CN1639910A - 微波天线 - Google Patents

Abstract

描述了一种微波天线，具有：基板(11)、至少一个谐振金属化结构(1)、和用于耦合要辐射的高频能量的至少第一和第二馈电点(3、4、6、7)，所说的天线特别适用于表面安装在印刷电路板(20)上。在这种情况下，对于馈电点(3、4、6、7)进行安排，以使对于印刷电路板(20)上天线(10)的不同位置而言，在每一种情况下都可以选择一个馈电点，在这个情况下天线(10)的电学性质至少基本上不发生变化。

Description

微波天线

技术领域

本发明涉及具有基板和至少一个谐振金属化结构的微波天线，它特别适合表面安装在印刷电路板(PCB)上。本发明还涉及这种类型的印刷电路板和具有这样一种微波天线的移动电信设备。

背景技术

在移动电信中，使用微波范围中的电磁波发送信息。例如，频率范围为890-960兆赫兹(GSM900)、1710-1880兆赫兹(GSM1800或DCS)、1850-1990兆赫兹(GSM1900或PCS)、以及UMTS频段(1885-2200兆赫兹)的GSM移动电话标准、在频率范围为1880-1900兆赫兹的无绳电话的DECT标准、以及在频率范围为2400-2480兆赫兹的蓝牙标准，蓝牙标准的目的是允许数据在例如移动电话和其它电子设备如计算机、其它移动电话等之间进行交换。

在这种情况下，天线要通过建立电磁谐振来辐射电磁能。这就要求天线的长度至少等于所发射的辐射的波长的1/4。如果用空气作为电介质(ε_r＝1)，则1000兆赫兹频率所需的天线长度是75mm。

为了使在指定的所发射的辐射的波长下天线尺寸最小，可以使用介电常数ε_r＞1的电介质作为天线的基本组成部件。这就使辐射的波长在电介质中缩小，缩小的倍数为

根据这种电介质设计的天线的尺寸也减小了相同的倍数。

这种类型的天线包括介电材料块(基板)。一个或多个谐振金属化结构加到这个基板的表面上，所说的基板由期望的工作频段(一个或多个)规定。谐振频率的数值取决于印刷的金属化结构的尺寸和基板的介电常数的数值。随着金属化结构的长度的增加以及介电常数的数值的变大，各个谐振频率的数值变低。这种类型的天线还称之为印刷的导线天线(PWA)或电介质共用天线(DBA)，这种天线例如在DE100 49 844.2和DE 100 49 845.0中公开。

这种天线的一个特殊的优点是它们可以与所需要的其它部件一起通过表面安装技术(SMD)直接安装在印刷电路板(PCB)上，所说的表面安装技术即平焊到电路板上并且产生触点的方式相同，其中提供电磁能不需要任何附加的安装部件(插针)。

然而，这些天线存在缺点，即，天线的电特性受到天线周围情况的影响，如受到周围的塑料外壳的性质和塑料外壳距天线的距离的影响、以及天线的电特性取决于天线焊到印刷电路板上的位置。例如，如果天线的大小尺寸适合安装在印刷电路板的右上角，则将这个天线安装在除此之外的任何其它位置都将引起天线的输入特性的重大变化，如发生中心频率的移动，这又将导致天线的辐射特性的变化。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种微波天线，它的电学性质至少在很大程度上与所说微波天线在印刷电路板上的安装的地点和特别是角度无关。

本发明还要提供一种微波天线，它的电学性质至少在很大程度上与周围外壳的性质与离开外壳的距离无关。

本发明还要提供这种类型的微波天线，它适于用作在本说明书的开始段中提到过的移动电信频率范围内的双波段或多波段天线。

本发明还提供这种类型的微波天线，它的制造费用明显低于现有的可比拟的微波天线的制造费用。

如权利要求1所述的，通过一种微波天线来实现所说的目的，所说的微波天线具有：基板、至少一个谐振金属化结构、和用于耦合要辐射的高频能量的至少第一和第二馈电点(feed point)，这里要对于馈电点进行安排，以使对于印刷电路板上天线的不同位置而言，在每一种情况下都可以选择一个馈电点，在这种情况下天线的电学性质至少基本上不发生变化。

