CN111106418B - 低频及直流信号隔离装置以及天线 - Google Patents

低频及直流信号隔离装置以及天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低频及直流信号隔离装置，包括：电介质的基材层；低频及直流信号隔离传输线，所述低频及直流信号隔离传输线构造在基材层的第一侧上，所述低频及直流信号隔离传输线具有输入端和输出端；金属层，所述金属层构造在基材层的第二侧上，所述基材层设置在所述低频及直流信号隔离传输线和金属层之间，在所述金属层上具有至少一个间隙，使得所述金属层至少分离成第一子区域和第二子区域，所述间隙构造用于阻断低频信号和直流信号中的至少一种信号；和金属板，在所述金属板和金属层之间设有介电层。由此能够有效地隔离低频信号和直流信号。此外，本发明还涉及一种带有这样的低频及直流信号隔离装置的天线。

Description

低频及直流信号隔离装置以及天线
技术领域
本发明涉及一种低频及直流信号隔离装置，特别是一种用于天线的低频及直流信号隔离装置。此外，本发明还涉及一种具有低频及直流信号隔离装置的天线。
背景技术
在天线系统、例如用于蜂窝通信系统的天线系统中，在同一传输线上可能会传输各种信号，例如射频信号、低频控制信号和/或直流信号。射频信号通常指的是由天线系统所发射和接收的信号。低频信号通常是控制信号、例如用于电调装置的控制信号。直流信号可以是用于为天线内的元件供电的一个或多个电源信号。
为了将射频信号与低频信号和/或直流信号相分离，需要在传输线路径上设置低频信号隔离装置，以便隔离低频信号。同时，该低频信号隔离装置也能隔离直流信号。目前做法是在PCB板上附加一个耦合层，以实现电容耦合并且因此实现低频和直流信号抑制。然而，这些方法极为复杂，并且成本也较高。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种能够克服现有技术中至少一个缺陷的低频及直流信号隔离装置。
本发明提供一种低频及直流信号隔离装置。所述低频及直流信号隔离装置包括：电介质的基材层；低频及直流信号隔离传输线，所述低频及直流信号隔离传输线构造在基材层的第一侧上，其中，所述低频及直流信号隔离传输线具有输入端和输出端；金属层，所述金属层构造在基材层的第二侧上，所述基材层设置在所述低频及直流信号隔离传输线和金属层之间，其中，在所述金属层上具有至少一个间隙，使得所述金属层至少分离成第一子区域和第二子区域，其中，所述间隙构造用于阻断低频信号和直流信号中的至少一种信号；和金属板，在所述金属板和金属层之间设有介电层。
根据本发明，该低频及直流信号隔离装置节约了布线空间。此外该低频及直流信号隔离装置仅需在铜层上开槽以形成间隙，因此结构简单、容易操作、成本可控。
在一些实施方式中，所述介电层包括阻焊层和/或空气。
在一些实施方式中，所述输入端构造为与在低频及直流信号隔离装置上游的第一电缆连接，并且所述输出端构造为与在低频及直流信号隔离装置下游的第二电缆连接。
在一些实施方式中，所述第一电缆和第二电缆均为同轴电缆。
在一些实施方式中，所述输入端与第一电缆的内导体连接，并且所述输出端与第二电缆的内导体连接。
在一些实施方式中，所述第一子区域与第一电缆的外导体连接，并且所述第二子区域与第二电缆的外导体连接。
在一些实施方式中，所述金属板是天线的反射板。
在一些实施方式中，所述金属板仅经由阻焊层与金属板连接。由此，金属板与金属层仅经由阻焊层紧密连接，从而能够以简单的方式改善金属层与金属板之间的耦合。
在一些实施方式中，所述金属层具有两个或更多个间隙，使得所述金属层分成第一子区域、第二子区域以及一个或多个附加区域，第一子区域与第二子区域通过所述一个或多个附加区域间隔开。
在一些实施方式中，所述低频及直流信号隔离传输线构造成直线形、L形。
在一些实施方式中，所述低频及直流信号隔离传输线构造成T形，其中，所述低频及直流信号隔离传输线具有一个输入端和两个输出端。
在一些实施方式中，所述低频及直流信号隔离传输线构造成十字形，其中，所述低频及直流信号隔离传输线具有一个输入端和三个输出端。
在一些实施方式中，所述金属层是铜层。
在一些实施方式中，所述第二子区域构造成多边形区域或者带圆弧的区域。
在一些实施方式中，所述第二子区域构造成矩形区域、三角形区域、六边形区域或者八边形区域。
