专利名称：平面倒f天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信模块中所使用的平面倒F天线的结构。
背景技术：
平面倒F天线已经用作了通信模块(如，移动电话、无线LAN装置等)的、安装在电路板上的无线通信单元的天线。这些天线是采用电路板进行接地、以较低剖面设置在电路板上的内置天线。因为平面倒F天线包括可以用低成本的金属板制造的多个平面元件并且容易附接到电路板，所以平面倒F天线应用于各种通信模块。现有技术参考文献
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专利文献专利对比文件I :日本特开专利No. 2008-263468号公报
发明内容
作为平面倒F天线的一个示例，图I中示出了平面倒F天线200。平面倒F天线200包括平面接地元件100，该平面接地元件100要设置在电路板的GND面上；平面辐射元件120 (具有长度LI和高度H)，该平面辐射元件120与接地元件100大致平行地延伸；以及平面短路元件140和160，它们使接地元件100和辐射元件120短路。在短路元件160处设置有施加来自电路板的无线信号的电源部F。平面倒F天线200按照文字(literally)具有倒F几何形状。图2示出了设置在电路板的GND面上的平面倒F天线200。如图2中所示，平面倒F天线200的接地元件100附接至具有KlXK2的尺寸的GND面(X-Z平面上)。如图2中所示，平面倒F天线200可以设置在电路板的端部，以与电路板上所设置的其他组件不会干扰。图3A和图3B示出了平面倒F天线200的电磁场模拟结果，其中，图3A示出了电压驻波比(VSWR, Voltage Standing Wave Ratio)特性，而图3B示出了当天线200如图2所示地设置在电路板上时平面倒F天线200的X-Y平面上的方向性。应当注意的是，图3A和图3B示出了当长度LI是70mm,高度H是9mm,短路元件之间的间隔是4至5mm,各短路元件的宽度是2mm,各天线元件的板厚度是0. 4mm,并且图2中的Kl = K2 = 70mm时的结果。进一步地，在图3A和图3B中所示的示例中，平面倒F天线200被设计为在IGHz的中心频率工作的天线。根据图3A和图3B，清楚的是，该平面倒F天线200显示出良好的全向特性，VSffR是2时，带宽保持在大约25MHz。由于容纳天线的通信模块的壳体的尺寸局限性，平面倒F天线200的辐射元件120相对于接地元件100的高度(图I中的高度H)无法进一步增加，这妨碍了进一步扩展天线的带宽。因此，本发明的一个方面的目的是提供一种保持低剖面(profile)并且展示出扩展带宽的平面倒F天线。
发明内容
提供了一种包括多个平面元件的平面倒F天线。该平面倒F天线包括(A)接地元件，其限定了接地面；(B)第一辐射元件，其与所述接地面分开并且沿与接地元件的延伸方向相同的方向延伸；(C)第一短路元件，其使所述接地元件和所述第一辐射元件短路并且设置在所述第一辐射元件的端部；(D)第二短路元件，其使所述接地元件和所述第一辐射元件短路并且与所述第一短路元件分开设置； (E)电源部，其设置在所述第一短路元件或所述第二短路元件处；以及(F)第二辐射元件，其与所述接地面平行设置并且相对于所述第一辐射元件沿长度方向部分地延伸，其中，该第二辐射元件与所述第一辐射元件形成第三辐射元件，所述第二辐射元件设置为在所述电源部附近实质地增加所述第三辐射元件的宽度。发明效果所公开的平面倒F天线保持低剖面并且展示出扩展的带宽。
