专利名称：宽带无线通信移动终端平面天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于无线通信移动终端的天线结构设计，属于无线通信技术的天线设计领域。
背景技术：
随着无线通信的发展，对集成的移动终端如移动电话、笔记本电脑、个人数字助理(PDA，personal digital assistant)等的需求越来越大。这些移动终端往往工作在不同频段，要求其工作在宽带或多频段并且尺寸小、重量轻。天线是无线通信系统中的关键部件，天线性能可能增强或限制整个通信系统的性能。考虑到目前主要的无线业务的工作频段如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)，天线需要宽带/多频段工作，并且要尺寸小、易集成、成本低。
目前应用于无线通信移动终端的天线形式主要是单极天线、螺旋天线或内置的平面倒F形天线，这些天线的相对带宽均在10％以下，显然很难满足无线通信发展的需要。使天线能够宽带/多频段工作，也就是拓宽天线工作带宽的方法主要有两种一种是增强天线本身的带宽，如阻抗匹配法、多谐振法、减小微带天线衬底有效介电常数的方法；另一种是频率灵活性改进法，使天线工作于几个邻近的谐振频率或多频工作，实现单根天线的多频段或宽带工作。天线的总体尺寸受工作的最低频段制约因而较大。目前用得最多的缩小天线电尺寸的方法是对天线进行阻抗加载，例如对天线覆盖高介电常数的介质可以有效地缩小天线的电尺寸，但这会增加天线的介质损耗、降低天线效率，另外，虽然天线的长度(或高度)减小了，但其剖面、重量却会增大，高介电常数介质的材料性能稳定性不是太好、价格也较为昂贵。此外，缩小天线的电尺寸往往是以牺牲天线的带宽为代价。
已有的单根宽带/多频段天线虽然不同程度地满足多频段或宽带工作的需要，但大多数为分离的工作频带、不能同时满足GSM900、DCS、GSM1800、PCS、UMTS、WLAN对工作频带的要求，几乎都没有考虑GPS的工作频率；有的为三维结构，不容易安装和集成；有的尺寸较大，不能满足小尺寸移动终端比如手机对天线尺寸的要求。因此，如果能设计出宽带(工作频带在890MHz到2484MHz)、结构紧凑、易集成、适用于移动终端的电小尺寸天线，将使移动终端能满足现在和未来无线通信对工作频带的要求，同时实现移动通信代与代之间的过渡，增加其对新业务和工作频带连续的适应性和灵活性。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现多频段/宽带、低成本、易集成、电小尺寸的无线通信移动终端天线的结构设计。它克服了现有无线通信移动终端天线性能、结构的不足，通过对天线的辐射单元和天线的金属地进行联合设计，减小天线的尺寸，展宽天线的工作频带；采用平面结构，使天线与通信系统易于集成；采用普通的数字电路的印刷电路板(PCB，printedcircuit board)和加工工艺，使天线成本很低。
