TWI722201B - 印刷電路板天線 - Google Patents

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Abstract

一種天線(200)包括天線體(212)。該天線體被一體地形成為PCB(210)的一部分，並且該天線體被金屬包圍。該天線體可以被在PCB的頂層和底層上的鋪或鍍金屬以及沿著天線體周邊的側面鍍金屬包圍。

Description

印刷電路板天線
本文的實施例涉及佈置在印刷電路板PCB上的天線。此外，它們也涉及包括此天線的PCB，收發器和無線數據採集裝置。
天線是一種將電能轉換為無線電波的電子裝置，反之亦然。它通常與包括發射機和接收機的射頻(RF)收發器一起使用。天線是所有使用無線通信設備的基本元件。它們用於諸如廣播和電視廣播，雙向無線電，通信接收機，雷達，蜂窩電話，衛星通信諸如全球定位系統(GPS)，無線揚聲器和音頻(WISA)系統，Zigbee或Z-波系統和無線局域網(WLAN)，以及其他無線通信設備，例如無線麥克風，支持藍牙的設備，無線計算機網絡，嬰兒監視器，產品上的RF識別(RFID)標籤，無線數據採集裝置諸如照相機，實體訪問控制系統(PACS)控制器，如車庫門開啟器，建築物門控制器，以及網絡錄像機，家庭自動化設備，數據記錄器等。
天線有各種類型，天線的選擇可以取決於不同的應用，可用的PCB尺寸，成本，RF範圍和方向性。例如，對於2-10GHz的應用，以下類型的天線被廣泛採用： 線天線：這是一種由PCB向自由空間伸展的一根導線，其長度匹配於λ/4在接地板之上。線天線由於其尺寸和三維輻射而提供良好的性能和射頻範圍。導線可以是直線，螺旋或環。這是一種三維(3D)結構，天線從PCB表面以4-5毫米的高度突出到空間。
PCB板天線：這是一種在PCB上繪製的痕跡或條紋線。根據天線類型和空間限制，這種天線可以是直線，倒F型，曲折型，圓形或蠕動曲線。在PCB天線中，天線成為與PCB處於同一平面的二維(2D)結構。PCB天線需要更多的PCB面積，而且效率比線天線低。它便宜且易於製造，並且具有可接受的無線應用範圍，例如藍牙低能量(BLE)應用。然而，這種類型天線的問題是PCB材料成為天線的一部分。不同的PCB材料和不同的PCB厚度將具有不同的相對電介常數(ε r)，從而有不同的電介損耗，這將影響天線的輻射效率。因此，如果PCB的材料和厚度改變了，天線的設計和調諧則必須改變。
在CN103928757中提出了解決這個問題的一種方案，如圖1所示，天線100設置在PCB 110的板邊上並且連接到PCB上的微控制器單元(MCU)120。天線100是由頂層鋪銅101，側面鋪銅102和底層鋪銅103相互連接在一起構成。以這種方式，天線在PCB的頂層，側面和底層所有部分都可以具有優異的信號，從而改善了PCB天線的方向性。然而，PCB 110仍然是天線100的組成部分，並因此影響天線100的RF特性。
WO 03/077360闡述了一種天線裝置，包括一個平面接地基板，具有無線電信號饋電點的平面主輻射元件和平面附加元件。所述接地基板，主輻射元件和附加元件優選地由單片導電材料形成，並且在一個實 施例中，它們被從印刷電路板上的金屬層蝕刻出來。在一個實施例中，所述接地基板在印刷電路板的一層上形成，而所述主輻射元件和所述附加元件在所述印刷電路板上的另一層上形成。接地基板和天線可以基本上位於同一平面中。
US 2002/145567闡述了一種天線結構，它是通過將可鍍塑料天線元件模製成所需形狀而形成的。模製天線元件基本上完全用導電金屬材料電鍍。天線組件包括模製和電鍍的天線結構，附著連接到電介質基座上，適於安裝在一個合適的支撐物件上諸如印刷電路板。天線結構和電路板通過一個接觸彈簧夾相互接合。
