CN108292801A - 具有高增益的低轮廓天线 - Google Patents

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Abstract

公开了具有至少一对导电焊盘(5，7)和第二对间隔开的导电焊盘(1，3)或单个焊盘的天线(2)，其中焊盘相互间隔开，相对于接地平面(13)平行或倾斜。

Description

具有高增益的低轮廓天线
技术领域
本发明涉及天线。在一种形式中，它涉及特别适用于但不限于集成在电子设备中的天线。天线可以用于增加电子设备操作中使用的无线电信号的信号强度。
背景技术
近年来，消费电子产品的增长显着。这种消费电子产品包括但不限于电视机、显示器、移动电话、智能手机、平板电脑、膝上型电脑、个人电脑、便携式游戏机、智能手表和智能设备。随着这些设备在日常生活中变得越来越普遍，这些设备需要能够无线电接收，无论是用于连接到互联网、其他设备或者仅用于接收信息。这种需求加上小型化这些设备的趋势，无论是出于美学和/或便携性的原因，意味着无线连接是唯一可行的选择。
大多数这些设备的传统方法是使相关的接收/发射天线小型化。尽可能使天线小型化到一定程度，同时仍能实现可接受的性能。然而，在理想条件下通过可接受的性能会在实际使用中迅速退化为不可接受的性能。例如，中间对象、相邻设备、信号和天线可能意味着接收信号的强度最差，而天线的低性能几乎无法改善情况。当天线用于连接互联网时，这可能导致数据包的丢失。在低带宽应用中，这可能不被注意到，但随着高带宽应用(例如720p、1080p、超高清电视、游戏流服务等)的出现，可靠且稳定的连接是必需的。
此外，许多消费电子设备也能够以至少两个单独的频率(即频带)接收数据包。理想情况下，这是通过一个能够接收所有频带的单个天线实现的。此外每个频带必须具有可比较的性能，因为无法保证特定的频带可用(即诸如路由器的发射设备可能不符合IEEE802.11的最新迭代，并且仅在2.4GHz提供802.11b和g，而不是在5GHz的优选802.11n。)
因此，需要一种具有高增益且低方向偏好但低轮廓的天线，以使其可用于各种电子设备中。
根据本发明，提供了如权利要求1所述的天线。天线包括设置在第一平面中的一对导电焊盘，用于至少一对导电焊盘中的每个焊盘的天线馈送装置，所述一对焊盘关于第一平面上的虚线对称并与其间隔开，设置在所述平面中的第二对间隔开的导电焊盘或单个焊盘，所述第二对焊盘或所述单个焊盘沿所述虚线与所述第一对焊盘间隔开，与所述第一对焊盘电绝缘，并且关于所述虚线对称以及在大致平行的平面中取向的接地平面，其中接地平面与焊盘间隔大约1/24λ到1/6λ的值，或者接地平面的方向相对于第一平面成角度并与其间隔开，其中接地平面与焊盘在一端间隔大约1/6λ或1/24λ，而在相对端处大约为1/12λ，其中λ是天线工作频率的波长。天线是低轮廓的、具有高增益且低方向偏好。可以使用的间隔的范围以及相对于接地平面倾斜焊盘的灵活性导致天线具有良好的性能(即高增益)，同时保持天线设计相对于其可以被布置的电子设备的灵活性。本发明的其他特征在从属权利要求中阐述。
当接地平面被定向在基本上平行的平面中时，接地平面可以与焊盘间隔大约1/12λ、1/24λ或1/6λ。使用这些间隔中的任何一个都会导致天线相对于其可以布置天线的电子设备在性能和设计灵活性之间取得最小的折衷。
天线可以配置用于包括第一操作频率和第二操作频率的双频带操作，其中第二操作频率大约是第一操作频率的两倍。天线在第一和第二操作频率处具有良好的阻抗匹配。
第一和第二对导电焊盘中的每个焊盘可以具有相同的尺寸，和/或第一和第二对导电焊盘中的每个焊盘相对于其他焊盘具有尺寸和间隔，以便在第一和第二操作频率处允许共振。这进一步改善了在第一和第二操作频率处的阻抗匹配。
接地平面可以通过绝缘体与焊盘间隔开。这可以“调谐”天线的特性，包括性能。
