CN1126190C - 制造用于电话机的天线体的方法及相应的天线体部件和电话机 - Google Patents

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Abstract

一种用于利用分开的金属机壳作为接地平面的天线设备中的天线体部件，该部件的制造如下：通过注模形成电介质体的第一部分，其中第一种树脂注入到注模工具中的第一空腔中；通过注模法形成复合电介质体，其中第二种树脂注入到注模工具的第二空腔中，所述电介质体第一部分被安置在第二空腔中作为芯用于变成复合体的一个整体部分；和在复合电介质体表面上镀覆一个金属层，其中选择所述第一和第二树脂具有对于金属镀覆不同的粘和性，因此一种树脂排斥金属层而另一个允许金属层粘和。

Description

制造用于电话机的天线体的方法及相应的天线体部件和电话机
本发明涉及用于手机的一种天线，该天线包括一个金属板或层作为天线的接地平面，一个谐振器板或层作为辐射单元，和一个馈电点向天线提供信号。当接地平面与谐振板电耦合时，馈电点板安装在使天线与手机的RF输出相匹配的位置。这样的天线公知为平面反转F天线(PIFA)。
直到几年前所有用于蜂窝通信的电话机都装备了可伸展天线单元，如同例如以商品名称Nokia2110销售的电话机。后来这些可伸展天线单元由一个外部螺旋天线所替代，如同例如以商品名称Nokia6110销售的电话机。现在申请人已经投放了以商品名称Nokia8810销售的电话机和该电话机包括一个基于PIFA原理的内部天线。该天线称为单频带天线和本方案适用于900MHz频带(上行链路890-915MHz和下行链路935-950MHz)的GSM。该天线单元将具有对应四分之一波长的电长度和在接地与谐振器平面之间安放一个电介质以减少总的物理尺寸。PIFA的总尺寸减少到32×20×4mm。
WO95/24746描述了一种内部天线，具有在两个基本上平行的表面上覆盖金属层的电介质体。该天线是只用于GSM900HMz频带的单频带天线。塑料体基本上为模制并带有金属。随后在金属层上通过利用切削去除部分被覆盖的表面来产生图形。该方案已经用于Hagenuk以商品名称Glibal Handy行销的电话机中。
US5764190描述了一种电容加载PIFA，据此在接地平面与辐射单元之间插入一个额外平面。这要求除了几个涂层处理外使用了二次注模处理。
在IEEE Transactions on Anteenas and Propagation，April1998，Volume 46，Number 4所公开了由C.R.Rowell和R.D.Murch的文章“适合于双频率900/1800MHz工作的一种紧凑PIFA”。该文章由US5764190中所提到的发明人所写，并描述了三层天线原理的进一步改进。改进包括在谐振器层中提供纵向缝隙以便获得两个辐射单元。RF信号通过中间平面馈送到辐射单元。
在IEEE Transactions on Anteenas and Propagation，October1997，Volume 45，Number 10所公开了由Z.D.Liu和P.S.Hall的文章“双频率平面反向F天线”。该文章描述了许多方案--这些方案之一具有一个矩形贴片用于900MHz频带。该贴片提供了L型缝隙分出900MHz频带的四分之一作为在1800MHz频带中的谐振单元。两个谐振单元在缝隙底部相互连接在这样的相互连接中提供了公共馈电点。另外在相互连接中通过数个短路引线将两个谐振单元缩短。由此减少在两个辐射单元之间的耦合。
本发明的目的是提供一种用于手机的天线，该手机具有能够集成到公知的手机机壳中的形状。该天线必须容易制造而不需要手工作业步骤。
