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CN101443957A - 用于无线通信的改进倒f形天线 - Google Patents

用于无线通信的改进倒f形天线 Download PDF

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CN101443957A CNA2007800107933A CN200780010793A CN101443957A CN 101443957 A CN101443957 A CN 101443957A CN A2007800107933 A CNA2007800107933 A CN A2007800107933A CN 200780010793 A CN200780010793 A CN 200780010793A CN 101443957 A CN101443957 A CN 101443957A
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Abstract

本发明的一个实施例是用于无线通信的改进倒F形天线。这种天线电路包括具有第一表面的电介质基底；电介质基底第一表面上的辐射臂；以及电介质基底第一表面上连接到地的第一接地板。第一接地板包括与辐射臂分隔开的一个或多个接地容性块。这一个或多个接地容性块用于微调天线电路的性能参数。

Description

用于无线通信的改进倒F形天线
相关申请
[0001]本申请要求2006年3月28日递交的，发明名称为“ModifiedInverted-F Antenna for Wireless Communication”的第60/786,896号临时申请的优先权。
技术领域
[0002]本发明的实施例涉及用于无线通信系统的无线电天线。具体而言，本发明的实施例涉及用于无线宽带通信系统和蜂窝无线通信系统用户单元的低成本、紧凑型印刷电路板(PCB)天线。
背景技术
[0003]众所周知，可以用天线来收发特定频率的电磁辐射来传递信号。也就是说，通常将天线设计成在一个载频范围内收发信号。天线是所有无线通信设备的一个关键部分。一般情况下，天线要在尺寸、效率、工作频带和制造成本方面满足非常苛刻的要求。天线常常处于狭窄的空间内，这一点决定了天线的选择范围，这个范围可能是印刷单极天线、L形天线、平面倒F形天线、印刷盘形天线或贴片天线。
[0004]印刷天线尺寸小，常常是工作波长的四分之一，这是天线设计中使用接地板带来的结果。感应电流形成接地板上辐射单元的镜像。最终，天线的有效尺寸应该包括上面有感应电流主要部分的一部分接地板。另一方面，感应电流对天线周围放置的任何导电元件都非常敏感。提高印刷天线性能的常用方法是让天线远离设备的所有导电组件。在3GHz频带中天线和射频组件之间的最小安全距离等于大约1厘米。破坏这一规则会导致天线和传输线之间出现明显的阻抗失配，效率损失和谐振频率偏移。
[0005]严重影响天线性能的另一个因素是通信设备的塑料外壳。塑料外壳显著地影响天线的辐射效率。然而，为了使设备最小，设计人员实际上不会在印刷电路板和塑料盖之间留下多少空间。
[0006]上面描述的所有因素使得天线设计程序极其复杂和困难。在每种特定情形下，不仅应当将印刷电路板的尺寸和射频(RF)组件的位置考虑在内，还要将设备塑料体形状和材料介电常数考虑在内。可能还需要考虑天线的其它设计条件，例如成本、便携性，并且有可能要考虑是否美观。这些设计因素都与要投放市场销售给广大消费者的便携式无线通信设备密切相关。此外，便携式无线通信设备的尺寸或形状给天线设计提出了独特的挑战。另外，对于无线通信设备和系统，消费者希望获得更好的便携性能，更高的数据带宽和更好的信号质量。
附图说明
[0007]通过以下说明并参考附图，能够最好地理解本发明的实施例。这些附图用于说明本发明的实施例。在这些附图中：
[0008]图1A是印刷电路板一个角落处改进倒F形天线的第一实施例的顶视图；
[0009]图1B是印刷电路板一个角落处改进倒F形天线的第二实施例的顶视图；
[0010]图1C是图1A～1B所示接地共面波导的剖视图；
[0011]图2A是印刷电路板一个角落处改进倒F形天线的第三实施例的顶视图；
[0012]图2B是改进倒F形天线第三实施例沿着辐射臂(stub)的剖视图；
[0013]图2C是印刷电路板一个角落处改进倒F形天线的第四实施例的顶视图；
[0014]图2D是印刷电路板一个角落处改进倒F形天线的第五实施例的顶视图；
[0015]图3A是沿着印刷电路板一个边缘的改进倒F形天线的第六实施例的顶视图；
[0016]图3B是改进倒F形天线第六实施例沿着辐射臂(stub)的剖视图；
[0017]图3C是沿着印刷电路板一个边缘的改进倒F形天线的第七实施例的顶视图；
[0018]图4是沿着印刷电路板一个边缘的改进倒F形天线的第八实施例的顶视图；
[0019]图5是印刷电路板的一些角落里一对改进倒F形天线的顶视图，这一对天线具有接地共面波导馈线，用于CardBus应用；
[0020]图6是从接地板突出，具有接地共面波导馈线的四个改进倒F形天线的线天线阵列；
[0021]图7是一个高级框图，其中包括图5的天线设计和使用开关分集技术的系统；
[0022]图8是一个高级框图，其中包括图5的天线设计和使用2×2MIMO技术的系统；
[0023]图9说明例如如图5所示用于CardBus印刷电路板的改进倒F形天线的返回损耗；
[0024]图10是图5所示CardBus改进倒F形天线在水平面内的远场辐射方向图；
[0025]图11是图5所示CardBus改进倒F形天线在垂直面内的远场辐射方向图；
[0026]图12说明用户单元采用本发明的实施例的无线通信网络；
[0027]图13A说明包括印刷电路板供用户单元使用的无线通用串行总线(USB)适配器，其中的印刷电路板采用了改进倒F形天线的实施例；
[0028]图13B说明包括印刷电路板的另一个无线卡或适配器，其中的印刷电路板采用了改进倒F形天线的实施例；
