平面式天線的製作方法
2023-08-14 01:20:46
專利名稱：平面式天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種平面式天線，尤其涉及一種將導體線路分別印刷於電介質(dielectric material)基材表面上，經穿孔電鍍等電連接手段使各層導體線路相連接後構成一個呈立體曲折(meandering)型態的平面天線。該平面式天線可運用在各種無線通訊設備的無線電接收發射天線，例如無線行動電話手機(Wireless Mobile Phone)、無線數據機(Wireless Modem)、無線區域網路(LAN)。
背景技術：
由於無線通訊產業的快速發展，各式各樣的通訊產品與技術不斷地推陳出新，競爭激烈，通訊產品不斷講求多功能、多變化、輕薄短小，此要求就連天線也不例外。為滿足該特性要求，早在一九八四年即有一種在基板70上形成曲折狀(meandering)輻射體71的平面天線(如圖1所示)問世，其可有效壓縮天線的長度和面積。
除體積上被要求儘量縮小外，更要求所使用的天線具備多個頻道及涵蓋範圍寬廣的頻寬，如無線行動通訊系統頻道EGSM(880-960MHz)、DCS(1710-1880MHz)、PCS(1850-1990MHz)、WCDMA/CDMA2000(1920-2170MHz)。這些頻段可區分為第一操作頻道(880-960MHz)，頻寬為80MHz，第二操作頻道(1710-2170MHz)，頻寬為460MHz。
然而，公知的多頻天線在第二操作頻道(1710-2170MHz)，有效頻寬僅能涵蓋280MHz(1710-1990MHz)。換言之，即有多頻天線在操作頻段的頻寬上仍有待擴充。
再者，就安裝位置加以區分，無線通訊產品所使用的天線大致可分為外接與內建兩類，一般外接式天線若使用螺旋狀天線，其外型大部分為圓形，而基於外型多樣的考慮，使用平面式天線，可輕易地製作出矩形、方形、橢圓形的外觀。
又由於平面式結構易於製作出晶片型天線，可透過表面黏著方式(SMT)固定在電路板上，大幅降低封裝與連接所需的成本，故十分適合應用於內建式天線。
發明內容
因此，本發明的主要目的在於提供一種具有雙操作頻段且可有效提升第二操作頻段頻寬的平面式天線。
為實現上述目的，採取的主要技術手段是，所述雙頻平面式天線包括複數的電介質基材；一個第一輻射單元，於所述各層電介質基材上分別印刷形成不同形狀的導體線路，經電連接構成一個呈立體曲折型態的天線輻射體；一個第二輻射單元，於其中一層電介質基材上形成的L形導體線路所構成；所述複數層基材經壓合後，並對各層導體線路施以一個層間電連接手段，除令構成第一輻射單元的各層導體線路相互連接外，亦使第一/第二輻射單元以一端相互連接而構成共同饋入端；以所述的平面式天線構造，可通過調整第一輻射單元的線路長寬及第二輻射單元的線路長度，而輕易調整至所須的共振頻率與頻率比，其可使天線第二操作頻段的頻寬達460MHz。
所述第一輻射單元於不同層的基材上分別印刷形成一字形、凵字形與ㄇ字形的導體線路。
所述第一輻射單元於各層基材上形成的不同形狀導體線路壓合後利用穿孔電鍍方式以相互連接。
所述各層基材上的導體線路可由金、銀、銅等金屬導體構成。
所述各層基材上的第一輻射單元與第二輻射單元具有適當距離，以提供二者相互間的隔離度，並相對降低其間的頻率耦合效應。
所述形成有第一輻射單元的基材上同時形成有一饋入埠，該饋入埠與第一/第二輻射單元共接的一端連接。
所述基材上的饋入埠與第一/第二輻射單元的共接饋入端之間以一訊號傳輸線相互連接。
所述的底層基材上形成有一外饋入埠，並通過層間導通手段與內層基材上的饋入埠構成連接。
