專利名稱：印刷單極天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于輻射和接收電磁信號的單極天線，并特別涉及一種包括導(dǎo)電元件的印制單極天線，該導(dǎo)電元件確定擴(kuò)展接地平面，以防止一部分印制單極輻射元件的電流輻射。
對于便攜式無線電設(shè)備、蜂窩式電話、和其它通信設(shè)備，已發(fā)現(xiàn)垂直于導(dǎo)電表面安裝的單極天線提供一種具有極好的輻射特性、所需的激勵點阻抗、和相當(dāng)簡單的結(jié)構(gòu)的天線。然而，如與偶極天線相比較，單極天線的尺寸較小并可以看作一個不對稱偶極天線，其中單極輻射元件是一個元件和無線電設(shè)備外殼等是另一個元件。因為減小尺寸是所希望的特性，在由Eberhardt等人提出的美國專利5,231,412中公開的某種單極設(shè)計，例如螺旋結(jié)構(gòu)已被采用。這時輻射元件的機(jī)械尺寸遠(yuǎn)小于相應(yīng)的直線輻射器，而呈現(xiàn)出相同的有效電長度。
盡管如此，由于輸入阻抗對頻率的變化，所以，機(jī)械尺寸的減小使天線的工作輻射帶寬減小。該帶寬的減小是由因較小天線尺寸引起的較低輻射電阻和產(chǎn)生高Q和低輻射帶寬的大存儲能量的結(jié)合所造成的。為了克服工作輻射帶寬減小的這個問題，已發(fā)現(xiàn)圍繞單極輻射元件的套管可以擴(kuò)展接地平面，并因此在沿輻射元件的指定位置上產(chǎn)生一個有效饋電點。由Takahashi提出的美國專利5,321,412和日本專利53-82246中可見，接地平面的擴(kuò)展具有擴(kuò)展輻射帶寬的作用。
雖然螺旋輻射元件和圍繞其的相應(yīng)套管對其預(yù)定用途來說通常是有效的，但是，要在嚴(yán)格的公差要求內(nèi)制造這種天線是很難的。然而，即使這種天線已經(jīng)能減小其機(jī)械尺寸，它們卻具有會增加其直徑的不良影響。因此，最好研制一種單極天線，該天線可減小其整體尺寸，而不是機(jī)械尺寸，以及可用很精密的方式進(jìn)行生產(chǎn)。因而，最好是需要一個電抗元件的這種單極天線，該電抗元件被設(shè)置成僅與一部分輻射元件的一側(cè)鄰接，由此消除了對圍繞輻射元件所需要的這種電抗元件。
按照上文，本發(fā)明的目的是提供一種具有使工作輻射帶寬增加的構(gòu)形的單極天線。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有使其總體尺寸減小的構(gòu)形的單極天線。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種具有一個電抗元件的單極天線，該電抗元件擴(kuò)展接地平面，使電抗元件的尺寸減至最小。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種能在極嚴(yán)格的公差內(nèi)構(gòu)成的單極天線。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有出于確定擴(kuò)展接地平面的電抗元件的末端的有效饋電點的單極天線。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種在印制電路板上構(gòu)成的印制單極天線。
本發(fā)明的還有一個目的是提供一種其中輻射元件被構(gòu)成其機(jī)械長度比電長度小的印制單極天線。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種可在兩個單獨頻帶寬度內(nèi)工作的印制單極天線。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種在第一帶寬內(nèi)的一個頻率上作為半波長天線和在第二帶寬內(nèi)的一個頻率上作為1/4波長或半波長天線工作的印制單極天線。
