一種偶極天線的製作方法

2023-05-29 13:06:26 3

專利名稱：一種偶極天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及天線，尤其涉及偶極天線。
背景技術：
為了提供能夠安裝在手持設備中的天線，通常將天線製作為PCB的一部分。技術 上，這樣的天線趨於由「微帶(microstrip) 」供電，微帶為包括PCB中的接地層的PCB結構， 微帶位於信號走線(signal trace)的下方，此處接地層的寬度為信號走線的寬度的10倍 左右。這種天線通常為單極天線、IFA天線或PIFA天線，其需要在PCB上設置RF接地以構 成輻射機構。這種天線的輻射效率受到天線的射頻(RF)接地的影響，這幹擾來自天線的信號 的傳輸。因此，如果握住手持設備的手遮住了 RF接地元件，則手持設備的輻射效率顯著地 下降。因此，很多無線手持設備具有電磁能被握住者的手部分地吸收的問題。這種現象 被稱為「手效應」。一種提出的解決方案是提供具有同軸電纜的天線。這減小了 RF接地元件對天線 輻射的影響。然而，將同軸電纜焊接至天線的成本很高且很難。此外，同軸電纜需要一定空 間，因此，很難將同軸電纜提供給PCB天線。因此，期望的是提供一種至少能部分地減輕上述問題的天線。

發明內容
本發明提出一種偶極天線，包括基底，其具有第一表面和第二表面，所述表面朝向 相反方向；所述第一表面具有形成第一線性走線的導電材料條；第一線性走線具有形成第 一輻射臂的彎曲，並且所述第一線性走線從信號饋給端延伸；第二表面具有形成第二線性 走線的導電材料條；第二線性走線具有形成第二輻射臂的彎曲，並且所述第二線性走線從 接地元件延伸；其中第二線性走線的寬度窄於RF接地元件的寬度；從而RF接地元件遠離 第一和第二輻射臂。第一線性走線和第二線性走線的結構被稱為「有限接地微帶」，其中第一線性走線 的寬度為2至5倍。有利地，試驗數據已經顯示有限接地微帶能夠與傳統微帶同效率地傳 輸微波。連接至接地元件的第二線性走線提供天線的「接地走線」。典型地，第二線性走線 通常為接地元件與輻射臂之間的導電材料的長條或帶。實際上，這在天線的接地元件與輻 射臂之間設置了一段距離。因此，來自輻射臂的信號不會被接地層以任何顯著的方式吸收 或幹擾。而且，第二線性走線具有的寬度窄於接地元件的寬度。較窄的寬度是指第二線性 走線的表面區域比接地層要小，這會減小接地效應和對輻射臂輻射的幹擾。優選地，兩輻射臂的結合長度等於或者小於預定頻率的1/4波長。每個臂的1/4 波長為標準50 Ω偶極天線的需求。
任意地，接地元件具有連接至第二線性走線的錐形部。有利地，錐形部減小接地元 件鄰近輻射臂的區域，並且進一步減小接地元件對輻射圖的影響。優選地，第一和第二線性走線的長度至少是預定頻率的1/8波長或大於預定頻率 的1/8波長。這意味著第一線性走線和第二線性走線一起(通常為平行的)形成有限接地 微帶，有限接地微帶的長度等於或大於預定頻率的1/8波長。這允許接地元件離開天線的 輻射臂一段距離設置，該距離取決於有限接地微帶的長度。因此，來自輻射臂的信號不會被 接地元件以任何顯著的方式吸收或幹擾。任意地，接地元件具有1/2波長的寬度，因此接地元件能夠反射來自天線的信號。 有利地，這使得輻射圖稍稍朝向第一和第二輻射臂指向的方向定位成為可能。因此，當指向 控制目標時，以該提出的天線實現的遠程控制器可以更有效。有利地，第一和第二線性走線形成的有限接地微帶允許天線的第一和第二導電元 件之間有效的能量耦合，即，在RFIC與輻射臂之間傳輸。這相對其他例如耦合供電及微帶 平衡-不平衡轉換器供電(microstrip balun feeding)的供電技術，可減少能量損耗。與 例如同軸電纜供電的其他供電技術相比，這還可以減少成本及裝配程序的需求。此外，由於接地元件設置為距輻射臂一小段距離，所以對輻射臂彎曲、摺疊或呈曲 線存有餘地，而不需要與接地元件排列得太近。這還允許輻射臂以不同的方式設計以便適 合電路板上的特徵，並且不需要焊接同軸電纜。這對於製作PCB的成本而言減少了附加的 製作成本。因此，本發明製作的小型印刷偶極天線能夠簡便地安裝到任何手持設備。此外，使用1/4波長的有限接地微帶使製作非常小的PCB天線成為可能，其中兩個 輻射臂的總寬度比1/2波長小得多。


