CN106469847B - 天线和形成天线的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明设计电路，公开一种天线和形成这种天线的方法。本发明中的天线包括：辐射元件，辐射元件包括多个叠放的层，其中每一层包括曲折金属走线；馈电点，与辐射元件的多个叠放的层中的一个层连接，并被配置为传输射频信号；以及金属化通孔，被配置为与辐射元件的所述多个叠放的层连接；其中，辐射元件被配置为收发射频信号。本发明的天线是在超小型小型无线通讯器上，实现一种应用有限接地和叠层结构完成匹配的天线，可与射频收发器实现阻抗匹配，节省匹配器件及匹配器件所占用的空间。

Description

天线和形成天线的方法
技术领域
本发明设计电路，更具体地但不限于天线和形成天线的方法。
背景技术
随着无线通信设备尺寸和成本的最小化，无线通信设备中印刷电路板(PCB)的尺寸也急剧减小，因此，在PCB中可用于天线的空间也减小了。由于天线的长度远远小于四分之一波长(1/4λ)，很难使天线的阻抗与射频(RF)收发器的阻抗相匹配。
发明内容
本发明的目的在于提供一种天线和形成天线的方法，可将PCB天线面积限制在最小面积内，并实现与射频收发机阻抗的匹配。
为解决上述技术问题，根据本发明的一实施例，一种天线包括：辐射元件，辐射元件包括多个叠放的层，其中辐射元件的每一层包括曲折金属走线；馈电点，与辐射元件的多个叠放的层中的一个层连接，并被配置为传输射频信号；以及金属化通孔，被配置为与辐射元件的多个叠放的层连接；其中，辐射元件被配置为收发射频信号(例如，将射频收发机的射频信号转化为电磁波传输到外界(如空气)中或将外界的电磁波转化为射频信号传输给射频收发机)。
根据本发明的一实施例，一种形成天线的方法包括：在衬底上形成辐射元件的多个叠放的层，其中，辐射元件的每个层包括曲折金属走线(例如，在PCB不同层上用铜皮/铜线画出曲线图案)；将馈电点与辐射元件的多个叠放的层中的一个层连接，其中，该馈电点被配置为传输射频信号；并且配置金属化通孔与辐射元件的多个叠放的层连接；其中辐射元件被配置为收发射频信号。
本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：
以叠层结构实现天线线长在小面积内达到要求(1/4λ)，从而既实现了体积小的要求，又实现了天线辐射的要求。以叠层走线之间的叠加面积以及每一层的走线长度的调整，实现天线阻抗的变化，完成与射频收发机之间的阻抗匹配，节省匹配元件及匹配元件所占用的空间。
附图说明
本发明的非限制性和非详尽的各实施方式将参照下列附图进行说明，其中类似附图标记除详细说明外在各种视图中指示类似部件。
图1是根据本发明一实施例的天线的示意图。
图2是根据本发明一实施例的图1中所示天线的尺寸示意图。
图3是根据本发明一实施例的图2中所示天线的等效电路的示意图。
图4是根据本发明一实施例的形成天线的方法的流程示意图。
图5是根据本发明另一实施例的形成天线的方法的流程示意图。
图6是根据本发明另一实施例的形成天线的方法的流程示意图。
图7是根据本发明一实施例的X-Y平面的辐射增益图。
图8是根据本发明一实施例的X-Z平面的辐射增益图。
图9是根据本发明一实施例的Y-Z平面的辐射增益图。
图10是根据本发明一实施例的包含天线的插片的示意图。
图11是根据本发明一实施例的用于图10中所示天线的阻抗史密斯圆图。
图12是根据本发明另一实施例的包含天线的插片的示意图。
图13是根据本发明一实施例的用于图12中所示天线的阻抗史密斯圆图。
具体实施方式
现将对本发明的各方面和实例进行描述。以下的描述为了全面理解和说明这些实例而提供了特定的细节。但是，本领域的技术人员可以理解，即使没有这些细节，也可以实施本发明。此外，一些公知的结构或功能可能没有被示出或详细说明，以避免不必要的模糊相关说明。
