CN1639912A - 多频段微波天线 - Google Patents

Abstract

描述了一种多频段微波天线(1)，所说的天线特别适用于表面安装(SMD)在印刷电路板(PCB)上并且具有一个基板(10)，基板(10)具有至少第一和第二金属化结构(11、12)，其中第一金属化结构(11)具有用于形成谐振区的至少一个金属区(111)，第二金属化结构(12)具有至少一个谐振的印刷导体结构(121)，这样，使所说的天线能够组合PIFA型天线(平面倒F型天线)的优点与PWA型天线(印刷的导线天线)的优点。

Description

多频段微波天线

技术领域

本发明涉及具有一个基板和至少两个金属化结构的多频段微波天线，这种天线旨在专用作印刷电路板(PCB)上的一个表面安装器件(SMD)。本发明还涉及这种类型的印刷电路板以及具有这种微波天线的多频段电信设备。

背景技术

在移动电信中，使用微波范围中的电磁波发送信息。例如，频率范围为890-960兆赫兹(GSM900)、1710-1880兆赫兹(GSM1800或DCS)、1850-1990兆赫兹(GSM1900或PCS)、以及UMTS频段(1885-2200兆赫兹)的GSM移动电话标准、在频率范围为1880-1900兆赫兹的无绳电话标准、以及在频率范围为2400-2480兆赫兹的蓝牙标准，蓝牙标准的目的是允许数据在各种电子设备如计算机、消费者电子设备等之间进行交换。除了信息的发送以外，有时还有可在移动通信设备中实施的附加的功能和应用，如用于众所周知的GPS频率范围的卫星导航。

当代的这种类型的电信设备期望能在尽可能多的所述频率范围内操作，这就是说，需要对应的多频段天线来覆盖这些频率范围。

为了发送或接收，天线必须在适当的频率建立电磁谐振。为了使在指定的波长下天线尺寸最小，通常使用介电常数ε_r＞1的电介质作为基本组成部件。这就使辐射的波长在该电介质中缩小，缩小的倍数为 根据这种介电性设计的天线的尺寸也减小了相同的倍数。

这种类型的天线包括介电材料块(基板)。一个或多个谐振金属化结构加到这个基板的表面上，所说的基板由期望的工作频段(一个或多个)规定。谐振频率的数值取决于印刷的金属化结构的尺寸和布置并且取决于基板的介电常数的数值。随着介电常数的数值的变大，各个谐振频率的数值变低。

例如，EP1024552公开了一种用于通信终端设备的多频段天线，它是由多个不同类型的天线的组合构成的，这些天线可以单独地存在或者多个一块存在，这些天线以只在一点供给电磁能的方式耦合在一起。在这种情况下存在一个缺点：这种天线所需的面积相当大，因为各个类型的天线基本上要一个接一个地排列起来。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种在本说明书的开始段中详细描述的那种类型的天线，它具有小型简单的并且节省空间的结构，并且能够在尽可能多的的上述类型的频段中操作。

本发明还要提供一种多频段微波天线，其中能够在很大程度上相互独立地调谐各个操作频段谐振频率。

本发明还提供用于这种类型的多频段微波天线印刷电路板，利用这种印刷电路板有可能获得有关反射参数曲线的极为有益的天线性质。

按照权利要求1，通过多频段微波天线来实现这个目的，所说的多频段微波天线具有一个基板，该基板具有至少第一和第二金属化结构，其中第一金属化结构至少具有形成谐振区域的一个金属区，第二金属化结构至少具有一个谐振的印刷导体结构。

用这种方式实现所说目的的一个特殊的优点是，PIFA型天线(平面倒F型天线)的正向优点可以与PWA型天线(印刷的导线天线)的正向优点按这种方式组合起来，并且可以实现小尺寸的多频段微波天线，其中可以在很大程度上相互独立地设置谐振频率。

从属权利要求涉及本发明的有益的另外的实施例。

在权利要求2中涉及的实施例对于结构紧凑和降低重量有特别重要的贡献。

利用权利要求4中涉及的实施例，有可能进一步增加谐振频率的数目，利用权利要求5、6中涉及的实施例，有可能实现在很大程度上相互独立地调谐不同的谐振频率。

附图说明

参照下面描述的实施例，本发明的这些和其它方面都将变得显而易见。其中：

图1是按照本发明的第一天线的示意图；

图2是如图1所示的天线的平面图；

图3是曲线图，表示图1的天线的S₁₁反射参数曲线随频率的变化关系；

图4表示在移动电话中的典型环境中的图1的天线；

图5表示本发明的第二天线；

图6是曲线图，表示表示图2的天线的S₁₁反射参数曲线随频率的变化关系。

具体实施方式

图1和2表示按照本发明的第一天线，所说的天线是3频段天线1，它安排在处于参考电位的金属化底板2的上方。

这个天线包括大体上平行六面体块状形式的基板10，基板10的长度或宽度大于它的高度，相差3-40倍。因此，附图中基板10的上面(大面)在下面的说明书中称之为基板的上主面，与其相对的面则称之为下主面，取向与它们垂直的那些面称之为基板的侧面。

