CN113690621B - 一种基于多层pcb板的小型化高效率蓝牙天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于多层PCB板的小型化高效率蓝牙天线。本发明包括上下叠放的n个天线单元，印刷在最后一个天线单元下表面的底层辐射贴片，分别印刷在天线单元上下表面两端的4个馈电电极；并在其周围采用合适值的电感电容搭建匹配电路，使得小尺寸的天线能产生合适的谐振，在保证天线性能的同时有效的减小了整体结构的尺寸以及重量，同时采用独特的谐振结构，增加电流的有效路径，拓宽带宽，完成信号的传输以及耦合。因此该天线实现了小型化、高效率以及低成本设计。

Description

一种基于多层PCB板的小型化高效率蓝牙天线
技术领域
本发明属于射频/微波/通信技术领域，尤其涉及利用PCB板设计的天线，具体是一种基于多层PCB板的小型化高效率蓝牙天线。
背景技术
蓝牙是一种支持设备短距离通信(一般10m内)的无线电技术，能在包括移动电话、无线耳机、笔记本电脑等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，使数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。而由于技术尚无法将天线整合至芯片中，故在蓝牙模块里除了核心的***芯片外，天线是另一具有影响蓝牙模块传输特性的关键性组件。目前，大多数基于PCB板的蓝牙天线的尺寸不够小，有的增益过低，传输距离不远。由于这些因素，小型化蓝牙天线具有一定的优势。同时，部分天线的加工成本较高，比如LTCC结构、介质天线等。选用适当的天线除了有助于搭配产品的外型以及提升蓝牙模块的传输特性外，还可以更进一步降低整个蓝牙模块的成本。
发明内容
本发明的目的在于解决现有蓝牙天线加工成本较高和尺寸小型化的问题，提出一种基于多层PCB板的小型化高效率蓝牙天线。该天线的增益与普通蓝牙天线相比较高，且整体结构尺寸为3.2mm*1.6mm*1mm、重量轻、成本低、易于集成化。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于多层PCB板的小型化高效率蓝牙天线，所述天线包括：
上下叠放的n个天线单元，n≥1；
底层辐射贴片，其印刷在最后一个天线单元的下表面；
4个馈电电极(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)，分别印刷在天线单元上下表面两端；
其中，所述天线单元包括：
第一介质基板(2-1)；
第二介质基板(2-2)，位于第一介质基板(2-1)的下方；
贯穿第一介质基板(2-1)和第二介质基板(2-2)的多个第一金属化过孔和一个第二金属过孔(3-9)；
顶层辐射贴片，印刷在第一介质基板(2-1)的上表面；
中间层辐射贴片，印刷在第一介质基板(2-1)与第二介质基板(2-2)的中间位置；
其中，所述的顶层辐射贴片包括多个顶层辐射枝节，中间层辐射贴片包括多个中间层辐射枝节；各顶层辐射枝节与各中间层辐射枝节通过多个第一金属化过孔和一个第二金属过孔(3-9)连接，构成两个谐振频率相近的环状(LOOP)结构；
作为优选，所述的顶层辐射贴片包括第一顶层辐射枝节(5-1)、第二顶层辐射枝节(5-2)、第三顶层辐射枝节(5-3)、第四顶层辐射枝节(5-4)、第五顶层辐射枝节(5-5)、第六顶层辐射枝节(5-6)；第一顶层辐射枝节(5-1)的一端、第二顶层辐射枝节(5-2)的一端与馈电电极(1-1)接触，第五顶层辐射枝节(5-5)的一端、第六顶层辐射枝节(5-6)的一端与馈电电极(1-3)接触；
所述的中间层辐射贴片包括第一中间层折叠辐射枝节、第二中间层折叠辐射枝节、第四中间层辐射枝节(6-4)、第五中间层辐射枝节(6-5)；第一中间层折叠辐射枝节为一体成型结构，包括第一中间层辐射枝节(6-1)、第二中间层辐射枝节(6-2)、第三中间层辐射枝节(6-3)；第二中间层折叠辐射枝节为一体成型结构，包括第六中间层辐射枝节(6-6)、第七中间层辐射枝节(6-7)、第八中间层辐射枝节(6-8)；
