CN1277333C - 天线装置和天线装置部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于便携式通信设备的天线装置(1)和其低成本的制造方法，其特征在于：一种衬底(2)，该衬底(2)至少由一种绝缘材料或一种磁性材料组成，并具有上下表面(22)以及侧表面(23)，在该侧表面(23)交替形成凸起部分和凹入部分；和一个螺旋导体层，该螺旋导体层形成于衬底(2)的上下表面(22)上、侧表面(23)的凸起部分和凹入部分上，以便螺旋地包围整个衬底(2)。

Description

天线装置和天线装置部件
技术领域
本发明涉及一种用于便携式通信设备的天线装置。
背景技术
虽然线形天线如杆形天线或棒形天线已被用于通信装置中，如用在便携式电话中，除了当遇到外部机械力作用在天线时，会产生断裂、变形和性能下降的危险之外，这种天线还妨碍了将通信装置被做成小尺寸，因为该天线必须在通信装置的壳体外面进行连接。另外这种天线的组装成本也不是最优的，因为要通过同轴线缆和连接器组装天线需要多个组件。
为了解决上述的问题，日本未审查的专利申请公开No 9-64627提出了一个如图26所示的可表面组装在电路板上的小型天线。利用一种形成多层陶瓷衬底的技术，在一种陶瓷衬底30中形成一个螺旋天线。在各陶瓷层上形成一条导线31，各不同陶瓷层上的导线经过通孔32相互连接，通孔32中填充了导体材料，以便形成一个整体的螺旋导体。包括螺旋辐射导体的陶瓷天线是通过层叠各陶瓷层而装配成的。在衬底30的侧表面上带有用于向螺旋导体馈电的端头33。
然而，由于层叠的陶瓷片是在烧结前的每层陶瓷片上形成导线之后再烧结的，所以在设计导线时要考虑由于烧结而引起的收缩。为了将收缩率限制在一个预定的范围，需要进行很严格的工艺控制，这样就使减少成本变得困难。
若使所有的导线都形成于已烧结的陶瓷片表面上，那么就需要用一种可以进行精确控制导体图案的方法，如印刷的方法，将导体图案形成于具有平整表面的陶瓷体的至少四个表面上，这也妨碍了生产成本的减少。
发明内容
因此，从至此所描述的内容来看，本发明的目的是提供一种减少生产成本的天线装置。
在第一方面，为达到上述目的，本发明提供了一种天线装置，包括：一个衬底，具有上表面、下表面以及一对侧表面，在该对侧表面上交替形成凸起部分和凹入部分；和一个螺旋导体层，该螺旋导体层形成于衬底的上表面、下表面上，也形成在上述凸起部分上，以便螺旋地包围整个衬底；其中，所述凸起部分在该对侧表面上以预定的距离顺序地放置；和所述侧表面上的一个凸起部分包括一个用于将所述螺旋导体层接地的接地电极。
根据本发明，最好至少将侧表面上的一个凸起部分或一个凹入部分用作供电电极，以便向天线装置中的螺旋导体层供电。
根据本发明的天线装置最好有一个层，该层至少包括一种绝缘材料和磁性材料，该材料至少覆盖形成于衬底上的螺旋导体层的一部分。
根据本发明的天线装置包括一个螺旋天线，其中一种螺旋发射导体形成于陶瓷衬底的表面，而在衬底上、下面上的导体层可以由印刷的方法来形成。通过一种高速涂覆的方法，如浸没或采用滚轮涂覆机的方法，只在凸起部分上形成电极，以便在侧表面上的凸起部分上形成导电层。对于特别在凸起部分上形成电极来说，采用滚轮涂覆机比用印刷的方法可达到的生产率更高。在凸起部分上形成电极的优点还在于，在天线装置的安装中，当焊料用来连接凸起部分上的电极时，焊料很难形成焊料桥。另一方面，当要在侧表面上的凹入部分形成导电层时，可以将导体材料填充入以下将要描述的通孔中来形成该导电层，这样也可以具有不易形成焊料桥的优点。因此，本发明可以方便地进行大批量生产，同时还可以使生产成本大大减少。
