CN101826655B - 天线装置及其所使用的天线元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天线装置及其所使用的天线元件。该天线装置包括天线元件和印刷电路板，该天线元件安装在该印刷电路板上。天线元件包括基体；辐射导体，其形成在所述基板的上表面上，并且辐射导体的一端是开放端；多个端子电极，其形成在所述基板的底面上；以及基本上为U形的回路导体。该回路导体被设置为隔着具有预定宽度的间隙而与一个端子电极相对。天线安装区域被设置在印刷电路板的上表面上，与印刷电路板的长边的边缘相邻。馈电线沿着边缘引入天线安装区域。回路导体的一端和另一端分别连接到馈电线和接地图案。

Description

天线装置及其所使用的天线元件

技术领域

本发明涉及天线装置及其所使用的天线元件(antenna element)，更具体地涉及内置在诸如移动电话的小型便携式终端中的表面安装型天线装置。

背景技术

近些年，用于GPS(全球定位系统)或蓝牙的贴片天线(chip antenna)内置在诸如移动电话的小型便携式终端中。该类型的贴片天线要求尺寸小并且便于谐振频率调整和阻抗匹配。这是因为贴片天线的谐振频率和输入阻抗受到印刷电路板的结构、贴片天线周围安装的各种电子组件和壳体的影响。因此，必须针对各模型调整谐振频率和输入阻抗。

具体地说，由于以下原因，便于天线的输入阻抗调整是非常重要的。当输入阻抗与馈线侧阻抗不匹配时，天线的VSWR特性劣化并且天线不能发挥天线本来的性能。为了便于输入阻抗的匹配，日本专利申请特开平11-340726号公报公开了具有下面结构的天线装置。U形辐射导体、接地导体、馈线到接地短路导体分别形成在基板的上表面、底面和侧表面上。通过调整馈线到接地短路导体的分支点而改变馈线到接地短路导体的电感值，由此调整天线的输入阻抗。

此外，日本专利申请特开第2003-69331号公开了下面的表面安装天线。双外壳(倒U形)供电电极形成在基板的侧表面到上表面上，对供电电极的长度进行调整，由此改变电感值并将输入阻抗与供电侧阻抗进行匹配。在这种天线的情况下，即使当由于基板使用了高介电系数的材料而导致辐射电极和供电电极之间的电容增加时，也可能增加供电电极的电感，消除电容的增加，并且便于进行阻抗匹配。

然而，利用日本专利申请特开平11-340726中所描述的常规天线结构，供电-接地短路导体形成在从基板的侧表面到上表面的宽范围中，这需要足够的面积来形成导体图案。也就是说，所存在的问题是，基板需要高到一定程度，并且难以将基板做得很低。

此外，利用日本专利申请特开平11-340726中所描述的常规天线结构，供电-接地短路导体和辐射导体被电容性地耦合在同一平面或与该同一平面正交的平面上。电容性耦合的强度取决于间隙宽度。因此，当间隙宽度小时，谐振频率低。当间隙宽度大时，谐振频率大。因此，当要获得低谐振频率时，应当将间隙宽度设定得窄。然而，当间隙宽度窄时，天线被制造得对于谐振频率的变化敏感，并且所存在的问题是非常难以调整谐振频率。此外，由于窄间隙上的电场的集中，还存在的问题是带宽变窄。

日本专利申请特开第2003-69331号中所公开的常规天线结构与日本专利申请特开平11-340726中所公开的常规天线结构具有相似的问题。也就是说，供电电极形成在基板的侧表面上，并且通过调整供电电极的长度来进行阻抗匹配。因此，必须确保在基板的侧表面上形成供电电极所需的面积，使得难以提供低的基板。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种天线装置和天线元件，其能够便于调整谐振频率和进行阻抗匹配，由此使基体具有小的高度并且使波带变宽。

为了解决上述问题，根据本发明的天线装置包括：天线元件；以及印刷电路板，其上安装所述天线元件，其中所述天线元件包括：基体，其由介电材料制成并且基本为长方体形；辐射导体，其形成在所述基体的上表面上，并且其一端是开放端；以及多个端子电极，其形成在所述基体的底面上，所述印刷电路板包括：绝缘基板；天线安装区域，其是设置在所述绝缘基板的表面上并与所述绝缘基板的长边的边缘接触的基本矩形的绝缘区域；接地图案，其形成在所述绝缘基板的表面上，以限定所述天线安装区域的成为所述边缘的边之外的三边；馈电线路，其沿所述边缘被引入所述天线安装区域；以及接地清除区域，其不具有导体图案，并且形成在所述绝缘基板的位于所述天线安装区域正下方的底面和内层上，其中在所述天线元件与所述印刷电路板交叠的区域中设置基本U形的回路导体，所述回路导体的一端连接到所述馈电线，所述回路导体的另一端连接到所述接地图案，并且所述回路导体的至少一部分被设置为隔着具有预定宽度的间隙而与第一端子电极相对，所述第一端子电极是多个端子电极之一，并且连接到所述辐射导体的另一端。

根据本发明，形成电感的回路导体设置在基体的底面与印刷电路板相邻的区域中，并夹在基体和印刷电路板之间，即夹在介电元件之间。因此，可以改善电介质的波长减少效应，由此减少回路导体的长度。

此外，根据本发明，因为波长减少效应可以减少回路导体的长度，所以仅基体的底面可以被用作其上形成回路导体的表面。也就是说，因为不需要使用基体的侧表面(与常规技术不同)，所以可以将基体做得很矮。

根据本发明，在端子电极和第一带状导体图案之间进行第一电容性耦合，并且通过分别位于基体的上表面和下表面上的辐射导体和回路导体之间的平行板结构来进行第二电容性耦合。因此，可以增加整个天线元件的电容。因此，当要获得期望的电容时，通过第一电容性耦合而获得的电容可以减少通过第二电容性耦合而获得的电容那么多。也就是说，由通过第一电容性耦合而获得的电容的贡献可以被设定得很低，使得间隙宽度可以变大。结果，可以避免形成对频率过度敏感的电极结构。因此，可以实现具有稳定特性的天线装置。此外，由于不存在间隙上的电场的集中，所以可以确保宽带。

