CN110313103A - 贴片天线 - Google Patents

Abstract

本教导涉及天线布置结构，该天线布置结构包括贴片天线、接地平面、微波电路***以及第一基板，第一基板包括第一表面和第二表面，第一表面和第二表面是第一基板的相反侧，贴片天线以附接至第一表面的第一导电材料实现，并且贴片天线是相对于接地平面进行布置的，以形成谐振天线，微波电路***安装在第二表面上，并且微波电路***通过第一馈送装置可操作地连接至贴片天线，接地平面的表面积是贴片天线的表面积的至少1.5倍，其中，天线布置结构还包括第二基板，所述第二基板包括第三表面和第四表面，第三表面和第四表面是第二基板的相反侧，并且接地平面以附接至第三表面的第二导电材料实现。本教导还涉及包括天线布置结构的无线单元。

Description

贴片天线

本教导总体上涉及天线。更具体地，本教导涉及用于接收和/或传输优选地在微波范围内的电磁信号的贴片天线(patch antenna，微带天线)。

射频(“RF”)设备诸如应答器通常包括贴片天线。贴片天线主要由布置在称为接地平面的较大金属片上的平坦金属片——更简单地称为贴片——组成。在微波电路的情况下，至少一些相关联电路***需要安装在具有合适性质诸如低损耗的基板上。这样的适合于微波应用的基板——或者更简单地称为微波基板——通常很昂贵。相关的馈送(feed，馈入、馈电)网络和电路***通常需要微波基板来实现所需的性能。通常，馈送网络和相关电路***放置在基板的接地平面侧上。即使电路***的除了微波电路***之外的其余部分可能不需要特殊的基板或微波基板，为电路***的其余部分添加又一低成本/低性能基板的复杂性和成本也并不一定带来回报。结果，增加了设备的总成本。

US2004032368A1教导了一种小型化圆形极化SDS贴片天线，但其没有解决与相关电路***有关的需求。

现有技术固有的上述和其他问题将被示出为通过所附独立权利要求的特征解决。

根据本教导的目的，可以提供允许将低成本基板用于接地平面的贴片天线布置结构(arrangement，布置)。

根据本教导的另一目的，可以提供完整的贴片天线。

现在将使用通过示例示出本教导的各方面的以下附图来更详细地讨论本教导。附图不一定按比例绘制，不影响教导的范围或一般性。

图1示出了传统贴片天线。

图2通过示出其中微波电路***面向接地平面的天线布置结构示出了本教导的一方面。

图3示出了在微波电路***被放置成背离接地平面时的本教导的另一方面。

图1示出了传统贴片天线布置结构100的立体图(A)和侧视图(B)。天线布置结构100包括放置在基板105的顶部侧151上的贴片天线101。在基板105的底部侧152上，放置接地平面102。贴片天线101和接地平面102通常以金属实现。贴片101被设计成在接地平面102上方以所期望的频率电谐振。在基板105的底部侧152上，放置电路***。该电路***包括微波电路***110，该微波电路***包括需要特殊基板的部件诸如馈送网络以及电路，但是该电路***还可以包括不需要特殊基板或微波基板的其他电路和部件111。微波电路***通过馈线106连接，然后连接至探针类型馈送装置115，以电连接至贴片天线101。馈送装置115的定位通常限定阻抗。阻抗典型为50欧姆，但其可以针对其他值以及根据需求进行设计。即使馈线106可以实现为与接地平面在同一金属层中的微带(图中未明确示出)，也可能不期望改变或破坏接地平面102的完整性。本领域技术人员将理解，该馈线的替代方案是可能的，例如隔离桥、或其他类型的隔离轨道、或另一介电层、或甚至另一基板。

由于微波电路***设定的要求，基板105是微波基板。即使电路***111的除了微波电路***110之外的其余部分可能不需要特殊基板或微波基板105来充分地发挥作用，为电路***111的其余部分添加又一低成本/低性能基板的复杂性和成本也不一定带来回报，结果，其他电路***111也在同一昂贵的基板105上共享和占据区域。

在可替代布置结构(图中未示出)中，贴片101不与微波基板105直接接触。在这种情况下，贴片101可以通过气隙或者通过另一介电基板(图中未示出)与微波基板105隔开。在这种情况下，接地平面因此可以形成在基板的顶部侧151上，而微波电路***110和其他电路***111仍然可以放置在基板105的底部侧152上。这样做的优点是110和111两者或者至少微波电路***110可以在对接地平面的完整性的干扰或破坏最小的情况下被直接放置在贴片101下面，在这种情况下，接地平面将形成在微波基板105的顶部侧151上的金属层中。然而，在这种情况下，为电路***111的其余部分添加可替代的低成本/低性能基板也不一定值得。因为基板105的所需微波性质可能意味着不能使用低成本例如FR4型的层压板，因此不仅对整个电路***而且对接地平面102均使用了更昂贵的微波基板。