US 2015/263430闡述了一種包括接地板和接地延伸支路的天線結構。接地板有一個槽。接地延伸支路設置在槽中，並且被耦合到接地板。天線結構還可以包括諸如FR4(阻燃劑4)基板，系統電路板或FPCB(軟性印刷電路板)的電介質基板。天線結構的接地板和槽在電介質基板的表面上形成。
鑑於上述，本文實施例的目的是提供具有改進性能的PCB天線。
根據本文的實施例的一個方面，該目的由一種天線包括天線體來實現。該天線體被一體地形成為PCB板的一部分，該天線體被金屬包圍。
在一些實施例中，該天線體可以由在PCB板頂層和底層上 的鍍或鋪金屬，以及沿著該天線體周邊的側面鍍金屬包圍。
在一些實施例中，該天線體可以從PCB的板邊延伸出來。或者，該天線體可以被PCB板材料包圍，在該天線體的大部分周邊和周圍的PCB之間存在空氣間隔。
值得注意，形成天線體的PCB材料被金屬封閉或包圍，因此PCB材料不會影響天線的性質。反而，天線體基本上變成金屬體。此外，天線體可以被佈置成從PCB的板邊延伸出來，或者佈置在PCB板的內部，但是在天線體的大部分周邊和其周圍的PCB板之間留有間隔。在這種示例中，天線體基本上與PCB其它部分和其周圍的PCB隔離。因此，PCB其他部分和其周圍的PCB不會影響天線的RF性能。
由於根據本文實施例的天線是由PCB一體形成而成為PCB的一部分，所以它可以方便且直接地通過金屬跡線連接到在同一PCB上的其它部件而不需要額外零件或部件。此外，根據本文實施例的天線可以達到與線天線相同的優點，即非常好的性能和RF範圍，因為天線體通過被包圍在金屬中而實際上成為金屬體，因此成為三維3D結構，可以實現向自由空間三維輻射。同時，它通過一體形成而成為PCB的一部分，具有較少的部件並佔用較少的空間和垂直高度，克服了線天線的缺點。這是因為線天線或其他任何附加的，分離的天線都是一個附件，需要額外的部件來附著到PCB上。此外，根據本文實施例的天線的設計參數，例如金屬跡線寬度和長度，不需要被調整或改變，並且可以應用於具有不同厚度和相對電介常數的各種PCB。此外，根據本文的實施例，不需要額外的製造工藝來製造天線，這意味著沒有額外的成本。
因此，根據本文實施例的PCB天線具有改進的性能，體積小而成本低，並且不受PCB特性的影響。所述天線的設計是穩定和準確的，可以應用於各種PCB而無需調整。
100‧‧‧天線
101‧‧‧頂層鋪銅
102‧‧‧側面鋪銅
103‧‧‧底層鋪銅
110‧‧‧PCB
120‧‧‧微控制器單元(MCU)
200‧‧‧天線
210‧‧‧PCB
212‧‧‧天線體
214，216‧‧‧端部
218，219‧‧‧邊緣
221‧‧‧頂層
222‧‧‧底層
310‧‧‧PCB
300‧‧‧天線
312‧‧‧天線體
314，316‧‧‧端部
320‧‧‧氣隙
400‧‧‧無線數據採集裝置
410‧‧‧PCB
412‧‧‧收發器
420‧‧‧存儲器
430‧‧‧處理器
下面對照附圖，對實施示例將作更詳細地描述，其中：圖1是根據現有技術的PCB天線；圖2a是包含根據本文實施例的天線的PCB的俯視圖；圖2b是包含圖2a所示天線的PCB的一部分的示意透視圖；圖3是一個示意圖示出根據本文實施例的PCB天線；和圖4是一個框圖示出可以應用根據本文實施例的天線的無線數據採集裝置。
圖2a是PCB 210的俯視圖，其中示出了PCB天線200的一個實施例。PCB天線200包括由一體形成而成為PCB 210一部分的天線體212。在該示例中，天線200被設計為用於2.4GHz和5GHz的雙頻帶天線。該天線體212具有F形，從其餘PCB的板邊延伸出大約16mm並且橫跨大約22mm。應該注意的是，如果選擇另一種設計和形狀，天線將有其它尺寸。天線體212是沿著它的大部分周邊從PCB板切割出，除了兩個端部214，216之外，在那裡它從PCB 210的剩餘部分延伸出來。天線體212被金屬，例如銅，包圍或封閉。這可以通過各種工藝來完成。根據本文的一些實施例， 天線體212可以被PCB 210的頂層和底層上的鍍或鋪金屬，以及沿著天線體212周邊的側面鍍金屬包圍。