在本发明中，优选的是，所述天线元件包括形成在所述基体的第一侧表面上的接地导体，所述基体的第一侧表面处于与所述基体的纵向正交的方向，所述接地导体具有连接到所述辐射导体的另一端的上端，所述第一端子电极形成在所述基体的底面的一个纵向端，所述一个纵向端与所述第一侧表面相邻，所述多个端子电极还包括形成在所述基体的底面上的、并沿所述基体的宽度方向分别形成在所述基体的另一纵向端的两端上的第二和第三端子电极，所述印刷电路板包括设置在所述天线安装区域中分别对应于第一至第三端子电极的第一至第三连接盘，所述回路导体包括被设置为隔着具有预定宽度的间隙而与所述第一端子电极相对的第一带状导体图案，并且所述回路导体的一端通过所述第二连接盘连接到所述馈电线。

根据本发明，在第一端子电极和第一带状导体图案之间进行第一电容性耦合，并且通过分别位于基体的上表面和下表面上的辐射导体和回路导体之间的平行板结构来进行第二电容性耦合。因此，可以增加整个天线元件的电容。因此，当要获得期望的电容时，通过第一电容性耦合而获得的电容可以与减少第二电容性耦合所获得的电容那么多。可以避免形成对频率过度敏感的电极结构。因此，可以实现具有稳定特性的天线装置。

在本发明中，优选的是，所述回路导体被整体地设置在所述天线元件与所述印刷电路板交叠的区域中，并且所述回路导体的另一端通过所述第三连接盘连接到所述接地图案。利用该结构，因为回路导体的整个上部被由介电材料制成的基体覆盖，所以可以进一步改善波长减少效应。

在本发明中，优选的是，所述回路导体还包括与所述绝缘基板的长边平行的第二和第三带状导体图案。所述第二带状导体图案的一端连接到所述第二连接盘图案，所述第二带状导体图案的另一端连接到所述第一带状导体图案的一端。所述第三带状导体图案的一端连接到所述第三连接盘图案，并且所述第三带状导体图案的另一端连接到所述第一带状导体图案的另一端。

在本发明中，优选的是，该天线装置还包括形成在所述天线安装区域中的频率调整图案，其中所述频率调整图案是从所述第一带状导体图案的基本纵向中部延伸出的第四带状导体图案。利用该结构，可以在不使用外部元件的情况下容易地调整天线装置的谐振频率。

在本发明中，优选的是，该天线装置还包括形成在所述天线安装区域中的阻抗调整图案，并且所述阻抗调整图案是与所述第一带状导体图案平行以将所述回路导体的回路尺寸做小的第五带状导体图案。利用该结构，在不使用外部元件的情况下可以容易地调整天线装置的输入阻抗。

在本发明中，优选的是，所述第一带状导体图案包括弯折图案(meander pattern)。利用该结构，可以将回路尺寸做得甚至更大，并且可以在不使用外部元件的情况下容易地调整天线装置的输入阻抗。

在本发明中，优选的是，所述回路导体包括：穿透绝缘基板的通孔导体；以及形成在所述绝缘基板的底面上的第六带状导体图案，其中所述通孔导体的一端连接到所述回路导体的另一端，并且所述通孔导体的另一端通过所述第六带状导体图案而连接到形成在所述绝缘基板的底面上的接地图案。

在本发明中，优选的是，所述天线安装区域被设置在距所述印刷电路板的纵向上的中心±25％的范围内。利用该结构，在具有所谓的接地清除型天线安装结构的天线装置中，天线安装区域与印刷电路板的长边的边缘相邻，并且被进一步设置在距印刷电路板的长边的中点±25％的范围内。因此，可以使流到印刷电路板上的接地表面的电流保持平衡。因此，可以从包括天线元件的整个印刷电路板辐射电磁波，并且即使非常小的天线也可以获得高辐射效率。

在本发明中，优选的是，所述接地清除区域的长边的方向与所述印刷电路板的纵向垂直，并且所述接地清除区域的长宽比为1.5或更高。通过将接地清除区域的长宽比设定为等于或高于1.5，可以增加流入印刷电路板的中部的电流，由此进一步提高天线装置的辐射效率。

在本发明中，优选的是，所述天线元件被安装在所述印刷电路板上，以在限定所述天线安装区域的相对两边的一个接地部分和另一个接地部分之间造成短路。通过以这种方式安装天线元件，当使整个印刷电路板操作为天线时，可以充分地实现LC调整功能。

为了解决上述问题，根据本发明的天线元件包括：基体，其由介电材料制成并且基本为长方体形；辐射导体，其形成在所述基体的上表面上，并且其一端是开放端；接地导体，其沿与所述基体的纵向正交的方向形成在所述天线元件的第一侧表面上，所述接地导体具有连接到所述辐射导体的另一端的上端；第一端子电极，其形成在所述基体的底面的一个纵向端上，所述一个纵向端与所述第一侧表面相邻；第二和第三端子电极，其形成在所述基体的底面上，并沿所述基体的宽度方向分别形成在所述基体的另一纵向端的两端上；以及基本U形的回路导体，其形成在所述基体的底面上，其中所述回路导体包括被设置为隔着具有预定宽度的间隙而与所述第一端子电极相对的第一带状导体图案。

根据本发明，当将天线元件安装在印刷电路板上时，形成电感的回路导体设置在基体的底面与印刷电路板相邻的区域中，并且回路导体夹在基体和印刷电路板之间，即夹在介电元件之间。因此，可以改善电介质的波长减少效应，由此减少回路导体的长度。因此，可以使基体的尺寸变小，即，可以使天线装置的尺寸变小并变矮。

根据本发明，因为回路导体被设置为与基体的底面相邻，所以不需要在基体的侧表面上形成回路导体。因此，可以提供基体变矮的天线装置。此外，根据本发明，可以通过改变回路导体的形状来改变电感值，并由此在不用显著改变谐振频率的情况下可以调整输入阻抗。这可以便于进行阻抗匹配。

附图说明

参照本发明的下面详细描述并结合附图，本发明的上述和其它目的、特征和优点将变得更加明显，在附图中：

图1是根据本发明的第一实施方式的天线装置100的结构的示意性立体图；

图2是天线元件10的展开图；

图3A和3B是其上可安装天线元件10的印刷电路板20的图案布局的示意性平面图，具体来说，图3A是印刷电路板20的上表面20A的布局，并且图3B是印刷电路板20的底面20B的布局；

