CN102593579B - 天线模块和无线通讯装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种天线模块和无线通讯装置，所述天线模块包括：由树脂和铜箔材料制成的基体部；形成在所述基体部的第一表面上的第一接地层；形成在所述基体部的第二表面上形成的第二接地层；以及设置在所述基体部的第一表面上的倒F金属板天线，所述倒F金属板天线由冲压切割及折叠金属板形成，并包括矩形导体板，连接到第一接地层的接地导体部分，和连接到馈电点的馈电导体部分。所所述矩形导体板于沿长度方向延伸的折叠部分折叠，并于所述折叠部分沿宽度方向分成第一矩形导体板和第二矩形导体板。所述第一矩形导体板平行于所述基体部，而所述第二矩形导体板相对于所述基体部倾斜。

Description

天线模块和无线通讯装置

技术领域

本发明涉及可用于在与IEEE802.15.4、IEEE802.11等规范相一致的无线网络、局域网、移动通讯和GPS接收器中等传递和接收无线电信号的天线模块和无线通讯装置。

背景技术

无线通讯技术被应用于各种领域，例如，与IEEE802.15.4、IEEE802.11等规范相一致的无线网络、局域网、移动通讯和GPS接收器。近年来，无线通讯设备在各种消费电子产品的遥控领域已逐渐取代红外通讯设备。

对于将预定频率的无线电波发射到空间中的无线通讯设备来说，天线模块是必要的。半波偶极天线和λ/4单极天线被用作基本天线。半波偶极天线的长度等于使用的波长λ的一半，并在其上存在一个驻波周期。当考虑到无限大导体板上的像电流(imagecurrent)时，λ/4单极天线的特性与偶极天线的特性相同。

还使用一种倒F天线，这是一种单极天线，端部折叠以具有较矮的轮廓，而且在馈电点附近形成短路部分，以提供阻抗匹配。为了进一步减小天线的高度并提供阻抗匹配，面向地平面的折叠的水平部分被制成平面。

天线通常具有主极化平面，并对于与主极化平面正交的极化波具有低的增益。例如，垂直安装的偶极天线对于垂直极化波有高增益，而对水平极化波有低增益。另外，单极天线只在无限大的地平面上具有辐射图案，而在地面以下没有方向性图案。倒F天线具有与单极天线类似的方向性图案。倒F天线在底板的与设置有天线的一侧相反的一侧上具有低增益，并对于与底板平行的水平极化波具有低增益。

通常，在无线通信装置中，天线被定位成在适于使用的状况下的方向具有增益。但是，关于使用这种装置，在某些情况下，难以将装置放置在传递或接收无线电信号的合适的方向上。例如，在无线通信型遥控系统中，用户期望以各种方式握持遥控器，并在各种方向上将遥控信号传递到安装于例如电视机这样的要被遥控器控制的装置内的天线。在市场上已流行的平板电视中，天线通常安装在电视机前表面上的框部内。在某些情况下，该框部有些位置只允许垂直极化波从中通过，而在其它位置只允许水平极化波从中通过。优选地，天线能传递或接收垂直极化波和水平极化波两者。

为此，已提出倒F金属板天线，其包括从辐射导体板的外周的几个部分延伸的短路导体板。当施加电力时，该短路导体板产生具有不同谐振长度的多个谐振模式(见例如日本未审查专利申请公开2004-312166)。具有多个谐振模式的这种类型天线可覆盖更宽的带宽，但是未公开它在传递和接收极化波上的效率。

另一个例子，已提出平面倒F天线，其包括印刷电路板，该印刷电路板中，除了平面倒F天线的矩形导体板下的部分以外，接地图案完全形成于其上(见例如日本未审查专利申请公开2003-92510)。因此，该天线具有近乎全方向天线图案，在水平方向，即平行于该印刷电路板的方向上提供高增益，并在印刷电路板的背面提供没有减少到很小的增益。

另一个例子，提供一种天线单元，其包括在基板的相反表面上提供的贴片天线元件11和12，设置在这些元件之间的GND层13，以及基板的空心部内部的RF电路16(见例如日本未审查专利申请公开2001-339239，第[0010]-[0020]段，以及图1)。在该天线单元中，天线元件11和12设置在基板的外周，RF电路16设置在基板内部，以尽可能减少天线元件与RF电路16之间的相互影响。

该天线单元的制造意图在于该单元具有全方向的圆极化图案，并在主体的空心部分内部具有RF电路。该天线单元的结构中，在主体内部中心部分设置的天线的模块以及RF电路都被完全屏蔽。因而，天线单元非常厚并难以制造。