该目的是通过根据本发明的用于制造天线体部件的方法而获得的。该目的是通过根据本发明的用于制造天线设备的方法而获得的。一种用于制造无线电话机的天线设备的方法，包括提供天线体部件的步骤：通过注模法形成电介质体第一部件，其中第一树脂注入注模工具中的第一空腔，通过注模法形成复合电介质体，其中第二树脂注入注模工具中的第二空腔，所述电介质体第一部件放置在第二空腔内作为芯线以变成复合体的整体部分，和通过镀覆金属层在复合电介质体的表面其中选择具有不同的粘和性的所述第一和第二树脂用于金属镀覆使一个树脂排斥金属层而另一个树脂允许金属层粘和。最终在作为天线体接地平面的分开的金属体上模制成天线体。由此获得辐射导电图而不需要使用任何掩膜或手工去除多余的金属层。实际上天线体可以处理和针对注模电话机的任何塑料盖。电镀处理可以是标准处理而不需要任何机械步骤如打孔或磨削。
两个树脂都选择为由苯乙烯单体合成的结晶聚合物，一种树脂作为具有添加催化剂的混合物。由此最终的天线体将具有均匀性能和可以通过标准注模处理制造。
本发明还涉及用于利用分开的金属壳作为接地平面的天线设备中的天线体部件。该天线体部件具有电介质体，和镀覆成为覆盖电介质体部分的图形作为谐振器平面的第一导电层。该电介质体由二次注模处理形成包括，其中在第一次注模中使用的材料是在随后的镀覆处理中排斥金属的树脂，和其中在第二次注模中使用的材料是在随后镀覆处理中粘和金属的树脂。由此制造过程可以是标准的二次注模处理伴随非电镀敷金属处理，例如浸镀处理，和因此只需要很少的手工操作工时。
电介质体最好与作为天线接地平面的金属壳咬合。由此在电话机组装期间该外壳和天线可以作为一个单元处理。
通过对天线设备装备带有穿过电介质体的透孔，穿过机壳伸展的PCB上的弹性接头可以用于通过在电介质体背面上的连接垫片对天线馈电。
根据本发明的天线设备的主要目的是提供一种用作电话机或手机内部天线的天线设备。
图1示意性地表示了根据本发明的手持便携电话机的优选实施例。
图2示意性地表示了用于与蜂窝或无绳网络通信的一个电话机的基本部件。
图3在截面图中详细表示了天线馈电原理。
图4表示了在组装前的电话机的天线体和金属外壳的透视图。
图5表示了当组装后的天线体和金属外壳的平面图。
图6表示了从下面观察的天线体的透视图。
图7表示了从上面观察的天线体的透视图。
图8表示了基于图6和7所示的天线体的第一改型实施例。
图9表示了基于图6和7所示的天线体的第二改型实施例。
图10表示了基于图6和7所示的天线体的第三改型实施例。
图11说明用于制造根据本发明的天线的二次注模处理。
图12和13分别说明了用于900MHz和1800MHz频带的辐射图。
图14(a)和(b)说明了执行根据本发明天线注模的优选步骤。
图1表示了根据本发明的电话机的优选实施例，和可以看出通常由1代表的该电话机包括一个用户接口，该接口具有一个小键盘2，一个显示器3，一个开/关键4，一个扬声器5和一个话筒6(只表示了开口)。根据优选实施例的电话机1适合于通过蜂窝网络通信，但也同样可以设计用于无绳网络。
根据优选实施例，小键盘2具有第一组键7作为字母数字键，两个软键8，两个呼叫处理键9，和一个引导键10。软键8的当前功能表示在显示器3中的各个字段中恰好在键8之上，和呼叫处理键9用于建立一个呼叫或一个会议呼叫，终止一个呼叫或拒绝一个来话呼叫。
图2示意性表示了电话机优选实施例的最重要部件，所述部件对于理解本发明是必要的。本发明电话机优选实施例适合用于与GSM900MHz和GSM1800MHz网络连接，但是当然本发明也可以应用于与其它电话机网络连接。通过发射机/接收机电路19和在下面将详细讨论的天线20处理器18与网络通信。
话筒6将用户的语音转换为模拟信号，该语音在音频部件14中被编码之前在A/D变换器中作A/D变换。编码后的语音信号传送到处理器18，该处理器支持例如GSM终端软件。该处理器18也形成对包括RAM17和闪速ROM存储器17b、SIM卡16、显示器3和小键盘2(和数据，电源等)的设备外围单元的接口。音频部件14对该信号进行语音解码，该信号从处理器18通过D/A变换器(未表示)传送到耳机5。
