CN1357941A

CN1357941A - 微波范围的插塞式天线

Info

Publication number: CN1357941A
Application number: CN01139391A
Authority: CN
Inventors: 戈霍斯; R·珀拉斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2000-10-09
Filing date: 2001-10-06
Publication date: 2002-07-10
Also published as: JP2002185241A; KR20020028801A; TW543241B; US6545641B2; EP1195846A3; EP1195846A2; DE10049843A1; US20020047804A1

Abstract

一种插塞式天线,具有至少一个用于微波范围的插塞式谐振器(10,20),该天线特别适于具有短路导体(14,24)的多层天线,并且适于SMD安装在印刷电路板上。当使用具有相同绝缘或磁导率值的基底(11,21)时,该天线还具有足以在移动通信中使用的带宽。其馈送端包括至少第一金属片(17),它在金属地线(12)与金属插接图样(13)之间的谐振器的第一侧面(112)上延伸,而天线的输入阻抗通过改变金属片尺寸而调整。该天线的实施例包括导线谐振器方式的谐振耦合,其中导线谐振器为微带导线谐振器(10’)或印刷导线谐振器(19,29)形式,使天线的带宽可以进一步增加。最好天线还设有短路导体,用于SMD安装。

Description

微波范围的插塞式天线

本发明涉及一种插塞式天线(patch antenna)，特别适用于微波范围，具有至少一个插塞式谐振器，插塞式谐振器具有金属搭接图样和金属地线，还具有馈送端，用于提供电磁能量。

微波范围内的电磁波用于传输信息的移动通讯中，这样的例子是频率范围从890到960MHz(GSM900)和从1710到1880MHz(GSM1800或DCS)的GSM移动电话标准。更进一步，是UMTS波段(1970到2170MHz)，频率范围从1880到1900MHz的用于无绳电话的DECT标准，和频率范围从2400到2480MHz的新蓝牙标准，它用于例如移动电话与其它电子设备如计算机、其它移动电话等之间交换数据。

市场显示了这些设备小型化的强烈趋势。这也导致了使移动通讯的部件，即电子部件，在尺寸上减小的要求。当前用在移动电话中的天线类型实际上具有缺点，即天线是导线天线，因为它们相对大。天线从移动电话上突起，较容易被折断，也可能与用户的眼睛意外接触，并且还影响美学设计。而且移动电话对用户不利的微波辐射已经越来越多地变为公众讨论的话题。在导线天线从移动电话突起的情况下，发射辐射功率的主要部分可能在用户的头部吸收。

进一步的问题从表面安装(具有SMD或表面安装设备)的实际情况产生，即通过波峰焊接浴或回流焊接过程的方式，将电子元件焊接在PCB或印刷电路板上，这种安装已经变为普遍应用在现代数字电子设备技术的实现过程中。然而，迄今为止使用的天线不适用这种安装技术，因为它们通常只可以通过特殊支架，提供在移动电话的印刷电路板上，同时电磁功率的提供只通过特殊提供/支持部件而变得可能，如管脚或相似物。这导致不利的安装步骤、质量问题和附加的费用。

当今在移动电话中使用的天线在建立电磁谐振时辐射电磁波。这需要天线的长度至少等于传输辐射的四分之一波长。通过作为绝缘介质的空气(ε_r＝1)，这导致对于1GHz的频率需要75mm的天线长度。

对于发射辐射的给定波长，为了减小天线的尺寸，具有介电常数ε_r＞1的绝缘体可以用作天线的基本建立块。这导致绝缘体中辐射波长减少一个因数1/ε_r。根据这样的绝缘体设计的天线将由此使它的尺寸减小相同的因数。

所谓搭接图样天线或插塞式天线，例如在WO98/18177中描述的，是这样类型的天线，其中通过介电常数ε_r可以实现小型化。它包括ε_r＞1的绝缘材料的固体块。这里，块高度典型地小于它的长度和宽度一个3到10的因数。块在其整个或部分的一个表面上提供有金属插接的图样，并且在其它表面上提供有金属地线。在这些电极之间产生电磁谐振，其频率依据电极的尺寸和块介电常数ε_r的值。随着天线横向尺寸的增加，并且如上所述，随着介电常数ε_r的值增加，各自谐振频率的值减小。由此，为了实现天线的高度小型化，ε_r将被设计得高，并且将从谐振频谱中选择具有最低频率的模式。这种模式被表示为基模式和基础模式。

