CN101043102B - 倒f形平板天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倒F形平板天线，包括辐射带、电感调谐部分、垂直的馈送部分和缩进的接地层。所述辐射带与接地层平行并通过馈送元件悬置于接地层上方一定距离。此外，所述辐射带部分地或整体悬置于接地层之上。通过这种方式，所述辐射带可悬置得非常接近接地层，但仍然可达到较大的带宽。

Description

倒F形平板天线

技术领域

本发明涉及天线技术，更具体地说，涉及一种倒F形平板天线。

背景技术

倒F形平板天线(Planar inverted F-antenna，以下简称PIFA)具有许多优点。设计和制作简单，并且成本低。现在，PIFA广泛地应用于小型通信设备，例如，个人数字助手和移动电话。它的广泛程度取决于它紧密的结构，使其能够很容易集成在设备的壳体中，形成隐蔽的天线。在辐射暴露方面，PIFA还能提供比单极天线或拉杆天线更多的优点。例如，在移动电话中，拉杆天线具有全方向的辐射域，而PIFA具有相对较小的朝用户方向的辐射域。因此，PIFA更受关心健康的用户的欢迎。

图1展示了传统的PIFA100。PIFA100包括接地层(ground plane)105、辐射元件110、馈送元件115和短路或调谐元件120。PIFA100通常生成在具有接地层105的印刷电路板上。馈送元件115提供无线射频(RF)信号至与接地层105平行且具有一定距离125的辐射元件110。PIFA的操作频率或谐振频率可通过短路元件120的大小(宽度或长度)和辐射元件110的空间比率进行控制。然而，因为这些频率调谐技术需要重新对短路管脚定位和重新设计IC板，所以这些调谐技术并不理想。

阻抗带宽是设计PIFA时必须考虑的另一个重要因素。通常，PIFA的带宽可通过电容性负载或介质负载方法进行控制，例如，增加寄生短路贴片(parasitic shorted patch)。增加的寄生短路贴片帮助增加阻抗带宽，因为它引入了附加的谐振模式至PIFA的谐振频带，以此建立双谐振频带PIFA。然而，这些技术增加天线的尺寸和复杂程度，导致更高的成本。通常，增加PIFA的阻抗带宽的最常用技术是增加辐射元件100和接地层105之间的距离，例如，PIFA100中的距离125。然而，这种技术受到天线大小的约束；因而在不增加PIFA占地面积的情况下，很难增加PIFA的带宽。

因此，需要一种在不增加PIFA的尺寸及其成本的情况下可控制和增加谐振频率和阻抗带宽的PIFA。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种倒F形平板天线，包括：

接地层；

馈送元件；

辐射元件，连接至所述馈送元件，所述辐射元件悬置在所述接地层上方并且与所述接地层平行，使得所述辐射元件的至少一部分外缘延伸超过所述接地层的边缘。

优选地，所述辐射元件的超过50％的外缘延伸超过所述接地层的边缘，由此所述外缘形成与所述接地层平行的平面。

优选地，所述辐射元件呈C形。

优选地，所述PIFA进一步包括：

连接至所述接地层的调谐元件；

位于所述接地层的表面上的第一焊盘，所述第一焊盘将所述调谐元件电连接至所述接地层；

位于所述接地层的所述表面上的第二焊盘，所述第二焊盘与所述接地面电绝缘，并且电连接至所述馈送元件。

优选地，所述调谐元件连接至所述馈送元件，且为L形。

优选地，所述PIFA进一步包括：

位于所述接地层的表面上的第一焊盘，将所述调谐元件电连接至所述接地层；

位于所述接地层的所述表面上的第二焊盘，所述第二焊盘与所述接地层电绝缘，所述第二焊盘通过所述调谐元件电连接至所述第一焊盘，且所述第二焊盘将所述馈送元件电连接至所述调谐元件。

