CN102195142A

CN102195142A - 平面天线系统

Info

Publication number: CN102195142A
Application number: CN2011100644255A
Authority: CN
Inventors: G.雷特
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2011-09-21
Also published as: EP2367233A1

Abstract

本发明涉及一种平面天线系统，具有由印刷电路板的第一导电层构成的基面（GP），具有平行地布置在基面（GP）之上的第一辐射体面（S1），该第一辐射体面的一侧借助于第一短路连接（KS1）与基面（GP）导电连接并且具有用于连接高频电路的馈送点（SP）。在此，除了第一辐射体面（S1）之外还平行地在基面（CP）之上布置与该第一辐射体面（S1）辐射耦合的第二辐射体面（S2），其中第二辐射体面（S2）的一侧借助于第二短路连接（KS2）与基面（GP）连接。这样的平面天线系统可以被构造为特别紧凑和扁平结构的，并且可以构造简单地制造。这样的天线系统可以宽带地以平坦的频率响应特性来调谐。

Description

平面天线系统

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的具有由印刷电路板的导电层构成的基面的平面天线系统。

背景技术

在工业领域以及消费领域中，设备常常出于语音和数据通信的目的而配备有在UHF范围内工作的发送和接收装置。这样的设备的示例是移动电话——尤其是GSM移动电话，以及工业自动化部件——尤其是RFID读取设备和通过无线电连接的传感器。工业应用中的发送和接收装置的天线要求尽可能小的“形状因子”，也就是说，这些天线应当被构成为尽可能小以及尤其是尽可能扁平结构的。此外，该构造应当被实施为机械鲁棒的。另一重要的要求是在不导电的安装表面上以及在金属安装表面上的作用能力。另一重要方面是带宽，其中必须根据无线电标准（GSM、WLAN等等）覆盖宽的频率范围。

针对所述要求，在现有技术中常常使用所谓的“PIFA天线”（PIFA＝planar inverted F-antenna（平面倒F形天线）），因为该天线仅需要少的结构空间，并且尤其是可以被实施为扁平结构的。尽管其它天线类型经常可以更好地满足在宽的频率范围内（高带宽）的作用能力的要求，但是常常回到PIFA天线的构造原理，因为替代构造对于常常高度小型化的设备而言需要过多的空间。此外，大多数情况下仅仅在使用平面天线时保证天线以及由此设备在金属本底上的作用能力。

在现有技术中常常通过如下方式来处理公知的平面天线——尤其是PIFA天线——覆盖相对小的频率范围这一缺点：构造多个天线、即所谓的天线阵列，其中通过耦合两个几乎相同的单个系统来进行频率范围的扩展。在此，单个系统的耦合因子和谐振频率确定总系统的特性。但是在此出现由构造造成的一些缺点；尤其是两个天线系统的电耦合是不平凡的。另外从现有技术中公知，为平面天线（“贴片天线”）的发辐射面配备L形或U形的开口（缝隙），以便实现不同振荡模式的实施方式，从而由此提高天线的带宽。但是所有这些公知的用于提高天线或天线系统的带宽的方法都具有的缺点是，尽管在天线以相应谐振频率运行时的天线增益非常好，但是在这些最大值以外就没有那样好，使得在所使用带宽的范围内不能得出天线增益、即频率接入的线性变化曲线。

发明内容

因此，本发明的任务是提出一种平面天线或平面天线系统，该平面天线或平面天线系统一方面被构造为构造简单、价格低廉以及扁平结构的，并且另一方面具有宽的可用的频率范围。

该任务的根据本发明的解决方案的中心思想是，借助于印刷电路（PCB＝Printed Circuit Board，印刷电路板）来构造具有两个平面辐射体的天线系统，其中通过集成和耦合单个天线系统，实现在大的频率范围中的运行。根据本发明，与第一天线元件不同，第二天线元件未被直接馈送，而是与第一天线元件辐射耦合。通过第二天线元件的梯形配置，可以进一步提高带宽，其中避免或减小了突出的最大值或最小值。

该任务的解决方案尤其是提供具有基面的平面天线系统，该基面由印刷电路板的第一导电层构成，该平面天线系统具有平行地布置在基面之上的第一辐射体面，该第一辐射体面的一侧借助于短路连接与基面导电连接并且具有用于连接高频电路的馈送点。在此，除了第一辐射体面之外还平行地在基面之上布置与该第一辐射体面辐射耦合的第二辐射体面，其中第二辐射体面的一侧借助于第二短路连接与基面连接。因此，提供了扁平结构的紧凑的天线系统，该天线系统与公知的天线和天线系统相比具有高的带宽并且通过对于两个辐射体面来说共同的基面允许在不显著地改变高频特性的情况下在金属/导电的底板（安装面）上以及在非金属/不导电的底板（安装面）上的运行。此外，通过构造为印刷电路板的组成部分，该天线系统一方面可以低成本地制造，并且另一方面可以容易地集成到高频电路中或与高频电路组合。

