具有全金属外壳便携式设备的lte载波聚合天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有全金属外壳便携式设备的LTE载波聚合天线，包括本体、接地板、金属环以及天线组件，所述金属环上对称地开设有第一缝隙和第二缝隙，所述第一缝隙及第二缝隙将金属环分成金属环上段与金属环下段；还包括金属后盖，其上开设有第三缝隙，所述第三缝隙将金属后盖分成第一金属盖体以及第二金属盖体；所述天线组件包括辐射主体、第一馈电部、第二馈电部、带通滤波器、具有滤波或双工器功能的低频匹配模块以及高频匹配模块，所述辐射主体为金属环下段及第二金属盖体，所述第一馈电部通过高频匹配模块与辐射主体连接，所述第二馈电部通过低频匹配模块与辐射主体连接。本发明能够支持LTE-A技术的带外载波聚合天线，极大地提高数据传输率。
【专利说明】具有全金属外壳便携式设备的LTE载波聚合天线
【技术领域】
[0001] 本发明涉及天线【技术领域】，尤其涉及一种具有全金属外壳便携式设备的LTE载波 聚合天线。
【背景技术】
[0002] 随着LTE技术的迅速发展，越来越多的便携式设备开始支持LTE技术。在LTE天线 设计中，天线带宽的要求为：低频带宽范围为698-960MHZ，高频带宽范围为1710-2690MHZ。 通常的LTE技术中需要使用MMO天线。为了进一步提高数据传输效率，LTE-A技术还需要 使用载波聚合天线。
[0003] -方面，为了增加移动设备的外表面的美观效果，设计者开始广泛采用全金属壳 体设计结构，该全金属壳体包括金属环以及金属后盖。近段时间，市场上出现了基于全金属 壳体手机方案，如HTC One和iPhone6。HTC One和iPhone6均以金属壳体作为天线的福射 单元。就HTC One而言，为了使天线的能量能够从金属壳体中辐射出来，其金属后盖对应的 天线区域需要开设一条缝隙。但是与HTC One相比iPhone6需要在金属后盖对应的天线区 域开设两条缝隙，这样会影响手机的外观效果。
[0004] 另一方面，HTC One和iPhone6手机均有如下两个缺点：1、为覆盖LTE全部频段，需 要增设开关，具体的，利用开关将LTE低频段（698 - 960MHz)带宽分为多个子频段。通常， 对于用开关形式覆盖LTE低频段的设计方案，一般是要把整个低频段分为三个子频段。由 于子频段之间存在频段缝隙，上述天线结构的缺点在其子频段于并不能覆盖低频段中具有 较宽带宽的频段，比如频段28。2、两种手机均不能支持LTE-A技术中的载波聚合，具体解释 如下。
[0005] 为了进一步加强移动通信系统的数据传输效率，第三代合作伙伴项目LTE-A规范 中引入了载波聚合技术。载波聚合技术能够实施在带内载波聚合（连续频段或非连续频 段）或者带外载波聚合（非连续频段）。在带内载波聚合中，所有载波均处于同一工作频带 内（比如LTE低频段），而带外载波聚合中载波处于不同的工作频段。对于天线设计而言， 带内载波聚合容易实现。如果不采用开关方案做到覆盖高频段及低频段，可以通过设置一 个单馈点来实现带内载波聚合。对比带内载波聚合，带外载波聚合的灵活度要优于带内载 波聚合，所以在多数情况下带外载波聚合将被采用。目前，第三代合作伙伴项目（3GGP)提 出的LTE-A的规范中带外载波聚合包含12对不同的工作频段的频段数。就天线设计的而 言，带外载波聚合的一个主要前提条件是选择一个合适的RF前端架构。这是由于传统蜂窝 天线的RF前端架构只有单个馈电端。如果使用传统的RF架构，（在不需要使用开关的情 况下）带内载波聚合可以较容易的实现，但带外载波聚合只有在双工器的工作频段与天线 馈电同步才能实现。这需要不同频段的双工器必须同步或者匹配，但所述的不同频段的双 工器同步或者匹配方案很难实现。此外，考虑到天线的通信性能，带全金属壳体的手机天线 设计比带金属框架的设计更难实现。
