CN104124534A - 混合天线、冲压元件及制造混合天线的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种混合天线、冲压元件及制造混合天线的方法。其中，所述混合天线包括：介质基板以及冲压元件；该冲压元件包括主辐射元件、第一支撑部件、第二支撑部件、馈入元件及延伸分支；其中，该主辐射元件设置于该介质基板上方，该第一支撑部件耦接于该主辐射元件的第一端，该第二支撑部件耦接于该主辐射元件的第二端，该馈入元件耦接于信号源，以及该延伸分支设置于该介质基板下方，且该延伸分支耦接于该第二支撑部件与该馈入元件之间。本发明提供的混合天线具有辐射性能好、制造工艺简单等优点，可显著改善现有天线结构的性能。

Description

混合天线、冲压元件及制造混合天线的方法
技术领域
本发明有关于混合天线（hybrid antena），更具体地，有关于包括冲压元件（stamping element）的混合天线以用于改进天线频宽和天线效率。
背景技术
如今，2G或3G通信系统技术已运用于笔记型电脑、平板电脑（tablet）或移动电话。并且合并于（incorporate）印刷电路板（Printed Circuit Board,PCB）中的射频（Radio Frequency,RF）天线已是人们熟知的技术。由于PCB天线结构的制造成本相对较低且可有效用于低功率通信，因而广泛用于无线通信装置。然而，PCB天线结构的缺陷在于频宽窄且天线效率低。另一方面，冲压天线结构虽然可以克服PCB天线结构的一些缺陷，但冲压天线结构的制造工艺（manufacturing process）更复杂且成本更高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种混合天线、冲压元件及制造混合天线的方法。
本发明提供一种混合天线，包括：介质基板以及冲压元件；该冲压元件包括主辐射元件、第一支撑部件、第二支撑部件、馈入元件及延伸分支；其中，该主辐射元件设置于该介质基板上方，该第一支撑部件耦接于该主辐射元件的第一端，该第二支撑部件耦接于该主辐射元件的第二端，该馈入元件耦接于信号源，以及该延伸分支设置于该介质基板下方，且该延伸分支耦接于该第二支撑部件与该馈入元件之间。
本发明另提供一种冲压元件，包括：主辐射元件、第一支撑部件、第二支撑部件以及延伸分支；其中该主辐射元件，设置于虚拟平面上方；该第一支撑部件，耦接于该主辐射元件的第一端；该第二支撑部件，耦接于该主辐射元件的第二端；该馈入元件；以及该延伸分支设置于该虚拟平面下方，且该延伸分支耦接于该第二支撑部件与该馈入元件之间。
本发明还提供一种制造混合天线的方法，包括：提供介质基板与冲压元件，其中，该冲压元件包括主辐射元件、第一支撑部件、第二支撑部件、馈入元件以及延伸分支，且其中，该第一支撑部件耦接于该主辐射元件的第一端，该第二支撑部件耦接于该主辐射元件的第二端，且该延伸分支耦接于该第二支撑部件和该馈入元件；以及执行表面贴装技术工艺以将该冲压元件固定至该介质基板，其中，该主辐射元件设置于该介质基板的上方，该延伸分支设置于该介质基板的下方，且该馈入元件耦接于信号源。
本发明提供的混合天线具有辐射性能好、制造工艺简单等优点，可显著改善现有天线结构的性能。
附图说明
图1A为根据本发明一个实施例的混合天线的示意图；
图1B为根据本发明一个实施例的混合天线的示意图；
图1C为根据本发明一个实施例的混合天线的侧视示意图；
图2为根据本发明一个实施例的混合天线及其制造的示意图；
图3A和图3B为根据本发明一个实施例混合天线及其制造的示意图；
图4为根据本发明一个实施例的混合天线的回波损耗的示意图；
图5为根据本发明一个实施例的混合天线的天线效率的示意图；
图6为根据本发明一个实施例制造混合天线的方法流程图。
具体实施方式
为说明本发明的目的、特征及优势，对本发明的实施例和附图进行如下的详细描述。
