專利名稱：多頻帶微波天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微波天線，該微波天線具有一個襯底，襯底有至少一個諧振導體軌道結構，這種結構是專為諸如移動電話和蜂窩電話之類的移動雙頻帶或多頻帶電信裝置以及按藍牙(Bluetooth)標準通信的裝置而設計的。本發(fā)明還涉及帶有這種天線的印刷電路板和帶有這種天線的電信裝置。
背景技術：
微波范圍內的電磁波用在移動電信中傳輸信息。GSM移動電話標準專用于歐洲和世界上其余的大多數(shù)用蜂窩電話系統(tǒng)的地方。在這個GSM標準中采用幾個通信頻帶一個頻帶是從880至960MHz(即所謂的GSM900)，另一個頻帶是從1710至1880MHz(即所謂的GSM1800或DCS)。第三個頻帶用從1850至1990MHZ的頻率(GSM1900或PCS)，該頻帶主要用于美國。
通常，網(wǎng)絡服務提供商只對這些頻帶中的一個頻帶提供服務。但是，移動電話日益構成為能在幾個頻帶中工作，以保證寬的覆蓋范圍，并為任何地方的移動電話提供全球工作的可能性，而不受本地通行的條件和本地工作的網(wǎng)絡限制。這些移動電話也稱作雙頻帶或多頻帶移動電話。但其先決條件是，這種移動電話的天線要能傳輸和接收相應的兩個或多個頻帶的電磁波。
最近開發(fā)的另一標準是所謂的藍牙標準(BT)，它預定的頻率范圍是從2.4至2.48GHz，它用于在例如移動電話與計算機或其它移動電話等其它電子裝置之間的交換數(shù)據(jù)。
另外，裝置的小型化是市場展示出的強烈趨勢。這就希望減小移動通信用的元件即電子元件的尺寸。目前移動電話中用的天線類型通常是導線天線，它在這方面是很不利的，因為它比較大。天線從移動電話中伸出，容易折斷，可能與用戶的眼睛發(fā)生不希望出現(xiàn)的接觸，而且還有設計美觀的問題。另外，移動電話對用戶的輻射也日益成為公眾討論的主題。導線天線從移動電話中伸出的情況下，所發(fā)射的輻射功率的主要部分會被用戶的頭吸收。
用表面貼裝(SMD)裝置進行表面貼裝，即用波峰焊浴或回流焊工藝把電子元件平面焊接到PCB或印刷電路板上，在現(xiàn)代的數(shù)字式電子裝置的技術實施中已變成通用方法。但是，目前用的天線不適合用該種安裝技術。因為，它通常只能通過特定的支架設置在移動電話的印刷電路板上，而且它也只能通過特定的供電/支撐部件如插腳來供給電磁能量。這就導致不希望用的安裝步驟、質量問題以及附加的制造成本。
人們已作了各種努力，試圖通過天線的最佳設計來解決這些不同的要求和問題。這里特別是應當考慮到與任何其它HF元件相比，天線的結構與要求的頻率范圍和相關電子裝置的應用更為密切相關，因為天線是一個諧振元件，它要調諧到相應的工作頻率范圍。通常，常規(guī)的導線天線用于發(fā)送和接收所需的信息。如果要使這種天線達到良好的輻射和接收條件，就絕對需要有一定的物理長度。在這方面，發(fā)現(xiàn)所謂的λ/2偶極子天線(λ＝開放空間中的信號波長)有特別的優(yōu)點，該天線用兩根分別長λ/4的導線相互轉動180°構成。但是，由于這些偶極子天線對許多應用而言太大，特別是對移動電信而言(例如，GSM900范圍的波長約為為32cm)，因此，只能用其它天線結構。移動電信頻帶實際廣泛使用的天線是所謂的單極天線，它是用λ/4長的導線構成的。該天線的輻射性能是可以接受的，同時，它的物理長度(對GSM900而言約8cm)是合適的。此外，這種天線有高阻抗和大輻射帶寬，所以，它能用于諸如移動電話系統(tǒng)之類的要求比較大的帶寬的系統(tǒng)。為了達到與50Ω適配的最佳功率，這類天線采用無源電適配(像大多數(shù)λ/2偶極子天線的情況一樣)。該適配(電路)通常用至少一個線圈和一個電容組合構成，它通過適當?shù)某叽缡共皇?0Ω的輸入阻抗與連接的50Ω元件適配。