所述訊號傳輸線由連續曲折狀的印刷線路形成於基材上。
本發明的另一個目的在於提供一個可適用於外接或內建的雙頻平面式天線。
為實現上述目的，採取的技術手段是，在天線製作成外接式天線時，其基材可採用成本低廉且堅固的玻璃纖維材料，以便製作出多樣化的外形(如矩形、方形、橢圓形等)，且由於天線本體可作為天線的支柱及饋入點，故可節省常見天線支柱及饋入點的成本。在製作成內建式天線時，其基材則可採用玻璃纖維或陶瓷材料，以製作出適用於表面黏著技術的晶片天線。
圖1是傳統形式的平面天線示意圖；圖2是本發明第一較佳實施例的分解圖；圖3是本發明一種饋入點與天線輻射單元連接的示意圖；圖4是本發明又一種饋入點與天線輻射單元連接的示意圖；圖5是本發明第二實施例的分解圖；圖6是本發明第三實施例的分解圖；圖7是本發明第四實施例的平面示意圖；圖8是本發明天線的返回損失對頻率的測量結果；圖9是本發明天線操作於880MHz的輻射場型圖；圖10是本發明天線操作於960MHz的輻射場型圖；圖11是本發明天線操作於1710MHz的輻射埸型圖；圖12是本發明天線操作於1990MHz的輻射埸型圖；圖13是本發明天線操作於2170MHz的輻射埸型圖；圖14是本發明以外接式平面天線實現的平面剖視圖。
圖中11～15基材151外饋入埠
121、141饋入埠 122、142訊號傳輸線20第一輻射單元 21一字形導體線路22ㄇ字形導體線路 23凵字形導體線路211、212、221、222、231、232端部30第二輻射單元 31導體線路311端部32導體線路32A饋入埠 10天線101狹長段 102饋入埠200封裝層 201固定部202定位部具體實施方式
圖2是本發明第一較佳平面式天線實施例的分解圖。其在以陶瓷、玻璃纖維等電介質材料製成的多層基材11、12、13、14、15上分別製作有工作在第一操作頻段的第一輻射單元20及工作在第二操作頻段的第二輻射單元30所構成；其中第一層基材11作為絕緣層，底層基材15則作為絕緣層，並在外側面上形成有一外饋入埠151。
第一輻射單元20由不同層基材上分別形成的複數導體線路21～23所組成，該導體線路21～23分別為一字形、ㄇ字形及凵字形。在本實施例中，所述各種導體線路21～23依序形成在相鄰的各層基材12～14上，其中ㄇ字形導體線路22兩臂端部221、222分別對應於各一字形導體線路21的一端部211，各一字形導體線路21的另一端部212則分別對應於凵字形導體線路23的兩臂端部232、231，而各層導體線路21～23在各層基材11～15壓合後，於對應端部處施予一層間導通手段使其相互連接。在本實施例中，該層間導通手段採用穿孔電鍍(PTH)方式，藉此，基材14上左數第一道凵字形導體線路23的第二端部232通過電鍍穿孔與第二層基材12上第一道一字形導體線路21的第二端部212電連接，又該一字形導體線路21的第一端部211再通過電鍍穿孔與下層基材13上第一個ㄇ字形導體線路22的第一端部221電連接，該ㄇ字形導體線路22的第二端部222再向上與基材12上第二道一字形導體線路21的第一端部211連接，其第二端部212再與基材14上第二個凵字形導體線路23的第一端部231連接，第二個凵字形導體線路23的第一端部231再循前述走法依序與其餘的導體線路連接，隨即構成一個立體曲折狀的輻射體。
又第二輻射單元30由一個L形導體線路31構成，其與第一輻射單元20保持一個適當距離D2，以提供其二者相互間的隔離度，並相對降低其間的頻率耦合效應。在本實施例中，該L形導體線路31以印刷線路方式形成在其中一層基材12上，其與第一輻射單元20的一字形導體線路21位於同一層上；而該L形導體線路31較短端的端部311亦通過電鍍穿孔等層間導通手段與第一輻射單元20的凵字形導體線路23一端部231連接，藉此，使第一/第二輻射單元20/30具有一共同的饋入端。
