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CN109818141B - 天线结构及具有该天线结构的无线通信装置 - Google Patents

天线结构及具有该天线结构的无线通信装置 Download PDF

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CN109818141B CN201711175305.6A CN201711175305A CN109818141B CN 109818141 B CN109818141 B CN 109818141B CN 201711175305 A CN201711175305 A CN 201711175305A CN 109818141 B CN109818141 B CN 109818141B
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Shenzhen Futaihong Precision Industry Co Ltd
Chiun Mai Communication Systems Inc
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Abstract

本发明提供一种天线结构，包括辐射部以及耦合部，所述辐射部电连接至一馈入点，以馈入电流信号。所述耦合部电连接至一接地点，以接地。所述耦合部与所述辐射部间隔耦合设置，所述辐射部用以激发第一模态以产生第一频段的辐射信号，同时流过所述辐射部的电流信号还耦合至所述耦合部，进而使得所述耦合部分别激发第二模态及第三模态以产生第二频段及第三频段的辐射信号，所述第一频段的频率高于第二频段的频率，所述第三频段的频率高于所述第一频段的频率。上述天线结构的结构简单，且可完整涵盖目前常用的通信系统所需要的系统频宽。本发明还提供一种具有该天线结构的无线通信装置。

Description

天线结构及具有该天线结构的无线通信装置
技术领域
本发明涉及一种天线结构及具有该天线结构的无线通信装置。
背景技术
随着4G时代的来临，移动通信网络的传输速度变的更快速，但是也面临无线通信装置所需要支持的频段要增加的更多，对于天线频宽的要求也越来越高，通常需要涵盖2G/3G/4G频段(700-960MHz及1710-2690MHz)。另外，目前无线通信装置的尺寸大多走向屏幕最大化，尺寸轻薄化。如此，天线周围的金属元件容易造成对天线的屏蔽效应，导致天线传输效能降低。因此，如何在有限的空间内达到宽频天线设计并维持天线传输效能，是天线设计面临的一项重要课题。
发明内容
针对上述问题，有必要提供一种天线结构及具有该天线结构的无线通信装置。
一种天线结构，包括：
辐射部，所述辐射部电连接至一馈入点，以馈入电流信号；以及
耦合部，所述耦合部电连接至一接地点，以接地；
其中，所述耦合部与所述辐射部间隔耦合设置，所述辐射部用以激发第一模态以产生第一频段的辐射信号，同时流过所述辐射部的电流信号还耦合至所述耦合部，进而使得所述耦合部分别激发第二模态及第三模态以产生第二频段及第三频段的辐射信号，所述第一频段的频率高于第二频段的频率，所述第三频段的频率高于所述第一频段的频率。
一种无线通信装置，包括上述所述的天线结构。
上述天线结构及具有该天线结构的无线通信装置结构简单，且可完整涵盖目前常用的通信系统所需要的系统频宽。例如，所述天线结构的低频可以涵盖至700-960MHz，而所述天线结构的中高频可以涵盖至1710-2690MHz，频率范围较广，且符合天线设计需求。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的天线结构应用至无线通信装置的示意图。
图2为图1所示天线结构的示意图。
图3为图1所示天线结构中匹配电路的电路图。
图4为图1所示天线结构中切换电路的电路图。
图5为图1所示天线结构的散射参数曲线图。
图6为图1所示天线结构的总辐射效率曲线图。