两个谐振频率相近的环状(LOOP)结构，具体是：
其一为第八中间层辐射枝节(6-8)通过第七中间层辐射枝节(6-7)经第一金属化过孔接第四顶层辐射枝节(5-4)，第四顶层辐射枝节(5-4)的输出端经第一金属化过孔接第三中间层辐射枝节(6-3)，第三中间层辐射枝节(6-3)通过第一中间层辐射枝节(6-1)、第二中间层辐射枝节(6-2)经第一金属化过孔接第三顶层辐射枝节(5-3)，第三顶层辐射枝节(5-3)经第一金属化过孔接第六中间层辐射枝节(6-6)，第六中间层辐射枝节(6-6)通过第八中间层辐射枝节(6-8)经第二金属过孔(3-9)耦合至馈电电极(1-3)；
其二为第六顶层辐射枝节(5-6)经第一金属化过孔接第五中间层辐射枝节(6-5)，第五中间层辐射枝节(6-5)经第一金属化过孔接第二顶层辐射枝节(5-2)，第二顶层辐射枝节(5-2)通过馈电电极(1-1)接第一顶层辐射枝节(5-1)，第一顶层辐射枝节(5-1)经第一金属化过孔接第四中间层辐射枝节(6-4)，第四中间层辐射枝节(6-4)经第一金属化过孔接第五顶层辐射枝节(5-5)，第五顶层辐射枝节(5-5)耦合至馈电电极(1-3)；
上述两条LOOP结构，其谐振频率点相邻，从而拓宽谐振带宽；
所述的底层辐射贴片为轴对称结构，包括依次级联的第一辐射贴片(4-1)、第一带状贴片(4-2)、第二辐射贴片(4-3)、第二带状贴片(4-4)、第三辐射贴片(4-5)；第一辐射贴片(4-1)通过第一带状贴片(4-2)与第二辐射贴片(4-3)连接，第二辐射贴片(4-3)通过第二带状贴片(4-4)与第三辐射贴片(4-5)连接；第一辐射贴片(4-1)、第三辐射贴片(4-5)分别与馈电电极(1-2)、(1-4)接触。第三辐射贴片(4-5)经第二金属过孔(3-9)耦合至第八中间层辐射枝节(6-8)。将输入信号耦合给介质基板(2_1)上、下表面的辐射贴片，以此增加了电流的有效路径，提高天线的辐射增益；
作为优选，所述第二辐射贴片(4-3)为在矩形贴片侧边中开有槽，以实现对阻抗进行调整，凹槽的大小与阻抗有关，凹槽越大阻抗越小；
作为优选，第一顶层辐射枝节(5-1)、第二顶层辐射枝节(5-2)、第三顶层辐射枝节(5-3)、第四顶层辐射枝节(5-4)、第五顶层辐射枝节(5-5)、第六顶层辐射枝节(5-6)间留有空隙；更为优选，相邻顶层辐射枝节之间的间距与顶层辐射枝节宽度相等；
作为优选，第二中间层辐射枝节(6-2)、第三中间层辐射枝节(6-3)、第四中间层辐射枝节(6-4)、第五中间层辐射枝节(6-5)、第六中间层辐射枝节(6-6)、第七中间层辐射枝节(6-7)间留有空隙；更为优选，相邻中间层辐射枝节之间的间距与中间层辐射枝节宽度相等；
作为优选，所有辐射枝节的宽度相同；
作为优选，第一金属化过孔的直径与辐射贴片的宽度相等；
所述的馈电电极(1-2)作为整体结构的输入端，在其外面接入由电容电感搭建的匹配电路，从而将信号输入并耦合给其余结构；
作为优选，所述的平面结构天线不限上述的规则形状结构，也可以是圆形，椭圆或者不规则形状等各种共形结构；
所述的基于PCB结构的天线在其***有由电感电容搭建的匹配电路，其馈电方式不仅限于同轴馈电，也包括通过微带馈电，缝隙耦合馈电和共面波导馈电。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用平面结构的PCB来制作天线，实现了天线的低剖面特性。
2、本发明采用多层PCB板结构，延长了电流的有效路径，同时在第二介质基板下表面采用不规则的渐变图形设计辐射贴片，使得阻抗匹配性能较好，辐射效率较高。
3、本发明采用金属化过孔将多层PCB板结构相连，天线单元既使得输入信号通过金属化过孔耦合到上层结构，又使得上两层PCB板的辐射贴片构成回路，从而产生两个谐振点，且上两层PCB板的辐射贴片采用双谐振结构，有两个相近的谐振点，从而拓宽带宽。
