CN102800932B - 双频天线及相关的无线通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双频天线及相关的无线通信装置，实施例之一的双频天线包含有：一第一天线，该第一天线包含有：一第一辐射部，包含位于一电路基板的一第一平面上的多个分开的辐射条；一第二辐射部，包含位于该电路基板的一第二平面上的多个分开的辐射条；多个导孔，用以将该第一平面上的多个辐射条耦接于该第二平面上的多个辐射条，以构成一螺旋状的辐射本体；以及一第二天线，具有耦接于该第一辐射部或该第二辐射部的一平面状辐射部；一短路接脚，耦接于该平面状辐射部，并由该第一天线与该第二天线共用；以及一馈入接脚，耦接于该平面状辐射部，并由该第一天线与该第二天线共用。

Description

双频天线及相关的无线通信装置

技术领域

本发明涉及一种双频天线，尤指一种兼具小型化与高频宽特性的双频天线及相关的无线通信装置。

背景技术

天线是无线通信设备中重要的元件之一，却也经常是电路模块中面积、尺寸最大的元件之一。随着无线通信产品愈来愈强调轻、薄、短、小的趋势，天线的尺寸也必须不断缩小才能符合产品发展的方向。

有些无线通信装置需要支持多频段(例如2.4GHz频段和5GHz频段)传收的功能。这些无线通信装置需要配备多个天线，才能在不同的频段上传收无线信号。对于欲精简体积的无线通信装置而言，设置多个天线所需的空间，显然是造成装置整体体积难以进一步缩小的因素之一。

发明内容

因此，如何设计具有良好的天线辐射特性、尺寸精简、能在多频段收发信号、且具有足够频宽的天线结构，一直是业界长期来所遭遇到的难题。

本说明书提供了一种双频天线的实施例，其包含有：一第一天线，用于操作在一第一频段，该第一天线包含有：一第一辐射部，包含位于一电路基板的一第一平面上的多个分开的辐射条；一第二辐射部，包含位于该电路基板的一第二平面上的多个分开的辐射条；以及多个导孔，用以将该第一平面上的多个辐射条耦接于该第二平面上的多个辐射条，以构成一螺旋状的辐射本体；一第二天线，用于操作在一第二频段，该第二天线具有一平面状辐射部，耦接于该第一辐射部或该第二辐射部；一短路接脚，耦接于该平面状辐射部，并由该第一天线与该第二天线共用；以及一馈入接脚，耦接于该平面状辐射部，并由该第一天线与该第二天线共用；其中，该平面状辐射部的面积大于该第一辐射部及该第二辐射部中的每一辐射条，且该平面状辐射部的局部区域的宽度沿一第一方向逐渐增加。

本说明书还提供了一种无线通信装置的实施例，其包含有：一电路基板，包含有一第一平面、一第二平面以及一接地区；一第一天线，用于操作在一第一频段，该第一天线包含有：一第一辐射部，包含位于该第一平面上的多个分开的第一辐射条；一第二辐射部，包含位于该第二平面上的多个分开的第二辐射条；以及多个第一导孔，用以将该多个第一辐射条耦接于该多个第二辐射条，以使该第一天线呈一立体的螺旋状；一第二天线，用于操作在高于该第一频段的一第二频段，该第二天线具有耦接于该第一辐射部或该第二辐射部的一第一平面状辐射部；一第一短路接脚，耦接于该第一平面状辐射部，并由该第一天线与该第二天线共用；以及一第一馈入接脚，耦接于该第一平面状辐射部，并由该第一天线与该第二天线共用；其中，该第一平面状辐射部的面积大于该第一辐射部及该第二辐射部中的每一辐射条，并且该第一平面状辐射部的局部区域的宽度沿一第一方向逐渐增加。

附图说明

图1为本发明的无线通信装置的第一实施例简化后的局部透视图。

图2为图1的无线通信装置简化后的局部俯视图。

图3为本发明的无线通信装置的第二实施例简化后的局部透视图。

图4为图3的无线通信装置简化后的局部俯视图。

图5为本发明的无线通信装置的第三实施例简化后的局部透视图。

图6为图5的无线通信装置简化后的局部俯视图。

[主要元件符号说明]

