專利名稱:芯片天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種天線，其中輻射器是電介質(zhì)芯片的導體涂層。該芯片將被安裝在無線電設(shè)備的電路板上，該電路板是整個天線結(jié)構(gòu)的一部分。
背景技術(shù)：
在小尺寸的無線電設(shè)備比如移動電話中，一個或多個天線優(yōu)選地位于設(shè)備的蓋的內(nèi)部，并且自然目的是使它們盡可能地小。內(nèi)部天線通常具有平面結(jié)構(gòu)，所以其包括輻射平面和位于其下面的接地平面。還有一種單極天線的變形，其中接地平面不是在輻射平面下面而是更遠地在一側(cè)上。在這兩種情況下，通過將輻射平面制造在電介質(zhì)芯片的表面上而不是使其成為空氣絕緣的，能夠使天線的尺寸減小。材料的介電性越高，特定電尺寸的天線元件的物理尺寸越小。天線部件成為安裝在電路板上的芯片。然而，天線尺寸的這種減小造成了損耗的增加并且因此導致效率的退化。
圖1示出了從公開物EP 1 162 688和US 6 323 811獲知的芯片天線，在該天線中有兩個輻射元件并排排列在電介質(zhì)基板110的上表面上。第一元件120借助饋電導體141連接到饋電源，并且作為寄生元件的第二元件130借助接地導體143連接到地。這些元件的諧振頻率可被設(shè)置成不同的以便加寬頻帶。饋電導體和接地導體是在電介質(zhì)基板的橫向表面上。在相同的橫向表面上，存在從饋電導體141分支出來的匹配導體142，該匹配導體在一端連接到地。該匹配導體如此靠近寄生元件的接地導體143延伸以至于在它們之間存在明顯的耦合。寄生元件130通過該耦合被電磁饋送。寄生元件的饋電導體、匹配導體和接地導體共同形成饋電電路；然后天線的最佳匹配和增益可通過定形饋電電路的條形導體來發(fā)現(xiàn)。在輻射元件之間，存在跨越基板的上表面對角地延伸的槽150，并且在元件的開口端，即在從饋電側(cè)觀察的相對端，存在到達基板的橫向表面的延伸。借助這種設(shè)計，以及利用饋電電路的結(jié)構(gòu)，目的是正交地設(shè)置元件的電流以便這些元件的諧振將不彼此減弱。
上述天線結(jié)構(gòu)的缺陷是盡管最佳化了饋電電路，在電介質(zhì)基板中仍產(chǎn)生增加損耗并且對于輻射來說無用的波形。因此天線的效率不令人滿意。此外，如果需要相對均勻的輻射圖案或全向輻射，則天線還留有改善的空間。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是減小現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷。根據(jù)本發(fā)明的芯片天線的特征在于獨立權(quán)利要求
1中所述的。本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例在其它權(quán)利要求
中被闡述。
本發(fā)明的基本思想如下所述天線包括在電介質(zhì)基板芯片的表面上的兩個輻射元件。它們尺寸相同且對稱，從而其每一個覆蓋矩形芯片的相對頭之一以及部分上表面。在元件之間的上表面的中間留有槽，在其上這些元件具有相互的電磁耦合。芯片部件安裝在其上的電路板，在芯片的下方或在其側(cè)上高達一定距離不具有接地平面。其中一個輻射元件的較低邊緣電鍍連接至電路板上的天線饋電導體，并且在另一點至接地平面，而相對輻射元件或寄生元件的較低邊緣，僅電鍍連接至接地平面。寄生元件通過所述的電磁耦合獲得其饋電，并且兩個元件都在工作頻率下同樣強烈地諧振。
本發(fā)明具有的優(yōu)點在于根據(jù)其的天線的效率是良好的而不管電介質(zhì)基板。這是因為天線的簡單結(jié)構(gòu)，其在輻射元件中產(chǎn)生不復雜的電流分布以及相應(yīng)地在基板中產(chǎn)生簡單的場圖像，而沒有“多余的”波形。此外，本發(fā)明具有的優(yōu)點在于根據(jù)其的天線的全向輻射是極好的，這是因為其對稱的結(jié)構(gòu)，接地平面的成形和元件之間的耦合的性質(zhì)。本發(fā)明的另一個優(yōu)點是根據(jù)其的天線的調(diào)諧和匹配可通過改變輻射元件之間的槽的寬度以及通過以簡單的方式定形芯片部件附近的電路板的導體圖案來完成而不需要分立部件。本發(fā)明的另一個優(yōu)點是根據(jù)其的天線非常小和簡單并且容許相對高的場強。
