專利名稱：天線陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括電介質(zhì)材料基底的電介質(zhì)天線。該基底支持饋線和接地金屬化部。
從US 6 545 641 B2或DE 100 49 843 A1了解到用在移動(dòng)電信中的貼片天線。原則上，如果限制貼片天線的高度，貼片天線具有很窄的帶寬。由于這個(gè)原因，貼片天線只能用到有限的范圍。然而，移動(dòng)電信需要相當(dāng)大的帶寬以能使發(fā)送和接收操作成為可能。為了貼片天線用在移動(dòng)電信中，幾個(gè)基底一個(gè)在另一個(gè)上垂直布置。該布置使得提供電信中要求的帶寬成為可能。這樣的堆疊模式因此增加了天線尺寸。這樣設(shè)計(jì)的可以用于頻率范圍880-960MHz的GSM 900的GSM天線的大小，至少為19.4mm×10.9mm×4.0mm。建議把這種具有安裝表面的天線作為表面安裝設(shè)備布置在板上。天線的性質(zhì)依賴于其在板上的位置，頂端或側(cè)面位置，因此天線必須適于適合裝配情況。
從US 20020067312 A1了解到具有電介質(zhì)材料基底的電介質(zhì)共用天線。該基底支持饋線和接地金屬化部。
在移動(dòng)電信和無線通信中使用的微波范圍內(nèi)的電磁波用于發(fā)射信息。移動(dòng)電話范圍的例子是在從880-960MHz頻率范圍內(nèi)的GSM 900和在從1710-1880MHz頻率范圍內(nèi)的歐洲的GSM-DCS。
第三代移動(dòng)電信包括從1880MHz-2200MHz的UMTS范圍的更多的頻帶及從1920MHz-1980MHz和2110MHz-2170MHz的寬帶CDMA。藍(lán)牙用于在從2400MHz-2483.5MHz頻率范圍內(nèi)的單個(gè)終端設(shè)備之間的通信。
為了在不同網(wǎng)絡(luò)中使用，移動(dòng)電話配備相應(yīng)的天線技術(shù)，這種移動(dòng)電話稱作三頻帶電話，今天已經(jīng)在市場銷售。
正在朝著提供更小的電子設(shè)備做出努力。這使得提供更小的天線和天線系統(tǒng)以能夠?yàn)檫@些設(shè)備裝備天線技術(shù)是必要的，這使這些設(shè)備操作在幾種網(wǎng)絡(luò)或進(jìn)一步小型化成為可能。
天線不能剛好彼此接近布置，因?yàn)榭拷谝黄鸩贾玫奶炀€彼此嚴(yán)重影響，結(jié)果通過鄰近布置的天線，不可能達(dá)到天線單獨(dú)使用時(shí)達(dá)到的發(fā)射和接收性能。這限制了給定空間的利用的優(yōu)化。
本發(fā)明的目的為提供電介質(zhì)天線，其具有緊湊的結(jié)構(gòu)，具有很好的廣播性能，并允許盡可能的靈活的應(yīng)用。
本發(fā)明的目的通過具有如權(quán)利要求1所述的特征的天線達(dá)到。
所發(fā)明的電介質(zhì)天線，也稱為電介質(zhì)共用天線，具有電介質(zhì)材料基底。該基底支持在前面上的金屬化部，該金屬化部一般連接到應(yīng)用的50Ohm高頻饋線。該金屬化部下面稱為饋線。基底在后面上承載另一金屬化部，下面稱為接地金屬化部，其連接到應(yīng)用的接地金屬化部并延伸至基底的前面。所發(fā)明的天線通過其好的接收和發(fā)射特征顯示優(yōu)越性并具有緊湊的設(shè)計(jì)。
在另一個(gè)樣式中，依賴于應(yīng)用，接地金屬化部配置分支，作為該分支(分路(switch))的結(jié)果，天線具有在不同頻率范圍內(nèi)的諧振。這使得在幾種網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用天線成為可能。
具體的緊湊構(gòu)成的天線在權(quán)利要求11描述，該天線適于在移動(dòng)電信中使用并具有特殊的饋線布置和接地金屬化部的主要回路。
在另外的從屬權(quán)利要求中描述了另外的有利的措施。本發(fā)明的這些和其他方面通過非限制的例子，參考此后描述的實(shí)施例將闡明并變得顯而易見。附圖中，

