專利名稱：用于高頻和微波范圍的寬帶天線模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種天線模塊，更具體而言涉及用于高頻和微波范圍的天線模塊，它能夠分別在寬帶或各種頻帶中操作。本發(fā)明還涉及包括這種天線模塊的電信設(shè)備。
為了通過特別是移動(dòng)電信設(shè)備發(fā)送信息，通常在高頻或微波范圍中使用電磁波。為了發(fā)送和接收這些波，日益地使用能夠在各種頻帶中操作的天線，每一頻帶具有各自足夠大的帶寬。
這些頻帶例如在移動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn)中處于880和960MHz之間(GSM900)、1710和1880MHz之間(GSM或DCS1800)、以及特別是在美國(guó)在824和894MHz之間(AMPS)、和在1850和1990MHz之間(D-AMPS、PCS或GSM1900)之間。而且，所述頻帶包括UMTS頻帶(1880到2200MHz)，特別是寬帶CDMA(1920到1980MHz和2110到2170MHz)以及用于頻帶從1880到1900MHz的無繩電話的DECT標(biāo)準(zhǔn)和頻帶在2400到2483.5MHz之間的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)(BT)，其中藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)用于在各種電子設(shè)備諸如例如，移動(dòng)電話機(jī)、計(jì)算機(jī)、使用娛樂電子的設(shè)備等等之間交換數(shù)據(jù)。
至少在取決于時(shí)間的轉(zhuǎn)變區(qū)域中，移動(dòng)電話機(jī)還需要既可以在GSM頻率范圍中的至少一個(gè)中也可以在UMTS頻率范圍中操作。在許多情況下，移動(dòng)電話機(jī)還必須可以在兩個(gè)歐洲(GSM)頻帶和在兩個(gè)美國(guó)頻帶(AMPS和PCS)中操作，從而經(jīng)常在美國(guó)和歐洲的用戶不需要攜帶兩部移動(dòng)電話機(jī)。
除了信息的發(fā)送之外，移動(dòng)電信設(shè)備還部分配置有附加的功能和應(yīng)用，例如，位于已知的GPS或另一頻率范圍中的衛(wèi)星導(dǎo)航，因此在該頻率范圍內(nèi)天線應(yīng)該也能夠操作。
基本上，這種類型的現(xiàn)代電信設(shè)備必須可以在最大數(shù)量的這些頻率范圍內(nèi)操作，因而必須有覆蓋這些頻率范圍的相應(yīng)的多頻帶或?qū)拵炀€。
由于在移動(dòng)電話機(jī)中這些和其他功能的不斷集成并且同時(shí)盡最大可能試圖使其小型化，因此還需要天線具有最小可能的體積和最小可能的表面，這是因?yàn)樵谄渫鈿ぶ谐３Ｓ休^小的空間可用。
為了最小化具有給定波長(zhǎng)發(fā)射輻射的天線的大小，能夠使用介電常數(shù)εr大于1的電介質(zhì)。這導(dǎo)致了電介質(zhì)中輻射波長(zhǎng)以1/εr因子縮短。所以，基于這種電介質(zhì)設(shè)計(jì)的天線也以該因子縮小。但是這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)的是隨著不斷增加的介電常數(shù)，天線的帶寬也相應(yīng)變得較窄。
這種類型的天線包括其表面上施加了如期望頻帶所規(guī)定的一個(gè)或多個(gè)諧振金屬化結(jié)構(gòu)的介電材料基板。諧振頻率的數(shù)值取決于印刷金屬化結(jié)構(gòu)的尺寸和基板的介電常數(shù)的數(shù)值。那么，當(dāng)金屬化結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度增加以及介電常數(shù)的數(shù)值變得較大時(shí)，因而各個(gè)諧振頻率的數(shù)值變得較小。這種類型的天線還稱為印刷線路天線(PWA)或電介質(zhì)塊天線(DBA)。
這些天線的特別有利之處在于根據(jù)需要通過表面安裝(SMD)技術(shù)即通過平焊在該電路板上和以相同的方式產(chǎn)生焊接點(diǎn)，能夠?qū)⑺鼈兒推渌M件一起直接安裝到印刷電路板(PCB)上，而不需要任何附加的裝配(管腳)來以電磁能進(jìn)行饋送。
