专利名称：改进的pifa天线及无线设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种平面天线，尤其涉及一种改进的PIFA天线及包括该天线的无线设备。
背景技术：
PIFA (Planar Inverted F Antenna)天线，即平面倒F天线，是天线领域众所周知的一种平面天线。其基本结构可以包括一个辐射顶片，一个馈电引脚，一个短路引脚，以及所需的参考地。由于其辐射顶片和馈电引脚以及短路引脚从侧面来看，如同一个倒放在地平面上的大写英文字母“F”，故而得名“平面倒F天线”。该天线能够衍生出许多不同的子设计,尺寸或大或小,结构上也各不相同。软式天线(wiggle antenna)也是一种改进的PIFA天线，由于其不同的尺寸,将被应用于不同的产品或应用场合。然而一般来说，软式天线由于其尺寸较大，它仅能够有限地应用于通常尺寸的无线收发器或鼠标中，而无法应用于微型的无线设备中。图1示出了一种软式天线。如图1所示，该软式天线包括端部102，主体部104，馈入部108(馈入线)，和分路引脚部106。其中主体部104包括多个纵向布置的主条带114和顺次连接各主条带的连接条带110。主体部最末端的尾条带右侧耦接分路引脚部106，与分路引脚部106相邻的左侧为馈入部108。从图1中可以看出，馈入部108的长度约为每个主条带114的长度的2倍以上。由于馈入部108长度过长，导致该天线的整体尺寸增大，这使得该软式天线很难应用于微型无线设备中，例如微型收发器中，因为微型收发器由于其尺寸很小，对于天线的尺寸有严格要求。此外，从图2a中可以看出，该软式天线的测试电路中GND占据整个电路面积的绝大部分，GND在测试时与软式天线的分路引脚部相连，以提供参考接地。
然而，微型收发器的电路板上参考地的面积非常小，这主要是由于微型收发器的小尺寸所决定的。因此，在通常情况下，如在图2a中所示的测试情况下，所使用的测试电路与实际安装有软式天线的微型收发器中的电路有相当大差别，这导致在应用于实际的微型收发器中时，该软式天线将很难获得与在测试时同样理想的性能。因此，鉴于上述情况，需要一种能够弥补所述软式天线的不足的新的天线。
实用新型内容本实用新型的目的之一在于提供一种改进的PIFA型天线，其具有紧凑的尺寸，能够适合于任何通常的微型收发器，而不损害其射频性能。本实用新型的另一个目的在于提供一种改进的PIFA天线，其结构紧凑，而且能够改善现有PIFA天线的性能。根据本实用新型的一个方面，提供了一种改进的PIFA天线，包括:端部402 ;主体部404，包括一个耦合于所述端部402的第一端和一个第二端，所述主体部404包括并列设置并具有相同结构的N (N>1)个主条带(414)，分别顺次与所述N个主条带(414)连接的连接条带410,以及稱合于第N个主条带的尾部条带(416),所述尾部条带(416)形成所述主体部404的第二端；分路引脚(shunt stub)部406，耦合于所述第二端的第一位置处；以及馈入部408，具有宽度W5和长度H1，所述馈入部408耦合于所述第二端的第二位置处，所述第二位置比所述第一位置更靠近所述第一端；其中，所述N个主条带(414)的相邻的两条主条带(414)之间的间隙W2小于所述N个主条带(414)的每个主条带的宽度W1 ;所述H1设置为W4<H1 ( 1.5W4，其中，W4为所述每个主条带(414)的长度。[0011]优选地，W2彡 0.5ff1； ff4<H1 彡 1.35ff4o[0012]更优选地，W2( 0.25ff1； ff4<H1 d4。[0013]优选地，所述馈入部408与所述分路引脚部406之间的距离L设置为:W5 ^ L ^ 1.5W5。[0014]优选地，所述分路引脚部406的长度H2设置为。