CN1697255A

CN1697255A - 多层多频带天线

Info

Publication number: CN1697255A
Application number: CNA2004100985160A
Authority: CN
Inventors: 郭元一; 朴星昱
Original assignee: University Information & Communication Of Icu Res And Industry Cooperation
Current assignee: University Information & Communication Of Icu Res And Industry Cooperation
Priority date: 2004-05-11
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2005-11-16
Also published as: KR100623079B1; US7053837B2; US20050253758A1; KR20040052869A

Abstract

本发明提供了一种多层多频带天线，用于移动通信服务的通信装置中，包括：PCB，具有电源部分和接地部分的；上平面天线，与PCB的上平面分离，该上平面天线包括金属导体，该金属导体具有用U形槽形成的预定图案；中间平面天线，设置在上平面天线和PCB之间，与上平面天线平行，该中间平面天线包括金属导体，该金属导体具有用U形槽形成的预定图案；电源金属导体，一侧与PCB的电源部分连接，另一侧与中间平面天线的一侧连接；接地金属导体，一侧与PCB的接地部分连接，另一侧与中间平面天线的一侧连接；以及多个短路金属导体，设置在上平面天线和中间平面天线之间，短路上平面天线和中间平面天线。

Description

多层多频带天线

技术领域

本发明涉及一种天线，尤其涉及一种能够为普通的片状天线(patch antenna)提供多频带的多层多频带天线。

背景技术

用于移动通信服务的天线(例如，连接到基站、交换器和无线通信装置上的天线)能够接收电磁波和向外发送通信装置产生的电信号。

移动通信服务的增加和移动通信装置的小型化，限制了天线的空间。空间的限制导致很难使用装配在带图案的接地面上的普通芯片天线。

移动通信装置的发展和用户对多种服务需求的增加，需要多种系统服务。为了满足这些需求，要使用多种天线的结合。

传统的U形槽式天线(slot antenna)为单层结构。该天线已经被用于交换器或基站而未被用于移动通信服务。传统的U形槽式天线存在的一个问题是天线太大而不适于移动通信服务，并且其大尺寸导致接地尺寸的增加。另外，传统天线的电源和接地点不适于在用于移动通信服务的高频带中进行谐振。也就是说，传统的天线有一个问题，即天线的尺寸必须加大来感应适合移动通信服务的谐振频率。

另一方面，在天线市场，外部天线被内置天线代替。移动终端通过使用双(或多)频带天线来制造。因此，需要适用于多频带的天线。这是因为不同的国家使用不同的频带，甚至在一个国家，不同的服务使用不同的频带来提供。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的一个目的是提供一种适于移动通信装置小型化的天线。另外，本发明的另外一个目的是提供一种适用于同时发送和接收多信道信息的多路服务的天线。

为了达到这些目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于移动通信装置的多层多频带天线，适合一种通过使用接地面作为反射面而无需在接地面上形成图案而形成的片状天线。多层多频带天线包括通过折叠U形槽式天线的前、后和侧部形成的多层结构，并且为了获得好的阻抗匹配点，折叠部分的一些或整个端被短路(或不被短路)来提供电能(图8b是短路的结构，图7b是不短路的结构，其他的都是电源部分的一侧被短路的结构)。另外，上平面天线和中间平面天线使用多个通孔电短路。结果，根据用户的选择，可以将一个天线用在两个或多个频带上。另外，该多层结构可以小型化以适用于移动通信装置。

