專利名稱：微波天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有基板和至少一個(gè)諧振金屬化結(jié)構(gòu)的微波天線，它特別適合表面安裝在印刷電路板(PCB)上。本發(fā)明還涉及這種類型的印刷電路板和具有這樣一種微波天線的移動(dòng)電信設(shè)備。
背景技術(shù)：
在移動(dòng)電信中，使用微波范圍中的電磁波發(fā)送信息。例如，頻率范圍為890-960兆赫茲(GSM900)、1710-1880兆赫茲(GSM1800或DCS)、1850-1990兆赫茲(GSM1900或PCS)、以及UMTS頻段(1885-2200兆赫茲)的GSM移動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn)、在頻率范圍為1880-1900兆赫茲的無繩電話的DECT標(biāo)準(zhǔn)、以及在頻率范圍為2400-2480兆赫茲的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的目的是允許數(shù)據(jù)在例如移動(dòng)電話和其它電子設(shè)備如計(jì)算機(jī)、其它移動(dòng)電話等之間進(jìn)行交換。
在這種情況下，天線要通過建立電磁諧振來輻射電磁能。這就要求天線的長度至少等于所發(fā)射的輻射的波長的1/4。如果用空氣作為電介質(zhì)(εr＝1)，則1000兆赫茲頻率所需的天線長度是75mm。
為了使在指定的所發(fā)射的輻射的波長下天線尺寸最小，可以使用介電常數(shù)εr＞1的電介質(zhì)作為天線的基本組成部件。這就使輻射的波長在電介質(zhì)中縮小，縮小的倍數(shù)為 根據(jù)這種電介質(zhì)設(shè)計(jì)的天線的尺寸也減小了相同的倍數(shù)。
這種類型的天線包括介電材料塊(基板)。一個(gè)或多個(gè)諧振金屬化結(jié)構(gòu)加到這個(gè)基板的表面上，所說的基板由期望的工作頻段(一個(gè)或多個(gè))規(guī)定。諧振頻率的數(shù)值取決于印刷的金屬化結(jié)構(gòu)的尺寸和基板的介電常數(shù)的數(shù)值。隨著金屬化結(jié)構(gòu)的長度的增加以及介電常數(shù)的數(shù)值的變大，各個(gè)諧振頻率的數(shù)值變低。這種類型的天線還稱之為印刷的導(dǎo)線天線(PWA)或電介質(zhì)共用天線(DBA)，這種天線例如在DE100 49 844.2和DE 100 49 845.0中公開。
這種天線的一個(gè)特殊的優(yōu)點(diǎn)是它們可以與所需要的其它部件一起通過表面安裝技術(shù)(SMD)直接安裝在印刷電路板(PCB)上，所說的表面安裝技術(shù)即平焊到電路板上并且產(chǎn)生觸點(diǎn)的方式相同，其中提供電磁能不需要任何附加的安裝部件(插針)。
然而，這些天線存在缺點(diǎn)，即，天線的電特性受到天線周圍情況的影響，如受到周圍的塑料外殼的性質(zhì)和塑料外殼距天線的距離的影響、以及天線的電特性取決于天線焊到印刷電路板上的位置。例如，如果天線的大小尺寸適合安裝在印刷電路板的右上角，則將這個(gè)天線安裝在除此之外的任何其它位置都將引起天線的輸入特性的重大變化，如發(fā)生中心頻率的移動(dòng)，這又將導(dǎo)致天線的輻射特性的變化。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種微波天線，它的電學(xué)性質(zhì)至少在很大程度上與所說微波天線在印刷電路板上的安裝的地點(diǎn)和特別是角度無關(guān)。
本發(fā)明還要提供一種微波天線，它的電學(xué)性質(zhì)至少在很大程度上與周圍外殼的性質(zhì)與離開外殼的距離無關(guān)。
