CN104868248A - 宽带天线 - Google Patents

Abstract

一种宽带天线。该宽带天线用于无线通信装置，包括：基板；接地组件，用来提供接地；第一辐射体，包括第一及第二区段，第一与第二区段相连接且大致相互垂直，且第一区段电性连接于接地组件，第二区段沿一方向延伸；第二辐射体，耦合于第一辐射体；第三辐射体，其两端分别电性连接于第二辐射体及接地组件；以及信号馈入组件，电性连接于第三辐射体，以传送或接收射频信号；其中，第一、第二及第三辐射体的排列方式是以第一辐射体的第一区段、第二辐射体及第三辐射体的顺序沿该方向依次形成于基板上。本发明可增加天线带宽、提升辐射效率、缩小天线尺寸，且在全部工作频段下皆可符合安全规范SAR的规范，还可使天线适用多种不同频段的无线通信系统。

Description

宽带天线

技术领域

本发明指一种宽带天线，尤指一种具有高辐射效率且可符合安全规范的微小型宽带天线。

背景技术

随着具有无线通信功能的移动装置（如平板计算机、笔记本型计算机、移动电话等）成为人们不可缺少的日常工具后，无线网络的应用日益增加，人们对于传输速率的需求也跟着提升。而长期演进技术（Long Term Evolution，LTE）的兴起，对天线的带宽需求增大，理论上天线的尺寸也需随着加大。然而，无线通信产品外观尺寸追求轻薄短小，天线相对地贴近人体，因此安全规范SAR（Specific Absorption Rate，特定吸收率）成为设计天线时必要的考虑。为了符合安全规范SAR的规范，移动通信装置天线设计通常会避免使用立体空间的天线形式，然而即使是平面天线，也未必能够完全符合安全规范SAR的要求，如此一来，同时要设计出天线辐射效率佳、带宽够宽、尺寸够小，且能符合安全规范SAR测试的认证更为不易。

常见的适用于LTE频段的宽带平面天线架构为平面倒F天线（Planar Inverted-FAntenna，PIFA）、单极天线/寄生单元（Monopole/Parasitic part）结合的耦合型天线。其中，平面倒F天线有导电引脚可辅助阻抗匹配，但需要较大的延展空间才能达到较宽的带宽及较佳的天线辐射效能，而耦合型天线通常尺寸较小，但易受环境影响，且不易进行阻抗匹配。

另一方面，回路天线（Loop Antenna）虽然可较有效地达到安全规范SAR测试的认证，然而就天线理论而言，其辐射体需要二分之一波长的共振长度，因此天线尺寸不易缩小。此外，其高输入阻抗难以调校的特性，使得多数公知的回路天线工作频段过窄，难以涵盖整个LTE应用所需的宽频频段。因此，回路天线通常用于极高频带的天线设计上，而不常被应用于LTE频段中。

因此，如何在缩小天线尺寸并提升天线带宽的同时，维持良好的天线辐射效率并符合安全规范SAR认证，已成为业界所努力的目标之一。

从而，需要提供一种宽带天线来满足上述需求。

发明内容

本发明主要提供一种单极天线单元结合接地式耦合天线单元及回路天线单元的微小型宽带天线，其具有良好的天线带宽及辐射效率，并在所有的工作频段中均可符合安全规范SAR认证。

本发明公开一种用于一无线通信装置的宽带天线，该宽带天线包含：一基板；一接地组件，该接地组件用来提供接地；一第一辐射体，该第一辐射体包含一第一区段及一第二区段，该第一区段与该第二区段相连接且大致相互垂直，且该第一区段电性连接于该接地组件，该第二区段沿一方向延伸；一第二辐射体，该第二辐射体耦合于该第一辐射体；一第三辐射体，该第三辐射体的一端电性连接于该第二辐射体，另一端电性连接于该接地组件；以及一信号馈入组件，该信号馈入组件电性连接于该第三辐射体，以传送或接收一射频信号；其中，该第一辐射体、该第二辐射体及该第三辐射体的排列方式是以该第一辐射体的该第一区段、该第二辐射体及该第三辐射体的顺序沿该方向依次形成于该基板上。

本发明利用单极天线单元结合接地式耦合天线单元及回路天线单元，以增加天线带宽、提升辐射效率、缩小天线尺寸，并且在全部的工作频段下皆可符合安全规范SAR的规范；同时，本发明宽带天线的辐射体之间具有数个耦合间距及开槽，可用来更灵活地调整阻抗匹配以及共振频率的带宽及位移，使本发明的天线可适用多种不同频段的无线通信系统。