[0029]图14是包括印刷电路板的无线卡的功能框图，其中的印刷电路板采用了改进倒F形天线的实施例；以及
[0030]图15是说明本发明的一个实施例中形成改进倒F形天线的过程的流程图。
[0031]附图中相似的标记和名称表示提供相似功能的相似单元。另外，这里提供的所有附图仅仅是用于进行说明，不必反映单元的实际形状、尺寸或尺度。
具体实施方式
[0032]本发明的一个实施例是用于无线通信的改进倒F形天线。这种改进倒F形天线包括基底、辐射臂、一个或多个接地容性块、短引线(shorteningleg)、基底外层上的接地板、延长的馈电带(extended feeding strip)和馈电传输线。馈电传输线可以是微带线、带线、共面波导(CPW)或接地共面波导(GCPW)，与多层基底同一外层上或不同内层或其它外层上延长的馈电带放置在一起，并且通过延长的馈电带直接接到同一层的辐射臂，或者通过延长的馈电带和过孔连接到其它层的辐射臂。内部和其它外部基底层在改进倒F形天线的任何区域没有任何金属带，除了具有延长的馈电带的层以外。一个或多个接地容性块用来微调天线的性能参数。
[0033]在以下说明中，将给出许多具体细节。但是应当明白，可以实践本发明的实施例而没有这些具体细节。在其它情况下，没有说明众所周知的电路、结构和技术，以免喧宾夺主。
[0034]可能将本发明的一个实施例描述成一个过程，通常将它描述成流程图、流图、结构图或框图。虽然流程图有可能将操作描述成顺序过程，但是许多操作可以并行或同时进行。另外，可以重新排列操作顺序。当操作完成时，过程终止。过程可能对应于方法、程序、子程序、制造或制作方法等。
[0035]本发明的实施例包括改进倒F形天线，用来在无线通信系统中辐射和/或接收无线通信电磁信号。与基站(BS)相反，改进倒F形天线是为无线通信用户台(SS)设计的，这种无线用户台可以是固定台(FS)，也可以是移动台(MS)。在典型的用户台中，尺寸和性能更为重要，原因是射频电路非常紧凑，以及对用于开关分集、多输入多输出(MIMO)或自适应天线阵列技术应用的一个或多个天线的要求。具有很小形状因子(form factor)的实例应用包括无线适配器，例如CardBus、个人计算机存储卡国际协会(PCMCIA)和USB终端适配器以及膝上型计算机(例如用于MiniPCI SS的印刷倒F形天线(PIFA))、蜂窝电话和个人数字助理(PDA)。
[0036]这种改进倒F形印刷电路板天线具有良好的匹配，它们被设计成用于有源射频电路和其它结构就在附近的应用。在本发明的多个实施例中，在印刷电路板的一个或多个角落里形成这种改进倒F形天线。在本发明的多个其它实施例中，沿着印刷电路板的边缘形成改进倒F形天线。
[0037]这种改进倒F形天线的每个实施例包括馈电传输线和延长的馈电带，它们可以用不同的方式来实现。馈电传输线可以是微带线、带线、共面波导(CPW)或接地共面波导(GCPW)。延长的馈电带与馈电传输线在同一层形成并与之连接。所选择的馈电传输线的类型对改进倒F形天线的性能影响很小或者没有影响。相反，所选择的馈电传输线的类型建立在如何设计整个射频PCB的基础之上，例如在PCB的哪些层能够获得来自放大器的信号。在本发明的一些实施例中，馈线、延长的馈电带和辐射臂在印刷电路板的同一层上，因此能够很容易地互相连接。在本发明的其它实施例中，馈线和延长的馈电带在不同于辐射臂所在层的层上。在这种情况下，一层上的馈线和延长的馈电带可以通过过孔(VIA)，一种具有金属化壁的孔，来连接到辐射臂。
[0038]现在参考图1A，其中画出了改进倒F形天线100A第一实施例的顶视图。改进倒F形天线100A是印刷电路板100’的一个集成部分，印刷电路板100’包括基底电介质层101和外部导电金属层102。基底电介质层101上外部导电金属层102中的图案一般都在尺寸为如图所示A×B的电介质窗口109的区域内形成改进倒F形天线100A。在本发明的一个实施例中，A是9.4毫米，B是20.8毫米。改进倒F形天线100A与在基底电介质层101上形成的同一外部导电金属层上的多个接地容性块和接地共面波导馈线一起设计。电介质基底表面中的电介质窗口被这个图案和一个或多个接地容性块部分覆盖。也就是说，这个图案和一个或多个接地容性块延伸到或者占据电介质窗口109。
[0039]这种改进倒F形天线100A包括基底电介质层101，基底101外层上金属层102里形成的辐射臂112、一个或多个接地容性块105A～105B、短引线115和一个或多个接地板104A～104B，如图1A所示。这一个或多个接地板104A～104B连接到地。
[0040]辐射臂112具有第一侧边缘122R、第二侧边缘122L和顶部边缘122T。形成的接地板104A沿着辐射臂112的第一侧边缘122R和顶部边缘122T与之分隔开。
[0041]那一个或多个接地容性块105A～105B从接地板104A与辐射臂第一侧边缘122R平行的第一边缘108A延伸出来。这一个或多个接地容性块105A～105B的高度h方向指向辐射臂。接地板104A的第二边缘108B基本上垂直于第一边缘108A。接地板104A的第二边缘108B基本上与辐射臂的顶部边缘122T平行，并且与它分隔开距离X，如图1A所示。
[0042]这种改进倒F形天线100A还包括延长的馈电带113B，如图1A所示。在这种情况下，接地共面波导(GCPW)110是馈电传输线。
[0043]接地共面波导(GCPW)110包括中心带113A，中心带113A在左边和右边与接地板104A～104B键合(bonded)，每个接地板104A～104B由间隙分114隔开。为了完成这一GCPW110，印刷电路板100’在中心带113A和间隙114下面第二金属层103(在图1C中示出)上具有接地板125(在图1C中示出)。基底101的电介质层将接地板125与中心带113A隔离。中心带113A连接到延长的馈电带113B。中心带113A和间隙114的宽度是无线通信信道载波频率和基底101电介质层性能的函数。
