專利名稱：一種新型的用于移動(dòng)通訊設(shè)備的天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線移動(dòng)通訊設(shè)備領(lǐng)域，特別是涉及無(wú)線移動(dòng)通訊設(shè)備的天線領(lǐng)域。
傳統(tǒng)的平面帶狀天線，其電磁輻射的方向性太窄，一般適用于固定的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的通訊，不適用于通訊位置不斷改變的移動(dòng)通訊。
半導(dǎo)體集成電路工藝技術(shù)經(jīng)過(guò)不斷開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新，其集成度日益提高，體積日益縮??；使無(wú)線移動(dòng)通訊設(shè)備包括個(gè)人手提設(shè)備越來(lái)越小型化成為可能，這同時(shí)也符合設(shè)備使用者對(duì)移動(dòng)通訊設(shè)備的要求。但這些移動(dòng)通訊設(shè)備所必需的天線小型化的困難，延緩了使移動(dòng)通訊設(shè)備更進(jìn)一步小型化的發(fā)展速度。目前，小型無(wú)線移動(dòng)通訊設(shè)備如人們常稱作為手機(jī)和對(duì)講機(jī)的天線大多數(shù)仍采用傳統(tǒng)的拉竿式天線；為了減小拉桿式天線的空間尺寸，采用了在天線表面涂覆一層高介電常數(shù)的介電物質(zhì)層，或同時(shí)采用將天線制作成折疊形式，如F形或倒立L形，以便將天線的一部分封裝置入手機(jī)機(jī)殼內(nèi)，達(dá)到使機(jī)殼外暴露的天線縮小的目的。但上述方式分別由于介質(zhì)涂層的損耗及散射和電磁矢量的相互削弱都是以降低發(fā)射和接收天線的增益為代價(jià)，天線增益的降低必然會(huì)降低無(wú)線通訊設(shè)備的通訊質(zhì)量。雖然可通過(guò)提升通訊設(shè)備內(nèi)部的高頻電路來(lái)提高增益、降低噪聲或加大地面中繼站分布密度來(lái)部分彌補(bǔ)；但其不合理性是明顯的，乃是在沒(méi)有更優(yōu)越的方案時(shí)的變通方案。尤其是不適用于用于遠(yuǎn)距離通訊的在較大功率下工作的移動(dòng)通訊設(shè)備，如手提對(duì)講機(jī)、安全帽型對(duì)講機(jī)、飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦船及衛(wèi)星等的通訊領(lǐng)域。對(duì)這些設(shè)備來(lái)說(shuō)其通訊距離及電池壽命顯得尤其重要，因此在不高的發(fā)射功率下，不能單純地采用犧牲其天線增益來(lái)縮小這些設(shè)備的體積，這些強(qiáng)功率設(shè)備的天線更需要精心的設(shè)計(jì)，在空間體積相同的情況下提高天線增益及匹配，以使強(qiáng)大功率有效地發(fā)射出去，而不回饋到移動(dòng)通訊設(shè)備內(nèi)部而干撓移動(dòng)通訊設(shè)備正常工作。另外如飛機(jī)、導(dǎo)彈和衛(wèi)星等高速運(yùn)動(dòng)物體所用的通訊設(shè)備的天線越小越好，占用空間體積越小越好，這樣可減小高速運(yùn)動(dòng)物體的總體積并起到減小其飛行時(shí)的空氣阻力。還有一點(diǎn)需要關(guān)注的問(wèn)題是對(duì)大功率天線設(shè)備降低其天線輻射方向圖的后瓣電磁波是非常重要的，可以減小對(duì)通訊設(shè)備本身以及對(duì)設(shè)備使用者身體健康的不利影響。
本發(fā)明的目的是發(fā)明一種占有空間體積較小，又不降低天線增益的用于移動(dòng)通訊設(shè)備的天線。
本發(fā)明的另一目的是通過(guò)改變天線的空間形狀使其天線輻射方向圖后瓣的輻射得以屏蔽，降低對(duì)天線使用者的危害。