已提出圆极化贴片天线装置，其包括设置在立方结构外表面上的圆极化贴片天线元件2a、2b和2c以及设置在立方结构内表面上的GND导体7和RF电路92(见例如日本未审查专利申请公开2001-332929，第[0047]-[0055]段，以及图8)。

该圆极化贴片天线装置的制造意图在于该装置具有全方向圆极化图案，并在立方结构内部具有RF电路。圆极化贴片天线的RF电路92被用GND导体7完全屏蔽。因此，RF电路92被高度屏蔽，但是，该天线难以减小尺寸且难以制造。

发明内容

需要提供一种适合用于无线网络、局域网络、移动通信和GPS接收器等符合IEEE802.15.4和IEEE802.11等规范的性能优异的天线模块和无线通信装置。

另外，还需要提供一种使用倒F天线的情况下高度减小，并能传递和接收垂直极化波和水平极化波两者的优秀的天线模块和无线通信装置。

考虑上述情况，已做出本发明。本发明的第一个实施例是天线模块，包括：由树脂和铜箔材料制成的基体部；形成在所述基体部的第一表面上的第一接地层；形成在所述基体部的第二表面上形成的第二接地层；以及设置在所述基体部的第一表面上的倒F金属板天线，所述倒F金属板天线由冲压切割及折叠金属板形成，并包括矩形导体板，连接到第一接地层的接地导体部分，和连接到馈电点的馈电导体部分。所述倒F金属板天线的所述矩形导体板于沿长度方向延伸的折叠部分折叠，并于所述折叠部分沿宽度方向分成第一矩形导体板和第二矩形导体板。所述第一矩形导体板平行于所述基体部，而所述第二矩形导体板相对于所述基体部倾斜。

本发明的第二实施例基于第一实施例，并构造如下。所述第一矩形导体板具有用于垂直极化波激励的图案。所述第二矩形导体板具有用于水平极化波激励的图案和用于垂直极化波激励的图案。

本发明的第三实施例基于第一实施例，并构造如下。所述接地导体部分和所述馈电导体部分沿宽度方向从所述第二矩形导体板的端部大致直线突起，并相对于基体部倾斜。

本发明的第四实施例基于第一实施例，并构造如下。所述天线模块还包括：设置在倒F金属板天线下方、并构造成处理由所述倒F金属板天线传递或接收的无线电信号的信号处理电路；以及屏蔽所述信号处理电路的屏蔽导体部件。

本发明的第五实施例基于第一实施例，并构造如下。所述矩形导体板具有长度I₁和宽度I₂，使得长度I₁和宽度I₂的总和近似等于工作波长λ的四分之一(即，I₁+I₂＝λ/4)。长度I₁和宽度I₂设置成获得所需Q值。

本发明的第六实施例基于第一实施例，并构造如下。所述接地导体部分和所述馈电导体部分的每一个的长度L，以及所述接地导体部分和所述馈电导体部分之间的间隔的宽度W被调整成获得所需输入电阻。

本发明的第七实施例是一种无线通信装置，包括：由树脂和铜箔材料制成的基体部；形成在所述基体部的第一表面上的第一接地层；形成在所述基体部的第二表面上形成的第二接地层；设置在所述基体部的第一表面上的倒F金属板天线，所述倒F金属板天线由冲压切割及折叠金属板形成，并包括矩形导体板，连接到第一接地层的接地导体部分，和连接到馈电点的馈电导体部分；构造成处理由所述倒F金属板天线传递或接收的无线电信号的信号处理电路；以及屏蔽所述信号处理电路的屏蔽导体部件。所述倒F金属板天线的所述矩形导体板于沿长度方向延伸的折叠部分折叠，并于所述折叠部分沿宽度方向分成第一矩形导体板和第二矩形导体板。所述第一矩形导体板平行于所述基体部，而所述第二矩形导体板相对于所述基体部倾斜。

本发明还可提供一种使用倒F天线的情况下高度减小，并能传递和接收垂直极化波和水平极化波两者的优秀的天线模块和无线通信装置。

本发明的天线模块包括激励水平极化波和垂直极化波两者的倒F金属板天线。因此，即使在基体部上形成的接地层小到大约工作波长的四分之一，也能获得所需辐射增益和所需方向增益。

