专利名称：加入防止天线和导体之间能量耦合的部件的衬底天线的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及对于无线装置的天线，具体地说，涉及内部安装的天线。本发明还涉及用于无线装置的内部衬底天线，及其改善无线装置能量耦合特性、增益和带宽的寄生部件。
相关技术的描述天线是无线通信装置和系统的重要构件。虽然现有多种不同形状和尺寸的天线，但是它们都是根据基本电磁原理进行工作的。天线是一种涉及导波与自由空间波相互转换区域的设备。按照一般原理，沿着展开的传输线传播的导波辐射为自由空间波，后者也称为电磁波。
近年来，随着个人无线通信装置(诸如，手持电话、移动蜂窝电话和个人通信业务(PCS)电话)应用的不断增加，对适合这种无线装置的小型天线的需求也不断增加。近年来集成电路和电池技术的发展已使得这种通信装置的尺寸比以往几年大大减小，重量也大为减轻。但仍然需要减小通信装置的天线的尺寸。这是因为天线的尺寸在减小装置的尺寸中扮演着重要的角色。此外，天线的尺寸和形状影响着装置的美观和制造成本。
在设计无线通信装置的天线时要考虑的一个重要因素是天线辐射图。在典型的应用中，通信装置必须能够与可位于该装置的任何方向上的另一个这样的装置或基站、集线器或卫星进行通信。因此，这种无线通信装置具有近乎全向辐射图或沿本地地平线向上延伸的辐射图是至关重要的。
在设计无线通信装置的天线上要考虑的另一个重要因素是天线的带宽。例如，无线装置(诸如，与PCS通信系统一起使用的电话)在频带1．85-1．99GHz的范围内进行工作，从而要求7．29％的有用带宽。与典型蜂窝通信系统一起使用的电话在频带824-894MHz的范围内进行工作，它要求8．14％的带宽。因此，必须将在这种无线通信装置上使用的天线设计成满足适当的带宽要求，否则通信信号将严重衰减。
在无线通信这种中通常用到的一种天线是鞭状天线，当不用时容易将它收缩到装置中。然而，鞭状天线带有若干缺点，当拉开使用时或甚至在收回不用时，天线常因碰到物体、人或表面而遭到损坏。即使当将鞭状天线设计成可收缩以便减小这种损坏，但是它仍然需要当收缩时装置外壳的尺寸最小，而当前它的尺寸却比理想的要大。
通常结合短螺旋状天线一起使用鞭状天线，当将鞭状天线收缩到电话中时启动上述短螺旋状天线。螺旋状天线在更加紧凑的空间中提供相同辐射器长度以保持适当辐射耦合特性。虽然螺旋状天线较短，但是它仍然伸出无线装置的表面一段距离，这影响了美观并碰到其他物体。将这种天线设置在无线装置的内部要求一定体积，而这是不合需要的。此外，这种螺旋状天线似乎对于无线装置用户的手负载非常敏感。
适于在无线通信装置中使用的另一种天线是微带天线或带状天线。然而，这种天线有一些缺陷。它们比理想尺寸要大、带宽较低和缺乏理想的全向辐射图。
从名称中可见，微带天线包括嵌片或微带部件，一般将它称为辐射器片。相对于谐振频率f0的波长λ0设定微带部件的长度，其中选择谐振频率与所关注的频率(诸如800MHz或1900MHz)匹配。常用微带部件的长度是半波长(λ0／2)和四分之一波长(λ0／4)。虽然，近年来在无线通信装置中用到几种微带天线，但是还需要在几个方面有所改进。需要进一步改进的一个方面是减小总尺寸。需要大大改进的另一个方面是带宽。按实际应用的尺寸，当前嵌片或微带天线设计不能得到所需的7．29至8．14％或更大的带宽特性，而这在大多数通信系统应用中是所需的。
当将传统嵌片天线和带状天线设置在大多数无线装置中都能找到的许多接地面附近时，这种天线还会产生其他问题。接地面会改变谐振频率，形成制造设计不可重复。最小表面面积还阻止以优化辐射图的形式安装。此外，“手负载”，即用户的手放在天线的附近，使天线的谐振频率和性能急剧偏移。
辐射图非常重要，不仅用于建立如上所述的通信链路，而且涉及管理无线装置用户的辐射标准。必须控制或调节辐射图，使装置用户吸收最小量辐射。对无线装置用户附近可允许的辐射量已建立管理标准。这些规定的一个影响是由于理论上用户受到辐射，在无线装置中的多个位置上不能设置内部天线。
由于上述问题，诞生了一种被称为衬底天线的新型天线，来为无线装置提供内部天线，使无线装置带宽特性适当，尺寸减小，增益足够，而且对手负载或者在现有技术中遇到的类似问题的反应或影响减小。在待批美国专利申请号09／028，510(律师档案号QCPA518)(发明名称为“衬底天线”，1998年2月23日申请，并作为参考资料在此引入)中揭示了这种天线。
虽然衬底天线改进了内部天线的技术，并解决了在现有技术中存在的若干问题，但是仍然存在天线不能获得所需增益或能量分布状态的情况。即，天线将辐射导入或耦合到不需要的模式或方向，造成天线增益减小。此外，由于被设置在无线装置中的各种噪声源附近，衬底和其他类型的小内部天线还受到负面影响。当安装在无线装置中时，会将天线设置在相对靠近用来传递信号或功率的导体的位置上。由于将来自无线装置中的这些导体或各种源的信号或信号噪声耦合到天线，天线增益和无线装置灵敏度会降低。
因此，需要一种新的天线设备和用于制造并在无线装置中安装天线的技术，以便获得具有所需增益和灵敏度或减小的噪声特性的内部天线。
发明概述由于在关于制造无线装置的内部天线的现有技术中存在上述和其他问题，所以本发明的一个目的在于减小内部天线与无线装置中的其他元件或导体的交互作用，否则将降低性能。
本发明的第二个目的在于，增加或保持在无线装置中的内部天线的所需增益水平。
本发明的第三个目的在于增加无线装置中的内部天线的带宽。
本发明的一个优点在于它提供有形体积小的内部天线，同时保持所需工作特性。
