專利名稱：寬帶無線通信移動(dòng)終端平面天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于無線通信移動(dòng)終端的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，屬于無線通信技術(shù)的天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著無線通信的發(fā)展，對(duì)集成的移動(dòng)終端如移動(dòng)電話、筆記本電腦、個(gè)人數(shù)字助理(PDA，personal digital assistant)等的需求越來越大。這些移動(dòng)終端往往工作在不同頻段，要求其工作在寬帶或多頻段并且尺寸小、重量輕。天線是無線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，天線性能可能增強(qiáng)或限制整個(gè)通信系統(tǒng)的性能?？紤]到目前主要的無線業(yè)務(wù)的工作頻段如GSM(theglobal system for mobile communication，890-960MHz)、GPS(the global positioningsystem，1575.42MHz)、DCS(digital communication system，1710-1880MHz)、PCS(personalcommunication system，1850-1990MHz)、UMTS(universal mobile telecommunicationsystem，1920-2170MHz)、WLAN(wireless local area network，2400-2484MHz)，天線需要寬帶/多頻段工作，并且要尺寸小、易集成、成本低。
目前應(yīng)用于無線通信移動(dòng)終端的天線形式主要是單極天線、螺旋天線或內(nèi)置的平面倒F形天線，這些天線的相對(duì)帶寬均在10％以下，顯然很難滿足無線通信發(fā)展的需要。使天線能夠?qū)拵?多頻段工作，也就是拓寬天線工作帶寬的方法主要有兩種一種是增強(qiáng)天線本身的帶寬，如阻抗匹配法、多諧振法、減小微帶天線襯底有效介電常數(shù)的方法；另一種是頻率靈活性改進(jìn)法，使天線工作于幾個(gè)鄰近的諧振頻率或多頻工作，實(shí)現(xiàn)單根天線的多頻段或?qū)拵Чぷ?。天線的總體尺寸受工作的最低頻段制約因而較大。目前用得最多的縮小天線電尺寸的方法是對(duì)天線進(jìn)行阻抗加載，例如對(duì)天線覆蓋高介電常數(shù)的介質(zhì)可以有效地縮小天線的電尺寸，但這會(huì)增加天線的介質(zhì)損耗、降低天線效率，另外，雖然天線的長度(或高度)減小了，但其剖面、重量卻會(huì)增大，高介電常數(shù)介質(zhì)的材料性能穩(wěn)定性不是太好、價(jià)格也較為昂貴。此外，縮小天線的電尺寸往往是以犧牲天線的帶寬為代價(jià)。
已有的單根寬帶/多頻段天線雖然不同程度地滿足多頻段或?qū)拵Чぷ鞯男枰?，但大多?shù)為分離的工作頻帶、不能同時(shí)滿足GSM900、DCS、GSM1800、PCS、UMTS、WLAN對(duì)工作頻帶的要求，幾乎都沒有考慮GPS的工作頻率；有的為三維結(jié)構(gòu)，不容易安裝和集成；有的尺寸較大，不能滿足小尺寸移動(dòng)終端比如手機(jī)對(duì)天線尺寸的要求。