图1是根据本发明一实施例的天线100的示意图。从图1中可以看出，天线100的辐射元件是层叠的。
图2是根据本发明一实施例的图1中所示的天线100的等效天线200的尺寸示意图。
天线200包括辐射元件210的多个叠放的层、馈电点220和金属化通孔230。
辐射元件210的每个层包括曲折金属走线，或被排布为曲折图案。换句话说，辐射元件210的每个层包括多个U形转弯。如图2所示，辐射元件210具有212和214两层。在另一实施例中，辐射元件210的层数可以多于两层。辐射元件210的多个叠放的层被配置为发射射频信号。例如，辐射元件的多个叠放的层可以被配置为辐射射频信号到空气中。
馈电点220与辐射元件的多个叠放的层中的一个层连接。馈电点220被配置为传输射频信号。馈电点220是天线信号的输入和输出点。馈电点220可以通过传输线或带阻抗匹配网络的传输线与收发器连接。请注意，辐射元件210的第一层212可以是顶层，辐射元件210的第二层214可以是底层。应当注意，辐射元件210的底层214比辐射元件210的顶层212更靠近PCB。馈电点220与辐射元件210的顶层212连接。优选地，如果将辐射元件210镜像放置，既底层214变为顶层212'，顶层212变为底层214'，则馈电点220可以与底层214'(图2中未示出)连接。换句话说，射频收发机在PCB底层时，相应的馈电点应在底层。
金属化通孔230被配置为与辐射元件210的多个叠放的层连接。例如，金属化通孔230包括两个在电路板上不同层的对应位置上的焊盘，焊盘通过电路板穿孔连接。该孔通过如电镀导电。请注意，金属化通孔无需特殊的手动操作，一次成型。
优选地，辐射元件210的多个叠放的层包括辐射元件的第一层212，如顶层212和辐射元件的第二层214，如底层214。第一层212和第二层214之间的重叠区域的面积被配置为根据阻抗匹配要求进行调节。应当注意，由于天线是一个辐射元件，将天线与收发器的端口相匹配相当于将收发器与大气阻抗相匹配。
优选地，辐射元件的第一层212和辐射元件的第二层214中的至少一个层的走线长度被配置为可调节的，以用于调节第一层和第二层之间的重叠区域的面积，或者调节辐射元件的第一层和第二层中的至少一个层的走线宽度，以调节所述第一层和第二层之间的重叠区域的面积。第一层212的走线宽度如图2中的250所示。例如，只有第一层212和第二层214中的一个层的走线长度是可调的。优选地，辐射元件的第一层212和第二层214的走线长度都是可调的。
优选地，辐射元件的第一层212中相互平行的走线部分与辐射元件的第二层214中相互平行的走线部分实质上垂直。例如，如图2所示，辐射元件的第一层212的大部分长度被布置在垂直方向,而辐射元件的第二层214的大部分长度被布置在水平方向。此外，天线的尺寸仅仅是示例性的，如图2中所示的6.5mm的长和6.7mm的宽。本领域技术人员可根据实际应用情况改变天线的尺寸。此外，辐射元件的第一层212中相互平行的走线部分与辐射元件的第二层214中相互平行的走线部分之间也可以不是垂直的，而是成意义的角度。
优选地，辐射元件的第一层212和辐射元件的第二层214之间的角度可以是直角以外的其他角度。请注意，等效电容由辐射元件的第一层212和辐射元件的第二层214之间的重叠区域的面积决定。
图2还示出了有限接地点240。有限接地点240与辐射元件的第一层212或辐射元件的第二层214中的一个层连接。在图2所示的实施方式中，有限接地点240与辐射元件的第一层212连接。当天线中具有有限接地点时，天线还被称为平面倒F型(PIFA)天线。请注意，有限接地点240是可选地。当游戏那接地点240被省略时，将没有有限接地点的天线称为单极天线。可以理解，本文各实施例中的有限是相对于仿真软件中的一个概念(PEC，完美导体)给出的，强调这个接地为必须有损耗的金属。现实当中不存在PEC，所以可以忽略有限两个字，即有限在本文中并无任何限制意义，可以理解为一般的接地点。
