专利名称：双波段片状蝴蝶结隙缝天线结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于模拟和/或数字数据的无线传输的天线部件，更准确地说，涉及能在双频带下工作并且特征在于每个频带中均具有高增益的微波传输带片(patch)和蝴蝶结隙缝天线辐射元件(radiating element)的组合。
背景技术：
需要一种改进的天线部件，它能提供单和/或双波段响应，并易于结合在小的无线通信装置(WCD)中。尺寸的限制延续到影响诸如手机、个人数字助理、呼机等产品中使用的无线电元件。对于要求双波段响应的无线通信装置而言，问题更为复杂。将天线部件设置在WCD中，对装置的整体外观和性能而言都很关键。
适于印刷电路制造技术的天线部件已经广为人知，并应用于雷达、卫星通讯和其他当前系统中。在这些天线部件中，常常使用以印刷电路导体式实现的导线或辐射图向或从天线振子传送射频能量。
一种已知天线结构是“片状”天线。这种天线可由所选定的印刷电路导体区域组成，并且基于谐振的物理尺寸处于沿射频导体的端点或其他选定节点处。发现片状天线具有若干局限性；主要的局限性在于有限带宽容量。片状天线带宽常常仅遍布天线设计频率的百分之几，并且增大了宽频谱通信或该天线多种系统应用的难度。本发明中通过将片状天线与选定附加形状的蝴蝶结隙缝天线组合，改进了片状天线，相信本发明为可用于无线通信装置的天线家族提供了所需的增加。
发明概述本发明提供了一种微波传输带片与蝴蝶结隙缝天线辐射元件的组合，能工作在双频带并且每个频带均具有高增益(7-10dBi)。其附加特征包括每个频带具有极好的带宽(超过10％)，并且与典型片状或典型蝴蝶结隙缝天线相比，性能增强且辐射图失真较小。该天线装置可用于例如，作为基站天线，或微单元，或访问点站天线，用于诸如蜂窝电话、PDA，膝上型电脑的无线通信装置或采用无线通信天线的其他装置。本发明另一个特别的优点在于，单个公共馈电(feed)用于两个频率的能力。
可使用已知的印刷电路板制造技术和工艺制造天线辐射元件。在一个实施例中，在一具有两个主表面或侧的介电材料印刷电路板上形成天线辐射元件。该印刷电路板在介电材料一个或两个表面上具有铜涂层。在使用过程中，相对相应接地平面设置该天线。在与接地平面相对的第一面上，可限定并从该板材的导电表面有选择地蚀刻蝴蝶结形状。在第二面上，可设置任选地导电的天线辐射图增强元件。在其他实施例中，使用在介电材料上采用导电材料的其他制造方法，如在非导电材料上电镀、汽相沉积或等离子体沉积导电材料，也能实现该天线装置，或者也可以通过选择电镀或本领域技术人员熟知或开发出的其他制造方法，使用二次成型(two-shot molding)来制造。
在一个最佳实施例(如附图所示)中，本发明的天线用作双波段基站天线，以覆盖两个频带，即GSM(880-960)MHz和3GUMTS射频带(1.92-2.17)GHz。在其他特定实施例中，本领域普通技术人员无需大量实验就能实现本发明，通过缩放尺寸，以提供双ISM频带(2.4和5.8GHz)，或者构成工作在SIM(2.4GHz)和UNII(5.3GHz)两个频带下，或者频带的其他有用组合。在任何一种情况下，都用单根馈线为两个频带提供馈电，并且可以单独或同时工作。在一个实施例中，本发明可以用作与多波段收音机结合的双波段天线，通过天线分离滤波器或本领域中已知的其它方法将波段分离。在另一实施例中，该天线可以用于所提供的任何一个单一波段，并且易于从一个频带切换到另一频带，无需改变。
可通过下列方式实现特定天线实施例的工作频率；低频带主要由片状天线部分的尺寸“D”决定，如
图1所示，而更高频带工作特性主要由蝴蝶结隙缝和背侧天线辐射图增强元件的尺寸决定。
