天线结构和通信设备的制作方法

1.本技术属于天线技术领域，具体涉及一种天线结构和通信设备。


背景技术：

2.在智能手表等可穿戴电子产品内常需要设置定位天线，例如是gps天线。gps天线应具有l1(1575.42mhz)和l5(1176.45mhz)两个频段。这两个频段的差异较大，且需要将gps天线设置在较小的设备空间内。与此同时gps信号是圆极化的，这需要天线能够对左手圆极化信号和右手圆极化信号具有差异的响应。智能手表的设备空间较小，这也是较难实现的。


技术实现要素：

3.本技术的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种天线结构和通信设备。
4.为解决上述技术问题，本技术采用如下技术方案：一种天线结构，包括：封闭金属环、第一绝缘支架和第二绝缘支架；
5.在所述第一绝缘支架上设置有第一天线分支，在所述第二绝缘支架上设置有第二天线分支，所述第一天线分支具有第一馈电点，所述第二天线分支具有第二接地点；
6.所述第一天线分支和所述第二天线分支均位于所述封闭金属环的开口方向上的同一侧；
7.所述第一天线分支与所述封闭金属环之间留有间距且二者沿所述开口方向具有交叠区域，以形成电容耦合，所述第二天线分支与所述封闭金属环之间留有间距且二者沿所述开口方向具有交叠区域，以形成电容耦合；
8.所述第一天线分支的形状和尺寸部分决定第一谐振频率，所述第二天线分支的形状和尺寸部分决定第二谐振频率；
9.所述第一馈电点在基准平面的正投影与所述封闭金属环的中心的连线为第一连线，所述第二接地点在所述基准平面的正投影与所述封闭金属环的中心的连线为第二连线，所述第一连线和所述第二连线二者的方向设置成影响所述天线结构的右手圆极化隔离增益与左手圆极化隔离增益，其中，所述基准平面为经过所述封闭金属环的中心且垂直于所述开口方向的平面。
10.为解决上述技术问题，本技术采用如下技术方案：一种天线结构，包括：封闭金属环、第一绝缘支架、和第二绝缘支架；
11.在所述第一绝缘支架上设置有第一天线分支，在所述第二绝缘支架上设置有第二天线分支，所述第一天线分支具有第一馈电点，所述第二天线分支具有第二接地点；
12.所述封闭金属环环绕所述第一天线分支和所述第二天线分支；
13.所述第一天线分支与所述封闭金属环之间留有间距，以形成电容耦合，所述第二天线分支与所述封闭金属环之间留有间距，以形成电容耦合；
14.所述第一天线分支的形状和尺寸部分决定第一谐振频率，所述第二天线分支的形状和尺寸部分决定第二谐振频率；
15.所述第一馈电点在基准平面的正投影与所封闭金属环的中心的连线为第一连线，所述第二接地点在所述基准平面的正投影与所述封闭金属环的中心的连线为第二连线，所述第一连线和所述第二连线二者的方向设置成影响所述天线结构的右手圆极化隔离增益与左手圆极化隔离增益，其中，所述基准平面为经过所述封闭金属环的中心且垂直于所述封闭金属环的开口方向的平面。
16.为解决上述技术问题，本技术采用如下技术方案：一种通信设备，包括前述的天线结构。
17.为解决上述技术问题，本技术采用如下技术方案：一种通信设备，包括前述的天线结构，并且，所述第一天线分支还具有第一接地点，所述第一接地点可受控而经一电容接地、或经一电感接地、或浮接。
18.与现有技术相比，本技术的有益效果为：在本技术所提供的两类天线结构中，第一天线分支的形状和尺寸以及与封闭金属环的距离对第一谐振频段的影响较大，第二天线分支的形状和尺寸以及与封闭金属环的距离对第二谐振频段的影响较大，封闭金属环可以起到增强辐射的作用，两个谐振频段能够独立设计，从而能够实现频率间距较大的两个谐振频段。设计人员可以通过沿封闭金属环的周向改变第一绝缘支架和第二绝缘支架的位置调试得到预期的圆极化效果。进一步，即使受限于通信设备的结构设计的约束条件，不能沿封闭金属环的周向移动第一绝缘支架和第二绝缘支架，设计人员也可以沿封闭金属环的周向移动第一馈电点和第二接地点的位置，从而调试得到预期的圆极化效果。该天线结构的结构简单且紧凑，占用空间较小，可应用在智能手表等体积较小的通信设备上。
附图说明
19.图1是根据本技术实施例的天线结构及其参与构成的通信设备去除部分零件后的正面视图。
20.图2是图1所示通信设备去除部分零件后的正面视图。
