TW415123B - A rigid and flexible flat antenna - Google Patents

Description

415123 五、發明說明（1) 【發明之背景】 本發明是關於天線領域’更具體而言’是關於小 信裝置使用之天線。 商用無線電通信的成長’特別是細胞式無線電話 的爆炸性成長，導致用戶大量地使用及操作行動電話 設計小型通信裝置如細胞式電話時的重要考量之一是 線的實體特徵。通常，設計小型天線時需要具有足夠 性以承受每天的操作，甚至包括偶爾的操作錯誤。舉 說，天線應該能忍受足以將它彎曲1 8 〇度的彎西應力 在彎曲應力移除後回復原形。 的輻射元件是使用諸如 造（overmold) 以獲得 壓製、或钱刻的金屬構 為輪射元件。然而，傳 技術所生產之天線結構 展特性。因此，若彎曲 在輻射元件及外塑結構 目前天線的設計通常只 折衷之下，就是使用較 而犧牲了天線的尺寸、 剛性的金屬片，例如實 置以產生天線的電氣結 然而，使用剛性金屬片 型通 系統 。在 其天 可曲 例來 並 橡膠 輻射 可撓 或人 屬輻 是在 生過 的彎 件及 Γ些 放在 地平 天線 塑勝或人造 可換曲性。 成°钮刻的 統使用塑膠 很難符合金 天線，特別 的介面上產 提供有限度 大的金屬元 同樣的，赛 心金屬片， 構’例如接 會大幅降低 1寻轨，、印 等彈性材料覆蓋塑 元件可以由鐵線、 性電路也被用來做 造橡膠的覆蓋塑造 射元件的彎曲及延 低溫或高溫下，會 度的剪力。結果， 曲承受生命週期。 /或覆蓋塑造結構. 傳統天線使用相當 天線組合的不同位 面、調整元件等。 的可曲性。 415123^ ______—-—- - _________________ _ ——----- --------- ;五、發明説明（2)

此外，有些行動通信裝置使用玎伸縮天線。可伸縮天 線必須有足夠的剛性以便將天線收入空隙而不變形。傳統丨 |天線使用環狀的線或棒做為基本結構。該棒可能也做為輻I :射元件，或是只做為輻射元件的支援。通常棒子會被插入丨 :分離的管子或是安置在裝置外殼的設計中α然而，棒子形 狀的天線需要較大的空隙，因而減少其他無線電路的可用i 空間D 因此’需要 個具有高度可曲性的剛性細薄天線。 丨 【發明之概要】 ! 本發明對該需求的處理是以一剛性可彎曲的伸縮式天 丨線為範例’包含有扁平輻射元件、可曲絕緣層、及有組織 丨的外層護套。在一個具體實施例中，本發明使用高延展性i i矽酮人造橡膠（合成橡膠）絕緣層，放置在輻射元件及外層 i護套間以便將彎曲應力平均分散在天線的長度上。輻射元丨 丨件最好是扁平的鎳鈦合金長條，以提供遠超過傳統金屬輻 j射兀件之彎曲特性。如此，則本發明的可伸縮天線將是剛 性、細薄、且高度可彎曲之天線，可以彎曲而不會永久變 形。 丨* 據本發明更細節的—些特色，外層護套具有的布狀 ;表能❹解表面張力及壓縮的彎曲應力。透過提供外 丨於天的'衣刻布狀組織，尖峰彎曲應力會因為被平均分散 丨製成之同時’外層護套也可以包含由鎳及銅 !的可撓性二屬化纖維，負責接地平面的功能。被織入 ' 化纖維最好是透過矽酮接合劑與絕緣層結合

第5頁 415123 i五、發明說明（3) I在一起。藉由熱及壓力的作用’矽酮接合劑會填滿金屬化 丨纖維的空隙以增加天線的彎曲特性。 本發明其他的特色及優點可以透過下面對較佳實施例 i的描述及附圖之範例説明而更為凸顯。 I【圖式之簡述】 | 圖一是使用本發明之天線的等角透視圖。 圖二是根據本發明之一具體實施例的圖一之天線分解 圖。 圖三是根據本發明另一具體實施例的圖一之天線分解 丨圖。 ！ 圖四是根據本發明之一具體實施例的天線部份剖面 丨

I I圖。 圖五是根據本發明另一具體實施例的天線部份剖面 !