[0006] HTC One和iPhone6手机的天线设计结构均是基于单个馈电端的天线方案并不适 合带外载波聚合，同时由于两者需要设置开关，开关划分频带时会出现频带间隙，甚至均不 能支持非连续的带内载波聚合。为此，有必要对上述便携式设备的天线结构作进一步的改 进。
【发明内容】
[0007] 本发明提供一种具有全金属外壳便携式设备的LTE载波聚合天线，主要解决的技 术问题是设计一种结构简单，能够支持LTE-A技术的带外载波聚合天线，特别是针对带有 全金属外壳的便携设备。
[0008] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：提供一种具有全金属外壳便 携式设备的LTE载波聚合天线，包括本体、接地板、金属环以及天线组件，所述接地板容置 于本体内，所述金属环固定于本体的四周侧壁，所述金属环底部与接地板之间设有容置腔， 所述金属环上对称地开设有第一缝隙和第二缝隙，所述第一缝隙及第二缝隙将金属环分成 金属环上段与金属环下段，所述金属环下段与接地板之间形成天线净空区；
[0009] 还包括金属后盖，所述金属后盖的边侧与金属环固定连接，并且金属后盖上沿其 宽度方向开设有第三缝隙，所述第三缝隙将金属后盖分成第一金属盖体以及第二金属盖 体，所述第一金属盖体与金属环上段对应，所述第二金属盖体与金属环下段对应，所述第一 缝隙、第二缝隙以及第三缝隙处于同一平面；
[0010] 所述天线组件包括辐射主体、第一馈电部、第二馈电部、带通滤波器、具有滤波或 双工器功能的低频匹配模块以及高频匹配模块，所述辐射主体为金属环下段及第二金属盖 体，所述第一馈电部以及第二馈电部均位于天线净空区内且第一馈电部与第二馈电部相互 平行，所述第一馈电部通过高频匹配模块与辐射主体连接，所述第二馈电部通过低频匹配 模块与辐射主体连接；所述带通滤波器的一端与辐射主体连接，所述带通滤波器的另一端 向接地板延伸。
[0011] 本发明的有益效果在于：区别于现有技术中HTC One和iPhone6手机的天线设 计结构均是基于单个馈电端的天线方案并不适合带外载波聚合，甚至不能支持非连续的带 内载波聚合的问题，本发明提供了一种用于具有全金属壳体便携式设备的LTE载波聚合天 线，采用在天线净空区设置独立的第一馈电部以及第二馈电部，第一馈电部支持高频段，第 二馈电部支持低频段，第一馈电部与第二馈电部分别通过具有滤波或双工器功能的高频匹 配模块及低频匹配模块与辐射主体连接，能够实现带外载波聚合，极大地提高数据传输效 率；并且带通滤波器能够改进天线在高频段的性能；另外，直接利用金属环下段以及第二 金属盖体作为辐射主体，无需设计额外辐射主体结构，能够精简天线结构，降低天线的生产 成本，提尚天线的制造效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为本发明LTE载波聚合天线在第二金属盖体被隐藏时的结构示意图；
[0013] 图2为本发明LTE载波聚合天线在第二金属盖体没被隐藏（既具有全金属外壳） 时的结构不意图；
[0014] 图3为本发明LTE载波聚合天线的工作原理图；
[0015] 图4为本发明LTE载波聚合天线的回波损耗曲线图；
[0016] 图5为本发明LTE载波聚合天线低频段的天线效率图；
[0017] 图6为本发明LTE载波聚合天线高频段的天线效率图；
[0018] 图7为本发明LTE载波聚合天线的高频段回波损耗曲线随用在带通滤波器中的电 感变化图；
[0019] 图8为本发明LTE载波聚合天线的低频段回波损耗曲线随用在金属后壳缝隙中的 电感变化图。
[0020] 标号说明：
[0021] 11、金属环上段；12、金属环下段； 31、第一馈电部；
[0022] 32、第二馈电部；4、容置腔； 5、USB接口； 6、带通滤波器；
[0023] 71、第一缝隙； 72、第二缝隙；81、第一金属盖体；82、第二金属盖体；
