天线及天线装置的制作方法

专利名称：天线及天线装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种天线，特别是用于接收/发射射电频率的电磁辐射波的天线。本发明还涉及一种天线装置。
天线广泛用于接收/发射电磁辐射波，例如，可用于接收广播电视信号，最近几年还在移动电话通信中用于接收/发射信号。
天线的形式取决于信号接收方向(和波长)，因此装在固定建筑物上的用于接收电视信号的天线通常是一具有方向性的形状复杂的天线(例如“八木式”的)。在建筑物上，信号接收方向是已知的而且固定。但是，对于移动的射频接收天线来说(例如车载天线，其信号绝对接收方向和相对接收方向不是固定可知的)，它必须是非方向型的。这种天线通常是长导线形的(或“鞭形”)，对于任何沿“大致水平”方向接收的信号来说，其响应大致相同。
其它形式的天线，如文献WO-88/09065，US-2,656,463，US-3,369,245等等所披露的自支承对称臂式天线也是公知的。这些天线都包括具有相当厚度的尺寸较大的板状接收/发射元件，而且有效面积(有时称“截获”面积)比鞭天线大。和相应的鞭天线相比，这种天线可望能够接收强度较弱的信号。这些天线是半非方向性的，还是基本上是完全非方向性的，都取决于所述元件的形状。
尽管已有上述天线可供选用，但在所知道的移动电话通信系统中，不论是手持电话还是车载电话，都采用鞭天线。这是因为鞭天线的造价低廉，且性能卓越。汽车所配备的收音机和移动电话装置分别有自己的鞭天线，即一个鞭天线用于广播接收，另一个用于移动电话。
当天线的有效长度正好是所接收信号的波长(接收频率为某一范围时指中心波长)的四分之一的倍数时，天线的工作效率最高。对多数车载射频天线来说，信号接收频率约为200KHz(长波)至100MHz(调频)，其四分之一波长约为375m至0.75m。实际上在大多数车辆中所采用的鞭天线的长度甚至比此长度范围的下限还要小，因而不能以最大的效率工作，这是车载鞭天线的一个不利之处。但一般来说，由于几年来研制出的射频单元信号放大装置，由天线接收的信号强度已足以满足射频工作的性能要求。
众所周知，移动电话系统的工作频率高于广播发送频率，例如在英国，ETACS系统和GSM系统允许使用的频率范围为875至960MHz，在此频率下，波长的四分之一约为8.3cm。大多数鞭天线的有效长度可以等于四分之一波长或四分之一波长的倍数，从而在这些系统中可使用鞭天线进行接收和发送移动电话信号。
因为鞭天线在选定频率下的效率问题以及移动电话传送时信号强度较弱，对鞭天线的有效长度要求很苛刻。这是移动电话使用鞭天线进行发射/接收的不利之处。因此，带宽很窄(带宽是指某天线能有效地接收信号的频率范围)，例如有一种已知鞭天线，其带宽为10MHz。这样，在允许范围内，要想将移动电话装置“调谐”至另一工作频率，需改变天线的长度，也就是说，这一不同工作频率已超出天线的带宽之外。
利用传统的鞭天线进行移动电话信号接收/发送的第二个缺点是，天线易于被人察觉。盗贼容易发现车辆上的移动电话，进而以移动电话为目标进行盗窃。移动电话天线容易察觉和发现已成为汽车电话盗窃大量上升的一个因素。
这种传统的鞭天线的第三个缺点是，易于受到人为破坏。搞破坏的人无需进入车内就可将天线弄坏甚至折断。天线损坏或折断后，如不进行维修或更换新天线，移动电话装置的使用将受到影响。
