CN102790267A

CN102790267A - 一种宽带无线数据卡天线

Info

Publication number: CN102790267A
Application number: CN2012102578356A
Authority: CN
Inventors: 班永灵; 孙思成; 刘成丽
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2012-11-21

Abstract

本发明一种宽带无线数据卡天线，天线走线和金属地共同组成天线辐射系统，天线走线直接印制或焊接在无线数据卡主板的一面上，金属地印制在无线数据卡主板的另一面上。将金属地上对应天线走线正投影区域的金属全部挖空，则在金属地上形成一个半封闭的无金属区域，由于天线走线的贴片和金属地分别设置在无线数据卡主板的两个面上，这样在贴片与金属地之间便形成了耦合缝隙。天线走线和金属地之间的缝隙耦合能呈现分布式电容的作用，同时，天线走线中的窄条带能呈现分布式电感的作用，能有效的调节天线的输入阻抗，从而使天线在所需频段内产生谐振形成较宽的带宽。

Description

一种宽带无线数据卡天线

技术领域

本发明属于一种无线移动设备技术领域的天线，尤其涉及数据卡天线技术。

背景技术

随着全球3G通讯网络的不断发展，无线通讯和数据传输已经成为人们使用新科技的重要方式。载有天线的无线数据卡作为一种无线上网方式具有传输速度快、使用便捷以及随时随地在线等优点，因此，在未来的市场中，无线设备配置无线数据卡是必然的趋势。天线作为无线数据卡的重要组成部分，直接影响无线设备的收发性能。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。

一般来说，无线移动通信的频段由低频和高频两个通信频段组成（低频段范围为698-960MHz，高频段范围为1710-2690MHz）。其中天线的输入阻抗可表示为：Zin=R+jwL-1/jwC，其中，R表示电阻，jwL表示感抗，1/jwC为容抗。当输入阻抗中的感抗和容抗等值异号，即天线的输入阻抗为纯电阻性时，天线便达到了谐振状态。天线在某一频段内产生谐振即说明天线在该频段内能形成良好的匹配，这样电磁场的能量就不会被储存起来了，而是形成有效地辐射。

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（Inverted-FAntenna，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设置在数据卡的末端，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，上述设计的天线工作带宽都较窄，难以满足日益增长的带宽需求。

无线数据卡工作时产生的电磁辐射对用户的影响也受到人们的广泛关注。这要求无线数据卡要在较小的空间内实现低SAR值辐射的天线。现有的低SAR天线技术方案中，常采用新型高磁导率材料制作天线，以尽量提高数据卡天线近场中磁场能的比重，减小电场能在近场中的比重，从而实现天线低SAR值的目的，然而，由于无线数据卡天线结构的复杂性和使用环境的多变性的特点，往往导致上述方案失效，且成本较高。还有些天线在设计时仅仅简单地通过降低辐射功率达到控制SAR值的目的，这种做法会显著影响天线的传输特性和通信性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种内置式无线数据卡天线，能够在无线数据卡的小尺寸上获得较宽的工作带宽和较低的SAR值。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术手段是，一种宽带无线数据卡天线，包括天线走线、金属地和微带馈线，所述天线走线和微带馈线设置在所述数据卡主板的一面，所述金属地设置在所述数据卡主板的另一面；在所述金属地中设置有一个半封闭的无金属区域，无金属区域包括天线走线正投影至金属地所在平面上的对应区域；

所述天线走线包括连接带、贴片、窄条带、集总电容，窄条带一端通过数据卡主板上的金属化过孔与邻近无线数据卡的接口处的金属地一侧连接，另一端连接贴片中远离无线数据卡的接口的一边；所述连接带一端连接微带馈线，微带馈线的正投影在远离无线数据卡的接口处的金属地一侧，连接带的另一端连接贴片中远离无线数据卡的接口的一边；

所述集总电容设置在窄条带中；

所述微带馈线向天线走线馈电，在所述天线走线上激励起高频电流；所述贴片与所述金属地在空间上存在耦合缝隙，并通过耦合激励起金属地上的高频电流形成谐振；所述窄条带在低频段上产生的感抗与窄条带中的集总电容在低频段上产生的容抗相抵消，在低频段上形成谐振。

由于天线是一个完整的辐射系统，其中的每一部分对低频段和高频段谐振点的产生以及带宽覆盖都有一定的影响。本发明中，天线走线和金属地共同组成天线辐射系统，天线走线直接印制或焊接在无线数据卡主板的一面上，金属地印制在无线数据卡主板的另一面上。将金属地上对应天线走线正投影区域的金属全部挖空，则在金属地上形成一个半封闭的无金属区域，由于天线走线的贴片和金属地分别设置在无线数据卡主板的两个面上，这样在贴片与金属地之间便形成了耦合缝隙。天线走线和金属地之间的缝隙耦合能呈现分布式电容的作用，同时，天线走线中的窄条带能呈现分布式电感的作用，能有效的调节天线的输入阻抗，从而使天线在所需频段内产生谐振形成较宽的带宽。

