CN100421300C

CN100421300C - 天线装置及其设计方法

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Publication number: CN100421300C
Application number: CNB2004100982302A
Authority: CN
Inventors: 黄宗访
Original assignee: BenQ Corp
Current assignee: BenQ Corp
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2024-11-30
Also published as: CN1783580A

Abstract

一种天线装置，由第一天线单元、第二天线单元以及第三天线单元所组成，用以收发信号，而信号频率位于第一频带或第二频带频率。第一天线单元由多个第一宽度的金属带组成，其中任一金属带的头端与相邻金属带的尾端相连，且具有第一夹角，第一天线单元更具有馈电接脚以连接接收器。第二天线单元与第一天线单元相连，第二天线单元亦由多个第二宽度的金属带组成，其中任一金属带的头端与相邻金属带的尾端相连，且具有第二夹角。第三天线单元与第二天线单元相连，亦由多个具有第三宽度的金属带组成，其中任一金属带的头端与相邻金属带的尾端相连，且同样具有第一夹角。其中第一夹角的角度大于第二夹角。

Description

天线装置及其设计方法

技术领域：

本发明关于一种天线装置，特别是一种用以收发双频带频率的天线装置及其设计方法。

背景技术：

随着通讯产业的快速发展，应用于无线通讯产业的天线需求也日趋多样化。在产品走向轻薄短小的趋势下，如何在有限的空间内设计出适合产品规格要求的天线，往往成为影响通讯品质非常关键的因素。在产品应用上，仅使用单一频段，早已不敷产品多样化的需求。考虑生产成本与制作良品率的提升，结合印刷电路板的技术实现天线产品的应用，便具有相当的利用价值。

传统的圆柱形螺旋天线如图1所示，借由其直径D与线圈间距S的相对应关系，而产生标准模式(Normal Mode，D＜＜λ)或轴向模式(AxialMode，π·D≥λ)两种辐射模态，λ表示该天线传输频率的波长。圆柱形螺旋天线在标准模式下的极端表现(即D＝0)，便是传统的单极化天线(MonoPole Antenna)，辐射接收最佳位置为轴线A的垂直面上，极化方向沿轴线方向；而轴向模式的极端表现(即S＝0)，则为传统的环形天线(Loop Antenna)。

传统的移动通讯装置所使用的天线，不外乎是外接式的螺旋天线(Helix)、套管天线(Sleeve)、或单极天线(Monopole)的应用。此等设计，不但要同时考虑额外的组装问题，也需外加一组对接的射频连接器(RF connector)。就产品应用的考虑上，即是增加额外的生产成本与时间成本，有鉴于印刷电路板制作的高精确性与电路结合的一致性，本发明提出一种可实现于印刷电路板上的天线设计，并应用金属微带线的适当疏密安排，提供一个双频天线的设计方法。

发明内容：

本发明的目的为提供一种用以收发双频带频率的天线装置。

本发明的另一目的为提供一种可收发双频带频率的天线装置的设计方法。

本发明一实施例提供一种天线装置，由制作于基板上的第一天线单元、第二天线单元以及第三天线单元所组成，用以收发信号，该信号选择性的位于一第一频带频率与一第二频带频率。第一天线单元由多个具有一第一宽度的金属带所组成，其中所述任一金属带的头端与相邻金属带的尾端彼此电性连接，且任一金属带的头端与相邻金属带的尾端具有一第一夹角，第一天线单元更具有一馈电接脚用以连接一接收器。第二天线单元与第一天线单元电性连接，第二天线单元由多个具有一第二宽度的金属带所组成，其中所述任一金属带的头端与相邻金属带的尾端彼此电性连接，且任一金属带的头端与相邻金属带的尾端具有一第二夹角。