再者，前述基材12於一端形成有一饋入埠121，其可通過電鍍穿孔等層間導通手段與基材15對應位置上的外饋入埠151構成連接。又在本實施例中，該基材12的饋入埠121通過一個訊號傳輸線122與第二輻射單元30的導體線路31連接，該訊號傳輸線122也以印刷線路形式形成在基材12上，除可為圖中所示的直線傳輸線外，亦可如圖3所示的曲折狀傳輸線，當訊號傳輸線122呈曲折狀時，其可用來微調第一操作頻段和第二操作頻段的共振頻率。除此以外，饋入埠121亦可直接與第二輻射單元30連接，而不使用訊號傳輸線(如圖4所示)，如是之型態，可使平面式天線適於採用表面黏著方式(SMT)固定在電路板上。
如圖3所示，在前述的構造型態下，由立體曲折狀導體線路所構成第一輻射單元20的電流方向與第二輻射單元30的電流方向大致呈平行狀。
由上述說明可看出本發明一個較佳實施例的詳細構造，以該等平面式天線構造，可通過調整第一輻射單元20的線路長寬及第二輻射單元30的線路長度，輕易地調整至所須的共振頻率與頻率比。
除前述實施例所示構造，本發明亦可為其它不同的實施型態，而仍具有相同的電氣特性在前述的第一實施例中，構成第一操作頻段的立體曲折狀導體線路21～23依序分布是第2～4層的基材12～14上，當前述導體線路21～23交換地形成在各層基材12～14上，仍具有相同的電氣特性。
圖5是本發明第二較佳實施例的平面式天線分解圖。其基本架構與前一實施例大致相同，於多層電介質基材11～15中的內層基材12～14上分別形成不同形狀的導體線路以構成第一輻射單元20及第二輻射單元30。不同處在於構成第一輻射單元20的一字形導體線路21形成在第三層基材13上、ㄇ字形導體線路22形成在第四層基材14上，凵字形導體線路23則形成在第二層基材12上，各層導體線路21～23仍通過電鍍穿孔等層間導通手段以相互連接成立體曲折型態。
又在本實施例中，第二輻射單元30仍由一個L形導體線路31構成，其形成在第四層基材14上，其與第一輻射單元20的ㄇ字形導體線路22位於同一層上；而該L形導體線路31較短端的端部311也通過電鍍穿孔等層間導通手段與第一輻射單元20的凵字形導體線路23一端部231連接，藉此，使第一/第二輻射單元20/30具有一共同的饋入端。
而第四層基材14於一端形成有一饋入埠141，該饋入埠141除通過電鍍穿孔等層間導通手段與底層基材15的外饋入埠151電連接外，其與第一/第二輻射單元20/30共同饋入端之間可直接連接或間接地通過訊號傳輸線142予以連接，該訊號傳輸線142仍可為直線或曲折狀。經採用排列方式構成的平面式天線仍與第一較佳實施例具有相同的電氣特性。
圖6是本發明第三較佳實施例的平面式天線分解圖。其基本架構與前述第一、第二實施例大致相同，於多層電介質基材11～15中的內層基材12～14上分別形成不同形狀的導體線路以構成第一輻射單元20及第二輻射單元30。不同處在於構成第一輻射單元20的一字形導體線路21形成在第四層基材14上、ㄇ字形導體線路22形成在第三層基材13上，凵字形導體線路23則形成在第二層基材12上，各層導體線路21～23仍通過電鍍穿孔等層間導通手段以相互連接成立體曲折型態。
又在本實施例中，第二輻射單元30仍由一個L形導體線路31構成，其形成在第四層基材14上，其與第一輻射單元20的一字形導體線路21位於同一層上；而該L形導體線路31較短端的端部311也通過電鍍穿孔等層間導通手段與第一輻射單元20的凵字形導體線路23一端部231連接，藉此，使第一/第二輻射單元20/30具有一共同的饋入端。