本发明中，天线的高频段谐振主要由贴片以及贴片与金属地之间的耦合作用产生，天线的低频段谐振主要由加载集总电容的窄条带产生。天线走线通过微带馈线进行馈电，耦合缝隙的容性耦合作用可激励起金属地上的高频电流，并且可调节天线的输入阻抗从而使得天线在高频段形成多个谐振点，进而在高频段上形成较宽的谐振带宽。窄条带一端通过数据卡主板上的金属化过孔与金属地连接，另一端连接贴片，窄条带呈现分布式电感的作用，而在窄条带中设置的电容性集总元件，可以使天线在低频段上形成良好的匹配产生谐振，从而在低频段上形成较宽的谐振带宽。窄条带在数据卡主板上的位置和形状可调，通过改变窄条带相对于贴片与金属地的位置以及窄条带的形状，可以改变天线走线和金属地上的高频电流的分布，从而可改变天线中电磁能量的分布，达到调节阻抗匹配调整天线带宽的作用。另外，窄条带中集总电容的参数值和加载位置也可以对天线的阻抗进行调节。

本发明使用缝隙耦合形式，可以让电磁场的能量分散于较长的缝隙内，这更有助于减小电磁场能量的集中分布，减少人体组织所吸收的电场功率，降低SAR值。并且，由于天线走线中的窄条带呈现分布式电感的作用，相比使用集中电感元件，窄条带具有尺寸大、内部电流密度小以及欧姆损耗小的优点，因此更有利于电磁场向外辐射，从而可以提高天线的带宽和效率。

进一步的，为了更进一步的优化天线的带宽，使得在所需的频段内阻抗匹配更好，在所述微带馈线与所述连接带之间还设置有匹配网络。具体的，所述匹配网络为集总电感、集总电容或集总电感与集总电容串和/或并的组合，匹配网络用于使得天线在使用频段内产生良好的阻抗匹配，从而使天线在所需的频段内产生谐振。

进一步的，将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接口或者其它电子设备接口，无线数据卡在使用时是插在无线设备上，这样可将天线的电场能量分散到无线数据卡所在的无线设备上。

本发明的有益效果是，在无线数据卡主板的小空间上获得更宽的工作带宽，提高天线效率，降低SAR值。

附图说明

图1为实施例1无线数据卡立体透视图；

图2a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4a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4c为实施例2无线数据卡的上层面示意图；

具体实施方式

实施例1

如图1所示，无线数据卡包括数据卡主板1、USB接口10。USB接口10用于无线数据卡与无线设备的连接。如图2a、2c所示，数据卡主板1上的天线辐射系统分布在数据卡主板1的两个面上（上层面、下层面），天线走线设置在数据卡主板1的上层面上，天线走线包括连接在一起的贴片3、窄条带4和连接带5，金属地2设置在数据卡主板1的下层面上，两个面的设置如图2所示。如图2c所示，上层面的窄条带4上还加载有集总电容6，连接带5连接50欧姆微带馈线7。如图2b所示，无金属区域8包括上层面的天线走线在下层面上的正投影区域。如图2a所示，无金属区域8的多条边被金属地2所包围形成一个半封闭区域。

数据卡主板1可以为单面或者双面覆铜的介质板。本实施例1中的数据卡主板为单面覆铜的介质板，在实现时，将覆铜面作为下层面，把无金属区域8的铜挖空；天线走线直接印制在无金属区域8对应的上层面上。如数据卡主板1为双面覆铜的介质板，除了将无金属区域8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1上靠近USB接口10或其它电子设备接口的一端。天线走线区域与无金属区域8的形状可以是矩形、菱形、梯形、三角形、多边形等任意规则或不规则的形状，并不局限于实施例中所示的形状。天线走线区域与无金属区域8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无金属区域8内即可。

本实施例的天线走线中的贴片3和窄条带4的形状为L形，连接带5为一条直线带，但，贴片3、窄条带4和连接带5的形状也可以为除了实施例中所示形状以外其他平面结构形状，且均为宽度均匀或非均匀的金属条或带，其具体形状要依据实际调试的结果进行相应地调整。