[0044]延长的馈电带113B在一端与辐射臂112连接，在另一端与中心带113A连接。短引线115在一端连接到接地板104B，在另一端连接到辐射臂112。短引线115的长度被选择为在GCPW 110的接头处给延长的馈电带113B提供50欧姆的有源天线输入阻抗。由于天线自己是电感性接地臂，因此天线的输入阻抗因为形成辐射臂112和短引线115的金属而具有一些感抗。现有技术尝试减小这一感抗，比如通过缩小辐射臂末端与接地板之间的间隙，并且通过将辐射臂朝接地板弯曲。因为它们对天线阻抗的作用效果有限，这些努力大多不成功。
[0045]现在参考图1B，其中画出了改进倒F形天线100B第二实施例的顶视图。这种改进倒F形天线100B在形成天线的基底所在的同一外层上形成有馈电传输线。
[0046]改进倒F形天线100B类似于改进倒F形天线100A，但是只有一个接地容性块105，其宽度为g，与接地板104A的空间或间隙为S。在这个示例性的实施例中，辐射臂112的边缘122R与接地容性块105平行，使得辐射臂的顶部边缘122T延伸超过接地容性块105的宽度g进入空间S。
[0047]否则，改进倒F形天线100B具有改进倒F形天线100A的类似元件，采用类似的标号和名称。因此，为了简单起见，不重复对改进倒F形天线100B的这些元件的描述，对天线100A的元件的描述显然同样适合于天线100B的这些元件。
[0048]在图中示出了改进倒F形天线的元件的各个尺寸。如图所示，短引线115具有宽度W1和长度L1。如图所示，辐射臂112具有长度L2和宽度W2。如图所示，在辐射臂112上与短引线115相距F处，延长的馈电带113B连接到辐射臂112。天线在电介质窗口109内沿尺寸A方向的位置由短引线115的长度L1决定。天线在电介质窗口109内沿尺寸B方向的位置由辐射臂的长度L2和距离电介质窗口边缘的尺寸S4、g1、S5、g2、S6和W1决定。
[0049]在本发明的多个实施例中，从这些尺寸和其它尺寸，可以在辐射臂112的顶部边缘122T和接地板104A或者电介质窗口109的边缘之间形成空间X。
[0050]上述一个或多个接地容性块105、105A～105B各自都可以有高度h、宽度g、g1和g2，以及间隙或间隔S、S4、S5。在一些天线设计中，间隙或间隔S4不提供什么位置信息，在这种情况下，接地容性块105B和中心带113A之间的间隙或间隔S1，或者接地容性块105B和短引线115之间的间隙或间隔S6，可以被用于提供位置信息。
[0051]知道了接地容性块的高度h，辐射臂112的长度L1和宽度W2，就可以从公式D＝L1-W2-h确定一个或多个接地容性块和辐射臂112之间的距离D。除了尺寸h和D以外，一个或多个接地容性块沿着接地板边缘并且平行于辐射臂112的长度方向的总有效长度(例如S4+S5+g1+g2，或者S+g)，可能是对天线进行微调的重要值。
[0052]在图1A所示改进倒F形天线100A的一个示例性实施例中，用于CardBus全世界微波接入互作性(WiMAX)应用的3.5GHz天线，尺寸如下：
[0053]A＝9.4mm、B＝20.8mm、L2＝14.2mm、F＝4.4mm、L1＝5.1mm、W1＝W2＝1.8mm、S4＝2.3mm、S5＝0.8mm、g2＝4mm、g1＝2.4mm、h＝1.8mm。
[0054]在这种情况下，基底电介质层101是电介质厚度为0.7mm的FR-4电介质材料。另外，馈线具有50欧姆的阻抗。也就是说，微带线、共面波导或者接地共面波导，不管选择哪一个，都具有为特殊基底计算的尺寸，FR-4电介质材料的厚度为0.7mm，因此，它具有50欧姆的阻抗。
[0055]在图1A所示的示例性实施例中，辐射臂的顶部边缘122T延伸超过接地容性块105B的宽度g2，第一和第二接地容性块之间的空间S5，到达接地容性块105A的宽度g1的中点。
[0056]辐射臂112、短引线115和延长的馈电带113B在金属层102中形成倒F的形状，倒F形天线由此得名。倒F形天线被用于发射和接收特定频率的电磁辐射来传递无线通信信号。
[0057]一个或多个接地容性块105、105A～105B(见图1A中的块105A～105B和图1B中的块105)通过充当微调元件微调天线的性能参数，来改变或微调倒F形天线的性能。性能参数包括以下参数中的至少一个：输入阻抗的电抗、低损耗匹配、接地平面效应、天线罩、射频组件效应、多个互耦影响、天线谐振频率，天线和馈线之间的阻抗匹配，增益幅度和天线辐射方向图。其它参数也可以用这一个或多个容性块105、105A～105B进行微调来提高天线性能。这一个或多个接地容性块105、105A～105B引起容抗，这种容抗被转换成天线的输入阻抗。这一个或多个接地容性块105、105A～105B能够补偿天线输入阻抗源于以下原因的电抗：(1)其组件的内在感抗；和(2)不同外部影响引起的外部电抗。这一个或多个接地容性块105、105A～105B以一种无损耗方式微调倒F形天线的性能。
[0058]有一个或多个接地容性块充当微调元件，天线能够获得良好的低损耗匹配性能。这一个或多个接地容性块提供的微调考虑了真实设计环境，能够补偿接地平面效应，紧挨着放置的天线罩，射频组件效应，以及多个天线互耦对天线谐振频率的影响。
[0059]提供给倒F形天线的微调能够由所使用的一个或多个接地容性块105、105A～105B的数量加以调整，也可以用环绕这些接地容性块105、105A～105B的尺寸来加以调整，这些尺寸包括前面描述的高度h，宽度g、g1、g2，间隙或间隔S、S4、S5，以及距离D这些尺寸。
[0060]这一个或多个接地容性块105、105A～105B在高达22％的很宽的相对频带上实现天线和所选馈线之间的充分阻抗匹配。也就是说，一个或多个接地容性块105、105A～105B在所希望的通信系统的载波频率附近加减11％的频率范围内提供充分的阻抗匹配。此外，在这一个或多个接地容性块105、105A～105B能够提供充分的阻抗匹配的同时，它们还使得天线的增益幅度充分地最大，而不会显著地影响天线辐射方向图。下面描述的图9～11说明改进倒F形天线的示例性性能。