附图说明

图1A为本发明实施例的一宽带天线的立体示意图。

图1B为图1A的宽带天线的正面示意图。

图1C为图1A的宽带天线的反面示意图。

图1D为图1A的宽带天线的电压驻波比（VSWR）示意图。

图1E为图1A的宽带天线的辐射效率示意图。

图2A为本发明实施例的一宽带天线的立体示意图。

图2B为图2A的宽带天线的正面示意图。

图2C为图2A的宽带天线的反面示意图。

图2D为图2A的宽带天线的电压驻波比示意图。

图2E为图2A的宽带天线的辐射效率示意图。

图3A为本发明实施例的一宽带天线的立体示意图。

图3B为图3A的宽带天线的正面示意图。

图3C为图3A的宽带天线的反面示意图。

图3D为图3A的宽带天线的电压驻波比示意图。

图3E为图3A的宽带天线的辐射效率示意图。

图4A为本发明实施例的一宽带天线的示意图。

图4B为图4A的宽带天线的电压驻波比示意图。

图4C为图4A的宽带天线的辐射效率示意图。

主要组件符号说明：

10、20、30、40                                 宽带天线

100、200、300、400                             基板

140、240、340、440                             信号馈入组件

150、250、350、450                             接地组件

11、12、13、21、22、23、31、32、33、41、       辐射体

42、43

110、112、122、126、132、136、210、212、       区段

222、226、232、236、310、312、322、326、

332、336、410、412、422、426、432、436

134、124、234、224、334、324、434、424         弯折

138、238、338、438                             接地部

120、220、320                                  馈入耦合区

130、230、330                                  馈入区

26、36                                         接地耦合部

260、360、362                                  耦合体

262、314                                       耦合分支

FP                                             馈入点

d11、d12                                       耦合间距

h13、h14                                       开槽

D1                                             方向

具体实施方式

请参考图1A至图1E，图1A为本发明实施例的一宽带天线10的立体示意图，图1B为宽带天线10的正面示意图，图1C为宽带天线10的反面示意图，图1D为宽带天线10的电压驻波比示意图，图1E为宽带天线10的辐射效率示意图。宽带天线10可用于一无线通信装置，用以收发宽带或多个相异频段的无线信号，如LTE无线通信系统的信号（其频段大致介于704MHz～960MHz及1710MHz～2700MHz）。宽带天线10包含有一基板100、一第一辐射体11、一第二辐射体12、一第三辐射体13、一信号馈入组件140以及一接地组件150。接地组件150可与无线通信装置的系统接地部相连，用来提供接地。第一辐射体11包含有一第一区段110及一第二区段112，第一区段110与第二区段112相连接且大致上相互垂直，第一区段110电性连接于接地组件150，形成一接地式耦合天线单元。第二辐射体12形成一单极天线单元，并耦合于第一辐射体11。第三辐射体13形成一回路天线单元，其一端耦合于第二辐射体12，其另一端电性连接于接地组件150。第三辐射体13具有一馈入点FP，信号馈入组件140电性连接于馈入点FP，以通过第三辐射体13及其耦合的第二辐射体12及第一辐射体11发射或接收无线通信装置的射频信号。

需注意的是，第一辐射体11、第二辐射体12及第三辐射体13的排列方式以第一辐射体11的第一区段110、第二辐射体12及第三辐射体13的顺序以一方向（例如，图1A中的方向D1）依次形成于基板100上，而第一辐射体11的第二区段112亦同样地沿方向D1延伸。也就是说，由信号馈入组件140为中心，左半部为第一辐射体11及第二辐射体12所形成的低频接地式耦合天线单元、高频单极天线单元，右半部为第三辐射体13所形成的高频回路天线单元。当然，若将天线单元镜像设置，第一辐射体11、第二辐射体12及第三辐射体13的排列方式仍需顺着一方向以第一辐射体11的第一区段110、第二辐射体12及第三辐射体13的相邻顺序关系设置。此相邻顺序关系可让宽带天线10具有较佳的带宽及效能，并符合安全规范SAR的规范。

详细来说，基板100为一双面电路板，第一辐射体11及第三辐射体13形成于基板100的正面（即第一面），而第二辐射体12形成于基板100的反面（即第二面）。第二辐射体12可包含有一第三区段122、一第一弯折124及一第四区段126，第一弯折124与第一辐射体11的第一区段110大致平行且相互耦合，而第四区段126与第一辐射体11的第二区段112大致平行且相互耦合，第二辐射体12的第三区段122与第四区段126亦相互耦合。第三辐射体13可包含有一第五区段132、一第二弯折134、一第六区段136以及一接地部138，第五区段132与第一辐射体11的第二区段112大致平行且相互耦合，第六区段136与第五区段132相互耦合，接地部138电性连接接地组件150。

宽带天线10的第二辐射体12及第三辐射体13通过耦合的方式传递射频信号。具体而言，第三辐射体13具有一馈入区130，馈入点FP位于其中，第二辐射体12具有一馈入耦合区120，第三辐射体13的馈入区130与第二辐射体12的馈入耦合区120在基板100的正面的一投影结果大致重叠相互耦合，使得射频信号可由信号馈入组件140经第三辐射体13上的馈入点FP、馈入区130耦合至第二辐射体12。

进一步地，宽带天线10利用回路天线单元的馈入点FP耦合能量到设于基板100反面的单极天线组件，再通过与接地式耦合天线单元之间的相互耦合的效应，将共振频率拉低，并在高频频带上共振多个模态，以产生宽带效应。第一辐射体11提供一低频模态的路径，主要产生704MHz～960MHz的模态，为四分之一波长。第三辐射体13提供一高频模态的路径，主要产生1710MHz～2300MHz的模态，为二分之一波长。第二辐射体12依靠由馈入区130耦合至馈入耦合区120的电磁能量，产生2300～2700MHz的模态，为四分之一波长。如图1D及图1E所示，宽带天线10可同时在多个工作频段内具有良好的匹配效果，而在工作频段内（704MHz～960MHz及1710MHz～2700MHz）亦可维持不错的辐射效率。