图I是示出了平面倒F天线的示例的立体图；图2是示出了设置在电路板上的图I中所示的平面倒F天线的图；图3A和图3B是示出了如图2中所示的平面倒F天线的特性的示例的图；图4是示出了第一实施方式的平面倒F天线的立体图；图5是示出了第一实施方式的平面倒F天线设置在电路板上时的图；图6是示出了第一实施方式的平面倒F天线的示例性附接的图；图7是示出了第一实施方式的平面倒F天线附接到通信模块的壳体时的示例的图；图8A和图8B是示出了第一实施方式的平面倒F天线的优选附接的图；图9是示出了第一实施方式的平面倒F天线的工作的图；图IOA和图IOB是示出了第一实施方式的平面倒F天线的特性的示例的图；图IlA和图IlB是示出了第一实施方式的平面倒F天线的特性的示例的图；图12是示出了第一实施方式的平面倒F天线的变型例的图；图13是示出了第一实施方式的平面倒F天线的变型例的图；以及图14是示出了第二实施方式的平面倒F天线的立体图。
具体实施例方式(I)第一实施方式(1-1)平面倒F天线的结构首先，将参照图4和图5描述第一实施方式的平面倒F天线的结构。图4是示出了根据一个实施方式的平面倒F天线I的立体图。图5是示出了图4中所示的平面倒F天线I设置在通信模块的电路板上时的图。如图4所示，本实施方式的平面倒F天线I是包括多个平面元件的金属板天线或金属膜天线。换句话说，平面倒F天线I包括接地元件10、第一辐射元件12、第一短路元件14、第二短路元件16和第二辐射元件18。本实施方式的平面倒F天线I的金属板的材料优选地是金属，诸如例如铜、和铜-镍-锌合金(铜、锌和镍合金)。接地元件10限定了要附接到通信模块的电路板的GND面(基板的GND面)的接地(GND)面(接地面)，该通信模块要容纳平面倒F天线I。沿长度方向的接地元件10可以具有任意长度，只要该长度不从附接天线的电路板的GND面的区域突出即可。例如，为了将本实施方式的平面倒F天线I的接地元件10如图5所示地附接在具有Kl XK2的尺寸的GND面上(X-Z平面上)，接地元件10沿长度方向的长度等于或小于Kl。如图5所示，平面倒F天线I可以附接在电路板的基板的GND面的端部，以与电路板上所设置的其他组件不
发生干扰。但是，附接平面倒F天线I的位置不限于图5中所示的具体示例。第一辐射元件12与接地元件10沿相同方向延伸，同时与接地元件10的GND面分开。第一辐射元件12沿长度方向的长度LI被设置为近似X/4(L1 = X/4)，其中\表示与工作频率相对应的波长，其中，第一福射兀件12在该长度谐振。进一步地，在本实施方式的平面倒F天线I中，第一辐射元件12顶端的高度是H，并且高度H的上限可以由容纳平面倒F天线I的通信模块的壳体的尺寸来限制。第一短路元件14和第二短路元件16是使接地元件10和第一辐射元件12短路的元件。第一短路元件14设置在平面倒F天线I的端部。第二短路元件16与第一短路元件14分开设置。在图4中所示的示例中，第一短路元件14和第二短路元件16彼此大致平行地设置。通过同轴电缆从电路板(未示出)向平面倒F天线I上施加射频信号的电源部F例如设置在第一短路元件14处或者设置在第二短路元件16处。在图4中所示的示例中，电源部F设置在第二短路元件16处。第二辐射元件18是与接地元件10的GND面平行设置并且相对于第一辐射元件12沿长度方向部分地延伸的元件。换句话说，关系L2<L1成立，其中，L2表示第二辐射元件18沿第一辐射元件12 (具有长度LI)的长度方向的长度。进一步地，在图4中所示的示例中，第二辐射元件18设置在与第一辐射元件12正交的平面上。在图4中，第一辐射元件12和第二辐射元件18形成了第三辐射元件，用W表示第二辐射元件18的宽度。第二辐射元件18设置为在电源部F附近实质地增加该第三辐射元件的宽度。