表面安装型的天线也可以方便地制造，这是由于其上形成了导线的侧表面凸起部分和凹入部分本身可以用作为端电极。
本发明还提供了一种天线装置，包括：一个衬底，具有上表面、下表面以及一对侧表面，在该对侧表面上交替形成凸起部分和凹入部分；和一个螺旋导体层，该螺旋导体层形成于衬底的上表面、下表面上，也形成在上述凹入部分上，以便螺旋地包围整个衬底；其中，所述凹入部分在该对侧表面上以预定的距离顺序地放置；和所述侧表面上的一个凹入部分包括一个用于将所述螺旋导体层接地的接地电极。
如上所述，侧表面凸起部分或侧表面凹入部分本身可以作为供电电极和接地电极。提供一个绝缘层或磁性层来覆盖螺旋导体，这样使天线装置更加紧凑。
当形成该导电图案以使供电电极与接地电极在与电路衬底相接触的衬底的下表面处相连时，可大量分布本发明中的天线的谐振频率很分散。
让供电电极与接地电极在上表面或侧表面处相连可以消除上述的缺点，从而可以构成一种高精确度的天线。
根据本发明的天线装置部件包括一个天线装置，其中供电电极与接地电极在衬底的下表面处相连接。由于天线装置的螺旋导体层与接地导体层的接触点不直接与电路板衬底相接触，所以可以通过抑制谐振频率的分散来获得高精确度的天线，这就象该接触点形成于天线装置的衬底的上表面或侧表面上一样。
附图说明
图1显示的是根据本发明的第一实施例的天线装置的透视图。
图2显示的是图1中的天线装置的制造工艺中的中间步骤；
图3A显示的是图1中的天线装置的制造工艺中的中间步骤；
图3B显示的是图1中的天线装置的制造工艺中的中间步骤；
图4显示的是图1中的天线装置的制造工艺中的中间步骤；
图5显示的是图1中的天线装置的制造工艺中的中间步骤；
图6显示的是根据本发明的第二实施例的天线装置的透视图。
图7显示的是图6中的天线装置的制造工艺中的中间步骤；
图8显示的是图6中的天线装置的制造工艺中的中间步骤；
图9A显示的是图6中的天线装置的制造工艺中的中间步骤；
图9B显示的是图6中的天线装置的制造工艺中的中间步骤；
图10显示的是图6中的天线装置的制造工艺中的中间步骤；
图11说明了一种用于评估天线装置的方法；
图12显示了一个曲图线，该曲图线显示了天线装置的反射损失与频率特性之间的关系；
图13显示了图11中的XY平面内的发射模式；
图14显示的是根据本发明的第三实施例的天线装置的透视图。
图15显示的是图14中的天线装置的制造工艺中的中间步骤；
图16显示的是图14中的天线装置的制造工艺中的中间步骤；
图17显示的是图14中的天线装置的制造工艺中的中间步骤；
图18A显示的是图14中的天线装置的制造工艺中的中间步骤；
图18B显示的是图14中的天线装置的制造工艺中的中间步骤；
图19显示的是图14中的天线装置的制造工艺中的中间步骤；
图20显示的是根据本发明的第四实施例的天线装置的透视图；
图21显示的是根据本发明的第五实施例的天线装置的透视图；
图22显示的另一个天线装置的透视图；
图23说明了一种评估天线装置的方法；
图24显示了根据本发明的第一实施例的一个天线装置部件；
图25显示了根据本发明的第二实施例的一个天线装置部件；和
图26说明了一个可以表面组装在一个电路板上的传统的小型天线。
具体实施方式
下面将对本发明的实施例进行描述。
图1显示的是根据本发明的第一实施例的天线装置的透视图。
