CN100388829C - 表面安装型天线及搭载这种天线的通信装置 - Google Patents

表面安装型天线及搭载这种天线的通信装置 Download PDF

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Abstract

一种表面安装型天线。该天线具有由相对介电常数εr高于6的高电介质材料构成的基体、一端接地另一端开放的带状的辐射电极、连接或电容耦合在辐射电极的一端的接地电极、在与辐射电极间隔一个缝隙的侧面上设置的门形的馈电电极；所述馈电电极一端上具有馈电部，另一端上具有接地部，在它们之间具有与辐射电极大致平行的部分；通过适当地设定平行部的长度、缝隙长度或门形形状，可以向馈电电极自身施加电容，适当地调节电感，因而很容易进行阻抗匹配。

Description

表面安装型天线及搭载这种天线的通信装置
技术领域
本发明涉及将陶瓷和树脂等电介质或磁体作为基体的小型天线。特别是向供电电极提供阻抗匹配功能的表面安装型天线以及搭载这种天线的通信装置。
背景技术
在采用GHz频带作为载波的GPS(Global Positioning System)和无线LAN(Local Area Network)等中，使用表面安装型天线。便携式终端装置的小型化正以迅猛的速度快速增长，同样要求表面安装型天线要短小，同时还要求辐射效率良好、没有方向性且频带宽。但是，由于现有的表面安装型天线一旦实现了短小，特性就恶化，也不一定满足实现充分的短小。
一般来说，将这种天线的辐射电极长度设为相当于波长的1/4。这里，由于形成1/4的波长，天线的辐射效率最大，因此，可通过一次充电，使电池可以尽可能长时间使用，这在必须为便携式终端装置中是特别重要的。在电介质的基体上配置辐射电极时，我们知道其有效长度与相对介电常数εr的平方根成反比，这被称为波长缩短效应。如果使用了波长缩短效应，则可以使天线的辐射电极变短，可使天线变得短小。
天线的载波频率越低，通过在基体上使用相对介电常数大的材料，可以使天线小型化。但是，在现实中，对高介电常数材料的使用还存在限制，实际上，只不过是约为4的相对介电常数εr的电介质基体在被实用。这是因为，一旦相对介电常数εr变得比这个大时，就会产生阻抗匹配的问题。在高相对介电常数的表面安装型天线中，由于在馈电点的输入阻抗容易大幅变化，所以在小型化的同时，还要解决阻抗匹配的问题，因而很困难。
例如，如图21所示，US专利第5867126号中所述的表面安装型天线，在大体上为长方形状的基体90的上面91，弯曲为近似L字形或是近似コ字形，该天线具有一端开放，另一端接地的辐射电极92，以及为了激励辐射电极92而通过缝隙96在基体90上形成的馈电电极94。馈电电极94的一端与馈电线99相连。如图22所示，该等效电路是由辐射电极92的辐射电阻R和电感L、在辐射电极92及接地导体之间形成的电容C、以及在辐射电极92和馈电电极94之间形成的电容Ci’构成的并联谐振电路。
在这种天线中，来自发送电路(图中未示)的高频电功率通过电路基板的馈电线99传送到馈电电极94，输入到由辐射电极92和接地导体形成的谐振电路，进行并联谐振，并辐射来自辐射电极92的电磁波。为了不在馈电点98上产生电压反射，必须进行阻抗匹配。
使从馈电电极94的发送电路一侧看进去的输入阻抗，即在馈电点98上的输入阻抗作为特性阻抗(50Ω)一致的阻抗匹配手段提出了各种方法。例如，在如图21所示的天线中，辐射电极92和馈电电极94的电容耦合在一起，为了消除如图22所示的等效电路中的辐射电极92的电感L，必须设定辐射电极92和馈电电极94之间的电容Ci’。
但是，在图21所示的现有天线中，馈电电极和辐射电极不是直接相连而仅仅通过电容耦合，在阻抗匹配中没有使用电感。由此在实现天线的短小化时，不能得到容易进行匹配阻抗的高特性天线。在GPS和无线LAN等中使用的天线中，基本的无指向性是必要的。提高辐射效率和增益及扩大频带宽度也是必要的。以往对这一点的考虑以及研究并不充分。
在发生阻抗不匹配的情况下，需要在发送电路和天线之间插入一个新的匹配电路，但新增加匹配电路又存在使天线装置大型化的问题。有关阻抗匹配电路，特开2000-286615号中公开了一种小型天线，其基体为层叠结构，层间装有一个匹配电路。但是，利用这种方法，不仅使天线的结构变复杂，而且还存在导致制造成本增加的问题。
美国专利6323811公开了一种天线，它具有在基体上面的第1辐射电极(馈电侧辐射电极)和第2辐射电极(无馈电侧辐射电极)，在两个辐射电极之间处于双谐振状态的情况下，在基体侧面上还具有匹配电路用电极。在这种天线中，第1辐射电极(馈电侧辐射电极)和匹配电极是在阻抗匹配的位置上直接连接在一起的，但是，馈电电极没有电容，需要专门控制电感以谋求阻抗匹配。具有这种匹配电路的电极结构，相当于现有的逆F天线，是原本就容易取得阻抗匹配的天线结构。
特开平8-186431号和特开平11-340726号公开了指向性天线的一种阻抗匹配技术，它具有在基体上面形成辐射导体、在基体整个底面上形成接地导体的结构。但是，这种天线不适合用于GPS和无线LAN等需要无指向性的用途。例如是从把基体上面设置的馈电导体由辐射导体环绕配置，电容耦合非常强大的结构就可看出这一点。由于还没有考虑小型化、辐射效率、增益以及频带宽度，因此在GPS等的使用中还存在问题。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种既使是在使用比较高的介电常数的材料的情况下，也很容易进行阻抗匹配的且可以实现小型化的天线，特别是提供一种适合于GPS和无线LAN等中使用的、具有高增益、宽频带、且无指向性的表面安装型天线。
本发明的另一个目的是提供搭载这种表面安装型天线的便携式电话、耳机、个人计算机、笔记本计算机、数字相机等用的通信装置。
