天线扩展器以及使用天线扩展器的电子设备

摘要

一种电子设备包括：外壳，具有第一侧和第二侧；介质盖(602)，位于所述第二侧；沿所述第一侧和所述第二侧的边缘的导电外围结构；天线馈源(601)，耦合到所述外围结构的部分(603)，从而将所述部分(603)作为天线辐射单元；以及导电构件(604，804)，位于所述介质盖(602)上面或下面。所述导电构件的作用是增大电场分布的表面积，以增大天线辐射口径。

说明书

技术领域

本发明涉及用于无线通信的天线领域，尤其涉及一种天线，适合安装在用导电框架建成的电子设备中的狭小空间。此外，本发明涉及包括多个天线的天线排列，以及涉及包括天线或天线排列的电子设备。

背景技术

所有使用无线电波通信的电子设备都需要天线。对用户而言，许多这样的设备需要便携、易用和美观。因此，无线通信中的尺寸、设计、整体外观、机械鲁棒性和效率可能对天线设计提出困难和可能相互矛盾的要求。

这种电子设备的一个示例是便携式通信和/或计算设备，例如智能手机、平板电脑或膝上型电脑。这种设备可以是相对平坦的，在形式上有点拉长，具有两端、两侧缘以及正面和背面。正面的大部分通常保留给触敏显示屏使用。所述背面可以由塑料制成的后盖覆盖，但在许多情况下，所述背面包括玻璃和/或金属层。沿所述端部和侧缘的外周也可以包括金属框架。所述设备可以只有几毫米厚，所述端部和侧缘的尺寸可以从几厘米到几分米。天线的物理尺寸与通信的波长有一定的关系，也就是说，如果天线用于6GHz以下的波长的通信，其物理尺寸必须是在厘米级。这种尺寸的天线，一方面实现高效通信和高数据吞吐量，另一方面能很容易安装在便携式通信设备中，但是这种天线很难设计。

现有技术提出了各种天线结构，可以利用电子设备的金属结构部件或其他导电结构部件作为天线结构。但是，目前的天线性能不能在整个所需频率范围和/或电子设备工作的所有频带上总是达到最佳。

发明内容

本发明的目的是提供一种天线，具有紧凑的尺寸、适用于便携式电子设备、对多种操作条件具有鲁棒性且可与包含在电子设备中的其它天线结合。本发明的另一个目的是，天线可以和电子设备的其它部件和结构一起设置在封闭空间中，并且具有良好的性能。本发明的又一个目的是提供一种包括至少一个上述种类的天线的电子设备。

第一方面，提供了一种电子设备。所述电子设备包括：外壳，具有第一侧和第二侧；介质盖，位于所述第二侧；以及沿所述第一侧和所述第二侧的边缘的导电外围结构。所述电子设备还包括天线馈源，耦合到所述外围结构的部分，从而将所述部分作为天线辐射单元。另外，所述电子设备包括导电构件，位于所述介质盖上(例如，附接在其内侧或外侧)。或者，所述导电构件可以设置在所述介质盖的下面(例如，在所述外壳内的支撑结构上)。所述导电构件具有沿所述部分纵向方向的第一尺寸，并相对于所述外围结构从所述部分向内延伸第二尺寸，所述第二尺寸小于两倍的所述第一尺寸。所述电子设备包括电耦合，位于所述部分和所述导电构件的沿所述部分的所述纵向方向延伸的部分之间。所述导电构件形成天线扩展器，因此也可以称为天线扩展器。所述导电构件，如，天线扩展器，的作用是用于扩大电场分布的表面积。换句话说，所述天线扩展器增大了天线辐射孔径。这将在期望的频带改善底盘模式激励。所述天线扩展器可用于：1)提高辐射效率；2)调整谐振频率；3)增加阻抗带宽；4)修改电流分布和辐射图，以控制，例如，用户的影响。

因为天线扩展器在不要求更多天线间隙(例如，天线辐射单元与地面的距离)的情况下提高了天线的阻抗带宽和效率，通过所述天线扩展器，可以制作尺寸紧凑的天线，特别是在空间小的便携式电子设备中。因为在天线的性能低于可接受的极限之前提供了更多裕量，阻抗带宽和效率的提高还增强了对次优操作条件的鲁棒性。所述天线扩展器中没有为同一设备中的其它天线保留所需的此类空间，这使得所述方案与其它天线非常兼容。所述天线甚至可以与电子设备的其他部分共用一些结构，这进一步强调了其适用于封闭空间。