通過下面結(jié)合附圖的說明，本發(fā)明的這些目的和其它特征將變得顯而易見。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，被公開的一種印制單極天線具有帶有第一側(cè)和第二側(cè)的印制電路板、包括形成在印制電路板第一側(cè)的第一導(dǎo)電線的單極輻射元件，和包括形成印制電路板第二側(cè)的第二導(dǎo)電線的導(dǎo)電元件。導(dǎo)電元件確定擴(kuò)展接地平面，以防止來自與第二導(dǎo)電線一致的第一導(dǎo)電線的那部分的電流的輻射。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，被公開的一種印制單極天線具有帶有第一側(cè)和第二側(cè)的印制電路板、包括形成在印制電路板兩側(cè)之一的第一導(dǎo)電線的單極輻射元件和包括形成在與第一導(dǎo)電線相同的印制電路板側(cè)的第二導(dǎo)電線的導(dǎo)電元件。第二導(dǎo)電線可在第一導(dǎo)電線的任一側(cè)或兩側(cè)形成，確定擴(kuò)展接地平面，以防止來自與第二導(dǎo)電線一致的第一導(dǎo)電線的那部分的電流的輻射。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，第三導(dǎo)電線形成在鄰接印制電路板的任一側(cè)，或在印制電路板第一側(cè)與第一導(dǎo)電線鄰接，以便使印制單極天線工作在兩個單獨頻帶寬度內(nèi)。換句話說，寄生元件可設(shè)置在電抗元件的相反端的印制電路板第二側(cè)，以使印制單極天線雙頻帶工作。
盡管本發(fā)明的包括權(quán)利要求的說明書中已作出特別地指示和清楚地要求，但相信從下面結(jié)合附圖的描述中對本發(fā)明會有更好理解，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明印制單極天線的左側(cè)視圖；圖2是圖1所示的印制單極天線的右側(cè)視圖；圖3是圖1和圖2所示的印制單極天線的部件分解透視圖；圖4是圖1和2所示的、在已全模制以后安裝在無線收發(fā)信機(jī)上的印制單極天線；圖5是本發(fā)明的印制單極天線的替換實施例的左側(cè)視圖；圖6是可工作在兩個單獨頻帶內(nèi)、在那里的輻射元件是形成在單獨印制電路板上的兩個導(dǎo)電線的印制單極天線的部件側(cè)視圖；圖7是對于可工作在兩個單獨頻帶內(nèi)，輻射元件是形成在單個印制電路板上同一側(cè)的兩個導(dǎo)電線的印制單極天線的替換構(gòu)形的部件側(cè)視圖；和圖8是對于可工作在兩個單獨頻帶內(nèi)，輻射元件是形成在印制電路板的一側(cè)的單個導(dǎo)電線，它是通過在印制電路板的相反側(cè)的寄生元件調(diào)諧的印制單極天線的另一個替換構(gòu)形的部件側(cè)視圖。
現(xiàn)在詳細(xì)地參照附圖，其中相同的標(biāo)號表示所有的圖的相同元件，圖1-4表示無線收發(fā)信機(jī)、蜂窩電話、和具有單個工作頻率帶寬的其它個人通信設(shè)備所利用的該類印制單極天線10。如圖1-3所見的，印制單極天線10包括印制電路板12，它最好是具有第一側(cè)14(圖1)和第二側(cè)16(圖2)的平面構(gòu)形。應(yīng)注意的是，印制單極天線10包括以形成在印制電路板12的第一側(cè)14的第一導(dǎo)電線18的形式的單極輻射單元。此外，以第二導(dǎo)電線20的形式的導(dǎo)電線被形成在印制電路板12的第二側(cè)16。第二導(dǎo)電線20確定擴(kuò)展接地平面21(用虛線表示的)，以防止印制單極天線10在與第二導(dǎo)電線20一致的第一導(dǎo)電線18的那部分上的電流輻射。以這種方式，沿擴(kuò)展接地平面21來確定印制單極天線10的有效饋電點22。
更具體地說，起支承表面作用的印制電路板12被優(yōu)選地確定容納第一導(dǎo)電線18的尺寸。因此，印制電路板12包括鄰接天線10的饋電端26的第一矩形部分24和從第一矩形部分24遠(yuǎn)離饋電端26延伸的第二矩形部分28。也可理解為，印制電路板12是由介質(zhì)材料，而最佳是由軟性介質(zhì)材料制成的，以便允許某種程度的撓曲和彎曲，而不會斷開。軟性介質(zhì)材料可被采用的例子包括由導(dǎo)電材料(例如銅)和導(dǎo)電印制劑組成的聚酰胺和聚脂薄膜。
