CN101431176B

CN101431176B - 双频天线

Info

Publication number: CN101431176B
Application number: CN2007101658704A
Authority: CN
Inventors: 张知难
Original assignee: Datong University; Tatung Co Ltd
Current assignee: Datong University; Tatung Co Ltd; Tatung University
Priority date: 2007-11-07
Filing date: 2007-11-07
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2027-11-07
Also published as: CN101431176A

Abstract

本发明提出一种适用于数字电视频段与工业、科学与医学频段的双频天线。上述双频天线包括信号线、耦合区块、接地部以及至少一带状悬浮金属。信号线与耦合区块设置在基板的上表面，且信号线与耦合区块的连接处具有一内嵌馈入结构，而接地部与带状悬浮金属则设置在基板的下表面。

Description

双频天线

技术领域

本发明是关于一种双频天线，且特别是关于一种适用于工业、科学与医学(Industrial，Scientific and medical，ISM)频段以及数字电视(Digital TV，DTV)频段的双频天线。

背景技术

经由多年的研究与发展，DTV已经发展成手持装置，电脑或笔记本电脑也可经由适当的接收介面来接收DTV的信号。就通讯产品而言，其设计上重要的关键即为天线的设计，因为天线设计品质的良好与否将影响通讯的品质。举例来说，天线包括非内藏式与内藏式两种。非内藏式的天线包括单极天线(monopole antenna)、偶极天线(dipole antenna)及螺旋型天线(helixantenna)等，而内藏式的天线包括平面倒F型天线(Planar Inverted F Antenna，PIFA)及微带型天线(microstrip antenna)。

由于目前使用者对于无线传输、通讯等需求相当多样化，因此电子装置通常需要支援多种不同的无线传输介面与传输频段。当电子装置需整合多种频段的信号时，例如2.4GHz至2.4835GHz的ISM频段以及上述的DTV频段(如469MHz至882MHz，各国所规定的频段不同)，最常见的解决方案是设置不同的天线来负责接收不同频段的信号。由于手持电子装置讲求轻薄，因此设置多组天线不仅增加电子装置成本，更会增加电子装置的体积，并不利电子装置的设计。

发明内容

本发明提供一种双频天线，利用微带线(microstrip line)结构与在其背面设置相对应的带状偶极，使双频天线可适用于ISM频段与DTV频段。

承上述，本发明提出一种双频天线，包括信号线、耦合区块、接地部以及至少一带状悬浮金属偶极。其中信号线与耦合区块设置在一基板的上表面，且信号线与耦合区块的连接处具有一内嵌馈入结构(inset feed)，上述带状悬浮金属(floating strip)则设置在基板的下表面，并对应于内嵌馈入结构与接地部的设置位置。

在本发明一实施例中，上述带状悬浮金属与该接地部之间具有一布局间距。

在本发明一实施例中，上述耦合区块具有左右对称的Λ形结构，信号线与耦合区块的连接处位于耦合区块的中央部分。

在本发明一实施例中，上述内嵌馈入结构具有第一凹槽与第二凹槽，分别设置于信号线的两侧。

在本发明一实施例中，上述耦合区块包括倒三角形、V形或矩形，而上述带状悬浮金属为矩形。

在本发明一实施例中，上述耦合区块在该基板下表面的正向投影与接地部之间具有一耦合缝隙，耦合缝隙对应于耦合区块的布局图样。

在本发明一实施例中，上述基板为玻璃纤维(FR4)材质的电路板。

在本发明一实施例中，上述双频天线具有双操作频段，分别为DTV频段与ISM频段。

本发明利用微带线结构与在其背面设置相对应的带状悬浮金属，使本发明的天线具有双频带，并且借由调整带状悬浮金属的布局结构尺寸与大小调整天线在ISM频段周围的谐振点(resonant frequency)及其频宽(bandwidth)。由于本发明的双频天线可支援DTV频段与常用的ISM频段，因此极具商业应用价值，可直接应用于手持电子装置或一般多频段的通讯装置。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为根据本发明第一实施例的双频天线结构示意图。