在所述电子设备的第一种实现方式中，所述介质盖是介质板，且所述导电构件由所述介质板机械支撑。具有以下优点：可以使机械结构稳固且相对容易制造。还具有以下优点：导电构件与所述电子设备的接地部分，例如，显示屏，之间的距离可以尽可能大。从而提高阻抗带宽和效率。

在所述电子设备的另一实现方式中，所述介质板由塑料、玻璃、陶瓷、木头或其它介质材料制成，且具有内表面和外表面，所述导电构件是固定附接到所述介质板的内表面的导电材料。具有以下优点：可以使所述设备的外观变得非常吸引人，且使所述机械结构稳固且相对容易制造。

在所述电子设备的另一实现方式中，所述介质板是透明的或半透明的，且在所述内表面上包括装饰层，并且所述导电构件通过附接到所述装饰层而间接附接到所述介质板的内表面。具有以下优点：即使将此类导电构件用作天线扩展器，也无需牺牲所述设备的有利外观。

在所述电子设备的另一实现方式中，所述电子设备包括所述介质盖内的介质支撑结构，所述导电构件由所述介质支撑结构机械支撑。具有以下优点：天线扩展器的设计和机械结构可以根据工作频率和其他影响因素进行特别定制，和/或电子设备内的某些介质部件可以高效地兼做所述天线扩展器的支撑结构。

在所述电子设备的另一实现方式中，所述电耦合是电流耦合，包括下列至少一项：所述部分与所述导电构件之间的直接接触；通过所述部分与所述导电构件之间的导电垫片实现的耦合；通过所述部分和所述导电构件之间的两个或多个离散接触构件实现的耦合；以及所述部分和所述导电构件之间的焊接、软焊接或胶接。具有以下优点：可以在周围结构中的部件和材料的多种替代物中实现安全的电耦合。

在所述电子设备的另一实现方式中，所述电耦合是非电流耦合，包括电容耦合和电感耦合中的至少一种。具有以下优点：某些部件之间不需要直接接触，这使该结构的设计和组装更容易，并有助于避免次优接触可能引起的任何问题。

在所述电子设备的另一实现方式中，所述非电流耦合的交叉频率在数十至数百兆赫兹的范围。具有以下优点：可以在对其他尺寸的天线结构有用的频率上进行充分的电磁连接。

在所述电子设备的另一实现方式中，所述部分构成天线结构的天线辐射单元，所述天线结构是以下之一：单极子天线、偶极子天线、折合偶极子天线、电容耦合单元(CapacitiveCoupling Element，CCE)天线、倒F型天线(Inverted-F Antenna，IFA)、环形天线以及缝隙天线。具有以下优点：可以为特定的实现方式选择最合适的天线类型。

附图说明

图1是CCE天线的示意图；

图2是倒F型天线的示意图；

图3是单极子或倒L型天线的示意图；

图4是电子设备的某些结构部分的示意图；

图5是图4结构的横截面的示意图；

图6是配置有天线扩展器的电子设备的某些结构部分的示意图；

图7是图6结构的横截面的示意图；

图8是配置有天线扩展器的电子设备的某些结构部分的示意图；

图9是图8结构的横截面的示意图；

图10是天线扩展器的尺寸的示意图；

图11是另一天线扩展器的尺寸的示意图；

图12是天线扩展器的等效电路的示意图；

图13是配置有接触构件的天线扩展器的示意图；

图14是天线扩展器的形状的示意图；

图15是配置有天线扩展器的电子设备的某些结构部分的示意图；

图16是配置有或没有配置天线扩展器的天线的测量性能的示意图。

具体实施方式

一种电子设备可以包括被外罩所包围的内部部件。通常，上述内部部件或底盘包括电子设备运行所需的电子组件，而外壳的作用是提供机械支撑和保护以及吸引人的外观。如果所述电子设备用于无线通信，其必须内置一个或多个天线。提供导电外围结构，例如，构成许多复杂智能手机的结构和外观的一部分，如环或外框，从而将上述导电外围结构的一个或多个部分用作天线辐射单元。根据相关技术，天线辐射单元是与高频振荡电流耦合的用于传输无线信号的结构部件，和/或，接收到的无线信号引起高频振荡电流，而该振荡电流又可以转换为上述接收到的信号。

