CN103814476B - 紧凑型宽频带天线 - Google Patents

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Abstract

一种天线，包括一由一非导电材料构成的基板、一设置在所述基板上的接地面、一一端连接至所述接地面的一边缘的宽频带辐射元件，以及一延伸馈电臂，所述延伸馈电臂向所述宽频带辐射元件馈电且最大宽度为一预定波长的1/100，所述预定波长定义为公式(I)，其中，λp是所述预定波长，f是所述宽频带辐射元件的一最低工作频率，μ是所述基板的导磁系数，εr是所述基板的一相对体积介电常数，W是设置在所述基板之上的一导电迹线的宽度，以及H是所述基板的厚度，其中公式(II)。

Description

紧凑型宽频带天线
相关申请的引用
在此参考211年1月3日提交的名称为“狭缝馈电（SLIT-FEED）多频带天线”的美国临时专利申请案61/429,240，依照美国联邦法规第37篇1.78(a)(4)和(5)(i)，在此以引用的方式加入其公开的内容，并要求其优先权。
技术领域
本发明涉及天线，尤其涉及用于无线通信设备的天线。
背景技术
以下的出版物被认为是代表了目前的现有技术：
美国专利7,843,390和7,825,863。
发明内容
本发明寻求提供一种用于无线通信设备的新颖的紧凑型宽频带天线。
因此，根据本发明一较佳实施例，提供一天线，包括一由非导电材料构成的基板、一设置在所述基板上的接地面、一一端连接至所述接地面的宽频带辐射元件和一延伸馈电臂（feedarm），所述延伸馈电臂向所述宽频带辐射元件馈电且最大宽度为一预定波长的1/100，所述预定波长被定义为：
λ p = 1 f μ [ ( ϵ r r + 1 2 ) + ( ϵ r r - 1 2 ) [ 1 + 12 ( H W ) ] - 0.5 ]
其中，λp是所述预定波长，f是所述宽频带辐射元件的一最低工作频率，μ是所述基板的导磁系数，εr是所述基板的一相对体积介电常数，W是设置在所述基板之上的一导电迹线（conductivetrace）的宽度，以及H是所述基板的厚度，其中
根据本发明一较佳实施例，一馈电点位于所述馈电臂上。
优选地，所述天线还包括一通电连接至所述馈电点并由所述馈电点馈电的第二辐射元件。
优选地，所述馈电臂被设置为接近但偏离所述宽频带辐射元件和所述接地面的边缘。
根据本发明另一较佳实施例，所述宽频带辐射元件包括一第一部分和一第二部分。
优选地，所述第一部分和第二部分大致上相互平行，并平行于所述接地面的边缘。
优选地，所述第一部分与所述接地面的边缘间隔一小于所述预定波长1/80的距离。
根据本发明一更佳实施例，所述基板具有至少一上表面和一下表面。
优选地，至少所述接地面和所述宽频带辐射元件位于所述上表面和下表面中的一面上。
优选地，至少所述馈电臂位于所述上表面和下表面中的另一面上。
或者，至少所述接地面、所述宽频带辐射元件和所述馈电臂位于所述基板的一共同表面（commonsurface）上。
根据本发明还一较佳实施例，所述宽频带辐射元件在一低频率频带内辐射。
优选地，所述低频率频带包括LTE700、LTE750、GSM850、GSM900和700～960MHz中的至少一种。
优选地，所述宽频带辐射元件的长度大致上等于与所述低频率频带相应的波长的四分之一。
优选地，所述第二辐射元件在一高频率频带内辐射。
优选地，所述宽频带辐射元件的辐射频率对于所述第二辐射元件的辐射频率的依赖性是忽略不计的。
附图说明
通过以下的详细描述并结合附图，将更全面地理解和认识本发明，其中：
图1A和图1B分别是根据本发明一较佳实施例构型和运行的一天线的简化俯视图和仰视图；
图2是显示图1A和1B所示天线的回波损耗的曲线图；
图3A、3B和3C分别是根据本发明另一较佳实施例构型和运行的一天线的简化俯视图、仰视图和侧视图；以及
图4是显示图3A、3B和3C所示天线的回波损耗的曲线图。
具体实施方式
现在请参考图1A和1B，图1A和1B是根据本发明一较佳实施例构型和运行的一天线的简化俯视图和仰视图。
正如在图1A和1B中看到的，提供一种天线100，包括一接地面102和一辐射元件104，优选地，所述辐射元件104的一端106连接至所述接地面102的一边缘108。优选地，辐射元件104通电连接至所述接地面102的所述边缘108。或者，辐射元件104可以是非通电连接至所述接地面102的所述边缘108。
