CN101142708B - 天线部件 - Google Patents

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Abstract

一种具有介电衬底和两个辐射天线单元的天线部件(200)。这些单元位于衬底的上表面上并且在它们之间存在狭窄的槽(260)。天线馈电导体(241)连接至第一天线单元(220)，其通过短路导体(261)也被连接到地。第二天线单元(230)是寄生的；它仅被电镀地连接到地。优选地，利用半导体技术，通过例如在石英衬底上生长金属层并去除其一部分以便保留天线单元，来制造该部件。在这种情况下，该部件进一步包括衬底芯片的支撑材料(212)。该天线部件是非常小尺寸的，这是由于使用的衬底的高介电性并且主要由于天线单元之间的槽是狭窄的。由该部件制成的天线的效率是高的。

Description

天线部件
技术领域
本发明涉及一种部件，其中介电衬底的导电涂层起天线的辐射器的作用。本发明也涉及一种由这种部件制成的天线。
背景技术
在比如移动电话的小尺寸无线电装置中，优选在装置的盖子内部布置一个天线或多个天线，并且自然地，本发明将把它们制作得尽可能地小。内部天线通常具有平面结构，从而使它包括辐射平面和在它之下的地平面。也存在单极天线的变形，其中地平面不低于辐射平面，而是在一侧较远。在这两种情况中，通过取代使它空气绝缘，在介电芯片的表面上制造辐射平面可以减小天线的尺寸。材料的介电常数越高，特定电尺寸的天线单元(antenna element)的物理尺寸就越小。天线部件变成被装配在电路板上的芯片。然而，天线的这种尺寸的减小必需损耗的增加，并因此效率变坏。
图1示出了依据本申请人已知的申请FI 20040892的天线部件和整个天线。天线部件100包括放大的和矩形的介电衬底110，以及它的表面上的两个天线单元。第一天线单元120包括部分覆盖衬底110的上表面的部分121和覆盖衬底的一个头的头部分122。第二天线单元130对称地包括部分覆盖衬底的上表面的部分131和覆盖相对头的头部分132。每一个头部分122和132在衬底的下表面的侧上稍微连续，因此形成用于它的连接的单元的接触表面。在这些单元之间的上表面的中部，保留有槽160，在该槽上这些单元具有彼此的电磁耦合。槽160从衬底的一个横向表面至另一个横向表面垂直地在横向方向上延伸。在无线电装置的电路板PCB上定位天线部件100，它的下表面与电路板相对。天线馈电导体140是电路板的上表面上的带状导体，并且与地平面或信号地GND，以及电路板材料一起，它形成具有一定阻抗的馈电线。馈电导体140电镀地耦合至在它的接触表面的某一点处的第一天线单元120。在该接触表面的另一点处，第一天线单元电镀地耦合至地平面GND。在衬底的相对端处，第二天线单元130在它的接触表面处电镀地耦合至接地导体150，其是较宽的地平面GND的延伸。
在操作频率下，两个天线单元和衬底一起，彼此和地平面形成四分之一波长的谐振器。按照上面所述的结构，谐振器的开放端彼此面对，被槽160分开，并且电磁耦合显然是电容性的。可以给槽的宽度d定尺寸使得最小化衬底的介电损耗。在这种情况下最佳宽度例如是1.2mm，并且例如适当的变化范围为0.8-2.0mm。当使用陶瓷衬底时，该结构提供相对小的尺寸。例如，在2.4GHz的频率范围中工作的蓝牙天线的部件的尺寸可以是2×2×7mm3。
通过定形地平面和选择天线单元之间的槽的宽度来调谐天线。槽的宽度d的减小降低了天线的固有频率。在天线部件100下面不存在地平面，并且在该部件的一侧，地平面在距它一定距离s处。该距离越长，固有频率越低。而又增加了槽的宽度d。接地导体150的宽度和长度直接影响第二单元的电长度，并因此影响整个天线的固有频率，为此，接地导体起天线的调谐元件的作用。距离s也对天线阻抗有影响，因此可以通过找到地平面距离天线部件的长侧的最佳距离来匹配天线。