I圖。 I ! ^ 圖六（a )及六（b )是行動台分別以收縮及伸出位置 :顯示本發明之天線的示意圖。 【較佳實施例之詳細說明】 參照圖一，顯示根據本發明組合之天線1 〇的等角透視 圖。在一具體實施例中，天線10是使用於諸如細胞式電話 之類的行動通信裝置之雙頻帶可伸縮天線。天線丨0包含細 薄的天線葉片1 2做為其主體。保護用的模製成型端帽丨4， 使用例如塑膠製成，附加在葉月丨2的一端。在另一端，終 端接點16則提供天線1〇與通信裝置RF電路（圖中未示）間 的介面。天線10對RF電路的終端可以使用傳統的方式例

第6頁 4X5123 五、發明說明（4) — 如焊接、置換式接頭、導電式人造橡膠、或金屬壓縮接

點。 I 參照圖二，顯示根據本發明之一具體實施例的天線10 : 分解圖。天線10包含輻射兀件18、絕緣層2〇、及外層護套 22 ^因為天線10是雙頻帶天線，輻射元件18中包含了耦合; 至兩個寄生元件26之主動式元件24。如圖所示.，主動式元 件24是由諸如圓銅線製成的彎曲線條所組成。此外，該條 彎幽的線可以是由壓印、蝕刻、電鍍、或沈積方式形成。 對於需要最小厚度以承受最大彎曲疲乏之應用而言，輻射 元件18可以改由金屬化織物形成^寄生元件“最好是由兩 個不相等的鎳鈦合金細長條所製成。如此，鎳鈦長條在提丨 供天線10伸縮的結構剛性之同時，也會提供天線丨〇的雙頻 丨帶效能。 ! 參照圖二，顯示根據本發明之另一具體實施例的天線

i 10分解圖。根據本實施例，輻射單元丨8包含一片扁平的鎳 鈷超f曲合金片2 8，而不是傳統的圓線或棒，做為主要機 械結構。長片28終止於天線10上部的彎曲線3〇。彎曲線3〇 | 是由圓銅線形成，但也可以由壓印、蝕刻、電鍍、或沈積丨 方式形成°調整過的寄生金屬元件32黏貼在位於彎曲線3〇 上方覆蓋輻射元件18之絕緣層20之一的上面。這個結構被 用來建立雙頻帶效能，以及提供讓天線1 〇可以伸縮的結構 剛性D 根據本發明，絕緣層20是矽酮人造橡膠絕緣層，安排 在輻射元件18的正反兩面。因為溫度在矽酮彎曲係數上所

第7頁 415123 五、發明說明（5) ~~~-- 造成的變化遠小於最常見的熱塑性塑模人造橡膠，所以石夕 酮人造橡膠絕緣層2 0大幅延伸了天線1 〇的彎曲承受力。矽 闕人造橡膠絕緣層20經過熱或壓力而黏著在輻射2件18之 上。矽酮人造橡膠的材料延伸特性會隨著組成的改變而改 變。例如典型矽酮人造橡膠絕緣體的配方在特定壓力等級 下’提供1 0 0 %到3 0 0%的延展性，而仍然維持相同 數值d '' 較硬的絕緣材料可以加入至矽酮人造橡膠絕緣層2〇令| |以控制天線10的可曲性或是修改絕緣層20的絕緣常數為特| ;定的特徵阻抗。舉例而言，需要高強度及最大可撓曲性的 應用中，可以使用聚醚醯亞胺（PEI)層21 (圖四所示 )°PEI與矽酮的絕緣係數非常匹配，並且與矽_人造橡 丨膠絕緣層20接著性良好。 I 外層屢套2 2提供天線1 0環境上適當的外部表層。舉例

丨而言’編織或針織布層可以用於機械性強化或抗磨性。輻 射7L件1 8及矽酮人造橡膠絕緣層2 〇的可撓曲性與外層護套 :22之匹配是透過適當的選擇人造橡膠延展性及外層護套的I 厚度而達成。在需要最小天線厚度的應用中，可以使用氟 i化乙烯丙烯（FEP)薄層。 ! 根據本發明的一個特色，天線10的外層護套22具有織 丨物狀外表能將彎曲應力平均分散至天線上。在這種設計 :下’外表組織的深度及距離會在特定橫剖面上最佳化以保 i持彎曲應力落在張力、壓縮、及彎曲剪力的疲乏忍受極限 之内。

