CN1728453A

CN1728453A - 紧凑的倒f天线

Info

Publication number: CN1728453A
Application number: CNA2005100859961A
Authority: CN
Inventors: 黄永; 吴克力; 唐外成
Original assignee: Mark IV Industries Corp; Chinese University of Hong Kong CUHK
Current assignee: Chinese University of Hong Kong CUHK
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2005-07-21
Publication date: 2006-02-01
Also published as: CA2512719A1; US20060017628A1; US7183976B2

Abstract

一种具有辐射臂的紧凑倒F天线，辐射臂是由置于两个平行分离开并电气连接在一起的部分形成的，从而形成交叠曲线结构。平面可以由电介质基体表面形成，辐射臂可以由上部导电路线和下部导电路线形成，上部和下部导电路线印制在电介质基体的每侧并且通过填充通孔互相串联连接。天线包括接地面，接地面与辐射臂平行并分隔开。接地面可以是栅格导电壁，由通过电介质基体的填充通孔形成。

Description

紧凑的倒F天线

发明领域

本发明涉及射频天线，更具体地，涉及紧凑的倒F射频天线。

发明背景

射频(RF)天线用于发射和接收通讯的各种设备。很多用途具有严格的空间和体积限制，并需要天线有效地工作，但要比较小。这对于移动设备特别如此，例如蜂窝电话、射频识别(RFID)标签和移动手持设备。

为了保持小的外形，一些设备使用倒F天线。这种天线具有小的外形，因为辐射臂平行接地面，而不是象大多数天线的情况垂直。授权给Liu的美国专利6222496给出了一种倒F天线的例子。

减小天线尺寸的另外选择使用曲线天线。曲线天线是一种方便的天线，特征是前后迂回的形貌。如这里的图4所示。与其它迂回结构相比，例如螺旋天线，按Z字形前后迂回制成天线有助于减小空间并保持较高的辐射电阻。授权给Tomomatsu等人的美国专利6630906披露了一种更加紧凑的曲线天线，其中描述了在部分曲线天线周围形成电介质块，接着将曲线天线的暴露部分在电介质块周围交叠。

发明内容

本发明提供一种紧凑的倒F天线。根据本发明的天线包括具有辐射臂的倒F天线，辐射臂具有设置在两个平行分开平面上并彼此电气连接的部分。辐射臂形成交叠曲线结构(topology)。

在一个方面，本发明提供一种倒F天线，包括具有第一部分和第二部分的辐射臂，第一部分布置在第一平面，第二部分布置在第二平面，第一平面与第二平面彼此分隔开并大体上平行，第一部分和第二部分电气连接，辐射臂沿辐射臂轴线布置，并具有开端和短路端。天线还包括与辐射臂轴线分隔开并大体上平行的接地面、连接到接地面和辐射臂的短路端的短路带、以及连接到短路端和开端之间的辐射臂的馈线。辐射臂形成交叠曲线结构。

在另一方面，本发明提供一种紧凑的倒F天线。天线包括具有上表面和下表面的电介质块，上表面与下表面彼此分隔开并大体上平行。天线还包括辐射臂，辐射臂包括上部路线和下部路线，上部路线印制在上表面，下部路线印制在下表面，辐射臂具有开端和短路端，辐射臂包括电气连接上表面和下表面的填充通孔。天线还包括印制在电介质块上、与辐射臂彼此分离开并大体上平行的接地面、连接到接地面和辐射臂短路端的短路带、以及连接短路端和开端之间辐射臂的馈线。辐射臂形成三维曲线天线结构，其中上路线包括三维曲线天线结构中的之字形部分。

在另一方面，本发明提供一种具有交叠曲线辐射臂结构的倒F天线，从而得到紧凑的天线。将天线设计成倒F形式，并且紧凑的天线与接地面彼此分离开并平行，可形成小的外形并改善空间利用。

