CN101246986A - 印刷电路板天线及其调整方法与便携式通信装置 - Google Patents

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CN101246986A CNA2008100099365A CN200810009936A CN101246986A CN 101246986 A CN101246986 A CN 101246986A CN A2008100099365 A CNA2008100099365 A CN A2008100099365A CN 200810009936 A CN200810009936 A CN 200810009936A CN 101246986 A CN101246986 A CN 101246986A
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Abstract

本发明涉及一种印刷电路板天线及其调整方法与便携式通信装置。其中，印刷电路板天线包含：基板；辐射器，图型化于基板上，具有分支点；接地，位于基板上；短路径，图型化于基板上，具有两端，其中一端连接至接地，而另一端连接至辐射器的分支点；以及至少一被动元件，耦接于辐射器与短路径之间。印刷电路板天线的共振频率和输入阻抗中的至少一者是根据被动元件与辐射器中分支点间的距离而调整。通过调整印刷电路板天线的共振频率与输入阻抗中的至少一者，实现设计者简单且经济地调整印刷电路板天线的共振频率与输入阻抗，而不需要任何其它匹配电路。进而将印刷电路板天线的共振频率与输入阻抗调整至期望值。

Description

印刷电路板天线及其调整方法与便携式通信装置
技术领域
本发明涉及一种应用于多方面(例如电信系统)的印刷电路板(printedcircuit board，PCB)天线及其调整方法与便携式通信装置，特别是有关于调整天线的共振频率(resonant frequency)与输入阻抗(input impedance)的方法及其结构。
背景技术
印刷电路板天线对环境是敏感的，环境涉及印刷电路板材料、布局、邻近组件、金属材料、壳体等等。举例而言，图型化(patterned)于不同印刷电路板上、相同尺寸的两个印刷电路板天线，可显示不同性能。即使两个相同的天线，用于不同产品中时，可能具有两个不同的共振频率与输入阻抗。若共振频率位移出频带(band)，输入阻抗增加/减少超出了容限(tolerance)，或其它性能超出了容限，设计者会遇到有关天线的设计与验证的大问题。
一般而言，大尺寸印刷电路板天线相较小尺寸印刷电路板天线可具有较宽频带。因此，若有足够空间容纳大尺寸印刷电路板天线，会选择大尺寸印刷电路板天线以克服频率位移与输入阻抗增加/减少。然而，大尺寸印刷电路板天线明显不适用于便携式电子通信装置中，因为便携式电子通信装置的应用体积越来越小。当便携式电子通信装置需要多个天线以供多种应用时，例如蜂窝式移动电话(cellular)、全球定位系统(GPS)、蓝牙等的情况会更糟。
当测试为特定产品设计的印刷电路板天线，并发现其共振频率在频带外、输入阻抗超过容限、或其它性能超过容限时，会重新设计印刷电路板天线的布局，来以此形成经修改的印刷电路板天线。设计与测试程序会持续执行，直到经修改的印刷电路板天线通过验证测试。此外，若制造商因为某些原因改变产品的壳体或印刷电路板材料，通常需要新版本的印刷电路板天线来适应环境的改变，而其降低了效能，也提高了成本。
对设计者而言，在印刷电路板天线的馈入脚(feed pin)增加匹配电路，而不调整印刷电路板天线的布局是另一可行方式。然而，市面上只有几种特定匹配电路，并且不同供货商的匹配电路性质不同，使得有不同匹配电路的印刷电路板天线的性能分离。即当M匹配电路加到印刷电路板天线，印刷电路板天线共振于M频率，而当N匹配电路加到印刷电路板天线，印刷电路板天线共振于N频率。设计者无法使印刷电路板天线操作在M与N间的任一频率，因为没有适当的匹配电路。
发明内容
为了克服现有技术中无法调整印刷电路板天线的共振频率、输入阻抗的技术问题，本发明提供一种印刷电路板天线及其调整方法与便携式通信装置，可有效地且经济地调整印刷电路板天线的共振频率、输入阻抗与其它性能。
