CN103779657A

CN103779657A - 紧凑型开槽天线

Info

Publication number: CN103779657A
Application number: CN201310502884.6A
Authority: CN
Inventors: D.洛钦顿; K.纳杜德; P.米纳德; F.巴隆
Original assignee: Thomson Licensing SAS
Current assignee: Thomson Licensing SAS
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2013-10-23
Publication date: 2014-05-07
Also published as: US20140111393A1; US9819092B2; BR102013026492A2; TW201417397A; JP6265674B2; KR20140051785A; FR2997236A1; JP2014087055A; EP2725658A1; HK1197319A1; EP2725658B1; AU2013237643A1

Abstract

本发明涉及紧凑型开槽天线，其形成在多层基板上，该多层基板按顺序包括至少第一导电层、第一介电层、第二导电层、第二介电层和第三导电层，第一槽线（30）实现在第二导电层中，所述第一槽线被连接到天线的馈入部（A），第二和第三槽线分别在第一和第三导电层中实现，第二和第三槽线（31，32）每个由两个导电条界定，所述两个导电条的第一末端、馈入侧通过通孔互连，所述通孔穿过实现在第二导电层中的窗口，第二末端连接到第二导电层，在第二末端的侧上的两个导电条处于开路或短路，第一、第二和第三槽线的电长度是在天线工作频率下波长的函数。

Description

紧凑型开槽天线

技术领域

本发明一般地涉及一种紧凑型开槽天线。更具体地，涉及实现于多层基板中的紧凑型开槽天线。

背景技术

在无线通信领域，为了增加传输电路的容量和提升整体系统的操作性，MIMO（多输入多输出）电路得到了越来越多的应用。MIMO电路的应用通常会导致实现于单个电路板的天线数量增加。此外，为了方便电路的集成，目前的天线直接生成在印刷电路板或PCB上。然而，应用物理学定律，天线的长度是波长的函数。因此，为了在无线中应用，举例来说在2.4GHz的频带中，开槽天线的长度（为λg的函数）为数十毫米。在天线必须集成到大规模生产的印刷电路板上时，这种长度是不可忽略的。此外，印刷电路板大多是由具有多层结构的基板构成。

因此，为了使用多层结构的基板生产紧凑型的开槽天线，最自然的想法是如图1和图2中所示的方式折叠槽线。

在图1中，概略的显示了基板的横截面图，该基板有两个介电层d1、d2和三个导电层M1、M2、M3。为了生产这种基板中的紧凑型开槽天线，槽线（如通过槽线1所示）被相继蚀刻在导电层M3中。随后，在穿过介电层d2后，槽线由导电层M2里的槽线2续接。然后槽线穿过介电层d1，由导电层M1中的槽线3续接。开槽天线的馈入点4在槽线1的水平处形成。这种馈入根据被称为“Knorr”的技术通过电磁耦合以标准的方式实现。在这种情况下，三个槽线1、2、3是叠置的，且它们具有在馈入点4和槽线3的短路末端之间总的电长度，该总的电长度等于λg/2，其中λg是在工作频率下开槽中的引导波长。

通过图2中的透视图给出了如图1所示的双折叠开槽天线的更详细图示。在该情况中，仅显示了对于正确地理解本发明所必须的导电层M1、M2、M3的部分。在该情况中，槽线1被蚀刻在下导电层M3中，这样的开槽在一个末端处处于开路，在未示出的另一末端处被联接到馈线。此外，槽线2被蚀刻在导电层M2中，该槽线2由两个导电条B2、B'2界定，在所示实施例中，所述导电条B2、B'2呈L形。接下来，在导电层M1中产生第三槽线3，其由导电条B3、B3'界定，该导电条B3、B3'也为L形。两个导电条B3和B3'在一侧末端上处于短路中，如图中通过导电条B’’3所示。此外，导电条B3和B2在馈入点末端的侧上通过通孔（via）V1相互连接，所述通孔V1本身连接到导电层M3的隔离元件。同样地，两个导电条B'3、B'2通过通孔V'1被连接到导电层M3的隔离元件。

