專利名稱：雙波段片狀蝴蝶結(jié)隙縫天線結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于模擬和/或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的無線傳輸?shù)奶炀€部件，更準(zhǔn)確地說，涉及能在雙頻帶下工作并且特征在于每個(gè)頻帶中均具有高增益的微波傳輸帶片(patch)和蝴蝶結(jié)隙縫天線輻射元件(radiating element)的組合。
背景技術(shù)：
需要一種改進(jìn)的天線部件，它能提供單和/或雙波段響應(yīng)，并易于結(jié)合在小的無線通信裝置(WCD)中。尺寸的限制延續(xù)到影響諸如手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理、呼機(jī)等產(chǎn)品中使用的無線電元件。對(duì)于要求雙波段響應(yīng)的無線通信裝置而言，問題更為復(fù)雜。將天線部件設(shè)置在WCD中，對(duì)裝置的整體外觀和性能而言都很關(guān)鍵。
適于印刷電路制造技術(shù)的天線部件已經(jīng)廣為人知，并應(yīng)用于雷達(dá)、衛(wèi)星通訊和其他當(dāng)前系統(tǒng)中。在這些天線部件中，常常使用以印刷電路導(dǎo)體式實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)線或輻射圖向或從天線振子傳送射頻能量。
一種已知天線結(jié)構(gòu)是“片狀”天線。這種天線可由所選定的印刷電路導(dǎo)體區(qū)域組成，并且基于諧振的物理尺寸處于沿射頻導(dǎo)體的端點(diǎn)或其他選定節(jié)點(diǎn)處。發(fā)現(xiàn)片狀天線具有若干局限性；主要的局限性在于有限帶寬容量。片狀天線帶寬常常僅遍布天線設(shè)計(jì)頻率的百分之幾，并且增大了寬頻譜通信或該天線多種系統(tǒng)應(yīng)用的難度。本發(fā)明中通過將片狀天線與選定附加形狀的蝴蝶結(jié)隙縫天線組合，改進(jìn)了片狀天線，相信本發(fā)明為可用于無線通信裝置的天線家族提供了所需的增加。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種微波傳輸帶片與蝴蝶結(jié)隙縫天線輻射元件的組合，能工作在雙頻帶并且每個(gè)頻帶均具有高增益(7-10dBi)。其附加特征包括每個(gè)頻帶具有極好的帶寬(超過10％)，并且與典型片狀或典型蝴蝶結(jié)隙縫天線相比，性能增強(qiáng)且輻射圖失真較小。該天線裝置可用于例如，作為基站天線，或微單元，或訪問點(diǎn)站天線，用于諸如蜂窩電話、PDA，膝上型電腦的無線通信裝置或采用無線通信天線的其他裝置。本發(fā)明另一個(gè)特別的優(yōu)點(diǎn)在于，單個(gè)公共饋電(feed)用于兩個(gè)頻率的能力。
可使用已知的印刷電路板制造技術(shù)和工藝制造天線輻射元件。在一個(gè)實(shí)施例中，在一具有兩個(gè)主表面或側(cè)的介電材料印刷電路板上形成天線輻射元件。該印刷電路板在介電材料一個(gè)或兩個(gè)表面上具有銅涂層。在使用過程中，相對(duì)相應(yīng)接地平面設(shè)置該天線。在與接地平面相對(duì)的第一面上，可限定并從該板材的導(dǎo)電表面有選擇地蝕刻蝴蝶結(jié)形狀。在第二面上，可設(shè)置任選地導(dǎo)電的天線輻射圖增強(qiáng)元件。在其他實(shí)施例中，使用在介電材料上采用導(dǎo)電材料的其他制造方法，如在非導(dǎo)電材料上電鍍、汽相沉積或等離子體沉積導(dǎo)電材料，也能實(shí)現(xiàn)該天線裝置，或者也可以通過選擇電鍍或本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知或開發(fā)出的其他制造方法，使用二次成型(two-shot molding)來制造。
