CN102157794A - 谐振产生的三频段天线 - Google Patents
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Abstract
本发明关于一种谐振产生的三频段天线、以及设置有该三频段天线的携带式电子装置，三频段天线包括：一绝缘介质层，具有第一表面及第二表面；一第一辐射元件，设置于第一表面，用以谐振第一工作频段，其具有第一中心频率；一第二辐射元件，用以与第一辐射元件谐振出第二工作频段，其具有第二中心频率，且第二中心频率大于第一中心频率，第二辐射元件设置于第二表面，其是隔着该绝缘介质层迭合至第一辐射元件下方，而与第一辐射元件间产生寄生电容；一馈入元件；一接地元件；其中，第一辐射元件与第二辐射元件的寄生电容与第二辐射元件的寄生电感谐振产生第三工作频段，其具有第三中心频率，且第三中心频率大于第二中心频率。
Description
技术领域
本发明是关于一种谐振产生的三频段天线，尤指一种不需增加天线尺寸即可同时于三个不同频段内发射及接收信号的三频段天线。
背景技术
近年来，具无线通讯功能的电子装置日益普遍，各种通讯协议一一被制订，许多无线通讯的频段开放，因此内建于例如笔记型计算机等的电子装置中的天线，其操作频段须涵盖多个不同的工作频段以符合不同无线通讯网路所需。
平面倒F式天线(Planar Inverted-F Antenna，PIFA)由于结构简单、制作方便、易整合、低姿态(Low Profile)、效能佳、体积小等优点，因此被广泛应用于可携式电子装置中。请参照图1，图1是已知的具有一工作频段的平面倒F式天线的示意图，如图1所示，平面倒F式天线1包括辐射部11、接地部12、馈入部13、接地元件14、以及馈入元件15，其中接地部12是连接至接地元件14，馈入部13是连接至馈入元件15以进行馈入，馈入部13较佳是为一同轴电缆且其外围的接地层131是连接至接地元件14；其中，辐射部11的长度L11需为欲振出的工作频段的中心频率的四分之一波长或其倍数。
已知技术中，天线中的辐射元件数目是随着所欲得出的工作频段的数目而增加，即，双频段天线需具有两个辐射元件，而具有三个工作频段的天线必须有三个辐射元件以分别振出三个工作频段，因此适用于多工作频段的无线通讯电子装置，由于其内建的多频段天线体积庞大，而无法迎合消费者对可携式电子产品轻薄短小的期待。
发明内容
鉴于上述已知的三频段天线尚有改进空间，本发明的一目的，是提供一种在不增加天线尺寸的情况下，以两辐射元件可谐振产生出三个工作频段的三频段天线。
依据本发明的一特色，本发明是提出一种谐振产生的三频段天线，其包括：一绝缘介质层，具有一第一表面以及一第二表面；一第一辐射元件，是设置于第一表面，用以谐振第一工作频段，其是具有第一中心频率，第一辐射元件上设置有一馈入部以及一接地部；一第二辐射元件，是用以与第一辐射元件谐振出第二工作频段，其是具有第二中心频率，且第二中心频率是大于第一中心频率，第二辐射元件设置于第二表面，其是隔着绝缘介质层迭合至第一辐射元件下方，而与第一辐射元件之间产生一寄生电容；一馈入元件，是连接至馈入部以进行馈入；以及一接地元件，是与接地部相连；其中，第一辐射元件与第二辐射元件的寄生电容与第二辐射元件的寄生电感谐振产生第三工作频段，其是具有第三中心频率，且第三中心频率是大于第二中心频率。
附图说明
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下，其中：
图1是已知的具有一工作频段的平面倒F式天线的示意图。
图2A是本发明一较佳实施例的三频段天线的第一表面的立体图。
图2B是本发明一较佳实施例的三频段天线的第二表面的立体图。
图3是本发明一较佳实施例的三频段天线的第二辐射元件在高频电磁波感应的情况下的阻抗变化图。
图4是本发明一较佳实施例的三频段天线的反射损耗频率响应图。
