CN101569056A - 集成在印刷电路板中的天线 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了用于安装在非导电基板(102)之内或之上的天线(100)，天线(100)包括辐射元件(110)、接地平面(160)、用于使接地平面耦合于辐射元件的耦合装置(150)以及用于使天线连接于其它装置的馈线装置(170，171)。辐射元件(110)、接地平面(160)和耦合装置(150)通过基板彼此隔开。相对于接地平面(160)成形和定位辐射元件(110)，从而定义接地平面(160)的第一边缘(161)和辐射元件(110)的第一边缘(120，130)之间的距离范围(d2－d1)。

Description

集成在印刷电路板中的天线
技术领域
本发明揭示了一种用于安装在非导电基板之内或之上的天线。该天线包括辐射元件、接地平面、用于使接地平面耦合于辐射元件的耦合装置以及用于使天线连接于其它装置的馈线装置。在天线中，通过基板使辐射元件、接地平面和耦合装置彼此隔开。
背景技术
在诸如蜂窝电话网络之类的移动电信网络中，对于小天线的需求日益增长，这些小天线可用于小基站即节点中，可在网络的一定区域中用来控制和发送到用户和来自用户的所有业务。
最好应该把这种天线集成到基站中，因此这表示小尺寸是对天线的一种要求。对这种天线的其它要求有，例如，它们应该是制造起来不昂贵的，具有良好的全方向辐射图，以及在系统的工作带宽上天线中的反射损耗应该较小。
发明内容
本发明通过揭示了一种用于安装在非导电基板之内或之上的天线而满足了上述对天线的要求。该天线包括辐射元件、接地平面、用于使接地平面耦合于辐射元件的耦合装置以及用于使天线连接于其它装置的馈线装置。
在本发明的天线中，通过基板使辐射元件、接地平面和耦合装置彼此隔开，并且相对于接地平面成形并定位辐射元件，从而定义接地平面的第一边缘和辐射元件的第一边缘之间的距离范围。
在本发明的首选实施例中，基板具有第一和第二主表面，并且把辐射元件和接地平面安排在基板的第一主表面上，把耦合装置安排在基板的第二主表面上。
因此，通过本发明，使用印刷电路板(PCB)基板作为在之上或之内安装天线的基板而提供了可以集成到印刷电路板，PCB，中的天线。此外，通过调节由接地平面和辐射元件的第一边缘定义的距离范围可以调节需要用天线来覆盖的带宽。
合适地，但是并非必须地，接地平面还附加地包括用于匹配辐射元件的阻抗的装置，从而使损耗最小化。
附图说明
下面将参考附图更详细地描述本发明，其中：
图1a示出根据本发明的带有天线的PCB的示意性顶视图；以及
图1b示出图1a的细节；以及
图2示出图1的PCB的横截面；以及
图3示出用于本发明的天线的等效电路；以及
图4-6示出本发明的其它的可能实施例；以及
图7示出本发明的另外的变型实施例。
具体实施方式
图1a示出本发明的天线的实施例100。图1a是天线100的“顶视图”，并且示出天线是安排在非导电基板102诸如例如印刷电路板PCB的支撑基板上的。在图1a的示范性实施例中，有天线安排在其上的基板102基本上是平的，即，它具有第一和第二主表面、上表面和下表面。
如图1a所示，天线100包括辐射元件110和用于辐射元件110的接地平面160，它们两者都是由，诸如例如，铜，这样的导电材料制成的。把辐射元件110和接地平面160两者都安排在基板102的相同主表面上。
天线100还包括耦合装置150，辐射元件110通过它而耦合到接地平面160。在图1a所示的实施例中，把耦合装置150设计成“舌状物”或带状的导电材料，安排在基板102上与其上安排有辐射元件和接地平面的表面相对的主表面上。可以这样来表达，如果把辐射元件110和接地平面160安排在基板102的上表面上，则把耦合装置150安排在基板102的下表面上。还可以通过使用表示带150的虚线来表示在基板102上与接地平面160和辐射元件110相对的主表面上的带150的位置。
因此，通过位于基板102相对侧上的带150使辐射元件110电容性地耦合到接地平面160。
可以从图1a看到，如此地安排和设计辐射元件110，从而通过从辐射元件110的边缘120、130到接地平面160的边缘161来定义距离范围d1-d2。将参考图1b在下文中说明如此安排的原因。
可以按许多方式来实现接地平面160和辐射元件110之间的距离范围d2-d1，图1a和1b中示出了其中之一：接地平面160具有包括直线161的第一边缘，而辐射元件具有包括直线的至少一个第一边缘120。使辐射元件的第一边缘120安排成相对于虚线S倾斜成一个角度，从而定义了所述距离范围d2-d1，所述虚线S是从接地平面160的第一边缘161垂直地延伸的。
可以从图1a看到，d1是面对接地平面的辐射元件110的边缘之间的最短距离，而d2是这个距离中的最长的。
