广带天线的制作方法

本发明涉及一种宽带(broadband)/广带(wideband)全向天线。

背景技术：

对全向宽带/广带天线的需求越来越大。目前越来越多的电器和设备与无线网络连接，并且随着“物联网”(iot)的发展趋势，现在比如家用电器、服饰、配饰、机器、车辆、建筑等日常用品更频繁地配备有无线连接。这使得设备能够接收来自用户和其他实体的命令，以便能够被远程地控制、转发来自传感器等的信息等。为这种类型的用途提供良好的天线仍然是主要问题。从辐射和通信的角度来看，天线在被应用于比如家用电器等设备时通常被放置在不好的位置。将与设备进行通信的天线被安置的位置通常是制造商不能够预见的。此外，在许多不同的市场需要使用相同或类似的产品，但是由于在世界的不同地区使用不同的频带等，这就在进行通信时产生了问题。

因此需要一种稳健且高效的天线，该天线是全向且广带/宽带的，并且因此可以用于许多不同的环境和情况以及在多个不同的频带下使用。

一般来说，可以被认为表征性能良好的全向天线的特点是：

·低损耗：被馈送到天线或从天线馈送的em功率将被递送/接收，而没有重大损耗。损耗主要是由于阻抗失配和电阻损耗造成的。对于谐振天线而言，物理上足够大的空间是在给定波长下实现低损耗的前提。谐振的最小长度为半波长。损耗通常被定义为效率百分比，其中，100％的效率是没有任何材料损耗的假定理想天线。

·物理上较小的尺寸：在当今的紧凑型无线电子产品的愿望清单中，这通常是首选。然而，不幸的是，其变成了与谐振条件相反的条件，谐振要求一定的最小物理尺寸。

·带宽：根据天线的预期用途，对设计天线的频率的需求是变化的。一些无线电应用处理非常窄的频带，诸如gps。然而，宽带天线必须应付较宽的连续频率范围。宽带天线应当能够在多个频带上谐振。在不降低成本效率的情况下，很难实现明智的设计。这已变得特别困难，因为移动电话和数据覆盖许多且宽泛的频率范围，而这些范围在世界的不同地区之间也不同，使得覆盖的总需求变得非常大。lte(4g)通常在700-1000、1600-2400、2500-2700mhz的频率范围内发现。在这些频带内，我们也将发现2g和3g。

对天线类型的选择取决于要优先考虑哪些特性。在移动电话中，优先级主要给予较小尺寸特性，而不是其他特性。如果允许较小的尺寸，则可以接受70-80％的天线损耗。由于天线是内置的并且因此具有高于接地平面的较小高度，因此，通常需要一种能够工作的天线类型，即使不是很好，但是至少在低海拔时还算不错。针对住宅天线和车载天线的选择，单极型天线通常工作良好。在这种天线中，存在其长度仅需是四分之一波长长度的肋/臂，因为第二个四分之一波长可用作天线所处的理想接地平面中的反射。

然而，通常诸如物联网中的连接，需要比汽车天线更小并且甚至在没有理想接地平面的情况下也可以工作的天线。优选地，带宽应覆盖无论哪个大洲的所有无线电话和数据的频率。具有覆盖所有现有市场的天线是很重要的。由于只需要具有一种天线类型，而不管销售市场如何，因此对这种设备(equipment)的制造商而言，这使得物流很容易。

在现今带宽需求极大的背景下，由于电话技术的发展，无法提供在单一频率下最优的天线，但必须找到一个折衷方案，接受稍低的效率，但获得某种程度上更大的带宽，在这种情况下，天线的价值更高。通常还要求天线在没有接入到外部接地平面的情况下应当运作良好。