[0024] 83、第三缝隙； 9、电感组件。
【具体实施方式】
[0025] 为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附 图予以说明。
[0026] 本发明最关键的构思在于：采用在天线净空区设置独立的支持高频段的第一馈 电部以及支持低频段的第二馈电部，第一馈电部与第二馈电部分别通过具有滤波或双工器 功能的高频匹配模块及低频匹配模块与辐射主体连接，能够实现带外载波聚合，极大地提 高数据传输效率；直接利用金属环下段以及第二金属盖体作为辐射主体，无需设计额外辐 射主体结构，天线简单，降低天线的生产成本，提高天线的制造效率；带通滤波器能够改进 天线在高频段的性能。
[0027] 请参照图1至图3,一种具有全金属外壳便携式设备的LTE载波聚合天线，包括本 体、接地板、金属环以及天线组件，所述接地板(未标出）容置于本体内，所述金属环固定于 本体的四周侧壁，所述金属环底部与接地板之间设有容置腔4,所述金属环上对称地开设有 第一缝隙71和第二缝隙72,所述第一缝隙71及第二缝隙72将金属环分成金属环上段11 与金属环下段12,所述金属环下段12与接地板之间形成天线净空区；还包括金属后盖，所 述金属后盖的边侧与金属环固定连接，并且金属后盖上沿其宽度方向开设有第三缝隙83， 所述第三缝隙83将金属后盖分成第一金属盖体81以及第二金属盖体82,所述第一金属盖 体81与金属环上段11对应，所述第二金属盖体82与金属环下段12对应，所述第一缝隙 71、第二缝隙72以及第三缝隙83处于同一平面；
[0028] 所述天线组件包括辐射主体、第一馈电部31、第二馈电部32、带通滤波器6、具有 滤波或双工器功能的低频匹配模块以及高频匹配模块，所述辐射主体为金属环下段12及 第二金属盖体82,所述第一馈电部31以及第二馈电部32均位于天线净空区内且第一馈电 部31与第二馈电部32相互平行，所述第一馈电部31通过高频匹配模块与辐射主体连接， 所述第二馈电部32通过低频匹配模块与辐射主体连接；所述带通滤波器6的一端与辐射主 体连接，所述带通滤波器6的另一端向接地板延伸。
[0029] 从上述描述可知，本发明的有益效果在于：区别于现有技术中HTC One和iPhone6 手机的天线设计结构均是基于单个馈电端的天线方案并不适合带外载波聚合，甚至不能支 持非连续的带内载波聚合的问题，本发明提供了一种用于具有全金属壳体便携式设备的 LTE载波聚合天线，采用在天线净空区设置独立的第一馈电部31以及第二馈电部32,第一 馈电部31支持高频段，第二馈电部32支持低频段，第一馈电部31与第二馈电部32分别通 过具有滤波或双工器功能的高频匹配模块及低频匹配模块与辐射主体连接，能够实现带外 载波聚合，极大地提高数据传输效率；并且带通滤波器6能够改进天线在高频段的性能；另 夕卜，直接利用金属环下段12以及第二金属盖体82作为辐射主体，无需设计额外辐射主体结 构，能够精简天线结构，降低天线的生产成本，提高天线的制造效率。
[0030] 进一步的，所述金属环的左侧壁上开设有第一缝隙71，金属环的右侧壁上开设有 第二缝隙72,且第一缝隙71与第二缝隙72均靠近金属环底部位置。金属环左右两侧设置 的开缝结构，能够使金属环下段12的长度较佳，即辐射主体的长度好，天线的性能稳定。
[0031] 进一步的，所述带通滤波器6包括串接的电容和电感，带通滤波器6工作在LTE的 高频段内。上述带通滤波器6不仅能够实现低频段和高频段的同步阻抗匹配，而且还能够 提升天线在高频段的性能。带通滤波器6的共振频率和Q值由电容以及电感的值来决定。
[0032] 进一步的，还包括一电感组件9,所述电感组件9位于第三缝隙83内，并且所述电 感组件9的一端与辐射主体中的第一金属盖体连接，所述电感组件9的另一端与第二金属 盖体连接。该电感组件9能够减轻低频匹配设计的难度。