本发明还可以结合在一天线结构阵列中，以增强方向性和增益，并且如图6所示这类天线振子阵列可以与共同的馈给网络集成。
本发明的一个目的在于提供一种具有单条馈线的双波段天线装置。
本发明的另一目的在于提供一种每一频带都具有宽带宽(10％量级)的双波段天线装置。
本发明又一目的在于提供一种每个频带都具有高增益(7-10dBi量级)的双波段天线装置。
本发明再一目的在于提供一种双波段天线装置，其中可同时访问两个波段。
本发明进一步目的在于提供一种双波段天线装置，其中可单独和交替工作两个波段中的任意一个。
根据下面的说明、权利要求和附图，将理解本发明的其他目的和特征。
附图简要说明图1a表示本发明一个实施例的微波传输带天线辐射元件第一面的透视图。
图1b为图1a中本发明天线的详细透视图。
图2表示本发明一个实施例的微波传输带天线辐射元件第二面的透视图。
图3表示本发明一个实施例的透视图，表示设置在接地平面以上并与共轴馈送系统连接的辐射元件。
图4为以WCDMA和欧洲蜂窝电话波段为特征的本发明微波传输带天线以频率为函数的VWSR曲线。
图5为以WCDMA和欧洲蜂窝电话波段为特征的本发明微波传输带天线辐射元件最佳实施例的增益特性的极坐标图。
图6为本发明另一实施例的透视图，说明设置在接地平面附近并与共同馈送系统连接的多个片状/蝴蝶结-隙缝辐射元件。
最佳实施例图1为根据本发明的天线结构10的放大透视图。如从图1A中可以看出，本发明的天线同时具有片状天线和蝴蝶结隙缝天线的物理特征。天线10包括一介电基板元件8，诸如其上设置有导电元件的印刷电路板。相对与无线通信设备连接的接地平面6设置天线10。接地平面6可以为单独的导电元件，或者可以包括无线设备的印刷线路板的所有或部分接地平面。根据图1中所示尺寸构成的天线10，提供覆盖两个蜂窝电话波段，即GSM(880-960)MHz和3G UMTS波段(1.92-2.17)GHz的双波段频率响应。参见图4。图1中所示的天线可以用于发送和接收，即流入或流出天线的电能可以期待。
可使用印刷电路技术实现图1中的天线10，并且该天线10包括具有第一和第二主表面12和13的电绝缘基板8。在第一主表面12上，形成尺寸为5.00英寸乘以5.00英寸的导电的片状结构16。此导电的片状结构16为导电材料，并且可以为配置在电镀印刷线路板上的铜镀层。此导电的片状结构16为第一波段的辐射元件。在该片状结构16的边界内，设置蝴蝶结形的第二波段辐射元件14。该蝴蝶结隙缝天线振子14可以视作该导电的片状结构16的无导体部分，并且包含在片状结构16整个边界之内。
图1天线的基板8可以由诸如Duroid的材料制成。在需要不同的电、物理或化学性质时其他除Duroid以外的材料可以用作图1的天线基板。正如电和天线领域技术人员所知，如果没有通过补偿天线其他部分中的改变而进行调节，则这种变化可引起电学性质改变。
图1中的导电元件16可由诸如铝、金、银、铜和黄铜或其他金属的导电材料制造，不过对于天线的大多数用途而言，优选铜或与其他材料形成合金或镀有其他材料的铜。根据本发明一个方面，正如印刷电路领域中通常使用的那样，在制造天线时最好使用铜以及基于光刻(photographic-based)的铜去除技术。
图1a和1b表示一双面型微波传输带片天线辐射元件10的第一面12，特征在于在天线10的该第一面的导电表面16中蚀刻有蝴蝶结形隙缝14。天线馈电装置18跨过蝴蝶结部分24与26会聚区域中点20与22之间的间隙28被固定。蝴蝶结部分24，26与矩形隙缝天线相比，提供附加的带宽。间隙28的大小为大约0.1英寸。在所示实施例中，馈线18为同轴电缆，具有固定于会聚点20的内同轴电缆部分30和固定于会聚点22的同轴电缆的外部屏蔽接地部分32。通过传统焊接技术，同轴部分30和32可以分别在点20和22处固定于导电表面16上。或者，可使用微波传输带传输线(如图6中所示)形成该馈送系统，或者本领域技术人员熟知或开发的其他馈送系统，包括但不限于直接馈送系统和电容馈送系统。
