专利名称：集成到外壳中的天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电信设备，该电信设备具有至少一个集成到其外壳中的天线。
在移动电信领域中，使用微波频段内的电磁波来发送信息。其实例是在890到960MHz(GSM900)、1710到1880MHz(GSM1800或DCS)和1850到1990MHz(GSM1900或PCS)频段内的移动电话标准，以及在下一代移动电信中是UMTS频带(1885到2200MHz)和2400到2480MHz频段内的蓝牙标准，使用上述这些标准以便允许例如在移动电话和其它电子设备(诸如计算机、其它移动电话等等)之间交换数据。
由于GSM频段内的当前应用将一直使用到2010年前后，所以特别在今后几年内将投放市场的终端必须能够操作在GSM以及UMTS频段中。同时，也可以看出使用内部天线的趋势。下一代移动电话可能不会比现有的移动电话更大，因此，由于必须合并附加的功能，可用空间将变得更小。因此将需要更小的、同时性能更高的天线。也可以看出，电环境对于性能有显著的影响。因此，对于天线来说重要的不仅仅是尺寸，同时还需要将天线匹配在应用中，这是对天线结构有效尺寸的重要的共同决定因素之一。
所使用的天线通过建立电磁谐振来辐射电磁能量。在这种情况下，天线的长度必须等于所发射的电磁辐射波长的至少四分之一。因此当空气作为电介质时(εr＝1)，对于1GHz的频率，所获得天线长度是75mm。例如通过在所谓的短截线天线(stub antenna)中将天线的线体绕成螺旋形状，可以减小天线的长度。
为了使天线尺寸最小化，对于所发射的给定波长的电磁辐射，可以将电介质常数εr＞1的电介质用作天线的基本构建块。这导致在该电介质中将电磁辐射的波长减小了 倍。因此，在此类电介质的基础上设计的天线的尺寸也会减小 倍。
这种类型的天线包括一个电介质材料块(衬底)。取决于想要的一个或多个操作频带，将一个或多个谐振金属化结构施加到该衬底的各表面。所述谐振频率值取决于所印制的金属化结构的大小和该衬底的电介质常数值。在这种情况下，随着所述金属化结构的长度增加以及随着所述电介质常数值的增加，各个谐振频率值减小。这种天线也称作印制线天线(PWA)或者电介质块天线(DBA)，并且例如在EP1195845 A2和EP 1204160 A2中做了公开。
如果可以容易地装配天线的话将是一个优势。为此，通过表面安装(SMD)技术(也就是通过在板上焊接和制作平坦的接触件)将天线和所需的其它部件直接施加到印刷电路板(PCB)上。另一个优点是天线的高度较低。
然而，这种天线的一个缺点在于它们在印刷电路板上需要相对较大的空间，因此对于电路板的设计有很大影响。举例来说，在天线下面一定不能有接地金属化，因为这样做对于天线的输入和输出特性将有不利影响。
本发明的一个目的是提供一种能够在尽可能节省空间的情况下集成到设备中的天线。
所述目的是通过一种集成到设备外壳中的天线来实现的，该天线包括-至少一个衬底，-至少一个谐振印刷导体结构，-至少一个第一接触引脚和一个第二接触引脚，该第一接触引脚连接到地电势，并且该第二接触引脚被提供来向印刷电路板给出高频馈入。
这种解决方案的一个优点在于，对于设备内的印刷电路板上的天线不需要专用的空闲空间，并且不再需要调整印刷电路板的设计以便将天线适当定位在该印刷电路板上。特别有利的是能够增大可用于设计谐振结构的面积，这是因为不需要焊接的接触点来固定天线。与此同时，对于印刷电路板的设计的影响也被显著减小。
在权利要求2-4所述的实施例中，属于天线的第一印刷导体结构通过第一接触点连接到印刷电路板的地电势。同时，印刷电路板上的第二印刷导体通过第二接触点连接到属于天线的第二印刷导体结构。该天线还可以具有其它的印刷导体结构，这些其它的印刷导体结构不与该印刷电路板接触，并且通过这些其它的印刷导体结构可以产生其它的谐振。