针对上述目的深入研究的结果发现，如果通过使馈电电极除具有电容结构之外还具有电感结构，从而授予其阻抗匹配的功能时，既使在使用较高的介电常数的情况下，也能很容易地通过阻抗匹配而得到具有无指向性的小型的表面安装型天线。
本发明的第一种表面安装型天线具有：由电介质或磁体构成的基体、至少设置在所述基体的上面的辐射电极、设置在所述基体的底面上且直接连接或电容耦合至所述辐射电极一端的接地电极、至少设置在所述基体的侧面通过缝隙与所述辐射电极相对的馈电电极，其特征在于：所述馈电电极分别在一端上具有馈电点，在另一端上具有接地点，在所述馈电点和所述接地点之间具有基于电容和电感的阻抗匹配部，在所述基体的底面上的所述接地电极的底面部分的面积率低于30％。
本发明的第二种表面安装型天线具有：由电介质或磁体构成的基体、至少设置在所述基体的上面的辐射电极、设置在所述基体的底面上且直接连接或电容耦合至所述辐射电极一端的接地电极、至少设置在所述基体的侧面通过缝隙与所述辐射电极相对的馈电电极，其特征在于：所述馈电电极为门形，在一端具有馈电部，在另一端具有接地部，在所述馈电部与所述接地部之间具有通过缝隙与所述辐射电极平行的平行部。
本发明的第三种表面安装型天线具有：由电介质或磁体构成的基体、至少设置在所述基体的上面的辐射电极、设置在所述基体的底面上直接连接或电容耦合至所述辐射电极一端的接地电极、至少设置在所述基体的侧面通过缝隙与所述辐射电极相对的馈电电极，其特征在于：所述馈电电极，使在所述基体相对侧面上设置的两个L字形的电极与在所述基体的端面上设置的一个I字形电极相连，其中一个L字形的电极一端具有馈电部，另一个L字形的电极一端具有接地部，所述I字形电极是平行部，所述馈电电极是门形
在本发明中，所述馈电电极使与在所述基体相对的侧面上设置的第一以及第二电极与在所述基体的端面上设置的一个I字形电极相连，第一电极的一端具有馈电部，第二电极的一端具有接地部，所述I字形电极是平行部，并且，所述馈电电极是门形，且最好形成在所述基体的端部或相对侧面上形成的接地电极。
所述馈电电极和辐射电极最好在其至少局部具有弯曲状、コ字形、L字形、曲柄状中的任意一种形状。
所述馈电电极最好通过所述辐射电极开放端上的缝隙放置在所述基体的侧面。此时，最好将馈电部放置在所述辐射电极的开放端附近。
在本发明的一个最佳实施例中，所述辐射电极的至少一部分，从所述基体的一端开始朝纵向的另一端以其宽度沿这一方向连续地和/或梯级地逐步变窄延伸。在本发明的另一最佳实施例中，辐射电极从所述基体的一端开始，朝纵向的另一端以其宽度沿这一方向连续地和/或梯级地逐步变窄延伸。在另一端上近似弯曲为コ字形。
在本发明的另一个最佳实施例中，形成所述辐射电极，以使经过与形成所述馈电电极的侧面不同的侧面而到达上面。此时，在将基体上面设置的辐射电极投影到基体下面时，最好没有重合的接地电极。
最好在所述辐射电极和/或馈电电极的角部具有圆角。
本发明的天线，最好在这个基底上设置通过缝隙与所述辐射电极的另一端相对的第2接地电极。
依据本发明最佳的一个实施例的表面安装型天线具有：由电介质或磁体构成的基体、设置在所述基体上的带状辐射电极、设置在所述基体的底面上且直接连接或电容耦合至所述辐射电极一端的接地电极、至少设置在所述基体的侧面且通过所希望的缝隙与所述辐射电极相对的馈电电极，其特征在于：所述辐射电极具有将所述基体一侧面上的在纵向形成的电极部和所述基体上面形成的L字形的电极部连接在一起的、从而整体表现为コ字形的形状；所述馈电电极具有：使在基体的另一个侧面上垂直延伸的馈电部和接地部、在所述馈电部和所述接地部之间经由所述缝隙与所述辐射电极平行地延伸的平行部；在所述基体底面上的所述接地电极的底面部分的面积率低于30％，通过修正所述馈电电极和所述辐射电极的形状以及位置关系调整电容以及电感，从而进行阻抗匹配。
所述馈电电极的所述馈电部最好位于所述辐射电极的开放端附近，所述接地部最好位于与所述接地电极相反一侧的基体端部附近。
本发明的天线用基体最好由具有6-50的相对介电常数εr的电介质构成。
本发明的通信装置，具有使上述表面安装型天线搭载于电路板上没有接地导体区内的天线装置；所述辐射电极沿纵向延伸的所述基体通过缝隙与所述电路板的接地导体的边缘部排列在一起，所述馈电电极配置于所述接地导体一侧。
在本发明的最佳实施例中，在表面安装型天线上，位于与电路板的接地导体相对一侧上的接地电极部位于电路板的角部。接地电极部和电路板的导体通过线状导体连接在一起。
附图说明
图1是依据本发明第一实施例的表面安装型天线的立体图；
图2是第一实施例的天线的等效电路图；
图3是依据本发明第2实施例的表面安装型天线的立体图；
图4是图3的辐射电极的展开图；
图5是第2实施例的天线的等效电路图；
图6是在本发明中所用的馈电电极的另一例的图；
图7是依据本发明第3实施例的表面安装型天线的立体图；
图8是依据本发明第4实施例的表面安装型天线的立体图；
图9是依据本发明第5实施例的表面安装型天线的立体图；
图10(a)是依据本发明第6实施例的表面安装型天线的立体图；
图10(b)是依据本发明第6实施例的表面安装型天线的展开图；
图11(a)是依据本发明第7实施例的表面安装型天线的立体图；
图11(b)是依据本发明第7实施例的表面安装型天线的展开图；
图12(a)是依据本发明第8实施例的表面安装型天线的立体图；
图12(b)是依据本发明第8实施例的表面安装型天线的展开图；
图13(a)是依据本发明第9实施例的表面安装型天线的立体图；
图13(b)是依据本发明第9实施例的表面安装型天线的展开图；
图14(a)是依据本发明第10实施例的表面安装型天线的立体图；
图14(b)是依据本发明第10实施例的表面安装型天线的展开图；
图15(a)是依据本发明第11实施例的表面安装型天线的立体图；
图15(b)是依据本发明第11实施例的表面安装型天线的展开图；
图16(a)是依据本发明第12实施例的表面安装型天线的立体图；
