CN1989652A - 天线部件 - Google Patents
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Abstract
一种天线部件(201)具有电介质基质和位于基质表面上的两个辐射天线元件(220；230)。所述辐射天线元件分别覆盖相对的顶端之一和芯片的部分上表面。在元件之间的上表面的中间留有狭窄的缝隙(260)。天线元件之一的下部边缘(222)电耦合到电路板上的天线馈电导体(240)，并在另一点耦合到接地平面(GND)，而相对的天线元件或寄生元件的下部边缘(232)只电耦合到接地平面。寄生元件(230)通过经由所述缝隙的电磁耦合获得馈电，并且两个元件在工作频率下以同等强度谐振。该部件优选地通过半导体技术、通过在例如石英基质的表面上生长金属层，并去除其一部分以保留元件来制造。由于使用的基质的介电性高以及天线元件之间的缝隙狭窄，所以天线部件具有非常小的尺寸。由于基质中的简单的场像，基质的损耗比较低。
Description
本发明涉及一种部件，其中电介质基质的导电覆层作为天线的辐射体。本发明还涉及由这种部件制造的天线。
在小型无线电设备(如移动电话)中，天线或多个天线优选地被设置在设备的壳内，当然本发明的目的是使其尽可能小。内部天线通常具有平面结构，使得所述内部天线包括辐射平面和位于它下面的接地平面。还存在一种单极天线的变型，其中接地平面不是位于辐射平面的下面，而是在侧面。在这两种情况下，通过将辐射平面制作在电介质芯片的表面上而不是使其空气绝缘，可以缩小天线的尺寸。材料的介电性越高，一定电尺寸的天线元件的物理尺寸越小。天线部件成为被安装在电路板上的芯片。然而，天线尺寸的这种缩减招致损耗增大，并从而使效率变差。
图1示出了由出版物EP1162688和US6323811公知的一种天线部件，其中部件在电介质基质110的上表面上具有两个并排的辐射元件。第一元件120通过馈电导体141连接到馈源，第二元件130为寄生元件，通过接地导体143连接到地。元件的谐振频率可以被设置得稍微不同，以便加宽频带。馈电导体和接地导体位于电介质基质的侧表面。在同一侧表面上，有从馈电导体141分支出的匹配导体142，该匹配导体在一末端连接到地。匹配导体延伸如此靠近寄生元件的接地导体143，以致在它们之间存在显著的耦合。通过该耦合对寄生元件130进行电磁馈电。馈电导体、匹配导体和寄生元件的接地导体一起构成馈电电路；于是通过使馈电电路的条状导体成形，可以得到天线的最佳匹配和增益。在辐射元件之间，有以斜对方式横跨基质的上表面的缝隙150，并且在元件的开放端、即从馈电侧看在相对端，具有到达基质侧表面的延伸。通过这种设计，以及通过馈电电路的结构，目的在于使元件的电流互相垂直，使得元件的谐振不会彼此削弱。
上述天线结构的一个缺点是，尽管优化了馈电电路，但是在电介质基质中产生了增加损耗且对辐射无用的波形。因此天线的效率不令人满意。另外，在公开的结构的情况下，以移动电台频率不能获得长度小于1cm的很小尺寸的天线部件。如果需要相对均匀的辐射图或全向辐射，则天线还留有改进的空间。
本发明的目的是减少现有技术中的上述缺点。根据本发明的天线部件的特征如独立权利要求1所述。根据本发明的天线的特征如独立权利要求12所述。本发明的一些优选实施例描述在其它权利要求中。
本发明的基本构思如下：在电介质基质芯片的表面上有两个辐射天线元件。所述辐射天线元件分别覆盖相对的顶端(head)中的一个以及芯片的部分上表面。在上表面的中部在元件之间留有狭窄的缝隙。天线元件之一的下部边缘电耦合到电路板上的天线馈电导体，并在另一点处耦合到接地平面，而相对的天线元件或寄生元件的下部边缘只电耦合到接地平面。寄生元件通过经由所述缝隙的电磁耦合获得它的馈电，并且两个元件在工作频率下同等强度地谐振。优选通过半导体技术制造通过以下方式制造，即在例如石英基质的表面上生长金属层，并去除其一部分以便保留元件。
