CN1993860B - 芯片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种天线，其中辐射器是电介质基板芯片(210)的导体涂层。存在两个辐射器(220，230)，并且它们尺寸相同且对称，从而每一个覆盖矩形基板芯片的相对头之一以及部分上表面。在元件之间的上表面的中间留有槽(260)，在其上这些元件具有相互的电磁耦合。芯片部件(201)安装于电路板(PCB)上，其导体图案是整个天线结构的一部分。在芯片的下方或在其侧上直到特定距离(s)不存在接地平面(GND)。一个辐射器(220)的下边缘电镀耦接至电路板上的天线馈电导体，并且在另一点至接地平面，而相对的、寄生辐射器(230)的下边缘仅电镀耦接至接地平面。寄生辐射器通过所述的电磁耦合获得其馈电，并且两个元件都在工作频率下同样强烈地谐振。天线可通过改变辐射元件之间的宽度(d)以及通过定形芯片部件附近的电路板的导体图案来被调谐和匹配而不需要分立部件。不管电介质基板，天线的效率是良好的，并且其全向辐射是极好的。

Description

芯片天线
技术领域
本发明涉及一种天线，其中辐射器是电介质芯片的导体涂层。该芯片将被安装在无线电设备的电路板上，该电路板是整个天线结构的一部分。
背景技术
在小尺寸的无线电设备比如移动电话中，一个或多个天线优选地位于设备的盖的内部，并且自然目的是使它们尽可能地小。内部天线通常具有平面结构，所以其包括辐射平面和位于其下面的接地平面。还有一种单极天线的变形，其中接地平面不是在辐射平面下面而是更远地在一侧上。在这两种情况下，通过将辐射平面制造在电介质芯片的表面上而不是使其成为空气绝缘的，能够使天线的尺寸减小。材料的介电性越高，特定电尺寸的天线元件的物理尺寸越小。天线部件成为安装在电路板上的芯片。然而，天线尺寸的这种减小造成了损耗的增加并且因此导致效率的退化。
图1示出了从公开物EP 1 162 688和US 6 323 811获知的芯片天线，在该天线中有两个辐射元件并排排列在电介质基板110的上表面上。第一元件120借助馈电导体141连接到馈电源，并且作为寄生元件的第二元件130借助接地导体143连接到地。这些元件的谐振频率可被设置成不同的以便加宽频带。馈电导体和接地导体是在电介质基板的横向表面上。在相同的横向表面上，存在从馈电导体141分支出来的匹配导体142，该匹配导体在一端连接到地。该匹配导体如此靠近寄生元件的接地导体143延伸以至于在它们之间存在明显的耦合。寄生元件130通过该耦合被电磁馈送。寄生元件的馈电导体、匹配导体和接地导体共同形成馈电电路；然后天线的最佳匹配和增益可通过定形馈电电路的条形导体来发现。在辐射元件之间，存在跨越基板的上表面对角地延伸的槽150，并且在元件的开口端，即在从馈电侧观察的相对端，存在到达基板的横向表面的延伸。借助这种设计，以及利用馈电电路的结构，目的是正交地设置元件的电流以便这些元件的谐振将不彼此减弱。
上述天线结构的缺陷是尽管最佳化了馈电电路，在电介质基板中仍产生增加损耗并且对于辐射来说无用的波形。因此天线的效率不令人满意。此外，如果需要相对均匀的辐射图案或全向辐射，则天线还留有改善的空间。
发明内容
本发明的目的是减小现有技术的上述缺陷。根据本发明的芯片天线的特征在于独立权利要求1中所述的。本发明的一些优选实施例在其它权利要求中被阐述。
本发明的基本思想如下所述：天线包括在电介质基板芯片的表面上的两个辐射元件。它们尺寸相同且对称，从而其每一个覆盖矩形芯片的相对头之一以及部分上表面。在元件之间的上表面的中间留有槽，在其上这些元件具有相互的电磁耦合。芯片部件安装在其上的电路板，在芯片的下方或在其侧上高达一定距离不具有接地平面。其中一个辐射元件的较低边缘电镀连接至电路板上的天线馈电导体，并且在另一点至接地平面，而相对辐射元件或寄生元件的较低边缘，仅电镀连接至接地平面。寄生元件通过所述的电磁耦合获得其馈电，并且两个元件都在工作频率下同样强烈地谐振。
