CN101740857B - 双频微型化天线及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种双频微型化天线及其设计方法，其中，所述双频微型化天线包括一电路板以及形成于所述电路板表面且相互隔离的一导电图形以及一接地面，所述导电图形为一具有多个弯折的导线线段且工作于一第一频率，所述导电图形包括一馈入点，所述馈入点设于所述导电图形的一自由端，所述导电图形以及所述接地面之间以一电容电感电路连接，连接所述电容电感电路之后的所述导电图形及所述接地面共同以慢波效应计算另一不同于所述第一频率的一共振频率，其中，所述共振频率与所述电容电感电路的等效电抗值成反比关系。

Description

双频微型化天线及其设计方法

技术领域

本发明关于一种天线，尤其是关于一种双频微型化天线及其设计方法。

背景技术

在汽车电子市场持续成长的过程中，对于车用无线通信的需求日渐高涨，未来势必走向多种通信接口共存的局面，整合的脚步早已刻不容缓。虽然以今日成熟的集成电路工艺技术而言，要将数字电路做得小巧精致并非难事，多种通信功能可轻易地整合于一机，然而，唯独无线通信系统必备的天线整合不易，同时受限于天线尺寸的大小也使得产品难以微型化，汽车遥控器即是一例。

早期的汽车防盗遥控器功能单一化，其天线仅需要工作于单一频率下，设计天线并非没有太大的困难度。但是，随着汽车电子技术的发达，很多的功能控制，均需要通过无线方式达成，使用者必须利用各种不同的遥控器进行不同功能(例如无线车钥、无线防盗控制)的遥控，甚为不便。配合使用者的需求，虽然已经有一些整合型的遥控器已经开发，但是，在设计这些整合型的遥控器的天线时，经常遇到因为适用于不同频率范围的天线因为所接收信号的波长差异太大，而适用的天线尺寸不同导致设计困难。而且对于接收长波长(低频，如125KHz)电磁波的天线，现行作法主要以漆包线进行高匝数的精密绕制、再搭配两颗正交配置的高磁性材料制成的电感器，形成三维X、Y、Z低频磁场感应区域，但低频天线电感绕线精密、制作不易且耗工费时(成本高且工艺复杂)，且低频天线实体尺寸也非常庞大。若以125KHz的低频天线再搭配相对高频的天线(例如：433MHz)，进行双频天线模组的设计时，因为二者的适用波长尺寸相差3500倍，整合设计相当不易。

发明内容

为了解决前述双频天线于整合时，因为低频天线尺寸庞大且与高频天线适用波长差距甚远，导致整合设计困难的技术问题，本发明是运用慢波效应(slow wave effect)来达成天线尺寸微型化，让不同频带的高、低频天线整合于同一电路板上，达到一体且简化设计的技术效果。

配合解决前述的技术问题以及所欲达成的技术效果，本发明提供一种双频微型化天线，包括一电路板以及形成于所述电路板表面且相互隔离的一导电图形以及一接地面，所述导电图形为一具有多个弯折的导线线段且工作于一第一频率，所述导电图形包括一馈入点，所述馈入点设于所述导电图形的一自由端，所述导电图形以及所述接地面之间以一电容电感电路连接，连接所述电容电感电路之后的所述导电图形及所述接地面共同提供另一不同于所述第一频率所属频带的一共振频率，其中，所述共振频率与所述电容电感电路的等效电抗值成反比关系。

其中，所述导电图形为绕设匝数为奇数的一螺旋(spiral)线，所述馈入点设于所述螺旋线外围的自由端，所述接地面设于邻近所述导电图形的位置，且所述接地面与导电图形形成隔绝，且所述接地面为一大于所述螺旋线面积的导电板。

其中，所述螺旋线可绕设为矩形、圆形、六角形或其它形状，本发明以矩形为例，所述螺旋线的外径总宽度为30mm、外径总高度为10mm、线宽为0.5mm、线距为1mm以及位于中央的线段线宽为1mm，所述接地面的尺寸为40mm×30mm的矩形导电板体。

本发明再提供一种双频微型化天线设计方法，所述方法的步骤包括：

设计及布局第一频率天线，是依据一天线的操作频率，其中至少包括一高频频率以及一低频频率，以其中所述高频频率或所述低频频率的任一者作为一第一频率，以计算一导电图形以及一接地面的布局模拟，并依据模拟或测量结果取得所述导电图形的所述第一频率天线等效电容电感值；计算共振频率天线补偿值，依据所述第一频率计算其等效的一第一频率电容电感值，并以所述第一频率电容电感值与所述共振频率天线等效电容电感值计算一电抗补偿电容电感值，再以具有所述电抗补偿电容电感值的一电容电感电路连接所述导电图形及所述接地面。