結合相應的說明本發明可能的排列的附圖，將更方便進一步描述本發明，其中相 似的附圖標記指代相似的部件。本發明也可能存在其他排列，因此附圖的細節不能理解為 對本發明前述描述的一般性的替代。圖1示出本發明第一實施例的平面圖；圖2為圖1的實施例的等距圖；圖3為圖1所示的第一實施例的分解圖；圖4示出圖1的實施例的變化的輻射圖；圖5示出圖1的實施例另一種變化的輻射圖；圖6示出第一實施例的另一種變化；圖7示出第一實施例的又一種變化；圖8示出第一實施例的再一種變化；以及圖9示出第一實施例的另外一種變化。
具體實施例方式圖1示出偶極天線100的平面圖。圖2示出天線100的等距圖。圖3為圖2的分解圖。
天線100印刷在電路板上，即，印刷電路板(PCB)上。因此天線100包括具有兩個 表面的PCB基底101。如圖所示，基底101的頂表面印刷有第一導電元件103。基底101的 底表面印刷有第二導電元件105。第一導電元件103的一端連接至射頻集成電路(RFIC) 107的信號饋給端，即，輸入 /輸出埠，以發送和接收無線信號。因此，第一導電元件103為天線100的「信號走線」。第一導電元件103的另一端從RFIC 107線性地延伸一段距離，然後彎曲以形成第 一輻射臂109。由於彎曲，第一輻射臂109向側向和向後延伸。這導致第一導電元件103呈 鉤形。從RFIC 107線性延伸至第一輻射臂109的彎曲處的第一導電元件103的細長部為 天線100的第一線性走線111。第二導電元件105從RF接地元件113延伸出並作為天線100的「接地走線(ground trace)」。典型地，RF接地元件113連接至RFIC 107的地線，第一導電元件103從RFIC 107 的地線延伸。在接地元件113與第二輻射臂115的彎曲處之間的第二導電元件105的細長 線性部117是天線100的第二線性走線117。從彎曲處開始，第二導電元件105形成第二輻 射臂115。以與第一輻射臂109相似的方式，第二輻射臂115彎曲以向側向和向後延伸而形 成鉤形。第二輻射臂被彎曲以沿著基本與第一輻射臂延伸方向相反的方向延伸。此處「基 本」是指輻射臂109、115沒有嚴格地反向分離180°，只要達到偶極天線的充分輻射的目的 即可。從每個輻射臂的彎曲處反向延伸的輻射臂提供偶極天線，第一輻射臂109和第二 輻射臂115形成偶極天線100的兩個輻射臂。優選地，每個輻射臂的長度等於或小於監測到的頻率的1/4波長。如果需要，兩個 輻射臂的有效長度可以根據本領域技術人員公知的最佳匹配原理通過運行矢量網絡分析 儀來調節。第一線性走線111通常平行於第二線性走線117從接地元件113線性地延伸出與 第二線性走線117從RFIC 107延伸出的距離大約相同的距離。因此，第一線性走線111和 第二線性走線117提供「有限接地微帶」結構。本領域技術人員理解「微帶」是一種電傳輸 線，其可以利用PCB工藝製作，且可以用於傳輸電磁信號。微帶通常由通過絕緣基底與地面 分離的導電片組成。在此實施例中，「有限接地微帶」特別用於涉及平行的第一線性走線111 和第二線性走線117的細長結構。優選地，有限接地微帶具有的長度(在ζ軸上)等於或大於其監測的頻率的1/8 波長。也就是說，平行的第一和第二線性走線線(linear trace line)中的每一個最少為 1/8波長。典型地，大約為2.4至2.5GHz(國際可自由使用的ISM帶寬)。有限接地微帶能 夠有效地從RFIC向天線100的兩個輻射臂109、115傳輸能量。如果需要，每個輻射臂的有效長度可以根據本領域技術人員公知的最佳匹配原理 通過運行矢量網絡分析儀來調節。第一線性走線111的寬度，即信號走線的延長方向的橫 向，窄於第二線性走線117的相應寬度。優選地，第二線性走線117的寬度為第一線性走線 111的寬度的2至5倍之間。更優選地，第二線性走線117的寬度為第一線性走線111的寬 度的3至4倍。另一方面，第二線性走線117是細長條的導電材料，它窄於RF接地元件113。第二線性走線117的較窄的寬度減少了地面對輻射臂105、115的影響，即，第二線性走線117的 較小區域中的地面效應沒有那麼明顯。