本發(fā)明技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種新的采用常規(guī)方法可鑲在移動(dòng)通訊設(shè)備通常具有的金屬外殼上的球面或曲面的帶狀天線，它利用移動(dòng)通訊設(shè)備的金屬外殼兼作為天線的接地層，在接地層上一定面積內(nèi)貼上低介電損耗的介電質(zhì)基片或薄膜，再在介電質(zhì)基片或薄膜上鑲上一層根據(jù)天線的適用范圍設(shè)計(jì)確定的特定構(gòu)造的金屬薄片或薄膜構(gòu)成天線輻射諧振器，該薄片或薄膜可以是簡(jiǎn)單平行于移動(dòng)通訊設(shè)備外殼表面的一小塊曲面(高頻段)，也可以是在該曲面上刻劃出不同圖案的帶狀金屬線，圖案為螺旋狀或海星狀，以便降低天線的工作頻率，如降低到VHF或UHF頻段上。最后通過(guò)同軸線饋線與移動(dòng)通訊設(shè)備相聯(lián)接，形成優(yōu)化的阻抗匹配及輻射方向圖。
本發(fā)明的發(fā)射及接收天線的優(yōu)點(diǎn)是利用移動(dòng)通訊設(shè)備本身外形具有曲面及球面特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)發(fā)射及接收天線，這樣做的結(jié)果是擴(kuò)展了天線的輻射方向，同時(shí)保留了平面帶狀天線后瓣輻射較小的優(yōu)點(diǎn)。曲面帶狀天線，它可緊貼在移動(dòng)通訊設(shè)備表面上，如安全帽型對(duì)講機(jī)表面上、飛機(jī)、導(dǎo)彈、汽車(chē)及艦船等金屬外表面上，天線本身不占有額外空間體積，也不需改變移動(dòng)通訊設(shè)備的原有形狀。另一突出優(yōu)點(diǎn)是，借助于移動(dòng)通訊設(shè)備巨大金屬外殼作為天線接地面，這樣做可屏敝天線反射，從而減少對(duì)人體及電路設(shè)施的電磁干撓，同時(shí)也沒(méi)有破壞移動(dòng)通訊設(shè)備本身可防風(fēng)防雨的密閉性。
下面結(jié)合附圖和最佳實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明；

圖1曲面帶狀天線的三維全2曲面帶狀天線側(cè)面圖及饋電示意3天線近電磁場(chǎng)分布圖及屏敝功能示意4天線諧振曲線5圓形天線諧振器示意6螺旋狀天線諧振器示意7海星狀天線諧振器示意圖各種不同圖案的帶狀天線都是基于傳統(tǒng)的平面微帶天線發(fā)展而來(lái)，他們各自有不同的應(yīng)用層次及通訊頻段。對(duì)本專利宣稱的三種不同種類的諧振器，即連塊曲面(圖5)、螺旋狀(圖6)、海星狀(圖7)，分別說(shuō)明。如果設(shè)定的通訊頻段較高，如微波或毫米波波段，或者載體得體表面積較大，如飛機(jī)、導(dǎo)彈頭等，那么就采用圖5的連塊曲面微帶天線。也就是說(shuō)，載體表面提供了足夠的空間供天線使用，沒(méi)有必要減小天線的尺寸。
相比之下，如果通訊頻率較低，如UHF、VHF頻段，而且載體如安全帽等的體表較小，那么就采用圖6的所示的螺旋狀微帶天線。這樣的盤(pán)旋結(jié)構(gòu)相對(duì)的減小天線的尺寸，使該類天線可應(yīng)用與相對(duì)小的運(yùn)動(dòng)通訊設(shè)備上。
如果頻段介于上述兩者之間，載體體表又不太小，那么可采用圖7所示的海星狀微帶天線，以便減小加工難度(與圖6的螺旋狀比較)。
總之，上述方案都具有傳統(tǒng)平面微帶天線的優(yōu)點(diǎn)，增益高，易加工等，同時(shí)又克服了平面微帶天線無(wú)法應(yīng)用于各種不同形狀的載體上，以及不同頻段上的缺點(diǎn)。上述各方案在不同應(yīng)用層面各具優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也有重疊應(yīng)用方面。
