CN101567483B - 一种多频折叠环形天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多频折叠环形天线，包含：介质基板、接地面、辐射部及匹配电路。所述接地面具有接地点，并位于所述介质基板之上。所述辐射部包含：支撑介质、环形金属线及一个调整金属片、所述辐射部的所述环形金属线长度大致为天线最低共振频率的二分之一波长，并设有馈入端与接地端，其中所述接地端电气连接到所述接地面的接地点，且所述环形金属线折叠成一个立体结构，并由所述支撑介质所支撑，而所述辐射部的所述调整金属片电气连接到所述环形金属线。所述匹配电路则位于所述介质基板上，其一端电气连接到所述辐射部的所述环形金属线的馈入端，而另一端则连接到信号源。

Description

一种多频折叠环形天线

技术领域

本发明涉及一种环形天线，尤其涉及一种适合内置于手机的多频折叠环形天线。

背景技术

随着无线通信的快速发展，在无线通信产品中，天线扮演的角色更加重要，尤其在轻、薄、短、小的趋势潮流下，天线的尺寸，特别是其高度将影响一个产品的价值。然而以内置式手机天线为例，就业界实际需求而言，手机内部可放置天线的空间越来越有限，但能支持多频带操作的天线又是必要的趋势。我们发现，环形天线与传统单极或是平板天线相比更适合使用作为内置式手机天线，这是由于环形天线可使用细的金属线弯绕而成，且其频宽表现又能不因线宽细小而明显降低，这与传统单极或平板天线需要靠宽大的金属片增加频宽的特性不同，故环形天线可以使用较小的尺寸实现与传统手机天线相同的多频操作。然而当环形天线尺寸大幅缩小时，低频频带虽可涵盖GSM850或GSM900的操作，不过较难同时涵盖GSM850/900双频操作，因此需寻求增加频宽的技术，相关技术如美国专利公告号第US 7,242,364 B2号“双共振天线(Dual-Resonant Antenna)”，其公开一种将匹配电路使用于移动通信系统操作的内置式手机天线的技术，可使单一共振模态具有双共振特性，以达到增加频宽的功效，但此技术仅公开单频操作的内置式手机天线的应用方式，无法直接应用于双频(如900MHz及1800MHz)手机天线。同时，所适用的手机天线为长度大约为四分之一波长共振的天线。为解决上述问题，我们提出一种创新的多频折叠环形天线设计，将一个金属线弯绕成环形，再加以折叠形成一个小体积的立体结构；在操作技术上，本天线的低频频带使用环形金属线的二分之一波长共振模态，高频频带则由环形金属线的高阶共振模态合成宽频操作，再配合使用匹配电路实现低频频带的双共振特性，以增加频宽，以及使用至少一个调整金属片改善高频频带的匹配。上述整体天线结构可提供GSM850/900/1800/1900/UMTS五频操作，符合实际手机系统的应用需求。

发明内容

为了解决以上的问题，本发明的目的在于提供一种多频折叠环形天线，其不仅可以适用于GSM850(824-894)/900(890-960MHz)/1800(1710-1880MHz)/1900(1850-1990MHz)/UMTS(1920-2170MHz)频带的手机天线设计，同时本发明的天线尺寸比一般操作于相同频带的手机天线小，且其结构简单、操作机制明确、制作容易，并具有节省手机内部空间的优点。

为了实现上述目的，本发明的多频折叠环形天线包含：介质基板、接地面、辐射部及匹配电路。所述接地面设有接地点，并位于所述介质基板之上，而所述辐射部则包含：支撑介质、环形金属线及一个调整金属片。所述辐射部的所述环形金属线的长度大致为天线最低共振频率的二分之一波长，并设有馈入端与接地端，其中所述接地端电气连接到所述接地面的接地点，且所述环形金属线折叠成立体结构，并由所述支撑介质所支撑，而所述辐射部的所述调整金属片电气连接到所述环形金属线。该匹配电路位于该介质基板之上，其一端电气连接到所述辐射部的所述环形金属线的馈入端，而另一端则连接到信号源。上述介质基板为移动通信装置的系统电路板，而所述接地面为移动通信装置的系统接地面，且所述接地面通过印刷或蚀刻技术形成于所述介质基板之上，而所述支撑介质的材料为空气或玻纤基板或塑料材料或陶瓷材料，且所述匹配电路具有至少一个电容器及至少一个电感器。