图4是示出了天线安装区域23的优选形成位置的示意性平面图；

图5是安装在印刷电路板20上的天线元件10的等效电路图；

图6是示出了印刷电路板20的输入阻抗的优选范围的史密斯圆图；

图7A至7C是示出了用于检查印刷电路板20上的电流分布所进行的模拟的结果的示意图；

图8是示出了通过将天线安装区域23分别布置在图7A至7C所示的各位置而获得的辐射效率的图；

图9是示出了根据本发明的第二实施方式的天线装置200的天线元件10的结构的展开图；

图10A和10B是其上可安装天线元件10的印刷电路板20的图案布局的示意性平面图，具体来说，图10A示出了印刷电路板20的上表面20a的布局，并且图10B示出了印刷电路板20的底面20b的布局；

图11A和11B描绘了根据第二实施方式的天线装置200和根据第二实施方式的变型的天线装置300；

图12是示出了图11A和11B中所分别示出的天线装置200和300的辐射效率的图；

图13是示出了根据本发明的第三实施方式的天线装置400的结构的示意性立体图；

图14是示出了天线装置400的VSWR特性的示例的图；

图15是示出了根据本发明的第四实施方式的天线装置500的结构的示意性立体图；

图16是示出了根据本发明的第五实施方式的天线装置600的结构的示意性立体图；

图17是示出了根据本发明的第六实施方式的天线装置700的结构的示意性立体图；

图18是示出了分别根据第一实施方式和第四至第六实施方式的天线装置100和500至700的阻抗特性的史密斯圆图；

图19是示出了天线安装区域的位置的示意性平面图，用于说明当改变天线安装区域的位置时天线特性的测量；

图20A和20B是示出了当改变天线安装区域在印刷电路板上的位置时天线特性的测量结果的图，具体来说，图20A是回波损耗的测量结果，并且图20B是辐射效率的测量结果；以及

图21A和21B是示出了当改变天线安装区域的长宽比时天线特性的测量结果的图，具体来说，图21A是回波损耗的测量结果，并且图21B是辐射效率的测量结果。

具体实施方式

下面将参照附图详细描述本发明的优选实施方式。

图1是根据本发明的第一实施方式的天线装置100的结构的示意性立体图。图2是天线元件10的展开图。

如图1所示，根据第一实施方式的天线装置100包括天线元件10以及印刷电路板20，天线元件10安装在印刷电路板20上。天线元件10安装在天线安装区域23中，该天线安装区域23设置在印刷电路板20的一个主表面(上表面)上。根据该实施方式的天线装置100不仅利用天线元件10来进行天线操作，而且是与印刷电路板20上的接地图案协作地进行天线操作。在这种意义上，天线元件10可以是用于调整包括印刷电路板20的整个天线装置的电感成分(L)和电容成分(C)的LC调整元件。

天线元件10包括由介电材料制成的基体11和形成在该基体11上的多个导体图案。基体11为长方体形，其纵向是Y方向。在基体11的表面中，上表面11a、底面11b、以及两个侧表面11c和11d平行于Y方向。侧表面11e和11f与Y方向正交。底面11b是针对于印刷电路板20的安装面。天线元件10的垂直方向由印刷电路板20的被设定为基准面的主表面来限定。

对基体11的材料不做具体限制。材料的示例包括Ba-Nd-Ti(相对介电系数为80至120)、Nd-Al-Ca-Ti(相对介电系数为43至46)、Li-Al-Sr-Ti(相对介电系数为38至41)、Ba-Ti(相对介电系数为34至36)、Ba-Mg-W(相对介电系数为20至22)、Mg-Ca-Ti(相对介电系数为19至21)、蓝宝石(sapphire，相对介电系数为9至10)、氧化铝陶瓷(相对介电系数为9至10)、堇青石陶瓷(cordieriteceramics，相对介电系数为4至6)等。通过使用模具烧这些材料的粉末来制造基体11。

可以根据目标频率来适当地选择介电材料。当相对介电系数ε_r高时，可以获得更佳的波长减少效应并且可以将辐射导体做得更矮。然而，在该情况下，辐射效率恶化。因此，较高的相对介电系数ε_r并不总是合适的，对于目标频率存在一个合适的相对介电系数。例如，当目标频率是2.4GHz时，优选地将具有大约5至30的相对介电系数ε_r的材料用于基体11。通过使用该材料，可以将基体11的尺寸做得较小，同时保证足够的辐射效率。优选地可以使用例如Mg-Ca-Ti介电陶瓷作为具有大约5至30的相对介电系数ε_r的材料。特别优选地使用包含TiO₂、MgO、CaO、MnO和SiO₂的Mg-Ca-Ti介电陶瓷作为Mg-Ca-Ti介电陶瓷。

如图2所示，天线元件10的导体图案包括形成在基体11的上表面11a上的辐射导体12，形成在基体11的侧表面11e上的接地导体13，形成在基体11的底面11b上的端子电极14-16，以及与端子电极14-16一起形成在基体11的底面11b上的回路导体17。这些导体图案可以通过利用诸如丝网印刷或转印这样的技术来涂敷导电浆，并且在预定温度条件下烘焙该导电浆来形成。导电浆可以是银、银-钯、银-铂、铜或其它材料。另选地，可以通过电镀、溅射或其它方法来形成导体图案。

辐射导体12形成在基体11的整个上表面11a上，接地导体13形成在基体11的整个侧表面11e上，并且辐射导体12和接地导体13构成了连续带图案。辐射导体12沿Y方向的一端是开放的，并且其另一端连接到接地导体13的上端。接地导体13的下端连接到第一端子电极14。

端子电极14-16形成在基体11的底面11b上。更具体地，端子电极14形成在底面11b的沿Y方向的一端，并且端子电极15和16形成在其另一端上。端子电极14沿底面11b的整个宽度方向(X方向)形成，并且端子电极15和16沿底面11b的宽度方向(X方向)以彼此隔开预定距离的方式形成。也就是说，当底面11b的宽度被定义为W时，端子电极14的宽度是W，而端子电极15和16中的每一个的宽度小于W/2。

回路导体17以及端子电极14-16形成在基体11的底面11b上。回路导体17是形成在基体11的底面11b上的基本U形的导体图案。回路导体17的一端连接到端子电极15，而其另一端连接到端子电极16。