在一個(gè)最佳實(shí)施例(如附圖所示)中，本發(fā)明的天線用作雙波段基站天線，以覆蓋兩個(gè)頻帶，即GSM(880-960)MHz和3GUMTS射頻帶(1.92-2.17)GHz。在其他特定實(shí)施例中，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員無需大量實(shí)驗(yàn)就能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，通過縮放尺寸，以提供雙ISM頻帶(2.4和5.8GHz)，或者構(gòu)成工作在SIM(2.4GHz)和UNII(5.3GHz)兩個(gè)頻帶下，或者頻帶的其他有用組合。在任何一種情況下，都用單根饋線為兩個(gè)頻帶提供饋電，并且可以單獨(dú)或同時(shí)工作。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明可以用作與多波段收音機(jī)結(jié)合的雙波段天線，通過天線分離濾波器或本領(lǐng)域中已知的其它方法將波段分離。在另一實(shí)施例中，該天線可以用于所提供的任何一個(gè)單一波段，并且易于從一個(gè)頻帶切換到另一頻帶，無需改變。
可通過下列方式實(shí)現(xiàn)特定天線實(shí)施例的工作頻率；低頻帶主要由片狀天線部分的尺寸“D”決定，如

圖1所示，而更高頻帶工作特性主要由蝴蝶結(jié)隙縫和背側(cè)天線輻射圖增強(qiáng)元件的尺寸決定。
本發(fā)明還可以結(jié)合在一天線結(jié)構(gòu)陣列中，以增強(qiáng)方向性和增益，并且如圖6所示這類天線振子陣列可以與共同的饋給網(wǎng)絡(luò)集成。
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種具有單條饋線的雙波段天線裝置。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種每一頻帶都具有寬帶寬(10％量級(jí))的雙波段天線裝置。
本發(fā)明又一目的在于提供一種每個(gè)頻帶都具有高增益(7-10dBi量級(jí))的雙波段天線裝置。
本發(fā)明再一目的在于提供一種雙波段天線裝置，其中可同時(shí)訪問兩個(gè)波段。
本發(fā)明進(jìn)一步目的在于提供一種雙波段天線裝置，其中可單獨(dú)和交替工作兩個(gè)波段中的任意一個(gè)。
根據(jù)下面的說明、權(quán)利要求和附圖，將理解本發(fā)明的其他目的和特征。
附圖簡(jiǎn)要說明圖1a表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的微波傳輸帶天線輻射元件第一面的透視圖。
圖1b為圖1a中本發(fā)明天線的詳細(xì)透視圖。
圖2表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的微波傳輸帶天線輻射元件第二面的透視圖。
圖3表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的透視圖，表示設(shè)置在接地平面以上并與共軸饋送系統(tǒng)連接的輻射元件。
圖4為以WCDMA和歐洲蜂窩電話波段為特征的本發(fā)明微波傳輸帶天線以頻率為函數(shù)的VWSR曲線。
圖5為以WCDMA和歐洲蜂窩電話波段為特征的本發(fā)明微波傳輸帶天線輻射元件最佳實(shí)施例的增益特性的極坐標(biāo)圖。
圖6為本發(fā)明另一實(shí)施例的透視圖，說明設(shè)置在接地平面附近并與共同饋送系統(tǒng)連接的多個(gè)片狀/蝴蝶結(jié)-隙縫輻射元件。
最佳實(shí)施例圖1為根據(jù)本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)10的放大透視圖。如從圖1A中可以看出，本發(fā)明的天線同時(shí)具有片狀天線和蝴蝶結(jié)隙縫天線的物理特征。天線10包括一介電基板元件8，諸如其上設(shè)置有導(dǎo)電元件的印刷電路板。相對(duì)與無線通信設(shè)備連接的接地平面6設(shè)置天線10。接地平面6可以為單獨(dú)的導(dǎo)電元件，或者可以包括無線設(shè)備的印刷線路板的所有或部分接地平面。根據(jù)圖1中所示尺寸構(gòu)成的天線10，提供覆蓋兩個(gè)蜂窩電話波段，即GSM(880-960)MHz和3G UMTS波段(1.92-2.17)GHz的雙波段頻率響應(yīng)。參見圖4。圖1中所示的天線可以用于發(fā)送和接收，即流入或流出天線的電能可以期待。