参阅以下详细说明并综合考虑附图，本发明的其它方面和特征对于本领域的一般技术人员将是明显的。

附图说明

下面以例证方式参考表示本发明实施例的附图。在附图中：

图1表示根据本发明的天线实施例的透视图；

图2表示图1所示天线实施例的顶视图；

图3表示图2所示辐射臂的一部分；

图4示意性表示平面曲线形貌；

图5示意性表示交叠曲线形貌的第一实施例；

图6示意性表示交叠曲线形貌的第二实施例；以及

图7示意性表示交叠曲线形貌的第三实施例。

相似的参考数字用于在不同附图中表示相似的构件。

具体实施方式

首先参考图1，表示根据本发明的天线10的一个实施例的透视图。图2表示图1所示天线10实施例的顶视图。

天线10包括辐射臂12、接地面14、短路带16和馈线18。天线10设计成倒F天线，辐射臂12具有自由端32和短路端34。短路端34通过短路带16连接到接地面14。在短路端34和自由端32之间的一个点，馈线18连接到辐射臂12。在一个实施例中，辐射臂12包括短路端安装垫12d，短路带16和馈线18都连接到短路端安装垫12d。

天线10的辐射臂12包括上部分12a和下部分12b。辐射臂12的上部分12a设置在上平面22。辐射臂12的下部分12b设置在下平面24。上平面22和下平面24基本互相平行，并且间隔距离26。辐射臂12的上部分12a和下部分12b可以印制在基体36上，基体36的厚度形成距离26。辐射臂12的自由端32可以终止于t形开端导体垫12c。

辐射臂12的上部分12a和下部分12b通过连接件28彼此电气连接。在一个实施例中，连接件28包括基体36中形成的填充通孔，用于将上部分12a连接到下部分12b。

上部分12a和下部分12b设计成为辐射臂12提供交叠的曲线形貌。辐射臂12沿辐射臂轴线20布置。辐射臂轴线20大体上平行于接地面14并与之分隔开。

在一个实施例中，辐射臂12包括沿辐射臂轴线20布置的交换和重叠的上部分12a和下部分12b。从辐射臂12的短路端34开始，短路端安装垫12d通过一个连接件28连接到一个下部分12b的一端。下部分12b的另一端通过另一个连接件28连接到一个上部分12a。沿着辐射臂轴线20，每个上部分12a通过连接件28连接到两个相邻下部分12b，从而桥接或连接两个相邻下部分12b的相邻端。同样地，每个下部分12b通过连接件28连接到两个相邻上部分12a(除了连接到一个上部分12b以及短路端安装垫12d或开端导体垫12c的最外下部分12b)。

下部分12b横过辐射臂轴线20延伸，下部分12b两端的每一端连接到连接件28。因此，每个下部分12b连接到辐射臂轴线20任一侧的连接件28。

每个上部分12a横过辐射臂轴线20延伸，并连接到辐射臂轴线20相同侧的两个连接件28。上部分12a连接到与装在相邻上部分12a的连接件28相对于辐射臂轴线20相对侧的连接件28上。在一个实施例中，上部分12a包括U形或V形导电路线。连接件28连接到U形或V形导电路线的两个分开上端的每一个上。

在一个实施例中，如图1和2所示，短路带16包括连接在短路端安装垫12d和接地面14之间的L形导电路线。短路带16包括平行于辐射臂轴线20延伸的纵向部分16a以及基本垂直于辐射臂轴线20的横向部分16b。应该理解的是，短路带16可以具有其它结构或尺寸，并不限于L形。调节短路带16的结构或尺寸将改变阻抗匹配。

图3表示图2所示辐射臂12的一部分。参看图2和3，在一个实施例中，由天线10的几何结构得出其占据体积(w+h₁)LT，其中w是从离接地面14最近的点到离接地面14最远的点之间的辐射臂12的跨距，h₁是辐射臂12与接地面14之间的距离，L是包括短路带16的辐射臂12的长度，T是上平面32和下平面34之间的厚度。辐射臂12与接地面14之间的距离是可以改变从而得到不同谐振频率的一个因素。