优选地，所述调谐元件的形状是从第一焊盘处向所述接地层上方伸出，并朝着所述接地层返回所述第二焊盘处。

根据本发明的一个方面，提供一种倒F形平板天线，包括：

接地层；

馈送元件；

辐射元件，所述辐射元件具有与所述接地层平行的表面，所述辐射元件通过所述馈送元件悬置于所述接地层上方，从而使至少一部分的表面延伸出所述接地层的周界；以及

调谐元件，连接至所述接地层和馈送元件。

优选地，所述辐射元件有超过50％的表面延伸出所述接地层的周界。

优选地，所述辐射元件呈C形。

优选地，所述PIFA进一步包括：

位于所述接地层的表面上的第一和第二焊盘，所述第一焊盘电连接至所述接地层，所述第二焊盘与所述接地层电绝缘并连接至所述馈送元件；

所述调谐元件将所述第一焊盘电连接至所述第二焊盘，使得所述调谐元件通过所述第二焊盘电连接至所述馈送元件。

优选地，所述调谐元件的形状是从第一焊盘处向所述接地层上方伸出，并朝着所述接地层返回所述第二焊盘处。

优选地，所述PIFA进一步包括：

电连接至所述接地层并位于所述接地层的第一表面上的第一焊盘；

与所述接地层电绝缘并位于所述第一表面上的第二焊盘，所述第二焊盘电连接至所述馈送元件。

优选地，所述调谐元件连接至所述馈送元件，且为L形。

根据本发明的一个方面，提供一种倒F形平板天线，包括：

接地层；

馈送元件；

辐射元件，所述辐射元件具有与所述接地层平行的表面，所述辐射元件通过所述馈送元件悬置于所述接地层的上方，从而使至少一部分的表面与所述接地层周界的投影面交叉；以及

连接至所述接地层和馈送元件的调谐元件。

优选地，所述辐射元件有超过50％的表面位于所述投影面之外。

优选地，所述辐射元件呈C形。

优选地，所述PIFA进一步包括：

位于所述接地层的表面上的第一和第二焊盘，所述第一焊盘电连接至所述接地层，所述第二焊盘与所述接地层电绝缘并连接至所述馈送元件；

所述调谐元件将所述第一焊盘电连接至所述第二焊盘，使得所述调谐元件通过所述第二焊盘电连接至所述馈送元件。

优选地，所述调谐元件的形状是从第一焊盘处向所述接地层上方伸出，并朝着所述接地层返回所述第二焊盘处，从而所述调谐元件的环形长度(looplength)决定了所述PIFA的操作频率。

优选地，所述PIFA进一步包括：

电连接至所述接地层并位于所述接地层的第一表面上的第一焊盘；

与所述接地层电绝缘并位于所述第一表面上的第二焊盘，所述第二焊盘电连接至所述馈送元件。

优选地，所述调谐元件连接至所述馈送元件，且为L形。

根据本发明的一个方面，提供一种倒F形平板天线，包括：

具有第一和第二焊盘的接地层，所述第一焊盘连接至所述接地层，所述第二焊盘与所述接地层电绝缘；

连接至所述第二焊盘的馈送元件；

通过所述馈送元件悬置于所述接地层上方的辐射元件；以及

连接至所述第一焊盘和第二焊盘的调谐元件，所述调谐元件的形状是从第一焊盘处向所述接地层上方伸出，并朝着所述接地层返回所述第二焊盘处。

优选地，所述辐射元件具有与所述接地层平行的表面，并通过所述馈送元件悬置于所述接地层上方，从而使得至少一部分表面与所述接地层周界的投影面交叉。

优选地，所述辐射元件具有于接地层平行的表面，并通过所述馈送元件悬置于所述接地层上方，从而使得至少一部分表面与所述接地层周界的投影面交叉。

优选地，所述馈送元件呈U形或V形。

优选地，所述馈送元件呈U形或V形。

优选地，所述馈送元件呈U形或V形。

优选地，所述PIFA进一步包括：

位于所述第一和第二焊盘于所述接地层之间的介电层(dielectric layer)。

优选地，所述PIFA进一步包括：

位于所述介电层表面上的第三焊盘；以及

位于所述第三焊盘上的支撑结构件，设置为在与所述馈送元件相对的一端向所述辐射元件提供支撑。

优选地，所述PIFA进一步包括：

附着在所述支撑焊盘一侧的附加支撑部分，其中所述附加支撑部分的尺寸和/或形状设置为调谐所述PIFA至需要的频带。

优选地，所述PIFA进一步包括：

附着在所述支撑结构件一侧的辐射部分，其中所述辐射部分与所述介电层平行，并且所述辐射部分的形状和/或大小被设置为调谐所述PIFA至需要的频带。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是传统的PIFA的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的PIFA的结构示意图；