第三天线单元与第二天线单元电性连接，由多个具有一第三宽度的金属带所组成，其中所述任一金属带的头端与相邻金属带的尾端彼此电性连接，且任一金属带的头端与相邻金属带的尾端同样具有第一夹角。其中所述第一夹角的角度大于第二夹角，借由第二天线单元间的紧密结构所产生的电感效应，使得天线装置的谐振频率得以符合第二频带频率。应注意的是，在本发明实施例中，所述金属带的第二宽度可小于第一宽度与第三宽度；第二频带频率高于该第一频带频率。此外，具有第一宽度的金属带可与第三宽度的金属带等宽。

本发明另一实施例提供一种天线装置，包含：基板、第一锯齿状金属带、第二锯齿状金属带以及第三锯齿状金属带。第一锯齿状金属带由多个具有第一宽度的金属带分别制作于基板的上下表面，并以多个贯孔电性连接位于基板上下表面的金属带，此外，第一锯齿状金属带更包含一馈电接脚。第二锯齿状金属带连结第一锯齿状金属带，由多个具有第二宽度的金属带分别制作于基板的上下表面，并以多个贯孔电性连接位于基板的上下表面的金属带。

第三锯齿状金属带与第二锯齿状金属带相连接，由多个具有第一宽度的金属带分别制作于基板的上下表面，并以多个贯孔电性连接位于基板的上下表面的金属带，其中第一锯齿状金属带与第三锯齿状金属带的贯孔间距大于第二锯齿状金属带的贯孔间距，借由第二锯齿状金属带间的紧密结构产生的电感效应，使得第一锯齿状金属带的谐振频率得以符合第二频带频率。应注意的是，所述的第一宽度可大于第二宽度。

本发明的再一实施例提供一种天线装置的设计方法，本发明的天线装置设置于一基板上，用以收发一第一频带频率与一第二频带频率的信号，该方法至少包含下列步骤。首先，形成第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元于该基板上，其中第一天线单元连结第二天线单元，第二天线单元连结第三天线单元。接着，调整第一天线单元与第三天线单元的等效长度，使得天线装置的谐振频率得以符合第二频带频率，其中各段金属带的等效长度的控制利用多个等长金属带，透过匝数、贯孔间距及贯孔直径的调整，达到控制金属带等效长度的控制。随后，固定第一天线单元的等效长度且调整第三天线单元的等效长度，使得天线装置的谐振频率得以符合第一频带频率。

附图说明：

借由以下详细的描述结合附图，将可轻易明了所述内容及此项发明的诸多优点，其中：

图1为传统的圆柱形螺旋天线；

图2为本发明的天线装置的设计方法流程图；

图3为本发明的天线装置第一实施例的示意图；

图4为本发明的天线装置第二实施例的示意图；

图5为本发明的天线的频率-返回损失响应仿真曲线图；及

图6为本发明的天线的频率-返回损失响应仿真曲线图。

图号：

10、20天线 12第一天线单元

14第二天线单元 16第三天线单元

22第一锯齿状金属带 24第二锯齿状金属带

26第三锯齿状金属带 121、221馈电接脚

222、242、262贯孔

具体实施方式：

本发明提供一种双频天线的设计，更提出一种双频天线的设计方法。在本发明中，利用本发明所提出的方法将可在一般电路基板上制作出双频带天线，其利用金属微带线的粗细变化与上下层联结用的两贯孔之间距调整，有效达成双频的设计要求。以下兹列举一优选实施例以说明本发明，业内人士应知此仅为一举例，而并非用以限定发明本身。有关此优选实施例的内容详述如下。

如图2所示，为本发明一实施例的天线10，包含：一第一天线单元12、一第二天线单元14及一第三天线单元16。第一天线单元12由多个具有第一宽度W1的等长金属带所组成，其中所述任一金属带的头端与相邻金属带的尾端彼此电性连接，且任一金属带的头端与相邻金属带的尾端具有第一夹角θ1，此外，第一天线单元12更具有一馈电接脚121用以连接一接收器(图中未示)。第二天线单元14与第一天线单元12电性连接，并由多个具有第二宽度W2的等长金属带所组成，其中所述任一金属带的头端与相邻金属带的尾端彼此电性连接，且任一金属带的头端与相邻金属带的尾端具有一第二夹角θ2。