正如在图1A中清晰可见的，优选地，辐射元件104具有一包含一第一部分110和一第二部分112的紧凑折叠构型，优选地，所述第一部分110和第二部分112大致相互平行地、且与接地面102的所述边缘108平行地延伸。然而，可以理解的是，辐射元件104的其他构型也是可行的，并且是被包含在本发明的范围内。
辐射元件104由一延伸的馈电臂114馈电，优选地，馈电臂114被设置为接近但偏离所述辐射元件104的第一部分110和所述接地面102的边缘108。正如图1A截面A-A清晰可见的，根据本发明一特别优选的实施例，馈电臂114被设置在一与设置所述辐射元件104和接地面102的平面偏离的平面上。馈电臂114通过一优选位于其上的馈电点116接收一射频（RF）输入信号。优选地，馈电臂114具有一两端开口结构。或者，馈电臂114可以以其他结构结尾，包括通电连接至所述接地面102。
正如在图1A的截面A-A可看到的，馈电臂114非常窄。馈电臂114的极窄宽度是本发明一较佳实施例的一特定特征，并赋予天线100显著的运行优势。在其他特征之中，所述馈电臂114的狭窄宽度起到将本发明与看似可比的、通常使用更宽馈电元件的常规天线区分开来的作用。
由于馈电臂114的狭窄延伸结构，使馈电臂114具有高串联电感。此外，馈电臂114极为接近接地面102的边缘108，使所述接地面102具有显著的并联电容。这两种电抗的交互补偿，即串联电感和并联电容的交互补偿，改善了辐射元件104和馈电点116之间的阻抗匹配。尽管辐射元件104具有一紧凑的折叠结构，但这种改善了的阻抗匹配使得辐射元件104可作为一宽频带辐射元件运行，并能够在一广泛的频率范围内高效辐射。这种所述馈电臂114助于辐射元件104宽频带运行的机制将在以后进一步详细说明。
优选地，天线100由一非导电基板118支撑。优选地，基板118是一印刷电路板（PCB）基板并由任何合适的、包括例如FR-4在内的非导电材料构成。
正如分别在图1A和1B的截面A-A和B-B中清晰可见的，优选地，接地面102和辐射元件104被设置在基板118的一上表面120上而馈电臂114被设置在基板118的一相对的下表面122上。然而，可以理解的是：所引用的上表面120和下表面122仅是示范，可选择地，馈电臂114可位于基板118的上表面120而接地面102和辐射元件104位于基板118的下表面122。进一步可以理解的是：根据设计要求，可选择地，馈电臂114可被设置在与接地面102和辐射元件104的同一基板118表面上，条件是：馈电臂114保持偏离接地面102的边缘108和辐射元件104。
在天线100的运行中，馈电臂114通过馈电点116接收一RF输入信号。从而，在馈电臂114、接地面102的相邻边缘108和所述辐射元件104的相邻第一部分110之间发生近场耦合。这种近场耦合本质上是电容性且电感性的，电感性分量的产生是由于馈电臂114的狭窄延伸结构。所述近场电感性且电容性耦合控制辐射元件104与馈电点116的阻抗匹配。
事实上，馈电臂114、接地面102的边缘108和辐射元件104的下半部分110的联合，起到了一以末端106短路结尾的松散耦合传输线的作用，所述松散耦合传输线的作用是向所述辐射元件104的上半部分馈电。所述传输线的松散耦合性质要归因于所述馈电臂114被设置于接近但偏离所述辐射元件104和接地面102。通过辐射元件104的下半部分110与所述接地面的边缘108之间的间隙，所述传输线的松散耦合性质被进一步增强，优选地，除所述下半部分110在末端106与所述边缘108连接之外，所述间隙是无导体的。
由此，所述形成的松散耦合传输线充当一分布式匹配电路（distributedmatchingcircuit），在辐射元件104的辐射频带内改善阻抗匹配，并赋予辐射元件104宽频带性能。
可以理解的是，所述辐射元件104与馈电点116间的阻抗匹配的改善很大程度上是由于所述馈电臂114的狭窄延伸结构所产生的串联电感耦合分量和所述馈电臂114极为接近所述接地面边缘108而产生的并联电容耦合分量。在无所述串联电感耦合分量时，单独的近场电感性耦合将提供一较差的阻抗匹配，从而使辐射元件104的宽频带性能变窄。