100、300、500   无线通信装置

102、302  双频天线           110、310、510  电路基板

112、312、512  第一平面      114、314、514  第二平面

116、316、516  接地区        120、130、320、330  天线

122、124、322、324  辐射条   126、326  导孔

132、332  平面状辐射部       140、340  短路接脚

150、350  馈入接脚           210、410  轴线

具体实施方式

以下将配合相关附图来说明本发明的实施例。在这些附图中，相同的标号表示相同或类似的元件。

在说明书及后续的申请专利范围当中使用了某些词汇来指称特定的元件。所属领域中具有通常知识者应可理解，可能会有不同的名词用来称呼同样的元件。本说明书及后续的申请专利范围并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的基准。在通篇说明书及后续的请求项当中所提及的「包含」为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于...」。另外，「耦接」一词包含任何直接及间接的连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则代表第一装置可直接连接(包含通过电性连接、有线/无线传输、或光学传输等信号连接方式)于第二装置，或通过其他装置或连接手段间接的电性或信号连接至该第二装置。

请参考图1与图2。图1为本发明一实施例的无线通信装置100简化后的局部透视图。图2为无线通信装置100简化后的局部俯视图。无线通信装置100包含有一双频天线102以及一电路基板110。双频天线102包含有天线120、天线130、短路接脚140以及馈入接脚150。在本实施例中，天线120用于操作在一第一频段，例如2.4GHz频段，而天线130则用于操作在高于该第一频段的一第二频段，例如5GHz频段。

电路基板110包含有一第一平面112、一第二平面114以及一接地区116。实作上，第一平面112可位于电路基板110的上表面，而第二平面114可位于电路基板110的下表面，如图1所示。但这仅为一实施例，而非局限本发明的实际实施方式。例如，在电路基板110为多层板的实施例中，第一平面112可以为电路基板110的上表面或为多层板结构中的任一内层平面，而第二平面114则可以为电路基板110的下表面或为多层板结构中的另一内层平面。另外，电路基板110的接地区116可直接印刷在第一平面112或第二平面114的其中之一上，也可设置在电路基板110的多层板结构中的任一层板上。为简单起见，图1及图2中并未示出电路基板110上的其他元件。

天线120包含有设置在第一平面112上的多个分开的辐射条122，以及设置在第二平面114上的多个分开的辐射条124。这些辐射条122构成天线120的第一辐射部，而这些辐射条124则构成天线120的第二辐射部。实作上，前述的多个辐射条122可包含不同形状和长度的辐射条。例如，在图1的实施例中，天线120的第一辐射部包含两个相同形状的I字型辐射条122以及一个L字型辐射条122。同样地，前述的多个辐射条124也可包含不同形状和长度的辐射条。例如，在图1的实施例中，天线120的第二辐射部包含三个相同长度的I字型辐射条124以及一个长度较长的I字型辐射条124。

在制造上，可将各辐射条122直接印刷形成于第一平面112上，并将各辐射条124直接印刷形成于第二平面114上，以降低制造的复杂度和成本。

此外，天线120还包含有多个导孔126，用于将第一平面112上的多个辐射条122耦接于第二平面114上的多个辐射条124，以构成一立体的螺旋状辐射本体。

在一实施例中，天线120中的多个导孔126都是内侧涂布有导电性材料(例如铜)的导电性导孔。导电性导孔126在电路运作时会造成电感效应，使天线120的辐射本体长度得以小于天线120要传送和接收的无线电信号波长的四分之一。换言之，这些导孔126的设置能有效缩短天线120在一特定操作频率下所需的尺寸或辐射本体长度，进而有效降低天线120所需占用的空间大小。

天线130具有一平面状辐射部132。平面状辐射部132可直接印刷形成在天线120的第一辐射部或第二辐射部所在的层板上，并与天线120直接相连。或者，也可以通过导孔等方式将平面状辐射部132耦接于天线120的第一辐射部或第二辐射部。平面状辐射部132的面积会大于天线120的第一辐射部及第二辐射部中的每一辐射条。实作上，平面状辐射部132的主体形状可以大致上呈矩形、梯形、三角形、多边形、半圆形、钟形、不规则状等等。

