CN106299638A - 一种用于表面贴装的天线及其设计制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于表面贴装的天线及其设计制造方法，该天线包括开路支路，短路枝节，馈电支路和开路枝节，所述短路枝节的底部连接在印刷电路板的导电部分，所述馈电支路的底部与印刷电路板的馈电端口导通相连，所述开路枝节的底部连接在印刷电路板的开路部分，所述开路支路与短路枝节、馈电支路、开路枝节的顶部分别相连。该天线可以在工作波长相同的情况下有效缩减天线长度，减少天线占用的空间，改善天线阻抗特性，且无需额外的支撑结构，便于生产制造，节约资源。

Description

一种用于表面贴装的天线及其设计制造方法

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种用于表面贴装的天线及其设计制造方法。

背景技术

由于目前技术尚无法将天线整合到半导体芯片中，因此无线设备中除了系统芯片外，天线是另一影响无线设备通信性能的关键性组件。目前常用的天线有陶瓷芯片天线，板载(On Board)金属冲压件天线，以及板载PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)天线等。其中板载PCB天线直接排布在板子上，与印刷电路板一同成形，易于批量，成本极低，不过性能受限；陶瓷天线价格较高，优点是体积很小；板载金属冲压件天线性能成本适中，缺点是占用空间较大，且需要支撑结构保障天线能够表面贴装。

目前有些板载金属冲压件天线采用倒F(Inverted-F)结构，以减小天线的尺寸。但是传统的倒F天线尾部是悬空的，如果安装在PCB板上需要额外的塑料或者非金属的支架才能固定在PCB板上，额外的支撑件不能与天线一体成型制作，不方便制造和贴装，也会占用额外的空间，且传统的倒F天线长度较长，占用的立体空间较大。为了满足无线通讯设备尺寸越来越小的需求，迫切需要一种小型化天线。

发明内容

为解决现有技术中的上述问题，本发明的一个目的在于提出一种用于表面贴装的天线及其设计制造方法，可以有效缩减天线长度，减少天线占用的空间，改善天线阻抗特性，且无需额外的支撑结构，便于生产制造，节约资源。

为达到上述目的，本发明实施例提出的用于表面贴装的天线，包括开路支路，短路枝节，馈电支路和开路枝节，所述短路枝节的底部连接在印刷电路板的导电部分，所述馈电支路的底部与印刷电路板的馈电端口导通相连，所述开路枝节的底部连接在印刷电路板的开路部分，所述开路支路与短路枝节、馈电支路、开路枝节的顶部分别相连。

根据本发明的一个实施例，所述开路支路、短路枝节、馈电支路和开路枝节是一体式金属冲压件。

根据本发明的一个实施例，所述天线包括两个开路枝节，设置在与所述短路枝节相对的所述开路支路的两侧。

根据本发明的一个实施例，所述开路支路、短路枝节与两个开路枝节之间的关系满足下列公式：

$L+H+2H1\≈\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{4\sqrt{(1+{\mathrm{\ϵ}}_r)/2}},$

其中，L是开路支路的长度，H是短路枝节的长度，H1是开路枝节的长度，ε_r是介质基板的介电常数，λ₀是天线自由空间工作波长。

根据本发明的一个实施例，所述天线是蓝牙天线。

根据本发明的一个实施例，所述两个开路枝节的形状是柱状或者扁平状。

为达到上述目的，本发明实施例提出一种设计制造上述天线的方法，包括：根据介质基板的介电常数和天线自由空间工作波长确定天线的等效尺寸；以所述等效尺寸为约束条件，计算所述天线的开路支路、短路枝节和开路枝节的长度；根据所述开路支路、短路枝节和开路枝节的长度对预备金属件进行冲压，得到预设尺寸的天线。

根据本发明的一个实施例，当所述天线包括两个开路枝节时，在所述计算所述天线的开路支路、短路枝节和开路枝节的长度之后，所述方法还包括：调节所述开路枝节与印刷电路板之间的等效电容，以使天线满足预设的阻抗特性，也就是使天线阻抗匹配。