如图3、4和5所见根据本发明的天线设备优选实施例包括两个基本部件---作为天线接地平面的机壳24和镀覆金属图形41的电介质体40，其中后者作为谐振器平面。印刷电路板(PCB)21支撑了多个未表示的电子元件，和机壳24用作为能对这些元件公知的EMC保护罩。机壳24沿周边与PCB21的接地连接和机壳24因此适合于用作天线的接地平面。接头22的弹性金属引线23焊接在PCB21上和通过连接引线43连接PCB21上未表示的RX/TX路径到天线体部件40，引线43具有内部镀金属的通路42与金属图形41粘和。
该天线单元将被安放在电话机背面上部。
如图4所见该机壳24具有大量凸缘25用于相对电话机盖引导机壳。机壳24通过螺丝或类似物穿过孔30固定在PCB21上。机壳24还装备了穿孔输出26用于未表示的SIM卡接头。该SIM卡对着穿孔26的边缘安放并由未表示的锁定装置固定到位。在机壳24的顶部提供了平面区27作为天线接地平面，和该区域也装备了穿孔29，通过该孔伸展天线接头22。另外平面区27具有两个弹性弹簧舌簧31用于改善沿天线体40一侧(顶侧)的天线接地。该机壳24被形成具有一个台阶28以减少了接地平面与该区域中谐振器平面之间的距离。
在图6和7所示的天线体40中，从俯视图(图7)可以看出天线的馈电点42位于金属图形舌尖45上。提供该馈电点42作为来自天线体40背面的电镀通路和在PCB21与天线谐振器单元之间传输RF信号。金属支柱44围绕连接引线43顶部上的该通路。舌尖45的形状对应于金属支柱44的形状以便容易生产。
金属图形上的舌尖45限定在主缝隙46与从主缝隙46的三分之一中间分支的镜象缝隙47之间。该主缝隙46的长度和尤其是周长对天线的两个辐射单元48和49的谐振频率具有重要影响。舌尖45通过公共频率部件39与两个辐射单元48和49粘和。根据优选实施例的两个辐射单元48和49分别专用于GSM900MHz和1800MHz频带。
在900MHz频带中辐射单元48上的表面电流从馈电点42开始并沿具有圆形52的宽通路(公共频率部件39)延续，圆形52允许表面电流(由A箭头表示)容易地围绕缝隙46的底部53旋转。由此与具有装备直线型平行边缘的通路的实施例相比，表面电流的分布变得更均匀。已经可以看出圆形52增加了在辐射单元法线方向上辐射单元48的增益。
在缝隙46的端部提供了与接地平面的电容性耦合58(图6)。该耦合58减少了GSM900MHz的谐振频率。当金属层末端与接地平面之间的距离减少时，电容性耦合58增加并由此使GSM900MHz谐振频率降低。
GSM900MHz谐振器单元48的周长和长度确定了GSM900MHz的谐振频率。GSM900MHz谐振器单元48的周长不影响该单元的增益。
谐振器单元48的尖端59越长，900MHz谐振频率将越低。可是，尖端59不必太靠近缝隙46开口附近1800MHz谐振器单元49上的点60，因为这将增加两个辐射单元与邻近缝隙46开口的接地点之间的耦合。如果从尖端59到接地的耦合增加，900MHz谐振器单元48的增益将减少。
已经可以看出缝隙46的恒定宽度和900MHz谐振单元48的宽端部(宽度是朝前端增加)给出了最高增益数值。
缝隙46的长度尤其是周长对900MHz谐振频率具有重要影响---缝隙46越长，谐振频率将越低。
缝隙的宽度确定谐振频率和增益两者。较细的缝隙46给出了较高的900MHz谐振频率(部分由于周长较短的事实，部分由于相反电流的反向耦合)，也给出较低的总增益(由于对沿缝隙46两侧流动电流的反向耦合)。