本发明揭露一种印刷电路板天线，包含：基板；辐射器，图型化于基板上，具有分支点；接地，置于基板上；短路径，图型化于基板上，具有两端，其中一端连接至接地，而另一端连接至辐射器的分支点；以及至少一被动元件，耦接于辐射器与短路径之间。其中，印刷电路板天线的共振频率及输入阻抗的至少一者可根据被动元件与辐射器的分支点间的一距离而调整。
本发明揭露一种调整印刷电路板天线的方法，包含：提供印刷电路板天线，包含：基板；辐射器，图型化于基板上，具有分支点；接地，置于基板上；短路径，图型化于基板上，具有两端，其中一端连接至接地，而另一端连接至辐射器的分支点；以及至少一被动元件，耦接于辐射器与短路径之间；以及根据被动元件与辐射器的分支点间的距离，调整印刷电路板天线的共振频率及输入阻抗中的至少一者。
本发明揭露一种便携式通信装置，包含：射频装置；以及印刷电路板天线，耦接至射频装置，包含：基板；辐射器，图型化于基板上，具有分支点；接地，置于基板上；短路径，图型化于基板上，具有两端，其中一端连接至接地，而另一端连接至辐射器的分支点；以及至少一被动元件，耦接于辐射器与短路径之间，以调整印刷电路板天线的共振频率及输入阻抗中的至少一者。
本发明通过调整印刷电路板天线的共振频率与输入阻抗中的至少一者，实现设计者简单且经济地调整印刷电路板天线的共振频率与输入阻抗，而不需要任何其它匹配电路，进而将印刷电路板天线的共振频率与输入阻抗调整至期望值。
附图说明
图1A显示印刷电路板天线的立体图。
图1B显示图1A所示印刷电路板天线的俯视图。
图1C显示印刷电路板天线的回波损耗测量曲线的示意图。
图1D显示图1A所示印刷电路板天线的阻抗史密斯圆图。
图2A显示印刷电路板天线的俯视图。
图2B显示图2A所示印刷电路板天线的回波损耗测量曲线的示意图。
图2C显示图2A所示印刷电路板天线的阻抗史密斯圆图。
图3A显示印刷电路板天线的仰视图。
图3B显示图3A所示印刷电路板天线的回波损耗测量曲线的示意图。
图3C显示图3A所示印刷电路板天线的阻抗史密斯圆图。
图4A显示印刷电路板天线的俯视图。
图4B显示图4A所示印刷电路板天线的回波损耗测量曲线的示意图。
图4C显示图4A所示印刷电路板天线的阻抗史密斯圆图。
图5A显示印刷电路板天线的仰视图。
图5B显示图5A所示印刷电路板天线的回波损耗测量曲线的示意图。
图5C显示图5A所示印刷电路板天线的阻抗史密斯圆图。
图6A显示图4A所示印刷电路板天线的回波损耗测量曲线的示意图。
图6B显示图4A所示印刷电路板天线的阻抗史密斯圆图。
图7A显示图5A所示印刷电路板天线的回波损耗测量曲线的示意图。
图7B显示图5A所示印刷电路板天线的阻抗史密斯圆图。
图8A显示印刷电路板天线的俯视图。
图8B显示图8A所示印刷电路板天线的回波损耗测量曲线的示意图。
图8C显示图8A所示印刷电路板天线的阻抗史密斯圆图。
图9A显示印刷电路板天线的仰视图。
图9B显示图9A所示印刷电路板天线的回波损耗测量曲线的示意图。
图9C显示图9A所示印刷电路板天线的阻抗史密斯圆图。
图10A显示图8A所示印刷电路板天线的回波损耗测量曲线的示意图。
图10B显示图8A所示印刷电路板天线的阻抗史密斯圆图。
图11A显示图9A所示印刷电路板天线的回波损耗测量曲线的示意图。
图11B显示图9A所示的印刷电路板天线的阻抗史密斯圆图。
具体实施方式
本发明揭露一种小型印刷电路板天线。请参阅本发明优选实施例作出的非限制性说明、并结合说明书附图进一步了解本发明。
图1A显示印刷电路板天线100的立体图。印刷电路板天线100包含：基板102，具有顶表面与底表面；辐射器110，图型化于基板102上；接地(ground)104，位于基板102上；以及短路径106，图型化于基板102上。具体而言，基板102是印刷电路板，例如FR4、FR408、或Rogers 4003，如本技术领域中技术人员所知。短路径106的一端与接地104连接于点A处，而短路径106的另一端与辐射器110连接于分支点处，即点B。辐射器110的一端有馈入脚(feed pin)，即点C，而辐射器110的另一端还通过通孔(via hole)延伸至基板102的底表面。此外，图1B显示印刷电路板天线100的俯视图，图1C与图1D显示印刷电路板天线100的实验结果。其中图1C显示印刷电路板天线的回波损耗测量曲线；图1D显示印刷电路板天线100的阻抗史密斯圆图。通过图1B，可看到基板102的顶表面。在图1C中，回波损耗(returnloss)测量显示印刷电路板天线100的共振频率为2.39GHz。图1D中，史密斯圆图(Smith Chart)在复平面(complex plane)中显示出反射系数，且其显示印刷电路板天线100的阻抗接近50Ω。明显地，回波损耗定义为反射系数以dB为单位的绝对值，而回波损耗测量与反射系数可由向量信号分析仪(Vector Signal Analyzer)或本技术领域中技术人员所熟知的其它仪器来测量。
