CN1331853A - 具有一体的辐射器/接地面元件的宽频带天线 - Google Patents

Abstract

一种由单片大致平面的金属片形成的天线,该金属片被切割以提供四个天线几何形状,其包括接地面元件(15)、由两条大致平行的弯折线(16、17)限定的双段的短接元件、辐射元件(14)、以及臂(18),该臂具有固定到辐射元件的大致中部的一端,并具有向弯折线延伸的自由端。在两条弯折线上折叠金属片将辐射元件定位在接地面元件之上。发射/接收同轴电缆(30)与形成在短接元件的两段之间的间隙(115)对齐。电缆的外金属鞘(32)连接到金属接片(48)上,而金属接片固定到接地面元件的表面上。电缆的中心导线(31)固定到辐射元件的表面上。天线罩和其安装接片使天线组件完整。

Description

具有一体的辐射器/接地面元件 的宽频带天线

本申请涉及1998年授权的美国专利5,734,350，该专利结合于此作为参考。

根据本发明的天线最好与天线罩一同使用，该天线罩为正在审理的1997年4月8日提交的指定美国的作为部分连续申请的PCT申请PCT/US97/05,716所教导的型式，该申请结合于此作为参照。

本申请为正在审理的1998年11月17日提交的名称为“具有一体的辐射器/接地面(ground plane)元件的宽频带天线”的专利申请09/193,781的部分连续申请。

本发明涉及接收及发射天线。更具体地说，本发明涉及具有相对低的物理体积轮廓的RF天线。尽管不局限于此，本发明特别用于在相对低功率和小范围上的高频RF信号交换。

过去，多种平面的无线电频率(RF)的天线已得到发展。

授权给Johnson等人的美国专利4,835,541提出了一种四分之一波长微带天线结构，其包括折弯以形成字母U的形状的薄的导电铜片。如此折叠的铜片提供了限定第一导电表面的上辐射表面部分、平行于第一部分并限定第二导电表面的下接地面部分，以及连接上和下部分的短接部分，上和下部分以直角相交于短接部分。由上部分和下部分限定的腔为四分之一波长共鸣腔。通过短接部分钻孔，且同轴电缆穿过该孔。外电缆鞘电连接到下部分，而中心电缆导线连接到上部分，且在一实施例中，后者的连接通过阻抗匹配网络方式设置。短接部分电连接下部分到上部分的边缘上，从而上部分的边缘与下部分处于相同的电位。

Marshall等人的美国专利5,355,142提出了一种四分之一波长微带天线，其具有接地面元件和微带元件，它们具有大致相同的物理面积，并以相互平行结构布置，以便在其间限定介电空间。微带元件具有大致天线工作中心频率的四分之一波长的长度。由于天线为四分之一波长微带天线，微带元件包括L形短接元件，通过它微带元件的一边缘由四个在微带元件和接地面元件之间建立电和机械连接的金属螺栓安装到接地面元件的一边缘上。微带元件的中心部分被切开以便馈电元件可以向下弯成大致直角，即，馈电元件在接地面元件的方向折弯。传输线由上述的四个螺栓卡住并伸入微带元件和接地面元件之间的介电空间。传输线包括连接到接地面元件上的第一电导线和连接到微带元件的馈电元件上的第二电导线。

Lalezari等人的美国专利5,444,453描述了利用空气绝缘并在10到40GHz范围工作的平行板、倒转的、微带型天线。相对大的介电板(即，1×1到2×2平方英寸或1到2英寸直径的圆形板)居中支承位于金属接地面元件上的较小的金属发射器盖板(patch)，其尺寸与介电板相同。多个大致相同高度的支承立柱保持介电板和接地面元件之间的0.1mm到1.0mm的间距。

Klinger等人的美国专利5,532,707提供了一种定向偶极天线，其中四个偶极元件和它们单独的对称化子支腿由反射器的材料冲压出。四个L形偶极/对称化子单元然后从反射器的平面向上弯30-60或90度的角度。以这种方式，反射器的平面与四个L形偶极/对称化子的平面相交以形成V形。

本发明可以在各种天线以及天线的应用中使用，且尤其用于无线通信设备的特殊需要，如，用于在不需执照的(美国)的902-928MHz频段工作。本发明的实施例有利地利用相对接地面元件成一角度定位的辐射元件，如在上述相关的美国专利中所描述的。

根据本发明的精髓和范围的天线由单独一片大致平的金属片形成，该金属片被冲压、切割或成形，并然后折弯，以在一体的金属组件中提供四个功能形状。

这四个功能形状包括接地面元件、与接地面元件物理间隔或在其之上的辐射元件、由两个大致平行的弯折线连接到辐射元件且连接到接地面元件上的两段的短接元件、以及臂，该臂具有固定到辐射元件大致中心部分的一端，并具有相短接元件弯折线延伸的自由端。

在上述两条弯折线上折叠或折弯造成辐射元件与接地面元件平行或成角度定位。

双导线发射/接收馈线，例如同轴电缆，与形成在两段的短接元件内的间隙对齐。这条馈线的一个导线(例如，同轴电缆的外金属鞘)连接到接地面元件上，而该馈线的第二导线(例如同轴电缆的中心导线)连接到辐射元件，且例如，这个第二导线连接到上述与辐射元件一体形成的伸出的臂上。

作为本发明的特征，且当发射/接收馈线包括同轴电缆时，该电缆具有连接到T形金属连接器接片上的外金属鞘，该连接是通过围绕电缆金属鞘弯折T形的臂，并然后诸如使用钎焊、焊接、导电粘结剂或类似物固定T形臂到其上。这个T形连接器接片的伸出支腿然后被固定或钎焊到接地面元件的顶或底面上，而电缆的中心导线固定到辐射元件的顶或底面上。