本发明具有的优点是：根据本发明的天线部件尺寸非常小。这是由于要使用的基质的介电性高，以及天线元件之间的缝隙狭窄。后一事实也使元件的电尺寸更大。另外，本发明具有的优点是：不管电介质基质，由根据本发明的部件所制造的天线的效率良好。这是由于天线的结构简单，这在天线元件中产生不复杂的电流分布，并相应地在基质中产生简单的场像，而没有“多余”的波形。此外，本发明具有的优点是所讨论的天线的全向辐射是极好的，这是由于对称结构、接地平面的成形以及元件之间耦合的本质。本发明的另一优点是根据本发明的天线的调谐和匹配都可以在没有分立元件的情况下仅通过成形天线部件附件的电路板的导体图案(conductor pattern)来实现。
下面，将更详细地描述本发明。将参考附图，其中
图1示出现有技术天线部件的一个实例，
图2示出根据本发明的天线部件和天线的实例，
图3a-d示出根据本发明的天线部件中在天线元件之间的缝隙成形的实例，
图4示出从背面看的属于图2的天线的部分电路板，
图5a，b示出根据本发明的天线部件的实例，
图6示出根据本发明的天线部件的应用，
图7示出根据本发明的置于移动电话中的天线的方向特性的实例，
图8示出根据本发明的天线匹配的实例，
图9示出天线元件之间的缝隙形状对天线工作频带位置的影响的实例，以及
图10示出根据本发明的天线效率的实例。
图1已经结合现有技术的描述得以解释。
图2示出根据本发明的天线部件和整个天线的实例。天线部件201包括电介质基质和在其表面上的两个天线元件，所述两个天线中的一个已经被连接到天线的馈电导体上，另一个为电磁馈电的寄生元件，与图1所示的已知天线类似。然而，在所述天线部件之间存在若干结构上和功能上的差别。在根据本发明的天线部件中，尤其是分隔天线元件的缝隙位于元件的开放端之间，而不存在于侧边之间，并且寄生元件通过主要经由缝隙的耦合获得馈电，而不是通过馈电导体和寄生元件的接地导体之间的耦合。天线部件201的第一天线元件220包括部分覆盖细长的矩形基质210的上表面的部分221和覆盖基质一个顶端的顶端部分222。第二寄生元件包括以对称方式覆盖部分基质上表面的部分231和覆盖相对顶端的顶端部分232。每个顶端部分222和232在基质的下表面的侧都稍微延伸，从而形成元件的接触表面用于其连接。在元件之间的上表面的中间留有缝隙260，通过该缝隙，元件彼此进行电磁耦合。在本例中，缝隙260沿基质的横向从基质的一个侧表面垂直地延伸到另一侧表面。
在图2中，天线部件201位于电路板PCB的边缘并且其下表面正对着电路板。天线馈电导体240是电路板上表面的条状导体，并与接地平面或信号地GND以及电路板材料一起构成具有某一阻抗的馈电线。馈电导体240在其接触表面的某点处电耦合到第一天线元件220。在接触表面的另一点处，第一天线元件电耦合到接地平面GND。在基质的相对端，第二天线元件230在其接触表面处电耦合到接地导体250，该接地导体是宽接地平面GND的延伸。接地导体250的宽度和长度直接影响第二元件的电长度，并从而影响整个天线的固有频率。为此，接地导体可以被用作天线的调谐元件。
天线的调谐也受接地平面的其它部分的成形和天线元件之间的缝隙260的宽度d的影响。在天线部件201的下面没有接地平面，并且在部件的侧面，接地平面与其间隔一定的距离s。距离越大，固有频率越低。减小缝隙宽度d也会降低天线的固有频率。另外，距离s对天线的阻抗也有影响。因此，可以通过找到接地平面与天线部件的长侧面的最佳距离匹配天线。此外，从天线部件的该侧面去除接地平面来改善了天线的辐射特性，例如它的全向辐射。当天线部件位于电路板的内部区域时，从其两侧去除接地平面。