圖1示出了在頂端位置的電介質(zhì)天線。
圖2示出了在側(cè)面位置的天線。
圖3示出了用于2.4GHz的天線；8mm×8mm×1mm圖4示出了具有11mm×11mm×1mm的尺寸，1880-2200MHz的UMTS天線。
圖5示出了圖4的UMTS天線。
圖6和圖7示出了用于GSM900(880-960MHz)和PCS(1859-1990MHz)的雙重頻帶天線。
圖8和圖9示出了用于GSM900(880-960MHz)和PCS(1710-1880MHz)的雙重頻帶天線。
圖10給出了圖4和5所示的天線的測量的S參數(shù)的圖形表示。
圖11給出了圖3所示天線的和具有不同尺寸的接插板，印刷電路板(PCB)且具有減小的部件高度的天線的模擬的S參數(shù)的圖形表示。
圖12給出了依賴于圖6至9描述的天線的頻率的模擬的S參數(shù)的描述。
圖13給出了圖8和9所示的天線的測量的S參數(shù)的圖形表示。
圖1和2每個(gè)示出了具有電介質(zhì)材料7的基底9的電介質(zhì)天線2，其布置為垂直于板5，板5通常也稱為接插板。接插板也稱為印刷電路板并縮寫為PCB。
天線2的垂直布置不需要PCB 5上的任何空間，這是有利的。天線2還可以儲(chǔ)存在諸如移動(dòng)電話或膝上型電腦之類的電子設(shè)備的罩子內(nèi)，罩子沒有示出，其中僅僅天線2至PCB 5的電連接必須可用。該連接可以通過插入式連接器建立。天線2的這種靈活的布置使得以最佳的方式使用電子設(shè)備內(nèi)存在的空間成為可能。從而，例如，天線2可以通過使用鎖定接頭或粘附接頭固定在外殼內(nèi)。
在圖1和2所示的布置中，天線2直接固定到PCB 5并垂直于PCB。建議在天線2和PCB 5的金屬化部6之間有最小的距離27。該最小的距離27幫助保持PCB 5對(duì)天線2的影響較低。PCB 5在天線上的影響后面將通過圖11的幫助解釋。
天線的性能參數(shù)不僅受到至PCB 5的金屬化部6的距離的影響，還受多種參數(shù)的影響。從而，例如，天線2與PCB 5的相對(duì)位置也影響天線發(fā)射和接收行為。當(dāng)描述實(shí)施例的多個(gè)例子時(shí)，將詳細(xì)地觀察到這種依賴。圖1和2示出了在兩個(gè)不同布置位置的天線2。對(duì)于天線的布置其他的位置也是可能的，尤其在罩子中心的布置。
圖1示出了布置在PCB 5的較長側(cè)邊緣上的電介質(zhì)天線2。天線2的電介質(zhì)基底9垂直于PCB 5的平面布置。該位置稱為側(cè)面位置43。
圖2示出了布置在PCB 5的較短側(cè)邊緣上的電介質(zhì)天線2。該布置稱為頂端位置41。
天線的特殊設(shè)計(jì)使得調(diào)整天線以致這些天線可以用于頂端位置41的布置，及用于具有幾乎相同性能的側(cè)面位置43，不必對(duì)天線2的設(shè)計(jì)做任何修改成為可能。基底9上的饋線19和接地金屬化部21的布置與天線2的設(shè)計(jì)一起描述。
其中，PCB 5需要布置用來操作天線的電子裝置(電子裝置這里沒有顯示)。天線2連同安裝在PCB 5上的電子裝置形成收發(fā)器單元1。
根據(jù)本發(fā)明的電介質(zhì)天線2的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)通過圖3的幫助詳細(xì)地描述。圖3所示的天線2為2.4和2.5GHz之間的頻率范圍設(shè)計(jì)。電介質(zhì)材料11用作具有介電常數(shù)εr＝20.6的基底材料。典型的材料為具有依賴于高頻特征的低損耗和低溫的高頻兼容基底。這樣的材料已知為NPO材料或稱為SL材料。顯示的實(shí)施例的例子具有塊形狀的基底9，基底具有前面13，后面15，短側(cè)面17和長側(cè)面18。
