CN101242034B - 小型化的多频天线 - Google Patents

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Abstract

多频天线包括设置一弯折扁平铜条形成一辐射表面，可提供GSM-850/900/1800/1900、GPS多种频带的应用，以及设置一辅助天线与该辐射表面相互耦合，可提供WCDMA-2100/UMTS-2100的频带的应用。该辐射表面与该辅助天线所产生的耦合效应，能够得到所需的多频带的频宽以及最佳化的辐射增益，使多频天线可提供更广泛的应用。

Description

小型化的多频天线
技术领域
本发明提供一种天线，特别是一种小型化的多频天线。
背景技术
在现代化信息社会中，各种无线通信网路已经成为社会大众交换语音或文字信息、数据、影音文件的最重要途径之一。存取这些以无线电磁波携载信息的无线通信网路需要利用天线，因此，天线的研发也成为现代信息厂商的重点之一。为了让使用者能更方便地整合存取多种不同的无线通信网路，优选的天线设计应能以单一天线涵盖不同无线通信网路所要求的各种频带。另外，为了实现更小体积、方便使用者随身携带的无线通信装置，例如手机、个人数位助理器(PDA)，天线的体积尺寸也应该要能尽量缩减，以将天线整合入可携式的通信装置中。
在传统技术中，主要是以平面倒F天线(PIFA，Planar Inverted-F Antenna)来作为无线通信网路存取的天线。请参考图1，图1为传统平面倒F天线10。平面倒F天线10通常是以一平面辐射部12与一基板平面14协同激发电磁波的震荡。另外，如中国台湾发明公报公开号400419843(对应美国专利US6950640)所公开的，亦为一种平面倒F天线。不过，当天线10要作为多频天线应用时，其平面辐射部12需要占用大尺寸的平面面积，而平面辐射部12与基板平面14之间的距离d0，与天线的频率以及频宽有关，故也不能任意调整。因此，传统平面倒F天线10所占用的体积无法有效缩减，难以适应小型化与多频的要求。
发明内容
本发明提供一种小型化的多频天线，包括一连接部分，设置在一印刷电路板的上侧，用来接受信号馈入或馈出；一第一辐射部分，设置在一与该印刷电路板的上侧相交的第二表面，且连接于该连接部分，该第一辐射部分包括多个分段；一第二辐射部分，设置在该第二表面，且连接于该连接部分，该第二辐射部分包括多个分段，其中该第二辐射部分的一分段与该第一辐射部分的一分段平行且相互耦合；以及一第三辐射部分，设置在该印刷电路板的上侧，且连接于该连接部分，该第三辐射部分与该第一辐射部分以及该第二辐射部分相互耦合。
本发明提供一种小型化的多频天线，包括一连接部分，设置在一印刷电路板的上侧，用来接受信号馈入或馈出；一第一辐射部分，设置在一与该印刷电路板的上侧相交的第二表面，且连接于该连接部分，该第一辐射部分包括至少一分段；一第二辐射部分，设置在该第二表面，且连接于该连接部分，该第二辐射部分包括至少一分段，其中该第二辐射部分的一分段与该第一辐射部分的一分段平行且相互耦合；以及一第三辐射部分，设置在该印刷电路板的上侧，该第三辐射部分具有一分段连接于该连接部分，该第三辐射部分与该第一辐射部分以及该第二辐射部分相互耦合。
附图说明
图1为先前平面倒F天线的示意图。
图2为本发明第一实施例的多频天线的立体示意图。
图3为图2的天线的上视图。
图4为图2的天线的前视图。
图5为本发明第二实施例的多频天线的立体示意图。
图6为图5的天线的上视图。
图7为图5的天线的前视图。
图8为高频辐射部分以及低频辐射部分相互耦合原理的示意图。
图9为本发明天线的测量结果的示意图。
主要元件符号说明
具体实施方式
请参考图2以及图3，图2为本发明第一实施例的多频天线20的立体示意图，图3为图2的天线20的上视图。天线20包括一连接部分22、一第一辐射部分24、一第二辐射部分26以及一第三辐射部分28。连接部分22设置在一印刷电路板30上，用来接受信号的馈入或馈出。假设印刷电路板为一第一表面S1，则第一辐射部分24以及第二辐射部分26设置在一与第一表面S1垂直相交的第二表面S2，且第一辐射部分24以及第二辐射部分26皆连接于连接部分22。第一辐射部分24以及第二辐射部分26分别包括至少一个分段，其中第二辐射部分26的一分段与第一辐射部分24的一分段平行且相互耦合。第三辐射部分28设置在印刷电路板30上，也连接于连接部分22，并且与第一辐射部分24以及第二辐射部分26相互耦合。