附图说明

参考附图，通过详细地描述典型实施例，本发明的以上和其他特性以及优势将变得更加明显，其中：

图1是一个透视图，示出了根据本发明的多层多频带天线；

图2是一个主视图，示出了根据本发明的第一实施例的多层多频带天线；

图3是一个示出适用于本发明的PCB的上平面和下平面的图；

图4a和4b是示出根据本发明的天线的辐射片形状的图；

图5是一个展开图，示出了根据本发明的天线的辐射片；

图6a是一个曲线图，示出了具有图5结构的天线的特性；

图6b是一个曲线图，示出了通过把图5中的上平面天线换成中间平面天线构成的天线的特性；

图7a到7e是根据本发明的第二实施例的上平面天线和中间平面天线的平面图、展开图、特性变化曲线图；

图8a到8e是根据本发明的第三实施例的上平面天线和中间平面天线的平面图、展开图、特性变化曲线图；

图9a到9e是根据本发明的第四实施例的上平面天线和中间平面天线的平面图、展开图、特性变化曲线图；

图10a到10e是根据本发明的第五实施例的上平面天线和中间平面天线的平面图、展开图、特性变化曲线图；

图11a到11f是根据本发明的第六实施例的上平面天线和中间平面天线的平面图、展开图、特性变化曲线图。

具体实施方式

现在，将参考附图详细地描述本发明。

图1是一个透视图，示出了根据本发明的第一实施例的多层多频带天线。如图1所示，该多层多频带天线包括印刷电路板PCB(printed circuit board)100、中间平面天线(plane antenna)200、上平面天线300、电源金属导体400、接地金属导体500和多个短路金属导体600。

在PCB100的一侧上方，中间平面天线200和上平面天线300设置成彼此隔开预定的间隙。中间平面天线200和上平面天线300是其上提供有U形槽的天线。图1例示了一种用设置在中间平面天线200和上平面天线300之间的固态介质元件来支撑中间平面天线200和上平面天线300的结构。在该结构中，中间平面天线200和上平面天线300构成多层结构，如图1所示，其中天线的前、后和侧平面没有连接。由于中间平面天线200和上平面天线300在其前、后和侧平面都没有连接，所以在中间平面天线200和上平面天线300之间需要多个短路金属导体600。该短路金属导体600还具有支撑中间平面天线200和上平面天线300的作用。短路金属导体600的数量取决于根据中间平面天线200和上平面天线300的槽所确定的天线的形状。在本发明中，短路金属导体600包括8个短路金属导体610、620、630、640、650、660、670和680，其通过贯穿设置在中间平面天线200和上平面天线300之间的介质元件来连接中间平面天线200和上平面天线300。

另一方面，空气层可以设置在中间平面天线200和上平面天线300之间。在这种情况下，不采用通孔，而是将金属导体插入中间平面天线200和上平面天线300之间。在这种情况下，通过折叠位于上平面天线300的前侧和后侧的插入在中间平面天线200和上平面天线300之间的金属导体，形成前侧和后侧天线(未示出)以连接到中间平面天线200，从而获得多层天线。或者，通过折叠位于上平面天线300的前、后、左、和右侧的金属导体，形成前、后、左、和右侧天线(未示出)以连接到中间平面天线200，从而得到另一种多层天线。在这些结构中，因为中间平面天线200和上平面天线300通过前、后、左和右侧天线支撑和短路，所以不需要另外的短路金属导体。

电源和接地分别由电源金属导体400和接地金属导体500提供。电源的结构是共面波导CPW(co-planar waveguide)或微带线，其形成在PCB 100上，通过短路电源金属导体400和电源金属板130，起到电源的作用，该电源金属板130电连接到中间平面天线200的信号线(从RF模块直接伸出)上。电源金属导体400被插入和连接到圆柱形通孔中，该圆柱形通孔是通过在中间平面天线200的一侧打出圆柱形状的孔并用导电金属电镀圆柱的内表面而形成的。接地金属导体500具有与电源金属导体400类似的结构。