天线可以进一步包括至少一个第三导电单个焊盘或一对焊盘，其设置在第二平面中并且与第一和第二对导电焊盘电绝缘，第三导电单个焊盘或一对焊盘关于虚线对称。这允许提高天线的增益。
当涉及平面时，第一平面与第二平面的区别在于第一平面相对于第二平面的定向。垂直或水平偏离平面并与平面平行的平面认为是与偏移平面相同的平面。
第一和第二平面可以基本上正交。这优化了天线增益的提升。
天线可以进一步包括至少一个在第二平面上的第四导电焊盘或一对焊盘，所述第四导电焊盘或一对焊盘与至少一个第三导电焊盘或一对焊盘间隔开，并且与至少一个第三导电焊盘或一对焊盘电绝缘，且关于虚线对称。这可以进一步提升天线增益。
每个焊盘一般为长方形或梯形。该形状可以用来调谐天线的操作特性。
接地平面可以包括导电面板。这最大化了天线提供的增益。
面板可以是LCD、LED、OLED、AMOLED、等离子体等的显示面板的盖。这提供了与天线一起使用的有效接地平面。
显示面板可以安装在电子设备内，并且第一焊盘和第二焊盘安装在电子设备的外壳上。这允许在相对于由显示面板提供的接地平面定位焊盘时的最大灵活性。
第一和第二焊盘可以安装在外壳的内部或外部，或者嵌入其中。这使得天线可以很容易地集成到现有的消费电子设备中，而不会增加设备的尺寸。
接地平面连接到电子设备的电子系统的接地，以优化显示面板作为接地平面的有效性。
至少一个第三导电焊盘或第三对焊盘可以布置在电子设备的壁托架或电子设备的支架内，和/或至少一个第四导电焊盘或第四对焊盘可以布置在电子设备的壁挂支架上或电子设备的支架内。这允许天线很容易地集成到现有的消费电子设备及其支撑结构中，而不增加设备及其支撑结构的整体尺寸。
天线原则上可以与任何电子设备一起使用，例如电视机、监视器、移动电话、智能手机、平板电脑、膝上型电脑、个人电脑、便携式游戏机、智能手表、机顶盒、智能打印机和智能设备。
天线系统可以使用两个天线形成，其中接地平面对于两个天线是公共的。这允许使用MIMO实施方式。
附图说明
图1示出了与接地平面一起使用以形成天线的阵列；
图2示出了图1的天线的XY和YZ标高；
图3示出了在2.4GHz处图1的天线的增益；
图4示出了在5GHz处图1的天线的增益；
图5示出了图2的替代天线；
图6示出了可用于提升天线性能的附加阵列；
现在将参考附图以举例的方式描述根据本发明的用于电子设备的优选天线。
如图1所示，天线2在XY平面(即第一平面)中包括四个间隔开的焊盘1、3、5和7。如图所示的焊盘1、3、5和7可以具有从y侧到x侧(即，与x-x和y-y方向成角度的边缘)的完全或部分锥形的边缘。焊盘1、3、5和7可以是铝箔1、3、5和7。铝箔的厚度大约为200×10-10米，这给出了每平方约1.5欧姆的电阻。这些焊盘可以由硬纸板(通过热箔阻挡将焊盘层压到其上)的片材9支撑。该箔可以用电绝缘漆涂覆。该装置可以通过将铝溅射到所需厚度的漆涂层背衬表面上来制造。然后用粘合剂涂覆铝，并将组合热箔用邻近片材的粘合剂阻挡在片材9上。将背衬表面剥离，留下片材9，焊盘1、3、5和7以及粘合在一起的漆外涂层。
或者，与使用片材9相反，可以由其中使用天线2的设备支撑焊盘。
从焊盘1、5中获取馈送17以获得期望频率的信号。
每对焊盘1、3和5、7分别关于XY平面上的虚线y-y间隔开并对称。
天线还包括导电的材料片材13。导电的材料片材13用作天线的接地平面。在一个方面，如图2所示，接地平面与焊盘1、3、5和7处于同一平面内(即第一平面)，但是与焊盘1、3、5和7间隔开(即焊盘1、3、5和7平行于接地平面13)。在这个方面，该间隔可以是从大约1/24λ到1/6λ的值，其中λ是天线的操作频率的波长。间隔可以包括绝缘体19以调谐操作频率或其他天线特性。
可以理解的是，焊盘的尺寸可以根据操作频率而变化。例如，可以改变锥形边缘的配置以优化性能。其他配置包括基本上正方形或梯形。
