CN102882541B - 一种集成于pcb板的无线通讯装置 - Google Patents

Abstract

一种集成于PCB板的无线通讯装置，包括PCB板、设于PCB板上的SOC单元、给SOC单元供电的电源模块以及印刷于PCB板表面的天线，SOC单元的通讯端与天线相连。本发明一种集成于PCB板的无线通讯装置，极大地减少了整体空间需求，降低了电能的消耗，应用SOC提高了射频的功放效率，降低了功耗，将天线集成于PCB板的表面免去了连接PCB板与天线的连接结构，降低了信号在传输过程中的衰减，提高了天线的转换效率；PCB板上集成的天线能够衍生成多种结构，能够满足无线通讯装置的多种需求；本发明无线通讯装置制造成本低，实用性强，能够适用于多种场合。

Description

一种集成于PCB板的无线通讯装置

技术领域

本发明属于通讯领域，具体涉及一种无线通讯装置。

背景技术

随着通讯行业的不断发展，尤其是无线通讯技术发展尤为迅速，对当今的通讯系统集成度提出了越来越高的要求，器件的小型化成为了整个产业非常关注的技术问题。

传统的射频单元功放效率低，非线形化、体积大和功耗大，从而使得射频单元无法获得良好的性能。同时，传统天线设计吸收较多的能量，产生较大的回波，因而使得天线转换效率低和体积较大，射频和天线起到了关键的作用，但由于传统的无线射频技术发展缓慢，射频天线系统大，功耗大，维护和更新问题严重阻碍了无线宽带通信的发展，同时还极大提高了运营商的运营成本，无法满足射频小型化和一体化及绿色能源和低功耗的需求。

在无线通讯中，常常会将天线通过一定方式固定在PCB板上，以作为PCB板上通讯电路信号的接收与发射端，在通常情况下会通过螺纹连接的方式将天线固定在PCB板上，由于天线接收与发射信号时信号都会经过螺纹柱段进入PCB板上的电路或经电路输出经螺纹柱段再进入天线发射出去，这样对信号会产生一定的衰减，并且由于天线的螺纹固定连接无论是垂直于PCB板还是与PCB板同向放置，都会增加无线通讯装置整体的体积。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种集成于PCB板的无线通讯装置，通过SOC技术和将天线印刷在PCB板上实现该装置的小型化和良好的通讯效果，为了实现上述发明目的，采用以下技术方案：

一种集成于PCB板的无线通讯装置，包括PCB板、设于所述PCB板上的SOC单元、给所述SOC单元供电的电源模块以及印刷于所述PCB板表面的天线，所述SOC单元的通讯端与所述天线相连。

进一步地，还包括低噪声放大与功放模块，所述SOC单元的通讯端经所述低噪声放大与功放模块与所述电磁复合材料天线相连。

进一步地，还包括设置于所述低噪声放大与功放模块和所述电磁复合材料天线之间的衰减模块。

进一步地，所述SOC单元还包括作为所述SOC单元通讯端的双工器以及用于数据处理的上变频模块、下变频模块、数模转换模块、滤波模块、模数转换模块、低噪放大模块和锁相环。

进一步地，所述SOC单元包括核处理器和存储器以及内置于所述存储器的DSP软件。

进一步地，所述天线为电磁复合材料天线。

进一步地，所述天线为单极天线、双极天线或多极天线。

进一步地，所述天线包括馈线和附着在PCB板一表面的金属片，所述馈线通过耦合方式馈入所述金属片，所述金属片上镂空有微槽结构以在金属片上形成金属走线，所述天线预设有供电子元件嵌入的空间。

进一步地，所述天线包括：附着在PCB板相对两表面的第一金属片及第二金属片，围绕第一金属片设置有第一馈线、第二馈线，围绕第二金属片设置有第三馈线、第四馈线，所述第一馈线及第二馈线均通过耦合方式馈入所述第一金属片，所述第三馈线及第四馈线均通过耦合方式馈入所述第二金属片，所述第一金属片上镂空有第一微槽结构以在第一金属片上形成第一金属走线，所述第二金属片上镂空有第二微槽结构以在第二金属片上形成第二金属走线，所述第一馈线与第三馈线电连接，所述第二馈线与第四馈线电连接，所述天线预设有供电子元件嵌入的空间。