但是，存在的問題和困難可能是金屬化結(jié)構(gòu)的尺寸，特別是當(dāng)這種天線在多個(gè)頻帶中操作時(shí)。該天線與所需頻率范圍其中之一的最佳適配導(dǎo)致了在其他頻率范圍中，由于金屬化結(jié)構(gòu)相互影響，從而影響了天線功率。
也在移動(dòng)電信設(shè)備中使用的另一種類型的天線是所謂的平面倒F型天線(PIFA)，其中金屬化結(jié)構(gòu)布置在接地金屬化上，且作為音量(volume)諧振器工作。但是，這些天線的缺點(diǎn)是，它們要么需要相對(duì)更大的空間，通過使用電介質(zhì)材料只能夠?qū)⑵錅p小有限的程度，要么如果由于金屬化結(jié)構(gòu)的不同部分之間的強(qiáng)烈相互作用而減小尺寸，它們將具有僅僅非常窄的帶寬。
因此本發(fā)明所基于的目的在于特別為高頻和微波范圍提供天線，與已知的天線相比，對(duì)于上述頻率范圍該天線具有大得多的諧振曲線。
更特別地，提供可以在上述頻率范圍的至少兩個(gè)頻率范圍中操作的天線模塊。
而且，通過本發(fā)明，應(yīng)該提供在開始段落中定義的這種類型的天線模塊，該模塊能夠容納于相對(duì)小的移動(dòng)電信設(shè)備中，該設(shè)備具有相對(duì)大的諧振帶寬和相對(duì)小的尺寸，從而節(jié)約了空間。
根據(jù)權(quán)利要求1通過一個(gè)天線模塊來實(shí)現(xiàn)上述目的，其中該天線模塊具有天線和連接天線到相關(guān)發(fā)送和/或接收級(jí)的HF線，HF線的至少一部分或段以與天線的阻抗存在偏差的阻抗的形式失配。
這種解決方案的特別有利之處在于，不必有占據(jù)印刷電路板空間并且將會(huì)產(chǎn)生額外成本的任何附加的組件或部件，例如，無源阻抗接口網(wǎng)絡(luò)或有源控制。
該解決方案的另一個(gè)有利之處在于，它基本上獨(dú)立于所使用的天線類型和所提供的操作頻率范圍而應(yīng)用。通過這種方式，更特別地是還能夠?yàn)樵陂_始段落中所述不同類型的高頻和微波天線給定較大的諧振帶寬。
從屬權(quán)利要求具有本發(fā)明其他實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)。
在權(quán)利要求2和3中定義的實(shí)施例導(dǎo)致了諧振帶寬的特別有效的增加。
在權(quán)利要求4和5中定義的實(shí)施例包括能夠在根據(jù)本發(fā)明的天線模塊中特別有利使用的天線。
根據(jù)權(quán)利要求5的實(shí)施例還附加提供了特別是大約2GHz的操作頻率并具有可以免除基板的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求6和7最后涉及分別具有根據(jù)本發(fā)明的天線模塊的印刷電路板或移動(dòng)電信設(shè)備。
根據(jù)以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的示意性實(shí)施例的描述，本發(fā)明的其他細(xì)節(jié)、特征和優(yōu)點(diǎn)變得顯而易見，其中

圖1A示出了具有根據(jù)本發(fā)明的天線模塊的印刷電路板的平面視圖，圖1B是天線模塊的天線的放大表示，圖2示出了具有減小阻抗的輸入結(jié)構(gòu)的天線模塊的散射參數(shù)的曲線；圖3示出了具有增加阻抗的輸入結(jié)構(gòu)的天線模塊的散射參數(shù)的曲線，圖4示出了具有減小阻抗的輸入結(jié)構(gòu)的天線模塊的效率曲線；以及圖5示出了具有增加阻抗的輸入結(jié)構(gòu)的天線模塊的效率曲線。
圖1(A)是印刷電路板(PCB)30前部的平面視圖，它具有優(yōu)選在其后側(cè)提供的金屬化31。在印刷電路板30的角上，沒有任何金屬化31，并存在具有天線10和HF線20的天線模塊。
為了清楚起見，在圖1(B)中以放大形式示出了天線10。這是電介質(zhì)塊天線(DBA)或印刷線路天線(PWA)。但是，根據(jù)本發(fā)明的該天線模塊還能夠利用其他類型的天線，尤其是先前說明的天線產(chǎn)生。而且，不僅能夠?qū)τ谙率龅念l率范圍，而且還對(duì)于其他頻率范圍諸如之前描述的那些頻率范圍使該模塊形成所需尺寸。