如圖1所示，以球面上(如安全帽上)的螺旋狀帶狀天線為例。曲面帶狀天線1通常由移動(dòng)通訊設(shè)備的金屬外殼兼作為接地面2，在接地面2上鑲貼上介電質(zhì)基片3，在此基片上加工完成特定圖案的金屬諧振器4構(gòu)成，最后通過(guò)同軸線饋線5與移動(dòng)通訊設(shè)備的電路系統(tǒng)相接。因接地面2直接由移動(dòng)通訊設(shè)備本身的金屬外殼擔(dān)當(dāng)，因而其形狀隨移動(dòng)通訊設(shè)備的不同而相應(yīng)改變。如安全帽型對(duì)講機(jī)可能是球面，導(dǎo)彈頭可能是拋物面，手機(jī)的接地面可能是多面體等。介電質(zhì)基片3可采用常見(jiàn)的電磁電介質(zhì)基片材料，如陶磁，石英，電路板(PCB)基片或者可以采用半導(dǎo)體材料，如砷化胛(GaAs)，硅(Si)等。金屬諧振器4的設(shè)計(jì)圖案、長(zhǎng)度、大小和形狀時(shí)決定發(fā)射和接收天線的諧振頻率點(diǎn)、增益及輻射方向圖的主要因素。根據(jù)移動(dòng)通訊設(shè)備的不同諧振器可以是圓形(圖5所示)、螺旋狀(圖6所示)、海星狀(圖7所示)，當(dāng)然也可以為三角形、四方形及多邊形等多種形狀。當(dāng)移動(dòng)通訊設(shè)備金屬外殼是多面體時(shí)，小型移動(dòng)通訊設(shè)備如手機(jī)或大型移動(dòng)通訊設(shè)備如飛機(jī)、艦船等；可采用同時(shí)裝置多個(gè)金屬諧振器4，多個(gè)金屬諧振器位于不同方位而組成陣列，最后通過(guò)商用得到或自制得合成器將金屬諧振器整體聯(lián)接至移動(dòng)通訊設(shè)備的電路系統(tǒng)。
天線的饋電最好采用如圖2所示同軸線饋電方式。在帶狀諧振器的中心或頂部饋電是較好的選擇。在饋電處穿一個(gè)和同軸線饋線5相應(yīng)大小的洞，這個(gè)洞要穿過(guò)介電質(zhì)基片3，同軸線內(nèi)導(dǎo)體6接入金屬諧振器4，而同軸線外導(dǎo)體7接到載體接地面2上，然后通過(guò)電焊把接頭焊牢，最后將接頭處磨光噴上油漆即可。
本發(fā)明的曲面帶狀天線的優(yōu)點(diǎn)之一就是圖3所示的電磁屏敝功能。電磁輻射9的能量主要分布在接地面2之外，其之內(nèi)的空間8中幾乎屏敝了電磁輻射。這樣大大降低了人體被輻射的影響，同時(shí)也提高了天線的工作效率。
圖4所示是曲型的天線諧振曲線10，其諧振頻率點(diǎn)11可通過(guò)設(shè)計(jì)不同尺寸，帶寬，線長(zhǎng)，以及基片的介電常數(shù)等來(lái)調(diào)整。
一般上講，在低頻端應(yīng)用時(shí)，為了減小天線尺寸，需要采用螺旋狀(圖6)或海星狀(圖7)的諧振器方案。這些帶狀線的寬度、長(zhǎng)度、及排密度都可變化來(lái)滿足不同設(shè)計(jì)的需要。所有的諧振器4根據(jù)品質(zhì)及成本所需，可采用金、銀、銅、或鋁等金屬材料。研究表明，帶狀線寬度的選擇主要影響天線的輸入阻抗，帶狀線越寬其阻抗越小，反之阻抗越大；帶狀線的寬度也影響天線的歐姆損耗，線寬越大，損耗電阻越小，天線的質(zhì)因子越佳，反之損耗將增大。
帶狀線的長(zhǎng)度是天線諧振頻率的決定因素，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，諧振頻率越低，反之諧振頻率越高。
帶狀線或陣列的排密度可影響天線方向圖以及其近場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)的電磁分布。
以上各種因素對(duì)天線品質(zhì)及功能的影響均可利用嚴(yán)格的電磁理論或商用軟件如HFSS加以分析及設(shè)計(jì)。