在一些实施方式中，在所述间隙中填充有空气。
在一些实施方式中，所述间隙完全填充或者部分填充有固态电介质材料。例如可以在间隙内完全填充或者部分填充陶瓷、玻璃、云母片、胶木等，以便相应改变间隙的介电常数。
在一些实施方式中，所述基材层构成为纸基板、玻纤基板或者复合基板。当然，印刷电路板的基板层也可以使用其它类型的基板，例如纸基板(FR-1、FR-2)、复合基板(CEM系列)或者特殊材料基板(陶瓷、金属基等)。
在一些实施方式中，第二子区域的面积和/或所述金属层的厚度和/或所述间隙的宽度适配于所述射频信号的频率范围。
在一些实施方式中，金属层的厚度处于0.02毫米至0.3毫米之间。
在一些实施方式中，所述间隙的宽度处于0.01毫米至1毫米之间。
本发明还提供一种天线，所述天线具有至少一个根据本发明所述的低频及直流信号隔离装置。
附图说明
图1示出一种带有低频及直流信号隔离装置的天线系统的局部示意图；
图2示出一种传统的低频及直流信号隔离装置的示意图；
图3示出根据本发明第一实施例的低频及直流信号隔离装置的示意图；
图4示出图3的低频及直流信号隔离装置的分解示意图。
具体实施方式
以下将参照附图描述本发明的具体实施方式，其中的附图示出了本发明的若干实施例。然而应当理解的是，本发明可以以多种不同的方式呈现出来，并不局限于下文描述的实施例；事实上，下文描述的实施例旨在使本发明的公开更为完整，并向本领域技术人员充分说明本发明的保护范围。还应当理解的是，本文公开的实施例能够以各种方式进行组合，从而提供更多额外的实施例。
应当理解的是，说明书中的用辞仅用于描述特定的实施例，并不旨在限定本发明。说明书使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)除非另外定义，均具有本领域技术人员通常理解的含义。为简明和/或清楚起见，公知的功能或结构可以不再详细说明。
说明书使用的单数形式“一”、“所述”和“该”除非清楚指明，均包含复数形式。说明书使用的用辞“包括”、“包含”和“含有”表示存在所声称的特征，但并不排斥存在一个或多个其它特征。说明书使用的用辞“和/或”包括相关列出项中的一个或多个的任意和全部组合。
在说明书中，诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“高”、“低”等的空间关系用辞可以说明一个特征与另一特征在附图中的关系。应当理解的是，空间关系用辞除了包含附图所示的方位之外，还包含装置在使用或操作中的不同方位。例如，在附图中的装置倒转时，原先描述为在其它特征“下方”的特征，此时可以描述为在其它特征的“上方”。装置还可以以其它方式定向(旋转90度或在其它方位)，此时将相应地解释相对空间关系。
应当理解的是，在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件。在附图中，为清楚起见，某些特征的尺寸可以进行变形。
在天线系统中，在同一传输线上可能会传输各种信号，例如射频信号、低频信号和/或直流信号。射频信号可以是由天线系统所发射和接收的信号，并且可以包括处于多个不同射频频带内的信号。低频信号通常是控制信号、例如控制电调装置的控制信号。在本实施例中，低频信号(例如AISG信号)的频率范围可以在1MHz到5MHz之间。在其他实施例中，低频信号的频率范围可以小于1MHz或大于5MHz。直流信号通常是用于为天线内的功率电子器件和/或机电式元件供电的直流功率信号。因为射频信号和低频信号和/或直流信号具有各自不同的功能，还是需要将两者分开处理。
现在参照图1，示出了一种带有低频及直流信号隔离装置的天线系统的局部示意图。如图1所示，该天线系统包括天线端口1、第一处理电路2、低频及直流信号隔离装置3、第二处理电路4和辐射单元5。天线端口1经由第一电缆6将信号传送至第一处理电路2。第一处理电路2例如可以是移相电路，其经由控制指令控制，这些控制指令例如通过(未示出的)电调装置产生。在第二电缆7上例如可能会同时传输有射频信号和低频信号和/或直流信号。为了将低频信号和/或直流信号和射频信号相分离，第一处理电路2经由第二电缆7将复合信号传送至低频及直流信号隔离装置3。在低频及直流信号隔离装置3中，低频信号和/或直流信号被过滤或者说抑制。于是，低频及直流信号隔离装置3隔离低频及直流信号并将射频信号经由第三电缆8传送至第二处理电路4。第二处理电路4例如可以是分频滤波器等滤波电路。然后，第二处理电路4经由第四电缆9将射频信号进一步传送至辐射单元5。
