CN101098045B - 层叠回路天线 - Google Patents

Abstract

一种小型收发机设备和天线系统拥有具有第一和第二表面的绝缘层。在第一表面上形成具有发射回路片段的发射回路元件。所述发射回路片段被布置在发射锯齿形结构中。在第二表面上形成具有接收回路片段的接收回路元件。所述接收回路片段被布置在接收锯齿形结构中。接收锯齿形结构中的每一个接收回路片段相对于布置在发射锯齿形结构中的最接近的发射回路片段倾斜。发射回路片段可以被分组为两个或更多个发射锯齿形结构，并且接收回路片段可以被分组为两个或更多个接收锯齿形结构。

Description

层叠回路天线

技术领域

本发明一般地涉及天线，并特别涉及用于层叠在衬底上形成的发射和接收天线的技术和装置。

背景技术

近来工程师们已经在设计使用工业自动化实现家庭、办公室内以及工厂中的产品的互操作性的设备。这些设备可以被通过网络无线监视，并被基于由IEEE(电气与电子工程师协会)颁布的叫做IEEE802.15.4标准的开放全球性标准控制。IEEE802.15.4规定了用于工作在2.4GHz射频频带中的低功率、短距离无线通信链路的物理通信层。

ZigBee是额外的标准，由ZigBee联盟公司协会开发，该标准定义了使用802.15.4物理通信层工作的逻辑网络、安全性和应用软件。ZigBee规定了允许以低复杂度和低成本广泛部署可靠的无线网络的高层通信协议，从而有助于来自不同厂商的各种类型装备的集成。ZigBee支持鲁棒网格(robust mesh)网络技术，在这些技术中，消息可以选择许多路由从一个节点到达另一个节点，从而提高网络的可靠性。这些类型的网络通常被用于远程监视和控制应用，并且要求非常小的功率，这意味着网络能够使用廉价的电池运行。

ZigBee被设计得比其他无线网络设备，例如无线个人区域网(wirless personal area network，WPAN)设备(例如蓝牙设备)，更简单并且更便宜。降低这些设备的成本的一个途径是减小收发机中零件的大小和数量。在一个水平上，收发机可以被制造在单个小印刷电路板上，其中大多数收发机部件被包含在集成电路中。在另一个水平上，收发机可能是完全集成的单芯片无线电，包括信号处理电路、发射机和接收机电路，以及天线，其中，收发机所有的部件被集成到单个芯片或集成电路中。这个思想叫做“片上系统”(SOC)。

无论在印刷电路板上还是在单芯片无线电中，或者在某个其他的实施例中，用于发射和接收信号的小型天线系统可能是个优点。较小的天线系统可能制造起来更便宜，并且更容易适应其中使用该收发机的产品的形状因数。

附图说明

附图起到根据本发明进一步阐明各种实施例并说明各种原理和优点的作用，在附图中，贯穿各视图相同的参考数字指示相同或者功能类似的元件，附图与下面的详细描述一起，被包含在说明书中，并形成说明书的一部分。附图不总是按比例绘制，而是例如被放大，以便有助于更好地理解本发明。

图1根据本发明的一个或更多个实施例绘出了具有用于发射的紧致回路天线系统的收发机设备的第一侧面；

图2根据本发明的一个或更多个实施例绘出了图1的具有用于接收的紧致回路天线系统的收发机设备的第二侧面；

图3是根据本发明的一个或更多个实施例的发射回路元件的更详细的表示；

图4是根据本发明的一个或更多个实施例的接收回路元件的更详细的表示；和

图5根据本发明的一个或更多个实施例绘出了发射回路元件在接收回路元件上的正射投影(orthographic projection)。

具体实施方式

概括来说，本发明涉及具有紧致天线的小型收发机设备。更具体地，具体实施在方法和装置中的各种发明概念和原理可以被用于制造和使用具有紧致回路天线的小型收发机设备。

虽然各种特定兴趣的天线可能有很大差异，但是在无线通信设备或系统中，或者在例如ZigBee兼容设备网络的无线联网系统中，可以有益地使用一个实施例。

本公开被提供，以便以使能的方式进一步说明应用制造或使用根据本发明的各种实施例时的最佳模式。还提供本公开以便增强对发明原理及其优点的理解和领悟，而非以任何方式限制本发明。本发明由所附权利要求定义，包括在本申请进行期间所做的任何修改，以及被授权的那些权利要求的全部等同物。

要理解，例如第一和第二、顶部和底部等的关系术语的使用，如果有的话，只是被用来将一个实体或动作与另一个区分，而不一定要求或意味着这些实体或动作之间任何实际的这种关系或者顺序。