從短側(cè)面17開始的饋線19在前面13上延伸并且平行于長側(cè)面18的邊緣。饋線19布置在前面13上的中心并且有長側(cè)面18的一半長。饋線19明顯比短側(cè)面17的長度窄。天線2的接地金屬化部21具有主線20，其布置在基底9的后面15上。主線20布置在后面15上的中心并且平行于后面15的長的邊界邊緣。接地金屬化部21的主線20也只延伸過基底9的長度的一部分并且在短側(cè)面17上繼續(xù)，其相對(duì)于饋線19從其開始并且在前面13上延伸的短側(cè)面17設(shè)置。接地金屬化部21的主線20完全延伸過側(cè)面17直到前面13。在第一臂37和第二臂39內(nèi)主線20分支為分路33。這兩個(gè)臂37，39圍繞對(duì)稱軸線35鏡面對(duì)稱布置，對(duì)稱軸線平行于基底的前面并相對(duì)于前面13的長側(cè)面18上的邊界邊緣在中心走向。該對(duì)稱軸線35為了清楚只圖示在圖7所示的實(shí)施例的例子中。
當(dāng)在平行于這些面的平面內(nèi)投影前面13和后面15時(shí)，饋線19和接地金屬化部21或主線20的部分彼此覆蓋一定區(qū)域。該區(qū)域稱為重疊區(qū)域22并圖示在圖4。
重疊區(qū)域22的長度一方面影響諧振的位置，另一方面，影響可利用的帶寬。這通過隨著頻率改變基底9的前面13上的饋線19在基底的后面15上的諧振主體金屬化部21內(nèi)的耦合點(diǎn)達(dá)到，使得主體金屬化部21的有效長度或主線20的有效長度依賴于頻率。信號(hào)因此以寬帶發(fā)射。發(fā)射可以通過地線21的寬度改變，這有助于應(yīng)用中天線對(duì)電環(huán)境的調(diào)整，環(huán)境例如受顯示器，電池，擴(kuò)音器和其他傳導(dǎo)表面的影響。
第一臂37和第二臂39內(nèi)的基底9的前面13上的接地金屬化部21的分路33的對(duì)稱和平行具有決定性的影響，因?yàn)檩^小的偏差可以引起可利用帶寬的劇烈減小。接地金屬化部21和饋線19的印刷布線的總長度及基底9的介電常數(shù)主要決定諧振的位置。諧振可以通過改變這些參數(shù)如所要求的準(zhǔn)確地移動(dòng)。
接地金屬化部21和饋線19，其為天線2的金屬化部結(jié)構(gòu)，包括電高度傳導(dǎo)材料，諸如銀，銅，鋁或超導(dǎo)體。
為了把饋線19和接地金屬化部21連接到PCB，提供兩個(gè)電連接件23和25。饋線19通過放置在短側(cè)面上的觸點(diǎn)連接到高頻供電器25。高頻供電器25通常具有50Ohm的電阻。
通過高頻信號(hào)的耦合受接地金屬化部21的主線20上面的饋線19的部分平行的管道作為諧振結(jié)構(gòu)影響的事實(shí)，區(qū)別所示天線2的設(shè)計(jì)。該布置使得依賴于頻率轉(zhuǎn)移進(jìn)入點(diǎn)成為可能。連同作為諧振結(jié)構(gòu)的接地金屬化部21的對(duì)稱結(jié)構(gòu)使得能夠更好的調(diào)整，對(duì)于僅僅8×8×1mm3的安裝尺寸在2.4和2.5GHz之間頻率范圍內(nèi)的-14dB和在-10dB的390MHz的帶寬。該緊湊的天線設(shè)計(jì)用于藍(lán)牙，WLAN，和家用射頻(Home-RF)布置。
移動(dòng)電話內(nèi)基底9的垂直布置是可實(shí)行的，因?yàn)轱@示器放置在移動(dòng)電話內(nèi)的PCB的一個(gè)側(cè)面上，在PCB的另一個(gè)側(cè)面上通常是電池。天線2的基底9的垂直布置從而對(duì)于在移動(dòng)電話內(nèi)的使用不需要部件高度擴(kuò)大并且不需要PCB上的空間。
圖11示出了圖3所示的天線的模擬的S11參數(shù)。
根據(jù)圖11所示的天線的S11參數(shù)的模擬值，當(dāng)天線與100mm×40mm的PCB一起使用時(shí)，天線2在2400-2500MHz(藍(lán)牙，WLAN，和家用射頻)的頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)好于-14dB。從而，根據(jù)模擬，對(duì)于相應(yīng)的頻率多于95％的能量帶入天線。這里假設(shè)從接地金屬化部21至PCB 5的金屬化部6的2mm的最小距離27。通過連接件23接地金屬化部21具有與PCB 5的金屬化部6的電傳導(dǎo)連接。對(duì)于-10dB的調(diào)整，天線具有390MHz的帶寬。