天线与发射/接收馈线/电缆的阻抗匹配通过上述臂的独特结构和布置得以实现，该臂的一端固定到辐射元件的大致中心位置，而其自由端向短接元件的弯折线延伸。

根据本发明的天线的另一实施例由单独一片大致平面的且自支撑式的金属(例如铜)片形成，该金属片被冲压、切割或成形，并然后弯折，以在一整体金属组件内提供三个功能形状。

这三个功能形状包括大致矩形且平面的接地面元件，与接地面元件的顶面物理分隔或在其之上的大致矩形且平面的辐射元件，以及通过两条大致平行的弯折线连接到辐射元件并连接到接地面元件的整体短接元件。

在上述两条弯折线上折叠或折弯这个金属片造成辐射元件的底面与接地面元件的顶面由空气介质分隔开，且辐射元件的平面相对接地面元件的平面平行或成角度定位。

在根据本发明的实施例的天线中，在辐射元件和接地面元件二者内流到的电流在垂直于上述两条大致平行的弯折线的方向流动。

该天线设置了双导线发射/接收馈线，例如同轴电缆。该馈线的一个导线(例如同轴电缆的外金属鞘)被钎焊到接地面元件的底面上，而馈线的第二导线(例如同轴电缆的中心导线)向上伸过形成于接地面元件内的尺寸相对大的开口，并然后向上通过分隔接地面元件和辐射元件的空气间隙。馈线的该第二导线然后穿透形成在辐射元件内的尺寸匹配的孔，且第二导线随后钎焊到辐射元件上。

如将理解的，上述的折叠形状的整体金属天线造成：当如上所述用户试图在焊接到接地面元件和/或焊接到辐射元件上时，一体的金属形状作用为阻止与其适宜焊接的相当大的散热片。可采用昂贵的焊接技术来可克服这种形式的散热片问题。然而，根据本发明实施例，提供了一种结构和布置，从而上述焊接操作可以只利用诸如使用公知的自动烙铁或公知的手持烙铁的简单且成本低的焊接方法以经济的方式完成。

更详细地说，且根据本发明，接地面元件被冲压或切割以便在两个大致平行的穿透接地面元件的槽之间形成第一焊接区域，且辐射元件被冲压或切割以便在两个大致平行的穿透辐射元件的槽之间形成第二焊接区域。这些槽工作以热隔离第一和第二焊接区域，以便尽管在接地面元件和辐射元件二者中剩余有散热片，散热片的热容量也相对较小。结果，上述两个焊接操作可以通过手持烙铁或类似物轻易地完成。

上述热阻挡槽对结构和布置的关键特征在于槽必须平行于接地面元件和辐射元件内的电流的方向延伸。即，槽必须大致垂直于上述弯折线延伸。

作为本发明实施例的特征，接地面元件被切割以形成向下弯出接地面元件的底面的平面的第一金属接片。该第一金属接片然后被向上折回，以夹住上述发射/接收馈线的外绝缘鞘。当如此弯折时，该第一金属接片工作以将发射/接收馈线以消除应变的方式安装到接地面元件的底面上。

作为本发明这个实施例的特征，接地面元件的顶面包括其上未被辐射元件叠置的至少一部分，且具有本身的内部天线的装置安装到接地面元件顶面的该部分上，以便接地面元件也为这个装置提供了接地面功能。这种装置的示例为GPS模块，其中上述的接地面元件也为GPS模块提供了接地面功能。

作为本发明这个实施例的另一特征，上述装置或GPS模块包括从其伸出的导线或电缆，且接地面元件被切割以形成向下弯出接地面元件的底面的平面的第二金属接片。该第二金属接片然后向上折回以夹住上述GPS伸出的导线或电缆的外绝缘鞘。当如此弯折时，该第二金属接片工作以将伸出的导线或电缆以消除应变的方式安装到接地面元件的底面上。

更具体地说，上述第一和/或第二金属接片由冲压或切割接地面元件为第一和/或第二U形槽形式而形成。根据本发明实施例，第一和/或第二U形槽的基底部分尺寸相对短，且大致平行于上述弯折线延伸，而第一和/或第二U形槽的两个相对长且平行的支腿大致垂直于上述弯折线，并平行于接地面元件内的电流流动方向延伸。

总之，根据本发明的这个实施例，大致平面的且自支撑式的金属片成形为在一整体金属组件内提供三个功能形状，通过在用于焊接的辐射盖板区域和接地面区域两侧上使用相对长且窄的槽提供了用于同轴电缆的同轴编织层和中心馈电导线的焊接固定的热隔离。

该槽定向在流入辐射元件和接地面元件的主要电流的方向，从而消除了当这些电流中断时造成的不利效应。

这些热隔离槽的应用允许各种类型的同轴电缆的电和机械固定，使本发明的盖板天线用于更广的用途中，尤其是在优选的为小且柔软的同轴电缆的移动应用中，从而允许盖板天线在商业和旅客车辆上更新地安装，而不需显著改变车辆，且不需延长安装时间。

本发明以前，铜盖板天线的较大的散热片特性使任意小的同轴电缆到其上的连接困难并/或成本高，或需要附加的接片元件，从而给天线组件增加了成本和复杂性。

与同轴电缆垂直于天线的接地面延伸的传统结构相比，本发明的这个实施例合乎期望地提供了同轴电缆终结在天线处，同时同轴电缆平行于天线的接地面延伸，而天线的辐射盖板垂直馈电。

本发明的实施例也直接在天线的接地面内整合了电缆机械应变消除件，其中接地面的应变消除安装接片定向在电缆流动的方向，从而再次消除了由这些电流的中断导致的不利效应。

本发明的其它实施例也利用1/4波长盖板天线的接地面作为第二天线系统的接地面，诸如用于限定位置的GPS天线。

本领域技术人员将从以下如附图所示的优选实施例的描述中意识到本发明的上述及其它目的、特征、优点及应用。

图1是例如铜的平的金属片的俯视图，该金属片已被冲压、切割或成形为在一个一体的金属组件内提供四个根据本发明的天线的功能形状，且其中两条平行虚线限定两条弯折线；

图2是由沿两条弯折线弯折图1的金属片形成的四分之一波长天线的俯视图；

图3是图2的四分之一波长天线的侧视图，示出了在这个特定的天线内，图1的金属片已经被折弯，以使辐射元件相对接地面元件倾斜；

图4是根据本发明的T形金属连接器接片的俯视图，其中两条平行虚线限定了两条弯折线；

图5是图4的T形金属连接器接片的俯视图，其中两个T形臂已经绕两条弯折线向上折弯，其中同轴电缆的金属鞘已经放置在两个向上伸出的T形臂之间，且其中两个T形臂已经绕电缆的金属鞘向下弯折，从而T形金属连接器接片夹住电缆的金属鞘，且然后焊接到位；