[0015]优选地，所述端部402与所述每个连接条带410的延伸方向一致。[0016]优选地，所述端部402与所述尾部条带416位于所述每个主体部404的同侧。[0017]优选地，所述端部402的长度小于所述每个主条带(414)的长度。[0018]优选地，所述每个主条带(414)与所述连接条带410相邻的顶角处为倒角结构或圆弧结构。[0019]优选地，所述各个相邻主条带(414)之间距离相等。[0020]优选地，所述端部402、每个主条带(414)、连接条带410、馈入部408、和分路引脚部406的宽度均相同。[0021]优选地，所述相邻两条主条带与其间的连接条带410形成为以下结构之一:矩形结构，梯形结构，和正弦曲线结构。[0022]优选地，所述改进的PIFA天线的厚度为0.02、.04英寸。[0023]根据本实用新型的另一个方面，提供了一种无线设备，包括前述的改进的PIFA天线。[0024]优选地，所述无线设备为2.4GHz无线设备。端部的总长度和各部分线段的宽度的最佳值可根据期望的工作频率而变化。[0025]优选地，所述无线设备为以下之一:无线收发器，无线键盘和鼠标，手持式遥控器，和无线游戏控制器。[0026]通过本实用新 型的技术方案，提供了一种小尺寸的改进的PIFA天线，其能够适合于任何通常的微型收发器，而不损害其射频性能；并且能够改善现有的软式天线的性能，尤其适合于2.4GHz无线收发器/无线键盘/鼠标/显示器/遥控器，等等。
[0027]此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中:[0028]图1是现有技术中一种软式天线的结构示意图；[0029]图2a是用于测试图1所示的软式天线的电路的PCB正面布局示意图；[0030]图2b是用于测试图1所示的软式天线的电路的PCB背面布局示意图；[0031]图3是图1所示的软式天线与图2a所示的测试电路耦合的示意图；图4是根据本实用新型一个实施例的改进的PIFA天线的结构示意图；图5a是根据本实用新型一个实施例的用于测试图4所示的改进的PIFA天线的电路的PCB正面布局不意图；图5b是根据本实用新型一个实施例的测试图4所示的改进的PIFA天线的电路的PCB背面布局示意图；图6是根据本实用新型一个实施例的用于改进的PIFA天线与图5a所示的测试电路率禹合的不意图；图7是根据本实用新型一个实施例的回波损耗测量结果屏幕截图；图8是根据本实用新型一个实施例的史密斯圆图测量结果屏幕截图；图9是根据本实用新型一个实施例的实际微型收发器中的改进的PIFA天线外形以及相应的球坐标角度Φ=0的示意图；图10是根据本实用新型一个实施例的对应于图9的增益测量结果屏幕截图；图11是根据本实用新型一个实施例的实际微型收发器中的改进的PIFA天线外形以及球坐标角度Φ=90的示意图；图12是根据本实用新型一个实施例的对应于图11的增益测量结果屏幕截图；图13是根据本实用新型一个实施例的实际微型收发器中的改进的PIFA天线外形以及球坐标角度 =90时 的示意图；图14是根据本实用新型一个实施例的对应于图13的增益测量结果屏幕截图；图15是根据本实用新型一个实施例的3维增益测量结果屏幕截图；图16是根据本实用新型一个实施例的改进的PIFA天线的PCB截面示意图；以及图17是包含了本实用新型的一个实施例的改进的PIFA天线的无线设备完整的系统原理框图。
具体实施方式
下面参考附图，详细说明本实用新型的示例性的具体实施方式