图2A为根据本发明第一实施例的双频天线的信号面结构图。

图2B为根据本发明第一实施例的双频天线的接地面结构图。

图3A为根据本发明第一实施例的双频天线的参数DL与其反射系数的频率响应模拟图。

图3B为根据本发明第一实施例的双频天线的参数DY与其反射系数的频率响应模拟图。

图4为根据本发明第一实施例的双频天线的立体结构示意图。

图5(a)～(c)为根据本发明第二实施例的双频天线多种结构示意图。

图6(a)～(d)为根据本发明第三实施例的双频天线多种结构示意图。

主要元件符号说明

100：双频天线

110、510、511、512：信号线

120、520、521、522：耦合区块

130：内嵌馈入结构

140、540、541、542：耦合缝隙

150、550、551、552：接地部

160、560、561、562：带状悬浮金属

660、661、662、663：带状悬浮金属

132：第一凹槽

134：第二凹槽

x、y、z：极化方向

W、L、FL、H、P、T、GL、S：参数

GH、GW、DL、DW、DY：参数

具体实施方式

第一实施例

图1为根据本发明第一实施例的双频天线结构示意图。如图1所示，双频天线100包括信号线110、耦合区块120、接地部150以及带状悬浮金属160，其中耦合区块120与信号线110的连接处具有内嵌馈入结构(insetfeeding)130。信号线110与耦合区块120(以实线表示)设置在基板(未示出)的上表面，而接地部150与带状悬浮金属160(以虚线表示)则设置在基板的下表面。

本实施例的基板则例如为FR4材质的双面印刷电路板(printed circuitboard，PCB)，本实施例的双频天线100结构则形成于双面印刷电路板的上下表面。本实施例的双频天线100具有两个操作频段，分别为DTV频段以及ISM频段，经由本实施例的双频天线100，通讯装置不需配置多组天线即可同时收发两个频段的无线信号。

耦合区块120为左右对称的Λ形结构，信号线110与耦合区块120的连接处位于耦合区块120的中央部分。内嵌馈入结构130具有第一凹槽132与第二凹槽134，分别设置于信号线110的两侧，使信号线110与耦合区块120的连接处形成内凹的馈入结构。带状悬浮金属160设置在基板的下表面并对应于内嵌馈入结构130的设置位置，且不连接至接地部150。耦合区块120在基板下表面的正向投影会与接地部1 50之间形成一耦合缝隙(couplinggap)140，此耦合缝隙140对应于耦合区块120的布局图样。如图1所示，耦合区块120的下方为一Λ形结构，因此接地部150的上方也会形成一Λ形结构以对应耦合区块120。

在本实施例中，基板上表面的结构视为信号面，包括信号线110与耦合区块120；基板下表面的结构则视为接地面，包括接地部150与带状悬浮金属160。请同时参照图2A与图2B，图2A为根据本发明第一实施例的双频天线的信号面结构图。图2B为根据本发明第一实施例的双频天线的接地面结构图。图2A中分别以参数W、L、FL、H、P、T、S来表示信号线110与耦合区块120在布局时的结构尺寸，图2B中则分别以参数GL、GH、GW、DL、DW、DY表示接地部150与带状悬浮金属160在布局时的结构尺寸，参数DY更用于表示带状悬浮金属160与接地部150之间的布局间距。在本实施例中，参数DW、DL、DY可为变数，主要用以调整双频天线在ISM频段的频率响应，其余尺寸标号的数值则请参照下表1，表1为根据本发明第一实施例的布局参数表。

参数	W	L	GL	GH	GW	FL	H	P	T	S
											长度(mm)	74	42	161.5	175	74	185	216	15	2	2.5

表1

其中参数P、T会决定第一凹槽132、第二凹槽134的凹槽大小，借由调整参数P、T可调整双频天线100在DTV频段(469MHz至882MHz)范围内的谐振频率与频宽。而参数DL、DW与DY主要用来表示带状悬浮金属160的布局结构，在本实施例中，可借由参数DW、DL、DY来调整双频天线100在ISM频段中的谐振频率与频宽。在本实施例中，以参数DW为3mm为例，然后分别调整参数DL、DY的数值并模拟如图3A与图3B所示。图3A为根据本发明第一实施例的双频天线的参数DL与其反射系数(reflectioncoefficient)的频率响应模拟图。图3B为根据本发明第一实施例的双频天线的参数DY与其反射系数的频率响应模拟图。此外，值得一提的是，除参数DW、DL、DY外，本实施例的双频天线的结构尺寸可参考上表1所示，但本发明并不受限上表1的参数值。