第三天线单元16与第二天线单元14电性连接，并由多个具有第三宽度W3的等长金属带所组成，其中所述任一金属带的头端与相邻金属带的尾端彼此电性连接，且任一金属带的头端与相邻金属带的尾端同样具有第一夹角θ1。应注意的是，在本实施例中，夹角θ1大于夹角θ2，金属带宽度W1等于W3且大于W2，使得第二天线单元14间的紧密结构所产生的电感效应，令整体天线10的谐振频率可符合第一频带频率(约可符合GSM系统的传输频率880～960MHz)，此外，利用第一天线单元12产生的谐振频率则可以符合第二频带频率(约可符合DCS系统的传输频率1710～1880MHz及PCS系统的传输频率1850～1990MHz)。

在本发明实施例中，因收/发信号频率的谐振点与天线等效长度的相关性(天线金属带的等效电流路径长度形成约为所欲传输信号频率的四分之一波长结构)，本实施例可以宽度较窄的第二天线单元14并做紧密缠绕的设计，使得第二天线单元14成为电感性较大的部份，并置于天线10的中间位置，此电感性又因辐射频段不同，于传输高频信号时将可有效忽略第二天线单元14本身及其后方的第三天线单元16(金属带分布较为疏松的部分)的谐振效果。此外，所述的天线10可设置于基板上或为立体的弯折金属带来呈现，业内人士当可依据实际的应用加以变化，所有不脱离本发明优选实施例的精神所为的等效修饰与变更，仍应包含于本发明范围中。

如图3所示，本发明另一实施例的天线20，包含：基板21、一第一锯齿状金属带22、一第二锯齿状金属带24及一第三锯齿状金属带26。其中第一锯齿状金属带22、第二锯齿状金属带24及一第三锯齿状金属带26分别由多个具有特定宽度的金属带分别制作于基板21的上下表面，并个别以多个贯孔222、242、262电性连接位于基板21的上下表面的金属带。其中第一锯齿状金属带22与第三锯齿状金属带26的贯孔间距Z1大于第二锯齿状金属带24的贯孔间距Z2，借由第二锯齿状金属带间的紧密结构所产生的电感效应，使得天线20得以收/发双频带频率的信号。

如图4所示，说明本发明的天线装置的设计方法流程图，并配合图3的天线示意图，以利说明本发明的设计方法，此外，再透过相关电磁仿真软件，如：HFSS(High Frequency Structure Simulator)来验证经本发明方法所设计的天线，该方法包含下列步骤：首先，设定基板的相关参数(步骤400)。在本实施例中，基板的介电常数(ε_r)约为4.4，厚度约为1.0mm，在不考虑介质损耗下，本实施例仅在一印刷电路板长度为84mm，宽度为50mm且具接地金属层(ground plan)的基板上，规划上方角落且背面不具接地金属层的区域(16mm×10mm)，借以作为本发明的天线的起始设计区域。

接着，形成第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元的金属带于该基板上(步骤402)，其中第一天线单元连结第二天线单元，第二天线单元连结第三天线单元，应注意的是，如图3所示，第一天线单元22、第二天线单元24、第三天线单元26分别由多个金属带形成于基板21的上下表面，并透过多个导电贯孔222、242、262以电性连接位于基板21上下表面的金属带。除此之外，步骤中更包含控制金属带的线宽、匝数与相邻贯孔间距(包括前后贯孔间距与左右贯孔间距)。

