专利名称：宽带无线数据卡天线的制作方法
技术领域：
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及天线技术。
背景技术：
由于新数据业务的不断兴起，许多数字无线终端设备，如掌上电脑(Personal Digital Assistant，PDA)、销售点终端(Point of Sale，POS)机、高质量的多媒体广播 (High-qulity Multimedia Broadcasting, HQMB)、领航员(Navigator)以及便携式电脑 (Laptop)等，在该终端设备与网络之间需要有一个外接无线数据收发装置作为中间转换器，来进行无线数据的传递和交换。无线数据卡(USB(Universal Serial Bus)dongle)就是一种常用的外接无线数据收发装置，无线数据卡接口技术可以起到上述无线数据传输通道的作用，因为它具有较高的连接速率和较好的可移动性。我们知道，在无线数据卡中，天线是最主要的电子元件。目前，实现无线数据卡天线的挑战是，需要在较小的空间内实现低SAR(SpeCifiC Absorption Rate，比吸收率)值辐射的多频带/宽带的天线。现在，在数据卡天线设计形式上，广泛采用单极子(Monopole)、倒F天线Qnverted-F Antenna, IFA)和平面倒F天线 (Planar Inverted-F Antenna, PIFA)等内置式天线，这些形式的天线一般位于数据卡的末端，由数据卡主板作为天线的“地”，天线和“地”共同组成辐射器。然而，上述天线的设计， 一方面使得天线的工作带宽有限，难以满足日益增长的带宽需求；另一方面使得天线辐射的近场能量过于集中，导致SAR值较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够在无线数据卡的小尺寸空间上获得较宽的工作带宽的天线。本发明为解决上述技术问题所采用的技术手段是，宽带无线数据卡天线，包括天线走线、金属地、微带馈线、匹配网络，其特征在于，所述天线走线、微带馈线、匹配电路设置在数据卡主板的一面，所述金属地设置在所述数据卡主板的另一面；金属地所在面上还有一个无金属区域，无金属区域设置在金属地中，至少有一边未被金属地封闭，这样在金属地中形成一个半封闭区域；无金属区域包括天线走线正投影至金属地所在面上的对应区域； 天线走线与金属地在空间上存在耦合缝隙；所述天线走线包括宽条带、窄条带，所述匹配网络一端连接微带馈线，另一端连接宽条带，宽条带与窄条带相连，窄条带的末端与金属地相连；微带馈线通过匹配网络向天线走线馈电，在天线走线上激励起高频电流形成谐振；天线走线中的高频电流一方面通过窄条带进入金属地，另一方面通过耦合缝隙的容性耦合激励起金属地上的高频电流形成谐振。由于天线是一个完整的辐射系统，其中的每一部分对低频和高频的谐振点的产生以及带宽覆盖都有一定的影响。
天线走线直接印制或焊接在无线数据卡主板的一面上，无线数据卡主板的另一面，即金属地所在面上，将对应天线走线正投影区域的金属全部挖空，在金属地中形成一个半封闭区域，这样布置的天线走线与金属地之间用非金属介质(如介质板、空气等)隔离开来，被非金属介质分开的空间为本发明所述的耦合缝隙。微带馈线通过匹配网络向天线走线馈电，在天线走线上激励起高频电流形成谐振。窄条带的末端接地是为了引导天线走线中的高频电流经过该窄条带进入金属地，进而对天线的阻抗起到匹配作用；同时，通过耦合缝隙的容性耦合激励起金属地上的高频电流产生2个或2个以上的谐振，从而形成有效地带宽覆盖。