本发明的特征在于，所述平面天线印制在一块数字电路的印刷电路板上，该平面天线含有辐射单元，贴于所述印刷电路板的一个面上，该辐射单元含有矩形金属贴片，贴在所述印刷电路板的一个面的顶部，所述矩形金属贴片的长度和宽度决定所述平面天线的主要工作频段；三角形金属贴片，所述三角形的底边和所述矩形金属贴片的底边重合，所述三角形从顶点至该三角形底边的高位于所述矩形金属贴片的纵轴线上，所述三角形金属贴片的顶角和高度决定所述平面天线的工作带宽；馈线，该馈线的馈电点在所述三角形金属贴片的顶点，该馈线可以采用微带线，也可以采用探针等其它形式，采用微带线时该馈线和所述辐射单元贴片在所述印刷电路板的同一面上，该馈线的长度根据馈电点与电源的位置调整，该馈线的阻抗为50欧姆，以满足阻抗匹配的条件；金属地，贴于所述印刷电路板的另一个面上，该金属地包括另一片矩形金属贴片，在所述印刷电路板上处于和所述微带线馈线相对应的位置上，用以模拟无限通信系统中除所述平面天线外的其他部分；T形金属贴片，在所述印刷电路板上处于和所述辐射单元相对应的位置上，该T形金属贴片决定所述平面天线的最低工作频率。
在所述辐射单元，还包括两个梯形金属贴片，该贴片与所述辐射单元同贴于所述印刷电路板的同一个面上，所述两个梯形金属贴片分别贴在所述辐射单元的矩形金属贴片底边的两侧，该梯形的底边分别与所述辐射单元中矩形金属贴片的底边重合，而该梯形的外侧边分别与所述印刷电路板的两条侧边重合；所述两个梯形金属贴片用于微调所述平面天线的最低工作频率和带宽。
本发明具有宽带、电小尺寸、低成本、易制作、易集成的优点，尤其适用于无线通信移动终端。
图1为本发明提供的一种宽带无线通信移动终端平面天线三维图。
图2为图1的A向视图即纵向剖面图。
图3为图1的B向视图即天线的辐射单元和馈线的结构图(图中虚线为图4所示结构在这个面上的投影)。
图4为图1的C向视图即天线的金属地的结构图(图中虚线为图3所示结构在这个面上的投影)。
图5为本发明实施实例尺寸图。
图6为图5的实施实例的电压驻波比图。
图7为图5的实施实例的增益图。
具体实施例方式
本发明提供的一种宽带无线通信移动终端平面天线，如图1一图4所示，天线结构印制在PCB1上，包括天线的辐射单元2、天线的金属地3和馈线4，所述的天线的金属地3是指PCB1两个面中不含天线的辐射单元2的那个金属面。其特征在于，其辐射单元2如图3所示，包括一个矩形金属贴片5、一个三角形金属贴片6、两个梯形金属贴片7、8；其金属地3如图4所示，包括用来模拟无线通信系统中除天线外的其它部分的矩形金属贴片13、一个T形金属贴片14。所述的辐射单元2和馈线4(馈线阻抗应为50欧姆，以满足阻抗匹配条件，可以采用图中所示的微带线馈电，也可以采用探针等其它方式馈电，馈线的长度可根据馈电点与电源的位置调整)如图3相连，采用微带线时该馈线和辐射单元2印制在PCB1的同一个面上，采用探针等其它形式时，馈电点位置在所述三角形金属贴片的顶点；天线的金属地3印制在PCB1的另一个面上；两个面的相对位置如图2-图4所示(图3、图4中的虚线为PCB1另一个面上的结构在图所示结构所在面上的投影)。所述的两个梯形贴片7、8不一定要，可以根据天线的工作频带的要求决定是否选用。
本发明的技术方案是这样实现的在三角形金属贴片6尺寸取定的情况下，作为辐射单元2的矩形金属贴片5的长度10和宽度11决定天线的主要工作频段，是主辐射单元；三角形金属贴片6的顶角9和高度12决定天线的工作频带的带宽，用来展宽天线的带宽；T形金属贴片14可以影响天线的带宽，但是更重要的是它决定了天线的最低工作频率，可以在不增加天线辐射单元2尺寸的条件下有效地降低天线的工作频率；两个梯形金属贴片7、8(可以不用)可以微调天线的最低工作频率和带宽。最重要的是，由于天线的辐射单元2、天线的金属地3对天线的性能都有影响，因此天线的辐射单元2、天线的金属地3的尺寸应根据需要进行联合设计。