进一步地，所述电子元件为感性电子元件、容性电子元件或者电阻。

本发明一种集成于PCB板的无线通讯装置，极大地减少了整体空间需求，降低了电能的消耗，应用SOC提高了射频的功放效率，降低了功耗，将天线集成于PCB板的表面免去了连接PCB板与天线的连接结构，降低了信号在传输过程中的衰减，提高了天线的转换效率；PCB板上集成的天线能够衍生成多种结构，能够满足无线通讯装置的多种需求；本发明无线通讯装置制造成本低，实用性强，能够适用于多种场合。

附图说明

图1是本发明无线通讯装置第一实施例结构示意图；

图2是本发明无线通讯装置第二实施例结构示意图；

图3是图2实施例的功能模块图；

图4是本发明无线通讯装置中SOC单元的一种结构示意图；

图5是图1或图2中d区域天线结构的放大示意图；

图6是图1或图2中d区域的天线的另一种结构示意图；

图7是图6的另一视角的结构示意图；

图8是图6结构的一种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

图1所示为本发明集成于PCB板的无线通讯装置的第一实施例的结构示意图，该无线通讯装置包括PCB板1、SOC单元2、天线3和电源模块10，电源模块10为SOC单元2及其他PCB板1上元件提供电能，该电源模块1可以是干电池组，也可以是太阳能模组，由于SOC单元2高度集成化，能够延长电源模块1的持续供电时间。天线3印刷在PCB板1表面的d区域，天线3与SOC单元2的通讯端相连，天线3可以是电磁复合材料天线，也可以是单极天线、双极天线以及多极天线，图1中所示天线3为单极天线。

图2所示为本发明集成于PCB板的无线通讯装置的第二实施例的结构示意图，该实施例中无线通讯装置同样包括PCB板1、SOC单元2、天线3和电源模块10，还包括了低噪声放大与功放模块4以及衰减模块5，电源模块10用以PCB板1上元件提供电能，天线3同样印刷在PCB板1表面的d区域，SOC单元2通讯端与低噪声放大与功放模块4相连，为了取得更好的效果，低噪声放大与功放模块4与天线3之间还设置了衰减模块5，以避免接收或发送的信号过强造成的损坏。天线3和第一实施例相同，可以是电磁复合材料天线，也可以是单极天线、双极天线以及多极天线，作为实施方式，天线的选择并不局限于实施例中所列举的类型，其他的能够印刷在PCB板上的天线均适用于本发明。

图3所示为对应图2无线通讯装置结构的功能模块图，在该图中，无线通讯装置包括了电源模块1、SOC单元2、低噪声放大与功放模块4以及天线3。低噪声放大与功放模块4设置于SOC单元2与天线3之间，天线3接收外界的数据经低噪声放大与功放模块4低噪声放大输出给SOC单元2，天线3还接收SOC单元2输出的经低噪声放大与功放模块4功放后的数据，并将该数据发射出去，在低噪声放大与功放模块4和天线3之间还可以设置衰减模块51、52，分别对应SOC单元2数据的输出与输入。

图4所示为本发明无线通讯装置中SOC单元的一种结构示意图，该SOC单元2包括核处理器21和存储器22，存储器21中内置DSP软件，存储器22中还存储通讯协议软件信息，该通讯协议可以是ZigBee协议、蓝牙协议等。该SOC单元2还包括双工器、上变频模块、下变频模块、数模转换模块、滤波模块、模数转换模块、低噪放大模块和锁相环，双工器作为SOC单元2数据输入与输出的通讯端，上变频模块、下变频模块、数模转换模块、滤波模块、模数转换模块、低噪放大模块在核处理器21及DSP软件的控制下对数据进行处理。在应用中相同的数据处理模块如数模转换模块、滤波模块、模数转换模块、低噪放大模块在处理数据不是很大的情况下可以只有一个，通过核处理器21分配来对输入与输出的数据进行处理。

