CN102956964A - 天线装置 - Google Patents

Abstract

一种天线装置包括天线基板，其中在介电层的前表面之中或之上形成有天线图案，在介电层的后表面之中或之上形成有接地层，并且通过接地层和介电层在一定厚度的天线基板中插入一馈电接脚。天线图案的直径设置为通过天线图案的RF信号的波长的一半，并且介电板的一侧的长度设置为比该波长短。金属板与接地层通过设置于二者之间的多个金属间隔件而耦接，从而金属板与接地层电连接。

Description

天线装置

技术领域

本发明涉及一种无线电通信天线装置，特别是涉及一种包括贴片天线结构的天线装置。

背景技术

在用于贴片天线的天线基板的结构中，在介电板的其中一个表面之中或之上形成用作天线图案的导电层，并在另一个表面之中或之上形成接地层。天线图案电连接至插入于天线基板的中间基板中的馈电接脚，并且馈电接脚电连接至发射射频（RF）信号的同轴电缆。当将RF信号从同轴电缆通过馈电接脚供应至天线图案时，在天线图案与接地层之间产生电场以辐射无线电波。

日本未审查专利公开No.4-337907公开了一种基本的天线基板的结构。在日本未审查专利公开No.4-337907中公开的天线基板中，在一端边缘处具有伸出的阶梯部分的柔性板一体地接合，而在天线基板的后表面中不提供接地层。在柔性板的后表面中使微带线和接地层延伸至伸出的阶梯部分，并且伸出的阶梯部分用作同轴电缆连接用引线部分。

日本未审查专利公开No.2004-72320公开了一种包括介电板、电路板和屏蔽壳体的天线装置，在所述介电板中于顶表面中设置天线图案（被描述为贴片电极），在所述电路板上安装有电连接至天线图案的射频电路，并且所述屏蔽壳体容纳所述电路板。在该天线装置中，屏蔽壳体的顶板部分向介电板的底表面的周围区域悬伸，并且射频信号被供应至射频电路，由此屏蔽壳体用作接地部。

为了用贴片天线有效地辐射无线电波，必须将天线图案的宽度设置为无线电波的波长的长度的一半。还必须充分地增加接地层相对于天线图案的悬伸（overhang）宽度（天线图案的端部边缘之外的一部分的宽度）。特别地，必须使接地层的悬伸宽度是天线图案的宽度的至少一半。因此，最佳地将介电板的每侧设置为至少对应于无线电波的波长的长度（即，天线图案的宽度的两倍）。

近来，已经产生了对具有RFID系统的幅宽的紧凑天线装置的需求。即使天线装置是紧凑的，也必须辐射具有足够强度的无线电波。

如上所述，天线图案或天线基板的尺寸是相对于无线电波的波长确定的。在天线基板中，无线电波的波长由于介电材料的波长缩短效应而被缩短。因为波长缩短效应随着介电常数的增加而增加，所以当介电板由高介电常数的材料制成时，无线电波的波长被大大缩短，并且介电板的尺寸可能根据缩短的波长而减小。

然而，因为高介电常数板的使用减小了开口面积，所以增益减小。为了增加增益，必须增大介电板。然而，由于高介电常数材料的高成本，这种紧凑天线装置是人们所不期望的。

另一方面，当介电板由低介电常数的材料制成时，增益增强，并且成本可降低。然而，因为无线电波的波长不能有效地缩短，所以难以减小介电板的尺寸。

因此，在相关技术领域的天线装置中，难以同时实现有用的紧凑天线装置和高增益。为解决上述问题而已做出本发明，并且本发明的一个目的是提供一种以合理的成本获得高增益的紧凑天线装置。

发明内容

根据本发明的一个方面，天线装置包括天线基板，在该天线基板中，在介电板的其中一个表面之中或之上形成有天线图案，同时在另一个表面之中或之上形成接地层，并且在天线装置的中间衬底或中间部分中设置有馈电接脚，以向天线图案馈送电功率或信号，其中面向天线基板的接地层侧设置有金属板，并且金属板和接地层通过多个金属间隔件耦接且电连接。