天线1的衬底2包括一个上表面21和一个下表面22，和一对侧表面23，在该侧表面上交替形成了凸起部分231和凹入部分232。用于将在一对侧表面23上对应的凸起部分232相互连接起来的导体层3被形成于衬底2的上表面21之上。导体层4形成于衬底2的下表面22之上，该导体层4用于一对侧表面23上的凸起部分232的连接，其中一个凸起部分在侧表面上，而另一个凸起部分在对置的侧表面上并且相对于前者偏移了一个节距。导体层5也形成于一对侧表面23的凸起部分232之上，而这些导体层3、4和5作为螺旋导体层整体围绕衬底2。
衬底2最好对谐振频率有一个稳定的特定绝缘常数(εr)或者具有低损失的稳定的特定磁导率(μr)以及一个小的温度系数(τr)。一种铝基陶瓷(在2GHz时，εr＝8.5，Q＝1000并且τr＝38ppm/℃)被用于本实施例。最好该导体由一种低电阻的导体组成，如铜、银和金。一种银-铂糊状物(OS-171由Dupont公司制造)被用于本实例。
下面，将参考显示了由图1所示的天线装置1的制造工艺的图2到5，对该天线的制造方法进行描述。首先准备一种图2中所示的铝基衬底9。在该铝基衬底中提供嵌入线10，这样就可以在以下的步骤中将该衬底分成想要得到的尺寸。通孔11也提供在嵌入线的理想位置上。在垂直方向上各嵌入线10被配置成间隔5毫米，而在横向上被配置成间隔10毫米，通孔11的直径为0.8毫米，在横向上在嵌入线上的间隔距离为2毫米，而铝基衬底的宽度为50毫米、长度为50毫米、厚度为1毫米。
随后，如图3A和图3B所示的导体图案12和13分别被形成于铝基衬底9的上表面91和下表面92上。这种图案是通过将一种导电的糊状物进行丝网印刷，并在干燥之后让该图案经过850℃烧结而形成的。
在形成了上下导体之后，将铝基衬底9沿嵌入线进行分割，通孔就形成了如图4所示的形状。通过一个挤压机将一种导体糊状物15以0.2，毫米的厚度喷撒在一个平板14上，如喷撒在一个玻璃板上，由通孔在铝基衬底上形成的凸起部分被浸在导体糊状物15中，只将凸起部分的端部涂上了糊状物15，随后再进行干燥和烧结。
如图5所示，通过沿嵌入线将平板分成最小单元，最终获得了天线装置1。一次可以制造多个具有上述结构的天线，从而表现出了减少制造成本的效果。
图6显示了一个本发明的天线装置的第二实施例的透视图。
天线1的衬底2包括一个上表面21和一个下表面22，和一对侧表面23，在该侧表面上交替形成凸起部分231和凹入部分232于图1所示的天线装置的衬底2之中。然而，图6所示的天线装置1的导体层与图1所示的天线装置的导体层略有不同。在图6所示的天线装置1中，用于相互连接一对凹入部分231的导体层3形成于上表面21上，导体层4形成于后表面22上，该导体层4用于连接一对凹入部分，其中后一个凹入部分相对于前一个凹入部分偏移一个节距，而导体层5形成于凸起部分的内壁表面上，从而由导体层3、4和5形成了一个螺旋导体层。然而，这些导体层3、4和5还用作为螺旋导体层整体围绕衬底2，就象图1所示的天线装置那样。
衬底2最好对谐振频率有一个稳定的特定绝缘常数(εr)或者具有低损失的稳定的特定磁导率(μr)以及一个小的温度系数(τr)，如图1所示的天线装置。一种铝基陶瓷(在2GHz时，εr＝8.5，Q＝1000并且τr＝38ppm/℃)被用于本实施例。最好该导体由一种低电阻的导体组成，如铜、银和金。一种银-铂糊状物(OS-171由Dupont公司制造)被用于本实例。
