多頻段微波天線的製作方法
2023-05-26 21:33:11 2
專利名稱：多頻段微波天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有一個基板和至少兩個金屬化結構的多頻段微波天線，這種天線旨在專用作印刷電路板(PCB)上的一個表面安裝器件(SMD)。本發明還涉及這種類型的印刷電路板以及具有這種微波天線的多頻段電信設備。
背景技術：
在移動電信中，使用微波範圍中的電磁波發送信息。例如，頻率範圍為890-960兆赫茲(GSM900)、1710-1880兆赫茲(GSM1800或DCS)、1850-1990兆赫茲(GSM1900或PCS)、以及UMTS頻段(1885-2200兆赫茲)的GSM行動電話標準、在頻率範圍為1880-1900兆赫茲的無繩電話標準、以及在頻率範圍為2400-2480兆赫茲的藍牙標準，藍牙標準的目的是允許數據在各種電子設備如計算機、消費者電子設備等之間進行交換。除了信息的發送以外，有時還有可在移動通信設備中實施的附加的功能和應用，如用於眾所周知的GPS頻率範圍的衛星導航。
當代的這種類型的電信設備期望能在儘可能多的所述頻率範圍內操作，這就是說，需要對應的多頻段天線來覆蓋這些頻率範圍。
為了發送或接收，天線必須在適當的頻率建立電磁諧振。為了使在指定的波長下天線尺寸最小，通常使用介電常數εr＞1的電介質作為基本組成部件。這就使輻射的波長在該電介質中縮小，縮小的倍數為 根據這種介電性設計的天線的尺寸也減小了相同的倍數。
這種類型的天線包括介電材料塊(基板)。一個或多個諧振金屬化結構加到這個基板的表面上，所說的基板由期望的工作頻段(一個或多個)規定。諧振頻率的數值取決於印刷的金屬化結構的尺寸和布置並且取決於基板的介電常數的數值。隨著介電常數的數值的變大，各個諧振頻率的數值變低。
例如，EP1024552公開了一種用於通信終端設備的多頻段天線，它是由多個不同類型的天線的組合構成的，這些天線可以單獨地存在或者多個一塊存在，這些天線以只在一點供給電磁能的方式耦合在一起。在這種情況下存在一個缺點這種天線所需的面積相當大，因為各個類型的天線基本上要一個接一個地排列起來。
發明內容
因此，本發明的一個目的是提供一種在本說明書的開始段中詳細描述的那種類型的天線，它具有小型簡單的並且節省空間的結構，並且能夠在儘可能多的的上述類型的頻段中操作。
本發明還要提供一種多頻段微波天線，其中能夠在很大程度上相互獨立地調諧各個操作頻段諧振頻率。
本發明還提供用於這種類型的多頻段微波天線印刷電路板，利用這種印刷電路板有可能獲得有關反射參數曲線的極為有益的天線性質。
按照權利要求1，通過多頻段微波天線來實現這個目的，所說的多頻段微波天線具有一個基板，該基板具有至少第一和第二金屬化結構，其中第一金屬化結構至少具有形成諧振區域的一個金屬區，第二金屬化結構至少具有一個諧振的印刷導體結構。
用這種方式實現所說目的的一個特殊的優點是，PIFA型天線(平面倒F型天線)的正向優點可以與PWA型天線(印刷的導線天線)的正向優點按這種方式組合起來，並且可以實現小尺寸的多頻段微波天線，其中可以在很大程度上相互獨立地設置諧振頻率。
從屬權利要求涉及本發明的有益的另外的實施例。
在權利要求2中涉及的實施例對於結構緊湊和降低重量有特別重要的貢獻。
利用權利要求4中涉及的實施例，有可能進一步增加諧振頻率的數目，利用權利要求5、6中涉及的實施例，有可能實現在很大程度上相互獨立地調諧不同的諧振頻率。
參照下面描述的實施例，本發明的這些和其它方面都將變得顯而易見。其中圖1是按照本發明的第一天線的示意圖；圖2是如圖1所示的天線的平面圖；圖3是曲線圖，表示圖1的天線的S11反射參數曲線隨頻率的變化關係；圖4表示在行動電話中的典型環境中的圖1的天線；圖5表示本發明的第二天線；圖6是曲線圖，表示表示圖2的天線的S11反射參數曲線隨頻率的變化關係。
具體實施例方式
圖1和2表示按照本發明的第一天線，所說的天線是3頻段天線1，它安排在處於參考電位的金屬化底板2的上方。
這個天線包括大體上平行六面體塊狀形式的基板10，基板10的長度或寬度大於它的高度，相差3-40倍。因此，附圖中基板10的上面(大面)在下面的說明書中稱之為基板的上主面，與其相對的面則稱之為下主面，取向與它們垂直的那些面稱之為基板的側面。
然而，對於基板10，還可能選擇其它的幾何形狀代替平行六面體，例如圓柱形，對於這些幾何形狀可以施加適當的金屬化結構。
通過在聚合母體(polymer matrix)中嵌入瓷陶粉末可以製造出基板10，這個基板的介電常數εr＞1和/或相對磁導率μT＞1。
