CN109216907B - 一种双馈天线以及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈天线以及电子设备，通过天线自身的结构来满足隔离度要求。该双馈天线包括：天线体、第一馈线、第二馈线以及底板；所述天线体固定在所述底板上，所述第一馈线与所述第二馈线穿过所述底板固定在所述天线体上，所述第一馈线、所述天线体以及所述底板构成第一天线，所述第二馈线、所述天线体以及所述底板构成第二天线；其中，所述第一天线位于所述第二天线辐射的奇点位置，且所述第二天线位于所述第一天线辐射的奇点位置，以使得所述第一天线与所述第二天线满足隔离度要求，其中，天线在奇点位置辐射的能量最小。

Description

一种双馈天线以及电子设备

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种双馈天线以及电子设备。

背景技术

目前，无线通信设备中都需要设置天线系统，用于发送和接收无线信号。其中，目前的无线通信设备中的天线系统一般都包括多个天线，但是多个天线之间存在互耦的问题，因而为了实现多个天线的共存，需要天线之间满足一定的隔离度要求。例如，对于无线保真(WIreless-Fidelity，WIFI)通信系统而言，为了能够实现多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)性能，且避免天线之间的干扰，任意两个同频天线之间的隔离度一般要达到20dB以上。

在现有的多天线系统中，为了在小体积的通信设备中集成更多的天线，往往天线之间的间距使得满足隔离度要求的难度增大，为了满足多天线系统中的隔离度要求，目前主要有两种方式。第一种方式是使用多频天线，即将更多的天线合并成为一个天线来使用，使用多频天线则可以减少天线的数量，相应的，天线数量减少之后，天线之间的距离便可以拉大，隔离度会得到提升，但是，这种方式只能够应用于多频多信道的系统；另一种方式是在两天线之间增设去耦网络，目前常见的天线的去耦网络都是在两个单天线设计好之后，通过极化隔离，增加一些等效电感电容(LC)电路来实现天线之间的隔离，但是，这种方式需要在天线中增设额外的结构，使得天线系统结构愈加复杂。

发明内容

本发明实施例提供一种双馈天线以及电子设备，通过天线自身的结构来满足隔离度要求。

第一方面，提供一种双馈天线，包括：

天线体、第一馈线、第二馈线以及底板；

所述天线体固定在所述底板上，所述第一馈线与所述第二馈线穿过所述底板固定在所述天线体上，所述第一馈线、所述天线体以及所述底板构成第一天线，所述第二馈线、所述天线体以及所述底板构成第二天线；

其中，所述第一天线位于所述第二天线辐射的奇点位置，且所述第二天线位于所述第一天线辐射的奇点位置，以使得所述第一天线与所述第二天线满足隔离度要求，其中，天线在奇点位置辐射的能量最小。

本发明实施例中，所提供的双馈天线通过自身的结构可以构成两个单天线，即第一天线和第二天线，并且这两个单天线相互位于另一天线的奇点位置，由于在奇点位置天线的增益最小，那么该天线对另一天线的干扰就会很小，从而满足隔离度要求，并且无需额外增设去耦网络，天线系统结构更加简单。

可选的，所述天线体包括天线板和辐射贴片；

所述天线板为薄板，薄板的厚度不大于预设阈值，所述辐射贴片设置在所述天线板中面积最大的表面上；

其中，沿所述天线板的厚度方向的中垂面与所述底板中面积最大的表面垂直，所述底板的厚度方向的中心线位于所述中垂面内，且所述双馈天线基于所述中垂面完全对称。

可选的，所述辐射贴片为双叉结构。

可选的，所述底板包括介质底板和参考地，所述介质底板和所述参考地为圆形结构且同心设置，所述参考地与所述辐射贴片的一端相连；

其中，所述参考地的直径是基于所述第一天线和第二天线的相对位置确定的。

可选的，所述参考地和所述辐射贴片为金属材料制作而成。

可选的，所述天线板和所述介质底板为FR4材料制作而成。

可选的，所述第一馈线和第二馈线采用微带馈电的方式，或者采用同轴馈电的方式。

可选的，所述双馈天线还包括移相器和功分器；

在所述双馈天线作为单天线使用时，所述功分器的一端与所述第一馈线和所述第二馈线中的其中一条馈线相连，另一端与所述移相器相连，用于将输入至天线的信号分成两路信号，分别输入所述其中一条馈线和所述移相器，或者，用于将所述其中一条馈线和所述移相器的信号合成后输出；

