CN103534875A - 包括补片天线和可视显示器层的电子设备以及相关的方法 - Google Patents

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Abstract

一种电子设备可以包括衬底以及衬底上的层的层叠结构。层的层叠结构可以包括可视显示器层，和可视显示器层上方的补片天线。补片天线可以包括光学透射的导电网格。

Description

包括补片天线和可视显示器层的电子设备以及相关的方法
本发明涉及电子设备领域，更具体而言，涉及包括天线的电子设备以及相关的方法。
天线可以用于各种目的，诸如通信或导航，而无线设备可以包括广播接收器、寻呼机或无线电定位设备（“ID标签”）。蜂窝电话是无线通信设备的示例，它几乎无处不在。相对较小的尺寸、高效率，以及相对宽的辐射模式一般是用于便携式无线电或无线设备的的天线的所需的特征。
另外，随着无线设备的功能持续增强，对更加容易并且更加便于用户携带，但使用相对较少的电能和/或具有比较长的待机时间的较小的无线设备的需求也增大。这给无线设备制造商提出的一个挑战是设计在天线的相对有限的可用空间量内提供所需操作特性并且与相关电路进行协作以使用减少的电量的天线。例如，需要天线以给定的频率利用所需特性通信，诸如带宽、极化、增益模式，以及辐射模式，并且，需要无线设备利用单个电池或充电周期工作多天。
可能希望个人通信设备例如蜂窝电话的尺寸相对较小。换言之，可能希望设备体积和表面面积相对有限。这又可能会导致组件之间的尺寸和性能的折中，例如，具有相对大的电池可能意味着具有相对较小的天线。可能希望组合的设计来改善组件集成。
例如，电子设备的电源要求一般被降低。例如，场效应半导体甚至使太阳能的电子设备变得越来越流行。太阳能电池可能要求增大的产品表面积，然而，这也是其他目的，例如键盘，所需的。
许多天线可以包括例如相对好的导体和相对好的绝缘体的组合，以提高效率。这在，例如，微带贴片天线中尤其如此，因为强的近场反应性能量在印刷线路板电介质中循环，这可能会导致热损失。包括例如半导体的太阳能电池既不是相对好的导体，也不是相对好的绝缘体。
为实现所需的天线特征，可以调整天线例如贴片天线的大小和形状。例如，授予Tabakovic的美国专利申请公开No.2010/0103049公开了具有贴片天线单元和与其耦合的导电层和双路分开的馈源的贴片天线。双路馈源中的每一路具有导体段和与导体段正交的三角形的导电条带。授予McCarrick等人的美国专利申请公开No.2009/0051598公开了具有立体几何形状例如正方形、多边形、椭圆形、卵形、半圆形，以及三角形的贴片天线。
为减少功耗，光伏电池的功能可以与天线相结合。例如，授予Kiefer的美国专利No.6,590,150尝试在单一单元中组合光伏电池和天线的功能。更具体而言，Kiefer公开了以层叠结构配置的网格或正面电接触、防反射涂层、两个半导体层、介电层，以及接地面层。
为了进一步提供空间节省，公开了以层叠关系使用显示器和天线的多种方法。例如，授予Ying的美国专利No.6,697,020公开了用于便携式通信设备的集成多层结构，该结构包括耦合在LCD显示器和电介质衬底之间的天线。授予Epstain等人的美国专利No.6,774,847公开了以层叠结构耦合的芯片天线、刚性印刷电路、导电材料、透镜材料，以及显示器。
鉴于前面的背景，因此，本发明的目标是提供包括贴片天线的电子设备，该贴片天线提供所需操作特性并具有减小的尺寸并与光伏层进行协作。
根据本发明的此目标及其他目标、特征，以及优点通过包括衬底以及其上的层的层叠结构的电子设备来提供。层的层叠结构可以包括可视显示器层和可视显示器层上方的补片天线。补片天线包括光学透射的导电网格。相应地，电子设备包括与可视显示器层进行协作并提供所需操作特性的光学透射的补片天线。
电子设备还可以包括耦合到补片天线的无线电路。电子设备还可以包括在可视显示器层和补片天线之间的介电层。介电层可以是例如光学透射的。