例如，在2.4GHz实施方式的第一变型中，焊盘1、3、5和7各自具有约3.875cm的最大y尺寸和约3.75cm的最大x尺寸。在y-y方向上的焊盘之间的最大间隔约为1.25cm，以给出约9cm的总y尺寸。在x-x方向上的焊盘之间的最大间隔约为0.5cm，以给出约8cm的总x尺寸。在这种情况下，接地平面与焊盘3、5、7和9之间的间隔将对应于大约1.04cm(在2.4GHz处为约1/12λ)。
采用这种布置，如图3所示，天线具有约14dB的高增益。还观察到天线具有较低的方向偏好。
在2.4GHz实施方式的第二变型中，上述关于2.4GHz实施方式的第一变型的焊盘的规定尺寸可以保持，并且接地平面和焊盘1、3、5和7之间的间隔可以降低至约0.5cm(在2.4GHz处为约1/24λ)。或者，在2.4GHz实施方式的第三变型中，关于2.4GHz实施方式的第一变型的焊盘的上述指定尺寸可根据接地平面与焊盘1、3、5和7之间的间隔的减小来缩放。无论哪种情况，天线仍然具有约13dB的高增益。
类似地，在2.4GHz实施方式的第四变型中，焊盘1、3、5和7可各自具有约4cm的最大y尺寸和约4cm的最大x尺寸。在y-y方向上的焊盘之间的最大间隔约为2cm，以给出约10cm的总y尺寸。在x-x方向上的焊盘之间的最大间隔约为0.5cm，以给出约8.5cm的总x尺寸。在这种情况下，接地平面和焊盘3、5、7和9之间的间隔为约2.13cm(在2.4GHz处为约1/6λ)。具有这种第四配置的天线仍然具有约12dB的高增益。
上述第一、第二、第三和第四变型全部表明，接地平面与焊盘1、3、5和7之间的间隔以及焊盘1、3、5和7自身的形状/尺寸之一或两者可以改变，而不会不利地影响天线2的性能。因此，距接地平面适当距离的焊盘间隔允许采用低轮廓、高增益天线，并且具有较低的方向偏好。
对于上述所有第一、第二、第三和第四变型，接地平面与焊盘1、3、5和7之间的间隔是相对于在2.4GHz处的操作频率的波长。原则上，天线可以设计用于任何频率的操作(即改变接地平面和焊盘之间的间隔作为频率和波长的函数)。如上所述，也可以考虑改变焊盘的尺寸及其间隔。
对于图3中的结果所涉及的以上第一变型，约8cm的总x尺寸对应于2.4GHz处的约2/3λ，其在5GHz处也是4/3λ(类似地，接地平面与焊盘之间的间隔在2.4GHz处为约1/12λ以及在5GHz处为约1/6λ)。当焊盘以这种方式配置时，天线在2.4GHz和5GHz处都具有良好的阻抗匹配。如图4所示，在5.2GHz处具有约14dB的高增益。还发现天线2在5.2GHz处也具有较低的方向偏好。相应地，实现了具有高增益的双频带天线。
观察到第四种变型的类似结果，其中增益在5.2GHz处为约13dB。
因此，改变焊盘的尺寸和其间隔，以及作为频率(并且因此波长)的函数的接地平面和焊盘之间的间隔可以允许天线在任何第一和第二操作频率处谐振，其中第二频率大约是第一频率的两倍。
在上述所有第一、第二、第三、和第四变型的替代方面中，如图5所示，接地平面被定向在相对于焊盘1、3、5和7的平面(即第一平面)成一定角度的平面内，并与平面间隔开。片材与焊盘在一端间隔为1/6λ或1/24λ，而在相对端处大约为1/12λ。在这种配置下，关于上述任何配置的性能不明显降低，例如，约1dB。当存在可能使用天线的设备施加约束时，此配置很有用。这种约束可以被容纳而不会对天线的性能产生不利影响。因此，相对于接地平面的焊盘的间隔和方向允许实现具有低方向偏好的低轮廓高增益天线。
如图6所示，天线2还可以包括附加的焊盘21、23、25、27、29和31，其关于XZ平面中(即第二平面)的虚线y-y对称地布置。焊盘1、3、21、23、25、27、29和31充当焊盘5和7的寄生反射器。焊盘21和23与焊盘25、27、29和31处于同一平面内，但是在y-y方向上间隔开。
也可以通过将铝箔焊盘通过热箔阻挡层压到硬纸板9的各自片材上来形成焊盘21、23和25、27、29、31。铝箔的厚度大约为200×10-10米，这给出了每平方约1.5欧姆的电阻。该箔上覆盖有电绝缘漆。该装置可以通过将铝溅射到所需厚度的漆涂层背衬表面上来制造。然后用粘合剂涂覆铝，并将组合热箔用邻近片材的粘合剂阻挡在片材上。将背衬表面剥离，留下片材，焊盘21、23和25、27、29、31以及粘合在一起的漆外涂层。或者，(并且如上所解释的)，而不是使用片材9，可以通过其中使用天线的设备支撑焊盘。