本发明具有的优点在于根据其的天线的效率是良好的而不管电介质基板。这是因为天线的简单结构，其在辐射元件中产生不复杂的电流分布以及相应地在基板中产生简单的场图像，而没有“多余的”波形。此外，本发明具有的优点在于根据其的天线的全向辐射是极好的，这是因为其对称的结构，接地平面的成形和元件之间的耦合的性质。本发明的另一个优点是根据其的天线的调谐和匹配可通过改变辐射元件之间的槽的宽度以及通过以简单的方式定形芯片部件附近的电路板的导体图案来完成而不需要分立部件。本发明的另一个优点是根据其的天线非常小和简单并且容许相对高的场强。
附图说明
以下，本发明将被更加详细地说明。将参考附图，其中
图1描述了现有技术芯片天线的例子，
图2描述了根据本发明的芯片天线的例子，
图3从相反侧示出了属于图2的天线结构的电路板的一部分，
图4a，b描述了根据本发明的天线的芯片部件的另一个例子，
图5描述了具有根据图4a的芯片部件的整个天线，
图6a-d示出了根据本发明的天线中的辐射元件之间的槽的成形的例子，
图7示出了位于移动电话中的根据本发明的天线的方向特性的例子，
图8示出了根据本发明的天线的频带特性的例子，
图9示出了在辐射元件之间的槽的形状对天线工作频带的位置的影响的例子，以及
图10示出了根据本发明的天线的效率的例子。
具体实施方式
图1已经结合现有技术的描述进行了解释。
图2示出了根据本发明的芯片天线的例子。天线200包括电介质基板芯片和在其表面上的两个辐射元件，其中一个连接到天线的馈电导体，且另一个是电磁馈电寄生元件，类似在图1的已知天线中的。然而，在那些天线之间存在多个结构和功能的差异。在根据本发明的天线中，其中，分隔辐射元件的槽在元件的开口端之间且不在横向边缘之间，并且寄生元件通过在槽上占优势的耦合且不是通过寄生元件的接地导体和馈电导体之间的耦合来获得其馈电。天线200的第一辐射元件220包括部分地覆盖细长的、矩形基板210的上表面的部分221和覆盖基板的一头的头部分222。第二辐射元件对称地包括部分地覆盖基板的上表面的部分231和覆盖相对头的头部分232。每个头部分222和232在基板的下表面的一侧上略微连续，因此形成用于其连接的元件的接触表面。在元件之间的上表面的中间留有槽260，在其上这些元件具有相互的电磁耦合。在该例子中槽260沿基板的横断方向从基板的一个横向表面垂直地延伸到另一个。
芯片部件201或具有其辐射器的基板，在图2中是在电路板PCB上在其边缘上且其下表面与电路板相对。天线馈电导体240是在电路板的上表面上的条形导体，并且其连同接地平面或信号接地GND，和电路板材料一起形成了具有一定阻抗的馈电线。馈电导体240在其接触表面的特定点处电镀耦接到第一辐射元件220。在接触表面的另一个点处，第一辐射元件电镀耦接到接地平面GND。在基板的相对端，第二辐射元件230在其接触表面处电镀耦接到接地导体250，其是更宽的接地平面GND的延伸。接地导体250的宽度和长度对第二元件的电长度并由.此对整个天线的固有频率具有直接影响。因为这个原因，接地导体可被用作天线的调谐元件。
天线的调谐还受到接地平面的其它部分的成形、和辐射元件之间的槽260的宽度d的影响。在芯片部件201下面没有接地平面，并且在芯片部件的一侧接地平面与其相隔特定距离s。该距离越长，固有频率越低。而增加槽的宽度d增加了天线的固有频率。距离s也对其阻抗具有影响。因此天线可通过发现接地平面离芯片部件的长边的最佳距离来进行匹配。此外，从芯片部件的一侧去除接地平面改善了天线的辐射特性，比如其全向辐射。