在另一实施例中，参照图2A，本发明在基板102的顶表面上增加0402电阻220，以形成印刷电路板天线200。其中0402电阻220的一端连接至辐射器110，而另一端连接至短路径106。印刷电路板天线200的实验结果如图2B与图2C所示。在图2B中，回波损耗测量显示印刷电路板天线200的共振频率从2.39GHz(如图1C所示)位移至2.49GHz。在图2C中，史密斯圆图显示印刷电路板天线200的阻抗从大约50Ω(如图1D所示)移至另一较高值，大约70Ω。
在又一个实施例中，如图3A所示，本发明在基板102的底表面上增加0402电阻320，以形成印刷电路板天线300。其中0402电阻320旁路(bypass)辐射器110。图3B与图3C是显示印刷电路板天线300的实验结果。图3A显示印刷电路板天线300的仰视图，且图3A所示的辐射器110，通过通孔从基板102的顶表面延伸。即图2A与图3A分别显示图1A所示印刷电路板天线的俯视图与仰视图，只除了0402电阻220与320加在不同表面。图3B中，回波损耗测量(S11)显示印刷电路板天线300的共振频率从2.39GHz(如图1C所示)移至2.54GHz。图3C中，史密斯圆图显示印刷电路板天线300的阻抗从大约50Ω(如图1D所示)移至较低值，大约40Ω。
应注意到，上述“0402电阻320旁路辐射器110”意指0402电阻320的一端与辐射器110连接于一点，而0402电阻320的另一端与辐射器110连接于另一点。因此，“旁路”意指连结辐射器110中的两点。此外，不应将增加0402电阻视为对本发明的限制，另一被动元件，如不同电阻0201、0402、0603、0805、1206、1210、2010、1812、2512，电容或电感，也可使用于本发明。
应注意到的是，虽然只有一个电阻分别安装于印刷电路板天线200与300上，本发明可在印刷电路板天线的顶表面或底表面上安装多个电阻。此外，超过一个电阻可安装在印刷电路板天线的顶表面与底表面两者上。再者，本发明不仅可使用电阻，也可使用其它被动元件，如电容、电感或其结合。
即使以上实施例中是将电阻安装在印刷电路板天线200或300上，但同样也可使用电感来实现本发明。具体而言，如图2A中的0402电阻220由具有电感值1.5nH的0402电感420取代，以形成图4A所示印刷电路板天线400。印刷电路板天线400的实验结果如图4B与图4C所示。基于增加/减少图4A中标示的距离“d1”，图4B中描绘五个曲线450、452、454、456与458。曲线452描绘d1＝1mm的情形。曲线454描绘d1＝3mm的情形。曲线456描绘d1＝5mm的情形。曲线458描绘d1＝7mm的情形。曲线450描绘没有增加组件的情形。图4C描绘对应曲线450、452、454、456与458的五个曲线460、462、464、466与468。结果，图4B所绘曲线显示，d1越长，印刷电路板天线400的共振频率越高，而图4C所绘曲线显示，d1越长，印刷电路板天线400的阻抗越高。换言之，本发明的印刷电路板天线400可通过调整距离d1，达到期望共振频率、阻抗或其它性能。
此外，若图3A中的0402电阻320由具有1.5nH电感值的0402电感520取代，以形成图5A所示印刷电路板天线500，印刷电路板天线500的实验结果如图5B与图5C所示。基于增加/减少图5A中标示的距离“d2”，图5B中描绘了四个曲线550、552、554与556。曲线552描绘d2＝1mm的情形；曲线554描绘d2＝3mm的情形；曲线556描绘d2＝5mm的情形；而曲线550描绘没有安装组件的情形。图5C描绘对应曲线550、552、554与556的四个曲线560、562、564与566。结果，图5B所绘曲线显示，d2越长，印刷电路板天线500的共振频率越高，而图5C所绘曲线显示，d2越长，印刷电路板天线500的阻抗越低。换而言之，本发明的印刷电路板天线500可通过调整距离d2，达到期望共振频率、阻抗或其它性能。然而，阻抗的变化微小。