为了使天线130能提供较大的操作频宽，平面状辐射部132的局部区域的宽度被设计成沿着一第一方向逐渐增加。另外，为了获得较佳的阻抗匹配，平面状辐射部132与电路基板110的接地区116之间的间隔，被设计成沿一第二方向逐渐增加。前述的第一方向与第二方向可以实质上垂直，或是具有一介于30度至150度之间的夹角。

例如，在图2的实施例中，平面状辐射部132的局部区域的宽度，会沿着方向D1逐渐增加，使得宽度w4大于宽度w3、宽度w3大于宽度w2、且宽度w2大于宽度w1，其中，w1至w4的范围介于2.5mm至5.5mm之间。平面状辐射部132与接地区116之间的间隔，则会沿方向D2逐渐增加，使得间隔g4大于间隔g3、间隔g3大于间隔g2、且间隔g2大于间隔g1，其中g1至g4的范围介于0.5mm至3.0mm之间。在本实施例中，方向D2与前述的方向D1两者是实质上垂直的。

短路接脚140可直接与天线130的平面状辐射部132相连，或是通过导孔等方式耦接于天线130的平面状辐射部132。馈入接脚150也可直接与天线130的平面状辐射部132相连，或是通过导孔等方式耦接于天线130的平面状辐射部132。在无线通信装置100中，短路接脚140和馈入接脚150由天线120与天线130两者共用。在双频天线102中，若以馈入接脚150定义出一轴线，则天线120有超过65％的面积会位于该轴线的一侧，而天线130的平面状辐射部132则有超过50％的面积会位于该轴线的另一侧。例如，在图2的实施例中，若以馈入接脚150定义出一轴线210，则天线120会完全位于轴线210的左侧，而天线130的平面状辐射部132则有超过70％的面积位于轴线210的右侧。

如图2所示，天线120的螺旋状辐射本体是从与天线130耦接处朝一方向D3螺旋伸展。方向D3与方向D1可以实质上垂直，或是具有一介于30度至150度之间的夹角。在本实施例中，方向D3与方向D1是实质上垂直的。实作上，并不限定天线120的螺旋状辐射本体是以顺时针方向或是以逆时针方向朝D3方向螺旋伸展。

在天线120操作在2.4GHz频段且天线130操作在5GHz频段的实施例中，前述的双频天线102只需使用约14mm×8mm的面积，即，可同时支持2.4GHz频段和5.15GHz至5.85GHz频段的操作，大幅提升了天线130的有效频宽，远高于传统的小型双频天线所能达到的水平。因此，前述的双频天线102很适合应用在小型的无线通信装置中，例如USB网卡。

请参考图3与图4。图3为本发明另一实施例的无线通信装置300简化后的局部透视图。图4为无线通信装置300简化后的局部俯视图。无线通信装置300包含有一双频天线302以及一电路基板310。双频天线302包含有天线320、天线330、短路接脚340以及馈入接脚350。在本实施例中，天线320用于操作在第一频段，例如2.4GHz频段，而天线330则用于操作在高于该第一频段的一第二频段，例如5GHz频段。

电路基板310包含一第一平面312、一第二平面314以及一接地区316。电路基板310的结构和实施方式与前述的实施例相同，为简单起见，在此不再重复叙述。

天线320包含有设置于第一平面312上的多个分开的辐射条322，以及设置于第二平面314上的多个分开的辐射条324。这些辐射条322构成天线320的第一辐射部，而这些辐射条324则构成天线320的第二辐射部。实作上，这些辐射条322可包含不同形状和长度的辐射条。例如，在图3的实施例中，天线320的第一辐射部包含两个相同长度的I字型辐射条322以及一个长度较短的I字型辐射条322。同样地，前述的多个辐射条324也可包含不同形状和长度的辐射条。如图所示，天线320的螺旋方向为方向D6。

