CN102142603A

CN102142603A - 一种偶极天线

Info

Publication number: CN102142603A
Application number: CN2010101106787A
Authority: CN
Inventors: 钟晓龙; 容业晋
Original assignee: Clipsal Australia Pty Ltd
Current assignee: Clipsal Australia Pty Ltd
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2011-08-03
Also published as: MY184420A; CN102859792A; WO2011091763A1

Abstract

本发明涉及一种印刷电路板偶极天线，其具有从有限接地微带的信号走线和接地走线延伸出的两个辐射臂。每个辐射臂的长度等于或小于所监测频率的1/4波长。有限接地微带的长度至少等于或大于所检测频率的1/8波长。有限接地微带的接地走线的宽度为有限接地微带的信号走线的宽度的2至5倍。该设计使得在RFIC下方的接地布局对天线的辐射效率产生的影响有限。

Description

一种偶极天线

技术领域

本发明涉及天线，尤其涉及偶极天线。

背景技术

为了提供能够安装在手持设备中的天线，通常将天线制作为PCB的一部分。技术上，这样的天线趋于由“微带(microstrip)”供电，微带为包括PCB中的接地层的PCB结构，微带位于信号走线(signal trace)的下方，此处接地层的宽度为信号走线的宽度的10倍左右。这种天线通常为单极天线、IFA天线或PIFA天线，其需要在PCB上设置RF接地以构成辐射机构。

这种天线的辐射效率受到天线的射频(RF)接地的影响，这干扰来自天线的信号的传输。因此，如果握住手持设备的手遮住了RF接地元件，则手持设备的辐射效率显著地下降。

因此，很多无线手持设备具有电磁能被握住者的手部分地吸收的问题。这种现象被称为“手效应”。

一种提出的解决方案是提供具有同轴电缆的天线。这减小了RF接地元件对天线辐射的影响。然而，将同轴电缆焊接至天线的成本很高且很难。此外，同轴电缆需要一定空间，因此，很难将同轴电缆提供给PCB天线。

因此，期望的是提供一种至少能部分地减轻上述问题的天线。

发明内容

本发明提出一种偶极天线，包括基底，其具有第一表面和第二表面，所述表面朝向相反方向；所述第一表面具有形成第一线性走线的导电材料条；第一线性走线具有形成第一辐射臂的弯曲，并且所述第一线性走线从信号馈给端延伸；第二表面具有形成第二线性走线的导电材料条；第二线性走线具有形成第二辐射臂的弯曲，并且所述第二线性走线从接地元件延伸；其中第二线性走线的宽度窄于RF接地元件的宽度；从而RF接地元件远离第一和第二辐射臂。

第一线性走线和第二线性走线的结构被称为“有限接地微带”，其中第一线性走线的宽度为2至5倍。有利地，试验数据已经显示有限接地微带能够与传统微带同效率地传输微波。

连接至接地元件的第二线性走线提供天线的“接地走线”。典型地，第二线性走线通常为接地元件与辐射臂之间的导电材料的长条或带。实际上，这在天线的接地元件与辐射臂之间设置了一段距离。因此，来自辐射臂的信号不会被接地层以任何显著的方式吸收或干扰。而且，第二线性走线具有的宽度窄于接地元件的宽度。较窄的宽度是指第二线性走线的表面区域比接地层要小，这会减小接地效应和对辐射臂辐射的干扰。

优选地，两辐射臂的结合长度等于或者小于预定频率的1/4波长。每个臂的1/4波长为标准50Ω偶极天线的需求。

任意地，接地元件具有连接至第二线性走线的锥形部。有利地，锥形部减小接地元件邻近辐射臂的区域，并且进一步减小接地元件对辐射图的影响。

优选地，第一和第二线性走线的长度至少是预定频率的1/8波长或大于预定频率的1/8波长。这意味着第一线性走线和第二线性走线一起(通常为平行的)形成有限接地微带，有限接地微带的长度等于或大于预定频率的1/8波长。这允许接地元件离开天线的辐射臂一段距离设置，该距离取决于有限接地微带的长度。因此，来自辐射臂的信号不会被接地元件以任何显著的方式吸收或干扰。

任意地，接地元件具有1/2波长的宽度，因此接地元件能够反射来自天线的信号。有利地，这使得辐射图稍稍朝向第一和第二辐射臂指向的方向定位成为可能。因此，当指向控制目标时，以该提出的天线实现的远程控制器可以更有效。