對於圖1所示的天線1，基板10的長度約為35mm，寬度約為20mm，厚度約為1mm。底板2的尺寸約為90mm×35mm。
基板10在其兩個主面上，攜帶對應的第一和第二金屬化結構11和12。在圖中所示的情況下，第一金屬化結構11定位在上主面，並且包括金屬區111(通過陰影表示之)，金屬區111覆蓋上主面並且形成第一諧振頻率的諧振區(基本模式)。
在這個金屬區111中，向上打開一個縫隙結構112，縫隙結構112在基板10的一個長邊開始並且延伸到基板10的短邊處的第一區A(圖2)。按這種方式分割或分段金屬區111，結果，除了基本模式外，還可以激勵金屬區111的一些部分在較高的頻率諧振，至少可以獲得第二諧振頻率。
對於縫隙結構112的結構形狀、長度、和寬度進行選擇，以使金屬區111的分段將產生期望的第二諧振頻率。兩個諧振例如可以分別覆蓋GSM900和DCS1800頻段、GSM900和PCS1900頻段、或者GSM900和UMTS頻段，在這種情況下，在圖中所示的實施例中，第一諧振頻率在GSM900頻段，第二諧振頻率在UMTS頻段。然而，對於縫隙結構112略加修改，就還可以覆蓋其它的頻段。
縫隙結構112還具有降低基本模式即第一諧振頻率的效果，這樣，天線1可以有效地變得較小。雖然這有可能伴隨著帶寬的略微減小，但這通常還是可以接受的。
向天線饋電(或者耦合輸出接收的電磁能)是經過饋電插針(feedpin)113發生的，饋電插針113通過在金屬化底板2上的一個孔或切口延伸並且導電連接到基板10的角部區中的金屬區111。然而，饋電或耦合輸出也可以通過電容性耦合來實現。
圖1還表示出在基板10的一個長邊上的接地或短接插針(shorting pin)114，這個插針114形成在金屬化底板2和金屬區111之間的連接，用於減小第一諧振頻率。
第二金屬化結構12位於基板10的相對主面(下主面)上，第二金屬化結構12包括諧振金屬印刷導體結構121，諧振金屬印刷導體結構121為至少一個印刷導體122的形式，平行於基板10的短邊延伸並且也連接到短接插針114。
這個印刷導體122用於激勵第三諧振頻率，在所示的情況下這個諧振頻率是在DCS1800頻段。利用這個第二金屬化結構12，同樣有可能通過略加修改來覆蓋另外的頻段，或者如果有多個印刷導體122，則有可能通過略加修改來覆蓋多個頻段。考慮到基板10的介電常數，對於印刷導體122的長度進行選擇，使其對應於期望的諧振波長的1/4，並且因而lres=eff/4=0/(4effrms),]]>這裡εeff是基板的介電常數，它的平均值已經用適當的方法找到。
印刷導體結構121還可以包括多個單個的印刷導體122，它們通過一個或多個短接插針114連接到金屬化底板2上。對於印刷導體122的長度和短接插針114的位置進行選擇，以使在每種情況下在期望的諧振波長的1/4左右都可獲得諧振。以此方式並且通過用合適的方式定位印刷導體122，就可能保證第一金屬化結構11的諧振頻率基本上不受影響。
圖2表示從上方看到的圖1的天線，其中省去了金屬化底板2。在這個視圖中，在上主面上可以再一次看到金屬區111和分段金屬區111的縫隙結構112。在該圖中還表示出位於下主面上的金屬印刷導體結構121。最後，該圖還表示出饋電插針113和短接插針114的位置。
按照本發明的天線的特殊優點是，可以選擇性地調諧諧振頻率，並且諧振頻率在很寬的範圍在很大程度上彼此無關。
對於如圖1和2所示的天線，為此目的形成調諧縫隙115、116，調諧縫隙115、116位於金屬區111內的區域A中並且在縫隙結構112的端部，而且調諧縫隙115、116基本上垂直於縫隙結構112的兩側地延伸。通過產生這些適當長度的調諧縫隙115、116，就可以調諧第一諧振頻率，為此目的，當天線1處在裝配好的狀態時，作為工業生產過程的一部分，可以藉助於雷射束例如使這些調諧縫隙115、116加長。
通過在如圖2所示的區域B中改變短接插針114相對於饋電插針113的位置，就可以在很大程度上設定由縫隙結構112產生的較高的第二諧振頻率的數值。
為了設定第三諧振頻率，印刷導體122在它的端部即在圖2中所示的區域C中具有一個調諧縫隙123，調諧縫隙123垂直於印刷導體122延伸，為此目的例如藉助於雷射束可使調諧縫隙123縮短。
圖3表示的是通過實驗確定的、圖1和2所示的天線的S11反射參數隨頻率變化的曲線。從圖中可以清楚地看見3個諧振頻率，它們的大約位於930兆赫茲、1800兆赫茲、和2100兆赫茲。
圖4表示處在典型環境中的天線，它在行動電話中緊挨著電池3。這就意味著，天線的電近場環境(忽略用戶的影響)是由行動電話的印刷電路板(金屬化的底板2)(假定印刷電路板是全金屬的)和電池3(它也是金屬化的)確定的。