发明内容
鉴于现有技术，本发明的目的是通过新和有利的方式实施天线部件。
依据本发明的天线部件特征在于第一和第二天线单元是衬底的上表面上的导电区域，所述馈电导体将第一天线单元从其馈电点连接至位于衬底之下的水平处的接触焊盘，第一天线单元的短路通过第一短路导体实施，其将第一天线单元从其短路点连接至位于衬底之下的水平处的第二接触焊盘，第二天线单元的短路通过第二短路导体实施，其将第二天线单元从其短路点连接至位于衬底之下的水平处的第三接触焊盘，所述第一天线单元的馈电点和短路点位于衬底的第一端处，所述第二天线单元的短路点位于衬底的第二端处，并且所述槽的宽度是至多0.5mm。
依据本发明的天线特征在于它包括至少一个天线部件，该部件设置在电路板上且其下表面与电路板相对，其中在该部件的一侧的法线方向上，地平面的边缘在距天线部件的单元一定距离(s)处，以便调谐天线和改进其匹配。
下面是本发明的基本构想：天线部件包括介电衬底和两个辐射天线单元。在衬底的上表面上定位这些单元，并且在它们之间存在狭窄的槽。天线馈电导体连接至第一天线单元，其通过短路导体也被连接到地。第二天线单元是寄生的；它仅被电镀地连接到地。优选地，利用半导体技术，通过例如在石英衬底上生长金属层并去除其一部分以便保留天线单元，来制造该部件。在这种情况下，该部件进一步包括衬底芯片的支撑材料。
本发明具有的优点是：根据本发明的天线部件是非常小尺寸的。这是由于天线单元之间的槽是狭窄的，以及被使用的衬底的高介电常数。此外，本发明具有的优点是：由根据本发明的部件制成的天线的效率是良好的，尽管介质衬底。本发明的进一步的优点是可以在没有分立部件的情况下仅通过定形天线部件附近的电路板的导体图案来实施天线的调谐和匹配。
附图说明
在下面，将更详细地描述本发明。参考附图，其中：
图1示出了现有技术天线部件和天线的例子；
图2示出了依据本发明的天线部件和天线的例子；
图3示出了依据本发明的天线部件的另一个例子；
图4a-c示出了定形依据本发明的天线部件中天线单元之间的槽的例子；
图4从相反侧示出了属于图2的天线的电路板的一部分；
图5示出了依据本发明的天线部件的第三例子；
图6示出了依据本发明的天线部件的应用；
图7示出了依据本发明的天线部件的第四例子；
图8示出了依据本发明的天线的匹配的例子；以及
图9示出了依据本发明的天线的效率的例子。
具体实施方式
已经结合现有技术的描述解释了图1。
图2示出了依据本发明的天线部件和整个天线的例子。在图中放大地看出无线电装置的电路板205的一部分和在它的表面上的天线部件200。天线部件200包括介电衬底211和在它的表面上的两个天线单元，其中一个已经被连接至天线馈电导体，并且另一个是电磁馈电的寄生元件，如同在图1中的天线部件100中。差别是现在完全在衬底的上表面上定位天线单元，其中也定位了它们的连接点。在图1的部件中，这些单元经由衬底的头表面延伸至下表面，其中也定位了它们的连接点。此外，在依据本发明的部件中，单元之间的槽260显著窄于在图1的部件中的，并且通常也显著窄于在下面对应的已知天线中的，使得这些单元之间的耦合更强烈。
在图2的例子中，衬底211是具有例如大约100μm的厚度的薄芯片。在这种情况下，它的材料是用于半导体技术中的一些基本材料，比如石英，砷化镓或硅。天线单元优选是金的，并且它们的厚度自然地甚至小得多，例如2μm。这些单元通过下述形成：例如通过溅射技术在衬底的表面上生长金属层，并且其中在预期通过用于半导体部件制造中的曝光和蚀刻技术形成的槽的位置处去除该层。这使得可以制备具有甚至10μm的宽度的槽。当利用半导体技术时，利用依据本发明的结构可以实现非常小的部件尺寸。在2GHz以上的操作频率下衬底芯片的面积例如是2.3mm2。量级为50μm或更小的槽宽度和介电衬底一起导致相比较于物理尺寸，天线单元的电尺寸是例如十倍。