圖11還示出了當(dāng)與40mm×30mm的PCB一起使用時(shí)來自圖2的天線2的模擬的S11參數(shù)。根據(jù)比較，可以清楚諧振的最大值在PCB縮小時(shí)變得較寬和較平坦。而且，為了比較，更改的天線的模擬的S11參數(shù)示于圖11，天線的結(jié)構(gòu)原則上保持與圖3相同，其中基底尺寸已經(jīng)更改。具有100mm×40mm尺寸的PCB是用于模擬的基礎(chǔ)。根據(jù)從模擬獲得的S11參數(shù)的數(shù)據(jù)，隨著基底9的縱向延長的增大和基底9高度的減小，諧振或最大值變得更窄和更高也是明顯的。
圖4和5所示的實(shí)施例的例子不同于圖3所示的實(shí)施例的例子的基本結(jié)構(gòu)在于，前面13上的臂37和39在圖3所示的實(shí)施例的例子中具有指向布置在前面上的饋線19的端部，與此相對(duì)，圖4和5所示的天線的臂終止在饋線19從其開始的短側(cè)面17的邊界邊緣上。圖4和5所示的天線其余的結(jié)構(gòu)與在圖3的幫助下描述的天線的結(jié)構(gòu)相同。由于這個(gè)原因，圖4和5所示的天線的其余的結(jié)構(gòu)不再詳細(xì)描述。
該天線適于用在從1880MHz-2200MHz的UMTS的頻率范圍和從1920MHz-1980MHz和2110MHz-2170MHz的CDMA的頻率范圍。選擇具有介電常數(shù)21的基底9?；拙哂?1mm×11mm×1mm的尺寸。天線2的接地金屬化部21至PCB 5的金屬化部6的最小距離27應(yīng)該為2mm。這防止PCB 5的金屬化部對(duì)天線2施加不成比例的影響。
該天線測量的S11參數(shù)示于圖10。而且，在無反射天線室已經(jīng)測量的最大輻射效率，即天線吸收的輻射能量的構(gòu)成大于90％。
如從圖10所看到的，圖4和5所示的天線的諧振頻率的位置獨(dú)立于安裝位置。這減輕了對(duì)于不同安裝位置的任何特殊設(shè)計(jì)的需要，從而降低了開發(fā)成本并且擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。
天線的兩個(gè)更多的實(shí)施例示于圖6和7和圖8和9，其僅少許不同于前面所示的實(shí)施例的例子。這些天線為用于具有GSM-DCS或GSM-PCS的GSM 900的多頻帶天線。具有介電常數(shù)21的材料用作兩個(gè)實(shí)施例的基底9。實(shí)施例的兩個(gè)例子的尺寸為24×11×1mm3。
這些實(shí)施例的例子不同于較早描述的實(shí)施例的例子在于稱為十字分路29的接地金屬化部21的分路。該分路布置在基底9的后面15上。該十字分路29形成兩個(gè)臂31，其相對(duì)于主線20鏡面對(duì)稱走向。臂31每個(gè)具有垂直于主線20走向的第一部分。連接到第一部分的臂的第二部分平行于主線20走向，其中第二部分的端部指向饋線19從其開始的短側(cè)面17。兩個(gè)實(shí)施例第一和第二部分的長度不同。通過臂31的形狀和十字分路29的位置在天線的諧振位置做出特定的改變是可能的。可以提供更多的分路用于實(shí)現(xiàn)更多的諧振。
圖12示出了圖6和7所示的天線在頂端位置和側(cè)面位置的模擬的S11參數(shù)，及圖8和9所示的天線在側(cè)面位置的模擬的S11參數(shù)。
該天線的輻射效率已經(jīng)在測量室內(nèi)測量。如果天線放置在側(cè)面位置，在GSM 900頻帶內(nèi)最大輻射效率大于90％，在DCS頻帶內(nèi)大于80％?？偟膩碚f，輻射受安裝位置有限程度的影響。
圖13示出了圖8和9所示的定位在頂端位置和側(cè)面位置的天線的測量的S11參數(shù)與已經(jīng)在圖12示出的模擬的S11參數(shù)的比較。比較圖12所示的模擬數(shù)據(jù)，在從1710-1990MHz頻率范圍內(nèi)的調(diào)整甚至對(duì)于三頻帶應(yīng)用(DCS+PCS)是充分的。