正常时缝隙46将设计为最大增益。可是已经看出宽的缝隙46产生低谐振频率和稍微低的增益。这可能是由于减少了谐振器单元48的最小宽度以便保持天线体的总尺寸。这将影响谐振器单元48以有效方式引导表面电流的能力。可是谐振器单元48的宽度可以通过允许该单元48具有扩展部分68而增加，该扩展部分围绕天线体的平滑边缘。由于增加了周长，这将降低单元48的谐振频率，但也将减少其增益。增益的减少是由电磁场被保持在结构内部所引起的。
如图8所示以转弯部分66方式端接缝隙46可以增加谐振频率。主部分46与转弯部分66之间的角度最好大约是90°。
另一种形式如图9所示，缝隙46向下作为扩展部分67延续到电容性耦合器58中。这将减少900MHz频带的总增益。
在1800MHz频带中辐射单元49上的表面电流从馈电点42开始并通过围绕第二缝隙47端部的公共频率部件39。第二缝隙47增加了GSM900MHz频带的带宽和减少了GSM1800MHz频带的带宽。可是，已经看出在较低频带中带宽的改善高于在较高频带中带宽的减少。可以相信这是由于表面电流必须在相当分散的路径上流动---见图7中的箭头B--和这样就产生了具有不同长度的路径，这使得谐振器单元49在连续频带中的不同频率上谐振。
缝隙47的宽度对GSM1800MHz频带中的带宽有影响。缝隙47越宽，较高频带的带宽越低。同时宽缝隙将减少GSM900MHz频带的谐振单元48的增益。因此，缝隙将具有在0.8mm范围内的最小宽度和4.2mm范围内的长度。此最小宽度保证在两个谐振器单元48和49之间的最小耦合并主要由制造过程所确定，其中使用根据优选实施例的一次注模处理。缝隙47的长度确定了900MHz频带的带宽和1800MHz频带的增益。缝隙47越长900MHz频带上的带宽越高，和1800MHz频带上的增益越低。
通过强制900MHz电流不在电容性1800MHz耦合器54上流动，切口61将两个频带分离。缝隙47的端部与切口61之间金属图形宽度的减少将与增加缝隙47的宽度具有相同的效果。
1800MHz频带谐振单元49被终接在短路表面56中，该表面偏向机壳24作为天线接地平面。镀金属引线51降低了1800MHz频带的谐振频率并另外用作夹具臂用于将天线连接在机壳24/PCB21上。谐振频率降低的原因是表面电流在到达机壳24背面上的接地之前(图6和7中的箭头C)能够在引线51附近通过并因此流动了较长的电距离。
提供类似引线51的另一个引线57用于将天线固定在机壳24上。可是该引线57不是镀金属的和只用作机械目的。在天线体两侧提供了突起55用于建立与具有类似凹槽65的机壳的咬合连接。
参照图6，可以看出在对着机壳24伸展的壁上提供了电容性耦合器54作为金属图形部件。该耦合器54降低了1800MHz频带的谐振频率---该图形越靠近接地平面终止，耦合越高并产生较低的谐振频率。
基本上如同图6和7的透视图所示，天线体40被提供作为二次注模处理中的塑料体。根据本发明的优选实施例，用于二次注模的塑料材料需要具有基本上特定的特性—主要针对天线体的电性能。将用于内部天线的塑料材料或电介质材料选择为由苯乙烯单体合成的结晶体聚合物最有利。这种塑料体的表面可以不镀(镀覆)金属而作为带有适当催化剂的化合物来提供的相同塑料的表面可以镀金属。
金属材料只与化合物塑料粘和并可以产生用作带状线天线的图形。Idemitsu Petrochemical有限责任公司用XAREC商品名称推销用作天线体40制造的一种电介质材料。根据优选实施例两个变体XarecS-131(GF30％)和XarecSP-150(GF30％)被分别用于第一和第二次注模。优选的电介质材料是间同立构聚苯乙烯(SPS)。另一个具有类似性能的材料可以被使用，例如QuestraQA802或CatalyzedSPS RTP4699x79007。