有利地，第一和第二线性走线形成的有限接地微带允许天线的第一和第二导电元件之间有效的能量耦合，即，在RFIC与辐射臂之间传输。这相对其他例如耦合供电及微带平衡-不平衡转换器供电(microstrip balun feeding)的供电技术，可减少能量损耗。与例如同轴电缆供电的其他供电技术相比，这还可以减少成本及装配程序的需求。

此外，由于接地元件设置为距辐射臂一小段距离，所以对辐射臂弯曲、折叠或呈曲线存有余地，而不需要与接地元件排列得太近。这还允许辐射臂以不同的方式设计以便适合电路板上的特征，并且不需要焊接同轴电缆。这对于制作PCB的成本而言减少了附加的制作成本。

因此，本发明制作的小型印刷偶极天线能够简便地安装到任何手持设备。

此外，使用1/4波长的有限接地微带使制作非常小的PCB天线成为可能，其中两个辐射臂的总宽度比1/2波长小得多。

附图说明

结合相应的说明本发明可能的排列的附图，将更方便进一步描述本发明，其中相似的附图标记指代相似的部件。本发明也可能存在其他排列，因此附图的细节不能理解为对本发明前述描述的一般性的替代。

图1示出本发明第一实施例的平面图；

图2为图1的实施例的等距图；

图3为图1所示的第一实施例的分解图；

图4示出图1的实施例的变化的辐射图；

图5示出图1的实施例另一种变化的辐射图；

图6示出第一实施例的另一种变化；

图7示出第一实施例的又一种变化；

图8示出第一实施例的再一种变化；以及

图9示出第一实施例的另外一种变化。

具体实施方式

图1示出偶极天线100的平面图。图2示出天线100的等距图。图3为图2的分解图。

天线100印刷在电路板上，即，印刷电路板(PCB)上。因此天线100包括具有两个表面的PCB基底101。如图所示，基底101的顶表面印刷有第一导电元件103。基底101的底表面印刷有第二导电元件105。

第一导电元件103的一端连接至射频集成电路(RFIC)107的信号馈给端，即，输入/输出端口，以发送和接收无线信号。因此，第一导电元件103为天线100的“信号走线”。

第一导电元件103的另一端从RFIC 107线性地延伸一段距离，然后弯曲以形成第一辐射臂109。由于弯曲，第一辐射臂109向侧向和向后延伸。这导致第一导电元件103呈钩形。从RFIC 107线性延伸至第一辐射臂109的弯曲处的第一导电元件103的细长部为天线100的第一线性走线111。

第二导电元件105从RF接地元件113延伸出并作为天线100的“接地走线(ground trace)”。典型地，RF接地元件113连接至RFIC 107的地线，第一导电元件103从RFIC 107的地线延伸。在接地元件113与第二辐射臂115的弯曲处之间的第二导电元件105的细长线性部117是天线100的第二线性走线117。从弯曲处开始，第二导电元件105形成第二辐射臂115。以与第一辐射臂109相似的方式，第二辐射臂115弯曲以向侧向和向后延伸而形成钩形。

第二辐射臂被弯曲以沿着基本与第一辐射臂延伸方向相反的方向延伸。此处“基本”是指辐射臂109、115没有严格地反向分离180°，只要达到偶极天线的充分辐射的目的即可。

从每个辐射臂的弯曲处反向延伸的辐射臂提供偶极天线，第一辐射臂109和第二辐射臂115形成偶极天线100的两个辐射臂。

优选地，每个辐射臂的长度等于或小于监测到的频率的1/4波长。如果需要，两个辐射臂的有效长度可以根据本领域技术人员公知的最佳匹配原理通过运行矢量网络分析仪来调节。

第一线性走线111通常平行于第二线性走线117从接地元件113线性地延伸出与第二线性走线117从RFIC 107延伸出的距离大约相同的距离。因此，第一线性走线111和第二线性走线117提供“有限接地微带”结构。本领域技术人员理解“微带”是一种电传输线，其可以利用PCB工艺制作，且可以用于传输电磁信号。微带通常由通过绝缘基底与地面分离的导电片组成。在此实施例中，“有限接地微带”特别用于涉及平行的第一线性走线111和第二线性走线117的细长结构。

优选地，有限接地微带具有的长度(在z轴上)等于或大于其监测的频率的1/8波长。也就是说，平行的第一和第二线性走线线(linear trace line)中的每一个最少为1/8波长。典型地，大约为2.4至2.5GHz(国际可自由使用的ISM带宽)。有限接地微带能够有效地从RFIC向天线100的两个辐射臂109、115传输能量。