本发明的天线模块包括激励水平极化波和垂直极化波两者的倒F金属板天线。采用具有贴片天线的倒F天线的组合，本发明的天线模块可减少Q值并覆盖更宽的带宽。

本发明的天线模块包括激励水平极化波和垂直极化波两者的倒F金属板天线。因此，如果安装在机壳内，本发明的天线模块可更少地影响机壳的导体和电介质体。

本发明的天线模块包括由FR4树脂制成，或用其它类型树脂和铜箔材料一起形成两层结构而制成的基体部；倒F金属板天线和贴片天线两者的复合天线，所述复合天线附接于所述基体部的第一表面；以及屏幕基体部的第一表面的屏蔽导体部件。本发明的天线模块可以低成本制造。复合天线可由金属板加工形成，并可易于制造。另外，进行RF处理和基带处理的信号处理电路可设置在屏蔽导体部件的内部，从而所述复合天线和所述信号处理电路都可设置在所述基体部的第一表面上，RF处理是处理由复合天线传递或接收的RF信号。另外，信号处理电路所用的至少一部分无源元件可安装在所述基体部的第一表面上。

本发明的天线模块具有约等于工作波长四分之一的小尺寸。另外，本发明的天线模块的尺寸被减少到使得包括屏蔽壳的天线模块高度是10mm甚至更小。因此，本发明的天线单元作为整体是小尺寸的。

本发明的各种目标、特征和优势通过参照附图的对本发明以下实施例的详细说明而变得清楚。

附图说明

图1是示出根据本发明实施例的天线模块的构造的示意图。

图2是示出图1所示天线模块的剖视图。

具体实施方式

以下将参照附图详细说明本发明的实施例。

图1是示出根据本发明实施例的天线模块的构造的示意图。图2示出天线模块的剖视图。图中的天线模块包括基体部10、倒F金属板天线20、屏蔽导体部件30和RF-基带处理电路40。

基体部10是由例如FR4(FlameRetardantType4，阻燃型4)这样的树脂，或者由另一种树脂和铜箔材料组合制成的立方体，并具有单层结构或多层结构。在基体部10的上下表面S1和S2上分别形成接地图案。表面S1和S2上的接地图案通过穿透基体部10的多个通孔70互相连接。

倒F金属板天线20设置在基体部10上具有接地图案的表面S1上。倒F天线通常指的是通过折叠天线前端部而减小高度、并在馈电点位置附近设置有短路部以提供阻抗匹配的单极天线。为进一步减小倒F天线的高度并提供阻抗匹配，面向地平面的折叠水平部分被制成平面。

本实施例的倒F金属板天线20由冲压切割和折叠金属板形成。连接到接地图案的接地导体部分22和连接到馈电点的馈电导体部分23都从矩形导体板21突起。上述馈电点指的是馈电导体部分23与连接到RF-基带处理电路40的馈电条线60相接触处的点。

RF-基带处理电路40安装在基体部10的第一表面S1上。RF-基带处理电路40处理从倒F金属板天线20发送的RF信号，或者由倒F金属板天线20接收的RF信号。在所示例子中，RF-基带处理电路40由屏蔽导体部件30屏蔽，并设置在倒F金属板天线20的矩形导体板21之下。屏蔽导体部件30通过镀金属、或通过使用密集但又没有密集到影响工作频率的通孔70而接地。在所示例子中，屏蔽导体部件30接地。在不接地电路的情况下，电路端部被引出，但不连接到屏蔽导体部件30。尽管未示出，其它电路元件，例如平衡-不平衡变换器(balun)，也安装在基体部10的第一表面S1上。屏蔽导体部件30屏蔽这些电路，以减少在倒F金属板天线20上的电磁场的影响。

支撑部分24形成在矩形导体板21的前端部。支撑部分24支撑倒F金属板天线20，使得在矩形导体板21与基体部10之间稳定地提供预定的空间。适当确定支撑部分24的位置和形状，以加强和稳定倒F金属板天线20的结构，同时尽可能减少电磁场影响。

矩形导体板21于沿长度方向延伸的折叠部分21c处折叠，并沿宽度方向被分成两部分，即，第一矩形导体板21a和第二矩形导体板21b。第一矩形导体板21a平行于基体部10，而第二矩形导体板21b斜向下。具体地，第二矩形导体板21b以大约45度斜向下到基体部10。接地导体部分22和馈电导体部分23沿宽度方向从第二矩形导体板21b的端部大致直线突起。类似于第二矩形导体板21b，接地导体部分22和馈电导体部分23都与基体部10倾斜。

