CN102812593A - 电介质芯片天线 - Google Patents

Abstract

公开了一种天线装置，该天线装置具有寄生导电回路(1)，以及至少一个有源辐射元件(9)。导电回路(1)包括第一和第二导电无源辐射元件(2、3)，该导电无源辐射元件(2、3)均具有第一端部和第二端部。无源辐射元件的每个第一端部均接地，无源辐射元件的第二端部分别连接到电介质块(7)的、彼此分离的金属化表面区域(8)。至少一个有源辐射元件(9)与无源辐射元件(2、3)非导电连接。无源辐射元件(2、3)配置为由至少一个有源辐射元件(9)寄生馈电。该天线装置抗失谐性极好，并且可以位于PCB基板的不同区域中，而不严重影响性能。此外，天线尺寸小并且可以布置用于双频带工作。

Description

电介质芯片天线

技术领域

本发明的实施例涉及具有改进的抗失谐的稳定性的、表面安装的电介质芯片天线。

背景技术

在电学上，表面安装的电介质芯片天线是通常用于小型平台(platform)比如移动通信设备上的小型天线。它们的特征是具有电介质材料块，该电介质材料块安装在电路板的非接地区域上。在电介质块上印刷导电条(conductivetrack)。天线由该导电条而非电介质材料本身形成。

通常，电介质芯片天线具有立方体形状或类似六面体的形状，但是其他形状也是可行的。通常，表面安装的芯片天线的特征是具有：至少两个导电电极(通常为三个)、馈电电极、接地电极和辐射段。在没有接地电极的情况下，有时采用单极设计；在该情况下，可额外使用不具有电气功能的焊盘以便增加表面安装过程的机械稳定性。

天线的电介质块的材料可以是陶瓷、树脂或其他类似的电介质材料。该电介质块的功能是为天线增加机械支撑并且减少天线尺寸。通常，选择高电介质陶瓷材料(相对介电常数大于等于20)，但是并不是总是这样做。

也许最简单形式的电介质芯片天线为由EP 0766341[村田电子(Murata)]所公开的电介质芯片天线。其公开了印刷在电介质块上的、沿着分离天线的馈电电极和主辐射段的间隙进行电容性馈电的四分之一波长单极天线。

在EP 1482592[索尼(Sony)]中公开了更为典型的表面安装的电介质芯片天线。该天线具有馈电电极和接地电极、以及在两者之间的辐射段。该天线的谐振频率是由印刷在安装板(mounting board)上的图案决定的，而不是由天线本身决定的。通过这种方式，不需要为每个应用定制芯片设计且已说明天线是标准化的。印刷在安装板上的馈电段的特征为本质上具有电容性，这是因为在安装板的相对侧面上使用了导电板。相对地，由于形成设计的一部分的狭窄导电带的原因，在安装板上印刷的接地段的特征为本质上具有电感性。通过调整在安装板上印刷的这些电容性和电感性段的形式，就可以调整天线的谐振频率，而不必对电介质芯片本身进行重新设计。在EP 1482592中公开了电介质芯片形状的变体。

US 2003/0048225[三星(Samsung)]公开了表面安装的芯片天线，该芯片天线具有电介质块以及单独的馈电、接地和辐射电极。公开了在电介质块的侧表面上使用导电图案来降低谐振频率，并且提出了T形形状的馈电段以便有助于匹配。电介质电极中可以具有一孔洞以便减少重量和成本。基本上来说，由于馈电和接地电极与馈电和辐射电极之间的电容，使天线本质上具有电容性。

在US 2003/0222827[三星(Samsung)]中公开了宽带芯片天线。这里，电介质块具有导电电极，该导电电极布置在两个相对端部的壁部上和上下表面的部分上。一个电极是接地的，另一个电极为馈电元件，并且两个电极之间的狭槽(slot)引发了宽带RF射线。由于天线辐射元件被认为是电介质块及布置在电介质块上的电极，所以没有给出关于馈电和接地轨迹的其他信息。