另外，电源部分和接地部分之间的连接通过短路中间平面天线200的前部和后部来获得，电源金属导体400和接地金属导体500连接到该中间平面天线上。这里，在前部和后部的短路金属导体外的一个金属导体可以选择性地被去掉，而不改变天线的特性。另外，如果不短路中间平面天线200的前部和后部，那么短路上平面天线300的前部或后部也可以。如果增加中间平面天线200上的短路金属导体的前部和后部的宽度，减小输入阻抗的电容分量，那么谐振特性会得到改善，但是相关的带宽会减小。另一方面，如果减小电源金属导体400和接地金属导体500之间的金属导体的长度减小(此时天线的电源部分和接地部分之间的分离间隔与金属图案的电容值有关)，会产生与增加中间平面天线200的前和后短路金属导体的宽度的情况相同的现象。在本发明中，电源的结构可以像这样根据使用环境来调整。

图2是一个主视图，示出了根据本发明的多层多频带天线。如图2所示，与PCB 100分离的中间平面天线200的电源和接地分别用电源金属导体400和接地金属导体500来实现。中间平面天线200和上平面天线300通过短路金属导体620、640、660、670和680支撑和短路。这里，设置在中间平面天线200和上平面天线300之间的短路金属导体670和680可以用电源金属导体400和接地金属导体500的延长部分形成，其分别设置在中间平面天线200和上平面天线300下方。另一方面，固态介质元件700可以设置在中间平面天线200和上平面天线300之间以支撑中间平面天线200和上平面天线300。

图3是一个示出了适用于本发明的PCB的上面和下面的图。如图3所示，PCB 100包括电源金属平板130和接地金属平板140，在天线位置的电源金属导体400和接地金属导体500被连接到电源金属平板和接地金属平板上。PCB 100的上面110和下面120都用金属电镀，用于接地。在普通内置天线的设计中，去掉了天线周围接地部分的金属导体。但是，在根据本发明的天线中，没有去掉接地部分的金属导体。由于没有去掉接地部分的金属导体，所以就有可能保证在天线和PCB 100的上面110的金属导体之间具有用于电路装置，例如麦克风插孔和耳机插孔的空间。另外，由于PCB 100的上面110的金属导体可以被用作反射板，因此有可能改善天线效果和减小影响人体的电磁波的吸收率。

图4a和4b是示出了根据本发明的天线的辐射片的图。图4a是上平面天线300的平面图，该天线是一个带有U形槽的辐射片。上平面天线300设有多个短路金属导体插入其中的通孔或多个其上部闭合的凹槽。

图4b是中间平面天线200的平面图，该天线是一个带有U形槽的辐射片。中间平面天线200设有多个短路金属导体插入其中的通孔或多个其下部闭合的凹槽。这里，连接有电源金属导体和接地金属导体的辐射片的前部和后部被直接短路。

图5是一个展开图，示出了根据本发明的天线辐射片。如图5所示，用间隔D1示出的部分感应中间平面天线和上平面天线之间的电短路。在使用长方体介质元件的情况下，间隔D1是介质元件的厚度。用间隔D2示出的部分是构成上平面天线的金属导体。用间隔D3和D4示出的部分是构成中间平面天线的金属导体。其上耦接有电源金属导体和接地金属导体的耦接凹槽210和220与具有U形槽310的U形槽片状天线(patch antenna)的电源部分的片电短路。

如图5所示，本发明的天线使用U形槽片状天线的结构，是为了感应多频带谐振。另外，天线小型化是为了增加工作频带的波长和改善特性。另外，天线的前部和后部被折叠和分层是为了获得好的阻抗匹配点。而且，除了通过折叠天线的前后部分形成多层结构外，被折叠的金属导体的端部互相电连接。另外，本发明的天线在电源和接地点方面与U形槽片状天线是不同的。另外，本发明的天线被小型化为U形槽片状天线大小的约1/3。

另一方面，本发明使用通孔是为了与移动通信服务装置相适应。该通孔是通过在天线的上平面和中间平面上打出圆柱形状的孔，并且在圆柱内表面上电镀金属形成。通孔与上平面天线和中间平面天线的金属导体电短路。但是，这种使用根据本发明的通孔的结构适用于天线包括固体状态的长方体介质元件的情况。因此，在在上平面天线和中间平面天线之间设置有空气层的情况下，上平面天线和中间平面天线可以被简单地电短路而不用通孔。另外，由于通孔的目的是电短路上平面天线和中间平面天线，所以通孔可以是半圆而非圆柱形状。