实现所说目的这种方式的特殊优点是，这种方式可以应用到在本说明书的开始段中提到的所有频段的天线上，还可以应用到双频段和多频段的天线上去。

从属权利要求涉及本发明的有益的另外的实施方案。

利用如权利要求2、3、4详细描述的另外的实施方案，如果天线的位置发生变化，有可能在特别大的程度上使天线的电学性质保持不变。

如权利要求5详细描述的另外的实施方案的优点是，天线可以相对于它的谐振频率进行调谐，即使天线处在已装配好的状态也能进行调谐。对于如权利要求7所述的另外的实施方案，这尤其天真的，其条件只是其中的金属化结构要安放在相关的印刷电路板上并且天线一旦安装就不再能够接近金属化结构。

在权利要求7中详细描述的另外的实施方案的优点是，在制造过程中可以节约相当大的成本，因为基板必须只在一侧上印刷(或涂敷)才能使其具有金属化结构。如果将天线安装在印刷电路板上以使基板的携带金属化结构的主面安放在印刷电路板上，可实现成本的进一步地降低，因为在这种情况下除了焊接点外没有任何一个馈电针(feedpin)需要与金属化结构接触。

最后，对于在权利要求6和8中详细描述的另外的实施方案，有可能在本说明书的开始段中提到的频率范围内相对于谐振频率的确定范围实现特别好的天线特性。

参照下面描述的实施例，本发明的这些和其它的方面将变得显而易见。

附图说明

图1是天线的第一实施例的示意平面图；

图2是在不同点具有按照本发明的天线的印刷电路板的示意图；

图3表示天线的第一实施例的S₁₁参数的曲线；

图4是天线的第二实施例的示意平面图；

图5表示天线的第二实施例的S₁₁参数的曲线。

具体实施方式

就其基本类型而论，所述的天线10是所谓印刷导线天线(PWA)或者电介质共用天线(DBA)，其中至少一个谐振金属化结构1加到基板11上。因此，所说的天线在原理上是金属线天线，它与微带线天线不同，在基板11的后部没有金属区来形成参考电位。

以下所述的实施例的基板11是大体上平行六面体形状的块的形状，它的高度小于它的长度或宽度，相差从3-10倍。在此基础上，基板11的(大)面是如图1和4所示的视图中的上表面，这个面在下面的说明中称之为上主面，安放在印刷电路板20上的面称之为下主面，垂直定向的那些面称之为侧面。

然而，对于基板还可能选择其它的几何形状，而不仅仅是平行六面体，例如可选择圆柱形，例如在一个螺旋形路径之后可将相应的谐振金属化结构加到这个圆柱形上。

通过在聚合母体(polymer matrix)中嵌入瓷陶粉末可以制造出基板，这些基板的介电常数ε，＞1和/或相对磁导率μ_T＞1。

严格地说，如图1所示的天线10的第一实施例包括一个平行六面体形状的电介质基板11，基板11的长度约为10.5mm，宽度约为2.4mm，高度为1mm。基板材料的介电常数ε_r约为21.5。

加到基板11的下主面上的是第一谐振金属化结构1(用虚线表示)，第一谐振金属化结构1经过第一连接点(焊点)2连接到地电位。谐振金属化结构1可以通过以印刷导体形式的一个或多个单个金属化形成，如果需要，这些金属化结构甚至于可以有不同的宽度。在所示的第一实施例中，所说的金属化结构以大体上曲折的结构形状延伸至基板的整个长度，它的电的有效长度L｀为

，这里，L是信号在自由空间的波长。金属化结构的尺寸是这样的：它的长度约为期望天线辐射电磁能量的波长的一半。例如，如果天线要对于蓝牙标准操作，蓝牙标准的频率范围在2400和2483.5兆赫兹之间，这将给出在自由空间的波长L约为12.5cm。如果基板的介电常数ε_r为21.5，则半波长0.5L｀和因此即金属化结构1所需的几何长度缩短到约为13.48mm。

谐振金属化结构1还可以嵌入基板11内。

在基板11的下主面上，除了具有谐振金属化结构1以外，还有至少两个另外的金属化结构，这两个金属化结构用作馈电点3、4。用于电容性馈入辐射的高频能量。

如图1所示，这些点是第一馈电点3和第二馈电点4，将这两个馈电点安排在第一连接点2的区域内，在基板1l的下主面的相对的两侧上，相对于基板11的纵轴对称分布。出于与生产有关的理由，馈电点3、4最好距基板11的边缘分开约200微米。与第一连接点2类似，馈电点3、4焊接到印刷电路板20内的相应的接触点上。