电子设备还可以在介电层上包括至少一个防反射层。可视显示器层可以包括例如发光可视显示器层和光调制可视显示器层中的一个。
补片天线可以具有由多个周界段所定义的周界，多个周界段包括之间具有会切点的至少一对弓形的周界段。该至少一对弓形的周界段可以例如向内延伸。
补片天线可以是平面的。电子设备还可以包括，例如，耦合到补片天线的至少一个天线馈源。该至少一个天线馈源可以包括用于非线性的极化的一对天线馈源。
导电网格可以是，例如，柔性的交织的导电网格。该导电网格可以包括例如主体部分和与其耦合的边缘部分。
方法的一方面涉及制造电子设备的方法。该方法包括通过至少将补片天线定位在可视显示器层上方，在衬底上形成层的层叠结构。补片天线包括光学透射的导电网格。
图1是根据本发明的电子设备的一部分的透视图。
图2是图1中的电子设备的一部分的沿着线2-2截取的放大截面图。
图3是示出了图1的圆形天线和贴片天线的形状之间的关系的图。
图4是根据本发明的电子设备的另一实施例的一部分的透视分解图。
图5是图4中的电子设备的一部分的沿着线5-5截取的放大截面图。
图6是根据本发明的电子设备的另一实施例的顶视图。
图7是图6中的电子设备的一部分的透视分解图。
图8是根据本发明的原型电子设备的测量到的阻抗的图。
图9是原型电子设备的测量到的电压驻波比的图。
图10是原型电子设备的测量到的增益的图。
图11是原型电子设备的计算出的辐射模式的图。
下面将参考各个附图比较全面地描述本发明，在附图中，示出了本发明的优选实施例。然而，本发明可以用许多不同的形式来实现，不应该被解释为仅限于此处所阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本说明书完整和彻底，并向那些精通本技术的人全面地表达本发明的范围。通篇相同的附图标记表示的相同的元件，使用素数和倍数符号来表示替换实施例中的类似的元件。
首先参考图1-3，电子设备20说明性地包括外壳31。电子设备还包括由外壳31承载的电路34。电子设备20还包括由外壳31承载的输入设备33和显示器32。电路34还包括功率分配器38以及与其耦合的接收器和/或发射器37。
电路34包括耦合到显示器32和输入设备33，并由外壳31承载的控制器35。当然，如果电路被配置成执行至少一个地理定位功能或其他可以不需要这些组件的功能,电子设备20可以不包括例如显示器32和/或输入设备33。控制器35可以执行至少一个无线通信功能。例如，电子设备20可以是蜂窝电话，控制器35可以与接收器和/或发射器37进行协作以与蜂窝基站进行通信。当然，电子设备20也可以是另一种类型的设备,例如双向无线电设备或卫星接收器。控制器35可以与接收器和/或发射器37进行协作以执行接收和发射功能中的任何一个或两者。
电子设备20说明性地包括衬底21。衬底可以是例如印刷电路板（PCB）之类的电路板。在某些实施例中，衬底21可以是设备外壳31。
衬底21可以由具有彼此的±50%内的介电常数和渗透性的材料制成，以增大透光性。优选地，衬底材料可以具有彼此的±10%内的介电常数和渗透性。这可以减少由于例如反射而导致的光透射的损失。衬底21中的彼此的±50%内的介电常数和渗透性可以减少向空气中的反射，这又可以增大例如太阳能实施例中的电力产生。
这可以数学地示出。空气到衬底界面的反射系数是根据下列公式的空气和衬底21的特征阻抗的函数：
Γ＝(ηsubstrate21-ηair)/(ηsubstrate21+ηair)    （公式1）
其中：
Γ=反射系数，0和1之间的无量纲数，对于衬底21优选地为0，
η1=衬底中的以欧姆为单位的波阻抗，以及
η2=空气中的波阻抗=377欧姆。
可以根据下列公式来计算空气或衬底21中的波阻抗：
η＝120π√(μr/εr)    （公式2）
其中：
μr=空气或衬底的相对磁导率，以及
εr=空气或衬底的相对电介质磁导率。
在衬底21中当μr＝εr时发生零反射且透光性增大，因为此条件导致公式2中的ηsubstrate＝120π＝ηair。如在公式1中可以理解，当ηsubstrate＝ηair时，分子是0，意味着公式1是0，如此，意味着没有反射。
