专利名称：一种利用基因运算法设计出最佳晶片型天线的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种微带天线的制造方法，尤其涉及一种通过基因运算法，将一微带天线的可能设计形状，分别编码成复数个不同的位元组，并以其作为各该微带天线的染色体，再令各该染色体相互交配，并用一模拟工具，检测其特性，筛选出较佳的染色体，再反复进行交配及筛选，即可筛选出最佳的染色体，并据以设计出具有最佳物理特性的微带天线。
背景技术：
无线通讯在目前及未来二十一世纪的全球通讯大环境中，将扮演极为重要的角色，因此各通讯设备制造大厂无不将其作为研发重点，设定在如何令无线通讯设备的发送方与接收方，均能不受限于地形与位置，而随时随地接收到彼此的通讯信号，以确保无线传输的通讯质量另一方面，由于无线通讯技术上没有到达不了的地方的传输特性，各式各样的增值服务业务，于是应运而生，无论是数据传输、视讯传输或语音传输的服务，均要利用此功能超强且传输迅速的无线通讯平台，拓展商机，并造福人类。因此，如何在满足该等条件及功能需求后，又可使该无线移动的个人通讯终端机仍符合轻薄短小，且精致好用的设计目的，即成为现今各大电子通讯厂商努力克服的一个重要课题。
以目前广泛使用的各式移动电话为例，其结构设计及内部安装的各式半导体零件，几乎均已尽可能达到小型化的设计要求，甚至其上用以提供电能的充电电池，也利用高分子材料，将其设计成相当轻薄短小的规格。此外，由于该等移动电话的天线必需具备全方向辐射场型(omni-directionalradiation pattern)的特性，因此传统上均是采用单极天线(monopoleantenna)，但该种单极天线与其上连接器及同轴电缆所形成的天线模组，因体积过于庞大，现几乎已逐渐被介电共振型天线(dielectric resonatorantenna，简称DR天线)或晶片型天线(chip antenna)所取代，此种体积小巧且具备全方向辐射场型的晶片型天线，可利用表面安装技术(surfacemount technology，简称SMT)，直接安装到该等通讯装置的电路板上，不仅可大幅减少传统单极天线所占用的空间，还可大辐降低组装的的成本，并且所节省的空间，可用来安装其它机构或电子线路，以扩充其功能及特性。然而，该等晶片型天线在其尺寸规格被逐步缩小的状况下，其阻抗匹配(impedance matching)、频宽(bandwidth)及辐射(radiation)效能等特性，也将随之发生问题。
在现在被广泛使用的晶片型天线10中，参阅图1及图2所示，其基板11(substrate)均是由较高介电常数(dielectric constant)ε的介电材料(dielectric material)制成，即介电常数ε介于---130间的介电材料，最常见的设计，是以正方体或长方体的陶磁材料(ceramicmaterial)作为基板11，再于该基板11的一个表面，利用网板印刷技术，制作出一呈连续蜿蜒状的金属微带(metallic microstrip)12，再利用烧结技术，将二者烧结在一起，制作出传统的晶片型天线，然后再将该晶片型天线的另一表面贴附至一接地金属面(ground plane)13，并利用一同轴电缆14，将其馈入针(feeding pin)141连接至该金属微带12上的一个馈入点(feeding point)121，且将该同轴电缆的外缘遮蔽导体142连接至该接地金属13，即制作完成整个晶片型天线10的模组，如此，该晶片型天线10即可透过该馈入针141，将所接收的信号传送至与其相连接的通讯装置。
在前述传统晶片型天线的制作过程中，由于必需利用烧结制程，将陶磁基板11及其上所印制的金属微带12，烧结在一起，其制程不仅相当昂贵，且所制作出的晶片型天线，其上的阻抗匹配、频宽及辐射效能等特性，也不易控制，因此如何快速且精准地制作出符合预期特性且低成本的晶片型天线，即成为各大电子通讯厂家急待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，为改进传统晶片型天线的制程复杂且昂贵的缺点，发明人经过长久努力研究与实验，终于开发设计出本发明的一种利用基因算法设计出最佳晶片型天线的制造方法，以有效简化制程，减少制程所需的设备及费用，大幅降低生产成本，并缩小元件的体积，达到“轻薄短小”和“物美价廉”的目标。
本发明的一个目的，是将晶片型天线的陶磁基板上的微带天线(或金属微带)的可能形状，依基因运算法，分别编码成复数个不同的位元组，作为各该微带天线的染色体，再令其相互交配，并用一模拟工具，分别检测其特性，以筛选出特性较佳的染色体，并令其重新交配，以此类推，反复进行交配及筛选，即可筛选出较佳的染色体，且在对其进行解码后，求得具有最佳物理特性的微带天线形状。