据了解，许多汽车制造商已经在研究其它类型的天线以及/或将天线安装在车内或车上较不醒目的位置上的办法，以克服上述第二和第三缺点。为解决上述问题，一种办法是将鞭天线局部弯成螺旋，并将螺旋部分装在车的内部。为防止车身金属表面的屏蔽，一般将螺旋天线贴装于车窗内侧，常选后车窗，这是因为移动电话的收发两用装置常置于汽车后备厢中。但是，业已发现，(因为受鞭天线螺旋部分和汽车金属表面的影响，以及信号必须穿过玻璃)，这种变形后的鞭天线的接收性能不够好，因而，“螺旋鞭”天线的概念一直未被广泛采用。
一些汽车制造商已认识到用于移动电话信号接收/发射的鞭天线的第四个缺点，这就是，安装在车窗上的天线可能会因某一波长的二次辐射信号的影响而对操纵汽车其它装置尤其是气囊的电子系统产生干扰。认识到这一缺点的制造商已有意将移动电话的鞭天线安装在车窗之外的部位，最好是不显眼的部位。
DCS 1800移动电话系统的工作频率为1800MHz。撇开上述缺点不谈，在实际使用中鞭天线在此频率(所需有效长度约为4.2cm)下的接收/发射也是不可靠的，因此鞭天线在此系统中的应用没有被广泛接受。
众所周知，印刷电路板中，由非导电材料(常为陶磁、玻璃，层压塑料或硬塑料)制成的平面基片上覆涂有一层薄薄的导电材料(一般是铜)。例如用辊压涂覆工艺使铜将该基片的一面大致完全覆盖，从而使铜和基片之间形成机械连接。然后，将一部分铜用掩膜掩盖，通常是将其放在酸性液或氯化亚铁腐蚀液槽中，将剩下的未被掩盖的部分用化学方法腐蚀掉，被掩盖的所需区域内的铜层则完好地保留下来。
众所周知，双面印刷电路板中，基片的两个相对表面上都大致完全由导电层涂覆。基片是由叠压“玻璃纤维”制成的。
在铜层上形成掩膜的方法有多种。其中一种是光刻，在铜层上覆涂一层光敏薄膜，然后用紫外光使薄膜有选择地固化，在随后的刻蚀过程中，此固化区域将铜层的所需区域保护起来。在基片上形成导电材料区域的已知方法还有蜡刻(stencil etching)，电镀以及印制等。
本发明的目的是提供一种天线和天线装置，以克服上述公知的鞭天线所带来的缺点，而且它可以在所有已知的移动电话系统(数字系统和模拟系统)的频率下有效地工作。这种天线和天线装置的截获面积较大，它可装在汽车的内部或外部，且可安置在汽车上的不显眼部位。
因此，本发明提供一种车载天线，它包括一对称的大致呈平面形状的元件，此元件有两个大致平面部分，每一平面部分都是导电的，其特征是，平面部分的厚度不大于0.1cm，所述元件固定到一非导电的基板上，该元件最好是由铜制成，利用滚压覆涂方法将铜覆盖在平面形状的非导电绝缘基片上。
平面部分的厚度最好是在10μm至100μm(即0.001cm至0.01cm)的范围内，较理想的厚度是35μm(0.0035cm)。
本发明还提供一种车载天线，它包括一平板状的可导电的接收/发射元件，其特征是，该元件由印刷电路板材料制作。该元件最好是由铜制的，并覆盖在层压玻璃材料上。
这种天线的优点如下(i)利用现有的材料和方法，制造简便，费效比好；(ii)利用钎焊方法可容易地将铜和导电电缆连在一起；(iii)当元件和基板反复加热和冷却时，与利用化学处理等方法敷着的导电层相比，用机械方法固连的铜层较不易自基板上脱离。对化学处理方法来说，若该元件自基板上脱离并导致元件的局部不连续，天线的接收/发射性能将受到不利影响，这是人所共知的。
本发明还提供一种制造天线的方法，它包括以下步骤(i)选择一印刷电路板，其非导电基片上有一铜层；(ii)将部分铜层掩盖住从而将要形成的接收/发射元件的图形隐藏起来；(iii)将未被掩盖区域上的铜用化学刻蚀方法腐蚀掉。