21.图3是图1所示通信设备去除部分零件后的背面视图。
22.图4是图3所示通信设备去除部分零件后的背面视图。
23.图5是图1所示通信设备去除部分零件后的侧面视图。
24.图6是图1所示通信设备中第一馈电点和第二接地点的几种分布示意图。
25.图7是图1所示通信设备中gps天线的回波损耗数据。
26.图8是图1所示通信设备中gps天线的效率数据。
27.图9是图1所示通信设备中蓝牙天线的回波损耗数据。
28.图10是图1所示通信设备中蓝牙天线的效率数据。
29.图11是图1所示通信设备中gps天线的左手圆极化和右手圆极化的对比示意图。
30.图12是图1所示通信设备中gps天线的轴比示意图。
31.图13是根据本技术实施例的天线结构及其参与构成的通信设备的正面视图。
32.图14是图13所示通信设备的侧面视图。
33.图15是图13所示天线结构在基准平面的正投影视图。
34.图16是第一接地点的连接方式示意图。
35.其中，r、封闭金属环；d、显示屏；h1、第一绝缘支架；h2、第二绝缘支架；a1、第一天
线分支；a2、第二天线分支；c、后壳；f1、第一馈电点；g1、第一接地点；f2、第二馈电点；a3、第三天线分支；g3、第三馈电点；g2、第二接地点；p、电路板；b、电池；o、封闭金属环的中心；c1、电容；l1、电感；k1、开关。
具体实施方式
36.在本技术中，应理解，诸如“包括”或“具有”等术语旨在指示本说明书中存在所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，但是并不排除存在一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在的可能性。
37.另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
38.下面结合附图所示的实施例对本技术作进一步说明。
39.本技术的实施例提供一种天线结构，包括：封闭金属环、第一绝缘支架和第二绝缘支架；
40.在第一绝缘支架上设置有第一天线分支，在第二绝缘支架上设置有第二天线分支，第一天线分支具有第一馈电点，第二天线分支具有第二接地点；
41.第一天线分支和第二天线分支均位于封闭金属环的开口方向上的同一侧；
42.第一天线分支与封闭金属环之间留有间距且二者沿开口方向具有交叠区域，以形成电容耦合，第二天线分支与封闭金属环之间留有间距且二者沿开口方向具有交叠区域，以形成电容耦合；
43.所述第一天线分支的形状和尺寸部分决定第一谐振频率，所述第二天线分支的形状和尺寸部分决定第二谐振频率；
44.第一馈电点在基准平面的正投影与封闭金属环的中心的连线为第一连线，第二接地点在基准平面的正投影与封闭金属环的中心的连线为第二连线，第一连线和第二连线二者的方向设置成影响天线结构的右手圆极化隔离增益与左手圆极化隔离增益，其中，基准平面为经过封闭金属环的中心且垂直于开口方向的平面。
45.封闭金属环具有一定的厚度，封闭金属环形成两个开口，封闭金属环的开口方向可定义为连接这两个开口的中心的直线的延伸方向。第一天线分支和第二天线分支均位于封闭金属环的开口方向上的同一侧，也即是第一天线分支和第二天线分支均位于封闭金属环的一个开口背向另一个开口的一侧。
46.第一天线分支的形状和尺寸以及与封闭金属环的间距对第一谐振频段的影响较大，第二天线分支的形状和尺寸以及与封闭金属环的间距对第二谐振频段的影响较大，封闭金属环可以起到增强辐射的作用，两个谐振频段能够独立设计，从而能够实现频率间距较大的两个谐振频段。此外，封闭金属环的尺寸和形状对两个谐振频段也会产生影响。对两个谐振频段的调试手段更加灵活。
47.进一步，设计人员可以通过沿封闭金属环的周向改变第一绝缘支架和第二绝缘支架的位置调试得到预期的圆极化效果。即使受限于通信设备的结构设计的约束条件，不能沿封闭金属环的周向移动第一绝缘支架和第二绝缘支架，设计人员也可以沿封闭金属环的周向移动第一馈电点和第二接地点的位置，从而调试得到预期的圆极化效果。
48.该天线结构的结构简单且紧凑，占用空间较小，可应用在智能手表等体积较小的
通信设备上。