图3A是根据本发明另一个实施例的PIFA的结构示意图；

图3B是图3A中展示的PIFA的局部放大示意图；

图4是图3A中PIFA的俯视图；

图5是根据本发明一个实施例的PIFA的结构示意图；

图6是图5中的PIFA的俯视图；

图7是根据本发明另一实施例的PIFA的结构示意图；

图8是根据本发明再一实施例的PIFA的结构示意图；

图9是图8中PIFA的天线部分的具体结构示意图。

本发明的各种优点、各个方面和创新特征，以及其中所示例的实施例的细节，将在以下的说明书和附图中进行详细介绍。

具体实施方式

本说明书描述一个或多个结合本发明特性的实施例。说明书中提到的“实施例”表示所述实施例包括特定的特征、结构和/或特性，但每个实施例可不包括所述特定的特征、结构或特性。此外，所述“实施例”不特指同样的实施例。此外，结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，可以理解的是，本领域技术人员能够结合实施例实现所述特征、结构或特性。本发明的实施例将在下面进行描述。能够理解的是，以下介绍的特定的方法和设置仅为描述本发明。本领域技术人员能够理解其他的设置和处理在不脱离本发明精神实质和范围的情况下，也可以被实施。

通常，PIFA例如PIFA100能够在垂直和水平域发送和接收电磁信号。因此，PIFA在移动电话中很普及。在更高的层面，PIFA100通过其自身谐振频率发送和接收电磁辐射。PIFA100的谐振频率可通过调整辐射元件110的维度和形状进行调整，或者通过相对于调谐元件120移动馈送元件115的位置来进行调整。此外，PIFA100的谐振频率也可通过修改短路或调谐元件120的宽度和高度进行细微的调整。

如图1所示，PIFA100的谐振或操作频率通过辐射元件110、馈送元件115和调谐元件120的的形状、位置和大小决定。在这点上，在其上形成PIFA100的FR4基底或电路板(图中未展示)必须根据PIFA100的要求进行专门设计。例如，接地层105下面的电路板上的特定位置必须有一个洞，以供馈送元件115通过这个洞连接至同轴馈电线(图中未展示)。同样地，在设计和制作电路板时必须考虑连接区域135和140的位置。因此，从生产和设计角度考虑，重新调谐PIFA100至其原始设计的谐振频率之外的频率是不实际且高成本的。此外，为了改善PIFA100的阻抗带宽，高度125必须做的较大。然而，高度125的增加导致整个天线封装尺寸的增加。

本发明结合PIFA设计，可在不增加天线封装的情况下改善阻抗带宽。此外，在不需要重新对馈送位置进行定位和/或重新设计电路板的情况下，可轻易完成频率调谐处理。

图2是根据本发明一个实施例的PIFA200的结构示意图。PIFA200包括形成于基底230上的接地层205、辐射元件210、馈送元件215和调谐或短路元件220。调谐元件220连接至连接表面235，该连接表面235电连接至接地层205。在一个实施例中，调谐元件220呈L形，其一端连接至表面235，另一端连接至馈送元件215。这样，在不增加PIFA整体外形的高度的情况下，PIFA200可通过改变调谐元件220的高度轻易地被调谐。具体而言，调谐元件220的支脚部分260的高度或长度可增大或减小。通过改变调谐元件220的高度，从表面235到表面240以及到馈送元件215的电流通路长度可被改变。以这种方式，PIFA200的电感特性被改变，因此，允许PIFA200被调谐。

在另一个实施例中，调谐元件220呈U形(或V形)，其一端连接至表面235，另一端连接至表面240。尽管本说明书中描述的是L形和U形，本领域技术人员能够理解的是，还可使用其它的形状来增加电流通路长度。