對于印制單極天線10的輻射元件，第一導(dǎo)電線18是通過薄膜照相成象處理或者其它已知技術(shù)形成在印制電路板12的第一側(cè)14。由于該設(shè)備可用來完成這個任務(wù)，允許精確尺寸和設(shè)計公差。第一導(dǎo)電線18沿著印制電路板12的構(gòu)形可以是線性的，但是，最好是至少其一部分是非線性的，如用標(biāo)號30所示的。在這一點上，第一導(dǎo)電線18具有帶有饋電端32和相反端34的機(jī)械長度l1。饋電端32可直接與用于無線電收發(fā)信機(jī)、蜂窩式電話，或其它通信設(shè)備的主控制電路連接，最好是與饋電端口38(例如同軸接頭)的信號饋電部分36耦合。
如圖1和3可見的，第一導(dǎo)電線18的非線性部分30具有曲柄或方波類型構(gòu)形。因此，非線性部分30具有可稱之為占空因子40的部分，它是由相鄰的曲柄前沿確定的(參見圖3)。當(dāng)圖1和3所示的占空因數(shù)40基本上保持常數(shù)時，根據(jù)特定應(yīng)用的要求可改進(jìn)在曲柄之間的實際距離，以及所采用的圖案。由此可見，第一導(dǎo)電線18可被構(gòu)形成具有一電長度基本上等于所需的天線工作的中心頻率的1/4波長或1/2波長，以及任何其它尺寸。由本發(fā)明的受讓人所有的并與此同時提出的題目為“電長度比其機(jī)械長度長的天線”的專利申請中能找到導(dǎo)電線的更詳細(xì)的設(shè)計，并由此引入作為參考。
對于形成在印制電路板12的第二側(cè)16的第二導(dǎo)電線20，應(yīng)該注意，它具有一個從接地端42延伸到相反端44的機(jī)械長度l2(參見圖3)?？衫斫鉃?，第二導(dǎo)電線20的機(jī)械長度l2確定其中擴(kuò)展印制單極天線10的接地平面的距離。因此，在其相反端44，設(shè)置印制單極天線10的擴(kuò)展接地平面21和有效饋電點22。本發(fā)明的特征在于，第二導(dǎo)線20用來增加帶寬，在該帶寬內(nèi)第一導(dǎo)線18將呈諧振。例如，已經(jīng)實現(xiàn)約一個倍頻程的頻帶(即頻帶的高端大約是頻帶低端的兩倍)。這就是在中心頻率的5～10％之間范圍內(nèi)當(dāng)前實現(xiàn)的顯著的帶寬改進(jìn)。而且，可以認(rèn)為，增加帶寬不必等分布在諸如當(dāng)天線的尺寸接近于中心頻率的1/2波長時的中心頻率的較高和較低的頻率上。
第二導(dǎo)電線20的接地端42優(yōu)選地連接到饋電端口38的接地部分46。因此，應(yīng)該注意，第二導(dǎo)電線20的接地端42鄰接第一導(dǎo)電線18的饋電端42。第二導(dǎo)電線20顯示為完全形成在印制電路板第二側(cè)16的第一矩形部分24內(nèi)(雖然第二導(dǎo)電線20能延伸到印制電路板12的第二矩形部分28)，在那里它起到防止從與其一致的第一導(dǎo)電線18的非線性部分30的電流輻射的作用。雖然沒有示出，第二導(dǎo)電線20也能環(huán)繞在印制電路板12的饋電端周圍和延伸到其第一側(cè)14。因此，由于印制單極天線10的平面構(gòu)形，所以減小了輻射元件(第一導(dǎo)電線18)的機(jī)械長度，以及導(dǎo)電元件(第二導(dǎo)電線20)的整個尺寸。
如眾所周知的，天線的輻射元件的電長度決定了所需天線工作的中心頻率。雖然第一導(dǎo)電線18的電長度可以等于在它具有線性構(gòu)形時其機(jī)械長度l1，可理介為，當(dāng)它包括諸如用30表示的非線性部分時，第一導(dǎo)電線18的電長度將比機(jī)械長度l1長。優(yōu)選地，第一導(dǎo)電線18將具有一個相應(yīng)于所需中心頻率的1/4波長或1/2波長的任一個的電長度。為了對印制單極天線10的寬帶工作提供阻抗匹配，通常針對50歐姆，因此第二導(dǎo)電線20的電長度是相對于第一導(dǎo)電線18的電長度確定尺寸的。
