CN1839514A - 用于高频和微波范围的宽带天线模块 - Google Patents

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Abstract

描述了一种特别用于高频和微波范围的天线模块，该天线模块能够作为宽带天线在各种频带中进行操作。为此，所述天线模块特别适合之处在于它具有天线(10)和将天线(10)连接到相关发送和/或接收级的HF线路(20)，尽管HF线路(20)的至少部分或段(21、22)具有与天线(10)的阻抗存在偏差的阻抗的形式的失配。本发明还涉及具有这种天线模块的电信设备。

Description

用于高频和微波范围的宽带天线模块
本发明涉及一种天线模块，更具体而言涉及用于高频和微波范围的天线模块，它能够分别在宽带或各种频带中操作。本发明还涉及包括这种天线模块的电信设备。
为了通过特别是移动电信设备发送信息，通常在高频或微波范围中使用电磁波。为了发送和接收这些波，日益地使用能够在各种频带中操作的天线，每一频带具有各自足够大的带宽。
这些频带例如在移动电话标准中处于880和960MHz之间(GSM900)、1710和1880MHz之间(GSM或DCS1800)、以及特别是在美国在824和894MHz之间(AMPS)、和在1850和1990MHz之间(D-AMPS、PCS或GSM1900)之间。而且，所述频带包括UMTS频带(1880到2200MHz)，特别是宽带CDMA(1920到1980MHz和2110到2170MHz)以及用于频带从1880到1900MHz的无绳电话的DECT标准和频带在2400到2483.5MHz之间的蓝牙标准(BT)，其中蓝牙标准用于在各种电子设备诸如例如，移动电话机、计算机、使用娱乐电子的设备等等之间交换数据。
至少在取决于时间的转变区域中，移动电话机还需要既可以在GSM频率范围中的至少一个中也可以在UMTS频率范围中操作。在许多情况下，移动电话机还必须可以在两个欧洲(GSM)频带和在两个美国频带(AMPS和PCS)中操作，从而经常在美国和欧洲的用户不需要携带两部移动电话机。
除了信息的发送之外，移动电信设备还部分配置有附加的功能和应用，例如，位于已知的GPS或另一频率范围中的卫星导航，因此在该频率范围内天线应该也能够操作。
基本上，这种类型的现代电信设备必须可以在最大数量的这些频率范围内操作，因而必须有覆盖这些频率范围的相应的多频带或宽带天线。
由于在移动电话机中这些和其他功能的不断集成并且同时尽最大可能试图使其小型化，因此还需要天线具有最小可能的体积和最小可能的表面，这是因为在其外壳中常常有较小的空间可用。
为了最小化具有给定波长发射辐射的天线的大小，能够使用介电常数εr大于1的电介质。这导致了电介质中辐射波长以1/εr因子缩短。所以，基于这种电介质设计的天线也以该因子缩小。但是这种设计的缺点的是随着不断增加的介电常数，天线的带宽也相应变得较窄。
这种类型的天线包括其表面上施加了如期望频带所规定的一个或多个谐振金属化结构的介电材料基板。谐振频率的数值取决于印刷金属化结构的尺寸和基板的介电常数的数值。那么，当金属化结构的长度增加以及介电常数的数值变得较大时，因而各个谐振频率的数值变得较小。这种类型的天线还称为印刷线路天线(PWA)或电介质块天线(DBA)。
这些天线的特别有利之处在于根据需要通过表面安装(SMD)技术即通过平焊在该电路板上和以相同的方式产生焊接点，能够将它们和其他组件一起直接安装到印刷电路板(PCB)上，而不需要任何附加的装配(管脚)来以电磁能进行馈送。
但是，存在的问题和困难可能是金属化结构的尺寸，特别是当这种天线在多个频带中操作时。该天线与所需频率范围其中之一的最佳适配导致了在其他频率范围中，由于金属化结构相互影响，从而影响了天线功率。