根据以上结构，由于电场的产生而通过接地层的电流部分地传播至间隔件和金属板，并且位于传播区域内的金属用作连接至接地层的接地部。因此，即使接地层相对于天线图案的悬伸宽度不足，也可充分地增强辐射效率。因为介电常数相对较低，所以即使介电板由波长缩短效应由于相对较低的介电常数而较低的材料制成，也可将介电板的一侧的长度制造得比无线电波的波长短，这允许制造出紧凑的天线基板。即使减小基板的尺寸，低介电常数材料的使用也可增大天线图案。也就是说，因为可增加开口面积，所以可确保高增益。另外，能够降低成本。

在日本未审查专利公开No.2004-72320中公开的天线装置中，接地部的功能由介电板下方的屏蔽壳体补足。然而，因为使介电板的整个表面与屏蔽壳体紧密接触，所以在日本未审查专利公开No.2004-72320中没有描述本发明的特征。在日本未审查专利公开No.2004-72320中公开的天线装置中，在屏蔽壳体中设置有电路板，并且同轴电缆和馈电接脚通过电路板连接，这导致结构复杂。另一方面，在本发明的一个方面的天线装置中，因为天线基板和金属板通过介于其间的间隔件耦接，所以实现了简单的结构。

如下所述，因为能够将同轴电缆插入于天线基板与金属板之间的间隙中并与天线基板连接，所以同轴电缆不从天线装置的背面伸出。因此，能够简单地将天线装置附接至壁表面。

在根据本发明的一个方面的天线装置中，优选地在天线基板的第二表面中于包括与馈电接脚的连接点的预定区域内形成导体图案，同时该导体图案与接地层隔离。天线基板与金属板之间的间隙中插入有同轴电缆，并且同轴电缆的内导体连接至导体图案，同时同轴电缆的外导体连接至接地层。

在根据本发明的一个方面的天线装置中，优选地在天线基板的第二表面中于包括与馈电接脚的连接点的预定区域中形成有第一导体图案，同时第一导体图案与接地层隔开，并且在第一导体图案附近形成有第二导体图案，同时第二导体图案与第一导体图案和接地层隔开。第一导体图案和第二导体图案通过电容器串联连接。天线基板与金属板之间的间隙中插入有同轴电缆，并且同轴电缆的内导体连接至第二导体图案，同时同轴电缆的外导体连接至接地层。

因为天线的增益随着介电板的面积增加而增强，所以必须增加介电板的厚度，以便在不改变介电板的面积的情况下确保增益。然而，当增加介电板的厚度时，因为由于馈电接脚的长度而产生电抗或电阻分量，所以必须提供一种抵消电抗或电阻分量的电路。

在本发明的一个方面的天线装置中，考虑到此问题，同轴电缆的内导体和馈电接脚通过阻抗变换电容器而串联连接。馈电接脚的电抗或电阻分量由电容器抵消，并且天线基板中的RF信号通路的阻抗能够与同轴电缆的阻抗匹配。因此，能够在不降低辐射效率的情况下通过基板的厚度来增强增益。

根据本发明，即使接地层相对于天线图案的悬伸宽度不足，也可通过金属间隔件和与金属间隔件耦接的金属板来补足接地部的功能，并且可没有问题地辐射无线电波。因此，即使使用低介电常数的材料，也能够减小介电板的尺寸，能够增强增益，并且，另外还能够降低或保持成本。

因此，能够以合理的成本提供获得高增益的紧凑天线装置。

附图说明

图1A和图1B分别是示出了根据本发明的一个实施方式的天线装置的主要部分的结构的侧视图和正视图；

图2是示出了介电常数与增益之间的关系的曲线图；

图3A是示出了天线基板的后表面侧上的整个结构的正视图，且图3B是与同轴电缆的连接点的放大图；以及

图4是示出了天线罩（redome）与天线基板和金属板的耦接本体之间的关系的视图。

具体实施方式

将参考图1A至图4描述根据本发明的紧凑天线装置的实施方式。各个图中所示的相同元件用相同的参考标号表示。

图1A和图1B分别示出了根据本发明的一个实施方式的RFID系统天线装置的主要部分的结构。图1A是该主要部分的侧视图，且图1B是该主要部分的正视图。

该实施方式的天线装置的主要部分包括天线基板1和金属板2的耦接本体。在天线基板1的结构中，在被切去了四个角部的正方形介电板10的两个表面之中或之上形成有前表面侧导电层11和后表面侧导电层12。前表面侧导电层11具有圆形形状并且用作天线图案，在所述圆形形状中，彼此相对地设置的两个圆弧是有凹口的。后表面侧导电层12基本上在介电板10的整个后表面延伸，并用作接地层。天线图案11并不限于圆形形状，而是替代地可具有正方形形状。