此外，如图2中所示，导电条B2和B'2的另一个相对的末端（其将槽线2界定为处于开路）分别通过通孔V2和V'2被连接到导电层M3以及实现在层B3和B'3的延续部分中的导电层M1中的两个隔离元件。如图2中所示，三个槽线1，2，3是叠置的。

这种类型的天线（馈入点和开槽3的开路末端之间的其三个开槽元件1，2，3的电长度等于λg/2）已经被模拟用于WiFi操作，即在2.4GHz的频带中。该模拟使用Momentum d'Agilent电磁仿真器、使用与金属化层基板间隔0.5mm的FR4基板进行。在这种情况下，对比如图1和图2所示的结构，匹配阻抗与频率的函数曲线如图3所示。这条曲线在2.8GHz频率处具有共振，该频率大于无线频带的频率。此外，二次寄生共振在3.7GHz附近出现，这表示槽线的这种堆叠引起的开槽天线的非典型的行为。

发明内容

因此，本发明提出了一种新的折叠槽线的解决方案，其使印刷电路板的多层结构能够被用来生产紧凑的开槽天线，使得能够限制印刷电路板的大小和/或能够集成多个天线。该新的解决方案不具有上面提到的问题。

因此，本发明涉及一种紧凑型开槽天线，其形成在依次包括至少第一导电层、第一介电层、第二导电层、第二介电层和第三导电层的多层基板上，第一槽线实现在第二导电层中，所述第一槽线连接到天线的馈入部，第二和第三槽线分别实现在第一和第三导电层中，该第二和第三槽线分别由两个导电条界定，该两个导电条的第一末端、馈入侧通过穿过第二导电层中实现的窗口的通孔互连，第二末端连接到第二导电层，第二末端的两个导电条处于开路或处于短路，第一、第二和第三槽线的电长度是天线工作频率下波长的函数。

第一、第二和第三槽线是叠置的，且其总的电长度为在开槽天线的工作频率下的波长λg的函数。

根据第一实施例，当第一、第二和第三槽线的电长度等于kλg/2（k是一个整数）时，第二或第三槽线中的一个处于短路。

根据另一实施例，当第一、第二和第三槽线的电长度等于k’λg/4（k’是奇整数）时，第二或第三槽线中的一个处于开路。

典型地，根据已知为“Knorr”原理的技术，槽线到天线馈线的联接通过与实现在第一或第三导电层上的微带线的电磁耦合来实现。

本发明涉及一种实现在多层基板上的印刷电路板，其包括根据下述实施例的实现于基板上的至少一个开槽天线。

本发明还涉及一种端子，其并入了以上描述的印刷电路板。

附图说明

在阅读不同实施例的描述时将发现本发明的其它特征和优点，本描述参照附图实现，其中：

已经描述过的图1是由本领域技术人员自然地实现的折叠开槽天线的一实施例的横截面视图；

已经描述过的图2是图1中的天线的示意透视图；

已经描述过的图3显示的是，在图1和图2中所示天线以dB为单位的阻抗匹配，其是频率的函数；

图4（A）和（B）是根据本发明的第一实施例第二实施例的开槽天线的示意性横截面视图；

图5（A）和（B）是图4（A）和（B）中分别显示的天线的透视图；

图6（A）和（B）是阻抗匹配的曲线，所述阻抗匹配为图5（A）和（B）中所示的开槽天线的频率的函数；

图7示出了根据本发明另一实例的开槽天线的顶部视图和透视图；

图8（A）和（B）分别是阻抗匹配（A）和方向性系数和增益（B）关于图7所示的天线槽的函数曲线；

图9是实施如上所示的天线的PCB电路的示意图。

具体实施方式

首先，参照图4到图6描述实现在多层基板上且电长度为λg/2的紧凑型开槽天线的两个实施例。

如图4（A）和4（B）中更具体地示出的，多层基板是这样的基板，其包括两个介电层d1和d2和三个导电层，分别为介电层d1的上表面上的上导电层M1、介电层d1和d2之间的中间导电层M2、和介电层d2的下表面上的下导电层M3。

在图4（A）和4（B）的两个实施例中，开槽天线首先由蚀刻在中间导电层M2中的槽线10形成，并在馈入点13处通过与馈线的电磁耦合馈入，所述馈线由微带技术实现，或者在介电层d1的上表面上或者在介电层d2的下表面上。天线的馈入模式仅为了说明的目的而提供。

