天線及無線通訊裝置的製作方法
2023-09-21 21:28:05 2
專利名稱：天線及無線通訊裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種天線領域，尤其涉及一種天線及應用該天線的無線通訊裝置。
背景技術：
隨著半導體工藝的高度發展，對當今的電子系統集成度提出了越來越高的要求，器件的小型化成為了整個產業非常關注的技術問題。然而，不同於IC晶片遵循「摩爾定律」的發展，作為電子系統的另外重要組成一射頻模塊，卻面臨著器件小型化的高難度技術挑戰。射頻模塊主要包括了混頻、功放、濾波、射頻信 傳輸、匹配網絡與天線等主要器件。其中，天線作為最終射頻信號的輻射單元和接收器件，其工作特性將直接影響整個電子系統的工作性能。然而天線的尺寸、帶寬、增益等重要指標卻受到了基本物理原理的限制(固定尺寸下的增益極限、帶寬極限等)。這些指標極限的基本原理使得天線的小型化技術難度遠遠超過了其它器件，而由於射頻器件的電磁場分析的複雜性，逼近這些極限值都成為了巨大的技術挑戰。同時，隨著現代電子系統的複雜化，多模服務的需求在無線通信、無線接入、衛星通信、無線數據網絡等系統中變得越來越重要。而多模服務的需求進一步增大了小型化天線多模設計的複雜度。除去小型化的技術挑戰，天線的多模阻抗匹配也成為了天線技術的瓶頸。另一方面，多輸入多輸出系統(MIMO)在無線通信、無線數據服務領域的高速發展更進一步苛刻地要求了天線尺寸的小型化並同時保證良好的隔離度、輻射性能以及抗幹擾能力。然而，傳統的終端通信天線主要基於電單極子或偶極子的輻射原理進行設計，比如最常用的平面反F天線(PIFA)。傳統天線的輻射工作頻率直接和天線的尺寸正相關，帶寬和天線的面積正相關，使得天線的設計通常需要半波長的物理長度。在一些更為複雜的電子系統中，天線需要多模工作，就需要在饋入天線前額外的阻抗匹配網絡設計。但阻抗匹配網絡額外的增加了電子系統的饋線設計、增大了射頻系統的面積同時匹配網絡還引入了不少的能量損耗，很難滿足低功耗的系統設計要求。因此，小型化、多模式的新型天線技術成為了當代電子集成系統的一個重要技術瓶頸。
發明內容
本發明要解決的技術問題在於，現有的手機天線尺寸基於半波長的物理長度限制很難滿足現代通信系統低功耗、小型化及多功能的設計要求，因此本發明提供一種低功耗、小型化及多諧振頻點的天線。本發明還提供一種應用該天線的無線通訊裝置。一種天線包括一介質基板和附著於介質基板上接地單元，天線還包括一附著於所述介質基板的金屬結構，所述金屬結構包括一電磁響應單元、用於包裹所述電磁響應單元的一金屬開口環及與金屬開口環的一端延長末端相連的饋點，所述電磁響應單兀包括一電場耦合結構和至少一金屬子結構，所述金屬子結構設置於所述電場耦合結構中。進一步地，所述至少一金屬子結構分別設置於所述電場耦合結構中且與電場耦合結構相連成一體。進一步地，所述至少一金屬子結構分別設置於所述電場耦合結構中且與電場耦合結構I禹合。進一步地，所述金屬子結構由至少兩個金屬子結構複合疊加形成一個複合金屬子結構。進一步地，所述複合金屬子結構包括三個開口諧振環金屬子結構。進一步地，基於所述三個開口諧振環金屬子結構形成的複合金屬子結構形成相應的互補式複合金屬子結構。進一步地，所述介質基板的相對兩表面均有設置有接地單元，所述接地單元上開設至少一金屬化通孔。進一步地，所述介質基板相對兩表面均附著金屬結構。·進一步地，所述介質基板相對兩表面均附著的金屬結構形狀相同。進一步地，所述介質基板相對兩表面均附著的金屬結構形狀不相同。進一步地，所述介質基板由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料中任意一種材料製成。一種無線通訊裝置所述天線，無線通訊裝置還包括一 PCB板，所述天線與PCB板連接。將此種設計等效於增加了天線物理長度，可以在極小的空間內設計出工作在極低工作頻率下的射頻天線，解決傳統天線在低頻工作時天線受控空間面積的物理局限，滿足手機天線的小型化、低工作頻率、寬帶多模的要求。同時為無線通訊設備的天線設計提供了一種更低成本的設計方式。