图6是图5的组件的侧视图；

图7是示出图5和6的组件相对图2和3的四分之一波长天线焊接到位的放大且局部剖开的侧视图，且更详细地说，T形金属连接器接片焊接到天线的接地面元件且电缆的中心导线焊接到天线的辐射元件臂；

图8是图7的组件的侧视图，其中塑料天线罩安装到天线接地面元件的周边上，这个视图也示出了位于天线对面的电缆端部的接片；

图9是图8的组件的俯视图，这个视图也示出了侧面安装组件的安装接片；

图10是与图7类似的视图，而图10示出了T形金属连接器接片如何焊接到天线的接地面元件的底面，且电缆的中心导线如何焊接到天线辐射元件臂的顶面；

图11是根据本发明实施例的宽频带天线的侧视图，其中天线由在两条平行弯折线折弯的单独一片自撑式金属形成，从而形成其间具有空气介质的上置的辐射元件和下置的接地面元件，辐射元件和接地面元件为彼此平行或彼此倾斜延伸的大致平面的元件，且接地面元件和辐射元件由大致垂直于接地面元件所在的平面和辐射元件所在的平面延伸的一体的金属短接元件连接；

图12为图11的天线的俯视图，这个视图示出了相对小的辐射元件和相对大的接地面元件的大致矩形形状，这个视图也示出了在辐射元件内切割或冲压的并垂直于辐射元件的弯折线延伸的一对平行槽，这两个物理上分隔开的槽作用为形成用于将例如同轴电缆的中心导线的发射/接收馈线的导线焊接到辐射元件的顶面上的热隔离区域，且这个视图也示出了GPS模块安装到接地面元件的顶面辐射元件未伸出或叠置的部分上；

图13是图11的天线的左手端视图，这个视图清晰示出了天线的短接元件的大致矩形的形状；

图14是图11的天线的仰视图，这个视图示出了在接地面元件内冲压或切割的并垂直于接地面元件的弯折线延伸的一对平行槽，这两个物理上间隔开的槽作用为形成用于将例如同轴电缆的外金属鞘的发射/接收馈线的第二导线焊接到接地面元件的底面上的热隔离区域，这个视图示出了两个在接地面元件内冲压或切割的U形槽，以便提供两个作用为安装发射/接收馈线的两个弯曲的金属接片和以消除应变方式从GPS模块延伸到接地面元件的底侧的电缆，这两个U形槽具有相对短尺寸的大致平行于接地面元件的弯折线延伸的基体部分，且这两个U形槽中每一个具有两个平行且相对长的垂直于所述弯折线延伸的支腿部分；

图15是平且被冲压的金属片的俯视图，通过折叠平面的金属片从其中形成图11的天线；

图16是图11的天线的分解视图，这个视图也示出了可以用于天线的天线罩和安装基体。

与当前的天线相比，根据本发明的微带(microstrip)天线具有最少数量的元件，低成本，较高的可靠性，较高的增益，增大的带宽以及较小的重量。

图1是一片平的金属片10的俯视图，例如是铜的，但不限于此，该金属约为1/64英寸厚且被冲压、切割或成形为在一个一体的金属片10内提供四个根据本发明的天线的功能形状。

在图1中，两条平行的虚线11、12限定了两条弯折线，围绕弯折线金属片10被折弯或折叠成大致U形，如将描述的。

当金属片10绕弯折线11、12弯折时，结果是图2和3中所示的天线结构。更具体地说，图2是通过沿两条弯折线11、12弯折图1的金属片10以形成大致可以被称为U形而形成的四分之一波长天线13的俯视图。图3是图2的四分之一波长天线的侧视图。

而本发明并不局限于此，本发明发现了金属片10围绕弯折线11、12已被折弯，以便使天线的辐射元件14相对天线的接地面元件15倾斜的实例。

在制造天线13时，如图2和3所示，形成平的金属片，以便提供具有接地面部分15、辐射部分14、大致平行的大致长度相等且物理上分隔开的将接地面部分15连接到辐射部分14上的第一连接部分16和第二连接部分17、以及从辐射元件14的大致中心位置以朝向接地面部分15方向延伸的伸出接片18，伸出接片18具有与接地面部分15分隔开的自由端，从而在伸出接片18的自由端21和接地面部分15之间限定间隙115。如将理解的，一旦这种成形的金属片10被弯曲，如图2、3、7和10所示，间隙115为同轴电缆30的接入提供了条件，如图7和10所示。

应指出，第一和第二连接部分16和17具有限定两条大致平行的弯折线11/12的相对端部，且围绕这两条大致平行的弯折线11/12折弯金属片10，以便在接地面部分15上物理地定位辐射部分14和伸出接片18，将间隙115放置在大致处于接地面部分15和辐射部分14之间的工作位置。

如图1-3所示，根据本发明的精髓和范围的天线13由单独一片的大致平面的金属片10形状，其被冲压、切割或成形，并然后折弯以在一体金属组件内提供四个功能形状。这四个功能形状包括接地面元件15、物理上与接地面元件15分隔或在其上的辐射元件14、在两条大致平行的弯折线11/12处物理连接辐射元件14和接地面元件15的双段的短接元件16/17、以及臂18，该臂18具有一个与辐射元件14的大致中心部分20一体的固定端19，和向弯折线12延伸并大致终结于弯折线12的自由端21。

尽管图2和3的天线被示为四分之一波长天线，本发明的精髓和范围并不局限于此。另外，尽管辐射元件14被示出比接地面元件15平面或物理尺寸小，在本发明的精髓和范围内还可以提供其它的辐射/接地面元件的尺寸关系。