其中，所述的双频微型化天线设计方法中，所述导电图形的布局模拟系以螺旋线段的形式布局模拟。

藉此，本发明所提供的天线其设计方法以及程式，可以让天线设计完整逐一考量天线的操作频率需求的设计，先以螺旋绕线的形状及长度完成一第一频率的天线设计后，再以慢波理论计算出另一需求共振频率的共振电抗值，大为简化双频天线设计的整合困难度，以及解决已知技术整合困难的问题。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的流程图。

图2为本发明较佳实施例的一导电图形及一接地面的示意图。

图3为本发明较佳实施例的导电图形其阻抗匹配特性图。

图4A、图4B为本发明较佳实施例的导电图形的电流示意图。

图5为本发明较佳实施例的一双频天线的等效电路图。

图6为本发明较佳实施例的所述双频天线设计流程范例。

图7为本发明较佳实施例的双频天线反射损失测量示意图。

图8为RF各频带所包括的频率范围及波长对应图表。

附图标号

(51)电路板

(52)导电图形

(522)馈入点

(53)接地面

具体实施方式

请参考图1，为本发明的双频微型化天线设计方法的较佳实施例，其步骤包括：设计及布局第一频率天线10、计算共振频率天线补偿值20以及形成双频天线30；此外，请参见图8所示的RF各频带(Band)所包括频率(Frequency)范围及波长(Wavelength)对照图，其中本较佳实施例应用于Keyless天线系统，所述第一频率较佳的为315MHz或433MHz，而其相对应的共振频率较佳的为135KHz或125KHz，因此所述第一频率的所属频带较佳的为UHF，而所述共振频率所属频带较佳的为LF，然此仅为本发明的较佳实施例，并非用以局限所述第一频率及所述共振频率的可应用频带范围。

所述设计及布局第一频率天线10步骤中，依据使用范畴的需求，先确定天线的操作频率。本较佳实施例运用需要工作于两个以及两个以上操作频率的天线，因此，天线的操作频率至少包括一高频频率以及一低频频率，其中所述高频频率以及所述低频频率是较佳的各自属于不同频带。举例而言，本较佳实施例所设计的天线，其操作频率为125KHz以及433MHz，以此例而言，此二频率分属LF及UHF的频带范围，波长差异极大，因此较适以433MHZ作为第一频率，在此例中所述第一频率即为高频频率，但因应不同天线的设计需求，亦存在将第一频率设定为低频频率的可能。当操作频率决定之后，依据所决定的第一频率计算其对应的波长(c=f˙·λ₄₃₃)，并可推知所述第一频率工作的天线长度(λ₄₃₃/4)。

请参考图2，所述天线可以利用微导线技术，于一电路板51上布局形成一导电图形52以及一接地面53，所述导电图形52通常为螺旋状的导线图形，可为圆形、六角形或其它形状的螺旋状或为如图2所示的直角矩形螺旋图形，其中，所述导电图形52包括一馈入点522设于所述导电图形52外围的自由端。所述接地面53则设于邻近所述导电图形52的位置但与所述导电图形52形成隔绝。由于天线实际操作频率以及其特性(天线的辐射场形……等)与图形的布局方式有关，因此，所述导电图形52的绕线方式可以利用各种电脑辅助模拟设计软件(HFSS、Maxwell……)执行设计，确保所述导电图形52可以工作于所欲的操作频率。如本较佳实施例所示，所述导电图形52为具有多个弯折的矩形螺旋线段，其尺寸为：外径总宽度30mm、外径总高度10mm、线宽0.5mm、线距1mm、中央线宽1mm。所述接地面53的尺寸为40mm×30mm的矩形导电板体。当完成布局之后，可以先于所述导电图形52的操作频率，单独对所述导电图形52的单极天线进行测量，以鉴别所完成的导电图形52作为第一频率天线时的辐射效能、第一频率天线等效电容电感值(L、C)、操作频率以及阻抗匹配特性(如图3)等。

请参考图4A、图4B所示，设计所述导电图形52时，除了以线宽、尺寸及间距来改变天线的特性之外，所述导电图形52的匝数以及奇、偶绕线数也会影响天线的工作表现，例如，图4A(具有奇数的绕线数)的方式则比图4B(具有偶数的绕线数)的绕线方式为佳(箭头标示为电流方向)。当导电图形52的辐射表现及操作频率及特性的测量不佳时，可以重新模拟或对于绕线布局的方式进行调整，例如调整间距、绕线外型(改为圆形、六角形……等)，重复进行绕线布局、测量等步骤，直至满足天线工作效能需求为止。

所述计算共振频率天线补偿值20步骤中，完成所述导电图形52设计、制作及测量以确定其效果之后，利用一慢波效应(slow wave effect)计算所述导电图形52于所述共振频率(如前述的125KHz)产生谐振(共振)所需的一共振频率电容电感值(L’、C’)，并依据所述共振频率电容电感值(L’、C’)及所述第一频率天线10等效电容电感值(L、C)，计算得到一电抗补偿电容电感值(L_s、C_s)，即L_s=L’-L及C_s=C’-C。