WO 2006/000631[普斯(Pulse)]公开了与US 2003/0222827类似的镀金属电介质块装置。然而，在该案中公开了电路板上的馈电和接地装置。一个电极接地(其被描述为寄生天线)，而另一个电极既在一个位置处连接到馈电装置又在另一个位置接地，类似于PIFA的馈电方式。电极之间的狭槽的宽度被用来调谐和匹配。在给定的实例中，相对介电常数为20的陶瓷材料被用作电介质块材料。

WO 2010/004084[普斯]公开了电介质块的金属化以便形成围绕区块的回路。馈电点通常在一角落中，但也示出了在沿着电介质块的中途馈电的方案。建议使用相对介电常数为35的电介质块。

EP 1003240[村田电子]公开了与US 2003/0222827和WO 2006/000631中所示相类似的镀金属、馈电和狭槽的装置。提出了朝向电介质块的侧面倾斜的狭槽，并且狭槽的宽度沿其长度变化。

US 2009/0303144公开了一种电介质芯片天线。该电介质芯片天线在一端部沿着间隙进行电容性馈电，在另一端部接地，以便形成回路天线装置。公开了在电路板上的馈电和接地装置，并且馈电和接地装置示出了在馈电侧的匹配组件和在接地侧的频率调整元件(通常为电容器或电感器)。

US 20101/0007575[佳邦科技(Inpaq)]公开了另一种回路天线装置。这里，围绕电介质块形成回路，并且回路包括在上层和下层之间的电容性耦合以便完成回路。馈电的方法没有在附图中示出，但已说明是在电介质块的一个端部处进行。

以上描述的电介质芯片天线中大部分在对抗失谐(比如当天线布置在移动设备上时的手动失谐(hand detuning))方面是不稳定的。此外，由于这些芯片中有许多芯片的接地设置对它们的性能来说是至关重要的，所以天线性能在一定程度上取决于安装板的大小、形状以及其上的接地面积。例如，在安装板的一个边缘的中间处芯片天线可以很好地工作，但是在一个角落中不能很好地工作，反之亦然。因此，期望提供一种天线，其具有芯片天线的尺寸小、成本低的优点，但是不具有失谐和安装敏感性。

在共同待决英国专利申请GB 0912368.8和GB 0914280.3中本申请人已经开发了用于移动通信平台的磁偶极子电极天线。

发明内容

本发明提供了一种天线装置，该天线装置包括：第一和第二导电无源辐射元件和至少一个有源辐射源元件；第一和第二导电无源辐射元件均具有第一端部和第二端部，无源辐射元件的每个第一端部均接地，无源辐射元件的第二端部分别连接到一电介质块的、彼此分离的金属化表面区域；该至少一个有源辐射元件与无源辐射元件非导电地连接，其中，无源辐射元件配置为：由至少一个有源辐射元件寄生馈电。

无源辐射元件典型地形成为电介质基板(比如印刷电路板(PCB))上的导电条。电介质块可以在基板上表面安装。基板典型地是平坦的，具有相对的上下表面。第一无源辐射元件的第二端部电连接到电介质块的第一金属化表面区域，第二无源辐射元件的第二端部电连接到电介质块的第二金属化表面区域。第一和第二金属化表面区域彼此之间非导电连接。

在一些实施例中，可以提供额外的无源辐射元件。例如，可以在电介质基板上形成第三和第四导电条，并且第三和第四导电条链接到电介质块的金属化表面区域。可以连接到与第一和第二导电条相同的金属化区域，或者作为替代可以连接到金属化区域中，该金属化区域可以或者也可以不与相应的第一和第二金属化区域导电连接。第一和第二导电条可以接触电介质块的第一对相对表面的金属化区域，而第三和第四导电条可以接触电介质块的第二对相对表面的金属化区域。第一对相对表面通常可以正交定位到第二对相对表面。通过这种方式，可以引入额外的谐振或工作频率或频带。

具有介入式(intervening)电介质块的无源辐射元件有利地按回路或者U形配置设置在电介质基板上，因此采用了磁性天线的配置。用来向无源辐射元件馈电的有源辐射元件可以位于基板的同一表面上的(或者可能在基板的相对表面上的)无源辐射元件的第一端部。

