CN1459990A - 微芯片双频带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种安装在具有接地表面和非接地表面的印刷电路板上的微芯片双频带天线，该微芯片双频带天线包括分别环绕在形状为四边形棱柱的绝缘体的纵向两端的第一贴片单元和第二贴片单元；与第一贴片单元不相连的第一辐射贴片，该第一辐射贴片置于绝缘体的上表面，向第二贴片单元曲折延伸；与第二贴片单元相连的第二辐射贴片，该第二辐射贴片置于绝缘体的下表面，向第一贴片单元曲折延伸，延伸的距离小于绝缘体整体长度的一半，并使第一辐射贴片和第二辐射贴片的曲折结构相互交错排列；以及设置于绝缘体前表面的第一馈线通道，该第一馈线通道与绝缘体纵向的一端相邻，电镀该第一馈线通道，从而使第一辐射贴片和第二辐射贴片相互连接。

Description

微芯片双频带天线
技术领域
本发明涉及一种微芯片双频带天线，尤其涉及一种可以在双频带获得适合通信终端的回波损耗及电压驻波比(VSWR)的微芯片双频带天线，该微芯片双频带天线可以获得良好的辐射图，而且其尺寸可以小型化，并能以小型化后的状态内装于各种无线电通信设备中。
技术背景
目前，由于移动通信终端的小型化，内装型天线在该领域中已有所披露。此外，由于可以提供各种通信服务，为确保高质量的通信，已经开发出尺寸小、重量轻、且能够克服外装型天线的缺点的微芯片天线。在微芯片天线中，一种双频带天线尤为突出，因为它能以集成方式满足多种通信服务的需要。
然而，在现有技术中存在这样的缺点：微芯片天线不能适当地解决由通信终端的小型化和设计所带来的问题，而且在双频带天线中扩展带宽存在固有的困难。尤其是由于大多数现有技术中的天线是外装于通信终端上，要应用阻抗匹配电路，因而增加了工序数量和制造成本。
发明内容
因此，本发明试图解决现有技术中出现的问题。本发明的一个目的是提供一种可以获得适合双频带的回波损耗及电压驻波比(VSWR)的微芯片双频带天线，该微芯片双频带天线可以获得良好的辐射图，并能以小型化后的状态内装于各种无线电通信设备中。
为了达到本发明的上述目的，提供一种安装在具有接地表面和非接地表面的印刷电路板上的微芯片双频带天线，其包括分别环绕于一个形状为四边形棱柱的绝缘体的纵向两端的第一贴片单元和第二贴片单元；一个与第一贴片单元不相连的第一辐射贴片，该第一辐射贴片置于绝缘体的上表面，并向第二贴片单元曲折延伸；一个与第二贴片单元相连的第二辐射贴片，置于绝缘体的下表面，向第一贴片单元曲折延伸，延伸的距离小于绝缘体整体长度的一半，并且使第一辐射贴片和第二辐射贴片的曲折结构相互交错排列；以及设置于绝缘体的前表面的第一馈线通道，该第一馈线通道与绝缘体纵向的一端相邻，电镀该第一馈线通道，从而使第一辐射贴片和第二辐射贴片相互连接。
附图简要说明
在结合附图阅读下列详细描述后，本发明的上述目的、其他特征和优点将会变得更为明显，其中：
图1示出了根据本发明的微芯片双频带天线，表面安装于印刷电路板上的状态的透视图；
图2单独示出了根据本发明的微芯片双频带天线的透视图；
图3示出了根据本发明的微芯片双频带天线的下部的部分透视图；
图4示出了根据本发明的微芯片双频带天线的俯视图；
图5示出了根据本发明的微芯片双频带天线的仰视图；
图6示出了根据本发明的一个实施例的微芯片双频带天线中的频率与回波损耗之间的关系图；
图7示出了根据本发明的另一个实施例的微芯片双频带天线中的频率与回波损耗之间的关系图；
图8示出了根据本发明的另一个实施例的微芯片双频带天线中的频率与电压驻波比(VSWR)之间的关系图；
图9示出了根据本发明的另一个实施例的微芯片双频带天线的史密斯圆图；
图10示出了根据本发明的另一个实施例的微芯片双频带天线的垂直辐射图；以及
图11示出了根据本发明的另一个实施例的微芯片双频带天线的水平辐射图。
具体实施方式
下面参见本发明的一个优选实施例的详细内容结合附图进行说明。在可能的情况下，同一标号用于所有附图和说明表示相同或者相似的部分。
随着信息时代的到来，由于个人的社会和经济活动逐渐增多，信息传递的重要性得到了强调，因此需要一种可以让个人在不考虑时间、地点及另一方的情况下进行信息交换的系统。