因此，为此目的设计的天线是折衷的解决方案，由提供天线的总体特性的不同部分解决方案指定尺寸和构成。然而，如果天线表现良好，不管外部接地平面如何，都会受到物理定律的约束，这与可以在最小物理范围内实现的天线质量有关。针对此类应用常见的天线类型为偶极天线(这些偶极天线具有两个相等的臂，臂长等于半波长)、环形天线(其周长对应于一个波长)、以及具有内部接地平面的单极天线。对于单极天线，增加天线的可用频率范围的一种方式是例如使多个子臂具有不同的长度。还已知的是，创建允许在导电层中提供许多不同长度延伸的连续表面，从而允许针对多个频率的谐振长度。此类天线通常包括印刷在印刷电路板(pcb)上的导电天线层、以及形成接地平面的第二层。这些天线的基本规则是接地平面必须具有与天线元件相同的物理延伸。否则，其将不适合完整的镜像。接地平面可以具有水平延伸，但是也可以具有竖直延伸。接地平面和设置在pcb上的天线可以被布置在基底的同一侧，但是可以替代性地位于不同侧。

然而，这些已知的全向宽带天线仍然存在许多问题，诸如在一定频率范围内性能不足、宽带性能过低、尺寸过大等。

因此需要一种满足以下目标中的至少一个、且优选地所有目标的新型全向广带/宽带天线：在所有相关的频率范围内都有良好的性能和效率、相对紧凑、具有较小的尺寸、制造成本效益、以及不受环境和周围环境影响的充分性能。

技术实现要素：

因此，本发明的目标为提供一种至少部分地消除已知技术的上述所讨论问题的广带/宽带天线。该目的通过根据所附权利要求的天线来实现。

根据本发明的第一方面，提供了一种广带/宽带天线，该广带/宽带天线包括：

具有第一表面和第二表面的介质基底，其中，该第一表面包括：

具有两个导体的天线馈电部，该天线馈电部包括第一馈电连接件和第二馈电连接件，其中，该第二馈电连接件是地或者充当地；

第一导电层，该第一导电层在第一方向上从该天线馈电部延伸并且电连接到该第一馈电连接件，其中，该第一导电层在远离该天线馈电部的方向上延伸并且延伸到第一端部边缘；

第二导电层，该第二导电层主要在第二方向上远离该第一导电层延伸并且电连接到该第二馈电连接件；以及

非导电区，该非导电区将该第一导电层和该第二导电层分离；

并且其中，该第二表面包括：

第三导电层，该第三导电层在朝向该天线馈电部的方向上从第二端部边缘延伸，该第三导电层的范围与该第一导电层在该第一表面处的范围至少部分地重合，该第一导电层的该第一端部边缘和该第三导电层的该第二端部边缘基本上重合，并且其中，该第一导电层和该第三导电层在所述端部边缘处或附近彼此电连接，并且其中，该第一层和该第三层除了在这些边缘处的所述电互连之外均彼此电隔离。

天线馈电部与第一馈电连接件和第二馈电连接件应被理解为电气布线或线路和与此类布线或线路的连接点。该布线可以包括电缆(诸如同轴电缆)中的导线，并且连接器可以直接附接到这些导线。然而，该布线还可以包括介质基底上的(多个)电路/布线图、或者(多个)电缆与(多个)电路/布线图的组合。

在此上下文中，第一导电层和第三导电层在端部边缘处或附近彼此电连接应被理解为其方式使得电连接处于端部边缘处或者在距端部边缘的一定距离内，然而，该距离远小于到馈电连接件的距离。该互连可以例如被布置在沿着端部边缘的一个或若干个位置处，和/或布置在层的长侧处、在端部边缘附近。该互连还可以被布置在多个层内的距端部边缘一定距离的一个或若干个位置处。

出乎意料地，已经证明新天线在非常宽的频率范围内具有极好的天线特点，并具有极好的全向特点。另外，第一导电层和第三导电层的互连确保可以使得该天线比先前已知的天线更紧凑，并增加了天线的带宽。该天线进一步独立于外部接地平面，这使其非常适合于高要求的应用，诸如用于电器和物联网设备的连接。由于宽带/广带特性，该天线还是非常普遍可用的，并且可以在大多数应用和大多数国家使用，而无需任何特定定制。

