柔性倒F天线及其制作方法

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，特别是涉及一种柔性倒F天线及其制作方法。

背景技术

天线是无线系统中必不可少的组成部分，随着科学技术的不断进步，无线通信技术得到了迅猛的发展，在飞机、卫星、导弹等载体上，通信设备的数量和种类都达到了前所未有的程度，并且对天线的要求也越来越高，发展低剖面的小型化天线，并且可以与高速运动的载体共形的天线的要求变得越来越高。近几十年来，作为移动通信的重要频段，UHF频段天线小型化的课题研究吸引了越来越多的研究人员的关注。

因全向辐射特性、结构简单和成本低廉等特点，单极子天线在现代通信领域中得到了广泛应用，例如车载通信中的金属振子单极子天线，无线局域网中微带单极子天线等。倒F天线(Inverted-F Antenna，IFA)是单极子天线的一种变形结构，具有体积小、结构简单、易于匹配、制作成本低等优点，广泛应用于蓝牙、WiFi等短距离无线通信领域。

传统的倒F天线一般设计于介质基板上，多数采用FR-4(环氧玻璃纤维板)为基底。其设计步骤，一般先将单极子天线进行90°弯曲，得到倒L天线，其总长仍然是1/4波长，再在拐角处增加一个倒L形贴片，贴片的一端通过过孔与地面相连，这样就形成了倒F天线。然而，设计在FR-4介质基板上的倒F天线因其介质硬度较大难以弯曲共形，并且超过一定的弯曲半径情况下，传统的倒F天线就会出现严重的频率偏移。遇到这样的情况，倒F天线无法通过自身简单的调节实现频率修正，只能重新设计来适应共形环境。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种柔性倒F天线及其制作方法，以解决现有技术中倒F天线难以弯曲共形，以及共形后谐振频率的偏移量较大的问题。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

本发明提供一种柔性倒F天线，包括柔性基板以及设于所述柔性基板上的辐射体和接地体，所述接地体设有与所述辐射体相匹配的容纳间隙区，所述辐射体设于所述容纳间隙区内且与所述接地体相互间隔开，所述辐射体包括单极子天线和接地线，所述接地线的一端与所述单极子天线电性连接，所述接地线的另一端与所述接地体电性连接，所述单极子天线具有多个首尾相接的折弯部。

进一步地，相邻两个所述折弯部朝向相反方向进行弯折。

进一步地，所述折弯部包括第一水平部和第一竖直部，所述第一水平部和所述第一竖直部相互垂直，多个所述折弯部的所述第一水平部之间相互平行，多个所述折弯部的所述第一竖直部之间相互平行。

进一步地，所述接地线包括第二水平部、第二竖直部以及第三竖直部，所述第二竖直部的一端与所述单极子天线连接，所述第二竖直部的另一端与所述第二水平部的一端连接，所述第二水平部的另一端与所述第三竖直部的一端连接，所述第三竖直部的另一端与所述接地体连接，所述第二竖直部和所述第三竖直部均与所述第二水平部相垂直。

进一步地，所述接地体包括第一接地体和第二接地体，所述第一接地体和所述第二接地体分别设于所述辐射体的外边缘，且与所述辐体相互间隔开。

进一步地，所述第一接地体和所述第二接地体为相互配合的梳状结构，所述容纳间隙区位于所述第一接地体和所述第二接地体的梳齿之间。

进一步地，所述辐射体还包括馈电引脚，所述柔性倒F天线还包括可变电容，所述馈电引脚的一端与所述单极子天线的一端之间设有安装间隙，所述可变电容安装于所述安装间隙内，且两端分别与所述馈电引脚和所述单极子天线电性连接。

进一步地，所述可变电容的调节范围为1.5pF～6pF。

进一步地，所述柔性倒F天线还包括SMA接头，所述辐射体和所述接地体分别与所述SMA接头上对应的引脚电性连接。

本申请还提供一种柔性倒F天线的制作方法，所述制作方法用于制作如上所述的柔性倒F天线，所述制作方法包括：

提供一柔性基板，在所述柔性基板覆盖金属导电层；

对所述金属导电层进行蚀刻，所述金属导电层形成图案化的辐射体和接地体，而所述金属导电层被蚀刻掉的区域与所述辐射体对应的区域共同形成容纳间隙区，所述容纳间隙区与所述辐射体的形状相匹配，所述辐射体包括单极子天线和接地线，所述接地线的一端与所述单极子天线电性连接，所述接地线的另一端与所述接地体电性连接，所述单极子天线具有多个首尾相接的折弯部。

本发明有益效果在于：通过在接地体设置容纳间隙区，将辐射体设于容纳间隙区内，使得辐射体被包围于接地体内，而且单极子天线由多个首尾相接的折弯部组成，可以使得辐射体在各个方向都存在耦合，天线的容性加强，并在弯曲共形时可以减少耦合量突变以及谐振频率偏移量，保持谐振频率的稳定性。