本发明的另一目的，是可直接依所求得的微带天线的最佳形状，自一金属薄片上切割出所需的微带天线，并将其贴附至一个陶瓷基板上，即可制作出本发明的晶片型天线，在该方法中，该陶瓷基板是直接依所需的规格，自一陶瓷板材上切割下来，且仅需简单的粘贴程序，即可将该微带天线贴附在该陶瓷基板上，制作出晶片型天线，其制造程序简单快速，仅需传统切割机具即可轻易完成，完全无需成本昂贵的烧结制程及设备，因此大幅降低了晶片型天线的制造成本。
本发明是一种利用基因运算法设计出最佳晶片型天线的制造方法，本发明所运用的基因运算法，是依下列步骤进行处理(701)首先，根据该微带天线31的结构特性，将其划分成复数个区块311，参阅图7所示，各该区块311可分别以一位元的数值，表示其是否被选取(例如1代表被选取，0代表未被选取)，故在任意选择该等区块后，可依序将该等区块所对应的数值，编码成一位元组，并以该位元组定义成该微带天线的一个可能形状的染色体；(702)针对该微带天线的所有可能形状，任意选取该等区块，收集一定数量的各种不同形状的微带天线，及其所对应的染色体；(703)然后，再利用一电磁模拟工具(EM simulation tool)，对各该染色体所对应的微带天线形状，进行模拟评估，计算出各该微带天线的适配值(fitness values)后，再对各该适配值进行排序，以筛选出适配值最佳的前面复数个染色体，其余适配值较差的染色体，则予以淘汰；(704)由于，根据基因演化理论，每一染色体内均可能隐含著某种优异的特性，因此二物种经过交配后，其后代的染色体内可能遗传着该二物种的染色体内的优异特性；因此，本发明以所筛选出的该等染色体作为双亲，分别进行交配，繁衍出下一代的染色体；(705)判断所筛选出的该等染色体，是否已完全产出族群，若是，即继续步骤(706)；否则，继续步骤(704)，继续进行交配；(706)再利用该模拟工具，对该等下一代染色体进行模拟评估，计算出其适配值，并并入前次筛选出的复数个染色体，进行各该适配值的排序，也就是进行族群替换；(707)判断重新排序的该等染色体，最佳品种的要求是否已达到，若是，即表示已产生出一组具有最佳适配值的染色体，并继续步骤(708)；否则，继续步骤(702)，重新进行交配及筛选，以逐一淘汰该等适配值较差的染色体，直到产生出一组具有最佳适配值的染色体为止；(708)最后，再对所产生的具有最佳适配值的染色体进行解码，即可进一步求得具有最佳物理特性的微带天线形状。
如此，即可利用线切割机，依最佳染色体所对应的形状，自该金属薄片上切割出最佳的微带天线。
图1是传统晶片型天线模组的立体结构示意图；图2是传统晶片型天线模组的侧视结构示意图；图3是本发明利用传统切割机具自一陶瓷板材上，切割出所需的陶磁基板的立体结构示意图；图4是本发明利用传统切割机具自一金属薄片上，切割出所需的微带天线的平面示意图；图5是本发明的晶片型天线的结构示意图；图6是本发明的基因运算法的处理流程示意图；图7是本发明根据微带天线的结构特性，将其划分成复数个区块的平面示意图；图8是本发明任意选取该等区块后，所收集到的一微带天线的平面示意图；图9是本发明以所筛选出的二不同形状微带天线，所对应的染色体，作为双亲，进行交配，繁衍出下一代染色体的示意图；图10是图9所繁衍出的下一代染色体发生突变的示意图；图11是本发明的实施例，依基因运算法，求得一个有最佳染色体的微带天线A1的平面示意图；图12是本发明的实施例，依基因运算法，求得另一个有最佳染色体的微带天线A2的平面示意图；图13是本发明的实施例，依基因运算法，求得又一个有最佳染色体的微带天线A3的平面示意图；
图14是图11的微带天线A1的回返损失|s11|示意图，其谐振频率发生在1.79GHz时，其回返损失|s11|为-19.0688dB；图15是图11的微带天线A1的史密斯图；图16是图11的微带天线A1的Ey辐射场型示意图；图17是图11的微带天线A1的Ex辐射场型示意图；图18是图12的微带天线A2的回返损失|s11|示意图，其谐振频率发生在1.8074GHz时，其回返损失|s11|为-19.3226dB；图19是图12的微带天线A2的史密斯图；图20是图12的微带天线A2的Ey辐射场型示意图；图21是图12的微带天线A2的Ex辐射场型示意图；图22是图13的微带天线A3的回返损失|s11|示意图，其谐振频率发生在1.7975GHz时，其回返损失|s11|为-18.44726dB；图23是图13的微带天线A3的史密斯图；图24是图13的微带天线A3的Ey辐射场型示意图；图25是图13的微带天线A3的Ex辐射场型示意图；图号说明陶磁板材……………20 陶磁基板……………21金属薄片……………30 微带天线……………31、50；晶片型天线…………40 区块……………31具体实施例方式