为了满足这种需求，一种作为下一代移动通信系统的个人通信业务(PCS)电话以合理的服务费提供通信质量接近有线电话的通信，并实现了便携、小型化、重量轻的特点，而且该PCS电话通过提供数据服务而有助于建构多媒体通信环境。
同时，为了改进模拟通信系统的有限信道容量、低通信质量、变差的性能等，开发了数字手机，在该数字手机中，由于声音的全部都参与编码，因而确保了通话的安全性，而且错误容易得到修正，抗干扰特性得到了改善，信道容量也有所增加。
用于数字通信网络的多路存取方法分为码分多路存取(CDMA)和时分多路存取(TDMA)。每个信道的容量受频带宽和所分配到的时间的限制。需要指出的是，即使是在数字蜂窝移动通信的情况下，由于多路衰减和频率再用，也可能会产生问题。
这时，在码分多路存取的情况下，对频率再用没有施加限制。然而，在时分多路存取的情况下，为了再用相同的频率，两个蜂窝单元彼此必须充分分离，以使它们不会互相干扰。
一种应用时分多路存取方法的组专用移动电话(GSM)系统是工作于900MHz频带的蜂窝系统，整个欧洲地区都使用这一频带。该GSM系统在信号质量、服务费用、国际漫游支持、频带利用率等方面具有优势。
一种通过提高该GSM的频带获得的个人通信网络(PCN)可作为一种工作于1,800MHz和1,900MHz频带的数字蜂窝系统(DCS)。由于该个人通信网络基于GSM并且应用了用户识别模块(SIM)，因此它可以随GSM漫游。
本发明涉及一种微芯片双频带天线30，它能可靠地用于包括GSM频带和数字蜂窝系统频带的双频带。以下给出关于该微芯片双频带天线的详细说明。
图1示出了根据本发明的微芯片双频带天线30表面安装于印刷电路板10上的状态的透视图。印刷电路板10具有接地表面11及非接地表面12，微芯片双频带天线30安装于印刷电路板10的非接地表面12上。在本发明的优选实施例中，印刷电路板10宽度为38mm，长度为90mm，接地表面11宽度为38mm，长度为78mm，非接地表面12宽度为38mm，长度为12mm。为降低制造成本，微芯片双频带天线30的一部分由绝缘体31构成。
图2单独示出了根据本发明的微芯片双频带天线30的透视图。在本发明的这个优选实施例中，形状为四边形棱柱的绝缘体31的长度L为30mm，宽度W为8mm，高度H为3.2mm。图3示出了根据本发明的微芯片双频带天线30下部的部分透视图。通过省略或用虚线画出绝缘体31的轮廓，可以确定微芯片双频带天线30下部的外部特征。
图4示出了根据本发明的微芯片双频带天线30的俯视图，该图清楚地示出了第一辐射贴片34，图5示出了根据本发明的微芯片双频带天线30的仰视图，该图清楚地示出了第二辐射贴片35。
如图1至图5所示，根据本发明的微芯片双频带天线30包括分别环绕在形状为四边形棱柱的绝缘体31的纵向两端的第一贴片单元32和第二贴片单元33。
第一辐射贴片34与第一贴片单元32不相连，并置于绝缘体31的上表面，向第二贴片单元33曲折延伸。第一辐射贴片34在如GSM频带谐振。第二辐射贴片35与第二贴片单元33相连接，并置于该绝缘体31的下表面，向第一贴片单元32曲折延伸，延伸的距离小于绝缘体31整体长度的一半，并且使第一辐射贴片34和第二辐射贴片35的曲折结构相互交错排列。第二辐射贴片35在如数字蜂窝系统频带谐振。
由于第一辐射贴片34和第二辐射贴片35分别置于绝缘体31的上下表面，以使它们的曲折结构互相交错排列，从而可将它们之间的辐射影响和干扰最小化。在一个实施例中，第一辐射贴片34利用绝缘体31总长度L时可以在900MHz的频带工作，第二辐射贴片35利用绝缘体31总长度L的一半时可以在1,800MHz或1,900MHz的频带工作。
第一馈线通道36设置于绝缘体的前表面，并与绝缘体31纵向的一端相邻。电镀第一馈线通道36，使第一辐射贴片34和第二辐射贴片35相互连接。第二馈线通道37设置于绝缘体的前表面，并与绝缘体31纵向的另一端相邻。电镀第二馈线通道37，使第一辐射贴片34和第二辐射贴片35相互连接。第一馈线通道36和第二馈线通道37通过焊接在信号线13上相连接，信号线13的作用是向印刷电路板10的接地表面11提供由电路匹配产生的信号。