如后面要描述的，当平面倒F天线I谐振时，这产生了多个电流路径，电流路径的数量取决于第二辐射元件18的宽度W。这里，在本实施方式的平面倒F天线I中，限定第一辐射元件12的面和GND面彼此正交，而限定第二辐射元件18的面和GND面彼此平行。因此，增加第二辐射元件18的宽度W不会导致平面倒F天线I的高度H的增加，这使整个平面倒F天线I低剖面。(1-2)平面倒F天线与基板的附接下面，将参照图6至图8B描述本实施方式的平面倒F天线I的示例性附接。图6是示出了本实施方式的平面倒F天线I的示例性附接的图。如图5所示，当本实施方式的平面倒F天线I附接到通信模块的基板的GND面时，由于第一辐射元件12不够坚硬，无法维持图4中所示的平面倒F天线I的几何形状。为了维持几何形状，如图6所示，介电块50可以插在接地元件10和第二辐射元件18之间，而第一辐射元件12可以与介电块50接触或者附接到介电块50。在图6中所示的示例性附接中，介电块50的底部用粘合剂等附接到基板的GND面。介电块50的材料可以是例如丙烯晴丁二烯苯乙烯共聚物(ABS, acrylonitrile butadiene styrene)的塑料。另选地，在确保维持平面倒F天线I的几何形状的同时，可以借助于附接螺钉来简化本实施方式的平面倒F天线I的附接。此后，将参照图7、图8A和图SB来描述使用附接螺钉如何将本实施方式的平面倒F天线I附接到通信模块的基板的示例。图7示出了附接到通信模块的壳体C的本实施方式的平面倒F天线I。图8A是示出了用于获得图7中所示的结构的附接的分解图，而图8B是示出了当从图8A 中的箭头A观看时平面倒F天线I和介电块51的指示图(arrow view)。在图7、图8A和图8B中，平面倒F天线I设置在通信模块的电路板的基板的GND面的端部。在图8A和图8B中，通过将前侧壳体Cl和后侧壳体C2耦接到一起来组装通信模块的壳体C。如图7所示，作为该附接的准备工作，介电块51插在接地元件10和第二辐射元件18之间。进一步地，如图SB所示，使介电块51与第一辐射元件12的一侧接触。这使得第一福射元件12能够维持图4中所示的几何形状。如图8A和图8B所示,平面倒F天线I和基板的GND面各设置有两个螺钉孔，附接螺钉拧入这两个螺钉孔。如图SB中的指示图A中所示，这两个螺钉孔设置在平面倒F天线I的接地元件10中，使得第二辐射元件18和介电块51分开，由此防止附接螺钉的头部与第二辐射元件18和介电块51干扰。该附接采用附接螺钉，使得能够将本实施方式的平面倒F天线I容易地附接到基板的GND面，同时维持本实施方式的平面倒F天线I的几何形状。(1-3)平面倒F天线的工作下面，将参照图9描述本实施方式的平面倒F天线I的工作。图9是示出了本实施方式的平面倒F天线的工作的图。如果没有第二辐射元件18，则第一辐射元件12沿长度方向的长度LI将是A/4 (LI = X/4)，并且与常规平面倒F天线类似，平面倒F天线I将在由\确定的谐振频率处谐振。在该情况下，谐振模式是电流在电源部F附近最大并且在第一辐射元件12的端部降到零。相反，在本实施方式的平面倒F天线I中，设置第二辐射元件18，使得在电源部F附近实质地增加第三辐射元件的宽度。由此，如图9所示，产生了多个电流路径，该电流路径的数目取决于第二辐射元件18的宽度。在图9中，这些多个电流由三个虚拟电流J1、J2和J3表示。多个电流在第一辐射元件12的未设置有第二辐射元件18的区域中合并。由于第二辐射元件18与GND面平行设置，所以对于第二辐射元件18上流动的多个电流，第二辐射元件18和GND面之间的电容是不变的。由此，多个电流(图9中的电流J1、J2和J3)被认为是对相同电源部F的信号进行操作的等效电流。