這使得第二線性走線117中的地面效應不會干擾或 吸收來自輻射臂的信號輻射。此外，RF接地元件113距離輻射臂109、115 —定距離，被第二線性走線117的長 度分隔。因此，顯著地防止了 RF接地元件幹擾或吸收來自輻射臂109、115的輻射。信號走線的寬度的設計原則與本領域技術人員公知的50Ω微帶的設計原則相 同，在此不需要詳細討論。圖1至圖3示出的天線100是由限定三維空間的三個軸，即軸χ、y、ζ疊加的。ζ 軸延伸的方向與第一線性走線111從RFic延伸的方向相同，還與第二線性走線117從地面 延伸的方向相同。通常，當在無線手持設備中實施天線100時，ζ軸對準設備的指向。因此，輻射臂和有限接地微帶一起使得天線成為「獨立」天線，即RF接地元件113 對天線的輻射效率產生很小的影響或沒有影響。因為RF接地元件113不影響天線輻射，所 以RF接地元件113不會像在非獨立天線中(其中RF接地元件113影響輻射效率)那樣嚴 重地影響輻射效率。因此，用戶的手遮住手持設備中的RF接地元件113不太可能影響輻射 效率。優選地，整個有限接地微帶的長度大於預定頻率的1/8波長。該最小長度為輻射 臂109、115與RFIC下方的RF接地元件113之間提供了充足的距離。這為偶極天線提供了 良好的輻射效率。此外，輻射臂109、115可以設計為摺疊、直線或曲線的形式。由於RF接地元件113 遠離輻射臂，因此為將輻射臂設計為彎曲、摺疊或曲線的形式提供了餘地，而輻射臂的任何 部分不需要被設計為距RF接地元件113太近以致產生信號幹擾。因此，兩個輻射臂109、 115可以被彎曲以安裝在寬度小於1/2波長的空間，同時將輻射臂的實際長度保持為1/2波 長。這允許天線安裝在小型手持設備中。反過來，小尺寸的天線提供在PCB上印刷天線只 需在製作PCB其他部分所需的成本上增加少量製作成本的優點。在本實施例的一個變形中，RF接地元件113的寬度減少至等於或小於所監測波長 的1/4。對圖1所示的天線100的改進參照圖6，其中地面119被調節為1/4波長。在這個 寬度，RF接地元件113對天線100的輻射圖的影響甚至更小，輻射圖自然是全方位的。圖5 示出輻射圖，表示輻射在所有方向上通常均勻分布。圖5的上部分示出當從χ方向觀察時， 天線100在垂直方向上呈稍微細長的輻射分布。然而，底部圖示出當從y方向觀察時輻射 的均勻的全方位分布。雖然如前所述，RF接地元件113對輻射效率的影響很小，但RF接地元件113的形 狀可以用於在一些小範圍內改進輻射圖。因此，在該實施例的進一步變化中，RF接地元件 113的寬度設置為大約1/2波長。有益的是，在這個寬度，RF接地元件113還作為溫和的信 號反射器。因此，輻射圖將稍稍是定向的，朝向由ζ軸指出的方向，且具有朝向前方的強增 益。因此，以天線100實施的無線手持設備中天線的ζ軸指向設備的「前方」，所述無線手 持設備將具有朝向無線手持設備所指的方向的較強增益。這個特徵在例如遠程控制器的設 備中是有用的，其中優選地，在設備所指方向上有輕微的較強增益。圖4示出輕微定向輻射 圖。圖7示出實施例的另一種變換，其中RF接地元件113具有1/2波長的寬度，但是
6與第二微帶117連接的RF接地元件113的部分為錐形，在121處，角度小於100°。這樣的 錐形RF接地元件113去掉了圖1所示的RF接地元件113的轉角。這進一步減少了部分RF 接地元件113接近輻射臂109、115。得到的輻射圖與圖5中所示的小於1/4波長的RF接地 元件113相似。應該注意的是，在此實施例中，RF接地元件113的寬度表明如附圖標記119 所表示的RF接地元件113的一部分不是錐形的。如在之前的實施例中，第二線性走線117 的寬度窄於RF接地元件113的寬度，且第一線性走線111的寬度窄於第二線性走線117的 寬度。如上所述的實施例的變化，第二線性走線117的寬度在第一線性走線111的寬度的2 至5倍之間。更優選地，第二線性走線117的寬度為第一線性走線111的寬度的3至4倍。圖8示出實施例的另一種變化，其中第一和第二導電元件線性延伸區域的輻射 臂109、115沿相反方向延伸。