根据本发明的天线系统的有利扩展方案在从属权利要求中说明。

当第一和第二短路连接基本上布置在同一条线上时，天线的发射功率被进一步改进。在基面由印刷电路板的第一层（Layer，层）构成并且辐射体面由同一印刷电路板的另一第二层构成的情况下，一系列的通孔接触是特别有效和低成本的短路连接方式。在这样的情况下，“嵌入”在基面与辐射体面之间的载体材料的高频特性影响运行期间的损耗，使得选择损耗特别低的材料作为载体材料是有利的。特别有利的是，至少在辐射体面与基面之间的区域中提供载体材料中的凹槽，使得损耗被进一步减小。在一个可替代的实施方式中，辐射体面也可以由可单独施加的金属片（成型金属片）构成，使得印刷电路板的厚度不与基面与辐射体面之间的所需距离相匹配。由此，通过选择薄的印刷电路板（衬底）或薄膜印刷电路板得出一种构造，在该构造的情况下基面与辐射体面之间的区域以大的份额由空气层构成，由此由载体材料引起的损耗被进一步减小。在变型方案的另一可替代的实施方式中——其中使用金属片，可以在辐射体面的区域中完全放弃载体材料。在此，一个特别有利的变型方案是将载体金属片安装在印刷电路板的基面的那侧。

如来自现有技术的平面天线和天线系统中那样，在根据本发明的天线系统中，高频特性也主要从辐射体面的几何尺寸和辐射体面到基面的距离中得出。通过用集总元件（R，C，L）或利用该集总元件实现的阻抗构件进行布线，可以在不必改变辐射体、即几何形状的情况下对天线系统进行调谐。优选地，为所直接馈送的第一辐射体面以及辐射耦合的第二辐射体面分别配备阻抗构件。

通过第二辐射体面的梯形配置，得出天线系统的带宽特别大的可用性；在给定窄带应用的情况下，也可以将第二辐射体面实施为矩形的，这是梯形的特殊形式。

附图说明

下面根据附图描述根据本发明的天线系统的实施例。

在此：

图1示出一种平面天线系统，其中辐射体面由印刷电路板的层构成；以及

图2示出一种平面天线系统，其中辐射体面由安装在印刷电路板上的成形金属片构成。

具体实施方式

在图1中以天线系统的一个实施方式示出工业自动化装置中的无线电传感器的印刷电路板。在此，图1示出印刷电路板的包括天线系统的区域（片段）。在本实施例中，传感器——即包括具有天线系统的印刷电路板的设备——被设置为安装（例如粘接）在机器壳体等上，其中参考图1中的图示，安装面（未示出）被布置在印刷电路板下方。在此处所示的印刷电路板中，最下面的导电层构成天线系统的基面GP（“Ground Plain”）、即接地面。在基面GP之上布置有衬底STR，即印刷电路板的载体材料。在实际传感器中使用的印刷电路板可以具有多个层，而在图1中为了简化仅仅示出两个层。

参考图1中的图示，印刷电路板的被布置在衬底STR的与基面GP相对那侧的上层除了辐射体面S1、S2以外被蚀刻掉，使得保留辐射体面S1、S2作为与基面GP平行布置的导电区域。在此，辐射体面S1被实施为矩形的，而辐射体面S2具有梯形的设计，该梯形的设计通过如下方式产生：在辐射体面S2的与辐射体面S1相对的那侧去掉三角形面，使得得出辐射体面S2的梯形的尖锥形（Verjüngung）V。

参考附图，辐射体面S1、S2用它们的左侧与基面GP导电连接。如所示的那样，这可以通过垂直放入到印刷电路板中的由导电金属（例如铜片）构成的条——即短路连接KS1、KS2来实现，该短路连接通过焊接或者其它连接技术分别与基面GP和辐射体面S1、S2导电连接。在一个可替代的、在此未示出的实施方式中，也可以分别通过一系列的通孔接触来实现该导电连接。

辐射体面S1配备有馈送点SP，该馈送点SP例如借助于同轴导线与在此未示出的高频电路（发送器、接收器）连接。辐射体面S2不具有这样的馈送点，因为辐射体面S2与辐射体面S1辐射耦合。辐射体面S1用阻抗构件Z1与基面GP耦合，其中阻抗构件Z1可以由公知的无源器件（L，C，R）构成。在此，阻抗构件Z1除了适当地选择天线面的几何形状（辐射体面S1、S2；辐射体面S1、S2与基面GP的距离）之外还被用于对天线系统进行调谐。以同样的方式，第二阻抗构件Z2电布置在辐射体面S2与基面GP之间。阻抗构件Z1、Z2的连接点优选地与辐射体面S1、S2的分别与短路连接K1、K2相距远的那端相耦合。尖锥形V的几何形状——即尤其是辐射体面S2的三角形凹槽的底角，具有对平面天线系统的带宽、即对可用频率范围的直接影响。

