专利名称：小型化的微波天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及小型化微波天线，它至少具有陶瓷基底和金属，特别用于高频和微波范围。本发明进一步涉及具有这样的天线的印刷电路板和移动通讯设备。
背景技术：
跟随电子元件向着更小型化发展的趋势，特别在通讯技术领域，无源和/或有源元件的所有生产商都将他们的活动集中在这个领域。然而特别在高频和微波技术领域使用电子元件，产生了特定的问题，因为电子元件的很多性能依靠他们的物理尺寸。根据通常已知的事实，也就是随着频率的增加，信号的波长变得更小，这再次具有这样的结果，反射特别影响信号源的提供。
特别在这样的电子设备的天线结构中，例如移动电话，它比其它HF元件更多地依靠应用的所需频率范围。这由于天线是谐振元件的事实而产生这样的问题，谐振元件只适于各自的应用，即操作频率的范围。通常，导线天线用于传输所需的数据。为了通过这些天线得到好的辐射和接收性能，适当的物理长度是绝对必要的。
所谓的λ/2双极天线具有优化的辐射性能，它的长度符合信号在开放空间的波长(λ)的一半。天线由两条导线组成，每条的长度为λ/4，它们相对于彼此旋转180°。然而对于很多应用，特别对于移动通讯(用于GSM900范围的波长，例如为大约32cm)，由于这些双极天线太大，只能使用替代的天线结构。特别对于移动通讯波段，广泛使用的天线为所谓的λ/4单极天线。这种天线由长度λ/4的导线形成。这种天线的辐射特性能被接受，同时它的物理长度(对于GSM900，天线的长度为8cm)是令人满意的。此外，这种类型的天线其特征在于大的阻抗和辐射带宽，使它也可以应用在需要相对大带宽的系统中。为了实现50Ω的优化功率匹配，对于这种类型的天线选择了无源电子匹配，这也是多数λ/2双极天线的情况。通常通过至少一个线圈和电容的组合形成这种匹配，通过适当的尺寸，将具有50Ω差异的λ/4单极天线的输入阻抗，匹配到连接的50Ω元件上。
尽管这种类型的天线已经得到了广泛使用，它们也的确具有相当大的缺点。其中一个缺点是上述的无源匹配电路。
更进一步，λ/4单极天线不能直接焊接到印刷电路板上，因为例如在移动电话中的导线天线总是用作拉出部件。这意味着对于印刷电路板与天线之间的信息交换，有必要使用昂贵的触点。
这种类型天线的进一步的缺点是天线自身的机械不稳定性，同样还有通过这种不稳定性导致的天线外壳匹配的必要性。如果例如移动电话掉落，天线通常将折断，或者外壳在天线拉出的位置损坏。
在EP0762538中发明了具有基底和至少一个导体的片状天线。然而，这些天线具有缺点，即至少部分导体轨迹在基底内延伸，并且由此基底将被生产为几层来具有最小的尺寸，这可能相对昂贵。此外，导体轨迹的这种安排将不可能实现导体轨迹与完成状态的具体结构形态的电气适配，因为所述导体轨迹很难够得着，或者仅局部可接近。
发明内容
由此，本发明的目的是提供一种天线，至少具有陶瓷基底和金属，特别用于高频和微波范围，它具有高的机械稳定性，并且特别适于小型化。
更进一步，将提供这样一种天线，使它实际上至少能够省略掉无源匹配电路，并且它还适于在印刷电路板上表面安装的SMD(表面安装设备)技术。
最后，天线将提供有用于GSM或UMTS波段操作的足够大的谐振频率和阻抗带宽。
通过本文开始部分提到的这种类型的天线可以实现这个目的，这种天线的特征在于金属是表面金属，包括用于辐射电磁能量的馈送端，至少第一金属结构，和沿着至少基底的部分周边延伸的导体轨迹，导体轨迹将馈送端连接到至少第一金属结构上，而所述第一金属结构包括第一导体轨迹部分，它从与馈送端相对的基底一侧向馈送端延伸，并且包括第一金属焊接区。
这个方案结合了很多优点，由于馈送端是出现在基底表面上的部分金属，对于辐射电磁能量的馈送端，不需要接触管脚或相似的东西。这意味着可以通过印刷电路板上的表面安装(SMD技术)提供天线(与其它元件一起)。
还发现用于阻抗匹配的无源电路是不必要的，因为这样的匹配可以以结合状态的天线，通过可完全接近的金属中的改变而实现(例如通过激光修整来实现)。还发现天线具有特别高的阻抗和辐射带宽。
本发明进一步具有优势的实施例在从属的权利要求中定义。
权利要求2和3的实施例具有这样的优点，即基底和表面金属的生产在技术上相对简单。