位于XZ平面中的焊盘可以用于提升天线2的性能。应该理解的是，XZ平面中的尺寸和数量(即大于或少于焊盘21、23、25、27、29、31)可以变化。它们的形状和尺寸可以与焊盘1、3、5和7相似或不同(例如基本上正方形或梯形)。
在所示出的另一个变型中，任何或所有的焊盘对1和3、21和23、25和27、29和31合并形成一个连续的焊盘，该焊盘关于XZ平面中的虚线y-y对称地布置，以充当焊盘5和7的寄生反射器。
进一步使得非馈送对的焊盘短路可以提高频带选择性，并且这可以通过在每个焊盘上的小面积裸露箔片上进行短路来实现。
相对于彼此更改焊盘所在的平面会改变天线输出。例如，尽管焊盘21、23、25、27、29和31布置在XZ平面，它们也可能布置在XY平面(或者与焊盘1、3、5和7一致，或者在z-z方向上与其间隔开)。在这些布置中，焊盘21、23、25、27、29和31将沿着虚线布置，但定位成使得它们关于虚线y-y对称。
天线2优选集成在消费电子设备中。这种可集成天线的设备通常具有诸如LCD、LED、OLED、AMOLED、等离子等的显示面板。显示器的面板通常是导电的并且因此可以用作天线2的接地平面13。为了进一步提高显示面板作为天线2的接地平面的有效性，馈送17中的一个可以电耦合到消费电子设备的电子系统的接地连接。通常，显示面板连接到消费电子设备的电子系统的同一接地连接。类似地，本领域技术人员可以理解，电子系统的接地连接可以是系统接地、信号接地、电路接地、底盘接地或等效。
消费电子设备的外壳也可支撑可安装在外壳内部或外部的焊盘1、3、5和7，或嵌入其中以实现显示面板(接地平面)的焊盘1、3、5和7的任何期望的间隔(例如上述第一、第二、第三和第四变型)。
在一个实施例中，焊盘21、23和25、27、29、31可以分别与消费电子设备的壁托架和支架一体化(因此使用壁托架和支架中的一个或两个可以提高天线2的性能)。例如，天线2可以容易地集成在平板电视中，其中电视的显示面板用作接地平面13以嵌入电视机外壳中的焊盘1、3、5和7。这种布置允许电视机通过天线2(由于其高增益，低方向性偏好)接收2.4和5GHz频带的数据，而很少或没有数据包的丢失。当与壁托架一起使用和/或与各自的焊盘21、23和25、27、29、31一起时，(或者在增强天线2的增益的位置上支撑焊盘21、23和25、27、29、31的任何其他)数据包丢失的可能性进一步降低。
原则上，根据本文公开的原理，天线2可以集成到任何消费电子设备中。
此外，可以使用两个天线2(即，上面公开的任何变型)形成天线系统，其中接地平面13对于两个天线都是公共的。这允许使用多输入和多输出MIMO实施方式。
虽然这些焊盘被描述为通过将铝箔焊盘通过热箔阻挡层压到坚硬的硬纸板上而形成，但是可以使用薄导电材料形式的焊盘，例如铝制成以呈现为箔型焊盘。此外，可以通过选择具有诸如介电常数、厚度和导体类型的适当特性的材料从微波材料制造箔型焊盘。因此，使用字箔用于表示由箔形成的焊盘和以其他方式形成的以箔型元件形式类似存在的焊盘。这些类型的焊盘也可以与电视、电视墙托架和/或电视机架结合。这些焊盘的结构使得将内部和/或外部的元件部署在电视机、电视壁托架和/或电视机架上成为现实。
应该理解的是，该描述仅作为示例；可以对所描述的实施例进行替换和修改而不偏离权利要求中限定的本发明的范围。

Claims (22)

1.一种天线，包括：
一对设置在第一平面内的导电焊盘；
用于所述至少一对导电焊盘中的每个焊盘的天线馈送装置，所述一对焊盘关于所述第一平面上的虚线对称并与所述虚线间隔开；
设置在所述第一平面中的第二对间隔开的导电焊盘或单个焊盘，所述第二对焊盘或所述单个焊盘沿着所述虚线与第一对焊盘间隔开，与所述第一对焊盘电绝缘，并且关于所述虚线对称；以及