在一个实施例中，上部分12a包括U形元件，U形元件具有主体部分和从主体部分相同侧向外伸出的两个分开的连接部分。每个连接部分连接填充的通孔。主体部分从通孔到通孔之间的长度为L₁以及宽度为w₃。

下部分12b包括梯形单元，梯形单元的长度为L₂和宽度为w₄。下部分12b在其每一端连接到填充的通孔。

在上述几何结构下，天线10的总长度L_Total可以由下式确定：

L_Total＝(n+1)L₂+2(n+1)T+h₁+nL₁+L₄+L₃ (1)

在一个实施例中，天线10的总长度L_Total约为工作频率的1/4波长。

本领域的一般技术人员应该理解的是，利用附图之一所示的不同结构上部分12a和下部分12b可以得到辐射臂12的曲线结构。改变上部分12a和下部分12b的结构将改变天线的调谐。

再参看图1和2，接地面14大体上平行于辐射臂12并与之分离开。接地面14包括置于上平面22的上接地部分14a和置于下平面24的下接地部分14b。上接地部分14a和下接地部分14b电连接，以提供公共接地。在一个实施例中，上接地部分14a和下接地部分14b是由一列连接件30例如填充的通孔连接。在此实施例中，接地面14包括大体上平行于辐射臂轴线20并基本垂直于上平面22和下平面24的接地栅格壁。接地栅格壁对其它电路部分提供屏蔽保护，防止天线10辐射臂12的辐射能量。这也增大天线10的有效接地，从而增大天线增益和工作频率带宽。

本领域的一般技术人员应该理解的是，在其它实施例中，接地面可以包括在下平面24上通过通孔或其它连接件连接短路带16的接地路线。在其它实施例中，接地面可以包括上平面22上的接地路线。在另外的其它实施例中，接地面包括上平面22和下平面24之间的表面或平面上的接地路线。在这样的实施例中，接地面可包括或者可不包括填充通孔的栅格。应该理解的是，接地面在任意这些形式下都应连接到具体应用中的系统接地。

提供交叠曲线天线结构得到紧凑的天线。将天线10设计成倒F样式，紧凑的天线与接地面分离并平行于接地面，从而得到小的外形并改善三维空间的利用。

基体36包括电介质材料。基体36可以是陶瓷基、有机基或者基于提供稳定介电常数和低损耗的任何其它物质。在一个实施例中，连接件28、30可以包括连接基体36不同层上重叠电路路线的填充通孔。在其它实施例中，一个或多个连接件28、30包括在基体36外表面上的印刷路线。应该理解的是，可以使用连接基体36不同层/平面上的电路路线的任何其它方法或机构，以提供连接件28、30。

再次参看图1和2，图示的开端导电垫12c位于上平面22。在另一个实施例中，开端导电垫12c置于下平面24。天线10可以装在印刷电路板(PCB)上。当开端导电垫12c置于与PCB接触的表面时，它可以焊接到PCB表面上相应的导电垫上。在这样的实施例中，将开端导电垫12c焊接到另外的导电垫改变了辐射臂12的开端32的几何尺寸，因此，改变了天线10的谐振频率。对于特殊应用，通过定制开端导电垫12c焊接到其上的导电垫尺寸，这允许天线10的用户调节天线10的谐振频率。

将开端导电垫12c焊接到PCB的相应导电垫上也在回流焊接工艺过程中提供了机械稳定性，其中回流焊接是可以用于生产包括天线10的产品的一个安装工艺。需要注意的是，馈线18和接地面14都位于基体36的公共边缘，并可以焊接到PCB上。开端导电垫12c靠近基体36的相对一侧。因此，在基体36两侧都有焊点的回流焊接工艺中，将为基体36提供机械稳定性，而如果焊点仅位于基体36的一侧，则基体36可以在回流焊接工艺中倾斜或滑动。

本领域的一般技术人员应该意识到，在上面实施例中描述的、布置在上平面的电路路线也可以布置在下平面。同样地，那些在上面描述中布置在下平面的元件在其它实施例中也可以布置在上平面。