以下，本發(fā)明將被更加詳細地說明。將參考附圖，其中圖1描述了現(xiàn)有技術(shù)芯片天線的例子，圖2描述了根據(jù)本發(fā)明的芯片天線的例子，圖3從相反側(cè)示出了屬于圖2的天線結(jié)構(gòu)的電路板的一部分，圖4a，b描述了根據(jù)本發(fā)明的天線的芯片部件的另一個例子，圖5描述了具有根據(jù)圖4a的芯片部件的整個天線，圖6a-d示出了根據(jù)本發(fā)明的天線中的輻射元件之間的槽的成形的例子，
圖7示出了位于移動電話中的根據(jù)本發(fā)明的天線的方向特性的例子，圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的天線的頻帶特性的例子，圖9示出了在輻射元件之間的槽的形狀對天線工作頻帶的位置的影響的例子，以及圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的天線的效率的例子。
具體實施方式圖1已經(jīng)結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)的描述進行了解釋。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的芯片天線的例子。天線200包括電介質(zhì)基板芯片和在其表面上的兩個輻射元件，其中一個連接到天線的饋電導體，且另一個是電磁饋電寄生元件，類似在圖1的已知天線中的。然而，在那些天線之間存在多個結(jié)構(gòu)和功能的差異。在根據(jù)本發(fā)明的天線中，其中，分隔輻射元件的槽在元件的開口端之間且不在橫向邊緣之間，并且寄生元件通過在槽上占優(yōu)勢的耦合且不是通過寄生元件的接地導體和饋電導體之間的耦合來獲得其饋電。天線200的第一輻射元件220包括部分地覆蓋細長的、矩形基板210的上表面的部分221和覆蓋基板的一頭的頭部分222。第二輻射元件對稱地包括部分地覆蓋基板的上表面的部分231和覆蓋相對頭的頭部分232。每個頭部分222和232在基板的下表面的一側(cè)上略微連續(xù)，因此形成用于其連接的元件的接觸表面。在元件之間的上表面的中間留有槽260，在其上這些元件具有相互的電磁耦合。在該例子中槽260沿基板的橫斷方向從基板的一個橫向表面垂直地延伸到另一個。
芯片部件201或具有其輻射器的基板，在圖2中是在電路板PCB上在其邊緣上且其下表面與電路板相對。天線饋電導體240是在電路板的上表面上的條形導體，并且其連同接地平面或信號接地GND，和電路板材料一起形成了具有一定阻抗的饋電線。饋電導體240在其接觸表面的特定點處電鍍耦接到第一輻射元件220。在接觸表面的另一個點處，第一輻射元件電鍍耦接到接地平面GND。在基板的相對端，第二輻射元件230在其接觸表面處電鍍耦接到接地導體250，其是更寬的接地平面GND的延伸。接地導體250的寬度和長度對第二元件的電長度并由此對整個天線的固有頻率具有直接影響。因為這個原因，接地導體可被用作天線的調(diào)諧元件。
天線的調(diào)諧還受到接地平面的其它部分的成形、和輻射元件之間的槽260的寬度d的影響。在芯片部件201下面沒有接地平面，并且在芯片部件的一側(cè)接地平面與其相隔特定距離s。該距離越長，固有頻率越低。而增加槽的寬度d增加了天線的固有頻率。距離s也對其阻抗具有影響。因此天線可通過發(fā)現(xiàn)接地平面離芯片部件的長邊的最佳距離來進行匹配。此外，從芯片部件的一側(cè)去除接地平面改善了天線的輻射特性，比如其全向輻射。
在工作頻率下，兩個輻射元件連同基板，互相和接地平面形成了四分之一波長的諧振器。因為上述結(jié)構(gòu)，諧振器的開口端互相面對，被槽260分開，并且所述電磁耦合顯然是電容性的。槽的寬度d被定尺寸使得兩個輻射器的諧振是強的并且基板的介電損耗被最小化。最佳寬度是例如1.2mm并且適當?shù)淖兓秶缡?.8-2.0mm。當使用陶瓷基板時，該結(jié)構(gòu)提供很小的尺寸。例如在頻率范圍2.4GHz工作的藍牙天線的芯片部件的尺寸是2×2×7mm3，并且例如在1575MHz的頻率下工作的GPS(全球定位系統(tǒng))天線的芯片部件的尺寸是2×3×10mm3。