在工作频率下，两个辐射元件连同基板，互相和接地平面形成了四分之一波长的谐振器。因为上述结构，谐振器的开口端互相面对，被槽260分开，并且所述电磁耦合显然是电容性的。槽的宽度d被定尺寸使得两个辐射器的谐振是强的并且基板的介电损耗被最小化。最佳宽度是例如1.2mm并且适当的变化范围例如是0.8-2.0mm。当使用陶瓷基板时，该结构提供很小的尺寸。例如在频率范围2.4GHz工作的蓝牙天线的芯片部件的尺寸是2×2×7mm3，并且例如在1575MHz的频率下工作的GPS(全球定位系统)天线的芯片部件的尺寸是2×3×10mm3。
图3示出了从下面观看的属于图2的天线结构的电路板的一部分。在电路板PCB的另一侧上的芯片部件201已经在该图中用虚线标记。类似地，用虚线标记馈电导体240，接地导体250和在馈电导体的一侧上在一端处在芯片部件之下延伸到其接触表面的接地条251。电路板的下表面的大部分属于接地平面GND。接地平面从在区域A中的板的一角缺失，其包括芯片部件的位置和从芯片部件延伸到特定距离s的区域，具有与芯片部件的长度相等的宽度。
图4a示出了根据本发明的天线的芯片部件的另一个例子。部件401大体上类似于在图2中呈现的部件201。区别是现在在部件的各端处辐射元件延伸到基板410的横向表面，并且基板的头很大程度上不被涂覆。因此第一辐射元件420包括部分地覆盖基板的上表面的部分421、在基板的一角内的部分422和在相同端的另一角内的部分423。在这些角内的部分422和423部分地在基板的横向表面的一侧上并且部分地在头表面的一侧上。它们略微持续到基板的下表面，因此形成用于其连接的元件的接触表面。第二辐射元件430类似于第一个并且相对于其对称地设置。位于角内的辐射元件的部分自然也可仅限于基板的横向表面或仅限于其中一个横向表面。在后者情况下，沿着横向表面延伸的导体涂层在其下面在部件的任一端延续该端的整个长度。
在图4b中，从下面观看图4a的芯片部件401。在图中看到的是基板410的下表面和在其角内用作所述接触表面的导体垫。在基板的第一端导体垫之一将要与天线馈电导体连接以及另一个与接地平面GND连接。在基板的第二端两个导体垫都将被连接到接地平面。
图5示出了根据图4a和4b的安装在电路板上的芯片部件从而形成整个天线400。仅仅可看到电路板的一小部分。在此芯片部件401不位于电路板的边缘处，并且因此在其两侧上直到特定距离s存在无接地(groundless)区域。天线馈电导体440在其下表面的一个角内与芯片部件相连接，并且对应于图4b接地平面延伸到其它角。
图6a-d示出了在根据本发明的天线中的辐射元件之间的槽的成形的例子。在图6a中，天线的芯片部件601是从上面观看的以及在图6b中芯片部件602是从上面观看的。在部件601中的槽661和在部件602中的槽662都跨越部件的上表面对角地从部件的第一侧行进到第二侧。但是槽662更加斜并且因此比槽661更长，从芯片部件的上表面的一角延伸到相对的、最远的角。此外，槽662比槽661更窄。前面提到加宽槽会增加天线的固有频率。反之亦然，使槽变窄会减小天线的固有频率，或者将天线工作频带向下移动。通过使其变斜来使槽变长会以同样的方式产生影响，甚至更有效。