进一步小型化的步骤包括将另外的导体连接(短路导体)插入两个电极的绝缘体中。给定相同的谐振频率，由此通常能够将天线的尺寸减小一个4的因数。

然而，这些插塞式天线(具有或不具有短路导体)中的问题是，对于位于GSM标准的频率范围内的谐振频率，只有几个MHz的带宽。而且，随着绝缘材料的介电常数r增加，带宽减小。相反，GSM标准所需的带宽为大约70MHz。传统插塞式天线因此不适于这样的宽带应用。

同样通过插塞式天线，具有或不具有短路导体的几个搭接图样谐振器可以垂直地叠加，而实现更大的带宽。这个结构被表示为多层插塞式天线。多层插塞式天线基础模式的数量等于组成插塞式谐振器的数量。如果基础模式之间的频率距离小于其带宽，那么天线的总带宽可以这样增加。

然而，这种类型的天线还具有两个主要的缺点。一方面，具有可以容易辨别的介电常数(例如ε_r1＝2.2并且ε_r2＝1.07)的基底材料，必须用作各自的插塞式谐振器，而实现谐振器的适当频率距离。这增加了制造成本。

另一方面，在有限的范围内，同轴电缆被发现是用于对天线提供电磁功率，并且用于调整天线输入电感的唯一方式，在具有短路导体的多层插塞式天线的情况下，只有小的反射发生在馈送结构中。然而，这种类型的馈线妨碍了移动电话印刷电路板(PCB)上的SMD集成，因为为了在PCB上提供电磁功率，将提供适当的管脚，它从下面贯穿金属，而不能通过表面安装(SMD工艺)，使天线与其它元件一起焊接在PCB上。

由此，本发明的目的是提供本文开始部分提到的那种类型的插塞式天线，它适于在印刷电路板上进行表面安装(SMD)，同样具有短路导体。

本发明的另一个目的是提供插塞式天线，它以小尺寸提供满足上述应用的带宽，也不使用具有不同介电常数的绝缘体。

更进一步，本发明将提供插塞式天线，它的输入阻抗可以被调整，使得提供给天线的功率不在天线上反射，而基本上完全辐射，其中天线不必包括同轴馈线。

最后，将提供插塞式天线，它具有特别大的带宽的特点。

根据权利要求1，这些目的可通过本文开始部分提到的那种类型的插塞式天线实现，其特征在于馈送端包括至少一个第一金属片，该金属片在金属地线与金属搭接图样之间的谐振器的第一侧面上延伸，而天线的输入阻抗通过所述金属片的尺寸确定。

这种方案的一个特别的优点是，可将输入阻抗以简单方式优化调谐到具体结构位置(例如通过激光修整)，使反射不在天线上发生，并且提供的电磁功率基本上完全辐射。这种天线可以同时固定有短路导体，用于减小其尺寸。

上述问题的进一步方案，以根据权利要求4的本文开始部分提到的那种类型的天线来实现，其特征在于导线谐振器由导线形成，其中导线至少设置在基底上，并且用于电磁能量的谐振耦合，其中电磁能量施加于至少一个插塞式谐振器中的馈送端。

这个方案的一个特别的优点是，这种谐振耦合机制不影响搭接图样谐振的形成，并且天线的带宽可以通过附加的谐振，进一步增加到实际程度。而且，这种天线还适于SMD安装，并且适于提供短路导体。

各从属权利要求涉及本发明的进一步优选的实施例。

权利要求2的实施例通过SMD技术，允许天线能特别简单地表面安装，因为第二金属片可以与金属地线一起，直接焊接在印刷电路板上。

权利要求3的实施例具有特别的优点，同样当使用相同绝缘或磁导率值的基底时，带宽通过两个谐振器进一步增加，并且它还适于具有短路导体的结构。

权利要求5的实施例具有特别的优点，通过末端部分尺寸，导线谐振器与插塞式谐振器之间的耦合强度可以被调整。这个实施例和权利要求7的实施例的进一步的优点是，可以通过适当地确定所述导线的长度，调整谐振耦合的频率。