权利要求4和8的实施例具有这样的优点，即两个金属结构的组合(特别是当它们只显示小的相互差异时)和/或几个基底与这样基底的叠合，能够允许非常灵活地调整位置和距离，同样非常灵活地调整谐振频率的宽度。
在关于权利要求7和8的实施例的频率上，对天线的阻抗和它的梯度保持了类似的方式。
从后面优选实施例的描述中，本发明进一步的细节、特点和优点将变得更加明显，优选实施例将参考附图给出，其中图1示意地显示了本发明的第一实施例；图2显示了对这个实施例测量的阻抗范围；图3显示了对这个实施例测量的方向特性；图4显示了本发明的第二实施例；图5显示了对这个实施例测量的阻抗范围；而图6显示了具有根据本发明的天线的印刷电路板。
实施例说明下面描述的实施例包括实际上为矩形的块组成的基底，块的高度比其长度和宽度小大约一个3到10的系数。由此，在后面的描述中将称之为基底的上和下(较大)表面，如在图中显示为第一上表面和第二下表面，而与之垂直的表面将被指示为第一到第四侧面。
然而可选地，还能够对基底选择矩形块状以外的形状，例如圆柱形，其上提供了同等的谐振导体轨迹结构，例如随着螺旋线路。
可以通过将陶瓷粉末嵌入聚合物基体来生产基底，并且基底具有εr＞1的绝缘常数和/或μr＞1的磁导率值。
更具体地，图1显示的第一实施例显示了具有谐振导体轨迹结构20、30的矩形块状基底10。基底10在它下表面的角上提供有几个焊点11，通过表面安装(SMD技术)，它们可以焊接在印刷电路板上。更进一步，馈送端12以金属焊接区的形式，出现在第一侧面13中心区域的下侧，在安装过程中，金属焊接区焊接到印刷电路板的相应导体区域，并且天线通过它提供辐射的电磁能量。从馈送端12开始，导体轨迹20的第一部分21垂直地延伸到第一侧面13的一半高度，然后沿着第一侧面13在水平方向上延续到第二侧面14。然后导体轨迹在大约一半的高度上，沿着第二侧面14在水平方向上延续，作为第二部分，并且沿着第三侧面在它一半的高度上作为第三部分23，其中第三侧面相对与第一侧面13放置。在第三侧面15的中心区域，第三导体轨迹部分23然后在垂直方向上前进到上表面，如图所示，它在那里连接到(第一)金属结构30的第一导体轨迹部分31上，其中(第一)金属结构30提供在这个表面上。
金属结构30包括第一导体轨迹部分31，它实际上在基底的纵向，在馈送端12的方向上延伸，并且包括实际上为矩形的金属焊接区32，第一导体轨迹部分31在其中引出。
这里，馈送端12与金属焊接区32之间结构的有效长度，符合基底中辐射信号波长的大约一半。
令人惊奇地发现，这种天线组合了几个具有优势的性能。一方面，天线具有特别高的阻抗带宽，而另一方面，天线具有均匀的准全向空间图样。
在对GSM900波段(大约890-960MHZ)实现的实施例中，陶瓷基底的尺寸大约为17×11×4mm3，并且导体轨迹20和金属结构30形成的谐振结构的总长度大约为39mm。在这些尺寸的情况下，无源阻抗匹配电路可以省略，因为天线的输入阻抗大约为50Ω。
在这种天线中，发现了图2显示的作为频率函数的阻抗梯度，和图3显示的方向特性，其中曲线(a)代表水平空间特性，而曲线(b)代表垂直空间特性。这些曲线显示，天线的特征实际上符合双极或单极天线的特征。
这种天线由此理想地适于在移动电话设备中使用，因为它可以(与其它元件一起)通过表面安装过程(SMD技术)，被安装在印刷电路板上，由此，生产过程相当简单。
与已知的导线天线相比的进一步小型化，和频率带宽特别是第一谐波带宽的进一步增加，可以通过陶瓷基底10形状的改变，和谐振导体轨迹结构20、30的进一步结构化来实现。
这种天线的进一步的优点在于这样的事实，其中通过在馈送端12与导体轨迹的第一部分21之间建立槽211(气隙)，天线的输入阻抗可以被影响，并且天线的阻抗匹配到具体结构位置。这在天线的安装状态是可能的，例如通过激光修整，由此间隙的宽度和/或长度(这样，也是馈送端12与谐振结构20、30之间的电容耦合)通过激光束而增加，直到实现优化匹配。
为了实现天线在双模式或多模式移动电话设备中的优选应用，最好执行调谐，使谐振频率第一谐波的特别大的带宽用于覆盖GSM波段。以这种方式，还可以构成天线，用于在UMTS波段使用(1970到2170MHz)。
图4显示了天线的第二实施例。这种天线由具有谐振金属导体轨迹结构20、30、40的基底10形成。它实际上包括三部分，即相应于图4a的普通导体轨迹20，图4b中显示的基底上(第一)表面上的第一金属结构30，和图4c中显示的基底相对的下(第二)表面上的第二金属结构40，其中基底30、40由导体轨迹20提供。为了使结构清晰，这三部分各自在一张图中显示。