图3是根据本发明一实施例的图2中所示天线的等效电路300的示意图。如图3所示，电路300包括馈电点320、第一电容C1、第二电容C2、第一电感器L1、第二电感器L2、第三电感器L3和大气阻抗ZL。第一电容C1和第一电感L1分别为图2中所示接地点240的等效电容和等效电感。第二电容C2为辐射元件的第一层212和辐射元件的第二层214之间的重叠部分的等效电容。第二电感L2为图2中所示辐射元件的第一层212的等效电感。第三电感L3为图2中所示辐射元件的第二层214的等效电感。大气阻抗ZL可以是376.7欧姆(Ω)。请注意，Z0＝μ0×c0，其中Z0表示自由空间阻抗，等于真空磁导率μ0和c0的乘积，c0表示真空中电磁波的传播速度，即光速。相应地，Z0约等于376.73031欧姆。
图4是根据本发明一实施例的形成天线的方法400的流程示意图。
形成天线的方法400包括：在框410中，在衬底上形成辐射元件的多个叠放的层，其中，辐射元件的每个层包括曲折金属走线，例如，在PCB不同层上用铜皮/铜线画出曲线图案；在框420中，将馈电点与辐射元件的多个叠放的层中的一个层连接，其中，该馈电点被配置为传输射频信号；在框430中，配置金属化通孔与辐射元件的多个叠放的层连接；其中，辐射元件被配置为收发射频信号。请注意，当采用不同衬底时，天线的尺寸是变化的。在不同衬底中，电磁波波长会发生变化，可以表示为，其中λ0等于空气中电磁波的波长，ξ表示介电常数。
图5是根据本发明一实施例的形成天线的方法500的流程示意图。优选地，辐射元件的多个叠放的层包括辐射元件的第一层和辐射元件的第二层。除了参考上述图4已经讨论的框410、420和430外，该方法500还包括：在框510中，根据阻抗匹配要求调节第一层和第二层之间的重叠区域的面积及走线长度。阻抗匹配的要求信号源(收发机)能够通过天线辐射到自由空间，并将反射和衰减降到最低。在传输线原理中，高频传输线阻抗50欧姆为反射最小，所以收发机端口阻抗都会做到50欧姆或通过匹配元件匹配到50欧姆。天线馈点为了和收发机相匹配，就需要做到50欧姆。在高频传输时，高频传输线路的50欧姆阻抗具有最小反射率，因此，将收发器端口设计为50欧姆或通过利用匹配元件使其达到50欧姆。相应地，为了与收发器匹配，需要将馈电点的阻抗设计为50欧姆。阻抗匹配要求可以包括天线阻抗的预定目标值，例如50欧姆。优选地，根据阻抗匹配要求调解第一层和第二层之间的重叠区域的面积的步骤还包括：如果需要增大天线的等效电路的电容，则增大第一层和第二层之间的重叠区域的面积，或者如果需要减小天线的等效电路的电容，则减小第一层和第二层之间的重叠区域的面积。因为在调节层面积的同时，不同层的线长也出现了变化，所以天线的等效电感也出现了变化，线长越长，电感越大，线长越短，电感越小。
优选地，在框510中，通过调解辐射元件的第一层212和辐射元件的第二层214中的至少一个层的长度，或者通过调节如图2中所示辐射元件的第一层212和第二层214中的至少一个层的走线宽度，实现对第一层和第二层之间的重叠区域的面积的调节。
优选地，辐射元件的第一层与辐射元件的第二层实质上垂直。
图6是根据本发明一实施例的形成天线的方法600的流程示意图。除了参考上述图4和图5已经讨论的框410、420、430和510，该方法600还包括：在框610中，在衬底上形成有限接地点(或放置接地点)，如图2所示，该有限接地点的一端与辐射元件的第一层212或辐射元件的第二层214中的一个层连接，另一端与PCB的地(GND)连接。
图7是根据本发明一实施例的天线在X-Y平面的辐射模式图。图7是图12中所示天线结构调节后的X-Y平面上的远场功率分布(H+V)。在图7中，绘制的峰值增益(H+V)＝0.32dBi，而绘制的平均涨幅(H+V)＝-4.98dBi。表示dB(各向同性)的dBi是天线与假设的各向同性天线相比的正向增益，各项同性的天线在所有方向上均匀分布能量。在H+V中，H表示水平方向，而V表示垂直方向。