由于天线本身就是一个开放式的电感和电容谐振单元(由于其中的电阻效应较小，故在此忽略)，通过调节天线走线和/或设置集总的匹配元件即可使天线在所需的频段内产生谐振。本发明中，天线走线和金属地共同组成天线辐射系统，射频信号通过微带馈线经由匹配网络馈入天线走线。通过天线走线和数据卡主板地之间的缝隙耦合，激励产生出多个谐振点。由于耦合缝隙呈现分布电容效应，可调节天线的输入阻抗，天线的输入阻抗可表示为Zin = R+jwL+l/jwC = R+jwL-jwC，其中，R表示电阻，jwL表示感抗，Ι/jwC为容抗。同时，由于天线走线中的窄条带呈现分布式电感的作用，通过调节该窄条带的位置尺寸可使天线的输入阻抗中电感和电容效应相互抵消，从而在所需的频段内形成有效地匹配， 这样电磁场的能量就不被储存起来了，而是形成有效地辐射(由于电感和电容是储存电磁场能量的，而不是辐射出去)，从而拓宽在天线走线上所激励起的目标谐振点的工作带宽。并且，由于天线走线中的窄条带呈现分布式电感的作用，相比使用集总元件(如贴片电感)，窄条带形成的分布式电感其尺寸更大、内部高频电流密度更小以及欧姆损耗更小，因此更有利于电磁场的向外辐射，从而可以有效提高天线的带宽以及天线效率。另外， 通过使用该缝隙耦合方式，可以让电磁场能量分散于较长的缝隙内，这明显有助于减小电磁场能量的集中分布，降低SAR值。为了进一步降低SAR值，所述天线走线设置于靠近无线数据卡的接口处，无线数据卡的接口可以是USB接口、PCMCIA接口(PC机内存卡接口)，Express接口或者其它电子设备接口，这样有利于将天线的电磁能量分散到无线数据卡所在的无线终端上。具体的，所述微带馈线为50欧姆微带馈线。射频信号通过50欧姆微带馈线经由一个匹配网络进入到天线走线中。一般来说，无线移动通信的频段由低频、高频两个通信频段组成(低频范围为698-960MHZ，高频范围为17104690MHz)，本发明中，天线的高频谐振主要由与微带馈线直接相连的天线走线产生，天线的低频谐振主要由无线数据卡上的金属地以及无线数据卡所在的无线终端的地产生。具体的，所述天线走线中的窄条带的末端通过金属地所在数据卡主板面的金属化过孔与金属地电连接。可选地，窄条带与金属地连接处设置的短路点的位置可调，通过调整短路点的位置来调整天线走线与金属地之间的连接位置，短路点位置的改变可以调节天线走线中的高频电流进入金属地的位置，从而影响金属地上产生的谐振点的左右移动和带宽覆盖。进一步地，为了更好地优化天线的带宽，在所述宽条带上设置凹槽，通过调节凹槽的形状或尺寸改变天线走线中的电磁能量分布，增加天线走线与金属地之间耦合缝隙的长度，调节阻抗匹配，进而调整天线带宽。本发明的有益效果是，在无线数据卡主板的小尺寸空间上获得更宽的工作带宽，提高天线效率，降低SAR值。
图1为实施例1无线数据卡立体透视图；图加为实施例1无线数据卡的下层面示意图；图2b为实施例1无线数据卡的透视正视图；图2c为实施例1无线数据卡的上层面示意图；图3为实施例2无线数据卡立体透视图；图如为实施例2无线数据卡的下层面示意图；图4b为实施例2无线数据卡的透视正视图；图如为实施例2无线数据卡的上层面示意图。