所述第一和第二印刷导体结构分别从所述第一和第二接触点开始，并且以分开的对应终点结束。各个印刷导体结构的长度(li)在本例中近似对应于谐振频率(fi)的波长的一半。各个长度(li)近似等于li≅λi2ϵr]]>本发明还涉及一种具有至少一个集成到其外壳中的天线的设备。该天线具有至少一个第一谐振印刷导体结构和一个第二谐振印刷导体结构，所述结构通过第一连接点连接到印刷电路板上的第一印刷导体。该天线具有至少两个其它的连接点，借助于所述其它的连接点，在该印刷电路板上提供两个其它的印刷导体以作为用于该天线的连接。
在权利要求7-9所述的实施例中，将可以彼此分开驱动的至少两个天线集成到设备的外壳中。该实施例的特别有利的地方在于，由于在该例中存在另一个天线，所以特别在2GHz的频段内增加了带宽。
在接收特性方面，由于存在由第一和第二天线构成的子模块，所以例如可以利用所谓的极化分集。极化分集的意思是两个天线对于不同极化的电磁辐射的接收并不同样好，也就是说，取决于设备(例如移动电话)的位置，两个天线中的一个给出更好的接收。通过同时驱动两个天线但是改变两个信号间的相位偏移，能够有效地影响发射属性(并且特别是方向性)。这样就可以在从用户头部指出的方向上定向该天线的最大辐射级别。
本发明还涉及一种印刷电路板(PCB)，该印刷电路板具有至少一个所述类型的天线，该天线被集成到设备外壳中，并且通过各接触引脚连接到该印刷电路板。
下面将参照附图描述本发明的这些和其它方面。
在附图中
图1示出被集成到设备外壳中的第一天线。
图2示出包括两个电介质块天线(DBA)的所谓的分集天线子模块。
图3是天线的第一实施例的S11参数的曲线表示。
图4是天线的第二实施例的S11参数的曲线表示。
在图1中示出了根据本发明的第一天线1的第一实施例，该天线被集成到外壳2中。天线1通过接触引脚3和4连接到印刷电路板5。接触引脚3和4被近似放置在天线1的中段，因此天线1相对于印刷电路板5被居中安排。
天线1是一个多频带天线，并且包括一个陶瓷衬底，该衬底具有基本上是平行六面体块的形式，该平行六面体块的尺寸近似地是17*13*2mm3。用作衬底材料的载体材料具有大于1的电介质常数或者相对磁导率。典型的材料是适于高频使用的衬底，这种衬底具有较低损耗并且其高频特性只在很低程度上受温度影响(NPO或者所谓的SL材料)。也可以使用这样的衬底通过在聚合物矩阵中嵌入陶瓷粉末，这种衬底的电介质常数εr和相对磁导率μr不等于1。
替代平行六面体衬底，其它几何形状也是可能的，例如在其上施加了适当的印刷导体结构的圆柱体。然而，衬底应该尽可能浅，以确保能够容易地集成到外壳中，例如如图1中所示的那样。
所述天线具有两个电连接。第一电连接A与该应用(例如电信终端)的地电极接触，并且包括第一接触引脚3。第二电连接B与到印刷电路板5的高频馈线(通常50Ω)接触，并且同样包括一个接触引脚，即第二接触引脚4。这两个连接形成金属化的对应端点，所述金属化从这两个连接向上延伸，并且其宽度可以改变。从连接A分叉的金属化的整体长度定义最低的谐振频率(例如GSM900)。例如可以通过特定的耦合机制偏移到理想频带(例如DCS1800)内的第一谐波确定了另一个频带，在该频带中天线能够有效地操作。借助于与所述高频馈线或者地金属化没有导电连接的附加的金属化区域，可以产生其它谐振。
所述天线的金属化结构由具有高电导率的材料构成，例如银、铜、金、铝或者超导体。
在图2中，用相同的附图标记来表示相同的部件。在图2所示的第二实施例中，一个所谓的分集天线子模块包括安装在印刷电路板5上的两个电介质块天线(DBA)1和6。通过接触引脚7和8，第二天线6也连接到印刷电路板5。在图2所示的第二实施例中，第一天线1和第二天线2具有相同的构造。
该实施例的优点还在于可以彼此分开地驱动两个天线1和6。在该情况下，由于存在另一个天线，所以特别在2GHz的频段内增加了带宽。在接收特性方面，例如通过该子模块可以利用所谓的极化分集。在本例中，所述两个天线对于不同极化的电磁辐射的接收并不同样好，也就是说，取决于移动电话的位置，两个天线中的一个给出更好的接收。通过同时驱动两个天线但是改变两个信号间的相位偏移，能够有效地影响发射属性(并且特别是方向性)。这样就可以在从用户头部指出的方向上定向该天线的最大辐射级别。由于天线1和6非常小，所以在它们之间还获得了至少10dB的可接受的隔离。此外，通过稍微改变各个天线的设计，可以覆盖多个频带(例如由天线1覆盖AMPS+DCS，同时由天线2覆盖GSM 900+PCS)。