同时，环绕在形状为四边形棱柱的绝缘体31纵向一端的第一贴片单元32包括一个芯片形电感器38。该芯片形电感器38置于连接第一贴片单元32和绝缘体接地表面11的线路上，以提供增加接地长度的效果。由此，带宽可以增加10～20％，而且此时芯片形电感器可以有5～10nH的电感值。
如上所述，根据本发明的天线采用了经由单独的一个馈线通道36连接的分别置于绝缘体31的上下表面的第一辐射贴片34和第二辐射贴片35，由此能可靠地实现在移动通信中工作于GSM频带和数字蜂窝系统频带(即所述的双频带)的双频带天线。而且，由于本发明的微芯片双频带天线是内装于移动通信终端的，这就使所述的终端小型化成为可能。此外，由于本发明的微芯片双频带天线是表面安装于印刷电路板10，当有信号来自信号线13时，不仅不需要单独的馈电线路，而且还可能有效地克服与电力线分布不均相关的问题。
根据本发明的微芯片双频带天线30可以应用于使用蜂窝电话和PCS电话的个人移动通信业务、无线局域环路(WLL)业务、未来的公用地域移动通讯业务(FPLMTS)以及包括卫星通信的无线电通信，所以能容易地使该天线适用于发射和接收基站和便携式终端之间的信号。
在现有技术中，就微波传输带多层天线的固有特征而言，它属于谐振天线，由于频带宽度减少到百分之几，而且辐射增益低，这样就会产生一些缺点。由于这种低辐射增益，多个贴片必须依次排列或堆叠，从而天线的尺寸和厚度就不能减小。由于这个原因，现有技术中的微带多层天线在安装于个人便携式终端，或作为便携式通信发射器的天线，或用于无线电通信设备等情况下，就会产生一些困难。
然而，在本发明中，微芯片双频带天线30具有宽频宽及降低的漏电流，由此可以获得高辐射增益。特别是，由于电压驻波比得到改进，而且天线尺寸减小，从而有可能使各种无线电通信设备小型化。
根据本发明的具有上述应用的微芯片双频带天线30的特征将在以下进行详细说明。
图6示出了根据本发明的一个实施例的微芯片双频带天线30中的频率和回波损耗之间的关系图；图7示出了根据本发明的另外一个实施例的微芯片双频带天线30中的频率与回波损耗之间的关系图。
如图6所示，根据本发明的微芯片双频带天线30的专用业务频带实现了双频带，即包括由第一辐射贴片34产生的824～894MHz(参见标记1～标记2)和由第二辐射贴片35产生的1,850～1,990MHz(参见标记3～标记4)。如图7所示，将芯片形电感器38加到微芯片双频带天线30的情况下，在包括由第一辐射贴片34产生的824～894MHz和由第二辐射贴片35产生的1,850～1,990MHz的双频带天线中，回波损耗改善了10～20％。
图8示出了根据本发明的另外一个实施例的微芯片双频带天线30中的频率与电压驻波比之间的关系图，在该实施例中增加了芯片形电感器。从图8中容易看出，在GSM的工作频带，以50Ω的谐振阻抗可以获得1∶2.5007～2.8486的最大电压驻波比，在数字蜂窝系统的工作频带，以50Ω的谐振阻抗可以获得1∶2.9314～3.3695的最大电压驻波比。
也就是说，若假设微芯片双频带天线30中的理想电压驻波比值是1，则在包含于GSM频带的标记1中，以880MHz的频率可以获得2.8486的电压驻波比，在标记2中，以960MHz的频率可以获得2.5007的电压驻波比。在包含于数字蜂窝系统频带的标记3中，以1,710MHz的频率可以获得2.9314的电压驻波比，在标记4中，以1,880MHz的频率可以获得3.3695的电压驻波比。因此，易于理解，在GSM频带和数字蜂窝系统频带中，以50Ω的谐振阻抗可以获得很好的电压驻波比。
图9示出了根据本发明的另外一个实施例的微芯片双频带天线30的史密斯圆图，在该实施例中增加了芯片形电感器38。
如图9所示，当以50Ω作为GSM和数字蜂窝系统频带中的谐振阻抗的参考值时，在包含于GSM频带中的标记1处，以880MHz的频率可以获得23.813Ω的谐振阻抗，在标记2处以960MHz的频率可以获得29.068Ω的谐振阻抗。同样，在包含于数字蜂窝系统频带的标记3处，以1,710MHz的频率可以获得30.939Ω的谐振阻抗，在标记4处，以1,880MHz的频率可以获得154.80Ω的谐振阻抗。从而，在GSM频带中，实现了范围在23.813～29.068Ω的全部谐振阻抗，在数字蜂窝系统频带中，实现了范围在30.939～154.80Ω的全部谐振阻抗。因此，本发明的微芯片双频带天线30能可靠地工作于双频带状态。