然而，对于基板10，还可能选择其它的几何形状代替平行六面体，例如圆柱形，对于这些几何形状可以施加适当的金属化结构。

通过在聚合母体(polymer matrix)中嵌入瓷陶粉末可以制造出基板10，这个基板的介电常数ε_r＞1和/或相对磁导率μ_T＞1。

对于图1所示的天线1，基板10的长度约为35mm，宽度约为20mm，厚度约为1mm。底板2的尺寸约为90mm×35mm。

基板10在其两个主面上，携带对应的第一和第二金属化结构11和12。在图中所示的情况下，第一金属化结构11定位在上主面，并且包括金属区111(通过阴影表示之)，金属区111覆盖上主面并且形成第一谐振频率的谐振区(基本模式)。

在这个金属区111中，向上打开一个缝隙结构112，缝隙结构112在基板10的一个长边开始并且延伸到基板10的短边处的第一区A(图2)。按这种方式分割或分段金属区111，结果，除了基本模式外，还可以激励金属区111的一些部分在较高的频率谐振，至少可以获得第二谐振频率。

对于缝隙结构112的结构形状、长度、和宽度进行选择，以使金属区111的分段将产生期望的第二谐振频率。两个谐振例如可以分别覆盖GSM900和DCS1800频段、GSM900和PCS1900频段、或者GSM900和UMTS频段，在这种情况下，在图中所示的实施例中，第一谐振频率在GSM900频段，第二谐振频率在UMTS频段。然而，对于缝隙结构112略加修改，就还可以覆盖其它的频段。

缝隙结构112还具有降低基本模式即第一谐振频率的效果，这样，天线1可以有效地变得较小。虽然这有可能伴随着带宽的略微减小，但这通常还是可以接受的。

向天线馈电(或者耦合输出接收的电磁能)是经过馈电插针(feedpin)113发生的，馈电插针113通过在金属化底板2上的一个孔或切口延伸并且导电连接到基板10的角部区中的金属区111。然而，馈电或耦合输出也可以通过电容性耦合来实现。

图1还表示出在基板10的一个长边上的接地或短接插针(shorting pin)114，这个插针114形成在金属化底板2和金属区111之间的连接，用于减小第一谐振频率。

第二金属化结构12位于基板10的相对主面(下主面)上，第二金属化结构12包括谐振金属印刷导体结构121，谐振金属印刷导体结构121为至少一个印刷导体122的形式，平行于基板10的短边延伸并且也连接到短接插针114。

这个印刷导体122用于激励第三谐振频率，在所示的情况下这个谐振频率是在DCS1800频段。利用这个第二金属化结构12，同样有可能通过略加修改来覆盖另外的频段，或者如果有多个印刷导体122，则有可能通过略加修改来覆盖多个频段。考虑到基板10的介电常数，对于印刷导体122的长度进行选择，使其对应于期望的谐振波长的1/4，并且因而 $l_{\mathrm{res}}={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{eff}}/4={\mathrm{\λ}}_0/\left(4\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}\mathrm{rms}\right),$ 这里ε_eff是基板的介电常数，它的平均值已经用适当的方法找到。

印刷导体结构121还可以包括多个单个的印刷导体122，它们通过一个或多个短接插针114连接到金属化底板2上。对于印刷导体122的长度和短接插针114的位置进行选择，以使在每种情况下在期望的谐振波长的1/4左右都可获得谐振。以此方式并且通过用合适的方式定位印刷导体122，就可能保证第一金属化结构11的谐振频率基本上不受影响。

图2表示从上方看到的图1的天线，其中省去了金属化底板2。在这个视图中，在上主面上可以再一次看到金属区111和分段金属区111的缝隙结构112。在该图中还表示出位于下主面上的金属印刷导体结构121。最后，该图还表示出馈电插针113和短接插针114的位置。

按照本发明的天线的特殊优点是，可以选择性地调谐谐振频率，并且谐振频率在很宽的范围在很大程度上彼此无关。

对于如图1和2所示的天线，为此目的形成调谐缝隙115、116，调谐缝隙115、116位于金属区111内的区域A中并且在缝隙结构112的端部，而且调谐缝隙115、116基本上垂直于缝隙结构112的两侧地延伸。通过产生这些适当长度的调谐缝隙115、116，就可以调谐第一谐振频率，为此目的，当天线1处在装配好的状态时，作为工业生产过程的一部分，可以借助于激光束例如使这些调谐缝隙115、116加长。