如圖4可見，印制單極天線10例如通過饋電端口38與無線電收發(fā)信機(jī)48耦合的。為了保護(hù)印制單極天線10免受環(huán)境因數(shù)影響，以及提供美觀的外觀，優(yōu)選的是，印制單極天線10是用橡膠模壓包覆其外部的，或者按另一種方式，用具有低介質(zhì)損耗的模壓材料來包復(fù)它。對于印制單極天線10的更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)，參見由本發(fā)明的受讓人所有的、與此同時提出的題目為“制造一種印制天線的方法”的專利申請，并由此引入作為參考。
如圖5可見，第二導(dǎo)電線20也可被形成在鄰接第一導(dǎo)電線18的印制電路板12的第一側(cè)14。第二導(dǎo)電線20將起先前在圖1-3表示的實施例中所描述的作用，以形成印制單極天線10的擴(kuò)展接地平面21和虛擬饋電點22。雖然描述為對圖5中第一導(dǎo)電線18的每側(cè)進(jìn)行配置的，應(yīng)理解為，第二導(dǎo)電線20也可僅對其一側(cè)進(jìn)行配置。
為了使印制單極天線10工作在雙頻帶內(nèi)，可配置以第三導(dǎo)電線50形式的第二輻射元件，如在本發(fā)明的受讓人所有的、與此同時提出的題目為“多頻帶印制單極天線”的專利申請中更詳細(xì)描述的那樣，該申請被引入作為參考。如由圖6可見，第三導(dǎo)電線50被形成在第一導(dǎo)電線18相反的第二印制電路板52的一側(cè)54上。優(yōu)選地，第三導(dǎo)電線50的機(jī)械長度l3基本上等于第一導(dǎo)電線18的機(jī)械長度l2。然而，由它完全具有線性結(jié)構(gòu)，可見第三導(dǎo)電線50的電長度比第一導(dǎo)電線18的電長度要短。為了更好地分開由第一導(dǎo)電線18和第三導(dǎo)電線50輻射的各自的頻帶，第一導(dǎo)電線18可完全具有一個非線性結(jié)構(gòu)(例如，在此所公開的曲柄或方波類型)，分別在第一和第三導(dǎo)電線18和50的各自電長度中提供有很大差別。關(guān)于這一點，可優(yōu)選第一導(dǎo)電線18，它將諧振在較低頻帶內(nèi)，具有一個等于第一所需的中心頻率的1/2波長或1/4波長的電長度，和第三導(dǎo)電線50，它將諧振在較高頻帶內(nèi)，具有一個等于第二所需中頻的1/2波長的電長度。
由圖6和7可見，第一導(dǎo)電線起直接連接到無線電收發(fā)信機(jī)、蜂窩式電話、或其它通信設(shè)備的主要輻射元件的作用。第二導(dǎo)電元件20執(zhí)行導(dǎo)電元件的作用，提高在由第一和第三導(dǎo)電線18和50輻射的兩個頻率內(nèi)的性能。由于第三導(dǎo)電線50的存在對第一導(dǎo)電線18起很小作用，就可實現(xiàn)對于工作的兩個頻帶的最佳響應(yīng)。
圖7表示可工作在雙頻帶上的印制單極天線10的替換構(gòu)形，并在引入作為參考的題目為“多頻帶印制單極天線”的上述專利申請中予以更詳細(xì)地描述。如其中所見的，第三導(dǎo)電線50鄰接第一導(dǎo)電線18被設(shè)置在印制電路板12的第一側(cè)14。除了設(shè)置在鄰接到第一導(dǎo)電線18的相同的印制電路板以外，第三導(dǎo)電線50具有與如上所述的相同的機(jī)械性能和在相同方法中的功能。
對于工作在兩個單獨頻帶的印制單極天線10的另一個替換構(gòu)形示于圖8，并在由本發(fā)明的受讓人所有的、與此同時提出的題目為“多頻帶印制單極天線”的另一個專利申請中予以詳細(xì)描述，由此引入作為參考。關(guān)于這一點，寄生元件56在第二導(dǎo)電線20的相反端提供在印制電路板12的第二側(cè)16。諸如銅帶之類的寄生元件56用于調(diào)諧第一導(dǎo)電線18的二次諧振，以致于產(chǎn)生第二頻帶(而不是由第一導(dǎo)電線18在一次諧振時輻射的整數(shù)倍頻帶)?？衫斫鉃?，圖8采用寄生元件56的構(gòu)形是根據(jù)如上所述的相同印制單極天線，如用圖6和7所描述的構(gòu)形表示的。