本领域的一般技术人员由上面的描述将意识到，天线10的辐射臂12形成交叠曲线结构，它具有布置在两个平行分开平面上并彼此电气连接在一起的部分。还应理解的是，根据本发明的天线可以利用上平面22和下平面24的不同结构路线，以便形成交叠曲线结构。

下面参看图4，示意性地表示传统平面曲线结构100的一个例子。平面曲线结构100包括多个之字形部分，即在此实施例中包括弧形部分102，以及多个连接部分104。弧形部分102和连接部分104交替排列，形成迂回的之字形路线。

下面参看图5，表示根据本发明第一实施例的交叠曲线结构200。交叠曲线结构200包括弧形部分202和连接部分204。弧形部分204位于上平面，连接部分204位于下平面。弧形部分204通过上平面和下平面之间延伸的通孔206连接到连接部分204。

本领域的一般技术人员将意识到，传统平面曲线结构100的连接部分104(图4)对应于第一实施例交叠曲线结构200的连接部分204和通孔206。还需要理解的是，传统的弧形部分102(图4)向内交叠形成图5所示的弧形部分202。应该理解的是，第一实施例的交叠曲线结构200对应于图1和2所示辐射臂12形成的结构。

图6示意性表示根据本发明第二实施例的交叠曲线结构300。交叠曲线结构300包括弧形部分302。特别是，它包括布置在上平面的上弧形部分302a以及布置在下平面的下弧形部分302b。上弧形部分302a端部与下弧形部分302b的端部重叠。上弧形部分302a与下弧形部分302b的端部通过上平面和下平面之间延伸的通孔306电气连接。

本领域的一般技术人员应该理解的是，传统平面曲线结构100的连接部分104(图4)对应于第二实施例交叠曲线结构300的通孔306。还可以理解的是，大致每隔一个的传统弧形部分102被交叠或翻转，从而形成弧形部分302a和302b。应该意识到，在一些实施例中，通孔306可以是电介质块一侧的印刷电路路线。

图7示意性表示根据本发明第三实施例的交叠曲线结构400。交叠曲线结构400包括弧形部分402。特别是，它包括布置在上平面的上弧形部分402a以及布置在下平面的下弧形部分402b。上弧形部分402a和下弧形部分402b的重叠程度大于图6所示重叠程度，即，在每个平面，弧形部分402a和402b排列得比第二实施例交叠曲线结构300更加靠近(图7)。因此，上弧形部分402a的端部不是位于下弧形部分402b的端部正上方。此外，上弧形部分402a的端部与下弧形部分402b的端部通过上平面和下平面之间延伸的连接件408电气连接。

连接件408可以按不同方式实现。在一个实施例中，连接件408可以包括上平面和中间平面之间的通孔406a、下平面与中间平面之间的通孔406b、以及中间平面上连接上通孔406a和下通孔406b的电路路线。在一些实施例中，连接件408也可以包括电介质块侧壁上的印刷电路路线。

本领域的一般技术人员应该理解的是，传统平面曲线结构100的连接部分104(图4)对应于第三实施例交叠曲线结构400的连接件408。还可以理解的是，大致每隔一个的传统弧形部分102被交叠或翻转，从而形成图7所示弧形部分402a和402b。

本领域的一般技术人员应该理解的是，虽然上述交叠曲线结构使用弧形之字形部分，但之字形部分不必要是弧形的。它们可以是其它结构或形式，例如，图1和2所示的方形。

制造天线10可以利用低温共烧陶瓷(LTCC)技术、传统PCB制造技术、或者在多层基体上提供连接通孔或电路路线的任何其它制造技术。

可以理解的是，天线10可以制成模块的一个集成部分、或者是单独的分立元件。

本发明的实施可以在很多技术中找到应用，包括RFID标签、小型短距离无线电模块、移动技术，等等。

在不偏离本发明精神或本质特征的情况下，本发明可以按其它特定形式实施。对于本领域的一般技术人员，某些适应和修改是显而易见的。因此，上述实施例被认为是说明性，而不是限制性的，本发明的范围由权利要求限定，而不是上面的描述。因此，落在与权利要求等同条款的含义和范围内的所有变化包括在本发明中。