图1A和图1B为根据本发明一个实施例的混合天线100的示意图。图1C为根据本发明一个实施例的混合天线100的侧视示意图。混合天线100可运用于多种移动装置，例如智能电话（smart phone）、平板电脑及笔记型电脑。混合天线100至少包括介质基板（dielectric substrate）110、接地面（ground plane）120及冲压元件130。介质基板110可为PCB，例如阻燃4（Flame Resistant4，FR4）基板。而接地面120和冲压元件130可由导电材料（例如银、铜或铝等）制成。请注意，在较佳实施例中，冲压元件130为固定（fixed to）在介质基板110上（如图1B和图1C所示），然而为便于理解，（在图1A中）将冲压元件130和介质基板110显示为两个分离的部件。
介质基板110具有第一表面（surface）E1和第二表面E2。第一表面E1为第二表面的相对面。在一些实施例中，冲压元件130的至少一部分设置于介质基板110的第一表面E1上，且接地面120设置于介质基板110的第二表面E2上。在其他实施例中，接地面120和冲压元件130的至少一部分都设置于介质基板110的同一表面上。在本发明的揭示描述中，可更将介质基板110称为“虚拟平面”（virtual plane）。
冲压元件130包括主辐射元件（main radiator）140、第一支撑部件（holder）150、第二支撑部件160、馈入元件（feeding element）170及延伸分支（extensionbranch）180。主辐射元件140与介质基板110分离并大致保持平行。在一些实施例中，主辐射元件140大致为直线（straight-line）形。第一支撑部件150耦接于主辐射元件140的第一端（end），且第二支撑部件160耦接于主辐射元件140的第二端（end），其中，第一端为第二端的相对端。第一支撑部件150和第二支撑部件160焊接（solder）在介质基板110的第一表面E1上，且第一支撑部件150和第二支撑部件160二者都垂直于主辐射元件140。在一些实施例中，主辐射元件140更包括第一弯曲结构（meandering structure），其中，所述第一弯曲结构可为S形、W形或U形。馈入元件170耦接于信号源（signal source）199。信号源199用于激发（excite）混合天线100。延伸分支180耦接于第二支撑部件160和馈入元件170。在一些实施例中，延伸分支180更包括第二弯曲结构，其中，所述第二弯曲结构可为S形、W形或U形。馈入元件170包括馈入平台（feeding platform）172，其中，该馈入平台172耦接于信号源199。馈入平台172焊接在介质基板110的第一表面E1上，且馈入平台172大致设置在主辐射元件140与介质基板110之间。在一些实施例中，馈入平台172大致为矩形。混合天线100的共鸣电流路径（resonate current path）为从馈入元件170经过延伸分支180、第二支撑部件160及主辐射元件140流向第一支撑部件150。请注意，冲压元件130主要配置用作混合天线110的主要辐射部分。在一个较佳实施例中，冲压元件130的主辐射元件140大致设置于介质基板110的上方，且冲压元件130的延伸分支180大致设置于介质基板110的下方。相比将所有天线元件设置于PCB上方的传统设计，本发明的设计可有效减少混合天线的总体高度。
在一些实施例中，混合天线100可更包括锥形元件（taper element）190。锥形元件190设置于介质基板110的第一表面E1上，且锥形元件190耦接于馈入平台172与信号源199之间。在一些实施例中，锥形元件190大致为三角形。更具体地，锥形元件190的窄的部分耦接于信号源199，且锥形元件190的宽的部分耦接于馈入平台172。锥形元件190为可选的导电元件，锥形元件190用于增加混合天线100的频宽。在其他实施例中，可除去锥形元件190。
