CN101246994A - 多频段宽频天线及应用其的手持式电子装置 - Google Patents
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Abstract
一种多频段宽频天线，包括第一辐射主体、第二辐射主体、第三辐射主体、接地平面以及多个短路元件。第一辐射主体激发第一谐振模态，使得多频段宽频天线具有高频段宽频频宽。第二辐射主体激发第二谐振模态，使得多频段宽频天线具有中频段宽频频宽。第三辐射主体激发第三谐振模态，使得多频段宽频天线具有低频段宽频频宽。多个短路元件分别将第一辐射主体、第二辐射主体及第三辐射主体耦接至接地平面。其中，第一谐振模态、第二谐振模态及第三谐振模态的辐射场型互不干扰。
Description
技术领域
本发明关于一种多频段宽频天线及应用其的手持式电子装置，且特别关于一种在单一导体结构上谐振出多个宽频段的多频段宽频天线及应用其的手持式电子装置。
背景技术
一般天线在操作时，通常利用天线分集(Antenna Diversity)的架构来解决多重路径(Multi-path)的干扰问题。而当射频系统采用多频段操作时，大部分的天线均采用多组独立天线或是复合式天线来达到天线分集的目的。但如此一来，将大幅提升系统复杂性并降低操作可靠度。于是，传统的多频段天线是利用谐振结构的倍频效应激发多组谐振模态以实现多频段操作的目的。
然而，上述的设计必须限制在每个谐振模态的中心频率彼此间互为倍数关系，且所有频宽均属窄频，具有频宽不易拓展的缺点。例如一般无线区域网络(WLAN)使用的2.4GHz及5GHz双频天线，通常只是将2.4GHz频段的两倍频谐振模态(即4.8GHz)的结构参数稍加调整，便用来收发5GHz的电磁波信号。因此，高频段的电磁波传输效率往往较差，大幅影响信号品质。不仅如此，由于每一谐振模态间存在着倍数关系，故而对于WLAN802.11a/b/g所需运作的频率范围：2.4～2.4835GHz、4.9～5.35GHz、5.47～5.725GHz以及5.725～5.825GHz，此种作法显然无法适用。因为在5GHz频率范围的每一频段，彼此间并非倍频关系且整体频宽相当宽阔(接近1GHz)。
而当今的笔记本电脑发展趋势着重于建置多样化的无线通讯功能，尤其是超级行动电脑(Ultra Mobile PC，UMPC)更导入全球定位系统(GPS)。因此，若是要在单一结构上结合全球通系统(GSM)的824～894MHz及1850～1990MHz、全球定位系统的1.575GHz以及无线区域网络的2.4～2.5GHz及4.9～5.875GHz，对于天线的容积效率及其电气特性更是一大挑战。
发明内容
本发明关于一种多频段宽频天线及应用其的手持式电子装置，在不需要导入介质的前提之下，利用一体成型的导体结构创造出结合GPS、GSM及WLAN等多个系统的多频段宽频天线，并使得多频段宽频天线的体积最小化，且兼具良好的高频特性及高可靠度。
根据本发明，提出一种多频段宽频天线，包括第一辐射主体、第二辐射主体、第三辐射主体、接地平面以及多个短路元件。第一辐射主体激发第一谐振模态，使得多频段宽频天线具有高频段宽频频宽。第二辐射主体激发第二谐振模态，使得多频段宽频天线具有中频段宽频频宽。第三辐射主体激发第三谐振模态，使得多频段宽频天线具有低频段宽频频宽。多个短路元件分别将第一辐射主体、第二辐射主体及第三辐射主体耦接至接地平面。其中，第一谐振模态、第二谐振模态及第三谐振模态的辐射场型互不干扰。
根据本发明，提出一种手持式电子装置，包括屏蔽金属及多频段宽频天线。屏蔽金属用以降低电磁干扰。多频段宽频天线包括第一辐射主体、第二辐射主体、第三辐射主体、接地平面以及多个短路元件。第一辐射主体激发第一谐振模态，使得多频段宽频天线具有高频段宽频频宽。第二辐射主体激发第二谐振模态，使得多频段宽频天线具有中频段宽频频宽。第三辐射主体激发第三谐振模态，使得多频段宽频天线具有低频段宽频频宽。多个短路元件分别将第一辐射主体、第二辐射主体及第三辐射主体耦接至接地平面。其中，第一谐振模态、第二谐振模态及第三谐振模态的辐射场型互不干扰。
为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下：
附图说明