如现有技术的倒F天线的情况一样，第一矩形导体板21a具有于用用于垂直极化波激励的图案。另一方面，第二矩形导体板21b具有用于用于水平极化波激励的图案和用于垂直极化波激励的图案两者。因而，本实施例的天线模块整体对于水平极化波激励和垂直极化波激励两者都具有图案。因此，成组的天线模块在即使其中一种极化波被衰减的情况下也能确保一定水平的性能。另外，与普通的倒F天线不同，天线模块具有如此宽阔的平面部分，使得天线模块也可用作贴片天线，在垂直极化波的增益与水平极化波的增益之间有小的差别。

矩形导体板21的长度(I₁)与宽度(I₂)的和(I₁+I₂)近似等于工作波长λ的四分之一(λ/4)。如果I₁＞I₂，或I₁＜I₂，天线的Q值会增加。为使其不同，根据所需Q值确定宽度I₂。与普通的倒F天线不同，本实施例的天线模块还可用矩形导体板21的宽的平面部分起到贴片天线的作用，由此在垂直极化波的增益与水平极化波的增益之间有小的差别。另外，矩形导体板21的宽的平面部分，即，较长的长度I₁，减少Q值，以加宽VSWR(电压驻波比率)的带宽，即，实现更宽的带宽。

调整接地导体部分22或馈电导体部分23的长度L，以及接地导体部分22与馈电导体部分23之间的宽度，使得天线的输入电阻是大约50Ω。

如上所述，矩形导体板21的宽度I₂和接地导体部分22或馈电导体部分23的长度L基于所需天线特性而确定。

另外，如前所述，矩形导体板21在折叠部分21c折叠，并且接地导体部分22和馈电导体部分23都不与基体部10垂直而与基体部10成角度(倾斜)。因而与接地导体部分22和馈电导体部分23都垂直于基体部10的情况相比，倒F金属板天线20的第一矩形导体板21a具有相同的长度，但距基体部10的高度更低。

倒F金属板天线20被馈电导体部分23施加以来自馈电条线60和共面线(未示出)的电力。馈电条线60的宽度和长度都根据需要基于基体部10的介电常数和天线的设计原则而确定。

如前所述，图1所示天线模块中，倒F金属板天线20的矩形导体板21于沿长度方向延伸的折叠部分21c折叠，并沿宽度方向被分成第一矩形导体板21a和第二矩形导体板21b。平行于基体部10的第一矩形导体板21a具有用于用于垂直极化波激励的图案，而相对于基体部倾斜10的第二矩形导体板21b具有用于水平极化波激励和垂直极化波激励两者的图案。因而，天线单元作为整体具有用于水平极化波激励和用于垂直极化波激励的图案。因此，成组的天线模块可在即使其中一种极化波被衰减的情况下也能确保一定水平的性能。另外，与普通的倒F天线不同，天线模块具有如此宽的平面部分，使得天线模块也可用作贴片天线，在垂直极化波的增益与水平极化波的增益之间有小的差别。

图1所示天线模块的特征包括：由安装在基体部10的表面S1上的电路施加在倒F金属板天线20上的电磁影响小；水平极化波和垂直极化波之间的定向性增益上的差别小；以及辐射增益上和定向性增益上的变化都小。图1所示的天线模块将倒F天线和贴片天线的功能结合在一起，以减少Q值。因而，如果该天线模块安装在能实现更宽带宽的机壳内，可减少对导体和机壳的电介质本体上的影响。

另外，在图1所示的天线模块内，第二矩形导体板21b相对基体部10倾斜。另外，接地导体部分22和馈电导体部分23都沿宽度方向从第二矩形导体板21b的端部大致直线突起。因而，图1所示天线模块的整个主体比起第二矩形导体板21b相对于基体部10不倾斜而是垂直的情况可变薄，尺寸变小。另外，图1所示天线模块容易制造。

图1所示天线模块包括：由FR4树脂或用其它类型树脂和铜箔材料一起形成两层结构而制成的基体部10；组装到基体部10的第一表面S1的复合天线20，所述复合天线20起到倒F金属板天线和贴片天线的作用；以及屏蔽基体部10的第一表面S1的屏蔽导体部件30。因而，图1所示的天线模块可以低成本制造。复合的倒F金属板天线20可由金属板制造，使得倒F金属板天线20容易制造。另外，RF-基带处理电路40设置在屏蔽导体部件30内部，且倒F金属板天线20和RF-基带处理电路40可都设置在基体部10的第一表面S1上。另外，RF-基带处理电路40内使用的至少部分无源元件可安装在基体部10的第一表面S1上。