在天线13内，辐射元件14被定向成与接地面元件15汇聚(即不平行)。这种不平行度允许设计者将天线13的阻抗与天线馈入/馈出电缆(示于图5-9中)非常精确地并以单片结构匹配。

一般地，微带天线的带宽可以通过增加辐射元件14和接地面元件15之间的介电空间而增大。不幸的是，随着这个间距的增大，电线的馈电电感也增大。天线的阻抗和天线的馈入/馈出导线/电缆之间的不匹配引起施加到天线上的能源的一部分反射回电源，而不是如期望的那样辐射到自由空间中，从而较小天线的增益。

本发明允许设计者增大天线的带宽而不用增大天线的馈电阻抗，典型的阻抗为50Ω。结果，天线的辐射能力不损失。绕弯折线11、12弯曲金属片10，以便辐射元件14处于接地面元件15之上的非共面位置，如图3内清楚示出的，减小了一般由在接地面元件15上提升辐射元件14造成的天线馈电电感。辐射元件14的倾斜度被选定，以便产生接近理想的1：1的驻波比率(VSWR)。根据本发明的典型的天线提供了几乎理想的匹配，几乎没有功率由于不匹配而反射。

如图3中所示，辐射元件14被倾斜成其与弯折线11邻近的馈电侧22比辐射元件14的远侧23更靠近接地面元件15。辐射元件14相对接地面元件15的倾斜角24范围可以从几度到几乎90度，其中元件14基本垂直于接地面元件。倾斜角24越大，带宽越大。

根据本发明的完整的天线的各元件包括(1)如3所示的整体天线13、(2)馈入/馈出连接器，例如如图5、6和7所示的具有中心导线31和线网套筒或鞘32的同轴电缆30、以及(3)如图8和图9所示的天线罩。如传统的，绝缘套筒33包住电缆30的外周，而另一绝缘体套筒将内导线31与鞘32分离。

尽管天线13的尺寸对于本发明的较宽的精髓和范围并不认为是关键的，在本发明的实施例中，尺寸33(见图2)约为1.920英寸，尺寸34约为2.000英寸，尺寸35约为1.130英寸，尺寸36约为0.600英寸，而形成臂18的两个槽的宽度约为0.0600英寸。参照图3，尺寸41约为0.250英寸，而尺寸42约为0.160英寸。

本发明的实施例包括在1800MHz及1900MHz工作的天线，它的体积大小约为2.50英寸×2.50英寸×0.75英寸，而在大约2400MHz下工作的天线的体积大小约为2.00英寸×2.25英寸×0.40英寸。

在本发明的实施例中，臂18与辐射元件14共面地延伸，如图3中所示。然而，应指出，本发明的精髓和范围不局限于这个共面关系。实际上，折弯臂18而脱离共面关系可以有助于获得理想的阻抗匹配。

作为本发明的特征，当天线发射/接收馈线包括同轴电缆30时，平的T形金属(优选地是铜)的连接器接片45如图4所示地设置。在这个结构和布置中，电缆的外部金属鞘32如下连接到连接器接片45上：将T形的两个T形臂46、47绕金属鞘32折弯，随后优选地既用夹紧作用，又用焊接等将连接器接片45固定到鞘32上，其示于图5和6中。

如在图6中可能会清楚看到的，T形连接器接片45的伸出支腿48目前可以用来固定到接地面元件的顶面或底面上(如通过钎焊、焊接、机械连接等)，而电缆的中心导线31可用于固定到与辐射元件14一体形成的臂18的顶面或底面上。

参照图4，在本发明实施例中，而并不局限于此，T形连接器接片45的尺寸约为0.50英寸，尺寸61约为0.25英寸，尺寸62约为0.55英寸，尺寸63约为0.18英寸，尺寸64每个都是0.16英寸，而T形连接器接片45的伸出支腿48绕虚线65向下弯曲约0.025英寸，以便支腿48大致平行于未弯曲的臂46/47的平面延伸。

图7是相对图2和3的四分之一波长天线焊接到位的图5和6的组件的放大及部分剖开的侧视图。更具体地说，T形连接器接片45的伸出支腿48被焊接到天线的接地面元件15的顶面，而电缆的中心导线31被焊接到与天线的辐射元件14一体形成的臂18的底面上。

图10示出了与图7类似的视图，但是图10示出了T形金属连接器接片45的伸出支腿48被焊接到天线的接地面元件15的底面上，而电缆的中心导线31被焊接到与天线的辐射元件14一体形成的臂18的顶面上。

图8是图7的组件的侧视图，其中塑料天线罩50安装到天线的接地面元件15的周边上。图8也示出了位于电缆30的相对天线罩50一端的电连接器51。在本发明的实施例中，但不局限于此，尺寸52约为0.56英寸，尺寸53约为2.21英寸，而电缆30约为12英尺长。

图9是图8的组件的俯视图。这个视图也示出了用于将天线/天线罩组合安装在工作位置的侧面安装塑料安装接片55。

图11到14示出根据本发明实施例的天线200的实施例，其中天线200通过折弯已被冲压、打孔或切割的单片的大致平面且自支撑的金属片(例如图15所示的铜片219)形成。图15的平片219绕线205、206折弯，以在一个一体的金属组件200内提供三个功能形状。这三个功能形状包括大致矩形的、相对大的且平面的接地面元件201，大致矩形、相对小、且平面的辐射元件202，和短接元件204，该元件202与接地面元件201的部分顶部表面物理分隔开或在其之上，该短接元件204通过两条大致平行的弯折线205和206一体地连接到辐射元件202的一个边缘和接地面元件204的相配合边缘。

优选地，天线200容放在天线罩(未示出)之内，例如由正在审理的1997年4月8日提交指定美国的作为部分连续申请的PCT申请PCT/US97/05716所教导的类型的天线罩。图16提供了天线罩300、301和可以用于天线的安装基座302的分解视图。