因此，如果能設(shè)計(jì)出寬帶(工作頻帶在890MHz到2484MHz)、結(jié)構(gòu)緊湊、易集成、適用于移動(dòng)終端的電小尺寸天線，將使移動(dòng)終端能滿足現(xiàn)在和未來無線通信對(duì)工作頻帶的要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信代與代之間的過渡，增加其對(duì)新業(yè)務(wù)和工作頻帶連續(xù)的適應(yīng)性和靈活性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種實(shí)現(xiàn)多頻段/寬帶、低成本、易集成、電小尺寸的無線通信移動(dòng)終端天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。它克服了現(xiàn)有無線通信移動(dòng)終端天線性能、結(jié)構(gòu)的不足，通過對(duì)天線的輻射單元和天線的金屬地進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)，減小天線的尺寸，展寬天線的工作頻帶；采用平面結(jié)構(gòu)，使天線與通信系統(tǒng)易于集成；采用普通的數(shù)字電路的印刷電路板(PCB，printedcircuit board)和加工工藝，使天線成本很低。
本發(fā)明的特征在于，所述平面天線印制在一塊數(shù)字電路的印刷電路板上，該平面天線含有輻射單元，貼于所述印刷電路板的一個(gè)面上，該輻射單元含有矩形金屬貼片，貼在所述印刷電路板的一個(gè)面的頂部，所述矩形金屬貼片的長度和寬度決定所述平面天線的主要工作頻段；三角形金屬貼片，所述三角形的底邊和所述矩形金屬貼片的底邊重合，所述三角形從頂點(diǎn)至該三角形底邊的高位于所述矩形金屬貼片的縱軸線上，所述三角形金屬貼片的頂角和高度決定所述平面天線的工作帶寬；饋線，該饋線的饋電點(diǎn)在所述三角形金屬貼片的頂點(diǎn)，該饋線可以采用微帶線，也可以采用探針等其它形式，采用微帶線時(shí)該饋線和所述輻射單元貼片在所述印刷電路板的同一面上，該饋線的長度根據(jù)饋電點(diǎn)與電源的位置調(diào)整，該饋線的阻抗為50歐姆，以滿足阻抗匹配的條件；金屬地，貼于所述印刷電路板的另一個(gè)面上，該金屬地包括另一片矩形金屬貼片，在所述印刷電路板上處于和所述微帶線饋線相對(duì)應(yīng)的位置上，用以模擬無限通信系統(tǒng)中除所述平面天線外的其他部分；T形金屬貼片，在所述印刷電路板上處于和所述輻射單元相對(duì)應(yīng)的位置上，該T形金屬貼片決定所述平面天線的最低工作頻率。
在所述輻射單元，還包括兩個(gè)梯形金屬貼片，該貼片與所述輻射單元同貼于所述印刷電路板的同一個(gè)面上，所述兩個(gè)梯形金屬貼片分別貼在所述輻射單元的矩形金屬貼片底邊的兩側(cè)，該梯形的底邊分別與所述輻射單元中矩形金屬貼片的底邊重合，而該梯形的外側(cè)邊分別與所述印刷電路板的兩條側(cè)邊重合；所述兩個(gè)梯形金屬貼片用于微調(diào)所述平面天線的最低工作頻率和帶寬。
本發(fā)明具有寬帶、電小尺寸、低成本、易制作、易集成的優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于無線通信移動(dòng)終端。


圖1為本發(fā)明提供的一種寬帶無線通信移動(dòng)終端平面天線三維圖。
圖2為圖1的A向視圖即縱向剖面圖。
圖3為圖1的B向視圖即天線的輻射單元和饋線的結(jié)構(gòu)圖(圖中虛線為圖4所示結(jié)構(gòu)在這個(gè)面上的投影)。
圖4為圖1的C向視圖即天線的金屬地的結(jié)構(gòu)圖(圖中虛線為圖3所示結(jié)構(gòu)在這個(gè)面上的投影)。
圖5為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例尺寸圖。
圖6為圖5的實(shí)施實(shí)例的電壓駐波比圖。