一些发明功能和发明原理可以被利用集成电路(IC)或者印刷电路板或者其他的衬底技术实施，或者被实施在集成电路(IC)或者印刷电路板或者其他的衬底技术中。预期普通技术人员当被这里公开的概念和原理指导时，尽管可能经过重大努力以及很多由例如可用的时间、当前的技术以及经济考虑推动的设计选择，将很容易地能够以最少的实验产生具体实施这里所描述的天线系统的这些衬底。因此，为了简洁以及使根据本发明的原理和概念变模糊的风险最小，对这些衬底技术的进一步的讨论，如果有的话，将限于针对各种实施例的原理和概念来说必不可少的内容。

参考图1，根据本发明的一个或更多个实施例绘出了具有用于发射的紧致回路天线系统的收发机设备100的第一侧面的平面图。如图所示，收发机设备100被在衬底102上制造，在所示实施例中衬底102是矩形的。在一个实施例中，衬底102是印刷电路板(PCB)材料，例如酚醛树脂浸渍的纸(例如按标识叫做XXXP、XXXPC或FR-2的材料)、以环氧树脂浸渍的玻璃纤维(例如按标识叫做FR-4的材料)、聚酰亚胺、聚苯乙烯、交联聚苯乙烯，或者其他类似的材料。在一个实施例中，衬底102是0.8毫米(mm)厚，尽管该厚度可以涵盖从0.5mm到2.0mm，这是FR-4PCB材料的近似厚度范围。

在另一个实施例中，衬底102可以由半导体晶圆材料制成，其中，所述材料具有较低或可接受的材料损耗，例如较低的损耗角正切(losstangent)、较低的金属损耗，等等。

在所示实施例中，衬底102是平坦的。在其他的实施例中，衬底102可能具有弯曲的表面。例如，衬底102可以是能够被弯成弯曲表面的柔性衬底材料。此外，衬底102可以是刚性材料，它被弯曲以符合产品形状，或者被配置成使用收发机设备100的产品外壳或结构的一部分。

在衬底102的第一表面103上，形成了电路迹线104来连接各种电子部件，例如收发机集成电路106，以便形成收发机设备100的电气电路。电路迹线104可以由压在或淀积在衬底102的表面103上的导电金属制成。在一个实施例中，所述金属是铜。在其他的实施例中，所述金属可以是金、银、铝、铜、镍，或者其他类似的金属。

在一个实施例中收发机集成电路106可以利用根据支持星形或网格网络的IEEE802.15.4无线标准或者另外类似的无线通信标准工作的2.4GHz低功率收发机实施。集成电路106的一个例子是由美国德克萨斯州奥斯丁的Freescale半导体公司以零件号MC13192销售的集成电路。

安装在衬底102的第一表面103上的其他部件可以包括电容器、电感器、用于晶体振荡器的晶体，等等。

集成电路106的射频输出可以被耦合到起到收发机设备100的发射天线作用的发射回路元件108的馈电点(feed point)。发射回路元件108占用发射回路区域100(如尺寸线所示)，在一个实施例中，发射回路区域100是15毫米(mm)乘15mm(即225平方毫米)。这可能是衬底102面积的一半(1/2)，在所示实施例中，衬底102尺寸是15mm乘30mm。所引用的尺寸是针对被安排用于在2.4GHz或2.4GHz左右工作的一个实施例。将会理解，工作于其他频率的其他实施例将具有不同的尺寸。例如在较低频率，如2GHz，这些尺寸将更大，而在较高频率如3GHz，这些尺寸可能更小。

为了减小发射回路元件108占用的发射回路区域110，发射回路元件108将多个发射回路片段112布置在锯齿形结构114中，或者如图1中所示，布置在多于一个发射锯齿形结构114中。

现在参考图2，根据本发明的一个或更多个实施例绘出了具有用于接收的紧致回路天线系统的收发机设备100的第二表面202的平面图。如图所示，和第一表面103相反的第二表面202(见图1)包括接收回路元件204、电路迹线206和地平面208。电路迹线206可以在电气上连接或耦合收发机设备100的电路部件。地平面208能够起到发射回路元件108和接收回路元件204的近场反射点(near-fieldreflection point)的作用，以及为收发机设备100的电路提供参考地。

