CN1459137A - 具有衬底和导体轨迹结构的天线 - Google Patents

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Abstract

公开一种天线(1)。这种天线具有一个电介质的或可透的衬底(10)和至少一个谐振导体轨迹结构(20)，特别为在高频和微波范围内的应用而被提供，其特征是衬底(10)包括至少一个腔(30)。该腔最好被提供在衬底的一个主表面中以使衬底具有基本上是U形的形状。该腔不仅加强辐射效率，而且可观地减少了天线的总重量。该天线的另一优点是，它提供了高度的小型化以及在例如，印刷电路板(PCB)上的表面安装(SMD)的可能性。

Description

具有衬底和导体轨迹结构的天线
本发明涉及一种具有一个电介质的(或可透过的)衬底和至少一个谐振导体轨迹结构的天线。这种天线专门为在高频和微波范围内的应用而设计，例如用于可移动双波段或多波段通信设备(蜂窝电话和无绳电话)以及用于按照蓝牙(Bluetooth)标准通信的设备。本发明进而涉及一种电路板和一种具有这样的一个天线的通信设备。
为跟随向着愈来愈小的电子元件发展的趋势，特别是在远程通信技术领域，所有无源和/或有源电子元件制造商都加强他们在该领域内的活动。电子元件在高频和微波技术领域的应用中出现一些特殊问题，因为元件的许多性质都依赖于它们的物理尺寸和因为信号的波长随频率提高而变小，这又造成了与信号提供源的干扰，特别是由于反射。
这在特别高的程度上关系到这种电子设备的天线结构，例如，移动电话的天线结构。这种结构比所有其他高频元件(HF)都更强依赖于所要求的应用的频率范围。这是因为天线是一种谐振元件，它要适合各自的应用领域，即，工作频率范围。一般说，导线天线用于传送所要求的信息。为了使这些天线达到良好的辐射和接收特性，需要一定的物理长度。
在所谓λ/2偶极子天线中发现了最佳辐射特性。λ/2偶极子天线的长度相应于信号在自由空间的波长(λ)的一半。这些天线各由2条λ/4长的导线组成，而这2条导线互相相对旋转180°。但是，这些偶极子天线对于许多应用太大，特别是对于移动远程通信(在GSM900波段波长约为32cm)。这就是为什么使用替换天线的原因。一种特别为移动远程通信领域广泛应用的天线是所谓λ/4单极天线。它由一个具有四分之一波长长度的导线组成。当这种天线的物理长度(对于GSM波段约为8cm)可同时被容纳时这种天线的辐射特性是受欢迎的。另外，这种天线以自己的高的阻抗和辐射带宽为特色，所以它们还可用于需要比较大的带宽的系统。为达到50欧姆的最佳功率适配，为这种天线选择了一种无源电适配，确实如对大多λ/2偶极子那样。这种适配通常由至少一个线圈和一个电容的组合组成，这个组合把与50Ω不同的λ/4单极天线的输入阻抗适配到连接的50Ω元件，给出了一个适当的尺寸配合。
虽然这种天线被广泛的应用，但它们仍有值得考虑的缺点。一方面，在上述无源适配电路中发现了这些缺点。
另一方面，例如，移动电话通常配有拉出导线天线。这样的λ/4单极天线不能被直接焊到电路板上。这结果是，为信号在电路板和天线之间的传输需要昂贵的接点。
这种天线的另一个缺点是天线本身的机械不稳定性以及由于这个不稳定性使机壳与天线的适配成为必要。如果，例如，一个移动电话掉落到地板上，天线通常会脱落，或者，在能拉出天线的位置处机壳损坏。
为避免这些缺点，研制了这样的天线，即，在其中在具有介电常数εr＞1的电介质衬底上提供一个或几个谐振金属结构。由于在该电介质中的波长比在真空中的波长小到
Figure A0280074400041
，可以制造尺寸减小到同样数值的天线。
这些天线的另一优点是可直接被提供在印刷电路板(PCB)上，用表面安装(SMD工艺)方法，即，通过在导体轨迹上平面焊接和接触，可能同其它元件一起，而没有另外的用于提供需要的电磁功率的保持装置(引线)。
本发明的目的是，提供一种具有电介质的(或可透的)衬底和至少一个谐振导体轨迹结构的天线。这种天线在辐射性质方面有改进。
另外，还要提供这样一种天线，它具有尽可能小的重量，并且，特别是通过表面安装(SMD工艺)，即，通过在导体轨迹上平面焊接和接触，可能同其它元件一起，而没有另外的用于提供需要的电磁功率的保持装置(脚)，可以被提供在印刷电路板上。
应这样特别配置这些天线，使它们适于在高频和微波范围的应用，它们具有尽可能大的和/或可调谐的带宽，以及它们能够很大程度上小型化并是机械上特别稳定的。
这个目的按照权利要求1通过一种天线来实现。这种天线由一个电介质(或可透的)衬底和至少一个谐振导体轨迹结构组成，它的特征是，该衬底至少包括一个腔。
惊奇地发现，借助这样的一个腔，该天线的辐射效率和相应的辐射性质是或可以是相当可观地增加和改进。根据腔的形状、尺寸和腔的数目，所说的效率可以增加约15％或更多。这种解决办法的特别优点是，天线的重量同时显著降低。
这种解决办法对于如在DE10049844.2中所述的为单波段应用(例如GSM900波段)的小型化微波天线，以及对于用于GSM900和DCS1800标准的频率范围的二和三波段天线，还对于如在DE10049845.0中所公开的蓝牙系统均特别便利。因此应想到，这些发表物的内容作为参考包括在本公开中。
这里应注意到，具有U形电介质衬底的天线从EP0923153和US5952972中已被了解。然而，它涉及到这样的衬底，即，该衬底是为增加阻抗带宽的目的而被形成的，没有为增加辐射电磁波的效率采取措施。而且，所说的两个发表物涉及具有壳电极的天线，US5952972仅仅介绍了介质谐振器天线(DRA)。在这些天线中，工作模式由体谐振决定；然而，在按照本发明的天线(PWA-印刷导线天线)中，没有大量电极，工作模式由衬底上的导体轨迹结构的谐振来确定。因此，工作原理基本上互不相同。