49.可选地，第一天线分支和第二天线分支均位于封闭金属环的开口方向上的同一侧，具体为：第一天线分支和第二天线分支均位于封闭金属环底侧。
50.即在应用状态下，如将封闭金属环水平放置，封闭金属环的开口方向为上下方向，即一个开口朝上，另一个开口朝下，第一天线分支和第二天线分支均位于封闭金属环的下方。
51.以下均以天线结构应用在智能手表中，且智能手表正面朝上水平放置的姿态进行说明。
52.在图1至图5中，智能手表的部分机械结构被去除，以展示与本技术相关的结构特征。例如，在图1中，从智能手表的正面看去，展示智能手表正面上中心的显示屏d，环绕显示屏d的封闭金属环r。如将该智能手表正面朝上地水平放置，则第一绝缘支架h1和第二绝缘支架h2位于封闭金属环r的下方。又例如，在图3中，从智能手表的背面看去，展示智能周手表背面的后壳c(可以是金属材质，也可以是绝缘材质)。图3中后壳c周边的一些壳体被去除，从而露出了第一绝缘支架h1和第二绝缘支架h2、以及二者背面上的部分走线。
53.封闭金属环的上表面可以是一个平面，也可以一个曲面。例如封闭金属环的内周面可以限定一个柱状的内部空间，也可以限定一个圆台状的内部空间，或者是限定一个具有台阶的内部空间。当然，封闭金属环的形状也可以是不规则的。如将封闭金属环设置在通信设备的外壳外表面上，或者被透明材料覆盖而对用户是可见的，则还可以起到美化通信设备外观的效果。
54.参考图5，第一绝缘支架h1和第二绝缘支架h2具有一定的厚度，且与封闭金属环r不接触，从而使得设置在第一绝缘支架h1上的第一天线分支a1和设置在第二绝缘支架h2上的第二天线分支a2与封闭金属环r之间形成电容耦合。第一天线分支a1和第二天线分支a2例如是通过3d打印的工艺形成在对应的绝缘支架上。当然，如果这些绝缘支架的形状是规则平整的，也可通过沉积、刻蚀等工艺形成这些天线分支的走线。
55.在图5所示的实施方式中，封闭金属环r设置在智能手表的外壳外表面上，使得智能手表具有美观的外形。第一绝缘支架h1和第二绝缘支架h2设置在智能手表的外壳内侧。第一绝缘支架h1和第二绝缘支架h2二者的上表面靠近封闭金属环r，但与封闭金属环r之间留有间距。
56.在图5中，第一天线分支a1的第一接地点g1和第一馈电点f1与下方的电路板p电连接。在图5当前视角下，第二天线分支a2的第二接地点g2与电路板p的连接不可见。图5中还示出了第三天线分支a3(在后文进行介绍)与电路板p的连接。图5中还示出了智能手表内部的电池b。
57.参考图2，第一绝缘支架h1的上表面上形成有第一天线分支a1的部分走线。继而参考图4和图5，第一绝缘支架h1的上表面上的第一天线分支a1的走线沿着第一绝缘支架h1的侧面延伸至第一绝缘支架h1的下表面，并且第一天线分支a1在第一绝缘支架h1的下表面上设置有第一馈电点f1和一个可选的第一接地点g1。
58.参考图2，第二绝缘支架h2的上表面上形成有第二天线分支a2的部分走线。继而参考图4，第二绝缘支架h2的上表面上的第二天线分支a2的走线沿着第二绝缘支架h2的侧面(未示出)延伸至第二绝缘支架h2的下表面，并且第二天线分支a2在第二绝缘支架h2的下表
面上设置有第二接地点g2。
59.以上实施方式中可以最大化的利用绝缘支架的表面积，增强天线的辐射性能。
60.在一些可能的变式中，第一绝缘支架的上表面也可以是与封闭金属环的下表面接触的，而第一天线走线全部设置在第一绝缘支架的下表面。第二绝缘支架的上表面也可以是与封闭金属环的下表面接触的，而第二天线走线全部设置在第二绝缘支架的下表面。
61.本技术的发明人在研发过程中发现，如将第一馈电点和第二接地点二者沿沿封闭金属环的周向上移动，会对天线结构的左手圆极化隔离增益和右手圆极化隔离增益产生明显的影响。发明人估计，这是由于不位置的第一馈电点和第二接地点会对由于第一天线分支和第二天线分支通过封闭金属环的耦合形成的电场有水平矢量和垂直矢量的大小和夹角不同造成的不同的效应。
62.图6中的数字12、3、6和9表示的是智能手表表盘上12点钟、3点钟、6点钟和9点钟的方位。将表盘划分成4个象限，第一馈电点f1和第二接地点a2应设置在不同的象限，且二者在表盘所在平面的正投影与表盘中心连线的角度应当大于90
°
。