图1A示出依照本发明优选实施例的多频段宽频天线的前视图。
图1B示出依照本发明优选实施例的多频段宽频天线的上视图。
图2示出依照本发明优选实施例的多频段宽频天线100配置于手持式电子装置的示意图。
图3A示出依照本发明优选实施例的多频段宽频天线100在高频段宽频频宽的驻波比测量结果。
图3B～图E示出依照本发明优选实施例的多频段宽频天线100在高频段宽频频宽的辐射场型图。
图3F示出依照本发明优选实施例的多频段宽频天线100在中频段宽频频宽的驻波比测量结果。
图3G示出依照本发明优选实施例的多频段宽频天线100在中频段宽频频宽的辐射场型图。
图3H示出依照本发明优选实施例的多频段宽频天线100在低频段宽频频宽的驻波比测量结果。
图3I～图3J示出依照本发明优选实施例的多频段宽频天线100在低频段宽频频宽的辐射场型图。
主要元件符号说明
100：多频段宽频天线
110：第一辐射主体
120：第二辐射主体
130：第三辐射主体
131～132：子辐射主体
140：接地平面
151～153：短路元件
161：第一接地调整器
162：第二接地调整器
171～173：T型对称结构
200：手持式电子装置
210：屏蔽金属
具体实施方式
请参照图1A及图1B，图1A示出依照本发明优选实施例的多频段宽频天线的前视图，图1B示出依照本发明优选实施例的多频段宽频天线的上视图。多频段宽频天线100包括第一辐射主体110、第二辐射主体120、第三辐射主体130、接地平面140以及多个短路元件151～153。其中，第一辐射主体110、第二辐射主体120、第三辐射主体130、接地平面140以及多个短路元件151～153采一体成型的设计。
下文中，以结合全球通系统(GSM)、全球定位系统(GPS)及无线区域网络(WLAN)的应用为例，说明多频段宽频天线100是如何满足824～894MHz、1850～1990MHz、1.575GHz、2.4～2.5GHz以及4.9～5.875GHz等多个不同频段运作所需的操作频宽。为方便说明起见，将2.4～2.5GHz及4.9～5.875GHz的频率范围定义为高频段宽频频宽，将1.575GHz的频率范围定义为中频段宽频频宽，将824～894MHz及1850～1990MHz的频率范围定义为低频段宽频频宽，以符合多频段宽频的设计需求。
在信号传输方面，第一辐射主体110、第二辐射主体120及第三辐射主体130分别具有一馈入点(未标示于图)以馈入信号。第一辐射主体110用以激发第一谐振模态，使得多频段宽频天线100具有高频段宽频频宽2.4～2.5GHz及4.9～5.875GHz。其中，由于多频段宽频天线100对高频段宽频频宽的要求极为宽阔，因此本实施例在实际上配置T型对称结构171在第一辐射主体110上，使得第一辐射主体110具有二条电流路径，以联合实现高频段宽频频宽的宽频要求。换句话说，是利用T型对称结构171使第一辐射主体110的第一谐振模态能令多频段宽频天线100满足高频段宽频频宽的宽频设计需求，亦即使得多频段宽频天线100能够接收无线区域网络(WLAN)的信号。
第二辐射主体120用以激发第二谐振模态，第二谐振模态能令多频段宽频天线100满足中频段宽频频宽1.575GHz的设计需求，使得多频段宽频天线100能够接收全球定位系统(GPS)的信号。第三辐射主体130用以激发第三谐振模态，使得多频段宽频天线100具有低频段宽频频宽824～894MHz及1850～1990MHz。其中，由于低频段宽频频宽的要求为二个不同的低频频段，因此第三辐射主体130包括二个子辐射主体131～132，使得第三辐射主体130分别满足低频段宽频频宽824～894MHz及1850～1990MHz的不同低频频段要求。此外，此二个子辐射主体131～132更分别配置有T型对称结构172及T型对称结构173来拓展频宽，使得第三辐射主体130的第三谐振模态能令多频段宽频天线100满足低频段宽频频宽的宽频设计需求，亦即使得多频段宽频天线100能够接收全球通系统(GSM)的信号。