還可用介電常數(shù)εr＞1的媒體實現(xiàn)該天線的小型化，因為該媒體中波長減小因數(shù)為1/εr。
這類天線包括介質材料的固體塊(襯底)。在該固體塊上印刷有金屬導體軌道。在達到電磁諧振狀態(tài)時該導體軌道以電磁波形式輻射能量。諧振頻率大小與印刷的導體軌道尺寸和固體塊的介電常數(shù)值相關。各諧振頻率值隨導體軌道長度的增大和介電常數(shù)值增大而下降。
因此，為使天線能最大程度地小型化，要選用大介電常數(shù)的材料和從諧振頻譜中選擇有最低頻率的模式。該模式被稱為基本模式或基模，相對于諧振頻率的下一較高模式稱為第一諧波。該天線也稱為印刷導線天線。這種已知的天線的頻帶寬度只能滿足諧振頻率處于GSM標準覆蓋范圍中的情形，以實現(xiàn)GSM標準的多個頻帶中的一個頻帶的完全覆蓋。因此，上述的雙頻帶或多頻帶應用在這里是不可能的。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種適于所述的雙頻帶或多頻帶應用并且尺寸盡可能小的微波天線。
而且，所提供的微波天線能通過平面焊和在導體軌道上與印刷電路板的其它元件接觸而用SMD技術安裝，不需用附加的支撐件(插腳)來供給必需的電磁功率。
本發(fā)明的另一目的是提供一種能單獨調節(jié)其諧振頻率的微波天線，不改變天線的基本設計就能調諧到適合給定的結構狀況。
最后，要提供一種其輸入阻抗也能單獨與所給定的結構狀況適配的微波天線。
為了實現(xiàn)這些目的，微波天線設有襯底，該襯底至少有一個諧振導體軌道結構，第一導體結構至少由基本上按曲折形狀延伸的第一和第二導體部分構成，其中，兩個導體部分之間有間距，該間距確定基模的第一諧振頻率與基模的第一諧波用的第二諧振頻率之間的頻率差距(frequency distance)，通過改變兩個導體部分之間的間距可調節(jié)所述第一與第二諧振頻率之間的差距。
該解決方法的特殊優(yōu)點是，可用導體軌道結構的總長度調節(jié)基模的頻率，并且可所述間距調節(jié)基模與第一諧波之間的頻率差距，使天線能作為雙頻帶天線工作在GSM900和GSM1800頻帶。
本發(fā)明的實施例的優(yōu)點是，能更好地調節(jié)頻率差距。天線與印刷電路板上的其它元件可以一起進行表面貼裝，使制造明顯地簡化和加速。能單獨調節(jié)基?；虻谝恢C波的頻率，而這兩個頻率中的另一個頻率沒有明顯的干擾。天線甚至能工作在三個頻帶中，能通過連接饋送端供電。
在本發(fā)明的一個實施例中，該三頻帶天線能進行單個諧振頻率調諧。
本發(fā)明提供了一種微波天線，包括具有第一表面、第二表面和第三表面的一個襯底；形成在所述襯底的所述第一表面上的一個金屬表面；一個導體軌道結構，所述導體軌道結構包括
具有曲折形的第一部分，所述第一部分與所述金屬表面相連，所述第一部分形成在所述襯底的所述第一表面上，與所述第一部分相連的第二部分，所述第二部分形成在所述襯底的所述第二表面上，和與所述第二部分相連的第三部分，所述第三部分形成在所述襯底的所述第三表面上；以及與所述導體軌道結構的所述第三部分相連的一個饋送端，所述饋送端形成在所述襯底的所述第三表面上。
本發(fā)明還提供了一種微波天線，包括具有第一表面和第二表面的一個襯底；形成在所述襯底的所述第一表面上的一個金屬表面；一個導體軌道結構，所述導體軌道結構包括形成在所述襯底的所述第一表面上的第一部分，所述第一部分具有曲折形，并與所述金屬表面相連，和形成在所述襯底的所述第二表面上的第二部分，所述第二部分與所述第一部分相連；以及形成在所述襯底的所述第一表面上的第一導體段，所述第一導體段以垂直的方式與所述導體軌道結構的所述第一部分相連。