请一并参阅图4A，若d1固定于5mm，而变化0402电感420的电感值，印刷电路板天线400的实验结果如图6A与图6B所示。图6A描绘四个曲线650、652、654与656。曲线652对应于0402电感420的电感值为1nH。曲线654对应于0402电感420的电感值为2nH。曲线656对应于0402电感420的电感值为4nH。而曲线650对应于装置0nH组件。图6B描绘对应曲线650、652、654与656的四个曲线660、662、664与666。结果，图6A所绘曲线显示，电感值越大，印刷电路板天线400的共振频率越低，而图6B所绘曲线显示，电感值越大，印刷电路板天线400的阻抗越低。
请一并参阅图5A，若d2固定于5mm，而变化0402电感520的电感值，印刷电路板天线500的实验结果如图7A与图7B所示。图7A描绘四个曲线750、752、754与756。曲线752对应于电感值为1nH的0402电感520。曲线754对应于电感值为2nH的0402电感520。曲线756对应于电感值为4nH的0402电感520。曲线750对应于增加0nH组件。图7B描绘对应曲线750、752、754与756的四个曲线760、762、764与766。结果，图7A所绘曲线显示，电感值越大，印刷电路板天线500的共振频率越低，而图7B所绘曲线显示，电感值越大，印刷电路板天线500的阻抗越高。
应注意的是，从图6A、图6B、图7A与图7B可发现，当0402电感的电感值减少，共振频率与阻抗的变化加大。
虽然以上均是说明在印刷电路板天线200、300、400或500上安装电阻或电感，但在本发明中也可使用电容。具体而言，如图2A中的0402电阻220由具有电容值1.5pF的0402电容820取代，以形成图8A所示印刷电路板天线800。印刷电路板天线800的实验结果如图8B与图8C所示。基于增加/减少图8A中标示的距离“d3”，图8B中描绘四个曲线850、852、854与856。曲线852描绘d3＝1mm的情形。曲线854描绘d3＝2mm的情形。曲线856描绘d3＝3mm的情形。曲线850描绘没有安装组件的情形。图8C显示对应曲线850、852、854与856的四个曲线860、862、864与866。结果，图8B所绘曲线显示，d3越长，印刷电路板天线800的共振频率越低，而图8C所绘曲线显示，d3越长，印刷电路板天线800的阻抗越低。
图3A中的0402电阻320被具有1.5pF电容值的0402电容920取代，以形成图9A所示印刷电路板天线900，印刷电路板天线900的实验结果如图9B与图9C所示。基于增加/减少图9A中标示的距离“d4”，图9B中描绘了四个曲线950、952、954与956。曲线952描绘d4＝1mm的情形。曲线954描绘d4＝1.5mm的情形。曲线956描绘d4＝2mm的情形。而曲线950描绘没有设置组件的情形。图9C描绘对应曲线950、952、954与956的四个曲线960、962、964与966。结果，图9B所绘曲线显示，d4越长，印刷电路板天线900的共振频率越低，而图9C所绘曲线显示，d4越长，印刷电路板天线900的阻抗越高。
请一并参阅图8A，若d3固定于1mm，而变化0402电容820的电容值，印刷电路板天线800的实验结果如图10A与图10B所示。图10A描绘四个曲线1052、1054、1056与1058。曲线1052描绘0402电容820的电容值为1pF时的情形。曲线1054描绘0402电容820的电容值为2pF时的情形。曲线1056描绘0402电容820的电容值为3pF时的情形。曲线1058描绘0402电容820的电容值为4pF时的情形。图10B描绘对应曲线1052、1054、1056与1058的四个曲线1062、1064、1066与1068。结果，图10A所绘曲线显示，电容值越大，印刷电路板天线800的共振频率越低，而图10B所绘曲线显示，电容值越大，印刷电路板天线800的阻抗越低。
请一并参阅图9A，若d4固定于1mm，而变化0402电容920的电容值，印刷电路板天线900的实验结果如图11A与图11B所示。图11A描绘四个曲线1152、1154、1156与1158。曲线1152描绘0402电容920的电容值为1pF时的情形。曲线1154描绘0402电容920的电容值为2pF时的情形。曲线1156描绘0402电容920的电容值为3pF时的情形。曲线1158描绘0402电容920的电容值为4pF时的情形。图11B描绘对应曲线1152、1154、1156与1158的四个曲线1162、1164、1166与1168。结果，图11A所绘曲线显示，电容值越大，印刷电路板天线900的共振频率越低，而图11B所绘曲线显示，电容值越大，印刷电路板天线900的阻抗越高。
