CN1288272A - 无线通信装置的天线包 - Google Patents

Abstract

一种供无线通信装置使用的天线包。该天线包包括具有许多引线和加工成平面天线的桨状物的金属引线框分段,和封装桨状物和各部分引线的介电材料。

Description

无线通信装置的天线包

本发明涉及无线通信装置，更具体地说，本发明涉及无线通信装置的改进的小型低成本天线包。

个人通信业务(PCS)的容量越大，供应商的数目越多，对无线用户来说意味着更高的竞争力。虽然总的收入(revenue)在高速增长，但是由于许多临时和紧急用户进入该市场，因此每个用户的收入已经在下降。从而，设备供应商处于保持终端成本低，同时支持功能部件数目的日益增大的压力下，功能部件数目的增大将增加每个用户的收入。随着无线图象，金融信息及因特网接入的需求的日益增长，无线数据传输是无线业务的增长领域之一。虽然传统的蜂窝电话可用作传输数据的无线调制解调器，但是传输速率低，误码率高。通过这种方式的数据用户认可一直相当低。虽然PCS的较高频率和带宽提供了一些改进，但是，它不能显著增加使数据传输对广泛的用户基础具有吸引力的位速率。

天线分集可提供这种显著改进。利用开关算法的空间分集可使系统增益增大3-5dB，取决于算法的效率及天线间的隔离。例如，简单的开关算法只监视使用中的一个天线信号。当该信号低于某一门限值时，开关算法转换到另一天线。更复杂的算法将监视两个天线信号，并且即使这两个信号都高于操作门限值时，仍然转换到具有最强信号的天线。更复杂的系统会复制大部分RF链并监视更接近数字基带的两个信号。利用开关分集得到的较高的平均增益使得可在较高的数据速率下得到较低的误码率。

在天线间实现足够的分离是手持机上空间分集方面的一个重要考虑因素。水平分离比垂直分离更有效，因为水平分离情况下，接收信号的解相关性增长更快，尤其是当天线之一是全方向双极天线，垂直射束宽度小于水平射束宽度时更是如此。信号必须基本上互不相关，并且当天线间的距离约为波长的0.38倍时，产生相关因子中的第一个空值。实际上，可忽略小于0.25的相关系数，某些情况下可忽略小于0.50的相关系数，只要小达1/5波长的有效分离即可。在900MHz下这约为8cm，在1.9GHz下约为4cm。在尺寸小于二分之一波长的小型终端中的分集方面的一个问题是难以确定辐射的中心，因为整个外壳通过近场耦合辐射，尤其是当天线在内部时。这样虽然在手持机上可实现有效分集所需的距离，但是实际情况复杂得多。当天线类型不同，并且布置不同时，则其它类型的分集(方向和极化)也有影响。

于是显然需要一种用作手持无线通信装置中的分集天线的小型、低成本天线。

根据本发明，提供了供无线通信装置使用的天线包。本发明的天线包包括具有若干引线和加工成天线的桨状物(paddle)的金属引线框分段。介电材料封装桨状物和各部分引线。

根据本发明的一方面，该桨状物被加工成平面反转F天线(PIFA)。

根据本发明的另一方面，该天线包还包括附着在引线框分段上，并被介电材料封装的电子电路。

上述天线包的制作包括提供具有许多引线和加工成天线的桨状物的金属引线框分段。沿着模子的分模线，并且对正模腔放置该引线框分段。用熔融介电材料充填模腔，以便封装桨状物和各部分引线。介电材料可以硬化。从模子中取出封装的引线框分段，随后修剪掉所述许多引线的未封装部分。

结合附图，根据下面的说明，上述内容将更易于理解，不同附图，中的相同部件用相同的附图标记标识，其中：

图1是示意性平面天线的横截面图；

图2是表示根据本发明构造的，并相对于电路板安装的天线包的第一实施例的横截面图，该天线包的轮廓与无线通信装置的外壳相符；

图3图解说明了根据本发明的天线包与印刷电路板的两种互连；

图4是根据本发明的原理，利用引线框构造的电容耦合平面反转F天线的侧视横截面图；

图5是图4中所示天线的“透明”顶视图；

图6-9图解说明了具有成形EMI/RFI屏蔽的集成天线和无线电元件包，图6和7分别是屏蔽形成前的顶视图和侧视图，图8和9分别屏蔽形成后的顶视图和侧视图。

图10A,10B,11,12A,12B,13A和13B图解说明了根据本发明的天线包的构成步骤；

图14图解说明了单个天线包和一起模塑的一组引线框的分离；

图15图解说明了单个天线包的引线的形成。

当考虑在手持式无线通信装置中提供分集天线的问题时，最初决定把偶极子(鞭状天线)用作一个天线，并把小到足以集成到手持式装置的外壳内的天线作为另一天线。特别适合的微小天线是平面反转F天线(PIFA)。1999年7月20日颁发给Korisch的美国专利No.5926139中公开了这样一种用于双带操作的天线。图1是这种天线的横截面图，接地面22位于介电基体24的一侧，发射元件26位于介电基体24的另一侧。馈送销28贯穿接地面22和基体24，使发射元件26与收发器电路(图中未表示)耦合，并借助绝缘通孔30与接地面22隔离。