在本发明优选实施例中，根据天线所欲收/发的信号频率，其中心频率约为900MHz及1850MHz，因此，首先设定第一、第二及第三天线单元的线宽(W1、W2、W3)、匝数(N1、N2、N3)与相邻贯孔间距值(Z1、Z2、Z3)，其线宽值分别为W1＝W3＝1.0mm、W2＝0.3mm；匝数值N1＝5、N2＝5、N3＝5；前后贯孔间距值Z1＝Z3＝1.2mm、Z2＝0.4mm；左右贯孔的水平相距为9mm、贯孔直径Φ＝0.25mm，由于构成第一、第二及第三天线单元皆由具有特定长度的多个金属带所组成，因此，借由控制匝数值及贯孔间距值得以将天线的等效电流路径长度控制在所欲传输频率波长的1/4，使得低频频率得以控制在900MHz。因此，根据所述的数值经过HFSS的分析，如图5所示，为该天线的频率-返回损失响应仿真曲线图，其中虚线部份根据所述的数值所得到的结果，其谐振频率约在925MHz及2250MHz，其中低频频率已约略符合本发明的要求。

接着，调整第一天线单元与第三天线单元的金属带的等效长度，使得天线的谐振频率得以符合第二频带频率(步骤404)。根据所述步骤，借由控制第一天线单元与第三天线单元的匝数值(N1＝8、N3＝2)，并固定第二天线单元的匝数(N2＝5)，达到调整金属带等效长度的目的。如图5所示(实线部分)，其谐振频率约在1050MHz及1875MHz，由图可知，高频频率谐振点已符合所欲传输的第二频带频率，不过，低频部分则往高频方向偏移，必须再行调整。应注意的是，若第二频带频率谐振点未能达成，则重回步骤404，直到第二频带频率谐振点达成(步骤406)。

接着，固定第一天线单元的等效长度与第二天线单元的等效长度，调整第三天线单元的等效长度，使得天线的谐振频率得以符合低频的第一频带频率(步骤408)。同样的，在此借由调整第三天线单元的匝数以达到调整第三天线单元的等效长度的目的，因此，设定N3＝4。如图6所示(虚线部分)，其谐振频率约在925MHz及1875MHz，由图可知，高频及低频频率谐振点已相当接近所欲传输的第二及第一频带频率。应注意的是，若第一频带频率谐振点未能达成，则重回步骤408，直到第一频带频率谐振点达成(步骤410)。然而，在调整金属带等效长度的同时，更可借由调整贯孔的直径Φ＝0.25mm改成Φ＝0.125mm(贯孔直径缩小物理上等同等效长度的增加)，达到调整金属带等效长度的目的，如图6的实线部分所示，经由所述的调整，天线的谐振频率将是913MHz及1850MHz。最后，完成本发明天线的设计(步骤412)。

本发明的天线装置的设计具有如下的优点：

(1)本发明提出一种可供双频使用的天线，借由锯齿状或弯折金属带的设计，使得本发明的天线装置具有较小面积。

(2)本发明具有可在一般PCB上实现的设计方法，将大大降低生产所需的成本，并提高生产时的良率。

(3)本发明同时提出贯孔大小对天线的影响，借此可增加设计时的自由度。

(4)本发明提供一种设计印刷电路式双频天线的流程，可借由修改金属带的分布或贯孔的大小，以满足天线的规格要求。

本发明虽以优选实例阐明如上，然其并非用以限定本发明精神与发明实体仅止于所述实施例尔。是以，在不脱离本发明的精神与范围内所作的修改，均应包含在本发明的范围内。

Claims

1. 一种天线装置，用以收发一信号，该信号的频率选择性的位于一第一频带频率与一第二频带频率，该天线装置包含：

一第一天线单元，由多个具有一第一宽度的金属带所组成，其中所述任一第一宽度的金属带的头端与相邻第一宽度的金属带的尾端彼此电性连接，且任一该第一宽度的金属带的头端与相邻第一宽度的金属带的尾端具有一第一夹角，该第一天线单元更具有一馈电接脚用以连接一接收器；

一第二天线单元，与该第一天线单元电性连接，该第二天线单元由多个具有一第二宽度的金属带所组成，其中所述任一第二宽度的金属带的头端与相邻第二宽度的金属带的尾端彼此电性连接，且任一该第二宽度的金属带的头端与相邻第二宽度的金属带的尾端具有一第二夹角；