本發(fā)明還要提供這種類型的微波天線，它適于用作在本說明書的開始段中提到過的移動(dòng)電信頻率范圍內(nèi)的雙波段或多波段天線。
本發(fā)明還提供這種類型的微波天線，它的制造費(fèi)用明顯低于現(xiàn)有的可比擬的微波天線的制造費(fèi)用。
如權(quán)利要求1所述的，通過一種微波天線來實(shí)現(xiàn)所說的目的，所說的微波天線具有基板、至少一個(gè)諧振金屬化結(jié)構(gòu)、和用于耦合要輻射的高頻能量的至少第一和第二饋電點(diǎn)(feed point)，這里要對于饋電點(diǎn)進(jìn)行安排，以使對于印刷電路板上天線的不同位置而言，在每一種情況下都可以選擇一個(gè)饋電點(diǎn)，在這種情況下天線的電學(xué)性質(zhì)至少基本上不發(fā)生變化。
實(shí)現(xiàn)所說目的這種方式的特殊優(yōu)點(diǎn)是，這種方式可以應(yīng)用到在本說明書的開始段中提到的所有頻段的天線上，還可以應(yīng)用到雙頻段和多頻段的天線上去。
從屬權(quán)利要求涉及本發(fā)明的有益的另外的實(shí)施方案。
利用如權(quán)利要求2、3、4詳細(xì)描述的另外的實(shí)施方案，如果天線的位置發(fā)生變化，有可能在特別大的程度上使天線的電學(xué)性質(zhì)保持不變。
如權(quán)利要求5詳細(xì)描述的另外的實(shí)施方案的優(yōu)點(diǎn)是，天線可以相對于它的諧振頻率進(jìn)行調(diào)諧，即使天線處在已裝配好的狀態(tài)也能進(jìn)行調(diào)諧。對于如權(quán)利要求7所述的另外的實(shí)施方案，這尤其天真的，其條件只是其中的金屬化結(jié)構(gòu)要安放在相關(guān)的印刷電路板上并且天線一旦安裝就不再能夠接近金屬化結(jié)構(gòu)。
在權(quán)利要求7中詳細(xì)描述的另外的實(shí)施方案的優(yōu)點(diǎn)是，在制造過程中可以節(jié)約相當(dāng)大的成本，因?yàn)榛灞仨氈辉谝粋?cè)上印刷(或涂敷)才能使其具有金屬化結(jié)構(gòu)。如果將天線安裝在印刷電路板上以使基板的攜帶金屬化結(jié)構(gòu)的主面安放在印刷電路板上，可實(shí)現(xiàn)成本的進(jìn)一步地降低，因?yàn)樵谶@種情況下除了焊接點(diǎn)外沒有任何一個(gè)饋電針(feedpin)需要與金屬化結(jié)構(gòu)接觸。
最后，對于在權(quán)利要求6和8中詳細(xì)描述的另外的實(shí)施方案，有可能在本說明書的開始段中提到的頻率范圍內(nèi)相對于諧振頻率的確定范圍實(shí)現(xiàn)特別好的天線特性。
參照下面描述的實(shí)施例，本發(fā)明的這些和其它的方面將變得顯而易見。


圖1是天線的第一實(shí)施例的示意平面圖；圖2是在不同點(diǎn)具有按照本發(fā)明的天線的印刷電路板的示意圖；圖3表示天線的第一實(shí)施例的S11參數(shù)的曲線；圖4是天線的第二實(shí)施例的示意平面圖；圖5表示天線的第二實(shí)施例的S11參數(shù)的曲線。
具體實(shí)施例方式
就其基本類型而論，所述的天線10是所謂印刷導(dǎo)線天線(PWA)或者電介質(zhì)共用天線(DBA)，其中至少一個(gè)諧振金屬化結(jié)構(gòu)1加到基板11上。因此，所說的天線在原理上是金屬線天線，它與微帶線天線不同，在基板11的后部沒有金屬區(qū)來形成參考電位。
以下所述的實(shí)施例的基板11是大體上平行六面體形狀的塊的形狀，它的高度小于它的長度或?qū)挾?，相差?-10倍。在此基礎(chǔ)上，基板11的(大)面是如圖1和4所示的視圖中的上表面，這個(gè)面在下面的說明中稱之為上主面，安放在印刷電路板20上的面稱之為下主面，垂直定向的那些面稱之為側(cè)面。
