柔性分集天线 【发明领域】
本发明总的涉及天线，更具体地涉及在通信设备中使用的天线。
【发明背景】
用于个人通信设备例如无线电话的天线当在工作期间靠近用户时或当用户在设备工作期间移动时可能不能充分地发挥作用。在无线电话机工作期间靠近物体或用户移动可以产生信号质量退化或信号强度波动，称为多径衰落。已经设计出结合无线电话机主要天线工作的分集天线以改善信号接收。
许多流行的手持无线电话机正在小型化。实际上许多现代机型只有11到12厘米长。不幸的是，由于无线电话机尺寸减小，其内部空间也相应地减小。内部空间的减少使现有类型分集天线实现无线电话机工作所需要的带宽和增益要求更困难，因为它的尺寸可相应地减小。
一种类型分集天线称为平面反向F天线(PIFA)。PIFA因其类似字母F而得名，并且特别包括形成在一起的几层刚性材料以提供具有其中的导电路径的辐射元件。PIFA的各层和元件一般直接安装在模制塑料或片状金属支撑结构上。因为其刚性，将PIFA弯曲和形成用于安置在无线电话机小型区域内的最终形状有些困难。另外，当它们所安装在内的设备受到冲击力时PIFA易于损坏。冲击力可以使PIFA各层断裂，从而可能阻碍工作甚至产生故障。
因为通常为非平面设计，为制造PIFA可能需要冲压、弯曲和蚀刻等各种步骤。因此，制造和组装一般在稍微高成本地分批式处理中进行。另外，PIFA一般使用屏蔽信号馈源，例如同轴电缆，将PIFA与无线电话机内的RF电路连接。在组装无线电话机期间，RF电路与PIFA之间的屏蔽信号馈源一般涉及人工安装，这增加了无线电话机的制造成本。
发明概述
因此，本发明的目的是提供可以容易地与小型通信设备例如无线电话机内部区域相适应的PIFA。
本发明的另一个目的是提供可以具有用于无线电话机内使用的足够增益和带宽性能的PIFA。
本发明的又一个目的是提供对内部安装了PIFA的设备由冲击力产生的损害不敏感的PIFA。
本发明的另一个目的是简化无线电话机组装并由此降低无线电话机制造成本。
本发明的这些和其它目的是由柔性分集天线提供的，该天线可以具有适合于在小型通信设备例如无线电话机中使用的增益和带宽性能。柔性材料例如硅树脂的核心具有镶嵌在其内部的电导体，并由柔性电介质材料的第一层包围。在该天线的一端，电介质材料的第一层被导电材料例如铜或镍织物所包围。导电材料是柔性的并替代通常使用在PIFA中的刚性材料元件。
导电材料最好被柔性电介质材料的第二层包围。被导电材料包围的天线部分起调谐元件的作用，而没有被导电材料包围的天线部分起辐射元件的作用。最好，在核心内的电导体在辐射元件和调谐元件之间沿蜿蜒路径伸展。
柔性信号馈源与该天线合并为一体并从柔性核心向外延伸。该信号馈源与镶嵌在柔性核心内的电导体电连接。该信号馈源被一层柔性材料包围，最好是与柔性核心相同的材料。该柔性材料被电介质材料层包围。包围电介质材料层的是一层导电材料，该导电材料起屏蔽信号馈源的作用。该导电材料层可以被另一个电介质材料层包围。
为制造具有预定阻抗的柔性分集天线的工作包括：形成具有镶嵌在弹性核心内的电导体，包围弹性核心的第一电介质材料层，用导电材料包围电介质材料第一层一部分和一个包围导电材料的第二电介质材料层的平面天线元件；和然后将平面天线元件折叠成用于组装在电子设备例如无线电话机中的形状。在将平面天线元件折叠成用于组装在电子设备内的形状之前，弹性核心和用来围绕核心分层叠放的各个材料层被弯曲。在弯曲操作期间，可以实现第二层电介质材料表面的构造。