。图4是根据本实用新型一个实施例的改进的PIFA天线的结构示意图；该改进的PIFA天线包括:端部402 ;主体部404，包括一个耦合于所述端部402的第一端和一个第二端，并列设置并具有相同结构的N (Ν>1)个主条带414，分别顺次与所述N个主条带414连接的连接条带410,以及稱合于第N个主条带的尾部条带416,所述尾部条带416形成所述主体部404的第二端；以及分路引脚部406，耦合于所述第二端的第一位置处，用于在测试或工作时提供参考接地；以及馈入部408，具有宽度％和长度H1，所述馈入部408耦合于所述第二端的第二位置处，用于反馈所接收的信号，所述第二位置比所述第一位置更靠近所述第一端；其中，所述N个主条带414的相邻的两条主条带414之间的间隙W2小于所述N个主条带414的每个主条带的宽度W1 ;所述H1设置为=WfH1 ( 1.5W4，其中，W4为所述每个主条带414的长度。从图4中可以看出，馈入部408的长度相比于图1中所示的软式天线的馈入部108的长度大大减小。优选地，馈入部408的长度H1设置为=WfH1 ( 1.5W4，其中W4为主条带414的长度。更优选地，馈入部408的长度H1设置为=WfH1 ( 1.35W4。实验证明，馈入部408的长度H1设置为=WfH1 ( 1.2ff4时射频性能更为优越，当然该天线尺寸也更加紧凑。[0051]本实施例中，通过最小化馈入部408的长度而获得非常低的天线高度，从而降低了天线尺寸。[0052]由于馈入部408的长度变短，所以为了不损害该天线的射频性能，通过延长辐射长度(即，主体部中主条带414的长度)而进行补偿，以平衡天线的总长度。具体说，可通过增加主条带414的数量来实现，S卩，与现有的软式天线的主条带相比，本实用新型的改进的PIFA天线具有更多的主条带414,当然,连接条带410的数量也相应增加。[0053]图4所示的实施例中，主条带414的数量大于等于8个，显然，该数量也可以是其他数值，例如，从图4中可看出，所示的主条带414的数量为12个。而主条带的增加，主要通过减小相邻主条带之间的间隙来实现。[0054]如图4所示，相邻的主条带414之间的间隙W2小于主条带414的宽度W1。优选地，相邻的主条带414之间的间隙小于等于主条带414的宽度的二分之一，即，W2 ( 0.5ff10更优选地，相邻的主条带414之间的间隙小于等于主条带414的宽度的四分之一，即，W2 ( 0.25R。[0055]实验证明，通过如此设置主条带414，能够有效补偿由于馈入部的变短而可能导致的射频性能降低。[0056]从图4中可以看出，主条带414与连接条带410首尾相接,二者相邻之处为直角结构，显然，本实用新型并不限于图中所示的结构，可以对直角结构进行倒角，或进行平滑处理而形成圆弧结构。实验证明，上述结构均能实现本实用新型的目的。[0057]此外，为了避免由于天线与电路部分的GND平面之间很近的距离而引起的电容性上升，分路引脚部406需要适当并仔细调整(包括宽度、长度和到馈入部408之间的距离)；从图4中可以看出，馈入部408与分路引脚部406之间的距离大于馈入部408的宽度。优选地，馈入部408与分路引脚部406之间的距离为馈入部408的宽度的I至1.5倍。通过适当调整分路引脚部406与馈入部408之间的距离，分布电感以及分布电容都会发生变化，从而抑制天线与电路部分的GND平面之间电容性上升，以改善其射频性能。[0058]由于馈入部408的长度减小，分路引脚部406的长度H2也需相应减小，其长度小于馈入部408的长度，大于主条带414的长度，BP, H2设置为W4O^H115[0059]端部402的长度L1也可适当调整，优选地，其长度小于主条带414的长度。[0060]端部402与连接条带410的延伸方向一致。端部402与尾部条带416位于主体部404的同侧。各个相邻主 条带414之间距离相等。主条带414、连接条带410、馈入部408、分路引脚部406的宽度均相同。[0061]此外,从图4中可以看出，构成端部402、主体部404、馈入部408和分路引脚部406的各线段的宽度基本上相同。