此外，观察图1A及图1B可得知，第一辐射主体110所激发的第一谐振模态的辐射场型主要朝x方向发散，第二辐射主体120所激发的第二谐振模态的辐射场型主要朝z方向发散，第三辐射主体130所激发的第三谐振模态的辐射场型主要朝-x方向发散。由于第一谐振模态、第二谐振模态及第三谐振模态的辐射场型朝不同的方向发散，故彼此间的影响可以降到最低。然并不限于x、y或z方向，只要三个辐射场型彼此间不互相干扰即可。更甚或可以依据第一谐振模态、第二谐振模态及第三谐振模态的辐射场型对第一辐射主体110、第二辐射主体120及第三辐射主体130的配置做微调。例如，多频段宽频天线100的某些部分并不配置辐射主体，而让第一谐振模态、第二谐振模态及第三谐振模态的辐射场型有渲泄的空间，使得信号传输具有更佳的效率。
在多频段宽频天线100中，短路元件151～153分别将第一辐射主体110、第二辐射主体120及第三辐射主体130耦接至接地平面140，使得第一辐射主体110、第二辐射主体120及第三辐射主体130与接地平面140短路，其短路效应与平面倒F天线(planar inverted F antenna，PIFA)的结构相似，故短路元件151～153的存在有助于多频段宽频天线100尺寸的微小化。此外，T型对称结构171～173的配置也有助于缩减多频段宽频天线100尺寸。而由于第一辐射主体110、第二辐射主体120及第三辐射主体130的接地采取分离式设计，故可以降低高频段宽频频宽、中频段宽频频宽及低频段宽频频宽彼此间的牵动性，使射频特性得以最佳化。
多频段宽频天线100的三个馈入点实质上分别与三条同轴线(未示出于图)耦接，三条同轴线的蕊线分别耦接至第一辐射主体110、第二辐射主体120及第三辐射主体130，其耦接点即为馈入点。同轴线的外导体则与接地平面140耦接做为信号接地之用。在多频段宽频天线100中，可分别将第一接地调整器161及第二接地调整器162与屏蔽金属(未示出于图1A及图1B)短路，使得多频段宽频天线100的电磁场的切割截面积增加，提升信号收发的品质。另一方面，第一接地调整器161及第二接地调整器162亦可视为接地平面140的延伸，对多频段宽频天线100的阻抗匹配(impedance matching)有所助益，达到良好的阻抗匹配效果。
请参照图2，其示出依照本发明优选实施例的多频段宽频天线100配置在手持式电子装置的示意图。手持式电子装置200例如为笔记本电脑或超级行动电脑。手持式电子装置200内配置有屏蔽金属210，用以降低电磁干扰，提升系统抗辐射干扰的能力。在实际上，可将数个多频段宽频天线100(图2以2个为例)组成天线分集架构，并耦接至屏蔽金属210上，利用屏蔽金属210增加天线表面积，使多频段宽频天线100能有更好的信号接收或发射效果。
请参考图3A，其示出依照本发明优选实施例的多频段宽频天线100在高频段宽频频宽的驻波比测量结果。观察标记1～标记9可以得知，操作频率在2.4～2.5GHz及4.9～5.875GHz的驻波比均低于2，故本发明实施例所公开的多频段宽频天线在高频段宽频频宽具有良好的阻抗匹配特性。请参照图3B～图E，其示出依照本发明优选实施例的多频段宽频天线100在高频段宽频频宽的辐射场型图。由图3B～图E中可知，本实施例在高频段宽频频宽时，产生接近于全向性辐射的场型，适合于多频段宽频天线的实际应用。
请参考表1，其表列出本发明所提出的多频段宽频天线在高频段宽频频宽(2.4～2.5GHz及4.9～5.875GHz)的天线增益测量值。由高频段宽频频宽各频率的尖峰增益(Peak Gain)可知于2.4～2.5GHz，多频段宽频天线的辐射场型近似均匀的圆形，而在4.9～5.875GHz，多频段宽频天线的辐射场型近似椭圆形。此外，高频段宽频频宽各频率的平均增益(Average Gain)亦显示出本发明的多频段宽频天线于高频段宽频频宽具有良好的辐射效率。
| 频率(GHz) | 尖峰增益(dBi) | 平均增益(dBi) |
| 2.40 | 1.31 | -2.86 |
| 2.45 | 0.67 | -2.93 |
| 2.50 | -0.66 | -2.71 |
| 4.90 | -1.25 | -4.12 |
| 5.15 | 0.77 | -2.82 |
| 5.25 | 1.56 | -2.70 |
| 5.35 | 1.50 | -2.81 |
| 5.475 | 1.81 | -2.84 |
| 5.60 | 2.49 | -2.71 |
| 5.725 | 2.33 | -3.13 |
| 5.80 | 2.64 | -3.44 |