现在参照图2，示出了一种传统的低频及直流信号隔离装置的分解示意图。如图2所示，该低频及直流信号隔离装置构造在多层印刷电路板上。该低频及直流信号隔离装置包括第一基材层10、耦合传输线11、阻焊层12、低频及直流信号隔离传输线13、第二基材层14、铜层15和金属板16。耦合传输线11位于第一基材层10之下并且位于阻焊层12之上，低频及直流信号隔离传输线13位于第二基材层14之上并且位于阻焊层12之下。该金属板16例如可以是天线的反射板。
将图2中的低频及直流信号隔离装置置于图1中描述的天线系统中，第二电缆7的内导体例如与低频及直流信号隔离传输线13连接，同时第二电缆7的外导体例如与铜层15连接。为了隔离低频信号和直流信号，从图2中可见，低频及直流信号隔离传输线13具有间隙，从而使得低频信号和直流信号不能从低频及直流信号隔离传输线13的输入端131传输到输出端132。此外，由于低频及直流信号隔离传输线13中的间隙使得在输入端131和输出端132之间具有一个小的耦合电容，为了能够顺利传输射频信号，需要额外地设置耦合传输线11。由此，射频信号能够从低频及直流信号隔离传输线13的输入端131经由阻焊层12耦合到耦合传输线11的输入端111，然后又从耦合传输线11的输出端112经由阻焊层12耦合到低频及直流信号隔离传输线13的输出端132。可见，该低频及直流信号隔离装置涉及多层印刷电路板，其结构复杂，成本也较高。
现在，参照图3和4，示出了一种根据本发明的实施例的低频及直流信号隔离装置的示意图及其分解示意图。从图3和4中可见，该低频及直流信号隔离装置构造在印刷电路板上。该低频及直流信号隔离装置包括低频及直流信号隔离传输线100、基材层200、铜层300、阻焊层400和金属板500。低频及直流信号隔离传输线100位于基材层200上方，而铜层300位于基材层200下方，阻焊层400位于铜层300下方。也就是说，基材层200作为低频及直流信号隔离传输线100与铜层300之间的介电层，该介电层可以是纸基板、玻纤基板或者复合基板等。在当前例子中，金属板500可以是天线的反射板。
从图3和4中可见，该低频及直流信号隔离传输线100具有输入端1001和输出端1002。该输入端1001将来自第二电缆7的信号引导至低频及直流信号隔离传输线100。输出端1002将所述信号传送给后续电路、例如图1中的第二处理电路4和辐射单元5。
此外还可看到，铜层300上具有间隙600，该间隙600将铜层300分成第一子区域700和第二子区域800，在此，第一子区域700围绕第二子区域800。该第二子区域800位于铜层300边缘并且构成为矩形。第二子区域800与第一子区域700之间通过间隙600间隔开，由此形成了一个电容。此外，第一子区域700和第二子区域800可以与金属板500分别通过阻焊层400间隔开。可能的是，第一子区域700和第二子区域800仅仅通过阻焊层400与金属板500紧密间隔，由此与金属板500分别形成另一个电容。从而能够以简单的方式改善铜层300与金属板500之间的耦合。在其他实施例中，也可能的是，第一子区域700和第二子区域800可以通过阻焊层400和/或空气与金属板500间隔开。这种多耦合的设计形式是有利的，能实现在有限空间内保持良好的射频通过性能和低频以及直流信号阻断功能。
在当前实施例中，第一子区域700与第二子区域800形成电容的两个电极，间隙600作为电容的电介质。金属层的形成与间隙600相邻的第二子区域800的三个边缘相当于电容的正对面积，而间隙600的宽度相当于电容的两个电极的距离。为了调节电容大小，可以增大或减小铜层300的厚度，也可以增大或减小第二子区域800的面积，从而使得正对面积增大或减小。此外，还可以在间隙600内填充或者部分填充有固态电介质材料。
同样地，第一子区域700与金属板500、第二子区域800与金属板500也分别相当于电容的两个电极。因此，为了调节电容大小，可以增大或减小第一子区域700、第二子区域800的面积，从而使得正对面积增大或减小。此外，还可以在第一子区域700与金属板500和/或第二子区域800与金属板500之间填充或者部分填充有固态电介质材料。