衬底芯片需要机械支撑，为此，它附着于属于天线部件的介电支撑板212的上表面上。支撑板的材料比衬底的材料更坚固，并且它的厚度例如是0.3mm。支撑板也附着于电路板205。
天线单元在图2的例子中具有直角三角形的形状，从而使它们之间的槽260从接近衬底的一角对角地行进至接近相对的最远角。第一天线单元220是直接馈电的元件，并且第二天线单元230是寄生元件。借助馈电导体241从馈电点连接第一天线单元至支撑板212的上表面上的接触焊盘(contact pad)，该馈电点位于在衬底的第一端附近的单元侧的一端处。从接触焊盘，存在至电路板205的通孔242，该通孔的下端在电路板上连接至通向无线电装置的天线端口的带状导体243。然后由带状导体243，通孔242和馈电导体241构成示范性天线的整个馈电导体240。此外，借助短路导体261从短路点连接第一天线单元至支撑板212的上表面上的第二接触焊盘，该短路点位于在衬底的第一端附近的单元侧的另一个相对端处。从该接触焊盘，存在至电路板205上的信号地GND的通孔。借助第二251和第三252短路导体从短路点连接第二天线单元230至支撑板212的上表面上的第三和第四接触焊盘，所述短路点位于在衬底的第二端附近的单元侧的相对端处。从这些接触焊盘，存在至电路板205上的接地导体255的通孔。馈电导体241和所述三个短路导体属于天线部件200。它们最有利地是由金制成的导线，并且在其端处用结合接头(bonded joint)固定。
每一个天线单元和衬底，地以及其他元件一起形成四分之一波长谐振器。这些谐振器的固有频率彼此相同或接近，从而使该天线是单带天线。
接地导体255是较大信号地或地平面GND的延伸，并且通过合适地选择它的长度和宽度，它可以用于天线的调谐。通过定形地平面的其他部分也影响天线调谐。在天线部件200下不存在地平面，并且在部件的一侧，地平面在距天线单元一定距离s处。该距离越长，固有频率和天线操作带的位置越低。此外，可以通过没有地平面的区域来改进天线匹配。当在电路板的内部区域中放置天线部件时，从它的两侧去除地平面。
图3以纵向截面示出了依据本发明的天线部件的另一例子。该部件包括陶瓷衬底310，在其上表面上存在第一320和第二330天线单元。属于该部件的馈电导体341在该例子中是从第一天线单元延伸通过衬底至衬底的下表面上的接触焊盘345的导电通孔。该天线部件已经被装配于无线电装置的电路板305之上，在这种情况下，接触焊盘345与电路板上的反接触(counter contact)形成接触，并且通过该接触进一步连接至装置的天线端口。并且，第一天线单元的短路导体(该导体在图中不能看见)以及第二天线单元330的短路导体351由类似的通孔实施。第二天线单元也可以具有另一个短路导体。
图4a-c示出了定形依据本发明的天线部件中天线单元之间的槽的例子。从上面看到该天线部件，在三幅图的每一个中不具有可能的支撑板。从上面看，属于该部件的衬底是矩形的，因此具有平行的端和平行的较长侧。在图4a中，衬底410a的上表面上的天线单元之间的槽460a是直的，并且相对于它的端的方向在衬底的上表面上对角地行进。在图4b中，天线单元之间的槽460b具有转弯。这些转弯是矩形的，并且它们的数量是十，从而在第一天线单元420b中形成两个指状的条带421和422，其在属于第二天线单元430b的区域之间延伸。此外，在由天线单元形成的区域的外部边缘处形成第三类似的条带。对称地，在第二天线单元中形成两个指状的条带431和432，其在属于第一天线单元的区域之间延伸。此外，在由天线单元形成的区域的另一个外部边缘处形成第三类似的条带。在图4c中，天线单元之间的槽460c是直的，并且在其端的方向上，在衬底的上表面上交叉行进。此外，在图4c的例子中，天线单元具有不同的尺寸；第一单元420c小于第二单元430c。