附图说明

图1是本发明中柔性倒F天线在弯曲时的结构示意图；

图2是本发明中柔性倒F天线的平面结构示意图；

图3是本发明中柔性基板和辐射体的平面结构示意图；

图4是本发明中柔性倒F天线在平整状态的实验数据图表；

图5是本发明中柔性倒F天线在弯曲状态的实验数据图表。

图中：柔性基板1、辐射体2、安装间隙201、单极子天线21、折弯部211、第一水平部211a、第一竖直部211b、接地线22、第二水平部221、第二竖直部222、第三竖直部223、馈电引脚23、接地体3、容纳间隙区301、第一接地体31、第二接地体32、可变电容4、SMA接头5。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的柔性倒F天线及其制作方法的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

图1是本发明中柔性倒F天线在弯曲时的结构示意图。图2是本发明中柔性倒F天线的平面结构示意图。图3是本发明中柔性基板和辐射体的平面结构示意图。

如图1至图3所示，本发明提供的一种柔性倒F天线，包括柔性基板1以及设于柔性基板1上的辐射体2和接地体3，接地体3设有与辐射体2相匹配的容纳间隙区301，辐射体2设于容纳间隙区301内且与接地体3相互间隔开。辐射体2包括单极子天线21和接地线22，接地线22作为倒F天线的接地脚，接地线22的一端与单极子天线21电性连接，接地线22的另一端与接地体3电性连接，单极子天线21具有多个首尾相接的折弯部211。其中，柔性基板1采用聚酰亚胺(Polyimide，简称PI)、PDMS(聚二甲基硅氧烷，英文名Polydimethylsiloxane，简称PDMS)或其他粘贴/压合有导体层的基材等均可，根据不同使用环境与通信方式(天线频率不同)，会使用不同材料特性的基板，天线的尺寸也会出现一定的变化(放大或者缩小)。辐射体2和接地体3采用金属铜制成。

本实施例中，如图3所示，相邻两个折弯部211朝向相反方向进行弯折。例如，第一个折弯部211朝向右侧弯折，第二个折弯部211朝向左侧弯折，第三个折弯部211朝向右侧弯折，以此类推，第一个折弯部211、第二个折弯部211、第三个折弯部211以及第N个折弯部211首尾相接。通过将相邻两个折弯部211朝向相反方向进行弯折，从而可以提高面积的利用率，减少柔性基板1的大小。当然，在其他实施例中，相邻两个折弯部211也可以朝向其他方向进行弯折，只是对柔性基板1面积的利用率降低。

进一步地，折弯部211包括第一水平部211a和第一竖直部211b，第一水平部211a和第一竖直部211b相互垂直，即本实施例中，每个折弯部211呈90°弯曲的L形结构，单极子天线21由多个L形结构折弯部211组成。当然，也可以说单极子天线21是由多个“几”字型或“弓”字型连续弯曲的线段组成。其中，多个折弯部211的第一水平部211a之间相互平行，多个折弯部211的第一竖直部211b之间相互平行。折弯部211的数量、大小以及与接地体3之间的距离需要根据天线的设计频率与阻抗(如，50欧姆)来调整。当然，在其他实施例中，折弯部211也可采用其他图形，如半圆形等，只需折弯部211为弯曲或弯折结构即可。

本实施例中，如图3所示，接地线22整体呈倒放“匚”字型结构。具体地，接地线22包括第二水平部221、第二竖直部222以及第三竖直部223，第二竖直部222的一端与单极子天线21连接，第二竖直部222的另一端与第二水平部221的一端连接，第二水平部221的另一端与第三竖直部223的一端连接，第三竖直部223的另一端与接地体3连接，第二竖直部222和第三竖直部223均与第二水平部221相垂直。接地线22这样设计，使得接地线22在有限的面积内可以设计得更长，具有较大的阻抗，以便于单极子天线21相匹配。

本实施例中，如图2所示，接地体3包括第一接地体31和第二接地体32，第一接地体31和第二接地体32分别设于辐射体2的外边缘，且与辐射体2相互间隔开。第一接地体31和第二接地体32为相互配合的梳状结构，第一接地体31和第二接地体32的梳齿相互交叉排布，容纳间隙区301位于第一接地体31和第二接地体32的梳齿之间，使得容纳间隙区301呈多次弯折的形状，即与辐射体2相对应的形状。其中，第一接地体31和第二接地体32相互绝缘，并分别与SMA接头5上对应的引脚电性连接。第一接地体31和第二接地体32上梳齿的数量和大小需要根据天线的设计频率与阻抗来调整，第一接地体31和第二接地体32的形状需要根据辐射体2的形状来进行调整。