在本项设计中，使用环形金属线的二分之一波长共振模态形成天线的低频频带，以及环形金属线的高阶共振模态形成天线的高频频带，再配合使用匹配电路实现低频频带的双共振特性，以增加频宽，并且使用至少一个调整金属片改善高频频带的匹配。低频频带可以提供大约200MHz(810-1010MHz)的操作频宽，可涵盖GSM850/900频带(824-960MHZ)操作需求，且本天线在此频带内的回波损耗都有高于6dB的表现。高频频带则可提供约615MHz(1635-2250MHz)的操作频宽，可涵盖GSM1800/1900/UMTS频带(1710-2170MHz)的操作需求，且在此频带内的回波损耗值也都有高于6dB的表现，符合应用需求。同时本天线设计结构简单、操作机制明确，其尺寸比一般相同操作频带的手机天线小，节省手机内部放置天线的空间，但仍能维持天线的多频特性，故具有产业应用价值。

将在接下来的描述中部分阐述本发明另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明的实施而得知。

附图说明

图1(a)是根据本发明的多频折叠环形天线的第一实施例的天线结构图；

图1(b)是根据本发明的多频折叠环形天线的第一实施例的外接匹配电路；

图2是根据本发明的多频折叠环形天线第二实施例结构图；

图3是表示根据本发明的多频折叠环形天线的第一实施例的回波损耗的测量结果图表；

图4(a)是根据本发明的多频折叠环形天线的第一实施例在GSM850/900频带的859MHz下的辐射场型图；

图4(b)是根据本发明的多频折叠环形天线的第一实施例在GSM850/900频带的925MHz下的辐射场型图；

图5(a)是根据本发明的多频折叠环形天线的第一实施例在GSM1800/1900/UMTS频带的1795MHz下的辐射场型图；

图5(b)是根据本发明的多频折叠环形天线的第一实施例在GSM1800/1900/UMTS频带的1920MHz下的辐射场型图；

图5(c)是根据本发明的多频折叠环形天线的第一实施例在GSM1800/1900/UMTS频带的2045MHz下的辐射场型图；

图6(a)是根据本发明的多频折叠环形天线第一实施例在操作频带为GSM850/900频带的天线增益图；

图6(b)是根据本发明的多频折叠环形天线第一实施例在操作频带为GSM1800/1900/UMTS频带的天线增益图；

图7是根据本发明的多频折叠环形天线的第一其它实施例结构图；

图8是根据本发明的多频折叠环形天线的第二其它实施例结构图；

图9是根据本发明的多频折叠环形天线的第三其它实施例结构图；

图10是根据本发明的多频折叠环形天线的第四其它实施例结构图。

具体实施方式

首先对附图中的主要符号进行说明：

1为本发明天线的第一主要实施例；

2为本发明天线的第二主要实施例；

7为本发明天线的第一其它实施例；

8为本发明天线的第二其它实施例；

9为本发明天线的第三其它实施例；

10为本发明天线的第四其它实施例；

11为介质基板；

12为接地面；

121为接地点；

13为辐射部；

131为支撑介质；

132、732、832为环形金属线；

133为环形金属线的馈入端；

134为环形金属线的接地端；

135为金属片；

14为匹配电路；

141为匹配电路的端点；

142为匹配电路的端点连接到信号源；

15为信号源；

21为低频频带(二分之一波长共振模态)；

22为高频频带(高阶共振模态)；

L1、L2为电感器；

C为电容器。

图1(a)是根据本发明的多频折叠环形天线的第一实施例的天线结构图，图1(b)是根据本发明的多频折叠环形天线的第一实施例的外接匹配电路。本发明的多频折叠环形天线的第一实施例包含：介质基板11、接地面12、辐射部13及匹配电路14。所述接地面12设有接地点121，并位于所述介质基板11上。而所述辐射部13则包含：支撑介质131、环形金属线132及一个调整金属片135。所述辐射部13的该环形金属线132长度大致为天线最低共振频率的二分之一波长，并设有馈入端133与接地端134，其中所述接地端134电气连接到所述接地面12的接地点121，且所述环形金属线132折叠成立体结构，并由所述支撑介质131所支撑，而辐射部13的所述调整金属片135电气连接到所述环形金属线132；所述匹配电路14位于所述介质基板11上，其一端141电气连接到所述辐射部13的所述环形金属线132的馈入端133，而另一端142则连接到信号源15。上述介质基板11是移动通信装置的系统电路板，而所述接地面12是移动通信装置的系统接地面，且所述接地面12通过印刷或蚀刻技术形成于所述介质基板11上，而所述匹配电路14包含至少一个电容器及至少一个电感器，如图1(b)所示，其中一个电容器C与一个电感器L2串联后，再与另一电感器L1并联而形成匹配电路14。并且电容器C可以由二个电容器串联组成。