4、本发明为使得天线在小尺寸情况下的阻抗匹配性能较好，在其***加入由电容电感搭建的匹配电路，提高天线性能。
5、本发明天线的体积小、重量轻，整体尺寸约为3.2mm*1.6mm*1mm，其成本低，便于批量制造。
附图说明
图1为天线整体结构示意图；
图2(a)为第二介质基板(2-2)下表面的辐射贴片结构示意图；
图2(b)为第一介质基板(2-1)上、下表面的辐射贴片结构示意图；
图3为对应图1所示天线S参数测试结果；
图4为对应图1所示天线H面辐射方向图测试结果；
图5为对应图1所示天线E面辐射方向图测试结果；
图6(a)为对应图1所示天线在2.0-3.0GHz频段所对应的增益曲线图；
图6(b)为对应图1所示天线在5.0-6.0GHz频段所对应的增益曲线图；
图中标记：馈电电极A1-1、馈电电极B1-2、馈电电极C1-3、馈电电极D1-4、第一介质基板2-1、第二介质基板2-2、第一金属过孔A3-1、第一金属过孔B3-2、第一金属过孔C3-3、第一金属过孔D3-4、第一金属过孔E3-5、第一金属过孔F3-6、第一金属过孔G3-7、第一金属过孔H3-8、第二金属过孔3-9、第一辐射贴片4-1、第一带状贴片4-2、第二辐射贴片4-3、第二带状贴片4-4、第三辐射贴片4-5、第一顶层辐射枝节5-1、第二顶层辐射枝节5-2、第三顶层辐射枝节5-3、第四顶层辐射枝节5-4、第五顶层辐射枝节5-5、第六顶层辐射枝节5-6、第一中间层辐射枝节6-1、第二中间层辐射枝节6-2、第三中间层辐射枝节6-3、第四中间层辐射枝节6-4、第五中间层辐射枝节6-5、第六中间层辐射枝节6-6、第七中间层辐射枝节6-7、第八中间层辐射枝节6-8。
具体实施方式
为了更加清楚地说明本发明解决的问题、采用的技术方案和有益效果，下面结合图示说明本发明的具体实施方式，这里所描述的优选实施例子仅用于说明和解释本发明，并不用以限制本发明，凡是在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换和改进等，均应在本发明的保护范围之内。
如图1、图2(a)、图2(b)所示，一种基于多层PCB板的小型化高效率蓝牙天线，包括天线单元，印刷在天线单元的下表面的底层辐射贴片、印刷在天线单元上下表面两端的馈电电极A1-1、馈电电极B1-2、馈电电极C1-3、馈电电极D1-4；天线单元包括包括上下叠放的第一介质基板2-1、第二介质基板2-2，印刷在第一介质基板2-1上表面的顶层辐射贴片，印刷在第一介质基板2-1与第二介质基板2-2中间位置的中间层辐射贴片，以及贯穿第一介质基板2-1和第二介质基板2-2的第一金属过孔A3-1、第一金属过孔B3-2、第一金属过孔C3-3、第一金属过孔D3-4、第一金属过孔E3-5、第一金属过孔F3-6、第一金属过孔G3-7、第一金属过孔H3-8和第二金属过孔3-9；
第一介质基板2-1、第二介质基板2-2采用普通的FR4板材；
第一介质基板2-1上表面印刷有顶层辐射贴片(第一顶层辐射枝节5-1、第二顶层辐射枝节5-2、第三顶层辐射枝节5-3、第四顶层辐射枝节5-4、第五顶层辐射枝节5-5、第六顶层辐射枝节5-6)，在其左右两边印刷了馈电电极A1-1、馈电电极C1-3，在下表面印刷有中间层辐射贴片(第一中间层辐射枝节6-1、第二中间层辐射枝节6-2、第三中间层辐射枝节6-3、第四中间层辐射枝节6-4、第五中间层辐射枝节6-5、第六中间层辐射枝节6-6、第七中间层辐射枝节6-7、第八中间层辐射枝节6-8)，且通过第一金属过孔A3-1、第一金属过孔B3-2、第一金属过孔C3-3、第一金属过孔D3-4、第一金属过孔E3-5、第一金属过孔F3-6、第一金属过孔G3-7、第一金属过孔H3-8将两层的辐射贴片进行连接，构成谐振回路；第二介质基板2-2下表面印刷有第一辐射贴片4-1、第一带状贴片4-2、第二辐射贴片4-3、第二带状贴片4-4、第三辐射贴片4-5，在其左右两边印刷了馈电电极B1-2、馈电电极D1-4，且通过第二金属过孔3-9与第一介质基板2-1表面的第五顶层辐射枝节5-5、第六顶层辐射枝节5-6、第八中间层辐射枝节6-8连接，将输入的信号耦合给其他辐射贴片，从而产生对应频段的谐振；