本实施例中，辐射体2还包括馈电引脚23(图3)，柔性倒F天线还包括可变电容4，馈电引脚23的一端与单极子天线21的一端之间设有安装间隙201，可变电容4安装于安装间隙201内，且两端分别与馈电引脚23和单极子天线21电性连接。安装间隙201的宽度为可变电容4宽度的一半，以便于可变电容4的安装。其中，可变电容4的容值能够调节，可变电容4的调节范围为1.5pF～6pF，可变电容4具有250MHz的调节范围，并且调节后回波损耗皆在-20dB以下。当然，可变电容4可调范围更大，调节范围也将增大，频偏修正的范围也增大。通过在辐射体2上增加一个可变电容4，以修正弯曲共形时耦合量的变化量，达到谐振频率稳定的目的，且具有频偏修正的优点，使天线性能重新得到优化，通信信号得已恢复。优选的，在平整状态时，即初始设计时可变电容4的大小设计为3pF，这样做是为了调节时可增大也可减小电容值，实现频率偏高或偏低双向修正。其中，可变电容4是该天线结构中非必要的组成条件，在一定的条件下，可不使用可变电容4或使用一个定值的电容、电感、0欧姆电阻等也可实现本天线结构的功能，而设置了可变电容4，使得天线可以修正弯曲共形时耦合量的变化量，达到谐振频率稳定的目的。

本发明的一示意性实施例中，如图3所示，柔性基板1是边长为40mm的正方形结构，辐射体2的宽度a1为1mm，第一水平部211a的长度b1为31mm，第一竖直部211b的长度b2为6mm，相邻两个第一水平部211a之间的间距h1为4mm，第二水平部221的长度a2为9mm，安装间隙201的宽度a3为2mm。容纳间隙区301的宽度需大于辐射体2的宽度，使得辐射体2的边缘与接地体3的边缘相互间隔开。当然，在实际应用中，根据不同使用环境与通信方式(天线频率不同)，柔性基板1、辐射体2以及接地体3的尺寸会出现一定的变化(放大或者缩小)。

本实施例中，柔性倒F天线还包括SMA接头5，辐射体2和接地体3分别与SMA接头5上对应的引脚电性连接。其中，SMA接头5上设有三个引脚，中间的引脚与辐射体2的馈电引脚23电性连接，以作为馈电脚，而两侧的引脚与接地体3电性连接。辐射体2和接地体3优选采用相同金属导电介质制成，例如均由铜皮蚀刻而成，SMA接头5通过锡焊与辐射体2、接地体3相连。当然，馈电方式也可采用同轴线馈电，SMA接头5与同轴线馈电需保证馈点阻抗50欧姆。

本申请还提供一种柔性倒F天线的制作方法，该制作方法用于制作如上所述的柔性倒F天线，该制作方法包括：

提供一柔性基板1，在柔性基板1覆盖金属导电层，金属导电层采用金属铜，其厚度为18μm左右，例如可以通过沉积覆盖等工艺在柔性基板1形成一层铜膜；

对金属导电层进行蚀刻，金属导电层形成图案化的辐射体2和接地体3，而金属导电层被蚀刻掉的区域与辐射体2对应的区域共同形成容纳间隙区301，即金属导电层被蚀刻掉的区域形成辐射体2与接地体3之间的间隙。容纳间隙区301与辐射体2的形状相匹配，辐射体2包括单极子天线21和接地线22，接地线22的一端与单极子天线21电性连接，接地线22的另一端与接地体3电性连接，单极子天线21具有多个首尾相接的折弯部211。

本申请的仿真结果如图4和图5所示，图4中m1、m2、m3三条曲线分别表示平整状态下可变电容4的电容分别为1.5pF、3pF、6pF时，天线的谐振频率，即代表调谐范围(中心谐振频率范围)2.341GHz～2.605GHz；图4中曲线m1表示弯曲180°状态下天线谐振频率，曲线m2表示原始平整状态的谐振频率，曲线m3表示该弯曲状态下可变电容4调节至4pF时的谐振频率(即频率修正后)。

本申请通过采用柔性基板1作为载体，便于弯曲共形，实现与柔性弯曲设备集成化设计，可实现蓝牙、WiFi设备全频段覆盖的宽通带，在常规柔性基板1上印刷电路即可，成本低；另外，将单极子天线21部分进行多次弯折，并使辐射体2包围于接地体3之间，这样做的目的可以使得辐射体2各个方向都存在耦合，天线的容性加强，并在弯曲共形时可以减少耦合量突变，保持谐振频率的稳定性。本申请设计的柔性倒F天线在180°弯曲条件下，频率只往低频偏移了53MHz，而传统结构的倒F天线偏移约为200MHz，因此，本申请设计的柔性倒F天线在弯曲共形时可以减少耦合量突变，保持谐振频率的稳定性。在此基础上，再在辐射体2上增加一个可变电容4，来修正弯曲共形时耦合量的变化量，达到谐振频率稳定的目的，使得本申请的柔性倒F天线还具有共形后易于修正频偏的特点，确保在不同弯曲共形环境下天线具有稳定的谐振频率和良好的阻抗带宽，可用于改善蓝牙、WiFi通信的接收和发送稳定性，可广泛运用于蓝牙、WiFi设备或者共形环境中。在平整状态时，即初始设计时可变电容的大小设计优选为3pF，这样做是为了调节时可增大也可减小电容值，实现频率偏高或偏低双向修正。

在本文中，所涉及的上、下、左、右、前、后等方位词是以附图中的结构位于图中的位置以及结构相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。还应当理解，本文中使用的术语“第一”和“第二”等，仅用于名称上的区分，并不用于限制数量和顺序。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限定，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰，为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。