包括形成天线的辐射部分的紧固元件的射频传输设备

本发明涉及射频(RF)发送/接收设备的领域，该设备包括形成天线的辐射部分的紧固件元件。

发明的背景技术

天线被广泛应用于所有工业领域中极大数量的各种应用中：汽车、航空、电信、医药、能源等。

一般来说，天线是通过一个或多个金属紧固件元件(螺钉、夹子、钉等)被紧固到某种支架上。

因此，鞭状天线(例如安装在汽车上的天线)藉助于位于鞭状天线一端的螺钉或螺纹拧紧。

同样，在一定数量的移动电话中，有一个或多个天线，每个天线以金属组件的形式通过螺钉被紧固到支架上，例如在印刷电路或电话外壳上。

用于天线的金属紧固件元件，以及其他金属紧固件元件，例如用于将电路卡紧固到外壳上的金属紧固件元件，往往会妨碍位于所述金属紧固件元件附近的天线的操作。

此外，一般来说，纳入到一件电气装备中或其上的天线占据该电气装备的相对较大的体积。因此，寻求减小由天线占据的体积是非常有利的。

发明目的

本发明的目的是改进由纳入天线的一件电气装备实现的RF通信性能，并减小由天线占据的体积。

发明内容

为了实现这一目的，提供了一种射频发送/接收设备，包括电路卡、传输线和用于将电路卡紧固到支架上的导电紧固件元件，该传输线与该紧固件元件电耦合，使得该紧固件元件形成至少天线的第一辐射部分，该第一辐射部分被布置成发送和/或接收沿传输线传递的RF信号。电路卡进一步包括连接到传输线并与紧固件元件电耦合的第一天线迹线，第一天线迹线形成天线的第二辐射部分。

因此，在本发明的RF发送/接收设备中，紧固件元件形成天线的第一辐射部分，并且因此被用于发送和/或接收RF信号。因此，紧固件元件不再是干扰RF通信的元件。相反，利用紧固件元件的尺寸的优势以便形成天线。因此，这减小了其中纳入了专用于天线的本发明的RF发送/接收设备的电气装备内部的体积，从而减小了电气装备本身的体积。

还提供了一种如上所述的射频发送/接收设备，其中电路卡包括形成在导电层上的第一表面和形成在绝缘层上的第二表面，第一表面是接地表面，紧固件元件从第二表面延伸或穿过第二表面。

还提供了如上所述的RF发送/接收设备，其中传输线是电路卡的传输线迹线，其从第一表面内延伸到第二表面，以便形成在第二表面内延伸到紧固件元件附近的第一天线迹线。

还提供了如上所述的RF发送/接收设备，其中电路卡包括在第二表面内延伸的连接到第一天线迹线并且形成天线的第三辐射部分的第二天线迹线。

还提供了如上所述的RF发送/接收设备，其中天线的谐振频率也基于第一天线迹线的长度和/或第二天线迹线的长度，以及因此基于第二表面的至少一个维度来定义。还提供了包括如上所述的RF发送/接收设备的电气装备。

