CN107528116B - Pcb天线 - Google Patents

Abstract

一种天线(200)包括天线体(212)。该天线体被一体地形成为PCB(210)的一部分，并且该天线体被金属包围。该天线体可以被在PCB的顶层和底层上的铺或镀金属以及沿着天线体周边的侧面镀金属包围。

Description

PCB天线

技术领域

本文的实施例涉及布置在印刷电路板PCB上的天线。此外，它们也涉及包括此天线的PCB，收发器和无线数据采集装置。

背景技术

天线是一种将电能转换为无线电波的电子装置，反之亦然。它通常与包括发射机和接收机的射频(RF)收发器一起使用。天线是所有使用无线通信设备的基本元件。它们用于诸如广播和电视广播，双向无线电，通信接收机，雷达，蜂窝电话，卫星通信诸如全球定位系统(GPS)，无线扬声器和音频(WISA)系统，Zigbee或Z-波系统和无线局域网(WLAN)，以及其他无线通信设备，例如无线麦克风，支持蓝牙的设备，无线计算机网络，婴儿监视器，产品上的RF识别(RFID)标签，无线数据采集装置诸如照相机，实体访问控制系统(PACS)控制器，如车库门开启器，建筑物门控制器，以及网络录像机，家庭自动化设备，数据记录器等。

天线有各种类型，天线的选择可以取决于不同的应用，可用的PCB尺寸，成本，RF范围和方向性。例如，对于2-10GHz的应用，以下类型的天线被广泛采用：

线天线：这是一种由PCB向自由空间伸展的一根导线，其长度匹配于λ/4在接地板之上。线天线由于其尺寸和三维辐射而提供良好的性能和射频范围。导线可以是直线，螺旋或环。这是一种三维(3D)结构，天线从PCB表面以4-5毫米的高度突出到空间。

PCB板天线：这是一种在PCB上绘制的痕迹或条纹线。根据天线类型和空间限制，这种天线可以是直线，倒F型，曲折型，圆形或蠕动曲线。在PCB天线中，天线成为与PCB处于同一平面的二维(2D)结构。PCB天线需要更多的PCB面积，而且效率比线天线低。它便宜且易于制造，并且具有可接受的无线应用范围，例如蓝牙低能量(BLE)应用。然而，这种类型天线的问题是PCB材料成为天线的一部分。不同的PCB材料和不同的PCB厚度将具有不同的相对电介常数(εr)，从而有不同的电介损耗，这将影响天线的辐射效率。因此，如果PCB的材料和厚度改变了，天线的设计和调谐则必须改变。

在CN103928757中提出了解决这个问题的一种方案，如图1所示，天线100设置在PCB 110的板边上并且连接到PCB上的微控制器单元(MCU)120。天线100是由顶层铺铜101，侧面铺铜102和底层铺铜103相互连接在一起构成。以这种方式，天线在PCB的顶层，侧面和底层所有部分都可以具有优异的信号，从而改善了PCB天线的方向性。然而，PCB 110仍然是天线100的组成部分，并因此影响天线100的RF特性。

WO 03/077360阐述了一种天线装置，包括一个平面接地基板，具有无线电信号馈电点的平面主辐射元件和平面附加元件。所述接地基板，主辐射元件和附加元件优选地由单片导电材料形成，并且在一个实施例中，它们被从印刷电路板上的金属层蚀刻出来。在一个实施例中，所述接地基板在印刷电路板的一层上形成，而所述主辐射元件和所述附加元件在所述印刷电路板上的另一层上形成。接地基板和天线可以基本上位于同一平面中。

US 2002/145567阐述了一种天线结构，它是通过将可镀塑料天线元件模制成所需形状而形成的。模制天线元件基本上完全用导电金属材料电镀。天线组件包括模制和电镀的天线结构，附着连接到电介质基座上，适于安装在一个合适的支撑物件上诸如印刷电路板。天线结构和电路板通过一个接触弹簧夹相互接合。

US 2015/263430阐述了一种包括接地板和接地延伸支路的天线结构。接地板有一个槽。接地延伸支路设置在槽中，并且被耦合到接地板。天线结构还可以包括诸如FR4(阻燃剂4)基板，系统电路板或FPCB(软性印刷电路板)的电介质基板。天线结构的接地板和槽在电介质基板的表面上形成。

发明内容

鉴于上述，本文实施例的目的是提供具有改进性能的PCB天线。

根据本文的实施例的一个方面，该目的由一种天线包括天线体来实现。该天线体被一体地形成为PCB板的一部分，该天线体被金属包围。

在一些实施例中，该天线体可以由在PCB板顶层和底层上的镀或铺金属，以及沿着该天线体周边的侧面镀金属包围。

在一些实施例中，该天线体可以从PCB的板边延伸出来。或者，该天线体可以被PCB板材料包围，在该天线体的大部分周边和周围的PCB之间存在空气间隔。

值得注意，形成天线体的PCB材料被金属封闭或包围，因此PCB材料不会影响天线的性质。反而，天线体基本上变成金属体。此外，天线体可以被布置成从PCB的板边延伸出来，或者布置在PCB板的内部，但是在天线体的大部分周边和其周围的PCB板之间留有间隔。在这种示例中，天线体基本上与PCB其它部分和其周围的PCB隔离。因此，PCB其他部分和其周围的PCB不会影响天线的RF性能。