可使用印刷電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖1中的天線10，并且該天線10包括具有第一和第二主表面12和13的電絕緣基板8。在第一主表面12上，形成尺寸為5.00英寸乘以5.00英寸的導(dǎo)電的片狀結(jié)構(gòu)16。此導(dǎo)電的片狀結(jié)構(gòu)16為導(dǎo)電材料，并且可以為配置在電鍍印刷線路板上的銅鍍層。此導(dǎo)電的片狀結(jié)構(gòu)16為第一波段的輻射元件。在該片狀結(jié)構(gòu)16的邊界內(nèi)，設(shè)置蝴蝶結(jié)形的第二波段輻射元件14。該蝴蝶結(jié)隙縫天線振子14可以視作該導(dǎo)電的片狀結(jié)構(gòu)16的無導(dǎo)體部分，并且包含在片狀結(jié)構(gòu)16整個(gè)邊界之內(nèi)。
圖1天線的基板8可以由諸如Duroid的材料制成。在需要不同的電、物理或化學(xué)性質(zhì)時(shí)其他除Duroid以外的材料可以用作圖1的天線基板。正如電和天線領(lǐng)域技術(shù)人員所知，如果沒有通過補(bǔ)償天線其他部分中的改變而進(jìn)行調(diào)節(jié)，則這種變化可引起電學(xué)性質(zhì)改變。
圖1中的導(dǎo)電元件16可由諸如鋁、金、銀、銅和黃銅或其他金屬的導(dǎo)電材料制造，不過對(duì)于天線的大多數(shù)用途而言，優(yōu)選銅或與其他材料形成合金或鍍有其他材料的銅。根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，正如印刷電路領(lǐng)域中通常使用的那樣，在制造天線時(shí)最好使用銅以及基于光刻(photographic-based)的銅去除技術(shù)。
圖1a和1b表示一雙面型微波傳輸帶片天線輻射元件10的第一面12，特征在于在天線10的該第一面的導(dǎo)電表面16中蝕刻有蝴蝶結(jié)形隙縫14。天線饋電裝置18跨過蝴蝶結(jié)部分24與26會(huì)聚區(qū)域中點(diǎn)20與22之間的間隙28被固定。蝴蝶結(jié)部分24，26與矩形隙縫天線相比，提供附加的帶寬。間隙28的大小為大約0.1英寸。在所示實(shí)施例中，饋線18為同軸電纜，具有固定于會(huì)聚點(diǎn)20的內(nèi)同軸電纜部分30和固定于會(huì)聚點(diǎn)22的同軸電纜的外部屏蔽接地部分32。通過傳統(tǒng)焊接技術(shù)，同軸部分30和32可以分別在點(diǎn)20和22處固定于導(dǎo)電表面16上?；蛘?，可使用微波傳輸帶傳輸線(如圖6中所示)形成該饋送系統(tǒng)，或者本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知或開發(fā)的其他饋送系統(tǒng)，包括但不限于直接饋送系統(tǒng)和電容饋送系統(tǒng)。
圖2表示該微波傳輸帶片天線輻射元件10優(yōu)選實(shí)施例介電板8的第二面13。導(dǎo)電元件44和46為任選的，并可設(shè)置在第二面13上作為天線輻射方向圖增強(qiáng)元件。元件44和46與天線輻射振子裝置10第一面12上的蝴蝶結(jié)部分24和26相應(yīng)，并相對(duì)設(shè)置?？梢愿淖冚椛浞较驁D增強(qiáng)元件44和46的尺寸和形狀，以便調(diào)節(jié)天線性能輻射圖。在所示的一個(gè)最佳實(shí)施例中，規(guī)定尺寸和位置，以產(chǎn)生增強(qiáng)型天線性能輻射圖。如圖2所示，輻射圖增強(qiáng)元件44和46的位置可能與背面12上的蝴蝶結(jié)隙縫天線振子14的導(dǎo)電邊緣有關(guān)。還可以在天線裝置10的第二面42上任選設(shè)置另一導(dǎo)電元件48。導(dǎo)電元件48，當(dāng)設(shè)置在與第一面的間隙28相對(duì)的第二面42上時(shí)，可便于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。所示導(dǎo)電元件48的尺寸和形狀可提供大約50歐姆的輸入阻抗。導(dǎo)電元件48位置、尺寸和/或形狀的改變可改變天線振子10的輸入阻抗。
圖3表示本發(fā)明輻射元件10的一個(gè)實(shí)施例，設(shè)置在接地平面6以上，并與同軸饋線18結(jié)合。在工作頻率范圍內(nèi)，在低頻下獲得天線10最佳工作的最小接地平面6的尺寸為λ/2×λ/2。在圖1的實(shí)施例中，接地平面6為大約6平方英寸。同軸電纜的外屏蔽32在接地連接點(diǎn)22處與輻射元件10操作上相連接。如上所述，內(nèi)饋線30與饋給連接點(diǎn)20操作上相連接。內(nèi)饋線30源于適當(dāng)?shù)臒o線電收發(fā)機(jī)部件，用于適當(dāng)?shù)牟僮髟撗b置(未示出)。同軸饋線18的外屏蔽32也諸如通過焊接與接地平面8操作上相連接。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，也可采用其它類型的饋送系統(tǒng)。