通过在如图2所示的区域B中改变短接插针114相对于馈电插针113的位置，就可以在很大程度上设定由缝隙结构112产生的较高的第二谐振频率的数值。

为了设定第三谐振频率，印刷导体122在它的端部即在图2中所示的区域C中具有一个调谐缝隙123，调谐缝隙123垂直于印刷导体122延伸，为此目的例如借助于激光束可使调谐缝隙123缩短。

图3表示的是通过实验确定的、图1和2所示的天线的S₁₁反射参数随频率变化的曲线。从图中可以清楚地看见3个谐振频率，它们的大约位于930兆赫兹、1800兆赫兹、和2100兆赫兹。

图4表示处在典型环境中的天线，它在移动电话中紧挨着电池3。这就意味着，天线的电近场环境(忽略用户的影响)是由移动电话的印刷电路板(金属化的底板2)(假定印刷电路板是全金属的)和电池3(它也是金属化的)确定的。

图5表示本发明的第二实施例，它是一个4频段天线1，天线1也安排在金属化的底板2的上方。天线1的尺寸(或者准确地说是基板10的尺寸)以及底板2的面积都与第一实施例相同。

天线在它的主面上(在附图中为上主面)同样具有第一金属化结构11，第一金属化结构11具有金属区111(用阴影表示之)，金属区111按上述的方式形成一个谐振区，并且由缝隙结构112分段，连接到馈电插针113，用于产生第一和第二谐振频率。

第二金属化结构12以金属印刷导体结构121的形式定位在下主面上，然而，与第一实施例相比，在这种情况下，它包括3个印刷导体122、123、124，3个印刷导体122、123、124安排成梳状形式，并经过短接插针114连接到金属化的底板2上。印刷导体结构121还包括一个单个的印刷导体125，印刷导体125在基板10短边的区域内平行于安排成梳状形式的印刷导体122、123、124延伸，并且所说的印刷导体125还连接到馈电点113。3个印刷导体122、123、124产生第三谐振频率，所说的第三频率随3个印刷导体的长度而变，第三谐振频率例如位于由DCS1800、PCS1900、或UMTS频段覆盖的范围内。最后，单个的印刷导体125产生第四谐振频率，所说的第四谐振频率例如可以位于由蓝牙频段确定的频率范围内的2.4千兆赫兹。

图6表示的是这种天线的S11反射参数随频率变化的曲线。其中可以清晰地看见4个谐振频率，它们约为900兆赫兹、1800兆赫兹、2000兆赫兹、2400兆赫兹。

通过在第一金属化结构11中附加另外的缝隙结构和/或向第二金属化结构12附加另外的印刷导体，按照本发明的天线就可以覆盖另外的频段，并且可以产生对应的多频段天线。

因此，利用按照本发明的天线，有可能组合现有的PIFA型天线(平面倒F型天线)的优点与PWA型天线(印刷的导线天线)的优点，PIFA型天线基本上是从第一金属化结构11获得的，而PWA型天线基本上是从第二金属化结构12获得的。

Claims (10)

1.一种多频段微波天线，具有一个基板(10)，基板(10)具有至少第一和第二金属化结构(11、12)，其中第一金属化结构(11)具有至少形成谐振区域的一个金属区(111)，第二金属化结构(12)具有至少一个谐振的印刷导体结构(121)。

2.根据权利要求1所述的多频段微波天线，其中：所述金属化结构(11、12)加到大体上平行六面体形状的基板(10)的彼此相对的主面上。

3.根据权利要求1所述的多频段微波天线，其中：基板(10)安排在处在参考电位的金属化的底板(2)的上方。

4.根据权利要求1所述的多频段微波天线，其中：在第一金属化结构(11)的金属区(111)内至少开一个缝隙结构(112)，缝隙结构(112)将所说的金属区(111)分段，这样就可以激励至少两个谐振频率。

5.根据权利要求4所述的多频段微波天线，其中：为至少一个缝隙结构(112)提供至少一个调谐缝隙(115、116)。

6.根据权利要求1所述的多频段微波天线，其中：为至少一个印刷导体结构(121)提供调谐缝隙(123)。

7.根据权利要求1所述的多频段微波天线，其中：所说的天线是经过馈电插针(113)馈电的，所说的馈电插针(113)连接到第一和/或第二金属化结构(11、12)。

8.根据权利要求1所述的多频段微波天线，其中：第一和/或第二金属化结构(11、12)连接到短接插针(114)，短接插针(114)紧固到金属化的底板(2)上。

9.一种印刷电路板，尤其是用于移动通信设备的印刷电路板，所说的印刷电路板具有根据前述权利要求中任何一个所述的多频段微波天线(1)。

10.一种电信设备，它具有根据前述权利要求1-8中任何一个所述的多频段微波天线(1)。

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