回路导体17包括沿X方向延伸的第一带状导体图案17a以及沿Y方向延伸的第二和第三带状导体图案17b和17c。第二带状导体图案17b的一端连接到端子电极15，第三带状导体图案17c的一端连接到端子电极16，并且第一带状导体图案17a的两端分别连接到第二和第三带状导体图案17b和17c的另一端，由此形成基本U形的回路。

在该实施方式中，第二带状导体图案17b邻接基体的底面11b的一个长边，第三带状导体图案17c邻接底面11b的另一个长边。利用这种结构，可以将回路导体17做得具有最大回路尺寸。当不需要将回路导体17的尺寸做得最大时，回路导体17可以被设置在底面11b的长边内侧。

构成回路导体17的第一带状导体图案17a的一个边平行于端子电极14的一个边，并且第一带状导体图案17a的边和端子电极14的边被设置为隔着具有恒定宽度的间隙g而彼此相对。利用这种设置，在回路导体17和端子电极14之间形成电容，使得回路导体17可以电磁性地耦合到端子电极14。当电容要被设定为高时，将间隙g变窄就够了。为了将间隙g变窄，将第二和第三带状导体图案17b和17c延长，以使第一带状导体图案17a接近端子电极14就足够了。反过来，将端子电极14延长，以使端子电极14接近第一带状导体图案17a也是足够的。

在第一实施方式中，回路导体17形成在基体11的底面11b上。因此，不仅可以获得因间隙g导致的电容成分，而且可以获得由包括回路导体17和形成在基体11的上表面11a上的辐射导体12在内的平行板结构导致的电容成分。因此，根据第一实施方式的天线元件10可以获得比具有常规结构的天线元件(其中间隙g形成在基体11的侧表面和上表面上)的电容更高的电容。换句话说，当要获得预定电容时，考虑到由平行板结构导致的电容成分，可以将由间隙g导致的电容成分的贡献设定得小并且可以将间隙宽度做得大。大间隙宽度可以防止形成对于频率过度敏感的电极结构。因此，可以实现高的制造产量和稳定的天线特性。

形成在基体11的相应表面上的那些导体图案被优选地形成为关于与基体11的侧表面11c和11d平行的平面而双侧对称。通过以这种方式形成这些导体图案，即使当天线元件10绕与基体11的上表面和底面平行的轴(Z轴)旋转180度时，从印刷电路板20的边缘侧观看的天线元件10的导体图案布置在形状上也与未旋转时基本相同。因此，天线特性不会随着天线元件10的取向而显著改变，并且可以使天线设计更容易。

图3A和3B是其上安装天线元件10的印刷电路板20的图案布局的示意性平面图。图3A示出了印刷电路板20的上表面20a的布局，并且图3B示出了印刷电路板20的底面20b的布局。特别地，图3B以透视的方式示出了从上表面20a侧观看的底面20b的布局。

如图3A和图3B所示，印刷电路板20具有形成在绝缘基板21的上表面和底面上的导体图案。更具体地，在印刷电路板20的上表面20上设置了基本矩形的天线安装区域23，其一边与印刷电路板20的长边的边缘20e接触，而其它三边由接地图案22来限定。天线安装区域23是不包括接地图案22的矩形绝缘区域，并且三个连接盘24-26设置在天线安装区域23中。如果天线安装区域23放置在印刷电路板20的边缘20e上，则从天线元件10观看，一半空间是不存在印刷电路板(接地图案)20的自由空间。这可以提高天线装置100的辐射效率。

连接盘24-26连接到天线元件10的端子电极14-16，并且具有与相应的端子电极14-16相同的宽度。连接盘24和26连接到相邻的接地图案22，并且连接盘25连接到馈电线27。利用连接盘的这种设置，天线元件10在天线安装区域23的Y方向上的两侧上的接地图案部分之间造成短路，并且用作整个接地图案22的LC调整元件。

接地清除区域28为在平面图中具有与上表面20a上的天线安装区域23基本相同的形状的绝缘区域，设置在印刷电路板20的底面20b上。因为在底面20b上的接地清除区域28上不安装任何部件，所以在接地清除区域28中不形成诸如连接盘的任何导体图案。如果印刷电路板20是多层板，则不仅需要在底面20b上而且需要在内层中形成这种接地清除区域28。换句话说，没有接地图案的绝缘区域需要在天线安装区域23正下方延伸。这种安装结构被称为“接地清除型”，而接地图案覆盖位于天线安装区域23正下面的区域的结构被称为“地上型(on-ground type)”。

天线元件10安装在比贴片天线更宽的天线安装区域23中，天线安装区域23是通过部分地去除存在于印刷电路板20上的接地图案22而形成的。在接地清除型的情况下，在天线元件10下面不安装任何部件，因而要确保大的基板面积。然而，因为根本没有接地面，所以可以减少天线(基体)的高度。另一方面，在地上型的情况下，在安装表面和存在于安装表面下面的区域上有接地面。虽然天线元件的高度比接地清除型的情况中更大，但是多层板的底面可以用作部件安装区域，多层板的上表面是天线安装表面，内层是接地图案层。因此，可以将天线做得充分小。

天线安装区域23是沿与印刷电路板20的纵向垂直的方向(X方向)延伸的矩形区域。其中Wa代表天线安装区域23的各长边的长度，Wb代表天线安装区域23的各短边的长度，优选地满足下面的关系：Wa/Wb≥1.5。更具体地，其中短边长度Wb是3mm，长边长度Wa优选地是4.5mm或更大。通过将天线安装区域23的长宽比设定为1.5或更高，可以增加在印刷电路板20的中部中流动的电流。因此，可以使天线的辐射效率更高，并且更具体地，可以确保50％或更高的辐射效率。

图4是示出了天线安装区域23的优选形成位置的示意性平面图。

如图4所示，天线安装区域23与印刷电路板20的长边的边缘20e接触。在该情况下，天线安装区域23设置在距印刷电路板20的长边上的中点(基准点)P±25％的范围内。天线安装区域23的基准点是印刷电路板20的短边的中点。以这种方式，当天线安装区域23设置在距印刷电路板20的长边上的中点P±25％的范围内时，当从天线安装区域23看时，可以在印刷电路板20纵向的两侧的区域中流动的电流之间保持平衡。因此，可以使天线的辐射效率更高，并且更具体地，可以确保50％或更高的辐射效率。