该结构具体说明如下首先根据具体的通信系统选定用来模拟通信系统中除天线外的其它部分的矩形金属贴片13部分的尺寸；其次根据对天线电特性的要求选定辐射单元中的矩形金属贴片5、三角形金属贴片6和金属地3中T形金属贴片14的初步尺寸，并根据馈电点和电源位置确定馈线4的形式及其初步尺寸；再根据此时天线的电特性和要求的电特性决定是否采用梯形金属贴片7、8及其初步尺寸；最后再对各部分尺寸进行调整，确定最终尺寸。本发明提供的天线结构可以采用普通的数字电路PCB制作工艺制作(可与数字电路部分的电路画在一张图上同时制作)。
通常本发明中所述的金属地3中用来模拟无线通信系统中除天线外的其它部分的矩形金属贴片13部分的尺寸可以根据天线所应用的通信系统的具体情况选定尺寸，比如在手机中可以选定这部分尺寸为长60mm×宽50mm，因为对于具体的通信系统，这部分结构尺寸是固定的，在天线整个结构设计中应保持不变。天线的馈线4的阻抗应为50欧姆，以满足阻抗匹配条件，可以采用微带线馈电，也可以采用探针等其它方式馈电，馈线4的长度可根据馈电点与电源的位置调整，附图中所示均为微带线馈电。下面对作为金属地3的矩形金属贴片13和馈线4不再说明。
各部分结构的作用如下1.三角形金属贴片6的作用在只有矩形金属贴片5和三角形金属贴片6、没有T形金属贴片14和梯形金属贴片7、8的情况下，如果矩形金属贴片5的长度10和宽度11、三角形金属贴片6的高度12的尺寸固定(可根据天线安装环境的尺寸确定)，三角形金属贴片6的顶角9越大，天线的相对带宽越大，但天线的最低工作频率将略向高频率方向漂移。
2.T形金属贴片14的作用在只有矩形金属贴片5和三角形金属贴片6、没有梯形金属贴片7、8的情况下，通常，可以通过增加矩形金属贴片5和三角形金属贴片6的尺寸来降低天线的最低工作频率，但是，这样可能会使天线的总体尺寸超过移动终端体积的限制。因此，为了既降低天线的最低工作频率又保持天线的总体尺寸不增大，本发明提出在用来模拟无线通信系统中除天线外的其它部分的矩形金属贴片13部分的PCB1的同一面的y方向、即天线辐射单元2的另一面的对应位置加一个T形金属贴片14，如图4所示。在其它条件相同的情况下，天线的最低工作频率可以大大降低。作为代价，天线的相对带宽将有所降低。可以根据对天线的工作频率、相对带宽的要求，折中选取其尺寸。
3.矩形金属贴片5的作用在只有矩形金属贴片5、三角形金属贴片6和T形金属贴片14、没有梯形金属贴片7、8的情况下，如果矩形金属贴片5的长度10、三角形金属贴片6的顶角9、矩形金属贴片5的宽度11与三角形金属贴片6的高度12之和的尺寸固定，则随着矩形金属贴片5的宽度11变大，天线的最高工作频率变大，而最低工作频率几乎不变。
4.梯形金属贴片7、8的作用在矩形金属贴片5、三角形金属贴片6和T形金属贴片14的尺寸固定的情况下，改变梯形金属贴片7、8的尺寸，天线的相对带宽、最低和最高工作频率都会改变。通常，梯形金属贴片7、8的高度越高，天线的相对带宽越窄，最低和最高工作频率均向低频方向偏移，可根据对天线的工作频率范围选取其尺寸。在选定的矩形金属贴片5、三角形金属贴片6和T形金属贴片14的尺寸下，如果已满足天线性能的要求，可以不采用梯形金属贴片。两个梯形金属贴片7、8的作用主要是可以微调天线的最低工作频率和带宽。
5.天线的辐射单元2、天线的金属地3的尺寸的联合设计对于电小天线，除了天线的辐射单元外，天线的金属地实际上也参与辐射电磁波，也是天线的重要组成部分，本发明中把结构分为天线的辐射单元2和天线的金属地3两部分只是为了描述方便。因此，在天线的结构设计中，特别是最后调整尺寸阶段，应根据对天线电特性的要求，对两部分结构的尺寸都进行调整，以得到最优性能。