由于根据本文实施例的天线是由PCB一体形成而成为PCB的一部分，所以它可以方便且直接地通过金属迹线连接到在同一PCB上的其它部件而不需要额外零件或部件。此外，根据本文实施例的天线可以达到与线天线相同的优点，即非常好的性能和RF范围，因为天线体通过被包围在金属中而实际上成为金属体，因此成为三维3D结构，可以实现向自由空间三维辐射。同时，它通过一体形成而成为PCB的一部分，具有较少的部件并占用较少的空间和垂直高度，克服了线天线的缺点。这是因为线天线或其他任何附加的，分离的天线都是一个附件，需要额外的部件来附着到PCB上。此外，根据本文实施例的天线的设计参数，例如金属迹线宽度和长度，不需要被调整或改变，并且可以应用于具有不同厚度和相对电介常数的各种PCB。此外，根据本文的实施例，不需要额外的制造工艺来制造天线，这意味着没有额外的成本。

因此，根据本文实施例的PCB天线具有改进的性能，体积小而成本低，并且不受PCB特性的影响。所述天线的设计是稳定和准确的，可以应用于各种PCB而无需调整。

根据本文的实施例的其他方面，该目的由包括天线的PCB，收发器和无线数据采集装置来实现。该天线包括由一体形成而成为PCB一部分的天线体，该天线体被金属包围。

附图说明

下面对照附图，对实施示例将作更详细地描述，其中：

图1是根据现有技术的PCB天线；

图2a是包含根据本文实施例的天线的PCB的俯视图；

图2b是包含图2a所示天线的PCB的一部分的示意透视图；

图3是一个示意图示出根据本文实施例的PCB天线；和

图4是一个框图示出可以应用根据本文实施例的天线的无线数据采集装置。

具体实施方式

图2a是PCB 210的俯视图，其中示出了PCB天线200的一个实施例。PCB天线200包括由一体形成而成为PCB 210一部分的天线体212。在该示例中，天线200被设计为用于2.4GHz和5GHz的双频带天线。该天线体212具有F形，从其余PCB的板边延伸出大约16mm并且横跨大约22mm。应该注意的是，如果选择另一种设计和形状，天线将有其它尺寸。天线体212是沿着它的大部分周边从PCB板切割出，除了两个端部214，216之外，在那里它从PCB 210的剩余部分延伸出来。天线体212被金属，例如铜，包围或封闭。这可以通过各种工艺来完成。根据本文的一些实施例，天线体212可以被PCB 210的顶层和底层上的镀或铺金属，以及沿着天线体212周边的侧面镀金属包围。

图2b示出了天线体212的透视图。通常在PCB的顶层和底层上已经有铺或镀的金属层或金属迹线，因此天线体212的顶层和底层221，222被金属覆盖。当切割出天线体212时，天线体212的切割边缘暴露在空气中。为了包围天线体212，对天线体212的切割边缘可以进行侧面镀金属，例如铜。如图2b所示，天线体212的边缘沿着其与PCB分割开的周边被侧面镀金属，其中标有218，219的边缘是可见的。天线体的侧面电镀是一种正常工艺，例如可在给过孔边沿电镀时进行。当切割边缘被侧面镀金属封闭时，天线体212被金属包围。虽然天线体212与PCB 210的其余部分是一体的，这也将天线体212基本上转变为金属体。因此，天线体212变成三维(3D)结构，并且可以实现向自由空间三维立体辐射，类似于线天线，这意味着它可以具有很好的性能和射频范围。

此外，在本实施例中，如图2a和2b所示，天线体212从PCB 210的板边缘延伸出来。这具有在天线体周围提供自由空间的优点。

为了节省空间并有效地利用可用的PCB面积，根据本文的一些实施例，如图3所示，天线体可布置在PCB 310上。PCB天线300包括天线体312。天线体312被PCB材料包围，在天线体312的大部分周边和其周围PCB 310之间存在气隙320。天线体312在端部314，316从PCB310的剩余部分延伸出来。以这种方式，天线体312在PCB 310中形成一个带有一个围绕它的“护城河”的“半岛”，天线体312基本上与PCB 310的其它部分和其周围的PCB 310隔离。因此，PCB其它部分和其周围的PCB不会影响RF特性。天线体312以与上述图2a和2b所示的天线体212相同的方式被金属包围。在本实施例中，天线体312具有倒F形。在其周围的PCB上，可以放置一些元件，以便有效利用可用的PCB面积。此外，由于天线体312位于PCB内部且不从PCB 310延伸出来，所以天线300不需要额外的空间。