定向在基本上平行的平面中的接地平面，其中所述接地平面与所述焊盘间隔大约1/24λ到1/6λ的值；或者
定向在相对于所述第一平面成角度并与其间隔开的平面中的接地平面，其中所述接地平面在一端与所述焊盘间隔大约1/6λ或1/24λ，并且在所述另一端处大约为1/12λ；
其中λ是所述天线的操作频率的波长。
2.根据权利要求1所述的天线，当所述接地平面定向在基本上平行的平面中时，其中所述接地平面与所述焊盘间隔大约1/12λ。
3.根据权利要求1所述的天线，当所述接地平面定向在基本上平行的平面中时，其中所述接地平面与所述焊盘间隔大约1/24λ。
4.根据权利要求1所述的天线，当所述接地平面定向在基本上平行的平面中时，其中所述接地平面与所述焊盘间隔大约1/6λ。
5.根据前述权利要求中任一项所述的天线，其中λ是所述天线的第一操作频率的波长，以及所述天线配置用于双频带操作，双频带包括所述第一操作频率和第二操作频率，其中所述第二操作频率大约是所述第一操作频率的两倍。
6.根据前述权利要求中任一项所述的天线，其中第一和第二对导电焊盘中的每个焊盘都是相同的尺寸。
7.根据从属于权利要求5的权利要求6所述的天线，其中，所述第一和第二对导电焊盘中的每个焊盘相对于其他焊盘具有尺寸和间隔，以允许在所述第一和第二操作频率处发生谐振。
8.根据前述权利要求中任一项所述的天线，其中所述接地平面通过绝缘体与所述焊盘间隔开。
9.根据前述权利要求中任一项所述的天线，进一步包括设置在第二平面中并与所述第一和第二对导电焊盘电绝缘的至少一个第三导电焊盘或一对焊盘，所述第三对焊盘或第三单个焊盘关于所述虚线对称。
10.根据权利要求9所述的天线，其中所述第一和第二平面基本上正交。
11.根据权利要求10所述的天线，进一步包括在所述第二平面中的至少一个第四导电焊盘或一对焊盘，所述至少一个第四焊盘或一对焊盘与所述至少一个第三导电焊盘或一对焊盘间隔开，并且与所述至少一个第三导电焊盘或一对焊盘电绝缘并且关于所述虚线对称。
12.根据前述权利要求中任一项所述的天线，其中每个焊盘大致为矩形或梯形。
13.根据前述权利要求中任一项所述的天线，其中所述接地平面包括导电面板。
14.根据权利要求13所述的天线，其中所述面板是LCD、LED、OLED、AMOLED、等离子体等的显示面板的盖。
15.根据权利要求14所述的天线，其中所述显示面板安装在电子设备内并且所述第一和第二焊盘安装在所述电子设备的外壳上。
16.根据权利要求15所述的天线，其中所述第一和第二焊盘安装在所述外壳的内部或外部，或者嵌入其中。
17.根据权利要求15或16所述的天线，其中所述接地平面连接到所述电子设备的电子系统的接地。
18.根据从属于权利要求9至13的权利要求17所述的天线，其中所述至少一个第三导电焊盘或第三对焊盘设置在所述电子设备的壁托架中或壁托架上或所述电子设备的支架内或支架上。
19.根据从属于权利要求9至13的权利要求17所述的天线，其中所述至少一个第四导电焊盘或第四对焊盘设置在所述电子设备的壁托架中或壁托架上或所述电子设备的支架内或支架上。
20.根据从属于权利要求9至13的权利要求17所述的天线，其中所述至少一个第三导电焊盘或第三对焊盘设置在所述电子设备的壁托架中或壁托架上以及所述至少一个第四导电焊盘或第四对焊盘设置在所述电子设备的支架内或支架上。
21.根据权利要求14所述的天线，其中所述电子设备包括以下中的至少一个：电视机、监视器、移动电话、智能手机、平板电脑、膝上型电脑、个人电脑、便携式游戏机、智能手表、机顶盒、智能打印机和智能设备。
22.一种天线系统，所述系统包括：
根据前述权利要求中任一项所述的天线；以及
根据前述权利要求中任一项所述的另一天线，其中所述接地平面对于两个天线是共用的。
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