为便于贵审查员能对本发明的目的、形状、构造装置特征及其功能，做更进一步的认识与了解，现举实施例配合附图，并详细说明如下该方法是分别利用传统的切割机具，自一陶磁板材20及一金属薄片30上，分别切割出所需的陶磁基板21及微带天线(或金属微带)31，再将该微带天线31粘贴至该陶磁基板21上，制作完成本发明的晶片型天线40。在本发明的一个实施例中，是利用一钻石切割机(diamond-cuttingmachine)，将一陶瓷板材20，依所需的规格，分别切割成复数个成正方体或长方体的陶瓷基板21，并以线切割机(wire cutting machine)，依本发明的基因运算法(genetic algorithms)所计算出的最佳微带天线形状，将一金属薄片30分别切害成复数个微带天线31，最后将该微带天线31直接粘贴至该陶磁基板21上，即轻易且快速地制作完成本发明的晶片型天线40。
在本发明的一个实施例中，是针对一长11mm，宽10.5mm及厚2mm的陶磁基板，设计其上所欲贴附的微带天线形状。在该实施例中，是先将该金属微带天线31定义成一呈连续蜿蜒的形状，再参阅图7所示，由于在该微带天线31上，较长段落1的微带形状及其大小，对该微带天线的特性，有较大的影响，因此在该实施例中，仅将该微带天线上每一个较长的段落1，划分成二个区块311，因此该微带天线31上共可划分出十个区块，各该区块可分别以一位元的数值“1”代表被选取，或“0”代表未被选取，对该微带天线的可能形状，进行编码。因此，依此编码规则，任意选取该等区块，产生各种形状的微带天线后，可依各该微带天线上该等区块所对应的数值，对各微带天线进行编码，分别形成一位元组的染色体。参阅图8所示，是在任意选取该等区块后，所收集到的一个微带天线，在该微带天线50上，标号3、5及9的区块未被选取，因此它对应的位元数值为“0”，其余被选取的区块所对应的位元数值则为“1”，该微带天线50被编码后的染色体阵列值即为〔1101011101〕。该实施例依前述编码规则，在任意收集到十六个如表1所示的染色体(该第一代的染色体编号分别为G1-1至G1-16)后，
表1可利用Zeland软件公司所制作的名称为FIDELITY的电磁模拟工具，对各该染色体所对应的微带天线形状进行测试，分别计算出其适配值，如表2所示，
表2该适配值是用以表示各该染色体所对应的微带天线的回返损失值(return loss|s11|，其单位为dB)大小。在此，尤其需特别注意的，是该微带天线是呈一连续蜿蜒的形状，因此，本发明在依前述编码规则，选取或不选取该等区块以定义出各该微带天线所对应的染色体时，必需将造成该微带天线断开而呈不连续状的染色体，视为无效，如染色体的阵列值为〔0011111111〕、[1100111111]，及〔1111001111]…等，即标号1及2，或标号3及4，或标号5及6…等的区块未被选取时，均被视为无效的染色体。
然后，在该实施例中，将对各该适配值进行排序，以筛选出前面八个适配值较佳的染色体，并舍弃其余适配值较差的八个染色体。此时，该等被筛选出的染色体可被作为双亲，进行交配，以编号G1-15及G1-4的染色体为例，参阅图9所示，是分别将其染色体中部分位元值，相互交换(crossover)，以繁衍出编号G2-1及G2-2的下一代染色体，或如图10所示，再将所繁衍出的下一代染色体中的部分位元值由0变成1，或由1变成0，而繁衍出突变种(mutation)的下一代染色体；然后，再利用FIDELITY的模拟工具，对该等下一代的染色体进行模拟测试，并将该等下一代的染色体，并入前次筛选出的八个染色体，再对该等染色体的适配值重新进行排序，以筛选出适配值最佳的前面八个染色体，以此类推，经过复数次的交配及筛选后，该等适配值较差的染色体，将逐一被淘汰，经过复数次的交配及筛选后，当所有染色体的阵列值及其适配值不再改变时，即得到最佳的染色体，并可根据该染色体设计出最佳的微带天线形状。
在该实施例中，当重复前述运算6次后，可得到三组最佳的染色体，其值分别为[1101101111]、[1001011111]及[1110011111]，其适配值如表3所示，
表3然后，再利用线切割机依各该染色体所对应的形状，分别自金属薄片上切割出如图11、12及13所示的三个微带天线，再分别将其粘贴至该陶磁基板上，即制作出三个晶片型天线A1、A2及A3。
该实施例为使所制成的晶片型天线，能适用于GSM移动电话中，且在1.8GHz的操作频率下，具有最佳的阻抗匹配值，特针对所制成的三个晶片型天线A1、A2及A3进行实验，令发射天线与接收天线(晶片型天线)相距5米，此时，所量测出的各该晶片型天线的谐振频率(resonantfrequency)、回返损失(return loss)、史密斯图(Smith Chart)及辐射场型(radiation pattern)等数据，将如表4及图14---25所示，
表4其中该等辐射场型显示该等晶片型天线均是全方位的天线，各该晶片型天线的频宽(bandwidth)则如表5所示，显示该等晶片型天线的频宽已有显著的改善。 表5由于，本发明仅需利用传统切割机具，直接自一陶磁板材上切割下所需的陶磁基规格，再透过简单的粘贴程序，将所设计的微带天线贴附在该陶磁基板上，即形成具有极佳物理特性的晶片型天线，其制造程序简单快速，完全无需成本昂贵的烧结制程及设备，故可大幅降低晶片型天线的制造成本。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施例，但本发明的构造特征并不局限于此，任何熟悉该项技术者在本发明领域内，可轻易想到的变化或修饰，皆可涵盖在以下本发明的专利范围内。