在图4b中，天线单元之间的槽显著地较长，并且也比图4a和4c中的狭窄。为此，对应于图4b的天线的操作带位于比对应于图4a并且尤其是对应于图4c的天线的操作带明显低的范围中。通过例如再次定形天线单元，使得诸如槽460a的对角槽被诸如槽460b的迂回槽所替代，其同时有些更狭窄，可以将天线操作带例如从1.8GHz的范围移动至900MHz的范围，而不另外改变结构。天线单元之间的槽中的转弯的数量自然可以改变，由转弯形成的条带的长度也可以。
图5示出了从上面看的依据本发明的天线部件的第三例子。在衬底510的上表面上，除了天线单元520和530之外，现在还存在天线滤波器570和无线电接收器的低噪声前置放大器580(LAN)。滤波器570例如是FBAR类型的(膜体共鸣器(Film Bulk AcousticResonator))。在衬底的表面上已经以与天线单元相同的工艺制作了滤波器和放大器，以及放大器匹配需要的电感和电容部分。在图5的例子中，天线单元，滤波器和放大器首先被分开地处理，并且然后通过布线彼此连接。连接布线也可以被在衬底的表面上处理的导体所替代。因为所讨论的部件是接收器的一部分，因此连接第一天线单元520至滤波器输入的导体541现在当然不是天线的馈电导体，而是接收导体。在本说明书和权利要求中，为了简单起见，术语“馈电导体”也覆盖这种接收导体。自然地，同一导体常常既用于发射也用于接收。
除了节省空间之外，上面所述的集成结构具有的优点是：在接收器的天线端不需要利用标准的阻抗级，比如50Ω，但是可以依据最佳性能选择阻抗级。
图6示出了依据本发明的天线部件的应用。在电路板的方向上，其中天线部件601已被放置至无线电装置电路板605的一个长侧的中部。天线部件现在被设计成当它被馈电时，在地平面GND中激励振荡，该振荡的频率和馈电信号的频率相同。在那种情况下，地平面也起有用的辐射器的作用。天线部件周围的特定区域RA以有效的程度辐射。该天线结构也可以包括几个天线部件，如在图中以虚线描绘的部件602。
图7以纵向截面示出了依据本发明的天线部件的第四例子。天线部件700现在包括塑料保护部分790，在其块(mass)内，整个地定位具有天线单元的衬底710。同时，该保护部分支撑衬底。在保护和支撑部分790的下表面上，存在起接触作用的足够数量的连接焊盘，比如连接焊盘745，在该部件中，天线单元的耦合导体741被连接至该连接焊盘。
图8示出了依据本发明的天线的匹配的两个例子。它示出了作为频率的函数的反射系数S11的曲线。从通过依据图4a的部件制成的天线已经测量该曲线81，衬底的尺寸是1.22·2.5mm2，并且槽宽度是80μm。衬底是砷化镓。天线的操作带位于蓝牙(Bluetooh)系统的范围中。如果使用用于边界频率的标准，反射系数的值是-6dB，则带宽变成大约100MHz。在操作带的中心，反射系数是-7.4dB。从通过依据图4b的部件制成的天线已经测量曲线82，衬底类似于之前的。如果使用用于边界频率的标准，反射系数的值是-6dB，则天线的中心频率是大约3.44GHz，并且带宽是大约440MHz。在操作带的中心，反射系数是-26dB。
图9示出了依据本发明的天线的效率的两个例子。由与图8中的反射系数曲线81相同的天线测量了效率曲线91，并且由与反射系数曲线82相同的天线测量了效率曲线92。在天线的操作带中，效率是大约0.5或更好一点。考虑到其是利用介电衬底的天线的情况，该效率是相当高的。
在本说明书和权利要求中，限定词“下”，“上”和“从上面”指的是在图2和3中示出的天线部件的位置。天线的使用位置自然可以是任意的。
在上面已经描述了依据本发明的天线部件和天线。它们的结构部分自然可以不同于以它们的细节给出的那些。例如，天线单元的形状可以大大改变。它们可以以不同的方式对称，或以除在图4c中给出的以外的另一种方式不对称。在由独立权利要求1设定的范围内，可以以不同的方式应用本发明的构想。