本发明可以鉴于以下对于本发明的特定非限定性实施例的描述而被更好地理解。

附图简述

参照附图，在附图中：

·图1是在本发明的第一实施例中纳入RF发送/接收设备的电气装备的分解透视图；

·图2是电气装备的透明透视图；

·图3是本发明的第一实施例中的从上方RF发送/接收设备的电路卡以及螺钉的透视图；

·图4是与图3类似的视图，但是从下方的视角；

·图5和6是与图3类似的视图，但第一天线迹线具有不同的长度；

·图7示出了针对本发明的第一实施例中的RF发送/接收设备的天线的三维辐射模式；

·图8是图7的辐射模式一部分，具有固定值等于90°的θ角；

·图9是图7的辐射模式一部分，由具有固定值等于90°的

·图10表示螺钉附近的电场；

·图11到13是本发明的第二实施例中的从上方的RF发送/接收设备的电路卡和螺钉的透视图，这些视图在第二天线轨迹的长度方面彼此不同；

·图14是针对第二天线迹线的不同长度的S11参数的图形绘制曲线；

·图15示出了针对本发明的第二实施例中的RF发送/接收设备的天线的三维辐射模式；

·图16表示螺钉附近的电场；

·图17示出了本发明的第三实施例中的RF发送/接收设备；

·图18示出了本发明的第四实施例中的RF发送/接收设备。

本发明的详细说明

参照图1和图2，在该示例中，本发明第一实施例中的RF发送/接收设备被纳入到除了RF发送/接收设备之外还包括外壳2的一件电气装备1中。在该示例中，外壳2由塑料材料制成，特别是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)。外壳2包括顶盖3和底盖4。

射频发送/接收设备首先包括电路卡5。电路卡5通过四个螺钉6被紧固到外壳2上。因此，外壳2是对电路卡5的支架。电路卡5具有四个孔7，每个孔位于电路卡5的相应角中。同样，顶盖3具有四个孔8，每个孔位于顶盖3的相应角中。相反，底盖4具有四个螺纹螺柱9，每个螺纹螺柱位于底盖4的相应角中。因此，为了将电路卡5紧固到外壳2上并为了关闭外壳2，每个螺钉6延伸穿过顶盖3中制成的孔8、电路卡5中制成的孔7，并被拧入到底盖4的螺纹螺柱9中。

在该示例中，每个螺钉6由铁制成并且代表3毫米(mm)的直径和约18mm的长度。

参照图3和4，电路卡5包括具有结合在其上的导电层12的绝缘层10。

作为示例，所使用的基板是具有介电常数ε

第一表面14被形成在导电层12上。第一表面14是覆盖绝缘层10的大部分的地面，除了特别是绝缘层10的矩形部分。

该矩形部分定义形成在绝缘层10上的矩形第二表面15。

RF发送/接收设备还包括传输线16，在该示例中，该传输线16特别是形成在电路卡5的导电层12上的传输线迹线16。

传输线迹线16在第一表面14内平行于电路卡5的边缘17以及第二表面15的第一侧18延伸。

传输线端口20位于传输线迹线16的第一端的第一表面14中。在其第二端，传输线迹线16引入到第二表面15中，并且它在第二表面15中形成第一天线迹线21。传输线迹线16和第一天线迹线21连接在一起，并且因此它们由单个迹线构成，但是它们的区别在于，传输线迹线16延伸到地面内，而第一天线迹线21延伸到绝缘层10上而不被地面包围。RF发送/接收设备进一步包括从第二表面15延伸或穿过第二表面15的螺钉6，并且在本示例中，螺钉6延伸穿过第二表面15。

电路卡5中的孔7中的一个(并且螺钉6通过其延伸)位于第二表面15中。孔7是金属内衬孔7。在该示例中，金属内衬孔7是电镀通孔，其呈现在金属中电镀的内表面。孔7以某种其他方式进行金属内衬将是可能的，例如通过在孔7中插入金属管。

第一天线迹线21延伸到第二表面15中直到金属内衬孔7的附近，并且它被电耦合到金属内衬孔7。在该示例中，第一天线迹线21围绕金属内衬孔7延伸并且它直接连接到金属内衬孔7。

因此，螺钉6位于金属内衬孔7的紧邻处，或者实际上它与金属内衬孔7接触，使得传输线迹线16经由金属内衬孔7和第一天线迹线21与螺钉6电耦合。

因此，传输线迹线16形成用于传递RF信号的传输线迹线16，而螺钉6形成天线的第一辐射部分，并且第一天线迹线21形成天线的第二辐射部分。螺钉6和第一天线迹线21由此形成与传输线迹线16连接的天线。

术语“辐射部分”被用于表示对由天线产生的辐射作出积极贡献并呈现有助于定义天线的固有电磁特性的特性的部分。

由传输线迹线16传递的RF信号由电路卡5的发射机组件生成，它们经由传输线迹线16的传输线端口20被施加到传输线迹线16，然后它们由天线辐射，和/或由它们由天线接收并经由传输线端口20被施加到电路卡5的接收器组件。因此，天线可以清楚地被用于发送和/或接收RF信号。