也在移动电信设备中使用的另一种类型的天线是所谓的平面倒F型天线(PIFA)，其中金属化结构布置在接地金属化上，且作为音量(volume)谐振器工作。但是，这些天线的缺点是，它们要么需要相对更大的空间，通过使用电介质材料只能够将其减小有限的程度，要么如果由于金属化结构的不同部分之间的强烈相互作用而减小尺寸，它们将具有仅仅非常窄的带宽。
因此本发明所基于的目的在于特别为高频和微波范围提供天线，与已知的天线相比，对于上述频率范围该天线具有大得多的谐振曲线。
更特别地，提供可以在上述频率范围的至少两个频率范围中操作的天线模块。
而且，通过本发明，应该提供在开始段落中定义的这种类型的天线模块，该模块能够容纳于相对小的移动电信设备中，该设备具有相对大的谐振带宽和相对小的尺寸，从而节约了空间。
根据权利要求1通过一个天线模块来实现上述目的，其中该天线模块具有天线和连接天线到相关发送和/或接收级的HF线，HF线的至少一部分或段以与天线的阻抗存在偏差的阻抗的形式失配。
这种解决方案的特别有利之处在于，不必有占据印刷电路板空间并且将会产生额外成本的任何附加的组件或部件，例如，无源阻抗接口网络或有源控制。
该解决方案的另一个有利之处在于，它基本上独立于所使用的天线类型和所提供的操作频率范围而应用。通过这种方式，更特别地是还能够为在开始段落中所述不同类型的高频和微波天线给定较大的谐振带宽。
从属权利要求具有本发明其他实施例的优点。
在权利要求2和3中定义的实施例导致了谐振带宽的特别有效的增加。
在权利要求4和5中定义的实施例包括能够在根据本发明的天线模块中特别有利使用的天线。
根据权利要求5的实施例还附加提供了特别是大约2GHz的操作频率并具有可以免除基板的进一步的优点。
权利要求6和7最后涉及分别具有根据本发明的天线模块的印刷电路板或移动电信设备。
根据以下参照附图对本发明的示意性实施例的描述，本发明的其他细节、特征和优点变得显而易见，其中：
图1A示出了具有根据本发明的天线模块的印刷电路板的平面视图，
图1B是天线模块的天线的放大表示，
图2示出了具有减小阻抗的输入结构的天线模块的散射参数的曲线；
图3示出了具有增加阻抗的输入结构的天线模块的散射参数的曲线，
图4示出了具有减小阻抗的输入结构的天线模块的效率曲线；以及
图5示出了具有增加阻抗的输入结构的天线模块的效率曲线。
图1(A)是印刷电路板(PCB)30前部的平面视图，它具有优选在其后侧提供的金属化31。在印刷电路板30的角上，没有任何金属化31，并存在具有天线10和HF线20的天线模块。
为了清楚起见，在图1(B)中以放大形式示出了天线10。这是电介质块天线(DBA)或印刷线路天线(PWA)。但是，根据本发明的该天线模块还能够利用其他类型的天线，尤其是先前说明的天线产生。而且，不仅能够对于下述的频率范围，而且还对于其他频率范围诸如之前描述的那些频率范围使该模块形成所需尺寸。
天线10包括基板11，该基板实质上具有矩形块的形式，块的长度或宽度大于其高度大约3到40倍，所以，在以下描述中，图1表示的基板11的上(大)表面被称之为上主表面，相对的面被称之为下主表面以及与其垂直的表面被称之为基板11的侧表面。
还有可能根据应用和可用的空间选择另一几何形状来代替矩形基板11，诸如例如，圆形或三角形或四边形圆柱体形状。而且，基板11还可以具有中空空间或凹槽以节约例如材料并因此减轻了重量。
基板11例如由能够高频使用的陶瓷材料和/或一种或多种塑料制成，或者通过将陶瓷粉末嵌入到聚合物基质中而制成。还有可能使用纯的聚合物基板。这些材料应该具有最小的可能损耗和高频特性中的微小温度相关性(NPO或所谓的SL材料)。
为了减小天线10的尺寸，基板11优选具有介电常数εr＞1和/或相对磁导率μr＞1。但是在这方面应该考虑到可以利用具有大的或增加的介电常数和/或相对磁导率的基板实现的带宽会减小。