圖4表示圖1和圖2所示天線的頻率-電壓駐波比(VSWR)曲線。圖4的縱軸代表VSWR。
圖5包括以WCDMA和歐洲蜂窩電話頻帶為特征的本發(fā)明微波傳輸帶天線輻射元件最佳實(shí)施例的增益特性的極坐標(biāo)圖。
圖6表示本發(fā)明另一實(shí)施例，具有設(shè)置在單個(gè)介電基板8上的多個(gè)組合在一起的蝴蝶結(jié)隙縫和片狀天線振子10。與圖1-2的實(shí)施例相同，每個(gè)天線振子10跨過蝴蝶結(jié)元件14的間隙28即在位置20和22處被饋給。該饋給結(jié)構(gòu)可以為與信號(hào)端口52相連的微波傳輸帶傳輸線結(jié)構(gòu)50。或者饋給結(jié)構(gòu)也可以為通用的，包括但不限于同軸線等。
雖然此處描述的設(shè)備和方法構(gòu)成了本發(fā)明的最佳實(shí)施例，應(yīng)該理解本發(fā)明不限于這種確定類型的設(shè)備或方法，并且此處在不偏離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍的條件下，可以進(jìn)行改變。對(duì)于本發(fā)明所涉及領(lǐng)域的技術(shù)人員，根據(jù)此處的教導(dǎo)、賦予的可能和說明，易于得出本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點(diǎn)，以及非實(shí)質(zhì)性的變型或附加，上述全部?jī)?nèi)容均明顯地符合每個(gè)所附權(quán)利要求限定和特別指出的本發(fā)明精神和范圍。附圖用于說明本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，無意于限制本發(fā)明的范圍，如無線電技術(shù)，天線科學(xué)與技術(shù)，以及天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)、操作和制造領(lǐng)域中技術(shù)人員通常所理解的，本發(fā)明應(yīng)該寬至所附權(quán)利要求限定并參照全部?jī)?nèi)容的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于無線通信裝置的雙波段天線部件，所述雙波段天線部件包括一與該無線通信裝置操作上相連接的導(dǎo)電的接地平面件；一設(shè)置在距離該接地平面件一定距離處的基本上為平面的介電元件；一沿朝向該接地平面件的方向設(shè)置在該介電元件第一主表面上的片狀天線振子(element)；和一蝴蝶結(jié)隙縫天線振子，限定在片狀天線振子邊界內(nèi)該介電元件上，所述蝴蝶結(jié)隙縫天線振子在一狹窄區(qū)域內(nèi)具有一間隙結(jié)構(gòu)，所述間隙結(jié)構(gòu)具有一對(duì)相對(duì)的面，其中一個(gè)面與一信號(hào)導(dǎo)體導(dǎo)電連接，另一面與該接地平面件導(dǎo)電連接，其中該蝴蝶結(jié)隙縫天線振子具有第一天線電諧振頻率特性，并且該片狀天線振子具有第二天線電諧振頻率特性。
2.如權(quán)利要求1所述的雙波段天線部件，其中該片狀天線振子通常為矩形。
3.如權(quán)利要求1所述的雙波段天線部件，其中該第一電諧振頻率特性和該第二電諧振頻率特性包括至少兩個(gè)不同的諧振頻率。
4.如權(quán)利要求3所述的雙波段天線部件，其中所述兩個(gè)不同諧振頻率為GSM(880-960)MHz和3G UMTS(1.92-2.17)GHz。
5.如權(quán)利要求3所述的雙波段天線部件，其中該通常為矩形的導(dǎo)電片狀天線振子為正方形，且其尺寸根據(jù)天線工作頻率選擇。
6.如權(quán)利要求1所述的雙波段天線部件，其中所述天線部件為設(shè)置成陣列的多個(gè)相同天線部件其中之一。
7.如權(quán)利要求1所述的雙波段天線部件，還包括沿遠(yuǎn)離接地平面件方向設(shè)置在介電元件第二主表面上的多個(gè)導(dǎo)電的輻射圖增強(qiáng)元件。
