专利名称：平面天线设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及意欲固定到平面的天线，用于射频设备，比如一个蜂窝电话，GPS定位系统，和其它的RF应用。本发明还涉及一种方法，用于在衬底上制造导电图形。
背景技术：
在许多现有的应用中都提供一个RF天线以便能够通信，比如蜂窝电话，GPS系统，无线数据网络等等。在一些情况下，设备配备有天线，例如在一个蜂窝电话上的一个短棒单元。然而在其他情况下，需要提供一个外部连接的天线。此外，对于诸如汽车中使用的蜂窝电话之类的应用设备，期望提供一个附加的天线来增强信号强度。出于此目的的传统的天线通常被外部地安装在车辆上。这就增加了风隙噪声，易于被损坏，而且有损于车辆的外观。
对于这种类型的任何天线应用，需要考虑各种问题。脱离开上述所指出的问题，天线应该提供最大的有效面积，同时最好是外表不突出显眼的。安装应该简单，而且电学上和结构上是可靠的。
已经建议通过粘附一个阵列到一个汽车的一个车窗的内侧来提供一种天线。Shoemaker的美国专利No.5363114描述了一个平面、螺旋形的天线，它被粘附到一个载体层，并然后被粘附到一个适当的车辆表面。该公开的天线具有一种螺旋形构图的布置。
本发明的一个目的是提供用于安装在平面表面上的一种改进的天线。
发明概述按照本发明的一个方面，提供一种平面天线，包括由两个方形元件形成的一个矩形导电元件，通过一个中央定位的并分叉的、具有两个引线的返回导线在矩形内限定方形元件，每个方形元件在一端上被连接到一个连接器元件并在另一端上被连接到所述返回导线，其中选择方形元件的尺寸以便对于所选择的射频有最大的增益，其特征在于天线进一步包括一个或多个附加的但是部分的方形元件，每个附加的部分方形元件在一端邻近相应的方形元件终止，并在一边上由返回导线的一个引线限定。
应该明白，术语平面意味着平坦的表面和平滑曲线的表面，比如一个汽车挡风玻璃的形状。
本发明的天线布置比现有的设计具有许多优点。在打算的应用中，天线被粘附到一个现有的表面(比如一个窗)，不需要导电元件本身结构坚硬，因而能够使用稀疏的几何结构。此外，这能够使天线具有一个相当大的有效面积，因为它被安装在一个表面上而不是独立式的。另外，由于具有水平和垂直布置的元件，天线能良好地接收垂直或水平极化的信号，在由于建筑物和其他结构出现造成散射的应用中这是很有利的。
此外，本发明提供了一种方法，用于在一个衬底上提供导电元件，包括步骤使用导电墨水在一个衬底上印刷一个期望的导电图形；和在一个电镀过程中使用从导电墨水形成的图形作为一个电极，在导电图形上电沉积另外的导电材料。
便利的是，导电材料可以是铜。电镀过程的参数将取决于所选择的工艺，但应该是提供一足够厚度的铜，而不是沉积过多的铜使图形变得易于出机械故障。发明者已经发现在蜂窝电话应用中，大约25微米的厚度是合适的。
图形适于通过使用一种丝网印刷工艺来印刷。在实践中，可以印刷一大张柔性材料并使用适当的工具切割以提供许多天线阵列。
在沉积之后，最好施加一种双面的粘着膜(最好是透明的)，以提供用于粘附到期望表面的机构，并防止铜的腐蚀。
发明者对于天线的实际制造已经研究了各种方法。虽然在此解释了本发明，但应该明白，本发明可以等效地应用于衬底器件上其他导体的制造。单独的使用导电墨水不会提供天线的适当电阻特性，在经过了大量的反复试验后才能得出把电沉积增加到印刷方法中。
附图简述现在将结合附图描述本发明的一个实施例，其中
图1是本发明设备一个实施例的一个平面图；图2示意地显示了能够进行多设备连接的本发明另一个实施例的连接；和图3是图2的连接器布置的一个分解图。
发明详述本发明主要针对被设计为作为一个另外附加设备粘附到一个表面的设备进行描述。然而，应该清楚的是，发明的天线设计可以被形成为一个物品的一部分，或形成在例如一个车辆的一部分或一个电子设备的外壳内。
图1显示了本发明的一个实施例，适于作为在蜂窝电话频率，全球卫星定位(GPS)频率和个人通信系统(PCS)频率的频带上使用的一个多频带天线。
天线10通常是矩形形状，由四个元件12，13，17和18形成。两个元件12和13是方形元件，分别被连接到连接器元件32和33。元件12和13的相邻边由一个公共返回元件的引线41和42形成，该返回元件还被连接到连接器元件31。两个元件17和18是部分方形元件并分别提供在元件12，13的内部。然而，部分方形元件17和18不是(与方形元件12和13一样)被连接到连接器元件32和33，而是分别不到达引线41，42。带有引线41和42的该分叉元件形成由每个元件12，13，17和18组成的方形(或部分方形)的公共边，并被连接到中心连接器31。
这种设计是基于一种认识，即这对于许多应用来说，在多频带上的接收是有用的，并且900MHz频带的多个谐波接近于其他的频带，在此情况下，GPS频带在1575MHz，PCS频带在1800-2000MHz。元件12和13具有适于900MHz+/-50MHz的尺寸。中心元件17和18允许在GPS和PCS频带上的适当谐振。