在无线通信装置中与内部天线一起使用的寄生部件实现这些和其他目的和优点，其中上述无线通信装置具有一个或多个位于天线附近的信号或功率传送导体或馈源。一般，通过将至少一层导电材料设置在天线附近区域中的一个或多个导体附近(在其上面或下面)，形成寄生部件。寄生部件具有相对于导体的预选宽度以及沿着导体的足以阻止大部分能量在天线和导体之间耦合的预选长度。
较佳内部天线是衬底天线，它包括支承在预定厚度的电介质衬底上的一根或多根辐射器线条。根据无线装置关注的波长以及所分配的空间，为线条的长度和宽度选择适当的尺寸。在较佳实施例中，将导电屏蔽材料设置在线条的预定部分附近和周围，为近场辐射图提供零电流电平。将支承衬底安装在偏离且一般垂直于装置中与天线一起使用的电路和构件所涉及的接地面的位置上。衬底天线采用提供适当带宽的很薄且紧致的结构。天线紧致性和更多种有用形状允许将衬底天线更加有效地用作无线装置的内部天线。
然而，无线装置一般采用在预选信号处理单元和电源之间延伸并具有紧挨着天线的部分的各种信号或功率传递导体，其中上述天线位于导体上面或旁边。在较佳实施例中，将寄生部件设置在天线附近的区域中的一个或多个导体附近(在其上面或下面)，可以阻止一定量噪声从导体耦合到天线中。在天线附近形成寄生部件或嵌片，以将跨越无线装置的天线和接地面之间的间隙或间隔的电荷分开。寄生部件增加天线的有效面积或实际面积，从而增加无线装置的增益和带宽达大约0．8至1．5dB。通过减小在天线上的噪声，提高无线通信的灵敏度。
通过导体将寄生部件寄生耦合到接地面进一步增加了无线装置的增益和带宽。在该实施例中，增益增加大约0．8至1．5dB。寄生部件和寄生耦合增加无线装置的带宽至少0．5倍。
在较佳实施例中，由一个或多个导电材料层(诸如，铜、黄铜、铝或银)形成寄生部件。可将导电材料设置在靠近天线附近的导体上，而且耦合到无线装置的地电位。根据要禁止的能量或辐射的大小，实践中寄生部件最好尽可能完全覆盖导体。还可构成或调节用来形成寄生部件的导电材料的尺寸或面积，从而按预选量增加有效面积和天线的相应带宽。
在较佳实施例中，将导电材料制成薄导电材料嵌片，可将它设置在位于天线附近的导体上。可用大致矩形、大致圆形、大致三角形或复杂的几何形状形成该嵌片，而且最好制成至少是导体宽度的两倍。
在本发明的另一个实施例中，可将多层导电材料直接相互重叠或与其他材料或导体层交错。此外，可用多块嵌片来覆盖所需区域。
附图简述参照附图描述本发明，其中相同标号一般表示相同、功能相似和／或结构相似的元件，用标号中最左边的数字表示元件第一次出现的附图。附图中
图1a和1b示出具有鞭状和外部螺旋状天线的无线电话的透视图和侧视图2a和2b示出具有典型内部电路的图1b的电话的侧剖视图和后视图；图3a-3c示出在图1的电话中得到实用的衬底天线；图4a-4e示出几个另一种衬底天线实施例；图5a和5b示出运用衬底天线的图1b的电话的侧剖视图和后视图；图6示出运用衬底天线的另一个实施例的图1b的电话的侧剖视图；图7示出具有从旋转接头的一部分延伸到另一部分的一系列导体的图5a和5b的电话；图8a示出根据本发明的原理构成的寄生嵌片单元的俯视图；图8b示出图8a的寄生嵌片的侧剖视图；图9a-9d示出对于图8a和8b的寄生嵌片的另一个实施例的平面图。
较佳实施例的详细描述虽然传统微带天线(诸如，倒“F”天线)具有可在个人通信装置中使用的一些特性，但是仍然需要在其他方面进一步改进以便使得这种天线能够在无线通信装置中使用，诸如用于蜂窝电话和PCS电话。需要进一步改进的一个这样方面是带宽。为了运转良好，PCS电话和蜂窝电话一般需要带宽大于当前微带天线可获得的带宽，或者大于实际规模。
需要进一步改进的另一个方面是微带天线的尺寸。例如，减小微带天线的尺寸能使用到它的无线通信装置更加紧致和美观。实际上，这还可能完全确定是否可在无线通信装置中使用这种天线。通过减小所采用的任何电介质衬底的厚度或者增加介质常数的值，可以减小传统微带天线的尺寸，从而缩短所需长度。然而，这具有减小天线带宽的不需要的效应，从而使它不适合无线通信装置。
此外，传统微带天线(诸如，嵌片辐射器)的场分布一般是方向性的。大多数嵌片辐射器只在相对于天线本地地平线的上半球辐射。这种辐射图随着装置的移动而移动或旋转，会产生不需要的覆盖零点。因此，在多种无线通信装置中使用微带天线并不是非常理想的。
衬底天线对上述和其他问题提供一种解决方法。衬底天线提供适当的带宽并比其他天线设计的尺寸小，同时保持在无线通信装置中使用所需的其他特性。可将衬底天线建立在无线或个人通信装置(诸如，便携式电话)的顶表面附近，或者可安装在其他元部件(诸如，在无线装置中的支柱、I／O电路、键盘，等等的附近或后面)。可直接在无线装置的表面内(诸如，通过嵌入形成外壳的塑料中)或表面上建立衬底天线。
与鞭状或外部螺旋状天线不同，衬底天线与其他内部天线一样不易因碰到物体或表面而遭到损坏。这种天线还不消耗新性能和电路所需的内部空间，当收缩时也不需要大外壳尺寸来容纳它。此外，衬底天线辐射图近乎全向辐射，从而使它适用于许多无线通信装置。
从广义上说，可在任何无线装置中实施本发面，诸如个人通信装置、无线电话、无线调制解调器、传真装置、便携式计算机、寻呼机、消息广播接收机，等等。一种这样的环境是便携式或手持无线电话，诸如用于蜂窝网、PCS或其他商业通信业务的电话。在现有技术中已知多种这样的具有相应不同外壳形状和款式的无线电话。
图1示出在无线通信装置中用到的典型的无线电话，如上所述的蜂窝网系统和PCS系统。如图1(1a和1b)所示的电话是“蛤壳”状或折叠机体型电话。此电话代表先进入机工程设计的无线电话，用在无线通信系统，诸如上述蜂窝网系统和PCS系统。因为如从下面的讨论中可见，存在可采用本发明的多种无线装置和无线电话以及相关的物理结构(包括这个和其他类型或款式)，所以这些电话仅用于说明。