參考附圖列表1 收發(fā)器單元2 天線3 外殼5 PCB6 PCB的金屬化部7 電介質(zhì)天線9 基底11電介質(zhì)材料13前面15后面17短側(cè)面18長側(cè)面19饋線20主線21接地金屬化部22重疊區(qū)域23接地端子25高頻供電器/連接27最小距離29十字分路31臂33分路35對(duì)稱軸線37第一臂39第二臂41頂端位置43側(cè)面位置
權(quán)利要求
1.一種電介質(zhì)天線，其包括電介質(zhì)材料(11)的基底(9)，并包括基底(9)的前面(13)上的饋線(19)和基底(9)的后面(15)上的接地金屬化部(21)，該接地金屬化部(21)延伸至基底(9)的前面(13)。
2.如權(quán)利要求1所述的電介質(zhì)天線，其特征在于，接地金屬化部(21)包括主線(20)，主線布置在后面上并且其平行布置在前面(13)上的饋線(19)對(duì)齊。
3.如權(quán)利要求2所述的電介質(zhì)天線，其特征在于，饋線(19)和接地金屬化部(21)具有重疊區(qū)域(22)，其中饋線(19)和接地金屬化部(21)或主線(20)，視情況而定，在基底(9)的前面(13)和后面(15)的投影的情況下重疊。
4.如權(quán)利要求3所述的電介質(zhì)天線，其特征在于，重疊區(qū)域(22)在饋線(19)的延長方向小于基底(9)的長度的70％，優(yōu)選地小于50％。
5.如權(quán)利要求2所述的電介質(zhì)天線，其特征在于，金屬化部(19，21)在基底(9)的中心軸線上布置在基底的前面(13)上和后面(15)上。
6.如權(quán)利要求1所述的電介質(zhì)天線，其特征在于，接地金屬化部(21)具有在前面(13)上的兩個(gè)臂(37，39)。
7.如權(quán)利要求6所述的電介質(zhì)天線，其特征在于，兩個(gè)臂(37，39)平行于饋線(19)布置。
8.如權(quán)利要求6或7所述的電介質(zhì)天線，其特征在于，接地金屬化部(21)的兩個(gè)臂(37，39)在前面(13)上具有相同的長度。
9.如權(quán)利要求6所述的電介質(zhì)天線，其特征在于，兩個(gè)臂(37，39)圍繞對(duì)稱軸線(35)鏡面對(duì)稱布置。
10.如權(quán)利要求1或6所述的電介質(zhì)天線，其特征在于，接地金屬化部(21)具有在后面(15)上的十字分路(29)。
11.一種用于移動(dòng)電信的電介質(zhì)天線，其包括電介質(zhì)材料制成的基底和基底(9)的前面上的饋線(19)及接地金屬化部(21)的主線(20)，主線在基底(9)的后面(15)上平行饋線對(duì)齊。
12.一種具有如上面權(quán)利要求中的至少一項(xiàng)所述的天線的電路板。
13.如權(quán)利要求12所述的PCB(5)，其特征在于，天線(2)的基底(9)垂直于PCB(5)布置。
14.如權(quán)利要求13所述的PCB(5)，其特征在于，基底(9)適于布置在頂端位置(41)及側(cè)面位置(43)。
15.一種包括外殼(3)和如權(quán)利要求10或11所述的PCB(5)的收發(fā)器單元，其特征在于，天線(2)穩(wěn)固地連接到具有外殼(3)的支撐件并電連接到PCB(5)。
16.一種制造具有外殼(3)的收發(fā)器單元的方法，其中安裝包括基底(9)的天線(2)，并且該天線(2)通過高頻供電器(25)和接地端子(23)電連接到PCB(5)。
全文摘要
本發(fā)明涉及包括電介質(zhì)材料的基底的電介質(zhì)天線，并且其具有基底前面上的饋線和基底后面上的接地金屬化部，該接地金屬化部延伸至基底的前面。這些電介質(zhì)天線可以為不同頻帶的應(yīng)用設(shè)計(jì)，例如GSM900，GSM－PCS，UMTS，CDMA和藍(lán)牙。
文檔編號(hào)H01Q1/38GK1922760SQ200580005969
公開日2007年2月28日 申請日期2005年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月25日
發(fā)明者H·佩爾策爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司