在图1a中还示出，在一个首选实施例中，天线100的辐射元件110相对于虚直线S是对称的。因此，在所示的首选实施例中，辐射元件包括两个边缘120、130，两者都按上面描述的方式倾斜地延伸，一个边缘从线S在任一方向上延伸。还通过短分段140互连两个边缘120、130，所述短分段140是平行于接地平面160的直边缘161而延伸的。
为了使天线100中的损耗最小，天线还包括用于匹配辐射元件110的阻抗的装置。在首选实施例中，匹配装置包括接地平面160中的多个凹槽或轨迹164。如果接地平面具有矩形的形状从而使得存在接地平面的两个侧边缘162、163，则凹槽将以一定的深度D和高度h从这些侧边缘162、163向内延伸。
这里应该指出，图1所示的凹槽只是这种凹槽的一个例子，完全可能，例如，使凹槽从面对辐射元件110的接地平面的一侧延伸到接地平面中。
在本文的后面将更详细地说明凹槽164的匹配功能，但是应该论及的凹槽的另一个重要功能是它们能抑制接地平面电流。
在图1a中还示出，天线100包括馈线装置170、171，用于把天线连接到其它装置，从而使之有可能把用于传输的信号提供给天线，并且把天线100已经接收到的信号提供给其它装置。
可以按本领域普通技术人员已知的多种方式来设计馈线装置，而图1a中则示出了一种可能的设计：在接地平面160上安排了同轴接触，同轴接触的一部分170是连接到接地平面的一个外环，而另一个部分是连接到带150的针171，其穿过基板102而延伸，向上通过接地平面而不与接地平面发生电接触。
现在转到图1b，单独地示出了辐射元件110。图1b旨在说明本发明所展示的距离范围d2-d1的原因。在图1b中，示出了许多距离d5-d8，旨在说明也在通过虚线示出的辐射元件110中一个距离：距离d5-d8的总和是辐射元件110的周长的一半。这个距离，即辐射元件的周长的一半，将确定天线100的工作带宽的近似中心频率。
可以理解，通过改变距离d2和d1，可以改变主体或辐射元件110的周长，因此可以在频率平面中移动天线100的工作带宽。特别，通过辐射元件110的大小可以确定天线100的总带宽。
还可以指出，虽然在首选实施例中，选择了通过d2和d1确定的距离范围以致第一距离d2要比第二距离d1长很多，但是d2和d1相等的距离范围也可以产生可运行的天线。
当讨论辐射元件110的形状时，还可以论及，可以使用辐射元件的大小来改变天线的增益，并且可以使用形状(矩形、圆形等)来确定天线在工作带宽上的性能。
图2示出图1的天线沿图1a的线S的横截面图。因此，以相同的标号来表示图1和图2中示出的元件。
如结合图1所描述的，但是在图2中能更清楚地看到，天线100包括非导电基板102的第一主表面210上的一个层，以及还包括同一个基板的第二主表面上的一个层。在图2中，能比图1更清楚地看到基板102的第一主表面210和基板102的第二主表面220。
在基板102的第一主表面210上的天线层包括辐射元件110和接地平面160，其被安排成彼此之间具有最近的距离d1。在基板102的第二主表面220上的天线层包括带150，使辐射元件电容性地耦合到接地平面。
在图2中还示出了馈线装置，它包括同轴接触的外环171，所述环在无电流流过的情况下连接到接地平面160和针171，其在无电流流过的情况下连接到带150，通过基板102向上延伸，并且通过接地平面160，但是没有接触接地平面。因此，需要除去接地平面的一个小分段以便允许使针171按所要求的方式延伸。
在图2中还可以看到，带150具有称之为d4的纵向延伸。
现在转到图3，示出了本发明的另一个方面：图3是天线100的等效电路，示出了与接地平面160组合在一起的辐射元件110可以看成包括电感L 310、电容C 320以及电阻R 330。可以把这些一起看成包括实数分量和虚数分量的称之为X1的阻抗，从而X1＝Re X1+j*ImX1。
通过轨迹或凹槽164和带150可以使阻抗X1与连接装置的阻抗即所要求的阻抗相匹配。示出凹槽164作为第一并联阻抗X2 350，并且示出带作为第二并联阻抗X3 340。可以把X2和X3的组合看成阻抗X4，X4包括实数分量和虚数分量从而X4＝Re X4+j*ImX4。
为了得到天线100的理想匹配，应该满足下面的标准：
1/ImX1＝-1/ImX4
为了得到上面等式所示的要求结果，许多设计参数都是可用的，诸如：
·凹槽164的深度和高度，如图1中D和h所示
·凹槽离开辐射元件110的距离
·带150的长度d4
当使用带150的长度作为调谐参数时，需要注意图1中所示的距离d3，即，从接地平面160的边缘到辐射元件110下的带150的末端的距离，应该近似地保持λ/4的值，其中λ是所要求的天线100工作带宽的中心波长。然而，距离d3可以在λ/4的值的附近稍微变化，以便把它作为调谐因子来使用。
图1中示出的本发明的天线实施例是本发明的一个例子。可以使用落在本发明范围内的各种其它的变型，在图4-6中示出了一些变型。为了便于理解图4-6，图4-6中对应的元件使用图1的附图标记。