圖I是本發明天線中一實施例的立體圖；圖2為圖I天線的金屬結構的示意圖；圖3是本發明天線另一實施例的立體圖；圖4a為圖2所示金屬結構中的一種開口諧振環金屬子結構平面圖；圖4b為圖4a所示開口諧振環金屬子結構的一種互補式金屬子結構平面圖；圖5a為圖2所示金屬結構中的一種螺旋線金屬子結構平面圖；圖5b為圖5a所示螺旋線金屬子結構的一種互補式金屬子結構平面圖；圖6a為圖2所示金屬結構的一種彎折線金屬子結構的平面圖；圖6b為圖6a所示彎折線金屬子結構的一種互補式金屬子結構平面圖；圖7a為圖2所示金屬結構中的一種開口螺旋環金屬子結構的平面圖；圖7b為圖7a所示開口螺旋環金屬子結構的一種互補式金屬子結構平面圖；圖8a為圖2所示金屬結構中的一種雙開口螺旋環金屬子結構平面圖；圖8b為圖8a所示雙開口螺旋環金屬子結構的一種互補式金屬子結構平面圖；圖9是本發明天線第三實施例的立體圖；圖10是本發明天線第四實施例的立體圖；圖11為圖4a所示開口諧振環金屬子結構其中之一結構的幾何形狀衍生示意圖12為圖4b所示互補式開口諧振環金屬子結構中另一結構的幾何形狀衍生示意圖；圖13a為圖4b所示三個互補式開口諧振環金屬子結構複合衍生得到一種金屬子結構平面圖；圖13b為圖13a所示金屬子結構的一種互補式的金屬子結構平面圖；圖14為應用本發明的天線的一無線通訊裝置。
具體實施例方式以下結合說明書附圖詳細介紹本發明的具體內容。請參考圖1，為本發明天線中一實施例的立體圖。所述天線10包括介質基板11、均附著在介質基板11上的金屬結構12及接地單元22。所述接地單元22為金屬片且上開 設由至少一個金屬化通孔23。在本實施方式中，所述天線10的介質基板11的一表面上附著金屬結構12 ;在介質基板11的相對兩表面均有設置有接地單元22，在所述金屬化通孔23對應位置的質基板11也開設由通孔(圖中未示)，通過這些金屬化通孔23將各個分散的接地單元22電連接形成公共地。在其他實施方式中，所述天線10的介質基板11相對兩表面均附著金屬結構12，在介質基板11的相對兩表面均有設置有接地單元22。請參考圖2,所示金屬結構12包括一電磁響應單元120、用於包裹所述電磁響應單元120的一金屬開口環121及與金屬開口環121的一端延長末端相連的饋點123。所述電磁響應單元123包括一個電場稱合結構(electric-field-coupled,縮寫ELC)。此種設計等效於增加了天線物理長度(實際長度尺寸不增加)，這樣就可以在極小的空間內設計出工作在極低工作頻率下的射頻天線。解決傳統天線在低頻工作時天線受控空間面積的物理局限。請一併參閱圖2和圖3，天線的金屬結構的示意圖和本發明天線第二實施例的立體圖。為了實現阻抗匹配和更好提高天線10的性能，還可以將天線10進一步修改；所述金屬結構12還包括至少一個金屬子結構122，即在所述電磁響應單元123的電場耦合結構(electric-field-coupled,縮寫ELC)中嵌套至少一個金屬子結構122。在本實施方式中，在電場稱合結構(ELC)中嵌套分別四個相同的金屬子結構122且與電場稱合結構相連成一體(如圖3所示)。在本其他方式中，所述四個相同的金屬子結構122可以直接與電場耦合結構採用電場耦合或電感耦合方式連接。上述四個金屬子結構122中的至少兩個金屬子結構的形狀不相同，即所述四個金屬子結構122可以完全不相同和部分不相同。各種無線通訊裝置都可以採用本發明中的天線10或20，但是為了天線10或20與各種無線通訊裝置之間的阻抗匹配或者實現多模工作模式，所述金屬子結構122可以採用各種對電磁波響應的金屬子結構及其衍生結構。