图8是根据本发明一实施例的天线在X-Z平面的辐射模式图。图8是图12中所示天线结构调整后在X-Z平面上的远场功率分布(H+V)。在图8中，绘制的峰值增益(H+V)＝0.95dBi，而绘制的平均涨幅(H+V)＝-5.93dBi。表示dB(各向同性)的dBi是天线与假设的各向同性天线相比的正向增益，各项同性的天线在所有方向上均匀分布能量。在H+V中，H表示水平方向，而V表示垂直方向。
图9是根据本发明一实施例的天线在Y-Z平面的辐射模式图。图9是图12中所示天线结构调整后在Y-Z平面上的远场功率分布(H+V)。在图9中，绘制的峰值增益(H+V)＝-0.43dBi，而绘制的平均涨幅(H+V)＝5.69dBi。表示dB(各向同性)的dBi是天线与假设的各向同性天线相比的正向增益，各项同性的天线在所有方向上均匀分布能量。在H+V中，H表示水平方向，而V表示垂直方向。
图10是根据本发明一实施例的包含天线的插片1000的示意图。如图10所示，在顶层水平扩展的辐射元件的多个U型转弯在最左边和最右边大致相同的水平位置转弯。
图11是根据本发明一实施例的图10中所示天线的阻抗史密斯圆图1100。在图11中，位于史密斯圆图同一圈上的点具有相同的电阻(实部)，横轴值为1的为史密斯圆图的圆心，等于50欧姆。史密斯圆图最大圈最左边的点表示短路，而最大圈最右边的点表示开路。在图11中，标记m2的频率为2.29GHz，离史密斯圆图圆心最近，表示这时天线谐振在2.29GHz。请注意，点m1的2.4GHz为本发明设计是想要达到的谐振频率。
图12是根据本发明另一实施例的包含天线的插片1200的示意图。与图10中所示的插片1000相比，图12所示的辐射元件的顶层的右边第一个U型转弯、右边第三个U型转弯和左边第三个U型转弯与图10中所示的辐射元件的顶层中对应的转弯相比，是缩进去的。由于与图10中的天线相比，图12中所示天线减小了辐射元件顶层和底层之间的重叠区域的面积，图12中天线的电容与图10中天线的电容相比减小了。进一步地，由于在图12中辐射元件顶层的长度相对于图10中辐射元件顶层的长度减小了，从而减小了辐射元件顶层的等效电感，因此相对于图10中的天线，图12中天线的天线电感也减小了。此外，虽然图12中仅示出辐射元件顶层的长度是可调的，相应的，也可以调整底层的长度。
图13是根据本发明一实施例的图12中所示天线的阻抗史密斯圆图1300。与图11相比，可清楚的发现，在2.4GHz的点m2变成了谐振频率，因为其与匹配阻抗50欧姆距离最近。再参考上述图12和3，调节辐射元件的顶层和底层之间的重叠区域的面积，和调整辐射元件顶层的长度，等效于调节图3中的L2、C2和L3，从而实现阻抗匹配。
本领域技术人员应当理解，可以将不同实施例中的元件进行组合以产生另一个技术方案。该书面说明书使用实例来公开本发明，包括最佳实施方式，并且为了使本领域任何技术人员能实施本发明，包括了制造和使用任何装置或系统，以及执行任何所结合的方法。本发明的专利范围由本权利要求书限定，并可包括本领域技术人员想到的其他实例。这些其他实例如果具有与本权利要求书的文字语言相同的结构元件，或包括与本权利要求书的文字语言没有本质区别的等同结构元件，则这些其他实例也在该权利要求书包含的范围之内。
虽然参照示例的具体实施例对本发明进行描述，但本发明不限于此处描述的各实施例，并且在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以通过修改或变化的形式来实施本发明。因此，说明书和附图应被视为示例性的而非限制性的。