[0061]包括中心带113A的那个50欧姆接地共面波导(GCPW)110和延长的馈电带113B使得信号能够传播到天线的辐射臂112并从天线的辐射臂112传播回来。GCPW 110的阻抗为50欧姆，通过那一个或多个接地容性块105、105A～105B，天线阻抗被充分匹配。
[0062]接地共面波导110的50欧姆阻抗还被有源和无源射频电路的50欧姆阻抗匹配，这些电路有例如天线开关、信号滤波器、低噪声放大器的输入阻抗以及功率放大器的输出阻抗。
[0063]如同下面更加详细地说明的一样，发射功率放大器可以连接到GCPW 110的末端，放大无线信号，以便从辐射臂112发射出去。接收低噪声放大器(LNA)可以连接到GCPW 110的末端，放大辐射臂112收到的信号。如同下面更加详细地说明的一样，天线开关、射频带通滤波器或射频低通滤波器可以连接在天线和发射功率放大器之间，低噪声接收放大器将天线用于发射和接收信号，还选择多个天线之一用于发射，选择另一个用于接收。
[0064]现在参考图2A～2B，其中示出了改进倒F形天线200A第三实施例的顶视图和剖视图。图2B所示的PCB的剖面是沿着辐射臂112的。在改进倒F形天线200A的这个第三实施例中，馈线在印刷电路板200’上与天线所在的层不同的层上。也就是说，馈线在多层PCB与天线相对的外层上。在这种情况下，天线可以被看作是在多层基底上形成的。
[0065]如图2B所示，改进倒F形天线200A的辐射臂112是在基底电介质层101第一外表面上形成的第一金属层102中形成的。在基底101上与第一外部表面相对的第二外部表面上的第二金属层202中形成馈线213A和延长的馈电带213B。
[0066]在一层上形成馈线213A和延长的馈电带213B，并在不同的一层上形成辐射臂112，馈线213A和延长的馈电带213B可以通过印刷电路板200’的过孔(VIA)217连接到辐射臂112。过孔触点216是基底中的金属化孔，连接在延长的馈电带213B和辐射臂112之间，如图2B所示。
[0067]在一层上形成馈线213A和延长的馈电带213B，并在不同的一层上形成辐射臂112，可以在天线周围由金属层102提供单独的接地板204，如图2A所示。在这种情况下，电介质层101分隔开的接地板204下面的馈线213A沿着馈线213A的长度方向有效地形成微带线210。
[0068]因此，改进倒F形天线200A能够有效地辐射，在辐射臂112和形成改进倒F形天线一部分的短引线115的区域内，在任何其它层上，没有任何金属带或金属板，只有连接到辐射臂112并形成天线一部分的延长的馈电带213B除外。在图2B中，金属层202中的第二接地板205由间隔214基本与延长的馈电带213B上分隔开。第二接地板205可以与第一接地板204的一部分重叠。几乎可以在任何地方在金属层202内形成金属，但是不在天线下面或者金属层102中没有金属形成的天线电介质窗口的孔径内，除非要提供额外的微调。对天线额外的微调可以用第二外部接地板205提供，包括金属层202中形成的一个或多个接地容性块，它们在那一个或多个接地容性块105、105A～105B下面并与它们平行。
[0069]改进倒F形天线200A的其它元件类似于改进倒F形天线100A中的，具有同样的标号和名称。因此，为了简单起见，不重复描述改进倒F形天线200A的这些元件。要明白对天线100A的那些元件的描述同样适合于天线200A的这些元件的描述。
[0070]现在参考图2C～2D，其中给出了改进倒F形天线200C～200D第四和第五实施例的顶视图。在改进倒F形天线200C～200D的每一个中，馈线213A类似于改进倒F形天线200A的馈线，因为接地板204C～204D和电介质基底层101而沿着馈线213A的长度方向有效地形成微带线210。
[0071]改进倒F形天线200C～200D类似于改进倒F形天线200A，但是只有一个接地容性块105、205。图2C的接地容性块105具有宽度g并且到接地板204C的大表面区域具有空间或间隙S。图2C的接地容性块205具有宽度g但是到接地板204D的大表面区域没有空间或间隙S(即S＝0)。在图2D所示的示例性实施例中，尽管分隔开D，辐射臂的顶部边缘122T充分地延伸进入接地容性块205的宽度g，只有顶部边缘122T和接地板204D之间的空间X没有重叠。也就是说，在其宽度g除了空间X的大部分，辐射臂112的第一边缘122R与接地容性块205的顶部边缘平行。
[0072]否则，改进倒F形天线200C～200D与改进倒F形天线200A一样具有类似的元件，使用类似的标号和名称。因此，为了简单起见，不重复描述改进倒F形天线200C～200D的这些元件。要明白对天线200A的那些元件的描述同样适合于天线200B～200D的这些元件的描述。
[0073]在这之前，改进倒F形天线的实施例是在印刷电路板的角落上形成的。但是，改进倒F形天线也能沿着印刷电路板的边缘形成。
[0074]现在参考图3A～3B，其中画出了改进倒F形天线300A第六实施例的顶视图和剖视图。图3B中所示的PCB的剖视图是沿着辐射臂112的。
[0075]在改进倒F形天线300A的这个实施例中，馈线在印刷电路板300’中与天线所在层不同的层上。也就是说，馈线在多层PCB的基底的内部层上，而天线则在基底的外部表面上形成。在这种情况下，可以将天线看成是在多层基底上形成。
[0076]如图3B所示，改进倒F形天线300A的辐射臂112在基底层101A第一外部表面上的第一金属层102中形成。馈线313A和延长的馈电带313B可以在基底电介质层101B和101C之间的另一金属层302中形成，并且通过如图所示的过孔连接到辐射臂。
[0077]图3B示出PCB 300’沿着辐射臂112的剖面。除了馈线，延长的馈电带，以及形成天线的顶层以外，在其它层上辐射臂112下面应当避免有金属板。也就是说，在电介质窗口中将避免不必要的金属。但是，在接地板304A下面，电介质窗口以外的区域里，可以在电介质层之间或者在第二外部金属层中形成其它金属板，以便为无线设备完成PCB 300’的设计。