圖5表示本發明的第二實施例，它是一個4頻段天線1，天線1也安排在金屬化的底板2的上方。天線1的尺寸(或者準確地說是基板10的尺寸)以及底板2的面積都與第一實施例相同。
天線在它的主面上(在附圖中為上主面)同樣具有第一金屬化結構11，第一金屬化結構11具有金屬區111(用陰影表示之)，金屬區111按上述的方式形成一個諧振區，並且由縫隙結構112分段，連接到饋電插針113，用於產生第一和第二諧振頻率。
第二金屬化結構12以金屬印刷導體結構121的形式定位在下主面上，然而，與第一實施例相比，在這種情況下，它包括3個印刷導體122、123、124，3個印刷導體122、123、124安排成梳狀形式，並經過短接插針114連接到金屬化的底板2上。印刷導體結構121還包括一個單個的印刷導體125，印刷導體125在基板10短邊的區域內平行於安排成梳狀形式的印刷導體122、123、124延伸，並且所說的印刷導體125還連接到饋電點113。3個印刷導體122、123、124產生第三諧振頻率，所說的第三頻率隨3個印刷導體的長度而變，第三諧振頻率例如位於由DCS1800、PCS1900、或UMTS頻段覆蓋的範圍內。最後，單個的印刷導體125產生第四諧振頻率，所說的第四諧振頻率例如可以位於由藍牙頻段確定的頻率範圍內的2.4千兆赫茲。
圖6表示的是這種天線的S11反射參數隨頻率變化的曲線。其中可以清晰地看見4個諧振頻率，它們約為900兆赫茲、1800兆赫茲、2000兆赫茲、2400兆赫茲。
通過在第一金屬化結構11中附加另外的縫隙結構和/或向第二金屬化結構12附加另外的印刷導體，按照本發明的天線就可以覆蓋另外的頻段，並且可以產生對應的多頻段天線。
因此，利用按照本發明的天線，有可能組合現有的PIFA型天線(平面倒F型天線)的優點與PWA型天線(印刷的導線天線)的優點，PIFA型天線基本上是從第一金屬化結構11獲得的，而PWA型天線基本上是從第二金屬化結構12獲得的。
權利要求
1.一種多頻段微波天線，具有一個基板(10)，基板(10)具有至少第一和第二金屬化結構(11、12)，其中第一金屬化結構(11)具有至少形成諧振區域的一個金屬區(111)，第二金屬化結構(12)具有至少一個諧振的印刷導體結構(121)。
2.根據權利要求1所述的多頻段微波天線，其中所述金屬化結構(11、12)加到大體上平行六面體形狀的基板(10)的彼此相對的主面上。
3.根據權利要求1所述的多頻段微波天線，其中基板(10)安排在處在參考電位的金屬化的底板(2)的上方。
4.根據權利要求1所述的多頻段微波天線，其中在第一金屬化結構(11)的金屬區(111)內至少開一個縫隙結構(112)，縫隙結構(112)將所說的金屬區(111)分段，這樣就可以激勵至少兩個諧振頻率。
5.根據權利要求4所述的多頻段微波天線，其中為至少一個縫隙結構(112)提供至少一個調諧縫隙(115、116)。
6.根據權利要求1所述的多頻段微波天線，其中為至少一個印刷導體結構(121)提供調諧縫隙(123)。
7.根據權利要求1所述的多頻段微波天線，其中所說的天線是經過饋電插針(113)饋電的，所說的饋電插針(113)連接到第一和/或第二金屬化結構(11、12)。
8.根據權利要求1所述的多頻段微波天線，其中第一和/或第二金屬化結構(11、12)連接到短接插針(114)，短接插針(114)緊固到金屬化的底板(2)上。
9.一種印刷電路板，尤其是用於移動通信設備的印刷電路板，所說的印刷電路板具有根據前述權利要求中任何一個所述的多頻段微波天線(1)。
10.一種電信設備，它具有根據前述權利要求1-8中任何一個所述的多頻段微波天線(1)。
全文摘要
描述了一種多頻段微波天線(1)，所說的天線特別適用於表面安裝(SMD)在印刷電路板(PCB)上並且具有一個基板(10)，基板(10)具有至少第一和第二金屬化結構(11、12)，其中第一金屬化結構(11)具有用於形成諧振區的至少一個金屬區(111)，第二金屬化結構(12)具有至少一個諧振的印刷導體結構(121)，這樣，使所說的天線能夠組合PIFA型天線(平面倒F型天線)的優點與PWA型天線(印刷的導線天線)的優點。
文檔編號H01Q9/04GK1639912SQ03805447
公開日2005年7月13日 申請日期2003年2月27日 優先權日2002年3月8日
發明者T·普爾, N·布拉姆比拉, D·－N·佩裡格拉德 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司