应注意的是，从图10A、图10B、图11A与图11B看到，随着0402电容的电容值增加，共振频率与阻抗的变化加大。
所以，若如图4A所示，在顶表面上安装电感，当距离(即上述d1)增加，共振频率增加、输入阻抗增加。若如图5A所示，将电感安装在底表面上，当距离(即上述d2)增加，共振频率增加、输入阻抗减少。此外，若如图8A所示，将电容安装在顶表面上，当距离(即上述d3)增加，共振频率减少、输入阻抗减少。若如图9A所示，将电容安装在底表面上，当距离(即上述d4)增加，共振频率减少、输入阻抗增加。换言之，若期望印刷电路板天线的共振频率增加且输入阻抗减少，可选择以适当距离将电容安装在底表面上。而若期望变化加大，可选择具有较大电容值的电容。
本发明还揭露一种便携式通信装置，此便携式通信装置包含射频装置以及上述的印刷电路板天线。
本发明提供了供调整印刷电路板天线共振频率与输入阻抗的方法及其结构，以便设计者可简单且经济地调整印刷电路板天线的共振频率与输入阻抗，而不需要任何其它匹配电路。此外有利的是，印刷电路板天线的共振频率与输入阻抗可调整至期望值。即本发明的印刷电路板天线在不同距离或位置下具有不同被动元件，其性能为连续的。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种印刷电路板天线，其特征在于，所述的印刷电路板天线包含：
基板；
辐射器，图型化于所述的基板上，具有分支点；
接地，位于所述的基板上；
短路径，图型化于所述的基板上，具有两端，其中一端连接至所述的接地，而另一端连接至所述的辐射器的分支点；以及
至少一被动元件，耦接于所述的辐射器与所述的短路径之间，用于调整所述的印刷电路板天线的共振频率及输入阻抗中的至少一者。
2.如权利要求1所述的印刷电路板天线，其特征在于，所述的至少一被动元件是设置于所述的基板的顶表面上、所述的基板的底表面上、或两者的结合。
3.如权利要求1所述的印刷电路板天线，其特征在于，所述的印刷电路板天线的共振频率及输入阻抗是根据所述的被动元件与所述的辐射器的分支点间的距离而调整。
4.如权利要求1所述的印刷电路板天线，其特征在于，所述的至少一被动元件包含电阻、电容、电感、或其结合。
5.一种调整印刷电路板天线的方法，其特征在于，所述的调整印刷电路板天线的方法包含：
提供所述的印刷电路板天线，包含：
基板；
辐射器，图型化于所述的基板上，具有分支点；
接地，位于所述的基板上；
短路径，图型化于所述的基板上，具有两端，其中一端连接至所述的接地，而另一端连接至所述的辐射器的分支点；以及
至少一被动元件，耦接于所述的辐射器与所述的短路径之间；以及
根据所述的被动元件与所述的辐射器中分支点间的距离，调整所述的印刷电路板天线的共振频率及输入阻抗中的至少一者。
6.如权利要求5所述的调整印刷电路板天线的方法，其特征在于，所述的至少一被动元件包含电阻、电容、电感、或其结合。
7.一种便携式通信装置，其特征在于，所述的便携式通信装置包含：
射频装置；以及
印刷电路板天线，耦接至所述的射频装置，包含：
基板；
辐射器，图型化于所述的基板上，具有分支点；
接地，位于所述的基板上；
短路径，图型化于所述的基板上，具有两端，其中一端连接至所述的接地，而另一端连接至所述的辐射器的分支点；以及
至少一被动元件，耦接于所述的辐射器与所述的短路径之间，供调整所述的印刷电路板天线的共振频率及输入阻抗中的至少一者。
8.如权利要求7所述的便携式通信装置，其特征在于，所述的至少一被动元件是设置于所述的基板的顶表面上、所述的基板的底表面上、或其结合。
9.如权利要求7所述的便携式通信装置，其特征在于，所述的印刷电路板天线的共振频率及输入阻抗是根据所述的被动元件与所述的辐射器的分支点问的距离而调整。
10.如权利要求7所述的便携式通信装置，其特征在于，所述的至少一被动元件包含电阻、电容、电感、或其结合。
CNA2008100099365A 2007-02-16 2008-02-13 印刷电路板天线及其调整方法与便携式通信装置 Pending CN101246986A (zh)

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