[0078]如图3A所示，沿着印刷电路板300’的边缘形成天线。提供连接到接地板304A的接地容性块105A～105B用来微调改进倒F形天线。但是，由于天线是沿着边缘形成的，因此空间S4充分大，甚至延伸超过PCB 300’。由于在这个设计中空间S4没有为接地容性块提供任何位置信息，因此采用接地容性块105B和短引线1135之间的空间S6。
[0079]改进倒F形天线300A、300C的元件，包括短引线115、辐射臂112和一个或多个接地容性块105A～105B，呈现为从接地板304A突出出来。辐射臂112具有第一侧边缘122R、第二侧边缘122L和顶部边缘122T。在这种情况下，沿着第一侧边缘122R并与之分隔开，但是不沿着辐射臂112的顶部边缘122T，来形成接地板304A。
[0080]在基底101’的内部层形成馈线313A和延长的馈电带313B，并且在外部层形成辐射臂112，馈线313A和延长的馈电带313B可以通过过孔连接到辐射臂112，这里的过孔是基底101’内，延长的馈电带313B和辐射臂112之间连接的金属化孔，如图3B所示。
[0081]在一层形成馈线313A和延长的馈电带313B，并且在不同的层形成辐射臂112，可以在天线周围用金属层102提供一个或多个接地板304A、304B。另外，还可以在基底101上形成PCB结构的其它额外内部层和外部层，图3A和3C中没有画出。在这种情况下，接地板304A和304B和其它外部层之间由电介质层101A～101C分隔开的馈线313A沿着馈线313A的长度方向有效地形成带线310。
[0082]因此，改进倒F形天线300A～300C能够有效地辐射，在辐射臂112和形成改进倒F形天线一部分的短引线115的区域内，在任何其它层上没有任何金属带或金属板，除了连接到辐射臂112并形成天线一部分的延长的馈电带313B以外。但是，可以在相对外部表面提供第二接地板(没有画出)，并且可以与第一接地板304A、304B的一些部分重叠。第二接地板205还可以包括金属层中的一个或多个接地容性块，以进一步微调天线。
[0083]现在参考图3C，其中示出了改进倒F形天线300C第七实施例的顶视图。在改进倒F形天线300C中，馈线313A类似于改进倒F形天线300A的，因为接地板304C和电介质基底层101’而沿着馈线313A的长度方向有效地形成带线310。
[0084]改进倒F形天线300C类似于改进倒F形天线300A，但是只有一个接地容性块105。图2C的接地容性块105具有宽度g和非常大的空间或间隙S，与天线300A的S4相似。
[0085]否则，改进倒F形天线300C与改进倒F形天线300A一样具有相似的元件，使用相似的标号和名称。因此，为了简单起见，不重复描述改进倒F形天线300C的这些元件。要明白对天线300A的那些元件的描述同样适合于对天线300C的这些元件的描述。
[0086]现在参考图4，其中示出了改进倒F形天线400第八实施例的顶视图。在改进倒F形天线400中，接地共面波导110被用作到辐射臂112的馈线。在基底层101的同一外部表面，在同一金属层102中形成天线400的元件。大面积金属板404A、404B接地，并且基底内部或其它外层至少有一个金属板形成接地共面波导。
[0087]改进倒F形天线400的元件呈现为从接地板404A～404B突出出来。短引线115和辐射臂112呈现出从接地板404B突出出来。一个或多个接地容性块105A～105B呈现出从接地板404A突出出来。
[0088]如图4所示，沿着印刷电路板400’的边缘形成天线400。提供连接到接地板404A的接地容性块105A～105B来微调倒F形天线400。但是由于天线是沿着边缘形成的，因此空间S4充分大，甚至延伸超出了PCB400’。也就是说接地板404A是沿着辐射臂112的侧边缘，而不是沿着辐射臂112的顶部边缘。由于在这个设计中空间S4不给接地容性块提供任何位置信息，因此采用接地容性块105B和中心带113A之间的空间S1。
[0089]前面参考图1A～1B描述了将接地共面波导110用作馈电传输线的细节。
[0090]此外，改进倒F形天线400的其它元件类似于改进倒F形天线100A的，具有类似的标号和名称。因此，为了简单起见，不重复对改进倒F形天线400的这些元件的描述，对天线100A的元件的描述显然同样适合于天线400的这些元件。
[0091]另外，尽管图4示出了多个接地容性块105A～105B，它们被用来调节沿着PCB 400’的边缘的天线400，但是可以用一个接地容性块105来代替，例如图1B所示的。
[0092]现在参考图5，其中示出了天线电路，作为用于Cardbus无线适配器的印刷电路板500的一部分。PCB 500包括在PCB相对角落里的一对改进倒F形天线501A～501B。天线501A～501B都是前面参考图1A描述的天线100A的实例，每个天线都包括接地共面波导馈线510A～510B。接地共面波导馈线510A～510B是在同一基底表面同一金属层中形成的，如同改进倒F形天线501A～501B的一样。注意，改进倒F形天线501A～501B共享与辐射臂112A～112B连接的接地板504，以节省空间。额外的接地板505A～505B将地连接到每个天线的接地容性块105A～105B。
[0093]现在参考图6其中示出了作为印刷电路板600一部分的天线电路，它包括基底601上四个改进倒F形天线400A～400D的线天线阵列602。四个改进倒F形天线400A～400D从接地板604A～604B、605A～606B、606A～606B突出出来，每一个都是前面参考图4所描述的天线400的一个实例。每个天线400A～400D分别包括接地共面波导馈线610A～610D。这个线天线阵列位于PCB600的一个末端，天线400A和400D沿着它的边缘。在这种情况下，每个天线的参数S4都很大。
[0094]与改进倒F形天线400A～400D一样，在同一基底表面同一金属层中形成接地共面波导馈线610A～610D。注意，改进倒F形天线400A～400B共享连接到辐射臂112A～112B的接地板604A，以节省空间。改进倒F形天线400C～400D共享连接到辐射臂112C～112D的接地板604B。