在图1a和1b中示出电话100具有主外壳或机体102，以支承鞭状天线104和螺旋状天线106。一般将天线104安装得中心轴与天线106的相同，从而当拉开时通过螺旋状天线106的中央伸出，虽然固有的操作不需要这样。制造这些天线，使其具有适合所关注频率或用这些天线的具体无线装置所用频率的长度。在相关技术中已知和理解它们的特定设计。
还示出外壳102的正面支承扬声器110、显示板或屏幕112、键盘114和麦克风或麦克风开口116以及连接器118。在图1b中，天线104位于在使用无线装置期间一般遇到的伸长位置，同时在图1a中，示出天线104被收缩在外壳102中(由于视觉角度没有看见)。此外，在该图中可见的是安装在无线电话的上部分中的电池或电源组120。
如上所述，鞭状天线104具有若干缺点。一个是当使用中拉开时，因碰到其他元件或表面而受到损坏。天线104还以诸如妨碍设置新性能用元件的方式，耗费内部空间，不合需要。此外，天线104需要当收缩时外壳尺寸最小，而现在它却是非常大。天线106还会碰到其他物体或表面，而且不能被收缩到电话外壳102内。此外，天线还易受到手握或由于与装置用户的手接触引起的谐振频率偏移的影响。
只为了说明清楚和方便，根据该典型无线电话，描述本发明。无意将本发明限制在这种典型环境中的应用。在读取下面的描述之后，对于熟悉本技术领域的人员，如何在另一种环境中实施本发明是很明显的。实际上，显然可以在其他无线通信装置中利用本发明，诸如(但不局限于)具有无线通信能力等并具有一些非衬底天线的便携式传真机和计算机。
典型的无线电话具有一般在一块或多块电路板上支承的多种内部元件，以执行所需的多种功能。图2a和2b用来说明典型的无线电话的一般内部结构。图2a示出从一侧观看如图1b所示的电话的截面，以示出如何在外壳102中支承电路或构件。图2b示出从背面，即键盘的反面，看到的相同电话的剖面，以示出一般外壳102中都有的电路或构件的关系。
在图2a和2b中，示出电路板202在支承各种元件(诸如，集成电路或芯片204、分立元件206(诸如，电阻器和电容器)和各种连接器208)的外壳102的内部。一般将面板显示器和键盘安装在板202的背面，同时电线和连接器(未图示)将扬声器、麦克风或其他类似元件连接在板202上的电路。将天线104和106位于一侧，并运用特殊导线接续器、夹子或金属箍和用于该目的的导体或电线216，连接到电路板202上。
在典型的电话中，在螺旋状天线106的底部运用金属箍214，以将天线安装在外壳102的适当位置上。安装鞭状天线以在螺旋状天线内滑动，在运用顶部的宽尖头和底部的扩展部分218来限制它在螺旋天线106内移动。天线104的扩展部分218还是导电的，而且当拉开天线时，一般与金属箍214电气接触。通过导体式电线216将信号传到金属箍214，并通过扩展部分218到天线106。
通常外壳102中运用预定数量的支柱或支架210来将电路板或其他构件安装在外壳内。还可用一个或多个支承脊或凸耳211来支承电路板。这些支柱可形成为外壳部分(诸如通过塑料注射成型)，或者固定在适当的位置上(诸如通过粘合剂或其他已知机构)。此外，还有典型的一个或多个附加固定柱212用来承受螺丝钉、螺栓或类似紧固件213来将外壳102的各部分相互固定。即，运用多个部件或主体部分和在电子器件上的护盖来制造外壳102。然后用固定柱212承受元件213将外壳部分固定在一起。本发明易于容纳或考虑多个柱210或212，同时还提供很有效的内部天线设计。
如在图2b的放大图中所示，一般将电路板202制成多层电路板，它具有几个粘合在一起的导体和电介质衬底的交替层，以形成相当复杂的电路互连结构。在现有技术中已知并理解这种电路板。作为整个结构的部件，板202至少具有一个，有时多个接地层或接地面，形成在最底层表面上或者被嵌入电路板的中间位置上。
已认识到，由于在无线装置中的天线激励接地面电流的方式，所以能用小型且较紧致的天线单元来代替大型且不大实用无效的天线，假设将它设置在相对于无线装置的接地面的适当位置。这导致产生和发展衬底天线，如在上述待批申请中所述。
在图3a-3c的俯视图和侧视图中示出典型的衬底天线300。在图3a和3b中，衬底天线300包括导电线条302(也将它称为带状或延长导体)、电介质支承衬底304和信号馈送区域306。可将导电线路制成电气串联在一起的多根线条，以形成所需的天线辐射器结构。在或接近衬底304的一端的信号馈送区域306中，将线条302电气连接到导电垫308。
用电介质材料或电介质基片(诸如，电路板或用于这种用途的柔性材料)制成衬底304。例如，可用小型玻璃纤维印刷电路板(PCB)。熟悉电子设备和天线设计技术领域的人员对于可购得的各种产品十分熟悉，其中根据所需电介质特性或天线带宽特性，用上述各种产品可制成适当的天线衬底。
由导电材料(例如，铜、黄铜、铝、银或金或已知在制造天线单元中有用的其他导电材料或混合物)制成线条。这可包括嵌入可作为衬底的塑料或导电环氧物的导电材料。运用已知的技术可以沉积线条材料，其中已知技术包括例如，但不局限于，在电介质衬底上的导电材料的标准光学刻蚀；将导电材料镀在或沉积在衬底上；或运用粘合剂等将导电材料的薄片安装在支承衬底上。此外，可用已知涂敷或沉积技术来将金属或导电材料沉积在可按照需要定型的塑料支承衬底上。
线条302的长度主要确定衬底天线300的谐振频率，而且对具体工作频率适当地规定其尺寸。通常使用约为所关注频率的有效波长(λ)的四分之一的导电单元，一根或多根线条。熟悉本技术领域的人员容易认识到为了阻抗与相应发送或接收电路匹配，使长度稍大于或小于λ／4的好处。此外，诸如外露的电缆、电线或夹子等连接元件也影响天线的总长度，而且在选择线条尺寸时对它加以考虑，如已知的那样。