尽管两个示例性实施例中的天线体212，312具有F形和倒F形，但是天线体212，312可以被设置为具有取决于天线类型和空间限制的任何形状，例如直线形状，L形，曲折形状，曲折倒F形，圆形，蠕动曲线等。

决定天线辐射阻抗，频率选择性，带宽和中心频率的设计参数，例如天线体212，312的顶层和底层的金属宽度，天线长度，天线馈电结点等，将与如上所述的各种形状的常规PCB天线具有相同的考虑。然而，根据本文实施例的天线200，300的设计不需要调整或改变，并且可以应用于具有不同厚度和相对电介常数的各种PCB，因为天线体212，312被金属包围并与PCB的其余部分隔离。也就是说，设计注意事项与普通PCB天线相同，但不必考虑PCB材料的不同特性。

由于根据本文实施例的天线200，300被一体地形成为PCB 210，310的一部分，所以它可以方便且直接地通过金属迹线，例如通过与天线体212，312的顶层或底层上相同的金属迹线，连接到PCB 210，310上的其它元件，例如在同一PCB上的馈电端口，传输线，阻抗匹配网络，天线转换开关，滤波器等，而不需要额外的元件或部件。与目标阻抗作阻抗匹配也很容易。对于收发器，目标阻抗可以是，例如50Ω。

根据本文实施例的天线200，300可以被设置用于任何一个蓝牙，BLE，GPS，WISA，Zigbee，Z-波和WLAN应用，并且适用于2-10GHz无线电运作频率。

根据本文实施例的天线200，300适用于任何无线通信设备，或适用于需要天线的任何电子设备。图4示出了无线数据采集装置400，根据本文实施例的天线200，300可以应用于其中。无线数据采集装置400可以是任何一个摄相机，如监视摄像机，或PACS控制器，网络视频记录器，家庭自动化设备，数据记录器等。无线数据采集装置400包括PCB 410，使用根据本文实施例的天线200，300的收发器412。无线数据采集装置400可以包括其他元件，例如用于信息存储和信号处理等的存储器420和处理器430。存储器420和处理器430可以放置在与天线200，300同一个PCB 410上。

总而言之，根据本文实施例的天线200，300包括一些优点：

首先，形成天线体212，312的PCB材料被金属完全封闭或包围，因此不会影响天线的特性。

第二，天线体212，312基本上与PCB其它部分和其周围PCB隔离，因此PCB其它部分和其周围的PCB不会影响天线的特性。

第三，天线200，300可以通过金属迹线方便且直接地连接到同一PCB上的其它部件，不需要额外的元件或部件。

第四，根据本文实施例的天线200，300可以实现很好的性能和RF范围。

第五，根据本文实施例的天线200，300使用较少的部件，占用较少的空间和垂直高度。

第六，根据本文实施例的天线200，300不需要调整或改变，并且可以应用于具有不同厚度和相对电介常数的各种PCB。

此外，不需要额外的制造工艺来制造根据本文实施例的天线200，300，这意味着不需要额外的成本。

当使用词语“包括”或“包含”时，它应被解释为非限制性的，即意为“至少包含”。

这里的实施例不限于上述优选实施例。可以使用各种替代方案，修改和等同结构。因此，上述实施例不应被视为限制由所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims (9)

1.一种天线(200，300)，包括由印刷电路板PCB材料形成的天线体(212，312)，其中所述天线体(212，312)是通过沿着它的大部分周边从PCB板切割出而被一体地形成为所述PCB(210，310)板的一部分，并且所述天线体(212，312)被在PCB板顶层和底层(221，222)上的铺或镀金属以及沿着该天线体(212，312)周边的侧面镀金属(218，219)包围，并且所述天线体(212，312)从所述PCB(210)的板边延伸出来。

2.根据权利要求1所述的天线(200，300)，其中所述天线体(312)被PCB板材料包围，所述天线体(312)的大部分周边与其周围PCB板之间存在空气间隔(310)。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的天线(200，300)，其中所述天线被设置用于任何一个蓝牙，蓝牙低能量BLE，全球定位系统GPS，无线扬声器和音频WISA，Zigbee，Z-波和无线局域网WLAN应用。

4.根据权利要求1-2中任一项所述的天线(200，300)，其中所述天线体(212)具有F形。

5.根据权利要求3所述的天线(200，300)，其中所述天线体(212)具有F形。

6.一种印刷电路板PCB(210，310，410)，包括根据权利要求1-5中任一项所述的天线(200，300)。

7.一种收发器(412)，包括根据权利要求1-5中任一项所述的天线。

8.一种无线数据采集装置(400)，包括根据权利要求7所述的收发器(412)。

9.根据权利要求8所述的无线数据采集装置(400)，包括任何一个摄相机，实体访问控制系统PACS控制器，网络视频记录器，家庭自动化设备，数据记录器。

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