本發(fā)明還提供了一種微波天線，包括具有第一表面、第二表面和第三表面的一個襯底；形成在所述襯底的所述第一表面上的一個金屬表面；一個導體軌道結構，所述導體軌道結構包括形成在所述襯底的所述第一表面上的第一部分，所述第一部分具有曲折形，并與所述金屬表面相連，和形成在所述襯底的所述第二表面上的第二部分，所述第二部分與所述導體軌道結構的所述第一部分平行；形成在所述襯底的所述第二表面上的一個饋送端，所述饋送端與所述導體軌道結構的所述第二部分相連；以及形成在所述襯底的所述第三表面上的一個導體段，所述導體段以垂直的方式與所述饋送端相連。
本發(fā)明還提供了一種微波天線，包括具有第一表面、第二表面、第三表面第四表面和第五表面的一個襯底；形成在所述襯底的所述第一表面上的第一導體和第一金屬表面，所述第一導體與所述第一金屬表面相連；形成在所述襯底的所述第一表面上的第二導體和第二金屬表面，所述第二導體與所述第二金屬表面相連；形成在所述襯底的所述第二表面、所述第三表面和所述第四表面上的一條饋送線，所述饋送線與所述第一導體和所述第二導體相連；以及形成在所述襯底的所述第五表面上的一個饋送端，所述饋送端與所述饋送線相連。


通過以下參見附圖對優(yōu)選實施例的說明，本發(fā)明的其它細節(jié)、特征和優(yōu)點將更清楚，附圖中圖1是本發(fā)明第一天線的結構透視圖；圖2是對天線測試得到的反射曲線圖；圖3是本發(fā)明第二天線的結構透視圖；圖4顯示出在印刷電路板上的本發(fā)明第二天線；圖5是在印刷電路板上的本發(fā)明第三天線的結構透視圖；圖6是對第三天線測試得到的反射曲線圖。
具體實施例方式
所述的天線基本上是印刷導線天線，其中在一個襯底上設有導體軌道。相應地，這些天線從原理上講是導線天線，與微帶天線相比，它在襯底背面沒有作為基準電位的金屬表面。
以下要說明的實施例包括一個大致是矩形塊構成的襯底，它的高度比它的長度或寬度小3至10倍。因此，以下的說明中將如圖所示的襯底的(較大的)上表面和下表面稱為第一表面或上表面和第二表面或下表面，而與它們垂直的表面稱為第一至第四側面。
但是，襯底也能選擇除矩形塊之外的其它幾何形狀，例如，其上設有同等的諧振導體軌道(例如以下的螺旋線)的圓柱形。
可以通過把陶瓷粉末埋入聚合物基體中制成襯底，襯底的介電常數(shù)εr＞1和/或導磁率μr＞1。
更詳細地說，圖1所示天線包括其表面上設有第一導體軌道結構31-39的襯底1，該結構經(jīng)饋送端40供電。襯底下表面有焊點21至25，它們也稱為印刷焊腳，通過它們可用表面貼裝法(SMD)焊到印刷電路板(PCB)上。
導體軌道結構用襯底上印刷的多個獨立導體部分構成。更詳細地說，第一和第二部分31、32基本上平行于襯底1的上表面并沿其長度延伸，第二部分32并入矩形金屬表面39中。
第三部分33也沿襯底1的長度方向延伸，但明顯比前述部分短。第一和第二部分31、32以及第二和第三部分32、33在它們的端部分別互連到第四和第五部分34、35，第四和第五部分34、35在襯底1的寬度方向上延伸，這些部分31至35構成曲折布局。
在圖1右邊所示的襯底1的第一側面11處，第六導體部分使第三部分33和位于襯底下表面上的按襯底長度方向延伸的第七部分37連接。該第七部分基本上平行于圖1所示襯底的第一和第二部分并朝最前面的(第二)側面12延伸，第七部分37的長度與第三部分33的長度大致相同，從垂直投影看第三部分位于襯底1的上表面上第七部分37之上方。按襯底的寬度方向延伸的第八部分38連接到第七部分37，而且并入金屬盤形式的饋送端40。