天線10包括基板11，該基板實(shí)質(zhì)上具有矩形塊的形式，塊的長(zhǎng)度或?qū)挾却笥谄涓叨却蠹s3到40倍，所以，在以下描述中，圖1表示的基板11的上(大)表面被稱之為上主表面，相對(duì)的面被稱之為下主表面以及與其垂直的表面被稱之為基板11的側(cè)表面。
還有可能根據(jù)應(yīng)用和可用的空間選擇另一幾何形狀來代替矩形基板11，諸如例如，圓形或三角形或四邊形圓柱體形狀。而且，基板11還可以具有中空空間或凹槽以節(jié)約例如材料并因此減輕了重量。
基板11例如由能夠高頻使用的陶瓷材料和/或一種或多種塑料制成，或者通過將陶瓷粉末嵌入到聚合物基質(zhì)中而制成。還有可能使用純的聚合物基板。這些材料應(yīng)該具有最小的可能損耗和高頻特性中的微小溫度相關(guān)性(NPO或所謂的SL材料)。
為了減小天線10的尺寸，基板11優(yōu)選具有介電常數(shù)εr＞1和/或相對(duì)磁導(dǎo)率μr＞1。但是在這方面應(yīng)該考慮到可以利用具有大的或增加的介電常數(shù)和/或相對(duì)磁導(dǎo)率的基板實(shí)現(xiàn)的帶寬會(huì)減小。
利用圖1(B)所示的天線10，基板11(優(yōu)選為NPO陶瓷)具有大約21.5的介電常數(shù)εr和大約10mm的長(zhǎng)度，大約2mm的寬度和大約1mm的高度。所述天線適于2.4GHz ISM頻帶(例如，藍(lán)牙、WLAN、室內(nèi)RF等等)的無線通信。
基板11在它的下主表面上載有高電導(dǎo)材料諸如例如銀、銅、金、鋁或超導(dǎo)體形成的諧振印刷線路結(jié)構(gòu)1。該印刷線路結(jié)構(gòu)1還能夠嵌入到基板11中。
在基板11的下主表面上布置有第一諧振金屬化結(jié)構(gòu)1(虛線)，它經(jīng)由第一連接點(diǎn)2(焊接點(diǎn))連接到接地電壓即接地金屬化31。金屬化結(jié)構(gòu)1可以由一個(gè)或各個(gè)單獨(dú)的不同寬度印刷線路形式的金屬形成，這視情況而定。在所示的實(shí)施例中，該結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上在基板11的整個(gè)長(zhǎng)度上具有蜿蜒的形式并具有L/εr的電有效長(zhǎng)度L’，其中L是自由空間中信號(hào)的波長(zhǎng)。測(cè)量金屬化結(jié)構(gòu)1，以便其長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)于大約所述波長(zhǎng)的一半，通過該長(zhǎng)度所述天線將輻射電磁能。例如，為了在上述2400和2483.5MHz之間的頻率范圍內(nèi)應(yīng)用天線模塊，在自由空間中存在大約12.5cm的波長(zhǎng)L。利用基板21.5的介電常數(shù)εr，縮短一半的波長(zhǎng)0.5L’，因此金屬化結(jié)構(gòu)1必須的幾何長(zhǎng)度是大約13.48mm。
諧振金屬化結(jié)構(gòu)1還能夠嵌入導(dǎo)基板11中或位于具有等效接觸的基板11的上主表面上。
除了諧振金屬化結(jié)構(gòu)1之外，在基板11的下主表面上還有至少兩個(gè)其他的金屬化結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)用作電容耦合將要輻射的HF能量的饋點(diǎn)3、4。
根據(jù)圖1(B)，所述饋點(diǎn)為第一饋點(diǎn)3以及第二饋點(diǎn)4，在第一連接點(diǎn)2的區(qū)域中，這些饋點(diǎn)與基板11的縱向軸對(duì)稱地排列在基板11的下主表面的相對(duì)邊緣上。然后，由于制造相關(guān)的原因，饋點(diǎn)3、4優(yōu)選地與基板11的邊緣具有大約200μm的距離。饋點(diǎn)3、4焊接到印刷電路板30的相應(yīng)接觸點(diǎn)上，第一連接點(diǎn)2也是。
用于耦合HF能量的饋點(diǎn)3、4的選擇取決于天線在相關(guān)印刷電路板30上的位置。