在应用时，SOC单元2得到供电后，加载位于存储器22内置的DSP软件，数据经双工器传入，核处理器21和DSP软件控制相应处理模块依次对数据进行低噪放大、模数转换、滤波、数模转换、下变频处理，并将结果输出到存储器22；SOC单元2数据需要对外输出时，核处理器21和DSP软件控制相应处理模块依次对数据进行低噪放大、模数转换、滤波、数模转换、上变频处理，经双工器输出，核处理器21控制锁相环使得数据频率和相位均与输入数据保持确定关系，提高抗干扰能力。

图5是图1中d区域天线3的放大示意图，该天线3是单极天线，采用了透视图画法，在图中未画出其接线脚。天线3包括馈线32、附着在d区域内PCB板11一表面的金属片34，馈线32通过耦合方式馈入金属片34，金属片34上镂空有微槽结构341和在金属片34上形成的金属走线342，天线3上预设有供电子元件嵌入的空间，图3中351为预设的电子元件嵌入的空间，363、365、366、367为预设的空间已嵌入电子元件。馈线32围绕金属片34设置实现耦合，金属片34与馈线32可以接触，也可以不接触。当金属片34与馈线32接触时，馈线32与金属片34之间感性耦合；当金属片34与馈线32不接触时，馈线32与金属片34之间容性耦合。

在馈线32与金属片34之间预设有嵌入容性电子元件的空间363，预设的嵌入电子元件空间的位置可以是馈线32与金属片34之间的任意位置。馈线32与金属片34之间本身具有一定的电容，这里通过嵌入容性电子元件调节馈线与金属片34之间的信号耦合，运用公式：可知电容值的大小和工作频率的平方成反比，所以当需要的工作频率为较低工作频率时，通过适当的嵌入电容或感性电子元件实现。加入的容性电子元件的电容值范围通常在0-2pF之间，不过随着电磁复合材料天线工作频率的变化嵌入的电容值也可能超出0-2pF的范围。当然，也可以在馈线32与金属片34之间预设多个空间。同样，在未连接有电子元件的空间中，采用导线短接。

在金属片的金属走线342上预留有嵌入感性电子元件和/或电阻的空间，嵌入电子元件的空间不仅仅局限于图中给出的365和366，其他位置只要满足条件均可。此处嵌入感性电子元件的目的是增加金属片内部谐振结构的电感值，从而对天线的谐振频率及工作带宽起到调节的作用；此处嵌入电阻的目的是改善天线的辐射电阻。至于是嵌入感性电子元件还是电阻，则根据需要而定。另外在未嵌入电子元件的空间中，采用导线短接。

在微槽结构341上预留有嵌入容性电子元件的空间，并且所述空间连接两侧的金属走线342。嵌入电子元件的空间不仅仅局限与图3中给出的367，其他位置只要满足条件均可。嵌入容性电子元件可以改变金属片的谐振性能，最终改善电磁复合材料天线的Q值及谐振工作点。作为公知常识，我们知道，通频带BW与谐振频率w0和品质因数Q的关系为：BW＝wo/Q，此式表明，Q越大则通频带越窄，Q越小则通频带越宽。另有：Q＝wL/R＝1/wRC，其中，Q是品质因素；w是电路谐振时的电源频率；L是电感；R是串的电阻；C是电容，由Q＝wL/R＝1/wRC公式可知，Q和C呈反比，因此，可以通过加入容性电子元件来减小Q值，使通频带变宽。

本发明中的天线3上的空间预留位置不限于上述几种形式，空间只要设置在天线上即可，例如，空间还可以设置在d区域内的PCB板上。

本发明中电子元件为感性电子元件、容性电子元件或者电阻。在天线的预留空间中加入此类电子元件后，可以改善天线的各种性能。并且通过加入不同参数的电子元件，可以实现天线性能参数的可调。因此，本发明的天线在不加入任何元件之前可以是一样的结构，只是通过在不同位置加入不同的电子元件，以及电子元件的参数(电感值、电阻值、电容值)，来实现不同天线的性能参数。即实现了通用性。可以大幅降低生产成本。

本发明的空间可以是焊盘，也可以是一个空缺。焊盘的结构可以参见普通的电路板上的焊盘。当然，其尺寸的设计根据不同的需要会有所不同。

另外，本发明中，PCB板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。优选地，由高分子材料制成，具体地可以是FR-4、F4B等高分子材料。金属片为铜片或银片。优选为铜片，价格低廉，导电性能好。馈线选用与金属片同样的材料制成。优选为铜。