在无线装置能够以一个以上的频率进行通信的情况下，线条302的长度则根据那些频率的关系。即，可以容纳多个频率，假设各频率通过波长的分数相关。例如，一个频率的λ／4长度与第二个频率的3λ／4或λ／2相对应。在现有技术中已知运用多个频率的单辐射器的这种关系。
一根或多根线条302的总长度大约为λ／4，但是应理解线条可以折叠或者重定向，沿着它本身向后延伸，从而整个天线结构的长度大大小于λ／4。导体、支承衬底和总长度尺寸组合起来使得天线总尺寸比传统带状或嵌片天线的长度大大减小，从而使它更适合在个人通信装置中使用。例如，此结构与传统接地面微带天线相比，后者为了正常工作，其长度至少是λ／4。
如图3a和3c所示，将导电垫308定位在信号馈送区域306中，并电耦合或连接到线条302。一般，运用相同制造技术，可以单个结构用相同材料形成垫308和线条302，虽然并不需要这样。垫308仅需要与线条302电接触良好，以便进行信号传递，而没有对天线阻抗或性能产生负面影响。
在一些结构中，线条朝着离电路板或信号源或接收器的方向，而且将衬底定位在线条和电路板之间。这里，导电垫308不适当定位，以便易于从电路板直接接入，而不需要电线或其他导体在衬底周围伸展。这比需要的复杂。因此，如图3c所示，可在衬底的相对侧上使用第二接触垫(contact pad)310，而且用导电通孔通过衬底传递信号。
运用垫308(和310)将传馈信号耦合到衬底天线300，其中上述垫308(和310)允许通过“弹簧”型(或装弹簧的)触点或夹子进行方便的电气连接和信号传递，其结构在现有技术中已知。这通过消除人工安装专用连接器或触点结构，简化了无线装置的构成和制造。这还意味着当需要时(例如，维修、升级或改造时)，可方便地替换天线。如上所述，触点结构对于天线辐射器总长度有影响，因此在选择线条尺寸时应将它考虑在内。
信号馈源将来自电路板202上的信号处理单元或电路(未详细示出)的信号耦合到衬底天线300。注意，一般用“电路”或信号单元来指由包括接收机、发射机、放大器、滤波器、收发机等等信号处理电路提供的功能。
图4a-4e示出用于根据本发明形成天线300的线条几个其他实施例。在图4a中，示出线条302’作为沿着衬底304的长度延伸的单个薄导电带(大致示出)，而且在一端连接到圆形接触垫308或与圆形接触垫308一起形成，并具有在非接触端形成的放大或圆形部分402。该线条具有“八字试块”的形状。
在图4b中，形成线条302’’作为较长薄导电带，连接到另外的方形触垫308或与它一起形成。这里，导电带沿着衬底304的长度延伸。在图4c中，形成线条302＇’’，也沿着衬底304的长度伸展，并在非接触远端404附近折叠或弯曲，从而将它重定向为向后朝着接触垫。这允许天线的总长度比用于形成λ／4长度单元的线条的长度短。如下所述，应理解可在沿着不同方向重定向或折叠线条过程中使用多种模式或形状。例如，方角、圆带或其他形状均可用于该功能，而与本发明的主张无差异。在后折叠部分中的线条比在其他部分中的宽。如图4b和4c所示，增加的宽度为天线提供“大负载”或改善带宽，这在一些应用中十分有用。然而，本发明并不需要附加宽度。
在图4d中，线条302’’’’随着衬底的边缘呈现较复杂的形状，其中将衬底制成沿着一侧边缘有突出部或突起而沿着相对侧边缘有相应的嵌入部或凹陷。沿着衬底长度的这种突出和其他角度和凹陷用作与无线装置外壳和各种支承元件的侧面或外形吻合。即，将衬底304的边缘取为各种形状，以装配在外壳中。可修定边缘的形状以与外壳壁的相应变化紧密配合或定位在其周围，并围绕外壳壁的表面上的各凸部、伸出部、不规则部或已知突起物，或者甚至对需要在无线装置中设置的电线、导体和电缆留出空隙。衬底的侧面或边缘可采用各种圆形、正方形或其他形状以达到上述目的。注意，在后折叠的线条端部和衬底的边缘之间的空间406，该空间用作设置从天线边缘返回的线条。
此外，线条302(302’、302’’、302’’’、302’’’’)或衬底天线300的形状可在三维空间中变化。即，虽然一般将线条形成为平面形状，但是可弯曲或拱曲衬底或衬底表面，以容纳各种安装结构。即，由于它一般很薄但是强硬的本质，可将衬底制成弯曲的或拱曲结构、可变表面或仅通过在安装期间变形制成。对于熟悉本技术领域的人员很清楚，可在此三维空间下使用各种弯曲或拱曲。例如，衬底表面还可形成某种“蜿蜒”状。
图4e的正视图示出当用在图1的已构成并测试的电话中时的衬底天线的较佳实施例。这里，衬底304的总长度大约为52毫米，而线条宽度约1毫米。在这种结构中，无需后折叠一部分，而且宽度基本是一致的，而没有加宽。接触垫308和310(在相反表面上)是大约4．5×6mm正方形，带有一系列适当的导电通孔，它们延伸过衬底以将两者连接。运用玻璃纤维衬底，其厚度大约是1mm，而线条和垫大约是0．01mm厚。
在图5a和5b中，用衬底天线300代替天线104和106。图5a中示出电路板202包括多层导电材料和电介质材料，诸如铜和玻璃纤维，形成在现有技术中被称为多层板或多层印刷电路板(PCB)的结构。将这示为电介质材料层502在金属导电体层504之后，金属导电体层504在电介质层506之后，而电介质层506紧挨着或支承金属导电体层508。用导电通孔(未图示)来将在不同层上的各种导电体与在外表面上的构件互连。在任何给定层上的蚀刻图案确定该层的互连图。该结构中，层504或508可以形成接地层或接地面，因为如在现有技术中已公知，电路202共同参照该层。
将天线300安装在邻近于电路板202的位置，但是偏离接地面并与基本上垂直于接地面的衬底304一起放置。这种结构提供很薄的天线300轮廓，允许将它放置在十分有限的空间中，并邻近外壳102的表面。例如，可将天线300设置在固定柱或安装柱和外壳102侧面(顶部)之间，运用传统的微带天线设计可能不可获得。
