CN112928480A - 一种新型ltcc贴片式蓝牙天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型LTCC贴片式蓝牙天线，包括有陶瓷基板和金属贴片，金属贴片设置在陶瓷基板上形成蓝牙天线的主体部分并通过馈线连接有外围匹配电路；外围匹配电路包括有金属接地板、金属传输线和阻抗匹配电路。通过在陶瓷介质基板的上表面和下表面交错放置具有一定厚度的矩形金属贴片，贴片的两端分别采用过孔方式连接起来，使上下的矩形金属贴片和过孔形成电连接结构，其电长度约为蓝牙天线在特定介质条件下的半个波长，另外，天线输入端配合π型阻抗匹配电路，以及天线采用高介电常数陶瓷材料，共同实现其主要电磁特性，如此能实现天线弯折曲线结构的尺寸进一步缩小，达到不超过4.8mm*2mm*0.95mm的水平，尺寸可减小10‑20%甚至更高。

Description

一种新型LTCC贴片式蓝牙天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种主要应用于各类小型化可穿戴设备中对电路尺寸有严格要求的贴片式蓝牙天线。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，5G技术的日益成熟，蓝牙和wifi技术应用也愈加广泛，促进了人们对小型化、智能化、便携式电子产品提出了更高的使用要求，从而也推动了可穿戴设备的市场迅猛发展，在最近几年已然成为一个极具潜力的新兴市场。随着越来越多企业致力于可穿戴设备的研发，人们对可穿戴设备的要求也愈加苛刻，小型化作为所有可穿戴设备中的最重要的因素之一，如何实现在保证现有可穿戴设备基本性能的前提下，如何尽可能减小可穿戴设备的尺寸、实现小型化成为限制当下可穿戴设备发展的主要问题之一。

然而，随着摩尔定律的不断发展，芯片的物理尺寸也在不断地减小，集成电路的飞速发展为可穿戴设备的发展提供了坚实的技术基础。通过将电路集成到芯片的方式实现整个产品的尺寸不断减小，满足人们对小型化电子产品的需求。尤其在蓝牙无线通信方向，如蓝牙耳机、蓝牙音响、智能手环等均有着良好的市场应用。在无线通信中为了满足电路小型化的要求，如何减小天线的物理尺寸成为最迫切需要解决的问题，天线作为无线通信中与外界实现通信的桥梁，其物理尺寸与工作频率通常成正比，较低的蓝牙频段需要的天线物理尺寸也相对较大，探究如何实现蓝牙天线小型化的同时提高天线的工作性能成为当下急需解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术中天线物理尺寸相对较大、设计结构复杂导致加工难度大的缺陷，提供一种基于LTCC技术、可通过简易的天线设计结构来降低其物理尺寸，并具有良好的工作带宽、辐射全向性及辐射效率的新型LTCC贴片式蓝牙天线。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种新型LTCC贴片式蓝牙天线，包括有陶瓷基板和金属贴片，金属贴片设置在陶瓷基板上形成蓝牙天线的主体部分并通过馈线连接有外围匹配电路；外围匹配电路包括有金属接地板、金属传输线和阻抗匹配电路，阻抗匹配电路连接金属接地板，金属传输线连接于阻抗匹配电路与蓝牙天线的主体部分之间，其特征在于：所述金属贴片包括有若干横向金属贴片和若干纵向金属贴片，各横向金属贴片沿陶瓷基板的横向设置在陶瓷基板的上表面，各纵向金属贴片沿陶瓷基板的纵向设置在陶瓷基板的下表面；所有的纵向金属贴片在陶瓷基板的下表面分成两列设置以分别对应横向金属贴片的两端，两列纵向金属贴片为相互错位设置；各横向金属贴片与各纵向金属贴片在空间坐标系内构成相互垂直的结构；

在陶瓷基板上设置有分别与每一横向金属贴片两端对齐的金属过孔，金属过孔贯穿陶瓷基板的上下表面，横向金属贴片和纵向金属贴片通过金属过孔实现首尾互相连接形成一连续的电性结构体，该电性结构体的首端通过馈线连接金属传输线。