由传输线迹线16形成并连接到天线的传输线16具有50欧姆(Ω)的特性阻抗(与形成天线的第二辐射部分并且并非连接到天线的线路的第一天线迹线21不同)。

因此，天线的有源部分从对应于传输线迹线16的第二端的第一天线迹线21的末端开始。

应该观察到，螺钉6不必与第一天线迹线21严格接触。通过螺钉6的主体和穿过电路卡5的印刷电路的厚度的金属内衬孔7的金属电镀内表面之间的接近性所提供的电耦合足以在第一天线迹线21和螺钉6之间传播RF信号。然而，即使不可重复的接触(例如，取决于制造或定位公差的接触)可能对天线的性能没有显著影响，但是它对于提供确保非常好的重复性的设备可能是有利的。作为示例，该设备可包括机械指数。

由第一天线迹线21和螺钉6构成的天线是单极子天线，并且在该示例中，它呈现5.25gighz(GHz)的谐振频率。

天线的谐振频率由螺钉6的长度和第一天线迹线21的长度定义，并且因此由第二表面15的至少一个尺寸，具体地说，第二表面15的第一侧18的长度来定义。

因此，从给定长度的螺钉6开始，在该示例中等于18mm，调整第一天线迹线21的长度，从而调整第二表面15的第一侧18的长度，以便定义天线所需的谐振频率。调整第一天线迹线21的长度相当于调整第二表面15的第一侧18的长度，因为这里假设螺钉6位于距离电路卡5的边缘23恒定的距离处(即，不可调整)。

参照图5，第一天线迹线21的长度以及因此第二表面15的第一侧18的长度可以相对较长。

参照图6，第一天线迹线21的长度也可以非常短，或者实际上几乎为零，使得第一天线迹线21仅由围绕金属内衬孔7的部分和金属内衬孔7本身形成。

因此，在该示例中，起点是给定长度的螺钉6，并且通过调整第一天线迹线21的长度以及由此调整第二表面15的第一侧18的长度来定义天线的谐振频率。也可以从给定的电路卡5开始，通过选择螺钉6的长度来定义谐振频率，使得第一天线迹线21的长度和螺钉6的长度用于获得所寻找的谐振频率。

应当观察到，使用螺钉6的长度来定义天线的谐振频率，使得减小专用于天线的电路卡5的面积，并且因此减小专用于天线的外壳2内的空间成为可能。

还应注意到，使用螺钉6使得获得天线的电磁极化的巨大差异，即使在较小体积的外壳2中也是如此。具体地说，与其中较小厚度的电气装备件具有平坦的天线的传统应用不同，在该示例中，本发明的第一实施例中的发送/接收设备的螺钉6垂直于电路卡5延伸。因此，通过使用在任何情况下用于紧固电路卡5和关闭外壳2所需的螺钉6，在不增加该件电气装备1的体积的情况下获得三维天线。

参照图7至图10，可以看出，对于由螺钉6和第一天线迹线21构成的天线而言，在5.25ghz的频率下获得的有效性约为0.72分贝(dB)，即处于70％到80％的范围内。

参照图11至13，本发明的第二实施例中的RF发送/接收设备的电路卡105包括第一天线迹线121和第二天线迹线122，它们连同传输线迹线(未示出)一起都位于第二表面115中。电路卡105还具有位于第二表面115中的金属内衬孔107。

本发明第二实施例中的RF发送/接收设备还包括穿过金属内衬孔107延伸的螺钉106。

在本发明的第二实施例中，螺钉106形成RF发送/接收设备的天线的第一辐射部分，而第一天线迹线121形成天线的第二辐射部分，并且第二天线迹线122形成天线的第三辐射部分。