所述的馈电电极C1-3与馈电电极D1-4通过第二金属过孔3-9进行导通，从而实现信号的耦合；
第八中间层辐射枝节6-8通过第七中间层辐射枝节6-7经第一金属化过孔接第四顶层辐射枝节5-4，第四顶层辐射枝节5-4的输出端经第一金属化过孔接第三中间层辐射枝节6-3，第三中间层辐射枝节6-3通过第一中间层辐射枝节6-1、第二中间层辐射枝节6-2经第一金属化过孔接第三顶层辐射枝节5-3，第三顶层辐射枝节5-3经第一金属化过孔接第六中间层辐射枝节6-6，第六中间层辐射枝节6-6通过第八中间层辐射枝节6-8经第二金属过孔3-9耦合至馈电电极1-3；第六顶层辐射枝节5-6经第一金属化过孔接第五中间层辐射枝节6-5，第五中间层辐射枝节6-5经第一金属化过孔接第二顶层辐射枝节5-2，第二顶层辐射枝节5-2通过馈电电极1-1接第一顶层辐射枝节5-1，第一顶层辐射枝节5-1经第一金属化过孔接第四中间层辐射枝节6-4，第四中间层辐射枝节6-4经第一金属化过孔接第五顶层辐射枝节5-5，第五顶层辐射枝节5-5耦合至馈电电极1-3；整个结构构成两个谐振频率相近的环状LOOP结构；
第一中间层辐射枝节6-1的一端与第二中间层辐射枝节6-2、第三中间层辐射枝节6-3的一端相连，第八中间层辐射贴片6-8的一端与第六中间层辐射贴片6-6、第七中间层辐射贴片6-7的一端相连；
所述的第一辐射贴片4-1、第一带状贴片4-2、第二辐射贴片4-3、第二带状贴片4-4、第三辐射贴片4-5位于第二介质基板2-2的下表面，其中第一辐射贴片4-1的一端与馈电电极B1-2相接触，另一端与第一带状贴片4-2相连；而第一带状贴片4-2的另一端与第二辐射贴片4-3相连；而第二辐射贴片4-3的另一端与第二带状贴片4-4相连；而第二带状贴片4-4的另一端与第三辐射贴片4-5相连；而第三辐射贴片4-5的另一端与馈电电极D1-4相接触，同时第三辐射贴片4-5还通过第二金属过孔3-9与第八中间层辐射枝节6-8、馈电电极C-3相连，从而将输入信号耦合给第一介质基板2-1上、下表面的两层辐射贴片，以此增加了电流的有效路径，提高天线的辐射增益；
如图3所示，本实施例天线的谐振点有两个，一个为2.45GHz，另一个为5.5GHz。说明本发明为工作在双频段的天线，且其驻波比小于1.5，阻抗匹配良好。
如图4所示，天线工作频段的典型辐射方向图测试结果，由H面可以看出该天线具有良好的全向特性，可以满足蓝牙的通信要求。
如图5所示，天线工作频段的典型辐射方向图测试结果，由E面可以看出该天线的方向无较大畸变，可以满足蓝牙的通信要求。
如图6所示，天线工作频段的增益曲线，由结果可以看出在2.4GHz频段，该天线的增益接近2dB，其相比部分PCB板蓝牙天线，增益较高。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于多层PCB板的小型化高效率蓝牙天线，其特征在于，所述天线包括：
上下叠放的n个天线单元，n≥1；
底层辐射贴片，其印刷在最后一个天线单元的下表面；
4个馈电电极（1-1）、（1-2）、（1-3）、（1-4），分别印刷在天线单元上下表面两端；
其中，所述天线单元包括：
第一介质基板（2-1）；
第二介质基板（2-2），位于第一介质基板（2-1）的下方；
贯穿第一介质基板（2-1）和第二介质基板（2-2）的多个第一金属化过孔和一个第二金属过孔（3-9）；
顶层辐射贴片，印刷在第一介质基板（2-1）的上表面；
中间层辐射贴片，印刷在第一介质基板（2-1）与第二介质基板（2-2）的中间位置；