五、發明說明（6) 415123 =，天線10的部份橫剖面顯示不同層的範例向 套22的布狀組織外表。如圖所示，範例布狀組 2約是正弦曲線的橫斷面。在有織物組織表面 有效絕緣厚度經決定大約相等於該組織樺斷面 根（RMS)。矽酮人造橡膠絕緣層2〇的有效厚 已定線寬下的特定阻抗。在這種設計下，整條 厚度可能不同，以便為由長條線或微長條形成 產生受控制的阻抗》使用已知公式，可以從組 料之幾何及絕緣常數計算出RF傳送線的指定特 )。根據幾何排列形成的是長條線或微長條傳 種類型都可能用於實際天線中）而使用不同的 ! 參照圖 度，包括護 織外表具有 的結構中之 南度的平方 度用來產生 天線的各部 之天線結構 成該線的原 徵阻抗（zfl 送線（這兩 公式。 如此，組織外表藉由提供更柔順的結構來降低彎曲應丨 力而不會嚴重損失指定的特性阻抗或提高絕緣損失值。外 層的組織表面是在黏著及乾燥天線時使用已知的技術形 成。在一種技術下’選擇的組織是透過在乾燥過程中使用 壓力墊形成的。該組織首先形成在壓力墊的接觸面上，再 於乾躁週期間利用熱及壓力轉移到天線元件表面。 參照圖五，描示根據本發明另一具體實施例之天線丨〇 的部份橫剖面。在此實施例中，外層護套包含可撓性金屬 化纖維層34做為天線1〇的接地平面，以及外層36提供天線 的2物狀外表。選擇金屬化纖維層34是為了強度及高溫處 ，此力。金屬化纖維層最好能由銅鎳合金製成，並置於聚 s曰或液態結晶聚合物（LCP )類布料所提供的外層3 6中。

415123 五、發明說明α) 例可撓 註冊商 在本實 劑層3 8 合劑黏 力的纾 似的抗 是低溫 化纖維 以確保 之外， 使用不 符合特 本發明 氧基烷 化處理 否則無 可以經 由氧電 性金屬化 標名稱） 施例中， 相黏著。 合各層並 解。外層 磨性可撓 下，提供 層在彎曲 矽酮完全 將石夕_人 同的熱活 疋結構所 使用之低 ^ CPRA ) 或氟化物 法輕易的 由在·δ夕人 漿預先處 纖維是由 1具有 外層3 6及 提供信 護套22的 曲材質。 —致的可 時碎裂。 填滿金屬 造橡膠絕 化接合膠 而 < 甩乳 表面活性 等，提 的材料， 進行化學 造橡膠挨 理氣化材 一種已知可用於本發明天線的範

Amsbury Gr〇up 製造的Fiectron( 〇 0 6（標稱）厚的聚酯紡織物。 金屬化纖維層3 4最好由矽膠接合 本發明使用矽酮人造橡膠接 號、絕緣、及接地平面間彎曲應 外表可以是熱塑性人造橡膠或類 矽酮絕緣層2 0在不同溫度、特別 撓曲性及高延展性，以防止金屬 在石夕酮接合劑乾燥時會施以壓力 化纖維之纖維組織間的洞。除此 緣層2 0黏合至輻射元件1 8時可以 片，例如四氟乙烯（TFE)或FEP以 及機械性能。使用矽酮接合劑對 絕緣體如TFE、PEI、或全氟化烧 供足夠的接合性。這是因為用氟 除非是使用矽人造橡膠接合劑， 接合之故。進一步的接合強化則 合劑加入石夕曱院黏合促進劑或藉 料而達成。 橡膠絕 定特性 及結果 示解荅 天線1 0的設計是要將彎曲應力保持在矽酮人造 緣層20的疲乏忍受限度内。更具體而言，對產生才t 阻抗的給定橫剖面而言，選定材料的固有彎曲半押 應力等級是由實體模型（實驗）、樑彎曲計算（顯

第10 I 415123 五、發明說明C8) | )、或有限元件分析（FEA)所決定。這些應力等級展示 丨 低於由彎曲造成之所期望抗彎曲倒數而限的失敗極限之最i 大值。材料疲乏耐受#線圖一般是以應力等級對應力倒數i 的失敗線圖表示（稱為S/N圖）。如同上述，對指定的特 性阻抗而言，本發明操控絕緣層的延展性及外層護套2 2的 I外表組織以維持彎曲應力等級低於天線丨〇的耐疲乏度。 參照圖六（a )及六（b )分別顯示使用本發明天線】〇 於收縮及伸長位置下的行動通信裝置。如圖六（a)所 示，當天線收縮時’只有上端的彎曲線42及寄生元件44露i 出。在這種設計下’彎曲線形被調整（定尺寸）以形成在 :800 頻帶下具有四分之一波長（又/4)之輻射元件。 |其結果是50 Ω的輸入阻抗，可以連結至rf饋電部46。對 丨雙頻帶運作而言’寄生元件44在較高頻帶耦合至彎曲線 42，而沒有影響較低頻帶。寄生元件44穿過彎曲線42以形 i成5 0 □的輸入阻抗。端視長度大小，錄鈦長條2 〇在端點 |可能也可能不接地。 | 如圖六（b)所示’當天線伸出時，鎳鈦長條2〇會跟