圖2b示出了天線體212的透視圖。通常在PCB的頂層和底層上已經有鋪或鍍的金屬層或金屬跡線，因此天線體212的頂層和底層221，222被金屬覆蓋。當切割出天線體212時，天線體212的切割邊緣暴露在空氣中。為了包圍天線體212，對天線體212的切割邊緣可以進行側面鍍金屬，例如銅。如圖2b所示，天線體212的邊緣沿著其與PCB分割開的周邊被側面鍍金屬，其中標有218，219的邊緣是可見的。天線體的側面電鍍是一種正常工藝，例如可在給過孔邊沿電鍍時進行。當切割邊緣被側面鍍金屬封閉時，天線體212被金屬包圍。雖然天線體212與PCB 210的其餘部分是一體的，這也將天線體212基本上轉變為金屬體。因此，天線體212變成三維(3D)結構，並且可以實現向自由空間三維立體輻射，類似於線天線，這意味著它可以具有很好的性能和射頻範圍。
此外，在本實施例中，如圖2a和2b所示，天線體212從PCB 210的板邊緣延伸出來。這具有在天線體周圍提供自由空間的優點。
為了節省空間並有效地利用可用的PCB面積，根據本文的一些實施例，如圖3所示，天線體可佈置在PCB 310上。PCB天線300包括天線體312。天線體312被PCB材料包圍，在天線體312的大部分周邊和其周圍PCB 310之間存在氣隙320。天線體312在端部314，316從PCB 310的剩餘部分延伸出來。以這種方式，天線體312在PCB 310中形成一個帶有一個圍繞它的“護城河”的“半島”，天線體312基本上與PCB 310的其它部分和其周圍的PCB 310隔離。因此，PCB其它部分和其周圍的PCB不會 影響RF特性。天線體312以與上述圖2a和2b所示的天線體212相同的方式被金屬包圍。在本實施例中，天線體312具有倒F形。在其周圍的PCB上，可以放置一些元件，以便有效利用可用的PCB面積。此外，由於天線體312位於PCB內部且不從PCB 310延伸出來，所以天線300不需要額外的空間。
儘管兩個示例性實施例中的天線體212，312具有F形和倒F形，但是天線體212，312可以被設置為具有取決於天線類型和空間限制的任何形狀，例如直線形狀，L形，曲折形狀，曲折倒F形，圓形，蠕動曲線等。
決定天線輻射阻抗，頻率選擇性，帶寬和中心頻率的設計參數，例如天線體212，312的頂層和底層的金屬寬度，天線長度，天線饋電結點等，將與如上所述的各種形狀的常規PCB天線具有相同的考慮。然而，根據本文實施例的天線200，300的設計不需要調整或改變，並且可以應用於具有不同厚度和相對電介常數的各種PCB，因為天線體212，312被金屬包圍並與PCB的其餘部分隔離。也就是說，設計注意事項與普通PCB天線相同，但不必考慮PCB材料的不同特性。
由於根據本文實施例的天線200，300被一體地形成為PCB210，310的一部分，所以它可以方便且直接地通過金屬跡線，例如通過與天線體212，312的頂層或底層上相同的金屬跡線，連接到PCB 210，310上的其它元件，例如在同一PCB上的饋電端口，傳輸線，阻抗匹配網絡，天線轉換開關，濾波器等，而不需要額外的元件或部件。與目標阻抗作阻抗匹配也很容易。對於收發器，目標阻抗可以是，例如50Ω。
根據本文實施例的天線200，300可以被設置用於任何一個藍牙，BLE，GPS，WISA，Zigbee，Z-波和WLAN應用，並且適用於2-10GHz無線電運作頻率。