Claims (17)

1.一种用于实施无线电装置的天线的天线部件(200)，该部件包括具有第一和第二端以及第一和第二侧的介电衬底(211)和在衬底表面上的第一和第二天线单元，该第一天线单元(220)由馈电导体馈电并且是短路的，以及该第二天线单元(230)是被短路的寄生元件，在单元之间的槽上电磁地获得其馈电，其特征在于：第一和第二天线单元是衬底的上表面上的导电区域，所述馈电导体(241)将第一天线单元(220)从其馈电点连接至位于衬底(211)之下的水平处的接触焊盘，第一天线单元的短路通过第一短路导体(261)实施，其将第一天线单元从其短路点连接至位于衬底之下的水平处的第二接触焊盘，第二天线单元(230)的短路通过第二短路导体(251)实施，其将第二天线单元从其短路点连接至位于衬底之下的水平处的第三接触焊盘，所述第一天线单元的馈电点和短路点位于衬底的第一端处，所述第二天线单元的短路点位于衬底的第二端处，并且所述槽的宽度是至多0.5mm。
2.依据权利要求1的天线部件，其特征在于：它进一步包括介电支撑板(212)，在其上表面上附着具有所述天线单元的所述衬底(211)，并且定位所述接触焊盘。
3.依据权利要求2的天线部件，其特征在于：所述馈电和短路导体是被结合接头固定的导线。
4.依据权利要求3的天线部件，其特征在于：衬底是用于半导体技术中的基本材料，并且天线单元和它们之间的槽通过半导体技术形成。
5.依据权利要求4的天线部件，其特征在于：所述基本材料是石英，砷化镓或硅。
6.依据权利要求1的天线部件，其特征在于：所述馈电和短路导体(341，351)是衬底(310)的导电通孔，所述接触焊盘(345)位于衬底的下表面上，并且在部件的装配之后，与电路板上的反接触形成接触。
7.依据权利要求6的天线部件，其特征在于：介电衬底是陶瓷材料。
8.依据权利要求1的天线部件，其特征在于：它进一步包括第三短路导体(252)，其将第二天线单元(230)从其第二短路点连接至位于衬底之下的水平处的第四接触焊盘。
9.依据权利要求1的天线部件，其特征在于：它(700)进一步包括塑料保护和支撑部分(790)，在其块内整个地定位衬底(710)和天线单元，并且所述接触焊盘(745)位于该保护和支撑部分的下表面上。
10.依据权利要求1的天线部件，其特征在于：所述槽(460c)是直的，并且在其端的方向上，在衬底的上表面上交叉行进。
11.依据权利要求1的天线部件，其特征在于：所述槽(260；460a)是直的，并且相对于其端的方向在衬底的上表面上对角地行进。
12.依据权利要求1的天线部件，其特征在于：所述槽(460b)具有至少两个转弯。
13.依据权利要求12的天线部件，其特征在于：槽的转弯在一个天线单元中形成至少一个指状的延伸(421，422；431，432)，其在属于相对的天线单元的区域之间延伸。
14.依据权利要求1的天线部件，其特征在于：所述天线单元(420c，430c)在形状上是不对称的。
15.一种无线电装置的天线，该无线电装置包括电路板(205)，其导电涂层起无线电装置的地平面(GND)的作用，其特征在于：它包括依据权利要求1的至少一个天线部件(200；601，602)，该部件设置在电路板上且其下表面与电路板相对，其中在该部件的一侧的法线方向上，地平面的边缘在距天线部件的单元一定距离(s)处，以便调谐天线和改进其匹配。
16.依据权利要求15的天线，其特征在于：通过接地导体(255)，第二天线单元连接至地平面，该接地导体同时是天线的调谐元件。
17.依据权利要求15的天线，其特征在于：天线部件(601)被布置成在地平面(GND)中以馈电频率激励振荡，以便利用地平面的辐射。
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