图16(b)是依据本发明第12实施例的表面安装型天线的展开图；
图17是表示相对介电常数和输入阻抗的关系的曲线图；
图18是在电路基板上安装本发明的天线的状态的立体图；
图19是搭载本发明的天线的通信装置的示意图；
图20(a)是本发明的天线安装于电路基板上的另一实施例的平面图；
图20(b)是图20(a)的天线的馈电电极的侧面图；
图20(c)是图20(a)的天线的辐射电极的侧面图；
图21是现有的表面安装型天线的一例的立体图；
图22是图21的天线的等效电路图；
图23是比较例1的表面安装型天线的辐射电极的展开图。
具体实施方式
[1]阻抗匹配
如果在基体上放置了辐射电极、接地电极和馈电电极等，就会在电极之间产生电容。馈电电极和辐射电极之间的电容的增大会使输入阻抗变低，从而引起阻抗的失配。由于电容是与相对介电常数εr成比例地增加，因此，为了降低传输频率而使用高介电常数的材料，会使阻抗失配更加严重。由此，一直以来，就使用相对介电常数εr最多为4的低的电介质基体。本发明可以使用相对介电常数εr大于6，最好大于8，且最好为20-50或是大于这一范围的电介质材料。本发明并不仅限于这里所举的数字。
本发明，既使在通过将高介电常数的材料用于基体而使辐射电极和馈电电极之间的电容增大的情况下，也能通过加长馈电电极来增大其电感，而抵消电容的增量，从而谋求阻抗匹配。现有这种天线的馈电电极，由仅仅提供了等效电路上的电容所构成，但依据本发明，设定了能够获得电容加电感的形状。具体而言，使馈电电极形成带状，在很容易得到电感的同时，通过使馈电电极的一部分通过缝隙与辐射电极并排排列可以调节电容。另外，通过使带状馈电电极的一端作为馈电部，把另一端作为接地部，设置如图2所示的并联组成部分L2以及串联组成部分L1、Ci，容易进行阻抗匹配的设计，能缩短开发周期。
由于表面安装型天线依据用途可以有许多形态，因此阻抗匹配条件，必须满足这些广泛的要求。如上所述，本发明的馈电电极被看作是并联部分L2以及串联部分L1、Ci的组合。通过使该馈电电极成为弯曲状、コ字形、L字形和曲柄轴状或是这些形状的组合，可以不限制阻抗匹配条件，而任意设定电感和电容。例如，可以使电容和电感基本相等，或是使任何一方大一些。电感与馈电电极的长度成比例，电容是馈电电极和辐射电极的对置长度的函数。因此，在使用本发明馈电电极进行阻抗匹配的情况下，首先要确定对等效电路中的L1、L2、Ci，哪一个需要什么程度的增减。其次，利用L1、L2与馈电电极的长度成比例，而Ci是馈电电极和辐射电极的对置长度的函数，从而能为了阻抗匹配而很容易地设定满足所需参数的馈电电极的形状。
[2][辐射电极以及馈电电极]
在依据本发明的一个实施例构成的天线中，辐射电极至少位于基体的上面，其一端接地，另一端开放。这种天线结构，尽管近似看作在辐射电极的接地端附近连接有馈电电极的逆F天线，但是在本发明中，辐射电极和馈电电极是分离开的，在电容耦合点上，基本上与所述的逆F型结构不同。馈电电极是在基体的侧面上形成的，在印刷形成电极的时候，没有印刷偏差，因而容易制造且特性稳定。
在本发明中，通过适当地设置辐射电极和馈电电极之间的距离和平行长度和/或馈电电极的腿长和形状很容易进行匹配阻抗。由此，可以任意选择频带宽度BW。由于BW∝l/Q和 Q = R C / L 的关系，因此根据电容耦合程度以及电极长度控制C或C/L能加宽频带宽度BW。例如，如果在辐射电极的开放端附近设置馈电电极的馈电部，则辐射端当作电感，从而使电感分量(L)变大。如果是在同一谐振频率下设计的，则此时的电容分量(C)很小，从而能使Q值变高。因此加宽了频带宽度。
[3]接地电极
本发明的表面安装型天线特征是为了具有出色的无指向性，在底面上几乎没有接地电极。一旦里面全部形成了接地电极，则通过与上面的辐射电极的电容耦合丧失天线的无指向性。具体来说，在底面上的接地电极的总面积/底面的全面积的比最好低于30％，最好低于20％。在底面中的上面设置的辐射电极下的区域中，实际中最好没有接地电极。
通过缝隙能把第2接地电极与辐射电极的开放端相向配置。在这种情况下，由于和相向的接地电极的电容耦合非常强，在邻近配置馈电电极影响也相对较小。因此，在大幅调节传输频率的情况下，可通过调节辐射电极和第2接地电极的耦合度进行频率的主调节，而通过调节辐射电极和馈电电极的耦合度，进行频率的微调。
[4]相对介电常数的上限值
本发明的基体的相对介电常数εr最好处于6-50的范围。该相对介电常数εr由于是考虑到电介质的温度系数、基体的加工精度等而确定的，如果提高了材制、加工精度等，当然也可以提高其上限值。具有这种相对介电常数εr的基体，例如把由占总重量22.22％的MgO，占总重量5.13％的CaC03，占总重量48.14％的TiO2以及占总重量24.51％的ZnO的各种原料构成的材料进行烧制作为烧制基体，可以利用占总充分子36.6％的MgO，占总克分子3.4％的CaCO，占总克分子40％的TiO2以及占总克分子20％的ZnO构成的电介质陶瓷(相对介电常数εr：21)而形成。
使用高介电常数的基体时，辐射电极的辐射效率很低。为了抑制辐射效率的下降，或是构成辐射电极和接地电极，或是使用复合了高电介质和低电介质的基体，以便提高向自由空间的辐射。
[5]表面安装型天线的具体例
图1是依据本发明第1实施例的表面安装型天线的立体图。该天线1A具有：在长方体状的基体1上面配置的辐射电极2、连接到辐射电极2一端的接地电极3、在侧面上通过与所述辐射电极2相距规定间隔G1而形成的馈电电极4。辐射电极2的另一端成为开放端20。虽然天线1A具有与逆F天线相似的结构，但是，馈电电极4在通过缝隙G1，与辐射电极2相对的点上与逆F天线不同。在基体1的底面1a中，不配置使用钎焊的电极以外的电极，由于天线1A也是安装在电路基板上没有接地导体的区域中，因此天线1A在任何方向上都显示出基本均匀的辐射场分布图的无指向性。