如图5所示，本发明的天线的结构可以改变，以用于多种用途。天线可以具有一种适于多路服务的结构，可以同时发送在不同波长上构建的多信道信息。

另外在普通的内置天线中，由于设计和制造误差，谐振频率可能与所需频率不匹配。因此，需要一个用于把谐振频率调整到理想频率的调谐过程。本发明的天线具有能够选择多调谐点的能力的结构。

图6a是一个曲线图，示出了具有图5的结构的天线的特性。另外，图6b是一个曲线图，示出了通过把图5中的上平面天线换成中间平面天线而构成的天线的特性。这里，天线的特性用AgilentE8357A(300kHz-6GHz)PNA系列网络分析器进行测量。

随着在上平面天线和PCB上的金属导体彼此分开，在低频带的谐振频率向低的频率偏移。另一方面，随着中间平面天线和PCB上的金属导体之间的间隔使它们互相接近，在高频带的谐振频率向低的频率偏移。谐振频率偏移的特性取决于天线的上平面和中间平面与PCB之间的间隔，类似于普通片状天线的谐振感应特性。另外，随着插入上平面天线和中间平面天线之间的固体状态长方体介质元件或空气层的厚度增加，天线的谐振频率向低的频率偏移。随着介质元件的介电常数增加，天线被进一步小型化，但是其性能和辐射增益会降低。

图4a中，长度H1和H2示出了上平面天线的整体尺寸。随着天线尺寸增加，天线的谐振频率向低的频率偏移。随着长度H1增加，天线的谐振频率向低的频率偏移。随着长度H2增加，天线的谐振频率也向低的频频率偏移。但是，在长度H1和H2的变化不完全与特性变化(谐振频率偏移)成比例的情况下，高谐振频率就被分开，这样，谐振可以在另外的多频带被感应。

在图4b中，金属导体230和240在1GHz或更低的频带对谐振特性非常敏感。随着金属导体230和240的宽度减小，在1GHz或更低频带中的谐振频率向低的频率偏移。相反地，随着金属导体230和240的宽度增加，在1GHz或更低频带中的谐振频率向高的频率偏移。

图4b中，天线的电源部分和接地部分通过使用中间平面天线的金属导体250和260互相连接。金属导体250和260中的一个可以选择性地被去掉而不改变特性。另外，在中间平面天线的金属导体250和260都被去掉，使上平面天线的电源部分和接地部分以与中间平面天线相同的方式连接的情况下，特性没有变化。但是，如果中间平面天线的金属导体250和260的宽度增加，减小输入阻抗的电容分量，谐振特性会提高，但是相关带宽会减小。另一方面，如果在电源金属导体400和接地金属导体500之间的金属导体的长度减小(此时天线的电源部分和接地部分之间的分离间隔与金属图案形成的电容值有关)，会发生与增加中间平面天线200的金属导体250和260的宽度类似的现象。在本发明中，电源的结构可以像这样根据使用环境来调整。

图7a到7e是根据本发明的第二实施例的上平面天线和中间平面天线的平面图、展开图、和特性变化曲线图。

如图7a到7c所示，在电源和接地点方面，第二实施例不同于第一实施例。另外，在以上关于第一实施例所描述的中间平面天线的金属导体250和260的结构方面，第二实施例也不同于第一实施例。关于电源和接地点的设计差别，中间平面天线没有同时象电源部分710一样与电源金属导体短路，但是提供一个倒F引入级，其中电源金属导体通过中间平面天线的金属导体720连接到接地金属导体上。

图7d和7e示出了在第二实施例中的特性变化。图7d示出了具有图7c结构的天线的特性。图7e示出了图7c的上平面天线和中间平面天线相互交换其位置时的天线特性。如图7d和7e所示，在图7e的低频带和高频带的谐振频率分别向比图7d的谐振频率更低和更高的频率偏移。