具体地，金属焊接区形式的馈送端12再次安排在基底10的下侧第一侧面13中心的区域中，在天线的表面安装过程中，焊接区焊接在导体区域上，通过焊接区对天线提供电磁能量。
从馈送端12开始，导体轨迹20的第一部分21首先在第一侧面13上，向上表面垂直延伸，然后水平地继续延伸到第二侧面14。导体轨迹20进一步沿着第二侧面14延续来作为第二部分，并且沿着相对于第一侧面13的侧面15作为第三部分23，那里，第三部分在连接第四侧面14的边缘，以T形末端片231结束，与之垂直。
在图4b中，第一金属结构30连接到末端片231的上腿上，向上表面延伸，并且包括与第一实施例相似的第一部分31，这部分在馈送端12的方向上，在基底10的纵向上延伸，最后在实际上为矩形的第一焊接区33中引出。然而第一部分31通过第二导体轨迹部分32，连接到末端片231的上腿上，其中第二导体轨迹部分32沿着连接第三侧面15的边缘行进。
最后，图4c显示了末端片231的下腿，它向这下表面延伸，第二金属结构40连接其上，它的结构通过第一部分41，以相似于第一金属结构30的方式形成，其中的一部分41在基底的纵向上向着馈送端12延伸，最后在实际上为矩形的第二金属焊接区43中引出。同样，这里提供了第二部分42，它沿着连接第三侧面15的边缘行进，并且实现末端片231的下腿与第一部分41之间的连接。
馈送端12与第一金属焊接区33之间结构的有效长度，同样，馈送端12与第二金属焊接区43之间结构的有效长度，再次符合基底中辐射的信号波长的大约一半。
天线的这个第二实施例还可以通过表面安装过程(SMD技术)，安装在印刷电路板上。更进一步，可以在水平方向上和与之垂直的方向上，再次实现非常均匀的准全向空间图样。
还发现，如果两个金属结构30、40稍微不同，即它们具有不同的长度和宽度，具有到连接导体20的不同耦合，或者具有不同尺寸的第一和第二金属焊接区33、43，那么将激励两个谐振频率，它们的频率根据这些差异相互偏移。举例来说，在这种情况下，第一金属结构30将比第二金属结构40具有较低的谐振频率。
这些谐振的数量可以增加，其中，例如具有相同或相似的谐振导体轨迹结构20、30、40的一个或几个的更多的基底，提供在图4显示的基底上。特别通过使用多层技术，使这在生产技术上相对容易地实现。更进一步，如果使用具有两个基底的分层基底，那么在基底之间能够产生进一步的谐振。
通过适当地选择基底和谐振结构20、30、40的尺寸，可以根据需要调整谐振频率的位置和距离，它们既与基础模式相关，也与谐振频率的第一谐波相关。对于将天线阻抗与馈送端匹配，这也是真实的，对于这个目的，通过可变间隙211实现的电容耦合中的适当改变，例如通过激光束(激光修整)加长或放宽间隙，具体结构位置的匹配是可能的。
与谐振频率区域中阻抗梯度的倾斜度相联系，出现了这个实施例进一步的优点。如果设计例如双工模式操作的天线，其中只需要两个谐振频率(传输和接收频率)，那么通过这个梯度的倾斜度，可以对传输与接收频率之间的天线实现滤波效应，其中滤波效应可以用于减小对滤波电路的强迫要求，甚至可以用于完全消除这些要求，其中上述滤波电路连接到上传流或下传流上。对于这种应用，对于第一金属结构30和第二金属结构40，最好提供分离的电源。
在这个实施例中，与已知的导线天线相比，还能够通过陶瓷基底10与导体轨迹20、30、40相应结构的匹配设计，实现进一步的小型化。
在对于GSM900(大约890到960MHz)波段实现的实施例中，陶瓷基底的尺寸大约为17×11×4mm3，并且导体轨迹20和第一金属结构30的总长度，与导体轨迹20和第二金属结构40的总长度，它们每个大约为39mm。
这产生如图5显示的阻抗范围梯度，其中能够清楚地辨别出两个谐振尖峰。
图6示意地显示了最终的印刷电路板100，根据本发明的天线与其它元件一起通过表面安装(SMD)，提供在印刷电路板100的区域120和130中。这通过波峰焊浴或回流处理中的平面焊接实现，由此焊接区(预定着陆点)11和馈送端12连接到电路板100的相应焊点上。这与其它方式一起实现了电路板100上馈送端12与导体轨迹111之间的电连接，辐射的电磁能量通过它提供给天线。