图7为当图2中所示第一间距为不同值时所述天线结构的S参数(散射参数)曲线图。
图8为当图2中所示第一间距为不同值时所述天线结构的总辐射效率曲线图。
图9为当图2中所示第二间距为不同值时所述天线结构的S参数(散射参数)曲线图。
图10为当图2中所示第二间距为不同值时所述天线结构的总辐射效率曲线图。
主要元件符号说明
天线结构 100
辐射部 11
馈入段 111
第一辐射段 113
第二辐射段 115
耦合部 13
接地段 131
第一耦合段 132
第二耦合段 133
第三耦合段 134
第四耦合段 135
第五耦合段 136
第六耦合段 137
第七耦合段 138
第一间距 D1
第二间距 D2
匹配电路 15
第一匹配元件 151
第二匹配元件 153
切换电路 17
切换单元 171
切换元件 173
无线通信装置 200
基板 21
馈入点 211
接地点 213
第一电子元件 23
第二电子元件 25
第三电子元件 26
第四电子元件 27
第五电子元件 28
容置区域 29
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
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，所描述的实施例仅仅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做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。
需要说明的是，当一个元件被称为“电连接”另一个元件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“电连接”另一个元件，它可以是接触连接，例如，可以是导线连接的方式，也可以是非接触式连接，例如，可以是非接触式耦合的方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1，本发明较佳实施方式提供一种天线结构100，其可设置于移动电话、个人数字助理(personal digital assistant，PDA)等无线通信装置200中，用以发射、接收无线电波以传递、交换无线信号。
所述无线通信装置200还包括基板21及至少一电子元件。所述基板21为印刷电路板(printed circuit board,PCB)，其可采用环氧树脂玻璃纤维(FR4)等介电材质制成。所述基板21上设置有馈入点211及接地点213，用以分别为所述天线结构100馈入电流信号及提供接地。
在本实施例中，所述无线通信装置200至少包括五个电子元件，即第一电子元件23、第二电子元件25、第三电子元件26、第四电子元件27以及第五电子元件28。所述第一电子元件23为一扬声器，所述第二电子元件25为一通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)接口模块，所述第三电子元件26为一麦克风。所述第一电子元件23、所述第二电子元件25以及所述第三电子元件26间隔设置于所述基板21的一端，且所述第三电子元件26位于所述第一电子元件23与所述第二电子元件25之间。所述第四电子元件27为一电池，其设置于所述基板21的一侧，且邻近所述第一电子元件23、所述第二电子元件25以及所述第三电子元件26设置。所述第五电子元件28为一震动器，其设置于所述基板21的另一侧，且与所述第四电子元件27相对设置。
在本实施例中，所述第一电子元件23、第二电子元件25、第三电子元件26、第四电子元件27以及第五电子元件28共同形成一容置区域29，用以收容所述天线结构100。在本实施中，所述容置区域29设置于所述无线通信装置200的左下角。所述馈入点211及接地点213间隔设置于所述容置区域29内。
请一并参阅图2，该天线结构100可由金属片材或柔性印刷线路板(flexibleprinted circuit，FPC)制成。该天线结构100包括辐射部11及耦合部13。所述辐射部11与所述馈入点211电连接。所述耦合部13与所述接地点213电连接，且与所述辐射部11间隔耦合设置，进而与所述辐射部11形成耦合馈入结构。