電磁能經(jīng)位于襯底1的下表面上的饋送端40耦合至天線。為此，在表面貼裝工藝中，饋送端焊接到印刷電路板上的相應導體軌道上(見圖4和5)。饋送端(或耦合裝置)并非必需位于襯底1的第二側面12上。
饋送端40在第二側面12處并入第一導體段41，這在以下會更詳說明。
用已知的方式通過印刷導體軌道結構的總長度調節(jié)該天線的諧振頻率。該實施例用于雙模移動電話中，調節(jié)最低諧振頻率，即基模，使它對應天線的兩個工作頻率中的最低頻率。隨后的較高的諧振頻率，即第一諧波，應對應較高的工作頻率。這就是說，從第一諧波至基模的頻率差距必須按兩個工作頻率之差來調節(jié)，而基模的頻率基本保持不變。
在按本發(fā)明的天線中，這能用兩種相互獨立的方法來實現(xiàn)。
一方面，可以通過改變第一和第二導體部分31和32之間的間距來改變第一諧波與基模之間的頻率差距(frequency distance)。為此，使第四和第五導體部分34、35的長度對應地增大或減小?；蛘撸部捎眉す馕⒄{方式增大該距離，尤其是在內置天線的情況下，其中導體部分31、32中的一個或兩個沿它們相對的邊緣用激光束部分地去除。
另一方面，通過改變襯底1下側面處的第七導體部分37的長度也能使該頻率偏移。
隨著第一和第二導體部分31和32之間距離的減小以及通過縮短第七導體部分37，同樣能減小頻率差距。
在該第一天線的一個可能的實施例中，襯底1的尺寸約為17×11×2.0mm3。襯底1的材料選擇為介電常數(shù)εr＝18.55，tanδ＝1.17×10-4。這大致相當于市售的NP0-K17陶瓷材料(Ca0.05Mg0.95Ti0.3陶瓷)的HF(高頻)性能。用銀漿制成印刷導體軌道，其總長度約為55.61mm。導體部分的寬度約為0.75mm，而在第二導體部分32的端部，矩形金屬表面39的尺寸約為11.0×4.5mm2。
第七導體部分37的長度例如是6.25mm，第一諧波與基模之間的頻率差距約為820MHz。由該第七導體部分37的長度5.75mm可得到873MHz的頻率差距。
關于第四導體部分34的3.0mm的長度以及由此確定的第一與第二導體部分31和32之間的間距，所述頻率差距是900MHz，而由第四導體部分34的長度2.5mm可得到頻率差距878MHz。因此，這種天線適于GSM900和GSM1800頻帶的雙頻帶工作。
圖2是天線的反射功率與供給天線的功率之比(反射系數(shù))與該天線供給線40處測到的頻率F(以MHz為單位)的關系曲線圖。從曲線中可看到，在GSM900和GSM1800頻帶中有兩處諧振，此外，頻帶寬度也足夠在兩個頻帶中有效工作。
除了所有的實施例均具有能進行表面貼裝(SMD)的優(yōu)點之外，本實施例還有一個顯著的附加優(yōu)點是可按需要調節(jié)第一諧波與基模之間的頻率差距。
圖3是本發(fā)明第二實施例。該圖中與圖1中相同或相似的元件用相同符號指示。相同的部分參見圖1，以下只說明不同的部分。
本實施例中，有按圖1的第一導體軌道結構，除第一導體段41之處，還有短線形式的第二導體段42，短線在襯底1的上表面上并從第一導體部分31按朝著襯底1的第一側面11的方向延伸。
通過改變朝襯底1的上表面方向的第一導體段41的長度，能調節(jié)天線在基模中的諧振頻率。這種調節(jié)對第一諧波頻率只有輕微影響。而且，通過改變第二導體段42在第一側面11方向上的長度，能調節(jié)第一諧波頻率。這種調節(jié)對基模中頻率也只有輕微的干擾。
基模中諧振頻率的這種調節(jié)功效是基于在第一導體段41的區(qū)域中基模的電場強度較大，而第一諧波的電場強度較小，所以后者基本上不受影響。由此，加長第一導體段41會導致對基模中的諧振頻率的強烈影響。而第一諧波頻率仍然基本上無影響。