用于天线的材料所需要的特性是适合的电性能，例如介电常数和损耗系数，和长时间保持这些性能的能力。其基本上要求吸水率低以便保证天线的电介质性能基本上保持在相同水平。反之吸水性将影响天线体的电介质性能。根据ASTM D 570的测试方法XarecS-131(GF30％)和XarecSP-150(GF30％)具有吸水率/24小时0.05％。
这些电介质材料的性能基本上可以从有关数据图表中发现。可是选择这些材料主要是由于它们的介电常数在30-31范围内，该介电常数影响谐振波长与自由空间波长之间的关系。另外吸水率很重要，因为在电介质材料中含水将极大地影响它们的电介质性能。
根据本发明的优选实施例，上述天线体40的制造方法包括注模步骤并附带建立所需要的金属图形的镀金属步骤。
图14(a)说明了注模处理中的基本步骤。作为第一步骤分别在第一和第二模块部件101和102之间产生空腔。该空腔由将第一模具120如同箭头A所示向第二模具121移动产生。第一模具120具有两个相同模块部件(第二模块部件102和106)，和第二模具121具有三个模块部件(一个第三模块部件103和两个第一模块部件101和105相邻)。在由第一模块部件101和第二模块部件102形成的空腔中注入树脂(第一注模)由此产生第一体部件100(该体的几何形状在图14(a)和(b)中与图11和图12所示的精确形状相比被简化)。用于这次注模的树脂在随后的镀金属处理中排斥金属。该树脂是通过提供在第一模块部件101上的入口104注入的。
然后两个模具120和121按照图14(b)中的箭头B表示的方向分开，和第一体部件100保持在第二模块部件102中。然后模具120被移动以便第二模块部件102变得与中心第三模块部件103对准。模具102和103将形成具有图6和7中所示的最终天线体形状的空腔。可是第一体部件100充满了该空腔的基本部分由此剩余的空腔用于容纳对应体部件110的第二树脂。带有空腔和空腔中安放了第一体部件100的模具被预热由此当注入空腔时第二树脂与第一树脂合并为一体而形成粘和的天线体。给予该粘和体的参照数字是112。用于第二次注模的树脂在随后的镀金属过程中允许金属粘和。该树脂通过在第三模块部件103上提供的入口104注入。
在镀覆镀金属处理中，例如非电镀浸镀处理，10-12μm Cu镀层以二次注模限定的图形加到天线体的表面上。Cu层最终由具有约1-2μm厚度的Ni层保护。该Ni层保护电流携带Cu层。最终该部件铬酸盐溶液中浸泡以便钝化镍表面。金属只与注模处理的第二次注模使用的树脂粘和。
通过使用后者替代模具120，第一树脂被部分注入到第二模块部件之一102限定的空腔中，同时第二树脂被注入到由另一个第二模块部件106限定的空腔中。然后通过在第一模块部件101和105之一上的出口104提供第一树脂，而通过第三模块部件103中的出口104提供第二树脂。与第二模块部件102和106相邻的第一模块部件101和105中只有一个在注入期间注入树脂。
参照图3-11所描述的天线体被设计成用于GSM900MHz频带和GSM1800MHz频带的双频带天线并在优选实施例中具有45mm左右的总宽度，37mm左右的总高度和9mm左右的总厚度。GSM900路径48的总长度是50-55mm。GSM1800MHz路径49的总长度49是20-30mm。
图12和13分别说明了用于900MHz频带和1800MHz频带的辐射方向图。所计算出用于GSM900MHz频带和用于GSM1800MHz频带的S11最小反射损耗为-17dB和-34dB。在S11＝-6dB分别用于GSM900MHz频带的带宽是78MHz(超过8MHz)用于GSM1800MHz频带的带宽是180MHz(超过10MHz)。
分别用于GSM900MHz频带的最大增益是1.6dBi和用于GSM1800MHz频带上的是5.2dBi。在频带边缘的最大增益分别用于GSM900MHz频带是0.8dBi和用于GSM1800MHz频带是3.23dBi。在中心频率上的估计效率分别对于GSM900MHz频带是70％和对于GSM1800MHz频带是60％。中心频率分别是925MHz和1795MHz。