63.发明人发现，如按照图6所示的布局将第一馈电点f1和第二接地点a2设置在不同的象限，进而再对第一馈电点f1和第二接地点a2沿封闭金属环的周向移动，可以调试得到预期的右手圆极化隔离增益和左手圆极化隔离增益。
64.这是由于智能手表的结构紧凑，其内部元件也会对天线结构的性能造成影响。即使将天线结构独立出来单独进行测试，其圆极化特性也是对第一馈电点和第二接地点沿封闭金属环周向上的位置敏感的。
65.图6也可以理解为将表盘、第一馈电点f1、第一接地点g1和第二接地点g2正投影至基准平面的视图，这是等价的。表盘的中心对应的是封闭金属环的中心o。
66.发明人研究发现，天线结构的圆极化特性对第一接地点g1的位置不敏感。
67.结合图6，第一连线(o
‑
f1)与第二连线(o
‑
g2)的夹角大于90
°
。这使得天线结构的左手圆极化隔离增益与右手圆极化隔离增益的差异会相对较大。
68.以上实施例中，第一天线分支、第二天线分支和封闭金属环构成gps天线(也可以是其他类型的圆极化双频天线)。智能手表中常需要设置蓝牙天线从而实现智能手表与手机之间的蓝牙通信(也可以是其他类型的天线，只要不需要与gps天线耦合即可)。而如将蓝牙天线设置在第二天线支架上，可以简化天线结构的结构复杂度。
69.也即是，在一些实施例中，结合图4和图5，在第二绝缘支架h2上还设置有第三天线分支a3，第三天线分支a3具有第三接地点g3和第二馈电点f2，第三天线分支a3与第二天线分支a2之间无耦合，第三天线分支a3与封闭金属环r的间距大于第二天线分支a2与封闭金属环r的间距，以使第三天线分支a3与封闭金属环r之间无耦合。
70.第三天线分支与第二天线分支的距离应当足够大，与封闭金属环的距离足够大，从而第三天线分支作为一个独立的天线。可通过移动第三天线分支的位置，找到其对封闭金属环、第一天线分支和第二天线分支三者构成的双频圆极化天线影响可忽略的第三天线分支的合理位置。鉴于此，可选地，第三天线分支全部形成在第二绝缘支架的背对封闭金属环的表面上。
71.第三天线分支的形状和尺寸是独立设计的，第三天线分支又例如是5g nr天线(5g新空口天线)。
72.对本技术一个实施例的天线结构进行测试，可以发现，该天线结构的gps天线表现出良好的双频圆极化特性，并蓝牙天线的性能也是符合预期的。具体地，将具有该天线结构的智能手表佩戴待仿真手腕上进行测试，从而模拟真实的应用场景。
73.图7展示的是该天线结构中gps天线的回波损耗。在1.545ghz附近的谐振是由第一天线分支和封闭金属环耦合产生的。可通过调节第一天线分支的形状、尺寸等来调试该谐振。1.176ghz附近的谐振是由第二天线分支和封闭金属环耦合产生的。可通过调节第二天线分支的形状、尺寸等来调节该谐振。
74.除此之外，第一天线分支和第二天线分支二者与封闭金属环的距离也会对两个谐振造成影响。该测试例中，第一天线分支与第二天线分支二者与封闭金属环的距离均在0.1mm。
75.图8示出的是该测试例的gps天线的效率。该智能手表在腕带状态下，在1.575ghz的效率是
‑
6.5db，在1.176ghz的效率是
‑
8.2db。该性能在业内是领先的。
76.图9示出的是测试例的蓝牙天线的回波损耗。该回波损耗是由第三天线分支所产生的。图10示出的是测试例的蓝牙天线的效率。可以发现，该蓝牙天线的性能也是符合行业标准的。
77.发明人进一步测试gps天线的圆极化特性。
78.图11展示的是gps天线在l1频段(1.575ghz)的左手圆极化隔离增益和右手圆极化隔离增益的对比图。图11中的phi的定义可参考图5。假设智能手表是正面朝上水平放置的，x轴是水平方向，y轴是竖直方向的，z轴(未示出)是另外一个水平方向，那么phi角则是在x轴和y轴所在平面内的角度值。即图11中的平面为图5中的x
‑
y轴所限定的平面。
79.可以看到，在90
°
位置处，也就是竖直向上的方向上，gps天线的l1频段是右手圆极化的，与gps卫星的信号是同极化的。这使得gps天线的灵敏度非常高。
80.从图12的轴比数据中可以看出，该gps天线对1.575ghz信号，在竖直向上的方向上轴比是4db左右，是一个业内相当好的轴比数据。
81.以上实施例中，封闭金属环的下表面与第一天线分支和第二天线分支相对，封闭金属环是相对扁平的。而在另外一些变式中，天线结构包括：封闭金属环、第一绝缘支架、和第二绝缘支架；