电子设备20还包括由衬底21承载的贴片天线40。贴片天线40包括具有定义了四个弓形的周界段42a-42d的周界的导电网格层41。相应的会切点43a-43d在四个弓形的周界段中的每一个之间。四个弓形的周界段42a-42d中的每一个说明性地向内延伸。当然，并非所有的周界段42a-42d都可以是弓形的，并且并非所有的周界段都可以向内延伸。例如，单对段可以是弓形的。另外，尽管示出了四个周界段，贴片天线40可以包括两个或更多周界段。实际上，如本领域技术人员所理解的，导电网格层41的形状可以被描述为类似于圆内旋轮线。圆内旋轮线形状可以包括例如三角形形状和星状。
对弓形的周界段42a-42d的向内或向外调整会改变频率。换言之，频率取决于贴片天线40的总尺寸。对于宽边辐射，周界可以对应于360度波导波长，这还可对应于强制的共振，或所需操作频率的1波长例如电介质印刷线路板中的。提供宽边辐射的实施例的周长的近似公式是：
C＝c/(f√μrεr)
其中：
C=贴片天线40的周长
c=光速
f=以赫兹为单位的操作频率
μr=衬底相对磁导率
εr=衬底相对介电常数
直径a的增大缩小了操作频率，这也缩小天线尺寸（图3）。这是因为，通过贴片天线40的电流有更长的路径要绕这样的形状的外周盘旋。
有利地，可以在不改变贴片天线40的包络的情况下调整频率，如此维持较小的贴片天线。如本领域技术人员所理解的，贴片天线40的形状采取线性（矩形）和圆形贴片天线两者的天线属性。换言之，通过调整贴片天线40的形状，有发散和盘旋，以及贴片天线之间的天线性质，诸如尺寸、频率，以及波束宽度的连续的折衷。此关系在图3中更具体地示出，其中，x2/3+y2/3＝a2/3，x＝a cos3f，y＝a sin3f，这是圆内旋轮线的公式。圆内旋轮线公式有利地提供贴片天线40的形状的变化，以形成偶极绕杆式（X形状）和环形（圆形形状）贴片天线之间的混合型。例如，凹的弓形的贴片实施例比凸的弓形的实施例具有更大的波束宽度，反之亦然。凸的弓形的实施例比凹的弓形的实施例具有更大的面积增益，反之亦然。
导电网格层41也是柔性的。换言之，导电网格层41的轮廓可以沿着例如外壳31、衬底21，或其他结构，如本领域技术人员所理解的。另外，导电网格层41还可是交织的。
导电网格层41也包括耦合到主体部分的边缘部分48。边缘部分48或坚固的边框有利地增大贴片天线的总强度，并平坦化切比雪夫响应。更具体而言，边缘部分48可以使切比雪夫响应关于于多项式零对称。
导电网格层41包括金属材料，例如钼和金。导电网格层41的进一步的细节可以在授予Boan等人的美国专利No.4,609,923和4,812,854中找到，这两个申请都转让给本申请的受让人，通过引用将这两个申请整体包括在此。
例如，减小形成导电网格层41的导体的直径以增大透明性可能是特别有利的。示例导体宽度对应于由下列公式给出的射频透入深度：
W＝√(2ρ/ωμ)
其中：
w=网格导体宽度
ρ=网格导体的电阻率
ω=角频率=27πf
μ=网格导体的导磁率
作为示例，对于在1GHz的铜导体，所需导体宽度计算为2.1X10-6米。如此，例如相对细的宽度的网格导体可以对于改善显示可见性特别有利。
贴片天线40说明性地是平面的。实际上，尽管贴片天线40是平面的可以对于在有限空间的外壳31中增大空间节省量特别有利，但是，例如，在某些实施例中（未示出），贴片天线可以不是平面。
电子设备20还在衬底21和贴片天线40之间包括天线接地面51。天线接地面51可以是由衬底21或PCB承载的导电层，而天线接地面优选地是在光学上透明的，例如是相对细的网格。衬底或PCB21可以包括天线接地面51，或它可以是与其分离的。介电层52也在天线接地面51和贴片天线40之间。天线接地面材料可以是导电织物，诸如例如在授予Boan等人的美国专利No.4,609,923和4,812,854中所描述的，如上文所指出的。衬底21可以涂有抗反射涂层（未示出），以例如增大介电层52的透光性。防反射涂层可以与其他层一起使用。