具体实施例方式实施例1如图1所示，无线数据卡包括数据卡主板12、USB接口 5。USB接口 5用于无线数据卡与无线终端设备的连接。如图2a、2c所示，数据卡主板12上的天线辐射系统分布在数据卡主板的两个面上(下层面、上层面)，天线走线包括宽条带7、窄条带8，天线走线设置在数据卡主板12的一面(上层面)，金属地4设置在数据卡主板12的另一面(下层面)，两个面的设置如图2所示。如图2c所示，上层面还设置有匹配网络9、50欧姆微带馈线10。 如图2b所示，非金属区域3包括上层面的天线走线在下层面上的正投影区域。如图加所示，非金属区域3的多条边被金属地4所包围形成一个半封闭区域。数据卡主板12可以为单面或者双面覆铜的介质板。本实施例1中的数据卡主板 12为单面覆铜的介质板，在实现时，将覆铜面作为下层面，把非金属区域3的铜挖空；天线走线的金属贴片直接印制或焊接在上层面上。当数据卡主板12为双面覆铜的介质板时，除了将非金属区域的铜挖空之外，还需要挖空天线走线区域的铜。由图1所示，天线走线区域位于数据卡主板12上靠近USB接口 5的一端。当然无线数据卡上的通信接口不限于USB接口，还可以是PCMCIA接口，Express接口或者其它电子设备接口。天线走线区域与非金属区域的形状可以是长方形、矩形、菱形、梯形、三角形等任意规则或不规则的形状，并不局限于附图所示，天线走线区域与非金属区域的形状也不需要完全相同，仅需保证天线走线区域的正投影被包含在非金属区域即可。这样，天线走线与金属地4在空间上形成了耦合缝隙6。本实施例的天线走线中的宽条带7为L型，窄条带8为U型，但，宽条带或窄条带的形状并不局限于U型或L型，也可以为其它形状的平面结构分布。宽条带7和窄条带8 为宽度均勻或非均勻的金属条带。U型的天线走线方式增大了天线走线与金属地4之间进行耦合的缝隙长度，使得天线走线中的电磁场能量通过耦合缝隙6与在金属地4上产生多个的谐振点，从而实现所需要的更宽的工作带宽。匹配网络9的一端连接50欧姆微带馈线10，另一端连接宽条带7，宽条带7与窄条带8相连，窄条带8的末端与金属地4相连。窄条带与金属地的连接点为短路点11。短路点11的位置可根据实际的调试结果在金属地4上的合适位置进行调整。匹配网络9可以由电阻、电感和/或电容中的一个组成，或者，若干个数的电阻、电感、电容的串和/或并的组合。连接射频信号的50欧姆微带馈线10通过匹配网络9向天线走线进行馈电，在天线走线上激励起变化的高频电流形成谐振。窄条带8的末端接金属地是为了引导天线走线中的高频电流经过该窄条带8进入金属地4，同时，通过耦合缝隙的容性耦合激励起金属地上的高频电流，从而在目标频段上形成多个谐振。本实施例的天线辐射系统的高频谐振主要由与微带馈线直接相连的天线走线产生，天线的低频谐振主要由无线数据卡上的金属地4以及无线数据卡所在的无线终端的地产生；同时，由于天线是一个完整的辐射系统，其中的每一部分对低频和高频的谐振点的产生以及带宽覆盖都有一定的影响。通常情况下，低频谐振的产生并不需要整个无线终端的地，可能只需要其中的一部分。窄条带8呈现分布式电感效应，引导高频电流进入金属地4， 从而对天线起到阻抗匹配作用；天线能够产生多个谐振点，主要是靠天线宽条带中的电磁波经过缝隙6耦合到金属地上形成的。由于耦合缝隙6呈现分布式电容效应，这样通过窄条带8与耦合缝隙6 二者的合理设计就可以使感性、容性相互抵消，达到有效地匹配，从而形成更有效的电磁辐射，扩宽工作带宽。实现时，通过优化天线走线7和8的形状和尺寸大小、优化金属地4和天线走线之间的耦合缝隙6的尺寸，可以调节天线的谐振特性；通过调整天线匹配网络9的参数设置、 天线走线中窄条带8和金属地4连接处的短路点11的位置，可以进一步改善天线的谐振特性，并最终达到完全覆盖680-3000MHZ的带宽、实现低SAR值的天线设计要求。实施例2它是在实施1的基础上，进一步优化的方案。如图3所示，无线数据卡包括数据卡主板12、USB接口 5。如图4a、k所示，数据卡主板12上的天线辐射系统分布在数据卡主板的两个面上(下层面、上层面)，天线走线7 与8设置在数据卡主板12的一面(上层面)，金属地4设置在数据卡主板12的另一面(下层面)，两个面的设置如图4所示。