接收回路元件204在第二表面202上形成，并占用接收回路区域210(由尺寸线指示)，接收回路区域210在一个实施例中是15mm乘30mm的衬底102的上半部分中的区域(15mm)²。在图1和图2中示出的实施例中，接收回路区域210和发射回路区域110是大致相同的形状和大小，并且在衬底102的相反表面103和202上大致彼此直接相反。因此，对于所示实施例，可以说发射回路区域110和接收回路区域210的正射投影是共同延伸(coextensive)的，因为它们具有相同的空间边界。

接收回路元件204包括多个接收回路片段212，为了减小接收回路区域210，多个接收回路片段212被布置在接收锯齿形结构214，或者如图2中所示，布置在多于一个接收锯齿形结构214中。

现在参考图3，根据一个或更多个实施例绘出了发射回路元件，例如发射回路元件108或者另一个类似的回路天线的更详细的表示。如图所示，发射回路元件108形成连续的导电回路，在馈电点302开始，在馈电点304结束。多个发射回路片段112被布置在一个或更多个发射锯齿形结构114中。图3中所示例子具有两个锯齿形结构组308和310，它们每一个均被利用多个或一组发射回路片段112形成。

发射回路元件108中的一些片段可以被称作发射回路连接片段，因为它们被用来连接到被布置在一个或更多个发射锯齿形结构114中的发射回路片段112。例如，发射回路连接片段306可以被用来将发射回路片段112的组308连接到发射回路片段112的组310。发射回路连接片段312-318可以被用来将馈电点302和304连接到组308和组310。此外，在顶点320和322(顶点是(角、多边形、多面体)终止直线或曲线或包含两条或更多条直线或曲线的交叉点的点)可以使用较短的发射回路连接片段319。这样的顶点在发射锯齿形结构114相邻的发射回路片段112汇合处形成。发射回路连接片段319的目的是使顶点320和322处的尖角缓和或变圆。

发射回路元件108在回路的中心部分限定了中央发射回路区域324。在所示实施例中，中央发射回路区域324是矩形的，具有用虚线示出的边界326。在其他的实施例中，中央发射回路区域324可能具有其他形状。

发射锯齿形结构114中的发射回路片段112均以和具有第一方向的第一向量330成小于或等于90度的角度(例如角度328和329)从中央发射回路区域324的边界326延伸出去。例如，如果第一向量330指向下，平行于中央发射回路区域324的中轴线332，则从发射回路区域324向外延伸的每一个发射回路片段112均相对于第一向量330形成小于或等于90度的角度(例如角度328和329)，从而在发射锯齿形结构114中产生或者水平(例如90度)或者斜向下(例如小于90度)朝着馈电点302和304的发射回路片段112。

注意，在锯齿形结构中交替的片段(例如每隔一个片段)，例如片段334和片段336，可以平行或不平行。例如，片段334相对于第一向量330成75度角，并且片段336相对于第一向量330成80度角，这意味着片段334和336不平行。

在一个实施例中，组308和组310中的发射回路片段112关于轴线332对称，这对于具有差分输入的设计是优选的。对称的形状提供关于轴线332对称的辐射图。在本发明其他的实施例中，回路片段组无需关于一条轴线对称。

在本发明的一个实施例中，发射回路元件108具有下面在表1中示出的被选择尺寸。注意，参考数字378和380被在图4中示出。

 

参考数字                                    以毫米为单位的尺寸(mm)
	360 0.30
362 1.78
	364 15.07
366 1.89
	368 0.90
370 2.00
	372 1.80
374 1.55
	376 2.30
378 2.80
	380 1.94
382 2.40

表1

在本发明的一个实施例中，发射锯齿形结构114中的发射回路片段112之间被选择的角度被在下面表2中示出。

 

参考数字                           以度为单位的角度
	384                                       20
386                                       8
	388                                       13
390                                       10
	392                                       15
394                                       18

表2

具有表1和表2中所选择的尺寸和角度的发射回路元件108具有从馈电点302量到馈电点304的大约190mm的总长度，所述总长度是2.42GHz中心频率处波长的1.55倍。此外，发射回路元件108可以装入一边15mm的方形区域。

现在参考图4，根据本发明的一个或更多个实施例，绘出了例如接收回路元件204或其他类似的回路天线的接收回路元件的更详细的表示。如图所示，接收回路元件204是连续的导电回路，在馈电点402开始，在馈电点404结束。多个接收回路片段212被布置在一个或更多个接收锯齿形结构214中。图4中所示实施例具有两个锯齿形结构406和408，它们每一个均被利用多个或一组接收回路片段212形成。