图2是本发明的多频折叠环形天线第二实施例的结构图。本发明的多频折叠环形天线的第二实施例包含：介质基板11、接地面12及辐射部13。所述接地面12设有接地点121，并位于所述介质基板11之上，而所述辐射部13则包含：支撑介质131、环形金属线132及一个调整金属片135。所述辐射部13的所述环形金属线132的长度大致为天线最低共振频率的二分之一波长，并设有馈入端133与接地端134，其中所述馈入端133电气连接到信号源15，而所述接地端134则电气连接到所述接地面12的接地点121，且该环形金属线132折叠成立体结构，并由该支撑介质131所支撑，而所述辐射部13的所述调整金属片135电气连接到所述环形金属线132。上述介质基板11是移动通信装置的系统电路板，而所述接地面12为移动通信装置的系统接地面，且所述接地面12通过印刷或蚀刻技术形成于所述介质基板11上。

图3是表示图1的第一实施例的回波损耗实验测量结果的曲线图。本实验选择下列尺寸及组件值进行测量：介质基板11为厚度0.8mm的FR4玻纤基板，接地面12的尺寸为40×100mm²，并蚀刻于介质基板11的表面。辐射部13的支撑介质131为空气，亦即在第一实施例中的辐射部13为中空结构，其体积仅为40×3×5mm³或0.6cm³，环形金属线132则包围此中空的支撑介质131的表面。环形金属线132的总长度约为180mm，大致为天线最低共振频率的二分之一波长，并设有馈入端133与接地端134，其中所述接地端134电气连接到所述接地面12的接地点121，而所述环形金属线132如前所述地折叠成立体结构，包围中空的支撑介质131表面，且所述辐射部13的所述调整金属片135的尺寸为16×1.3mm²，并电气连接到所述环形金属线132。所述匹配电路14位于所述介质基板11上，其一端141电气连接到所述辐射部13的所述环形金属线132的馈入端133，而另一端142则连接到信号源15。所述匹配电路14的C值选用1pF、L2值选用9.1nH、L1值则选用4.3nH。本项设计采用的环形金属线132的长度约为180mm，为900MHz的二分之一波长，故低频频带21表示天线的二分之一波长共振模态，而高频频带22则为天线的高阶共振模态合成，主要为环形金属线132的全波长共振模态及二分之一波长共振模态所合成。此处技术重点有二项，一是使用匹配电路14使低频频带21增加虚部阻抗零点，使该共振模态具有双共振特性而增加频宽，另一则是使用调整金属片135改善高频频带22的阻抗匹配。在尚未使用匹配电路14的状况下，环形金属线132的二分之一波长共振模态的频宽无法同时涵盖GSM850/900操作频宽，而高频频带则因使用了调整金属片135调整其阻抗匹配，可涵盖GSM1800/1900/UMTS操作频宽。同时匹配电路14可以在不影响高频频带22的前提下，增加低频频带的频宽。此处所使用的匹配电路14为3dB频宽仅为170MHz的带阻电路，其共振中心频率约1100MHz，此匹配电路14在其共振中心频率处具有剧烈变化的实部阻抗与虚部阻抗，其中虚部阻抗的变化有助于环形金属线132的二分之一波长共振模态增加虚部共振零点，使得此低频频带21具有双共振现象，而实现宽带操作并涵盖GSM850/900操作频宽。同时所述匹配电路14因带阻中心频率设计为约1100MHz，所以对于高频频带22影响很小。回波损耗的测量结果中，低频频带21为具有双共振特性的二分之一波长共振模态，提供大约200MHz(810-1010MHz)的操作频宽，可涵盖GSM 850/900频带的操作需求，且本天线在此频带内的回波损耗都有高于6dB的表现。高频频带22则可提供约615MHz(1635-2250MHz)的操作频宽，可涵盖GSM1800/1900/UMTS频带的操作需求，且在此频带内的回波损耗值也都有高于6dB的表现，符合应用需求。

再者，图2的第二实施例与图1的第一实施例的差异在于，第二实施例的辐射部13的尺寸为40×5×6mm³或1.2cm³，制作这种尺寸大于第一实施例的天线仅需改变调整金属片135电气连接到环形金属线132的位置，也可实现涵盖GSM850/900/18001900/UMTS五频操作的设计。这意味着，是否采用匹配电路14的技术，取决于天线占用的尺寸空间，当天线体积缩小而使得低频频带无法同时涵盖GSM850/900频带时，使用本设计的匹配电路14，可使低频频带具有双共振现象，进而增加频宽以涵盖操作需求。

图4(a)是根据本发明的多频折叠环形天线的第一实施例在GSM850/900频带的859MHz下的辐射场型图，图4(b)是根据本发明的多频折叠环形天线的第一实施例在GSM850/900频带的925MHz下的辐射场型图。涵盖此操作频带的低频频带21为天线的二分之一波长共振模态。由此得出以下的结果，环形金属线所共振得出的二分之一波长共振模态的辐射场型，仍与传统单极天线或平板天线共振于相同频率时的辐射场型相似。