在一些实施例中，混合天线100可更包括第一通孔（via）111、第二通孔112、第三通孔113、第一走线（trace）121及第二走线122。第一走线121设置于介质基板110的第二表面E2上。在一些实施例中，第一走线121大致为U形。第一通孔111穿过介质基板110而形成，且第一通孔111耦接于第一走线121与第一支撑部件150之间。第二走线122设置于介质基板110的第二表面E2上。在一些实施例中，第二走线122大致为直线形。第二通孔112穿过介质基板110而形成，且第二通孔112耦接于第二走线122的第一端与馈入平台172之间。第三通孔113穿过介质基板110而形成，且第三通孔113耦接于第二走线122的第二端与第二支撑部件160之间。第二走线122耦接于延伸分支180并与延伸分支180保持平行，且第二走线122提供额外的共鸣电流路径。在一些实施例中，第一走线121和第二走线122中的任一个更包括第三弯曲结构，其中，所述第三弯曲结构可为S形、W形或U形。在一些实施例中，第一支撑部件150包括第一突出部（protrusion）152，且第二支撑部件160包括第二突出部162。第一突出部152焊接在介质基板110的第一表面E1上，且第一突出部152耦接于第一通孔111。第二突出部162焊接在介质基板110的第一表面E1上，且第二突出部162耦接于第三通孔113。第一突出部152和第二突出部162可向彼此延伸。在一些实施例中，第一突出部152和第二突出部162都大致为矩形。在另一个实施例中，第一走线121和第二走线122都设置于介质基板110的第一表面E1上（图未示），且第一走线121和第二走线122分别直接耦接于第一支撑部件150和第二支撑部件160，并不透过第一通孔111、第二通孔112及第三通孔113进行耦接。第一通孔111、第二通孔112、第三通孔113、第一走线121及第二走线122用于调整混合天线100的匹配阻抗（matching impedence）且为可选导电元件，在其他实施例中，可除去（eliminate）第一通孔111、第二通孔112、第三通孔113、第一走线121及第二走线122。
在本发明中，冲压元件130设计为部分位于介质基板110（或虚拟平面）上方且部分位于介质基板110下方以减少混合天线110的总高度。冲压元件130的主辐射元件140由第一支撑部件150和第二支撑部件160所支持以使混合天线100足够坚固（robust）且简化了表面贴装装置（Surface Mount Device,SMD）的制造。当输入信号馈入混合天线100时，主要辐射元件140在混合天线100中具有最大电流密度（current density）。由于主辐射元件140与介质基板110分离，且主辐射元件140几乎不受介质基板110上设置的金属元件的影响，因此，混合天线100的辐射效率和频宽都得到有效改进。此外，冲压元件130可包括结合介质基板110上设置的一或多条走线，相应地，混合天线100包括了冲压天线结构和PCB天线结构的优点。简而言之，本发明至少具有天线尺寸小、成本低、制造工艺简单、坚固（robustness）以及辐射性能好的优点。本发明可适应性地用于多种小型移动装置。
在一些实施例中，可执行表面贴装技术（Surface Mounted Technology，SMT）工艺以将冲压元件130的一或多个部分焊接在介质基板110上。在SMT工艺中，首先将焊锡膏（soldering paste）附着在介质基板110的一或多个特定部分，然后，适当地定位好冲压元件130，焊锡膏被加热并融化以固定冲压元件130。本发明的制造可在SMT工艺期间得到进一步改进。请参考后述的实施例。
图2为根据本发明一个实施例的混合天线200及其制造的示意图。图2类似于图1A、图1B及图1C。在此实施例中，混合天线200更包括塑料夹具（plasticfixture）210。塑料夹具210设置于主辐射元件140与馈入平台172之间且同时接触主辐射元件140与馈入平台172。当执行SMT工艺以将冲压元件130固定至介质基板110时，塑料夹具210用于保持冲压元件130所需形状并增加冲压元件130的稳定性（stability）。在一些实施例中，可在SMT工艺之后除去塑料夹具210。图2的混合天线200的其他特征类似于图1A、图1B及图1C的混合天线100的对应特征。相应地，上述两个实施例可实现类似性能。
图3A和图3B为根据本发明一个实施例混合天线300及其制造的示意图。图3A和图3B类似于图1A、图1B及图1C。在此实施例中，由第一位置引脚311和第二位置引脚312分别将第一支撑部件150和第二支撑部件16固定至介质基板110。如图3A所示，延伸分支180包括轻微弯曲部（slight bend）182,其中，轻微弯曲部182最初并不平行于主辐射元件140。如图3B所示，当执行SMT工艺以将冲压元件130固定至介质基板110时，延伸分支180的轻微弯曲部182受到压力而平行于主辐射元件140和介质基板110，且产生弹力（elasticforce）以增加冲压元件130的稳定性。图3A和图3B的混合天线300的其他特征类似于图1A、图1B及图1C的混合天线100的对应特征。相应地，这两个实施例可实现类似性能。