第一天线迹线121从第二表面115的第一侧118延伸。第一天线迹线121经由位于第一侧118上的第一天线迹线121的第一端的传输线端口120连接到传输线迹线。

第二天线迹线122从垂直于第一侧118的第二表面115的第二侧119延伸。第二天线迹线122连接到金属内衬孔107。

第一天线迹线121和第二天线迹线122是垂直的，并且它们在位于第二天线迹线122上并且对应于第一天线迹线121的第二端的连接点124处连接在一起。

天线的谐振频率由螺钉106的长度和第二天线迹线122的长度来定义，并且因此由第二表面115的至少一个维度的长度来定义，具体地说，第二表面115的第一侧118的长度来定义。具体地说，在该示例中，螺钉106仍然位于距电路卡105的边缘123的恒定距离处。

规定天线的谐振频率完全可被完美地定义为第一天线迹线121的长度(和/或第二天线迹线122的长度)的函数。

在该示例中，天线是平面倒F天线(PIFA)。辐射鞭包括第二天线迹线122和螺钉106。

在图11至图13中，可以看出，连接点124始终位于与第二侧119大致相同的距离处，使得天线的谐振频率由连接点124和金属内衬孔107之间沿第二天线线122的距离更精确地定义。

参照图14，可以清楚地看到，与S11参数曲线的最小值对应的谐振频率取决于第二天线迹线122的长度。曲线C1对应于长度等于8mm的第二天线迹线122。曲线C2对应于长度等于12mm的第二天线迹线122。曲线C3对应于长度等于16mm的第二天线迹线122。曲线C4对应于长度等于20mm的第二天线迹线122。

参照图15和16，可以看出，对于由螺钉106、第一天线迹线121和第二天线迹线122形成的天线，在2.45GHz的频率下获得的有效性约为-1.2dB。

参照图17，可以看出，本发明的第三实施例中的RF发送/接收设备的电路卡205可以位于第一支架201和第二支架202之间。螺钉106将第一支架201、第二支架202和电路卡205夹紧在一起。作为示例，第一支架201和第二支架202可以是外壳的盖。

在该示例中，螺钉206不与电路卡205接触，并且需要通过非接触电耦合在电路卡205和螺钉206的一个或多个迹线之间进行电磁传递。如上所述，连接到迹线的金属内衬孔207和螺钉206之间的接近性足以提供有效的电耦合。

参照图18，可以看出，在本发明的第四实施例中的RF发送/接收设备的电路卡305可藉助于单个支架301上的螺钉306来紧固。作为示例，支架301可以是由塑料材料制成的基座。在这种情况下，螺钉306和电路卡305之间存在“机械”接触面。由此，可能使接触面定位在电路卡305的导电层上，并避免对接触面进行清漆处理，使得电路卡305的迹线和螺钉306之间的电耦合通过经由接触面直接接触来发生。

无论所使用的紧固件配置是什么，都可以考虑螺钉的周围环境(存在或缺少大量塑料材料等)以及传输线迹线和/或第一天线迹线和/或第二天线迹线之间的电耦合特性，以便准确地定义天线的特性。

自然地，本发明不限于所描述的实施例，而是涵盖了落入由权利要求书限定的本发明范围内的任何变型。

要声明，电路卡经由铁制螺钉被紧固在各种支架上，其中一个螺钉形成天线的辐射部分。当然，其他紧固件元件可被用于将电路卡固定在支架上并形成天线的辐射部分，例如夹子或订书钉。紧固件元件不必由铁制成，并且它们可以由任何导电材料制成。可能使用不同的金属，例如铜、铝、钢等。也可以使用非金属材料，例如石墨。可能使用填充有金属粒子的非金属材料。

规定传输线不必是迹线，但作为示例，它可以是将射频发送/接收设备的电路卡连接到电气装备的另一电路卡的导线或电缆。

螺钉或任何其他导电紧固件元件也可以用作八木型天线的反射器元件。螺钉也可被用作两个天线之间的绝缘体，并且然后形成虚拟天线。在这种情况下，没有信号被传递给辐射元件，该辐射元件由单独执行鞭状天线功能的螺钉构成。辐射鞭可被连接或“扎根”在地平面上。