为了说明本发明提出的宽带无线通信移动终端平面天线的性能，下面给出一个具体实例。
在本例中，采用PCB1的介质基片厚度为0.4mm、相对介电常数为4.4(普通的数字电路用印刷电路板材料FR4)，各部分尺寸如图5所示，图中所有尺寸的单位均为毫米(mm)。采用普通的数字电路PCB制作工艺制作。
以图5所示尺寸制作的天线的电压驻波比测试结果如图6所示，增益如图7所示。在本例中，由图6可看出，驻波比小于3时，天线的阻抗带宽的频率范围为870-2450MHz，相对带宽大于95％；由图7可看出，增益在频率范围为800-2600MHz时都大于0dBi，而天线的总体高度30mm小于890MHz时自由空间波长的9％。可见其电特性满足GSM、GPS、DCS、PCS、UMTS和WLAN的要求。由于其尺寸很小，适合用于移动通信终端比如手机的天线。
权利要求
1.宽带无线通信移动终端平面天线，其特征在于，所述平面天线印制在一块数字电路的印刷电路板上，该平面天线含有辐射单元，贴于所述印刷电路板的一个面上，该辐射单元含有矩形金属贴片，贴在所述印刷电路板的一个面的顶部，所述矩形金属贴片的长度和宽度决定所述平面天线的主要工作频段；三角形金属贴片，所述三角形的底边和所述矩形金属贴片的底边重合，所述三角形从顶点至该三角形底边的高位于所述矩形金属贴片的纵轴线上，所述三角形金属贴片的顶角和高度决定所述平面天线的工作带宽；馈线，该馈线的馈电点在所述三角形金属贴片的顶点，该馈线可以采用微带线，也可以采用探针等其它形式，采用微带线时该馈线和所述辐射单元贴片在所述印刷电路板的同一面上，该馈线的长度根据馈电点与电源的位置调整，该馈线的阻抗为50欧姆，以满足阻抗匹配的条件；金属地，贴于所述印刷电路板的另一个面上，该金属地包括另一片矩形金属贴片，在所述印刷电路板上处于和所述微带线馈线相对应的位置上，用以模拟无限通信系统中除所述平面天线外的其他部分；T形金属贴片，在所述印刷电路板上处于和所述辐射单元相对应的位置上，该T形金属贴片决定所述平面天线的最低工作频率。
2.根据权利要求1所述的宽带天线通信移动终端平面天线，其特征在于在所述辐射单元，还包括两个梯形金属贴片，该贴片与所述辐射单元同贴于所述印刷电路板的同一个面上，所述两个梯形金属贴片分别贴在所述辐射单元的矩形金属贴片底边的两侧，该梯形的底边分别与所述辐射单元中矩形金属贴片的底边重合，而该梯形的外侧边分别与所述印刷电路板的两条侧边重合；所述两个梯形金属贴片用于微调所述平面天线的最低工作频率和带宽。
全文摘要
本发明属于无线通信技术的天线设计领域，其特征在于天线结构印制在印刷电路板上，包括辐射单元、金属地和馈线，金属地是指印刷电路板两个面中不含天线的辐射单元的那个金属面，包括用来模拟无线通信系统中除天线外的其它部分的矩形金属贴片和一个T形金属贴片。辐射单元包括一个矩形金属贴片、一个三角形金属贴片、两个梯形金属贴片；辐射单元和馈线相连，馈线可以采用微带线也可以采用探针等其它形式，采用微带线时和辐射单元印制在印刷电路板的同一个面上；金属地印制在印刷电路板的另一个面上。所述的两个梯形贴片根据工作频带的要求决定是否选用。本发明具有宽带、电小尺寸、低成本、易制作、易集成，特别适用于无线通信移动终端的特点。
文档编号H01Q1/38GK1710748SQ200510012070
公开日2005年12月21日 申请日期2005年7月1日 优先权日2005年7月1日
发明者杜正伟, 龚克 申请人:清华大学