图4为根据本发明一个实施例的混合天线的回波损耗（return loss）的示意图。其中，横轴表示操作频率（单位为MHz），而纵轴表示回波损耗（单位为dB）。根据6dB回波损耗的标准，本发明的混合天线可至少覆盖第一频带FB1和第二频带FB2。在较佳实施例中，第一频带FB1大约从824MHz至960MHz，且第二频带FB2大约从1710MHz至2170MHz。
图5为根据本发明一个实施例的混合天线的天线效率的示意图。其中，横轴表示操作频率（单位为MHz），而纵轴表示天线效率（单位为dB）。如图5所示，本发明的混合天线在第一频带FB1和第二频带FB2都具有良好的天线效率，因此，本发明的混合天线的天线效率可满足不同的应用需求。
图6为根据本发明一个实施例制造混合天线的方法流程图。首先，在步骤S610中，提供介质基板与冲压元件，其中，冲压元件包括主辐射元件、第一支撑部件、第二支撑部件、馈入元件以及延伸分支，且其中，第一支撑部件耦接于主辐射元件的第一端，第二支撑部件耦接于主辐射元件的第二端，延伸分支耦接于第二支撑部件和馈入元件。最后，在步骤S620中，执行SMT工艺以将冲压元件固定至介质基板，其中，主辐射元件大致设置于介质基板的上方，延伸分支大致设置于介质基板的下方，且馈入元件耦接于信号源。请注意，图1-5的每个具体特征都可运用于图6的混合天线制造方法。
应注意的是，上述的元件大小、元件形状及频率范围并不用于限制本发明。天线设计者可根据不同需要而调整上述设置。
权利要求中用来修饰元件的“第一”、“第二”、“第三”等序数词的使用本身并未暗示任何优先权、优先次序、各元件之间的先后次序、或方法执行步骤的次序，而仅用于标识区分具有相同名称（具有不同序数词）的不同元件。
尽管本发明以实例和较佳实施例描述如上，应理解的是，本发明并不限于上述揭示的实施例。相反地，本发明旨在覆盖可包括给予最广泛诠释并涵盖类似修改和结构的后附权利要求所限定的本发明精神和范围。

Claims (34)

1.一种混合天线，包括：
介质基板；以及
冲压元件，该冲压元件包括主辐射元件、第一支撑部件、第二支撑部件、馈入元件及延伸分支；其中，该主辐射元件设置于该介质基板上方，该第一支撑部件耦接于该主辐射元件的第一端，该第二支撑部件耦接于该主辐射元件的第二端，该馈入元件耦接于信号源，以及该延伸分支设置于该介质基板下方，且该延伸分支耦接于该第二支撑部件与该馈入元件之间。
2.如权利要求1所述的混合天线，其特征在于，该主辐射元件与该介质基板分离并保持平行。
3.如权利要求1所述的混合天线，其特征在于，该主辐射元件为直线形。
4.如权利要求1所述的混合天线，其特征在于，该第一支撑部件和该第二支撑部件焊接在该介质基板的第一表面上，且该第一支撑部件和该第二支撑部件都垂直于该主辐射元件。
5.如权利要求4所述的混合天线，其特征在于，该混合天线更包括：
接地面，设置于该介质基板的第二表面上。
6.如权利要求4所述的混合天线，其特征在于，该馈入元件包括馈入平台，其中，该馈入平台焊接在该介质基板的该第一表面上。
7.如权利要求6所述的混合天线，其特征在于，该馈入平台设置在该主辐射元件与该介质基板之间。
8.如权利要求6所述的混合天线，其特征在于，该馈入平台为矩形。
9.如权利要求6所述的混合天线，其特征在于，该混合天线更包括：
锥形元件，设置于该介质基板的该第一表面上，且该锥形元件耦接于该馈入平台与该信号源之间。
10.如权利要求9所述的混合天线，其特征在于，该锥形元件为三角形。
11.如权利要求6所述的混合天线，其特征在于，该混合天线更包括：
第一走线，该第一走线设置于该介质基板的第二表面上；以及
第一通孔，该第一通孔穿过该介质基板而形成，且该第一通孔耦接于该第一走线与该第一支撑部件之间。
12.如权利要求11所述的混合天线，其特征在于，该第一支撑部件包括第一突出部，该第一突出部焊接在该介质基板的该第一表面上，且该第一突出部耦接于该第一通孔。