图2表示该微波传输带片天线辐射元件10优选实施例介电板8的第二面13。导电元件44和46为任选的，并可设置在第二面13上作为天线辐射方向图增强元件。元件44和46与天线辐射振子装置10第一面12上的蝴蝶结部分24和26相应，并相对设置。可以改变辐射方向图增强元件44和46的尺寸和形状，以便调节天线性能辐射图。在所示的一个最佳实施例中，规定尺寸和位置，以产生增强型天线性能辐射图。如图2所示，辐射图增强元件44和46的位置可能与背面12上的蝴蝶结隙缝天线振子14的导电边缘有关。还可以在天线装置10的第二面42上任选设置另一导电元件48。导电元件48，当设置在与第一面的间隙28相对的第二面42上时，可便于实现阻抗匹配。所示导电元件48的尺寸和形状可提供大约50欧姆的输入阻抗。导电元件48位置、尺寸和/或形状的改变可改变天线振子10的输入阻抗。
图3表示本发明辐射元件10的一个实施例，设置在接地平面6以上，并与同轴馈线18结合。在工作频率范围内，在低频下获得天线10最佳工作的最小接地平面6的尺寸为λ/2×λ/2。在图1的实施例中，接地平面6为大约6平方英寸。同轴电缆的外屏蔽32在接地连接点22处与辐射元件10操作上相连接。如上所述，内馈线30与馈给连接点20操作上相连接。内馈线30源于适当的无线电收发机部件，用于适当的操作该装置(未示出)。同轴馈线18的外屏蔽32也诸如通过焊接与接地平面8操作上相连接。正如本领域技术人员所知，也可采用其它类型的馈送系统。
图4表示图1和图2所示天线的频率-电压驻波比(VSWR)曲线。图4的纵轴代表VSWR。
图5包括以WCDMA和欧洲蜂窝电话频带为特征的本发明微波传输带天线辐射元件最佳实施例的增益特性的极坐标图。
图6表示本发明另一实施例，具有设置在单个介电基板8上的多个组合在一起的蝴蝶结隙缝和片状天线振子10。与图1-2的实施例相同，每个天线振子10跨过蝴蝶结元件14的间隙28即在位置20和22处被馈给。该馈给结构可以为与信号端口52相连的微波传输带传输线结构50。或者馈给结构也可以为通用的，包括但不限于同轴线等。
虽然此处描述的设备和方法构成了本发明的最佳实施例，应该理解本发明不限于这种确定类型的设备或方法，并且此处在不偏离所附权利要求限定的本发明范围的条件下，可以进行改变。对于本发明所涉及领域的技术人员，根据此处的教导、赋予的可能和说明，易于得出本发明的其他方面和优点，以及非实质性的变型或附加，上述全部内容均明显地符合每个所附权利要求限定和特别指出的本发明精神和范围。附图用于说明本发明的一个或多个实施方式，无意于限制本发明的范围，如无线电技术，天线科学与技术，以及天线系统设计、操作和制造领域中技术人员通常所理解的，本发明应该宽至所附权利要求限定并参照全部内容的范围。
权利要求
1.一种用于无线通信装置的双波段天线部件，所述双波段天线部件包括一与该无线通信装置操作上相连接的导电的接地平面件；一设置在距离该接地平面件一定距离处的基本上为平面的介电元件；一沿朝向该接地平面件的方向设置在该介电元件第一主表面上的片状天线振子(element)；和一蝴蝶结隙缝天线振子，限定在片状天线振子边界内该介电元件上，所述蝴蝶结隙缝天线振子在一狭窄区域内具有一间隙结构，所述间隙结构具有一对相对的面，其中一个面与一信号导体导电连接，另一面与该接地平面件导电连接，其中该蝴蝶结隙缝天线振子具有第一天线电谐振频率特性，并且该片状天线振子具有第二天线电谐振频率特性。
2.如权利要求1所述的双波段天线部件，其中该片状天线振子通常为矩形。