所述移相器与所述第一馈线和所述第二馈线中除所述其中一条馈线之外的另一条馈线相连，用于控制所述另一条馈线上传输的信号的相位，以调整所述双馈天线的增益方向。

第二方面，提供一种电子设备，包括一个或者多个如第一方面所述的双馈天线。

附图说明

图1为本发明实施例提供的双馈天线的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的辐射贴片的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的双馈天线的正视图；

图4为本发明实施例提供的适用于2.4GHz的双馈天线的示意图；

图5为本发明实施例提供的适用于2.4GHz的双馈天线的S参数性能曲线图；

图6为本发明实施例提供的双馈天线的3D增益方向示意图；

图7为本发明实施例提供的双馈天线的水平方向的增益方向示意图；

图8为本发明实施例提供的增加了功分器和移相器的双馈天线的系统框图示意图；

图9为本发明实施例提供的相移量为0度的双馈天线增益方向示意图；

图10为本发明实施例提供的相移量为90度的双馈天线增益方向示意图；

图11为本发明实施例提供的相移量为180度的双馈天线增益方向示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

在现有的多天线系统中，为了在小体积的通信设备中集成更多的天线，往往天线之间的间距使得满足隔离度要求的难度增大，为了满足多天线系统中的隔离度要求，目前主要有两种方式。第一种方式是使用多频天线，即将更多的天线合并成为一个天线来使用，使用多频天线则可以减少天线的数量，相应的，天线数量减少之后，天线之间的距离便可以拉大，隔离度会得到提升，但是，这种方式只能够应用于多频多信道的系统；另一种方式是在两天线之间增设去耦网络，目前常见的天线的去耦网络都是在两个单天线设计好之后，通过极化隔离，增加一些等效LC电路来实现天线之间的隔离，但是，这种方式需要在天线中增设额外的结构，使得天线系统结构愈加复杂。

针对如何在小体积的通信设备中集成更多的天线时满足天线之间的隔离度的问题，本发明实施例提供了一种双馈天线以及电子设备。

下面结合附图，对本发明实施例提供的双馈天线以及电子设备的具体实施方式进行详细地说明。附图中各部件的厚度和形状不反映真实比例，目的只是示意说明本发明实施例的内容。

本发明实施例提供的一种双馈天线，可以应用于任意的无线通信设备中，例如手机或者平板电脑(PAD)等无线通信设备，且该双馈天线可以应用任意的通信系统中，例如可以不限于上述MIMO通信系统或者多频多信道通信系统中。

参见图1所示，该双馈天线包括天线体10、第一馈线201、第二馈线202 以及底板30，天线体10固定在底板30上，第一馈线201与第二馈线202穿过底板30固定在天线体10上，第一馈线201、天线体10以及底板30构成第一天线，第二馈线202、天线体10以及底板30构成第二天线；

其中，第一天线位于第二天线辐射的奇点位置，且第二天线位于第一天线辐射的奇点位置，以使得第一天线与第二天线满足隔离度要求。

本发明实施例提供的双馈天线，通过自身的结构可以构成两个单天线，即第一天线和第二天线，并且这两个单天线相互位于另一天线辐射的奇点位置，由于天线在奇点位置辐射的能量最小，即在奇点位置天线的增益最小，那么该天线对另一天线的干扰就会很小，从而满足隔离度要求，并可以通过自身的结构设计来达到满足隔离度要求的效果，无需额外增设去耦网络，天线系统结构更加简单。此外，本发明实施例中的双馈天线无需为了设置去耦网络而在底板30上进行开槽，实现天线去耦效果，那么就可以利用完整的底板背面进行电路设计，而不会影响天线的性能。