由于如图9所示，在平面倒F天线I工作的同时，等效的多个电流具有不同的电流路径，所以可以认为本实施方式的平面倒F天线I等效地具有取决于多个辐射元件的长度的多个谐振点。由此，本实施方式的平面倒F天线I可以以扩展带宽工作。(1-4)平面倒F天线的特性下面，将参照图IOA至图IlB描述具有可变长度LI和L2(参见图4)的本实施方式的平面倒F天线I的特性的示例。图IOA示出了当第二辐射元件18的长度L2变化时(当VSWR = 2时)平面倒F天线I的带宽BW，而图IOB示出了在天线谐振的同时，第一辐射元件12的长度LI和第二辐射元件18的长度L2之间的关系。图IIA和图IlB示出了平面倒F天线I的电磁场模拟结果，其中图IlA示出了 VSWR特性，而图IlB示出了本实施方式的平面倒F天线I在X-Y平面上的方向性。应当注意的是，图IOA至图IlB示出了当在图4中，高度H是9_，短路元件之间的间隔是4至5_，各短路元件的宽度是2_，各天线元件的板厚度是0.4mm，并且图5中的Kl = K2 = 70mm时的结果。进一步地，在图IOA至图IlB所示的示例中，本实施方式的平面倒F天线I被设计为在IGHz的中心频率(工作频率)工作的天线。图IOA和图IOB示出了未插入有介电块的情况以及介电块(相对介电常数er是3)插在接地元件10和第二辐射元件18之间的情况。进一步地，图IOA和图IOB示出了第二辐射元件18的宽度W是5mm和IOmm的情况。
图IOB示出了在存在空气的情况下，平面倒F天线I在与工作频率\ (在1GHz，入=300mm)的四分之一相对应的大约70mm的长度LI谐振。当插入介电块(相对介电常数er是3)时，由于介电缩短波长，减小了有效天线长度，由此平面倒F天线I在大约54mm的长度LI谐振。参照图10A，在本实施方式的平面倒F天线I中，与不设置第二辐射元件18的情况相比(图IOB中，L2 = 0)，尽管带宽取决于第二辐射元件18的尺寸(长度L2和宽度W)，但仍显著增加了天线的带宽。例如，当宽度W是IOmm并且长度L2是40mm时，在存在空气的情况下，天线带宽增加40% (从25MHz到35MHz)。图IOA还示出了当第二辐射元件18的长度L2过大时，降低了天线带宽的增力口。例如，当存在空气并且宽度W是IOmm时，在0 < L2(mm) ( 40的范围中，带宽BW随着L2单调增加。在L2(mm) = 40达到峰值之后，在L2 (mm) > 40的范围中，带宽BW随着L2减小。这是因为如果L2过长，会减少在图9中所示的平面倒F天线I工作的过程中的等效的多个电流的产生，并且特征接近平面倒F天线在辐射元件在辐射元件的整个长度上较宽的情况下的特性。当辐射元件在辐射元件的整个长度上较宽时，不产生与不同电流路径有关的多个谐振模式。认为即使长度L2过长(如果不是L2 = L1)，仍然获得等效的多个电流的效果。但是，在第一辐射元件12的顶端附近谐振过程中的电流接近零，并且等效的多个电流未有效分布，因此限制了它们的效果。因此，通过设置第二辐射元件18可以增加带宽，并且为了使该增加最大，第二辐射元件18的长度L2优选地在近似从LI X 1/4至LI X 3/4的范围中。进一步参照图10A，天线带宽还随着第二辐射元件18的宽度W增加。但是，第二辐射元件18宽度W的过度增大可能造成沿与第一辐射元件12垂直的方向的不希望的谐振。换句话说，当本实施方式的平面倒F天线I的多带工作是不期望的时，第二辐射元件18宽度W的过度增大可能对于天线的工作造成不期望的效果。进一步地，具有过度增大的宽度W的第二辐射元件18可能与容纳天线的通信模块的基板上的组件干扰。