第二导电层、以及可能的与该第二导电层电连接的第四导电层作为用于天线的接地平面。因此，该天线无需任何外部接地平面即可工作。此外，这意味着天线的工作类似于偶极天线与单极天线的混合。

利用新天线，已获得重叠导电表面与非重叠导电表面的出乎意料地良好混合。出乎意料地，已经证明可以使用部分非重叠的表面来获得极大改善的带宽，并且同时仍然获得非常高的效率。如果相对侧的两个天线表面彼此靠近，则通过介质基底在这两个表面之间将存在很强的耦合。先前已经考虑到，使针对这些重叠层的表面延伸不同是毫无意义的，因为它们彼此耦合，使得从rf角度来看它们共同形成单个图。该耦合并不完全，但其是如此之大以至于无法得出使用电路板的这两侧的任何具体优点。然而，利用新的解决方案，由于层的端部边缘的电互连，天线图(第一导电层)继续向下到基底的底部、到达第三导电层。第一导电层由此继续位于基底下方，但是方向相反。这里，还存在通过介质基底在基底全部侧之间的电感耦合和电容耦合，但是差异完全可以使用以便扩展天线的性能，不仅在非常宽的频率范围内获得较高的效率，而且具有控制良好的低vswr并且在带宽内具有改善的阻抗稳定特性。这也已经通过测量以实验方式得到确认。此外，该天线仍然可以做得小而紧凑，因为其更高效地使用了现有的天线空间。具体地，越低的频率下，第一层与第三层之间的电感耦合和电容耦合越小，因此由于电互连而提供更长的有效天线长度，而该耦合在更高的频率下更大，由此获得更短的有效天线长度。

根据一个实施例，第一导电层可以在远离天线馈电部且朝向第一端部边缘的方向上具有不断增加的或逐渐增加的宽度。具体地，第一导电层可以在远离天线馈电部的方向上具有不断增加的宽度，并且优选地具有实质上呈三角形的形状。

根据实施例，第二导电层具有叉形设计，该叉形设计中的两个叉臂经过天线馈电部且在所述端部边缘的方向上沿着第一导电层的侧部延伸。这有助于天线的带宽增加电容和电感，并且还有助于更好地使用可用空间和更大的接地平面。具体地，根据一个实施例，这两个叉臂可以具有不同的宽度和面积。这两个叉臂中的至少一个、以及优选地这两者优选地均为楔形，并且在其延伸的至少一部分上在第一导电层的端部边缘的方向上具有递减的宽度。这两个叉臂的不对称性提供了它们之间的降低的电感耦合。

根据实施例，第二导电层包括基本上恒定的宽度，其在从天线馈电部到远离第一导电层的范围内。然后可以利用比如前面讨论的叉臂等附加表面区域来补充这个基本上呈矩形的表面。

天线馈电部优选地相对居中地布置在第一表面上。然而，可替代地，也可以将天线馈电部放置在其他位置，诸如放置成相对于基底的长侧中的一个长侧而偏移。在一个实施例中，天线馈电部被放置在长侧中的一个长侧处或附近。

第三导电层优选地设置有与第一导电层不同的形状/设计，由此第三导电层仅与第一导电层部分地重叠。这有助于天线的带宽增加电容和电感，并减少层间的耦合。根据一个实施例，第三导电层具有叉形形状，其臂在侧部、在远离所述端部边缘的方向上延伸。

天线还可以包括第二表面上的第四导电层，该第四导电层的范围与第一表面的第二导电层至少部分地重合。这使得还能够在基底的另一侧上形成运行良好的接地平面。此类双接地平面在更高的频率下提供增加的稳定性和更好的特性。然而，也可以仅在各个侧中的一侧具有接地平面。第二导电层和第四导电层优选地经由多个互连点进行电互连，并且优选地，互连点分布在所述第二导电层和所述第四导电层上。然而，可替代地，第二导电层和第四导电层例如通过连续的互连仅在各个侧中的一部分或全部处连接。