在本实施例中，所述辐射部11包括馈入段111、第一辐射段113及第二辐射段115。所述馈入段111设置于一第一平面。所述馈入段111大致呈矩形条状，其一端电连接至所述馈入点211，并沿远离所述第五电子元件28且朝向所述基板21的端部的方向延伸。所述第一辐射段113大致呈矩形条状，其与所述馈入段111共面设置。所述第一辐射段113的一端连接至所述馈入段111远离所述馈入点211的一端，并沿垂直所述馈入段111且靠近所述第一电子元件23的方向延伸，进而与所述馈入段111构成大致呈L型的结构。所述第二辐射段115整体布设于与所述馈入段111所在平面垂直的平面，即第二平面内。第二辐射段115大致呈矩形条状，其垂直连接至所述第一辐射段113远离所述馈入段111的一侧。
所述耦合部13包括接地段131、第一耦合段132、第二耦合段133、第三耦合段134、第四耦合段135、第五耦合段136、第六耦合段137以及第七耦合段138。所述接地段131大致呈直条状，其与所述馈入段111共面设置，即设置于所述第一平面内。所述接地段131的一端电连接至所述接地点213，并沿平行所述馈入段111且朝向所述基板21的端部的方向延伸。所述第一耦合段132为一曲折状片体，其与所述接地段131共面设置。在本实施例中，所述第一耦合段132呈方波状，其两端分别连接至所述接地段131与所述第二耦合段133。当然，可以理解的是，在其他实施例中，所述第一耦合段132不局限于上述所述的方波状，其还可为其他曲折状。在本实施例中，所述第一耦合段132与所述第一辐射段113间隔设置，进而于两者之间形成第一间距D1。
所述第二耦合段133大致呈直条状，其与所述第一耦合段132共面设置。所述第二耦合段133的一端连接至所述第一耦合段132远离所述接地段131的端部，并继续沿平行所述馈入段111且朝向所述基板21的端部的方向延伸，直至与所述第一辐射段113的一侧平齐。
所述第三耦合段134、第四耦合段135、第五耦合段136以及第六耦合段137均与所述第二辐射段115共面设置，即整体设置于所述第二平面内。所述第三耦合段134大致呈直条状，其一端垂直连接至所述第二耦合段133远离所述第一耦合段132的端部，并沿远离所述第二辐射段115的方向延伸。所述第四耦合段135大致呈直条状，其一端垂直连接至所述第三耦合段134远离所述第二耦合段133的一端，进而与所述第三耦合段134构成大致呈L型的结构。
所述第五耦合段136大致呈直条状，其一端垂直连接至所述第四耦合段135远离所述第三耦合段134的一端，并沿平行所述第三耦合段134且靠近所述第二辐射段115的方向延伸，直至越过所述第二辐射段115。在本实施例中，所述第五耦合段136与所述第二辐射段115间隔设置，进而于两者之间形成第二间距D2。
所述第六耦合段137大致呈直条状，其一端垂直连接至所述第五耦合段136远离所述第四耦合段135的端部，并沿平行所述第四耦合段135且靠近所述第二辐射段115的方向延伸。在本实施例中，所述第四耦合段135与所述第六耦合段137均设置于所述第五耦合段136靠近所述第二辐射段115的一侧，进而与所述第五耦合段136共同构成大致呈U型的结构。
所述第七耦合段138整体布设于与所述第一平面平行的平面，即第三平面内。所述第七耦合段138大致呈矩形条状，其一端垂直连接至所述第五耦合段136远离所述第四耦合段135与所述第六耦合段137的一侧，并沿靠近所述接地段131的方向延伸，且与所述第五耦合段136构成大致呈L型的结构。
当电流自所述馈入点211馈入后，电流将流经所述辐射部11，并分别通过所述第一间距D1及第二间距D2耦合至所述耦合部13，最后通过所述接地点213接地，以使得所述辐射部11与所述耦合部13构成耦合馈入天线，进而激发出相应的模态，使得所述天线结构100工作在相应的频段。具体的，在本实施例中，所述辐射部11主要用以激发一第一模态，以产生第一频段的辐射信号。所述耦合部13主要用以激发一第二模态，以产生第二频段的辐射信号。另外，所述耦合部13还用以产生所述第二模态的二倍倍频，进而激发一第三模态，以产生第三频段的辐射信号。