利用图1(B)所示的天线10，基板11(优选为NPO陶瓷)具有大约21.5的介电常数εr和大约10mm的长度，大约2mm的宽度和大约1mm的高度。所述天线适于2.4GHz ISM频带(例如，蓝牙、WLAN、室内RF等等)的无线通信。
基板11在它的下主表面上载有高电导材料诸如例如银、铜、金、铝或超导体形成的谐振印刷线路结构1。该印刷线路结构1还能够嵌入到基板11中。
在基板11的下主表面上布置有第一谐振金属化结构1(虚线)，它经由第一连接点2(焊接点)连接到接地电压即接地金属化31。金属化结构1可以由一个或各个单独的不同宽度印刷线路形式的金属形成，这视情况而定。在所示的实施例中，该结构实质上在基板11的整个长度上具有蜿蜒的形式并具有L/εr的电有效长度L’，其中L是自由空间中信号的波长。测量金属化结构1，以便其长度对应于大约所述波长的一半，通过该长度所述天线将辐射电磁能。例如，为了在上述2400和2483.5MHz之间的频率范围内应用天线模块，在自由空间中存在大约12.5cm的波长L。利用基板21.5的介电常数εr，缩短一半的波长0.5L’，因此金属化结构1必须的几何长度是大约13.48mm。
谐振金属化结构1还能够嵌入导基板11中或位于具有等效接触的基板11的上主表面上。
除了谐振金属化结构1之外，在基板11的下主表面上还有至少两个其他的金属化结构，这些结构用作电容耦合将要辐射的HF能量的馈点3、4。
根据图1(B)，所述馈点为第一馈点3以及第二馈点4，在第一连接点2的区域中，这些馈点与基板11的纵向轴对称地排列在基板11的下主表面的相对边缘上。然后，由于制造相关的原因，馈点3、4优选地与基板11的边缘具有大约200μm的距离。馈点3、4焊接到印刷电路板30的相应接触点上，第一连接点2也是。
用于耦合HF能量的馈点3、4的选择取决于天线在相关印刷电路板30上的位置。
为了提高例如印刷电路板30弯曲时的机械承载能力，以及保证可靠的接触，进一步在基板11的相对纵向端的区域中的下主表面上安排焊点5。
作为上述基板天线的一种替换，有可能无需特别是具有大约2GHz以及更高频率的基板以及例如在印刷电路板30上直接布置天线，即谐振印刷线路结构并经由电容耦合机制(例如印刷电路板30上的SMD电容器)建立HF连接。由于印刷电路板30的材料通常其介电常数为4，而且介电常数大约为10的印刷电路板材料也是熟知的，所以只需要在边上修改，尤其是加长谐振印刷线路结构。
这种和相似类型的天线通常这样安排，即它们具有50欧姆的输入阻抗。通常，连接所述天线与发送和接收级的HF线路具有50欧姆的固有阻抗或线路阻抗以实现无反射并因此在天线、HF线路和连接到它的电子单元(最后级、接收级等等)之间尽可能地实现无损耗适配。但是，还可以想到其他的天线和线路阻抗。
在根据本发明的天线模块中，将HF线路20例如安排为共平面线路或印刷电路板30上的印刷线路。但是，其他实施例诸如例如微带、带状传输线等等也是有可能的。
这些HF线路20的固有阻抗可以通过适当的选择一定的参数来调节，该参数例如是物理尺寸、特别是宽度、与印刷电路板30的接地金属31的距离以及印刷电路板30所使用材料(介电常数)的类型和厚度。
根据本发明，如此进行这些参数的选择，以便HF线路20的至少部分或段21、22失配，这意味着与天线10的固有阻抗存在阻抗偏差。令人惊奇的是，它已经看上去通过这种选择能够显著地增加整个天线模块的带宽。
在HF线路20的阻抗可能大于或小于天线10的阻抗的情形下，天线模块的带宽然后可以通过选择阻抗偏差的范围来具体调节。
当在HF线路20中，插入阻抗超过正当限制或阻抗跳变，即阻抗相对突然的改变时，将出现所述天线模块的谐振带宽特别强烈的增加。
根据图1(A)能够例如如下实现，被调节成天线10的输入阻抗的第一HF线路段21经由第二段22连接天线10，第二段的线路阻抗与天线10的输入阻抗相比大约高出或低于10-25％，从而最终将会有与所述天线失配的HF线路20。