下面，将参考显示了由图6所示的天线装置1的制造工艺的图7到10，对该天线的制造方法进行描述。在该铝基衬底中提供嵌入线10，这样就可以在以下的步骤中将该衬底分成想要得到的尺寸。通孔11也提供在嵌入线的理想位置上。在垂直方向上各嵌入线10被配置成间隔5毫米，而在横向上被配置成间隔10毫米，通孔11的直径为0.8毫米，在横向上在嵌入线上的间隔距离为2毫米，而铝基衬底的宽度为50毫米、长度为50毫米、厚度为1毫米。
通过印刷的方法将导体糊状物填充到铝基衬底9上的通孔中，如图8所示，在这之后，该糊状物在经干燥后由850℃进行烧结，以便完成通孔导体14。
随后，如图9A和图9B所示的导体图案12和13分别被以印刷的方法形成于铝基衬底9的上表面91和下表面92上。
如图10所示，通过沿嵌入线将平板分成最小单元，最终获得了天线装置1。一次可以制造多个具有上述结构的天线，从而表现出了减少制造成本的效果。
虽然在此描述了两个实施例，在这两上实施例中，有一种与铝基衬底9具有相同质量的层也可以在分割铝基衬底9之前或之后形成于铝基衬底上的导体层之上，从而使得用于相同发射波段的天线更加紧凑。
通过上述方法所制造的天线的性能将在下面进行描述。再此说明图1所示的天线装置。
天线装置1被安装在一个如图11所示的长为25毫米、宽为50毫米、厚为0.8毫米的样品衬底上。一条带状线17和一个接地表面18形成于样品衬底中的绝缘衬底16的表面和后表面上。通过该带状线17从处于一端的连接器19向另一端的天线装置1供电。
图12显示了反射损失与频率特性之间的关系。谐振频率为2448MHz，在波段宽度为133MHzJ时，反射损失为-6dM或以下。
在图11中的XY平面上的辐射方式如图13所示。辐射增益在该表面上大约为全方向的，最大增益为-0.7dBi，最小增益为-2.3dBi。
当对有图6所示的结构的天线进行评估时，其结果几乎与图1所示结构的天线的评估结果完全相同。因此，在此省略了对其进行的说明。
图14显示了一个本发明的第三实施例的天线装置的透视图。
天线1的衬底2包括一个上表面21和一个下表面22，和一对侧表面23，在该侧表面上交替形成了凸起部分231和凹入部分232。用于将在一对侧表面23上对应的凸起部分232相互连接起来的导体层3被形成于衬底2的上表面21之上。导体层4形成于衬底2的下表面22之上，该导体层4用于一对侧表面23上的凸起部分232的连接，其中一个凸起部分在侧表面上，而另一个凸起部分在对置的侧表面上并且相对于前者偏移了一个节距。导体层5也形成于一对侧表面23的凸起部分232之上，而这些导体层3、4和5作为螺旋导体层整体围绕衬底2。
在构成螺旋导体层并作为一个整体螺旋地包围着衬底的导体层的最端部的、属于一对侧表面23的侧表面23a上的导体层5的那部分导体层被用作供电电极5a。一个接地电极6a形成于与该供电电极5A相邻的位置上，与螺旋导体层有一个给定的间隔。通过衬底的上表面还形成了连接导体6b，该连接导体6b连接将螺旋导体层与接地电极6a连接在一起。
衬底2最好对谐振频率有一个稳定的特定绝缘常数(εr)或者具有低损失的稳定的特定磁导率(μr)以及一个小的温度系数(τr)。一种铝基陶瓷(在2GHz时，εr＝8.5，Q＝1000并且τr＝38ppm/℃)被用于本实施例。最好该导体由一种低电阻的导体组成，如铜、银和金。一种银-铂糊状物(OS-171由Dupont公司制造)被用于本实例。