根据本发明的一个实施例，所述介质基板的介电常数和天线自由空间工作波长与天线的等效尺寸之间满足以下关系：

$L+H+2H1\≈\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{4\sqrt{(1+{\mathrm{\ϵ}}_r)/2}},$

其中，L是开路支路的长度，H是短路枝节的长度，H1是开路枝节的长度，ε_r是介质基板的介电常数，λ₀是天线自由空间工作波长。

由以上本发明实施例提供的技术方案可见，通过在传统的倒F天线基础上在开路支路尾部增加同时起支撑作用的开路枝节，使天线不需要额外的支撑结构即可进行表面贴装，同时开路支路增加的两个开路枝节相当于延长了天线的有效长度，在工作波长相同的情况下有效地缩减天线的长度，大大减少天线占用的空间。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是传统的倒F天线的示意图；

图2是本发明一实施例提出的用于表面贴装的天线的示意图；

图3是本发明一实施例提出的用于表面贴装的天线的结构加工图；

图4是本发明一实施例的板载金属冲压件蓝牙天线馈电端口的S11曲线图；

图5是本发明一实施例的板载金属冲压件蓝牙天线阻抗Smith图；

图6是本发明一实施例的板载金属冲压件蓝牙天线辐射方向的示意图；

图7是本发明一实施例的设计制造本发明的天线的方法流程示意图；

图8是本发明一实施例的加载一个开路枝节时的天线模型示意图；

图9是本发明一实施例的加载一个开路枝节时的天线S11曲线图；

图10是本发明另一实施例的加载一个开路枝节的天线模型示意图；

图11是本发明另一实施例的加载一个开路枝节的天线S11曲线图；

图12是本发明一实施例的加载三个开路枝节的天线模型示意图；

图13是本发明一实施例的加载三个开路枝节的天线S11曲线图；

图14是本发明一实施例的加载四个开路枝节的天线模型示意图；

图15是本发明一实施例的加载四个开路枝节的天线S11曲线图；

图16是本发明一实施例的传统不加载任何开路枝节的天线模型的示意图；

图17是本发明一实施例的传统不加载任何开路枝节的天线S11曲线图；

图18是本发明一实施例的改变两个开路枝节的间距的天线模型示意图；

图19是本发明一实施例的不同间距的两个开路枝节与对应的天线S11曲线的对比示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种用于表面贴装的天线及其设计制造方法。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

为了克服金属冲压件天线占用空间较大的问题，本发明设计了一种可用于SMT(表面贴装技术，Surface Mount Technology)的金属冲压件小型天线，该天线尤其适用于小型化蓝牙天线。

图1所示是传统的倒F天线的示意图，包括开路支路11，短路枝节12和馈电支路13，表面贴装在印刷电路板上的边缘位置，短路枝节12和馈电支路13与印刷电路板垂直；开路支路11与印刷电路板平行。

图2是本发明一实施例提出的用于表面贴装的天线，如图2所示，在传统的倒F天线的架构基础上，开路支路11末端增加垂直于印刷电路板的开路枝节14，额外增加的同时起支撑作用的开路枝节14既可使天线能够方便表面贴装又可使天线整体在较短的长度下谐振，减小天线长度。

其中，所述短路枝节12的底部连接在印刷电路板的导电部分21，馈电支路13的底部与印刷电路板的馈电端口22导通相连，所述开路枝节14的底部连接在印刷电路板的开路部分23，所述开路支路11与短路枝节12、馈电支路13、开路枝节14的顶部分别相连。

其中，导电部分21是指印刷电路板的接地面，开路部分23是指天线净空区，净空区即印刷电路板不布地(没有覆铜)的部分。

根据本发明的一个实施例，开路支路11、短路枝节12、馈电支路13和开路枝节14是一体式金属冲压件。

优选地，天线包括两个开路枝节14，设置在开路支路11尾部的两侧。两个开路枝节14的底部均连接在印刷电路板的开路部分23，与印刷电路板的导电部分21(相当于接地平面)形成容性加载，可以通过改变开路枝节14与印刷电路板的导电部分21之间的水平间距改变两个开路枝节14与导电部分21之间的等效电容，从而改变 天线的阻抗特性。间距越大，形成的等效电容越小，电容的大小可调节天线的阻抗匹配。因此这也为调节天线匹配提供了另一个自由度。