為了提高例如印刷電路板30彎曲時(shí)的機(jī)械承載能力，以及保證可靠的接觸，進(jìn)一步在基板11的相對(duì)縱向端的區(qū)域中的下主表面上安排焊點(diǎn)5。
作為上述基板天線的一種替換，有可能無需特別是具有大約2GHz以及更高頻率的基板以及例如在印刷電路板30上直接布置天線，即諧振印刷線路結(jié)構(gòu)并經(jīng)由電容耦合機(jī)制(例如印刷電路板30上的SMD電容器)建立HF連接。由于印刷電路板30的材料通常其介電常數(shù)為4，而且介電常數(shù)大約為10的印刷電路板材料也是熟知的，所以只需要在邊上修改，尤其是加長(zhǎng)諧振印刷線路結(jié)構(gòu)。
這種和相似類型的天線通常這樣安排，即它們具有50歐姆的輸入阻抗。通常，連接所述天線與發(fā)送和接收級(jí)的HF線路具有50歐姆的固有阻抗或線路阻抗以實(shí)現(xiàn)無反射并因此在天線、HF線路和連接到它的電子單元(最后級(jí)、接收級(jí)等等)之間盡可能地實(shí)現(xiàn)無損耗適配。但是，還可以想到其他的天線和線路阻抗。
在根據(jù)本發(fā)明的天線模塊中，將HF線路20例如安排為共平面線路或印刷電路板30上的印刷線路。但是，其他實(shí)施例諸如例如微帶、帶狀傳輸線等等也是有可能的。
這些HF線路20的固有阻抗可以通過適當(dāng)?shù)倪x擇一定的參數(shù)來調(diào)節(jié)，該參數(shù)例如是物理尺寸、特別是寬度、與印刷電路板30的接地金屬31的距離以及印刷電路板30所使用材料(介電常數(shù))的類型和厚度。
根據(jù)本發(fā)明，如此進(jìn)行這些參數(shù)的選擇，以便HF線路20的至少部分或段21、22失配，這意味著與天線10的固有阻抗存在阻抗偏差。令人驚奇的是，它已經(jīng)看上去通過這種選擇能夠顯著地增加整個(gè)天線模塊的帶寬。
在HF線路20的阻抗可能大于或小于天線10的阻抗的情形下，天線模塊的帶寬然后可以通過選擇阻抗偏差的范圍來具體調(diào)節(jié)。
當(dāng)在HF線路20中，插入阻抗超過正當(dāng)限制或阻抗跳變，即阻抗相對(duì)突然的改變時(shí)，將出現(xiàn)所述天線模塊的諧振帶寬特別強(qiáng)烈的增加。
根據(jù)圖1(A)能夠例如如下實(shí)現(xiàn)，被調(diào)節(jié)成天線10的輸入阻抗的第一HF線路段21經(jīng)由第二段22連接天線10，第二段的線路阻抗與天線10的輸入阻抗相比大約高出或低于10-25％，從而最終將會(huì)有與所述天線失配的HF線路20。
圖2和3示出了失配HF線路20對(duì)圖1(A)所示天線模塊的諧振帶寬的影響，其中天線10具有50歐姆的固有阻抗。在圖2和3中，相對(duì)頻率繪制了散射參數(shù)S11的曲線。
在圖2中，諧振曲線A示出了用于比較的受調(diào)節(jié)的50歐姆HF線路的情況。諧振曲線B示出了具有40歐姆固有阻抗的HF線路20的情況，而諧振曲線C被測(cè)量用于HF線路20中從50到40歐姆的阻抗跳變(例如，通過圖1(A)所示的兩個(gè)線路段21、22)。
在圖3中，諧振曲線A再次示出了用于比較的匹配50歐姆HF線路的情況。諧振曲線B在具有60歐姆阻抗的HF線路20的情況下出現(xiàn)，而諧振曲線C被測(cè)量用于HF線路20中從50到60歐姆的阻抗跳變(能夠例如通過圖1(A)所示的兩個(gè)線路段21、22再次實(shí)現(xiàn))。
圖2和3的比較特別是諧振曲線B的比較示出了通過阻抗增加到60歐姆能夠顯著地增加諧振帶寬，而當(dāng)阻抗減小到40歐姆時(shí)，圖1(B)所示天線的諧振帶寬會(huì)減小。但是，有可能利用不同的天線設(shè)計(jì)例如，具有不同于50歐姆阻抗的這些設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)諧振帶寬的增加，甚至是當(dāng)使用與其相比具有減小阻抗的HF線路20時(shí)。
如圖3中的諧振曲線3所示，阻抗轉(zhuǎn)變或阻抗跳變的包括導(dǎo)致了圖1(B)所示天線10的最大諧振帶寬。
圖4和5示出了相對(duì)頻率繪制曲線的具有各種HF線路的天線模塊的效果。