权利要求
1.一种利用基因运算法设计出最佳晶片型天线的制造方法，该方法包括将一陶磁基板上所可能安装的微带天线形状，依基因运算法，分别编码成复数个不同的位元组，作为各该微带天线的染色体；再令该等染色体相互交配；并使用一模拟工具，分别检测其特性；舍弃特性较差的染色体后，令所筛选出的较佳染色体再重新交配；如此，反复进行交配及筛选的步骤，即可筛选出最佳的染色体，并进一步求得具有最佳物理特性的微带天线形状。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于该方法可利用一传统切割机具，自一陶磁板材上，分别切割出所需的陶磁基板。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于该方法可利用一传统切割机具，自一金属薄片上，依所筛选出的最佳形状，分别切割出所需的微带天线。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于该微带天线是直接粘贴于该陶磁基板上，制作成的一个晶片型天线。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于该传统切割机具可为一钻石切割机。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于该传统切割机具可为一线切割机。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于该方法是根据该微带天线的结构特性，将其划分成复数个区块，各该区块可分别以数值表示其是否被选取，使在任意选择该等区块后，可依序将该等区块所对应的数值，组成该位元组，定义成该微带天线的一个可能形状的染色体。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于该方法在任意选取该等区块，并收集到一定数量的各种不同形状的微带天线，及其对应的染色体后，可利用一模拟工具，对各该染色体所对应的微带天线形状，进行模拟测试，以计算出各该微带天线的适配值，再对各该适配值进行排序，以筛选出适配值最佳的前面复数个染色体，其余适配值较差的染色体，则予以淘汰。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于该方法是将所筛选出的该等染色体作为双亲，分别进行交配，以繁衍出下一代的染色体，再利用该模拟工具，对该等下一代染色体进行模拟测试，计算出其适配值，并并入前次筛选出的复数个染色体，进行各该适配值的排序，以筛选出适配值最佳的前面复数个染色体，以此类推，经过复数次的交配及筛选后，该等适配值较差的染色体，将逐一被淘汰，而产生出一组具有最佳适配值的染色体。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于该方法在选取或不选取该等区块，以定义出各该微带天线所对应的染色体时，必须将造成该微带天线断开而呈不连续状的染色体，视为无效。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于模拟工具，对各该染色体所对应的微带天线形状进行测试，分别计算出其适配值，该适配值是用以表示各该染色体所对应的微带天线的回反损失值大小。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于该方法是将该微带天线上较长的段落划分成至少二个以上的区块。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于该微带天线可以是一呈连续蜿蜒的形状。
全文摘要
本发明是一种利用基因运算法设计出最佳晶片型天线的制造方法，该方法主要是将一陶磁基板上所可能安装的微带天线形状，依基因运算法，分别编码成复数个不同的位元组，作为各该微带天线的染色体，再令其相互交配，并使用一模拟工具，分别检测其特性，且在舍弃特性较差的染色体后，令所筛选出的较佳染色体重新交配，如此，反复进行交配及筛选的步骤，即可筛选出最佳的染色体，然后再对其进行解码，即求得具有最佳物理特性的微带天线形状，并据以制作出本发明的晶片型天线，该方法不仅可有效简化晶片型天线的制造程序，大幅降低其制造成本，更可令其具备极佳的物理特性。
文档编号H01Q13/08GK1435913SQ0210288
公开日2003年8月13日 申请日期2002年1月29日 优先权日2002年1月29日
发明者黄启芳, 李后民 申请人:皇音企业有限公司