馈电电极4具有把带状电极在两个地方弯曲的门型(コ字形)的形状，具有与辐射电极2的边缘部23基本平行相对的平行部41。在馈电电极4的一端的馈电部43上有连接到收发电路(图中未示出)的馈电线上的馈电点40，同时在另一端的接地部44上有连接到接地导体的接地端42。以馈电电极4的馈电部43以及接地部44为主体生成电感；以辐射电极2和平行部41为主体生成电容。因此，依据本发明的表面安装型天线具有图2所示的等效电路。
电感L1、L2是在馈电电极的腿43、44上形成的，电容Ci是在辐射电极2和馈电电极4的平行部41之间形成的。因此，通过适当地设置腿43、44以及平行部41的长度以及形状而改变L1、L2和Ci，能使从馈电点40看的辐射电极2的输入阻抗Zin在50Ω一致。这样，施加辐射电极2和馈电电极4之间的电容，控制馈电电极4的电感，从而能单独进行输入阻抗的匹配，这是本发明的重要特征。这一点在以下的实施例中也是相同的，馈电点40和接地点42的位置最好是左右相反。平行部41最好借助于间隙排列在辐射电极2之间，而不一定要平行。
图3是依据第2实施例的表面安装型天线的立体图，图4是其辐射电极的展开图，图5是天线的等效电路图。
本实施例的表面安装型天线1B是用于GPS的，它具有：长方体状的基体1、在其上面1c以及相邻侧面1d上形成的辐射电极2、连接在辐射电极2一端上的接地电极3、从基体1的纵向侧面1b到上面1c形成门形的馈电电极4。最好仅仅在侧面1b侧面设置馈电电极4。门形的馈电电极4的设置以及形状由平衡阻抗匹配与宽频带来决定。
本实施例的辐射电极2具有其宽度从基体1的一端开始沿纵向连续的以及/或阶梯状逐渐变窄延伸的形状。如图4的展开图中所示，辐射电极2是由在基体1上面1c上设置的辐射电极部21及在相邻侧面1d上连续形成的辐射电极部22构成。辐射电极22宽度也是朝若干顶端变窄。通过形成不仅在这种基体1的上面1c而且在相邻侧面1d上宽度都逐渐变窄的辐射电极2，在感应多重谐振、实现小型化的同时，还能实现无指向性。
接地电极3和辐射电极2最好通过非接触的电容耦合而进行连接。接地电极3最好在围绕基体1的一端面1e的周围四面设置。在底面1a上形成的接地电极3还兼作使用钎焊的电极连接在电路基板的接地导体上。馈电电极4也具有在基体1的底面1a上的接地电极部50，接地电极部50有作为电路基板的使用钎焊的电极的作用。
在本实施例中，馈电电极4是宽度为1mm，等效长度为10mm的门形(コ字形)。图6(a)-(c)表示馈电电极4的各种形状。图6(a)显示了コ字形的馈电电极4，在左右腿上产生的电感L1、L2基本相等。图6(b)及(c)中显示的形状是：左右腿部的长度不同，利用导体的长度来调整电感的例子。图6(b)是右侧的腿部为弯曲状，L1＜L2的情况。图6(c)是左侧的腿部为曲柄状，右侧的腿部为弯曲状，L1＞L2的情况。在使用电感进行调节的情况下，在输入阻抗要增大时，增大L1a；相反，在输入阻抗要降低时，增大L2。
馈电电极4的中央平行部41是本发明的特征之一。通过中央平行部41，可以任意设定C以及Ci。即，电容Ci大致与平行部41的长度W成正比，与平行部41和辐射电极2之间的距离G1成反比。因此，在使Ci增大的情况下，如果平行部41较长，则要缩短平行部41和辐射电极2之间的距离G1。在使Ci减小的情况下，与上述情况相反。这样，通过改变平行部41的长度W和平行部41与辐射电极2之间的距离G1可以调节Ci。
本实施例的特征还在于辐射电极2。辐射电极2的基本形状不使与高频电流的流向(基体1的纵向方向)垂直的方向的电极长度即宽度一定，而呈随着逐渐接近开放端20一侧而逐渐减小的形状。通过馈电电极4，由馈电点源提供的高频电流，在由辐射电极2的电感以及与大地之间形成的电容所确定的频率之下进行谐振，并作为空间电磁能辐射。此时，形成使接地电极3和开放端20分别为波节和波腹的电流分布模式。如果辐射电极2的宽度一定，则仅仅存在一种电流分布模式，但是如果辐射电极2的宽度不定，则在天线中，如图5所示就会等效形成由若干电感Lr1、Lr2、Lr3、……以及电容Cr1、Cr2、Cr3……构成的谐振电路。由于各谐振电路的谐振频率相当接近，因此，成为谐振连续且多数存在的状态，从而得到宽带谐振特性。
图7表示依据本发明第3实施例的表面安装型天线。将同一符号赋予与上述实施例相同的部分，因而省略对这些部分的说明。与上述实施例相同，辐射电极24，具有从基体1的一端开始，宽度逐渐减小沿着纵向向另一端连续地以及/或阶梯状地延伸基本上为梯形的形状。设计一个馈电电极4，使其经过基体1的侧面1b以及上面1c。在该实施例中，由于馈电电极4为U字形，所以平行部41和辐射电极24之间的间隔不固定，电容变小。这样，辐射电极24和馈电电极4也可以不平行，也可以是局部排列在一起。
图8表示依据本发明第4实施例的表面安装型天线。将同一符号赋予与上述实施例相同的部分，并省略对这些部分的说明。辐射电极25为微带状，其一端接地，另一端20开放。在上述实施例中，设置了一个经过任何一个电介质基体1的上面1c的全长的辐射电极2，但也可以将辐射电极的长度选择为所希望频率波长的1/4，而没有必要一定将其设计为基体1的全长。在本实施例中，辐射电极25要比基体1短。由此，可以获得用于降低传输中心频率的调节余量。既便在基体1的端部存在尺寸不合格和缺口等缺陷，也不会在辐射电极25的形成中成为问题。
图9表示依据本发明第5实施例的表面安装型天线。将同一符号赋予与上述实施例相同的部分，并省略对这些部分的说明。通过缝隙G2，形成与辐射电极26的开放端20相对的第2接地电极5。由此，在辐射电极26的开放端20以及接地导体之间形成了非常稳定的电容，能够大幅度地调节频率。微调也可由馈电电极4的电感以及电容进行。