图12表示通过电话机背面在GSM900MHz频带中辐射的功率是1.6dBi，而在相反方向辐射的功率至少是低于1.6dBi。图13所示在GSM1800MHz频带中通过电话机背面辐射的功率是5.2dBi，而在相反方向上辐射的功率几乎可以忽略。

Claims (9)

1.一种用于制造无线电话机天线设备的方法，包括步骤：提供一个具有发射图形的天线体部件，和将所述天线体安装在一个分开的金属机壳(28)上，该金属机壳用作为该天线体的接地平面，其特征在于，该天线体是由下列步骤形成的：
·通过注模形成一个电介质体(40)的第一部件(100)，其中一种第一树脂被注入到注模工具中的一个第一空腔中；
·通过注模法形成一个复合电介质体(100，110)，其中一种第二树脂被注入到注模工具中的一个第二空腔中，所述电介质体(40)的第一部分(100)被安置在第二空腔中作为芯用于变成复合体(100，110)的一个整体部分；
·在复合电介质体(100，110)的表面上镀覆一个金属层(41)，其中选择所述第一和第二树脂具有对金属镀覆不同的粘和性，因而一种树脂排斥金属层(41)而另一种允许金属层粘和(41)以提供所述的发射图形。
2.根据权利要求1的一种方法，其中选择由苯乙烯单体合成的结晶体聚合物作为第一和第二树脂，和其中提供第一或第二树脂作为带有添加催化剂的化合物。
3.一种天线体部件用于使用分开的金属机壳作为接地平面的天线设备中，并具有一个电介质体(40)，和一个用作谐振器平面的第一导电层(41)，该导电层镀有覆盖电介质体一部分的图形，其特征在于：所述电介质体(40)是通过二次注模法处理工艺来形成的，其中在第一次注模中使用的材料是一种第一树脂，而在第二次注模中使用的材料是一种第二树脂在，并且第一导电层作为金属层(41)被提供在该复合电介质体(100，110)的表面上，在该复合电介质体上选择所述第一和第二树脂具有对金属镀覆不同的粘和性，因而一种树脂排斥金属层(41)而另一种允许金属层粘和(41)。
4.根据权利要求3的一种天线设备，其中电介质体(40)装备了用于建立与用作该设备第二导电层的一个分开金属体(27)的可释放互连接的耦合装置(55)。
5.根据权利要求3的一种天线设备，其中馈电装置包括穿过电介质体(40)的一个穿孔(42)作为连接第一导电层(41)到电介质体背面上的连接垫片(23)的连接通路。
6.根据权利要求4的一种天线设备，其中所述耦合装置(55)包括夹具钩，其用于在天线体部件与分开的金属机壳(27)之间建立咬合连接。
7.具有内部天线的一种电话机或手机包括一个天线体部件，和一个用作为该天线体的接地平面的分开的金属机壳(27)，所述天线具有一个电介质体(40)，和一个用作谐振器平面的第一导电层(41)，其被镀成覆盖电介质体一部分的图形；其特征在于：所述电介质体是通过二次注模法处理工艺来提供的，其中在第一次注模中使用的材料是一种第一树脂，而在第二次注模中使用的材料是一种第二树脂，并且第一导电层作为金属层(41)被提供在该复合电介质体(100，110)的表面上，在该复合电介质体上选择所述第一和第二树脂具有对金属镀覆不同的粘和性，因而一种树脂排斥金属层(41)而另一种允许金属层粘和(41)。
8.根据权利要求7的一种电话机或手机，其中该电介质体(40)装备了用于建立与用作该设备第二导电层的分开金属体(28)的可释放互连接的耦合装置(55)。
9.根据权利要求7的一种电话机或手机，其中该馈电装置(42)包括穿过该电介质体(40)的一个穿孔作为连接第一导电层到电介质体(40)背面上的连接垫片的连接通路。
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