由于在基板11的一个纵向端的区域内有这样的3个焊接点(2、3、4)，所以还提供另外的焊接点5来改善例如印刷电路板20发生弯曲的情况下的机械负荷承受能力和保证可靠的接触，同时出于机械方面的原因，将焊接点5安排在下主面上的基板11的相对的纵向端的区域内。

图2是印刷电路板20的示意图，印刷电路板20具有移动电信设备的典型尺寸，例如90×35mm。天线10通常紧固到这种类型的印刷电路板20的4个角之一上。在图2中，天线10在图中表示在右上角和左上角中的每一个角上，表示出两个可能的装配位置。

从图2中还可以看出，到谐振金属化结构1的第一连接点2分别焊接到第一印刷导体21和第二印刷导体22上(接地连接)。辐射的高频能量的电容性馈入是分别经过第二和第三印刷导体23、24发生的。重要的是要保证天线10的电学特性不受印刷电路板20的边角之一上定位位置的影响，重要的还有，要针对这个馈入(infeed)选择特定情况下适用的馈电点3、4。

如从图2可以看出，如果天线10定位在左上角并且焊接到第一印刷导体23，则选择第一馈电点3；而如果天线10定位在右上角，正是第二馈电点4才连接到第二印刷导体24。在指定的情况下不管哪一个馈电点4、3不使用，则保持不连接，因此处在浮动电位。

如果天线10定位在图2的左下角或右下角，则情况相同，但保持镜向对称性。

对于图2所示的天线10的两个位置进行S₁₁参数的测量，并且相互比较两个测量值。在图3中表示出这些测量的结果。虚线I是天线10在印刷电路板的左上角时的S₁₁参数的曲线，而天线10定位在右上角时产生由实线II代表的S₁₁参数。在图2中可以看出的在两个谐振频率之间的大约2兆赫兹的差异是由以下的事实引起的：两个位置不可能完全重叠(duplicated)。

为了产生双频段或多频段天线，可以将两个或多个谐振金属化结构1加到基板11上或嵌入基板11内。

令人惊奇的是，已经发现，若获得天线10的期望的电学性质，将完整的金属化结构1只加到基板11的一个主面上就足够了，尤其是当金属化结构1具有如图所示的曲折结构形状(或者具有某种其它合适的结构形状)时更是如此。如果馈电点和连接点3、4、2也定位在这个主面上，这将产生极为重要的优点：可以明显降低天线的制造成本，因为基板11不再必须是3维印刷的就能加到金属化结构1上，而金属化结构11通常分布在不止一个面上。

此外，如果天线10安装在印刷电路板20上，从而使携带金属化结构1、2、3、4的主面是下主面，也不需要任何馈电点与金属化结构接触(只有焊接点与金属化结构接触)。

图4表示按照本发明的天线10的第二实施例。用与图1中相同的参考标号来识别相同的或者相互对应的部件。

这个天线10也包括基板11，谐振金属化结构1加到基板11的主面上，基板11的这个主面在所示的视图中是下主面。这个金属化结构1再一次地经过第一连接点2连接到印刷电路板(未示出)的地电位，并且借助于馈电点为金属化结构电容性地馈电。除了与图1中所示的第一实施例的第一和第二馈电点3、4对应的第二实施例的第一和第二馈电点3、4以外，在这个第二实施例中提供附加的第三和第四馈电点6、7，这些附加的馈电点6、7分别相对于第一和第二馈电点3、4并且围绕基板的横向轴对称地安排。

这个天线10还有一个第二连接点18，第二连接点18安排在金属化结构1上第一连接点2的相对端，并且连接到印刷电路板(未示出)上的印刷导体9。

这个印刷导体9是一个调谐短截线，通过调谐短截线，例如用激光束减小调谐短截线的长度，可以调谐金属化结构1的谐振频率，这时的天线处在装配好的状态。这样，天线10在装配好的状态下是可以调谐的，即使在这个状态下在基板11的下主面上的金属化结构1不再能够接近也是可以调谐的。

