CN101552375A - 低互调印刷电路板天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低互调印刷电路板天线，包括一个PCB印刷电路板辐射阵列，该辐射阵列设有制作在PCB基底上下表面的带状导体，带状导体内设狭槽，该上下带状导体位置相对、形状相同，被其狭槽分割开的对应部分通过短路导体上下连接。本发明将相同的带状导体制作在PCB印刷电路板双面的相对位置上，上下带状导体以相同相位被馈电，从而减小了位于带状导体与PCB介质基底之间的中间层上分布的微波电流，其中中间层为可产生互调产物的半导体薄膜，因此，与现有技术相比，本发明的天线具有较少的互调产物。

Description

低互调印刷电路板天线

技术领域：

本发明涉及天线，具体涉及用于蜂窝式无线通讯的天线，尤其是指水平、垂直以及正负45度倾斜双极化发射或接收天线和单极化发射或接收天线。

背景技术：

如图1所示，是现有技术的印刷电路板天线侧视绘制图，它是一种双极化天线，其辐射阵列由PCB印制电路板制成，其中带状导体2a被制作在PCB基底1a的下表面上。支撑导体4a、5a及馈电电缆6a、7a将辐射阵列支撑在反射接地板3a之上，支撑导体4a、5a及馈电电缆6a、7a组成了两个正交的平衡与不平横转换器。电桥8a、9a被安放在PCB基底1a的上表面上，它们的第一个末端分别连接到穿过基底1a的支撑导体4a、5a上，第二个末端分别被连接到穿过基底1a的电缆6a、7a的顶端13a、14a上。如图2所示，是图1的顶视图，其中带状导体2a呈两H形十字交叉状，并且内设呈两H形十字交叉状的十字狭槽12a。

这种双极化天线的辐射阵列采用一块PCB印制电路板制成。由于印制电路技术能够保证辐射阵列拥有一个理想的对称性，所以这种印制电路板天线其两个输出端隔离度具有非常好的一致性。而且该天线的回损也得到了改善并具有非常好的一致性，其原因就是PCB板上包含有匹配电路。PCB板制作的辐射阵列具有的优越性使其在制造基站阵列天线时有很大的吸引力，然而这种天线产生的互调产物达到-145dBc，因此，基站用该印制电路板天线还需要在以上基础上进一步改进。

有研究发现互调产物的产生是来源于沉积在PCB基底上的一层很薄的特殊材料，该特殊材料薄层用于支撑沉积到PCB基底上的铜层，而在PCB沉积铜之前通常先采用镍或者镍合金沉积到PCB的介质基底上，该工艺导致基底上生成了一个非常薄的半导体层并介于铜层与介质基底之间。从而沿着带状导体传输的微波电流也会沿着这个半导体薄层传输，并且该传输层会产生互调产物。

如图6所示，是图2中由A-A方向观察到的局部放大截面图。图6呈现了沿着带状导体2a上的微波电流流向分布，其中带状导体2a被狭槽12a分割成两部分。当馈电电缆对PCB基底1a下表面的带状导体2a进行馈电时，带状导体2a可作为一种传输线，根据趋肤效应原理微波电流会趋向于传输线的表面传输，则带状导体2a上的微波电流主要趋向于带状导体的表面分布，其结果是，大约一半的微波电流会沿着带状导体2a的上表面传输。因此，微波电流将会沿着位于带状导体2a和介质基底1a之间的一层半导体薄膜传输，由此导致这层薄膜产生互调产物。

一种减少互调产物的方法就是研发和使用特殊的材料。例如Arlon公司降低互调产物的方法是通过采用PCB碾压技术制成编织玻璃纤维增强聚四氟乙烯PTFE合成材料。该材料已在工程上被应用来减少基底碾压层对无源互调的贡献和包括天线在内的微波器件的信号失真。其降低的结果是因为铜与碾压层之间的界面得到了优化，特别是除了可控制碾压层结构和工艺外，也可控制铜的表面粗糙度和表面处理。但不幸的是，由于含有PTFE材料及制造技术上的复杂性使得该种材料很昂贵。