然而，對于基板還可能選擇其它的幾何形狀，而不僅僅是平行六面體，例如可選擇圓柱形，例如在一個(gè)螺旋形路徑之后可將相應(yīng)的諧振金屬化結(jié)構(gòu)加到這個(gè)圓柱形上。
通過在聚合母體(polymer matrix)中嵌入瓷陶粉末可以制造出基板，這些基板的介電常數(shù)ε，＞1和/或相對磁導(dǎo)率μT＞1。
嚴(yán)格地說，如圖1所示的天線10的第一實(shí)施例包括一個(gè)平行六面體形狀的電介質(zhì)基板11，基板11的長度約為10.5mm，寬度約為2.4mm，高度為1mm?；宀牧系慕殡姵?shù)εr約為21.5。
加到基板11的下主面上的是第一諧振金屬化結(jié)構(gòu)1(用虛線表示)，第一諧振金屬化結(jié)構(gòu)1經(jīng)過第一連接點(diǎn)(焊點(diǎn))2連接到地電位。諧振金屬化結(jié)構(gòu)1可以通過以印刷導(dǎo)體形式的一個(gè)或多個(gè)單個(gè)金屬化形成，如果需要，這些金屬化結(jié)構(gòu)甚至于可以有不同的寬度。在所示的第一實(shí)施例中，所說的金屬化結(jié)構(gòu)以大體上曲折的結(jié)構(gòu)形狀延伸至基板的整個(gè)長度，它的電的有效長度L｀為 ，這里，L是信號在自由空間的波長。金屬化結(jié)構(gòu)的尺寸是這樣的它的長度約為期望天線輻射電磁能量的波長的一半。例如，如果天線要對于藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)操作，藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的頻率范圍在2400和2483.5兆赫茲之間，這將給出在自由空間的波長L約為12.5cm。如果基板的介電常數(shù)εr為21.5，則半波長0.5L｀和因此即金屬化結(jié)構(gòu)1所需的幾何長度縮短到約為13.48mm。
諧振金屬化結(jié)構(gòu)1還可以嵌入基板11內(nèi)。
在基板11的下主面上，除了具有諧振金屬化結(jié)構(gòu)1以外，還有至少兩個(gè)另外的金屬化結(jié)構(gòu)，這兩個(gè)金屬化結(jié)構(gòu)用作饋電點(diǎn)3、4。用于電容性饋入輻射的高頻能量。
如圖1所示，這些點(diǎn)是第一饋電點(diǎn)3和第二饋電點(diǎn)4，將這兩個(gè)饋電點(diǎn)安排在第一連接點(diǎn)2的區(qū)域內(nèi)，在基板1l的下主面的相對的兩側(cè)上，相對于基板11的縱軸對稱分布。出于與生產(chǎn)有關(guān)的理由，饋電點(diǎn)3、4最好距基板11的邊緣分開約200微米。與第一連接點(diǎn)2類似，饋電點(diǎn)3、4焊接到印刷電路板20內(nèi)的相應(yīng)的接觸點(diǎn)上。
由于在基板11的一個(gè)縱向端的區(qū)域內(nèi)有這樣的3個(gè)焊接點(diǎn)(2、3、4)，所以還提供另外的焊接點(diǎn)5來改善例如印刷電路板20發(fā)生彎曲的情況下的機(jī)械負(fù)荷承受能力和保證可靠的接觸，同時(shí)出于機(jī)械方面的原因，將焊接點(diǎn)5安排在下主面上的基板11的相對的縱向端的區(qū)域內(nèi)。
圖2是印刷電路板20的示意圖，印刷電路板20具有移動(dòng)電信設(shè)備的典型尺寸，例如90×35mm。天線10通常緊固到這種類型的印刷電路板20的4個(gè)角之一上。在圖2中，天線10在圖中表示在右上角和左上角中的每一個(gè)角上，表示出兩個(gè)可能的裝配位置。
