体的金属边框的一部分；
天线单元，所述天线单元包括辐射片和耦合片，所述辐射片和耦合片平行设置；
射频模块，所述射频模块设在所述金属板的第一侧，所述射频模块与所述辐射片电连接；
其中，所述辐射片和所述耦合片中的至少一个置于所述第一容置槽内，所述辐射片与所述金属板绝缘设置，所述耦合片与所述金属板绝缘设置，所述辐射片与所述耦合片相对设置且二者之间绝缘，所述辐射片位于所述耦合片与所述射频模块之间，所述辐射片用于产生第一预设频段的谐振，所述耦合片用于拓展第一预设频段谐振的带宽；
所述天线单元为多个；
所述射频模块上设置有第二绝缘介质层；
所述天线结构还包括：金属件，所述金属件设在所述第二绝缘介质层上，且所述金属件位于相邻的两个所述辐射片之间，所述金属件接地，所述金属件与所述金属板接触；
所述辐射片平行于所述射频模块；
所述第一容置槽的深度等于所述金属板的厚度；所述第一容置槽为多个，多个所述第一容置槽间隔设置，相邻第一容置槽之间的金属板的部分形成金属间隔结构，所述金属间隔结构的厚度小于金属板的厚度，且大于耦合片的厚度；
所述第一容置槽内设有第一绝缘介质层，所述耦合片设置于所述第一绝缘介质层内；所述第一绝缘介质层与所述金属板远离射频模块的外侧的表面齐平，且与第一容置槽之间的金属板形成的金属间隔结构齐平。
2.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述天线单元为与多个所述第一容置槽对应的多个，每一个所述天线单元的所述辐射片和所述耦合片中的至少一个置于对应于所述天线单元的所述第一容置槽内。
3.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述辐射片设置在所述第二绝缘介质层上，且所述辐射片间隔设置。
4.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述辐射片设置在所述第二绝缘介质层内，且所述辐射片间隔设置，所述射频模块安装在所述第一容置槽内。
5.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，一个所述耦合片设置于一个所述第一容置槽内的所述第一绝缘介质中，且属于同一个所述天线单元的所述耦合片与所述辐射片位于同一个所述第一容置槽内。
6.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，
所述金属件的表面设置有顶针，所述顶针与所述金属板接触；或者
所述第一容置槽之间的金属板的表面设置有凸包，所述凸包与所述金属件接触。
7.根据权利要求5所述的天线结构，其特征在于，所述射频模块上设置有馈电顶针，所述馈电顶针与所述辐射片电连接。
8.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述辐射片和所述耦合片呈正方形，所述第一容置槽与所述辐射片和所述耦合片适配。
9.根据权利要求8所述的天线结构，其特征在于，所述辐射片的对称中心和所述耦合片的对称中心所在的直线垂直于所述辐射片。
10.根据权利要求8所述的天线结构，其特征在于，所述辐射片与所述射频模块电连接的位置包括第一位置和第二位置，所述第一位置位于所述正方形的第一对称轴上且邻近所述正方形的边沿，所述第二位置位于所述正方形的第二对称轴上且邻近所述正方形的边沿，所述第一对称轴和所述第二对称轴为所述正方形相对的两边相对折叠形成的对称轴。
11.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述辐射片的面积大于或等于所述耦合片的面积。
12.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述射频模块包括射频集成电路和电源管理集成电路，所述射频集成电路分别与所述辐射片和所述电源管理集成电路电连接。
13.根据权利要求12所述的天线结构，其特征在于，所述射频模块还包括第一地层、第二地层、第三绝缘介质层，所述第三绝缘介质层位于所述第一地层和所述第二地层之间；
所述射频集成电路和所述电源管理集成电路位于所述第二地层上，
所述射频集成电路通过第一走线与所述电源管理集成电路电连接，所述射频集成电路通过第二走线与所述辐射片电连接，所述第一走线和所述第二走线位于所述第三绝缘介质层内。
14.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述射频模块为毫米波射频模块。
15.一种高频无线通信终端，其特征在于，包括如权利要求1至14任一项所述的天线结构。
16.根据权利要求15所述的高频无线通信终端，其特征在于，所述高频无线通信终端具有壳体，至少部分所述壳体为金属背盖或金属边框，所述金属板为所述金属背盖或金属边框的一部分。
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