在工作频率下，两个天线元件与基质一起，彼此和接地平面构成四分之一波谐振器。由于上述结构，谐振器的开放端彼此面对，由缝隙260分隔，并且所述电磁耦合显然是电容性的。如此确定缝隙宽度d的尺寸，以致使基质的介电损耗最小。最佳宽度于是例如为1.2mm以及适当的偏差范围例如为0.8-2.0mm。当使用陶瓷基质时，该结构具有非常小的尺寸。例如，工作在频率范围2.4GHz的蓝牙(Bluetooth)天线的天线部件的尺寸例如为2×2×7mm3，以频率1575MHz工作的GPS(全球定位系统)天线的天线部件的尺寸为2×3×10mm3。另一方面，可以使缝隙宽度非常小以进一步缩小部件。当缝隙变得更窄时，元件之间的耦合当然加强，该加强增加它们的电长度并从而降低了天线的固有频率。这意味着在一定频率范围内起作用的部件必定比宽缝除情况下被制做得更小。
图3a-d示出根据本发明的天线部件中在天线元件之间的缝隙成形的实例。在四个图的每一个中从上观察天线部件。在图3a中，天线部件301的天线元件之间的缝隙361从部件的第一侧向第二侧以斜对方式跨过部件的上表面。在图3b中，天线部件302的天线元件之间的缝隙362也以斜对方式跨过天线部件的上表面。缝隙362比缝隙361斜得多并从而比缝隙361长，从部件的上表面的一角延伸至相对的最远的角。另外，缝隙362比缝隙361更窄。如前所述，两个因素都存在影响，从而与部件302对应的工作频带低于与部件301对应的工作频带。
在图3c中，天线部件303的天线元件之间的缝隙363现在具有转弯。转弯为矩形的并且其数目为六，使得在第一天线元件中形成钩状条(finger-likestrip)325，在属于第二天线元件的区域之间延伸。对称地，在第二天线元件中形成钩状条335，在属于第一天线元件的区域之间延伸。在图3d中，天线部件304的天线元件之间的缝隙364也具有转弯。转弯的次数多于在缝隙363的情况下，从而在第一天线元件中形成两个钩状条326和327，在属于第二天线元件的区域之间延伸。在这些条之间有一个钩状条336，是第二天线元件的延伸。除了数量更多之外，部件304的元件中的这些条也长于部件303的元件中的条，并且此外缝隙364比缝隙363更窄。由于这些原因，与部件304对应的工作频带显然低于与部件303对应的工作频带。
当希望天线元件之间非常窄的缝隙时，可以采用半导体技术。在这种情况下，选择在半导体器件制造过程中所产生的晶片的某基本材料作为基质，例如石英、砷化镓或硅。例如通过溅射技术在基质的表面上生长金属层，并通过在半导体器件制造中所采用的曝光和蚀刻技术尤其在预定的缝隙的地方处去除层。举例来说，这能够形成具有50μm宽度的缝隙。
图4示出从下面看的属于图2的天线的电路板的一部分。在图中已经用虚线标出了位于电路板PCB的另一侧的天线部件201。类似地用虚线标出馈电导体240、接地导体250以及接地条251，所述接地条在天线部件下面延伸至在馈电导体侧的末端处的其接触表面。电路板的下表面的大部分属于接地平面GND。在区域A中接地平面从板的一角缺少，所述区域A包括天线部件的地方和延伸到距天线部件一定距离s的区域，具有与天线部件的长度相同的宽度。