本发明实施例中，天线体10用于将第一馈线201和第二馈线输入的信号转化为电磁波辐射到空间中。

如图1所示，天线体10可以包括天线板101和辐射贴片102。其中，天线板101为薄板，其中，薄板的厚度不大于预设阈值，可以采用环氧玻璃布层压板(FR4)材料制作而成，辐射贴片102可以采用金属材料制作而成，例如金属铜，且辐射贴片102设置在天线板101中面积最大的表面上，也就是设置在天线板101中位于厚度方向的表面上。当然，对于天线板101和辐射贴片102，也可以采用其他可能的材料，本发明实施例对此不做限制。

天线板101沿自身厚度方向的中垂面与底板30中面积最大的表面垂直，沿底板30的厚度方向的中心线位于沿天线板101的厚度方向的中垂面内，且整个双馈天线基于沿天线板101的厚度方向的中垂面完全对称。

其中，辐射贴片102可以采用如图2所示的双叉结构，双叉结构基于天线板101沿厚度方向的中垂面对称。

如图1所示，底板30可以包括介质底板301和参考地302，介质底板301 和参考地302可以皆为圆形结构，且介质底板301和参考地302同心设置。参考地302位于介质底板301与天线体10之间，天线体10可以通过焊接的方式固定在参考地302上，天线体10包括的天线板101中垂直于中垂面的一个表面与参考地302接触，且该表面位于参考地的中心位置。具体而言，即参考地302的中轴线位于天线板101的中垂面内，且天线板101中与参考地302接触的表面的中心点位于参考地的中轴线上。辐射贴片102的一端与参考地302相连，具体如图1所示，辐射贴片102为双叉结构时，可以将双叉结构的柄部与参考地302接触。

本发明实施例提供的双馈天线包括的第一馈线201和第二馈线202也可以是基于天线板101的中垂面对称。第一馈线201和第二馈线202的阻抗均需满足阻抗匹配(Impedance Matching)条件，例如信号源的阻抗为50欧姆(Ω)，第一馈线201和第二馈线202均为50欧姆，第一馈线201和第二馈线202可以采用多种馈电方式，例如可以采用微带馈电的方式，或者采用同轴馈电方式，亦或者采用其他可能的馈电方式，本发明实施例对此并不进行限制。

本发明实施例的双馈天线不仅可以作为双天线进行使用，还可以作为单天线进行使用，下面将分别进行描述。

本发明实施例的双馈天线作为双天线进行使用时，可以基于天线板101的中垂面将整个天线分割成两部分来看，则可以作为两个平面倒F天线(Planar Inverted-FAntenna，PIFA)天线，且这两个PIFA天线共用一个对地的电感。如图3所示，整个天线的左半部分可以作为第一天线，即第一馈线201与天线体10和底板30的左半部分组成第一天线，整个天线的右半部分可以作为第二天线，即第二馈线202与天线体10和底板30的右半部分组成第二天线。

由于通过调节参考地302的尺寸，可以调整这两个PIFA天线的近场辐射特性，因而在天线实际设计过程中，当天线工作的频段确定之后，参考地302 的直径是基于所述第一天线和第二天线的相对位置确定的，通过不断对参考地 302的尺寸进行调节，来使得两个PIFA天线相互位于对方天线辐射的奇点位置，以使得两个天线之间的隔离度满足要求，满足这样要求的直径既可以作为最终参考地302的直径。

具体的，在天线的尺寸的确定时，可以先对单侧的PIFA天线进行尺寸确定，即根据天线所要工作的频段选取合适的单侧的PIFA天线尺寸，一侧尺寸确定之后，相对应的另一侧的天线的尺寸也就随之确定了，两侧的天线共用一个参考地，最后，调节参考地的尺寸，来调节两个天线的辐射特性，以满足隔离度要求。