作为一个选项，这种柱还可用来自动定位或支承天线300，无需要求附加支承结构或附件。这提供非常简单的安装结构或将衬底安定在适当位置的装置，减小了安装天线的劳动成本并有可能允许自动组装。在另一种方法中，运用托架或运用以用来制成外壳102壁的材料形成的柱、凸部、脊、槽、沟道，等等，可将衬底304固定在适当位置。即，当制造时，在装置壁内，模塑或者形成这种支承物，诸如通过注射成型法。在组装电话期间，当对支承元件插入衬底或把衬底插入这些元件之间或内部时，或运用附在它们上的紧固件，这些支承元件可将衬底固定在位置上。其他安装手段是运用粘合剂或带来将衬底固定在无线装置的侧壁或一些其他部分或元件上。
如图5b所示，可弯曲或拱曲衬底304以准确符合外壳形状或容纳无线装置中的其他元件、特征或构件。可以安装期间的这种形状或变形制作衬底。运用薄衬底允许安装时弯曲或拱曲衬底，导致衬底对邻近表面的张力或压力。这种压力一般用来将衬底固定在适当位置，而无需紧固件。于是，仅通过安装以适当位置固定的邻近电路板和护盖或外壳部分，就完成一些捕获。然而，为了本发明适当工作，在制造或安装过程中，无需变形或弯曲衬底。
运用弹簧触点或夹子516，将导电垫308定位在板202附近，或与它电耦合或连接。运用已知技术(诸如，焊接或导电粘合)，将弹簧触点或夹子安装在电路板202上。将夹子516一端电连接在适当的导电体或导电通孔，以对无线装置中所用要耦合到天线300的一个或多个所需发送电路和接收电路收、发信号。一般，夹子的另一端是自由浮动的，而且从电路板202向放置天线300的地方延伸。具体地说，将夹子516定位在线条516的接触垫308或310所在处。如图所示，将夹子弯成圆形或弓形，通过这种结构工作起来更加灵活和简单。然而，已知其他类型的夹子也很有用。一般，用诸如铜或黄铜的金属材料制成弹簧触点或夹子516，但是对于这种应用类型已知的任何可变形导电材料都会有信号衰减或其他所需触点特性，如在现有技术中已知的那样。
由于没有将天线300设置在接地面(诸如，层504)上或与它平行或紧挨着接地面，所以天线具有或保持很大辐射性电阻。这意味着可为天线提供适当匹配，而不会遭到大量损耗，即，天线具有良好的匹配阻抗。即使当天线300移到偏移电路板202的一侧的各位置(即，它侧移但不靠近板202)，也能保持这种效率。
通过将天线设置在接地面相对于外壳的边缘附近和上面或超出边缘，天线提供比传统鞭状天线充分的全向辐射图。天线的这种定位还意味着所得辐射图基本是是垂直极化的，如大多数无线通信装置所需的那样。
衬底天线的一个优点是它不要求去除一部分要安装或将其定位在适当位置上的接地面或电路板。大嵌片天线或无线单元要求很大的空间或面积，从而它们需要去除部分电路板或者电路，从而留下安装的空间。然而，有望本发明的主张通过减小噪声拾取并增加相关带宽，也改善这种其他类型的内部天线的工作。
有三个主要能量损耗影响着在无线装置中的天线300的工作。这些是由于用户手介质负载导致的阻抗失配损耗，用户头部吸收和用户手部吸收。这种能量吸收或失配损耗会降低性能。例如，手部或头部吸收会大大衰减无线装置用的信号，从而降低性能。
认为对于这些效果最敏感的一部分天线300是线条302的开路、非馈送、末端和邻近拱曲部分。这部分天线可设置或定位在电话外壳内，从而用户的手最少接触或保持与手的大量间隔。这种天线设计允许在无线装置中灵活设置，以使手吸收最小，而且更重要的是减小由于在天线附近出现手部或其他物体(除了需要这种位移之外)所产生的失配损耗。
为了减小手负载的影响、改善能量分布并提供其他优点，天线可具有紧挨着天线线条的导电屏蔽。对于一些应用，理想的是将导电屏蔽材料设置在衬底天线部分附近或周围。这产生了“屏蔽”衬底天线，其中通过建立零电流近场布局，将能量直接导向天线的远场辐射图，可改进辐射特性。通常将屏蔽作成设置在与天线线条平行的平面中或其上或下的导电材料层。一般这可通过运用附加电介质衬底或沉积在线条上的介质材料，然后将导电材料涂沉积或涂敷在它上面来完成。可用多种导电材料、形状、类型或尺寸来形成天线的屏蔽层或结构。在美国专利申请号09／059，605(发明名称为“屏蔽衬底天线”，作为参考资料在此引入)中揭示了这种天线。
为了进一步辅助减小天线尺寸或允许在外壳102中灵活安装，还可通过将导电材料定位或沉积在外壳或无线装置内的表面上，形成天线。即，在沿着外壳侧壁有相对清晰或无阻碍路径的情况下，可以沉积或在壁上直接形成线条。这在图6的剖面侧视图中示出，其中直接将线条302设置在作为支承衬底的外壳上。
在用到的一部分外壳壁是用金属涂敷或由金属或其他导电材料制成的情况下，可在外壳和线条302之间使用绝缘材料的中间层。在这种结构中，可在具有粘合剂背衬(backing)的材料薄层上形成具有所需线条结构的金属层，该背衬允许通过对外壳壁的简单施压，容易地将它安装在无线装置中。运用在现有技术中已知的“摘嵌”机，可使此安装步骤自动化。
然而，对于熟悉本技术领域的人员显而易见的是，将天线或导电材料相对于接地面的相对定位可与上述相同。
不幸的是，当在一些无线装置中使用时，诸如用于图1a-1b的电话时，存在衬底天线趋于具有低于所需增益的情况，可使无线装置成为对噪声“不敏感”并呈现不需要的能量分配模式。
将衬底和其他内部天线原本就定位在可导致天线拾取噪声或信号的多个信号源和导体附近。这要求无线装置不太敏感消除内部噪声拾取(增益减小)。因而，导致对所需通信信号也不太敏感。内部天线还允许将能量或辐射导向或耦合到装置或电路内的不需要的模式或方向，也减小可用天线增益。与此同时，能量耦合可导致从除了天线之外的其他元件沿着朝装置用户的方向不需要地辐射一些能量。