发明内容：

本发明的目的就是为了克服现有技术的不足，提出一种低互调印刷电路板天线，既能减少互调产物的产生，又能价格便宜、制作简单。

为实现上述目的，本发明低互调印刷电路板天线，包括一个PCB印刷电路板辐射阵列，该辐射阵列设有制作在PCB基底上下表面的带状导体，带状导体内设狭槽，该上下带状导体位置相对、形状相同，被其狭槽分割开的对应部分通过短路导体上下连接。

在一种实施方式中，上述PCB基底上下表面的带状导体，被其狭槽分割开的对应部分分别连接穿过PCB基底的支撑导体端部及馈电电缆外导体端部，上述短路导体为连接上下带状导体对应部分的支撑导体端部、以及连接上下带状导体对应部分的馈电电缆外导体端部。

为便于制作，在另一种实施方式中，上述短路导体为穿过PCB基底连接上下带状导体的镀金属通孔，该镀金属通孔优选镀铜通孔，PCB基底下表面的带状导体，被其狭槽分割开的对应部分分别连接支撑导体及馈电电缆外导体的端部。

上述PCB基底可采用玻璃纤维增强板FR4材料，以降低成本。

当馈电电缆以相同的相位对PCB基底上下表面的带状导体进行馈电时，微波电流就会沿着上下表面的带状导体以相同方向传输，并且相互排斥。带状导体可作为一种传输线，根据趋肤效应原理微波电流会趋向于传输线的表面传输。因此，微波电流主要沿着上带状导体的上表面和下带状导体的下表面传输，从而使介于带状导体与PCB介质基底之间的半导体薄膜上的微波电流几乎为零，其结果是本发明的双面PCB板天线具有比现有技术单面PCB板天线更少的互调产物。

本发明由于将相同的带状导体制作在PCB印刷电路板双面的相对位置上，减少了沿着半导体薄膜传输的微波电流，故半导体薄膜产生较少的互调产物，也正因为本发明的双面PCB板结构能够减少互调产物的产生，所以，即使使用比Arlon公司PTFE材料更便宜的FR4材料，也能达到互调产物低于-150dBc的水平，而互调产物低于-150dBc水平的天线能够用于蜂窝基站。

附图说明：

图1是现有技术的侧视绘制图；

图2是图1的顶视图；

图3是本发明实施例一的侧视绘制图；

图4是图3C-C方向的局部放大截面图；

图5是图3的顶视图；

图6是图2A-A方向的局部放大截面图以及辐射阵列中带状导体上的微波电流分布；

图7是图5B-B方向的局部放大截面图以及辐射阵列中带状导体上的微波电流分布；

图8是本发明实施例二的侧视绘制图。

图9是图8D-D方向的局部放大截面图。

图10是本发明实施例三的侧视绘制图；

图11是本发明实施例四的侧视绘制图。

具体实施方式：

实施例一

如图3所示，本发明实施例一的低互调印刷电路板天线是双极化天线，包括一个PCB印刷电路板辐射阵列，该辐射阵列设有制作在PCB基底1b上下表面的带状导体2c、2b，带状导体2c、2b内设十字狭槽，PCB基底1b上下表面的带状导体2c、2b形状相同，分别制作在PCB基底1b上下表面的相对位置上。

支撑导体4b、5b及馈电电缆6b、7b将辐射阵列支撑在反射接地板3b之上，它们的底端与接地板3b连接，从而它们组成了两个正交的平衡与不平横转换器。电桥8b、9b被安放在PCB基底1b上表面带状导体2c的上面，它们的第一个末端与穿过PCB基底1b的支撑导体4b、5b端部连接，同时连接带状导体2c、2b，它们的第二个末端分别与穿过PCB基底1b的馈电电缆6b内导体13b和馈电电缆7b内导体14b相连接。塑料隔离垫圈11b、10b被安放在电桥8b、9b的第二个末端与带状导体2c之间。

如图4所示，是图3中由C-C方向观察到的局部放大截面图，其中，支撑导体4b的端部穿过PCB基底1b，连接电桥8b、带状导体2b、2c，馈电电缆6b的外导体端部穿过PCB基底1b，与带状导体2b、2c相连接。支撑导体4b、5b的端部与馈电电缆6b、7b外导体的端部相当于连接PCB基底1b上下带状导体2c、2b的短路导体。