:隨在彎曲線42之後伸出外部，而形成在800 MHZ下具有二 分之一波長（λ/2)之輻射器。鎳鈦長條20的末端連結至 RF饋電部46，通常具有一個匹配網路。對雙頻帶運作而 |言’會加上平行於錄欽長條20的接地條48。間隔及長度會 被調整直到在高頻帶的運作達到雙頻道（50 Ω輸入）的 丨響應為止。 I 可以瞭解前述描述中揭示了在小型通信裝置中的—種

第11頁 五、發明説明（9) 細薄、可撓曲之天線。使用可撓曲絕緣及金屬化材料製造 丨之天線可以在正常使用下重複的彎面。絕緣黏合及可挽= 丨金屬化的薄臈用來使結構變薄。這種技術所產生的結構可 !以輕易的用來調整產生可重複控制的阻抗特性。結構的弯 曲苹徑及可撓曲性可以透過材料的適當選取來輕易控制。丨 該建構方法可以形成非常薄的天線薄片並用於大量自動化| 生產中。 本發明雖以較佳實施形態例加以描述。但嫻熟於此技 i藝之人士可瞭解本發明在不脫離其精神及基本特徵下可以

其他各種形式予以實現。因此，在此所揭示之實施例僅是I 為相關之說明而不是為限制之用，本發明之範圍係由下面| |之申請專利範圍所界定，而非由前文之說明所限制。是 1 丨故’凡在本案意思及等效範疇内之改變應被視為涵蓋在本I 發明範圍内。 i

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Claims (1)

1. 415123 六、申請專利範圍 丨1. 一種天線，由下列構件構成： 丨 輻射元件； 丨 接合在該輻射元件的矽人造橡膠絕緣層；以及 提供天線以外表面之外層護套。 i 2. 根據申請專利範圍第1項之天線，其中該輻射元件包含 錄鈦合金。 3. 根據申請專利範圍第1項之天線，其中該輻射元件包含 主動元件及寄生元件，其中寄生元件是由鎳鈦合金製 成。 4. 根據申請專利範圍第1項之天線，其中該外層護套具有 ； 織物狀外表能將彎曲應力充份分散在天線上。 | 5.根據申請專利範圍第1項之天線，其中該外層護套包含 I i | 可撓性金屬化織物（fabric)。 I | 6.根據申請專利範圍第5項之天線，其中該可撓性金屬化 I 織物是由鎳及銅所製成。 丨 I 7.根據申請專利範圍第1項之天線，其中該矽酮人造橡膠 I ! | 絕緣層是由熱活化接合膠片接合於輻射元件上。 丨8.根據申請專利範圍第1項之天線，其中該矽酮人造橡膠 : ! 絕緣層是由硬_接合劑接合於外層護套。 9. 一種扁平天線，由下列構件構成： i 包含錄鈦合金長條的輕射元件； 接合於該輻射元件正反兩面的矽人造橡膠絕緣層；以 及 提供天線以外表面之外層護套，其中該外層護套具有

   第13頁 六、申請專利範圍 能將彎曲應力充份分散在天線上之織物狀外表。 丨10.根據申請專利範圍第9項之天線，其中該輻射元件包 含主動元件及寄生元件。 11.根據申請專利範圍第9項之天線，其中該外層護套包 含做為天線接地平面的對應可撓性金屬化織物層，及 提供織物狀外表面的外層。 1 2.根據申請專利範圍第9項之天線，其中該可撓性金屬 化織物層是由錄及銅所製成。 1 3.根據申請專利範圍第1 0項之天線，其中該矽人造橡膠 丨 絕緣層是由熱活化接合膠月接合於輻射元件上。 14. 根據申請專利範圍第10項之天線，其中該金屬化織物 I 層及外層是由矽酮接合層相互接合。 15. 根據申請專利範圍第10項之天線，其中該外層是由聚 酯布製成。 1 6.根據申請專利範圍第1 0項之天線，其中該外層是由液 態結晶聚合布製成。 I