圖7為圖5的實(shí)施實(shí)例的增益圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供的一種寬帶無線通信移動(dòng)終端平面天線，如圖1一圖4所示，天線結(jié)構(gòu)印制在PCB1上，包括天線的輻射單元2、天線的金屬地3和饋線4，所述的天線的金屬地3是指PCB1兩個(gè)面中不含天線的輻射單元2的那個(gè)金屬面。其特征在于，其輻射單元2如圖3所示，包括一個(gè)矩形金屬貼片5、一個(gè)三角形金屬貼片6、兩個(gè)梯形金屬貼片7、8；其金屬地3如圖4所示，包括用來模擬無線通信系統(tǒng)中除天線外的其它部分的矩形金屬貼片13、一個(gè)T形金屬貼片14。所述的輻射單元2和饋線4(饋線阻抗應(yīng)為50歐姆，以滿足阻抗匹配條件，可以采用圖中所示的微帶線饋電，也可以采用探針等其它方式饋電，饋線的長度可根據(jù)饋電點(diǎn)與電源的位置調(diào)整)如圖3相連，采用微帶線時(shí)該饋線和輻射單元2印制在PCB1的同一個(gè)面上，采用探針等其它形式時(shí)，饋電點(diǎn)位置在所述三角形金屬貼片的頂點(diǎn)；天線的金屬地3印制在PCB1的另一個(gè)面上；兩個(gè)面的相對(duì)位置如圖2-圖4所示(圖3、圖4中的虛線為PCB1另一個(gè)面上的結(jié)構(gòu)在圖所示結(jié)構(gòu)所在面上的投影)。所述的兩個(gè)梯形貼片7、8不一定要，可以根據(jù)天線的工作頻帶的要求決定是否選用。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的在三角形金屬貼片6尺寸取定的情況下，作為輻射單元2的矩形金屬貼片5的長度10和寬度11決定天線的主要工作頻段，是主輻射單元；三角形金屬貼片6的頂角9和高度12決定天線的工作頻帶的帶寬，用來展寬天線的帶寬；T形金屬貼片14可以影響天線的帶寬，但是更重要的是它決定了天線的最低工作頻率，可以在不增加天線輻射單元2尺寸的條件下有效地降低天線的工作頻率；兩個(gè)梯形金屬貼片7、8(可以不用)可以微調(diào)天線的最低工作頻率和帶寬。最重要的是，由于天線的輻射單元2、天線的金屬地3對(duì)天線的性能都有影響，因此天線的輻射單元2、天線的金屬地3的尺寸應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)。
該結(jié)構(gòu)具體說明如下首先根據(jù)具體的通信系統(tǒng)選定用來模擬通信系統(tǒng)中除天線外的其它部分的矩形金屬貼片13部分的尺寸；其次根據(jù)對(duì)天線電特性的要求選定輻射單元中的矩形金屬貼片5、三角形金屬貼片6和金屬地3中T形金屬貼片14的初步尺寸，并根據(jù)饋電點(diǎn)和電源位置確定饋線4的形式及其初步尺寸；再根據(jù)此時(shí)天線的電特性和要求的電特性決定是否采用梯形金屬貼片7、8及其初步尺寸；最后再對(duì)各部分尺寸進(jìn)行調(diào)整，確定最終尺寸。本發(fā)明提供的天線結(jié)構(gòu)可以采用普通的數(shù)字電路PCB制作工藝制作(可與數(shù)字電路部分的電路畫在一張圖上同時(shí)制作)。
通常本發(fā)明中所述的金屬地3中用來模擬無線通信系統(tǒng)中除天線外的其它部分的矩形金屬貼片13部分的尺寸可以根據(jù)天線所應(yīng)用的通信系統(tǒng)的具體情況選定尺寸，比如在手機(jī)中可以選定這部分尺寸為長60mm×寬50mm，因?yàn)閷?duì)于具體的通信系統(tǒng)，這部分結(jié)構(gòu)尺寸是固定的，在天線整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)保持不變。天線的饋線4的阻抗應(yīng)為50歐姆，以滿足阻抗匹配條件，可以采用微帶線饋電，也可以采用探針等其它方式饋電，饋線4的長度可根據(jù)饋電點(diǎn)與電源的位置調(diào)整，附圖中所示均為微帶線饋電。下面對(duì)作為金屬地3的矩形金屬貼片13和饋線4不再說明。