和上面参考发射回路元件108描述的类似，图4中的回路元件208也可以具有用来连接被布置在一个或更多个接收锯齿形结构214中的回路片段212的接收回路连接片段。例如，接收回路连接片段410被用来将组406中的锯齿形元件连接到组408中的锯齿形元件。接收回路连接片段412和414可以被用来将馈电点402和404分别连接到锯齿形元件组406和408。此外，在接近接收锯齿形结构214中的相邻接收回路片段212的末端的顶点418和420，可以使用较短的接收回路连接片段416。接收回路连接片段416可以被用来使锯齿形结构的尖角缓和或变圆。

接收回路元件204在接收回路的中心部分限定了中央接收回路区域422。在所示实施例中，中央接收回路区域422是矩形的，具有用虚线示出的边界424。在其他的实施例中，中央接收回路区域422可能具有其他形状。

接收锯齿形结构214中的接收回路片段212均以和第二向量428成小于90度的角度(例如角度426和427)从边界424延伸出去，其中，第二向量428沿和第一向量330相反的方向。例如，第二向量428与接收回路轴线430平行地指向上，并且每一个接收回路片段212从中央接收回路区域边界424向外延伸，和第二向量428形成小于90度的角度，因而生成被布置在一个或更多个接收锯齿形结构214中的接收回路片段212，其中，这些片段斜向上(例如角度426和角度427小于90度)离开馈电点402和404。

注意，在接收锯齿形结构214中交替的接收回路片段，例如片段432和片段434，可以平行或不平行。在所示实施例中，片段432以相对于第二向量428成10度角从边界424延伸出去，而片段434以相对于第二向量428成15度角从边界424延伸出去，这意味着片段432和片段434不平行。在图4中其他的交替片段对可以是平行的。

在一个实施例中，组406和组408中的接收回路片段212关于接收轴线430对称。在其他的实施例中，锯齿形结构中的片段组无需关于一条轴线对称。

在一个实施例中，接收回路元件204具有在上面表1中列出的被选择尺寸。在接收锯齿形结构214中的接收回路片段212之间所选择的角度被在上面的表2中列出。

现在转到图5，根据一个或更多个实施例绘出了发射回路元件112在接收回路元件212上的正射投影500，这帮助示出了两个回路天线之间的空间关系。如上面所指出的那样，发射回路元件112在衬底102的第一表面103上，并且接收回路元件212在同一衬底202的第二表面202上。因此，如果将发射回路元件112正射投影到接收回路元件212上，它产生类似于图5中所示的二维图像。正射投影500示出两个回路天线沿z轴506对齐，z轴506是垂直于衬底102(以及第一和第二表面103和202)的平面的轴线。如果第一或第二表面103或202不是平坦的，则z轴垂直于该表面。

如图所示，发射回路元件108(以虚线示出)和接收回路元件204(以实线示出)在其相应表面上占用基本相同的区域。在所示实施例中，它们都装入15mm×15mm方形区域。边界326和424(见图3和图4)大致沿z轴对齐，并且大小和形状基本相符，如中央区域边界502所示。

图5还示出，如交叉影线区域504的区域所指示那样，发射回路元件108和接收回路元件204之间重叠的区域相对较小。减小重叠区域504的目的是减小在收发机100的工作频率上发射回路元件108和接收回路元件204之间的电耦合。减小电耦合减小了回路天线之间的辐射干扰。

通过配置彼此靠近的发射回路片段112和接收回路片段212以使其斜交来减小重叠区域504，这意味着它们被相对彼此倾斜地设置、放置或延伸，或者它们被相对另一个倾斜。也可以说发射回路片段112和互补的或对应的接收回路片段212不是共同延伸的，或者不具有大致相同的正射投影或交叉点，其中，这些互补或对应的片段在衬底102的任一侧上彼此相反，通过发射回路元件108和接收回路元件204的对称性关联，并且是一对最可能因取向和接近而彼此电气耦合的元件。

普通技术人员应该清楚，这里描述的方法和系统相对于现有技术提供了许多改进。首先，发射回路元件108和接收回路元件204是紧致的，并且分别占用较小的区域110和210。紧致天线减小了收发机100的总体大小，这能够降低制造成本并使收发机100更容易置于要被连接到无线网络的设备或装置内。层叠天线的大小被减小而没有显著地减小任一天线的增益。

作为第二个优点，分离的发射回路元件和接收回路元件消除了收发机设备100中对平衡-不平衡转换器(balun)或射频(RF)开关的需要。平衡-不平衡转换器是被设计用于在平衡和不平衡电信号之间转换的设备，并且RF开关可以被用来交替地连接发射机和接收机之间的单个回路天线。