印刷电路板最好是双面的，在基板的其中一侧面(第一侧面)上形成接收/发射元件，而在另一侧面(第二侧面)上至少形成一个反射片。反射片可用于将射向接收/发射元件的一些入射信号反射，以改善信号的方向稳定性并降低伪信号(寄生信号)。最好至少有部分或全部反射板将所述第二侧面上的某一区域盖住，第一侧面上和该区域相应的部位没涂导电材料。
本发明还提供一种天线，它具有一壳体，一可导电的板状接收/发射元件，该元件位于壳体之内。此元件包括两个部分，每一部分均和自壳体伸出的导电线连接。所述元件由铜制成。所述壳体具有一大致为平面的表面以附着在车窗的内侧面上。导电线的其中之一最好就是同轴电缆的中央芯线，或者该导电线和中央芯线是连在一起的，而另一根导电线和电缆的护套连接，从而此电缆分别和所述元件的两部分相连接。所述的壳体表面最好为非刚性的，以便能够和非平面车窗相贴合。可以预想，壳体可以直接或间接地将(或有助于将)(铜制)元件、(铜制)反射片卡固在基板上，但这未必是一最佳实施例。
业已发现，壳体附着的车窗玻璃和这种形状的接收/发射元件一起会形成电容性效应，它可将元件接收到的信号加以放大。还已发现，这种天线不具有上述的鞭天线的第四个缺点。
还已发现，一种优选形式的接收/发射元件的带宽约为300MHz，在选定的移动电话系统的允许频率范围内，不必再调整就可在另一频率下工作。
壳体具有合适的贴附装置以将壳体贴到车窗上。壳体可由一薄塑料制成，苯乙烯是合适的。
最好，贴附装置将元件外露的表面盖住，以防止元件的表面氧化，而且壳体最好是防水的。
将天线装到车辆的内侧后，比如说装在后车窗的上角，用不干胶纸将天线盖住，不干胶纸贴在车窗的外表面，上面可标识车辆的产地，以防从车外能看见天线。也可以在和车窗内侧表面贴附的壳体表面上印刷上一些信息，同样，这也有使壳体伪装的双重作用。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种天线装置，它具有第一和第二可导电的板状接收/发射元件，这两个元件和同相装置(phasing hamess)相连接。
可取的是，第一元件通过第一电缆和一接合装置连接，第二元件通过第二电缆也连接到此接合装置。第一电缆具有第一阻抗和第一长度，第二电缆具有第二阻抗和第二长度，该接合装置由第三电缆连接至一接收装置。第三电缆具有第一阻抗和第三长度，接合装置具有第四、第五电缆，第四、五电缆的一端和第三电缆连接，第四电缆的另一端和第一电缆相连，第五电缆的另一端和第二电缆相连接，所述第四电缆具有第二阻抗和第四长度，所述第五电缆具有第二阻抗和第五长度。
所述第四长度和第五长度最好相同，等于所接收/发射信号波长的四分之一。另外，所述第一、二、三长度最好均为四分之一波长的倍数。
若所述接收装置为移动电话，则第一阻抗等于50Ω，第二阻抗等于75Ω。
已经发现，上述布局中的两接收/发射元件均有较大的截获面积，且都和同相装置相连接，二者并行工作，这便使得天线装置比如说可装在汽车后部的(塑料)保险杠中，在保险杠的每一端各安放一个接收/发射元件。采用这种布置方法可克服前述第四个缺点。
在保险杠制造时，就可把接收/发射元件装在后保险杠内，如果准备这样安装的话。但是，若将此元件装到已制造好的保险杠上，最好将各元件和接合装置装在相应的壳体内。对于后一种情形，壳体可安装有透明塑胶板或其它绝缘板，以产生电容性效应和信号放大效应。
下面结合附图通过实例对本发明作进一步描述。附图中

图1是用于本发明的天线上的接收/发射元件的俯视图，该元件安装在一基板上。
图2是图1所示基板的底面图。
图3是本发明的天线侧视剖面图。
图4为一天线装置的示意图。
图5为另一种形式的接收/发射元件的俯视图。