在PIFA200中，馈送元件215连接至表面240。表面240与接地层205电绝缘。尽管未在图中展示，馈送元件215连接至位于接地层205和基底230下面的同轴馈电线。该同轴馈电线提供RF信号至馈送元件，然后由馈送元件将该RF信号馈送至辐射元件210。在另一个实施例中，馈送元件215连接至微波传输线(microstrip line)、内嵌的微波传输线、或位于同一层上或位于馈送元件215下面一层的共面线。

辐射元件210通过馈送元件215以一定的距离225悬置于基底230上方。例如，在一个实施例中，辐射元件210与基底230平行悬置。通常，PIFA200的阻抗带宽受距离225的改变的影响。达到一定的高度阈值，距离225的增加对应于PIFA200的阻抗带宽的增加。然而，这个技术的缺点在于，它增加了整个天线封装的尺寸。或者，PIFA200可进行电容性或介质加载。这些技术也有缺点，因为它们增加PIFA的复杂性和成本。在PIFA200中，阻抗带宽通过悬置辐射元件210来增加，使得辐射元件210的边缘245延伸经过接地层205的边缘250。换句话说，接地层205相对于基底230和/或辐射元件210缩进。此外，从不同的角度说，如果接地层205的周界有个投影面投影在与辐射元件210所在的同一水平平面上，那么边缘245落在接地层205的周界的该投影面之外。

从另一个角度说，如果将辐射元件210的周界部分投影在接地层205所在的水平面上，则辐射元件210的周界的一部分悬于接地层205的边缘250之上。换句话说，辐射元件210的一部分位于接地层205之上，一部分位于基底230之上。这样，因为与辐射元件205完全在接地层205的周界内的情况相比，这种方式下辐射元件205的一部分远离接地层205，所以，PIFA200的阻抗带宽被增加。在另一个实施例中，辐射元件210悬置，使得辐射元件210全部落在接地层205周界的投影面之外。换句话说，辐射元件210不直接位于接地层205之上或之下。此外，接地层205可夹在基底230和形成于接地层205之上的介电层(图中未展示)之间。

如图2所示，PIFA200可简单地通过使用较小或较大的调谐元件替换调谐元件220来完成调谐。例如，调谐元件220的支脚部分255和260的长度可被增大以影响电流通路的长度。这样，在未真正地相对于调谐元件220对馈送元件215和表面240重新定位的情况下，馈送元件215的位置改变被模拟。尽管图中所示的调谐元件220为L形，本领域技术人员能够理解的是，其它形状也可用于增加电流通路。

图3A是根据本发明一个实施例的PIFA300的结构示意图。PIFA300包括被缩进的接地层305和对应于接地层305缩进的基底330。接地层305和基底330相对于辐射元件310水平缩进。通过这种方式，辐射元件310的边缘或一部分345不直接位于接地层305的表面的上方，且也不位于基底330的上方。在PIFA300中，辐射元件310呈C形。在这种设置中，PIFA300可制作地较小，同时辐射元件310仍然具有可变尺寸的表面区域。此外，缩进的接地层305和基底330的边界线350与辐射元件310的轮廓一致。此外，因为辐射元件310沿着边界线或边缘350，PIFA300阻抗带宽被增加。

如图3B所示，PIFA300中的馈送元件315呈U形。更具体地说，馈送元件315呈不平衡的U形。馈送元件315的底部连接至表面340并进而连接至同轴馈电线(图中未展示)。馈送元件315的较长臂连接至辐射元件310，较短臂连接至调谐元件320。馈送元件315的较短臂的高度可根据调谐元件320的高度调整。在这种设置中，不比移动表面335和340，也无需影响辐射元件310相对于接地层305的高度的情况下，通过改变馈送元件315和调谐元件320的形状和大小，便可简单的调谐PIFA300。

图4是图3A中PIFA300的俯视图。PIFA300包括具有边界线410的辐射元件310、具有对应的边界线445的接地层305。如图4所示，边界线410不与边界线445重叠，完全位于接地层305的周界的外面。在另一个实施例中，从俯视的角度看，辐射元件310部分直接位于接地层305的正上方，这样边界线410看起来位于接地层305的内部。尽管所描述和图示的辐射元素310呈C形的设置，本领域技术人员能够理解的是，其它形状也可用于影响PIFA谐振频率。