金属间隔件3的端部耦接或紧固至天线基板1的四个角部，并且金属板2耦接至每个间隔件3的另一端。金属板2是矩形的板状本体或衬底，其在纵向和纬度（平面）方向上比天线基板1稍大。除了在每个间隔件3与接地层12耦接的区域中已经去除或未施加抗蚀物之外，用抗蚀物覆盖天线基板1的接地层12的下表面。因此，接地层12、间隔件3和金属板2形成一体并电连接。

包括导体的通道或线管13被适当地定位到天线基板1中的介电板10中并通过该介电板，且线管13用作馈电接脚13。馈电接脚13电连接至天线图案11。同轴电缆4插入天线基板1与金属板2之间的间隙中，以发射RF信号。同轴电缆4沿着天线基板1的后表面被引至与馈电接脚13的连接点附近，并且同轴电缆4的外导体和内导体分别电连接至接地层12和馈电接脚13。由于该连接，RF信号通过馈电接脚13被引至天线图案11，并且天线图案11与接地层12之间产生电场，以辐射无线电波。

在图1B中，A是天线图案11的直径，且B是介电板10的一侧的长度。

在贴片天线中，理想地将天线图案的宽度长设置为无线电波的波长λ的一半，并将接地层相对于天线图案的悬伸宽度设置为λ/4或更大。因此，介电板10的一侧必须至少是一个波长的长度。

也就是说，当用图1B中的A和B表示以上条件时，期望地获得B≥2×A。

然而，如图1B所示，介电板10的一侧的长度B比A的两倍短得多。因此，即使对于A=λ/2，后表面的后表面接地层12从天线图案11的悬伸宽度过小，并且仅通过天线基板1可能无法充分地增强无线电波的辐射效率。

然而，在所示的本发明的实施方式中，通过接地层12的电流传播至与接地层12耦接的间隔件3和金属板2，使得位于电流传播区域内的金属材料可用作连接至接地层12的接地部。特别地，通过将直接耦接至接地层12的间隔件3形成为柱形形状，电流沿着间隔件3的纵向方向有效地通过，使得能够补足辐射无线电波时不足的接地层12的面积。因此，可稳定地辐射无线电波。

在本发明的实施方式中，使用柱形间隔件3。可替换地，例如，可使用具有棱形柱体形状或三棱柱形状的间隔件3。间隔件3的数量不限于四个，而是可提供多于四个的间隔件3。

并不特别地限制间隔件3或金属板2的材料。例如，可使用铁、铝和不锈钢。可根据需要调节金属板2相对于天线基板1的悬伸宽度，但不调节得过多而导致难以支撑后面描述的天线罩6。

根据具有根据本发明的以上结构的天线装置，介电板10由具有相对低的介电常数的材料制成。因此，在增强增益以降低成本的同时，可减小天线基板1的尺寸。

下面将描述获得这些效果的原因。

天线基板1中的无线电波根据介电板10的介电常数而被缩短。特别地，假设εr是介电常数，缩短后的波长λ变成原始波长的大约

倍。

因此，当用高介电常数的材料制造介电板10时，可大大缩短波长。

如上所述，在相关技术的贴片天线中，期望地介电板10的一侧的长度设置为至少是无线电波的波长λ。从波长缩短效应的观点来看，使用高介电常数的介电板10可大大缩短无线电波的波长，从而在满足所需条件的同时可减小介电板10的尺寸。

例如，UHF频带（860至950MHz）中的无线电波具有大约30cm的波长，并且当介电板10的介电常数εr被设置为6时，天线基板1中的波长被缩短为大约12cm。可在具有12cm的一侧的介电板10之中或之上形成具有6cm的直径的天线图案11。然而，如图2所示，随着介电板10的介电常数的增加，而增益被大大减小。