天线20的第一辐射部分24以及第二辐射部分26采用1.0mm线宽的金属扁平铜条绕折成立体表面S2设计后，垂直设置在印刷电路板上，用来作为天线20的主要辐射元件。在低频率的频带部分，例如GSM(Global System for Mobilecommunication 850/900(824～960MHz)的设计上，利用第二辐射部分26较长的金属扁平铜条激发出低频带所需的频宽。另一方面，在高频率的频带部分，例如GSM-1800/1900(1710～1990MHz)、GPS(Global Positioning System，1575±1.1MHz)的设计上，则是利用第一辐射部分24较短的金属扁平铜条激发出高频带所需的频宽。此外，设置在印刷电路板30上的第三辐射部分28，借由连接部分22与天线20的主要辐射元件相连接，作为辐射辅助天线，可激发至更高的频带，例如WCDMA(Wide-band Code-Division MultipleAccess)2100(1920～2170MHz)。如图3所示，借由控制第三辐射部分28与第一辐射部分24以及第二辐射部分26之间的距离d1所产生的耦合效应，可以耦合出高频率部分超宽频的效果，如此就能够同时将高频GSM-1800/1900、第三代通信系统(3G)WCDMA-2100/UMTS(UniversalMobile Telecommunications System)2100(1940～2170MHz)的频带整合于天线20上，甚至可进一步整合GPS的频带，成为小型化多频天线。
请参考图4，图4为图2的天线20的前视图。在实际应用上，可利用一固定具32来固定第一辐射部分24以及第二辐射部分26，此外，图4中也标示出第一辐射部分24以及第二辐射部分26的大小，单位为毫米(mm)。固定具32可使用介质材料制造，亦即不导电材料，例如塑料材质。固定具32上设有各种孔洞沟槽以配合第一辐射部分24以及第二辐射部分26。当固定具32与第一辐射部分24以及第二辐射部分26组装在一起后，因为固定具32上可具有卡榫、螺丝孔等构造，就能够将第一辐射部分24以及第二辐射部分26更稳固地安装在印刷电路板30上。此外，固定具32不仅可用来固定或保护第一辐射部分24以及第二辐射部分26，也可用来支撑通信装置中的其它机构。固定具32的材质可能会对天线20的特性有所影响，不过天线20可借由第一辐射部分24以及第二辐射部分26与第三辐射部分28之间的距离d1来微调天线20特性，补偿固定具32的影响。反之，亦可通过固定具32的材质来调整天线20的特性。
在第一实施例中，天线20主要是以压条(stamp)的扁平金属条来绕折而成，然而亦可以使用均匀截面(圆截面)的导体来形成天线20或是其它种类的导体来形成天线20。此外，天线20可用单一导体一体成形，例如以均匀截面的金属直接绕折出连接部分22、第一辐射部分24以及第二辐射部分26，而第三辐射部分28直接在印刷电路板30上形成，更可节省加工的时间与成本。
请参考图5，图5为本发明第二实施例的多频天线40的斜示图。天线40包括一连接部分42、一第一辐射部分44、一第二辐射部分46以及一第三辐射部分48。连接部分42设置在一印刷电路板50上，用来接受信号的馈入或馈出。假设印刷电路板为第一表面S1，则第一辐射部分44以及第二辐射部分46设置在与第一表面S1垂直相交的第二表面S2，且第一辐射部分44以及第二辐射部分46均连接于连接部分42，第二表面S2可配合通信装置的外壳，设计成为一曲面。第一辐射部分44以及第二辐射部分46分别包括至少一分段，其中第二辐射部分46的一分段与第一辐射部分44的一分段平行且相互耦合。第三辐射部分48设置在印刷电路板50的上方，为L型圆柱状天线，L型的短分段连接于连接部分42，L型的长分段与第一辐射部分44的一分段平行。天线40的第一辐射部分44以及第二辐射部分46采用1.0mm线宽的金属扁平铜条绕折成立体表面S2设计后，垂直设置在印刷电路板上，用来作为天线40的主要辐射元件。在低频率的频带部分，例如GSM-850/900的设计上，利用第二辐射部分46较长的金属扁平铜条激发出低频带所需的频宽。另一方面，在高频率的频带部分，例如GSM-1800/1900、GPS的设计上，则是利用第一辐射部分44较短的金属扁平铜条激发出高频带所需的频宽。此外，L型圆柱状的第三辐射部分48架设于印刷电路板50上方，作为辐射辅助天线，第三辐射部分48的短分段借由连接部分42与天线40的主要辐射元件相连接，第三辐射部分48的长分段与第一辐射部分44的一分段以及第二辐射部分46的一分段相互耦合，可激发至更高的频带，例如WCDMA 2100/UMTS 2100系统的频带。