3.如权利要求1所述的双波段天线部件，其中该第一电谐振频率特性和该第二电谐振频率特性包括至少两个不同的谐振频率。
4.如权利要求3所述的双波段天线部件，其中所述两个不同谐振频率为GSM(880-960)MHz和3G UMTS(1.92-2.17)GHz。
5.如权利要求3所述的双波段天线部件，其中该通常为矩形的导电片状天线振子为正方形，且其尺寸根据天线工作频率选择。
6.如权利要求1所述的双波段天线部件，其中所述天线部件为设置成阵列的多个相同天线部件其中之一。
7.如权利要求1所述的双波段天线部件，还包括沿远离接地平面件方向设置在介电元件第二主表面上的多个导电的辐射图增强元件。
8.一种双波段天线部件制造方法，包括步骤提供一具有接地平面结构和信号产生/接收部件的无线通信装置；提供一距离该接地平面结构一定距离设置的介电板元件；提供一沿朝向该接地平面件方向设置在该介电元件第一主表面上的片状天线振子；以及提供一在该片状天线振子边界内限定在该介电元件上的蝴蝶结隙缝天线振子，并且靠近该蝴蝶结隙缝天线振子的一个狭窄区域具有一对内部信号耦合位置；在所述一对内部信号耦合位置处耦合所述蝴蝶结隙缝天线振子，其中一个信号耦合位置与一信号导体导电连接，另一信号耦合位置与该接地平面结构导电连接；调谐该片状天线振子的物理尺寸，以在工作频带内第一谐振频率下谐振；以及调谐该蝴蝶结隙缝天线振子的物理尺寸，以在工作频带内第二谐振频率下谐振。
9.如权利要求8所述的双波段天线部件制造方法，还包括步骤沿远离接地平面结构方向在该介电元件第二主表面上设置多个导电的辐射图增强元件；并且调谐所述多个导电的辐射图增强元件中一个或多个的物理尺寸，以提供增强的天线特性。
10.一种双波段组合的片状振子与蝴蝶结隙缝振子的天线设备，包括下列元件的组合一介电板元件；一设置在该介电板元件上的片状天线振子，所述片状天线振子具有大约半个波长的物理尺寸，所述片状天线振子具有第一天线电谐振频率特性；以及一设置在该片状天线振子内的蝴蝶结隙缝天线振子，并具有第二天线电谐振频率特性，所述蝴蝶结隙缝天线振子在一狭窄区域内具有一种间隙结构，所述间隙结构具有一对相对的面，其中一个面与信号导体连接，另一面与接地导体导电连接。
11.如权利要求10所述的双波段天线设备，还包括设置在该介电板元件一主面上的多个导电的天线辐射图增强元件，其与所述片状天线振子和所述蝴蝶结形隙缝天线振子相对。
12.如权利要求10所述的双波段天线设备，其中该片状天线振子通常为矩形。
13.如权利要求10所述的双波段天线设备，其中该第一电谐振频率特性和第二电谐振频率特性包括至少两个不同的谐振频率。
14.如权利要求13所述的双波段天线设备，其中所述两个不同谐振频率为GSM(880-960)MHz和3G UMTS(1.92-2.17)GHz。
15.如权利要求10所述的双波段天线设备，其中所述天线设备为设置成阵列的多个相同天线设备其中的一个。
16.如权利要求15所述的双波段天线设备，其中所述多个相同天线设备与单个馈给端口连接。
全文摘要
本发明公开了一种将片状天线振子与蝴蝶结形隙缝天线振子一起设置在一介电元件的第一主表面上的组合。该蝴蝶结隙缝天线振子被限定在该片状天线振子边界内该介电元件上。该蝴蝶结隙缝天线振子确定第一天线电谐振频率特性，且该片状天线振子确定第二天线电谐振频率特性。该片状天线振子与蝴蝶结形隙缝天线振子的组合相对接地平面件设置，如通过无线通信装置的印刷电路板提供。该天线的附加的可选择特征包括设置在该介电元件相对一侧的多个导电的辐射图增强元件。
文档编号H01Q9/04GK1628399SQ02809422
公开日2005年6月15日 申请日期2002年4月4日 优先权日2001年4月6日
发明者布鲁斯·毕晓普, 本·纽曼 申请人:泰科电子罗吉斯迪克思股份公司