在本实施例中，所述第一模态为LTE-A中频模态，所述第二模态为LTE-A低频模态，所述第三模态为LTE-A高频模态。所述第一频段的频率高于第二频段的频率。所述第三频段的频率高于第一频段的频率。所述第一频段及第三频段为LTE-A中高频段，其频率范围为1710-2690MHz。所述第二频段为LTE-A低频段，其频率范围为700-960MHz。
请一并参阅图1及图3，所述天线结构100还包括匹配电路15。所述匹配电路15设置于所述基板21上，其一端电连接所述馈入点211，另一端电连接至所述辐射部11的馈入段111，用以优化所述天线结构100的阻抗匹配。
在本实施例中，所述匹配电路15包括第一匹配元件151及第二匹配元件153。所述第一匹配元件151的一端电连接至所述馈入点211，另一端电连接至所述辐射部11的馈入段111。所述第二匹配元件153的一端电连接至所述馈入点211与所述第一匹配元件151之间，另一端接地。在本实施例中，所述第一匹配元件151为一电感。所述第二匹配元件153为一电容。所述第一匹配元件151的电感值为1nH。所述第二匹配元件153的电容值为1pF。当然，在其他实施例中，所述第一匹配元件151及所述第二匹配元件153不局限于上述的电容及电感，其还可为其他的电感、电容或其组合。
请一并参阅图1及图4，所述天线结构100还包括切换电路17。所述切换电路17设置于所述基板21上，其一端电连接至所述耦合部13的接地段131，另一端电连接至所述接地点213，即接地，用以调整所述第二频段，即所述天线结构100的低频段。
在本实施例中，所述切换电路17包括切换单元171及多个切换元件173。所述切换单元171电连接至所述耦合部13的接地段131。每一个所述切换元件173可以为电感、电容、或者电感与电容的组合。所述切换元件173之间相互并联，且其一端电连接至所述切换单元171，另一端电连接至所述接地点213，即接地。如此，通过控制所述切换单元171的切换，可使得所述耦合部13切换至不同的切换元件173。由于每一个切换元件173具有不同的阻抗，因此通过所述切换单元171的切换，可有效调整所述天线结构100的低频频率，即第二频段。例如，在本实施例中，所述切换电路17包括四个切换元件173。该四个切换元件173为0欧姆电阻(即短路)及电感值分别为2.2nH、4.3nH、6.8nH的电感。其中，当所述切换单元171切换至0欧姆电阻时，所述天线结构100可工作于LTE-Aband8频段(880-960MHz)。当所述切换单元171切换至电感值为2.2nH的切换元件173时，所述天线结构100可工作于LTE-Aband5频段(824-894MHz)。当所述切换单元171切换至电感值为4.3nH的切换元件173时，所述天线结构100可工作于LTE-Aband20频段(791-862MHz)。当所述切换单元171切换至电感值为6.8nH的切换元件173时，所述天线结构100可工作于LTE-Aband17频段(704-746MHz)。即通过所述切换单元171的切换，可使得所述天线结构100的低频涵盖至700-960MHz。
请一并参阅图5，为本发明所述天线结构100的S参数(散射参数)曲线图。其中曲线S51为当所述切换单元171切换至0欧姆电阻时所述天线结构100的S11值。曲线S52为当所述切换单元171切换至电感值为2.2nH的切换元件173时，所述天线结构100的S11值。曲线S53为当所述切换单元171切换至电感值为4.3nH的切换元件173时，所述天线结构100的S11值。曲线S54为当所述切换单元171切换至电感值为6.8nH的切换元件173时，所述天线结构100的S11值。显然，通过所述切换单元171的切换，可有效调整所述天线结构100于低频段的频率。同时，在切换低频的不同频段时，可使得所述天线结构100的中频段不受影响。另外，由于所述第三频段为所述第二频段的二倍倍频。因此，所述切换电路17还可一并调整所述天线结构100的高频频率，即第三频段。
