[发明专利]微波范围的插塞式天线

说明书

本发明涉及一种插塞式天线(patch antenna)，特别适用于微波范围，具有至少一个插塞式谐振器，插塞式谐振器具有金属搭接图样和金属地线，还具有馈送端，用于提供电磁能量。

微波范围内的电磁波用于传输信息的移动通讯中，这样的例子是频率范围从890到960MHz(GSM900)和从1710到1880MHz(GSM1800或DCS)的GSM移动电话标准。更进一步，是UMTS波段(1970到2170MHz)，频率范围从1880到1900MHz的用于无绳电话的DECT标准，和频率范围从2400到2480MHz的新蓝牙标准，它用于例如移动电话与其它电子设备如计算机、其它移动电话等之间交换数据。

市场显示了这些设备小型化的强烈趋势。这也导致了使移动通讯的部件，即电子部件，在尺寸上减小的要求。当前用在移动电话中的天线类型实际上具有缺点，即天线是导线天线，因为它们相对大。天线从移动电话上突起，较容易被折断，也可能与用户的眼睛意外接触，并且还影响美学设计。而且移动电话对用户不利的微波辐射已经越来越多地变为公众讨论的话题。在导线天线从移动电话突起的情况下，发射辐射功率的主要部分可能在用户的头部吸收。

进一步的问题从表面安装(具有SMD或表面安装设备)的实际情况产生，即通过波峰焊接浴或回流焊接过程的方式，将电子元件焊接在PCB或印刷电路板上，这种安装已经变为普遍应用在现代数字电子设备技术的实现过程中。然而，迄今为止使用的天线不适用这种安装技术，因为它们通常只可以通过特殊支架，提供在移动电话的印刷电路板上，同时电磁功率的提供只通过特殊提供/支持部件而变得可能，如管脚或相似物。这导致不利的安装步骤、质量问题和附加的费用。

当今在移动电话中使用的天线在建立电磁谐振时辐射电磁波。这需要天线的长度至少等于传输辐射的四分之一波长。通过作为绝缘介质的空气(ε_r＝1)，这导致对于1GHz的频率需要75mm的天线长度。

对于发射辐射的给定波长，为了减小天线的尺寸，具有介电常数ε_r＞1的绝缘体可以用作天线的基本建立块。这导致绝缘体中辐射波长减少一个因数1/ε_r。根据这样的绝缘体设计的天线将由此使它的尺寸减小相同的因数。

所谓搭接图样天线或插塞式天线，例如在WO98/18177中描述的，是这样类型的天线，其中通过介电常数ε_r可以实现小型化。它包括ε_r＞1的绝缘材料的固体块。这里，块高度典型地小于它的长度和宽度一个3到10的因数。块在其整个或部分的一个表面上提供有金属插接的图样，并且在其它表面上提供有金属地线。在这些电极之间产生电磁谐振，其频率依据电极的尺寸和块介电常数ε_r的值。随着天线横向尺寸的增加，并且如上所述，随着介电常数ε_r的值增加，各自谐振频率的值减小。由此，为了实现天线的高度小型化，ε_r将被设计得高，并且将从谐振频谱中选择具有最低频率的模式。这种模式被表示为基模式和基础模式。 

进一步小型化的步骤包括将另外的导体连接(短路导体)插入两个电极的绝缘体中。给定相同的谐振频率，由此通常能够将天线的尺寸减小一个4的因数。

然而，这些插塞式天线(具有或不具有短路导体)中的问题是，对于位于GSM标准的频率范围内的谐振频率，只有几个MHz的带宽。而且，随着绝缘材料的介电常数r增加，带宽减小。相反，GSM标准所需的带宽为大约70MHz。传统插塞式天线因此不适于这样的宽带应用。

同样通过插塞式天线，具有或不具有短路导体的几个搭接图样谐振器可以垂直地叠加，而实现更大的带宽。这个结构被表示为多层插塞式天线。多层插塞式天线基础模式的数量等于组成插塞式谐振器的数量。如果基础模式之间的频率距离小于其带宽，那么天线的总带宽可以这样增加。

然而，这种类型的天线还具有两个主要的缺点。一方面，具有可以容易辨别的介电常数(例如ε_r1＝2.2并且ε_r2＝1.07)的基底材料，必须用作各自的插塞式谐振器，而实现谐振器的适当频率距离。这增加了制造成本。