圖3示出了從下面觀看的屬于圖2的天線結(jié)構(gòu)的電路板的一部分。在電路板PCB的另一側(cè)上的芯片部件201已經(jīng)在該圖中用虛線標記。類似地，用虛線標記饋電導體240，接地導體250和在饋電導體的一側(cè)上在一端處在芯片部件之下延伸到其接觸表面的接地條251。電路板的下表面的大部分屬于接地平面GND。接地平面從在區(qū)域A中的板的一角缺失，其包括芯片部件的位置和從芯片部件延伸到特定距離s的區(qū)域，具有與芯片部件的長度相等的寬度。
圖4a示出了根據(jù)本發(fā)明的天線的芯片部件的另一個例子。部件401大體上類似于在圖2中呈現(xiàn)的部件201。區(qū)別是現(xiàn)在在部件的各端處輻射元件延伸到基板410的橫向表面，并且基板的頭很大程度上不被涂覆。因此第一輻射元件420包括部分地覆蓋基板的上表面的部分421、在基板的一角內(nèi)的部分422和在相同端的另一角內(nèi)的部分423。在這些角內(nèi)的部分422和423部分地在基板的橫向表面的一側(cè)上并且部分地在頭表面的一側(cè)上。它們略微持續(xù)到基板的下表面，因此形成用于其連接的元件的接觸表面。第二輻射元件430類似于第一個并且相對于其對稱地設(shè)置。位于角內(nèi)的輻射元件的部分自然也可僅限于基板的橫向表面或僅限于其中一個橫向表面。在后者情況下，沿著橫向表面延伸的導體涂層在其下面在部件的任一端延續(xù)該端的整個長度。
在圖4b中，從下面觀看圖4a的芯片部件401。在圖中看到的是基板410的下表面和在其角內(nèi)用作所述接觸表面的導體墊。在基板的第一端導體墊之一將要與天線饋電導體連接以及另一個與接地平面GND連接。在基板的第二端兩個導體墊都將被連接到接地平面。
圖5示出了根據(jù)圖4a和4b的安裝在電路板上的芯片部件從而形成整個天線400。僅僅可看到電路板的一小部分。在此芯片部件401不位于電路板的邊緣處，并且因此在其兩側(cè)上直到特定距離s存在無接地(groundless)區(qū)域。天線饋電導體440在其下表面的一個角內(nèi)與芯片部件相連接，并且對應(yīng)于圖4b接地平面延伸到其它角。
圖6a-d示出了在根據(jù)本發(fā)明的天線中的輻射元件之間的槽的成形的例子。在圖6a中，天線的芯片部件601是從上面觀看的以及在圖6b中芯片部件602是從上面觀看的。在部件601中的槽661和在部件602中的槽662都跨越部件的上表面對角地從部件的第一側(cè)行進到第二側(cè)。但是槽662更加斜并且因此比槽661更長，從芯片部件的上表面的一角延伸到相對的、最遠的角。此外，槽662比槽661更窄。前面提到加寬槽會增加天線的固有頻率。反之亦然，使槽變窄會減小天線的固有頻率，或者將天線工作頻帶向下移動。通過使其變斜來使槽變長會以同樣的方式產(chǎn)生影響，甚至更有效。
在圖6c中，天線的芯片部件603是從上面觀看的以及在圖6d中芯片部件604是從上面觀看的。在部件603中的槽663和在部件604中的槽664在此具有轉(zhuǎn)彎。槽663具有六個矩形轉(zhuǎn)彎從而在第一輻射元件中形成指狀的條625，該條在屬于第二輻射元件的區(qū)域之間延伸。對稱地，在第二輻射元件中形成指狀的條635，該條在屬于第一輻射元件的區(qū)域之間延伸。在屬于部件604的槽664中的轉(zhuǎn)彎的數(shù)量更大從而在第一輻射元件中形成兩個指狀的條626和627，這些條在屬于第二輻射元件的區(qū)域之間延伸。在這些條之間存在指狀的條636作為第二輻射元件的突出。在部件604中的條，除了數(shù)量更多之外，也比部件603中的條更長，并且此外槽664比槽663更窄。因為這些原因，對應(yīng)于部件604的天線的工作頻帶明顯低于對應(yīng)于部件603的天線的工作頻帶。
圖7描述了根據(jù)本發(fā)明的位于移動電話中的天線的方向特性的例子。該天線被定尺寸用于藍牙系統(tǒng)。在圖中有三個方向圖案。當X軸是芯片部件的縱向方向，Y軸是芯片部件的垂直方向以及Z軸是芯片部件的橫向方向時，方向圖案71表示在平面XZ上的天線增益，方向圖案72表示在平面YZ上的天線增益以及方向圖案73表示在平面XY上的天線增益。從圖案可以看出，天線在所有平面上并且沿所有方向都發(fā)射和接收良好。特別在平面XY上，圖案是均勻的。其它兩個僅在大約45度寬的扇區(qū)中具有10dB的凹進。典型的在方向圖案中的完全“暗的”扇區(qū)根本不存在。