图5是本发明一较佳实施例的三频段天线以同轴电缆方式馈入的方块图。
图6是将本发明一较佳实施例的三频段天线设置于笔记型计算机中的示意图。
图7A是本发明一较佳实施例的以共面波导的方式进行馈入的三频段天线的立体图。
图7B是本发明一较佳实施例的以共面波导的方式进行馈入的三频段天线的馈入线的参考接地的示意图。
图8A是本发明一较佳实施例的以微带线的方式进行馈入的三频段天线的立体图。
图8B是本发明一较佳实施例的以微带线的方式进行馈入的三频段天线的微带线的参考接地的示意图。
图9是于本发明一较佳实施例的三频段天线设置匹配网络的方块图。
图10是本发明一较佳实施例的以弹针的方式进行馈入的三频段天线的立体图。
图11是本发明一较佳实施例的三频段天线的第二辐射元件的示意图。
具体实施方式
请参照图2A及图2B，图2A及图2B是分别为本发明一较佳实施例的三频段天线2的第一表面211及第二表面212的立体图，三频段天线2包括：绝缘介质层21、接地元件22、第一辐射元件23、第二辐射元件24、以及馈入元件25，其中绝缘介质层21是由不导电材料所构成，可为一印刷电路板基板、或空气，较佳是为一FR4材质的矩形印刷电路板基板，而接地元件22、第一辐射元件23、以及第二辐射元件24较佳是为薄层金属。
绝缘介质层21具有第一表面211以及第二表面212，第一辐射元件23设置于第一表面211，其上设置有馈入部231以及接地部232，接地部232较佳是与接地元件22相连；第二辐射元件24设置于第二表面212，且第二辐射元件24是隔着绝缘介质层21迭合至第一辐射元件23下方，而与第一辐射元件23之间产生一寄生电容；馈入元件25连接至馈入部231以进行馈入；在本实施例中，接地元件22是设置于第一表面211，但不局限于设置于第一表面211，其亦可设置于第二表面212并以导线连接至接地部232，馈入元件25是为一同轴电缆251，且其外围的接地层233是连接至接地部232。
如图2A及图2B所示，第一辐射元件23是为一蜿蜒线(Meander-line)状区块，其具有一缺口长度S；第二辐射元件24较佳是为一L型区块，其具有长边241、以及短边242，其中长边241较佳是切齐于第一辐射元件23的边缘，短边242的长度较佳是相同于第一辐射元件23的缺口长度S，以与第一辐射元件23之间产生寄生电容。
第一辐射元件23的总长度L23较佳是为频率为第一中心频率f1的电磁波的四分之一波长或其倍数，以谐振第一工作频段BWf1，其是具有第一中心频率f1；第二辐射元件24的总长度L24较佳是为频率为第二中心频率f2的电磁波的四分之一波长或其倍数，以与第一辐射元件23谐振出第二工作频段BWf2，其是具有第二中心频率f2；且第一辐射元件23与第二辐射元件24的寄生电容与第二辐射元件24的寄生电感谐振产生第三工作频段BWf3，其是具有第三中心频率f3；其中，第二中心频率f2大于第一中心频率f1，且第三中心频率f3大于第二中心频率f2。
因此，若欲调整本发明的三频段天线2的三个频段BWf1、BWf2以及BWf3，由于第一辐射元件23的总长度较佳是为频率为第一中心频率f1的电磁波的四分之一波长或其倍数，因此对第一辐射元件23的尺寸进行调整可决定三频段天线2的第一工作频段BWf1；而由于第二工作频段BWf2及第三工作频段BWf3是由第二辐射元件24分别与第一辐射元件23及寄生电容谐振所产生，因此可由调整第二辐射元件24的形状大小来微调第二工作频段BWf2、第三工作频段BWf3以及阻抗匹配，最后再对接地元件22的大小进行微调以最佳化匹配。
请参照图3，图3是本发明一较佳实施例的三频段天线2的第二辐射元件24在高频电磁波感应的情况下的阻抗变化图。由于第二辐射元件24的阻抗等效于串接一电容以及一电感，在低频的情况下，其电容及电感的特性并不明显，但在高频电磁波感应于第二辐射元件24上的情况下，若高频电磁波的频率小于3.5GHz，则第二辐射元件24会表现出电容特性，称作寄生电容，而若其频率大于3.5GHz，则第二辐射元件24会表现出电感特性，称作寄生电感。