根据一个实施例，第三导电层和第四导电层通过非导电区彼此分离。假如叉形臂处于第三导电层和第四导电层两者处，则叉端为每一层中彼此最接近的部分。指向彼此的叉形物提供了层间的受控电容耦合，并且可以通过控制距离来进行控制。如果需要更大的电容，则可以减小叉形物之间的距离。同时，叉形物的宽度将影响这种耦合，并且可以基于上下文来确定其尺寸。通过这种方式，可以在高频下获得层间的短路，而在低频下则没有连接。

第四导电层优选地具有比第三导电层更大的面积。

根据一个实施例，第四导电层的面积和几何形状与第二导电层的面积和几何形状在很大程度上重合。

第一层与第三层之间的电互连优选地沿着端部边缘的长度分布。这可以凭借多个分布式连接件(诸如通过基底提供的贯穿连接件(所谓的通孔))来实现。然而，这也可以利用一个或多个连续长度延伸(诸如通过沿着基底的边界在层的端部边缘之间延伸的导电层)来实现。在这种情况下，第一导电层和第三导电层也可以被布置为在基底边缘上折叠的连续表面。

该基底的尺寸可以被设置成使其范围与天线基本上重合。如果天线将被制造为独立式设备，则这是一个优势。然而，还可以将天线布置为更大基底的一部分。这种更大的基底还可以包含附加的导电结构和/或部件，诸如天线的(多个)发射器/(多个)接收器、电池、显示器、信号处理电路、处理器等。

在下面的详细描述中披露新天线的附加具体特征、益处等。

附图说明

现在将参照示例性实施例并参照所附附图来更详细地描述本发明。附图中的各图示出：

图1a和图1b是根据本发明的实施例的具有天线的电路板，其中，图1a示出了电路板的顶侧，并且图1b示出了电路板的底侧；

图2a至图2d是示出了利用根据图1的天线测量到的不同天线参数的简图；并且

图3a至图3h是利用根据图1的天线测量到的不同频率下的辐射图。

具体实施方式

参照图1，示出了介质基底1，诸如印刷电路板(pcb)，提供了导电层以形成根据实施例的厚度为例如十分之几毫米的全向广带/宽带天线。该基底可以有利地是矩形的，如在所展示实施例中示出的。然而，电路板还可以采用其他形状。

电路板包括第一表面和第二表面，该第一表面和第二表面还可以被称作上侧和底侧。然而，熟练技术人员将认识到的是，上侧和底侧不一定与这些侧的物理定位有关，而是取决于安装和应用，上侧很可能在底侧下面。图1a示出了第一侧(上侧)，而图1b示出了另一侧(底侧)。

第一侧连接到具有两个导体的天线馈电部，该天线馈电部经由例如同轴电缆或具有两个导体的另一电缆连接到外部发射器/接收器。天线馈电部包括第一馈电连接件2a和第二馈电连接件2b。第二馈电连接器是地或者充当地。

天线馈电部优选地相对居中地布置在基底的顶部，在距两个长侧和距两个短侧的一定距离处、且优选地为距其约相同的距离处。然而，也可以将天线馈电部设置在非居中位置处。例如，该天线馈电部可以被设置为朝向其中一个长侧或甚至在其中一个长侧处移位。

进一步地，第一侧包括第一导电层3，该第一导电层在第一方向上从天线馈电部延伸并且电连接到第一馈电连接件2a。第一导电层在远离天线馈电部2a且朝向第一端部边缘31的方向上具有增加的宽度。在说明性实施例中，第一导电层具有不断增加的宽度并且具有三角形形状，其中，端点之一连接到天线馈电部2a，并且相对的三角形边形成端部边缘31。第一导电层还可以以其他方式成形。例如，该宽度可以代替地阶梯式增加，并且其间的区域具有恒定宽度。宽度的增加还可以是非线性的，使得该区域代替地例如具有漏斗形状或喇叭形状。