如图如所示，天线走线包括宽条带7、窄条带8，上层面还设置有匹配网络9、50欧姆微带馈线10。如图4b所示，上层面的天线走线在下层面上的正投影区域被包括在下层面的非金属区域3中。如图如所示，非金属区域3的多条边被金属地4所包围形成一个半封闭区域。如图3所示，在天线走线中的宽条带7上设计出一个凹槽13，该凹槽内无金属分布，用以调节阻抗匹配。凹槽13的形状可以是图3中的I型，还可以是L型、T型等任意规则或者不规则的形状，其具体形状要依据实际调试的结果进行相应地调整。凹槽13改变了原来天线走线中的电磁场能量分布情况，增加了天线走线与金属地4之间的耦合缝隙6的长度，可以用于调整天线的阻抗带宽。
权利要求
1.宽带无线数据卡天线，包括天线走线、金属地、微带馈线、匹配网络，其特征在于，所述天线走线、微带馈线、匹配电路设置在数据卡主板的一面，所述金属地设置在所述数据卡主板的另一面；金属地所在面上还有一个无金属区域，无金属区域设置在金属地中，至少有一边未被金属地封闭，在金属地中形成一个半封闭区域；无金属区域包括天线走线正投影至金属地所在面上的对应区域；天线走线与金属地在空间上存在耦合缝隙；所述天线走线包括宽条带、窄条带，所述匹配网络一端连接微带馈线，另一端连接宽条带，宽条带与窄条带相连，窄条带的末端与金属地相连；微带馈线通过匹配网络向天线走线馈电，在天线走线上激励起高频电流形成谐振；天线走线中的高频电流一方面通过窄条带进入金属地，另一方面通过耦合缝隙的容性耦合激励起金属地上的高频电流形成谐振。
2.如权利要求1所述宽带无线数据卡天线，其特征在于，宽条带还设置有凹槽。
3.如权利要求1或2所述宽带无线数据卡天线，其特征在于，所述宽条带、窄条带为宽度均勻或非均勻的金属条，形状为U型或L型。
4.如权利要求1所述宽带无线数据卡天线，其特征在于，所述天线走线设置于靠近无线数据卡的接口处。
5.如权利要求1所述宽带无线数据卡天线，其特征在于，窄条带的末端通过金属地所在数据卡主板面的金属化过孔与金属地电连接。
6.如权利要求1所述宽带无线数据卡天线，其特征在于，在窄条带与金属地连接处设置短路点，短路点在金属地上的位置可调。
7.如权利要求1所述宽带无线数据卡天线，其特征在于，所述微带馈线为50欧姆微带馈线。
8.如权利要求1所述宽带无线数据卡天线，其特征在于，所述数据卡主板为单面或双面覆铜的介质板。
9.如权利要求1所述宽带无线数据卡天线，其特征在于，所述天线走线直接印制或焊接在无线数据卡主板的一面上。
全文摘要
本发明提供一种能够在无线数据卡的小尺寸空间上获得较宽的工作带宽的天线。天线走线、微带馈线、匹配电路设置在数据卡主板的一面，金属地设置在数据卡主板的另一面；无金属区域设置在金属地中，至少有一边未被金属地封闭，这样在金属地中形成一个半封闭区域；无金属区域包括天线走线正投影至金属地所在面上的对应区域；天线走线与金属地在空间上存在耦合缝隙；微带馈线通过匹配网络向天线走线馈电，在天线走线上激励起高频电流形成谐振；天线走线中的高频电流一方面通过窄条带进入金属地，另一方面通过耦合缝隙的容性耦合激励起金属地上的高频电流形成谐振。本发明能拓宽在天线走线上所激励起的目标谐振点的工作带宽，降低SAR值。
文档编号H01Q1/38GK102354807SQ201110172488
公开日2012年2月15日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者应李俊, 班永灵, 陈金华, 雷传球 申请人:电子科技大学