并不局限于此，所示类型的天线可以在从大约824到896MHz的频率范围工作，这种类型的其它天线在约700到约3000MHz下工作。用于制造天线的金属的示例为表面光滑的99％的纯铜片，厚度约为0.021英寸。由于其较高的导电性而可以使用铜的同时，在本发明的精髓和范围内也可以使用其它金属。

在两条弯折线205、206上折叠或折弯图15的金属片219提供了当从侧面看时为大致U形的一体的天线200，如图11所示。辐射元件202的底面207与接地面元件201的顶面203垂直分隔，以形成由附图标记208标识的空气介质。由辐射元件202限定的平面可以与由接地面元件201限定的平面平行，或这两个平面彼此倾斜，如美国专利5,734,350所教导的。

设置两个介电塑料支柱220以将辐射元件202和接地面元件201的悬臂端结合或连接到一起。支柱220固定在接地面元件201和辐射元件202内冲压或穿出的孔221内，这些孔示于图15中。若需要，支柱220可以在长度上可调整，以便为辐射元件202和接地面元件201之间的垂直间距的微调提供条件。

如公知的，当天线200作为接收天线或发射天线工作时，辐射元件202和接地面元件201内流动的电流在大致垂直于弯折线205、206的方向流动，该电流在图12和14中分别以箭头209和210表示。

图11示出了传统结构的GPS模块211，其包括其自身的内部天线辐射元件(未示出)。GPS模块211在物理上安装到接地面元件顶面203上未被辐射元件202物理遮盖的部分。根据本发明的特征，接地面元件201也提供了用于GPS模块211内部的天线的接地面功能。

如上所述，在非限定实施例中，天线200包括线性四分之一波长盖板天线并在824到896MHz频段工作。图11的天线的高度尺寸212约为0.680英寸；接地面元件201的长度，即，图12的尺寸213约为4.826英寸；接地面元件201以中心线215居中的宽度217约为3.940英寸；辐射元件202的长度214约为3.075英寸；而辐射元件202的宽度218(见图15)，也是以中心线215居中，约为3.500英寸。

对于天线200设置了双导线发射/接收馈线，例如同轴电缆230。这个馈线的两个金属导线之一，且更具体地说同轴电缆230的金属鞘在232处焊接到接地面元件的底面231上。这个馈线的第二金属导线，并更具体地说同轴电缆230的中心导线233通过形成在接地面元件201上的相对大的开口234(见图15)向上延伸。导线233然后穿过分隔接地面元件201和辐射元件201的介电空气空间208。优选地，中心导线233的该延伸部分带有绝缘涂层，以便确保导线233与接地面元件201不会电接触。

所述馈线的第二金属导线233的金属端穿过形成在辐射元件202内的大小基本匹配的孔235(见图15)。导线233的金属端然后在236处焊接到辐射元件202上。

如将理解的，上述折弯的及一体的金属天线200造成：当如上所述用户试图在232处焊接到接地面元件201上且在236处焊接到辐射元件202上时，一体的金属形状作用为阻止与其适宜焊接的散热片。

为了克服这个问题，且并不求助于可能克服该类型的散热片问题的昂贵的焊接技术，本发明提供了一种结构和布置，从而上述两个焊接操作232和236可以只利用简单并成本低的焊接方法以经济的方式完成，如由公知的自动烙铁或公知的手持烙铁的使用所提供的。

更具体地说，辐射元件202被冲压、穿孔或切割以便形成包括两个大致平行的槽241、242的第一焊接区域240(见图14和15)，槽完全穿透接地面元件201。

另外，辐射元件202被冲压、穿孔或切割以便形成包括两个大致平行的槽244、245的第二焊接区域243(见图12和15)，该槽完全穿透辐射元件202。应指出，例如示于图1、2和3A中的伸出接片18与第二焊接区域243功能相同。

通槽对240、241和244、245工作以热隔离第一和第二焊接区域240、241，以便区域240、241所剩的散热片热容量相对较小。结果，上述两个焊接操作232、236可以在区域240、241内通过手动烙铁或其等价物容易地完成。

在本发明的实施例中，通槽对240、241和244、245间隔0.50英寸的距离(见图15)，且槽具有0.500英寸的长度247及0.045英寸的槽宽248。

上述热阻挡槽的结构和布置的特征在于，四个通槽240、241、244、245平行于接地面元件201和辐射元件202内的电流的方向延伸。即，槽240、241、244、245大致垂直于上述的弯折线205、206延伸。

为了保证同轴电缆230以消除应变方式安装，接地面元件201被冲压、穿孔或切割以形成第一金属接片250。接片250首先向下弯出接地面元件201的底面231的平面。第一金属接片250然后以形成同轴电缆230定位其中的第一弹性夹的方式向上折回，以便抓住同轴电缆230的外部绝缘鞘，如图11中清楚示出的。当如此弯曲时，第一金属接片250工作以将同轴电缆130以消除应变的方式物理地安装到接地面元件201的底面231上。

GPS模块211包括从其延伸出的导线或电缆251。接地面元件201也被冲压、穿孔或切割以形成第二金属接片252，该接片向下弯出接地面元件201的底面的平面。该第二金属接片252然后以形成导线/电缆251定位其中的第二弹性夹的方式向上折回，以便夹住导线/电缆251的外绝缘鞘，如图11中清楚示出的。当如此弯曲时，第二金属接片252工作以将伸出的导线/电缆251以消除应变的方式物理地安装到接地面元件201的底面231上。

如图14和15中清楚示出的，上述第一和第二金属接片250、252作为金属接地面元件201的整体部分延伸，且这两个接片由完全透过接地面元件201的第一和第二U形通槽270、271形成，并且所述各槽分别限定了金属接片250、252的三个正交侧面。

根据本发明，每个U形槽270、271的基底部260尺寸相对小(例如0.30英寸长)，且大致平行于上述的两条弯折线205、206延伸，而每个U形槽270、271的两个相对长且平行的支腿261、262大致垂直于弯折线205、206延伸。从而，槽的支腿261、262平行于接地面元件201内的电流方向(见图14内箭头210标识的电流)延伸。