由于上述原因，第二辐射元件18优选地具有近似入/15(在1GHz，大约20_)以下的宽度。图IIA和图IlB示出了在存在空气、宽度W是5mm并且长度L2是40mm的条件下，本实施方式的平面倒F天线I的特性的示例。如图IlA所示，在VSWR是2时，带宽是大约31MHz，这表示与图3中所示的情况相比，扩展了带宽。进一步地，图IlB示出了与图3中所示的特性类似，该平面倒F天线I具有良好的全向特性。如上所述，在本实施方式的平面倒F天线I中，第二辐射元件18与GND面平行设置并且相对于第一辐射元件12沿长度方向部分地延伸，以在电源部F附近实质地增加第三辐射元件的宽度。因此，本实施方式的平面倒F天线I保持低剖面并且展示出扩展的带宽。(1-5)变型例除了图4中所示的构造以外，可以将本实施方式的平面倒F天线修改为各种构造。例如，根据容纳平面倒F天线I的通信模块的壳体的尺寸限制，可以适当地修改平面倒F天线I。例如，如图12所示，如果沿第一辐射元件12的长度方向壳体的尺寸有限，则可以折叠第一辐射元件12的端部，以限定折叠部12a，以允许将天线容纳在具有有限尺寸的通信模块的壳体内，同时确保一定的天线有效长度。·而且，尽管图4中第二辐射元件是矩形的，但是并不限于此。只要第二辐射元件与GND面平行设置并且延伸以在电源部F附近实质性地增加第三辐射元件的宽度，第二辐射元件的几何形状就不限于矩形。图13中示出了第二辐射元件具有除了矩形之外的几何形状的示例之一。图13中所示的第二辐射元件28具有第二辐射元件28的宽度从第一辐射元件12在第一短路元件14侧上的端部逐渐减小的几何形状。图13中所示的第二辐射元件28也满足第二辐射元件28与GND面平行并且在电源部F附近增加第三辐射元件的宽度的要求。(2)第二实施方式此后，将描述第二实施方式的平面倒F天线。将参照图14描述第二实施方式的平面倒F天线的结构。图14是示出了根据第二实施方式的平面倒F天线2的立体图。如图14所示，与上述平面倒F天线I类似，本实施方式的平面倒F天线2是包括多个平面元件的金属板天线或金属膜天线。换句话说，平面倒F天线2包括接地元件20、第一辐射元件22、第一短路元件24、第二短路元件26和第二辐射元件38。接地元件20限定了附接到通信模块的电路板的GND面(基板的GND面)的GND面(接地面)，该通信模块容纳平面倒F天线2。第一辐射元件22与接地元件20沿相同方向延伸，同时与接地元件20的GND面分开。在本实施方式中，与第一实施方式不同，第一福射兀件22与GND面平行。第一福射兀件22沿长度方向的长度被设置为近似X/4,其中\表不与工作频率相对应的波长,其中，第一辐射元件22在该长度谐振。进一步地，在本实施方式的平面倒F天线2中，从GND面到第一辐射元件12的顶端的高度的上限可能受容纳平面倒F天线2的通信模块的壳体的尺寸限制。第一短路元件24和第二短路元件26是使接地元件20和第一辐射元件22短路的元件。第一短路元件24设置在平面倒F天线2的端部。第二短路元件26与第一短路元件24分开设置。在图14中所示的示例中，第一短路元件24和第二短路元件26彼此大致平行设置。通过同轴电缆从电路板(未示出)向平面倒F天线2上施加射频信号的电源部F例如设置在第一短路元件24处或设置在第二短路元件26处。在图14中所示的示例中，电源部F设置在第二短路元件26处。