请参照图4，图4是本发明一较佳实施例的三频段天线2的反射损耗频率响应图，其是为实际量测而得。在本实施例中，绝缘介质层21为一FR4材质的矩形印刷电路板基板，其介电是数为4，尺寸为长22mm、宽9mm、厚度0.4mm，接地元件22、第一辐射元件23以及第二辐射元件24均为厚度0.02mm的铜箔。由图4可知，三频段天线2的第一工作频段BWf1是为2.2GHz至2.8GHz，第一中心频率f1为2.5GHz，第二工作频段BWf2为3GHz至4GHz，第二中心频率f2为3.5GHz，第三工作频段BWf3为4.2GHz至6GHz，第三中心频率f3为5GHz，因此本发明的三频段天线可分别满足Wi-Fi及WiMAX所需的2GHz频段、WiMAX所需的3GHz频段、以及802.11a及WiMAX所需的5GHz频段，即目前无线局域网络以及WiMAX的所有频段。
请同时参照图2A以及图5，图5是本发明一较佳实施例的三频段天线2以同轴电缆(coaxial cable)方式馈入的方块图。本发明的三频段天线2是以同轴电缆251连接至无线模块51，其较佳是以连接器或焊接连接；同轴电缆251的一端是连接至三频段天线2的馈入部231，且其接地层233是连接至三频段天线2的接地部22以最佳化阻抗匹配，同轴电缆251的另一端连接至无线模块51；无线模块51是通过供电接口由电源芯片52供电，并通过实体传输接口与系统的南桥/接口控制芯片53相连接以传输资料。以本方式进行馈入可应用于笔记型计算机中，请参照图6，图6是将本发明一较佳实施例的三频段天线2设置于笔记型计算机6中的示意图，本发明的三频段天线2是设置于显示面板61上方，并通过同轴电缆251连接至无线模块62，而接地元件22较佳是连接至笔记型计算机6的机壳接地以使匹配最佳化，应注意的是，三频段天线2应避免接近例如扬声器、震动马达等的金属对象，且其后方投影处不得使用金属机壳，以避免屏蔽效应及确保其有最佳辐射效率。
除了以前述同轴电缆(coaxial cable)的方式进行馈入之外，本发明的三频段天线2亦可以共面波导(co-plane waveguide)、微带线(microstrip line)、以及弹针(pogo pin)等方式进行馈入。若以共面波导或微带线方式进行馈入，可将本发明的三频带天线2直接设计于电子装置的印刷电路板上，以印刷电路板上下表层的铜箔作为本发明的第一辐射元件23以及第二辐射元件24，并直接以印刷电路线于印刷电路板上的方式对第一辐射元件23进行馈入，如此，对制造厂商来说，本发明的三频带天线2除了不需增加额外的成本及体积，更可用于例如手机等的小型携带式电子装置，以符合电子产品小型化的趋势。请参照图7A，图7A是本发明一较佳实施例的以共面波导(co-plane waveguide)的方式进行馈入的三频段天线2的立体图，其中绝缘介质层21的第一表面211上设置有接地元件22、第一辐射元件23、馈入元件25、以及匹配网络26，第二表面212上设置有第二辐射单元24；馈入元件25是为一馈入线252，其是以直接印刷电路线于第一表面211的方式形成，其一端连接至馈入部231，另一端是与图9中所述的系统芯片91相连接；接地元件22是围绕于馈入线252的两侧，且是与接地部232相连；匹配网络26是设置于馈入线252上，在本实施例中，匹配网络26包括被动元件261-263，其是可为电容或电感。
请参照图7B，图7B是本发明一较佳实施例的以共面波导(co-planewaveguide)的方式进行馈入的三频段天线2的馈入线252的参考接地的示意图，如图7B所示，接地元件22位于馈入线252的两侧，因此馈入线252上的高速信号是以接地元件22作为参考接地，以避免信号干扰以及被干扰。