下面，将参考显示了由图14所示的天线装置1的制造工艺的图15到19，对该天线的制造方法进行描述。首先准备一种图15中所示的铝基衬底9。在该铝基衬底中提供嵌入线10，这样就可以在以下的步骤中将该衬底分成想要得到的尺寸。通孔11也提供在嵌入线的理想位置上。在垂直方向上各嵌入线10被配置成间隔5毫米，而在横向上被配置成间隔10毫米，通孔11的直径为0.8毫米，在垂直方向上在嵌入线上的间隔距离为2毫米，而铝基衬底的宽度为50毫米、长度为50毫米、厚度为1毫米。
随后，如图16和图17所示的导体图案12和13分别被形成于铝基衬底9的上表面91和下表面92上。这种图案是通过将一种导电的糊状物进行丝网印刷，并在干燥之后让该图案经过850℃烧结而形成的。
在形成了上下导体之后，将铝基衬底9沿嵌入线进行分割，通孔就形成了如图18所示的形状。通过一个挤压机将一种导体糊状物15以0.2毫米的厚度喷撒在一个平板14上，如喷撒在一个玻璃板上，由通孔在铝基衬底上形成的凸起部分被浸在导体糊状物15中，只将凸起部分的端部涂上了糊状物15，随后再进行干燥和烧结。
通过沿嵌入线将平板分成最小单元，最终获得了天线装置1。一次可以制造多个具有上述结构的天线，从而表现出了减少制造成本的效果。
图20显示了一个根据本发明的第四实施例的天线装置的透视图。下面将描述本实施例与第三实施例的不同之处，在图14所示的第三实施例中，接地电极6a经过衬底上表面的连接导体6b与作为一个整体螺旋地包围着衬底的导体层相连，而在图20所示的第四实施例中，经过在与侧表面23a相对的侧表面23b上的连接导体6b，接地电极6a与导体层相连，而在侧表面23a上形成了接地电极6a。
图21显示了根据本发明的第五实施例的天线装置的透视图。
在图21所示的第五实施例中，在构成螺旋导体层并作为一个整体螺旋地包围着衬底的导体层的最端部的、配置在一个侧表面23a上的导体层5的那部分导体层被用作接地电极5b，它还被作为接地导体，而与接地电极相邻的导体层被作为供电电极5a。
图22显示了天线装置的另一个实例的透视图。
图22所示的天线装置本身提供为根据本发明的天线装置的一个对比实例，同时，它也作为一种天线装置，构成了随后描述的根据本发明的天线装置部件。
在图22所示的天线装置中，接地电极6a与连接导体6b一起，经过衬底上表面、经过侧表面23a对面的侧表面23b、经过衬底的下表面，与整体包围衬底的螺旋导体层相连，而侧表面23a上形成了接地电极6a。
下面将描述如上所述制造的天线的性能。
天线装置1被安装在一个如图23所示的宽为50毫米、长为25毫米、厚为0.8毫米的样品衬底上。一条带状线17形成在表面上，一个接地表面18形成于绝缘衬底16的后表面上，并通过该带状线17从连接器19向安装在衬底的另一端上的天线装置1供电。
表1显示了上述的测量结果。“3σ漂移值”表示当大量相同规格的天线装置被制造时，谐振频率漂移的3σ值。
表1谐振频率从中心频率2.45GHz的漂移
  接触位置   3σ漂移值
  实施例1：天线的上表面(图14)   ±30MHz
  实施例2：侧表面(图20)   ±60MHz
  实施例3：端部也作为接触位置(图21)   ±62MHz
  对比实例：下表面(图22)   ±155MHz
表1显示，与对比例相比，实施例1到3抑制了漂移。
图24显示了根据本发明的第一实施例的天线装置部件。
图24显示了一个从底面看到的电路板97，在该底面上安装着天线装置1，以便天线的下表面与该衬底的上表面接触。
在这种类型的天线装置中，图22中所示的接地电极经连接导体层在衬底的下表面上与螺旋导体层相连。通过将电路板的一部分凿开，在电路板97上提供了一个从上表面穿透到下表面的孔97a。在天线装置1的衬底下表面上的、连接导体层与螺旋导体层的接触点正好位于孔97a处，以防止该连接部分与电路板97相接触。