如图5所示，是图3的顶视图，从图中可以看到带状导体2c呈两H形十字交叉状，相对应，十字狭槽12c也呈两H形十字交叉状，十字狭槽12c将带状导体2c分割成四部分。图中辐射阵列的带状导体具有四条两两互相垂直的轴对称线，十字狭槽12c处于其中两条互相垂直的轴对称线上，另外两条互相垂直的轴对称线如图5中点画线所示，第一条对称线为+45度倾斜，而第二条对称线为-45度倾斜。带状导体2b被制作在PCB基底1b的下表面，位置与带状导体2c相对，但其形状与带状导体2c相同。第一条馈电电缆6b被连接到带状导体2b、2c上并且位于第一条对称线上，当天线通过馈电电缆6b馈电后，天线就会沿着第一条+45度对称线辐射定向的电场。同时第二条馈电电缆7b被连接到带状导体2b和2c上并且位于第二条对称线上，当天线通过馈电电缆7b馈电后，天线就会沿着第二条-45度对称线辐射定向的电场。所以，通过上述方式馈电后，辐射阵列将会辐射出具有平行于两条对角线的E矢量的相互正交的电场。

图3-图5所示的本发明实施例一，虽然其辐射阵列所辐射的电场与图1-图2所示的现有技术辐射阵列所辐射的电场相同，但是本发明实施例一的辐射阵列沿着带状导体具有不同的微波电流流向分布。

如图7所示为图5中由B-B方向观察到的局部放大截面图。图7显示了沿着带状导体2b、2c微波电流流向的分布，其中带状导体2b、2c分别被狭槽12b、12c分割成两部分。馈电电缆6b、7b对带状导体2b、2c以相同相位进行馈电，从而微波电流沿着相互对立的带状导体2b、2c以相同方向传输，并且相互排斥。其结果导致微波电流主要分布于带状导体2c的上表面和带状导体2b的下表面，而只有很少的微波电流存在于位于带状导体和介质基底1b之间的半导体薄膜上，从而使半导体薄膜将产生较少的互调产物。因此，与现有技术相比，本发明实施例一的双极化天线具有较少的互调产物，也正因为互调产物较少，辐射阵列所用PCB基底可采用玻璃纤维增强板FR4材料制作，成本低廉。

实施例二

如图8所示，本发明实施例二对实施例一进行了改进。实施例二具有穿过PCB基底1d连接上下带状导体2d、2e的镀铜通孔15，镀铜通孔15为短路导体，使安放在PCB基底1d相对两面上的带状导体2d、2e形成短路。隔离塑料垫圈11d、10d被安放在电桥8d、9d与带状导体2e之间。如图9所示，显示了从图8中由D-D方向观察到的局部放大截面图，馈电电缆6d、7d外导体的端部及支撑导体4d、5d的端部都被焊接到PCB基底1d下表面的带状导体2d上，所以，与实施例一相比，实施例二的天线制作方法更简单，并且其回波损耗和隔离度均有较好的一致性。

实施例二的其余部分和实施例一相同，不多描述。

实施例二的双极化天线，其半功率波束宽度为50-70度，工作频带为824-960MHz，而另一些具有相同半功率波束宽度的天线其工作频带在1710-2170MHz。

实施例三

如图10所示，本发明实施例三也是一种双极化天线。被制作在PCB基底1f上下表面的带状导体2g、2f为被十字狭槽分隔成的四个三角形或钻石状导体。其余和实施例二相同，不多描述。

实施例四

如图11所示，本发明实施例四的低互调印刷电路板天线是单极化天线。制作在PCB基底1h上下表面的带状导体2j、2h呈H形，带状导体2j、2h具有两条互相垂直的轴对称线，其狭槽为H形狭槽12j、12h，将带状导体2j、2h分割成两部分，并处于其中一条轴对称线上。该单极化天线的半功率波束宽度为50-70度，馈电电缆6h通过电桥8h向辐射阵列馈电，馈电电缆6h的外导体与支撑导体4h组成一个平衡与不平衡转换器。本发明实施例四的单极化天线同样具有较少的互调产物。