在图6c中，天线的芯片部件603是从上面观看的以及在图6d中芯片部件604是从上面观看的。在部件603中的槽663和在部件604中的槽664在此具有转弯。槽663具有六个矩形转弯从而在第一辐射元件中形成指状的条625，该条在属于第二辐射元件的区域之间延伸。对称地，在第二辐射元件中形成指状的条635，该条在属于第一辐射元件的区域之间延伸。在属于部件604的槽664中的转弯的数量更大从而在第一辐射元件中形成两个指状的条626和627，这些条在属于第二辐射元件的区域之间延伸。在这些条之间存在指状的条636作为第二辐射元件的突出。在部件604中的条，除了数量更多之外，也比部件603中的条更长，并且此外槽664比槽663更窄。因为这些原因，对应于部件604的天线的工作频带明显低于对应于部件603的天线的工作频带。
图7描述了根据本发明的位于移动电话中的天线的方向特性的例子。该天线被定尺寸用于蓝牙系统。在图中有三个方向图案。当X轴是芯片部件的纵向方向，Y轴是芯片部件的垂直方向以及Z轴是芯片部件的横向方向时，方向图案71表示在平面XZ上的天线增益，方向图案72表示在平面YZ上的天线增益以及方向图案73表示在平面XY上的天线增益。从图案可以看出，天线在所有平面上并且沿所有方向都发射和接收良好。特别在平面XY上，图案是均匀的。其它两个仅在大约45度宽的扇区中具有10dB的凹进。典型的在方向图案中的完全“暗的”扇区根本不存在。
图8描述了根据本发明的天线的频带特性的例子。其描述了反射系数S11作为频率的函数的曲线。该曲线是从与图6的图案相同的蓝牙天线测量的。如果使用截止频率准则，反射系数的值是-6dB，则带宽变成大约50MHz，作为相对值其是大约2％。在工作频带的中心，在2440MHz的频率下，反射系数是-17dB，其指示良好的匹配。Smith图表明在频带的中心天线的阻抗是纯电阻性的，相应地，在中心频率以下是略微电感性的，并且在中心频率以上是略微电容性的。
图9描述了在辐射元件之间的槽的形状对天线工作频带的位置的影响的例子。曲线91示出了在天线中反射系数S11作为频率的函数的波动，其芯片部件的尺寸是10×3×4mm3，并且辐射元件之间的槽是垂直的。与工作频带的中间频率大约相同的天线的谐振频率，落在点1725MHz上。曲线92示出了当辐射元件之间的槽是根据图6b的对角的时反射系数的波动。在其它方面中，天线类似于前面的情况。在此天线的谐振频率落在点1575MHz上，因此工作频带位于低于前面情况的150MHz。频率1575MHz被GPS(全球定位系统)使用。实际上通过使用对角线槽可以在所讨论的天线中达到并不比其低那么多的频率。曲线93示出了当辐射元件之间的槽具有根据图6d的转弯并且比前两种情况稍微更窄时反射系数的波动。在其它方面中，天线是类似的。在此天线的工作频带与对应于曲线91的情况相比降低了几乎一半。谐振频率落在点880MHz上，其位于由EGSM系统(扩展GSM)使用的范围中。
具有相对介电系数εr的值20的陶瓷被用于图9的三种情况中的天线。使用具有较高εr值的陶瓷，配备有对角线槽的天线的频带也被置于例如900MHz的范围内而不会使天线更大。然而，天线的电特性将更差。
图10示出了根据本发明的天线的效率的例子。该效率是从与图7和8的图案相同的蓝牙天线测量的。在天线的工作频带的中心，效率是大约0.44，并且当从频带的中心移动25MHz到一侧时从该值降低到大约0.3的值。该效率对于使用电介质基板的天线来说是相当高的。
在本说明书和权利要求中，“芯片天线”表示天线结构，除了实际的芯片部件本身外其还包括围绕其的接地配置和天线馈电配置。本说明书和权利要求中的限定词“上”和“下”表示图2和4a中示出的天线的位置，并且它们与其中使用设备的位置无关。
上面已经描述了根据本发明的芯片天线。其结构部分的形式自然可以不同于在其细节中呈现的那些。在由独立权利要求1设置的范围内本发明的思想可以以不同的方式来应用。

Claims (14)