图8a到8e是根据本发明的第三实施例的上平面天线和中间平面天线的平面图、展开图、和特性变化曲线图。

如图8a到8c所示，在电源和接地点的设计方面，第三实施例不同于第一实施例。在第一实施例中，为了调整带宽和获得好的阻抗匹配点，在电源和接地点之间的金属导体中形成槽，并且用这个位于电源和接地点之间的槽来调整天线特性。但是，在第三实施例中，不用槽而用倒F引入级来调整带宽。另一方面，在第一实施例中，U形槽片状天线的电源片与中间平面天线的耦合凹槽电短路。但是，在第三实施例中，U形槽片状天线的整个外部通过使用中间平面天线的金属导体810和820被电短路。

图8d和8e示出了在第三实施例中的特性变化。图8d示出了具有图8c的结构的天线的特性。图8e示出了图8c的上平面天线和中间平面天线相互交换其位置时天线的特性。如图8d和8e所示，在图8e的低频带中的谐振频率向比图8d的谐振频率更低的频率偏移。

图9a到9e是根据本发明的第四实施例的上平面天线和中间平面天线的平面图、展开图、和特性变化曲线图。

如图9a到9c所示，在第四实施例中，在具有U形槽910的U形槽上平面天线的中部增加了一个倒的U形槽920。U形槽920的增加，导致移动通信服务装置可用频带中的一个谐振频率的增加。金属导体长度L1和L2的减小，导致中间谐振频率偏移离开三个谐振频率，进入一个高的频带。相反，金属导体长度L1和L2的增加，导致中间谐振频率偏移离开三个谐振频率，进入一个低的频带。

图9d和9e示出了第四实施例中的特性变化。图9d示出了具有图9c结构的天线的特性。图9e示出了图9c的上平面天线和中间平面天线交换其位置时天线的特性。如图9d和9e所示，在图9e的低频带的谐振频率向比图9d更低的频率偏移。另外，两个高频带中的谐振频率向高的频率偏移。

图10a到10e是根据本发明的第五实施例的上平面天线和中间平面天线的平面图、展开图、和特性变化曲线图。

如图10a到10c所示，在第五实施例中，使用中间平面天线还有上平面天线来加大根据第四实施例的天线的倒U形槽。为了电短路上平面天线和中间平面天线，增加了多个通孔1010-1080，该通孔通过在上平面天线和中间平面天线打出圆柱孔和用金属电镀圆柱内表面而形成。

图10d和10e示出了在第五实施例中的特性变化。图10d示出了具有图10c结构的天线的特性。图10e示出了图10c的上平面天线和中间平面天线相互交换其位置时天线的特性。如图10d和10e所示，图10e的谐振特性比图10d的谐振特性好。对于中间谐振频率的偏移，图10e的谐振频率比图10d的谐振频率低。对于高频带中的谐振频率，图10d的谐振频率比图10e中的谐振频率低。

图11a到11f是根据本发明的第六实施例的上平面天线和中间平面天线的平面图、展开图、和特性变化曲线图。

如图11a到11c所示，在第六实施例中，使用天线的前和后平面以及上平面天线增加了倒U形槽1100(如图11c)，而在第四实施例中U形槽是设置在U形槽上平面天线的中心部分。另外，为了使用天线的前平面和后平面电短路上平面天线和中间平面天线，增加了多个通孔1110-1140，该通孔通过在上平面天线和中间平面天线打出圆柱孔和电镀圆柱内表面形成。另一方面，图11d示出了在图11c的上平面天线的中部增加倒U形天线的地方形成了H形槽1200。

图11e和11f示出了在第六实施例中的特性变化。图11e示出了具有图11c结构的天线的特性。图11f示出了具有图11c结构的上平面天线和中间平面天线相互交换其位置时天线的特性。