图2示出了当天线基板1的体积、频带和辐射效率保持恒定时介电常数与增益之间的关系。用具有介电常数为1的（空气的介电常数）的增益将增益标准化。

根据图2的曲线图，对于介电常数εr为6时的增益比对于介电常数为1时的增益的0.2倍小。

当将频带和辐射效率（或损耗）设计为相同的程度时，从天线基板1辐射的无线电波的增益与介电板10的体积基本上成比例。因此，增益随着高介电常数的介电板10的面积的减小而明显减小。因为对介电板10的厚度的增加有限制，所以必须增大介电板10的表面积来增强增益。然而，在此情况中，介电板10的尺寸不会减小。

当介电板10由低介电常数的材料制成时，在可增强增益的同时减小了无线电波的波长缩短效应。因此，在此情况中，天线基板1的尺寸几乎不减小。

因此，在相关技术的贴片天线中，难以同时实现天线基板1的小型化和高增益。

另一方面，在具有图1A和图1B中的结构的天线装置中，接地部的功能通过间隔件3和金属板2而被补足，使得可将天线基板1的一侧的长度B制造得比波长λ短。因此，即使介电板10由相对低介电常数的材料制成，也能够在天线图案11的直径A被设置为λ/2的面积内减小介电板10。增益能够通过减小介电常数而被增强。

例如，在图2的曲线图中，当介电常数εr设置为大约3.5时，获得的增益大约是介电常数为6时的增益的两倍。当介电常数εr是3.5时，因为可将30cm的波长缩短为大约16cm，所以可将天线图案11的直径A设置为大约8cm。因此，当将由具有3.5的介电常数的材料制成的介电板10的一侧的长度设置为12cm（该长度等于使用介电常数εr为6的材料而被缩短的波长）时，与介电常数εr为6时相比可获得更高的增益。当该增益具有裕度（margin）时，能够将介电板10的一侧制造得短于12cm（但大于8cm）。

将参考图3A和图3B描述天线基板1和同轴电缆4之间的连接状态。

图3A示出了相对于同轴电缆4一起的天线基板1的后表面的整个结构，且图3B是与同轴电缆4连接的点的区域中（在图3A中的虚线框内）的放大图。图3A和图3B中的白色部分17表示覆盖接地层12的抗蚀物；实际的抗蚀物具有绿颜色。

除了耦接至间隔件3的区域以外，还在与同轴电缆4的前端部分相应的区域中去除抗蚀物17，并且在与同轴电缆4的前端部分相应的区域的一部分中暴露接地层12。在暴露部分侧边的带形区域101中以具有微小间隙的方式形成微带线14和小导体图案15。通过导体图案15和与介电板10的前表面侧上的导体图案15相应的点之间的通道或线管提供馈电接脚13。

因为去除了微带线14和导体图案15周围的导电层，所以微带线14和导体图案15与接地层12电绝缘。在暴露接地层12的点处，沿着接地层12的外围边界形成导电层去除区域102、103和104，并且区域102、103和104用作热屏障或散热器。接地层12的暴露处与在覆盖有抗蚀物17的点处的接地层12通过介于二者之间的散热部（thermal land）102、103和104耦接。

同轴电缆4的外导体41连接至暴露接地层12的点，且同轴电缆4的内导体42连接至微带线14。微带线14的前端部分和导体图案15通过电容器5彼此连接。

为了在不改变介电板10的板表面的面积的情况下增强增益，可增加介电板10的厚度。然而，在此情况中，由于馈电接脚13的长度而具有电抗或电阻分量。另一方面，在图3A和图3B中的实例中，因为同轴电缆4和馈电接脚13通过电容器5串联连接，所以由馈电接脚13所产生的电抗或电阻分量由电容器5抵消，并且天线基板1的侧部上的RF信号通路的阻抗能够与同轴电缆4的阻抗匹配。因此，能够从天线图案1有效地辐射无线电波。

当由于介电板10薄而不考虑馈电接脚13的电抗或电阻分量时，微带线14和导体图案15形成一体而不需要电容器5，并且同轴电缆4的内导体42可连接至一体的微带线14和导体图案15。