圖8描述了根據(jù)本發(fā)明的天線的頻帶特性的例子。其描述了反射系數(shù)S11作為頻率的函數(shù)的曲線。該曲線是從與圖6的圖案相同的藍牙天線測量的。如果使用截止頻率準則，反射系數(shù)的值是-6dB，則帶寬變成大約50MHz，作為相對值其是大約2％。在工作頻帶的中心，在2440MHz的頻率下，反射系數(shù)是-17dB，其指示良好的匹配。Smith圖表明在頻帶的中心天線的阻抗是純電阻性的，相應(yīng)地，在中心頻率以下是略微電感性的，并且在中心頻率以上是略微電容性的。
圖9描述了在輻射元件之間的槽的形狀對天線工作頻帶的位置的影響的例子。曲線91示出了在天線中反射系數(shù)S11作為頻率的函數(shù)的波動，其芯片部件的尺寸是10×3×4mm3，并且輻射元件之間的槽是垂直的。與工作頻帶的中間頻率大約相同的天線的諧振頻率，落在點1725MHz上。曲線92示出了當輻射元件之間的槽是根據(jù)圖6b的對角的時反射系數(shù)的波動。在其它方面中，天線類似于前面的情況。在此天線的諧振頻率落在點1575MHz上，因此工作頻帶位于低于前面情況的150MHz。頻率1575MHz被GPS(全球定位系統(tǒng))使用。實際上通過使用對角線槽可以在所討論的天線中達到并不比其低那么多的頻率。曲線93示出了當輻射元件之間的槽具有根據(jù)圖6d的轉(zhuǎn)彎并且比前兩種情況稍微更窄時反射系數(shù)的波動。在其它方面中，天線是類似的。在此天線的工作頻帶與對應(yīng)于曲線91的情況相比降低了幾乎一半。諧振頻率落在點880MHz上，其位于由EGSM系統(tǒng)(擴展GSM)使用的范圍中。
具有相對介電系數(shù)εr的值20的陶瓷被用于圖9的三種情況中的天線。使用具有較高εr值的陶瓷，配備有對角線槽的天線的頻帶也被置于例如900MHz的范圍內(nèi)而不會使天線更大。然而，天線的電特性將更差。
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的天線的效率的例子。該效率是從與圖7和8的圖案相同的藍牙天線測量的。在天線的工作頻帶的中心，效率是大約0.44，并且當從頻帶的中心移動25MHz到一側(cè)時從該值降低到大約0.3的值。該效率對于使用電介質(zhì)基板的天線來說是相當高的。
在本說明書和權(quán)利要求
中，“芯片天線”表示天線結(jié)構(gòu)，除了實際的芯片部件本身外其還包括圍繞其的接地配置和天線饋電配置。本說明書和權(quán)利要求
中的限定詞“上”和“下”表示圖2和4a中示出的天線的位置，并且它們與其中使用設(shè)備的位置無關(guān)。
上面已經(jīng)描述了根據(jù)本發(fā)明的芯片天線。其結(jié)構(gòu)部分的形式自然可以不同于在其細節(jié)中呈現(xiàn)的那些。在由獨立權(quán)利要求
1設(shè)置的范圍內(nèi)本發(fā)明的思想可以以不同的方式來應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種無線電設(shè)備的芯片天線，該天線包括具有上和下表面、第一和第二頭以及第一和第二側(cè)的電介質(zhì)基板(210；410)，以及在基板的表面上的第一和第二輻射元件，在這些元件之間存在槽(260)，該第一輻射元件(220；440)在第一點與天線的饋電導體(240；440)連接并且在第二點與無線電設(shè)備的接地平面(GND)相連接，以及第二輻射元件(230；430)在第三點與接地導體(250)連接并且通過它電鍍連接到接地平面，其特征在于為了減小天線損耗并且改善全向輻射，第一輻射元件包括覆蓋第一頭的部分(222)和覆蓋上表面的另一部分(221)，以及第二輻射元件包括覆蓋第二頭的部分(232)和覆蓋上表面的另一部分(231)使得所述槽(260)從第一側(cè)延伸到第二側(cè)并且將上表面分成基本上相等尺寸的兩個部分，在該槽上方第二輻射元件被設(shè)置成電磁地獲得其饋電，以及所述第一和第二點在基板的下表面上在其第一頭的側(cè)上的端處，以及所述第三點是在基板的下表面上在其第二頭的側(cè)上的端處。
2.如權(quán)利要求