如图1所示，当天线元件10安装在印刷电路板20上时，回路导体17的一端通过连接盘25连接到馈电线27，而回路导体17的另一端通过连接盘26连接到接地图案22。此外，接地导体13的下端通过连接盘24连接到接地图案22。结果，天线元件10安装在印刷电路板20上，以在限定了天线安装区域23的相对两边23a和23b的接地图案的一个部分和另一个部分之间造成短路。

通过馈电线27从RF电路(未示出)提供供电电流I1。供电电流I1从馈电线27被供给到与馈电线27连接的回路导体17，并且供电电流I1通过回路导体17流入接地图案22。因为从馈电线27延伸的回路导体17被连接到与馈电线27相同的方向上的接地图案22，所以可以有效地产生电感。此外，因为回路导体17的第一带状导体图案17a通过间隙g电容性地耦合到第一端子电极14，所以根据供电电流I1的电感电流I2流入第一端子电极14。供电电流I1和感应电流I2沿与纵向正交的方向流动，并且感应电流I2通过接地导体13被供给到辐射导体12。结果，辐射电流I沿Y方向在辐射导体12中流动。此外，感应电流I2通过接地导体13流入印刷电路板20上的接地图案22，并随后从整个接地图案22作为电磁波被辐射。

接下来将说明使用印刷电路板20上的整个接地图案22来形成电磁场的原因。

例如，在蓝牙天线的情况下，谐振频率f是2.43GHz(谐振波长λ＝12.35cm)，并且所需带宽BW是3.5％。在具有2mm的天线长度L的蓝牙天线通过2.0×1.2×1.0mm的基体构成的情况下，天线长度L的波长比(a)满足a＝2πL/λ＝0.1023。其中辐射效率(η)是0.5(η＝0.5，辐射效率是50％)，Q因子(Q)满足Q＝η(1+3a²)/a³(1+a²)＝476.8365。当VSWR(S)是2(S＝2)时，带宽(BW)求得为 $\mathrm{BW}=(s-1)\×100/(\sqrt{s}\×Q)[\%]$ 以及BW＝0.1％。也就是说，当蓝牙天线的天线长度L是2(L＝2)时，天线不能满足带宽3.5％。

如可以理解的，具有小于λ/2π的天线长度L的非常小的贴片天线理论上不能够利用单个天线元件来实现比通过上述等式得到的天线特性更好的天线特性。因此，对于非常小的贴片天线来说，十分重要的是能够使印刷电路板20上的整个接地图案22通过利用印刷电路板20上的接地图案22中流动的电流而操作作为高效率的天线。

图5是安装在印刷电路板20上的天线元件10的等效电路图。

如图5所示，天线元件10是插入在馈电线和地之间的LC并联电路。端子电极14和回路导体17之间的间隙g以及在高度方向上回路导体17和辐射导体12之间的间隙主要形成电容C1。回路导体17形成电感L1。

在该等效电路中，可以通过调整电容C1来改变天线装置100的谐振频率。当间隙宽度变小时，电容C1变高，并且谐振频率变低。当间隙宽度变大时，电容C1变低，并且谐振频率变低。此外，可以通过调整电感L1来改变天线装置100的输入阻抗而不改变谐振频率。当电感调整图案13的回路尺寸变大时，电感L1变大。当其回路尺寸变小时，电感L1变低。因此，可以通过调整回路的大小来调整阻抗。

图6是示出了印刷电路板20的输入阻抗的优选范围的史密斯圆图。

如图6所示，其导体表面被构图并且其上没有安装天线元件10的印刷电路板20的输入阻抗优选地位于由史密斯圆图中的粗线表示的范围内。也就是说，印刷电路板20的输入阻抗R满足R≤50Ω并且在感抗的范围内。当印刷电路板20的输入阻抗R位于该范围内时，可以通过调整与电容C1并联连接的电感L1来调整输入阻抗R。

图7A至7C是示出了用于检查印刷电路板20上的电流分布所进行的模拟的结果的图案图。图7A示出了在天线安装区域23位于基准点P(0％)处的情况下获得的结果(样本X1)，图7B示出了在天线安装区域23位于-25％的位置处的情况下获得的结果(样本X2)，并且图7C示出了在天线安装区域23位于印刷电路板20的一个短边的中点处的情况下获得的结果(样本X3)。将要通过模拟来评价的印刷电路板20具有形成在天线安装区域23之外的整个基板表面上的接地图案。图中的箭头表示电流方向，并且箭头的色调(tones)表示电流强度。较深箭头表示较大电流，而较浅箭头表示较小电流。

如图7A所示，当天线安装区域23位于基准点P时，从天线安装区域23观看，印刷电路板20上的电流分布示出了在印刷电路板20的纵向的右侧区域和左侧区域中的流动的电流之间保持了平衡。因此，可以从包括天线元件10的整个印刷电路板更有效地辐射电磁波。

另一方面，如图7B所示，当天线安装区域23位于-25％的位置时，印刷电路板20上的电流分布示出了印刷电路板20的包括天线安装区域23的左半部中的电流分布与剩余的右半部中的电流分布显著不同。电流强度在左半部中较高，而在右半部中较低。因为从天线安装区域23观看，印刷电路板20纵向上的左侧区域中流动电流和右侧区域中流动的电流之间没有保持平衡，所以容易地预测到电磁波辐射效率的降低。

此外，如图7C所示，当天线安装区域23与印刷电路板20的短边接触并且位于该短边的中点处时，从天线安装区域23观看，电流分布在右侧区域和左侧区域之间保持了平衡。然而，在更加远离天线安装区域23的区域中流动的电流的强度非常低。因此，难以从整个基板有效地辐射电磁波，并且辐射效率被认为低于在图7A所示的情况下所获得的辐射效率。

图8是示出了通过将天线安装区域23分别布置在图7A至7C所示的各位置而获得的辐射效率的图。

如图8所示，在天线安装区域23位于图7A所示的位置的样本X1的情况下，天线的辐射效率最高。例如，频率接近2.43GHz时辐射效率约为0.8。在天线安装区域23位于图7C所示的位置的样本X3的情况下，辐射效率第二高，约为0.73。在天线安装区域23位于图7B所示的位置的样本X2的情况下，辐射效率最低。

如上所述，根据第一实施方式的天线装置100被构造为使得回路导体17形成在基体11的底面11b上，并夹在基体11和印刷电路板20之间，即夹在上介电元件和下介电元件之间。因此，可以改善电介质的波长减少效应，并由此减少回路导体17的整体长度。例如，当回路导体17要形成在基体11的露出表面上时，回路导体17需要约10mm的整体长度。相比而言，根据第一实施方式，回路导体17的整体长度可以被减少到8mm。因此，即使当基体11的尺寸减小，也可以形成回路导体17。