独立权利要求涉及更便利的本发明的实施例。
权利要求2的实施例特别涉及由泡沫型材料制成的衬底。不是绝对必要把分离腔提供到该衬底里。
与上述对比，权利要求3到5的实施例要首先地和主要地在固体衬底被提供处使用。以相应的凹陷的形式把腔引进到衬底里。
权利要求6和7涉及可特别用于高频和微波范围的天线。权利要求6的实施例具有特别大的阻抗和辐射带宽。权利要求7的实施例是可调谐的。
随后的优选实施例的说明中，本发明的详细情况、特征和优点将变得显而易见。优选实施例的说明是参照附图给出的。在这些附图中，
图1图示地表示一个按照本发明的天线；
图2表示一个带有这样的一个天线的印刷电路板；
图3是一个表示各个天线实施例的辐射效率的图。
所述天线属于所谓“印刷导线天线”(PWA)。其中，一个谐振导体轨迹结构提供在一个衬底上，因而，原则上这些天线是导线天线，与微带天线相比，它们在起参考电位作用的衬底的后表面上不具有任何金属表面。
下述实施例各包括一个由基本上是立方体形的块组成的衬底，块的高度D比其长度A或宽度C小到2至10倍。据此，如图所示的衬底10的下表面和上表面将在随后的说明中分别被表示为下(第一)和上(第二)主表面11和12，而与它们垂直的表面将被表示为第一到第四侧面13到16。
替换地，对于这样的衬底也可能选取与立方体形状不同的几何形状，例如，圆柱体形状。在该圆柱体上，例如，沿螺旋路径提供一个相应的谐振导体轨迹结构。
可以通过在聚合物基质中加入陶瓷粉制造衬底，衬底具有εr＞1的介电常数和/或μr＞1的相对导磁率。
具体说，图1和图2的天线包括一个立方体形电介质衬底10，在其上提供一个谐振导体轨迹结构。
该导体轨迹结构由在衬底10上提供的一个或几个金属化形成，如在两个作为参考包括在这里的援引文件DE10049844.2和DE10049845.0中所述。这些金属化可以上主表面12上和侧面13到16中的一个或几个上提供。
该导体轨迹结构具有一个 的有效长度，这里，λ是信号在自由空间的波长。规定该导体轨迹结构的尺寸，使得它的长度对应于天线要辐射的电磁功率的波长的约一半。例如，如果天线要被用于在2400和2483.5MHz之间的频率范围工作的蓝牙标准，在自由空间结果是约12.1cm的波长。给定等于20的衬底介电常数εr，半波长将被缩短，并且所需要的导体轨迹结构的几何长度将被减少到约13.5mm。
以凹陷的形式在衬底10的下主表面11中提供一个腔。该腔以基本上是矩形横截面的沟道30的形式在衬底的整个长度上连续。该沟道的宽度B在下主表面11上延伸，而同时它的高度H是沟道30进入到衬底10里的深度。这使衬底成为基本上是U形的。
图2示出一个印刷电路板(PCB)40，在其上安装一个按照本发明的天线1。为此目的，在衬底的下主表面11上提供焊点(“脚印”)。借助这些脚印，用表面安装工艺(SMD)将衬底10焊接到印刷电路板40上。导体轨迹结构是一个表面金属化，它由在第二主表面12上的第一平面金属化结构21和沿衬底10的侧面13到16延伸的导体轨迹22组成。导体轨迹22在供电端45开始，在第二侧面13结束，并在这里连接到第一金属化结构21。供电端45被提供在印刷电路板40上，并供给天线1以要被辐射的电磁能量。在DE10049844.2中介绍了这种具有导体轨迹结构的天线。
在一个该天线的实际实现中，使用一个如图1所示的立方体形衬底10。该立方体形衬底10具有4mm的长度A、3mm的宽度C和2mm的高度D。
测量了1到6的6个这种天线的实施例的辐射效率，每次沟道30的尺寸都不同，并在图3上的曲线示出测量结果，同一个无腔的衬底的实施例0相比较。在每个情况下，沟道30在衬底10的整个长度上延伸，并在所有的实施例中导体轨迹结构20都是相同的。
在图3上各个实施例对应在水平轴上的连续数0到6，而在垂直轴上示出百分数的(相对)辐射效率，即，相对于无腔的衬底的天线。
该图很清楚地显示出，在1到6的所有实施例中的辐射效率都明显地比在具有无腔的衬底的天线0中的高。
详细地，对于无沟道实施例0得到42.2％的绝对辐射效率。对于具有1.5×1.5mm2的沟道横截面的实施例1测得51.2％的绝对辐射效率。在实施例2中，沟道横截面是0.5×0.5mm2，这造成52.6％的绝对辐射效率。在实施例3中的沟道具有1.0mm的宽度B和0.5mm的高度H。对此测得52.8％的辐射效率。在实施例4中，沟道的宽度B被扩大到2.0mm，高度H被扩大到1.0mm。这造成53.9％的辐射效率。在实施例5中，沟道具有1.0mm的宽度B和1.5mm的高度H，这给出55.9％的辐射效率。最后，实施例6具有1.0×1.0mm2的沟道横截面。用这个实施例实现了辐射效率的最大增加，即，达到了57.2％的辐射效率，比在衬底中无腔的实施例0中的高约15％。
另外，天线实施例6具有比实施例0的低21％的总重量。
参照沟道形式的腔说明优选实施例。另一方面，多个腔和替换形状的腔是有可能的。首先地和最主要地是从衬底的制造简单的角度做选择。在选择中，最简单的例子是，在下主表面11上到高度H提供多个圆柱形孔以使天线的机械稳定性不受危害。最后，按照本发明的效果可以通过使用泡沫型(电介质的或可透的)衬底来实现。
对图2作一个替换，也可以至少由在衬底10的第二主表面上提供的第一和第二导体部分形成导体轨迹结构。这些部分基本上以曲折的形状延伸。这个实施例特别具有这样优点，即，可以通过改变这2个导体部分之间的间隔，在基波模式的第一谐波处调节基波模式的第一谐振频率和第二谐振频率之间的间隔。在DE10049845.0中介绍了这种具有导体轨迹结构的天线。
最后应注意到，可以基本上与被馈给要被辐射的电磁波的导体轨迹结构的型式无关地选择衬底的腔的形状和和特性。