请同时参照图8A与图8B，图8A是本发明一较佳实施例的以微带线(micro strip line)的方式进行馈入的三频段天线2的立体图，图8B是本发明一较佳实施例的以微带线(micro strip line)的方式进行馈入的三频段天线2的微带线253的参考接地的示意图。其中绝缘介质层21的第一表面211上设置有第一辐射元件23、馈入元件25、以及匹配网络26，第二表面212上设置有接地元件22、以及第二辐射单元24，第一辐射元件23的接地部232较佳是以过孔线255连接至接地元件22；馈入元件25是为一微带线253，其是以印刷电路线于第一表面211的方式连接至馈入部231，接地元件22是隔着绝缘介质层21位于微带线253的下方，微带线253上的高速信号是以接地元件22作为参考的接地面，以避免信号干扰及被干扰；匹配网络26较佳是设置于微带线253上，在本实施例中，匹配网络26包括被动元件261-263，其是分别可为电容或电感，被动元件263的接地脚是经过孔线255连接至接地元件22。
请参照图9，图9是于本发明一较佳实施例的三频段天线2设置匹配网络26的方块图，其可应用于上述以共面波导以及微带线方式进行馈入的三频段天线2，是于馈入元件25上设置匹配网络26以对三频段天线2的第一工作频段BWf1、第二工作频段BWf2以及第三工作频段BWf3进行微调，其中匹配网络26较佳是包括至少一被动元件，其是用以依匹配情况进行适当调整；三频段天线2经馈入元件25连接至系统芯片91，系统芯片91是通过供电接口由电源芯片92供电，并通过实体传输接口与系统的南桥/接口控制芯片93相连接。
请参照图10，图10是本发明一较佳实施例的以弹针(pogo pin)的方式进行馈入的三频段天线2的立体图，其是以弹针254连接至第一辐射元件23的馈入部231，以由馈入元件25引出信号；在本实施例中，绝缘介质层21是为空气，在此空气层的两边即相当于绝缘介质层21的第一表面211以及第二表面212，第一辐射元件23的接地部232是连接至印刷电路板上的接地元件，或连接至装置有该三频段天线2的电子装置中其它大面积的接地面，而第二辐射元件24是贴附于任何非金属材料上，第一辐射元件23与第二辐射元件24之间之间距t是依所欲谐振出的工作频段进行调整。
请参照图11，图11是本发明一较佳实施例的三频段天线2的第二辐射元件24的示意图，如图11所示，本发明的三频段天线2并未对第二辐射元件24的形状进行限定，但应注意的是，第二辐射元件24的总长度L24需为频率为第二中心频率f2的电磁波的四分之一波长或其倍数，并可由调整第二辐射元件24的形状对三频段天线2的工作频段进行微调。
综上所述，本发明的三频段天线是于已知的平面倒F式天线后方放置一金属片以使其耦合而产生新的谐振点，即，以两个辐射元件振出三个工作频段，因此本发明的三频段天线可于不增加天线尺寸及成本的情况下新增两个工作频段，因而可提供一完整的天线配置以供多种无线通讯标准使用。再者，由于不增加天线尺寸及成本，因此本发明更适合设置于例如笔记型计算机、个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)、或携带式行动电话等的携带式电子装置内，以符合消费者对可携式电子产品轻薄短小的期待。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以权利要求范围所述为准，而非仅限于上述实施例。
Claims (22)
1.一种谐振产生的三频段天线，其包括：
一绝缘介质层，具有一第一表面以及一第二表面；
一第一辐射元件，设置于该第一表面，用以谐振第一工作频段，其具有第一中心频率，该第一辐射元件上设置有一馈入部以及一接地部；
一第二辐射元件，用以与该第一辐射元件谐振出第二工作频段，其具有第二中心频率，且该第二中心频率大于该第一中心频率，该第二辐射元件设置于该第二表面，其隔着该绝缘介质层迭合至该第一辐射元件下方，而与该第一辐射元件之间产生一寄生电容；
一馈入元件，连接至该馈入部以进行馈入；以及