在制造上，可将各辐射条322直接印刷形成于第一平面312上，并将各辐射条324直接印刷形成于第二平面314上，以降低制造的复杂度和成本。

此外，天线320还包含有多个导孔326，用于将第一平面312上的多个辐射条322耦接于第二平面314上的多个辐射条324，以构成一立体的螺旋状辐射本体。

天线320的导孔326都是内侧涂布有导电性材料(例如铜)的导电性导孔。导电性导孔326在电路运作时会造成电感效应，使天线320的辐射本体长度得以小于天线320要传送和接收的无线电信号波长的四分之一，可有效降低天线320所需占用的空间大小。

天线330具有一平面状辐射部332。平面状辐射部332可直接印刷形成在天线320的第一辐射部或第二辐射部所在的层板上，并与天线320直接相连。或者，也可以通过导孔等方式将平面状辐射部332耦接于天线320的第一辐射部或第二辐射部。平面状辐射部332的面积会大于天线320的第一辐射部及第二辐射部中的每一辐射条。实作上，平面状辐射部332的主体形状可以大致上呈矩形、梯形、三角形、多边形、半圆形、钟形、不规则状等等。

为了使天线330能提供较大的操作频宽，平面状辐射部332的局部区域的宽度被设计成沿着一第四方向逐渐增加。另外，为了获得较佳的阻抗匹配，平面状辐射部332与电路基板310的接地区316之间的间隔，被设计成沿一第五方向逐渐增加。前述的第四方向与第五方向可以实质上垂直，或具有一介于30度至150度之间的夹角。

例如，在图4的实施例中，平面状辐射部332的局部区域的宽度，会沿着方向D4逐渐增加，使得宽度w8大于宽度w7、宽度w7大于宽度w6、且宽度w6大于宽度w5，其中w5至w8的范围介于2.5mm至5.5mm之间。平面状辐射部332与接地区316之间的间隔，则会沿方向D5逐渐增加，使得间隔g8大于间隔g7、间隔g7大于间隔g6、且间隔g6大于间隔g5，其中g5至g8的范围介于0.5mm至3.0mm之间。在该实施例中，方向D4与方向D5两者是实质上垂直的。

短路接脚340可直接与天线330的平面状辐射部332相连，或是通过导孔等方式耦接于天线330的平面状辐射部332。馈入接脚350也可直接与平面状辐射部332相连，或是通过导孔等方式耦接于平面状辐射部332。在无线通信装置300中，短路接脚340和馈入接脚350由天线320与天线330两者共用。

在双频天线302中，若以馈入接脚350定义出一轴线，则天线320有超过65％的面积会位于该轴线的一侧，而天线330的平面状辐射部332则有超过50％的面积会位于该轴线的另一侧。例如，在图4的实施例中，若以馈入接脚350定义出一轴线410，则天线320会位于轴线410的右侧，而天线330的平面状辐射部332则会位于轴线410的左侧。

如图4所示，天线320的螺旋状辐射本体是从与天线330耦接处朝一方向D6螺旋伸展。方向D6与方向D4可以实质上垂直，或是具有一介于30度至150度之间的夹角。在本实施例中，方向D6与方向D4是实质上垂直的。实作上，并不限定天线320的螺旋状辐射本体是以顺时针方向或是以逆时针方向朝D6方向螺旋伸展。

与图1和图2的实施例相同，图3和图4中的双频天线302只需要非常小的空间(仅约14mm×8mm)，即可同时支持2.4GHz频段和5.15GHz至5.85GHz频段的操作，并且大幅提升天线330的有效频宽，相当适合应用在小型的无线通信装置中，例如USB网卡。

在现有的USB网卡等小型无线通信装置中，天线的配置很难同时支持双频操作又兼具多输入多输出(multiple-input-multiple-output，MIMO)的功能。因为小型无线通信装置内的空间有限，两副双频天线间难以取得足够的隔离距离，常会发生两支双频天线信号耦合的情况，因而对无线通信装置的信号传输效能造成不良的影响。