请参照图3A，其纵轴为反射系数S11(refection coefficient)，横轴为频率(GHz)，图3A包括参数DL为47.2mm、57.2mm、67.2mm以及不设置带状悬浮金属160等4种模拟条件的反射系数S11的频率响应模拟图。由图3A可知，调整参数DL主要影响在ISM频段范围内的谐振频率，参数DL越大，其谐振频率有朝向低频移动的趋势，且其反射系数S11越大，相对应的回波损耗(return loss)(即反射系数绝对值的倒数)也越小。在本实施例中，当参数DL为47.2mm时，其谐振频率约为2.6GHz，此时相对应的反射系数S11也最低，约-23dB。当双频天线100未设置带状悬浮金属160时，在ISM频段内的谐振频率则消失，由此可知带状悬浮金属160的设置是使双频天线100产生ISM频段的谐振频率的主要技术手段之一。此外，由图3A亦可明显看到调整参数DL对较低频的DTV频段内的谐振频率并无显著影响，所以不会影响双频天线100在DTV频段内频率响应特性。

请参照图3B，其纵轴为反射系数S11(refection coefficient)，横轴为频率(GHz)，图3B包括参数DY为6mm、15mm、25mm、30mm等4种模拟条件的反射系数S11的频率响应模拟图。由图3B可知，当带状悬浮金属160与接地部150之间的距离越远(参数DY越大)时，双频天线100在ISM频段的频宽则越小，当参数DY等于25mm或30mm时，双频天线100在ISM频段内可操作的频宽则几乎消失。当参数DY等于6mm时，其在ISM频段内可操作的频宽则加大。因此，借由调整带状悬浮金属160与接地部150之间的距离可调整双频天线100在ISM频段内的频宽。同样的，带状悬浮金属160设置位置的改变并不会对双频天线100在DTV频段的谐振频率或频率响应特性造成太大影响。

由图3A与图3B可知，针对不同的设计需求，可经由调整带状悬浮金属160的布局结构尺寸与其设置位置来改变双频天线100在ISM频段的谐振频率与频宽。然而，带状悬浮金属160的设置位置须对应于内嵌馈入结构130与接地部150的设置位置，当带状悬浮金属160过于远离接地部150(同时也会远离嵌馈入结构130)时，便会改变整体双频天线100在ISM频段的频率响应特性。

在实际量测中，本实施例分别设定参数DL为67.2mm、参数DW等于3mm以及参数DY等于6.72mm，基板材质为FR4，厚度为1.6mm，介电常数(permittivity)为4.4εr，其余的天线结构参数请参照上表1所示。在无线网路(WLAN)频段，上述双频天线所量测到的10dB频宽为2.36GHz～2.55GHz。在低频段，模拟10dB回波损耗的频宽为467.3MHz～866.2MHz，此频段可涵盖所有国家的DTV频段。

在本实施例中，双频天线100在两个操作频段(DTV频段与ISM频段)的极化方向皆为y方向(极化方向请参照图1)，且就上述两个操作频段而言，天线100的辐射场型是与半波长双偶极(half wave length dipole)天线的场型类似，亦即各频段在xz平面均具有全方向性(omni-directional pattern)的场型，以及在yz平面均具有接近八字形的场型(figure ofeight pattern)。

图4为根据本发明第一实施例的双频天线的立体结构示意图。实线表示的信号线110、耦合区块120位于基板的上表面，而虚线表示的接地部150以及带状悬浮金属160则位于基板的下表面。关于基板的上下表面仅为表示双面印刷电路板的两侧，本实施例的双频天线100的结构方向并不受限于上述上、下表面的表示方式，反之亦可。本技术领域具有通常知识者经由图4与上述实施例的说明应能轻易推知本实施例的其余实施细节，在此不加累述。