进一步地，所述横向金属贴片和纵向金属贴片均为矩形的条状结构，各横向金属贴片按一定的间隔横贯紧贴在陶瓷基板的上表面，且各横向金属贴片的两端分别靠近陶瓷基板的两侧边缘；两列纵向金属贴片分别设置在陶瓷基板下表面靠近两侧边缘的位置，并且分别与横向金属贴片的两端相互对齐；同一列的纵向金属贴片之间按一定间隔沿纵向紧贴在陶瓷基板的下表面，并且相邻纵向金属贴片之间的间隔与相邻横向金属贴片之间的间隔相同。

进一步地，金属过孔设置在靠近陶瓷基板两侧边缘的位置，并且金属过孔的上端与横向金属贴片的一端相对，金属过孔的下端与纵向金属贴片的一端相对，通过在金属过孔内设置连接导体以实现纵向金属贴片与横向金属贴片首尾相连。

进一步地，馈线包括有连接馈线和引出馈线，引出馈线与位于首端的其中一金属过孔电性连接，并且引出馈线以平行于横向金属贴片的结构设置在陶瓷基板的底面；引出馈线延伸至陶瓷基板的中间位置后与连接馈线连接，连接馈线以垂直于引出馈线的结构连接至金属传输线；引出馈线及连接馈线均嵌入在陶瓷基板下表面的馈线槽中，引出馈线和连接馈线具有与横向金属贴片及纵向金属贴片相同的宽度。

进一步地，阻抗匹配电路包括金属传输线、FR4介质板和π型阻抗匹配电路，整个蓝牙天线的主体部分及金属传输线设置在FR4介质板上，FR4介质板与金属接地板对接；π型阻抗匹配电路连接于金属传输线与金属接地板之间。由于FR4介质板的厚度、介电常数和正切损耗均对整个金属传输线的线宽值有较大影响，因此可根据实际的工程要求进行计算得出金属传输线的线宽值参数。

进一步地，π型阻抗匹配电路包括有在金属传输线中间位置截取的一缝隙，以及在该缝隙左右两侧位于FR4介质板上的第二缝隙和第三缝隙，三处缝隙形成π型结构；在三处缝隙中分别安装有采用RLC电子元件构成的第一阻抗匹配模块、第二阻抗匹配模块及第三阻抗匹配模块，通过第二阻抗匹配模块及第三阻抗匹配模块连接于金属传输线与金属接地板之间，以实现蓝牙天线主体部分与金属接地板之间的电性连接，达到该LTCC贴片式蓝牙天线的阻抗匹配功能。

优选地，横向金属贴片的数量为10片，每一横向金属贴片具有相同的长度和宽度，以相同的间隔及互相平行的方式排列；纵向金属贴片的数量亦为10片，每列5片，每一纵向金属贴片具有相同的长度和宽度，并且纵向金属贴片的宽度与横向金属贴片的宽度相同；两列纵向金属贴片沿纵向以相互交错及平行的结构排列，其中有一排纵向金属贴片嵌入在陶瓷基板下表面的贴片槽中；金属过孔的内径不大于横向金属贴片及纵向金属贴片的宽度。

进一步地，陶瓷基板的尺寸（长×宽×高）不超过4.8mm×2mm×0.95mm。

进一步地，π型阻抗匹配电路用于焊接RLC电子元件的三处缝隙的宽度均不超过RLC电子元件的长度，如1.2mm。

进一步地，横向金属贴片及纵向金属贴片分别通过LTCC技术烧结在陶瓷基板的上下表面。

本发明的蓝牙天线采用LTCC低温共烧技术，以介电常数更高、正切损耗更低的陶瓷材料作为基板，通过在陶瓷介质基板的上表面和下表面交错放置具有一定厚度的矩形金属贴片，贴片的两端分别采用过孔方式连接起来，使上下的矩形金属贴片和过孔形成电连接结构，其电长度约为蓝牙天线在特定介质条件下的半个波长，另外，天线输入端配合π型阻抗匹配电路实现其主要电磁特性，如此能实现天线弯折曲线的结构尺寸进一步缩小。