在许多应用中，接地平面102的面积需要至少是贴片天线101的面积的两倍，因此这意味着可能需要与接地平面的面积至少一样大的微波基板。

图2示出了根据本教导的第一方面的布置结构200。图2示出了天线布置结构200的立体图(A)和侧视图(B)。在这种情况下，贴片天线101布置在第一基板205的顶部侧221上。在第一基板205的底部侧上，放置或安装基板敏感电路***或微波电路***110。贴片天线101、第一基板205和微波电路***110的组合基本上在本文中称为“贴片天线组”。

微波电路***110通过第一馈送装置115可操作地与贴片天线101电耦合，该第一馈送装置竖向地横贯通过第一基板205或者是该第一基板中的通孔。可替代地，第一馈送装置115还可以从放置在第一基板205的周缘或边缘上的期望位置处的竖向导电路径接触天线101(图中未示出可替代情况)。

天线布置结构200还包括第二馈送装置215。第二馈送装置215可以用于例如向贴片天线组馈送低频信号诸如电源电压和基带信号。所述信号优选地在贴片101的“冷”点或斑点处馈送。在所示的贴片天线101的形状中，已知基本上处于贴片101的中心的位置是这样的“冷”斑点，即，其典型地显示最小微波信号电压。然而，图2所示的实施例没有示出在贴片天线101的中心处接触的第二馈送装置215，即使通常优选地将第二馈送装置放置在冷斑点处。

图2还示出了布置在第二基板202的顶部侧231上的接地平面102。图2(B)还示出了贴片天线101和接地平面102之间的一些场线220。第二馈送装置215与在其中实现接地平面102的同一导电层(典型地是金属层)接触，然而第二馈送装置215与接地平面电隔离。第二基板202的顶部侧231上的同一金属层也可以用于对任何附加电路***例如111(图2中未示出)进行图案化和布线。

第二馈送装置还可以充当用于如所示布置在第二基板202的顶部侧231上的贴片天线组的机械支撑。这在如图2所示的贴片天线组和接地平面之间的间隔是气隙时尤其是该情况。还可能有用于机械地支撑贴片天线组的其他机械支撑。这些其他机械支撑可以是或可以不是导电的。在它们是导电的情况下，它们还可以用于在贴片天线组和其他电路***例如111(图2中未示出)之间馈送低频或DC信号。

第二基板202的底部侧232在图2中示出为空的或未图案化的，但是如果需要，其可以包括另一金属层。可替代地或另外，附加电路***可以被安装和/或被布线在第二基板202的底部侧232上。在这种情况下，底部侧232也将具有用于对附加电路***进行布线和安装的导电层或金属层。

作为一般说明，如先前所述，附图基本上不是按比例，为了图中的一些特征的清楚起见，图中所示的一些特征大小甚至可能相对于图中所示的其他部分不成比例地放大。例如，在多数情况下，金属层101和102的厚度将通常显著小于基板105的厚度。技术人员将理解，为了全面地知晓本发明的范围和一般性，不需要按比例绘制附图。技术人员还将注意到，虽然贴片天线101在图中以圆形轮廓示出，但是其他形状诸如方形、三角形、半圆形、扇形、环圈形状和其它形状也落入本发明的范围内。此外，还如先前所述，贴片天线101和接地平面102通常以金属层实现。这样的层通过工艺诸如沉积和/或光刻或者其他合适的工艺沉积或形成在基板105上方。这些层即用于贴片天线101的层以及用于接地平面102的层常常是相同的材料。在图中，例如，在图1(B)中，这些层的截面以不同的阴影示出。这样做主要是为了使得更容易对本公开内容中的本教导的各个方面中讨论的具有类似功能的层进行关联。还将知晓，在本公开内容中，为了便于理解，在相对意义上并且关于图中所示的图片的取向使用术语如顶部、底部、向下。这样的术语不限制本教导的功能或一般性。这些层的材料，无论是否相似，都不限制本发明的范围。还可以提到的是，虽然通过观察附图可以明显看出接地平面覆盖了放置接地平面的基板侧的整个表面，但情况可能不一定如此。还可以至少放置除接地平面之外的其他电路***，该其他电路***被布线在其中实现接地平面的同一金属层中。接地平面的大小或面积通常与贴片天线的大小和形状有关。常常期望使接地平面区域延伸超过贴片天线的覆盖区域，尤其以用于减少背辐射。在实际上期望背辐射的情况下，接地平面大小可以与在其上方对齐的贴片天线大致具有相同的大小。这样的天线设计的方面在本领域中是已知的，并且不影响本发明的一般性。任何特定特征的描绘不被视为限制本发明的范围或一般性。