图10示出了根据本发明的另外一个实施例的微芯片双频带天线30的垂直辐射图。在消音室中测定辐射增益时，在GSM频带获得的辐射增益为0dBi，在数字蜂窝系统频带获得的辐射增益为2dBi。因此，在便携式移动通信中，辐射最好能以一种更有效的方式实现。图11是根据本发明的另外一个实施例说明微芯片双频带天线的水平辐射图。在图11中，水平辐射图实现了全向辐射图。因此，可以不考虑方位而实现信号的发射和接收，由此可以有效地解决与辐射方向相关的问题。这时，对根据本发明的微芯片双频带天线30进行测定，该测定是在无电干扰的消音室内或在前后50米内无障碍的区域内进行的。就此而言，本发明的测定是在消音室中进行的。通过在主电场表面上和主磁场表面上测定每个标记点的辐射图，可以发现，在主电场表面上和主磁场表面上以每个测量频率测定的辐射图都显示了全方向的特性。因此，根据本发明的微芯片双频带天线适用于作为GSM频带和数字蜂窝系统频带信号的发送和接收天线。
如上所述，显然可知，根据本发明的微芯片双频带天线在GSM频带和数字蜂窝系统频带的双频带工作时，回波损耗可以达到不高于-5dB。在GSM的一个工作频带内可以获得1∶2.5007～2.8486的充足的电压驻波比，在数字蜂窝系统的一个工作频带内可以获得1∶2.9314～3.3695的充足的电压驻波比。在GSM频带和数字蜂窝系统频带分别可以获得23.813～29.068Ω和30.939～154.80Ω的谐振阻抗。在GSM频带和数字蜂窝系统频带中分别获得0dBi和2dBi的垂直辐射图。水平辐射图是在全方向实现的。该微芯片双频带天线易于安装在印刷电路板上。此外，根据本发明的微芯片双频带天线可以应用于使用蜂窝电话和PCS电话的个人移动通信业务、无线局域环路业务、FPLMTS、IMT-2000、以及包括卫星通信的无线电通信，所以它可以容易地适用于发射和接收便携式终端之间以及无线局域网(LAN)内的信号。
特别地，因为根据本发明的微芯片双频带天线只用一个馈线通道实现了双频带，故具有如下优点：减小了漏电流以获得高增益，改善了电压驻波比，而且该微芯片双频带天线可以小型化后的状态内装于各种无线电通信设备中。
尽管本发明已经参照附图和优选实施例进行了说明，但是，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。本发明的各种更改，变化，和等同物由所附的权利要求书的内容涵盖。

Claims (3)

1.一种安装在具有接地表面和非接地表面的印刷电路板上的微芯片双频带天线，包括：
第一贴片单元和第二贴片单元，所述第一贴片单元和第二贴片单元分别环绕在一个形状为四边形棱柱的绝缘体的纵向两端；
第一辐射贴片，所述第一辐射贴片与所述第一贴片单元不相连，并置于所述绝缘体的上表面，向所述第二贴片单元曲折延伸；
第二辐射贴片，所述第二辐射贴片与所述第二贴片单元相连，并置于所述绝缘体的下表面，向所述第一贴片单元曲折延伸，延伸的距离小于所述绝缘体整体长度的一半，并且使所述第一辐射贴片和第二辐射贴片的曲折结构相互交错排列；以及
第一馈线通道，所述第一馈线通道设置于所述绝缘体的前表面，并与该绝缘体纵向的一端相邻，电镀所述第一馈线通道，从而使所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片相互连接。
2.根据权利要求1所述的微芯片双频带天线，还包括：
一个芯片形电感器，所述芯片形电感器置于所述第一贴片单元和所述接地表面相互连接的线路上，以提供接地加长的效果，由此扩展带宽。
3.根据权利要求1所述的微芯片双频带天线，还包括：
至少一个第二馈线通道，所述第二馈线通道设置于所述绝缘体的前表面，并与所述绝缘体纵向的另一端相邻，电镀所述第二馈线通道，从而使所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片相互连接。
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