有源辐射元件本身可以是以回路天线的形式，该回路天线通过与无源辐射元件的电感连接进行馈电，或者有源辐射元件可以配置为与无源辐射元件电容连接的单极。

在一些实施例中，可以提供两个以上的有源辐射元件。

有源辐射源元件可以在大体上与无源辐射元件相同的频率下或者频带上辐射，在该情况下，其简单地进行馈电。在其他实施例中，有源辐射元件可以替代地，或者额外地在与无源辐射元件不同频率下或者频带上辐射，选择该频率或者频带以便(为多频带操作)提供额外的谐振，同时仍然与无源辐射元件耦合以便使无源辐射元件进行寄生性谐振。在一些实施例中，第一有源辐射元件可以在与无源辐射元件相同的频率处或频带下辐射，第二有源辐射元件可以在一不同频率处或在一不同频带上辐射。

电介质块可以由电介质陶瓷材料制成，并且可以制成为相同的大小以便在传统的电介质芯片天线中使用。无源辐射元件的第二端部可以连接到在电介质块上通过传统技术形成的金属焊盘。金属焊盘可以在电介质块的相对表面上或者邻接表面上形成或者在一些实施例中在相同的表面上形成。在一些实施例中，金属焊盘可以分别越过电介质块的边缘延伸以便同时与连个邻接表面接触。

从一方面来看，本发明可以被认为是一种寄生天线装置，该寄生天线装置包括：具有相对侧面的电介质芯片或电介质块，每个侧面均被提供有金属化并且直接或者经由匹配电路接地；以及馈电天线，该馈电天线包括在一端具有RF馈电点在另一端直接或者经由匹配电路接地的回路天线。在某些实施例中，馈电天线装置不是印刷在(电介质)芯片或(电介质)块上，并且馈电天线装置位于与芯片分离的主PCB上。

从另一方面来看，本发明可以认为是一种寄生天线装置，该寄生天线装置包括：具有相对侧面的电介质芯片或电介质块，每个侧面均被提供有金属化并且直接或者经由匹配电路接地；以及单极馈电天线，该单极馈电天线包括在一端处的RF馈电点以及一短单极以便电容性耦合到寄生电介质芯片天线。在某些实施例中，馈电天线装置不是印刷在(电介质)芯片或(电介质)块上，并且馈电天线装置位于与芯片分离的主PCB上，例如在主PBC的相对表面上的寄生芯片天线之下。

本发明将磁偶极子天线的概念延伸到小型电介质芯片天线。这些天线主要地意图覆盖蓝牙^TM和无线保真(WiFi)频带，但是可能并且已经设计了在其他频率下进行工作。

附图说明

参照附图在后文中进一步描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出了本发明的第一实施例；

图2为图1所示天线装置的频率响应的曲线图；

图3为图1所示天线装置的史密斯图表(Smith Chart)曲线图；

图4为图1所示天线装置的效率的曲线图；

图5a和图5b示出了本发明的替代实施例；

图6为图5a和图5b所示天线装置的频率响应的曲线图；以及

图7进一步示出了本发明的替代实施例。

具体实施方式

在本发明的第一实施例中，如图1所示，主辐射天线包括导电回路1，导电回路1由导电条(conductive track)2、3形成，导电条2、3形成在PCB基板4上并且在两个端部5、6接地。朝向回路1的中心的电介质芯片电容器7中断了回路1。回路1的电感和金属化电介质芯片的电容在期望的工作频率下引起了谐振。电介质芯片7的金属化8与US2003/0222827或WO2006/000631中所公开的类似，但是设备在安装板(mounting board)4上的部署方式以及设备作为天线的工作方式是非常不同的。主辐射天线为寄生设备，该寄生设备是由单独的馈电天线9激发的。在该第一实施例中，馈电天线9也是在一端部供电而在另一端部接地的回路。在图1所示的实施例中，导电条2、3在它们的非接地端部处分别连接到电介质芯片7的金属化表面8，电介质芯片7是由陶瓷材料制成的。芯片7的任一端部处的金属化8与相对端部表面接触并且还与芯片7的上表面接触。在这种装置中，芯片7被用作电介质电容器。