在第一实例中，槽线10由实现在上导电层M1中的槽线11续接，随后由实现在下导电层M3中的槽线12续接，槽线10、11、12叠置，它们的总的电长度等于kλg/2，其中λg是在工作频率下的波长。

更具体地，如图5（A）所示，实现在导电层M1中的槽线11由两个导电条B11和B'11界定，在所示实例中，导电条B11和B'11呈L形。此外，在下导电层M3中，槽线12由呈L形的两个导电条B12、B'12界定。这两个导电条B12和B'12通过导电条B’’12相互连接，从而槽线12端部处于短路。另外，为了得到辐射槽线（radiating slot-line），不同的导电条按下述方式相互连接。

如在图5（A）中所示，中间导电条M2在槽线10的每一侧、馈入侧上具有两个窗口F、F'，穿过它们的两个通孔V、V'分别将导电条B’12的其中一个末端连接到导电条B11的相应的末端，和将B'12的其中一个末端与B’11的相应末端连接。此外，导电条B11的自由末端通过通孔V’’连接到导电层M2以及导电层M3上导电条B12延伸部分的隔离元件EM3。同样地，导电条B'11的末端连接到中间层M2和位于导电条B'12延伸部分的导电层M3的隔离元件的EM3'。这样可以实现如图4（A）中的箭头所示的不同槽线10、11、12之间的连接。

限制将参考图5（B）给出电长度λg/2的开槽天线的第二实施例的描述。在该例中，如图4（B）所示，槽线20首先蚀刻在中间导电层M2中，馈入点23被实现为图4（A）实例中的馈入点13。在该情况中，第二槽线21在下导电层M3中实现。如图5（B）所示，槽线21由两个导电条B21、B'21界定。第三槽线22在上导电层M1中实现。如图5（B）中所示，这样的槽线22由两个导电条B22、B'22界定，两者在馈入点的相对侧由导电元件B”22相互连接形成处于短路的槽线。在图5（A）的实施例中，导电条呈L形。此外，如图5（B）所示，在中间导电层M2有两个窗口F、F'，允许通孔V、V'通过，用于分别使导电条B21与导电条B22和使导电条B'21与B'22在L形部分的下臂的水平处互相连接。此外，隔离的导电元件EM1和隔离的导电元件EM1'都在第一导电层M1中分别在导电条B21和B'21的延伸部分实现，该两个导电元件分别通过通孔V’’、V’’’连接到第二导电层M2的B21和B’21，以获得如图4中箭头所示的槽线20、21、22之间的互连。

这两个结构已经使用与用于图2所示天线相同的模拟方法模拟过，图4（A）和4（B）的天线已在与图1所示基板相同的基板上实现。

在该情况中，图6（A）和6（B）显示了匹配阻抗曲线，其是图5（A）和图5（B）中开槽天线频率的函数。在这种情况下，可以看到，阻抗匹配曲线显示在2.5GHz的频率处有共振，这对应于希望的WiFi频率。对比图3中的曲线，观察到在图6A和6B中，没有寄生共振，这是与印刷在单个层上的基础性开槽天线类似的响应。此外，在图3中，该共振频率高于图6A和图6B中观察到的共振频率，且这是针对单一槽线的总长度。在相同的共振频率下，本发明的两个实例由此涉及更小的天线尺寸。

现在将参考图7和图8描述具有λg/4电长度的开槽天线。

如在图7的左侧部分中示意地示出的，槽线30首先在中间导电层M2中实现，该槽线由在导电层M1中以微带技术实现的馈电线A馈入，以此方式来实现电磁耦合（例如根据Knorr原理）。