[0033] 进一步的，还包括设置于天线净空区的USB接口 5,所述USB接口 5位于金属环底 部的中垂线上，且USB接口 5与接地板连接。虽然增加USB接口 5对天线的整体性能设计 影响较大或增加了整体天线的设计难度，但是在设计中增加该USB接口 5能够大大地提高 本天线设计方案的实用性。此外，本发明方案也适用于没有设置USB接口的LTE载波聚合 天线的情况。
[0034] 进一步的，所述第一馈电部31支持的高频范围为大于1. 7GHz频率，所述第二馈电 部32支持的低频范围为小于1GHz频率。
[0035] 表1为带外载波聚合所有的频段数的载波聚合对数，该表包含12对不同的工作频 段的载波聚合对数。从表1可以看出，除了频段3及频段7的载波聚合，其它11对载波聚 合的低频带频率都小于1. 0GHz，而高频带频率都大于1. 7GHz。因此，通过设置第一馈电部 以及第二馈电部能够实现（除了频段3和频段7以外）带外载波聚合，而不需要在前端架 构中使用难以实现的双工器去同步匹配高频段与低频段。再有，如果要支持所有频段的载 波聚合则需要设置支持频率范围为2. 5GHz-2. 69GHz的第三馈电部，以支持频段3及频段7 之间的载波聚合。本方案实现的重点是着重对另外11对（即除了频段3和频段7以外的） 聚合载波的天线设计。
[0036]
【权利要求】
1. 一种具有全金属外壳便携式设备的LTE载波聚合天线，包括本体、接地板、金属环以 及天线组件，所述接地板容置于本体内，所述金属环固定于本体的四周侧壁，所述金属环底 部与接地板之间设有容置腔，其特征在于， 所述金属环上对称地开设有第一缝隙和第二缝隙，所述第一缝隙及第二缝隙将金属环 分成金属环上段与金属环下段，所述金属环下段与接地板之间形成天线净空区； 还包括金属后盖，所述金属后盖的边侧与金属环固定连接，并且金属后盖上沿其宽度 方向开设有第三缝隙，所述第三缝隙将金属后盖分成第一金属盖体以及第二金属盖体，所 述第一金属盖体与金属环上段对应，所述第二金属盖体与金属环下段对应，所述第一缝隙、 第二缝隙以及第三缝隙处于同一平面； 所述天线组件包括辐射主体、第一馈电部、第二馈电部、带通滤波器、具有滤波或双工 器功能的低频匹配模块以及高频匹配模块，所述辐射主体为金属环下段及第二金属盖体， 所述第一馈电部以及第二馈电部均位于天线净空区内且第一馈电部与第二馈电部相互平 行，所述第一馈电部通过高频匹配模块与辐射主体连接，所述第二馈电部通过低频匹配模 块与辐射主体连接；所述带通滤波器的一端与辐射主体连接，所述带通滤波器的另一端向 接地板延伸。
2. 根据权利要求1所述的具有全金属外壳便携式设备的LTE载波聚合天线，其特征在 于，所述金属环的左侧壁上开设有第一缝隙，金属环的右侧壁上开设有第二缝隙，且第一缝 隙与第二缝隙均靠近金属环底部位置。
3. 根据权利要求1所述的具有全金属外壳便携式设备的LTE载波聚合天线，其特征在 于，所述带通滤波器包括串接的电容和电感，带通滤波器工作在LTE的高频段内。
4. 根据权利要求1所述的具有全金属外壳便携式设备的LTE载波聚合天线，其特征在 于，还包括一电感组件，所述电感组件位于第三缝隙内，并且所述电感组件的两端分别与第 一金属盖体和第二金属盖体连接。
5. 根据权利要求1-4任一项所述的具有全金属外壳便携式设备的LTE载波聚合天线， 其特征在于，还包括设置于天线净空区的USB接口，所述USB接口位于金属环底部的中垂线 上，且USB接口与接地板连接。
6. 根据权利要求5所述的具有全金属外壳便携式设备的LTE载波聚合天线，其特征在 于，所述第一馈电部支持的高频范围为大于1. 7GHz频率，所述第二馈电部支持的低频范围 为小于1GHz频率。
【文档编号】H01Q1/44GK104505589SQ201410751793
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】赵安平, 陈浩 申请人:深圳市信维通信股份有限公司