图5表示天线10对于两个不同长度的印刷导体9的并且用S₁₁参数形式表示的输入特性曲线。虚线I表示当印刷导体9约为3mm长时的S₁₁参数的曲线，虚线II表示当印刷导体9已经缩短到约为2mm长时的S₁₁参数的曲线。从这些曲线显然可以看出，在上述的这种情况下，天线10的谐振频率从约为2.4千兆赫兹移动到约为2.45千兆赫兹。

这个实施例还有下述的优点：由于4个馈电点3、4、6、7是对称安排的，所以，如果需要的话，天线10也可以安装在印刷电路板20上在附图平面中转动180°的位置。因此，在例如大批量生产当中，就没有必要进行视觉检查来查看天线10是否正确地定位在印刷电路板20上，于是，节约了时间和金钱。

关于天线10的定位问题，与针对第一实施例所述的相同，也与针对图2的叙述相同。在这个实施例中，未使用的馈电点不进行连接。

最后，这个实施例具有一个可替换的金属化结构1，所说的金属化结构1大约在(下)主面的中心按照一根大体上的直线在基板11的整个长度上延伸。沿金属化结构1的长度提供两个焊接点5，焊接点5也是用于提供天线10到印刷电路板20的附加的机械固定。

于是，按照本发明的天线10适于用在不同设计的印刷电路板上，印刷电路板的尺寸、印刷电路板的金属化结构、或者印刷电路板的连接都没有任何变化。尤其是，在存在用于在本说明书的开始段中提到的那种类型的不同频段的多个谐振金属化结构的情况下，可以提供在不同的移动电信设备中使用的通用能力。

最后，应该指出的是，在具有多个金属化结构1的双频段或多频段天线的情况下，可以在印刷电路板20上为每个这样的金属化结构1提供印刷导体9，用于调谐金属化结构1的谐振频率。

当然，即使对于没有提供上述的对称安排的馈电点3、4、6、7的基板天线、或者它的金属化结构(一个或多个)在基板11的多个面上延伸，所说的基板天线也能够连接到设置在相关的印刷电路板20上的印刷导体9上，并且可使用印刷导体9以便通过改变印刷导体9的长度来调谐相关的金属化结构1的谐振频率。因此，借助于这种类型的印刷导体9实现的调谐性不限于具有对称的馈电点或者它的金属化结构只在一个主面上延伸的这种类型的天线。

Claims (10)

1.一种微波天线，具有：

基板(11)、至少一个谐振金属化结构(1)、和用于耦合要辐射的高频能量的至少第一和第二馈电点(3、4、6、7)，对于馈电点进行安排，以使对于印刷电路板(20)上天线(10)的不同位置而言，在每一种情况下都可以选择一个馈电点，在这个情况下天线(10)的电学性质至少基本上不发生变化。

2.根据权利要求1所述的微波天线，其特征在于：馈电点(3、4、6、7)安排在基板(11)的一个主面的边缘区域，相对于基板(11)纵轴和/或横轴对称。

3.根据权利要求1所述的微波天线，其特征在于：要辐射的高频能量经过馈电点(3、4、6、7)电容性地耦合到至少一个金属化结构(1)中。

4.根据权利要求1所述的微波天线，其特征在于：至少一个金属化结构(1)经过第一连接点(2)连接到印刷电路板(20)的地电位。

5.根据权利要求1所述的微波天线，其中：至少一个金属化结构(1)经过第二连接点(8)连接到印刷电路板(20)上的印刷导体(9)，可以改变印刷导体(9)的长度以调谐装配好的天线(10)的谐振频率。

6.根据权利要求5所述的微波天线，其特征在于：第一和第二连接点(2、8)定位在至少一个金属化结构(1)的相对的两端。

7.根据权利要求1所述的微波天线，其特征在于：至少一个金属化结构(1)和馈电点以及连接点(3、4、6、7、2、8)都定位在基板(11)的一个主面上。

8.根据权利要求1所述的微波天线，其特征在于：至少一个金属化结构(1)按照基本上曲折的结构形状延伸。

9.一种印刷电路板，尤其是用于表面安装电子部件的印刷电路板，具有根据前述权利要求中任何一个所述的微波天线(10)。

10.具有根据权利要求1-8中任何一个所述的微波天线(10)的一种电信设备。

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