连接带5一端连接微带馈线7，微带馈线7的正投影在远离无线数据卡的接口处的金属地2一侧，连接带5的另一端连接贴片3中远离无线数据卡的接口的一边。连接射频信号的50欧姆微带馈线7向天线走线馈电，在天线走线上激励起高频电流。

由于贴片3和金属地2分别设置在无线数据卡主板1的两个面上，这样在贴片3与金属地2之间便形成了本发明所述的耦合缝隙9。耦合缝隙9的容性耦合作用可激励起金属地2上的高频电流，并且可调节天线的输入阻抗从而使得天线在高频段上形成多个谐振点。

由图2b所示，天线走线中的窄条带4设置在贴片3与无金属区域8边缘之间的上层面上。窄条带4也可以设置在数据卡主板上的其它合适位置。由于窄条带需要一定的长度，因此，窄条带4的合适位置需要满足：窄条带一端通过数据卡主板上的金属化过孔与邻近无线数据卡的接口处的金属地2一侧连接，另一端连接与贴片3中远离无线数据卡的接口的一边；窄条带4的一端连接贴片3，另一端通过数据卡主板1上的金属化过孔与金属地2连接。集总电容6可设置于窄条带4接地的一端。集总电容6的加载位置可根据实际的调试结果在窄条带4上的合适位置进行调整。窄条带4呈现分布式电感的作用，而加载集总电容6可以使天线在低频段上达到有效地匹配，从而形成较宽的谐振带宽。

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谐振点的产生以及带宽覆盖都有一定的影响。本实施例中，天线的高频谐振主要由贴片3以及贴片3与金属地2之间的耦合作用产生，天线的低频谐振主要由加载集总电容6的窄条带4产生。

实现时，通过优化天线走线中的窄条带3、贴片4和连接带5的形状、尺寸大小和相对位置，优化金属地2和天线走线之间的耦合缝隙9的尺寸，以及通过调整集总电容6的参数值和加载位置，可以调节天线的谐振特性，并最终达到完全覆盖目标带宽、降低SAR值的天线设计要求。

实施例2

它是与实施例1相同原理的另一种天线形式。

如图3所示，无线数据卡包括数据卡主板1、USB接口10。USB接口10用于无线数据卡与无线设备的连接。如图4a、4c所示，数据卡主板1上的天线辐射系统分布在数据卡主板1的两个面上（上层面、下层面），天线走线设置在数据卡主板1的上层面上，天线走线包括连接在一起的贴片3、窄条带4和连接带5，金属地2设置在数据卡主板1的下层面上，两个面的设置如图4所示。如图4c所示，上层面的窄条带4上还加载有集总电容6，连接带5连接50欧姆微带馈线7。如图4b所示，无金属区域8包括上层面的天线走线在下层面上的正投影区域。如图4a所示，无金属区域8的多条边被金属地2所包围形成一个半封闭区域。

由图4b所示，天线走线中的窄条带4设置在无金属区域8未被金属地2封闭一侧的上层面上。窄条带4也可以设置在其它正投影被包含在无金属区域8内的上层面上。贴片3、窄条带4和连接带5为宽度均匀或非均匀的金属条或带，且形状也可以为除了实施例中所示形状以为其他平面结构形状，其具体形状要依据实际调试的结果进行相应地调整。

在50欧姆微带馈线7和连接带5之间还设置有匹配网络11，用来调节天线整个频带上的输入阻抗，使天线在所需的频段内产生谐振。匹配网络11可以由电感和/或电容中的一个组成，或者，若干个数的电感、电容的串和/或并的组合。

以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属于本发明专利涵盖的范围内。

Claims

1.一种宽带无线数据卡天线，包括天线走线、金属地和微带馈线，所述天线走线和微带馈线设置在所述数据卡主板的一面，所述金属地设置在所述数据卡主板的另一面；在所述金属地中设置有一个半封闭的无金属区域，无金属区域包括天线走线正投影至金属地所在平面上的对应区域；

其特征在于，

所述集总电容设置在窄条带中；

2.如权利要求1所述一种宽带无线数据卡天线，其特征在于，所述窄条带为宽度均匀或非均匀的金属条或片。

3.如权利要求1所述一种宽带无线数据卡天线，其特征在于，在所述微带馈线与所述连接带之间还设置有匹配网络。

4.如权利要求3所述一种宽带无线数据卡天线，其特征在于，所述匹配网络为集总电感、集总电容或集总电感与集总电容串和/或并的组合，匹配网络用于使得天线在使用频段内产生的容抗与感抗相抵消。

5.如权利要求1所述一种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。

6.如权利要求1所述一种宽带无线数据卡天线，其特征在于，所述天线走线直接印刷或焊接在无线数据卡印刷电路板的一面上。