优选地，馈电臂114的最大宽度是一预定波长λp的1/100，优选地，所述预定波长λp被定义为：
λ p = 1 f μ [ ( ϵ r r + 1 2 ) + ( ϵ r r - 1 2 ) [ 1 + 12 ( H W ) ] - 0.5 ]
其中，f是所述辐射元件104的一最低工作频率，μ是所述基板118的导磁系数，εr是所述基板118的相对体积介电常数，W是设置在所述基板118之上、并通过空气形成一微带传输线的导电迹线的宽度，以及H是所述基板118的厚度。表达式 [ ( ϵ r r + 1 2 ) + ( ϵ r r - 1 2 ) [ 1 + 12 ( H W ) ] - 0.5 ] 相当于所述基板系统的有效介电常数。λp的上述定义是假设并基于I.J.Bahl和D.K.Trivedi在1977年5月出版的《Microwaves》第174～182页上发表的“ADesigner'sGuidetoMicrostripLine”一文中推导出的公式。
可以理解的是，在上述公式中引用的导电迹线仅仅是一便于计算的实体，用来定义与所述辐射元件104的最低工作频率相应的基板专用波长（substrate-specificwavelength），并进而定义馈电臂114的优选最大宽度。可以理解的是，在基板118的一优选实施例中，不一定要实际形成这样的导电迹线。
优选地，宽频带辐射元件104作为一低频带辐射元件，能够在LTE700、LTE750、GSM850、GSM900和700～960MHz中的至少一种频率频带内辐射。由此，举例来说，当宽频带辐射元件104以700MHz的最低频率运行时，与700MHz相对应且被定义为由一1mm厚的FR-4PCB基板118形成的50Ohm微带传输线的所述预定波长λp大约是2.3mm。
优选地，辐射元件104具有一约等于其运行波长的四分之一的总物理长度。可以理解的是，所述辐射元件104的第一部分110因此具有双重作用，因为，它既如上所述地有助于所述馈电臂114和所述辐射元件104间的近场耦合，又构成了辐射元件104的总长度的一部分。优选地，辐射元件104的一第二端124，即其第一端106的远端，向接地面102的边缘108的方向弯折，从而辐射元件104呈一紧凑型。
天线100在辐射元件104紧挨着接地面102的边缘108时运行最佳，这是由于所述接地面102的边缘108有助于上述的有效匹配电路。尤其优选地，辐射元件104的第一部分110与所述接地面102的边缘108间隔一小于上述预定波长λp的1/80的距离。由此，举例来说，当宽频带辐射元件104以700MHz的最低频率运行时，与700MHz相对应且被定义为由一1mm厚的FR-4PCB基板118形成的50Ohm微带传输线的所述预定波长λp大约是2.3mm。根据本实施例，辐射元件104的第一部分110与所述接地面的边缘108之间的间隔距离大约是小于2.8mm。
与通常要求所述辐射元件以一更远距离远离所述接地面以防止所述天线的运行带宽和辐射退化的常规天线相比，所述辐射元件104极为接近所述接地面102是天线100的一极大特征。在天线100中，所述辐射元件104位于如此接近所述接地面102的位置上，这更便于天线100的紧凑。
馈电臂114、所述接地面102的边缘108和所述辐射元件104的第一部分110间的耦合范围是受到天线100各种几何参数的影响的，所述几何参数包括所述馈电臂114的长度和宽度、辐射元件104的第一部分110和第二部分112的构型，以及辐射元件104的第一部分110和第二部分112分别与所述接地面102的边缘108的间隔。
馈电臂114和辐射元件104可具体体现为连接至基板118的三维导电迹线，或印刷在所述基板118的表面120和122上的二维导电结构。一独立的无源元件匹配电路，如一匹配电路126，可以选择性地在馈电点116之前包含在所述驱动天线100的RF馈线内。
现在请参考图2，图2是显示图1A和1B所示天线的回波损耗的曲线图。
图中的第一局部极小值A大致上与由辐射元件104提供的天线100的频率响应相对应。考虑到区域A的宽度就不难发现，天线100的响应是宽频带的，并且，举例来说，天线100的响应跨越700～960MHz的范围而回波损耗优于-5dB。如上参考图1A和1B所述的，天线100的宽频带低频率响应的原因是辐射元件104对馈电点116的阻抗匹配的改善，而这种改善是因为馈电臂114的狭窄延伸结构。