一对天线馈源44耦合到贴片天线。该对天线馈源44还耦合到电路32，具体来说，耦合到功率分配器38。功率分配器38是零度功率分配器，但是，也可以是另一种类型的功率分配器。该对天线馈源44说明性地是同轴电缆馈源。同轴电缆馈源44a、44b中的每一个都具有由介电层47分隔的各自的内侧和外侧导体45、46。同轴电缆44a、44b每一个的内侧导体45，或驱动销，穿过接地面51并耦合到贴片天线40。外侧导体46耦合到接地面51。
耦合在导电网格层41和功率分配器38之间的每个同轴电缆馈源44a、44b都可以是不同的长度。不同的长度有利地将90度交流电电流（AC）相位差（即时间延迟）引入到信号中。如此，信号具有圆形的或非线性的极化。在某些实施例中，可以使用单天线馈源，因此，信号将具有线性极化。
第一同轴电缆44a在第一位置耦合到导电网格层41，而第二同轴电缆44b在第二位置耦合到天线，该第二位置与第一位置相对于导电网格层41成对角线。第一和第二位置的位置确定阻抗，在所示出的示例中，该阻抗大约是50欧姆。天线馈源44a、44b的角位置确定极化角和取向角。更具体而言，如果例如向第一天线馈源44a施加正弦波，由于同轴电缆或天线馈源的长度差异，可能在第二位置施加余弦波。此结构提供了例如发射的信号的圆极化。实际上，尽管天线馈源44a、44b说明性地是同轴电缆，但是，它们也可以是其他类型的天线馈源，诸如例如导电管。
现在参考图4-5，电子设备20'中示出了包括类似于图1中所示出的贴片天线的贴片天线40'的特别有利的实施例。电子设备20'包括衬底21'和层的层叠结构。光伏层60'在衬底21'上方。光伏层60'说明性地是太阳能电池层。光伏层60'可以包括其他类型的光伏电池或设备，如本领域技术人员所理解的。
天线接地面51'说明性地在光伏层60'的上方，并在衬底21'和贴片天线40'之间。天线接地面51'说明性地作为网格，以便它是光学透射的。天线接地面51'可以是例如铜。天线接地面51'可以是另一种类型的导电材料，如本领域技术人员所理解的。天线接地面51'特别有利，因为光伏层60'的太阳能电池通常是相对差的接地面。
贴片天线40'说明性地在光伏层60'和天线接地面51'上方。贴片天线40'说明性地是导电网格材料，或包括也是光学透射的导电网格层41'。光学透射的贴片天线40'和天线接地面51'有利地使大约51-52%的光透射到光伏层60'。
天线接地面51'和贴片天线40'之间的介电层52'也是透射光的。介电层52'可以是玻璃。然而，玻璃容易损坏，并可能相对来说易碎。介电层52'可以是聚苯乙烯。介电层52'还可是表现出增大的RF耗散的聚碳酸酯，如本领域技术人员所理解的。
介电层52'说明性地在其两面包括防反射层53a'、53b'，以减少来自光伏层60'的光向后反射。当然，防反射层53'可以在介电层52'的一面，并可以在介电层的一部分或某些部分上。
防反射层53'可以是相对于所需光四分之一波长厚。防反射层53'可以包括钛和/或氟。当然，防反射层53'可以包括其他类型的材料。
另外，每一防反射层53'可以具有介电常数的大约±10%内的渗透性。这可以有利地使光穿过，不管颜色或波长是什么。
如本领域技术人员所理解的，穿过贴片天线40'、介电层52'，以及天线接地面51'到光伏层60'的光被转换为电能。来自光伏层60'的转换的电能可以被用来例如给无线电路34'供电。
现有技术的接地面天线例如通常是带有接地面上的辐射元件的金属材料的实心方形。因此，光不能穿过，这使得将光伏层的功能与贴片天线组合以实现所需的天线特征越来越困难。
实际上，贴片天线和包括例如太阳能电池的光伏层的组合在卫星通信中可以特别有利。更具体而言，组合的天线和光伏层设备可以缩小卫星的表面面积，并因而降低发射成本。例如，2000年的发射成本大约是每磅$11,729.00。主要是硅的太阳能电池每立方米重量大约5803磅，大约0.002米厚。如此，太阳能电池每平方米重量大约15磅，因此，对于太阳能电池，每平方米发射成本$176,000.00。因此，总重量的任何降低都有利地转换成成本的降低。