以工作频段为2.4GHz的WIFI通信系统为例，双馈天线的介质底板301 的厚度为2mm，参考地302的半径为27mm，天线板101的厚度为1mm，辐射贴片102的尺寸如图4所示，其中辐射贴片的双叉部分的长度为21.5mm，宽度为4mm，双叉之间的间隔为26mm，辐射贴片的柄部的长度为4mm，宽度为1.75mm，柄部与双叉之间的连接部分的宽度为2.6mm。请参见图5，为该双馈天线的散射(S)参数性能曲线图，横坐标为频率，单位为GHz，纵坐标为S参数值，单位为dB。曲线1为S(1，2)的性能曲线图，S(1，2)为反向传输系数，用于表征隔离度，曲线2为S(1，1)的性能曲线图，S(1， 1)为反射系数，用于表征回波损耗，可以看出，当该双馈天线工作在2.4GHz 时，S曲线均处于峰谷，该天线的驻波和隔离性能优秀，2.4G全频段的隔离性能均不低于25dB，回波损耗不低于15dB。

请参见图6和图7，分别为双馈天线的3D增益示意图和水平方向的增益示意图，可以看出，该双馈天线在水平方向可以实现全向辐射。

本发明实施例的双馈天线除了可以作为双天线使用，还可以作为单天线进行使用，该双馈天线在作为单天线使用的情况下，依然可以呈现良好的水平全向增益，可以用于蓝牙以及WIFI的天线系统中。

本发明实施例的双馈天线还包括移相器40和功分器50，请参见图8，为本发明实施例的双馈天线作为单天线使用时的结构示意图。功分器50的一个端口与图1中所示的第一馈线201和第二馈线202中的其中一条馈线相连，另一个端口与移相器40的一个端口相连，移相器40的另一个端口与第一馈线201 和第二馈线202中的剩余一条馈线相连。例如，功分器50的一个端口与第一馈线201相连，另一个端口与移相器40的一个端口相连，移相器40的另一个端口与第二馈线202相连；或者，功分器50的一个端口与第二馈线202相连，另一个端口与移相器40的一个端口相连，移相器40的另一个端口与第一馈线 201相连。

以功分器50的一个端口与第一馈线201相连，另一个端口与移相器40的一个端口相连，移相器40的另一个端口与第二馈线202相连为例，在通过天线发射信号时，功分器50用于将输入至天线的信号分成两路信号，分别输入第一馈线201和移相器40，移相器40可以控制接收的信号的相位的改变，再输出给第二馈线202，最终天线将第一馈线201和第二馈线202的信号转换成电磁波后辐射到空间中；或者，在天线接收到电磁波后，将电磁波转化成电信号，并通过第一馈线201和第二馈线202进行输出，那么功分器50则用于将第一馈线201和第二馈线202的信号合成后在进行输出。

其中，通过控制移相器40的相移量，可以实现天线方向图的改变。

请参见图9，为移相器40的相移量为0度时天线的增益方向图，从图中可以看出，当移相器40的相移量为0度时，天线呈现一个水平全向的特性。

请参见图10，为移相器40的相移量为90度时天线的增益方向图，从图中可以看出，当移相器40的相移量为90度时，天线增益方向图呈现出一定的定向特性，能量覆盖上半平面的一半。

请参见图11，为移相器40的相移量为180度时天线的增益方向图，从图中可以看出，当移相器40的相移量为180度时，天线的增益方向图呈现一个近似覆盖上半平面的半球状态。