從圖2中還可以看出，到諧振金屬化結(jié)構(gòu)1的第一連接點(diǎn)2分別焊接到第一印刷導(dǎo)體21和第二印刷導(dǎo)體22上(接地連接)。輻射的高頻能量的電容性饋入是分別經(jīng)過第二和第三印刷導(dǎo)體23、24發(fā)生的。重要的是要保證天線10的電學(xué)特性不受印刷電路板20的邊角之一上定位位置的影響，重要的還有，要針對這個(gè)饋入(infeed)選擇特定情況下適用的饋電點(diǎn)3、4。
如從圖2可以看出，如果天線10定位在左上角并且焊接到第一印刷導(dǎo)體23，則選擇第一饋電點(diǎn)3；而如果天線10定位在右上角，正是第二饋電點(diǎn)4才連接到第二印刷導(dǎo)體24。在指定的情況下不管哪一個(gè)饋電點(diǎn)4、3不使用，則保持不連接，因此處在浮動(dòng)電位。
如果天線10定位在圖2的左下角或右下角，則情況相同，但保持鏡向?qū)ΨQ性。
對于圖2所示的天線10的兩個(gè)位置進(jìn)行S11參數(shù)的測量，并且相互比較兩個(gè)測量值。在圖3中表示出這些測量的結(jié)果。虛線I是天線10在印刷電路板的左上角時(shí)的S11參數(shù)的曲線，而天線10定位在右上角時(shí)產(chǎn)生由實(shí)線II代表的S11參數(shù)。在圖2中可以看出的在兩個(gè)諧振頻率之間的大約2兆赫茲的差異是由以下的事實(shí)引起的兩個(gè)位置不可能完全重疊(duplicated)。
為了產(chǎn)生雙頻段或多頻段天線，可以將兩個(gè)或多個(gè)諧振金屬化結(jié)構(gòu)1加到基板11上或嵌入基板11內(nèi)。
令人驚奇的是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，若獲得天線10的期望的電學(xué)性質(zhì)，將完整的金屬化結(jié)構(gòu)1只加到基板11的一個(gè)主面上就足夠了，尤其是當(dāng)金屬化結(jié)構(gòu)1具有如圖所示的曲折結(jié)構(gòu)形狀(或者具有某種其它合適的結(jié)構(gòu)形狀)時(shí)更是如此。如果饋電點(diǎn)和連接點(diǎn)3、4、2也定位在這個(gè)主面上，這將產(chǎn)生極為重要的優(yōu)點(diǎn)可以明顯降低天線的制造成本，因?yàn)榛?1不再必須是3維印刷的就能加到金屬化結(jié)構(gòu)1上，而金屬化結(jié)構(gòu)11通常分布在不止一個(gè)面上。
此外，如果天線10安裝在印刷電路板20上，從而使攜帶金屬化結(jié)構(gòu)1、2、3、4的主面是下主面，也不需要任何饋電點(diǎn)與金屬化結(jié)構(gòu)接觸(只有焊接點(diǎn)與金屬化結(jié)構(gòu)接觸)。
圖4表示按照本發(fā)明的天線10的第二實(shí)施例。用與圖1中相同的參考標(biāo)號來識別相同的或者相互對應(yīng)的部件。
這個(gè)天線10也包括基板11，諧振金屬化結(jié)構(gòu)1加到基板11的主面上，基板11的這個(gè)主面在所示的視圖中是下主面。這個(gè)金屬化結(jié)構(gòu)1再一次地經(jīng)過第一連接點(diǎn)2連接到印刷電路板(未示出)的地電位，并且借助于饋電點(diǎn)為金屬化結(jié)構(gòu)電容性地饋電。除了與圖1中所示的第一實(shí)施例的第一和第二饋電點(diǎn)3、4對應(yīng)的第二實(shí)施例的第一和第二饋電點(diǎn)3、4以外，在這個(gè)第二實(shí)施例中提供附加的第三和第四饋電點(diǎn)6、7，這些附加的饋電點(diǎn)6、7分別相對于第一和第二饋電點(diǎn)3、4并且圍繞基板的橫向軸對稱地安排。
這個(gè)天線10還有一個(gè)第二連接點(diǎn)18，第二連接點(diǎn)18安排在金屬化結(jié)構(gòu)1上第一連接點(diǎn)2的相對端，并且連接到印刷電路板(未示出)上的印刷導(dǎo)體9。