[0095]现在参考图7和8，现在说明包括图5所示天线电路的系统的高级框图。图7所示的系统采用开关分集技术，而图8所示的系统则采用2×2MIMO技术。
[0096]在图7中，形成改进倒F形天线501A～501B，作为印刷电路板700一部分。大接地平面705连接到接地板505A～505B，共享接地板504，而不影响接地共面波导馈线510A～510B。
[0097]这个可插接式无线用户系统还包括如图所示互相连接在一起的天线开关(SW)710、射频收发机(TRX)712和基带专用集成电路(ASIC)或处理器714。天线开关710是双刀双掷RF开关。天线开关710在发射信号和接收信号之间进行切换。RF收发器712具体包括用来发射信号的功率放大器(PA)720和用来接收信号的低噪声放大器(LNA)722。基带ASIC714是混合信号集成电路，一方面通过模拟信号与射频收发机720对接，另一方面通过数字信号与数字系统对接。
[0098]还可以有额外的射频带通滤波器或射频低通滤波器连接在天线和发射功率放大器720以及用于接收信号的低噪声放大器722之间。
[0099]如上所述，图7所示的系统采用由ASIC714和这个ASIC控制的天线开关710所支持的开关分集技术。如上所述，射频收发机712包括功率放大器(PA)720用来发射信号，还包括低噪声放大器(LNA)722用来接收信号。开关710被用来为发射信号和接收信号选择提供最佳信号质量的天线。于是，开关710被用来选择将PA720或LNA 722连接到所选天线，以便通过同一天线发射和接收信号。
[00100]在图8中，还形成作为印刷电路板800一部分的改进倒F形天线501A～501B。大接地平面805连接到接地板505A～505B，共享接地板504，而不影响接地共面波导馈线510A～510B。
[00101]这个可插接式无线用户系统还包括如图所示互相连接在一起的相应对天线开关(SW)810A～810B、射频收发机(TRX)812A～812B和MIMO基带专用集成电路(ASIC)814。这对天线开关810A～810B是单刀双掷RF开关。RF收发器812A～812B中的每一个具体包括用来发射信号的PA720和用来接收信号的LNA722。MIMO基带ASIC814是混合信号集成电路，一方面通过模拟信号与射频收发机820A～820B对接，另一方面通过数字信号与数字系统对接。
[00102]如上所述，图8所示的系统采用由ASIC 814和这个ASIC控制的天线开关810A～810B所支持的2×2MIMO技术。在这种情况下，两个天线501A～501B被同时用来发射或接收信号。MIMO基带ASIC 814将这些信号进行相干合并来产生比单个天线能够提供的信号更好的信号。
[00103]天线501A通过接地共面波导510A连接到天线开关810A。天线501B通过接地共面波导510B连接到天线开关810B。收发机812A连接到天线开关810A。收发机812B连接到天线开关810B。在这种情况下，天线开关810A～810B不在天线501A～501B之间进行切换。取而代之，在这种情况下开关仅仅在发射和接收之间进行切换，将功率放大器720或低噪声放大器722连接到天线，以便发射或接收信号。也就是说，开关810A～810B被用来在将PA 720和LNA 722连接到所选天线之间进行切换，以便通过同一天线发射和接收信号。
[00104]图9说明用于图5所示CardBus印刷电路板的改进倒F形天线的输入返回损耗。图5所示的改进倒F形天线501A～501B是在CardBus可插接卡的形状因子的基础之上为3.5GHz WiMAX频带设计的。
[00105]曲线901说明单独天线的输入返回损耗。曲线902说明上面安装有天线罩的天线的输入返回损耗。
[00106]天线罩是对射频辐射透明的壳或外罩，常常用它来覆盖和保护天线使天线不受环境因素影响。图13B说明可插接式无线适配器卡1300B的天线部分1315上的天线罩1316。在图13A中，这个天线罩是覆盖在整个印刷电路板上的外壳1306，包括可插接式USB适配器1300A的天线部分1305。
[00107]与图9所示的输入返回损耗曲线901和902相比，改进倒F形天线上天线罩的存在并不降低其匹配性能。相反，改进倒F形天线上天线罩的存在还能构改善天线的匹配性能。
[00108]现在参考图10和11，其中画出了Cardbus天线设计的远场辐射方向图。图10是包括如图5所示改进倒F形天线的CardBus设计的水平面远场辐射方向图。图11是包括如图5所示改进倒F形天线的CardBus设计的垂直面远场辐射方向图。
[00109]图5所示的CardBus天线设计被用来进行上述测量。利用与辐射臂所在的同一层上形成的接地共面波导馈线来测量每个天线。包括改进倒F形天线的图5所示CardBus天线设计的测量增益和计算增益基本上都是3.1分贝(dBi)。
[00110]现在参考图12，其中画出了无线通信网络1200，例如基于电子和电气工程师协会(IEEE)802.16标准，无线通信网络1200具有采用本发明的实施例的用户单元。无线通信网络1200包括一个或多个基站(BS)1201，以及一个或多个移动或固定用户台(SS)1204A～1204C，用于在它们之间并且在因特网协议/公共交换电话网(IP/PSTN)网络上传递语音和数据信号。一旦SS1204A～1204C在BS 1201处注册，它就能够通过连接到网络云1203的BS连接到因特网。
[00111]这里描述的天线被设计成与无线通信系统一起使用，这里所说的无线通信系统采用符合IEEE 802.11、IEEE 802.15、IEEE 802.16-2004、IEEE802.16e以及蜂窝通信标准的频带进行工作。IEEE 802.16-2004和802.16e标准分别描述固定和移动宽带无线接入系统的空中接口，这些是用于MAN(城域网)或WAN(宽域网)的，对于无线PAN(个域网)和无线局域网(LAN)则具有不同的标准，例如被公众称作蓝牙的IEEE 802.15，以及被公众称作Wi-Fi的IEEE 802.11。