由于存在通过辐射电极26的开放端20和第2接地电极5之间的缝隙G2而形成的电容，因此，既便是辐射电极26很短的情况下(既便是电感很小的情况下)，也可以得到所希望的频率。为此，这种结构的表面安装型天线适于小型化。
尽管馈电电极4是从基体1的侧面1b开始一直到上面1c形成的，但也可以根据条件将其仅放置在侧面1b上。这一点与前述实施例是相同的。在仅在侧面1b上设置馈电电极4的情况下，在利用丝网印刷等形成它的时侯，也可以不用特别关注波节的精度，这样由于减小了工序数，因而在制造面上也是令人满意的。
图10-12表示依据本发明第6-8实施例的表面安装型天线。将同一符号赋予与上述实施例相同的部分，并省略对这些部分的说明。在这些实施例中，从基体1的侧面1d开始一直到上面1c，形成了带状的辐射电极2。
在图10所示的第6实施例中，在基体1的上面1c的端部上，设置了L字形的电极部27，在相邻的侧面1d上连续地形成了L字形的电极28。馈电电极4为门形状(コ字形)，该门形状具有分别作为馈电端以及接地端的腿部43、44以及中央平行部41，并排列形成于基体1的侧面1b的L字形电极部27的开放端侧。
在图11所示的第7实施例中，在基体1上面1c的端部上设置L字形的电极部27，在相邻的侧面1d上连续地形成了L字形的电极29。在图12所示的第8实施例中，在基体1的上面1c的端部上设置了L字形的电极部27，在相邻的侧面1d上连续地形成了I字形的电极30。就馈电电极4的形状而言，第7和第8实施例实际上与第6实施例一样。
电极51是用于使天线固定于电路基板上的钎焊用电极，但在图11和12的例子中，为了提高与电路基板的接合强度，要追加钎焊用电极52。电极51、52没有连接到电路基板的接地导体上。在图10-12的例子中，为了使电感很大，而使辐射电极为L字形。在图11的例子中，L字形的辐射电极部29和门形的馈电电极4的弯曲部为圆弧状。为保持曲率R也可以只是辐射电极。在基体1短小的情况下，如图12所示，通过连接电极31，钎焊用电极52直接与辐射电极30连接在一起，而天线特性不会发生大的变化，很稳定。
如图11所示，当L字形的电极部29的弯曲部保持圆弧R时，辐射增益得到提高。在具有基本上为L字形、コ字形、弯曲状或曲柄状的弯曲部分的现有的辐射电极中，直线部分与弯曲部分是不等宽的，它们是生硬地连接在一起的。这就意味着阻抗是不连续变化的，由于其不连续性，前进波的一部分被反射。由此，可以看出输入的高频反射损耗很大，增益很低。我们知道，为了消除这一问题，一使弯曲部分保持圆弧状，线路就成为基本等宽度，就可以避免阻抗的不连续性。或者可以理解采取切掉角部的圆角也是有效果的。当抑制弯曲部分上的反射损耗的发生，就可以减小流过天线的辐射电极的谐振电流的传输损耗，并提高增益。
图13和14表示依据本发明第9和10实施例的表面安装型天线。用同一符号附在与上述实施例相同的部分，并省略对这些部分的说明。在这些实施例中，其特征在于辐射电极33和馈电电极4。辐射电极33作为主体被设置在基体1的上面1c，它与图3所示的例子相同，是由辐射电极部33a以及辐射电极部33b构成；其中所述辐射电极33a，其宽度从与接地电极3相连的一侧开始，向纵向的另一端连续地和/或阶梯状地逐渐变小地延伸；其中所述辐射电极部33b在左端部分弯曲为コ字形或U字形。利用这样的辐射电极33，可利用梯形的辐射电极部33a得到宽频带的谐振特性，可以利用弯曲的辐射电极部33b来补充电感。电极51是用于使天线固定在电路基板上的钎焊用的电极，因此必须尽量将其设计为最小。
将辐射电极的外周和基体1的棱角线之间的间隙设计为0.2-0.5mm。通过这种间隙，使得电极印刷很容易，很难产生印刷偏差。也能够防止由于基体1的边缘部的变形和不足等而引起的电极剥落。由于防止了印刷偏差以及电极剥落，因而能抑制传送频率的参差不齐。使辐射电极33仅形成于基体1的上面1c的结构，由于与在侧面上也设置有电极的结构相比减小了与电路基板的接地导体的电容耦合，因此能够得到比较高的增益。
如图13所示，侧面1b上设置的门形的馈电电极4与辐射电极33b的开放端20相对。图14所示的馈电电极4由L字形电极部41、I字形电极部42及L字形电极部45构成；其中：L字形电极部41一端具有馈电端43，并设置于侧面1b上；I字形电极部42设置在端面1f上；L字形电极部45一端具有接地端44，并设置在侧面1d上。门形的馈电电极4，具有コ字形的平行部41，其由两个侧面1b、1d以及所设计的贯穿端面1f的电极部41、42、45组成；平行部41与コ字形的辐射电极33相对。由于利用这种馈电电极4，能够几乎在整个辐射电极33上，进行电容耦合，因此，有利于天线的小型化。对于同一个电容值，则可以降低由辐射电极33的间隔变宽、印刷偏差等引起的电容值的参差不齐，以及传送频率的参差不齐。
图15表示实施例11的表面安装型天线。在这个例子中，馈电电极4的结构与其它例子的不同。即馈电电极4由F字形的电极部41以及直线形的电极部42、45构成；其中，F字形电极部41具有设置在基体1的侧面1b上的馈电端43以及接地端44；所述直线形电极部42、45形成于端面1f以及侧面1d上。该实施例的馈电电极，使得在实现阻抗匹配的同时，还可以使使用双谐振的频带宽带化。
图16表示实施例12的表面安装型天线。带状的辐射电极133，由侧面1d上的、在纵向方向形成的曲柄轴状的电极部133d、以及在上面1c上形成的L字形的电极部133c构成，并整体表现为コ字形。这样，由于辐射电极133从基体1的上面1c开始一直到侧面1d弯曲延伸，因此能够使整体长度加长。其结果，在同一频带宽度下，使天线基体1的尺寸小型化。
馈电电极104的馈电部143以及接地部144的位置关系，与上述实施例相反，馈电点140位于基体的大约中央部，馈电部143位于辐射电极133的开放端的附近。将上面1c上形成的L字形的电极部133c投影到下面1a上时，不与接地电极32重叠。由此，提高了带宽及无指向性良好，作为GPS天线特性能取得平衡。辐射电极133的开放端和馈电电极104的平行部141很接近。利用宽度很宽的平行部141，使得阻抗匹配很容易，增益也有一些提高。