如图1所示，一种优选形状的天线2包括有一接收/发射元件4，该元件包括一对成形的导电部分6，8，每一导电部分(通过钎焊)和导线10a，10b分别独立地连接。为防止相对移动，将导电部分6，8固定在基板12上。
导电部分6和8互为镜像，二者相对于元件4的中心线相对称(图中过元件4的中心沿纸面从左至右的直线)。
导电部分6，8大致呈矩形形状，不过它们包括两个相对的间隔狭窄的中央部分14，16，圆角和若干凹入部。在该实施例中，每一导电部分包括一曲线形凹入部20，以及直边凹入部22，24。本领域的熟练技术人员可以理解，导电部分及其凹入部的形状决定了所述元件进行谐振的频率范围和带宽，亦即其接收/发射信号的频率范围和带宽。
业已发现，大致按图1制成的上述元件在875-910MHz的频率范围内可有效地工作，图中，尺寸A等于8.3cm。实验表明，若尺寸A为4.17cm，该元件可在1800MHz的频率下有效地工作，尺寸A为16.7cm时，该元件可在450MHz频率下有效地工作(此频率用于UHF移动通信系统)。
导电部分6，8由铜制成，在该实施例中，天线2是这样制成的，以一块0.08cm厚的层压玻璃纤维板(为绝缘基片)作为原材料，在其双侧面上用滚压涂覆工艺覆上0.01cm厚的铜层，形成一块双面印刷电路板。利用公知的方法将基片其中一侧面上的导电部分6，8(图1)周围的所选铜层区域刻蚀掉，直至使基片12的局部暴露出来。在基片12的另一侧面上，同样也将所选铜层区域刻蚀掉，从而形成一对反射片30(图2)。在该实施例中，反射片也是由铜组成，刻蚀过程结束后，反射片牢固地附着在基片12的底面上。
在此实施例中，导线10a，10b和同轴电缆32相连，导线10a和此电缆的中央芯线相连，而导线10b和此电缆的护套连接。因此，导电部分6和8之间没有电耦合。
如图3所示，本发明的天线2包括一绝缘基片12，接收/发射元件4和一对反射片30固定在此基片12上。组装好之后，将元件4的暴露的表面(即导电部分6，8的暴露面)上涂上粘结剂(未示出)并加上一层泡沫34。泡沫的作用是保护元件4不受冲击，加上粘结剂可作为水/空气密封物以防止元件4氧化，这是本发明该实施例的一个特征。这一部件置于壳体40内，壳体有一大致为平面的表面42(借助此表面可将壳体贴附于车窗的内侧表面上)和一固定盖子44，在此实施例中，壳体40是由苯乙烯制成的。
可以理解，在本实施例中的天线的安装条件下，例如装在汽车车窗上，基片12上固定的元件4是背对车窗的。
安装到汽车车窗上的天线壳体用苯乙烯制成是较可取的，因为苯乙烯在此安装位置所可能面临的温度变化范围内其性能稳定。而且，它易于形成所需的形状。形成壳体的板片的厚度使得壳体刚性足够小，以贴合在非平面形状的车窗上。但是，也可以用其它任何材料作替换物，只是这种材料可使电磁辐射波透过或部分透过即可。
盖子44上开有一个供同轴电缆32自壳体40中伸出的通孔46。在另一个实施例中，该通孔开在壳体的一较长边的中央，以便使电缆和图1中的导线10a、10b基本上共线伸出。
电缆32将天线和接收装置，如移动电话连接在一起。
图4示出了天线装置的一个实施例，它具有一对接收/发射天线2a，2b，它们和接合装置50连在一起。天线和接合装置形成一种同相装置。其中，两天线同相工作，以增加传至接收装置的信号的强度，而对接收装置来说则如同只有一根天线。