当然，本实用新型并不限于这种方式，这些线段彼此之间也可以宽度不同，例如，可以根据需要改变馈入部408和分路引脚部406的宽度。[0062]另外，图4中多个主条带414以均等的距离、均等的高度串联设置。本实用新型并不限于此，所述多个主条带414还可以设置为非均等的距离。通过适当优化，也可能实现本实用新型的目的。[0063]此外，图4中所示的多个主条带414相互平行，并且相邻的两个主条带414与二者之间的连接条带410形成一端开口的矩形结构(可称为矩形结构)。然而，本实用新型并不限于这种结构，也可以是任意两个相邻的主条带414与二者之间的连接条带410形成一端开口的梯形结构(可称为梯形结构)。这种情况下，相邻的两条主条带414之间的距离可定义为该两个主条带414中间高度处二者之间的距离。通过适当设置，使相邻的两条所述主条带414之间的间隙小于所述主条带414的宽度，能够实现与图4所示的技术方案近似的效果。类似地，该天线的主条带与连接条带还可以有其他的变形，例如，形成为正弦曲线或其他类似曲线形状。根据本实用新型实施例的改进的PIFA天线的厚度为0.02、.04英寸，实验证明，该天线的厚度为0.03英寸左右，其性能更为理想。此外，也可根据需要适当增大端部尺寸，或者分路引脚部的尺寸，如分路引脚部的宽度，以满足一些较大的微型收发器的要求，使得其产品没有太多的损害RF性能或甚至更好。本实用新型实施例的改进的PIFA天线优选应用于2.4GHz无线设备。例如以下产品:任何小尺寸2.4GHz无线产品，诸如蓝牙、WLAN、无线键盘和鼠标、手持式遥控器、无线游戏控制器，等等。图5a是根据本实用新型一个实施例的用于测试图4所示的改进的PIFA天线的电路的PCB正面布局不意图。从图5a中可以看出，该电路板上集成了多个电路元件。图中包括了四处GND 502、504,506和508，其仅占据电路板的一部分，与图2a中相比，GND面积小了很多，这类似于实际的微型收发器中电路板的情况。图5b是根据本实用新型一个实施例的测试图4所示的改进的PIFA天线的电路的PCB背面布局示意图。同样可以看出，图5b中电路板上GND 510和512也只是占到其中较小的一部分。
图6是根据本实用新型一个实施例的用于改进的PIFA天线与图5a所示的测试电路率禹合的不意图。如图6所示，本实用新型一个实施例的改进的PIFA天线与测试电路相连接，图4中所示的天线的馈入部408与分路引脚部406分别连接到电路板上的馈入连接点和分路引脚。图7是根据本实用新型一个实施例的回波损耗测量结果屏幕截图。图7中所示的点I和3之间的部分为完全覆盖2.4GHz频段范围的回波损耗部分，根据图7左下角的数值可知:点I处对应于-10.311dB,点2处对应于-19.106dB,点3处对应于-10.658dB。通常低于-1OdB被认为是比较好的数值，可见，上述回波损耗结果是令人满意的。图8是根据本实用新型一个实施例的史密斯圆图测量结果屏幕截图。图8中显示了提供史密斯圆图的形式的输入反射系数S11，该术语Sll是本领域技术人员公知的。如图8所示，点1、2和3靠近椭圆的中心部分，其越接近中心部分，表示其数值越好。该图中点2是最靠近中心的。从图中数值来看，该史密斯圆图所反映的结果也是令人满意的。图9、11和13是根据本实用新型一个实施例的实际的微型收发器中的改进的PIFA天线外形以及相应的球坐标角度Φ=0、Φ=90以及Θ=90的示意图。图9、11和13中左侧所示为实际的微型收发器中的改进的PIFA天线外形示意图，将该天线固定，然后分别以球坐标系中的Φ=0、Φ=90 (图中PHI即为Φ)以及O =90三个角度对其射频性能进行测试。图中右侧分别示出了球坐标系中相应的三个角度的图形，这些图形对于本领域技术人员来说是公知的。[0079]图10、12和图14是根据本实用新型一个实施例的分别对应于图9、11和13的增益测量结果屏幕截图；图15是根据本实用新型一个实施例的3维增益测量结果屏幕截图。