通过给定适当的尺寸，根据本发明的天线还可以用在GSM1800(DCS)波段，UMTS波段和蓝牙波段(2480MHz的BT波段)。
天线还可以由具有相同或不同绝缘和/或导磁率性能的几个陶瓷基底组成，每个导体使它们自身的表面金属化。
权利要求
1.一种天线，具有至少一个陶瓷基底和金属，特别设计用在高频和微波范围，其特征在于，所述金属是表面金属，它包括用于辐射电磁能量的馈送端(12)，至少第一金属结构(30)，和沿着基底(10)的至少部分周边延伸的导体轨迹(20)，所述轨迹将馈送端至少连接到一个第一金属结构(30)上，而所述第一金属结构(30)包括第一导体轨迹部分(31)，它从相对于馈送端(12)的基底侧面，向馈送端延伸，并且所述第一金属结构(30)还包括第一金属焊接区(32)。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述基底(10)具有实际上为矩形块状的形状，具有两个主要表面和四个较小的侧面，并且在于在一个第一主要表面上提供所述第一金属结构(30)。
3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述馈送端(12)位于所述基底(11)的所述第二主要表面上，在一个第一侧面(13)的中心区域，并且所述导体轨迹(20)使其第一、第二和第三部分(21、22、23)各自沿所述基底(10)的第一、第二和至少部分第三表面(13、14、15)延伸。
4.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述第二金属结构(40)提供在所述基底(10)的第二主要表面上，其结构连接到所述导体轨迹(20)上，并且包括一个第一导体轨迹部分(41)，它从与馈送端(12)相对的所述基底的一个侧面向所述馈送端延伸，并且包括一个第二金属焊接区(42)。
5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，所述第一和第二金属结构(30、40)各包括一个第二导体轨迹部分(32、42)，它们沿至与所述馈送端(12)相对的所述基底(10)的所述第三侧面(15)的一个边缘延伸，并且使它在各自的第一导体轨迹部分(31、41)中延续。
6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述导体轨迹(20)的所述第三部分(23)继续延伸到所述第三侧面(15)的一个边缘，在该处它连接所述基底(10)的一个第四侧面(16)，并且其末端合并到T形末端片(231)中，其每个自由腿各连接到各自的第二导体轨迹部分(32、42)上。
7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，一个间隙(211)基本上横向地提供在所述导体轨迹(20)中，选择所述间隙的长度和宽度，使天线获得与具体结构位置的阻抗匹配。
8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，它由几个陶瓷基底形成，每个基底具有如权利要求1的特征部分所述的表面金属。
9.一种印刷电路板，特别适用于采用电子元件的表面安装工艺安装，其特征在于，如前面任一权利要求所述的天线。
10.一种移动通讯设备，特别适用于GSM或UMTS波段，其特征在于，如权利要求1至8的任一所述的天线。
全文摘要
本文描述了一种小型化的天线,至少具有陶瓷基底(10)和金属,特别设计用于高频和微波范围。这种天线的特征在于金属是表面金属,它包括用于辐射电磁能量的馈送端(12),至少第一金属结构(30),和沿着基底(10)的至少部分圆周延伸的导体轨迹(20),轨迹将馈送端连接到至少一个第一金属结构(30)上,第一金属结构(30)包括第一导体轨迹部分(31),它从相对于馈送端(12)放置的基底侧面向着馈送端和第一金属焊接区(32)延伸。天线通过表面安装可以提供在印刷电路板上,并且具有大的阻抗和辐射带宽,使它特别适于用在GSM和UMTS波段操作的移动电话中。
文档编号H01Q9/30GK1349277SQ0113032
公开日2002年5月15日 申请日期2001年10月6日 优先权日2000年10月9日
发明者A·希尔格斯 申请人:皇家菲利浦电子有限公司