使用陶瓷材料用于电介质块，组建并测试了图1所示的天线装置。陶瓷的相对介电常数为20，也可以使用其他介电常数的陶瓷。在2.45GHz下获得了达到50欧姆(Ohm)的良好匹配，如图2所示。对应该匹配的史密斯图表曲线图在图3中示出。通常使用两个或三个元件匹配电路来优化匹配及进行这些测量。

该天线结构经过测量的效率是良好的，如图4所示。在长安装板4(80×40mm)及较短安装板(45×40mm)上的一边缘的中心附近对天线1分别进行了测试，在两种情况下性能为60％或更高。当天线1朝着安装板4的角落移动时，效率轻微下降，但是沿着频带仍然是50％或更高。抗手动失谐性非常好。

在第二实施例中，如图7所示，主辐射天线回路具有靠近无源辐射元件2、3的第一端部的焊盘，使得可以增加0欧姆分流组件。这些短路11具有缩短回路并且提升谐振频率的作用。借助于此，可以使天线装置在其他频带上工作而无需改变电介质块7的结构。

在第三实施例中，如图7所示，主辐射天线回路具有焊盘使得可以增加一系列电感组件12，该焊盘靠近无源辐射元件2、3中至少一个的第一端部或第二端部。这些电感器12具有增加回路的电感并且降低谐振频率的作用。借助于此，可以使天线装置在其他频带上工作而无需改变电介质块7的结构。

本发明的实施例采用寄生回路天线的形式，在两个端部都接地，并且在回路中心附近具有电容性电介质块结构。

在第四实施例中，电感馈电回路9被电容馈电天线所取代。这具有减少所需的非接地面积的优点，并且因此使得整个天线装置更小。该装置的性能良好，但是其没有展现出电感馈电装置9所显示出的稳定的抗失谐性。

在第五实施例中，如图5a和图5b所示，馈电回路9被在安装板基板4的下表面上的单极天线10取代。这样，不但具有主辐射回路的电容性馈电的优点(如第四实施例)，而且具有由来自单极10本身的辐射引起的、额外的第二辐射频率。通过这种方式，可以进行双频带操作，而无需改变电介质块7的结构。

图6示出了一实例，其中主辐射回路在2.4GHz附近谐振并且单极10在5GHz附近辐射。利用该方法在其他频率下工作也是可行的，比如用于一个频带的1.575GHz GPS以及用于另一个频带的2.4GHz。

在说明书和权利要求中，单词“包含”和“包括”以及它们的词性变化都意味着“包括但不限于”，并且它们并不意图(并且也没有)排除其他部分、添加物、组件、整数或步骤。单数的概念也包含复数的概念，除非上下文中有其他要求。尤其是，当使用不定冠词时，应该理解为说明书考虑了单数和复数，除非上下文有其他要求。

关于本发明的特定方面、实施例或实例描述的特性、整数、特征、化合物、化学部分(chemical moiety)或组分要理解为适用于这里描述的任何其他方面、实施例或实例除非彼此之间不相容。说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中描述的特征，和/或所公开的任何方法或过程的步骤，可以以任何组合方式组合，除非这些组合中这样的特征和/或步骤中至少有一些互相排斥。本发明并不受限于任何前述实施例中的细节。本发明延伸到本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)的特征的任何新颖的特征或任何新颖的组合，或者延伸到所公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖的步骤或任何新颖的组合。

读者应注意：所有在本申请的说明书递交当日或之前递交的并且通过该说明书向公众开放的文章及文献，其内容以引用的方式并入本发明。

Claims (27)

1.一种天线装置，包括：第一和第二导电无源辐射元件以及至少一个有源辐射元件；所述第一和第二导电无源辐射元件均具有第一端部和第二端部，所述无源辐射元件的每个所述第一端部均接地，所述无源辐射元件的所述第二端部分别连接到一电介质块的、彼此分离的金属化表面区域；所述至少一个有源辐射元件与所述无源辐射元件非导电地连接，其中所述无源辐射元件配置为由所述至少一个有源辐射元件寄生馈电。