Claims

1.一种倒F天线，包括：

具有第一部分和第二部分的辐射臂，所述第一部分布置在第一平面，所述第二部分布置在第二平面，所述第一平面与所述第二平面彼此分隔开并大体上平行，所述第一部分和所述第二部分电气连接，所述辐射臂沿辐射臂轴线布置，并具有开端和短路端；

与所述辐射臂轴线分隔开并大体上平行的接地面；

连接到所述接地面和所述辐射臂的所述短路端的短路带；以及

连接到所述短路端和所述开端之间的所述辐射臂的馈线；

其中，所述辐射臂形成交叠曲线结构。

2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一部分与所述第二部分部分地重叠。

3.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一部分包括多个第一导电路线，并且所述第二部分包括多个第二导电路线。

4.如权利要求3所述的天线，其特征在于，至少一个所述第一导电路线与至少一个所述第二导电路线部分地重叠。

5.如权利要求3所述的天线，其特征在于，所述第一导电路线和所述第二导电路线串联连接，所述多个第二导电路线中的每个与至少一相邻对的所述第一导电路线电气连接。

6.如权利要求3所述的天线，其特征在于，还包括连接所述第一导电路线和所述第二导电路线的填充通孔。

7.如权利要求6所述的天线，其特征在于，至少一个所述第二导电路线连接到两个所述填充通孔。

8.如权利要求7所述的天线，其特征在于，至少一个第一导电路线连接到两个所述填充通孔。

9.如权利要求3所述的天线，其特征在于，所述第一导电路线和所述第二导电路线沿所述辐射臂轴线交替布置，使每个第一导电路线与至少一个第二导电路线重叠，并且所述第一和所述第二导电路线通过连接重叠的导电路线的填充通孔串联连接。

10.如权利要求3所述的天线，其特征在于，所述第一导电路线包括U形导电路线，所述第一导电路线横过所述辐射臂轴线延伸，所述第一导电路线连接到所述辐射臂轴线一侧的两个填充通孔。

11.如权利要求3所述的天线，其特征在于，所述第二导电路线横过所述辐射臂轴线延伸，并且所述第二导电路线连接到在所述辐射臂轴线每侧的填充通孔。

12.如权利要求1所述的天线，其特征在于，还包括形成所述第一平面和所述第二平面的电介质块。

13.如权利要求12所述的天线，其特征在于，所述上部部分和所述下部部分通过填充通孔电气连接。

14.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述接地面包括布置在所述第一平面上的第一接地面、以及布置在所述第二平面上的第二接地面，并且所述第一和所述第二接地面是电气连接的。

15.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述接地面包括在所述第一平面和所述第二平面之间延伸的栅格导电壁。

16.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述短路带包括L形导电路线。

17.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述馈线连接到所述辐射臂的所述短路端。

18.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述上部部分包括在所述交叠曲线结构中的至少一个之字形部分。

19.一种紧凑的倒F天线，包括：

具有上表面和下表面的电介质块，所述上表面与所述下表面彼此分隔开并大体上平行；

辐射臂，辐射臂包括上部路线和下部路线，所述上部路线印制在所述上表面上，所述下部路线印制在所述下表面上，所述辐射臂具有开端和短路端，并且所述辐射臂包括电气连接所述上部路线和所述下部路线的填充通孔；

接地面，所述接地面印制在所述电介质块上，并且与所述辐射臂分离开并大体上平行于所述辐射臂；

短路带，所述短路带连接到所述接地面以及连接到所述辐射臂的所述短路端；以及

馈线，所述馈线连接到所述短路端和所述开端之间的所述辐射臂；

其中，所述辐射臂形成三维曲线天线结构，所述上部路线包括三维曲线天线结构中的之字形部分。

20.如权利要求19所述的天线，其特征在于，所述上部路线与所述下部路线至少部分地重叠。