如果需要，每个辐射臂的有效长度可以根据本领域技术人员公知的最佳匹配原理通过运行矢量网络分析仪来调节。第一线性走线111的宽度，即信号走线的延长方向的横向，窄于第二线性走线117的相应宽度。优选地，第二线性走线117的宽度为第一线性走线111的宽度的2至5倍之间。更优选地，第二线性走线117的宽度为第一线性走线111的宽度的3至4倍。

另一方面，第二线性走线117是细长条的导电材料，它窄于RF接地元件113。第二线性走线117的较窄的宽度减少了地面对辐射臂105、115的影响，即，第二线性走线117的较小区域中的地面效应没有那么明显。这使得第二线性走线117中的地面效应不会干扰或吸收来自辐射臂的信号辐射。

此外，RF接地元件113距离辐射臂109、115一定距离，被第二线性走线117的长度分隔。因此，显著地防止了RF接地元件干扰或吸收来自辐射臂109、115的辐射。

信号走线的宽度的设计原则与本领域技术人员公知的50Ω微带的设计原则相同，在此不需要详细讨论。

图1至图3示出的天线100是由限定三维空间的三个轴，即轴x、y、z叠加的。z轴延伸的方向与第一线性走线111从RFIC延伸的方向相同，还与第二线性走线117从地面延伸的方向相同。通常，当在无线手持设备中实施天线100时，z轴对准设备的指向。

因此，辐射臂和有限接地微带一起使得天线成为“独立”天线，即RF接地元件113对天线的辐射效率产生很小的影响或没有影响。因为RF接地元件113不影响天线辐射，所以RF接地元件113不会像在非独立天线中(其中RF接地元件113影响辐射效率)那样严重地影响辐射效率。因此，用户的手遮住手持设备中的RF接地元件113不太可能影响辐射效率。

优选地，整个有限接地微带的长度大于预定频率的1/8波长。该最小长度为辐射臂109、115与RFIC下方的RF接地元件113之间提供了充足的距离。这为偶极天线提供了良好的辐射效率。

此外，辐射臂109、115可以设计为折叠、直线或曲线的形式。由于RF接地元件113远离辐射臂，因此为将辐射臂设计为弯曲、折叠或曲线的形式提供了余地，而辐射臂的任何部分不需要被设计为距RF接地元件113太近以致产生信号干扰。因此，两个辐射臂109、115可以被弯曲以安装在宽度小于1/2波长的空间，同时将辐射臂的实际长度保持为1/2波长。这允许天线安装在小型手持设备中。反过来，小尺寸的天线提供在PCB上印刷天线只需在制作PCB其他部分所需的成本上增加少量制作成本的优点。

在本实施例的一个变形中，RF接地元件113的宽度减少至等于或小于所监测波长的1/4。对图1所示的天线100的改进参照图6，其中地面119被调节为1/4波长。在这个宽度，RF接地元件113对天线100的辐射图的影响甚至更小，辐射图自然是全方位的。图5示出辐射图，表示辐射在所有方向上通常均匀分布。图5的上部分示出当从x方向观察时，天线100在垂直方向上呈稍微细长的辐射分布。然而，底部图示出当从y方向观察时辐射的均匀的全方位分布。

虽然如前所述，RF接地元件113对辐射效率的影响很小，但RF接地元件113的形状可以用于在一些小范围内改进辐射图。因此，在该实施例的进一步变化中，RF接地元件113的宽度设置为大约1/2波长。有益的是，在这个宽度，RF接地元件113还作为温和的信号反射器。因此，辐射图将稍稍是定向的，朝向由z轴指出的方向，且具有朝向前方的强增益。因此，以天线100实施的无线手持设备中天线的z轴指向设备的“前方”，所述无线手持设备将具有朝向无线手持设备所指的方向的较强增益。这个特征在例如远程控制器的设备中是有用的，其中优选地，在设备所指方向上有轻微的较强增益。图4示出轻微定向辐射图。