如所述金屬子結構122可選用互補式的開口諧振環金屬子結構(如圖4a、4b所示)，即如圖4a、4b所示兩種金屬子結構的形狀形成互補。所述圖4a和4b所示金屬子結構122相互形成一對互補式的開口諧振環金屬子結構。由於如圖4a所示的金屬子結構122未設置有連接末端，因此圖4a所示的金屬子結構122可以採用耦合方式設置於金屬結構12中，從而形成本發明的所述天線10(如圖9所示)。同理，圖4b所示也未設置由連接末端，也可採用耦合方式設置於金屬結構12中。所述金屬子結構122還可選用如圖5a和5b所示的一對互補式螺旋線金屬子結構、如圖6a和6b所不的一對互補式彎折線金屬子結構、如圖7a和7b所不的一對互補式的開口螺旋環金屬子結構及如圖8a和Sb所示的一對互補式的雙開口螺旋環金屬子結構。若所述金屬子結構122設置有連接末端，則所述金屬子結構122可以與金屬結構12直接相連，如圖6b金屬子結構122。請一併參閱圖10，將如圖6b金屬子結構122電連接於金屬結構12的電場耦合結構上，從而獲得本發明衍生的天線10。在上述各種金屬子結構122形成各種的彎折處都是呈直角形狀的。在其他實施方式中，金屬子結構122形成各種的彎折處為圓角，如電磁響應單元120的彎折處的圓角形狀。所述金屬子結構122可以由一種或者是通過前面幾種結構衍生、複合或組陣得到的金屬子結構。衍生分為兩種，一種是幾何形狀衍生，另一種是擴展衍生。此處的幾何形狀 衍生是指功能類似、形狀不同的結構衍生，例如由方框類結構衍生開口曲線金屬子結構、開口三角形金屬子結構、開口多邊形金屬子結構及其它不同的多邊形類結構，以圖4a所示的開口諧振金屬子環結構為例，圖11為其幾何形狀衍生示意圖，圖11為其幾何形狀衍生示意圖。由上述幾何形狀衍生方式從而得出相對應的互補式衍生結構，如基於所述開口諧振環金屬子結構形成的互補式衍生結構(如圖12所示)。此處的擴展衍生即在圖4至圖8的金屬子結構的基礎上相互複合疊加形成符合金屬子結構；此處的複合是指，如圖4至圖8所示的至少兩個金屬子結構複合疊加形成一個複合金屬子結構122。如圖13a所示的複合金屬子結構是由三個如圖4b所示互補式開口諧振環金屬子結構複合嵌套形成。從而由如圖13a所示的金屬子結構得到一種互補式的複合金屬子結構(如圖13b所示)。在本發明中，所述介質基板11、21兩相對表面都設有金屬結構12情況下，兩表面上的金屬結構12可以連接，也可以不連接。當所述兩表面上的金屬結構12不連接的情況下，所述兩表面上的金屬結構12之間通過容性耦合的方式饋電；此種情況下，通過改變介質基板11、21的厚度可以實現兩表面上的金屬結構12的諧振。在所述兩表面上的金屬結構12電連接的情況下(例如通過導線或金屬化通孔的形式連接)，所述兩表面上的金屬結構12之間通過感性耦合的方式饋電。本發明中，介質基板11、21由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料製成。優選地，由高分子材料製成，具體地可以是FR-4、F4B等高分子材料。本發明中，金屬結構12為銅或銀材料製成。優選為銅，價格低廉，導電性能好。為了實現更好阻抗匹配，金屬結構12也為銅和銀組合，例如，電磁響應單元120和金屬子結構122採用銀材料製成，而金屬開口環121與饋點123採用銅材料製成，如此可以得出多種銅和銀組合製成的金屬結構12。本發明中，關於天線的加工製造，只要滿足本發明的設計原理，可以採用各種製造方式。最普通的方法是使用各類印刷電路板(PCB)的製造方法，當然，金屬化的通孔，雙面覆銅的PCB製造也能滿足本發明的加工要求。除此加工方式，還可以根據實際的需要引入其它加工手段，比如RFID (RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別技術，俗稱電子標籤)中所使用的導電銀漿油墨加工方式、各類可形變器件的柔性PCB加工、鐵片天線的加工方式以及鐵片與PCB組合的加工方式。