图1、2和3示出了包括内部部件或底盘101和天线辐射单元的电子设备，上述天线辐射单元可以是导电外围结构的一部分。对于内部部件或底盘101而言，其通常包括相对较宽的接地平面，因此可将其视为对天线辐射单元的性能有影响的接地区域。

在图1中，天线辐射单元102是所述导电外围结构中直的部分，其整个长度与所述内部部件或底盘101的直的边缘之间设有距离103。天线馈源104位于或靠近所述天线辐射单元102的中点。这些(天线单元是直的，天线馈源靠近中间)都只作为例子示出，可以有其他的变化。图1的天线可以称为CCE天线。

在图2中，天线辐射单元201位于与所述内部部件或底盘101的直的边缘距离距离202的位置，但在所述天线辐射单元201的一端，直接接触所述内部部件或所述底盘101(接地面)。这种接地接触点可以位于延天线单元201的纵向方向的任意位置。在图2中，天线馈源203更接近所述天线辐射单元102的接触的一端，而不是其自由端。同样，所有这些特性可以有变化。图2的天线是IFA。

在图3中，天线辐射单元301位于与所述内部部件或底盘101的直的边缘距离距离302的位置。天线馈源303位于天线辐射单元301的一端，使得天线成为单极子天线或倒L型天线(inverted-L antenna，ILA)。

图4和图5是可遵循上文图1原则的结构的进一步说明。所述天线辐射单元102是电子设备的导电外围结构的一部分。所述内部部件或底盘101以简化方式示出为厚板，其一部分如图4和5所示。第一介质盖401覆盖所述电子设备的第一(正面)侧，第二介质盖402覆盖所述电子设备的第二(背面)侧。在组装的配置中，第一介质盖401和第二介质盖402的略向内弯曲的外边缘抵靠在天线辐射单元102上的相应凹槽中，以实现所述电子设备的流线型外观。

所述天线辐射单元与相邻接地结构之间的距离103、202或302可称为接地间隙或天线间隙。最佳接地间隙值取决于工作频率和带宽。作为智能手机和其他广泛使用的无线通信设备中常见的小于6GHz的工作频率的一般规则，5至10毫米的接地间隙可以接近最佳值。然而，如果使用(触摸敏感)显示屏覆盖电子设备的整个侧面，例如正面。显示屏需要一个相关联的接地平面，该接地平面可以定义在图1～3中被视为所述内部部件或底盘101的有效外部尺寸。因此，可能只有1至2毫米，甚至更少，可以作为接地间隙用。

图6示出了在爆炸图中根据本发明实施例的电子设备的某些部分。图7是这些部分沿着穿过天线馈源601的平面的横截面。所述电子设备包括具有第一侧和第二侧的外壳。所述第一侧是图6和7的下面部分，所述第二侧是上面部分。所述电子设备包括位于所述第二侧的介质盖(602)以及沿所述第一侧和所述第二侧的边缘的导电外围结构。所述导电外围结构的部分603如图6和7所示。所述天线馈源601耦合到所述导电外围结构的所述部分603，从而使用所述部分603作为天线辐射单元。

与图4和5不同的是，图6和7的电子设备包括由介质盖602覆盖并设置在所述介质盖602上的导电构件604。在本示例中，所述导电构件604设置在所述介质盖602的内部(内表面)上。然而，在另一实施例中，所述导电构件604可以设置在所述介质盖602的外部(外表面)上。所述导电构件604具有沿所述导电外围结构的作为天线辐射单元的所述部分603的纵向方向的第一尺寸605。所述导电构件604从所述部分603向内延伸第二尺寸606。这里，“向内”是相对于所述电子设备的外围结构而言的，换句话说，“向内”指的是朝向电子设备的中心。

所述导电构件604的尺寸中，所述第二尺寸606小于两倍的所述第一尺寸605。这些尺寸的重要性将在后面更详细地讨论。所述导电构件604也可以称为天线扩展器。本文中，导电构件和天线扩展器可互换使用。

所述导电外围结构的作为天线辐射单元的所述部分603与所述导电构件604的沿所述部分的纵向方向延伸的部分之间存在电耦合。在图6和7所示的结构中，所述导电构件604的一个长边与所述部分603的一部分直接机械接触，从而确保所述电耦合。实现这种电耦合的其他方法将在后面更详细地讨论。