一接地元件，与该接地部相连；
其中，该第一辐射元件与第二辐射元件的寄生电容与该第二辐射元件的寄生电感谐振产生第三工作频段，其具有第三中心频率，且该第三中心频率大于该第二中心频率。
2.如权利要求1所述的谐振产生的三频段天线，其中该接地元件设置于该第一表面，并直接与该接地部相接。
3.如权利要求1所述的谐振产生的三频段天线，其中该馈入元件为一同轴电缆。
4.如权利要求1所述的谐振产生的三频段天线，其中该馈入元件为一馈入线且设置于该第一表面；该接地元件设置于该第一表面且围绕于该馈入线的两侧。
5.如权利要求4所述的谐振产生的三频段天线，其还包括一匹配网络，其包括至少一被动元件，用以对该第一工作频段、该第二工作频段以及该第三工作频段进行调整。
6.如权利要求1所述的谐振产生的三频段天线，其中该馈入元件为一馈入线且设置于该第一表面；该接地元件设置于该第二表面，隔着该绝缘介质层位于该馈入元件下方，并以导线与该接地部相连。
7.如权利要求6所述的谐振产生的三频段天线，其还包括一匹配网络，其包括至少一被动元件，用以对该第一工作频段、该第二工作频段以及该第三工作频段进行调整。
8.如权利要求4或6所述的谐振产生的三频段天线，其中该馈入线是印刷电路板上的印刷电路线。
9.如权利要求1所述的谐振产生的三频段天线，其中该馈入元件是以弹针方式接触该馈入部。
10.如权利要求1所述的谐振产生的三频段天线，其中该第二辐射元件为一L型区块。
11.如权利要求1所述的谐振产生的三频段天线，其中该第一辐射元件为一蜿蜒线状区块。
12.如权利要求11所述的谐振产生的三频段天线，其中该第一辐射元件具有一缺口长度；该第二辐射元件具有一长边、以及一短边，该长边是切齐于该第一辐射元件的边缘，该短边的长度相同于该缺口长度。
13.如权利要求1所述的谐振产生的三频段天线，其中该第一辐射元件的总长度是为频率为该第一中心频率的电磁波的四分之一波长或其倍数。
14.如权利要求1所述的谐振产生的三频段天线，其中该第二辐射元件的总长度是为频率为该第二中心频率的电磁波的四分之一波长或其倍数。
15.如权利要求1所述的谐振产生的三频段天线，其中该第一中心频率为2.5GHz，且该第一工作频段为2.2GHz至2.8GHz。
16.如权利要求1所述的谐振产生的三频段天线，其中该第二中心频率为3.5GHz，且该第二工作频段为3GHz至4GHz。
17.如权利要求1所述的谐振产生的三频段天线，其中该第三中心频率为5GHz，且该第三工作频段为4.2GHz至6GHz。
18.如权利要求1所述的谐振产生的三频段天线，其中该绝缘介质层为一印刷电路板基板、或空气。
19.如权利要求18所述的谐振产生的三频段天线，其中该印刷电路板基板为一FR4材质的矩形印刷电路板基板。
20.如权利要求1所述的谐振产生的三频段天线，其中该接地元件、该第一辐射元件以及该第二辐射元件均为薄层金属。
21.一种携带式电子装置，其设置有一三频段天线，该三频段天线包括：
一绝缘介质层，具有一第一表面以及一第二表面；
一第一辐射元件，设置于该第一表面，用以谐振第一工作频段，其具有第一中心频率，该第一辐射元件上设置有一馈入部以及一接地部；
一第二辐射元件，用以与该第一辐射元件谐振出第二工作频段，其具有第二中心频率，且该第二中心频率大于该第一中心频率，该第二辐射元件设置于该第二表面，其是隔着该绝缘介质层迭合至该第一辐射元件下方，而与该第一辐射元件之间产生一寄生电容；
一馈入元件，连接至该馈入部以进行馈入；以及
一接地元件，与该接地部相连；
其中，该第一辐射元件与第二辐射元件的寄生电容与该第二辐射元件的寄生电感谐振产生第三工作频段，其具有第三中心频率，且该第三中心频率大于该第二中心频率。
22.如权利要求21所述的携带式电子装置是为一笔记型计算机、一个人数字助理或一携带式行动电话。
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