1所述的芯片天線，由基板以及第一和第二輻射元件形成的該天線的芯片部件(201)在電路板(PCB)上，且其下表面與電路板相對，在該電路板上存在無線電設(shè)備的接地平面(GND)的一部分，其特征在于饋電導體(240)和接地導體(250)是在電路板的表面上的條形導體，并且同時接地導體是天線的調(diào)諧元件。
3.如權(quán)利要求
1所述的芯片天線，由基板以及第一和第二輻射元件形成的該天線的芯片部件(201)在電路板(PCB)上在其邊緣處，且其下表面與電路板相對，在該電路板上存在無線電設(shè)備的接地平面(GND)的一部分，其特征在于接地平面的邊緣在該部件的一側(cè)的法線方向上距離芯片部件特定距離(s)以改善天線的匹配和全向輻射。
4.如權(quán)利要求
1所述的芯片天線，由基板以及第一和第二輻射元件形成的該天線的芯片部件(401)在電路板上，且其下表面與電路板相對，在該電路板上存在無線電設(shè)備的接地平面(GND)，其特征在于接地平面的邊緣在該部件的法線方向上在其兩側(cè)距離芯片部件特定距離(s)以便改善天線的匹配和全向輻射。
5.如權(quán)利要求
1所述的芯片天線，其特征在于第一和第二輻射元件在工作頻率下與基板、相對輻射元件和接地平面共同形成四分之一波長的諧振器，這些諧振器具有相同的固有頻率。
6.如權(quán)利要求
1所述的芯片天線，其特征在于第一輻射元件(421)還包括在覆蓋所述側(cè)的部分的基板(410)的第一端處的角內(nèi)的部分，以及第二輻射元件(430)還包括在覆蓋所述側(cè)的部分的基板的第二端的角內(nèi)的部分。
7.如權(quán)利要求
1所述的芯片天線，其特征在于槽(260)被設(shè)置成具有這樣的寬度(d)以致其最小化天線的介電損耗。
8.如權(quán)利要求
7所述的芯片天線，其特征在于槽的寬度在0.8mm-2.0mm的范圍內(nèi)。
9.如權(quán)利要求
1所述的芯片天線，其特征在于槽(260)是直的并且垂直跨越上表面從第一側(cè)行進到第二側(cè)。
10.如權(quán)利要求
1所述的芯片天線，其特征在于槽(662；663；664)進一步被設(shè)置成具有這樣的長度使得天線工作頻帶的位置向下移動。
11.如權(quán)利要求
10所述的芯片天線，其特征在于槽(662)是直的并且對角地跨越上表面從第一側(cè)行進到第二側(cè)。
12.如權(quán)利要求
10所述的芯片天線，其特征在于槽具有至少一個轉(zhuǎn)彎。
13.如權(quán)利要求
12所述的芯片天線，其特征在于槽(663；664)的轉(zhuǎn)彎在輻射元件中形成至少一個指狀突出(625，635；626，627，636)，該至少一個突出在屬于相對輻射元件的區(qū)域之間延伸。
14.如權(quán)利要求
1所述的芯片天線，其特征在于電介質(zhì)基板是陶瓷材料。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種天線，其中輻射器是電介質(zhì)基板芯片(210)的導體涂層。存在兩個輻射器(220，230)，并且它們尺寸相同且對稱，從而每一個覆蓋矩形基板芯片的相對頭之一以及部分上表面。在元件之間的上表面的中間留有槽(260)，在其上這些元件具有相互的電磁耦合。芯片部件(201)安裝于電路板(PCB)上，其導體圖案是整個天線結(jié)構(gòu)的一部分。在芯片的下方或在其側(cè)上直到特定距離(s)不存在接地平面(GND)。一個輻射器(220)的下邊緣電鍍耦接至電路板上的天線饋電導體，并且在另一點至接地平面，而相對的、寄生輻射器(230)的下邊緣僅電鍍耦接至接地平面。寄生輻射器通過所述的電磁耦合獲得其饋電，并且兩個元件都在工作頻率下同樣強烈地諧振。天線可通過改變輻射元件之間的寬度(d)以及通過定形芯片部件附近的電路板的導體圖案來被調(diào)諧和匹配而不需要分立部件。不管電介質(zhì)基板，天線的效率是良好的，并且其全向輻射是極好的。
文檔編號H01Q1/24GK1993860SQ20058002156
公開日2007年7月4日 申請日期2005年3月16日
發(fā)明者J·索爾瓦拉 申請人:脈沖芬蘭有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan