CN102883526A - 一种集成天线的pcb板 - Google Patents

Abstract

本发明一种集成天线的PCB板，包括PCB板和设于PCB板上的天线，其中，天线集成于PCB板表面，该天线为电磁复合材料天线，该天线可以使是单极天线、双极天线或多极天线。本发明一种集成天线的PCB板通过将天线集成于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，节约了原料；使用该集成天线的PCB板实现了所制造的设备的小型化，符合技术发展的趋势；同时该PCB板制备工艺简单，适于生产；PCB板上集成的天线能够衍生成多种结构，能够满足多种设备的需求。

Description

一种集成天线的PCB板

技术领域

本发明涉及一种印刷电路板，尤其涉及一种集成天线的印刷电路板。

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。

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。因此，急需一种PCB板集成天线的方式，能够满足现有无线通讯装置对天线性能的需求，同时实现装置的小型化。

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天线的PCB板，使用该PCB板上制造无线通讯装置等设备，可实现该设备中原有天线的功能，并且能够进一步降低功耗，减小信号衰减，使设备满足小型化的要求。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种集成天线的PCB板，包括PCB板和设于PCB板上的天线，所述天线集成于PCB板表面。

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，所述空间设置在馈线、馈线与金属片之间及金属片这三个位置的至少一个上。

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，所述空间设置在第一馈线、第二馈线、第一馈线与第一金属片之间、第二馈线与第一金属片之间及第一金属片、第三馈线、第四馈线、第三馈线与第二金属片之间、第四馈线与第二金属片之间及第二金属片这十个位置的至少一个上。

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。

进一步地，所述感性电子元件电感值的范围在0-5uH之间；所述容性电子元件电容值的范围在0-2pF之间。

进一步地，所述空间为形成在所述天线上的焊盘。

本发明一种集成天线的PCB板通过将天线集成于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，节约了原料；使用集成天线的PCB板实现了所制造的设备的小型化，符合技术发展的趋势；同时该PCB板制备工艺简单，适于生产；PCB板上集成的天线能够衍生成多种结构，能够满足多种设备的需求。

附图说明

图1是现有技术中PCB板与天线的连接结构示意图；

图2是本发明的集成天线的PCB板的结构示意图；

图3是图2中d区域天线的放大示意图；

图4是图2中d区域的天线的另一种结构示意图；

图5是图4的另一视角的结构示意图；

图6是图4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所示为现有技术中PCB板与天线连接方式的示意图(天线未示出)，PCB板1上安放了元件和芯片2，芯片2通过印刷在PCB板上的走线与天线接脚8相连，天线接脚8具有外螺纹结构，天线通过其内螺纹结构与天线接脚8螺纹连接。为了减小衰减，天线接脚8和天线的内螺纹结构均使用铜制造，即使这样仍会造成信号的进一步衰减，天线突出于PCB板，占有空间大；为了满足所制造设备的外观需求，其壳体结构复杂；制造天线接脚8和天线还会使用大量的铜，造成资源的浪费。

图2所示为本发明集成天线的PCB板的结构示意图，图2中PCB板和PCB板上的设置均与图1相同，区别在于，天线3集成于PCB板1的表面，也即天线3印刷于PCB板1的表面，天线3通过印刷在PCB板上的走线与芯片2连接，天线3可以是单极天线、双极天线和多极天线，同时，天线3也可以是电磁复合材料天线。

图3是图2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Radio Frequency Identification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4、图5是图2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4所示为本发明的天线的结构示意图，图5为图4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6所示为图4和图5中天线的一种进一步实施方式，图6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6中各位置嵌入电子元件与图3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3-图6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 (10)

1.一种集成天线的PCB板，包括PCB板和设于PCB板上的天线，其特征在于，所述天线集成于PCB板表面。

2.根据权利要求1所述的集成天线的PCB板，其特征在于，所述天线为电磁复合材料天线。

3.根据权利要求1或2所述的集成天线的PCB板，其特征在于，所述天线为单极天线、双极天线或多极天线。

4.根据权利要求3所述的集成天线的PCB板，其特征在于，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。

5.根据权利要求4所述的集成天线的PCB板，其特征在于，所述空间设置在馈线、馈线与金属片之间及金属片这三个位置的至少一个上。

6.根据权利要求3所述的集成天线的PCB板，其特征在于，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。

7.根据权利要求6所述的集成天线的PCB板，其特征在于，所述空间设置在第一馈线、第二馈线、第一馈线与第一金属片之间、第二馈线与第一金属片之间及第一金属片、第三馈线、第四馈线、第三馈线与第二金属片之间、第四馈线与第二金属片之间及第二金属片这十个位置的至少一个上。

8.根据权利要求4或6所述的集成天线的PCB板，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。

9.根据权利要求8所述的集成天线的PCB板，其特征在于，所述感性电子元件电感值的范围在0-5uH之间；所述容性电子元件电容值的范围在0-2pF之间。

10.根据权利要求4或6所述的集成天线的PCB板，其特征在于，所述空间为形成在所述天线上的焊盘。

Images