在第二实施例中，第一辐射部分44、第二辐射部分46以及第三辐射部分48可利用一固定具52固定在印刷电路板50上。固定具52可使用介质材料制造，亦即不导电材料，例如塑料材质。固定具52上设有各种孔洞沟槽以配合第一辐射部分44以及第二辐射部分46，也设有容置槽用来支撑第三辐射部分48。当固定具52与第一辐射部分44、第二辐射部分46以及第三辐射部分48组装在一起后，因为固定具52上可具有卡榫、螺丝孔等构造，就能够将第一辐射部分44、第二辐射部分46以及第三辐射部分48更稳固地安装在印刷电路板50上。此外，固定具52不仅可用来固定或保护第一辐射部分44、第二辐射部分46以及第三辐射部分48，也可用来支撑通信装置中的其它机构。在上述实施例中，第一辐射部分44以及第二辐射部分46以压条的扁平金属条来绕折而成，第三辐射部分48则是圆柱状的导体，第一辐射部分44以及第二辐射部分46与第三辐射部分48结合后，连接于连接部分42，因此可以很容易地调整第三辐射部分48与第一辐射部分44以及第二辐射部分46之间的相对位置来设计天线40的频带。
请参考图6以及图7，图6为图5的天线40的上视图，图7为图5的天线40的前视图。借由控制第三辐射部分48与第一辐射部分44以及第二辐射部分46之间的距离d2所产生的耦合效应，可以耦合出高频率部分超宽频的效果，如此就能够同时将高频GSM-1800/1900、第三代通信系统(3G)WCDMA-2100/UMTS-2100的频带整合于天线40上，甚至可进一步整合GPS的频带，成为小型化多频天线。此外，也可借由第一辐射部分44以及第二辐射部分46与第三辐射部分48之间的距离d2来微调天线40特性，补偿固定具52的材质可能会对天线40的特性有所影响，反之，亦可通过固定具52的材质来调整天线40的特性。图7中标示出第一辐射部分44以及第二辐射部分46的大小，单位为毫米(mm)。
请参考图8，图8为高频辐射部分以及低频辐射部分相互耦合原理的示意图。图8中，横轴为频率，纵轴为频域特性的大小，例如频域特性常以电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)或是反射损失(return-loss)的参数S11来表示。反射损失S11在频域的局部低点(local minimum)可代表一天线的可用频带，故反射损失S11常用来表现一天线的辐射特性，尤其是在频域的辐射特性。若仅考虑低频辐射部分，天线的低频辐射部分会以较长的长度而在低频频带(f0附近)激发出低频的局部低点(箭号A处，虚线表示)。同理，若仅有高频辐射部分，天线则会因高频辐射部分的较短长度而在频率f2附近的高频频带激发出一局部低点(箭号C处，虚线表示)。一般来说，此高频频带的频宽，难以用来同时支持不同的高频通信工作频带需求(GPS或2G/3G的应用)。不过，本发明天线40在低频辐射部分与高频辐射部分间建立较强的相互耦合，而增进天线的整体特性。此相互耦合主要可引发两种效应，首先，低频辐射部分或高频辐射部分的相互耦合可促进低频辐射部分的倍频谐波(harmonic)耦合，在倍频谐波处激发出一局部低点。低频辐射部分的2倍频谐波可在频率f1处形成另一局部低点(箭号B处，虚线表示)，也就是频率f1约为频率f0的两倍，可协助扩展高频频带的可用频宽。此外，低频或高频辐射部分的相互耦合也可在天线的不同分段间形成等效互耦或自耦的电感、电容，而这些电感、电容效应可适当地降低天线的Q因子(Quality factor)，使天线频域特性的频宽增加。Q因子越高则频宽越小，故Q因子的降低就会在频域反映为频宽的增加。如图8的实线曲线(箭号D)所示，由于本发明可利用相互耦合来扩展频宽，故在频率f1、f2的局部低点就可因Q因子减少而扩展，并相互结合，以在高频合成一宽频的可用频带，足以支持各种不同的高频无线通信需求。
请参考图9，图9为本发明天线的测量结果的示意图。在图9中，横轴为频率，纵轴则为反射损失(return-loss)S11的大小。利用本发明天线的设计架构，可具体实现如图8中的频域特性。由图9中可知，本发明天线可在低频频带支持低频的GSM-850/900，在高频频带的宽频带则可涵盖GPS、GSM-1800/1900、WCDMA-2100/UMTS-2100的所有需求，以同一天线支持多种不同频带的无线通信需求，实现多频天线的功能。另一方面，利用控制第三辐射部分与第一辐射部分以及第二辐射部分之间的距离所产生的耦合效应，可很容易地调整在高频频带所扩展出的宽广频宽，能完全支持GPS、GSM-1800/1900、WCDMA-2100/UMTS-2100的高频频带。