根据本发明，能够提供适应移动通信装置小型化的天线。另外，能够提供一种用于多路服务的天线，可以同时发送和接收多信道信息。

另外，根据本发明，由于天线具有两个或更多谐振频率和多种调谐点，因此能够选择多种谐振频率和调谐点。另外，在所有调谐频带和全向辐射场中都能够获得好的性能。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。

Claims

1.一种多层多频带天线，用于移动通信服务的通信装置中，包括：

PCB，具有电源部分和接地部分；

上平面天线，与所述PCB的上平面分离，所述上平面天线包括金属导体，所述金属导体具有用U形槽形成的预定图案；

中间平面天线，设置在所述上平面天线和所述PCB之间，并与所述上平面天线平行，所述中间平面天线包括金属导体，所述金属导体具有用U形槽形成的预定图案；

电源金属导体，其一侧与所述PCB的电源部分连接，另一侧与所述中间平面天线的一侧连接；

接地金属导体，其一侧与所述PCB的接地部分连接，另一侧与所述中间平面天线的一侧连接；以及

多个短路金属导体，设置在所述上平面天线和所述中间平面天线之间，短路所述上平面天线和所述中间平面天线。

2.根据权利要求1所述的多层多频带天线，

其中，所述多个短路金属导体被插入多个在上平面天线和中间平面天线上形成的通孔中，短路所述上平面天线和中间平面天线，以及

其中，固态的长方体介质元件设置在在所述上平面天线和中间平面天线之间。

3.根据权利要求1所述的多层多频带天线，

其中，所述短路金属导体包括前和后或左和右短路导体，通过折叠所述上平面天线的所述前侧和后侧或所述左侧和右侧，并且使其所述前侧和后侧或所述左侧和右侧与所述中间平面天线的所述前侧和后侧或所述左侧和右侧短路形成，以及

其中，空气层设置在所述上平面天线和所述中间平面天线之间。

4.根据权利要求2或3所述的多层多频带天线，

其中，所述中间平面天线是通过根据所述电源金属导体和接地金属导体把所述中间平面天线分开为左和右中间平面天线部分并耦接所述左和右中间平面天线部分而形成，以及

其中，阻抗匹配点通过调整所述分开的部分的两侧的端部的长度来获得。

5.根据权利要求4所述的多层多频带天线，

其中，在所述中间平面天线的其上连接有所述电源金属导体和接地金属导体的所述部分中，一个槽在所述电源金属导体和接地金属导体之间连接在所述中间平面天线上，以及

其中，所述槽的前侧或后侧以预定宽度连接在所述中间平面天线上。

6.根据权利要求5所述的多层多频带天线，

其中，在所述电源金属导体或接地金属导体上增加倒U形槽，从而感应多频带中的谐振或使高频带中的谐振频率向低的频率偏移。

7.根据权利要求5所述的多层多频带天线，

其中，在所述上平面天线的中部增加H形槽。

8.根据权利要求5所述的多层多频带天线，

其中，所述中间平面天线包括：第一金属导体，连接到所述电源金属导体上，并具有相对宽的宽度，第二金属导体，连接到所述第一金属导体上，并具有比所述第一金属导体窄的宽度，以及第三金属导体，连接到所述第二金属导体上，并具有比所述第二金属导体宽的宽度，从而感应低频带中的谐振。

9.根据权利要求5所述的多层多频带天线，

其中，所述中间平面天线包括：第一金属导体，连接到所述电源金属导体上，并具有相对窄的宽度，第二金属导体，连接到所述第一金属导体上，并具有比所述第一金属导体宽的宽度，以及第三金属导体，连接到所述第二金属导体上，并具有比所述第二金属导体窄的宽度，从而感应低频带中的谐振。

10.根据权利要求5所述的多层多频带天线，

其中，多个所述电源金属导体连接到所述上平面天线和所述中间平面天线上，从而同时为所述中间平面天线提供电能。