在来自图1 的平面天线系统的一个可替代的实施方式中，可以在辐射体面S1、S2下方对衬底STR进行挖槽，其中该凹槽有利地至少与辐射体面S1、S2的面积一样大。在制造中，这在通过层压方法由衬底STR和层来制造印刷电路板时可以容易地实现，其中在与导电层层压以前进行衬底STR中的开槽。

在图2中示出图1中已经示出的平面天线系统的替代实施方式。第一个不同之处是，辐射体面S2被实施为矩形的，也就是说不具有尖锥形V。该特殊情况对于如下的应用是优选的：这些应用与来自图1的天线系统相比带宽更窄地工作。因此根据具体情况下的要求，可以在根据图1和2的两个实施方式中有选择地选择辐射体面S2的矩形或梯形的截面。在此应当指出，在矩形辐射体面S2的情况下，已经由于辐射体面S1和S2的不同宽度以及由此导致的不同谐振频率，频率范围与具有仅仅一个辐射体面的天线系统相比更宽。

来自图2的平面天线系统与之前讨论的来自图1的天线系统相比的第二个不同之处在于，在此使用具有更薄的衬底STR的更薄的印刷电路板。此外在该实施方式的一个有利的变型方案中，参考附图，基面GP未被布置在衬底STR下方，而是为印刷电路板的覆盖面。辐射体面S1、S2被实施成金属片，这些金属片在其左边缘处具有直角的倒角，由此短路连接KS1、KS2直接在辐射体面S1、S2上成形。这些短路连接KS1、KS2与基面GP焊接在一起或者以其它方式相连接。该构造导致在基面GP与辐射体面S1、S2之间不布置或布置仅仅一个薄层衬底STR，由此由衬底引起的损耗被减小或者被完全避免。阻抗构件Z1、Z2可以用于在天线金属片的参考图2的右边区域中机械地支承该天线金属片。

Claims

1. 平面天线系统，

具有由印刷电路板的第一导电层构成的基面（GP），

具有平行地布置在该基面（GP）之上的第一辐射体面（S1），该第一辐射体面（S1）的一侧借助于第一短路连接（KS1）与基面（GP）导电连接并且具有用于连接高频电路的馈送点（SP）；

其特征在于，

除了第一辐射体面（S1）之外还平行地在基面（GP）之上布置与该第一辐射体面（S1）辐射耦合的第二辐射体面（S2），其中第二辐射体面（S2）的一侧借助于第二短路连接（KS2）与基面（GP）连接。

2. 根据权利要求1所述的平面天线系统，

其特征在于，

第一和第二短路连接（KS2）基本上布置在同一条线上。

3. 根据前述权利要求之一所述的平面天线系统，

其特征在于，

第一辐射体面（S1）基本上为矩形的。

4. 根据前述权利要求之一所述的平面天线系统，

其特征在于，

第二辐射体面（S2）基本上为梯形的。

5. 根据前述权利要求之一所述的平面天线系统，

其特征在于，

第一辐射体面（S1）通过第一阻抗构件（Z1）与基面（GP）连接。

6. 根据权利要求5所述的平面天线系统，

其特征在于，

第一阻抗构件（Z1）与第一辐射体面（S1）的与短路连接（KS1，KS2）之一相对的区域连接。

7. 根据前述权利要求之一所述的平面天线系统，

其特征在于，

第二辐射体面（S2）通过第二阻抗构件（Z2）与基面（GP）连接。

8. 根据权利要求7所述的平面天线系统，

其特征在于，

第二阻抗构件（Z2）与第二辐射体面（S2）的与短路连接（KS2）之一相对的区域连接。

9. 根据前述权利要求之一所述的平面天线系统，

其特征在于，

第一辐射体面（S1）和第二辐射体面（S2）由印刷电路板的第二导电层构成。

10. 根据权利要求9所述的平面天线系统，

其特征在于，

印刷电路板的载体材料在基面（GP）与第一辐射体面（S1）和第二辐射体面（S2）之间分别具有凹槽，其中该凹槽涉及分别布置在其上的辐射体面的面积。

11. 根据前述权利要求之一所述的平面天线系统，

其特征在于，

第一和/或第二短路连接（KS1，KS2）由印刷电路板的一系列通孔接触构成。

12. 根据权利要求1至9之一所述的平面天线系统，

其特征在于，

第一辐射体面（S1）和第二辐射体面（S2）由分别布置在印刷电路板之上的金属片构成。