图5a示出根据本发明的天线部件的实例。部件501大体上与图2所示的部件201相似。不同在于，现在天线元件在部件的末端处延伸至基质510的侧表面，并且基质的顶端大部分没有被覆盖。因此第一天线元件520包括部分覆盖基质上表面的部分521、位于基质的一角的部分522以及位于同一末端的另一角的部分523。处于角中的部分522和523部分地位于基质的侧表面一侧，部分地位于顶端表面一侧。它们少许延伸至基质的下表面，从而形成元件的接触表面用于其连接。第二天线元件530与第一天线元件类似，并相对于其对称。天线元件的位于角中的部分当然也可以仅限于基质的侧表面或仅限于侧表面之一。在后一种情况中，沿侧表面走向的导体覆层在部件的任一末端处在所述部件下面延伸顶端的整个长度。
在图5b中，从下面观看图5a所示的天线部件501。在图中可看到基质510的下表面和在其角中用作所述接触表面的导体焊盘。位于基质第一末端的导体焊盘之一要被连接到天线的天线馈电导体，另一个被连接到接地平面GND。位于基质第二末端的两个导体焊盘要被连接到接地平面。
图6示出根据本发明的天线部件的应用。在图中，细长的天线部件601已沿电路板的方向已被放置在无线设备电路板PCB的一个长侧的中间。现在如此设计该天线部件，使得其被馈电时在接地平面GND中激发振荡，振荡的频率与馈电信号的频率相同。在这种情况下，接地平面也用作有用的辐射体。围绕天线部件的确定的区域RA在有效的程度上辐射。天线结构还可以包括若干个天线部件，例如在图中用虚线画出的部件602。
图7示出根据本发明的位于移动电话中的天线的方向特性的实例。该天线已被设计用于蓝牙系统。在图中有三个方向性图。当X轴为芯片部件的纵向，Y轴为芯片部件的垂直方向，以及Z轴为芯片部件的横向时，方向性图71表示在平面XZ的天线增益，方向性图72表示在平面YZ的天线增益以及方向性图73表示在平面XY的天线增益。从方向性图可以看出，天线在所有平面上和在所有方向上发射和接收良好。特别是在平面XY上，方向性图是平滑的。其它两个在大约45度宽的扇区内只具有大约10dB的凹入。典型在方向性图中的完全“暗”的扇区根本不存在。
图8示出根据本发明的天线的匹配的实例。根据频率提供反射系数S11的曲线。该曲线从与图7所示的方向性图相同的蓝牙天线测量得到。如果反射系数的值-6dB被用作截止频率的标准，则带宽大约为50MHz，其作为相对值大约为2％。在工作频带的中心中、即频率2440MHz处，反射系数为-17dB，这表示匹配良好。Smith(史密斯)图说明在频带中心中天线的阻抗为纯电阻性的，低于中心频率为弱电感性，以及高于中心频率相应地为弱电容性。
图9示出天线元件之间缝隙的形状对天线工作频带位置的影响的实例。曲线91根据包括天线元件的天线的频率示出反射系数的波动，天线部件的尺寸是10×3×4mm3并具有位于天线元件之间的垂直缝隙。天线的谐振频率落在1725MHz这一点上，所述谐振频率近似为工作频带的中心频率。曲线92示出当天线元件之间的缝隙如图3b所示斜对时反射系数的波动。在其它方面，该天线与前面的情况中的天线类似。此时天线的谐振频率落在1575MHz这一点上，从而工作频带与前面的情况中相比低150MHz。1575MHz的频率是GPS(全球定位系统)所使用的频率。使用斜对的缝隙，由所讨论的天线不能在实践中获得更低的频率。曲线93示出当天线元件之间的缝隙如图3d所示是弯曲的并且与前面两种情况中相比稍窄时反射系数的波动。在其它方面，天线类似。与在曲线91对应的情况中相比，此时天线工作频带几乎低了一半。谐振频率落在880MHz这一点上，这位于EGSM系统(扩展GSM)所使用的范围内。
在图9所示的三种情况下，在天线中使用相对介电常数εr的值为20的陶瓷。如果使用具有更高εr值的陶瓷，在不使天线更大的情况下也可以使具有斜的缝隙的天线的频带落在例如900MHz的范围内。然而，天线的电特性将较差。
图10示出根据本发明的天线的效率的实例。效率从与图7和8的方向性图相同的蓝牙天线测量得到。在天线工作频带的中心处，效率为大约0.44，并且当由频带中心向侧移动25MHz时，从所述大约0.44下降至大约0.3的值。对于使用电介质基质的天线而言，效率相当高。