此外，虽然衬底天线呈现带宽改善，但是仍不断关注具有加大带宽的无线装置设计。这对在多个通信系统中、在多个国家或用多个频率的不同工作“模式”下用到的装置特别有用。
结果是虽然衬底天线是可定位得使手负载影响最小的内部天线，而且它比现有技术的天线的灵敏度低，但是需要做附加工作来减小失配损耗和噪声，同时带宽和增益全改善。为了解决在某些无线装置结构中存在的这些和其他问题，已产生与衬底天线组合工作的新寄生部件或嵌片。下面示出这种部件的构成和操作。
如图7所示，诸如图1a和1b所示的蛤壳或折叠型无线装置或电话700具有在选择连接头706固定在一起的上外壳段或部分702和下段或部分704。通过这种布局，一般用上部分702来支承或装电话扬声器110、显示器112(可能有)、电池或电源组120和告警装置(可能有)(未图示)，诸如振动器或专用声音信号装置模块，这些在现有技术中已知。
用软电缆、软线或非常精细、扁平或小型柔性导体或电缆在被安装在上部分702中的电池触点组710、扬声器110或告警元件和在下外壳部分704中的电路板202之间传递功率或信号。然而，在无线装置中用多种已知电缆或电线对各种已知单元往返传递这种信号元件，而不偏离本发明的主张。在这种传递中包含的信号是很低的功率和频率，而且一般对于电话操作或无线装置用户没有任何问题。根据应用和特定信号，这些信号可以是模拟或数字形式。
图7以扁平多导体软电缆712的形式示出一组上述的导体，从在板202正下方的位置跨过接头伸展到电池触点710和扬声器触点组714。不幸的是，这些导体至少在很靠近天线300的线条302的一端伸展。在如图7所示的实施例中，与对于如图2所示的被屏蔽并远离这些导体的鞭状天线的连接器或触点不同，将导体设置在靠近天线300的馈送部分并靠近夹子516的位置，该夹子实际上起到部分天线300的作用。这导致无线装置出现几个问题。
导体的这种定位允许由它们产生的电磁场与天线交互作用，其中天线捕获或“拾取”来自导体周围的场或从导体发出的一些能量。此外，可将来自其他源的信号强加在未屏蔽导体或由它拾取，并传递到靠近天线的区域。结果是在导体上穿行或由它拾取的至少一些信号传入天线。从这些导体耦合到天线上的信号会传递到无线装置的接收电路中，在那里将它们放大。这些不是有用通信信号而是噪声，因而不需要。即，会将预定供扬声器(110)用的输出音频信号、用于触发告警装置的命令或信号或者甚至来自电池导线的信号强加在天线(300)上。此外，一些其他信号可能被这些没有被屏蔽的导体截取，包括来自天线或发送电路的输出。
在任何情况下，在无线装置中必须忽略或抑制这种噪声。这要求或导致降低装置接收电路的灵敏度以顾及噪声。即，这种电路必须对低电平信号(噪声)不太灵敏，从而不放大这些噪声或将这些噪声反馈到剩余的处理电路。不幸的是，这还导致减小或降低检测或运用较低功率“真实”所需通信信号的能力。另一个远端效应是会要求通信系统运用较大的平均功率来接通一些无线装置，从而产生对其他系统用户的更大干扰，并减小整个系统的容量。
同时，在某种程度上，导体能够与有天线产生的场谐振，而且将小部分天线辐射或能置再引入导体中。虽然比起通过弹簧夹子触点516传递的能量或功率，该影响很小，但是它仍然可代表大量损耗，并通过几种方式影响无线电话的操作。首先，从天线再引入到电话的一些其他部分的能量代表通信的损耗功率。这转换成消耗有限资源(诸如，电磁)的更多功率，以便保持某一输出功率电平或预算资源，如在现有技术中指出的那样。这对通信质量和操作或电话可提供的备用时间都有潜在的影响。
因此，本发明改变将导体配置在天线周围或附近的方法，以便减小由天线辐射或通过导体传递到天线的能量。与衬底天线一齐工作，该技术增加了天线增益、无线装置接收灵敏度和天线带宽，改进了阻抗匹配并减小的不需要的辐射。
在图8a的俯视图和图8b的侧面剖视图中示出本发明的第一实施例。在图8a和8b以及下面的附图中，为了说明清除，只示出电路板202的轮廓。包括一系列导体的薄型的几乎扁平的线束或软电缆712从电路板202的下侧上的一个或多个导体延伸，或从该板的上表面延伸，这依赖于特定设计。熟悉本技术领域的人员对于这种导体组件以及与它相连的连接器非常熟悉。
线束712通过天线300末端附近，并沿上部分702的外表面通过。注意在线束712的上端附近，不同导体沿着不同方向或沿着不同路径延伸，从而连接到一个或多个电池触点710、扬声器触点714或用于传递其他类型的已知信号或电压的其他触点中的每个触点。在这种结构中，由于线束或电缆712贴近天线300通过，天线遭遇寄生噪声或噪声耦合到天线中。这意味着必须减小连接到天线的接收电路或处理元件的灵敏度，以减小噪声的影响。这导致相应减小或降低无线装置对通信信号的总灵敏度。已确定减小幅度在3-4dB的范围内，这是很明显的。
为了使在电缆712和天线300之间耦合的能量或耦合到电话机周围空中的能量最小或者阻止该耦合，用寄生部件或嵌片800来起到屏蔽元件的作用，或者改变电缆或导体的谐振或能量耦合特性。同时，寄生部件800用于将跨越天线300和电路板202的接地面之间的间隔、间隙或隙缝的电荷分开，这增加了在关注的功率下的天线有效面积或实际面积。这相应增加了天线300的增益和带宽。无线装置的增益增加大约0．8至1．5dB的范围。
通过运用电缆712将寄生部件寄生耦合到电路板202的接地面，可以进一步增加无线装置的增益和带宽。这可导致增益增加大约0．8至1．5dB。寄生部件和寄生耦合增加无线装置的带宽达至少大约0．5倍。另一方面，需要时，可用导体(诸如，电线908，下面进一步讨论)将寄生部件耦合到接地面。
用导体材料(诸如，铜、黄铜、铝、银、金或其他导电材料或在制造天线单元中有用的已知复合物)制造寄生部件或嵌片800。这可包括埋入塑料、树脂或导电环氧物的导电材料。