图5是根据本发明另一实施例的PIFA500的结构示意图。PIFA500包括PIFA200的所有特征。如图所示，PIFA500包括矩形接地层505、辐射元件510和矩形基底530。在PIFA500中，接地层505和基底530的周界彼此对齐。如图6所示为PIFA500的俯视图，其中辐射元件510部分悬置于接地层505的上方。在这种设置中，从水平角度来看，辐射元件510的边缘610超出接地层605的边缘620。这样，在不增加总体天线封装的垂直高度的情况下，可增加PIFA500的阻抗带宽。

图7是本发明另一个实施例的PIFA700的结构示意图。PIFA700与PIFA200相似。PIFA700可包括PIFA200的部分或所有特性。如图7中所示，PIFA700包括顶部介电层710、支撑焊盘720和支撑结构件730。介电层710形成在接地层205之上。通过这种方式，接地层205被夹在介电层710和基底230之间。介电层710提供多个功能，其中之一为将馈送焊盘或表面240和支撑焊盘720与接地层205之间绝缘，另一个功能是提供支撑面。

支撑焊盘720锚定在介电层710上。尽管图中未示出，接地层205不位于支撑焊盘720之下。这样，流经辐射元件210和支撑结构件730的电流与接地层205绝缘。在一个实施例中，支撑焊盘720呈矩形。在另一个实施例中，支撑焊盘720呈规则多变形或不规则多边形，如图7所示。支撑焊盘720的形状和尺寸主要取决于PIFA700的调谐要求，如下所述。

支撑结构件730为辐射元件210提供额外的支撑。在PIFA200中，辐射元件210是从支撑结构件215开始的悬臂。考虑到PIFA200的大小和比例，辐射元件210的长度很短。因此，结构集成不是问题。然而，通过对PIFA200进行处理和封装，辐射元件210可被意外地弯折。支撑结构件730使得PIFA700更通用，因而在生产和/或封装过程中，发生意外弯折或其它物理形变的可能性变小。支撑结构件730的另一个附加优点是增加电流通路长度。在保持电流通路总长度相同的情况下，该增加的电流通路长度可通过缩短馈送元件215来降低辐射元件210的总高度。

如前所述，PIFA200可通过改变调谐元件220的支脚部分260的长度或高度来进行调谐。通过改变调谐元件220的高度，从表面235到表面240以及到馈送元件215的总电流通路长度被改变。这样，PIFA200的电感特性被改变，从而允许PIFA200被调谐。同样地，PIFA700的电感特性也可通过改变支撑结构件730的高度来改变。

在一个实施例中，PIFA700的电感特性可通过改变支撑焊盘720的形状和/或大小来改变。通过这种方式，可通过延长支撑焊盘720的一侧来简单的调谐PIFA700。例如，如图7所示，支撑焊盘720的一侧的一部分被延长。所述延长起到了延长辐射元件210和/或支撑结构件730的作用。这样，PIFA700的总电流通路长度被改变，从而允许PIFA700被恰当的调谐为任何需要的频带。在另一个实施例中，支撑焊盘720的整个一侧被延长，而不只是延长支撑焊盘720一侧的一部分。支撑结构件730可由任何导电材料制成。优选支撑结构件730和辐射元件210由相同的材料制成，例如，电线元件或金属线。支撑焊盘720也可由与辐射元件210和/或支撑结构件730相同的材料制成。

图8是根据本发明另一个实施例的PIFA800的结构示意图。PIFA800近似于PIFA700，但还包括有延伸至支撑结构件730的延伸件(前缘)810。通常，延伸件或前缘810在辐射元件210的方向上延伸。换句话说，如果辐射元件210呈半圆形，那么延伸件810也呈弧形以对半圆形辐射元件210进行补充。如图8所示，辐射元件210呈矩形，因此延伸件810也呈矩形结构，沿辐射元件210的长度方向附加在支撑结构件730上。只要能改变总电流通路长度，延伸件810也可呈其它形状(例如，与辐射元件210完全不同的形状)。这样，PIFA800可被调谐至任何需要的频带。