依前述内容，可以理解，出于示例的目的已在本申请中对本技术的特定实施例进行描述，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以作出各种修改。相应地，本发明只受所附的权利要求书的精神的限制。
本领域的技术人员在实践要求保护的本发明时，可以通过研究附图、所揭示的内容和所附的权利要求来理解并实行对已揭示的各实施例进行其他变化。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。即使特定的特征被记载在不同的从属权利要求中，本发明仍然涉及包括所有这些特征的各实施例。在权利要求书中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。
各种实施例的各特征和各方面可以被并入其它实施例，并且在没有示出或描述全部的特征或方面的情况下可以实施本文中所示的各实施例。本领域技术人员可以理解，虽然出于示例的目的已对系统和方法的特定实例和实施例进行了描述，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以作出各种修改。并且，一个实施例的各特征可并入其它实施例中，即使那些特征在本文中没有在单个实施例中一起进行描述。因此，本发明由所附的权利要求书进行说明。

Claims (4)

1.一种天线，其特征在于，包括：
辐射元件，所述辐射元件包括多个叠放的层，其中辐射元件的每个层包括曲折金属走线；
馈电点，与辐射元件的多个叠放的层中的一个层连接，并被配置为传输射频信号；和
金属化通孔，被配置为与辐射元件的所述多个叠放的层连接；以及
有限接地点，与所述辐射元件的第一层或辐射元件的第二层中的一个层连接；
其中，辐射元件被配置为收发射频信号；并且，
所述辐射元件的多个叠放的层包括辐射元件的第一层和辐射元件的第二层，其中所述第一层和第二层之间的重叠区域的面积被配置为根据阻抗匹配要求进行调节，以调节所述天线的等效电路的电容和电感，并且，
所述辐射元件的第一层和辐射元件的第二层中的至少一个层的走线长度被配置为可调节的，以调节所述第一层和第二层之间的重叠区域的面积，或者调节辐射元件的第一层和辐射元件的第二层中的至少一个层的走线宽度，以调节所述第一层和第二层之间的重叠区域的面积。
2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述辐射元件的第一层中相互平行的走线部分与辐射元件的第二层中相互平行的走线部分垂直。
3.一种形成天线的方法，其特征在于，包括：
在衬底上形成辐射元件的多个叠放的层，其中，辐射元件的每个层包括曲折金属走线；
将馈电点与辐射元件的多个叠放的层中的一个层连接，其中，该馈电点被配置为传输射频信号；并且
配置金属化通孔与辐射元件的所述多个叠放的层连接；以及
在衬底上形成有限接地点，该有限接地点的一端与所述辐射元件的第一层或辐射元件的第二层中的一个层连接；
其中，辐射元件被配置为收发射频信号；并且，
根据阻抗匹配要求调节第一层和第二层之间的重叠区域的面积；并且，所述根据阻抗匹配要求调节第一层和第二层之间的重叠区域的面积的步骤还包括：如果需要增大天线的等效电路的电容，则增大所述第一层和第二层之间的重叠区域的面积，或者如果需要减小天线的等效电路的电容，则减小第一层和第二层之间的重叠区域的面积；并且，通过调节辐射元件的第一层和辐射元件的第二叠层中的至少一个层的长度，或者通过调节辐射元件的第一层和第二层中的至少一个层的走线宽度，实现对第一层和第二层之间的重叠区域的面积的调节。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述辐射元件的第一层中相互平行的走线部分与辐射元件的第二层中相互平行的走线部分垂直。
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