此外，当回路导体17形成在基体11的侧表面上(如常规的天线装置中的那样)时，必须确保基体11具有一定程度的高度，使得能够确保回路导体17的长度。相比而言，根据第一实施方式，回路导体17仅形成在基体11的底面11b上，而不形成在其侧表面上。因此，可以将基体11做得较矮。

此外，根据第一实施方式的天线装置100具有接地清除型天线安装结构。因此，即使当将基体11做得较矮时，辐射特性也不会恶化(与地上型不同)。因此，可以将天线元件10做得较矮。

此外，根据第一实施方式，通过第一端子电极14和第一带状导体图案17a之间的间隙g来实现第一电容性耦合，并且通过辐射导体12和回路导体17之间的平行板结构来实现第二电容性耦合。因此，可以增加整个天线元件10的电容。因此，由间隙g导致的电容成分的贡献可以被设定得较小，并且即使当间隙宽度变大时也可以确保期望的电容。大间隙宽度可以避免形成对频率过度敏感的电极结构。因此，可以实现具有稳定天线特性的天线装置100。

此外，根据第一实施方式，天线元件10设置在作为接地清除区域的天线安装区域23中，并且天线元件10正下方不存在接地图案22。因此，可以使包括天线元件10的整个印刷电路板20操作作为天线。特别是当天线元件10上的回路导体17的回路尺寸和间隙宽度改变时，可以容易并独立地对谐振频率和输入阻抗的调整进行改变，以使整个印刷电路板20能够操作为天线。

此外，在根据第一实施方式的天线装置100中，天线安装区域23与印刷电路板20的长边的边缘20e相邻，并且设置在距印刷电路板20的纵向上的中点(基准点)P±25％的范围内。因此，可以在形成在由电介质制成的基体11的表面上的导体图案与周围的接地图案20之间有效地产生电磁场，由此改进天线特性。

另外，根据第一实施方式，天线安装区域23是沿着与印刷电路板20的纵向正交的宽度方向延长的矩形区域，并且天线安装区域23的长宽比等于或高于1.5。因此，可以增加流入到印刷电路板20的中部的电流，由此确保辐射效率等于或高于50％。

接下来将详细说明本发明的另一实施方式。

图9是示出了根据本发明的第二实施方式的天线装置200的天线元件10的结构的展开图。图10A和10B是其上安装天线元件10的印刷电路板20的图案布局的示意性平面图。图10A示出了印刷电路板20的上表面20a的布局，并且图10B示出了印刷电路板20的底面20b的布局。特别地，图10B以透视的方式示出了从上表面20a侧观看的底面20b的布局。

如图9、图10A和10B所示，根据第二实施方式的天线装置200的特征在于，回路导体17不设置在天线元件10上，而是设置在印刷电路板20上。回路导体17包括沿X方向延伸的第一带状导体图案17a以及沿Y方向延伸的第二和第三带状导体图案17b和17c。第二带状导体图案17b的一端连接到连接盘25，第三带状导体图案17c的一端连接到连接盘26，并且第一带状导体图案17a的两端分别连接到第二和第三带状导体图案17b和17c的另一端，由此形成基本U形的回路。第一带状导体图案17a被设置为隔着具有预定宽度的间隙g而与第一连接盘24相对。天线装置200的其它构成要素与根据第一实施方式的天线装置100的基本相同。因此，相同的构成要素由相同的标号来表示，并且将省去其多余的说明。

这样，根据第二实施方式，因为回路导体17形成在印刷电路板20侧，所以可以调整印刷电路板20侧上的回路导体17的形状并且便于调整电感。另外，当回路导体17形成在印刷电路板20上时，可以形成下面的回路导体。

图11A和11B描绘了根据第二实施方式的天线装置200和根据第二实施方式的修改的天线装置300。图11A是天线装置200的立体图，并且图11B是天线装置300的示意性立体图。图12是示出了图11A和11B中所分别示出的天线装置200和300的辐射效率的图。

图11A所示的天线装置200的回路导体17设置在基体11与印刷电路板20交叠的区域内。图11B所示的天线装置300的回路导体17从基体11与印刷电路板20交叠的区域中突出，并且向该区域外部延伸。在该情况下，回路导体17的一端连接到连接盘24。然而，回路导体17的另一端不连接到连接盘25，而是直接连接到馈电线27的引入侧上的接地图案22。

这样，当回路导体17形成在印刷电路板20侧上并突出到基体11外部并露出时，可以形成较大的回路。然而，即使形成较大回路，也并不意味着天线装置300的天线特性得到改善。如图12所示，包括从基体11突出的回路导体17的天线装置300的辐射效率比包括设置在基体11内的回路导体17的天线装置200的辐射效率略低。因此，优选地是形成回路导体17并使其不从基体11突出，并且特别优选地是在天线元件11的基体11的底面11b上而不是在印刷电路板20上形成回路导体17。

接下来说明天线特性调整结构。

图13是示出了根据本发明的第三实施方式的天线装置400的结构的示意性立体图。

如图13所示，根据第三实施方式的天线装置400的特征在于，频率调整图案17d设置在基体11的底面11b上，或设置在印刷电路板20上。频率调整图案17d是被设置为与回路导体17的第二和第三带状导体图案17b和17c平行，并且沿与其第二和第三带状导体图案17b和17c相同的方向延伸的带状导体图案(第四带状导体图案)。频率调整图案17d的一端连接到回路导体17的第一带状导体图案17a的纵向中部，而频率调整图案17d的另一端是开放端。当频率调整图案17d较长时，天线装置400的谐振频率可以设定得较低。反过来，当频率调整图案17d较短时，天线装置400的谐振频率可以设定为较高。因此，当根本没有频率调整图案17d时，谐振频率最高。

优选地，由于下面的原因将该频率调整图案17d设置在印刷电路板20侧。当频率调整图案17d设置在印刷电路板20侧上时，可以仅通过改变印刷电路板20上的导体图案而不改变天线元件10上的导体图案来容易地调整谐振频率。这意味着批量生产的具有固定的导体图案的天线元件可用于各种类型的天线装置。也就是说，即使当需要根据天线元件10在印刷电路板20上的安装位置来调整频率时，改变印刷电路板20上的导体图案也就足够了，而不用改变天线元件10上的导体图案。