在图6和7所示的结构中，所述介质盖602为介质板，所述导电构件604由所述介质板机械支撑。特别地，组成所述介质盖602的所述介质板可以由，例如，塑料或玻璃制成，它可能有内表面和外表面。所述导电构件604可以通过，例如，胶合或超声焊接的方式，固定地附接到介质盖602的内表面。所述导电构件604还可以以其它方式附接，例如，嵌入到所述介质盖602的材料中。实际的附接方式没有太大的实际意义。这种固定附接基于所述导电构件604是导电材料，例如，金属箔或板的假设。一种替代方案是，在附着到介质盖602之前，使用导电涂料或其他不是离散的固体导电材料的形式的物质在所述介质盖602的某些表面上形成所述导电构件604。

将所述介质盖602用作所述导电构件604的机械支撑具有以下优点：不需要其他结构部件来实现该目的。因为所述导电构件604可以先贴合在介质盖602的内表面，以便后续组装阶段将所述介质盖602与导电外围结构组装在一起，从而也可以使所述电子设备易于组装。所述导电构件604与作为天线辐射单元的所述部分603之间自动实现电耦合。可以使用导电垫片来确保电耦合，但不一定非要这样做。使用塑料、玻璃、陶瓷、木头或其他介质材料作为所述介质盖602的材料可以以合理的制造成本实现电子设备的非常吸引人的外观。用塑料作为材料具有另外的优点，即，可以用超声焊接、模压或基于部分熔化一些塑料物质的其他已知方法来将所述导电构件604固定地附接到所述介质盖602。

图8和9示出了根据另一实施例的电子设备的某些部分。所述电子设备包括具有第一侧和第二侧的外壳，以及位于所述第二侧的介质盖602。所述电子设备包括沿所述第一侧和所述第二侧的边缘的导电外围结构，以及耦合到所述外围结构的部分603的天线馈源601，从而将所述部分603作为天线辐射单元。

图8和9的电子设备包括由介质盖602覆盖并设置在介质盖602下面的导电构件804。特别地，所述电子设备包括位于所述介质盖602下方的介质支撑结构801，所述导电构件804由所述介质支撑结构801机械支撑。因此，在本实施例中，所述导电构件804不设置在所述介质盖602上，而是设置在所述介质盖602下方的所述单独的介质支撑结构801上。所述介质支撑结构801可以是所述电子设备的任何其他部分的一部分(或者也可以由其支撑)，例如电池舱的壁、高频部件的导电屏蔽罩、音箱等。

所述导电构件804具有沿所述电子设备的所述外围结构的所述部分603的纵向方向的第一尺寸605。所述导电构件804从所述部分603向内延伸第二尺寸606。所述“向内”是相对于所述外围结构而言的。所述第二尺寸606小于两倍的所述第一尺寸605。所述外围结构的所述部分603和所述导电构件804的沿所述部分603的所述纵向方向延伸的部分之间设有电耦合。

在图8和9所示的实施例中，所述电耦合包括弹性导电垫片901，位于所述外围结构的所述部分603和所述导电构件804沿所述部分纵向方向延伸的部分之间。这种导电垫圈也可以用在图6和7所示的实施例或任何其他实施例中。所述导电垫片901可通过胶水将其固定在正确的位置，或将其锁定在槽内等，或通过其他任何能确保固定到位和进行电耦合的方式来固定。实现所需电耦合的其它替代方案可能涉及软焊接、焊接或用导电胶粘合中的至少一种。

图10和11示出了导电构件的尺寸的概念。图10和11中，将导电外围结构的作为天线辐射单元的所述部分603示意性示出为水平条。图10和11示出了在所述部分603的一端有接地连接的实施例，但也存在没有设置此类接地连接的实施例。所述导电构件的第一尺寸605是其沿所述部分603的纵向方向的尺寸。所述导电构件从所述部分向内延伸(相对于所述外围结构)第二尺寸606。在图10中，所述第二尺寸606约为两倍的第一尺寸605，而在图11中，第一尺寸605明显大于第二尺寸606。如果没有设置如图10和11所示的接地连接，可能有利于放置所述导电构件，使得其在所述导电外围结构的所述部分的纵向方向上与接地连接的距离尽可能大。

图12示出了一种等效电路，其中点1201表示所述天线辐射单元。点1202表示上述种类的导电构件。点1203表示导电构件的“开口”端，即，距离所述天线辐射单元最远的部分。点1203与本地地电位之间的所谓开端阻抗Z通常较大，至少100欧姆，甚至至少1千欧姆。

所述天线辐射单元与所述导电构件之间的电耦合由图12中的接触构件1204表示。一般而言，所述电耦合可被认为通过一种材料发生在区域A上并跨越距离d，其中该材料的介电常数(或相对介电常数)为ε