本发明通过上述技术方案能够在有限空间尺寸内，实现天线工作在蓝牙频段，并具有良好的工作带宽、辐射全向性和辐射效率，避免了传统蓝牙天线对大尺寸电路和净空设计的要求。比如，相比寒武纪一种典型单极性贴片式蓝牙天线（型号为CA-C03）的L*W*H为5.5mm*2mm*1mm，在相同的陶瓷介质材料情况下，本发明的物理结构尺寸仅为4.8mm*2mm*0.95mm，尺寸减小10-20%。而如果更换更高介电常数的陶瓷材料，可实现该结构在保证其基本特性不变的情况下，使得整个天线的物理尺寸进一步减小10%左右，甚至更高。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明单天线部分的立体结构示意图；

图3为本发明单天线部分另一角度的立体结构示意图；

图4为本发明单天线部分的分解结构示意图；

图5为本发明单天线部分另一角度的分解结构示意图；

图6为本发明天线的反射系数与频率变化仿真结果图；

图7为本发明天线的驻波比系数与频率变化仿真结果图；

图8为本发明天线的E plane辐射方向图；

图9为本发明天线的H plane辐射方向图；

图10为本发明天线整体结构与其3D立体辐射范围（方向）示意图。

图中，1为陶瓷基板，2为横向金属贴片，3为纵向金属贴片，4为连接导体，5为连接馈线，6为引出馈线，7为金属传输线，8为FR4介质板，9为金属接地板，10为金属过孔，11为贴片槽，12为馈线槽，13为π型阻抗匹配电路，14为第一阻抗匹配模块，15为第二阻抗匹配模块，16为第三阻抗匹配模块。

具体实施方式

本实施例中，参照图1-图5，所述新型LTCC贴片式蓝牙天线，包括有陶瓷基板1和金属贴片，金属贴片设置在陶瓷基板1上形成蓝牙天线的主体部分并通过馈线连接有外围匹配电路；外围匹配电路包括有金属接地板9、金属传输线7和阻抗匹配电路，阻抗匹配电路连接金属接地板9，金属传输线7连接于阻抗匹配电路与蓝牙天线的主体部分之间；所述金属贴片包括有若干横向金属贴片2和若干纵向金属贴片3，各横向金属贴片2沿陶瓷基板1的横向设置在陶瓷基板1的上表面，各纵向金属贴片3沿陶瓷基板1的纵向设置在陶瓷基板1的下表面；所有的纵向金属贴片3在陶瓷基板1的下表面分成两列设置以分别对应横向金属贴片2的两端，两列纵向金属贴片3为相互错位设置；各横向金属贴片2与各纵向金属贴片3在空间坐标系内构成相互垂直的结构，即不在同一平面内，但相互垂直；

在陶瓷基板1上设置有分别与每一横向金属贴片两端对齐的金属过孔10，金属过孔10贯穿陶瓷基板1的上下表面，横向金属贴片2和纵向金属贴片3通过金属过孔10实现首尾互相连接形成一连续的电性结构体，该电性结构体的首端通过馈线连接金属传输线7。

所述横向金属贴片2和纵向金属贴片3均为矩形的条状结构，各横向金属贴片2按一定的间隔横贯紧贴在陶瓷基板1的上表面，且各横向金属贴片2的两端分别靠近陶瓷基板1的两侧边缘；两列纵向金属贴片3分别设置在陶瓷基板1下表面靠近两侧边缘的位置，并且分别与横向金属贴片2的两端相互对齐；同一列的纵向金属贴片3之间按一定间隔沿纵向紧贴在陶瓷基板1的下表面，并且相邻纵向金属贴片3之间的间隔与相邻横向金属贴片2之间的间隔相同。

金属过孔10设置在靠近陶瓷基板1两侧边缘的位置，并且金属过孔10的上端与横向金属贴片2的一端相对，金属过孔10的下端与纵向金属贴片3的一端相对，通过在金属过孔10内设置连接导体4以实现纵向金属贴片3与横向金属贴片2首尾相连。

馈线包括有连接馈线5和引出馈线6，引出馈线6与位于首端的其中一金属过孔10电性连接，并且引出馈线6以平行于横向金属贴片2的结构设置在陶瓷基板1的底面；引出馈线6延伸至陶瓷基板1的中间位置后与连接馈线5连接，连接馈线5以垂直于引出馈线6的结构连接至金属传输线7；引出馈线6及连接馈线5均嵌入在陶瓷基板1下表面的馈线槽12中，引出馈线6和连接馈线5具有与横向金属贴片2及纵向金属贴片3相同的宽度。

阻抗匹配电路包括金属传输线7、FR4介质板8和π型阻抗匹配电路13，整个蓝牙天线的主体部分及金属传输线7设置在FR4介质板8上，FR4介质板8与金属接地板9对接；π型阻抗匹配电路13连接于金属传输线7与金属接地板9之间。由于FR4介质板8的厚度、介电常数和正切损耗均对整个金属传输线7的线宽值有较大影响，因此可根据实际的工程要求进行计算得出金属传输线的线宽值参数。

π型阻抗匹配电路13包括有在金属传输线7中间位置截取的一缝隙，以及在该缝隙左右两侧位于FR4介质板8上的第二缝隙和第三缝隙，三处缝隙形成π型结构；在三处缝隙中分别安装有采用RLC电子元件构成的第一阻抗匹配模块14、第二阻抗匹配模块15及第三阻抗匹配模块16，通过第二阻抗匹配模块15及第三阻抗匹配模块16连接于金属传输线7与金属接地板9之间，以实现蓝牙天线主体部分与金属接地板9之间的电性连接，达到该LTCC贴片式蓝牙天线的阻抗匹配功能。

横向金属贴片2的数量为10片，每一横向金属贴片2具有相同的长度和宽度，以相同的间隔及互相平行的方式排列；纵向金属贴片3的数量亦为10片，每列5片，每一纵向金属贴片3具有相同的长度和宽度，并且纵向金属贴片3与横向金属贴片2的宽度相同；两列纵向金属贴片3沿纵向以相互交错及平行的结构排列，其中有一排纵向金属贴片3嵌入在陶瓷基板1下表面的贴片槽11中；金属过孔10的内径不大于横向金属贴片2及纵向金属贴片3的宽度。

陶瓷基板1的尺寸（长×宽×高）不超过4.8mm×2mm×0.95mm，介电常数为9.8。

π型阻抗匹配电路13用于焊接RLC电子元件的三处缝隙的宽度均不超过RLC电子元件的长度，如1.2mm。

横向金属贴片2及纵向金属贴片3分别通过LTCC技术烧结在陶瓷基板1的上下表面。

如图6和图7所示，采用ANSYS高频电磁仿真软件HFSS对本发明提出的天线模型3D结构进行仿真，得到本发明蓝牙天线对应的反射系数和驻波比系数分别随频率变化的曲线图。本发明所述的蓝牙天线具有2390MHz-2480MHz共90MHz的工作带宽，明显能满足蓝牙天线的基本工程要求。

如图8所示，其显示的是电场E与最大辐射方向互相垂直的两个剖面图，主要显示天线在辐射方向上的增益值大小，以及能量辐射方向的信息，图上显示本发明涉及的蓝牙天线对应的辐射方向的不圆度较优，能够满足工程基本参数要求。

如图9所示，其显示的是磁场H与最大辐射方向的剖面图，主要显示水平方向辐射的信息，通过与上述电场E两个互相垂直的辐射方向图，三者之间相互垂直可给出天线3D辐射方向图信息。

如图10所示，其显示的是天线在其三维结构上的3D辐射方向图，可明显发现本发明涉及的蓝牙天线具有良好的辐射特性，增益值约为2.3dBi，能满足工程基本参数要求。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种新型LTCC贴片式蓝牙天线，包括有陶瓷基板和金属贴片，金属贴片设置在陶瓷基板上形成蓝牙天线的主体部分并通过馈线连接至外围匹配电路；外围匹配电路包括有金属接地板、金属传输线和阻抗匹配电路，阻抗匹配电路连接金属接地板，金属传输线连接于阻抗匹配电路与蓝牙天线的主体部分之间，其特征在于：所述金属贴片包括有若干横向金属贴片和若干纵向金属贴片，各横向金属贴片沿陶瓷基板的横向设置在陶瓷基板的上表面，各纵向金属贴片沿陶瓷基板的纵向设置在陶瓷基板的下表面；所有的纵向金属贴片在陶瓷基板的下表面分成两列设置以分别对应横向金属贴片的两端，两列纵向金属贴片为相互错位设置；各横向金属贴片与各纵向金属贴片在空间坐标系内构成相互垂直的结构；

在陶瓷基板上设置有分别与每一横向金属贴片两端对齐的金属过孔，金属过孔贯穿陶瓷基板的上下表面，横向金属贴片和纵向金属贴片通过金属过孔实现首尾互相连接形成一连续的电性结构体，该电性结构体的首端通过馈线连接金属传输线。

2.根据权利要求1所述的新型LTCC贴片式蓝牙天线，其特征在于：所述横向金属贴片和纵向金属贴片均为矩形的条状结构，各横向金属贴片按一定的间隔横贯紧贴在陶瓷基板的上表面，且各横向金属贴片的两端分别靠近陶瓷基板的两侧边缘；两列纵向金属贴片分别设置在陶瓷基板下表面靠近两侧边缘的位置，并且分别与横向金属贴片的两端相互对齐；同一列的纵向金属贴片之间按一定间隔沿纵向紧贴在陶瓷基板的下表面，并且相邻纵向金属贴片之间的间隔与相邻横向金属贴片之间的间隔相同。

3.根据权利要求2所述的新型LTCC贴片式蓝牙天线，其特征在于：金属过孔设置在靠近陶瓷基板两侧边缘的位置，并且金属过孔的上端与横向金属贴片的一端相对，金属过孔的下端与纵向金属贴片的一端相对，通过在金属过孔内设置连接导体以实现纵向金属贴片与横向金属贴片首尾相连。

4.根据权利要求3所述的新型LTCC贴片式蓝牙天线，其特征在于：馈线包括有连接馈线和引出馈线，引出馈线与位于首端的其中一金属过孔电性连接，并且引出馈线以平行于横向金属贴片的结构设置在陶瓷基板的底面；引出馈线延伸至陶瓷基板的中间位置后与连接馈线连接，连接馈线以垂直于引出馈线的结构连接至金属传输线；引出馈线及连接馈线均嵌入在陶瓷基板下表面的馈线槽中，引出馈线和连接馈线具有与横向金属贴片及纵向金属贴片相同的宽度。

5.根据权利要求4所述的新型LTCC贴片式蓝牙天线，其特征在于：阻抗匹配电路包括金属传输线、FR4介质板和π型阻抗匹配电路，整个蓝牙天线的主体部分及金属传输线设置在FR4介质板上，FR4介质板与金属接地板对接；π型阻抗匹配电路连接于金属传输线与金属接地板之间。

6.根据权利要求5所述的新型LTCC贴片式蓝牙天线，其特征在于：π型阻抗匹配电路包括有在金属传输线中间位置截取的一缝隙，以及在该缝隙左右两侧位于FR4介质板上的第二缝隙和第三缝隙，三处缝隙形成π型结构；在三处缝隙中分别安装有采用RLC电子元件构成的第一阻抗匹配模块、第二阻抗匹配模块及第三阻抗匹配模块，通过第二阻抗匹配模块及第三阻抗匹配模块连接于金属传输线与金属接地板之间，以实现蓝牙天线主体部分与金属接地板之间的电性连接，达到该LTCC贴片式蓝牙天线的阻抗匹配功能。

7.根据权利要求6所述的新型LTCC贴片式蓝牙天线，其特征在于：横向金属贴片的数量为10片，每一横向金属贴片具有相同的长度和宽度，以相同的间隔及互相平行的方式排列；纵向金属贴片的数量亦为10片，每列5片，每一纵向金属贴片具有相同的长度和宽度，并且纵向金属贴片的宽度与横向金属贴片的宽度相同；两列纵向金属贴片沿纵向以相互交错及平行的结构排列，其中有一排纵向金属贴片嵌入在陶瓷基板下表面的贴片槽中；金属过孔的内径不大于横向金属贴片及纵向金属贴片的宽度。

8.根据权利要求7所述的新型LTCC贴片式蓝牙天线，其特征在于：陶瓷基板的尺寸不超过4.8mm×2mm×0.95mm。

9.根据权利要求1所述的新型LTCC贴片式蓝牙天线，其特征在于：π型阻抗匹配电路用于焊接RLC电子元件的三处缝隙的宽度均不超过RLC电子元件的长度。

10.根据权利要求1所述的新型LTCC贴片式蓝牙天线，其特征在于：横向金属贴片及纵向金属贴片分别通过LTCC技术烧结在陶瓷基板的上下表面。

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