根据本发明的一个实施例，开路支路11、短路枝节12与两个开路枝节14之间的关系满足下列公式：

$L+H+2H1\≈\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{4\sqrt{(1+{\mathrm{\ϵ}}_r)/2}}\mathrm{...}\left(1\right)$

变化后为：

$L+H\≈\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{4\sqrt{(1+{\mathrm{\ϵ}}_r)/2}}-2H\mathrm{1...}\left(2\right)$

其中，L是开路支路的长度(即天线的长度)，H是短路枝节的长度(即天线的高度)，H1是每个开路枝节的长度，ε_r是介质基板的介电常数，λ₀是天线自由空间工作波长。

具体地，L和H之和决定了天线的谐振频率，根据HFSS仿真(高频结构仿真，High Frequency Structure Simulator)以及实验反复测试得到以上经验公式(1)，在设计过程中可以由其给出初始设计值。

其中，H1通常与H相等，也是天线的高度。但在本发明的其他实施例中，开路枝节的形状和倾斜度是有可能采用不同的组合的，其效果和设计公式也需要通过上述仿真和实验测量总结得出。

而经典的倒F天线L和H是由以下公式(3)决定的，其L和H长度之和一般介于四分之一自由空间工作波长和四分之一介质层波导波长之间：

$L+H\≈\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{4\sqrt{(1+{\mathrm{\ϵ}}_r)/2}}\mathrm{...}\left(3\right)$

其中，L是开路支路的长度(即天线的长度)，H是短路枝节的长度(即天线的高度)，ε_r是介质基板的介电常数，λ₀是天线自由空间工作波长。

以上所述的天线自由空间工作波长(或自由空间工作波长)是指电磁波在空气或真空中传播时的波长，介质层波导波长是指电磁波在介质中传播时的波长。介质层波导波长λ_g与天线自由空间工作波长λ₀的关系通常如下：

${\mathrm{\λ}}_g=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}.$

具体的计算推导过程可以通过相关的物理公式和数学手段得出，在此不再赘述。

本发明提出的天线在经典倒F天线的设计公式(3)的基础上，公式(1)增加了一个2H1的修正项。从上述两个公式可以看出，由于本发明提出的天线在开路支路末端两侧增加了两个开路枝节，在给定介质基板工作频段的情况下，天线长度L约可以缩短2H1的长度。另外，实验表明，本发明提出的加载开路枝节的倒F天线，其L和H长度之和在十分之一波长甚至更短的长度下就可达到较好的谐振效果，相比传统四分之一波长左右的谐振长度，大大减少了天线占用的空间。因此本发明增加的开路枝节不仅是对天线长度的线性改进，同时减小了为达到预设谐振效果所需要的天线长度。

优选地，本发明的天线可用做板载金属冲压件蓝牙天线。金属冲压件蓝牙天线可以表面贴装在一块介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为1.6mm的FR4介质基板上。在本发明的实施例中，印刷电路板的介质基板可以为FR4介质基板，或者损耗角正切更小的Rogers 5880或者4350B介质基板，使用损耗角正切越小的介质基板意味着天线的效率越高，但Rogers 5880或者4350B介质基板价格较贵，在消费电子领域目前使用较少。

根据本发明的一个实施例，如图3所示，该天线采用的尺寸具体可以为：天线整体高度H可以为3-5mm，长度L可以为11-15mm，宽度W为2-4mm，长度H1具体可以为天线高度加上伸入PCB板内部的高度，以使天线能够SMT焊接到板子上。图4是本发明一个实施例的板载金属冲压件蓝牙天线馈电端口的S11曲线，由图4可知，该天线在反射率参数S11小于-10dB时带宽为100MHz，小于-6dB时带宽为300MHz。图5是本发明提供的板载金属冲压件蓝牙天线阻抗Smith图。图6是本发明一实施例的板载金属冲压件蓝牙天线辐射方向图，趋于红色的方向表示该方向辐射较强，趋于蓝色的方向表示该方向辐射较弱，由图6中各方向的颜色均为红色可以看出，本实施例的天线的辐射全向性较好。