第二辐射元件38是与接地元件20的GND面平行设置并且相对于第一辐射元件22沿长度方向部分地延伸的元件。进一步地，在图14所示的示例中，第二辐射元件38与第一辐射元件22设置在同一平面上。与第一实施方式的第二辐射元件18的宽度类似，第二实施方式的第二辐射元件38和第一辐射元件22形成第三辐射元件，第二辐射元件38设置为在电源部F附近实质地增加第三辐射元件的宽度。当平面倒F天线2谐振时，这产生了多个电流路径，电流路径的数目取决于第二辐射元件38的宽度W。平面倒F天线2的谐振动作与第一实施方式中所描述的平面倒F天线的谐振动作类似。这里，在本实施方式的平面倒F天线2中，限定了第一辐射元件22和第二辐射元件38的平面与GND面平行。因此，增加第二辐射元件38的宽度W不会导致平面倒F天线2的高度的增加，这使整个平面倒F天线2低剖面。采用图14中所示的构造，还在本实施方式的平面倒F天线2中，第二辐射元件38可以被设置为与GND面平行，并且相对于第一辐射元件22沿长度方向部分地延伸，以在电源部F附近实质地增加第三辐射元件的宽度。因此，如同第一实施方式的天线，本实施方式的平面倒F天线2保持低剖面并且展示出扩展的带宽。 虽然已经详细地描述了本发明的实施方式，但是本发明的平面倒F天线不限于上面所讨论的实施方式。应当注意的是，在不偏离发明精神的情况下，可以实现各种修改和变型。
权利要求
1.ー种平面倒F天线(1、2)，其包括多个平面元件，所述平面倒F天线包括 接地元件(10、20)，其限定了接地面； 第一辐射元件(12、22)，其与所述接地面分开并且沿与接地元件延伸的方向相同的方向延伸； 第一短路元件(14、24)，其使所述接地元件和所述第一辐射元件短路并且设置在所述第一辐射元件的端部； 第二短路元件(16、26)，其使所述接地元件和所述第一辐射元件短路并且与所述第一短路元件分开设置； 电源部(F)，其设置在所述第一短路元件或所述第二短路元件处；以及 第二辐射元件(18、28、38)，其与所述接地面平行设置并且相对于所述第一辐射元件沿长度方向部分地延伸，其中，该第二辐射元件与所述第一辐射元件形成第三辐射元件，所述第二辐射元件被设置为在所述电源部的附近实质地増加所述第三辐射元件的宽度。
2.根据权利要求I所述的平面倒F天线，其中，所述第二辐射元件设置在与所述第一辐射元件正交的平面上。
3.根据权利要求I所述的平面倒F天线，其中，所述第二辐射元件与所述第一辐射元件设置在同一平面上。
4.根据权利要求I至3中任意一项所述的平面倒F天线，其中，所述第二辐射元件沿所述长度方向的长度在LI X 1/4至LI X3/4的范围内，其中，LI表示所述第一辐射元件沿所述长度方向的长度。
5.根据权利要求I至3中任意一项所述的平面倒F天线，其中，所述第二辐射元件是矩形元件，该矩形元件被设置为从所述第一辐射元件的设置有所述第一短路元件的所述端部沿所述第一辐射元件的所述长度方向延伸。
6.根据权利要求I至3中任意一项所述的平面倒F天线，其中，所述第二辐射元件是这样的元件，该元件被设置为使得随着所述第二辐射元件从所述第一辐射元件的设置有所述第一短路元件的所述端部沿所述第一辐射元件的所述长度方向延伸，所述第二辐射元件的宽度减小。
7.根据权利要求I至3中任意一项所述的平面倒F天线，该平面倒F天线还包括设置在所述第一辐射元件和所述接地元件之间的介电块(50、51)。
全文摘要
本发明涉及平面倒F天线。在平面倒F天线(1)中，第二辐射元件(18)与GND面平行设置并且相对于第一辐射元件(12)沿长度方向部分地延伸，以在电源部(F)附近实质地增加该第二辐射元件(18)与所述第一辐射元件(12)形成的第三辐射元件的宽度。
文档编号H01Q1/36GK102760935SQ201210124809
公开日2012年10月31日 申请日期2012年4月25日 优先权日2011年4月25日
发明者二宫照尚, 古泽卓二, 小原木敬祐, 小林克己, 川角浩亮, 桑原昌史, 甲斐学, 野泽正晴 申请人:富士通株式会社