在本实施例中，平行部141的宽度很宽，具有近似为长方形的形状，也可以通过电路基板一侧的安装位置和导体图案的配置及辐射电极的结构等各种变化改变馈电电极104的形状。既便改变了电路基板和辐射电极133的式样，但是，通过适当地设定在馈电点140和接地点142之间的馈电电极104的配置、形状、大小等，可以适当地调节电感和电容，从而能很容易地实现阻抗匹配。
图17表示在图1的表面安装型天线(本发明)以及图21的表面安装型天线(现有例子)中，通过模拟而求出的输入阻抗Zin和基体的相对介电常数εr的关系。在本发明中，通过使用电感，可以适当地抵销伴随着高介电常数的基体的使用而增加的电容，能够使用相对介电常数εr为50左右的高电介质。与现有的相对介电常数εr为4的情况相比，能够使用具有5倍以上εr的电介质，从而，在天线的小型化方面有很好的效果。如果开发了高温下稳定的电介质，或是改善了加工技术，就能使输入阻抗Zin的上限值进一步提高。可以预想，在开发高电介质材料和低电介质材料的辐射材料时，也能提高上限值。
[6]通信装置
图18表示将图3所示的天线1B安装在电路基板6上的状态。在图18中，省略了天线以外的其他部件。天线1B在没有电路基板6的接地导体的露出部65上，通过若干缝隙与接地导体62的边缘部63在纵向上排列在一起。此时，馈电电极4位于接地导体62一侧，辐射电极2的开放端20处于离接地导体62较远的位置。门形馈电电极4的一端连接到馈电线61上，另一端连接到接地导体62上。由此，由供电电源60提供的高频信号，经过馈电线61，提供给馈电电极4，分离从馈电端40通过平行部41流向辐射电极2的电流和通过接地端42流向接地导体62的电流，从而在谋求阻抗匹配的同时可以激励辐射电极2。其结果，来自辐射电极2的开放端20的电磁波向空间辐射。
以往，多采取使天线与接地导体62的边缘部垂直配置的方法。这种情况下，无信号区变大，从而使设计自由度非常小。但是，在本发明中，把天线与接地导体62的边缘部稍微隔开，通过与其平行设置，由于显著地减小天线的占用面积(含有无信号区)，提高了安装设计的自由度以及密度，因此能谋求节省天线装置的空间。
馈电电极4的馈电部43和接地部44的左右配置，最好根据基板6的馈电线61和接地导体62的配置而变化，至少也要将馈电电极4配置在馈电线61一侧，与接地导体62和天线基体1的纵向平行，这对为实现占地面积小、而得到本发明效果是必要的。为了得到无指向性，最好将本发明的天线安装在没有接地导体62的露出部65上。
这样，通过将安装有天线的电路基板6搭载到图19的模式中所示的便携式电话以及计算机等的内部能够利用具有GPS和无线LAN功能的通信装置。
图20表示将图16所示的天线安装在与图18不同的电路基板6上的安装例。将同一符号附在与图18相同的部分。天线1L，位于没有形成电路基板6上的接地导体62的露出部分65上，接地导体62的边缘部63与天线基体1通过若干缝隙而排列在一起。
馈电电极4形成于接地导体62一侧的基体1的侧面1b上，馈电电极104的馈电端140连接到馈电线61上，接地端142连接到接地导体62上。位于与辐射电极133连接的接地电极32中的电路基板6的角部一侧的部分，通过线状电极66与电路基板6的接地导体62相连。线状电极66起电感的作用，从而使天线基体1的小型化很容易。另外，在同一基体上使用介电常数更低的材料，能扩大带宽。所设置的金属区51’、53’是用于利用钎焊将天线基体1固定到电路基板6上的。
对于图3所示的实施例2、图11所示的实施例7及图16所示的实施例12的进行天线的特性测试。将辐射电极2的局部作成图23所示的弯曲状以外的与图3所示的相同的天线作为比较例1，进行天线的特性测试。天线基体是由一相对介电常数εr为21的陶瓷电介质形成的，在实施例2和比较例1中，其基本尺寸设定为长度15mm×宽3mm×厚3mm，在实施例7和12中，将其设定为长10mm×宽3mm×厚2mm。将传输频率的中心频率设定为1.575GHz±1MHz，来测定电压驻波比为2(VSWR＝2)的情况下的带宽BW(MHz)，平均增益(dBi)以及指向性。VSWR的测定，是通过同轴电缆(特性阻抗为50Ω)，使天线安装基板一端上设置的馈电端子与网络分析仪的输入接口相连，然后，通过测定从所述馈电端子上的网络分析仪一侧看的天线的散射参数(Scattering Parameter)，依据该值计算VSWR。在测量增益时，在电波无声暗室内，将信号发生器连接到被测试天线(发送侧)的馈电端子上，从所述被测天线辐射出的电功率由接收用基准天线接收。设来自该被测试天线的接收电功率为Pa，设利用预先了解增益的发送用基准天线(增益Ga)测定的接收电功率为Pr，则可以利用Ga＝Gr×Pa/Pr，求出所述被测天线的增益Ga。就指向性而言，将被测天线元件搭载在转台上，通过一边旋转被测天线一边进行上述增益测试，如图18所示，分别测定以X、Y以及Z轴为中心而旋转时的，与旋转角度相应的增益。假设将其搭载在图19所示的便携式电话等通信装置中，调查特性金属的依赖性。测定结果在表1中表示。
表1
  例编号   图号   带宽(MHz)   平均增益(dBi)   金属依赖性
  实施例2   3   40   -4.5   小(稳定的高增益)
  实施例7   11   35   -5.5   小(稳定的高增益)
  实施例12   16   45   -4.5   小(稳定的高增益)
  比较例1   23   45   -6.0   大(一靠近金属就急剧恶化)