图5(a)是根据本发明的多频折叠环形天线的第一实施例在GSM1800/1900/UMTS频带的1795MHz下的辐射场型图，图5(b)是根据本发明的多频折叠环形天线的第一实施例在GSM1800/1900/UMTS频带的1920MHz下的辐射场型图，图5(c)是根据本发明的多频折叠环形天线的第一实施例在GSM1800/1900/UMTS频带的2045MHz下的辐射场型图。涵盖此操作频带的高频频带22主要由天线的全波长及二分之一波长共振模态合成。由此得出以下的结果，高频频带22内的辐射场型受到接地面上电流零点的影响，其x-z及y-z平面场型的凹陷点比低频频带21的辐射场型多，但仍不影响实际应用上的需求。

图6(a)是根据本发明的多频折叠环形天线第一实施例在操作频带为GSM850/900频带的天线增益图，图6(b)是根据本发明的多频折叠环形天线第一实施例在操作频带为GSM1800/1900/UMTS频带的天线增益图。由图中测量数据可知，本设计在GSM850/900操作频带内的增益值约为-1.0--0.1dBi，而在GSM1800/1900/UMTS操作频带内的增益值约为1.7-2.6dBi，都符合实际应用上的需求。

图7、图8、图9及图10分别表示本发明的多频折叠环形天线的第一、第二、第三及第四其它实施例的结构图。本发明天线的第一其他实施例及第二其他实施例与第一实施例的整体结构相同，而第三其他实施例及第四其他实施例则与第二实施例的整体结构相同，其中只有环形金属线的折叠方式不同，同时第一其他实施例及第三其他实施例分别具有二个调整金属片。以上的实施例都可以实现与第一实施例或第二实施例相同的效果。

本发明的实验结果显示，本发明的多频折叠环形天线的实施例可以实现适用于GSM850/900/1800/1900/UMTS频带的手机天线设计。其中低频频带21(涵盖GSM850/900频带)频宽约为200MHz(810-1010MHz)，而高频频带22(涵盖GSM1800/1900/UMTS频带)的频宽约为615MHz(1635-2250MHz)，都可符合实际手机系统的应用需求。

综合上述的说明，本发明天线的结构简单，操作机制明确，制作成本低，在缩减手机天线尺寸的同时，仍能维持天线的多频特性，因此本发明天线具有高度产业应用价值，足以符合发明的范畴。

以上的说明中，以本发明的实施例说明了本发明的内容，但本发明的范围并不限定于实施例的内容。所属领域内的技术人员以本发明的实施例为基础可以进行变更及修改，但任何的修改和变更都属于本发明所保护的范围之内。

Claims (11)

1.一种多频折叠环形天线，包含：

介质基板；

接地面，具有接地点，并位于该介质基板上；

辐射部，该辐射部包含：

支撑介质；

环形金属线，长度大致为天线最低共振频率的二分之一波长，并设有馈入端与接地端，其中所述接地端电气连接到所述接地面的所述接地点，且所述环形金属线折叠成立体结构，并为该支撑介质所支撑；

至少一个调整金属片，电气连接到该环形金属线以及

此外，多频折叠环形天线还包含匹配电路，位于该介质基板之上，其一端电气连接到所述辐射部的所述环形金属线的所述馈入端，而另一端则连接到信号源。

2.根据权利要求1所述的多频折叠环形天线，其特征在于所述介质基板为移动通信装置的系统电路板。

3.根据权利要求1所述的多频折叠环形天线，其特征在于所述接地面是移动通信装置的系统接地面。

4.根据权利要求1所述的多频折叠环形天线，其特征在于所述接地面通过印刷或蚀刻技术形成于所述介质基板之上。

5.根据权利要求1所述的多频折叠环形天线，其特征在于所述支撑介质的材质为空气、玻纤基板、塑胶材料或陶瓷材料。

6.根据权利要求1所述的多频折叠环形天线，其特征在于所述匹配电路包含至少一个电容器及至少一个电感器。

7.一种多频折叠环形天线，包含：

介质基板；

接地面，具有接地点，并位于该介质基板上；

辐射部，该辐射部包含：

支撑介质；

环形金属线，长度大致为天线最低共振频率的二分之一波长，并设有馈入端与接地端，其中所述接地端电气连接到所述接地面的所述接地点，且所述环形金属线折叠成立体结构，并为该支撑介质所支撑；

至少一个调整金属片，电气连接到该环形金属线。

8.根据权利要求7所述的多频折叠环形天线，其特征在于所述介质基板为移动通信装置的系统电路板。

9.根据权利要求7所述的多频折叠环形天线，其特征在于所述接地面是移动通信装置的系统接地面。

10.根据权利要求7所述的多频折叠环形天线，其特征在于所述接地面通过印刷或蚀刻技术形成于所述介质基板之上。

11.根据权利要求7所述的多频折叠环形天线，其特征在于所述支撑介质的材质为空气、玻纤基板、塑胶材料或陶瓷材料。

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