图13显示了图12的单元在实际中是如何考虑的。所述接触构件1204位于所述导电外围结构的作为所述天线辐射单元的所述部分603和所述导电构件之间，图13中使用了所述参考指示符604。这仅是一个示例，并非将所述考虑限于类似于图6中实施例的所述导电构件604的导电构件。在所述部分603的纵向方向上，所述区域A与所述导电构件604的尺寸成比例。如果在所述部分与所述导电构件之间具有两个或多个离散接触构件，例如，沿电连接的纵向方向分布的两个或多个离散导电垫片，则所述区域A与所述两个离散的彼此距离最远的接触部件之间的距离成比例。

如果所述电耦合是非电流耦合，则所述电耦合可以包括电容耦合或电感耦合中的至少一个。可以对电容耦合进行示例性计算。例如，如果所述接触区域A为1.5mm x 12mm，距离d为0.1mm，中间的材料是空气，则所述接触电容大约应为1.7pF。这相当于约90兆赫兹的交叉频率，假设开端阻抗为1kΩ。这意味着在高于90MHz的频率上，所述天线辐射单元与所述导电构件之间实现足够的电磁耦合。一般来说，该类非电流耦合的交叉频率可以是几十至几百兆赫兹。

在迄今描述的实施例中，所述天线扩展器或导电构件具有矩形形状。这并不是要求，所述导电构件可以具有多种形状。图14示出了这种形状的一些示例，包括各种矩形、角少于或多于四个的多边形、菱形形状、梯形形状、从一些本来规则形状中切掉一部分所得到的形状、部分是圆的或弯曲的形状，和不规则的形状。例如，可以基于电子设备中天线扩展器的可用空间的形状来选择形状。图14形状中的白色小圆圈可视为离散接触件的示例，或者他们可视为所述导电构件与所述导电外围结构的作为天线辐射单元的所述部分之间焊接、软焊接、或胶接的示例。

图15示出了一实施例，其中位于电子设备的第二侧的介质盖602包括透明或半透明的介质板，并且包括位于其内表面上的装饰层1501。所述导电构件604通过附接到所述装饰层1501间接附接到所述介质板上。导电垫片901保证了所述导电构件604与所述导电外围结构的作为天线辐射单元的部分603之间的电耦合。

再一个可能的实施例可以涉及介质板的外表面上制成的作为透明导电层的导电构件，所述介质板构成所述电子设备的所述第二侧的介质盖(的一部分)

图16示出了测量的系统的总效率，其中电子设备包括天线，所述天线的天线辐射单元是所述导电外围结构的沿所述电子设备的侧面的一部分。在每种情况下，实线表示在没有使用上述种类的天线扩展器时测量到的总效率。对应的虚线表示在使用上述种类的天线扩展器时测量到的总效率。使用天线扩展器后，系统总效率的峰值提高幅度为1dB左右。这被认为是针对所需频带进行的所谓的底盘模式激励改进和天线谐振频率优化的结果。在这些测量中，使用矩形天线扩展器，并且天线扩展器的尺寸设计使得其在天线辐射单元的纵向方向上的尺寸约为其在垂直方向上的尺寸的两倍。

本发明对天线结构的天线辐射单元的类型的选择不做限制。作为示例，所述天线结构可以是以下之一：单极子天线、偶极子天线、折叠偶极子天线、电容耦合元件天线、倒F型天线、环形天线、缝隙天线。

在此结合各种实施例描述了本发明。但本领域技术人员通过实践本发明，研究附图、本发明以及所附的权利要求，能够理解并获得公开实施例的其他变体。在说明书和权利要求中，术语“包括”不排除其他单元和步骤，非限定性冠词“一个”和“一种”不排除多个的情况。单个处理器或其它单元可以实现权利要求中列举的若干项目的功能。在仅凭某些措施被记载在相互不同的从属权利要求书中这个单纯的事实并不意味着这些措施的结合不能被有效地使用。

虽然已详细地描述了本发明及其优点，但是应理解，可以在不脱离如所附权利要求书所界定的本发明的精神和范围的情况下对本发明做出各种改变、替代和更改。

尽管已经参考本发明的特定特征和实施例描述了本发明，但是明显在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以制定本发明的各种修改和组合。相应的，说明书和附图仅被视为由所附的权利要求限定的本发明的示意说明，且包含本发明范围内的任意及所有的修改，组合，或等效的修改或组合。