而第四層基材14於一端形成有一饋入埠141，該饋入埠141除通過電鍍穿孔等層間導通手段與底層基材15的外饋入埠151電連接外，其與第一/第二輻射單元20/30共同饋入端之間可直接連接或間接地通過訊號傳輸線142予以連接，該訊號傳輸線142仍可為直線或曲折狀。經採用排列方式構成的平面式天線仍與第一、第二較佳實施例具有相同的電氣特性。
而前述多層基材11～15上的第一輻射單元20除可配合第二輻射單元30分別工作在第一操作頻段與第二操作頻段，亦可獨立作為單一操作頻段的平面天線使用。
圖7是本發明第四較佳實施例的雙頻平面式天線示意圖。其組成架構仍與第一至第三實施例相同，其基板仍由多層電介質基材壓合構成，其中第一輻射單元20的組成也與前列實施例相同，仍由一字形、ㄇ字形及凵字形等不同形狀的導體線路構成，也可交替的分布在不同層的基材上。至於第二輻射單元30可由直線式或平面式曲折狀的導體線路構成，在本實施例中，其由傳統呈平面連續曲折的導體線路32構成。其電波路徑是令基材上的饋入點32A連接前述平面曲折導體線路32的起點，該導體線路32末端則與第一輻射單元20的起點串接，如是結構亦可實現雙頻特性。而為了達成雙頻的效果，平面曲折導體線路32的線間距離D應至少大於第一輻射單元20中一字形導體線路21的2倍線間距離(如圖2的D1)。惟當第二輻射單元30所使用的工作頻率愈高時，導體線路則如前所述，可使用近似直線的線路。
如前所述各種實施例揭露的平面式天線，均具有體積小、成本低廉(採用玻璃纖維基材)、性能佳，並可依實際需要而以各種不同的樣式和形狀製成，藉助適當地調整曲折金屬線長度、寬度和L形金屬線長度，即可變化天線的共振頻率及頻率比，因而可以廣泛地提供各種不同無線通訊系統使用。
以下謹進一步配合實際測量數據以證明前述各種主張實施例的天線特性如圖8所示，以前述第二實施例的天線為測量對象，經由網絡分析儀測量其頻寬及返回損失(Return loss)，在頻率880MHz時，約為-6.2dB(圖面標示的第一點)，在頻率960MHz時，約為-6.1dB(圖面標示的第二點)，以上為第一操作頻段，其頻寬為80MHz(880MHz-960MHz)；又在頻率1710MHz時，約為-10dB(圖面標示的第三點)，在頻率2170MHz時，約為-8.6dB(圖面標示的第四點)，以上所述為第二操作頻段，其頻寬為460MHz(1710MHz-2170MHz)。
而在各不同頻率點的水平(H-Plane)增益則分別如第九至十三所示，在880MHz時，其峰值增益約為-2.13dBi，在960MHz時，峰值增益約為-0.89dBi，在1710MHz時，峰值增益約為-0.62dBi，在1990MHz時，峰值增益約為-0.97dBi，在2170MHz時，峰值增益約則為-0.36dBi。
又如圖14所示，是本發明的一個可行實施方式的平面剖視圖，其令依前述技術構成的平面式天線10為一絕緣封裝層200，在構成如前述的外接式天線時，天線10的基材可採用成本低廉且堅固的玻璃纖維材料，以便製作出多樣化的外形(如矩形、方形、橢圓形等)，且由於天線10本體一端為具有信號饋入埠102的狹長段101，其可同時作為天線10的支柱及饋入點，又前述封裝層200下端分別形成有一個勾狀的固定部201與一個定位用的定位部202，其中，定位部202配合安裝時的插入動作作定位之用，其相對另一側的固定部201則以勾扣方式加以固定，由此可見，本發明因天線10的狹長段101上具有饋入埠102，可作為信號饋入之用外，更配合單一模具即可成型的封裝層200同時完成組裝固定用的相關構造，故可有效節省常規天線製作支柱及饋入點的成本。