图14是示出了天线装置400的VSWR特性的示例的图。

如图14所示，当天线装置400的频率调整图案17d的长度被设定为L0(等于第二和第三带状导体图案17b和17c的长度)时，天线装置400的谐振频率约为2.38GHz，如曲线X6所示。当频率调整图案17d的长度被设定为L0/2(第二和第三带状导体图案17b和17c的长度的一半)时，天线装置400的谐振频率约为2.40GHz，如曲线X5所示。当完全消除频率调整图案17d时，天线装置400的谐振频率约为2.43GHz，如曲线X4所示。这样，通过缩短频率调整图案17d，可以将谐振频率移动到高频率侧。

如上所述，根据第三实施方式的天线装置400包括位于基体11的底面11b上或位于印刷电路板20上的频率调整图案17d。因此，可以仅调整天线装置400的谐振频率而不显著改变阻抗。此外，因为仅改变频率调整图案17d的长度就足够了，所以可以在不使用外部元件的情况下调整谐振频率，并且可以非常容易地进行频率调整。

接下来描述天线装置的阻抗调整结构。

图15是示出了根据本发明的第四实施方式的天线装置500的结构的示意性立体图。

如图15所示，根据第四实施方式的天线装置500的特征在于，在基体11的底面11b上设置了阻抗调整图案17e。阻抗调整图案17e是被设置为与回路导体17的第一带状导体图案17a平行的带状导体图案(第五带状导体图案)。阻抗调整图案17e的两端分别连接到回路导体17的第二和第三带状导体图案17b和17c。阻抗调整图案17e特别地用于在第二和第三带状导体图案17b和17c之间造成短路，以将回路导体17的回路尺寸做得较小。当回路尺寸较小时，电感变得较低。反过来，当回路尺寸较大时，电感变得较高。

如上所述，根据第四实施方式的天线装置500包括位于基体11的底面11b上或位于印刷电路板20上的阻抗调整图案17e。因此，可以仅调整天线装置500的输入阻抗而不用显著改变其谐振频率。此外，因为仅改变阻抗调整图案17e的形成位置和宽度就足够了，所以可以在不使用外部元件的情况下调整输入阻抗，并且可以非常容易地进行阻抗调整。

图16是示出了根据本发明的第五实施方式的天线装置600的结构的示意性立体图。

如图16所示，根据第五实施方式的天线装置600的特征在于，形成在基体11的底面11b上的回路导体17包括弯折图案。也就是说，回路导体17的第一带状导体图案17f被形成为弯折图案。当如上所述来构造天线装置600时，回路导体17的回路尺寸显著变大。因此，可以增加电感。

图17是示出了根据本发明的第六实施方式的天线装置700的结构的示意性立体图。

如图17所示，根据第六实施方式的天线装置700的特征如下。回路导体17的一端不连接到连接盘26，而是通过穿过印刷电路板200的通孔导体18和形成在印刷电路板20的底面20b上的带状导体图案(第六带状导体图案)19，而连接到形成在印刷电路板20的底面20b上的接地图案22。当如上所述来构造天线装置700时，可以将回路导体17的回路尺寸做得甚至更大。因此，可以获得比被构造为回路导体17包括弯折图案的天线装置60的电感更高的电感。

图18是示出了分别根据第一实施方式和第四至第六实施方式的天线装置100和500至700的阻抗特性的史密斯圆图。在图18中，线A1表示图15所示的短回路结构，线A2表示图1所示的普通回路结构，线A3表示图16所示的弯折回路结构，并且线A4表示图17所示的通孔结构的阻抗特性。

如图18所示，在天线装置100和500至700当中，具有短回路结构的天线装置500的电感最低，而具有普通回路结构的天线装置100的电感、具有弯折回路结构的天线装置600的电感、以及具有通孔结构的天线装置700的电感按顺序越来越高。这样，可以仅通过改变回路尺寸来改变电感，由此容易地调整天线装置的输入阻抗。

已经参照具体实施方式示出并描述了本发明。然而，应当注意，本发明绝不受限于所描述的设置的细节，而是可以在不偏离所附权利要求的范围的情况下进行改变和修改。

例如，尽管在上述实施方式中使用了长方体形基体11，但是基体11可以是大致长方体形的。只要在基体的各表面上形成上述导体图案，就可以切掉基体11的角部，或者可以部分地掏空基体11。而且，印刷电路板20可以不是完整的矩形平板，而可以例如具有形成在角部或边缘的切口。

(示例)

(示例1)

改变天线安装区域在印刷电路板上的位置，同时测量天线特性。印刷电路板的尺寸是80mm×37mm×1mm，天线安装区域的尺寸是3.0mm×4.5mm，并且天线元件的芯片尺寸是2.0mm×1.2mm×1.0mm。如图19所示，样本S1的天线安装区域位于距电路板的基准点50％的位置或位于电路板的角部，样本S2的天线安装区域位于电路板的基准点(0％)处，样本S3的天线安装区域位于距电路板的基准点25％的位置或位于基准点和角部之间的中点处，并且样本S4的天线安装区域位于距电路板的基准点37.5％的位置或位于样本S1的天线安装区域和样本S3的天线安装区域之间的中点处。天线元件的基体的相对介电系数ε_r是37，并且调整天线元件上的导体图案，使得样本S1至S4中的每一个的谐振频率变为2.43GHz，并且输入阻抗变为50Ω。之后，利用网络分析仪通过信号线来提供2.3GHz至2.6GHz之间的信号，并且测量天线装置的回波损耗和辐射效率。图11A和11B示出了测量结果。

如图20A所示，在2.43GHz附近的频率上，样本S1至S4中的每一个的回波损耗变为最小。特别地，样本S2具有最小的回波损耗，按顺序接着是样本S3、样本S4、以及样本S1。而且，图中示出了仅样本S2未被包括在由边界线“spec”限定的区域中，该边界线“spec”确定是否满足了在期望频带中回波损耗是-6dB或更少的要求。图中还示出了样本S3勉强满足该要求。

如图20B所示，在2.43GHz附近的频率上，样本S1至S4中的每一个的辐射效率变为最高。特别地，样本S2具有最高的辐射效率，按顺序接着是样本S3、样本S4、以及样本S1。图中示出了仅样本S2未被包括在由边界线“spec”限定的区域中，该边界线“spec”确定是否满足了在期望频带中辐射效率是-3dB(50％)或更高的要求。图中还示出了样本S3勉强满足该要求。