考虑到图中区域B就不难发现，天线100没有展现出显著的高频带响应。这是因为，由于馈电臂的狭窄结构和极为接近所述接地面102而使得馈电臂114不具有显著的高频共振响应。馈电臂114的较差辐射性能是天线100的一有益特征，这是因为，如以下参考图3A～3C所描述的，可以添加一独立的、可以不依赖低频带辐射元件104运行的高频带辐射元件。
现在请参考图3A、3B和3C，图3A、3B和3C分别是根据本发明另一较佳实施例构型和运行的一天线的简化俯视图、仰视图和侧视图。
正如在图3A～3C中可见的，提供一种天线300，包括一接地面302和一第一宽频带辐射元件304，所述宽频带辐射元件的一端306与所述接地面302的边缘308连接，并包括一第一部分310和一第二部分312。优选地，第一宽频带辐射元件304由一具有一馈电点316位于其上的馈电臂314馈电。正如分别在图3A和3B的截面A-A和B-B中清晰可见的，优选地，馈电臂314馈电臂被设置为接近但偏离接地面302和辐射元件304的第一部分310。尤其优选地，馈电臂314被设置在一与设置所述辐射元件304和接地面302的平面偏离的平面上。
优选地，天线300由一非导电基板318支撑，所述基板具有一上表面320和一下表面322，优选地，接地面302和辐射元件304位于所述上表面320上，而馈电臂314位于所述下表面322上。
优选地，馈电臂314的最大宽度是一预定波长λp的1/100，优选地，所述预定波长λp被定义为：
λ p = 1 f μ [ ( ϵ r r + 1 2 ) + ( ϵ r r - 1 2 ) [ 1 + 12 ( H W ) ] - 0.5 ]
其中，f是所述辐射元件304的一最低工作频率，μ是所述基板318的导磁系数，εr是所述基板318的一相对体积介电常数，W是设置在所述基板318之上、并通过空气形成一微带传输线的导电迹线的宽度，以及H是所述基板318的厚度。表达式 [ ( ϵ r r + 1 2 ) + ( ϵ r r - 1 2 ) [ 1 + 12 ( H W ) ] - 0.5 ] 相当于所述基板系统的有效介电常数。λp的上述定义是假设并基于I.J.Bahl和D.K.Trivedi在1977年5月出版的《Microwaves》第174～182页上发表的“ADesigner'sGuidetoMicrostripLine”一文中推导出的公式。
优选地，辐射元件304的第一部分310与所述接地面302的边缘308间隔一小于上述预定波长λp的1/80的距离。
可以理解的是，天线300在所有相关的方面与天线100相似，除了在天线300中包含了一第二辐射元件330。正如图3B中清晰可见的，优选地，第二辐射元件330与馈电臂314共享馈电点316，并通电连接至馈电点316。
正如图3C中清晰可见的，优选地，第二辐射元件330被设置在一与被定义为基板318的平面偏离的平面上。根据本发明一特别优选的实施例，设置第二辐射元件330的平面与被定义为基板318的平面的偏移量为4mm。根据本发明另一特别优选的实施例，设置第二辐射元件330的平面与被定义为基板318的平面的偏移量为7mm。
在天线300的运行中，优选地，第一辐射元件304作为一宽频带低频率辐射元件，大体上与上述关于天线100的低频率宽频带辐射元件104的机制一致。此外，优选地，第二辐射元件330作为一由馈电点316馈电的高频率辐射元件。从而，天线300可作为以多频带天线，能够在分别由第一辐射元件304和第二辐射元件330提供的低频率频带和高频率频带内辐射。
除了由一共馈电点316馈电外，第一辐射元件304和第二辐射元件330以一异常低的相关性来分别运行是本发明一优选实施例的特定特征。因此，可以自由调整天线300的低工作频率和高工作频率，这是由于几乎完全不存在常规多频带天线所显现的低频带和高频带的强调谐相关性。
如上述关于图2描述的，天线330的低频率辐射元件304和高频率辐射元件330的相互独立运行是归因于馈电臂314的狭窄延长结构和其极其接近所述接地面302，这些特征防止了馈电臂314自身起到一高频带辐射元件的作用，并进而防止了对高频带辐射元件330运行的干扰。