为了把平面天线装入装置的外壳内，可使用聚亚胺酯或者其它适当材料形成印刷电路板和外壳之间的装置未用内部空间的铸件。如图2中所示，该铸件用于产生与外壳34和印刷电路板36之间的装置内部空间部分相符的塑料件32。或者，可使用其它已知技术形成与所需形状相符的塑料件。随后在远离印刷电路板36的平面40上，把具有所需天线构形的发射连接板38安装到塑料件32上。随后把接地面42贴到塑料件32的反面上，馈送件44贯穿塑料件32。如图所示，塑料件32至少覆盖部分双工器46，从而双工器46的金属化表面被用作天线的扩展接地面。

图3示意地图解说明了与印刷电路板48的两种互连。从模制塑料件52伸出并与电容性馈送件54相连的引线50被加工成与印刷电路板48上的镀金焊盘58接触的弹簧夹56。或者，把与接地面62相连的引线60回焊到表面安装焊盘64上。

根据本发明，可由塑料基体和模压金属引线框形成如上所述的小型、低成本天线包。借助塑料模制技术，可如常规集成电路包中那样，把引线框放置在分模线上，或者可预先在上表面或下表面把金属插入模子中。另外，根据1989年1月31日颁发给Moyer等的美国专利No.4801765的教导，可把两层金属布置在分模线上。这些金属层可形成如图3中所示的发射元件，馈送面或者接地面。从模压体引出的成形金属引线是可为“J”或“海鸥翼”型的馈送和接地互连。在常规表面安装装配操作中，它们可与印刷线路板互连，或者可如上所述被加工成弹簧夹。也可把通孔引线用于天线，不过屏蔽可在电路板两侧发出的辐射将更为困难。模压体本身可以是用于集成电路封装的热固性模塑料，但是该材料在千兆赫频率范围内损耗相当高。于是最好使用在感兴趣的频率下具有低的射频损耗的模塑塑料，只要它匹配插入金属的热膨胀系数。从机械和射频损耗的观点看，高度填充玻璃的聚碳酸酯，液晶聚合物或者聚苯硫材料将是适宜的。

图4和5图解说明了利用前面描述的技术构成的平面反转F天线，这里封装塑料材料66被表现为“透明的”，从而其中模塑的各个元件是可见的。如图所示，本发明的天线包具有包括发射元件68，电容耦合的馈送元件70和接地元件72的各层。作为图4和5中所示设计的备选方案，可把接地元件70并入印刷线路板中，天线包被安装在该印刷线路板上。

由于金属引线框的使用提供了互连结构，模塑塑料件的使用提供了包装媒介，因此现在极大地提高了把有源无线电元件和无源无线电元件和天线结合起来的能力。金属引线框可被模压成几乎任意程度的复杂性，以实现用于离散和有源元件，微型线路板或者多芯片组件的焊盘和引线。这些引线框类似于市场上已有的多芯片封装件，但是在本申请的引线框的情况下，这些引线框应专用于天线元件。这向RF设计师提供了捆扎元件方面相当大的自由程度，以消除互连和连接器，或者使特定的可选件模块化。例如，可把数据容量所需的附加过滤加到引线框上，以便数据天线是独立的可选件。The multitude of leadsthat are possible with packages this large意味着成打的引线可转用为这些有源和无源元件的互连。或者，可把天线匹配电路并入引线框中。

图6-9图解说明了利用成形屏蔽把无线电元件和天线集成到模塑包装的情况。如图所示，提供了模压金属引线框分段74，它具有被加工成天线的第一桨状物76，将成为屏蔽物的第二桨状物78，多个引线80和辅助桨状物82，电路元件84以常规方式被安装在辅助桨状物82上。图8和9表示了屏蔽桨状物78构成电路元件84和天线76之间的电磁和射频屏蔽物的情况。在1992年5月12日颁发给Acarlar等的美国专利No.5113466中公开了这种屏蔽物的形成。在屏蔽物形成之后，把组件封装入包装中，图6-9中，该包装的轮廓由虚线86表示。

本发明的一个优点是可用集成电路封装中使用的技术实现天线和相关元件的封装。这样，封装的成本低。在图10A,10B,11,12A,12B,13A,13B,14和15中图解说明了这种封装。如果包装将含有诸如集成电路或放大器之类的有源元件，则把引线框放在传送器上，并通过模片固定机械。抓-放机械把一个或多个元件放在每个引线框分段上。在同一传送器上，引线框通过引线接合机械，在引线接合机械处，以每秒两个的速率使集成电路上的所有焊点和引线框分段的引线进行引线结合。在模片固定和引线接合之后，把引线框放置在模塑工具的分模线上。图10A和10B表示了这种工具，它包括两个半模型88,90，每个半模型包括凹腔92和连接凹腔92和填充室96的通道94。在每个引线框上中可具有多达12个分段，这些分段被布置在相应的凹腔92上方。可把多达16个引线框插入单个模塑工具中，以便在一个较大的模塑工具中可有多达192或更多的凹腔。