其中，所谓的慢波效应，是指电磁波的相位速度(phase velocity，V_p)可以通过增加天线共振的电感与电容值而达成降低的效果，相速度与电感电容值的关系为：

其中，V_p为相位速度，L为电感值，C为电容值。相速度和波长的关系V_p=f·λ，其中f为共振频率，λ为共振频率的波长，所以在相同的共振频率下，降低相速度即可降低共振波长，即表示天线尺寸得以大幅地缩小。

所述形成双频天线30步骤中，是将前述步骤计算而得知电抗补偿电容电感(L_s、C_s)选择以实体电容或电感的元件组成的一电容电感电路（以并联或串联的方式）连接于所述导电图形52的馈入点522以及接地面53之间，连接后的等效电路可如图5所示。

请参考图6，是利用本发明设计操作频率为125KHz、433MHz的一车用防盗及无钥（keyless）遥控系统的双频天线设计流程，所述双频天线的反射损失S11如图7所示，可证实依据本较佳实施步骤，确实可以完成效果良好的双频天线。

其中图6是依照图1的设计流程所完成的较佳设计范例，此例中选定高频433.92MHz作为第一频率，计算后得出适当的天线长度约为173mm，此后在空间大小为30mm×10mm的面积上绕设螺旋形的第一频率天线，利用频谱分析仪(Network Analyzer,NA)的Smith Chart测量功能完成第一频率天线等效电容电感值(L=a、C=b)的测量，并确认第一频率天线效能符合需求后，再利用慢波效应计算另一低频共振频率为124.97KHz，计算后可再得到最佳的电抗补偿值L_s=L’-L=4.9-a、C_s=C’-C=331-b，最后依照所选定的最佳馈入点位置将补偿电抗与第一频率天线连接至接地面，完成双频微型化天线的设计。

进一步地，所述形成双频天线30步骤中，若实际测量的结果未如预期，可回到步骤10重新模拟或对于改变所述导电图形52及所述接地面53的尺寸、位置关系。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，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以权利要求所界定范围为准。

Claims (10)

1.一种双频微型化天线，其特征在于，所述双频微型化天线包括一电路板以及形成于所述电路板表面且相互隔离的一导电图形以及一接地面，所述导电图形为一具有多个弯折的导线线段且工作于一第一频率，所述导电图形包括一馈入点，所述馈入点设于所述导电图形的一自由端，所述导电图形以及所述接地面之间以一电容电感电路连接，连接所述电容电感电路之后的所述导电图形及所述接地面共同以慢波效应计算另一不同于所述第一频率的共振频率，其中，所述共振频率与所述电容电感电路的等效电抗值成反比关系。

2.如权利要求1所述的双频微型化天线，其特征在于，所述导电图形为绕设匝数为奇数的一螺旋线，所述馈入点设于所述螺旋线外围的自由端，所述接地面设于邻近所述导电图形的位置，且所述接地面与所述导电图形形成隔绝，且所述接地面为一大于所述螺旋线面积的导电板。

3.如权利要求2所述的双频微型化天线，其特征在于，

所述螺旋线可绕设为矩形、圆形或六角形任一者；以及

所述第一频率与所述共振频率的所属频带不同。

4.如权利要求3所述的双频微型化天线，其特征在于，所述第一频率所属频带为UHF，所述共振频率所属频带为LF。

5.如权利要求4所述的双频微型化天线，其特征在于，所述第一频率为315MHz或433MHz，所述共振频率为135KHz或125KHz。

6.如权利要求2所述的双频微型化天线，其特征在于，所述螺旋线的外径总宽度为30mm、外径总高度为10mm、线宽为0.5mm、线距为1mm以及位于中央的线段线宽为1mm，所述接地面的尺寸为40mm×30mm的矩形导电板体。

7.一种双频微型化天线设计方法，其特征在于，所述双频微型化天线设计方法的步骤包括：

设计及布局第一频率天线，是依据一天线所需的第一频率计算一导电图形以及一接地面的布局模拟，并依据模拟或测量结果取得所述导电图形的一第一频率天线等效电容电感值；

计算共振频率天线补偿值，依据所述天线所需的一共振频率，并通过慢波效应以计算其对应的一共振频率电容电感值，并以所述共振频率电容电感值与所述第一频率天线等效电容电感值计算一电抗补偿电容电感值，以具有所述电抗补偿电容电感值的一电感电容电路连接所述导电图形及所述接地面。

8.如权利要求7所述的双频微型化天线设计方法，其特征在于，所述导电图形的布局模拟是以螺旋线段的形式布局模拟，其中所述导电图形是绕设为矩形、圆形或六角形任一者。

9.如权利要求8所述的双频微型化天线设计方法，其特征在于，所述第一频率所属频带为UHF，所述共振频率所属频带为LF。

10.如权利要求9所述的双频微型化天线设计方法，其特征在于，所述第一频率为315MHz或433MHz，所述共振频率为135KHz或125KHz。

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