请一并参阅图6，为本发明所述天线结构100的总辐射效率曲线图。其中曲线S61为当所述切换单元171切换至0欧姆电阻时所述天线结构100的总辐射效率。曲线S62为当所述切换单元171切换至电感值为2.2nH的切换元件173时，所述天线结构100的总辐射效率。曲线S63为当所述切换单元171切换至电感值为4.3nH的切换元件173时，所述天线结构100的总辐射效率。曲线S64为当所述切换单元171切换至电感值为6.8nH的切换元件173时，所述天线结构100的总辐射效率。其中，所述天线结构100的低频可涵盖至700-960MHz，其天线总辐射效率为32％-42％。所述天线结构100的中高频可涵盖至1710-2690MHz，其天线总辐射效率为45％-63％。即所述天线结构100于有效频段内均具有良好的辐射特性，符合天线设计要求。
图7为当所述第一间距D1为不同值时所述天线结构100的S参数(散射参数)曲线图。其中曲线S71为当所述第一间距D1为0.5mm时所述天线结构100的S11值。曲线S72为当所述第一间距D1为1mm时所述天线结构100的S11值。曲线S73为当所述第一间距D1为1.5mm时所述天线结构100的S11值。
图8为当所述第一间距D1为不同值时所述天线结构100的总辐射效率图。其中曲线S81为当所述第一间距D1为0.5mm时所述天线结构100的总辐射效率。曲线S82为当所述第一间距D1为1mm时所述天线结构100的总辐射效率。曲线S83为当所述第一间距D1为1.5mm时所述天线结构100的总辐射效率。
图9为当所述第二间距D2为不同值时所述天线结构100的S参数(散射参数)曲线图。其中曲线S91为当所述第二间距D2为1mm时所述天线结构100的S11值。曲线S92为当所述第二间距D2为1.5mm时所述天线结构100的S11值。曲线S93为当所述第二间距D2为2mm时所述天线结构100的S11值。
图10为当所述第二间距D2为不同值时所述天线结构100的总辐射效率曲线图。其中曲线S101为当所述第二间距D2为1mm时所述天线结构100的总辐射效率。曲线S102为当所述第二间距D2为1.5mm时所述天线结构100的总辐射效率。曲线S 103为当所述第二间距D2为2mm时所述天线结构100的总辐射效率。
显然，从图7至图10可看出，可通过调整所述第一间距D1及第二间距D2，进而有效调整所述天线结构100的频宽。
如前面实施例所述，所述天线结构100通过设置所述辐射部11及耦合部13。其中，所述辐射部11可激发第一模态以产生LTE-A中频频段的辐射信号。所述耦合部13可激发第二模态及第三模态以产生LTE-A低高频频段的辐射信号。因此无线通信装置200可使用LTE-A的载波聚合(CA，Carrier Aggregation)技术并使用所述辐射部11及耦合部13同时在多个不同频段接收或发送无线信号以增加传输频宽，即实现3CA。
显然，所述天线结构100的结构简单，且可完整涵盖目前常用的通信系统所需要的系统频宽。例如，所述天线结构100的低频可以涵盖至700-960MHz，而所述天线结构100的中高频可以涵盖至1710-2690MHz，符合天线设计需求。
以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化等用在本发明的设计，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种天线结构，其特征在于：所述天线结构包括：
辐射部，所述辐射部包括馈入段、第一辐射段及第二辐射段，所述馈入段及所述第一辐射段设置于第一平面，所述第二辐射段设置于第二平面，所述第一平面与所述第二平面垂直，所述馈入段的一端电连接至一馈入点，以馈入电流信号；以及
耦合部，所述耦合部电连接至一接地点，以接地；
其中，所述耦合部与所述辐射部间隔耦合设置，所述辐射部用以激发第一模态以产生第一频段的辐射信号，同时流过所述辐射部的电流信号还耦合至所述耦合部，进而使得所述耦合部分别激发第二模态及第三模态以产生第二频段及第三频段的辐射信号，所述第一模态为LTE-A中频模态，所述第二模态为LTE-A低频模态，所述第三模态为LTE-A高频模态，所述第一频段的频率高于第二频段的频率，所述第三频段的频率高于所述第一频段的频率；