這個(gè)印刷導(dǎo)體9是一個(gè)調(diào)諧短截線，通過調(diào)諧短截線，例如用激光束減小調(diào)諧短截線的長度，可以調(diào)諧金屬化結(jié)構(gòu)1的諧振頻率，這時(shí)的天線處在裝配好的狀態(tài)。這樣，天線10在裝配好的狀態(tài)下是可以調(diào)諧的，即使在這個(gè)狀態(tài)下在基板11的下主面上的金屬化結(jié)構(gòu)1不再能夠接近也是可以調(diào)諧的。
圖5表示天線10對于兩個(gè)不同長度的印刷導(dǎo)體9的并且用S11參數(shù)形式表示的輸入特性曲線。虛線I表示當(dāng)印刷導(dǎo)體9約為3mm長時(shí)的S11參數(shù)的曲線，虛線II表示當(dāng)印刷導(dǎo)體9已經(jīng)縮短到約為2mm長時(shí)的S11參數(shù)的曲線。從這些曲線顯然可以看出，在上述的這種情況下，天線10的諧振頻率從約為2.4千兆赫茲移動(dòng)到約為2.45千兆赫茲。
這個(gè)實(shí)施例還有下述的優(yōu)點(diǎn)由于4個(gè)饋電點(diǎn)3、4、6、7是對稱安排的，所以，如果需要的話，天線10也可以安裝在印刷電路板20上在附圖平面中轉(zhuǎn)動(dòng)180°的位置。因此，在例如大批量生產(chǎn)當(dāng)中，就沒有必要進(jìn)行視覺檢查來查看天線10是否正確地定位在印刷電路板20上，于是，節(jié)約了時(shí)間和金錢。
關(guān)于天線10的定位問題，與針對第一實(shí)施例所述的相同，也與針對圖2的敘述相同。在這個(gè)實(shí)施例中，未使用的饋電點(diǎn)不進(jìn)行連接。
最后，這個(gè)實(shí)施例具有一個(gè)可替換的金屬化結(jié)構(gòu)1，所說的金屬化結(jié)構(gòu)1大約在(下)主面的中心按照一根大體上的直線在基板11的整個(gè)長度上延伸。沿金屬化結(jié)構(gòu)1的長度提供兩個(gè)焊接點(diǎn)5，焊接點(diǎn)5也是用于提供天線10到印刷電路板20的附加的機(jī)械固定。
于是，按照本發(fā)明的天線10適于用在不同設(shè)計(jì)的印刷電路板上，印刷電路板的尺寸、印刷電路板的金屬化結(jié)構(gòu)、或者印刷電路板的連接都沒有任何變化。尤其是，在存在用于在本說明書的開始段中提到的那種類型的不同頻段的多個(gè)諧振金屬化結(jié)構(gòu)的情況下，可以提供在不同的移動(dòng)電信設(shè)備中使用的通用能力。
最后，應(yīng)該指出的是，在具有多個(gè)金屬化結(jié)構(gòu)1的雙頻段或多頻段天線的情況下，可以在印刷電路板20上為每個(gè)這樣的金屬化結(jié)構(gòu)1提供印刷導(dǎo)體9，用于調(diào)諧金屬化結(jié)構(gòu)1的諧振頻率。
當(dāng)然，即使對于沒有提供上述的對稱安排的饋電點(diǎn)3、4、6、7的基板天線、或者它的金屬化結(jié)構(gòu)(一個(gè)或多個(gè))在基板11的多個(gè)面上延伸，所說的基板天線也能夠連接到設(shè)置在相關(guān)的印刷電路板20上的印刷導(dǎo)體9上，并且可使用印刷導(dǎo)體9以便通過改變印刷導(dǎo)體9的長度來調(diào)諧相關(guān)的金屬化結(jié)構(gòu)1的諧振頻率。因此，借助于這種類型的印刷導(dǎo)體9實(shí)現(xiàn)的調(diào)諧性不限于具有對稱的饋電點(diǎn)或者它的金屬化結(jié)構(gòu)只在一個(gè)主面上延伸的這種類型的天線。
權(quán)利要求