其中，鐵片與PCB組合加工方式是指利用PCB的精確加工來完成天線微槽結構的加工，用鐵片來完成其它輔助部分。另外，還可以通過蝕刻、電鍍、鑽刻、光刻、電子刻或離子刻的方法來加工。請參閱圖14，一種應用上述天線無線通訊裝置100，所述裝置包括一個裝置殼體97、設置所述裝置殼體97內的一 PCB板99和本發 明中所述天線10。所述天線與PCB板相連接。所述天線用於接收電磁波信號並將電磁波信號轉換為電信號傳送至PCB板中進行處理。採用本發明的天線設計思想，可以根據各種無線通訊裝置的通訊頻段的很容易設計阻抗匹配的天線。所述無線通訊裝置100包括但不限於手機、移動多媒體設備、WIFI設備、個人計算機、藍牙設備，、無線路由器、無線上網卡及導航裝置等。上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬於本發明的保護之內。
權利要求
1.一種天線，包括一介質基板和附著於介質基板上接地單元，其特徵在於，天線還包括一附著於所述介質基板的金屬結構，所述金屬結構包括一電磁響應單元、用於包裹所述電磁響應單元的一金屬開口環及與金屬開口環的一端延長末端相連的饋點，所述電磁響應單元包括一電場耦合結構和至少一金屬子結構，所述金屬子結構設置於所述電場耦合結構中。
2.根據權利要求I所述的天線，其特徵在於，所述至少一金屬子結構分別設置於所述電場稱合結構中且與電場稱合結構相連成一體。
3.根據權利要求I所述的天線，其特徵在於，所述至少一金屬子結構分別設置於所述電場稱合結構中且與電場稱合結構I禹合。
4.根據權利要求I、2或3所述的天線，其特徵在於，所述金屬子結構由至少兩個金屬子結構複合疊加形成一個複合金屬子結構。
5.根據權利要求4所述的天線，其特徵在於，所述複合金屬子結構包括三個開口諧振環金屬子結構。
6.根據權利要求5所述的天線，其特徵在於，基於所述三個開口諧振環金屬子結構形成的複合金屬子結構形成相應的互補式複合金屬子結構。
7.根據權利要求I所述的天線，其特徵在於，所述介質基板的相對兩表面均有設置有接地單元，所述接地單元上開設至少一金屬化通孔。
8.根據權利要求7所述的天線，其特徵在於，所述介質基板相對兩表面均附著金屬結構。
9.根據權利要求8所述的天線，其特徵在於，所述介質基板相對兩表面均附著的金屬結構形狀相同。
10.根據權利要求9所述的天線，其特徵在於，所述介質基板相對兩表面均附著的金屬結構形狀不相同。
11.根據權利要求7所述的天線，其特徵在於，所述介質基板由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料中任意一種材料製成。
12.一種無線通訊裝置，包含權利要求I至11任意一項權利要求所述天線，其特徵在於，無線通訊裝置還包括一 PCB板，所述天線與PCB板連接。
全文摘要
一種天線包括一介質基板和附著於介質基板上接地單元，天線還包括一附著於所述介質基板的金屬結構，所述金屬結構包括一電磁響應單元、用於包裹所述電磁響應單元的一金屬開口環及與金屬開口環的一端延長末端相連的饋點，所述電磁響應單元包括一電場耦合結構和至少一金屬子結構，所述金屬子結構設置於所述電場耦合結構中。將此種設計等效於增加了天線物理長度，可以在極小的空間內設計出工作在極低工作頻率下的射頻天線，解決傳統天線在低頻工作時天線受控空間面積的物理局限，滿足手機天線的小型化、低工作頻率、寬帶多模的要求。同時為無線通訊設備的天線設計提供了一種更低成本的設計方式。
文檔編號H01Q1/48GK102800948SQ20111017865
公開日2012年11月28日 申請日期2011年6月29日 優先權日2011年6月29日
發明者劉若鵬, 徐冠雄 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創新技術有限公司