本发明中，天线的加工制造只需满足本发明的天线设计原理，可以采用各种制造方式。最普通的方法是使用各类印刷电路板(PCB)的制造方法，当然，金属化的通孔，双面覆铜的PCB制造也能满足本发明的加工要求。除此加工方式，还可以根据实际的需要引入其它加工手段，比如RFID(RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别技术，俗称电子标签)中所使用的导电银浆油墨加工方式、各类可形变器件的柔性PCB加工、铁片天线的加工方式以及铁片与PCB组合的加工方式。其中，铁片与PCB组合加工方式是指利用PCB的精确加工来完成天线微槽结构的加工，用铁片来完成其它辅助部分。另外，还可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法来加工。

图6、图7是图1中d区域天线3的另一种结构示意图，该图中所示天线为一种双极化天线，同样采用了透视画法，在图中未画出接线脚。天线3包括附着在d区域内PCB板11相对两表面的第一金属片34及第二金属片37，围绕第一金属片34设置有第一馈线32、第二馈线33，围绕第二金属片37设置有第三馈线38、第四馈线39，所述第一馈线32及第二馈线33均通过耦合方式馈入所述第一金属片34，所述第三馈线38及第四馈线39均通过耦合方式馈入所述第二金属片37，所述第一金属片34上镂空有第一微槽结构341以在第一金属片上形成第一金属走线342，所述第二金属片37上镂空有第二微槽结构371以在第二金属片上形成第二金属走线372，所述第一馈线32与第三馈线38电连接，所述第二馈线33与第四馈线39电连接，所述天线3预设有供电子元件嵌入的空间36。此种设计等效于电磁复合材料增加了天线物理长度(实际长度尺寸不增加)，这样就可以在极小的空间内设计出工作在极低工作频率下的射频天线。解决传统天线在低频工作时天线受控空间面积的物理局限。

第一馈线32与第三馈线38通过在d区域处PCB板11上开的金属化通孔310电连接，所述第二馈线33与第四馈线39通过在介质基板31上开的金属化通孔320电连接。

图6所示为本发明的天线的结构示意图，图7为图6所示的另一视角图。综合两个图可以看出，d区域内PCB板的a表面及b表面上附着的结构相同。即第一馈线、第二馈线、第一金属片在b表面的投影分别与第三馈线、第四馈线、第二金属片重合。当然，这只是一个优选的方案，a表面与b表面的结构根据需要也可以不同。

第一馈线32与第二馈线33均围绕第一金属片34设置以实现信号耦合。另外第一金属片34与第一馈线32与第二馈线33可以接触，也可以不接触。当第一金属片34与第一馈线32接触时，第一馈线32与第一金属片34之间感性耦合；当第一金属片34与第一馈线32不接触时，第一馈线32与金属片34之间容性耦合。同样，当第一金属片34与第二馈线33接触时，第二馈线33与第一金属片34之间感性耦合；当第一金属片34与第二馈线33不接触时，第二馈线33与第一金属片34之间容性耦合。

第三馈线38与第四馈线39均围绕第二金属片37设置以实现信号耦合。另外第二金属片37与第三馈线38、第四馈线39可以接触，也可以不接触。当第二金属片37与第三馈线38接触时，第三馈线38与第二金属片37之间感性耦合；当第二金属片37与第三馈线38不接触时，第三馈线38与金属片37之间容性耦合。同样，当第二金属片37与第四馈线39接触时，第三馈线38与二金属片37之间感性耦合；当二金属片37与第四馈线39不接触时，第四馈线39与第二金属片37之间容性耦合。

本发明中，所述d区域内PCB板两相对表面的第一金属片与第二金属片可以连接，也可以不连接。在第一金属片与第二金属片不连接的情况下，所述第一金属片与第二金属片之间通过容性耦合的方式馈电；此种情况下，通过改变介质基板的厚度可以实现第一金属片与第二金属片的谐振。在第一金属片与第二金属片电连接的情况下(例如通过导线或金属化通孔的形式连接)，所述第一金属片与第二金属片之间通过感性耦合的方式馈电。