已表示和說明了本發(fā)明的最佳實施例，對本專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，印制單極天線的進(jìn)一步改進(jìn)可用適當(dāng)?shù)母男蛠韺嵤?，而不脫離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種印制單極天線，包括(a)具有第一側(cè)和第二側(cè)的印制電路板；(b)包括形成在所述的印制電路板第一側(cè)的第一導(dǎo)電線，所述的第一導(dǎo)電線具有從饋電端到相反端的機(jī)械長度；和(c)包括形成在所述的印制電路板鄰接所述第一導(dǎo)電線的第二導(dǎo)電線，所述的第二導(dǎo)電線具有從接地平面到相反端的機(jī)械長度；其中所述的第二導(dǎo)電線確定擴(kuò)展接地平面，防止在與所述的第二導(dǎo)電線一致的所述的第一導(dǎo)電線的那部分上的電流輻射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的印制單極天線，其中所述的第二導(dǎo)電線被形成在所述的印制電路板第二側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的印制單極天線，其中所述的第二導(dǎo)電線被形成在所述印制電路板的第一側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的印制單極天線，其中所述的第二導(dǎo)電線的所述相反端確定所述第一導(dǎo)電線的有效饋電點。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的印制單極天線，其中所述的印制電路板由軟性介質(zhì)材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的印制單極天線，其中所述第一導(dǎo)電線的電長度確定在第一頻帶內(nèi)天線工作的中心頻率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的印制單極天線，其中所述第二導(dǎo)電線的電長度確定對所述天線的寬帶阻抗的阻抗匹配。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的印制單極天線，其中所述的印制電路板、所述的第一導(dǎo)電線，和所述的第二導(dǎo)電線是全模制的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的印制單極天線，其中至少所述第一導(dǎo)電線的一部分是非線性的，由此所述的第一導(dǎo)電線的所述機(jī)械長度比所述的第一導(dǎo)電線的電長度短。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的印制單極天線，其中所述的第一導(dǎo)電線的所述非線性部分具有方波構(gòu)形。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的印制單極天線，進(jìn)一步包括；包括信號饋送部分和接地部分的饋電端口，所述的信號饋送部分與所述第一導(dǎo)電線的所述饋電端耦合和所述的接地部分與所述第二導(dǎo)電線的所述接地端連接。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的印制單極天線，其中所述的饋電端口包括同軸連接器。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的印制單極天線，其中所述的單極輻射元件具有基本上等于所述第一導(dǎo)電線的所述機(jī)械長度的電長度。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的印制單極天線，其中所述第二導(dǎo)電線的機(jī)械長度比所述第一導(dǎo)電線的機(jī)械長度要短。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的印制單極天線，其中所述的第一導(dǎo)電線的電長度大約等于用于天線工作所需的中心頻率的1/4波長。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的印制單極天線，其中所述的第一導(dǎo)電線的電長度大約等于用于天線工作所需的中心頻率的1/2波長。