82.在第一绝缘支架上设置有第一天线分支，在第二绝缘支架上设置有第二天线分支，第一天线分支具有第一馈电点，第二天线分支具有第二接地点；
83.封闭金属环环绕第一天线分支和第二天线分支；
84.第一天线分支与封闭金属环之间留有间距，以形成电容耦合，第二天线分支与封闭金属环之间留有间距，以形成电容耦合；
85.第一天线分支的形状和尺寸部分决定第一谐振频率，第二天线分支的形状和尺寸部分决定第二谐振频率；
86.第一馈电点在基准平面的正投影与所封闭金属环的中心的连线为第一连线，第二接地点在基准平面的正投影与封闭金属环的中心的连线为第二连线，第一连线和第二连线二者的方向设置成影响天线结构的右手圆极化隔离增益与左手圆极化隔离增益，其中，基准平面为经过封闭金属环的中心且垂直于封闭金属环的开口方向的平面。
87.即第一天线分支与第二天线分支是与封闭金属环的内周面相对的。其工作原理与
前述实施例是相似的。
88.仍以天线结构设置在智能手表上为例，封闭金属环可以是设置在智能手表的侧面上的一个封闭的金属环。
89.参考图13和图14，智能手表的正面设置显示屏d，侧面设置封闭金属环r。
90.参考图15，第一绝缘支架h1和第二绝缘支架h2是设置在智能手表外壳内侧，且二者分别与封闭金属环的内周面相对。
91.第一绝缘支架h1可以是一个与封闭金属环r的内周面形状相匹配的弯曲板状结构，也可以是一个不规则的结构，或者是一个平板结构。
92.该天线结构的工作原理与前述实施例相似，区别仅在于封闭金属环、第一绝缘支架和第二绝缘之间的空间位置关系进行了改变。
93.例如在一些实施例中，第一连线与第二连线的夹角大于90
°
。
94.在一些实施例中，第一天线分支还具有第一接地点。
95.在一些实施例中，在第二绝缘支架上还设置有第三天线分支，第三天线分支具有第三接地点和第二馈电点，第三天线分支与第二天线分支之间无耦合，第三天线分支与封闭金属环的间距大于第二天线分支与封闭金属环的间距，以使第三天线分支与封闭金属环之间无耦合。
96.在一些实施例中，第三天线分支构成蓝牙天线或5g nr天线。
97.在一些实施例中，第一天线分支、第二天线分支和封闭金属环构成gps天线。
98.容易理解，可以沿封闭金属环r的周向移动第一绝缘支架h1、第二绝缘支架h2，或者沿封闭金属环r的周向移动第一馈电点f1和第二接地点g2的位置，来调试双频圆极化特性。
99.本技术的实施例还提供一种通信设备，包括前述的天线结构。
100.通信设备例如是智能穿戴设备(如智能手表)。
101.在一些实施例中，封闭金属环形成在通信设备的壳体外表面上，第一绝缘支架和第二绝缘支架设置在通信设备的壳体内侧。
102.在一些实施例中，对于第一天线分支具有第一接地点的情况，第一接地点可受控而经一电容接地、或经一电感接地、或浮接。
103.参考图16，在智能手表的电路板上设置电容、电感和空位，第一接地点分别通过开关k1、k2和k3连接电容c1、电感l1和空位(该点位什么都不接)。也可以是使用市售的单刀四掷的开关芯片的3个输出端分别连接电容c1、电感l1和空位，单刀四掷的开关芯片的输入端连接第一接地点g1。本技术对开关元件的形式不做限定。
104.在对智能手表的天线性能进行调试时，可以控制第一接地点g1与电容c1连通，从而第一接地点g1经电容c1接地；也可以控制第一接地点g1与电感l1连通，从而第一接地点g1经电感l1接地；也可以控制第一接地点g1与一个空位连通，从而第一接地点g1浮接。这样带来的有益效果是增加天线结构调试的灵活性。不论第一接地点g1是经电容c1接地、经电感l1接地还是浮接，都会都天线结构的性能造成影响。
105.本技术中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
106.本技术的保护范围不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本技术
进行各种改动和变形而不脱离本技术的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本技术权利要求及其等同技术的范围，则本技术的意图也包含这些改动和变形在内。