通过改变馈线的馈电位置可以得到不同极化方式的天线，因此，通过改变第一馈线与第三馈线、第二馈线与第四馈线馈电位置的不同可以得到双极化天线。优选地，第一馈线与第三馈线的馈电方式为水平极化，第二馈线与第四馈线的馈电方式为垂直极化，每种极化方式根据不同的需要实现以下几种情况：

(1)水平极化与垂直极化中的一种极化方式只用于接收电磁波，另一种极化方式用于发射电磁波。

(2)水平极化与垂直极化中的一种极化方式只用于接收电磁波，另一种极化方式用于发射和接收电磁波。

(3)水平极化与垂直极化中的两种极化方式均用于发射和接收电磁波。

图8所示为图6和图7中天线的一种进一步实施方式，图8中351为预设的电子元件嵌入的空间，362、363、364、365、366、367为预设的空间已嵌入电子元件。图8中各位置嵌入电子元件与图5中对应空间嵌入电子元件所起的作用相同，在此不作展开叙述。其中嵌入电子元件的空间位置、d区域内PCB板材质、金属片材质以及天线的制造方法等均可与图3所示天线相同。

图5-图8所示的天线，与d区域内PCB板即构成了电磁复合材料天线，也就是超材料天线，能够满足无线通讯装置功能，极大地减小了天线的体积。

以上仅是对本发明的实施例的描述，不能构成本发明的限制，在不脱离本发明宗旨的情况的衍变均处于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种集成于PCB板的无线通讯装置，其特征在于，包括PCB板、设于所述PCB板上的SOC单元、给所述SOC单元供电的电源模块以及印刷于所述PCB板表面的天线，所述SOC单元的通讯端与所述天线相连；

还包括低噪声放大与功放模块，所述SOC单元的通讯端经所述低噪声放大与功放模块与所述天线相连；

还包括两个衰减模块，一个衰减模块设置于所述低噪声放大与功放模块和所述天线之间、且对应于所述SOC单元的数据输入，另一个衰减模块设置于所述低噪声放大与功放模块和所述天线之间、且对应于所述SOC单元的数据输出；

所述天线包括：附着在所述PCB板相对两表面的第一金属片及第二金属片；

所述第一金属片与第二金属片之间通过容性耦合的方式馈电，通过改变介质基板的厚度实现第一金属片与第二金属片的谐振。

2.根据权利要求1所述的无线通讯装置，其特征在于，所述SOC单元还包括作为所述SOC单元通讯端的双工器以及用于数据处理的上变频模块、下变频模块、数模转换模块、滤波模块、模数转换模块、低噪放大模块和锁相环。

3.根据权利要求1所述的无线通讯装置，其特征在于，所述SOC单元包括核处理器和存储器以及内置于所述存储器的DSP软件。

4.根据权利要求1至3任一项所述的无线通讯装置，其特征在于，所述天线为电磁复合材料天线。

5.根据权利要求4所述的无线通讯装置，其特征在于，所述天线为单极天线、双极天线或多极天线。

6.根据权利要求5所述的无线通讯装置，其特征在于，所述天线还包括馈线，所述馈线通过耦合方式馈入金属片，金属片上镂空有微槽结构以在金属片上形成金属走线，所述天线预设有供电子元件嵌入的空间。

7.根据权利要求5所述的无线通讯装置，其特征在于，围绕所述第一金属片设置有第一馈线、第二馈线，围绕所述第二金属片设置有第三馈线、第四馈线，所述第一馈线及第二馈线均通过耦合方式馈入所述第一金属片，所述第三馈线及第四馈线均通过耦合方式馈入所述第二金属片，所述第一金属片上镂空有第一微槽结构以在第一金属片上形成第一金属走线，所述第二金属片上镂空有第二微槽结构以在第二金属片上形成第二金属走线，所述第一馈线与第三馈线电连接，所述第二馈线与第四馈线电连接，所述天线预设有供电子元件嵌入的空间。

8.根据权利要求6或7所述的无线通讯装置，其特征在于，所述电子元件为感性电子元件、容性电子元件或者电阻。