按同樣方式，第二導體段42如此設計和定位它使第一諧波的大電場強度增大或減小，并且由此使諧波頻率偏移，而基模仍基本不受影響，因為基模在相關位置僅有小的電場強度。
本實施例的主要優(yōu)點是，基模的頻率和第一諧波頻率能相互獨立地單獨調節(jié)。而且，為此需要的天線設計的變化很小，天線還能在不改變的情況下完全有效地工作。因此，為適應實際的結構設計，只需改變第一或第二導體段41或42的尺寸，這種方式實施比較容易，并且還可在組成狀態(tài)下實施，例如用激光微調方式，即用激光束去掉相關導體段41、42的部分。
在實際制造第二天線時，襯底1的尺寸約為17×11×2.0mm3。襯底1用的材料選擇介電常數(shù)εr＝21.55，tanδ＝1.17×10-4。這大致相當于市售的NP0-K21陶瓷材料的高頻性能。用銀漿制成印刷導體軌道，它的總長度約為55.61mm。導體部分的寬度約為0.75mm，而在第二導體部分32端部的矩形金屬表面39的尺寸約為11.0×4.5mm2。
第一導體段41朝襯底上表面方向的長度是1.5mm，基模頻率約為928MHz。長度減至0.4mm，基模頻率為975MHz。這表明頻率變化了47MHz，而第一諧波頻率變化不大于9MHz。
同樣，若第二導體段42的長度約為0.75mm，則可得到第一諧波頻率為1828MHz。長度增長到3.75mm，給出的諧振頻率約為1800MHz。頻率改變28MHz，而基模的頻率偏移貝在1MHz以下。
圖4是用表面貼裝方法(SMD)把天線110和其它電子元件一起設在印刷電路板100的區(qū)域120和130中時印刷電路板100(PCB)的示意圖。用在波峰焊浴或回流焊工藝中的平面焊接，把焊點(焊腳)21至25以及饋送端40連接到印刷電路板100上相應的焊點上。由此建立的電連接之一是饋送端40與印刷電路板100上的導體軌道111之間的電連接，通過該連接提供要輻射的電磁能。
圖5是按本發(fā)明的天線110的第三實施例，它安裝在印刷電路板100上。這里與圖4相似或相同的部分用同樣的數(shù)字指示，對它們不再重復說明，只說明不同的部分。
在該第三實施例中，襯底1上除了設有第一導體軌道結構51、52之外，還設有第二導體軌道結構60、61，第二結構經(jīng)連接饋送端40和45供電。本實施例中的饋送端40在襯底1的長的第一側面11處，并且焊接到導體軌道111上。
饋送線45連接到饋送端40，饋送線45沿襯底1周邊在第一、第二和第三側面11、12和13上伸延并且隨后在相對的第三側面13上其長度的大約1/2處按朝向襯底的上或第一表面的方向延伸，以向上表面上的第一金屬導體軌道供電。該結構包括朝第一側面11方向延伸的第一導體部分51和連接到第一導體部分的端部的第二導電部分，第二導電部分為第一大致矩形金屬表面或貼片52的形式。
而且，第一調諧短線53在襯底1的第一側面11上從饋送端40按與饋送線45相反的方向以第二矩形金屬表面的形式延伸，并且設計成用于把第一金屬導體軌道結構50、51調諧到第一工作頻帶。而且，用于第二工作頻帶的第二調諧短線54沿襯底1的第三和第四側面13、14延伸，并連接到饋送線45的端部。
饋送線45向第二金屬導體軌道結構61、62供電，第二金屬導體軌道結構61、62設置用于使天線工作在第三頻帶，其長度約為第二側面12長度的一半。該結構包括按朝第四側面14延伸的第三導體部分61以及與它的端部連接的大致是矩形的第三金屬表面或貼片62。如果需要，也可以為第二導體軌道結構61、62印刷調諧短線，但不是這里所述情況。
本實施例中，第一導體軌道結構51、52用于調諧天線并使天線工作在GSM900和GSM1800頻帶，而把第二導體軌道結構61、62設計成使天線工作在2480MHz的BT(Bluetooth)頻帶。