根据上述结果，可以看出实施例2、7、12的天线，在具有比较高的相对介电常数的基体的同时也很容易实现阻抗匹配。实施例2、7、12的天线与比较例1相比，实施例2、7的带宽稍窄，能够得到高的辐射增益，由接近金属产生的增益下降也少，从而能得到稳定的天线特性。在实施例7、12中，虽然基体尺寸减小到约为2/3，但是带宽和增益还是很好。对于无指向性而言，上述三个实施例中，三个轴都是增益近似为圆形而没有指向性，从而得到无指向性。由以上实施例2、7、12特别是实施例12的天线，可以得到带宽、辐射增益、指向性以及金属依赖性等全部平衡的好结果。比较例1的辐射增益低的原因是阻抗匹配不容易，为了获得匹配用的电感而将辐射电极作成弯曲状。
由此，我们知道，通过采用图10-16所示形状的辐射电极，可以将天线小型化到长度10mm×宽3mm×厚2mm或小于该尺寸。
天线基体不限于长方体可以具有适当的形状，也可以采用磁体、树脂或它们的层叠体。由于加宽了带宽或是调节了频率，修正辐射电极2的顶端附近的平行部23a或基体1是有效的。
辐射电极的形状，有梯形、阶梯形、曲线形、曲柄状、部分弯曲状等各种形状，最好是其宽度在纵向上连续地及/或阶梯状地逐步减小地延伸的形状。不一定需要使接地电极连续地连接到辐射电极的一端上，最好是不连续的电容耦合。
在将本发明的天线安装于没有电路基板的接地导体的区域内之后，能够期待最好的特性，对不同的设计，也有牺牲了某种程度的特性安装在接地导体上的情况。最好对上述各实施例的天线结构进行组合，也可以在本发明范围内进行各种改变。
由此，依据本发明，特别是在基体上使用高介电常数的材料情况下，阻抗匹配也很容易，能够得到小型、重量轻、高增益、带宽且无指向性的表面安装型天线。如果将本发明的表面安装型天线用在GPS和无线LAN中，则成为能充分发挥天线特性的通信装置。

Claims (36)

1.一种表面安装型天线，其具有：由电介质或磁体构成的基体、至少设置在所述基体的上面的辐射电极、设置在所述基体的底面上且直接连接或电容耦合至所述辐射电极一端的接地电极、至少设置在所述基体的侧面并通过缝隙与所述辐射电极相对的馈电电极，其特征在于：
所述馈电电极分别在一端上具有馈电部，在另一端上具有接地部，在所述馈电部和所述接地部之间具有基于电容和电感的阻抗匹配部，在所述基体的底面上的所述接地电极的底面部分的面积率低于30％。
2.如权利要求1所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述馈电电极包括在所述基体相对侧面上设置的第一以及第二电极和在所述基体端面上设置的一个I字形电极，所述第一电极的一端为所述馈电电极的设有所述馈电部的一端，第二电极的一端为所述馈电电极的设有所述接地部的一端，所述I字形电极是平行部，而且，在所述基体上具有在所述基体的端面上形成的、与辐射电极连接的接地电极部。
3.如权利要求1或2所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述馈电电极至少在局部上具有弯曲状、コ字形、L字形、曲柄状中的任意一种形状。
4.如权利要求1或2所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述馈电电极通过所述辐射电极的开放端一侧的缝隙设置在所述基体的侧面。
5.如权利要求2所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述馈电电极将馈电部靠近所述辐射电极的开放端配置。
6.如权利要求1或2所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述辐射电极的至少一部分从所述基体的一端开始，连续地和/或阶梯状地以宽度逐渐变窄的方式延伸到纵向的另一端。
7.如权利要求1或2所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述辐射电极经由与形成所述馈电电极的侧面不同的侧面而到达上面。
8.如权利要求5所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述基体的上面设置的辐射电极至少在开放端之下的区域没有接地电极。
9.如权利要求1或2所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述辐射电极具有弯曲状、コ字形、L字形或曲柄状的弯曲部分。
10.如权利要求1或2所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述辐射电极及/或馈电电极的角部具有圆弧状。
11.如权利要求1或2所述的表面安装型天线，其特征在于：
设置有通过缝隙与所述辐射电极的另一端相对的第2接地电极。
12.一种表面安装型天线，其具有：由电介质或磁体构成的基体、至少设置在所述基体的上面的辐射电极、设置在所述基体的底面上且直接连接或电容耦合至所述辐射电极一端的接地电极、至少设置在所述基体的侧面并通过缝隙与所述辐射电极相对的馈电电极，其特征在于：
所述馈电电极为门形，在一端具有馈电部，在另一端具有接地部，在所述馈电部与所述接地部之间具有通过缝隙与所述辐射电极平行的平行部。
13.如权利要求12所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述馈电电极包括在所述基体相对侧面上设置的第一以及第二电极和在所述基体端面上设置的一个I字形电极，所述第一电极的一端为所述馈电电极的设有所述馈电部的一端，第二电极的一端为所述馈电电极的设有所述接地部的一端，所述I字形电极是平行部，而且，在所述基体上具有在所述基体的端面上形成的、与辐射电极连接的接地电极部。
14.如权利要求12或13所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述馈电电极至少在局部上具有弯曲状、コ字形、L字形、曲柄状中的任意一种形状。