现在参考图6-7，在电子设备20"中示出了贴片的另一特别有利的实施例。电子设备20"说明性地是移动无线通信设备，并包括由外壳31"承载的输入设备33"或键和显示器32"。电子设备20"包括衬底21"和层的层叠结构（图7）。可视显示器层70"在衬底21'上方。可视显示器层70"说明性地是液晶显示器（LCD）。可视显示器层70"可以是另一种类型的发光或光调制可视显示器，如本领域技术人员所理解的。
天线接地面51"说明性地在可视显示器层70"上方，并在衬底21"和贴片天线40"之间。天线接地面51"说明性地也作为网格，以便它是光学透射的，以使可视显示器层70"被看透。在某些实施例中，天线接地面51"可以省略，因为可视显示器层70"可以包括或足以作为接地面。
贴片天线40"说明性地在可视显示器层70"和天线接地面51"上方。贴片天线40"说明性地是导电网格材料，或包括也是光学透射的导电网格层41"。
天线接地面51"和贴片天线40"之间的介电层52"也是透射光的。介电层52"可以是例如塑料，并可以是无线通信设备20"的外壳31"的一部分。更具体而言，介电层52"可以是无线通信设备外壳31"的通常覆盖可视显示器层70"或LCD的透明塑料层。
介电层52"还可在其两面上包括防反射层53a"、53b"，以减少来自可视显示器层70"的光反向反射。当然，防反射层53"可以在介电层52"的一面上，并可以在介电层的一部分或某些部分上。
如本领域技术人员所理解的，从可视显示器层70"穿过贴片天线40"、介电层52"，以及天线接地面51"的光有利地使用户看见可视显示器层，而同时包括贴片天线的功能。如此，电子设备的层的层叠结构的总的尺寸增加是相对较小的。
现在参考图8-11中的图71、72、73、74、75，形成了原型电子设备，并包括具有导电并光学透射的网格天线贴片层、光学透射的介电层，以及也具有导电网格层的光学投射的天线接地面的贴片天线。该原型电子设备具有下面表1中列出的参数，例如尺寸。
Figure BDA0000411446090000101
Figure BDA0000411446090000111
表1
应该注意，表1中的模拟的数据假设了完美的无损失材料，而测量到的数据是从具有带有热损失的材料的物理原型获取的。对于原型的测量到的和模拟的损失之间的差异，来自聚碳酸酯（即，光学透射的介电层）的损失可能归因于聚碳酸酯不作为微波印刷线路板，或电介质、材料来销售。聚碳酸酯实际损耗因数高于表中列出的。将聚碳酸酯替换为聚苯乙烯材料可以通过降低损失来提高性能。聚碳酸酯衬底用于提供高的抗冲击力，并且是相对高效的，足以允许GPS接收。
另外，也没有模拟同轴电缆和功率分配器。对于接地面层（黄铜网格或丝网），测量到的结果包括通过模拟没有捕捉到的接触电阻、方向偏离值、以及机械容差。
参考图8中的史密斯圆图71，阻抗响应76的两个盘旋表示，贴片天线具有双调谐的切比雪夫多项式行为。切比雪夫行为相对来说对带宽有好处，因为它是例如二次和/或单调谐的响应的大约四倍。
在天线范围内，测量了物理原型的实现的增益。现在参考图10中的曲线73，示出了相对于频率的测量到的实现的增益响应。这可以称为扫描增益测量。数据是在辐射模式最大振幅的视角（宽边或垂直于天线物理平面）下获取的。所使用的方法是增益比较法或替换法，使用细线半波偶极子作为已知具有2.1dBil的增益的增益标准。
通过线81示出了基准偶极子增益，通过线82和83示出了天线馈源中的每一个处的实现的增益。在混合电路上有两个天线馈源端口：一个提供右手圆极化，另一个提供左手圆极化。原型接收是从半小波偶极子向下5.2dB。应用替换法：测量到的贴片天线增益=基准偶极子增益+极化损耗因子+传输损失中的差异=2.1+3.0+(-5.2)=-0.1dBic。
极化损耗因子由于源偶极是线性极化的而出现，而接受测试的天线是圆极化的。接收圆极化的线性极化天线的极化损耗因子是3dB。测量到的实现的增益包括伴随现实世界天线的损耗机制，诸如例如材料加热和VSWR。在线82、83重叠的情况下，该原型的极化基本上或几乎完全地是圆形的，因此在1610MHz附近，实现几乎完美的圆极化。