根據本文實施例的天線200，300適用於任何無線通信設備，或適用於需要天線的任何電子設備。圖4示出了無線數據採集裝置400，根據本文實施例的天線200，300可以應用於其中。無線數據採集裝置400可以是任何一個攝相機，如監視攝像機，或PACS控制器，網絡視頻記錄器，家庭自動化設備，數據記錄器等。無線數據採集裝置400包括PCB 410，使用根據本文實施例的天線200，300的收發器412。無線數據採集裝置400可以包括其他元件，例如用於信息存儲和信號處理等的存儲器420和處理器430。存儲器420和處理器430可以放置在與天線200，300同一個PCB 410上。
總而言之，根據本文實施例的天線200，300包括一些優點：首先，形成天線體212，312的PCB材料被金屬完全封閉或包圍，因此不會影響天線的特性。
第二，天線體212，312基本上與PCB其它部分和其周圍PCB隔離，因此PCB其它部分和其周圍的PCB不會影響天線的特性。
第三，天線200，300可以通過金屬跡線方便且直接地連接到同一PCB上的其它部件，不需要額外的元件或部件。
第四，根據本文實施例的天線200，300可以實現很好的性能和RF範圍。
第五，根據本文實施例的天線200，300使用較少的部件，佔用較少的 空間和垂直高度。
第六，根據本文實施例的天線200，300不需要調整或改變，並且可以應用於具有不同厚度和相對電介常數的各種PCB。
此外，不需要額外的製造工藝來製造根據本文實施例的天線200，300，這意味著不需要額外的成本。
當使用詞語“包括”或“包含”時，它應被解釋為非限制性的，即意為“至少包含”。
這裡的實施例不限於上述優選實施例。可以使用各種替代方案，修改和等同結構。因此，上述實施例不應被視為限制由所附申請專利範圍限定的本發明的範圍。
200‧‧‧天線
210‧‧‧PCB
212‧‧‧天線體
214，216‧‧‧端部

Claims (8)

  1. 一種天線(200，300)，包括由印刷電路板(PCB)之材料形成的天線體(212，312)，其中所述天線體(212，312)被一體地形成為所述PCB(210，310)板的一部分，於是所述天線體沿著所述PCB的大部分周邊而從所述PCB加以切割，並且所述天線體(212，312)被在PCB板頂層和底層(221，222)上的鋪或鍍金屬以及沿著該天線體(212，312)周邊的側面鍍金屬(218，219)包圍，使得所述天線體轉變為三維(3D)結構，並且其中所述天線體與所述PCB分割開，而從所述PCB(210)的板邊延伸出來的部分除外。
  2. 根據請求項1所述的天線(200，300)，其中所述天線體(312)被PCB板材料包圍，所述天線體(312)的大部分周邊與其周圍PCB板之間存在空氣間隔(310)。
  3. 根據請求項1-2中任一項所述的天線(200，300)，其中所述天線被設置用於任何一個藍牙，藍牙低能量BLE，全球定位系統GPS，無線揚聲器和音頻WISA，Zigbee，Z-波和無線局域網WLAN應用。
  4. 根據請求項3所述的天線(200，300)，其中所述天線體(212)具有F形。
  5. 一種印刷電路板PCB(210，310，410)，包括根據請求項1-4中任一項所述的天線(200，300)。
  6. 一種收發器(412)，包括根據請求項1-4中任一項所述的天線。
  7. 一種無線數據採集裝置(400)，包括根據請求項6所述的收發器(412)。
  8. 根據請求項7所述的無線數據採集裝置(400)，包括任何一個攝相機，實體訪問控制系統PACS控制器，網絡視頻記錄器，家庭自動化設備，數據記錄器。
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