天线尺寸被显示在图中。迹线(track)被期望是大约1mm的跨距和大约30微米的厚度，包括导电墨水和铜。尽管拐角被显示成直角，但如果需要可以是圆的。天线元件被安装在一个合适的柔性材料的板片11(显示为虚线外形)上。这可以是任何适当的衬底，例如透明的聚酯，或任何用于柔性PCB的材料。最好材料是透明的，特别是在车辆中使用时，以便最小化视觉干扰。在所讨论的应用中，膜厚度适于在75和300微米之间。
可以根据公式确定天线元件的适当长度L＝K/F其中L是长度，F是频率，和K是一个常数，它随导体周围的材料的介电性质而变化。在描述的实现情况下，需要考虑衬底的介电性质。应该理解，在使用中，被粘附的表面(例如挡风玻璃)的介电性质也将与常数K相关，并因此与长度L相关。
对于图1所示尺寸的天线，在一个玻璃衬底上的谐振频率是99MHz和1800MHz，并且天线在900MHz频带上具有1.08∶1的VSWR，在1575MHz频带上是2.8∶1。
用于最佳实现方式中的透明膜不能忍受例如焊接所涉及的高温度。图3显示了由发明者开发的一种布置的分解图，能够把天线连接到一条传输线。
在图2和3的实施例中，元件20是铜迹线的连接部分。应该理解，这被保持在衬底膜11和双面粘附膜(未示出)之间，并且因此触点不被露出以进行简单的连接。垫片21放在元件20的下面，插座22放在元件20的上面。导电铆钉，例如黄铜，通过垫片中的开口24，25，26，27被插入，通过元件20，并通过插座22中相应的孔。这就在插座22本体和元件20的外部16之间提供了一种电连接。另一个铆钉通过元件20的中央部分15并进入插座22的中央部分。那么，通过示意性的压力配合机械连接方式就能容易地连接插塞23，以便提供一个到该设备的电缆链接来用于连接到天线。
图2表示按照本发明的用于一个设备的一个连接布置-其中接收多个频带，并期望把这些频带的信号连接到不同的设备。示例地，这些设备是一个蜂窝电话和一个GPS接收机。天线30经插座22被连接到电缆24上的插塞23。电缆24把天线连接到天线功率分离器单元25。这就为一个蜂窝电话提供了一个连接26，和为一个GPS接收机提供了一个连接27。
适于用作天线功率分离器25的设备是可以买到。该设备的功能是把输出端口26，27彼此隔离以便各自的设备彼此互不干扰。在此特定的场合下，所关注的将是确保蜂窝电话的发射能量到达GPS接收机。期望的是，在此应用中天线功率分离器应具有至少-25dB的一个隔离系数。应该清楚，所需的隔离将取决于打算连接到天线30的设备。
应该明白的是，尽管本发明主要针对一个粘附到一个窗户内侧的车辆天线的情况进行了描述，但存在许多其他的应用。发明的天线可以粘附到一个内部或外部的建筑物墙上，或者用于实现一个无线LAN或其他的数据网络。它能够容易使用，进行修改来适应频带变化，用于移动的或固定的数据记录和传输。
在需要一个高度导电图形的场合，尤其是使用透明衬底时，都可以应用本发明的方法。
权利要求
1.一种平面天线，包括由两个方形元件形成的一个矩形导电元件，方形元件由一个中央定位的和分叉的、具有两个引线的返回导线在矩形内限定，每个方形元件在一端上被连接到一个连接器元件并在另一端上被连接到所述的返回导线，其中选择方形元件的尺寸以便对于所选择的射频有最大的增益，其特征在于天线进一步包括一个或多个附加的部分方形元件，每个附加的部分方形元件在一端上邻近相应的方形元件终止并在一边上由返回导线的一个引线限定。
2.根据权利要求1的一种天线，其中导电元件在一个衬底上形成。
3.根据权利要求2的一种天线，其中衬底是一个柔性膜。
4.根据权利要求2或3的一种天线，其中衬底是透明的。
5.根据权利要求1的一种天线，其中所有的方形元件被电连接到相同的连接器元件，并且返回导线被连接到一个电分离的连接器元件。
6.根据权利要求2的一种天线，其中通过一种方法提供导电元件，该方法包括步骤使用导电墨水在衬底上印刷一个导电图形；和在一个电镀过程中使用由导电墨水形成的图形作为电极，在印刷的导电图形上电沉积另外的导电材料。
7.根据权利要求6的一种天线，其中导电图形被丝网印刷在所述衬底上。
8.根据权利要求7的一种天线，其中多个导电图形被印刷在所述衬底上，并且在电沉积之后，一个保护膜被施加到导电图形。
9.根据权利要求8的一种天线，其中该膜在两面都具有粘性。
全文摘要
一种平面天线，包括由两个方形元件形成的一个矩形导电元件，通过一个中央定位的并分叉的、具有两个引线的返回导线在矩形内限定方形元件，每个方形元件在一端上被连接到一个连接器元件并在另一端上被连接到所述返回导线，其中选择方形元件的尺寸以便对于所选择的射频有最大的增益，其特征在于天线进一步包括一个或多个附加的部分方形元件，每个附加的部分方形元件在一端邻近相应的方形元件终止，并在一边上由返回导线的一个引线限定。
文档编号H01Q7/00GK1393957SQ0212477
公开日2003年1月29日 申请日期2002年6月25日 优先权日2001年6月25日
发明者彼得·约瑟夫·弗农 申请人:彼得·约瑟夫·弗农