在该实施例中，铜层300的厚度可以处于0.02毫米至0.3毫米之间。当然，在其它实施例中也可以小于0.02毫米或者大于0.3毫米，其厚度可以根据射频信号的特性和加工工艺来选择。同样的，在该实施例中，间隙600的宽度处于0.02毫米至0.1毫米之间。当然，在其它实施例中也可以小于0.02毫米或者大于0.1毫米，其宽度可以根据射频信号的特性和加工工艺来选择。
为了实现低频及直流信号隔离功能，在低频及直流信号隔离装置3上游的第一电缆6可以与低频及直流信号隔离传输线100的输入端1001连接。低频及直流信号隔离传输线100的输出端1002可以与在低频及直流信号隔离装置3下游的第二电缆7连接。具体地，第一电缆6的内导体可以与该输入端1001连接，第一电缆6的外导体则可以与第一子区域700连接。该输出端1002可以与第二电缆7的内导体连接，第二电缆7的外导体则与第二子区域800连接，从而打断了低频信号和直流信号的传输路径。
由此，在根据本发明的实施例的低频及直流信号隔离装置中，射频信号在铜层300上能够从第一子区域700穿过间隙600到达第二子区域800。同时，射频信号还可以从第一子区域700经由阻焊层和/或空气达到金属板600，然后从金属板600再次经由阻焊层和/或空气达到第二子区域800。因此，射频信号在低频及直流信号隔离传输线100上能够良好地从输入端1001到达输出端1002。
与此相对地，低频信号和直流信号则无法经过铜层300上的间隙600。由此直流信号无法从低频及直流信号隔离传输线100的输入端1001传输到输出端1002。
本发明的低频及直流信号隔离装置是有利的。首先，该低频及直流信号隔离装置需要较少的布线空间。其次，该低频及直流信号隔离装置具有较宽的带宽，因为其低频及直流信号隔离流通射频的性能并不针对特定的频率点设计。另外，该低频及直流信号隔离装置结构简单、容易操作、成本可控。此外，本发明的低频及直流信号隔离装置采用多耦合的设计形式，能实现在有限空间内保持良好的射频通过性能和低频信号和直流信号阻断功能。
在其它实施例中，第二子区域可以构造成多边形区域或者带圆弧的区域。例如第二子区域构造成三角形区域、六边形区域或者八边形区域。
在其他实施例中，还可以设置更多的间隙，从而将铜层分离成更多的子区域。例如在第二子区域和第一子区域之间还可以设置其它子区域。
在其它实施例中，低频及直流信号隔离传输线可以任意设置，例如其可以构造成L形、T形或者十字形。
在其它实施例中，低频及直流信号隔离传输线可以具有多个输入端和多个输出端。例如对于T形低频及直流信号隔离传输线可以具有一个输入端和两个输出端。同样对于十字形低频及直流信号隔离传输线可以具有一个输入端和三个输出端。当然，还可以设想任意其它形式的低频及直流信号隔离传输线。
虽然已经描述了本发明的示范实施例，但是本领域技术人员应当理解的是，在本质上不脱离本发明的精神和范围的情况下能够对本发明的示范实施例进行多种变化和改变。因此，所有变化和改变均包含在权利要求所限定的本发明的保护范围内。本发明由附加的权利要求限定，并且这些权利要求的等同物也包含在内。

Claims (25)

1.一种低频及直流信号隔离装置，其特征在于，所述低频及直流信号隔离装置包括：
电介质的基材层；
低频及直流信号隔离传输线，所述低频及直流信号隔离传输线构造在基材层的第一侧上，其中，所述低频及直流信号隔离传输线具有输入端和输出端；
金属层，所述金属层构造在电介质的基材层的第二侧上，所述电介质的基材层设置在所述低频及直流信号隔离传输线和金属层之间，其中，在所述金属层上具有至少一个间隙，使得所述金属层至少分离成第一子区域和通过所述至少一个间隙与第一子区域间隔开的第二子区域，所述至少一个间隙构造用于阻断低频信号和直流信号中的至少一种信号而不阻断射频信号；和
金属板，在所述金属板和金属层之间设有介电层，
其中，第一子区域与第二子区域形成第一电容的两个电极。
2.根据权利要求1所述的低频及直流信号隔离装置，其特征在于，所述介电层包括阻焊层和/或空气。
3.根据权利要求1所述的低频及直流信号隔离装置，其特征在于，所述输入端构造为与在低频及直流信号隔离装置上游的第一电缆连接，并且所述输出端构造为与在低频及直流信号隔离装置下游的第二电缆连接。