按照本发明的分集天线可以在平面结构中制造，这可以有助于大量自动化生产。另外，通过选择材料并控制各个材料层的厚度可获得重复的阻抗特性。因为利用了柔性电介质和导电材料，该天线可以形成各种形状以便在无线电话机组装期间安装在小型区域内。
与已知的分集天线相反，本发明能够对给定的尺寸和位置实现用于无线电话工作的增益和带宽。使用本发明，天线设计人员具有比已知分集天线更大程度的设计灵活性。另外，导电材料可以选择性地加入以在该天线部分上产生可控阻抗的带线传输线介质。
以前的相对刚性的天线组件PIFA一般使它们不能容易地折叠以符合通信设备内小空间。相反，按照本发明的分集天线具有柔性设计，允许天线符合当前无线电话和其它通信设备的小空间限制。本发明的柔性设计也可以减少由冲击力造成损害的可能性。另外，本发明结合了集成、柔性信号馈源而消除了对于将天线与设备内信号电路连接的单独同轴电缆的需要。因此，通信设备例如无线电话的组装成本可以减少。
附图简要说明
图1说明用于无线电话内典型的PIFA。
图2是按照本发明方面的柔性PIFA的平面图。
图3是说明具有折叠设计的调谐部分的图2中所示PIFA的透视图。
图4是图2说明的PIFA沿线4-4的截面图。
图5是图2说明的PIFA沿线5-5的截面图。
图6是图2说明的PIFA沿线6-6的截面图。
图7A和7B示意性说明制造按照本发明方面的柔性分集天线的操作。
发明的详细描述
现在将参照附图对本发明进行更全面的描述，在附图中示出了本发明的优选实施例。可是，本发明可以以各种不同方式实施，而在此阐述的实施例不得解释为对本发明的限制；相反，提供这些实施例仅是为了使公开更彻底和完全，并对本领域技术人员全面传达本发明的范围。相似数字代表相似的元件。
如同本领域技术人员所知，天线是用于发射和／或接收电信号的设备。发射天线一般包括馈源组件，该组件感应或照射孔径或反射表面以辐射电磁场。接收天线一般包括聚焦入射辐射场到采集馈源的孔径或表面，产生与入射辐射成比例的电子信号。由天线接收或辐射出的功率数量取决于孔径面积并用增益描述。天线的辐射方向图通常使用极坐标标示。电压驻波比(VSWR)与天线馈源点与馈线或传输线的阻抗匹配有关。为以最小损耗辐射RF能量，或以最小损耗将所接收的RF能量传递给接收机，天线的阻抗应当与传输线或馈源阻抗相匹配。
无线电话通常使用一个主天线，该主天线由连接到与位于内置印刷电路板上的信号处理电路有效联合的收发信机。为使天线与收发信机之间传输的功率最大，收发信机和天线最好相互连接得使各自阻抗基本上“匹配”，即电调谐滤除或补偿不希望的天线阻抗分量以在电路馈源处提供50欧姆(或所希望的)阻抗值。
如同本领域技术人员所知，分集天线可以与无线电话中的主天线结合使用以防止由于信号强度波动引起的通话掉线。因为用户在蜂窝电话网络中的小区之间移动、用户在建筑物之间漫步、来自静止物体的干扰等，信号强度可能改变。分集天线设计得通过空间、方向图、带宽或增益分集来采集主天线不能采集的信号。
本领域所知的一种分集天线是平面反F天线(PIFA)并在图1中说明。所说明的PIFA10包括与接地板14保持空间分离关系的辐射元件12。该辐射元件也如同16所示在接地板14接地。通电的RF连接17从下面电路穿过接地板14在18处伸展到辐射元件12。通过调节可以影响增益和带宽的下列参数将PIFA调谐到所希望的频率上：改变辐射元件12的长度；改变辐射元件12与接地板14之间的间隙H；和改变接地与通电的RF连接之间的距离D。也可以调节本领域技术人员所知的其它参数来调谐PIFA，不再进一步讨论。