如图7的右手部分示意地示出的，在上导电层M1中实现的槽线31由两个导电条B31、B'31界定。该槽线31端部处于开路，如图7所示。

此外，在导电层M3中实现有槽线32，其由两个导电条B32和B'32界定。导电条B31，B'31，B32和B'32都大致呈L形，以方便它们的互连。

如图7所示，在导电层M1中，在每个导电条B31，B'31的延伸部分中，分别实现有隔离元件EM1和EM1'。该元件EM1和EM1'通过通孔V’’和V’’’'与导电条B31、B'31的末端连接，这些通孔没有被连接到中间导电层M2。此外，如图7所示，导电条B32、B31、B'32、B'31的另一末端通过通孔V和V'连接，所述通孔也连接到中间导电层M2的隔离元件EM2、EM2，其在主中间导电层M2中切割而成，如图7所示。

在这种情况中，三个槽线元件30、31、32的总的电长度等于λg/4，其中λg是在工作频率下的波长。通过使用与图2或图5所示的开槽天线相同的标准和相同的工具，对该类型的开槽天线进行了模拟。

图8（A）表示的是根据图7中开槽天线的频率得到的阻抗匹配曲线。图8（A）显示了包含在2.4和2.5GHz之间的共振频率，其对应于WiFi中使用的频率。该天线的阻抗匹配在工作频带中小于-10dB。此外，图7所示的天线具有增益和方向性，如图8（B）所示。增益值（2dBi的左右）和方向性值（3.5dBi左右）通过非折叠开槽天线的方法获得。

现在将参照图9对如图7所示的四分之一波长天线的实施例进行简要描述，这种实施例用于例如MIMO2*2应用。在包括多层基板的印刷电路板（标记为PCB）上实现有两个四分之一波长天线A1和A2，所述多层基板具有至少两个由一个导电层分开的介电层和两个外部导电层，所述天线由开槽S1、S2、S3、S4隔离。图9中的天线可以实现在具有40×120毫米尺寸的电路上。实现为具有如图9所示天线的天线系统在2.4–2.5GHz频带中性能如下：

A级损耗小于-14分贝。

天线隔离度大于17分贝。

方向性系数大于3dBi，增益接近2dBi。

标准的辐射图。

由于它的紧凑性，在许多优势之外，折叠开槽天线实现电子电路板上的定位、取向的更大灵活性，这满足例如特定的覆盖范围要求，或避免屏蔽区，所述屏蔽区是减小的尺寸中固有的机械应力以及低成本电子产品经常引起的问题。

因此，通过使用实现于多层基板中的特定的折叠槽线，可以获得物理长度远小于天线的总的电长度的紧凑型开槽天线。

Claims

1.一种紧凑型开槽天线，其形成在多层基板上，该多层基板按顺序包括至少一个第一导电层（M1）、第一介电层（d1）、第二导电层（M2）、第二介电层（d2）和第三导电层（M3），所述紧凑型开槽天线包括第一槽线（10，20，30），实现在第二导电层（M2）中，所述第一槽线被连接到天线的馈入部（13、23、A）；第二和第三槽线，分别实现在第一和第三导电层中，第二和第三槽线（11、12、21、22、31、32）每一个由两个导电条界定，所述两个导电条的第一末端、馈入侧通过通孔互连，所述通孔穿过实现在第二导电层中的窗口，第二末端连接到第二导电层，在第二末端侧上的两个导电条处于开路或短路，第一、第二和第三槽线的电长度是在天线工作频率下波长的函数。

2.根据权利要求1所述的开槽天线，其特征在于，第一、第二和第三槽线叠置。

3.根据权利要求1或2的任一项所述的开槽天线，其特征在于，所有的第一、第二和第三槽线都具有一总的电长度，该总的电长度是在开槽天线工作频率下的波长λg的函数。

4.根据权利要求1到3的任一项所述的开槽天线，其特征在于，当第一、第二、第三槽线的电长度等于kλg/2，k为整数时，第二或第三槽线中的一个处于短路。

5.根据权利要求1到3的任一项所述的开槽天线，其特征在于，当第一、第二和第三槽线的电长度等于k’λg/4，k’为整数时，第二或第三槽线中的一个处于短路。

6.一种印刷电路板，在该印刷电路板中实现有至少一个根据权利要求1至5中的一项所述的开槽天线。

7.根据权利要求6所述的印刷电路板，其特征在于，它包括由绝缘开槽（S1、S2、S3、S4）分开的至少两个开槽天线（A1、A2）。

8.一种端子，其包括如权利要求6或7中的任一项所述的印刷电路板。