(示例2)

改变天线安装区域的长宽比，同时测量天线特性。印刷电路板的尺寸是80mm×37mm×1mm，并且天线安装区域位于印刷电路板的纵向上的基准点(0％)处。天线安装区域的尺寸(Wa×Wb，如图3A所示)在样本S5中是3mm×5mm，在样本S6中是3mm×4.5mm，在样本S7中是3mm×4mm。天线元件的芯片尺寸是2.0mm×1.2mm×1.0mm，并且天线元件的基体的相对介电系数ε_r是37。调整天线元件上的导体图案，使得样本S5至S7中的每一个的谐振频率变为2.43GHz，并且输入阻抗变为50Ω。之后，利用网络分析仪通过信号线来提供2.3GHz至2.6GHz之间的信号，并且测量天线装置的回波损耗和辐射效率。图12A和12B示出了测量结果。

如图21A所示，在2.43GHz附近的频率上，样本S5至S7中的每一个的回波损耗都变为最小。特别地，样本S5具有最小的回波损耗，按顺序接着是样本S6以及样本S7。而且，图中示出了样本S5和样本S6未被包括在由边界线“spec”限定的区域中，该边界线“spec”确定是否满足了在期望频带中回波损耗是-6dB或更少的要求。图中还示出了样本S7不能满足该要求。

如图21B所示，在2.43GHz附近的频率上，样本S5至S7中的每一个的辐射效率都变为最高。特别地，样本S5具有最高的辐射效率，按顺序接着是样本S6以及样本S7。图中示出了样本S5和样本S6未被包括在由边界线“spec”限定的区域中，该边界线“spec”确定是否满足了在期望频带中辐射效率是-3dB(50％)或更高的要求。图中还示出了样本S7不能满足该要求。

Claims (10)

1.一种天线装置，该天线装置包括：

天线元件；以及

印刷电路板，所述天线元件安装在所述印刷电路板上，其中

所述天线元件包括：

基体，其由介电材料制成并且基本为长方体形；

辐射导体，其形成在所述基体的上表面上，并且其一端是开放端；以及

多个端子电极，其形成在所述基体的底面上，

所述印刷电路板包括：

绝缘基板；

天线安装区域，其是设置在所述绝缘基板的表面上并与所述绝缘基板的长边的边缘接触的基本上为矩形的绝缘区域；

接地图案，其形成在所述绝缘基板的表面上，以限定所述天线安装区域的除作为所述边缘的边之外的三边；

馈电线，其沿所述边缘被引入所述天线安装区域；以及

接地清除区域，其不具有导体图案，并且形成在所述绝缘基板的位于所述天线安装区域正下方的底面和内层上，

在所述天线元件与所述印刷电路板交叠的区域中设置有基本上为U形的回路导体，

所述回路导体的一端连接到所述馈电线，

所述回路导体的另一端连接到所述接地图案，并且

所述回路导体的至少一部分被设置为隔着具有预定宽度的间隙而与第一端子电极相对，所述第一端子电极是所述多个端子电极中的一个，并且连接到所述辐射导体的另一端，

其中，所述天线元件包括接地导体，所述接地导体形成在所述基体的第一侧表面上，所述第一侧表面处于与所述基体的纵向正交的方向上，

所述接地导体具有连接到所述辐射导体的所述另一端的上端，

所述第一端子电极形成在所述基体的底面的一个纵向端，所述一个纵向端与所述第一侧表面相邻，

所述多个端子电极还包括在所述基体的底面上的、分别形成在所述基体的另一纵向端的沿所述基体的宽度方向的两端上的第二端子电极和第三端子电极，

所述印刷电路板包括设置在所述天线安装区域中以分别对应于所述第一端子电极至第三端子电极的第一连接盘、第二连接盘和第三连接盘，

所述回路导体包括被设置为隔着所述具有预定宽度的间隙而与所述第一端子电极相对的第一带状导体图案，并且所述回路导体的所述一端通过所述第二连接盘连接到所述馈电线。

2.根据权利要求1所述的天线装置，其中

所述回路导体被完全地设置在所述天线元件与所述印刷电路板交叠的区域中，并且所述回路导体的所述另一端通过所述第三连接盘连接到所述接地图案。

3.根据权利要求2所述的天线装置，其中

所述回路导体还包括与所述绝缘基板的长边平行的第二带状导体图案和第三带状导体图案，

所述第二带状导体图案的一端连接到所述第二连接盘，

所述第二带状导体图案的另一端连接到所述第一带状导体图案的一端，

所述第三带状导体图案的一端连接到所述第三连接盘，并且

所述第三带状导体图案的另一端连接到所述第一带状导体图案的另一端。

4.根据权利要求1所述的天线装置，该天线装置还包括形成在所述天线安装区域中的频率调整图案，其中

所述频率调整图案是从所述第一带状导体图案的基本上为纵向中心的部分延伸出的第四带状导体图案。

5.根据权利要求1所述的天线装置，该天线装置还包括形成在所述天线安装区域中的阻抗调整图案，并且

所述阻抗调整图案是与所述第一带状导体图案平行以使所述回路导体的回路尺寸变小的第五带状导体图案。

6.根据权利要求1所述的天线装置，其中

所述第一带状导体图案包括弯折图案。

7.根据权利要求1所述的天线装置，其中

所述回路导体包括：

穿透绝缘基板的通孔导体；以及

形成在所述绝缘基板的底面上的第六带状导体图案，

其中所述通孔导体的一端连接到所述回路导体的所述另一端，并且

所述通孔导体的另一端通过所述第六带状导体图案而连接到形成在所述绝缘基板的底面上的接地图案。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的天线装置，其中

所述天线安装区域被设置在距所述印刷电路板的纵向上的中心±25%的范围内。

9.根据权利要求1至7中任意一项所述的天线装置，其中

所述接地清除区域的长边的方向与所述印刷电路板的纵向垂直，并且所述接地清除区域的长宽比为1.5或更高。

10.根据权利要求1至7中任意一项所述的天线装置，其中

所述天线元件被安装在所述印刷电路板上，以在限定所述天线安装区域的相对两边的一个接地部分和另一个接地部分之间造成短路。

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