一第三天线单元，与该第二天线单元电性连接，由多个具有一第三宽度的金属带所组成，其中所述任一第三宽度的金属带的头端与相邻第三宽度的金属带的尾端彼此电性连接，且任一该第三宽度的金属带的头端与相邻第三宽度的金属带的尾端同样具有第一夹角；

其中所述第一夹角的角度大于该第二夹角，借由该第二天线单元间的紧密结构所产生的电感效应，使得该天线装置的谐振频率得以符合该第二频带频率。

2. 如权利要求1所述的天线装置，其中所述的天线装置设置于一基板上。

3. 如权利要求1所述的天线装置，其中所述的该第二宽度小于该第一宽度与该第三宽度。

4. 如权利要求1所述的天线装置，其中所述的第二频带频率高于该第一频带频率。

5. 如权利要求1所述的天线装置，其中该第一宽度等于该第三宽度。

6. 一种天线装置，用以收发一第一频带频率与一第二频带频率的信号，包含：

一基板；

一第一锯齿状金属带，由多个具有第一宽度的金属带分别制作于该基板的上下表面，并以多个贯孔电性连接位于该基板的上下表面的第一宽度的金属带，该第一锯齿状金属带更包含一馈电接脚；

一第二锯齿状金属带，连结于该第一锯齿状金属带，由多个具有第二宽度的金属带分别制作于该基板的上下表面，并以多个贯孔电性连接位于该基板的上下表面的第二宽度的金属带；及

一第三锯齿状金属带，连结于该第二锯齿状金属带，由多个具有第一宽度的金属带分别制作于该基板的上下表面，并以多个贯孔电性连接位于该基板的上下表面的第一宽度的金属带；

其中该第一锯齿状金属带与该第三锯齿状金属带的贯孔间距大于该第二锯齿状金属带的贯孔间距，借由该第二锯齿状金属带间的紧密结构所产生的电感效应，使得该第一锯齿状金属带的谐振频率得以符合该第二频带频率。

7. 如权利要求6所述的天线装置，其中所述的第一宽度大于该第二宽度。

8. 如权利要求6所述的天线装置，其中所述的第二频带频率高于该第一频带频率。

9. 一种天线装置的设计方法，该天线装置设置于一基板上，用以收发一第一频带频率与一第二频带频率的信号，该方法至少包含下列步骤：

形成一第一天线单元、一第二天线单元、一第三天线单元于该基板上，其中该第一天线单元连结该第二天线单元，该第二天线单元连结该第三天线单元；

调整该第一天线单元与第三天线单元的等效长度，使得该第一天线单元的谐振频率得以符合该第二频带频率；及

固定该第一天线单元的等效长度且调整该第三天线单元的等效长度，使得该天线装置的谐振频率得以符合该第一频带频率。

10. 如权利要求9所述的方法，其中所述的第一天线单元，由多个具有第一宽度的等长金属带分别制作于该基板的上下表面，并以多个贯孔电性连接位于该基板的上下表面的第一宽度的金属带，该第一天线单元更包含一馈电接脚。

11. 如权利要求10所述的方法，其中所述的调整该第一天线单元等效长度的步骤更包含调整所述贯孔直径的大小。

12. 如权利要求9所述的方法，其中所述的第二天线单元，由多个具有第二宽度的等长金属带分别制作于该基板的上下表面，并以多个贯孔电性连接位于该基板的上下表面的第二宽度的金属带。

13. 如权利要求9所述的方法，其中所述的第三天线单元，由多个具有第一宽度的等长金属带分别制作于该基板的上下表面，并以多个贯孔电性连接位于该基板的上下表面的第一宽度的金属带。

14. 如权利要求13所述的方法，其中所述的调整该第三天线单元等效长度的步骤更包含调整所述贯孔的直径大小。