现在参照图2，说明按照本发明优选实施例的平面分集天线20。该天线20具有F型形状并包括调谐部分22和邻接辐射部分24，如图所示。该天线20最好如同图2所示制造成平面设计。在通信设备内组装前，柔性天线被折叠以符合设备的内部空间。
图3说明具有折叠在辐射元件24之下的调谐部分22的天线20，以便该天线具有在特定通信设备内组装的适当设计。图3也说明基本上与辐射元件24横切方向的屏蔽柔性信号馈源28，以便是在与通信设备内信号电路连接的适当方向上。由于需要有利于在例如无线电话的设备的各种内部空间中安装，按照本发明的柔性分集天线可以形成各种形状。
参照图2，一条连续电导体26在调谐元件22与辐射元件24之间延伸并起发送和接收电子信号的天线元件作用。在所示的实施例中，电导体26从调谐元件端部22a以弯曲形状延伸到对面的辐射元件端部24a。
柔性屏蔽RF或微波信号馈源28整体连接到天线20的辐射元件24，如图所示。屏蔽信号馈源28具有与辐射元件22类似的结构，将在下面详细描述。电导体30被包含在柔性信号馈源28内并具有相反端部30a和30b。电导体30在端部30a与辐射元件24的电导体26在位置29电连接，如图所示。相反端部30b最好设计得通过常规连接技术包括焊接、移置连接件、导电弹性体、金属加压触点等组装到电路板上。
柔性信号馈源28可以设计成各种方向有利于在无线电话和其它电子设备内组装。常规分集天线一般需要来自无线电话中主电路板的屏蔽信号馈源。为此目的通常使用同轴电缆。可是，同轴电缆相对较贵而且需要人工组装。因为屏蔽信号馈源28作为天线20的一体部件安装，本发明是先进的。
现在参照图4，说明图2中天线20辐射元件24沿线4-4的横截面图。电导体26被包围在柔性核心34内。柔性核心最好由例如硅树脂的弹性材料形成。最好，柔性核心也由具有1．8到2．2之间介电常数的电介质材料形成。柔性电介质材料32第一层包围弹性核心34如图所示。最好，介电材料第一层具有1．8到2．2之间的介电常数。柔性电介质材料第一层可以由非金属、织物或针织织物形成。能够经受120℃处理温度的聚酯或液晶聚合物(LCP)织物是用于第一电介质层32的示范电介质材料。
现在参照图5，说明图2中天线20调谐元件22沿线5-5的横截面图。一层柔性导电材料36包围着第一层电介质材料32。导电材料36最好是镀金属织物。镀金属织物最好是具有高强度和高温处理能力的材料。示范性镀金属织物包括但不限于具有镀铜纤维的聚酯或液晶聚合物(LCP)纺织物，随后是镍外层；由镀金属纤维或含金属毡垫结构形成的镍和铜织物；由纤维或毡垫结构形成的碳纤维织物。另一个方式，第一层电介质材料32部分可以在外表面镀以金属的导电材料。
最好，镀金属织物36碾压在具有弹性材料例如硅树脂的第一层电介质材料32上。硅树脂填充镀金属织物的空隙以增强弯折特性。如同本领域技术人员所知，硅树脂提供在各种温度下具有高延伸性的稳定的柔性，特别是在低温下。然后导电材料36可以如图所示由第二层柔性电介质材料38包围。第二层电介质材料38可以由非金属聚合物形成薄膜、或织物或针织织物。可以经受120°处理温度的聚醚酰亚胺(PEI)薄膜、聚酯或液晶聚合物(LCP)制造的织物是用于第二层电介质材料38的示范性电介质材料。