在图3中，以对于印刷电路板5上的天线1的两个不同位置的S11参数的形式示出了天线1的输入特性。实线是图1所示的安装在该印刷电路板较短一侧的天线1的S11参数曲线，而虚线是安装在该印刷电路板较长一侧的同一天线1的S11参数曲线。
在所述两个位置中，该天线都具有GSM 900频带区域中的谐振。然而，上谐振所在的频率点取决于天线被安装在印刷电路板的较短侧还是较长侧。在第一种情况下，谐振位于DCS频带中，而在第二种情况下，谐振位于PCS频带和部分UMTS频带的区域中。通过稍微改变设计设计，可以对这些频率偏移进行补偿，或者去除这些频率偏移。
图4中示出了图2所见的分集天线子模块的所测得的S11参数(实线)。其中的点划线是该分集天线子模块的S22参数的曲线。这两条曲线清楚地表明，天线1和6之间的交互作用造成DCS/PCS频谱(1850到1990MHz)和部分UMTS频谱(1885到2200MHz)中的带宽增加。
对该分集天线子模块的各天线进行匹配，以使得安装在较短侧的天线1(S11)的谐振在GSM900频带区域中给出最佳的Tx(发射)覆盖范围，同时安装在印刷电路板较长侧的天线2(S22)在Rx(接收)范围方面是最佳的。如果不执行这种对于频段的各部分的优化，则各谐振几乎会彼此重叠，从而允许对上述分集原理进行最佳利用。在上频段中，DCS频带由天线2覆盖。另一方面，由于增大了带宽，所以所述两个天线都在PCS频带和部分UMTS频带中谐振，从而允许在该频段中利用所述分集原理。
在图5中示出了在所述分集天线子模块的各天线之间所测得的隔离。该隔离好于-10dB，尽管在900MHz下所述天线之间的距离远小于波长的四分之一。
权利要求
1.一种集成到设备外壳中的天线，包括-至少一个衬底，-至少一个谐振印刷导体结构，-至少一个第一接触引脚和一个第二接触引脚，该第一接触引脚连接到地电势，并且该第二接触引脚被提供来向印刷电路板给出一个高频馈入。
2.根据权利要求1的天线，其特征在于，所述第一和第二接触引脚通过接触点连接到对应的印刷导体结构。
3.根据权利要求1的天线，其特征在于，该第一接触引脚通过第一接触点连接到第一谐振印刷导体结构，并且该第一谐振印刷导体结构的长度被调谐到第一频带。
4.根据权利要求1的天线，其特征在于，所述天线具有另一个印刷导体结构，该另一个印刷导体结构不与所述印刷电路板接触。
5.根据权利要求1的天线，其特征在于，所述接触引脚具有弹簧引脚的形式。
6.一种具有集成到其外壳中的第一天线的设备，该第一天线包括-至少一个衬底，-至少一个谐振印刷导体结构，-至少一个第一接触引脚和一个第二接触引脚，该第一接触引脚连接到地电势，并且该第二接触引脚被提供来给出一个高频馈入。
7.根据权利要求6的设备，其特征在于，在所述外壳中提供至少一个第一天线和一个第二天线以用于发射或接收。
8.根据权利要求7的设备，其特征在于，彼此分开地驱动所述第一和第二天线(1、6)。
9.根据权利要求7的设备，其特征在于，所述第一天线和第二天线在所述印刷电路板的两个不同侧与该印刷电路板接触。
10.根据权利要求7的设备，其特征在于，所述第一天线和/或第二天线是以无源谐振结构的形式提供的。
11.一种特别用于表面安装电子部件的印刷电路板，该印刷电路板具有一个如权利要求1所述的天线。
全文摘要
本发明涉及至少一个被集成到设备外壳中的天线，该天线具有一个衬底、一个谐振印刷导体结构以及一个第一接触引脚和一个第二接触引脚。该第一接触引脚在本例中连接到地电势，并且该第二接触引脚被提供来向印刷电路板给出一个高频馈入。本发明还涉及一种在其外壳中集成了两个天线的设备，所述两个天线被彼此分开地驱动。在该实施例的情况下，特别有利的是由于在该例中存在另一个天线，所以特别在2GHz频段中得到了带宽增加。
文档编号H01Q9/04GK1784808SQ200480012502
公开日2006年6月7日 申请日期2004年4月29日 优先权日2003年5月9日
发明者H·佩尔策尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司