1. 一种无线电设备的芯片天线，该天线包括具有上和下表面、第一和第二头以及第一和第二侧的电介质基板(210；410)，以及在基板的表面上的第一和第二辐射元件，在这些元件之间存在槽(260)，该第一辐射元件(220；440)在第一点与天线的馈电导体(240；440)连接并且在第二点与无线电设备的接地平面(GND)相连接，以及第二辐射元件(230；430)在第三点与接地导体(250)连接并且通过它电镀连接到接地平面，其特征在于为了减小天线损耗并且改善全向辐射，第一辐射元件包括覆盖第一头的部分(222)和覆盖上表面的另一部分(221)，以及第二辐射元件包括覆盖第二头的部分(232)和覆盖上表面的另一部分(231)使得所述槽(260)从第一侧延伸到第二侧并且将上表面分成基本上相等尺寸的两个部分，在该槽上方第二辐射元件被设置成电磁地获得其馈电，以及所述第一和第二点在基板的下表面上在其第一头的侧上的端处，以及所述第三点是在基板的下表面上在其第二头的侧上的端处。
2. 如权利要求1所述的芯片天线，由基板以及第一和第二辐射元件形成的该天线的芯片部件(201)在电路板(PCB)上，且其下表面与电路板相对，在该电路板上存在无线电设备的接地平面(GND)的一部分，其特征在于馈电导体(240)和接地导体(250)是在电路板的表面上的条形导体，并且同时接地导体是天线的调谐元件。
3. 如权利要求1所述的芯片天线，由基板以及第一和第二辐射元件形成的该天线的芯片部件(201)在电路板(PCB)上在其边缘处，且其下表面与电路板相对，在该电路板上存在无线电设备的接地平面(GND)的一部分，其特征在于接地平面的边缘在该部件的一侧的法线方向上距离芯片部件特定距离(s)以改善天线的匹配和全向辐射。
4. 如权利要求1所述的芯片天线，由基板以及第一和第二辐射元件形成的该天线的芯片部件(401)在电路板上，且其下表面与电路板相对，在该电路板上存在无线电设备的接地平面(GND)，其特征在于接地平面的边缘在该部件的法线方向上在其两侧距离芯片部件特定距离(s)以便改善天线的匹配和全向辐射。
5. 如权利要求1所述的芯片天线，其特征在于第一和第二辐射元件在工作频率下与基板、相对辐射元件和接地平面共同形成四分之一波长的谐振器，这些谐振器具有相同的固有频率。
6. 如权利要求1所述的芯片天线，其特征在于第一辐射元件(421)还包括在覆盖所述侧的部分的基板(410)的第一端处的角内的部分，以及第二辐射元件(430)还包括在覆盖所述侧的部分的基板的第二端的角内的部分。
7. 如权利要求1所述的芯片天线，其特征在于槽(260)被设置成具有这样的宽度(d)以致其最小化天线的介电损耗。
8. 如权利要求7所述的芯片天线，其特征在于槽的宽度在0.8mm-2.0mm的范围内。
9. 如权利要求1所述的芯片天线，其特征在于槽(260)是直的并且垂直跨越上表面从第一侧行进到第二侧。
10. 如权利要求1所述的芯片天线，其特征在于槽(662；663；664)进一步被设置成具有这样的长度使得天线工作频带的位置向下移动。
11. 如权利要求10所述的芯片天线，其特征在于槽(662)是直的并且对角地跨越上表面从第一侧行进到第二侧。
12. 如权利要求10所述的芯片天线，其特征在于槽具有至少一个转弯。
13. 如权利要求12所述的芯片天线，其特征在于槽(663；664)的转弯在辐射元件中形成至少一个指状突出(625，635；626，627，636)，该至少一个突出在属于相对辐射元件的区域之间延伸。
14. 如权利要求1所述的芯片天线，其特征在于电介质基板是陶瓷材料。
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