在该实施例中，第一天线2a由第一电缆52连至置于接合装置50内的第四电缆58的一端，第二天线2b由第二电缆54连至置于接合装置50内的第五电缆60的一端。而第四、五电缆58，60的另一端和第三电缆56连接，以向接收装置(未示)传送信号。在该实施例中，所有电缆52，54，56，58，60都是同轴的。但在另一实施例中，也可不采用上述电缆，而使用导电条。
在所示的实施例中的天线装置用于移动电话装置上。这种装置在50Ω的电缆阻抗下工作，因而电缆52，54和56的阻抗为50Ω，电缆58和60的阻抗为75Ω。另外，由于电缆58和60的长度相等，等于所接收/发射的信号的波长的四分之一。对于工作频率约为900MHz的移动电话网来说，波长的四分之一是8.3cm，故电缆58和60的长度也是8.3cm，此外，电缆52，54和56的长度正好是8.3cm的整数倍。
若将本发明的天线装置装到汽车后保险杠上(或保险杠内部)，虽然天线的元件离地面的距离比传统的鞭天线要近(在此位置时，接收/发射信号更有可能受到外部物体的干扰)，但可使移动电话装置的性能满足要求。
在天线装置的其它实施例中，有两个以上的天线由同相装置互连在一起而并行工作。
至此已给出了一种用于接收/发射射频信号的装置，它适于安装在配有移动电话装置的移动车辆上。
在图5所示的另一实施例中，天线102包括一接收/发射元件104，它包括一对大致呈T形的导电部分106，108，二者分别单独地(通过钎焊)和相应的导线110a，110b连接在一起。导电部分106，108固定在基片112上以防止其相对移动。
导电部分106和108也互为镜像。二者相对于元件104的中心线是对称的，但分支部分118除外。反射片130固定在基片112的另一侧面上，如虚线所示。
业已发现，大致按图5由双面敷铜层印刷电路板制成的元件，其中尺寸B＝18.7cm，C＝15.9cm，D＝5.5cm，可在450MHz的频率下有效地工作。
在蜂窝移动通信系统中使用外露的鞭型天线除了具有如现有技术描述部分所指出的缺点之外，还具有以下电特性上的不足，这些不足之处是(a)鞭天线的信号发射/接收面积小。这把可用带宽限制在典型的10MHz以内，从而制约天线的总体效率。
(b)由于天线捕捉的信号中混杂有杂波，一般信号占70％，噪声占30％，这将使语音的发射和接收质量下降，尤其当移动电话装置接近发射区边缘时更是如此。
(c)天线发射时存在一个众所周知的问题，即向前传播的能量被向后传播的能量部分抵消掉(VSWR)。一般说来，性能优良的鞭天线最多只能发射信号的95％，有5％损耗掉，而且还仅仅限于很窄的带宽内(10MHz)。
(d)鞭天线接收直射波以及由附近建筑物和地面反射的波。已知这些反射信号将对直射波产生干扰，从而使天线接收的有效信号遭到削弱。因车载天线最好(有些情况下是必须)将鞭天线装在外部，且越高越好，或者是装在车的顶部，或者靠近后车窗的顶部安装。
本发明采用平板技术(Flat Plate Technology)克服了在现有技术描述部分中所指出的鞭天线的缺点。另外，由于本发明装置的工作方式在现有天线中不能实现，故作了一系列改进，将二者结合在一起，可以增进本发明的天线的性能。改进之处包括
(a)本发明的天线的有效截获面积比鞭天线大得多，因而可以在大得多的带宽范围(如300MHz)更多地接收和发射信号。
(b)信噪比大大提高，一般为93％信号对7％噪声。这大大改善了话音的接收和发射质量，而且拓展了移动电话装置的发射区域。
(c)发射时，本发明的天线可在大得多的带宽上(300MHz)将99％以上的信号发射出去，反向损失仅占1％以下。
(d)传统天线的安装规范不适用于本发明的天线。除上述(a)至(c)的优点以外，本发明的天线和离地面的距离无关，它利用周围反射面来提高其性能。