然而，应用前述的双频天线102及/或双频天线302的架构，即可顺利克服现有技术的问题。

请参考图5与图6的实施例。图5为本发明另一实施例的无线通信装置500简化后的局部透视图。图6为无线通信装置500简化后的局部俯视图。无线通信装置500包含有前述的双频天线102和双频天线302、以及电路基板510。在本实施例中，双频天线102的天线120和双频天线302的天线320都是用于操作在第一频段，例如2.4GHz频段，而双频天线102的天线130和双频天线302的天线330则都是用于操作在高于该第一频段的第二频段，例如5GHz频段。

电路基板510包含一第一平面512、一第二平面514以及一接地区516。电路基板510的结构和实施方式与前述的电路基板110和310相类似，为简单起见，在此不再重复叙述。

在图5和图6的实施例中，由于双频天线102和双频天线302皆能在第一频段和第二频段收发信号，故能支持多输入多输出的应用。

如图所示，双频天线102的天线120的螺旋状辐射本体从与天线130耦接处朝方向D3螺旋伸展，而双频天线302的天线320的螺旋状辐射本体则从与天线330耦接处朝方向D6螺旋伸展。方向D3和方向D6间的夹角越接近180度，双频天线102与双频天线302间的信号耦合效应就越低。因此，当方向D3和方向D6实质上相反时，可将双频天线102与双频天线302间的信号耦合效应情况降至最低。

另外，在无线通信装置500中，会将电路基板510的接地区516设置在天线130与天线330之间，以利用接地区516来做为双频天线102与双频天线302间的电气阻隔元件，以降低双频天线102与双频天线302间的信号耦合情况。当接地区516的边缘被设计成多段直角型式时，可进一步增强双频天线102与双频天线302间的电气阻隔效果。

实作上，可将天线120的第一辐射部与天线320的第一辐射部设置在电路基板510的同一平面上，也可将两者分设在电路基板510的不同平面上。例如，在一实施例中，天线120的第一辐射部与天线320的第一辐射部都是设置在第一平面512。在另一实施例中，天线120的第一辐射部是设置在第一平面512上，而天线320的第一辐射部则是设置在第二平面514上。

此外，双频天线102的天线130与双频天线302的天线330，可设置在电路基板510的同一平面上，例如第一平面512。或者，也可将天线130和天线330分别设置在电路基板510的不同平面上。例如，可将天线130设置在第一平面512，并将天线330设置在第二平面514。

在图5和图6的实施例中，利用双频天线102与双频天线302的搭配，来实现兼具双频操作及多输入多输出功能的天线架构。由于双频天线102和302的尺寸都很小，因此两者的搭配使用也不会占用太多空间。在天线120与320都操作在2.4GHz频段且天线130与330都操作在5GHz频段的实施例中，前述的双频天线102与双频天线302的搭配组合，只需使用约22mm×17mm的面积即可实现。这样的天线架构不仅支持双频操作(例如2.4GHz频段和5.15GHz至5.85GHz频段)，同时可大幅提升天线130与330的有效频宽，并可支持多输入多输出的功能。因此，本发明提出的天线架构很适合应用在USB网卡等小型的无线通信装置中。

实作上，利用两支双频天线102的搭配，或是两支双频天线302的搭配，都能达到类似的功能和优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (14)