17.一種用于通信設(shè)備的天線，包括(a)包括信號饋送部分和接地部分的饋電端口；(b)具有第一側(cè)和第二側(cè)的印制電路板；(c)包括形成在所述的印制電路板第一側(cè)的第一導(dǎo)電線，所述的第一導(dǎo)電線具有一個從饋電端耦合到相反端的所述饋電端口的所述信號饋送部分；(d)包括形成在所述的印制電路板上鄰接所述第一導(dǎo)電線的第二導(dǎo)電線的導(dǎo)電元件，所述的第二導(dǎo)電線具有一個從接地端接到相反端的所述饋電端口的所述接地部分，其中所述第二導(dǎo)電線的所述接地端設(shè)置在與所述第一導(dǎo)電線的所述饋電端相同的端；其中所述的第二導(dǎo)電線確定擴(kuò)展接地平面，防止在與所述第二導(dǎo)電線一致的所述第一導(dǎo)電線的那部分上的電流輻射。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的天線，其中所述的第二導(dǎo)電線形成在所述的印制電路板第二側(cè)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的天線，其中所述第二導(dǎo)電線形成在所述的印制電路板第一側(cè)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的無線電天線，其中所述第二導(dǎo)電線的機(jī)械長度被確定尺寸，以用所述的第一導(dǎo)電線提供阻抗匹配。
21.根據(jù)權(quán)利要求17的無線電天線，其中與所述的第二導(dǎo)電線一致的所述第一導(dǎo)電線的那部分是非線性的。
22.根據(jù)權(quán)利要求1的印制單極天線，還包括(a)具有第一側(cè)和第二側(cè)的第二印制電路板，所述的第二印制電路板與所述的第一印制電路板分開的，以致于第一印制電路板第一側(cè)鄰接所述第二印制電板第二側(cè)；和(b)形成在所述第二印制電路第一側(cè)的第三導(dǎo)電線；其中所述的第一導(dǎo)電線具有在第一頻帶內(nèi)諧振的電長度和所述的第三導(dǎo)電線具有在第二頻帶內(nèi)諧振的電長度。
23.根據(jù)權(quán)利要求1的印制單極天線，進(jìn)一步包括形成在所述的印制電路板第一側(cè)的第三導(dǎo)電線鄰接所述的第一導(dǎo)電線，其中所述的第一導(dǎo)電線具有在第一頻帶內(nèi)諧振的電長度和所述的第三導(dǎo)電線具有在第二頻帶內(nèi)諧振的電長度。
24.根據(jù)權(quán)利要求1的印制單極天線，還包括，形成在所述的印制電路板第二側(cè)的寄生元件，所述的寄生元件設(shè)置在所述第二導(dǎo)電線的相反端，其中所述第一導(dǎo)電線具有在第一頻帶內(nèi)諧振的電長度，和所述的寄生元件調(diào)諧所述的第一導(dǎo)電元件到第二頻帶內(nèi)的二次諧振。
全文摘要
印制單極天線具有:帶有第一側(cè)和第二側(cè)的印制電路板(12),包括形成在印制電路板第一側(cè)的第一導(dǎo)電線(18)的單極輻射元件、和包括形成在印制電路板上鄰接第一導(dǎo)電線的第二導(dǎo)電線(20)的導(dǎo)電元件。第二導(dǎo)電線(20)確定和擴(kuò)展接地平面,防止在與第二導(dǎo)電線一致的第一導(dǎo)電線的那部分的電流輻射。第二導(dǎo)電線可以形成在印制電路板的任一側(cè)。印制單極天線可改進(jìn)成在兩個單獨頻帶內(nèi)工作。
文檔編號H01Q9/32GK1191636SQ96195719
公開日1998年8月26日 申請日期1996年4月30日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月2日
發(fā)明者G·J·哈耶斯, R·W·拉姆佩 申請人:艾利森公司