根据本发明的一个实施例，所述两个开路枝节的形状可以有多种，例如是柱状，或者扁平状等。

本发明实施例的用于表面贴装的天线，通过在传统的倒F天线基础上在开路支路尾部增加同时起支撑作用的开路枝节，使天线不需要额外的支撑结构即可进行表面贴装，同时开路支路增加的两个开路枝节相当于延长了天线的有效长度，而且经过反复仿真以及实验测试，本发明提出的在开路支路末端两侧增加两个开路枝节的结构可以 在工作波长相同的情况下有效地缩减天线的长度，大大减少天线占用的空间。另外，增加的开路枝节与印刷电路板的开路部分形成容性加载，可通过调节开路枝节与印刷电路板开路部分的水平距离调整等效电容，从而改善天线的阻抗特性，提高天线性能。

基于同一发明构思，本发明实施例还提出了一种设计制造权利要求1-7所述天线的方法，由于设计制造权利要求1-7所述天线的方法解决问题的原理与用于表面贴装的天线相似，因此设计制造权利要求1-7所述天线的方法的实施可以参见用于表面贴装的天线的实施，重复之处不再赘述。尽管以下实施例所描述的方法较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

如图7所示，该方法包括：

步骤1，根据介质基板的介电常数和天线自由空间工作波长确定天线的等效尺寸。

具体地，介质基板的介电常数和天线自由空间工作波长与天线的等效尺寸之间的关系可以通过仿真实验获得。天线的等效尺寸可以包括天线的长度和高度，即开路支路的长度和短路枝节以及开路枝节的长度。

步骤2，以所述等效尺寸为约束条件，计算所述天线的开路支路、短路枝节和开路枝节的长度。

具体地，在确定天线的等效尺寸之后，可以根据阻抗匹配、可用空间等具体的情况设计所述天线的开路支路、短路枝节和开路枝节的长度，并使得设计出的所述开路支路、短路枝节和开路枝节的长度满足所述的等效尺寸。

步骤3，根据所述开路支路、短路枝节和开路枝节的长度对预备金属件进行冲压，得到预设尺寸的天线。

在一个具体实施例中，当所述天线包括两个开路枝节时，在步骤2之后，所述方法还包括：调节所述开路枝节与印刷电路板之间的等效电容，以使天线满足预设的阻抗特性，也就是使天线阻抗匹配。具体的设计原理如前述实施例所述，在此不再赘述。

根据本发明的一个实施例，所述介质基板的介电常数和天线自由空间工作波长与天线的等效尺寸之间满足以下关系：

$L+H+2H1\≈\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{4\sqrt{(1+{\mathrm{\ϵ}}_r)/2}},$

其中，L是开路支路的长度，H是短路枝节的长度，H1是开路枝节的长度，ε_r是介质基板的介电常数，λ₀是天线自由空间工作波长。

本发明的实施例根据所需要的工作波长或频率以及介质基板的介电常数预先设计如权利要求1-7所述的天线的尺寸，能够在保证天线性能的同时极大地减小天线尺寸，通过一体式金属冲压得到设计尺寸的金属冲压件，能够直接表面贴装在印刷电路板上，无需额外安装支撑结构，制造简单，便于安装。

本发明提出的天线设计制造方法中，可以通过仿真实验的方式来确定最佳的天线尺寸。进一步的，开路支路末端加载其他类型开路枝节的设计结果如下，为了便于对比，以加载两个开路枝节的天线作为标准，每个设计中天线长度即开路支路长度L均与加载两个开路枝节的天线保持一致，只改变开路枝节的数量和位置。具体地，开路支路末端加载一个开路枝节时的天线模型如图8所示，其S11曲线如图9所示，天线谐振在2.9GHz。另一种加载单个开路枝节的天线模型如图10所示，其S11曲线如图11所示，天线谐振在2.6GHz。加载三个开路枝节的天线模型如图12所示，其S11曲线如图13所示，天线谐振在2.4GHz。加载四个开路枝节的天线模型如图14所示，其S11曲线如图15所示，天线谐振在2.2GHz。图16是传统不加载任何开路枝节的天线模型，其S11曲线如图17所示，天线谐振在4GHz。