[0080]根据标准天线OTA (over the air)(一种有源测试方式)标准以及规范来进行测试，该测试在实验室进行。测得的结果分别显示于图10、12和图14中。从图中可见，所测得的数值比较大、各个方向均匀性较好。[0081]从上述测量数据中容易理解，本实用新型实施例的改进的PIFA天线具有IOOMHz以上良好的回波损耗带宽，几乎各向同性的辐射图案(在几乎所有方向具有好的增益)。也就是说，该天线具有良好的射频性能。[0082]图16是根据本实用新型一个实施例的改进的PIFA天线的PCB截面示意图。[0083]图16中示出了改进的PIFA天线的部分截面示意图。由图中可见，其上面一层以及最下面一层为金属层，属于信号层，而中间层为其基板。该天线的厚度范围优选为0.02、.04英寸，更优选为约0.03英寸。其中信号层的厚度优选为0.3、.70Z(其中IOZ约为0.00135英寸)，更优选地，图中所示为0.50Z (约合0.000675英寸)。显然，本实用新型的天线厚度参数并不限于上述数值范围。[0084]图17是包含了本实用新型的一个实施例的改进的PIFA天线的无线设备完整的系统原理框图。[0085]图17中最右侧的1708为改进的PIFA天线，左侧与其耦合的为匹配网络1706，该匹配网络1706是无线收发器中所不可缺少的，其为无源部件，用于实现天线与射频IC1704的匹配，该射频IC用于对天线进行射频激励，MCU 1702用于对该系统进行控制。[0086]该无线设备可为以下中的任一种:无线收发器；无线键盘和鼠标；手持式遥控器；无线游戏控制器。其优选为2.4GHz无线设备。[0087]通过本实用新型的技术方案，实现了显著技术效果。[0088]首先，本实用新型的技术方案，以适当的结构实现了改进的PIFA天线尺寸最小化，而同时不损害其性能，相反，通过适当设置其结构，能够有效改善其性能。这使其能够应用于微型收发器以及各类尤其是2.4GHz无线设备。该天线的结构使其易于采用目前最受欢迎的封装形式，因此 该解决方案高度接近广泛用于中低端产品市场的低成本芯片解决方案。[0089]其次，不同于软式天线中所描述的纯PCB天线的测试，本实用新型中，该天线的测试在微型收发器的实际壳体中进行，这确保了不必担心收发器的盖子以及USB插头会对调谐的天线带宽造成偏移或增加回波损耗，这能够为真实的用户展示最终的应用性能。通过上述技术手段，确保最终的微型收发器在使用时能够满足RF规范。[0090]本实用新型的技术方案是一种完整的(turn-key)解决方案，尤其适合于赛普拉斯半导体公司(Cypress Semiconductor Corp)的代号为NL的无线USB。其中，天线能够被集成到板中，并且其在射频IC和开放空间之间扮演RF电源的标准输出桥。[0091]本实用新型的改进的PIFA天线，能够满足大部分客户的需求，通过采用本实用新型的改进的PIFA天线，将能够在提升WUSB (无线USB)产品设计方面有很大帮助。它也能在WUSB和其他2.4GHz无线产品诸如BLE (低功耗蓝牙)中被用作参考设计。 以上仅为本实用新型的实施例而已，并不用于限定本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替 换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。