各部分結(jié)構(gòu)的作用如下1.三角形金屬貼片6的作用在只有矩形金屬貼片5和三角形金屬貼片6、沒有T形金屬貼片14和梯形金屬貼片7、8的情況下，如果矩形金屬貼片5的長度10和寬度11、三角形金屬貼片6的高度12的尺寸固定(可根據(jù)天線安裝環(huán)境的尺寸確定)，三角形金屬貼片6的頂角9越大，天線的相對(duì)帶寬越大，但天線的最低工作頻率將略向高頻率方向漂移。
2.T形金屬貼片14的作用在只有矩形金屬貼片5和三角形金屬貼片6、沒有梯形金屬貼片7、8的情況下，通常，可以通過增加矩形金屬貼片5和三角形金屬貼片6的尺寸來降低天線的最低工作頻率，但是，這樣可能會(huì)使天線的總體尺寸超過移動(dòng)終端體積的限制。因此，為了既降低天線的最低工作頻率又保持天線的總體尺寸不增大，本發(fā)明提出在用來模擬無線通信系統(tǒng)中除天線外的其它部分的矩形金屬貼片13部分的PCB1的同一面的y方向、即天線輻射單元2的另一面的對(duì)應(yīng)位置加一個(gè)T形金屬貼片14，如圖4所示。在其它條件相同的情況下，天線的最低工作頻率可以大大降低。作為代價(jià)，天線的相對(duì)帶寬將有所降低?？梢愿鶕?jù)對(duì)天線的工作頻率、相對(duì)帶寬的要求，折中選取其尺寸。
3.矩形金屬貼片5的作用在只有矩形金屬貼片5、三角形金屬貼片6和T形金屬貼片14、沒有梯形金屬貼片7、8的情況下，如果矩形金屬貼片5的長度10、三角形金屬貼片6的頂角9、矩形金屬貼片5的寬度11與三角形金屬貼片6的高度12之和的尺寸固定，則隨著矩形金屬貼片5的寬度11變大，天線的最高工作頻率變大，而最低工作頻率幾乎不變。
4.梯形金屬貼片7、8的作用在矩形金屬貼片5、三角形金屬貼片6和T形金屬貼片14的尺寸固定的情況下，改變梯形金屬貼片7、8的尺寸，天線的相對(duì)帶寬、最低和最高工作頻率都會(huì)改變。通常，梯形金屬貼片7、8的高度越高，天線的相對(duì)帶寬越窄，最低和最高工作頻率均向低頻方向偏移，可根據(jù)對(duì)天線的工作頻率范圍選取其尺寸。在選定的矩形金屬貼片5、三角形金屬貼片6和T形金屬貼片14的尺寸下，如果已滿足天線性能的要求，可以不采用梯形金屬貼片。兩個(gè)梯形金屬貼片7、8的作用主要是可以微調(diào)天線的最低工作頻率和帶寬。
5.天線的輻射單元2、天線的金屬地3的尺寸的聯(lián)合設(shè)計(jì)對(duì)于電小天線，除了天線的輻射單元外，天線的金屬地實(shí)際上也參與輻射電磁波，也是天線的重要組成部分，本發(fā)明中把結(jié)構(gòu)分為天線的輻射單元2和天線的金屬地3兩部分只是為了描述方便。因此，在天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，特別是最后調(diào)整尺寸階段，應(yīng)根據(jù)對(duì)天線電特性的要求，對(duì)兩部分結(jié)構(gòu)的尺寸都進(jìn)行調(diào)整，以得到最優(yōu)性能。
為了說明本發(fā)明提出的寬帶無線通信移動(dòng)終端平面天線的性能，下面給出一個(gè)具體實(shí)例。
在本例中，采用PCB1的介質(zhì)基片厚度為0.4mm、相對(duì)介電常數(shù)為4.4(普通的數(shù)字電路用印刷電路板材料FR4)，各部分尺寸如圖5所示，圖中所有尺寸的單位均為毫米(mm)。采用普通的數(shù)字電路PCB制作工藝制作。
以圖5所示尺寸制作的天線的電壓駐波比測(cè)試結(jié)果如圖6所示，增益如圖7所示。在本例中，由圖6可看出，駐波比小于3時(shí)，天線的阻抗帶寬的頻率范圍為870-2450MHz，相對(duì)帶寬大于95％；由圖7可看出，增益在頻率范圍為800-2600MHz時(shí)都大于0dBi，而天線的總體高度30mm小于890MHz時(shí)自由空間波長的9％?？梢娖潆娞匦詽M足GSM、GPS、DCS、PCS、UMTS和WLAN的要求。由于其尺寸很小，適合用于移動(dòng)通信終端比如手機(jī)的天線。