从以上结果可以看出，在天线开路支路长度相同的情况下，加载一个开路枝节时谐振频率偏高，加载的开路枝节越多天线的谐振频率越低，这样天线就能在更短的长度下实现2.4到2.5GHz频段内谐振。而传统的不加载任何开路枝节的倒F天线，在同样长度下谐振在4GHz，远远高于蓝牙工作频段，这样就需要增加近一倍的长度才能谐振到蓝牙工作频段，充分体现了本发明提出的在开路支路末端增加开路枝节减少天线长度这一设计的优越性。

下面给出在开路支路加载两个开路枝节时两个开路枝节的间距对天线阻抗匹配的影响的分析结果。因为改变开路枝节间距的同时也改变了开路枝节与印刷电路板的开路部分(即接地)之间的距离，以下结果也可看作开路枝节与地的间距对天线阻抗匹配的影响分析。图18是天线模型示意图，两个开路枝节的间距是(2.6-d)mm，图19是在d取值不同时，开路枝节的间距变化对天线的S11曲线的影响，由图19可以看出，开路枝节间距的变化既影响天线谐振频率又影响谐振深度。具体的分析过程可通过现有的仿真工具和数学手段获得，在此不再赘述。

需要理解的是，在本发明的天线中，在加载一个、两个或多个开路枝节的情况下，所述短路枝节、馈电支路、开路枝节在开路支路上的位置都是可调节的，根据天线的 不同的工作需求，可以调节短路枝节、馈电支路、开路枝节与开路支路之间的位置关系，得到优化的位置参数。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或装置描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或装置可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例装置携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括装置实施例的步骤之一或其组合。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种用于表面贴装的天线，其特征在于，包括开路支路，短路枝节，馈电支路和开路枝节，所述短路枝节的底部连接在印刷电路板的导电部分，所述馈电支路的底部与印刷电路板的馈电端口导通相连，所述开路枝节的底部连接在印刷电路板的开路部分，所述开路支路与短路枝节、馈电支路、开路枝节的顶部分别相连。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述开路支路、短路枝节、馈电支路和开路枝节是一体式金属冲压件。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线包括两个开路枝节，设置在与所述短路枝节相对的所述开路支路的两侧。

4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述开路支路、短路枝节与两个开路枝节之间的关系满足下列公式：

$L+H+2H1\≈\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{4\sqrt{(1+{\mathrm{\ϵ}}_r)/2}},$

其中，L是开路支路的长度，H是短路枝节的长度，H1是开路枝节的长度，ε_r是介质基板的介电常数，λ₀是天线自由空间工作波长。

5.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述天线是蓝牙天线。

6.根据权利要求1-5任一项所述的天线，其特征在于，所述两个开路枝节的形状是柱状或者扁平状。

7.一种设计制造权利要求1-6所述天线的方法，其特征在于，包括：

根据介质基板的介电常数和天线自由空间工作波长确定天线的等效尺寸；

以所述等效尺寸为约束条件，计算所述天线的开路支路、短路枝节和开路枝节的长度；

根据所述开路支路、短路枝节和开路枝节的长度对预备金属件进行冲压，得到预设尺寸的天线。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述天线包括两个开路枝节时，在所述计算所述天线的开路支路、短路枝节和开路枝节的长度之后，所述方法还包括：

调节所述开路枝节与印刷电路板之间的等效电容，以使天线满足预设的阻抗特性。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述介质基板的介电常数和天线自由空间工作波长与天线的等效尺寸之间满足以下关系：

$L+H+2H1\≈\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{4\sqrt{(1+{\mathrm{\ϵ}}_r)/2}},$

其中，L是开路支路的长度，H是短路枝节的长度，H1是开路枝节的长度，ε_r是介质基板的介电常数，λ₀是天线自由空间工作波长。