8.一種雙波段天線部件制造方法，包括步驟提供一具有接地平面結(jié)構(gòu)和信號(hào)產(chǎn)生/接收部件的無線通信裝置；提供一距離該接地平面結(jié)構(gòu)一定距離設(shè)置的介電板元件；提供一沿朝向該接地平面件方向設(shè)置在該介電元件第一主表面上的片狀天線振子；以及提供一在該片狀天線振子邊界內(nèi)限定在該介電元件上的蝴蝶結(jié)隙縫天線振子，并且靠近該蝴蝶結(jié)隙縫天線振子的一個(gè)狹窄區(qū)域具有一對(duì)內(nèi)部信號(hào)耦合位置；在所述一對(duì)內(nèi)部信號(hào)耦合位置處耦合所述蝴蝶結(jié)隙縫天線振子，其中一個(gè)信號(hào)耦合位置與一信號(hào)導(dǎo)體導(dǎo)電連接，另一信號(hào)耦合位置與該接地平面結(jié)構(gòu)導(dǎo)電連接；調(diào)諧該片狀天線振子的物理尺寸，以在工作頻帶內(nèi)第一諧振頻率下諧振；以及調(diào)諧該蝴蝶結(jié)隙縫天線振子的物理尺寸，以在工作頻帶內(nèi)第二諧振頻率下諧振。
9.如權(quán)利要求8所述的雙波段天線部件制造方法，還包括步驟沿遠(yuǎn)離接地平面結(jié)構(gòu)方向在該介電元件第二主表面上設(shè)置多個(gè)導(dǎo)電的輻射圖增強(qiáng)元件；并且調(diào)諧所述多個(gè)導(dǎo)電的輻射圖增強(qiáng)元件中一個(gè)或多個(gè)的物理尺寸，以提供增強(qiáng)的天線特性。
10.一種雙波段組合的片狀振子與蝴蝶結(jié)隙縫振子的天線設(shè)備，包括下列元件的組合一介電板元件；一設(shè)置在該介電板元件上的片狀天線振子，所述片狀天線振子具有大約半個(gè)波長(zhǎng)的物理尺寸，所述片狀天線振子具有第一天線電諧振頻率特性；以及一設(shè)置在該片狀天線振子內(nèi)的蝴蝶結(jié)隙縫天線振子，并具有第二天線電諧振頻率特性，所述蝴蝶結(jié)隙縫天線振子在一狹窄區(qū)域內(nèi)具有一種間隙結(jié)構(gòu)，所述間隙結(jié)構(gòu)具有一對(duì)相對(duì)的面，其中一個(gè)面與信號(hào)導(dǎo)體連接，另一面與接地導(dǎo)體導(dǎo)電連接。
11.如權(quán)利要求10所述的雙波段天線設(shè)備，還包括設(shè)置在該介電板元件一主面上的多個(gè)導(dǎo)電的天線輻射圖增強(qiáng)元件，其與所述片狀天線振子和所述蝴蝶結(jié)形隙縫天線振子相對(duì)。
12.如權(quán)利要求10所述的雙波段天線設(shè)備，其中該片狀天線振子通常為矩形。
13.如權(quán)利要求10所述的雙波段天線設(shè)備，其中該第一電諧振頻率特性和第二電諧振頻率特性包括至少兩個(gè)不同的諧振頻率。
14.如權(quán)利要求13所述的雙波段天線設(shè)備，其中所述兩個(gè)不同諧振頻率為GSM(880-960)MHz和3G UMTS(1.92-2.17)GHz。
15.如權(quán)利要求10所述的雙波段天線設(shè)備，其中所述天線設(shè)備為設(shè)置成陣列的多個(gè)相同天線設(shè)備其中的一個(gè)。
16.如權(quán)利要求15所述的雙波段天線設(shè)備，其中所述多個(gè)相同天線設(shè)備與單個(gè)饋給端口連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種將片狀天線振子與蝴蝶結(jié)形隙縫天線振子一起設(shè)置在一介電元件的第一主表面上的組合。該蝴蝶結(jié)隙縫天線振子被限定在該片狀天線振子邊界內(nèi)該介電元件上。該蝴蝶結(jié)隙縫天線振子確定第一天線電諧振頻率特性，且該片狀天線振子確定第二天線電諧振頻率特性。該片狀天線振子與蝴蝶結(jié)形隙縫天線振子的組合相對(duì)接地平面件設(shè)置，如通過無線通信裝置的印刷電路板提供。該天線的附加的可選擇特征包括設(shè)置在該介電元件相對(duì)一側(cè)的多個(gè)導(dǎo)電的輻射圖增強(qiáng)元件。
文檔編號(hào)H01Q9/04GK1628399SQ02809422
公開日2005年6月15日 申請(qǐng)日期2002年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月6日
發(fā)明者布魯斯·畢曉普, 本·紐曼 申請(qǐng)人:泰科電子羅吉斯迪克思股份公司