Claims (9)

1.一种具有一个电介质的或可透过的衬底和至少一个谐振导体轨迹结构的天线，特别用于高频和微波范围，其特征在于衬底(10)包括至少一个腔(30)。
2.一种如权利要求1中所述的天线，特征在于，该腔由至少一个被衬底(10)包含的中空空间来形成。
3.一种如权利要求1中所述的天线，特征在于，该腔由至少一个在衬底(10)的一个或几个表面上提供的凹陷来形成。
4.一种如权利要求3中所述的天线，特征在于，该凹陷是一个在衬底(10)的纵向上延伸的沟道(30)。
5.一种如权利要求4中所述的天线，特征在于，沟道(30)的横截面基本上是矩形的，并被提供在衬底(10)的第一主表面(11)上，以使衬底(10)基本上是U形的。
6.一种如权利要求1中所述的天线，特别用于高频和微波范围，其特征在于，导体轨迹结构是一个表面金属化，该金属化由至少衬底(10)的第二主表面上(12)上的第一平面金属化结构(21)以及沿至少衬底(10)的侧面(13到16)的一部分延伸的导体轨迹(22)组成，以对金属化结构供给要辐射的电磁能量。
7.一种如权利要求1中所述的天线，特别用于高频和微波范围，其特征在于导体轨迹结构由至少在衬底(10)的一个表面上提供的第一和第二导体部分组成，这些部分基本上以曲折的形状延伸，然而，基波模式的第一谐振频率和第二谐振频率之间的频率间隔，通过改变这两个导体部分之间的间隔在基波模式的第一谐波处是可以调节的。
8.一种印刷电路板，特别用于电子元件的表面安装，特征在于，如在前述权利要求中的任何一个中所述的天线。
9.一种移动远程通信设备，特别用于蓝牙、GSM或UMTS范围，特征在于，如在权利要求1到7中的任何一个中所述的天线。
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