[00112]具有这里描述的天线的印刷电路板可以是固定的，被设计在用户单元中。具有这里描述的天线的印刷电路板也可以被插入用户单元，成为它的一部分，还可以被拔下来，用于不同的用户单元。也就是说，拥有印刷电路板，这种印刷电路板上具有这里描述的天线的无线电设备可以是可插接式的。在图12所示的无线通信系统1200中，用户台1204A包括可插接式无线适配器1210。
[00113]现在参考图13A～13B，其中示出了可插接式无线电设备，其中包括具有这里描述的改进倒F形天线的印刷电路板。这些可插接式无线电设备和它们的天线对于如下情形特别有用：按照包括WiMAX、移动WiMAX和无线宽带(WiBro)规范的IEEE802.16标准操作用户台。
[00114]图13A示出了无线通用串行总线(USB)适配器1300A，其中包括具有改进倒F形天线实施例的印刷电路板1304，用作用户单元的一部分。适配器1300A包括可插接式无线电部分1301和帽子部分1302。可插接式无线电1301包括印刷电路板1304，印刷电路板1304在一个末端具有天线部分1305，在相对的末端具有USB连接器1303。无线电1301还具有外壳1306，覆盖内部包括改进倒F形天线的印刷电路板1304。外壳1306对于无线电信号是透明的，并且充当保护PCB1304上的天线的天线罩。
[00115]图13B示出了另一个无线卡或适配器1300B，其中包括具有改进倒F形天线实施例的印刷电路板1314。卡1300B包括印刷电路板1314，印刷电路板1314在一个末端具有天线部分1315，在相对的末端具有连接器1313。金属外壳1316A包围PCB的一部分，天线罩外壳1316B覆盖改进倒F形天线。根据适配器或卡的类型不同，连接器1313可以是各种类型的，例如PCMCIA连接器，CardBus连接器等。
[00116]适配器1300A～1300B中的每一个在尺寸或无线电设备的形状因子方面都非常有限，因此它们非常适合携带。如同前面描述的一样作为印刷电路板一部分形成的(有时称为“印刷”在PCB上作为“印刷天线”)改进倒F形天线非常适合于这些形状因子小的应用。
[00117]现在参考图14，其中画出了无线卡1400的功能框图，无线卡1400中包括具有改进倒F形天线501A～501B的印刷电路板1401。无线卡1400的功能框图包括前面参考图8描述的MIMO基带ASIC 814的功能框图。MIMO基带ASIC814具有接口连接到卡1400的连接器1402。连接器1400可以被插入各种数字设备来提供无线通信。
[00118]图15是说明形成本发明的一个实施例中改进倒F形天线的过程1500的流程图。
[00119]一开始，过程1500在具有第一表面的第一金属层上形成电介质层(框1510)。接下来，过程1500在电介质层上形成第二金属层的图案，露出属于电介质层一部分的电介质窗口(框1520)。这个图案具有辐射臂，以及一个或多个与辐射臂分隔开的接地容性块。这一个或多个接地容性块从第一接地板平行于辐射臂的侧边缘的第一边缘延伸出来。
[00120]然后，过程1500形成连接到一个或多个接地容性块的第一接地板(框1530)。第一接地板是第二金属层的一部分，并且连接到地。下一步，过程1500形成短引线，短引线具有第一末端连接到辐射臂底部(框1540)。短引线具有与第一末端相对的第二末端，连接到第一接地板。然后，过程1500形成延长的馈电带，延长的馈电带连接到辐射臂的侧边缘并且与短引线分隔开(框1550)。辐射臂、短引线和延长的馈电带连接在一起形成F形状。
[00121]下一步，过程1500形成与第一接地板分隔开的第二接地板(框1560)。第二接地板连接到地和短引线与第一末端相对的第二末端。然后过程1500形成连接到延长的馈电带的馈线(框1570)。馈线是接地共面波导，具有与第一接地板和第二接地板分隔开形成一对间隙的中心带。然后过程1500结束。
[00122]过程1500是形成改进倒F形天线电路的一个代表性过程。可以采用其它过程来形成上面描述的改进倒F形天线电路的各个实施例。
[00123]尽管通过几个实施例描述了本发明，但是本领域技术人员明白本发明不限于这里描述的实施例，而是可以在后面的权利要求的实质和范围之内具有各种改进和改变。因此这些说明仅仅是用于进行说明而不是进行限制。

Claims (30)

1.一种装置，包括：
具有第一表面的电介质基底；
所述电介质基底第一表面上的辐射臂；以及
所述电介质基底第一表面上连接到地的第一接地板，该第一接地板包括与所述辐射臂分隔开的一个或多个接地容性块，所述一个或多个接地容性块用于微调性能参数。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个接地容性块从所述第一接地板与所述辐射臂的侧边缘平行的第一边缘伸出来。
3.如权利要求1所述的装置，还包括：
短引线，该短引线具有连接到所述辐射臂底部的第一末端；以及
延长的馈电带，该延长的馈电带连接到所述辐射臂的所述侧边缘，与所述短引线分隔开；
其中所述辐射臂、所述短引线和所述延长的馈电带连接在一起形成F形状。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述短引线具有连接到所述第一接地板并且与所述第一末端相对的第二末端。
5.如权利要求1所述的装置，还包括：
第二接地板，该第二接地板与所述第一接地板分隔开，该第二接地板连接到地，并且其中所述短引线具有连接到所述第二接地板并且与所述第一末端相对的第二末端。
6.如权利要求3所述的装置，还包括：
连接到所述延长的馈电带的馈线。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述馈线是接地共面波导，该接地共面波导具有中心带，该中心带与所述第一接地板和所述第二接地板分隔开，形成一对间隙。
8.如权利要求7所述的装置，还包括：