實(shí)施例1本發(fā)明的用途之一在保安及軍事用途的通訊對(duì)講機(jī)，有了這種的鑲在安全帽上的帶狀天線，可將整個(gè)對(duì)講機(jī)置入安全帽內(nèi)。將對(duì)講機(jī)分坼成電路及電池兩部分，平衡地置入安全帽的對(duì)稱兩側(cè)。然后再外接本發(fā)明的鑲在安全帽上帶狀天線，再配上免提麥克風(fēng)及耳機(jī)，可實(shí)現(xiàn)免提通訊對(duì)講機(jī)系統(tǒng)。本發(fā)明的天線用于該置入安全帽內(nèi)的對(duì)講機(jī)系統(tǒng)，具有明顯優(yōu)點(diǎn)使天線位置處在人體使用的最高點(diǎn)，可提高其通訊半徑，安全帽也屏敝了大功率電磁波(典型的幾瓦或以上)對(duì)人體大腦的不利影響。
實(shí)施例2本發(fā)明的天線也可鑲鉗在飛機(jī)頭部、導(dǎo)彈頭、艦船頭部或其它運(yùn)動(dòng)載體的金屬外殼表面乃至手機(jī)的頂部及側(cè)部。通訊頻率根據(jù)不同的應(yīng)用，可能是多樣的高頻(VHF，UHF)、射頻(RF)、微波或毫米波頻段。但對(duì)本發(fā)明來(lái)講，對(duì)不同的頻段的應(yīng)用，其天線設(shè)計(jì)原理是一樣的，不同的只是設(shè)計(jì)不同的天線諧振器，及不同阻抗匹配的天線饋線。
權(quán)利要求
1． 一種新型的用于移動(dòng)通訊設(shè)備的天線，由曲面帶狀天線(1)，移動(dòng)通訊設(shè)備金屬外殼兼作的接地面(2)，接地面(2)上鑲貼上的介電質(zhì)基片(3)，介電質(zhì)基片(3)鑲貼上的金屬諧振器(4)及捋接地面(2)和金屬諧振器(4)分開(kāi)連接到移動(dòng)通訊設(shè)備的電路系統(tǒng)的同軸饋電線(5)組成。
2． 如權(quán)利要求1所述的天線，其金屬諧振器(4)在移動(dòng)通訊設(shè)備的金屬外殼上的各方位制成獨(dú)立單元然后連接成整體的陣列天線。
3． 如權(quán)利要求1所述天線，其金屬諧振器(4)可以由金、銀、銅、鋁等金屬薄片鑲成或鍍膜制成。
4． 如權(quán)利要求1所述的天線，其金屬諧振器(4)的形狀可以是蜘蛛網(wǎng)狀、海星狀、圓形、三角形、四方形、多邊形等平面或曲面或帶狀線。
5． 如權(quán)利要求1所述的天線，其金屬諧振器(4)的尺寸、形狀、帶寬、帶長(zhǎng)等可調(diào)整，以滿足不同頻段的通訊用途。
6． 如權(quán)利要求1所述的天線，其介電質(zhì)基片(3)的材料可以是任何固體的低損耗的電磁介質(zhì)或半導(dǎo)體材料。
7． 如權(quán)利要求1所述的天線，可鑲在安全帽上、飛機(jī)頭部、導(dǎo)彈頭、艦船表面、手機(jī)的頂部及側(cè)部或其它移動(dòng)通訊設(shè)備的金屬外殼表面。
8． 如權(quán)利要求1所述的天線，其應(yīng)用的通訊頻率是高頻(VHF,UHF)、射頻(RF)、微波或毫米波頻段。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種新型的用于移動(dòng)通訊設(shè)備的天線,采用常規(guī)方法可鑲在移動(dòng)通訊設(shè)備通常具有的金屬外殼上的球面或曲面的帶狀天線,它利用移動(dòng)通訊設(shè)備的金屬外殼兼作為發(fā)射和接收天線的接地層,在接地層上一定面積內(nèi)貼上低介電損耗的介電質(zhì)基片或薄膜,再在介電質(zhì)基片或薄膜上鑲上一層根據(jù)天線的適用范圍設(shè)計(jì)確定的特定構(gòu)造的金屬薄片或薄膜構(gòu)成天線輻射諧振器,該薄片或薄膜可以是簡(jiǎn)單平行于移動(dòng)通訊設(shè)備外殼表面的一小塊曲面(高頻段),也可以是在該曲面上刻劃出不同圖案的帶狀金屬線,擴(kuò)展了天線的輻射方向,同時(shí)保留了平面帶狀天線后瓣輻射較小的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01Q1/38GK1323077SQ00112919
公開(kāi)日2001年11月21日 申請(qǐng)日期2000年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月10日
發(fā)明者鄧天權(quán) 申請(qǐng)人:鄧天權(quán)