图25显示了根据本发明的第二实施例的另一个天线装置部分。
图25也显示了一个从底面看到的电路板97，在该底面上安装着如图22所示的那种类型的天线装置1，这样，如图22那样，天线的下表面与该衬底的上表面接触。
虽然在电路板97上没有开口部分，但天线装置1的连接导体与螺旋导体之间的接触部分伸出电路板97之外。
尽管接触部分形成于天线装置的下表面，但由于安装天线是在电路板开口或接触部分伸出电路板之外的条件下进行的，所以谐振频率的漂移得到抑制。表2显示了图24和25所示实施例的天线装置部件的谐振频率漂移的测量结果。
表2谐振频率对中心频率2.45GHz的漂移
  安装方法   3σ漂移值
  在接触点之下将衬底开口(图24)   ±72MHz
  天线伸出(图25)   ±68MHz
表2显示了在该表中，与表1中的最下面一行中的频率漂移相比，此处的频率漂移较小。
上述的结果表明，这些天线装置和天线装置部件作为便携式通信设备的天线具有足够的性能。
根据在此描述的本发明，通过在衬底侧表面的凸起部分和凹入部分上形成导体，并且通过连接在上下表面形成的导体而在螺旋天线中形成一个螺旋发射元件，其中螺旋发射元件形成于绝缘衬底的表面上，这样可以提供一个表面组装类型的天线，该天线可方便地大批量生产并且最适应于便携式通信终端。
同样，根据本发明，在该天线中，螺旋发射元件形成于绝缘衬底的表面上，而螺旋导体与接地线形导体的接触点所处位置，使得当该天线装置安装在电路板上时，该接触点不与电路板接触，与那种接触点形成于表面作为电路衬底的天线所具有的频率漂移相比，在该天线中，谐振频率的漂移可以被抑制到更小。

Claims (6)

1.一种天线装置(1)，包括：
一个衬底(2)，具有上表面、下表面(22)以及一对侧表面(23)，在该对侧表面(23)上交替形成凸起部分和凹入部分；和
一个螺旋导体层，该螺旋导体层形成于衬底(2)的上表面、下表面上，也形成在上述凸起部分上，以便螺旋地包围整个衬底；
其中，所述凸起部分在该对侧表面上以预定的距离顺序地放置；和
所述侧表面上的一个凸起部分包括一个用于将所述螺旋导体层接地的接地电极。
2.根据权利要求1的天线装置，其特征在于：所述侧表面(23)上最端部的凸起部分作为供电电极，用来向螺旋导体层供电。
3.根据权利要求1或2的天线装置，其中还具有包括至少一种绝缘材料和磁性材料的一个层，该层至少覆盖形成于衬底(2)之上的螺旋导体层的一部分。
4.一种天线装置(1)，包括：
一个衬底(2)，具有上表面、下表面(22)以及一对侧表面(23)，在该对侧表面(23)上交替形成凸起部分和凹入部分；和
一个螺旋导体层，该螺旋导体层形成于衬底(2)的上表面、下表面上，也形成在上述凹入部分上，以便螺旋地包围整个衬底；
其中，所述凹入部分在该对侧表面上以预定的距离顺序地放置；和
所述侧表面上的一个凹入部分包括一个用于将所述螺旋导体层接地的接地电极。
5.根据权利要求4的天线装置，其特征在于：所述侧表面(23)上最端部的凹入部分作为供电电极，用来向螺旋导体层供电。
6.根据权利要求4或5的天线装置，其中还具有包括至少一种绝缘材料和磁性材料的一个层，该层至少覆盖形成于衬底(2)之上的螺旋导体层的一部分。
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