1.一种双频天线，包含有：

一第一天线，用于操作在一第一频段，所述第一天线包含有：

一第一辐射部，包含位于一电路基板的一第一平面上的多个分开的辐射条；

一第二辐射部，包含位于所述电路基板的一第二平面上的多个分开的辐射条；以及

多个导孔，用以将所述第一平面上的多个辐射条耦接于所述第二平面上的多个辐射条，以构成一螺旋状的辐射本体；

一第二天线，用于操作在一第二频段，所述第二天线具有耦接于所述第一辐射部或所述第二辐射部的一平面状辐射部；

一短路接脚，耦接于所述平面状辐射部，并由所述第一天线与所述第二天线共用；以及

一馈入接脚，耦接于所述平面状辐射部，并由所述第一天线与所述第二天线共用；

其中，所述平面状辐射部的面积大于所述第一辐射部及所述第二辐射部中的每一辐射条，且所述平面状辐射部的局部区域的宽度沿一第一方向逐渐增加。

2.根据权利要求1所述的双频天线，其中，所述第一天线的辐射本体长度小于所述天线要传送和接收的无线电信号波长的四分之一。

3.根据权利要求2所述的双频天线，其中，所述第一天线的辐射本体从与所述第二天线耦接处朝一第三方向螺旋伸展。

4.根据权利要求2所述的双频天线，其中，所述平面状辐射部与一接地区之间的间隔沿一第二方向逐渐增加。

5.根据权利要求4所述的双频天线，其中，所述第一方向与所述第二方向实质上垂直。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的双频天线，其中，所述第一天线有超过65％的面积位于所述馈入接脚所定义的一轴线的一侧，而所述平面状辐射部有超过50％的面积位于所述轴线的另一侧。

7.一种无线通信装置，包含有：

一电路基板，包含有一第一平面、一第二平面、以及一接地区；

一第一天线，用于操作在一第一频段，所述第一天线包含有：

一第一辐射部，包含位于所述第一平面上的多个分开的第一辐射条；

一第二辐射部，包含位于所述第二平面上的多个分开的第二辐射条；以及

多个第一导孔，用以将所述多个第一辐射条耦接于所述多个第二辐射条，以使所述第一天线呈一立体的螺旋状；

一第二天线，用于操作在高于所述第一频段的一第二频段，所述第二天线具有耦接于所述第一辐射部或所述第二辐射部的一第一平面状辐射部；

一第一短路接脚，耦接于所述第一平面状辐射部，并由所述第一天线与所述第二天线共用；以及

一第一馈入接脚，耦接于所述第一平面状辐射部，并由所述第一天线与所述第二天线共用；

其中，所述第一平面状辐射部的面积大于所述第一辐射部及所述第二辐射部中的每一辐射条，且所述第一平面状辐射部的局部区域的宽度沿一第一方向逐渐增加。

8.根据权利要求7所述的无线通信裝置，还包含有：

一第三天线，用于操作在所述第一频段，所述第三天线包含有：

一第三辐射部，包含多个分开的第三辐射条；

一第四辐射部，包含多个分开的第四辐射条；以及

多个第二导孔，用以将所述多个第三辐射条耦接于所述多个第四辐射条，以使所述第三天线呈一立体的螺旋状；

一第四天线，用于操作在所述第二频段，所述第四天线具有耦接于所述第三辐射部或所述第四辐射部的一第二平面状辐射部；

一第二短路接脚，耦接于所述第二平面状辐射部，并由所述第三天线与所述第四天线共用；以及

一第二馈入接脚，耦接于所述第二平面状辐射部，并由所述第三天线与所述第四天线共用；

其中，所述接地区位于所述第二天线与所述第四天线之间，所述第二平面状辐射部的面积大于所述第三辐射部及所述第四辐射部中的每一辐射条，且所述第二平面状辐射部的局部区域的宽度沿一方向逐渐增加。

9.根据权利要求8所述的无线通信装置，其中，所述第一天线的辐射本体长度小于所述第一天线要传送和接收的无线电信号波长的四分之一，且所述第三天线的辐射本体长度小于所述第三天线要传送和接收的无线电信号波长的四分之一。

10.根据权利要求9所述的无线通信装置，其中，所述第一天线从与所述第二天线耦接处朝一第三方向螺旋伸展，所述第三天线从与所述第四天线耦接处朝一第六方向螺旋伸展，且所述第三方向与所述第六方向实质上相反。

11.根据权利要求8所述的无线通信装置，其中，所述第一平面状辐射部与所述接地区之间的间隔沿一第二方向逐渐增加。

12.根据权利要求11所述的无线通信装置，其中，所述第一方向与所述第二方向实质上垂直。

13.根据权利要求12所述的无线通信装置，其中，所述第二平面状辐射部的局部区域的宽度沿所述第一方向逐渐增加。

14.根据权利要求7至13中的任一项所述的无线通信装置，其中，所述第一天线有超过65％的面积位于所述第一馈入接脚所定义的一轴线的一侧，所述第一平面状辐射部有超过50％的面积位于所述轴线的另一侧。