第一侧进一步包括第二导电层4，该第二导电层实质上在第二方向上远离第一导电层3延伸。第二导电层4电连接到第二馈电连接件2b，因此形成天线接地。

在第一导电层3与第二导电层4之间设置有非导电区5，因此在层间形成电隔离。

根据实施例，第二导电层4可以具有基本上恒定的宽度，其从天线馈电部延伸并远离第一导电层。该区域可以基本上呈矩形。该区域的宽度可以与第一导电层的最宽部分的宽度基本上相同，即在现在所示实施例的情况下，与端部边缘31的宽度相同。

该第二导电层还可以具有叉形设计，该叉形设计中的两个臂41和42沿着第一导电层3的侧部、经过天线馈电部2a、2b并朝向端部边缘31延伸。这两个叉臂可以具有不同的宽度和面积。在所展示的示例中，叉臂41具有比叉臂42更宽的基部和更大的面积。这两个叉臂中的至少一个、以及优选地这两者进一步优选地均为楔形，并且在其延伸的至少一部分上在朝向第一导电层的端部边缘的方向上具有递减的宽度。具体地，该楔形形状可以采用截断楔块的形式，其钝端面向第一导电层3的端部边缘31。换言之，第二导电层包括非导电压痕43，第一导电层延伸进入该压痕中，并且天线馈电部2a和2b位于该压痕的底部。

第二表面(底侧)包括第三非导电层6，该第三非导电层在朝向天线馈电部2a、2b的方向上从第二端部边缘61延伸，并且其延伸至少部分地与第一导电层3在第一表面上的延伸重合。

第一导电层3处的第一端部边缘31和第三导电层6的第二端部边缘61彼此基本上重合，即位于彼此之上，但在基底的任一侧。此外，第一导电层和第三导电层在所述端部边缘31、61处或附近彼此电互连。如通过图1a和图1b中的点所示出的，该电互连可以凭借在端部边缘处或附近的电直通连接件(被称为通孔)来实现。优选地，若干个此类电直通连接件被提供，并沿着端部边缘分布。然而，该电连接也可以通过其他方式来实现，诸如通过沿着基底短边延伸的连续连接、通过沿着基底短边伸展的多个导线等等。除了边缘处的这种电互连之外，第一层和第三层彼此电隔离，即这些层之间不存在附加的电互连。

通过端部边缘处的这种电互连，第三导电层形成第一导电层的折叠延伸。

第三导电层优选地具有与第一导电层不同的设计和形状，由此第三导电层仅与第一导电层部分地重叠。因此，第一导电层和第三导电层两者具有重叠的表面区域(即位于彼此之上)、以及不重合的表面区域。优选地，第一导电层和第三导电层两者包括与另一层中的相应表面区域不重合的表面区域。

在所展示的实施例中，第三导电层具有叉形形状，其叉臂62、63在远离端部边缘61的方向上沿着侧部延伸。这些叉臂优选地在朝向天线馈电部2a、2b的方向上沿着基底的长侧并在三角形形状的第一导电层的尖端外部延伸。

在所展示的实施例中，第三导电层从端部边缘61来看最初具有矩形形式，随后是叉臂。叉臂优选地被成形为具有从矩形区域来看其宽度逐渐减小的第一部分、以及此后其宽度基本上均匀的端部部分。换言之，第三导电层包括非导电压痕64，其中，该压痕相对居中地布置，并且面向天线馈电部2a、2b。

第三导电层的长度优选地比第一导电层的长度短。

第二表面还可以包括第四导电层7。该层优选地与在第一表面处的第二导电层4电互连。第四导电层7和第二导电层4优选地通过大量的电直通连接件/通孔互连，如通过图中的点所展示的，并且这些电直通连接件/通孔分布在第二导电层和第四导电层的整个表面上。

第四导电层优选地具有至少部分地与在第一表面处的第二导电层的延伸重合的延伸。在所展示的实施例中，第四导电层的面积和几何形状与第二导电层的面积和几何形状在很大程度上重合。与第二导电层类似，第四导电层7可以有利地包括较大的矩形部分、以及朝向第三导电层延伸的叉臂71、72。由此，第四导电层还优选地形成面向第三导电层的非导电压痕。与在所展示实施例中具有楔形压痕的第二导电层4不同，第四导电层7优选地具有基本上呈矩形的压痕，即其叉臂在其整个延伸范围具有相同或基本上相同的宽度。