综上所述，有鉴于小型化多频段天线与产品轻薄的需求，本发明天线系统利用金属扁平铜条作弯曲绕成一辐射表面作为主要天线，可提供GSM-850/900/1800/1900、GPS等多种不同频带的应用，以及设置一辅助天线与该辐射表面相耦合，可提供WCDMA-2100/UMTS-2100的频带的应用。通过这种配置方式，主要天线与辅助天线所产生的耦合效应，能够获得所需求的多频带的频宽以及良好的辐射增益，以小型化天线来广泛支持多种高低不同频带的无线通信的需求，符合第二代以及第三代通信系统(2G/3G)的多频带功能，并达到产品轻薄短小美观的双重优点。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (20)

1.一种小型化的多频天线，包括：
一连接部分，设置在一印刷电路板上，用来接受信号馈入或馈出；
一第一辐射部分，设置在一与该印刷电路板相交的第二表面，且连接于该连接部分，该第一辐射部分包括至少一个分段；
一第二辐射部分，设置在该第二表面，且连接于该连接部分，该第二辐射部分包括至少一个分段，其中该第二辐射部分的一分段与该第一辐射部分的一分段平行且相互耦合；以及
一第三辐射部分，设置在该印刷电路板上方，且连接于该连接部分，该第三辐射部分与该第一辐射部分以及该第二辐射部分相互耦合。
2.根据权利要求1所述的多频天线，其中该第二辐射部分与该第一辐射部分位于该印刷电路板的上侧。
3.根据权利要求1所述的多频天线，其中该第二表面垂直相交于该印刷电路板。
4.根据权利要求1所述的多频天线，其中该第二表面为一曲面。
5.根据权利要求1所述的多频天线，其中该第三辐射部分与该第一辐射部分的一分段以及该第二辐射部分的一分段相互耦合。
6.根据权利要求1所述的多频天线，还包括该印刷电路板，该连接部分为设置在该印刷电路板上的金属接点，该第三辐射部分为设置在该印刷电路板上的金属导线。
7.根据权利要求6所述的多频天线，还包括一固定具，设置在该印刷电路板上，该第一辐射部分以及该第二辐射部分设置在该固定具上。
8.根据权利要求1所述的多频天线，其中该第一辐射部分用来辐射高频频带的电磁波，第二辐射部分用来辐射低频频带的电磁波。
9.根据权利要求1所述的多频天线，其中该第一辐射部分以及该第二辐射部分分别以一均匀截面的导体绕折而成。
10.一种小型化的多频天线，包括：
一连接部分，设置在一印刷电路板上，用来接受信号馈入或馈出；
一第一辐射部分，设置在一与该印刷电路板相交的第二表面，且连接于该连接部分，该第一辐射部分包括至少一分段；
一第二辐射部分，设置在该第二表面，且连接于该连接部分，该第二辐射部分包括至少一分段，其中该第二辐射部分的一分段与该第一辐射部分的一分段平行且相互耦合；以及
一第三辐射部分，设置在该印刷电路板上方，该第三辐射部分具有一分段连接于该连接部分，该第三辐射部分与该第一辐射部分以及该第二辐射部分相互耦合。
11.根据权利要求10所述的多频天线，其中该第三辐射部分、该第二辐射部分以及该第一辐射部分位于该印刷电路板的上侧。
12.根据权利要求10所述的多频天线，其中该第二表面垂直相交于该印刷电路板。
13.根据权利要求10所述的多频天线，其中该第二表面为一曲面。
14.根据权利要求10所述的多频天线，其中该第三辐射部分与该第一辐射部分的一分段以及该第二辐射部分的一分段相互耦合。
15.根据权利要求10所述的多频天线，还包括该印刷电路板，该连接部分为设置在该印刷电路板上的金属接点。
16.根据权利要求15所述的多频天线，还包括一固定具，设置在该印刷电路板上，该第一辐射部分、该第二辐射部分以及该第三辐射部分设置在该固定具上。
17.根据权利要求10所述的多频天线，其中该第一辐射部分用来辐射高频频带的电磁波，第二辐射部分用来辐射低频频带的电磁波。
18.根据权利要求10所述的多频天线，其中该第一辐射部分以及该第二辐射部分分别以一扁平导线绕折而成。
19.根据权利要求10所述的多频天线，其中该第三辐射部分为L型圆柱状天线，L型的短分段连接于该连接部分，L型的长分段与该第一辐射部分以及该第二辐射部分相互耦合。
20.根据权利要求10所述的多频天线，其中该第三辐射部分与该印刷电路板平行以及与该第一辐射部分的一分段平行。
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