作为非限定实施例，U形槽270、271约为0.045英寸宽，槽的支腿261、262的长度273约为0.70英寸，而槽的支腿261、262分隔开约0.28英寸的距离274。

在本发明的示例性的优选实施例在此描述的同时，在不背离本发明的精髓的前提下，可以本领域技术人员可意识到不同于在此具体描述的各种变化、修改、附加物及应用。

Claims (45)

1.一种制造具有接地面元件和从所述接地面元件物理上伸出的辐射元件的天线的方法，包括以下步骤：

提供平的金属片；

成形所述金属片以提供接地面元件、辐射元件、以及物理上位于所述接地面元件和所述辐射元件中间的短接元件；

所述短接元件物理上在第一线性弯折线区域连接到所述接地面元件，且所述短接元件在大致平行于所述第一线性弯折线区域的第二线性弯折线区域物理上连接到所述辐射元件；

在所述辐射元件内形成第一对大致线性、侧面对齐的且物理上间隔开的通槽；

所述第一对通槽垂直于所述第一和第二线性弯折线区域延伸；

所述第一对通槽限定了在所述辐射元件的所述第一对通槽之间部分上的第一焊接区域；

在所述弯折线区域折弯所述平的金属片，以便在所述接地面元件上物理定位所述辐射元件；

所述辐射元件和所述接地面元件间具有介电层；

提供包含第一和第二金属导线的第一绝缘电缆；

将所述第一导线焊接到第一焊接区域上；以及

将所述第二导线连接到所述接地面元件上。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

在所述接地面元件内形成第一U形通槽，从而在所述接地面元件内形成第一金属接片；

所述第一U形通槽具有大致平行于所述弯折线区域的相对短尺寸的基底部分，且所述第一U形通槽具有两个平行且相对长的支腿部，它们大致垂直于所述弯折线区域延伸；

向下且远离所述接地面元件的底面弯折所述第一金属接片；

将所述第一电缆定位在所述接地面元件的所述底面附近，且定位在所述向下弯折的第一金属接片的附近；以及

向上朝所述接地面元件的底面弯折所述向下弯曲的第一金属接片，从而物理上抵靠所述接地面元件的所述底面夹住所述第一电缆。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，接地面元件的一部分上没有伸出的辐射元件，且包括以下步骤：

提供一装置，其具有天线及从所述装置伸出的电缆；

将所述装置安装在所述接地面元件的所述部分上，以便所述接地面元件为所述装置提供接地面元件；

在所述接地面元件内形成第二U形通槽，从而在所述接地面元件内形成第二金属接片；

所述第二U形通槽具有平行于所述弯折线区域延伸的相对短尺寸的基底部分，且所述第二U形通槽具有两个平行且相对较长的支腿部，它们大致垂直于所述弯折线区域延伸；

向下并远离所述接地面元件的底面弯折所述第二金属接片；

定位所述第二电缆在所述接地面元件的底面附近，且在所述弯下的第二金属接片的附近；以及

将所述弯下的第二金属接片向上朝所述接地面元件的底面弯曲，从而抵靠所述接地面元件的所述底面物理上夹住所述第二电缆。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

在所述接地面元件内形成第二对大致线性的、侧面对齐的、且物理上间隔开的通槽；

所述第二对通槽垂直于所述第一和第二线性弯折线区域延伸；

所述第二对通槽限定了在所述接地面元件的所述第二对通槽之间的一部分上的第二焊接区域；以及

将所述第二导线焊接到所述第二焊接区域上。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一电缆为同轴电缆，所述第一导体为在所述同轴电缆一端居中定位的导线，且所述第二导线为在所述同轴电缆的所述一端的外露的金属鞘。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供所述介电层作为空气介电层；

提供所述第一电缆为具有外金属鞘和内部电绝缘金属导线的同轴电缆；

焊接所述金属鞘到所述第二焊接区域及所述接地面元件的相对所述辐射元件的一侧上；

在所述接地面元件内提供第一通孔；

使所述电绝缘金属导线通过所述第一通孔和所述空气介电层；

在所述辐射元件内且在所述第一焊接区域之内提供第二通孔；

使所述金属导线的非绝缘端穿过所述第二通孔；以及

焊接所述金属导线的所述非绝缘端到所述辐射元件相对所述接地面元件的一侧上。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，弯折所述平的金属片的所述步骤物理上将所述辐射元件定位在大致平行于所述接地面元件所在平面的平面内。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，弯折所述平的金属片的所述步骤物理上将所述辐射元件定位在与所述接地面元件所在平面倾斜的平面内。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述辐射元件所在的平面在一方向倾斜，以便所述短接元件形成从所述辐射元件到所述接地面元件最近的距离。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

在所述接地面元件内形成第一U形通槽，从而在所述接地面元件内形成第一金属接片；

所述第一U形通槽具有大致平行于所述弯折线区域的相对短尺寸的基底部分，且所述第一U形通槽具有两个平行且相对长的支腿部，它们大致垂直于所述弯折线区域延伸；

向下且远离所述接地面元件的底面弯折所述第一金属接片；

向上朝所述接地面的底面弯折所述向下弯曲的第一金属接片，从而形成第一夹；以及

将所述同轴电缆定位在所述第一夹附近。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述接地面元件的一部分上没有辐射元件伸出，且包括以下步骤：