运用几种已知技术中的一种(诸如，但不局限于，将金属或导电材料沉积在塑料支承元件或安装在适当位置上的衬底上)，可以采用产生寄生部件的材料。在另一种方法中，可使用导电材料或金属薄片或金属箔，诸如通过带系或运用粘合复合物将它固定在适当位置上。可将材料本身形成为大小适度的薄金属带或“背粘标签”状材料，然后压在线束712上的适当位置上。即，运用各种已知方法(诸如粘合复合物或带)，将较薄且较柔软的部件固定在适当位置上。一般，特别是如果还将该嵌片安装在衬底上时，用夹子、螺丝钉或按扣固定较厚的材料或嵌片材料，以便于运输和移开嵌片维修线束712。还可以用标准电镀或其他沉积技术来将导电材料层涂敷在电缆以及无线装置外壳的表面上。这包括运用液体状的导电材料，与在讨论制造衬底天线时提到的相类似。
此外，虽然按单层导电材料说明嵌片单元，但是本发明并不局限于这种结构。例如，根据所拦阻的频率或能量幅度，可用多层材料来覆盖特定区域，或者获得寄生部件所需的总厚度。可利用多层获得特别复杂的形状或简化制造过程。还可将多层材料沉积在其他材料上(诸如，支承衬底)，或与其他材料交错。另一方面，在将嵌片或导电层定位在导体的相对侧或与它交错(这与将它定位在单侧上的相反)的地方用到多层。
安装寄生部件来覆盖至少大量电缆或线束。趋于不必按准确的比例覆盖电缆，而宁愿根据在给定应用中要阻止或要使之最小的能量耦合或重辐射。较佳的是，覆盖整个电缆，特别是在内部天线下面或附近的区域中。寄生部件的宽度至少是被覆盖的电缆或导体组的两倍，以便抑制与天线的场耦合。
熟悉本技术领域的人员知道对于给定无线装置设计他们需要抑制的噪声量，或者出现和应计算的噪声量从而获得装置的预选目标灵敏度值。他们还知道对于特定装置应用，需要增加有效天线面积的因倍数以及相应的增益和带宽。用这些因素来选择嵌片单元的特定尺寸。
在图8a和8b中，示出寄生嵌片800覆盖在接头706和电池触点710之间的整个区域。虽然这种布局是较佳的，因为它更可能起作用或具有理想的效果，但是要适当工作，或者改善无线装置的操作，嵌片并不总是要求那么大。
如图8a和8b所示的寄生部件采用矩形或正方形或整个轮廓。然而，只要覆盖适当量的电缆，嵌片单元800可采取多种其他形状或结构。在图9a-9d的平面图中示出图8a和8b的寄生嵌片单元的另一种实施例或结构。在图9a中，用圆圈或椭圆的形状示出寄生部件900；在图9b中，寄生部件902采用三角形；在图9c中，寄生部件904采用比较细长的形状，其边缘是圆形的；在图9d中，寄生部件906具有一系列较复杂的直线边和角度缘。
在上述每个附图中，示出寄生部件(800，900，902，904和906)连接到或耦合到无线装置的地。这里，该地位于电路板202上，而且是电路板202的接地面，但这不需要是唯一的情况。在图9a中，示出这种耦合为寄生，其方式为信号通过一根电缆耦合到地，该电缆与线束712一起伸展或形成线束712的一部分。在图9b、9c和9d中，示出这种耦合运用电线、电缆或类似导体908。在图9b中，导体908通过连接器910连接到电路板202中的接地面。在图9c中，导体908连到电池端子710的地线，而在图9d中，导体908通过线束712中的一个导体连接到电路板202中的接地面。可运用各种已知的连接技术或装置(诸如，但不局限于，焊接、导电粘合剂或封装复合物、线夹、接头片、压接材料或公知电连接器)，完成将寄生部件连接到接地导体908或线束712或板202。在一些应用中，导体可在一端具有接触表面，用无线装置中的紧固件、柱等将它简单地压在寄生部件上。从寄生部件要减小或消除的预期或预计信号的频率来看，也可以调节寄生部件800的面积或大小。
在图8a、8b和9a-9d中，示出寄生部件800相对于电话的正面和背面，设置在的线束或电缆上。即，在组装电话期间，首先将电缆或线束安装在适当位置，然后将嵌片单元定位在线束上。然而，可以先安装嵌片单元，再装线束。这具有使线束处于不必移开嵌片较能维修的好处。这还使电话制造期间较容易自动放置或沉积嵌片材料。
此外，虽然在图8a、8b和9a-9d中只示出一个嵌片单元，但是本发明并不局限于这种结构。例如，可用多个嵌片来覆盖其中辐射耦合最严重或较易于控制的特定区域。多个嵌片可用来获得特别复杂的形状，或者简化安装。另一方面，在将嵌片或导电层设置在导体的相对侧上(这与单侧相反)的情况下，还可用多个嵌片。
上述寄生嵌片单元的一个实施例用薄金属“背粘标签”的形式制造该嵌片单元，其大小大约是51mm乘41mm，而且设置在无线电话中的软电缆结构上。在电话中采用屏蔽衬底天线形式的内部天线，该衬底天线具有上面就图4d所讨论的尺寸。运用本发明的寄生部件的结果是将无线电话的增益大致增加2-3dB，而且天线带宽增加约0．8倍，或者增加约80％。此外，改善与连接到天线的其他元件的阻抗匹配，减小失配损耗。这些结果清楚地表示了新寄生嵌片单元减小噪声的影响，增加带宽并提供其他特性和效果，从而使得它在无线通信装置中十分有用。
在图5c的侧面图中可清楚地看见运用本发明的一个实施例的内部天线并去除鞭状天线104和螺旋状天线106的实体结构优点和结果。在图5c中，示出电话100’与图1b的电话相同，但它运用本发明而不是天线104和106。在该结构中，制成外壳102’没有一般关于外部天线的开口，提供更加美的外观。
提供前面对较佳实施例的描述，使得熟悉本技术领域的人员能够进行或运用本发明。对于熟悉本技术领域的人员，对这些实施例的各种变化是显而易见的，诸如所用到的无线装置的类型，而且可将这里限定的一般原理用于其他实施例，而不必进行创造性劳动。因此，本发明原本不限制在这里所示的实施例，而是要符合与这里揭示的原理和新颖性一致的最宽范围。
本发明所要求的权利是