| 5.875 | 2.44 | -3.62 |
表1
请参考图3F，其示出依照本发明优选实施例的多频段宽频天线100在中频段宽频频宽的驻波比测量结果。观察标记1～标记3可以得知，操作频率在1.575GHz的驻波比均低于2.5，故本发明实施例所公开的多频段宽频天线在中频段宽频频宽具有不错的阻抗匹配特性。请参照图3G，其示出依照本发明优选实施例的多频段宽频天线100在中频段宽频频宽的辐射场型图。由图3G中可知，本实施例于中频段宽频频宽时，产生接近于全向性辐射的场型，适合于多频段宽频天线的实际应用。
请参考表2，其表列出本发明所提出的多频段宽频天线于中频段宽频频宽(1.575GHz)的天线增益测量值。由中频段宽频频宽各频率的尖峰增益可知在1.575GHz，多频段宽频天线的辐射场型近似均匀的圆形。此外，中频段宽频频宽各频率的平均增益亦显示出本发明的多频段宽频天线于中频段宽频频宽具有优秀的辐射效率。
| 频率(GHz) | 尖峰增益(dBi) | 平均增益(dBi) |
| 1.57 | -0.32 | -2.90 |
| 1.575 | -0.50 | -2.98 |
| 1.58 | -0.95 | -3.31 |
表2
请参考图3H，其示出依照本发明优选实施例的多频段宽频天线100在低频段宽频频宽的驻波比测量结果。观察标记1～标记4可以得知，操作频率在824～894MHz及1850～1990MHz的驻波比均低于2.8，故本发明实施例所公开的多频段宽频天线在低频段宽频频宽具有不错的阻抗匹配特性。请参照图3I～图3J，其示出依照本发明优选实施例的多频段宽频天线100在低频段宽频频宽的辐射场型图。由图3I～图3J中可知，本实施例在低频段宽频频宽时，产生接近于全向性辐射的场型，适合于多频段宽频天线的实际应用。
请参考表3，其表列出本发明所提出的多频段宽频天线在低频段宽频频宽(824～894MHz及1850～1990MHz)的天线增益测量值。由高频段宽频频宽各频率的尖峰增益可知于824～894MHz及1850～1990MHz，多频段宽频天线的辐射场型近似均匀的圆形。此外，低频段宽频频宽各频率的平均增益亦显示出本发明的多频段宽频天线于低频段宽频频宽具有不错的辐射效率。
| 频率(GHz) | 尖峰增益(dBi) | 平均增益(dBi) |
| 0.824 | -0.96 | -4.32 |
| 0.859 | -1.27 | -3.24 |
| 0.894 | -0.18 | -3.39 |
| 1.85 | -0.44 | -2.95 |
| 1.92 | -0.44 | -3.40 |
| 1.99 | -0.43 | -3.82 |
表3
本发明上述实施例所公开的多频段宽频天线及应用其的手持式电子装置，是利用一体成型的导体结构创造出结合GPS、GSM及WLAN等多个系统的多频段宽频天线。借由使得多个系统的辐射场型彼此间的干扰降到最低，而使得多频段宽频天线能够接收多个系统的信号，因而降低生产成本且提升射频系统的可靠度。
此外，多频段宽频天线主要以空气为介质，而不需要导入其他的介质如陶瓷等，使得收发信号的效率提升，同时亦可以缩小谐振结构，有效缩小天线体积。例如，本发明实施例所公开的多频段宽频天线100，即仅具有约100×5×4mm的体积，但仍能激发三个不同的谐振模态以接收多个系统的信号。而以短路元件连接辐射主体及接地平面，亦可有效缩小天线体积。
此外，本发明实施例所提供的多频段宽频天线100亦达成高阻抗匹配及拓展频宽的效果。其中，第一接地调整器161及第二接地调整器162可增进高频模态的阻抗匹配，此外，亦可以更拓展一部分的频宽。而多频段宽频天线100与屏蔽金属210电性连接可提升电磁辐射效率并兼具电磁相容的考虑以提升整体系统的高频表现。本发明实施例所提供的多频段宽频天线，其体积最小化，且兼具良好的高频特性及高可靠度，结构简单，十分适用于各种手持式电子装置(例如超级行动电脑)的隐藏式天线系统。
综上所述，虽然本发明已以一优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (20)
1. 一种多频段宽频天线，包括：
一第一辐射主体，用以激发一第一谐振模态，使得该多频段宽频天线具有一高频段宽频频宽；