提供GPS装置，其具有天线及从所述GPS装置伸出的导线电缆；

将所述GPS装置安装在所述接地面元件的所述部分上，以便所述接地面元件功能为所述GPS装置的接地面；

在所述接地面元件内形成第二U形通槽，从而在所述接地面元件内形成第二金属接片；

所述第二U形通槽具有平行于所述弯折线区域延伸的相对短尺寸的基底部分，且所述第二U形通槽具有两个平行且相对较长的支腿部，它们大致垂直于所述弯折线区域延伸；

向下并远离所述接地面元件的底面弯折所述第二金属接片；

将所述弯下的第二金属接片向上朝所述接地面元件的底面弯曲，从而形成第二夹；以及

将所述导线电缆定位在所述第二夹内。

12.一种天线组件，包括：

大致U形的单片的金属片，其具有大致平面的接地面元件、大致平面的辐射元件、和至少局部将所述辐射元件物理支承成与所述接地面元件间隔关系的大致矩形连接元件；

所述连接元件与所述接地面元件在第一线性线处相交；

所述连接元件与所述辐射元件在与所述第一弯折线平行的第二线性线处相交；

形成在所述辐射元件内的第一对侧面对齐且平行的通槽，所述第一对通槽垂直于所述线性线延伸，且所述辐射元件在所述第一对通槽元件之间的部分构成第一焊接区域；以及

具有一端的馈电电缆，包括连接到所述接地面元件上的第一金属导线以及焊接到所述第一焊接区域的第二金属导线。

13.如权利要求12所述的天线组件，其特征在于，包括：

形成在所述接地面元件内的第二对侧面对齐且平行的通槽，所述第二对通槽垂直于所述线性线延伸，且所述接地面元件在所述第二对通槽之间的部分构成第二焊接区域，其中所述第一金属导线焊接到所述第二焊接区域上。

14.如权利要求13所述的天线组件，其特征在于，所述馈电电缆是具有焊接到所述第一焊接区域上的中心导线和焊接到所述第二焊接区域的金属鞘的同轴电缆。

15.一种天线，包括：

大致U形金属片，其具有大致平面的接地面元件、大致平面的辐射元件、以及矩形的连接元件，所述连接元件至少局部将所述辐射元件物理支承成与所述接地面元件成间隔关系；

所述连接元件在第一线性接合线处连接所述接地面元件；

所述连接元件在平行于所述第一线性接合线的第二线性接合线处连接所述辐射元件；

在所述辐射元件内形成的第一对侧面对齐且平行的通槽，所述第一对通槽垂直于所述接合线延伸，且所述辐射元件在所述第一对通槽之间的部分形成第一焊接区域；

在所述接地面元件内形成第二对侧面对齐且平行的通槽，所述第二对通槽垂直于所述接合线延伸，且所述接地面元件在所述第二对通槽之间的部分形成第二焊接区域；

形成在所述接地面元件内的第一通孔；

形成在所述辐射元件内且在所述第一焊接区域之内的第二通孔；

第一电缆；

所述第一电缆具有焊接到在所述接地面元件相对所述辐射元件的表面的所述第二焊接区域上的第一金属导线；以及

所述第一电缆具有穿过所述第一通孔、所述接地面元件和所述辐射元件之间、所述第二通孔，并焊接到所述辐射元件相对所述接地面元件的表面的第一焊接区域上的第二金属导线。

16.如权利要求15所述的天线，其特征在于，包括：

形成在所述接地面元件内的第一U形通槽；

所述第一U形槽具有平行于所述导线延伸的基底部分，并具有垂直于所述接合线延伸的一对平行支腿；以及

由所述第一U形通槽形成的第一金属接片，所述第一金属接片被弯曲以抵靠所述接地面元件相对所述辐射元件的所述表面消除应变地固定所述第一电缆。

17.如权利要求16所述的天线，其特征在于，所述辐射元件比所述接地面元件的尺寸小，以便所述接地面元件的一部分没有伸出的所述辐射元件，所述天线包括：

以使所述接地面元件为所述天线装置提供接地面功能的方式安装在所述接地面元件的所述部分上的天线装置；

连接到所述天线装置的第二电缆；

形成在所述接地面元件内的第二U形通槽；

所述第二U形槽具有平行于所述接合线延伸的基底部分，并具有垂直于所述接合线延伸的一对平行支腿；以及

由所述第二U形通槽形成的第二金属接片，所述第二金属接片被弯曲以抵靠所述接地面元件相对所述辐射元件的所述表面消除应变地固定所述第二电缆。

18.如权利要求17所述的天线，其特征在于，所述天线装置是GPS装置。

19.一种盖板天线，包括：

大致平面的金属接地面，其中电流以给定方向流动，所述接地面具有顶面和底面；

大致平面的金属辐射盖板，其中电流以所述给定方向流动，所述辐射元件具有顶面和底面；

所述辐射盖板在所述接地面之上物理垂直间隔开，所述辐射盖板的所述底面面对所述接地面元件的所述顶面；

形成在所述接地面内的第一对物理间隔且线性的通槽，所述第一对通槽相互平行且在电流的所述给定方向延伸，且所述第一对通槽在其间限定了第一焊接区域；

形成在所述辐射盖板内的第二对物理间隔且线性的通槽，所述第二对通槽相互平行且在电流的所述给定方向延伸，且所述第二对通槽在其间限定了第二焊接区域；

大致线性的同轴电缆，其具有位于外侧的金属编织层和位于中心的金属馈电导线，所述同轴电缆在平行于所述接地面元件平面的方向延伸，且所述金属编织层物理上与所述第一焊接区域接合并焊接于其上；以及

在所述接地面内的第一开口，所述中心导线通过它大致垂直地向上延伸，以终结成与所述第二焊接区域物理接合并焊接于其上。

20.如权利要求19所述的盖板天线，其特征在于，包括：

在所述辐射元件的所述第二焊接区域之内的第二开口，所述中心导线大致垂直地延伸并通过所述第二开口，且焊接到所述辐射盖板的所述顶面上。

21.如权利要求19所述的盖板天线，其特征在于，包括：

形成在所述接地面内的第一电缆消除机械应变接片，所述第一消除应变接片包括从所述接地面切出并从所述接地面的所述底面下弯的第一大致线性的金属安装接片，所述第一安装接片在电流的所述给定方向延伸。

22.如权利要求21所述的盖板天线，其特征在于，包括：

安装在所述接地面的所述顶面上的用于限定位置的GPS天线，所述GPS天线具有从其伸出的电缆；以及

形成在所述接地面内的第二电缆消除机械应变接片，所述第二消除应变接片包括从所述接地面切出并从所述接地面的所述底面下弯的第二大致线性的金属安装接片，所述第二安装接片在电流的所述给定方向延伸。