其中，所述的顶层辐射贴片包括第一顶层辐射枝节（5-1）、第二顶层辐射枝节（5-2）、第三顶层辐射枝节（5-3）、第四顶层辐射枝节（5-4）、第五顶层辐射枝节（5-5）、第六顶层辐射枝节（5-6）；第一顶层辐射枝节（5-1）的一端、第二顶层辐射枝节（5-2）的一端与馈电电极（1-1）接触，第五顶层辐射枝节（5-5）的一端、第六顶层辐射枝节（5-6）的一端与馈电电极（1-3）接触；中间层辐射贴片包括第一中间层折叠辐射枝节、第二中间层折叠辐射枝节、第四中间层辐射枝节（6-4）、第五中间层辐射枝节（6-5）；第一中间层折叠辐射枝节为一体成型结构，包括第一中间层辐射枝节（6-1）、第二中间层辐射枝节（6-2）、第三中间层辐射枝节（6-3）；第二中间层折叠辐射枝节为一体成型结构，包括第六中间层辐射枝节（6-6）、第七中间层辐射枝节（6-7）、第八中间层辐射枝节（6-8）；各顶层辐射枝节与各中间层辐射枝节通过多个第一金属化过孔和一个第二金属过孔（3-9）连接，构成两个谐振频率相近的环状LOOP结构；
所述两个谐振频率相近的环状LOOP结构具体是：
其一为第八中间层辐射枝节（6-8）通过第七中间层辐射枝节（6-7）经第一金属化过孔接第四顶层辐射枝节（5-4），第四顶层辐射枝节（5-4）的输出端经第一金属化过孔接第三中间层辐射枝节（6-3），第三中间层辐射枝节（6-3）通过第一中间层辐射枝节（6-1）、第二中间层辐射枝节（6-2）经第一金属化过孔接第三顶层辐射枝节（5-3），第三顶层辐射枝节（5-3）经第一金属化过孔接第六中间层辐射枝节（6-6），第六中间层辐射枝节（6-6）通过第八中间层辐射枝节（6-8）经第二金属过孔（3-9）耦合至馈电电极（1-3）；
其二为第六顶层辐射枝节（5-6）经第一金属化过孔接第五中间层辐射枝节（6-5），第五中间层辐射枝节（6-5）经第一金属化过孔接第二顶层辐射枝节（5-2），第二顶层辐射枝节（5-2）通过馈电电极（1-1）接第一顶层辐射枝节（5-1），第一顶层辐射枝节（5-1）经第一金属化过孔接第四中间层辐射枝节（6-4），第四中间层辐射枝节（6-4）经第一金属化过孔接第五顶层辐射枝节（5-5），第五顶层辐射枝节（5-5）耦合至馈电电极（1-3）。
2.如权利要求1所述的一种基于多层PCB板的小型化高效率蓝牙天线，其特征在于，所述的底层辐射贴片为轴对称结构，包括依次级联的第一辐射贴片（4-1）、第一带状贴片（4-2）、第二辐射贴片（4-3）、第二带状贴片（4-4）、第三辐射贴片（4-5）；第一辐射贴片（4-1）通过第一带状贴片（4-2）与第二辐射贴片（4-3）连接，第二辐射贴片（4-3）通过第二带状贴片（4-4）与第三辐射贴片（4-5）连接；第一辐射贴片（4-1）、第三辐射贴片（4-5）分别与馈电电极（1-2）、（1-4）接触；第三辐射贴片（4-5）经第二金属过孔（3-9）耦合至第八中间层辐射枝节（6-8）。
3.如权利要求2所述的一种基于多层PCB板的小型化高效率蓝牙天线，其特征在于，所述第二辐射贴片（4-3）为在矩形贴片侧边中开有槽，以实现对阻抗进行调整。
4.如权利要求1所述的一种基于多层PCB板的小型化高效率蓝牙天线，其特征在于，第一顶层辐射枝节（5-1）、第二顶层辐射枝节（5-2）、第三顶层辐射枝节（5-3）、第四顶层辐射枝节（5-4）、第五顶层辐射枝节（5-5）、第六顶层辐射枝节（5-6）间留有空隙；第二中间层辐射枝节（6-2）、第三中间层辐射枝节（6-3）、第四中间层辐射枝节（6-4）、第五中间层辐射枝节（6-5）、第六中间层辐射枝节（6-6）、第七中间层辐射枝节（6-7）间留有空隙。
5.如权利要求1所述的一种基于多层PCB板的小型化高效率蓝牙天线，其特征在于，所述的馈电电极（1-2）作为输入端，在其外面接入由电容电感搭建的匹配电路，从而将信号输入并耦合给其余结构。
6.如权利要求1所述的一种基于多层PCB板的小型化高效率蓝牙天线，其特征在于，天线平面结构采用圆形，椭圆或不规则形状。
7.如权利要求6所述的一种基于多层PCB板的小型化高效率蓝牙天线，其特征在于，天线馈电方式包括但不限于同轴馈电，微带馈电，缝隙耦合馈电或共面波导馈电。
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