再者，本發明如以前述技術製作成內建式天線時，其基材則可採用玻璃纖維或陶瓷材料，以製作出適用於表面黏著技術的晶片天線。
由於本發明的天線呈平板狀，故極適於製作成扁平外觀的小型天線，除此以外，亦適於製作其它各種形狀(如圓柱狀、橢圓狀)的天線。
由上述可以明顯看出，本發明的平面式天線設計，除可以小體積、低成本的前提下作出一種方便調整共振頻率與頻率比的雙頻平面式天線，除此之外，並可有效提升雙頻天線的第二操作頻段頻寬，故相較於既有雙頻平面天線具有突出的技術特徵及顯然的進步，並符合發明專利的要求。
上述實施例僅為本發明的較佳實施例，並非用以限定本發明申請專利範圍；凡是其它未脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效變更或修飾，均應包含在下述的申請專利範圍內。
權利要求
1.一種平面式天線，其包括複數的電介質基材；一個第一輻射單元，於所述各層電介質基材上分別印刷形成不同形狀的導體線路，經電連接構成一個呈立體曲折型態的天線輻射體；一個第二輻射單元，於其中一層電介質基材上形成的導體線路所構成；所述複數層基材經壓合後，並對各層導體線路施以一層間電連接手段，除令構成第一輻射單元的各層導體線路相互連接外，亦使第一/第二輻射單元以一端相互連接而構成共同饋入端。
2.如權利要求1所述的平面式天線，其特徵在於，所述第一輻射單元於不同層的基材上分別印刷形成一字形、ㄩ字形與ㄇ字形的導體線路。
3.如權利要求2所述的平面式天線，其特徵在於，前述形成有第一輻射單元的基材上同時形成有一饋入埠。
4.如權利要求3所述的平面式天線，其特徵在於，所述基材上的饋入埠與第一/第二輻射單元的共接饋入端之間以一訊號傳輸線相互連接。
5.如權利要求4所述的平面式天線，其特徵在於，前述的底層基材上形成有一外饋入埠，並通過層間導通手段與內層基材上的饋入埠構成連接。
6.如權利要求4所述的平面式天線，其特徵在於，訊號傳輸線由連續曲折狀的印刷線路形成於基材上。
7.如權利要求1-6中任意一項權利要求所述的平面式天線，其特徵在於，所述第二輻射單元由一L形導體線路構成。
8.如權利要求1-3中任意一項權利要求所述的平面式天線，其特徵在於，所述第二輻射單元由一個平面曲折狀的導體線路構成，並與第一輻射單元採用串接方式連接。
9.如權利要求1-3中任意一項權利要求所述的平面式天線，其特徵在於，所述第二輻射單元由一直線狀的導體線路構成，而與第一輻射單元採用串接方式連接。
10.如權利要求1-6中任意一項權利要求所述的平面式天線，其特徵在於，其上分別形成第一輻射單元與第二輻射單元的複數基材經壓合後構成一個天線本體，且為一個絕緣封裝層所密封；其中該天線本體一端為具有信號饋入埠的狹長段，以同時作為天線本體的支柱及饋入點，又所述封裝層下端分別形成有一個勾狀的固定部與一個定位用的定位部。
全文摘要
本發明為一種平面式天線，於多層介電基材上分別印刷形成不同導體線路經壓合後以構成兩輻射單元，兩輻射單元分別操作在兩不同的工作頻段上，其中第一輻射單元於各層基材分別形成不同的導體線路，經一層間導通手段以構成一個呈立體曲折型態的天線；又第二輻射單元則由一個L形導體線路構成，其一端與第一輻射單元的一端連接，而構成一共同饋入端；以前述雙頻天線設計，可藉由適當地調整第一輻射單元的線路長寬與第二輻射單元的線路長度以獲致預期的共振頻率及頻率比。
文檔編號H01Q1/38GK1632985SQ20031012305
公開日2005年6月29日 申請日期2003年12月23日 優先權日2003年12月23日
發明者劉正芳 申請人:劉正芳