作为第三个优点，层叠天线结构对于耦合到收发机100中的集成电路无线电106的差分输入和输出很理想，集成电路无线电106以100欧姆阻抗匹配最佳。

上面讨论的过程、装置和系统及其发明原理旨在产生更有效的紧致收发机系统。通过层叠紧致发射和接收回路天线，能够产生具有比偶极子或其他差分输入天线更好的天线增益和辐射效率的小型收发机设备，此外，通过使发射和接收回路中对应的锯齿形元件斜交，能够获得减小的电耦合和额外的效率。

本公开旨在说明如何构成和使用根据本发明的各种实施例而非旨在限制其真实的、期望的以及合理的范围和精神。前述描述并非打算穷举或者将本发明限于所公开的精确形式。按照上面的教导，修改和变化是可能的。选择和描述了实施例以便提供对本发明的原理及其实际应用的最佳说明，并使普通技术人员能够在各种实施例中并利用适于所构思的特定使用的各种修改来采用本发明。当根据被合理、合法和公正地赋予在本专利申请进行期间可以被修改的所附权利要求及其全部等同物的宽度解释时，所有这些修改和变化在本发明的范围以内，本发明范围由所附权利要求及其全部等同物确定。

Claims (10)

1.一种用于收发机的小型设备天线系统，包含：

具有第一和第二相反表面的绝缘层；

在所述第一表面上的发射回路元件，其中，所述发射回路元件具有被布置在发射锯齿形结构中的多个发射回路片段；和

在所述第二表面上的接收回路元件，其中，所述接收回路元件具有被布置在接收锯齿形结构中的多个接收回路片段，其中，所述接收锯齿形结构中的每一个接收回路片段均相对于被布置在所述发射锯齿形结构中的最接近的发射回路片段倾斜，

其中，所述发射锯齿形结构中的所述发射回路片段以和沿第一方向的第一向量成小于或等于90度的发射片段角从中央发射回路区域的边界延伸出来，并且其中，所述接收锯齿形结构中的所述接收回路片段以和沿第二方向的第二向量成小于90度的接收片段角从中央接收回路区域的边界延伸出来，所述第二方向与第一方向相反。

2.如权利要求1所述的小型设备天线系统，其中，被布置在所述发射锯齿形结构中的所述发射回路片段被发射回路连接片段连接，并且其中，被布置在所述接收锯齿形结构中的所述接收回路片段被接收回路连接片段连接。

3.如权利要求1所述的小型设备天线系统，其中，所述发射回路元件将发射回路片段分组为两个或更多个发射锯齿形结构，并且其中，所述接收回路元件将接收回路片段分组为两个或更多个接收锯齿形结构。

4.如权利要求1所述的小型设备天线系统，其中，所述发射回路元件在发射回路平面中，并且其中，所述接收回路元件在接收回路平面中。

5.如权利要求4所述的小型设备天线系统，其中，所述发射回路平面和所述接收回路平面平行。

6.如权利要求1所述的小型设备天线系统，其中，被布置在所述锯齿形结构中的每一个发射回路片段均相对于被布置在所述锯齿形结构中的对应的一个所述接收回路片段倾斜。

7.一种用于收发机的小型设备天线系统，包含：

在绝缘层的第一侧面上的发射回路元件，其中，所述发射回路元件具有被布置在发射回路锯齿形结构中的多个发射回路片段，其中，所述多个发射回路片段中的每一个均具有相对于参考向量的发射片段角；和

在所述绝缘层的相反侧面上的接收回路元件，其中，所述接收回路元件具有被布置在接收回路锯齿形结构中的多个接收回路片段，其中，所述多个接收回路片段中的每一个均具有相对于所述参考向量的接收片段角，并且其中，每一个接收回路片段的所述接收片段角和最接近的发射回路片段的发射片段角不同，以便减少所述发射回路元件和所述接收回路元件之间的电气耦合，

其中，所述发射回路元件的总路径长度是所述发射回路元件的中心频率波长的1.55倍，并且其中，所述接收回路元件的总路径长度是所述接收回路元件的中心频率波长的1.55倍。

8.如权利要求7所述的小型设备天线系统，其中，所述发射回路元件在平行于所述接收回路元件的平面的平面中。

9.如权利要求7所述的小型设备天线系统，其中，所述发射回路元件和所述接收回路元件的所述中心频率在2.0GHz到3.0GHz之间，并且其中，所述发射回路元件和所述接收回路元件在所述绝缘层上的正射投影的总面积小于300平方毫米。

10.如权利要求9所述的小型设备天线系统，其中，所述发射回路元件和所述接收回路元件的所述正射投影落入15毫米见方的区域中。

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