權(quán)利要求
1.寬帶無線通信移動(dòng)終端平面天線，其特征在于，所述平面天線印制在一塊數(shù)字電路的印刷電路板上，該平面天線含有輻射單元，貼于所述印刷電路板的一個(gè)面上，該輻射單元含有矩形金屬貼片，貼在所述印刷電路板的一個(gè)面的頂部，所述矩形金屬貼片的長度和寬度決定所述平面天線的主要工作頻段；三角形金屬貼片，所述三角形的底邊和所述矩形金屬貼片的底邊重合，所述三角形從頂點(diǎn)至該三角形底邊的高位于所述矩形金屬貼片的縱軸線上，所述三角形金屬貼片的頂角和高度決定所述平面天線的工作帶寬；饋線，該饋線的饋電點(diǎn)在所述三角形金屬貼片的頂點(diǎn)，該饋線可以采用微帶線，也可以采用探針等其它形式，采用微帶線時(shí)該饋線和所述輻射單元貼片在所述印刷電路板的同一面上，該饋線的長度根據(jù)饋電點(diǎn)與電源的位置調(diào)整，該饋線的阻抗為50歐姆，以滿足阻抗匹配的條件；金屬地，貼于所述印刷電路板的另一個(gè)面上，該金屬地包括另一片矩形金屬貼片，在所述印刷電路板上處于和所述微帶線饋線相對(duì)應(yīng)的位置上，用以模擬無限通信系統(tǒng)中除所述平面天線外的其他部分；T形金屬貼片，在所述印刷電路板上處于和所述輻射單元相對(duì)應(yīng)的位置上，該T形金屬貼片決定所述平面天線的最低工作頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶天線通信移動(dòng)終端平面天線，其特征在于在所述輻射單元，還包括兩個(gè)梯形金屬貼片，該貼片與所述輻射單元同貼于所述印刷電路板的同一個(gè)面上，所述兩個(gè)梯形金屬貼片分別貼在所述輻射單元的矩形金屬貼片底邊的兩側(cè)，該梯形的底邊分別與所述輻射單元中矩形金屬貼片的底邊重合，而該梯形的外側(cè)邊分別與所述印刷電路板的兩條側(cè)邊重合；所述兩個(gè)梯形金屬貼片用于微調(diào)所述平面天線的最低工作頻率和帶寬。
全文摘要
本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)的天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域，其特征在于天線結(jié)構(gòu)印制在印刷電路板上，包括輻射單元、金屬地和饋線，金屬地是指印刷電路板兩個(gè)面中不含天線的輻射單元的那個(gè)金屬面，包括用來模擬無線通信系統(tǒng)中除天線外的其它部分的矩形金屬貼片和一個(gè)T形金屬貼片。輻射單元包括一個(gè)矩形金屬貼片、一個(gè)三角形金屬貼片、兩個(gè)梯形金屬貼片；輻射單元和饋線相連，饋線可以采用微帶線也可以采用探針等其它形式，采用微帶線時(shí)和輻射單元印制在印刷電路板的同一個(gè)面上；金屬地印制在印刷電路板的另一個(gè)面上。所述的兩個(gè)梯形貼片根據(jù)工作頻帶的要求決定是否選用。本發(fā)明具有寬帶、電小尺寸、低成本、易制作、易集成，特別適用于無線通信移動(dòng)終端的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01Q1/38GK1710748SQ200510012070
公開日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2005年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月1日
發(fā)明者杜正偉, 龔克 申請(qǐng)人:清華大學(xué)