一第二辐射主体，用以激发一第二谐振模态，使得该多频段宽频天线具有一中频段宽频频宽；
一第三辐射主体，用以激发一第三谐振模态，使得该多频段宽频天线具有一低频段宽频频宽；
一接地平面；以及
多个短路元件，用以分别将该第一辐射主体、该第二辐射主体及该第三辐射主体耦接至该接地平面；
其中，该第一谐振模态、该第二谐振模态及该第三谐振模态的辐射场型互不干扰。
2. 根据权利要求1所述的多频段宽频天线，其中，该第一谐振模态、该第二谐振模态及该第三谐振模态的辐射场型朝不同的方向发散。
3. 根据权利要求1所述的多频段宽频天线，其中，多个T型对称结构选择性地配置于该第一辐射主体、该第二辐射主体及该第三辐射主体以拓展该高频段宽频频宽、该中频段宽频频宽及该低频段宽频频宽的频宽。
4. 根据权利要求3所述的多频段宽频天线，其中，该高频段宽频频宽属于2.4～2.5GHz及4.9～5.875GHz频段。
5. 根据权利要求4所述的多频段宽频天线，其中，该第一辐射主体配置有该T型对称结构。
6. 根据权利要求3所述的多频段宽频天线，其中，该中频段宽频频宽属于1.575GHz频段。
7. 根据权利要求3所述的多频段宽频天线，其中，该低频段宽频频宽属于824～894MHz及1850～1990MHz频段。
8. 根据权利要求7所述的多频段宽频天线，其中，该第三辐射主体具有一第一子辐射主体及一第二子辐射主体，该第一子辐射主体及该第二子辐射主体分别配置有该T型对称结构。
9. 根据权利要求1所述的多频段宽频天线，还包括一第一接地调整器及一第二接地调整器，用以加强该多频段宽频天线在该高频段宽频频宽、该中频段宽频频宽及该低频段宽频频宽的阻抗匹配。
10. 根据权利要求1所述的多频段宽频天线，其中，该接地平面电性连接一屏蔽金属，用以提升该多频段宽频天线的电磁辐射效率。
11. 一种手持式电子装置，包括：
一屏蔽金属，用以降低电磁干扰；以及
一多频段宽频天线，包括：
一第一辐射主体，用以激发一第一谐振模态，使得该多频段宽频天线具有一高频段宽频频宽；
一第二辐射主体，用以激发一第二谐振模态，使得该多频段宽频天线具有一中频段宽频频宽；
一第三辐射主体，用以激发一第三谐振模态，使得该多频段宽频天线具有一低频段宽频频宽；
一接地平面；以及
多个短路元件，用以分别将该第一辐射主体、该第二辐射主体及该第三辐射主体耦接至该接地平面；
其中，该第一谐振模态、该第二谐振模态及该第三谐振模态的辐射场型互不干扰。
12. 根据权利要求11所述的手持式电子装置，其中，该第一谐振模态、该第二谐振模态及该第三谐振模态的辐射场型朝不同的方向发散。
13. 根据权利要求11所述的手持式电子装置，其中，多个T型对称结构选择性地配置于该第一辐射主体、该第二辐射主体及该第三辐射主体以拓展该高频段宽频频宽、该中频段宽频频宽及该低频段宽频频宽的频宽。
14. 根据权利要求13所述的手持式电子装置，其中，该高频段宽频频宽属于2.4～2.5GHz及4.9～5.875GHz频段。
15. 根据权利要求14所述的手持式电子装置，其中，该第一辐射主体配置有该T型对称结构。
16. 根据权利要求13所述的手持式电子装置，其中，该中频段宽频频宽属于1.575GHz频段。
17. 根据权利要求13所述的手持式电子装置，其中，该低频段宽频频宽属于824～894MHz及1850～1990MHz频段。
18. 根据权利要求17所述的手持式电子装置，其中，该第三辐射主体具有一第一子辐射主体及一第二子辐射主体，该第一子辐射主体及该第二子辐射主体分别配置有该T型对称结构。
19. 根据权利要求11所述的手持式电子装置，该多频段宽频天线还包括一第一接地调整器及一第二接地调整器，用以加强该多频段宽频天线于该高频段宽频频宽、该中频段宽频频宽及该低频段宽频频宽的阻抗匹配。
20. 根据权利要求11所述的手持式电子装置，该手持式电子装置为一笔记本电脑。
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2007
- 2007-02-17 CN CN 200710084955 patent/CN101246994B/zh not_active Expired - Fee Related
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