还可以提到的是，当贴片天线具有圆形形状时，本发明中的贴片天线和接地平面之间的间隔通常被布置成在贴片天线直径的约5％至约20％之间。在贴片天线具有另一形状或图案的情况下，可以使用相对于包围天线形状的周缘的圆的类似范围。在典型情况下，间隔为贴片天线直径的约10％。此外，也可以例如基于来自天线的带宽要求来计算间隔，并且因此甚至可以凭经验或通过实验来确定间隔。

根据一方面，在天线布置结构中，第二基板202用于仅提供传导的接地平面102。根据另一方面，第二基板202还用于安装另一电路***111。在任一情况下，第二基板202可以是低成本类型，例如，低成本PCB，诸如FR4型或其他低成本玻璃增强环氧树脂层压板。结果，仅贴片天线组的第一基板205基板需要具有微波性质。因为这样的基板的面积类似于贴片天线101的面积，因此基板的总成本明显降低。此外，关键馈送布置结构115相对简化并且其布线距离减小，这是因为微波电路***110不利用接地平面102使用的金属层。这还意味着可以进一步使微波电路***110的覆盖区域最小化，这也明显减小了根据本教导实现的微波电路***110所需的面积。

本教导的另一优点是贴片天线组可以被实现为独立模块并且放置在不同种类的无线产品上的合适位置处，而不需要特殊要求诸如特殊PCB，或者不需要适应用于微波电路***的PCB布局。在最简单的意义上对合适位置的要求将是其提供接地平面和用于安装贴片天线组的区域。第二基板甚至可以是多层PCB，其中至少一些其他电路***位于贴片天线组的覆盖区域内。以这种方式，可以在不会显著影响贴片天线组的性能的情况下减小使用所提出的天线布置结构的无线设备的整体大小。另外，当被实现为能够被安装在不同种类的PCB和无线产品上的独立模块时，还可以例如通过能够重复使用贴片天线组的相同设计来降低研发成本。

本教导的又一优点是可以以任一方式翻转贴片天线组。这在图3中示出，其中示出了具有翻转后的贴片天线组的天线布置结构300的侧视图。在这种情况下，在第一基板205的顶部侧321上，安装微波电路***110。第一馈送装置115现在从微波电路***110向下横贯，以与现在布置在贴片天线组的底部侧上的贴片天线101进行电接触。第二馈送装置215现在横贯通过贴片天线101以与顶部侧321上的微波电路***110电接触。为了将第二馈送装置215与贴片天线101电隔离，开口306被设置到贴片天线中，以用于第二馈送装置215在不接触贴片天线101的情况下通过。还示出了场线220。该布置结构的其余部分基本上类似于图2所示的布局。

翻转贴片天线组的可能性方面的灵活性意味着可以选择在给定应用中最合适的布置结构。作为实施例，图3的布置结构可能在期望使贴片天线101最少暴露于在那里待安装天线布置结构的封装件周围的其他部件的应用中更合适。图3的布置结构还可以在调整贴片天线101和接地平面102之间的距离方面、在调整天线阻抗方面提供较好的灵活性。

如早前所描述，技术人员将注意到，贴片天线组和第二基板的顶部侧231之间的间隔可以是气隙或者甚至是具有期望的介电常数的合适材料。这些方面根据期望的天线性质和***要求是灵活的。为了便于解释，本公开内容中的实施例在其最简单意义上被示出，并且不限制本教导的范围或一般性。

本领域技术人员还将知晓，本公开内容中解释的方面和实施方式可以彼此组合以实现根据特定要求的天线布置结构。单独讨论实施方式并不意味着本教导的方面不能与本文呈现的其余实施例或其他实施方式一起使用。