2.根据权利要求1所述的天线装置，进一步包括：电介质基板，例如印刷电路板基板或印刷线路板基板。

3.根据权利要求2所述的天线装置，其中所述无源辐射元件包括：在所述电介质基板上的导电条。

4.根据权利要求2或3所述的天线装置，其中所述有源辐射元件包括：在所述电介质基板上的导电条。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的天线装置，其中所述有源辐射元件和所述无源辐射元件是在所述电介质基板的同一表面上形成的。

6.根据权利要求5所述的天线装置，其中所述有源辐射元件为磁环天线，配置为与所述无源辐射元件中至少一个无源辐射元件电感耦合。

7.根据权利要求5或6所述的天线装置，其中所述有源辐射元件位于所述各个无源辐射元件的所述第一端部之间。

8.根据权利要求2至4中任一项所述的天线装置，其中所述有源辐射元件和所述无源辐射元件是在所述电介质基板的相对表面上形成的。

9.根据权利要求8所述的天线装置，其中所述有源辐射元件为单极天线，配置为跨过所述电介质基板与所述无源辐射元件中至少一个无源辐射元件电容耦合。

10.根据权利要求2至9中任一项所述的天线装置，其中所述电介质块表面安装在所述电介质基板上。

11.根据权利要求2至10中任一项所述的天线装置，其中具有介入式电介质块的所述无源辐射元件按照回路或U形配置设置在所述电介质基板上以便将所述无源辐射元件配置为磁环天线。

12.根据前述权利要求中任一项所述的天线装置，其中所述有源辐射元件配置为：在与所述无源辐射元件大体上相同的频率处或者频带下辐射。

13.根据权利要求1至11中任一项所述的天线装置，其中所述有源辐射元件配置为：在与所述无源辐射元件不同的频率处或者频带下辐射，从而为所述天线装置在整体上提供一额外的工作频率。

14.根据权利要求1至11中任一项所述的天线装置，其中所述有源辐射元件配置为：既在与所述无源辐射元件相同的频率处或频带下辐射，又在与所述无源辐射元件不同的频率处或频带下辐射，从而为所述天线装置在整体上提供一额外的工作频率。

15.根据前述权利要求中任一项所述的天线装置，包括：至少两个有源辐射元件。

16.根据前述权利要求中任一项所述的天线装置，其中所述电介质块是由电介质陶瓷材料制成的。

17.根据前述权利要求中任一项所述的天线装置，其中所述无源辐射元件第二端部连接到形成于所述电介质块上的金属焊盘。

18.根据权利要求17所述的天线装置，其中所述金属焊盘在所述电介质块的相对表面上形成。

19.根据权利要求17所述的天线装置，其中所述金属焊盘在所述电介质块的邻接表面上形成。

20.根据权利要求17所述的天线装置，其中所述金属焊盘在所述电介质块的同一表面上形成。

21.根据权利要求17所述的天线装置，其中所述金属焊盘分别越过所述电介质块的相应边缘延伸以便同时与两个邻接表面接触。

22.根据前述权利要求中任一项所述的天线装置，包括：三个以上导电无源辐射元件。

23.根据前述权利要求中任一项所述的天线装置，还包括：第三和第四导电无源辐射元件，所述第三和第四导电无源辐射元件按照与所述第一和第二导电无源辐射元件相似的方式设置。

24.根据前述权利要求中任一项所述的天线装置，进一步包括：至少一个电感组件，所述至少一个电感组件在所述第一和第二导电无源辐射元件中至少一个导电无源辐射元件上串联连接。

25.根据前述权利要求中任一项所述的天线装置，进一步包括至少一个分流组件，以便提供短路连接；所述至少一个分流组件与所述第一和第二导电无源辐射元件中至少一个导电无源辐射元件的第一和第二部分连接。

26.根据权利要求25所述的天线装置，其中所述分流组件为大体上0欧姆的分流组件。

27.一种大体上如前面参照附图描述或者在附图中示出的天线装置。

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