权利要求6的实施例提供了适应馈送端与导线谐振器之间耦合强度的可能。

天线的带宽可以通过权利要求8的实施例进一步增加，而权利要求9和10的实施例实质允许进一步减小天线。

最后，根据本发明的天线，可以特别有利地用在权利要求11定义的印刷电路板上，和权利要求12定义的移动通讯设备中。

从以下优选实施例的描述中，本发明进一步的特性、特点和优点将变得明显，优选实施例将参考附图给出，其中：

图1示意地显示了天线的第一实施例；

图2是这种天线的反射图；

图3示意地显示了天线的第二实施例；

图4是这种天线的反射图；而

图5示意地显示了天线的第三实施例。

图1、3和5中显示的插塞式天线包括几层，它们在垂直的方向上彼此分开画出，并且在装配状态形成具有两个独立谐振器的插塞式天线，其中谐振器通过搭接的图样形成。每层由陶瓷基底以实质矩形块的形式形成，块的高度通常小于它的长度或宽度一个3到10的因数。后面的描述基于这种情况，并且在图示中显示为顶部和底部的基底表面，被表示为上表面和下表面，而较小的垂直表面将被表示为侧面。

然而可选地，非常可能选择基底的其它几何形状，例如圆柱形而不是块型，然后，具有例如螺旋形的相应谐振导体轨迹结构提供其上。

可以通过例如将陶瓷粉末嵌入聚合体矩阵中来生产基底，并且基底具有ε_r＞1的介电常数和/或μr＞1的磁导率值。

图1显示天线的第一实施例包括两层，每层各自在装配状态形成较低的第一插接图样谐振器10和较高的第二插接图样谐振器20。第一谐振器10包括第一基底11，在它的下表面上设有金属地线12。第一基底11的上表面支持金属插接的第一图样13，它在上表面的主要部分上延伸，而只有这个上表面的边缘部分111保持自由。短路导体的第一部分14在金属地线12与插接的第一图样13之间延伸。

在第一基底11第一侧面112的大约一半长度，有馈送端15、17，它通过第一金属片，以带状导体17的形式在这个侧面上形成，其中带状导体17在向着基底上表面的方向延伸，并且通过第二金属片15形成，第二金属片15放在区域16中的下表面上，这里金属地线12具有凹陷。馈送端由此与金属地线12隔离。

搭接图样的第二谐振器20由第二基底21形成，在它的上表面上提供有金属插接的第二图样23，它在整个上表面上延伸。更进一步，短路导体的第二部分24出现在第二基底21中。当两个谐振器在箭头方向连接在一起而装配天线时，第二部分24将形成第一部分的延续，由此建立短路导体。

天线的这个第一实施例的本质特征被令人惊异的证实，与迄今为止的流行观点相反，也以上述类型的非同轴馈送端15、17，即同样当这个天线提供有短路导体，由此天线的尺寸可以进一步减小时，能够将电磁能量耦合到插塞式天线中。

更进一步发现，可以通过适当地选择带状导体17的高度和宽度，而调整天线的输入阻抗，使关于天线的低反射性实现优化，使提供给天线的电磁功率的主要部分尽量被真正辐射。

馈送端或带状导体17可以由各种宽度的几个金属片组成。

由于馈送端的第二金属片15出现在第一基底11的下表面上，并且不需要管脚或相似的东西，如馈送端由同轴电缆形成的情况下。在传统表面安装过程(SMD)中，天线可以与其它部件一起安装在印刷电路板上。更进一步，金属地线12还可以以这种方式，被焊接到印刷电路板的相应地线连接上。

这个实施例的进一步的优点是，相同的材料可以用作第一和第二基底11、12，对于实现天线足够的带宽，其材料不必具有彼此不同的介电常数，如现有技术中具有短路导体的插塞式天线的情况。

根据本发明，能够实现上述应用所需的频率带宽，其中天线包括(至少)两层，即搭接图样的谐振器10、20，由于插接的第一和第二图样12、13的不同尺寸，在操作模式中它们独立的谐振有些不同。

可选地，搭接图样可以相同。在这种情况下，两个谐振器的耦合实现一般相同谐振频率的分开，这样，实现频率带宽的增加。

在这种天线的优选实例中，基底11、21的尺寸每个大约为19.4×10.9×2.0mm³。用于基底材料的绝缘性能大约如下：ε_r＝18.55，tanδ＝1.17×10^-4。这符合市售NPO-K17陶瓷(Ca_0.05Mg_0.95TiO₃陶瓷)的高频性能。金属(银涂层)的导电率大约为σ＝3.0×10⁷S/m。最低，第一搭接图样13具有大约17.0×8.5mm的尺寸，而最高，第二搭接图样23实际上完全覆盖第二基底21的表面。除了凹陷16，金属地线12实质完全覆盖第一基底11的下表面，其中凹陷16容纳金属片15。横向带状导体17大约为1.8mm宽，并且大约为2.0mm高。它以具有0.5mm长度的第二金属片15的形式，在第一基底11的下表面上延续。短路导体14、24具有大约0.5mm的直径，每次到基底11、31的两个角的横向距离都为3.5mm，并且延伸到金属之间的两个基底内。

图2显示了这种天线的反射图，即天线反射的功率与提供给天线的功率之间的比R[dB]，作为频率的函数F[GHz]。两层(插塞式谐振器)的独立谐振被清晰地辨别，而有助于加宽插塞式天线的总带宽。

图3显示了根据本发明天线的第二实施例，它包括微带谐振器10’，第一和第二插塞式谐振器20、30安排其上。

微带谐振器10’包括第一基底11’，其表面上覆盖有金属地线12’，其中它的表面在图中显示为上表面。弯曲的微带导体18’提供在这个第一层的下表面上，其导体在馈送端15’开始，并且在基底11’侧面的向上方向上导向。在这个向上的轨迹上避免了金属地线12’与微带导体18’之间的短路。这可以通过例如金属地线12’在第一基底11’相关侧面的适当短接来实现。

馈送端15’以U型夹持在微带导体18’开始部分的周围，缝隙依其尺寸出现在两者之间，以调整两者之间的耦合强度。一般地，这个微带谐振器10’的谐振频率实际上由微带导体18’的长度确定。短路导体的第一部分14’也可以出现在第一层中。

第一插塞式谐振器20由第二基底21形成，第二基底21将金属插接23的第一图样支持在它的上表面，上表面的周围边缘部分211保持自由。在基底21的侧表面上有末端部分28，它在天线的装配状态下延续了微带导体18’，并且作为微带导体18’结束端。第一插塞式谐振器20的耦合强度可以通过这个末端部分的尺寸来设置。短路导体的第二部分24更进一步地出现在第一插塞式谐振器20中。

第二插塞式谐振器30由第三基底31形成，第三基底31将金属插接33的第二图样支持在它的上表面，而上表面的圆周边缘部分311却保持自由。短路导体的第三部分34贯穿插塞式谐振器20延伸。金属插接22、23的第一和第二图样可以在基底21和31上具有不同的尺寸，如第一实施例中的情况。

当这三层在箭头A的方向连接在一起时，具有电磁能量谐振耦合的多层插塞式天线被建立，与不具有谐振耦合的多层插塞式天线相比，它实现了带宽进一步的增加。

这个结构被证实是令人惊异的，只通过上述种类的微带谐振器10’的谐振耦合，独立的插塞式谐振器基本模式的谐振频率被干扰到可忽略的程度。特别是当还使用短路导体14’、24、34时，这是肯定的。金属地线12’同时组成第一插塞式谐振器20和微带谐振器10’的地线。附加的各自调谐谐振的产生，增加了相应的多层插塞式天线的带宽。

插塞式谐振器10、20与微带谐振器10’的电磁耦合，通过微带导体18’、28产生，特别通过第一插塞式谐振器20上末端部分28的长度和宽度，使天线的耦合强度和带宽可以被确定或被调整，其中微带导体18’、28沿着第二基底21的侧面213在向上的方向上延伸。

依据微带导体18’、28的长度，微带导体10’的谐振频率可以以已知的方式调整。

最后，馈送端15’与微带导体18’、28之间的耦合，可以通过适当地选择两者之间的缝隙宽度来调整。

这个第二实施例还具有以下优点，它可以通过表面安装的方式(SMD技术)，与其它部件一起设置在印刷电路板(PCB)上。馈送端15’为这个目的焊接在印刷电路板适当的带状导体上，通过导体提供辐射的电磁能量。金属地线12’可以通过第一基底11’上的金属馈送端(未画出)，焊接到印刷电路板的地线连接点上。

这个实施例的进一步优点是，插塞式谐振器20、30的金属地线23、33的几何形状可以实际上保持不变，与通过已知缝隙谐振器方式的谐振耦合相反。这实际上实现了多层插塞式天线设计的简化，特别是具有短路导体这样的天线。

在这种天线的实现过程中有利的是选择下面的值。第二和第三基底21、31的尺寸每个大约为19.0×10.5×2.0mm³。第一基底11的尺寸大约为19.0×10.5×1.0mm³。绝缘性能大致选择如下：ε_r＝18.55，tanδ＝1.17×10^-4。这符合市售NPO-K17陶瓷(Ca_0.05Mg_0.95TiO₃陶瓷)的高频性能。金属的导电率选择大约为s＝3.0×10⁷S/m(银涂层)。两个插接图样13、23具有大约17.0×8.5mm²的尺寸。短路导体具有大约0.5mm的直径，离插接图样各自角的两个横向距离大约都是2.4mm，并且贯穿三层10、20、30延伸。金属地线12具有大约18.5mm的长度和大约10.5mm的宽度。微带谐振器(带宽度大约为0.36mm)在大约1.0mm高的NPO-17基底上，以弯曲的形状在金属地线12’下延伸。这种谐振器的垂直末端首先在大约1.0mm的长度上，具有大约0.36mm的宽度，然后在大约1.8mm的长度上，具有大约1.4mm的宽度。微带导线的总长度由此大约为42.93mm。

微带谐振器18’的开始与馈送端15’之间的距离在任何一侧大约为0.18mm，其中馈送端15’围绕微带谐振器18’，呈现U型。

图4示出反射性能的梯度，即天线结构反射的功率与提供给天线的功率之间的比R[dB]，作为频率函数F[GHz]的图。三个谐振可以被清晰地辨别出来。它们对加宽天线的总带宽产生作用。这里，中心谐振由微带谐振器促使产生。另外两个谐振由插塞式谐振器促使产生。

图5示出本发明天线的第三实施例，它本质上与第二实施例的不同，在于电磁能量的谐振耦合不通过微带谐振器10’发生，而是通过所谓印刷导线天线(“印刷导线谐振器”)19、29形成的谐振器发生，这里的类型是导线天线谐振器类型的，它通过具有印刷导体轨迹192、292的上述种类的基底形成。

导体轨迹192、292电连接到馈送端15的信号导体上，并且在到达电磁谐振时，能够以波的形式辐射能量。谐振频率的值依靠印刷导体轨迹的尺寸和基底的绝缘或磁导率的值，如通常所知的。

第一插塞式谐振器10由第一基底11形成，在它的下表面上设有金属地线12。金属插接13的第一图样出现在第一基底11上表面的部分上，而在基底11的纵向上延伸。与之平行，沿着第一基底11的侧面，安排谐振器的第一部分19，它由第一基底11的第一边缘部分191形成，具有第一导体轨迹部分192印刷在其上。在基底11的下表面，导体轨迹部分连接到馈送端15上，其中在天线的表面安装过程中，馈送端15焊接到相应的电磁能量提供导体上。此外，平面短路导体的第一部分14沿着基底11的另一侧表面安排。

第二插塞式谐振器20由第二基底21形成，在它的上表面上设有金属插接23的第二图样。相应于谐振器第一部分19的第二谐振器部分29，沿着第二基底21的侧面安排，并且由第二基底21的第二边缘部分291形成，具有第二导体轨迹部分292印刷在其上。最后，平面短路导体的第二部分24沿着第二基底21的另一侧表面安排，在天线的装配状态下延续第一部分14，这样形成短路导体。

更进一步，当两层沿着箭头A连接到一起时，两个导体轨迹部分191、192互补，形成连接导体轨迹，它以弯曲的形状沿着基底的侧面和部分表面行进，并且在提供电磁能量时被激励谐振。与由此激励的插塞式谐振器10、20的谐振相联系，实现插塞式天线相对大的带宽，这与图4中显示的相似，其中因为金属插接13、23图样的不同表面面积，这样的谐振彼此有些不同。通过印刷导线谐振器19、29的杂散场，到插塞式谐振器20、30的电磁耦合再次发生。

此外，这个第三实施例实际上具有与参考第二实施例描述的相同优点。

当考虑它们的谐振频率和它们的输入阻抗时，通过使用激光束(激光修整)，改变用于耦合的金属结构的金属搭接图样，或者改变馈送端与微带线之间缝隙的金属搭接图样，可以实现用到具体结构位置的上述插塞式天线。

根据本发明的插塞式天线特别适用于移动电话(除了用在DECT和蓝牙波段外)中，因为它们将小尺寸与GSM和UMTS波段的足够带宽结合起来，并且可以通过表面安装(SMD技术)，与其它电子部件一起设置在印刷电路板上。

Claims

1.插塞式天线，具有至少一个谐振器，谐振器具有金属插接图样和金属地线，还具有馈送端，用于提供电磁能量，其特征在于馈送端至少包括第一金属片(17)，它在金属地线(12)与金属插接图样(13)之间的谐振器第一侧面(112)上延伸，而天线的输入阻抗由所述金属片的尺寸确定。

2.根据权利要求1的插塞式天线，其特征在于馈送端还包括第二金属片(15)，它以绝缘方式设置在金属地线(12)的凹陷中，并且以带状导体(17)的形式在第一金属片中延续。

3.根据权利要求1的插塞式天线，其特征在于第一插塞式谐振器(10)包括第一基底(11)，它在第一表面上具有金属地线(12)，并且在相对的第二表面上具有金属插接的第一图样(13)，而具有第二基底(21)的第二插塞式谐振器(20)，它在其第一表面上设有金属插接的第二图样(23)，并且将它相对的第二表面相对于金属插接的第一图样(13)放置。

4.插塞式天线，具有至少一个谐振器，并且具有馈送端，用于提供电磁能量，其特征在于有一个线谐振器(10’；19，29)，它由设置在至少一个基底(11’；11，21)上的线(18’；192，292)形成，并且用作电磁能量的谐振耦合，其中电磁能量提供给至少一个插塞式谐振器(10，20)的馈送端(15)。

5.根据权利要求4的插塞式天线，其特征在于线谐振器是微带导线谐振器(10’)，它由第一基底(11’)形成，具有表面上的微带导线(18’)，并且具有在相对表面上的金属地线(12’)，而至少第一插塞式谐振器(20)安排在金属地线(12’)上，并且微带导线的末端部分(28)相对与第一插塞式谐振器(20)的侧面(213)放置，用于电磁能量的耦合。

6.根据权利要求5的插塞式天线，其特征在于在馈送端(15’)与微带导线(18’)的开始部分之间有一缝隙，两条导线之间的耦合强度由所述缝隙尺寸确定。

7.根据权利要求4的插塞式天线，其特征在于线谐振器是印刷导线谐振器(19，29)，它由导体轨迹(192，292)形成，该导体轨迹(192，292)沿着至少一个基底(11，21)的边缘部分(191，291)弯曲。

8.根据权利要求1或4的插塞式天线，其特征在于金属插接图样(13)包括几个插塞式谐振器(10，20，30)，用于产生不同带宽的不同谐振频率。

9.根据权利要求1或4的插塞式天线，其特征在于有一条短路导体(14’；14，24，34)贯穿插塞式天线延伸。

10.根据权利要求9的插塞式天线，其特征在于短路导体(14，24)由带状导体形成在插塞式天线的侧面。

11.印刷电路板，具体用于电子元件的表面安装，其特征在于具有前面权利要求之一的插塞式天线。

12.移动通讯设备，具体用于双波段或多波段工作，其特征在于具有权利要求1到10之一的插塞式天线。