在该说明书和权利要求书中，限定词“上”和“下”是指图2和5a中所示的天线的方位，并且它们与设备被使用的方位无关。
以上已经描述了根据本发明的天线部件和天线。其结构部分的形式当然可以不同于在其细节中所提供的那些形式。在独立权利要求1限定的范围内，本发明构思可以以不同的方式加以应用。
Claims (14)
1、一种用于实现无线电设备的天线的天线部件(201)，该部件包括第一和第二天线元件以及具有上和下表面、第一和第二顶端和第一和第二侧面的电介质基质(210)，其中第一天线元件(220)位于基质的表面上并被布置以在第一点处被连接到天线的馈电导体(240)、且在第二点处被连接到无线电设备的接地平面(GND)，第二天线元件(230)位于基质的表面上并被布置以在第三点处被连接到接地平面，其特征在于，为了降低天线损耗并改善全向辐射，第一天线元件(220)包括覆盖第一顶端的部分(222)和覆盖上表面的部分(221)，第二天线元件(230)包括覆盖第二顶端的部分(232)和覆盖上表面的部分(231)，使得在所述元件之间留有缝隙(260)，所述缝隙由第一侧面延伸到第二侧面，其中第二天线元件被布置以通过该缝隙获得电磁馈电，并且所述第一和第二点在基质的下表面上位于其第一顶端侧的末端处，所述第三点在基质的下表面上位于其第二顶端侧的末端处。
2、根据权利要求1的天线部件，其特征在于，第一和第二天线元件都在工作频率下与基质、相对的天线元件和接地平面一起构成四分之一波谐振器，该谐振器具有相同的固有频率。
3、根据权利要求1的天线部件，其特征在于，第一天线元件(520)还包括位于基质(510)的第一顶端的角中覆盖所述侧面的部分，第二天线元件(530)还包括位于基质的第二顶端的角中覆盖所述侧面的部分。
4、根据权利要求1的天线部件，其特征在于，所述缝隙(260)是直的并从部件的第一侧面垂直地跨过上表面行进到第二侧面。
5、根据权利要求1的天线部件，其特征在于，所述缝隙(361；362)是直的并从部件的第一侧面斜对地跨过上表面行进到第二侧面。
6、根据权利要求1的天线部件，其特征在于，所述缝隙(363；364)具有至少一个转弯。
7、根据权利要求6的天线部件，其特征在于，缝隙的转弯在一个天线元件中形成至少一个钩状延伸(325；335；326，327；336)，其在属于相对的天线元件的区域之间延伸。
8、根据权利要求1的天线部件，其特征在于，电介质基质是陶瓷材料的。
9、根据权利要求1的天线部件，其特征在于，电介质基质的材料是石英、砷化镓或者硅。
10、根据权利要求9的天线部件，其特征在于，天线元件和所述天线元件之间的缝隙是通过半导体技术形成的。
11、根据权利要求10的天线部件，其特征在于，所述缝隙的宽度最多为100μm。
12、无线电设备的天线，该无线电设备包括电路板(PCB)，其导体覆层用作无线电设备的接地平面(GND)，其特征在于，所述天线包括至少一个根据权利要求1的天线部件(201；601，602)，该部件位于电路板上，其下表面正对着电路板，其中接地平面的边缘沿部件侧面的法线方向与天线部件间隔一定距离(s)，以改善天线的匹配和全向辐射。
13、根据权利要求12的天线，其特征在于，第二天线元件通过接地导体(250)在第三点处连接到接地平面，同时接地导体是天线的调谐元件。
14、根据权利要求12的天线，其特征在于，天线部件(601)被布置用以在接地平面(GND)内以馈电频率激发振荡，以利用接地平面的辐射。
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