图11中的曲线74是通过数值电磁仿真切取的仰角平面辐射模式，它示出了半功率波束宽度是88度。辐射模式瓣是宽边的，例如，波束与天线所在的平面正交，并在天线平面中有最小的辐射模式。图8是使用无限接地面计算出的，因此在图形中没有旁瓣或后瓣。
形成了另一种原型电子设备，进一步包括光伏层。为DC电源生产测试了原型电子设备。光伏层包括如位于加利福尼亚州Milpitas的IXYS公司制造的六模型XOB17-12X1太阳能电池的串行有限串。独立地，太阳能电池串在相对明亮的日光下在362毫安时提供2.9伏特。当作为原型电子设备的一部分被包括时，测量到的电流输出在几乎相同的电压时是18.4毫安。因此，获得50%的无阴影的功率输出。如本领域技术人员所理解的，贴片天线提供无线发送和接收的有益的折中，而同时允许从相同表面积进行有用的太阳能产生，并且可以获得增加的等级的DC电源输出。尽管在原型电子设备中没有使用光学涂层，但是，它可以与任何一层一起使用。另外，也可以使用相对较细的导电网格。
在太阳能测试过程中，没有发现贴片天线的感光性。换言之，太阳能电池或日光中的任何一个都不影响对贴片天线的调谐。
方法的一方面涉及制造电子设备20的方法。该方法包括形成要由衬底21承载的并包括具有由多个周界段所定义的周界（包括两对弓形的周界段42a-42d，它们之间有会切点43a-43d）的导电网格41层的贴片天线40。该方法还包括将至少一个天线馈源44耦合到贴片天线。
方法的另一方面涉及制造电子设备20'的方法。该方法包括通过至少将光伏层60'定位在衬底21'上方，并将天线接地面51'定位在光伏层60'上方，来在衬底21'上形成层的层叠结构。天线接地面51'包括光学透射的第一导电网格层。形成层叠的结构还包括将贴片天线40'定位在包括光学透射的的第二导电网格层的光伏层60'上方。
方法的再一个方面涉及制造电子设备20"的方法。该方法包括通过至少将贴片天线40"定位于可视显示器层70"上方来在衬底21"上形成层的层叠结构。贴片天线40"包括光学透射的导电网格。

Claims (10)

1.一种电子设备，包括：
衬底；以及
衬底上的层的层叠结构，包括：
可视显示器层，以及
补片天线，位于所述可视显示器层上方，包括导电的光学透射的网格。
2.根据权利要求1所述的电子设备，进一步包括：在所述可视显示器层和所述补片天线之间的光学透射的介电层。
3.根据权利要求2所述的电子设备，进一步包括：在所述光学透射的介电层上的至少一个防反射层。
4.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述可视显示器层包括发光可视显示器层和光调制可视显示器层中的一个。
5.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述补片天线具有由多个周界段所定义的周界，所属多个周界段包括之间具有会切点的至少一对弓形的周界段。
6.根据权利要求5所述的电子设备，其中，所述至少一对弓形的周界段是向内延伸的。
7.一种制造电子设备的方法，包括：
通过至少将补片天线定位在可视显示器层上方，在衬底上形成层的层叠结构，所述补片天线包括导电的光学透射的网格。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，形成层的层叠结构进一步包括：在所述可视显示器层和所述补片天线之间形成光学透射的介电层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，形成层的层叠结构包括：在所述光学透射的介电层上形成至少一个防反射层。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述可视显示器层包括：发光可视显示器层和光调制可视显示器层中的一个。
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