权利要求
1．一种与在无线通信装置中的内部天线一起使用的寄生部件，其中所述无线通信装置具有一个或多个信号或功率传递导体或位于所述天线附近的信号馈源，其特征在于，包括设置在靠近所述天线的区域中的一个或多个所述导体附近的至少一个导电材料层，该导电材料层具有相对于所述导体的预选宽度，以及沿着所述导体的足以阻止在所述层的区域中在所述天线和导体之间耦合能量的预选长度。
2．如权利要求1所述的寄生部件，其特征在于，将所述导电材料层设置在一个或多个所述导体上或下。
3．如权利要求1所述的寄生部件，其特征在于，所述一个或多个导体在所述无线装置的预选信号处理单元和电源之间延伸，并有一部分处于紧挨着所述天线的位置上。
4．如权利要求1所述的寄生部件，其特征在于，包括至少两层导电材料。
5．如权利要求1所述的寄生部件，其特征在于，所述内部天线包括衬底天线。
6．如权利要求5所述的寄生部件，其特征在于，所述衬底天线包括被支承在具有预定厚度的电介质衬底上的一根或多根导电线条；将所述支承衬底安装在偏离所述无线装置涉及的接地面并一般与所述接地面垂直的位置上。
7．如权利要求1所述的寄生部件，其特征在于，所述预选宽度至少是所述导体的宽度的两倍。
8．如权利要求1所述的寄生部件，其特征在于，所述至少一层导电材料包括设置在靠近天线的所述导体上的薄导电材料嵌片。
9．如权利要求8所述的寄生部件，其特征在于，将所述嵌片寄生耦合到所述无线装置的所述接地面。
10．如权利要求8所述的寄生部件，其特征在于，所述嵌片具有大致矩形形状。
11．如权利要求8所述的寄生部件，其特征在于，所述嵌片具有大致圆形形状。
12．如权利要求8所述的寄生部件，其特征在于，所述嵌片具有大致三角形形状。
13．如权利要求8所述的寄生部件，其特征在于，所述嵌片具有复杂的几何形状。
14．如权利要求1所述的寄生部件，其特征在于，按尺寸使所述导电材料成形，以便通过改变所述导体的谐振特性或能量耦合特性，减小在所述导体和天线之间耦合的大部分能量。
15．如权利要求1所述的寄生部件，其特征在于，按尺寸使所述导体材料成形，以便按预选量增加所述天线的有效面积及其相应的增益和带宽。
16．一种增加在无线通信装置中的内部天线的增益和带宽的方法，其中所述无线通信装置包括位于所述天线附近的一个或多个信号或功率传递导体或信号馈源，所述方法包括将寄生部件定位在处于所述天线附近区域中的一个或多个所述导体附近。
17．如权利要求16所述的方法，其特征在于，将所述导电材料层定位在一个或多个所述导体上或下。
18．如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述寄生部件包括设置在一个或多个所述导体上的至少一个导电材料层，该导电材料层具有相对于所述导体的预选宽度，以及沿着所述导体的足以阻止在所述层区域中在所述天线和导体之间耦合能量的预选长度。
19．如权利要求16所述的方法，其特征在于，通过所述导体将所述寄生部件寄生耦合到所述无线装置的所述接地面。
20．如权利要求19所述的方法，其特征在于，将所述寄生部件耦合到所述无线装置的所述接地面增加该装置增益达大约2至3dB，并增加该装置带宽至少0．5倍。
21．如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述寄生部件至少包括两个导电材料层。
22．如权利要求16所述的方法，其特征在于，包括将所述寄生部件为薄导电材料嵌片。
23．如权利要求22所述的方法，其特征在于，包括形成具有大致矩形形状的所述嵌片。
24．如权利要求22所述的方法，其特征在于，包括使所述嵌片形成大致圆形形状。
25．如权利要求22所述的方法，其特征在于，形成具有大致矩形形状的所述嵌片。
26．如权利要求22所述的方法，其特征在于，包括形成具有复杂几何形状的所述嵌片。
27．如权利要求22所述的方法，其特征在于，包括形成至少具有所述导体的带宽的两倍带宽的所述嵌片。
28．如权利要求22所述的方法，其特征在于，包括将所述嵌片电连接到所述无线装置的地电位。
29．如权利要求16所述的方法，其特征在于，包括按尺寸形成所述导电材料，以便能改变所述导体的谐振特性或能量耦合特性，减小在所述导体和天线之间耦合的大部分能量部分。
30．如权利要求16所述的方法，其特征在于，包括按尺寸形成所述导电材料，以便按预选量增加所述天线的所述有效面积及其相应的带宽。
全文摘要
在无线装置(100,700)中与内部天线(300)一起使用的寄生部件(800,900)。一般,天线是衬底天线(300),具有一根或多根导电线条(302)被支承在衬底(304)上并安装在偏离无线装置涉及的接地面(504,508)的位置上。将一个或多个信号或功率传递导体、电缆或信号馈源(712)设置在紧挨着天线(300)的位置上,这些导体能够将信号耦合到拾取来自导体周围的场或从导体发出的能量的天线。另一方面,导体截取在天线(300)中传递的部分能量。寄生嵌片单元(800,900)采用设置在那些导体(712)附近、上面或下面的薄导电结构,通过改变导体的谐振特性或能量耦合特性减小在导体和天线之间耦合的大部分能量。寄生部件(800,900,902,904,906)禁止在导体和天线之间传递能量,从而增加总装置增益。此外,寄生部件和寄生部件到接地面的寄生耦合增加了无线装置的增益和带宽。可由多种材料以多种形状(800,900,902,904,906)制造寄生部件,并运用定位和安装薄导电金属材料层的多种已知技术安装。
文档编号H04B1/38GK1291360SQ99803185
公开日2001年4月11日 申请日期1999年2月18日 优先权日1998年2月20日
发明者P·H·西伊 申请人:夸尔柯姆股份有限公司