正如在图3A和3B中清晰可见的，第二高频带辐射元件330可具有一倒L形构型。然而，可以理解的是，对第二辐射元件330所阐述的构型仅是示例，其他紧凑的构型也是可能的。
天线300的其他特征和优点，包括其因延伸狭窄的馈电臂314而改进的阻抗匹配而获得的宽频带响应，大体上就如上述关于天线100所述的。
现在请参考图4，图4是显示图3A～3C所示天线的回波损耗的曲线图。
图中的第一局部极小值A大致上与由第一辐射元件304所提供的辐射的宽频带低频率频带相对应，第二局部极小值B大致上与由第二辐射元件330所提供的辐射的高频率频带相对应。
对比图4的区域A和图2的区域A就不难发现，所述区域分别对应天线100的低频带辐射元件104的天线300的低频带辐射元件304的频率响应，在天线300中添加高频带辐射元件330不会减损所述低频带辐射元件的宽频带响应。
举例来说，如图4所示的，第二辐射元件330的工作频率可能是围绕1800MHz。然而，可以理解的是，可以通过修改辐射元件330的各种几何参数来调节第二辐射元件330的工作频率，包括其总长度和与接地面302的间隔。
本领域技术人员可以理解的是，本发明不限于在下文中特别请求保护的内容。而是，本发明的范围包括以上所描述的特征的各种组合和子组合，以及本领域技术人员通过阅读参考附图的上述描述做出的、且不属于现有技术的修改和变型。特别地，可以理解的是，尽管本文中描述了包含本发明的单个天线的实施例，在一单一天线基板上包含多个本发明的天线也是可行的。

Claims (15)

1.一种天线，包括：
一由一非导电材料构成的基板；
一设置在所述基板上的接地面；
一一端连接至所述接地面的一边缘的宽频带辐射元件，所述宽频带辐射元件包括一第一部分和一第二部分，其中，所述第一部分和第二部分大致上相互平行并平行于所述接地面的边缘；以及
一延伸馈电臂，所述延伸馈电臂不与所述宽频带辐射元件通电连接，并且，所述延伸馈电臂向所述宽频带辐射元件馈电且最大宽度为一预定波长的1/100，所述预定波长被定义为：
λ p = 1 f μ [ ( ϵ r r + 1 2 ) + ( ϵ r r - 1 2 ) [ 1 + 12 ( H W ) ] - 0.5 ]
其中，λp是所述预定波长，f是所述宽频带辐射元件的一最低工作频率，μ是所述基板的导磁系数，εr是所述基板的一相对体积介电常数，W是设置在所述基板之上的一导电迹线的宽度，以及H是所述基板的厚度，其中
2.根据权利要求1所述的天线，其中，一馈电点位于所述馈电臂上。
3.根据权利要求2所述的天线，还包括一直接通电连接至所述馈电点并由所述馈电点馈电的第二辐射元件。
4.根据上述任一所述的天线，其中，所述馈电臂被设置为接近但偏离所述宽频带辐射元件和所述接地面的边缘。
5.根据权利要求1所述的天线，其中，所述第一部分与所述接地面的边缘间隔小于所述预定波长1/80的距离。
6.根据权利要求1所述的天线，其中，所述基板具有至少一上表面和一下表面。
7.根据权利要求6所述的天线，其中，至少所述接地面和所述宽频带辐射元件位于所述上表面和下表面中的一个面上。
8.根据权利要求7所述的天线，其中，至少所述馈电臂位于所述上表面和下表面中的另一个面上。
9.根据权利要求6所述的天线，其中，至少所述接地面、所述宽频带辐射元件和所述馈电臂位于所述基板的一共同表面上。
10.根据权利要求1或3所述的天线，其中，所述宽频带辐射元件在一低频率频带中辐射。
11.根据权利要求10所述的天线，其中，所述低频率频带包括LTE700、LTE750、GSM850、GSM900和700～960MHz中的至少一种。
12.根据权利要求10所述的天线，其中，所述宽频带辐射元件的长度大致上等于与所述低频率频带相应的波长的四分之一。
13.根据权利要求11所述的天线，其中，所述宽频带辐射元件的长度大致上等于与所述低频率频带相应的波长的四分之一。
14.根据权利要求3所述的天线，其中，所述第二辐射元件在一高频率频带中辐射。
15.根据权利要求3所述的天线，其中，所述宽频带辐射元件的辐射频率对于所述第二辐射元件的辐射频率的依赖性是忽略不计的。
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