圖4在曲線A中示出了在與天線10適配的50歐姆HF線路的情況下的效率變化。曲線B所示的效率是具有40歐姆固有阻抗的失配HF線路20的結(jié)果，而曲線C示出了具有從50到40跳變阻抗的HF線路20情況下的效率變化。對(duì)于圖1(B)所示的天線10，在具有與天線阻抗相比減小阻抗的HF線路20的情況下，效率較低。
圖5相應(yīng)示出了由于阻抗增加產(chǎn)生失配情況下的效率曲線，也就是說與再次用于適配的50歐姆HF線路的曲線A相比。
曲線B示出了阻抗增加到60歐姆的情況，而曲線C示出了具有從50到60歐姆阻抗跳變的HF線路20的效率變化。
圖5示出了作為與天線10相比HF線路20的阻抗增加的結(jié)果，所述效率甚至增加，以便不會(huì)由于其他損耗諸如例如反射而引起諧振帶寬的增加。
圖5中的曲線B和C還示例了當(dāng)使用60歐姆的HF線路20，特別是使用從50到60歐姆阻抗跳變的這種HF線路時(shí)，所述輻射帶寬顯著較大。因此該帶寬增加大約30MHz，這對(duì)應(yīng)于大約30％的成比例加寬。
線路阻抗的上述值將會(huì)僅僅理解為實(shí)例。顯然，盡管選擇和設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上取決于天線的類型、提供的頻率范圍和想要的帶寬，但是具有不同于上述大約10到大約25％的幅度等級(jí)的阻抗值的失配也可以實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種特別是用于高頻和微波范圍的天線模塊，具有天線(10)和將天線(10)連接到相關(guān)發(fā)送和/或接收級(jí)的HF線路(20)，其中HF線路(20)的至少部分或段(21、22)具有與天線(10)的阻抗存在偏差的阻抗的形式的失配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線模塊，包括HF線路(20)，該線路具有低于或高出天線(10)阻抗大約10到大約25％的阻抗。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線模塊，包括HF線路(20)，該線路具有第一和第二段(21、22)，這些段具有不同的阻抗，并形成低于或高出天線(10)的固有阻抗大約10到25％的阻抗轉(zhuǎn)變或阻抗跳變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線模塊，其中，天線(10)是安裝在印刷電路板(30)上的印刷線路天線(PWA)或介電塊天線(DBA)，HF線路(20)以沉積在印刷電路板(30)上的至少一個(gè)印刷線路結(jié)構(gòu)的形式產(chǎn)生。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線模塊，其中，所述天線以至少一個(gè)諧振印刷線路結(jié)構(gòu)的形式產(chǎn)生，并且和HF線路(20)一起沉積在印刷電路板(30)上。
6.一種特別用于表面安裝電子元件的印刷電路板，包括如權(quán)利要求1到5中的任何一項(xiàng)所述的天線模塊。
7.一種特別用于2.4GHz范圍的移動(dòng)電信設(shè)備，包括如權(quán)利要求1到5中的任何一項(xiàng)所述的天線模塊。
全文摘要
描述了一種特別用于高頻和微波范圍的天線模塊，該天線模塊能夠作為寬帶天線在各種頻帶中進(jìn)行操作。為此，所述天線模塊特別適合之處在于它具有天線(10)和將天線(10)連接到相關(guān)發(fā)送和/或接收級(jí)的HF線路(20)，盡管HF線路(20)的至少部分或段(21、22)具有與天線(10)的阻抗存在偏差的阻抗的形式的失配。本發(fā)明還涉及具有這種天線模塊的電信設(shè)備。
文檔編號(hào)H01Q5/00GK1839514SQ200480023831
公開日2006年9月27日 申請(qǐng)日期2004年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月21日
發(fā)明者A·希爾格斯 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司