图7示出实施例的另一种变换，其中RF接地元件113具有1/2波长的宽度，但是与第二微带117连接的RF接地元件113的部分为锥形，在121处，角度小于100°。这样的锥形RF接地元件113去掉了图1所示的RF接地元件113的转角。这进一步减少了部分RF接地元件113接近辐射臂109、115。得到的辐射图与图5中所示的小于1/4波长的RF接地元件113相似。应该注意的是，在此实施例中，RF接地元件113的宽度表明如附图标记119所表示的RF接地元件113的一部分不是锥形的。如在之前的实施例中，第二线性走线117的宽度窄于RF接地元件113的宽度，且第一线性走线111的宽度窄于第二线性走线117的宽度。如上所述的实施例的变化，第二线性走线117的宽度在第一线性走线111的宽度的2至5倍之间。更优选地，第二线性走线117的宽度为第一线性走线111的宽度的3至4倍。

图8示出实施例的另一种变化，其中第一和第二导电元件线性延伸区域的辐射臂109、115沿相反方向延伸。在这种情况，PCB不得不适合相反延伸的辐射臂的整个长度(entire breath)，并且空间效率小于之前的具有弯曲或折叠辐射臂109、115的变化实施例。

图9示出实施例的又一种变化，其中每个辐射臂109、115为平缓弯曲的形式。

实际上，两个辐射臂109、115可以符合不同产品及PCB的外观。

在实施例的又一变化中，有限接地微带的信号走线没有直接连接至RFIC，而是通过匹配网络(本领域技术人员公知如何使输入阻抗更接近50Ω)连接。图6、图7和图9所示的实施例示出了代替RFIC的匹配网络的触点121。

有利地，与其他耦合技术相比，例如耦合供电及微带平衡-不平衡转换器供电，所述有限接地微带可以减少能量损耗。此外，有限接地微带减少了复杂装配程序(例如在需要精密焊接的同轴电缆供电的其他传输线技术)所需的成本及需求。

实验显示所描述的有限接地微带能够与传统微带同效地传输微波能量。

因此，所述实施例包括偶极天线，其包括：具有第一表面和第二表面的基底，所述表面朝向相反方向；第一表面具有形成第一线性走线111的导电材料条，第一线性走线111具有形成第一辐射臂109的弯曲，并且第一线性走线111从信号馈给端延伸；第二表面具有形成第二线性走线117的导电材料条，第二线性走线117具有形成第二辐射臂115的弯曲，并且第二线性走线117从RF接地元件113延伸；其中第二线性走线117的宽度窄于RF接地元件113的宽度；从而RF接地元件113远离第一和第二辐射臂109、115。

本领域技术人员理解的是，实际上，RF接地元件113的最小尺寸由用于覆盖PCB上的全部RF相关元件的区域决定。而且，尽管已经描述了接地走线105的宽度取决于信号走线103，但是信号走线103的宽度取决于PCB基底101的高度和用在信号走线103及接地走线105之间的绝缘材料101。

尽管上述说明描述了本发明的优选实施例100，但本领域技术人员应该理解的是在不脱离本发明权利要求的范围的情况下，可以对设计、构造或操作的细节作出许多变化和改动。

例如，尽管所描述的是将天线印刷在PCB上，本领域技术人员理解所公开的原则不限于仅用于印刷天线。采用相同原则的其他形式的天线也是可行的，例如机械制造的非小型天线或蚀刻在半导体集成电路中的天线。

Claims

1.一种偶极天线，包括：

基底，其具有第一表面和第二表面，所述表面朝向相反方向；

所述第一表面具有形成第一线性走线的导电材料条；

所述第一线性走线具有形成第一辐射臂的弯曲，并且所述第一线性走线从信号馈给端延伸；

所述第二表面具有形成第二线性走线的导电材料条；

所述第二线性走线具有形成第二辐射臂的弯曲，并且所述第二线性走线从RF接地元件延伸；其中

所述第二线性走线的宽度为所述第一线性走线的宽度的2至5倍；以及

所述第二线性走线的宽度窄于所述RF接地元件的宽度；从而

所述RF接地元件远离所述第一和第二辐射臂。

2.根据权利要求1所述的偶极天线，其中

所述第一和第二线性走线的长度等于或大于预定频率的1/8波长。

3.根据权利要求1所述的偶极天线，其中

两辐射臂的组合长度等于或小于预定频率的1/2波长。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的偶极天线，其中

所述RF接地元件具有1/2波长的宽度；从而

所述RF接地元件能够反射来自所述天线的信号。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的偶极天线，其中

所述RF接地元件具有等于或小于1/4波长的宽度；从而

所述RF接地元件具有对辐射图的形状的减小的影响。

6.根据上述任意一项权利要求所述的偶极天线，其中

所述RF接地元件具有连接至第二线性走线的锥形部，从而

所述RF接地元件更远离所述辐射臂。