图2和3示出了失配HF线路20对图1(A)所示天线模块的谐振带宽的影响，其中天线10具有50欧姆的固有阻抗。在图2和3中，相对频率绘制了散射参数S11的曲线。
在图2中，谐振曲线A示出了用于比较的受调节的50欧姆HF线路的情况。谐振曲线B示出了具有40欧姆固有阻抗的HF线路20的情况，而谐振曲线C被测量用于HF线路20中从50到40欧姆的阻抗跳变(例如，通过图1(A)所示的两个线路段21、22)。
在图3中，谐振曲线A再次示出了用于比较的匹配50欧姆HF线路的情况。谐振曲线B在具有60欧姆阻抗的HF线路20的情况下出现，而谐振曲线C被测量用于HF线路20中从50到60欧姆的阻抗跳变(能够例如通过图1(A)所示的两个线路段21、22再次实现)。
图2和3的比较特别是谐振曲线B的比较示出了通过阻抗增加到60欧姆能够显著地增加谐振带宽，而当阻抗减小到40欧姆时，图1(B)所示天线的谐振带宽会减小。但是，有可能利用不同的天线设计例如，具有不同于50欧姆阻抗的这些设计来实现谐振带宽的增加，甚至是当使用与其相比具有减小阻抗的HF线路20时。
如图3中的谐振曲线3所示，阻抗转变或阻抗跳变的包括导致了图1(B)所示天线10的最大谐振带宽。
图4和5示出了相对频率绘制曲线的具有各种HF线路的天线模块的效果。
图4在曲线A中示出了在与天线10适配的50欧姆HF线路的情况下的效率变化。曲线B所示的效率是具有40欧姆固有阻抗的失配HF线路20的结果，而曲线C示出了具有从50到40跳变阻抗的HF线路20情况下的效率变化。对于图1(B)所示的天线10，在具有与天线阻抗相比减小阻抗的HF线路20的情况下，效率较低。
图5相应示出了由于阻抗增加产生失配情况下的效率曲线，也就是说与再次用于适配的50欧姆HF线路的曲线A相比。
曲线B示出了阻抗增加到60欧姆的情况，而曲线C示出了具有从50到60欧姆阻抗跳变的HF线路20的效率变化。
图5示出了作为与天线10相比HF线路20的阻抗增加的结果，所述效率甚至增加，以便不会由于其他损耗诸如例如反射而引起谐振带宽的增加。
图5中的曲线B和C还示例了当使用60欧姆的HF线路20，特别是使用从50到60欧姆阻抗跳变的这种HF线路时，所述辐射带宽显著较大。因此该带宽增加大约30MHz，这对应于大约30％的成比例加宽。
线路阻抗的上述值将会仅仅理解为实例。显然，尽管选择和设计实质上取决于天线的类型、提供的频率范围和想要的带宽，但是具有不同于上述大约10到大约25％的幅度等级的阻抗值的失配也可以实施。

Claims (7)

1、一种特别是用于高频和微波范围的天线模块，具有天线(10)和将天线(10)连接到相关发送和/或接收级的HF线路(20)，其中HF线路(20)的至少部分或段(21、22)具有与天线(10)的阻抗存在偏差的阻抗的形式的失配。
2、根据权利要求1所述的天线模块，包括HF线路(20)，该线路具有低于或高出天线(10)阻抗大约10到大约25％的阻抗。
3、根据权利要求1所述的天线模块，包括HF线路(20)，该线路具有第一和第二段(21、22)，这些段具有不同的阻抗，并形成低于或高出天线(10)的固有阻抗大约10到25％的阻抗转变或阻抗跳变。
4、根据权利要求1所述的天线模块，其中，天线(10)是安装在印刷电路板(30)上的印刷线路天线(PWA)或介电块天线(DBA)，HF线路(20)以沉积在印刷电路板(30)上的至少一个印刷线路结构的形式产生。
5、根据权利要求1所述的天线模块，其中，所述天线以至少一个谐振印刷线路结构的形式产生，并且和HF线路(20)一起沉积在印刷电路板(30)上。
6、一种特别用于表面安装电子元件的印刷电路板，包括如权利要求1到5中的任何一项所述的天线模块。
7、一种特别用于2.4GHz范围的移动电信设备，包括如权利要求1到5中的任何一项所述的天线模块。
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