第三导电层6和第四导电层7优先通过非导电区8彼此分离。

第四导电层7优选地具有比第三导电层6更大的面积。

根据在哪些频率范围内优化天线，可以对天线进行缩放。利用可以例如为1的缩放因子x，天线可以有利地具有以下尺寸：

-总长度的范围可以在10x-20xcm，并且优选地在12x-18xcm，并且最优选地在13x-17xcm，诸如15xcm。

-总宽度的范围可以在2x-7xcm，并且优选地在3x-6xcm，并且最优选地在3x-5xcm，诸如3.8xcm。

-第一导电层的长度范围可以在5x-10xcm，并且优选地在6x-9xcm，并且最优选地在7x-8xcm，诸如7.8xcm。

-第二导电层的长度范围可以在7x-15xcm，并且优选地在8x-12xcm，并且最优选地在9x-11xcm，诸如10.2xcm。

-第三导电层的长度范围可以在2x-6xcm，并且优选地在3x-5xcm，并且最优选地在4x-5xcm，诸如4.3xcm。

-第四导电层的长度范围可以在7x-15xcm，并且优选地在8x-12xcm，并且最优选地在9x-11xcm，诸如9.7xcm。

根据上述讨论的实施例，已经通过实验对天线进行了测试。在这些测量结果中，已经证明该天线在非常宽的频率范围内具有非常好的性能。

在图2a中，示出了不同频率的测量效率(％)。一般来说，至少30％的效率被认为较好，超过70-80％的效率被认为极好。可以看出，新天线在较宽的频率范围内(并且尤其是在用于gsm、cdma、lte、ism、gps、umts、hspa、wifi、蓝牙等的在图中被标记为灰色的频率上)具有极高的效率。

图2b示出了不同频率的测量回波损耗，单位为db。这里，同样，结果证明，所测量的天线在整个测量频率范围内具有非常令人满意的表现。

图2c示出了不同频率下的测量vswr(电压驻波比)。通常来讲，1-3的vswr值是完全可以接受的，并且发现所测量的天线在所测量的整个频率范围内具有足够低的vswr值。

图2d示出了在不同频率上的测量峰值增益(db)。峰值增益是天线的指向性的量度，并且对于全向天线而言，通常优选的是具有相对较低的峰值增益值。发现所测量的天线在所有频率下、且特别是在对于可用电信标准有意义的所有频率范围内均具有相对较低的峰值增益值。

图3a至图3h以dbi为单位示出了不同频率下在x(横向)、y(纵向)和z(页面位置)中的辐射图。更具体地，如下所示：图3a示出了800mhz下的辐射图；图3b示出了1200mhz下的辐射图；图3c示出了1500mhz下的辐射图；图3d示出了1900mhz下的辐射图；图3e示出了2100mhz下的辐射图；图3f示出了2400mhz下的辐射图；图3g示出了2600mhz下的辐射图；并且图3h示出了3000mhz下的辐射图。

所有的辐射图都清楚地表明，在所有的测量频率下都实现了令人满意的全向辐射。

现在已经通过使用示例性实施例描述了本发明。然而，本领域读者应当认识到，这些实施例的许多替代方案和修改是可能的。例如，不同导电层的几何形状可以以不同的方式变化，同样如上文所讨论的那样。此外，许多应用只要在一侧/表面处布置一个接地平面、而不是使用双接地平面即可，如在上文所讨论的实施例中。在多层基底中，还可以使用多于两个接地平面。在上文所讨论的实施例中，该基底的尺寸进一步被设置成使得基底的延伸与天线的延伸基本上重合。如果天线将被制造为独立式设备，则这是一个优势。然而，还可以将天线布置为更大基底的一部分。这种更大的基底则还可以包含附加的导电/导线结构和/或部件，诸如天线的发射器/接收器、电池、显示器、信号处理电路、处理器等。本发明的这些和其他相关替代方案应被视为落入所附权利要求中限定的保护范围内。