图4示出本发明的一种可能变型，其中接地平面160和辐射元件110两者的形状都形成为矩形，它们相对于彼此倾斜地定位，从而产生距离范围d2-d1。
图5示出本发明的另一种可能变型，其中接地平面160和辐射元件110两者都形成为矩形，但是其中辐射元件110被定位成其一角指向接地平面的直边缘，以致辐射元件和接地平面之间的最短距离是到辐射元件的角的距离。
在图6中，示出又一种可能变型，辐射元件110(以及接地平面160)不必定是矩形的，但是替代地可以具有图6中的形状，即，圆形的，这也会产生距离范围d2-d1。可以理解，可以改变辐射元件110的圆形形状，从而所替代的辐射元件是椭圆形的。
最后，图7示出本发明的另一个实施例。图7的实施例与图2的实施例相似，已经对相似的细节给出相同的附图标记。
图7的实施例旨在示出本发明的另一个方面：在上述各实施例中，已经在基板102的外侧表面上安排了天线组件。如图7所示，可以在基板102中“嵌入”一个或多个组件，如图7所示，其中安排第二基板层102’来覆盖辐射元件110和接地平面160。因此，在这样的实施例中，可以在基板102、102’之内安排一个或多个天线组件来代替安排在基板之上。
此外，需要指出的是，不必把辐射元件110和接地平面160彼此水平地进行安排，如图2和7所示。可以使辐射元件和接地平面在所示出的与带150分离的同一方向上彼此分离，以使它们彼此不处于同一水平。例如，这可以通过按给出所要求的结果的方式使基板102成形而得到。
本发明不局限于上述实施例和附图中的例子，而是可以在所附专利权利要求书的范围内自由地改变。
为了仅论及本发明可能的许多其它变型中的少数几个，需要提到的是，也可使面对接地平面的辐射元件的边缘给出弯曲形状，以产生了多种距离。除此之外，最好可能在具有保留功能的一个边缘上折叠辐射元件和/或接地平面。
同样，可以论及，已经在上述图1-2中和某些其它变型中示出的辐射元件的对称不是绝对必需的，而是可以得到天线优良性能的一种方法。
最后，应该论及，虽然附图中示出的和上面描述的实施例包括平面基板和天线组件，但是在本发明的范围内完全有可能使基板的形状成为弯曲面，并且把天线组件安排在该基板之上或之内，从而使一个或多个天线组件也会展现出相应的弯曲形状。

Claims (8)

1.用于安装在非导电基板(102)之内或之上的天线(100)，所述天线(100)包括：
·辐射元件(110)；
·接地平面(160)；
·用于使所述接地平面耦合于所述辐射元件的耦合装置(150)；
·用于使所述天线连接于其它装置的馈线装置(170，171)，其中在天线(100)中，所述辐射元件(110)、所述接地平面(160)和所述耦合装置(150)通过所述基板彼此隔开，所述天线(100)其特征在于，相对于所述接地平面(160)成形并定位所述辐射元件(110)，从而定义所述接地平面(160)的第一边缘(161)和所述辐射元件(110)的第一边缘(120，130)之间的距离范围(d2-d1)。
2.如权利要求1所述的用于安装在所述非导电基板(102)之内或之上的天线(100)，所述基板(102)展现出第一(210)和第二(220)主表面，在所述天线(100)中，把所述辐射元件(110)和所述接地平面(160)安排在所述基板(102)的所述第一主表面(210)上，而把所述耦合装置(150)安排在所述基板(102)的所述第二主表面(220)上。
3.如权利要求1或2所述的天线(100)，其中所述接地平面(160)另外还包括阻抗匹配装置(164)，从而使损耗最小。
4.如权利要求1-3中任何一项所述的天线(100)，其中所述接地平面(160)的所述第一边缘(161)包括面对所述辐射元件(110)的直线(161)，并且在天线(100)中，所述辐射元件(110)相对于虚直线(S)是对称的，所述虚直线(S)从所述接地平面(160)的所述第一边缘(161)垂直地延伸。
5.如权利要求3或4所述的天线(100)，其中所述接地平面(160)的所述匹配装置包括向所述接地平面(160)内延伸有一定深度(D)和高度(h)的多个凹槽(164)。
6.如权利要求5所述的天线(100)，其中所述凹槽从不面对所述辐射元件(110)的所述接地平面(160)的侧边缘(162)向内延伸。
7.如权利要求4或5中任何一项所述的天线(100)，其中所述辐射元件(110)的所述第一边缘(140)包括与所述接地平面(160)的所述第一边缘(161)的所述直线(161)平行的直线(140)，并且在所述第一边缘(140)的两侧上，还展现出相对于所述接地平面的所述第一边缘(161)倾斜的第二边缘(120，130)。
8.如前述权利要求中任何一项所述的天线(100)，其中所述距离范围是如此的，以致存在第一距离(d2)和第二距离(d1)，所述第一距离比所述第二距离长很多。
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