23.如权利要求22所述的盖板天线，其特征在于，包括：

在所述辐射元件的所述第二焊接区域之内的第二开口，所述中心导线大致垂直地向上延伸并通过所述第二开口且焊接到所述辐射盖板的所述顶面上。

24.如权利要求22所述的盖板天线，其特征在于，所述天线是四分之一波长天线。

25.一种制造具有辐射元件和接地面元件的天线的方法，包括以下步骤：

提供平的金属片；

成形所述平的金属片以使一体金属片具有接地面部分，辐射部分，大致平行、大致等长且物理间隔的第一和第二连接部分，以及从所述辐射部分的大致中心位置以朝向所述接地面部分的方向延伸的伸出接片，所述连接部分将所述接地面部分连接到所述辐射部分上，所述伸出接片具有于所述接地面部分间隔开的自由端以在所述伸出接片的所述自由端和所述接地面部分之间限定间隙；

所述第一和第二连接部分具有限定两个大致平行的弯折线的相对端；以及

绕所述两个大致平行的弯折线弯曲所述平的金属片以便在物理上将所述辐射部分和所述伸出接片定位在所述接地面部分上。

26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供具有第一和第二导线的电缆；

将所述第一导线连接到所述接地面部分上；以及

连接所述第二导线到所述伸出接片上。

27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述电缆是同轴电缆，所述同轴电缆的一端与所述间隙对齐，所述第一导线为在所述同轴电缆的所述端露出的鞘，且所述第二导线是在所述同轴电缆的所述端外露的中心导线。

28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述外露的鞘连接到所述接地面部分面对所述辐射部分的表面上，而所述外露的中心导线连接到所述伸出接片面对所述接地面部分的所述表面的表面上。

29.如权利要求27所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供T形金属连接接片，该接片具有支腿部和顶置的T形部分；

定位所述T形金属连接接片在所述同轴电缆的所述端的附近，以便所述顶置T形部分与所述外露的鞘相重合，且所述T形连接接片的所述支腿部与所述外露的中心导线间隔开并平行于后者延伸；

绕所述外露的鞘折弯所述顶置T形部分并与所述外露的鞘物理接合，从而机械及电连接所述顶置T形部分到所述外露的鞘上；

电连接所述T形连接接片的所述支腿部到所述接地面部分上；以及

连接所述外露的中心导线到所述伸出接片上。

30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供天线罩以遮盖所述弯折的金属片、所述同轴电缆的所述一端以及所述T形金属连接接片；以及

在所述天线罩上提供外部安装接片。

31.如权利要求25所述的方法，其特征在于，绕所述两条大致平行的弯折线折弯所述平的金属片的所述步骤，从而在物理上将所述辐射部分和所述伸出接片定位在所述接地面部分之上，导致所述辐射部分在大致平行于所述接地面部分所在平面的平面内延伸。

32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供具有第一和第二导线的电缆；

连接所述第一导线到所述接地面部分；以及

连接所述第二导线到所述伸出接片上。

33.如权利要求25所述的方法，其特征在于，绕所述两条大致平行的弯折线折弯所述平的金属片的步骤，从而在物理上将所述辐射部分和所述伸出接片定位在所述接地面部分之上，导致所述辐射部分位于与所述接地面部分所在平面倾斜的平面。

34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述辐射部分所在的平面在一方向倾斜，以便所述间隙限定了从所述辐射部分到所述接地面部分的最近的距离。

35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供具有第一和第二导线的电缆；

连接所述第一导线到所述接地面部分上；以及

连接所述第二导线到所述伸出接片上。

36.一种天线组件，包括：

一片金属片，其具有大致平面的接地面元件，大致平面的辐射元件，大致平行、大致等长、物理间隔开的且大致平面的第一和第二支承臂，以及与所述辐射元件一体形成的连接接片，每个所述支承臂具有与所述接地面元件一体形成的第一端，每个所述支承臂具有与所述辐射元件一体形成的第二端，所述第一和第二支承臂起作用以支承所述辐射元件与所述接地面元件物理上间隔开，所述连接接片从所述辐射元件的内部区域以朝向所述支承臂的所述第二端的方向延伸，所述连接接片具有与所述接地面元件间隔开的自由端以限定存在于所述第一、第二支承臂和所述接地面元件之间的开口间隙；以及

具有一端的馈电电缆，其包括电连接到所述接地面元件上的第一导线和电连接到所述连接接片上的第二导线。

37.如权利要求36所述的天线组件，其特征在于，所述馈电电缆包括同轴电缆，所述同轴电缆的一端与所述开口间隙对齐，所述第一导线为在所述同轴电缆的所述端的金属鞘，且所述第二电缆为在所述同轴电缆的所述端的金属中心导线。

38.如权利要求37所述的天线组件，其特征在于，所述金属鞘电连接到所述接地面元件面对所述辐射元件的表面上，且所述中心导线电连接到所述连接接片面对所述接地面元件的所述表面的表面上。

39.如权利要求37所述的天线组件，其特征在于，包括：

具有支腿部和T形部分的金属接片，所述T形部分物理及电连接到所述金属鞘上，而所述支腿部与所述中心导线物理间隔开且电连接到所述接地面元件上。

40.如权利要求39所述的天线组件，其特征在于，包括：

遮盖所述一片金属片、所述同轴电缆的所述端以及所述金属接片的天线罩。

41.如权利要求36所述的天线组件，其特征在于，所述辐射元件在大致平行于所述接地面元件所在平面的平面内延伸。

42.如权利要求41所述的天线组件，其特征在于，包括：

具有连接到所述接地面元件上的第一导线并具有连接到所述连接接片上的第二导线的电缆。

43.如权利要求36所述的天线组件，其特征在于，所述辐射元件位于与所述接地面元件所在平面倾斜的平面。

44.如权利要求43所述的天线组件，其特征在于，所述辐射元件所在的平面在一方向倾斜，以便所述开口间隙限定了从所述辐射元件到所述接地面元件最近的距离。

45.如权利要求44所述的天线组件，其特征在于，包括：

具有连接到所述接地面元件上的第一导线并具有连接到所述连接接片上的第二导线的电缆。

Images