总之，本教导涉及一种天线布置结构，该天线布置结构包括贴片天线、接地平面、至少一些微波电路***和第一基板。第一基板包括第一表面和第二表面。第一表面和第二表面是第一基板的相反侧。第一表面和第二表面基本上彼此平行，其中隔开基本上等于第一基板的厚度。换句话说，可以说第一表面和第二表面是在第一基板中具有最大面积的表面。贴片天线以附接至第一表面的第一导电材料实现。第一电材料优选地是金属或者其至少部分地包括金属。贴片天线是相对于接地平面进行布置的，以形成谐振天线。术语谐振天线在相关技术领域中是众所周知的。优选地，贴片天线基本上平行于接地平面。还优选地，接地平面的表面相对于贴片天线表面居中。微波电路***安装在第二表面上。微波电路***通过第一馈送装置可操作地连接至贴片天线。接地平面的表面积优选地但不是基本上大于贴片天线的表面积。天线布置结构还包括第二基板。第二基板包括第三表面和第四表面。第三表面和第四表面是第二基板的相反侧。第三表面和第四表面基本上彼此平行，其中隔开基本上等于第二基板的厚度。接地平面以附接至第三表面的第二导电材料实现。第二电材料优选地是金属或者其至少部分地包括金属。

当提及表面或区域、尤其是导电层诸如金属的表面或区域时，本领域技术人员理解当提及这些区域或表面时指的是哪个区域和表面。由于当沉积在表面上时这样的层的厚度通常显著地小于其他露出的区域的尺寸，因此谈及表面区域时，通常指的是与基板的基本上平行的表面基本上平行的表面区域。参考附图，第一表面例如与图2中所示的第一基板205的顶部侧221对应。第二表面对应于另一侧上的表面，即在那里示出安装了微波电路***110的表面。

在一个实施方式中，接地平面的表面积是贴片天线的表面积的至少1.5倍。在优选实施方式中，接地平面的表面积是贴片天线的表面积的基本上2倍。

优选地，第一基板是微波基板。

还优选地，第二基板是低成本PCB，诸如FR4型或其他低成本玻璃增强环氧树脂层压板。

在一个实施方式中，第一表面被布置成直接面向接地平面表面。可替代地，第一表面被布置成背离接地平面表面。

根据另一实施方式，天线布置结构还包括第二馈送装置。第二馈送装置可操作地电连接至至少微波电路***或贴片天线。优选地，第二馈送装置用于向微波电路***馈送低频信号诸如电源电压和/或基带信号。第二馈送装置还可以用于机械地支撑和保持相对于第二基板至少弹性地固定的第一基板。

本教导还涉及包括本文所讨论的天线布置结构实施方式或方面中的任何一个天线布置结构实施方式或方面的无线单元。

Claims (10)

1.一种天线布置结构，包括，

贴片天线；

接地平面；

微波电路***；以及

第一基板，所述第一基板包括第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面是所述第一基板的相反侧，

所述贴片天线以附接至所述第一表面的第一导电材料实现，并且所述贴片天线是相对于所述接地平面进行布置的，以形成谐振天线；

所述微波电路***安装在所述第二表面上，并且所述微波电路***通过第一馈送装置可操作地连接至所述贴片天线，所述接地平面的表面积是所述贴片天线的表面积的至少1.5倍，其中，

所述天线布置结构还包括第二基板，所述第二基板包括第三表面和第四表面，所述第三表面和所述第四表面是所述第二基板的相反侧，并且所述接地平面以附接至所述第三表面的第二导电材料实现。

2.根据权利要求1所述的天线布置结构，其中，至少所述第一导电材料或所述第二导电材料至少部分地包括金属。

3.根据前述权利要求中任一项所述的天线布置结构，其中，所述第一基板是微波基板。

4.根据前述权利要求中任一项所述的天线布置结构，其中，所述第二基板是低成本PCB，诸如FR4型或其他低成本玻璃增强环氧树脂层压板。

5.根据前述权利要求中任一项所述的天线布置结构，其中，所述第一表面被布置成直接面向接地平面表面。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的天线布置结构，其中，所述第一表面被布置成背离接地平面表面。

7.根据前述权利要求中任一项所述的天线布置结构，其中，所述天线布置结构还包括第二馈送装置，所述第二馈送装置可操作地电连接至至少所述微波电路***或所述贴片天线。

8.根据权利要求7所述的天线布置结构，其中，所述第二馈送装置用于向所述微波电路***馈送低频信号诸如电源电压和/或基带信号。

9.根据权利要求8所述的天线布置结构，其中，所述第二馈送装置还用于相对于所述第二基板机械地支撑和保持所述第一基板。

10.一种无线单元，包括根据前述权利要求中任一项所述的天线布置结构。