在制造天线20期间第一和第二层电介质材料32、38的厚度可以改变以产生电导体的受控特性阻抗。RF传输线的特性阻抗(Z0)是根据构成该线材料(导体宽度和电介质厚度)的几何尺寸和介电常数计算出的。由于从带线到微带传输线几何尺寸改变。为所希望的阻抗需调节层的厚度。较刚性的电介质材料也可以加入到第一和第二层电介质材料32、38中，以控制天线20的柔性或修改天线的介电常数。在需要高强度和良好柔性的场合可以使用聚醚酰亚胺(PEI)薄膜。如同本领域技术人员所知，PEI接近匹配硅树脂弹性体的介电常数并与硅树脂和各种外层镀膜材料良好粘接。第一和第二电介质层32、38的粘接可能需要使用热激活后的黏合薄膜。最好，对TEE电介质材料使用氟代乙烯丙烯(FEP)粘接薄膜，而对PEI电介质材料使用硅树脂薄膜。
天线20可以进行固化处理以固化用于核心34的硅树脂或其它弹性材料，并将包围核心的各层材料碾压在一起。固化处理一般按照所使用粘和系统制造商的建议进行。例如：FEP薄膜在高于或等于235℃的温度下粘和；硅树脂弹性体热固化黏合剂在高于或等于120℃的温度下可以粘和；或可以给加压固化硅树脂弹性体粘合剂在温度高于或等于90℃上的加速粘合。如同普通的粘和薄片材料的黏合剂，通过刚性支撑板施加压力。在要粘和的材料与支撑板之间表面可以填充适当弹性垫片。弹性垫片的柔顺性有助于产生无缝隙的粘和表面。弹性垫片的特性或表面质地可以用于产生折叠线或减弯点，有助于天线的最终组装。
第二层电介质材料38可以包含表面刻纹，将弯折应力均匀分散在天线20的整个横截面上。刻纹可以通过固化处理中使用的压力垫片形成。在固化期间施加压力以保证硅树脂填充导电材料36内纤维之间的缝隙。
现在参照图6，说明图2的天线20辐射部分24与调谐部分22之间过渡区沿线6-6的横截面。在所示的实施例中，第二电介质层38刚刚在导电材料36终止点之外终止。可是，第二电介质层38可以进一步伸展到第一层电介质材料32上。在第一层电介质材料32上延伸第二电介质层38可以用于产生更均匀的厚度过渡(有助于粘和处理)，或在过渡部分产生更大刚性(有助于最后组装弯曲)。类似设计可以存在于信号馈源28与辐射元件24之间的过渡区上。
较刚性的材料外层(未示出)可以用于形成天线20的环境适应性外表面。可以用于外层的各种材料包括，但不限于，FEP。希望材料外层可以防止磨损或其它磨损原因。
在图7A和7B中示意性说明了按照本发明的制造柔性分集天线的工作。形成平面天线(方框100)，而然后折叠用于在电子设备中组装(方框200)。形成平面天线的工作包括在弹性核心中镶嵌电导体(方框102)，最好用弯曲设计。弹性核心然后由第一层电介质材料包围(方框104)。第一层电介质材料的一部分或几部分由导电材料包围以将天线调谐到预定阻抗(方框106)。屏蔽信号馈源与天线一体形成并从天线向外伸展(方框108)。弹性核心和用于将电介质与导电层粘和到核心的材料被固化，使用本领域技术人员所知的固化技术，包括但不限于晾晒、热固化、红外线固化、微波固化等(方框110)。在固化处理期间可以在第二层电介质材料上产生表面刻纹(方框112)。
上述内容是对本发明的说明而不能理解为对本发明的限制。尽管已经描述了本发明的几个示范性实施例，本领域技术人员容易理解在示范性实施例中可以进行许多修改而不实质性地脱离本发明的新颖教导和优点。因此，所有这些修改都包括在由权利要求书所限定的本发明的保护范围内。在权利要求书中，装置加功能的句型往往概括了在此描述的实现列举功能的结构，不仅包括结构上等同而且包括等同结构。因此，应当理解上述内容对本发明是说明性的而不能被认为是限制于所公开的特定实施例，并且对所公开实施例的修改以及其它实施例往往被包括在附属的权利要求书范围内。本发明由下列权利要求书所限定，在此也包括权利要求的等同物。