随后在高压下夹紧模塑工具，如图11中所示，该高压防止在高压下注入熔融塑料时半模型88,90打开。随后把熔融塑料材料注入填充室96中，并通过通道分散布到各个凹腔，如图12A和12B所示。小心控制温度和注入压强，以便熔融塑料不会损害正被封装的元件的内部功能部件。

在模子被注满之后，模子保持夹紧状态，熔融塑料凝固约30～180秒。如果该材料可仅仅随着冷却而凝固，则只需要30～40秒。如果该材料是必须聚合硬化的环氧树脂材料，则该时间可长达3分钟。随后打开模子，并从模塑工具中取出引线框。现在引线框98的每个分段被封装在塑料材料100内，如图13A和13B所示。如果该塑料材料是环氧模塑化合物，则该化合物可能需要持续高温的后固化处理，以完成固化过程，并使该塑料材料坚固到足以经受后续操作。一个烘炉中一次可后固化多达1千个元件。这时这些元件仍附着在引线框上。把元件放在传送带上，并通过修边和成形机械。该机械是具有安装在其内部的特殊冲压工具的冲床。该冲压工具剪去引线框98的金属，以便使引线彼此绝缘并相互分离，如图14中所示。当引线框移动通过修边和成形冲压机的下一级时，引线被加工成可装配到印刷线路板上的“J”或“海鸥翼”形状，如图15中所示。修边和成形冲压机的最后一级使元件与引线框完全分离，以致现在它们是独立的封装。

随后把独立封装放在另一传送带上，并借助转印法(压色墨)或者激光布线法作标记。在任一情况下，把代码符号或者其它部分及生产商名字写在包装上。如果是包括有源元件的的天线包，则把该天线包送去进行测试。对于只包括天线的无源元件，不需要进行测试。

通过类似于集成电路封装，对本发明的天线封装进行标记，可利用标准的“抓-放”技术，成本非常低地把天线封装装配到印刷电路板上。另外，由于本发明的天线封装相当小，可把许多这种封装装配到印刷电路板上的不同位置上，以提供手持式无线通信装置中数据传输所需的分集。

因此，这里已公开了一种用于无线通信装置的改进的小型，低成本天线包。虽然这里已公开了本发明的各种不同实施例，但是要明白对公开实施例作出各种修改和改造是可能的。这样，可适应除PIFA之外的其它类型天线，例如偶极天线，单极天线，四分之一波长或半波长微带拼块天线，顶部加载单极天线，缝隙天线，螺旋天线，或者可与和过模塑引线框(overmolded lead frame)相联系的几何形状和尺寸约束相符的任意天线元件。天线不必是平面的，可与外壳的形状相一致，或者甚至可嵌入外壳中。于是本发明只由附加权利要求的范围所限定。

Claims (9)

1．一种供无线通信装置使用的天线包的制造方法，包括下述步骤：

提供具有许多引线和加工成天线的桨状物的金属引线框分段；

提供具有分模线和至少一个凹腔的模子；

沿着模子的分模线，并且对正模腔放置该引线框分段；

用熔融介电材料充填模腔，以便封装桨状物和各部分引线；

使介电材料硬化；

从模子中取出封装的引线框分段，

修剪掉所述许多引线的未封装部分。

2．按照权利要求1所述的方法，其中提供步骤包括把桨状物加工成平面反转F天线(PIFA)。

3．按照权利要求1所述的方法，其中提供步骤包括把电子电路连接在引线框分段上的步骤。

4．按照权利要求2所述的方法，其中提供步骤包括下述步骤：

在电子电路和天线之间提供辅助桨状物；

弯曲辅助桨状物，形成电子电路和天线间的电磁和射频屏蔽。

5．一种供无线通信装置中使用的天线包，包括：

具有许多引线和加工成天线的桨状物的金属引线框分段；和

封装桨状物和各部分引线的介电材料。

6．按照权利要求5所述的天线包，其中桨状物被加工成平面反转F天线(PIFA)。

7．按照权利要求5所述的天线包，还包括连接在引线框分段上，并由介电材料封装的电子电路。

8．按照权利要求7所述的天线包，其中引线框分段具有位于电子电路和天线之间，并被弯曲形成电子电路和天线间的电磁和射频屏蔽的辅助桨状物，辅助桨状物由介电材料封装。

9．配合具有绝缘外壳和安装在该外壳内的印刷电路板上支撑的电子元件的无线通信装置，内部天线包含有：

填充外壳和印刷电路板之间的装置内部空间部分的模制塑料件；和

位于远离印刷电路板的塑料件表面上的天线。

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