15.如权利要求12或13所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述馈电电极通过所述辐射电极的开放端一侧的缝隙设置在所述基体的侧面。
16.如权利要求12或13所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述馈电电极将馈电部靠近所述辐射电极的开放端配置。
17.如权利要求12或13所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述辐射电极的至少一部分从所述基体的一端开始，连续地和/或阶梯状地以宽度逐渐变窄的方式延伸到纵向的另一端。
18.如权利要求12或13所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述辐射电极经由与形成所述馈电电极的侧面不同的侧面而到达上面。
19.如权利要求16所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述基体的上面设置的辐射电极至少在开放端之下的区域没有接地电极。
20.如权利要求12或13所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述辐射电极具有弯曲状、コ字形、L字形或曲柄状的弯曲部分。
21.如权利要求12或13所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述辐射电极及/或馈电电极的角部具有圆弧状。
22.如权利要求12或13所述的表面安装型天线，其特征在于：
设置有通过缝隙与所述辐射电极的另一端相对的第2接地电极。
23.一种表面安装型天线，其具有：由电介质或磁体构成的基体、至少设置在所述基体的上面的辐射电极、设置在所述基体的底面上直接连接或电容耦合至所述辐射电极一端的接地电极、至少设置在所述基体的侧面并通过缝隙与所述辐射电极相对的馈电电极，其特征在于：
所述馈电电极，使在所述基体相对侧面上设置的两个L字形的电极与在所述基体的端面上设置的一个I字形电极相连，其中一个L字形的电极一端具有馈电部，另一个L字形的电极一端具有接地部，所述I字形电极是平行部，所述馈电电极是门形。
24.如权利要求23所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述馈电电极至少在局部上具有弯曲状、コ字形、L字形、曲柄状中的任意一种形状。
25.如权利要求23所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述馈电电极通过所述辐射电极的开放端一侧的缝隙设置在所述基体的侧面。
26.如权利要求23所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述馈电电极将馈电部靠近所述辐射电极的开放端配置。
27.如权利要求23所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述辐射电极的至少一部分从所述基体的一端开始，连续地和/或阶梯状地以宽度逐渐变窄的方式延伸到纵向的另一端。
28.如权利要求23所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述辐射电极经由与形成所述馈电电极的侧面不同的侧面而到达上面。
29.如权利要求26所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述基体的上面设置的辐射电极至少在开放端之下的区域没有接地电极。
30.如权利要求23所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述辐射电极具有弯曲状、コ字形、L字形或曲柄状的弯曲部分。
31.如权利要求23所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述辐射电极及/或馈电电极的角部具有圆弧状。
32.如权利要求23所述的表面安装型天线，其特征在于：
设置有通过缝隙与所述辐射电极的另一端相对的第2接地电极。
33.一种表面安装型天线，其具有：由电介质或磁体构成的基体、设置在所述基体上的带状辐射电极、设置在所述基体的底面上且直接连接或电容耦合至所述辐射电极一端的接地电极、至少设置在所述基体的侧面且通过缝隙与所述辐射电极相对的馈电电极，其特征在于：
所述辐射电极具有将所述基体一侧面上的在纵向形成的电极部和所述基体上面形成的L字形的电极部连接在一起的、从而整体表现为コ字形的形状；所述馈电电极具有：使在基体的另一个侧面上垂直延伸的馈电部和接地部、在所述馈电部和所述接地部之间经由所述缝隙与所述辐射电极平行地延伸的平行部；在所述基体底面上的所述接地电极的底面部分的面积率低于30％，通过修正所述馈电电极和所述辐射电极的形状以及位置关系调整电容以及电感，从而进行阻抗匹配。
34.如权利要求33所述的表面安装型天线，其特征在于：
所述馈电电极的所述馈电部位于所述辐射电极的开放端，所述馈电电极的接地部位于基体端部附近。
35.一种通信装置，其具有将权利要求1或2、12或13以及23-34中任何一项要求所述的表面安装型天线搭载在电路基板的没有接地导体的区域中的天线装置，其特征在于：
所述辐射电极在所述基体的纵向上延伸，该基体经由缝隙与所述电路基板的接地导体的边缘部并列在一起，所述馈电电极配置在所述接地导体一侧
36.如权利要求35所述的通信装置，其特征在于：
在所述表面安装型天线上，位于与所述电路基板的接地导体相对的一侧上的所述接地电极，配置在所述电路基板的角部侧，所述接地电极和所述电路基板的接地导体通过线状导体连接在一起。
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