图4示出了本发明的一个实施方式，在该实施方式中，天线基板1和金属板2的耦接本体通过天线罩6而被覆盖。天线罩6是树脂壳体，其中底面是敞开的，并且天线罩6的开口端边缘由金属板2的悬伸部分支撑。天线罩6的侧面中形成有孔（未示出），以插入同轴电缆4，并且通过孔插入的同轴电缆4连接至天线基板1的后表面。

根据以上结构，因为金属板2的后表面构成天线装置的背面，所以同轴电缆4的连接部分并不暴露于后表面，并且可轻松地将天线装置附接至壁表面。

当天线罩6由耐热的、耐化学性的材料制成时，不管安装环境如何，都可很好地保护天线基板1。特别地，PPS树脂是该耐热的、耐化学性的材料的一个实例。

然而，当将介电板10的介电常数设置为大约3.5时，PPS树脂的介电常数（大约为4的介电常数）比介电板10的介电常数高。当将天线基板1与天线罩6紧密接触时，通过天线罩6的介电常数的影响或效果，在天线基板1中增强无线电波的波长缩短效应，并可能减小增益。因此，在此实施方式中，优选地在天线罩6的前板与天线基板1之间设置间隙。

在设计天线装置时，通过测量天线罩6的前板与天线基板1之间的距离d（见图4）来调节间隙。根据距离d的变化，也使天线图案11的直径A和馈电接脚13的位置增量式地变化，以确保获得适当增益的设置状态。

在本发明的另一实施方式中，在天线装置中，可在天线基板1与天线罩6之间设置第二天线基板1，该第二天线基板上安装有无源元件。在此情况中，假设在第二天线基板1与天线罩6之间以及在天线基板1之间设置有间隙，调节第二天线基板1与天线罩6之间的距离以及天线基板1之间的距离。

因此，已经示出并描述了一种新颖的天线装置，使用该天线装置满足了所有为此寻求的目的和优点。然而，对于本领域的技术人员来说，在考虑了公开了其优选实施方式的本说明书和附图之后，本发明的许多改变、修改、变型和其他使用与应用都将变得显而易见。未脱离本发明的精神和范围的所有这些改变、修改、变型和其他使用与应用都应被认为由本发明覆盖，本发明仅由所附权利要求限制。

虽然已经为了说明的目的而基于目前认为是最实际且优选的实施方式详细地描述了本发明，但是应理解，这种细节仅用于该目的，且本发明并不限于所公开的实施方式，相反，本发明旨在覆盖落在所附权利要求的精神和范围内的改进和等同布置。例如，可理解，本发明可在可能的范围内考虑将任何实施方式的一个或多个特征与任何其他实施方式的一个或多个特征组合。

Claims (3)

1.一种天线装置，包括：

天线基板，包括：

介电板，具有第一表面和第二表面；

天线图案，位于所述介电板的所述第一表面之中或之上；

以及

接地层，形成于所述介电板的所述第二表面之中或之上；

金属板，设置为面向所述天线基板的所述接地层；以及

多个金属间隔件，将所述天线基板的所述接地层连接至所述金属板，

其中，设置有通过所述接地层和所述介电板的馈电接脚，以向所述天线图案馈送电功率或信号，并且

其中，所述金属板和所述接地层通过所述多个金属间隔件耦接且电连接。

2.根据权利要求1所述的天线装置，其中，在所述天线基板的所述第二表面之中或之上于包括与所述馈电接脚的连接点的预定区域内形成有导体图案，同时所述导体图案与所述接地层隔开，

所述天线基板与所述金属板之间的间隙中插入有同轴电缆，并且所述同轴电缆的内导体连接至所述导体图案，同时所述同轴电缆的外导体连接至所述接地层。

3.根据权利要求1所述的天线装置，其中，在所述天线基板的所述第二表面中于包括与所述馈电接脚的连接点的预定区域中形成有第一导体图案，同时所述第一导体图案与所述接地层隔开，在所述第一导体图案附近形成有第二导体图案，同时所述第二导体图案与所述第一导体图案和所述接地层隔开，所述第一导体图案和所述第二导体图案通过电容器串联连接，所述天线基板与所述金属板之间的间隙中插入有同轴电缆，并且所述同轴电缆的内导体连接至所述第二导体图案，同时所述同轴电缆的外导体连接至所述接地层。

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