权利要求1.一种改进的PIFA天线,包括: 端部(402)； 主体部(404)，包括一个耦合于所述端部(402)的第一端和一个第二端，并列设置并具有相同结构的N个主条带(414),分别顺次与所述N个主条带(414)连接的连接条带(410),以及耦合于第N个主条带的尾部条带(416)，所述尾部条带(416)形成所述主体部(404)的第二端，其中N > I ; 分路引脚部(406)，耦合于所述第二端的第一位置处；以及 馈入部(408)，具有宽度％和长度H1，所述馈入部(408)耦合于所述第二端的第二位置处，所述第二位置比所述第一位置更靠近所述第一端； 其特征在于: 所述N个主条带(414)的相邻的两条主条带(414)之间的间隙W2小于所述N个主条带(414)的每个主条带的宽度W1 ；所述H1设置为W4 < H1 < 1.5W4，其中，W4为所述每个主条带(414)的长度。
2.根据权利要求1所述的改进的PIFA天线，其特征在于W2S0.Sff17W4 < H1 ^ 1.35W4。
3.根据权利要求2所述的改进的PIFA天线，其特征在于W2S0.2511；14<^^ 1.2W4。
4.根据权利要求1所述的改进的PIFA天线，其特征在于，所述馈入部(408)与所述分路引脚部(406)之间的距离L设置为:ff5 ^ L ^ 1.5W5。
5.根据权利要求1所述的改进的PIFA天线，其特征在于所述分路引脚部(406)的长度H2 设置为:ff4 < H2 < H10
6.根据权利要求1所述的改进的PIFA天线，其特征在于所述端部(402)与每个所述连接条带(410)的延伸方向一致。
7.根据权利要求1所述的改进的PIFA天线，其特征在于所述端部(402)与所述尾部条带(416)位于所述主体部(404)的同侧。
8.根据权利要求1所述的改进的PIFA天线，其特征在于所述端部(402)的长度小于所述每个主条带(414)的长度。
9.根据权利要求1所述的改进的PIFA天线，其特征在于所述每个主条带(414)与所述连接条带(410)相邻的顶角处为倒角结构或圆弧结构。
10.根据权利要求1所述的改进的PIFA天线，其特征在于，所述各个相邻主条带(414)之间距离相等。
11.根据权利要求1所述的改进的PIFA天线，其特征在于所述端部(402)、每个主条带(414)、连接条带(410)、馈入部(408)、和分路引脚部(406)的宽度均相同。
12.根据权利要求1所述的改进的PIFA天线，其特征在于所述相邻两条主条带与其间的连接条带(410)形成为以下结构之一:矩形结构，梯形结构，和正弦曲线结构。
13.根据前述权利要求中任一项所述的改进的PIFA天线，其特征在于所述改进的PIFA天线的厚度为0.02 0.04英寸。
14.一种无线设备，包括前述任一项权利要求所述的改进的PIFA天线。
15.根据权利要求14所述的无线设备，其特征在于所述无线设备为2.4GHz无线设备。
16.根据权利要求14或15所述的无线设备，其特征在于所述无线设备为以下之一■ 无线收发器，无线键盘和鼠标，手持式遥控器，和无线游戏控制器。
专利摘要本实用新型提供了一种改进的PIFA天线及无线设备，该天线包括端部(402)；主体部(404)，包括耦合于端部的第一端和一个第二端，并列设置并具有相同结构的N(N>1)个主条带(414)，分别顺次与N个主条带连接的连接条带(410)，以及耦合于第N个主条带的尾部条带(416)，尾部条带形成主体部(404)的第二端；分路引脚部(406)，耦合于第二端的第一位置处；馈入部(408)，具有宽度W5和长度H1，馈入部耦合于第二端的更靠近第一端的第二位置处；相邻两条主条带之间的间隙W2小于N个主条带的每个主条带的宽度W1；H1设置为W4<H1≤1.5W4，W4为每个主条带(414)的长度。该改进的PIFA天线具有紧凑的尺寸，能够适合于任何通常的微型收发器，而不损害其射频性能。
文档编号H01Q1/38GK203085753SQ20122047835
公开日2013年7月24日 申请日期2012年9月18日 优先权日2012年9月18日
发明者陈康, 彭立鈞, 陈振江 申请人:赛普拉斯半导体公司