本发明最佳实施例所提供的天线包含有采用PCB板制作的辐射阵列并且通过支撑导体支撑在反射接地板之上，这些支撑导体组成了两个相互正交的平衡与不平横转换器。辐射阵列包含有相同的带状导体并且带状导体被制作在PCB板上下表面的相对位置上。对于双极化天线的辐射阵列来说，这些带状导体其顶视图具有四条轴对称线。辐射阵列可为任何形状并且能够实现所要求天线的波束宽度和极化。支撑导体的上端部被连接到PCB板上的带状导体上，并且支撑导体的上端被十字狭槽彼此分隔开。组成平衡与不平横转换器的导体与制作在PCB板双面上的带状导体形成连接。支撑导体的底端被连接到发射接地板上并彼此形成短路。支撑导体可采用内含馈电电缆的管子制成，或者也可采用其他形状，例如横截面为U形导体管，馈电电缆的外导体也能够作为支撑导体使用。第一条馈电电缆被连接到位于第一条对称线上的带状导体上，并且该对称线越过了第一个电桥附近带状导体间的十字狭槽，第二条馈电电缆被连接到位于第二条对称线上的带状导体上，并且该对称线越过了第二个电桥附近带状导体间的十字狭槽，两条对称线相互垂直。上述所描述的双极化天线辐射出两个相互垂直的电场。

与现有的技术相比，本发明的双极化天线制作简单并且输出端口隔离度的一致性较好，其原因是最佳辐射阵列可被精确地制作在一块印制电路板上。

与现有的技术相比，本发明的双极化天线具有较少的互调产物，其原因是相同的带状导体被制作在PCB板双面的相对位置上从而减少了沿着产生互调产物的半导体薄层传输的电流。

本发明的单极化天线与本发明的双极化天线一样可减少互调产物的生成。

本发明具有比现有技术更少的互调产物，所以，一个可行的解决方案就是使用比Arlon公司材料更便宜的FR4材料，并且达到互调产物低于-150dBc的水平。

本发明的天线产生的互调产物均小于-150dBc，两极间隔离度优于34dB，回损优于20dB，并且本发明的天线可以被设计应用于任何频带。

在当今这个频繁使用手机通讯的时代，这种具有良好极间回损与隔离度、制作简单且具有极低互调产物的低互调印刷电路板天线，满足了人们日益增长的需求。

Claims (10)

1、低互调印刷电路板天线，包括一个PCB印刷电路板辐射阵列，该辐射阵列设有制作在PCB基底下表面的带状导体，带状导体内设狭槽，其特征在于：还设有制作在PCB基底上表面的带状导体，该上下带状导体位置相对、形状相同，被其狭槽分割开的对应部分通过短路导体上下连接。

2、根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述短路导体为穿过PCB基底连接上下带状导体的镀金属通孔。

3、根据权利要求2所述的天线，其特征在于：所述镀金属通孔为镀铜通孔。

4、根据权利要求2所述的天线，其特征在于：所述PCB基底下表面的带状导体，被其狭槽分割开的对应部分分别连接支撑导体及馈电电缆外导体的端部。

5、根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述PCB基底上下表面的带状导体，被其狭槽分割开的对应部分分别连接穿过PCB基底的支撑导体端部及馈电电缆外导体端部，所述短路导体为连接上下带状导体对应部分的支撑导体端部、以及连接上下带状导体对应部分的馈电电缆外导体端部。

6、根据权利要求1至5任一项所述的天线，其特征在于：所述PCB基底采用玻璃纤维增强板FR4材料。

7、根据权利要求1至5任一项所述的天线，其特征在于：所述PCB基底上下表面的带状导体具有四条两两互相垂直的轴对称线，所述狭槽为将带状导体分割成四部分的十字狭槽，十字狭槽处于其中两条互相垂直的轴对称线上。

8、根据权利要求7所述的天线，其特征在于：所述带状导体呈两H形十字交叉状，相对应，十字狭槽也呈两H形十字交叉状；或者，所述带状导体为被十字狭槽分隔成的四个三角形或钻石状导体。

9、根据权利要求1至5任一项所述的天线，其特征在于：所述PCB基底上下表面的带状导体具有两条互相垂直的轴对称线，所述狭槽将带状导体分割成两部分，并处于其中一条轴对称线上。

10、根据权利要求9所述的天线，其特征在于：所述带状导体呈H形，相对应，所述狭槽也呈H形。

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