在這種情況，PCB不得不適合相反延伸的輻射臂的整個長度 (entire breath)，並且空間效率小於之前的具有彎曲或摺疊輻射臂109、115的變化實施 例。圖9示出實施例的又一種變化，其中每個輻射臂109、115為平緩彎曲的形式。實際上，兩個輻射臂109、115可以符合不同產品及PCB的外觀。在實施例的又一變化中，有限接地微帶的信號走線沒有直接連接至RFIC，而是通 過匹配網絡(本領域技術人員公知如何使輸入阻抗更接近50 Ω )連接。圖6、圖7和圖9所 示的實施例示出了代替RFIC的匹配網絡的觸點121。有利地，與其他耦合技術相比，例如耦合供電及微帶平衡-不平衡轉換器供電，所 述有限接地微帶可以減少能量損耗。此外，有限接地微帶減少了複雜裝配程序(例如在需 要精密焊接的同軸電纜供電的其他傳輸線技術)所需的成本及需求。實驗顯示所描述的有限接地微帶能夠與傳統微帶同效地傳輸微波能量。因此，所述實施例包括偶極天線，其包括具有第一表面和第二表面的基底，所述 表面朝向相反方向；第一表面具有形成第一線性走線111的導電材料條，第一線性走線111 具有形成第一輻射臂109的彎曲，並且第一線性走線111從信號饋給端延伸；第二表面具有 形成第二線性走線117的導電材料條，第二線性走線117具有形成第二輻射臂115的彎曲， 並且第二線性走線117從RF接地元件113延伸；其中第二線性走線117的寬度窄於RF接 地元件113的寬度；從而RF接地元件113遠離第一和第二輻射臂109、115。本領域技術人員理解的是，實際上，RF接地元件113的最小尺寸由用於覆蓋PCB上 的全部RF相關元件的區域決定。而且，儘管已經描述了接地走線105的寬度取決於信號走 線103，但是信號走線103的寬度取決於PCB基底101的高度和用在信號走線103及接地走 線105之間的絕緣材料101。儘管上述說明描述了本發明的優選實施例100，但本領域技術人員應該理解的是 在不脫離本發明權利要求的範圍的情況下，可以對設計、構造或操作的細節作出許多變化 和改動。例如，儘管所描述的是將天線印刷在PCB上，本領域技術人員理解所公開的原則 不限於僅用於印刷天線。採用相同原則的其他形式的天線也是可行的，例如機械製造的非 小型天線或蝕刻在半導體集成電路中的天線。
權利要求
1.一種偶極天線，包括基底，其具有第一表面和第二表面，所述表面朝向相反方向； 所述第一表面具有形成第一線性走線的導電材料條；所述第一線性走線具有形成第一輻射臂的彎曲，並且所述第一線性走線從信號饋給端 延伸；所述第二表面具有形成第二線性走線的導電材料條；所述第二線性走線具有形成第二輻射臂的彎曲，並且所述第二線性走線從RF接地元 件延伸；其中所述第二線性走線的寬度為所述第一線性走線的寬度的2至5倍；以及 所述第二線性走線的寬度窄於所述RF接地元件的寬度；從而 所述RF接地元件遠離所述第一和第二輻射臂。
2.根據權利要求1所述的偶極天線，其中所述第一和第二線性走線的長度等於或大於預定頻率的1/8波長。
3.根據權利要求1所述的偶極天線，其中兩輻射臂的組合長度等於或小於預定頻率的1/2波長。
4.根據權利要求1至3中任意一項所述的偶極天線，其中 所述RF接地元件具有1/2波長的寬度；從而所述RF接地元件能夠反射來自所述天線的信號。
5.根據權利要求1至3中任意一項所述的偶極天線，其中 所述RF接地元件具有等於或小於1/4波長的寬度；從而 所述RF接地元件具有對輻射圖的形狀的減小的影響。
6.根據上述任意一項權利要求所述的偶極天線，其中 所述RF接地元件具有連接至第二線性走線的錐形部，從而 所述RF接地元件更遠離所述輻射臂。
全文摘要
本發明涉及一種印刷電路板偶極天線，其具有從有限接地微帶的信號走線和接地走線延伸出的兩個輻射臂。每個輻射臂的長度等於或小於所監測頻率的1/4波長。有限接地微帶的長度至少等於或大於所檢測頻率的1/8波長。有限接地微帶的接地走線的寬度為有限接地微帶的信號走線的寬度的2至5倍。該設計使得在RFIC下方的接地布局對天線的輻射效率產生的影響有限。
文檔編號H01Q1/27GK102142603SQ201010110678
公開日2011年8月3日 申請日期2010年1月29日 優先權日2010年1月29日
發明者容業晉, 鍾曉龍 申請人:奇勝澳大利亞有限公司