第二实施例

在本发明中，耦合区块与接地部并不受限于第一实施例中的Λ形结构图样。请参照图5，图5为根据本发明第二实施例的双频天线多种结构示意图。图5(a)、图5(b)、图5(c)分别绘示倒三角形、V形以及矩形等三种耦合区块520、521、522的结构示意图。而接地部550、551、552则分别对应耦合区块520、521、522的结构形状，并分别形成两者之间的耦合缝隙540、541、542。值得注意的是，带状悬浮金属560、561、562需配合接地部550、551、552的形状调整外型，以避免与接地部550、551、552形成短路。

在结构上，图5(a)、图5(b)、图5(c)与上述第一实施例一样，分别以虚线表示位于基板下表面的带状悬浮金属560、561、562与接地部550、551、552；以实线表示位于基板上表面的信号线510、511、512与耦合区块520、521、522。其余结构的设计细节请参照上述第一实施例的说明，在本技术领域具有通常知识者，经由本发明的公开应可轻易推知，在此不加累述。

第三实施例

在本实施例中，可根据设计需求设置多个带状悬浮金属，如图6所示，图6为根据本发明第三实施例的双频天线多种结构示意图。图6(a)、图6(b)、图6(c)、图6(d)与上述图5(a)、图5(b)、图5(c)以及图1的主要差异在于设置了第二个带状悬浮金属660、661、662、663。经由调整带状悬浮金属660、661、662、663的设置位置与其结构尺寸同样可调整本实施例的双频天线在ISM频段的谐振频率与频宽。关于图6的其余天线结构设计细节请参照上述第一实施例与第二实施例的说明，在此不加累述。

综合上述，本发明的双频天线结构适用于DTV与ISM双频段的共面天线，在DTV频段，上述实施例应用内嵌馈入方法来增加频宽。当具有带状悬浮金属时，电流密度沿着内嵌区域的部分与不含此浮悬金属的天线比较，会有较大的不同，而前者引导的电流会激发产生第二较高频的操作频率。由实验显示，此第二操作频率的极化方向系在y而非x方向，故增加本发明的此带状悬浮金属主要功能为激发原本只有DTV操作频率原天线结构的高阶谐波，此与借耦合方式激发寄生结构(如本发明的带状悬浮金属)并由寄生结构本身产生辐射的作法并不相同，实验证明此天线不仅可在DTV频段，也可以在ISM频段有效辐射。另一方面，无线射频标签(RFID tag)的主要应用频段为430MHz与2.45GHz，本发明的双频天线亦可应用于RFID的天线。借由本发明的双频天线可有效解决多频段的信号收发问题，以单一天线取代两个频段的天线，进而达到天线整合、降低设计复杂度以及制造成本等功效。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何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，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims

1.一种双频天线，包括：

一信号线，设置在一基板的上表面；

一耦合区块，设置在一基板的上表面并耦接于该信号线的一端，且该信号线与该耦合区块的连接处具有一内嵌馈入结构；

一接地部，设置在该基板的下表面并对应于该信号线的设置位置；以及

至少一带状悬浮金属，设置在该基板的下表面，并对应于该内嵌馈入结构与该接地部的设置位置。

2.根据权利要求1所述的双频天线，其中上述带状悬浮金属与该接地部之间具有一布局间距。

3.根据权利要求1所述的双频天线，其中该耦合区块具有左右对称的Λ形结构，该信号线与该耦合区块的连接处位于该耦合区块的中央部分。

4.根据权利要求1所述的双频天线，其中该内嵌馈入结构具有一第一凹槽与一第二凹槽，分别设置于该信号线的两侧。

5.根据权利要求1所述的双频天线，其中该耦合区块包括倒三角形、V形或矩形。

6.根据权利要求1所述的双频天线，其中该耦合区块在该基板下表面的正向投影与该接地部之间具有一耦合缝隙，该耦合缝隙对应于该耦合区块的布局图样。

7.根据权利要求1所述的双频天线，其中该带状悬浮金属为一矩形。

8.根据权利要求1所述的双频天线，其中该基板为玻璃纤维材质的印刷电路板。

9.根据权利要求1所述的双频天线，其中该双频天线具有一第一操作频段与一第二操作频段，该第一操作频段位于数字电视频段，该第二操作频段位于工业、科学与医学频段。