1.一種微波天線，具有基板(11)、至少一個(gè)諧振金屬化結(jié)構(gòu)(1)、和用于耦合要輻射的高頻能量的至少第一和第二饋電點(diǎn)(3、4、6、7)，對于饋電點(diǎn)進(jìn)行安排，以使對于印刷電路板(20)上天線(10)的不同位置而言，在每一種情況下都可以選擇一個(gè)饋電點(diǎn)，在這個(gè)情況下天線(10)的電學(xué)性質(zhì)至少基本上不發(fā)生變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波天線，其特征在于饋電點(diǎn)(3、4、6、7)安排在基板(11)的一個(gè)主面的邊緣區(qū)域，相對于基板(11)縱軸和/或橫軸對稱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波天線，其特征在于要輻射的高頻能量經(jīng)過饋電點(diǎn)(3、4、6、7)電容性地耦合到至少一個(gè)金屬化結(jié)構(gòu)(1)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波天線，其特征在于至少一個(gè)金屬化結(jié)構(gòu)(1)經(jīng)過第一連接點(diǎn)(2)連接到印刷電路板(20)的地電位。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波天線，其中至少一個(gè)金屬化結(jié)構(gòu)(1)經(jīng)過第二連接點(diǎn)(8)連接到印刷電路板(20)上的印刷導(dǎo)體(9)，可以改變印刷導(dǎo)體(9)的長度以調(diào)諧裝配好的天線(10)的諧振頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微波天線，其特征在于第一和第二連接點(diǎn)(2、8)定位在至少一個(gè)金屬化結(jié)構(gòu)(1)的相對的兩端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波天線，其特征在于至少一個(gè)金屬化結(jié)構(gòu)(1)和饋電點(diǎn)以及連接點(diǎn)(3、4、6、7、2、8)都定位在基板(11)的一個(gè)主面上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波天線，其特征在于至少一個(gè)金屬化結(jié)構(gòu)(1)按照基本上曲折的結(jié)構(gòu)形狀延伸。
9.一種印刷電路板，尤其是用于表面安裝電子部件的印刷電路板，具有根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)所述的微波天線(10)。
10.具有根據(jù)權(quán)利要求1-8中任何一個(gè)所述的微波天線(10)的一種電信設(shè)備。
全文摘要
描述了一種微波天線，具有基板(11)、至少一個(gè)諧振金屬化結(jié)構(gòu)(1)、和用于耦合要輻射的高頻能量的至少第一和第二饋電點(diǎn)(3、4、6、7)，所說的天線特別適用于表面安裝在印刷電路板(20)上。在這種情況下，對于饋電點(diǎn)(3、4、6、7)進(jìn)行安排，以使對于印刷電路板(20)上天線(10)的不同位置而言，在每一種情況下都可以選擇一個(gè)饋電點(diǎn)，在這個(gè)情況下天線(10)的電學(xué)性質(zhì)至少基本上不發(fā)生變化。
文檔編號H01Q9/30GK1639910SQ03805307
公開日2005年7月13日 申請日期2003年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月6日
發(fā)明者A·希格斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司