這里，襯底1的上表面上的第一金屬表面52和第一導體部分51的位置和長度基本上確定了與50歐適配的阻抗和諧振頻率之間的相互位置。把這些頻率選擇成位于GSM900頻帶中的基模和位于GSM1800頻帶中的第一諧波(像天線的第一和第二實施例中的情況一樣)。調諧阻抗適配和兩個諧振頻率，使其適合于具體的結構狀況，例如具體的結構狀況還與封裝類型以及它對諧振性能的影響有關，這里采用兩個調諧短線53、54。(例如通過激光微調方法)縮短這些短線，可使兩個調諧頻率偏移到較高值，由此同時實現(xiàn)微波能量更關鍵的耦合。
第三金屬表面62的合適位置和尺寸能把該結構的諧振頻率調諧到BT頻帶，而為了其它的應用，顯然也能覆蓋其它頻帶(例如PCS1900或UMTS)。
除能進行表面貼裝、尺寸特別小以及上述的其它優(yōu)點之外，本實施例的特別優(yōu)點是在相應設計的移動電話裝置中該天線能工作在3個頻帶。
在具體實現(xiàn)該天線的第三實施例時，襯底1的尺寸是15×10×3mm3。該天線的諧振頻率是GSM頻帶用的943MHz、GSM1800(DCS)頻帶用的1814MHz和BT頻帶用的2480MHz。圖6所示的反射系數(shù)與頻率F的關系曲線R表明諧振帶寬對天線在3個頻帶中工作而言是足夠大的。而且發(fā)現(xiàn)，用13×10×2mm3的襯底也能實現(xiàn)同樣的諧振頻率，由此，與前面所述的襯底相比，體積減小了42.2％。
權利要求
1.一種微波天線，包括具有第一表面、第二表面、第三表面第四表面和第五表面的一個襯底(1)；形成在所述襯底(1)的所述第一表面上的第一導體(51)和第一金屬表面(52)，所述第一導體(51)與所述第一金屬表面(52)相連；形成在所述襯底(1)的所述第一表面上的第二導體(61)和第二金屬表面(62)，所述第二導體(61)與所述第二金屬表面(62)相連；形成在所述襯底(1)的所述第二表面、所述第三表面和所述第四表面上的一條饋送線(45)，所述饋送線與所述第一導體(51)和所述第二導體(61)相連；以及形成在所述襯底(1)的所述第五表面上的一個饋送端(40)，所述饋送端(40)與所述饋送線(45)相連。
2.根據(jù)權利要求1的微波天線，還包括形成在所述襯底(1)的所述外部的一條短線(53)，所述短線與所述饋送端(40)相連。
3.根據(jù)權利要求2的微波天線，其中所述短線(53)形成在所述第二表面上。
4.根據(jù)權利要求1的微波天線，還包括形成在所述襯底(1)的所述外部的一條短線(53，54)，所述短線與所述饋送線(45)相連。
5.根據(jù)權利要求4的微波天線，其中所述短線(53，54)形成在所述第二表面上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微波天線，它有介質襯底(1)和至少一個諧振導體軌道結構(31－39)，它特別適用于移動雙頻帶和多頻帶電信裝置，如移動電話和蜂窩電話，以及按藍牙標準通信的裝置。此外，由于有各種線段(34、35)和調諧短線(41、42)，所以不必改變天線的基本設計，就能把各種工作模式的諧振頻率調諧到具體的結構狀況。最后，能用常規(guī)的表面貼裝工藝把天線和其它元件一起焊接到印刷電器板上。
文檔編號H01Q21/00GK1797848SQ20051013109
公開日2006年7月5日 申請日期2001年10月6日 優(yōu)先權日2000年10月9日
發(fā)明者I·戈霍斯, A·希爾格斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司