其中，所述耦合部整体至少布设于所述第一平面及所述第二平面，所述耦合部至少包括布设于所述第一平面且呈方波状的耦合段及布设于所述第二平面且呈曲折状的耦合段，所述布设于所述第一平面且呈方波状的耦合段包括依次连接的接地段、第一耦合段、第二耦合段，所述布设于所述第二平面且呈曲折状的耦合段包括第三耦合段、第四耦合段、第五耦合段以及第六耦合段，所述第三耦合段一端垂直连接至所述第二耦合段远离所述第一耦合段的端部，并沿远离所述第二辐射段的方向延伸，所述第四耦合段一端垂直连接至所述第三耦合段远离所述第二耦合段的一端，所述第五耦合段一端垂直连接至所述第四耦合段远离所述第三耦合段的一端，并沿平行所述第三耦合段且靠近所述第二辐射段的方向延伸，直至越过所述第二辐射段，所述第六耦合段一端垂直连接至所述第五耦合段远离所述第四耦合段的端部，并沿平行所述第四耦合段且靠近所述第二辐射段的方向延伸。
2.如权利要求1所述的天线结构，其特征在于：所述第一辐射段垂直连接至所述馈入段远离所述馈入点的端部，所述第二辐射段垂直连接至所述第一辐射段远离所述馈入段的一侧。
3.如权利要求2所述的天线结构，其特征在于：所述耦合部还包括第七耦合段，所述接地段的一端电连接至所述接地点，并沿平行所述馈入段的方向延伸，所述第一耦合段呈方波状，其两端分别连接至所述接地段与所述第二耦合段，所述第二耦合段的一端连接至所述第一耦合段远离所述接地段的端部，并继续沿平行所述馈入段的方向延伸，直至与所述第一辐射段的一侧平齐，所述第七耦合段一端垂直连接至所述第五耦合段远离所述第四耦合段与所述第六耦合段的一侧，并沿靠近所述接地段的方向延伸，且与所述第五耦合段构成L型结构。
4.如权利要求3所述的天线结构，其特征在于：所述接地段、第一耦合段、第二耦合段设置于所述第一平面，所述第三耦合段、第四耦合段、第五耦合段以及第六耦合段设置于所述第二平面，所述第七耦合段设置于与所述第一平面平行的第三平面。
5.如权利要求3所述的天线结构，其特征在于：所述第一耦合段与所述第一辐射段间隔设置，进而于所述第一耦合段与所述第一辐射段之间形成第一间距，所述第五耦合段与所述第二辐射段间隔设置，进而于第五耦合段与所述第二辐射段之间形成第二间距，通过调节所述第一间距及第二间距，进而调节所述天线结构的频宽。
6.如权利要求2所述的天线结构，其特征在于：所述天线结构还包括匹配电路，用以优化所述天线结构的阻抗匹配，所述匹配电路包括第一匹配元件及第二匹配元件，所述第一匹配元件的一端电连接至所述馈入点，另一端电连接至所述辐射部的馈入段，所述第二匹配元件的一端电连接至所述馈入点与所述第一匹配元件之间，另一端接地。
7.如权利要求3所述的天线结构，其特征在于：所述天线结构还包括切换电路，所述切换电路包括切换单元及多个切换元件，所述切换单元电连接至所述耦合部的接地段，所述切换元件之间相互并联，且其一端电连接至所述切换单元，另一端接地，通过控制所述切换单元的切换，使得所述耦合部切换至不同的切换元件，进而调整所述第二频段。
8.如权利要求1所述的天线结构，其特征在于：无线通信装置使用载波聚合技术并使用所述辐射部及耦合部同时在多个不同频段接收或发送无线信号。
9.一种无线通信装置，包括如权利要求1至8中任一项所述的天线结构。
10.如权利要求9所述的无线通信装置，其特征在于：所述无线通信装置还包括基板、扬声器、通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)接口模块、麦克风、电池以及震动器，所述扬声器、所述USB接口模块以及所述麦克风间隔设置于所述基板的一端，且所述麦克风位于所述扬声器与所述USB接口模块之间，所述电池与所述震动器间隔设置于所述基板的两侧，所述扬声器、USB接口模块、麦克风、电池以及震动器共同于所述基板上形成一容置区域，用以收容所述天线结构。
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