13.如权利要求12所述的混合天线，其特征在于，该第一突出部为矩形。
14.如权利要求11所述的混合天线，其特征在于，该第一走线为U形。
15.如权利要求11所述的混合天线，其特征在于，该混合天线更包括：
第二走线，设置于该介质基板的该第二表面上；
第二通孔，穿过该介质基板而形成，且该第二通孔耦接于该第二走线的第一端与该馈入平台之间；以及
第三通孔，穿过该介质基板而形成，且该第三通孔耦接于该第二走线的第二端与该第二支撑部件之间。
16.如权利要求15所述的混合天线，其特征在于，该第二支撑部件包括第二突出部，该第二突出部焊接在该介质基板的该第一表面上，且该第二突出部耦接于该第三通孔。
17.如权利要求16所述的混合天线，其特征在于，该第二突出部为矩形。
18.如权利要求15所述的混合天线，其特征在于，该第二走线为直线形。
19.如权利要求6所述的混合天线，其特征在于，该混合天线更包括：
塑料夹具，设置于该主辐射元件与该馈入平台之间，当执行表面贴装技术工艺以将该冲压元件固定至该介质基板时，该塑料夹具用于增加该冲压元件的稳定性。
20.如权利要求1所述的混合天线，其特征在于，该第一支撑部件和该第二支撑部件由第一位置引脚和第二位置引脚分别固定至该介质基板。
21.如权利要求20所述的混合天线，其特征在于，该延伸分支包括轻微弯曲部,其中，该轻微弯曲部并不平行于该主辐射元件,且当执行表面贴装技术工艺以将该冲压元件固定至该介质基板时，该轻微弯曲部产生弹力以增加该冲压元件的稳定性。
22.如权利要求1所述的混合天线，其特征在于，该混合天线覆盖第一频带和第二频带，且该第一频带从824MHz至960MHz，该第二频带从1710MHz至2170MHz。
23.一种冲压元件，包括：
主辐射元件，设置于虚拟平面上方；
第一支撑部件，耦接于该主辐射元件的第一端；
第二支撑部件，耦接于该主辐射元件的第二端；
馈入元件；以及
延伸分支，设置于该虚拟平面下方，且该延伸分支耦接于该第二支撑部件与该馈入元件之间。
24.如权利要求23所述的冲压元件，其特征在于，该主辐射元件与该虚拟平面分离并保持平行。
25.如权利要求23所述的冲压元件，其特征在于，该主辐射元件为直线形。
26.如权利要求23所述的冲压元件，其特征在于，该第一支撑部件和该第二支撑部件都垂直于该主辐射元件。
27.如权利要求23所述的冲压元件，其特征在于，该馈入元件包括馈入平台，其中，该馈入平台设置在该主辐射元件与该虚拟平面之间。
28.如权利要求27所述的冲压元件，其特征在于，该馈入平台为矩形。
29.如权利要求23所述的冲压元件，其特征在于，该延伸分支包括轻微弯曲部,其中，该轻微弯曲部并不平行于该主辐射元件。且当执行表面贴装技术工艺以将该冲压元件固定至介质基板上时，该轻微弯曲部产生弹力以增加该冲压元件的稳定性。
30.一种制造混合天线的方法，包括：
提供介质基板与冲压元件，其中，该冲压元件包括主辐射元件、第一支撑部件、第二支撑部件、馈入元件以及延伸分支，且其中，该第一支撑部件耦接于该主辐射元件的第一端，该第二支撑部件耦接于该主辐射元件的第二端，且该延伸分支耦接于该第二支撑部件和该馈入元件；以及
执行表面贴装技术工艺以将该冲压元件固定至该介质基板，其中，该主辐射元件设置于该介质基板的上方，该延伸分支设置于该介质基板的下方，且该馈入元件耦接于信号源。
31.如权利要求30所述的制造混合天线的方法，其特征在于，该执行表面贴装技术工艺的步骤更包括：
将该第一支撑部件、该第二支撑部件及该馈入元件的馈入平台焊接在该介质基板的表面上。
32.如权利要求30所述的制造混合天线的方法，其特征在于，该执行表面贴装技术工艺的步骤更包括：
将塑料夹具设置于该主辐射元件与该馈入元件的馈入平台之间以增加该冲压元件的稳定性。
33.如权利要求30所述的制造混合天线的方法，其特征在于，该执行表面贴装技术工艺的步骤更包括：
由第一位置引脚和第二位置引脚分别将该第一支撑部件和该第二支撑部件固定至该介质基板。
34.如权利要求33所述的制造混合天线的方法，该延伸分支包括轻微弯曲部,其中，该轻微弯曲部并不平行于该主辐射元件。且当执行该表面贴装技术工艺时，该轻微弯曲部产生弹力以增加该冲压元件的稳定性。
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