4.根据权利要求3所述的低频及直流信号隔离装置，其特征在于，所述输入端与第一电缆的内导体连接，并且所述输出端与第二电缆的内导体连接。
5.根据权利要求3所述的低频及直流信号隔离装置，其特征在于，所述第一子区域与第一电缆的外导体连接，并且所述第二子区域与第二电缆的外导体连接。
6.根据权利要求1所述的低频及直流信号隔离装置，其特征在于，所述金属板是天线的反射板。
7.根据权利要求2至6之一所述的低频及直流信号隔离装置，其特征在于，所述金属板仅经由阻焊层与所述金属层连接。
8.根据权利要求1至6之一所述的低频及直流信号隔离装置，其特征在于，所述金属层具有两个或更多个间隙，使得所述金属层分成第一子区域、第二子区域以及一个或多个附加区域，第一子区域与第二子区域通过所述一个或多个附加区域间隔开。
9.根据权利要求1至6之一所述的低频及直流信号隔离装置，其特征在于，所述低频及直流信号隔离传输线构造成直线形或L形。
10.根据权利要求1至6之一所述的低频及直流信号隔离装置，其特征在于，所述低频及直流信号隔离传输线构造成T形，其中，所述低频及直流信号隔离传输线具有一个输入端和两个输出端。
11.根据权利要求1至6之一所述的低频及直流信号隔离装置，其特征在于，所述低频及直流信号隔离传输线构造成十字形，其中，所述低频及直流信号隔离传输线具有一个输入端和三个输出端。
12.根据权利要求1至6之一所述的低频及直流信号隔离装置，其特征在于，在所述至少一个间隙中填充有空气。
13.根据权利要求1至6之一所述的低频及直流信号隔离装置，其特征在于，所述至少一个间隙完全填充或者部分填充有固态电介质材料。
14.根据权利要求1至6之一所述的低频及直流信号隔离装置，其特征在于，第二子区域的面积和/或所述金属层的厚度和/或所述至少一个间隙的宽度适配于射频信号的频率范围。
15.根据权利要求14所述的低频及直流信号隔离装置，其特征在于，金属层的厚度处于0.02毫米至0.3毫米之间。
16.根据权利要求14所述的低频及直流信号隔离装置，其特征在于，所述至少一个间隙的宽度处于0.01毫米至1毫米之间。
17.根据权利要求1所述的低频及直流信号隔离装置，其特征在于，第一子区域、第二子区域和所述至少一个间隙形成第一电容，并且所述至少一个间隙被构成为允许射频信号从第一子区域电容耦合到第二子区域。
18.根据权利要求17所述的低频及直流信号隔离装置，其特征在于，第一子区域、金属板和介电层形成第二电容，并且第二子区域、金属板和介电层形成第三电容，其中，第二电容和第三电容被构成为允许射频信号从第一子区域电容耦合到第二子区域。
19.根据权利要求1所述的低频及直流信号隔离装置，其特征在于，金属板是基站天线的反射板。
20.一种低频及直流信号隔离装置，其特征在于，所述低频及直流信号隔离装置包括：
电介质的基材层；
低频及直流信号隔离传输线，所述低频及直流信号隔离传输线构造在基材层的第一侧上，其中，所述低频及直流信号隔离传输线具有构成为连接至第一电缆的输入端和构成为连接至第二电缆的输出端，其中，所述低频及直流信号隔离传输线从输入端连续延伸至输出端；
金属层，所述金属层构造在电介质的基材层的第二侧上，所述电介质的基材层设置在所述低频及直流信号隔离传输线和金属层之间，其中，在所述金属层上的间隙将所述金属层至少分成第一子区域和第二子区域，所述第二子区域与所述第一子区域不连接。
21.根据权利要求20所述的低频及直流信号隔离装置，其特征在于，所述低频及直流信号隔离装置还包括在金属层上的阻焊层以及金属板，其中，所述阻焊层处于金属板和金属层之间。
22.根据权利要求21所述的低频及直流信号隔离装置，其特征在于，第一子区域、第二子区域和所述间隙形成第一电容，并且所述间隙被构成为允许射频信号从第一子区域电容耦合到第二子区域。
23.根据权利要求22所述的低频及直流信号隔离装置，其特征在于，第一子区域、金属板和介电层形成第二电容，并且第二子区域、金属板和介电层形成第三电容，其中，第二电容和第三电容被构成为允许射频信号从第一子区域电容耦合到第二子区域。
24.根据权利要求23所述的低频及直流信号隔离装置，其特征在于，所述金属板是基站天线的反射板。
25.一种天线，其特征在于，所述天线具有至少一个根据权利要求1至24之一所述的低频及直流信号隔离装置。
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