图1所示的天线模块的大小是工作波长的大约四分之一。具体地，例如，包括屏蔽壳的2.4GHz带宽的天线模块的高度被减小到为10mm甚至更小。因而天线模块作为整体是小尺寸的。

日本未审查专利申请公开2003-92510公开一种在与印刷电路板平行的水平方向上具有更高增益的平面倒F天线。平面倒F天线在低于矩形导体板下的位置区域处不具有接地图案，使平面倒F天线基本上是全方向的，使得水平方向上的增益增加。另一方面，在图1所示的天线模块中，倒F金属板天线20的矩形导体板21折叠成两部分，相对于基体部倾斜10的第二矩形导体板21b对于水平极化波激励和垂直极化波激励两者都有图案。因而图1所示天线模块与日本未审查专利申请公开2003-92510中公开的明显不同。另外，在日本未审查专利申请公开2003-92510中公开的平面倒F天线中，接地导体部分与馈电导体部分都与印刷电路板垂直。因而在日本未审查专利申请公开2003-92510中公开的平面倒F天线整体不具有小的厚度。

附带地，日本未审查专利申请公开2003-92510公开一种变型，其中矩形导体板沿折叠线折叠，所述折叠线不沿长度方向而是沿宽度方向延伸。但是，日本未审查专利申请公开2003-92510中公开的天线单元，矩形导体板折叠以减少矩形导体板占据的面积和体积，折叠的目的不是如本发明这样增加水平极化波的增益。

本发明涉及2011年1月12日在日本特许厅提交的日本在先专利申请JP2011-004270的主题，其全部内容通过引用结合于此。

本领域技术人员应理解只要在所附权利要求或其等效物的范围内，根据设计需要和其它因素，可出现各种变型、组合、子组合和变更。

Claims (6)

1.一种天线模块，包括：

基体部；

形成在所述基体部的第一表面上的第一接地层；以及

设置在所述基体部的第一表面上的倒F金属板天线，包括矩形导体板、连接到第一接地层的接地导体部分、连接到馈电点的馈电导体部分，其中

所述倒F金属板天线的所述矩形导体板在沿长度方向延伸的折叠部分折叠，并在所述折叠部分沿宽度方向分为第一矩形导体板和第二矩形导体板，以及

所述第一矩形导体板平行于所述基体部，而所述第二矩形导体板相对于所述基体部斜向下倾斜，

其中，所述第一矩形导体板具有用于垂直极化波激励的图案，以及

所述第二矩形导体板具有用于水平极化波激励的图案和用于垂直极化波激励的图案。

2.根据权利要求1所述的天线模块，其中所述接地导体部分和所述馈电导体部分沿宽度方向从所述第二矩形导体板的端部大致直线突起，并相对于基体部倾斜。

3.根据权利要求1所述的天线模块，还包括：

设置在倒F金属板天线下方、并构造成处理由所述倒F金属板天线传递或接收的无线电信号的信号处理电路；以及

屏蔽所述信号处理电路的屏蔽导体部件。

4.根据权利要求1所述的天线模块，其中

所述矩形导体板具有长度I₁和宽度I₂，使得长度I₁和宽度I₂的总和近似等于工作波长λ的四分之一，即，I₁+I₂＝λ/4，以及

长度I₁和宽度I₂设置成获得所需的Q值。

5.根据权利要求1所述的天线模块，其中所述接地导体部分和所述馈电导体部分的每一个的长度L，以及所述接地导体部分和所述馈电导体部分之间的间隔宽度W被调整成获得所需的输入电阻。

6.一种无线通讯装置，包括：

基体部；

形成在所述基体部的第一表面上的第一接地层；

设置在所述基体部的第一表面上的倒F金属板天线，包括矩形导体板、连接到第一接地层的接地导体部分、和连接到馈电点的馈电导体部分；

构造成处理由所述倒F金属板天线传递或接收的无线电信号的信号处理电路；以及

屏蔽所述信号处理电路的屏蔽导体部件，其中

所述倒F金属板天线的所述矩形导体板在沿长度方向延伸的折叠部分折叠，并在所述折叠部分沿宽度方向分成第一矩形导体板和第二矩形导体板，以及

所述第一矩形导体板平行于所述基体部，而所述第二矩形导体板相对于所述基体部斜向下倾斜，

其中，所述第一矩形导体板具有用于垂直极化波激励的图案，以及

所述第二矩形导体板具有用于水平极化波激励的图案和用于垂直极化波激励的图案。