第三接地板，该第三接地板在所述电介质基底与所述第一表面相对的第二表面上，该第三接地板连接到地，该第三接地板在所述中心带和所述对间隙下。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述延长的馈电带是在所述电介质基底与所述第一表面相对的所述第二表面上的第二金属层内形成的，并且所述馈线是连接到所述延长的馈电带并且在所述电介质基底的所述第二表面上的所述第二金属层中形成的微带线。
10.如权利要求9所述的装置，还包括：
金属导体，该金属导体在所述电介质基底的过孔中，连接在所述延长的馈电带和所述辐射臂之间。
11.如权利要求1所述的装置，其中所述第一接地板具有第二边缘，该第二边缘垂直于所述第一接地板的所述第一边缘，与所述辐射臂的顶部边缘分隔开并与之平行。
12.如权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个接地容性块是单个接地容性块，该单个接地容性块从所述第一接地板的所述第一边缘朝所述辐射臂延伸，并且所述辐射臂与所述单个接地容性块平行，使得所述辐射臂的顶部边缘延伸超过所述单个接地块的宽度，进入所述第一接地板的空间。
13.如权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个接地容性块是第一接地容性块和第二接地容性块，它们互相平行，互相分隔开，并且从所述第一接地板的所述第一边缘朝所述辐射臂延伸，并且所述辐射臂与所述第一和第二接地容性块平行，使得所述辐射臂的顶部边缘延伸超过所述第一接地容性块的宽度和所述第一和第二接地容性块之间的空间，向上到达所述第二接地容性块的宽度的中间点。
14.如权利要求1所述的装置，其中所述第一接地板在所述电介质基底的所述表面中形成电介质窗口，该电介质窗口被所述辐射臂和所述一个或多个接地容性块占据。
15.如权利要求5所述的装置，其中所述第一接地板和所述第二接地板在所述电介质基底的所述表面中形成电介质窗口，该电介质窗口被所述辐射臂和所述一个或多个接地容性块占据。
16.一种方法，包括：
在第一金属层上形成具有第一表面的电介质层；
在所述电介质层上形成第二金属层的图案，露出作为所述电介质层一部分的电介质窗口，所述图案具有辐射臂和一个或多个接地容性块，所述一个或多个接地容性块与所述辐射臂分隔开；以及
形成连接到所述一个或多个接地容性块的第一接地板，所述第一接地板是所述第二金属层的一部分，并且连接到地。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述一个或多个接地容性块从所述第一接地板与所述辐射臂的侧边缘平行的第一边缘伸出来。
18.如权利要求16所述的方法，还包括：
形成短引线，该短引线具有连接到所述辐射臂底部的第一末端；并且
形成延长的馈电带，该延长的馈电带连接到所述辐射臂的所述侧边缘，与所述短引线分隔开；
其中所述辐射臂、所述短引线和所述延长的馈电带连接在一起形成F形状。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述短引线具有连接到所述第一接地板并且与所述第一末端相对的第二末端。
20.如权利要求16所述的方法，还包括：
形成第二接地板，该第二接地板与所述第一接地板分隔开，该第二接地板连接到地，并且其中所述短引线具有连接到所述第二接地板并且与所述第一末端相对的第二末端。
21.如权利要求18所述的方法，还包括：
形成连接到所述延长的馈电带的馈线。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述馈线是接地共面波导，该接地共面波导具有中心带，该中心带与所述第一接地板和所述第二接地板分隔开，形成一对间隙。
23.如权利要求22所述的方法，还包括：
形成第三接地板，该第三接地板形成在所述电介质层与所述第一表面相对的第二表面上，该第三接地板连接到地，该第三接地板在所述中心带和所述对间隙下。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述延长的馈电带是在所述电介质基底与所述第一表面相对的所述第二表面上的第二金属层内形成的，并且所述馈线是连接到所述延长的馈电带并且在所述电介质基底的所述第二表面上的所述第二金属层中形成的微带线。
25.如权利要求24所述的方法，还包括：
形成金属导体，该金属导体形成在所述电介质基底的过孔中，连接在所述延长的馈电带和所述辐射臂之间。
26.一种系统，包括：
基带处理器，用于处理基带信号，该基带处理器生成发射信号并处理接收信号；
收发机，连接到所述基带处理器，用于处理所述发射信号和所述接收信号；
开关，连接到所述收发机，用于在所述发射信号和所述接收信号之间切换；以及
天线电路，连接到所述开关，用来发射所述发射信号并接收所述接收信号，该天线电路包括：
具有第一表面的电介质基底；
所述电介质基底第一表面上的辐射臂；以及
所述电介质基底的所述表面上连接到地的第一接地板，该第一接地板包括与所述辐射臂分隔开的一个或多个接地容性块，所述一个或多个接地容性块用于微调性能参数。
27.如权利要求26所述的系统，其中所述一个或多个接地容性块从所述第一接地板与所述辐射臂的侧边缘平行的第一边缘伸出来。
28.如权利要求1所述的系统，其中所述天线电路还包括：
短引线，该短引线具有连接到所述辐射臂底部的第一末端；以及
延长的馈电带，该延长的馈电带连接到所述辐射臂的所述侧边缘，与所述短引线分隔开；
其中所述辐射臂、所述短引线和所述延长的馈电带连接在一起形成F形状。
29.如权利要求28所述的系统，其中所述短引线具有连接到所述第一接地板并且与所述第一末端相对的第二末端。
30.如权利要求26所述的系统，其中所述天线电路还包括：
第二接地板，该第二接地板与所述第一接地板分隔开，该第二接地板连接到地，并且其中所述短引线具有连接到所述第二接地板并且与所述第一末端相对的第二末端。
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