权利要求
1.一用于移动通信系统中的天线(2；102)，它包括一对称的大致为平面的元件(4；104)，该元件有两个大致为平面的部分(6，8；106，108)，两平面部分均是导电的，其特征在于，所述部分的厚度不大于0.1cm；所述元件固定在不导电的基片(12；112)上。
2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，平面部分(6，8；106，108)的厚度至少为0.001cm。
3.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述元件由铜制成，利用滚压覆涂方法将铜敷在平面形状的非导电绝缘板上。
4.如上述任一权利要求所述的天线，其特征在于，所述元件由印刷电路板材料制成。
5.如权利要求4所述的天线，其特征在于，所述印刷电路板是双面的，所述元件在所述基片(12；112)的第一面上形成，并且在所述基片的第二面上形成至少一个反射片(30；130)。
6.如权利要求5所述的天线，其特征在于，至少部分或每个反射片覆盖所述第二面的区域，而所述第一面的该区域上没有导电材料。
7.如权利要求1至6中之一所述的天线，其特征在于，它安装在一壳体(40)内，每一部分(6，8；106，108)都和导电线(10a，10b；110a，110b)相连，这些导线自壳体中伸出。
8.如权利要求7所述的天线，其特征在于，其中一根导线为同轴电缆(32)的中央芯线或是和该中央芯线(32)相连；另一导线连至该电缆的护套上；壳体具有一大致为平面的表面，以适于将壳体贴附在车窗的内侧面上。
9.一种制造天线的方法，包括如下步骤(i)选择一在非导电基片上有铜层的印刷电路板；(ii)掩盖住部分铜层而将要制作的接收/发射元件的形状隐藏起来；(iii)用化学方法将未被掩盖区域的铜层腐蚀掉。
10.如权利要求1至7中任一项所述的具有第一和第二天线(2a，2b)的天线装置，其特征在于，由第一电缆(52)将第一天线(2a)和接合装置(50)连接在一起，用第二电缆(54)将第二天线(2b)和接合装置(50)连接在一起，第一电缆具有第一阻抗和第一长度，第二电缆具有第一阻抗和第二长度，接合装置用第三电缆(56)和一接收装置连在一起，第三电缆具有第一阻抗和第三长度，接合装置具有第四电缆(58)和第五电缆(60)，第四、五电缆的一端和第三电缆连接，而第四电缆的另一端和第一电缆连接，第五电缆的另一端和第二电缆连接，所述第四电缆具有第二阻抗和第四长度，所述第五电缆具有第二阻抗和第五长度。
11.如权利要求9所述的天线装置，其特征在于，所述第四长度和第五长度相等，等于接收/发射的信号波长的四分之一；第一阻抗等于50Ω，第二阻抗等于75Ω。
全文摘要
本发明涉及天线和天线装置,特别是用于接收/发射射电频率的电磁辐射波的天线,该天线的适用频率为450—1800MHz,这是移动通信系统中所采用的典型频率。提供一种移动通信系统使用的天线(2,102),它包括一对称的大致为平面的元件(4;104),该元件包括两个大致为平面的部分(6,8;106,108),每一部分都是导电的,其厚度不大于0.1cm,它固定在一不导电的基片(12;112)上。还提供了一种天线装置,它包括至少两个由同相装置连在一起的天线。
文档编号H01Q9/28GK1183174SQ9619361
公开日1998年5月27日 申请日期1996年2月28日 优先权日1995年3月1日
发明者伊莱恩·加瑟 申请人:伊莱恩·加瑟