图9是支撑结构件730和延伸件810的具体示意图。如图所示，支撑结构件730设有延长部分910，用于将支撑结构件锚定在下面的基底层230上。这通过将延长部分910穿过介电层710和支撑焊盘720内的通孔来实现。

尽管以上是通过一些实施例对本发明进行的描述，本领域技术人员知悉，本发明不局限于这些实施例，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明的保护范围仅由本申请的权利要求书来限定。

Claims (10)

1.一种倒F形平板天线，其特征在于，包括：

接地层；

形成于接地层之上的介电层；

馈送元件；

辐射元件，连接至所述馈送元件，所述辐射元件悬置在所述接地层上方并且与所述接地层平行，使得所述辐射元件的至少一部分外缘延伸超过所述接地层的边缘；

位于所述介电层表面上的支撑焊盘；以及

位于所述支撑焊盘上的支撑构件，所述支撑构件在与所述馈送元件相对的一端向所述辐射元件提供支撑。

2.如权利要求1所述的倒F形平板天线，其特征在于，所述辐射元件的超过50％的外缘延伸超过所述接地层的边缘，由此所述外缘形成与所述接地层平行的平面。

3.如权利要求1所述的倒F形平板天线，其特征在于，所述辐射元件呈C形。

4.如权利要求1所述的倒F形平板天线，其特征在于，所述倒F形平板天线进一步包括：

连接至所述接地层的调谐元件；

位于所述接地层的表面上的第一焊盘，所述第一焊盘将所述调谐元件电连接至所述接地层；

位于所述接地层的所述表面上的第二焊盘，所述第二焊盘与所述接地面电绝缘，并且电连接至所述馈送元件。

5.如权利要求4所述的倒F形平板天线，其特征在于，所述调谐元件连接至所述馈送元件，且为L形。

6.一种倒F形平板天线，其特征在于，包括：

接地层；

形成于接地层之上的介电层；

馈送元件；

辐射元件，所述辐射元件具有与所述接地层平行的表面，所述辐射元件通过所述馈送元件悬置于所述接地层上方，从而使至少一部分的表面延伸出所述接地层的周界；

位于所述介电层表面上的支撑焊盘；

位于所述支撑焊盘上的支撑构件，所述支撑构件在与所述馈送元件相对的一端向所述辐射元件提供支撑；以及

调谐元件，连接至所述接地层和馈送元件。

7.如权利要求6所述的倒F形平板天线，其特征在于，所述辐射元件有超过50％的表面延伸出所述接地层的周界。

8.一种倒F形平板天线，其特征在于，包括：

接地层；

形成于接地层之上的介电层；

馈送元件；

辐射元件，所述辐射元件具有与所述接地层平行的表面，所述辐射元件通过所述馈送元件悬置于所述接地层的上方，从而使至少一部分的表面与所述接地层周界的投影面交叉；

位于所述介电层表面上的支撑焊盘；

位于所述支撑焊盘上的支撑构件，所述支撑构件在与所述馈送元件相对的一端向所述辐射元件提供支撑；以及

连接至所述接地层和馈送元件的调谐元件。

9.如权利要求8所述的倒F形平板天线，其特征在于，所述辐射元件有超过50％的表面位于所述投影面之外。

10.一种倒F形平板天线，其特征在于，包括：

具有第一和第二焊盘的接地层，所述第一焊盘连接至所述接地层，所述第二焊盘与所述接地层电绝缘；

连接至所述第二焊盘的馈送元件；

通过所述馈送元件悬置于所述接地层上方的辐射元件；

形成于接地层之上的介电层；

位于所述介电层表面上的支撑焊盘；

位于所述支撑焊盘上的支撑构件，所述支撑构件在与所述馈送元件相对的一端向所述辐射元件提供支撑；以及

连接至所述第一焊盘和第二焊盘的调谐元件，所述调谐元件的形状是从第一焊盘处向所述接地层上方伸出，并朝着所述接地层返回所述第二焊盘处。

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