因此，如果将本发明实施例的双馈天线作为相控阵列天线的一个阵元使用时，通过移相器40的相移量的改变，相控阵列天线可以实现丰富灵活的方向图的调节。

综上所述，本发明实施例提供的双馈天线，通过自身的结构可以构成两个单天线，即第一天线和第二天线，且采用背靠背PIFA天线结构，这两个单天线相互位于另一天线辐射的奇点位置，由于在奇点位置天线的增益最小，那么该天线对另一天线的干扰就会很小，从而满足隔离度要求，从而可以通过自身的结构设计来达到满足隔离度要求的效果，无需额外增设去耦网络，天线系统结构更加简单，易于加工。

此外，本发明实施例中的双馈天线无需为了设置去耦网络而在底板30上进行开槽，实现天线去耦效果，那么就可以利用完整的底板背面进行电路设计，而不会影响天线的性能；再者，本发明实施例中的双馈天线没有使用极化隔离的方式，这样，在同一接收端看，两个天线的性能相同，不会因为极化不同而导致性能下降。

本发明实施例中的双馈天线不仅可以实现两个链路全向辐射，还可以作为单链路相控天线使用，只要改变两个馈入信号的相位，可以使天线实现全向和定向的辐射，功能丰富。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括：上述双馈天线。该电子设备例如可以为手机、平板电脑、笔记本、智能手表、智能手环以及VR/AR眼镜等无线通信设备，对此并不进行限制。

以上所述，以上实施例仅用以对本申请的技术方案进行了详细介绍，但以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明实施例的方法，不应理解为对本发明实施例的限制。本技术领域的技术人员可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双馈天线，其特征在于，包括：

天线体、第一馈线、第二馈线以及底板；

所述天线体固定在所述底板上，所述第一馈线与所述第二馈线穿过所述底板固定在所述天线体上，所述第一馈线、所述天线体以及所述底板构成第一天线，所述第二馈线、所述天线体以及所述底板构成第二天线；

其中，所述第一天线位于所述第二天线辐射的奇点位置，且所述第二天线位于所述第一天线辐射的奇点位置，以使得所述第一天线与所述第二天线满足隔离度要求，其中，天线在奇点位置辐射的能量最小；

其中，所述天线体包括天线板和辐射贴片；

所述天线板为薄板，薄板的厚度不大于预设阈值，所述辐射贴片设置在所述天线板中面积最大的表面上；

其中，沿所述天线板的厚度方向的中垂面与所述底板中面积最大的表面垂直，所述底板的厚度方向的中心线位于所述中垂面内，且所述双馈天线基于所述中垂面完全对称。

2.如权利要求1所述的双馈天线，其特征在于，所述辐射贴片为双叉结构。

3.如权利要求1所述的双馈天线，其特征在于，所述底板包括介质底板和参考地，所述介质底板和所述参考地为圆形结构且同心设置，所述参考地与所述辐射贴片的一端相连；

其中，所述参考地的直径是基于所述第一天线和第二天线的相对位置确定的。

4.如权利要求3所述的双馈天线，其特征在于，所述参考地和所述辐射贴片为金属材料制作而成。

5.如权利要求3所述的双馈天线，其特征在于，所述天线板和所述介质底板为FR4材料制作而成。

6.如权利要求1所述的双馈天线，其特征在于，所述第一馈线和第二馈线采用微带馈电的方式，或者采用同轴馈电的方式。

7.如权利要求1所述的双馈天线，其特征在于，所述双馈天线还包括移相器和功分器；

在所述双馈天线作为单天线使用时，所述功分器的一端与所述第一馈线和所述第二馈线中的其中一条馈线相连，另一端与所述移相器相连，用于将输入至天线的信号分成两路信号，分别输入所述其中一条馈线和所述移相器，或者，用于将所述其中一条馈线和所述移相器的信号合成后输出；

所述移相器与所述第一馈线和所述第二馈线中除所述其中一条馈线之外的另一条馈线相连，用于控制所述另一条馈线上传输的信号的相位，以调整所述双馈天线的增益方向。

8.一种电子设备，其特征在于，包括一个或者多个如权利要求1-7任一所述的双馈天线。

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