需注意的是，本发明利用单极天线单元结合接地式耦合天线单元及回路天线单元，以增加天线带宽、缩小天线尺寸，并符合安全规范SAR认证。图1A的宽带天线10为本发明的实施例，本领域的普通技术人员应当可据以作不同的修饰，而不限于此。举例来说，第三辐射体与第二辐射体之间可以通过馈入区或馈入组件上的耦合效应形成电性连接，亦可以是两辐射体的末端直接连接。另外，在图1A的实施例中，第三辐射体13的馈入区130及第二辐射体12的馈入耦合区120大致上呈矩形，但不限于此，其他几何形状如三角形、多边形等皆可适用于本发明。再者，由于天线的辐射频率、带宽、效率等与天线形状、材质等相关，因此，设计者应当可适当调整宽带天线10的辐射体线宽、长度、弯折方向、耦合间距、开槽大小等，以符合系统所需。例如，可适当地调整第一辐射体11的第二区段112与第二辐射体12的第四区段126之间的耦合间距d11、第一辐射体11的第二区段112与第三辐射体13的第五区段132之间的耦合间距d12、第二辐射体12的第三区段122与第四区段126之间的开槽h13以及第三辐射体13的第五区段132与第六区段136之间的开槽h14等，进而调整天线的阻抗匹配及改变谐振频率，以符合不同规范所需天线效能。

请参考图2A至图2E，图2A为本发明实施例是一宽带天线20的立体示意图，图2B为宽带天线20的正面示意图，图2C为宽带天线20的反面示意图，图2D为宽带天线20的电压驻波比示意图，图2E为宽带天线20的辐射效率示意图。宽带天线20与宽带天线10结构类似，不同的是，宽带天线20的第一辐射体21及第二辐射体22皆形成于基板200的反面，而第三辐射体23形成于基板200的正面。此外，在基板200的正面上还形成一接地耦合部26，电性连接于接地组件250，并耦合设置于基板200的反面的第一辐射部21及第二辐射部22。

详细来说，接地耦合部26包含有一耦合体260及一耦合分支262，耦合体260在基板200的反面的一投影结果大致上重叠于第一辐射体21的第一区段210，而耦合分支262在基板200的反面的一投影结果与第二辐射体22的第四区段226部分重叠。通过设置接地耦合部26与第一辐射体21及第二辐射体22相互耦合，可进一步地提升低频带宽，而不需增加天线设置面积，甚至可将辐射体的长度大幅缩短，达到缩小天线尺寸的目的。第一辐射体21提供一低频模态的路径，主要产生704MHz～960MHz的模态，为四分之一波长。接地耦合部26与第二辐射体22相耦合，可谐振出824～960MHz的模态，使得低频带宽增加及天线匹配特性提升。第三辐射体23提供一高频模态的路径，主要产生1710MHz～2300MHz的模态，为二分之一波长。第二辐射体22依靠由馈入区230耦合至馈入耦合区220的电磁能量，产生2300～2700MHz的模态，为四分之一波长。如图2D及图2E所示，增加接地耦合部26的宽带天线20可将部分低频能量带到设置于基板200的反面的第二辐射体22，使得低频带宽增加，同时，在高频频段中也具有较佳的天线匹配。

请参考图3A至图3E，图3A为本发明实施例的一宽带天线30的立体示意图，图3B为宽带天线30的正面示意图，图3C为宽带天线30的反面示意图，图3D为宽带天线30的电压驻波比示意图，图3E为宽带天线30的辐射效率示意图。宽带天线30与宽带天线10结构类似，不同的是，宽带天线30在基板300的反面上还形成一接地耦合部36，电性连接于接地组件350，并耦合于第一辐射部31。此外，第一辐射体31除了包含第一区段310、第二区段312之外，还具有一耦合分支314，以加强第一辐射体31与第二辐射体32之间的耦合效果。

详细来说，第一辐射体31及第三辐射体33形成于基板300的正面，第二辐射体32及接地耦合部36形成于基板300的反面。接地耦合部36包含有耦合体360、362，分别与第一辐射体31的第一区段310及第二区段312在基板300的反面的一投影结果全部及部分重叠，而耦合分支314与第二辐射体32的第四区段326在基板300的正面的一投影结果部分重叠。如此一来，利用接地耦合部36及增加第一辐射体31的耦合分支314，可加强低频辐射体组件与高频辐射体组件之间的耦合能量，提升高、低频的天线匹配。第一辐射体31提供一低频模态的路径，主要产生704MHz～960MHz的模态，为四分之一波长。第一辐射体31的耦合分支314与第二辐射体32相耦合，可谐振出824～960MHz的模态，使得低频带宽增加及天线匹配特性提升。第三辐射体33提供一高频模态的路径，主要产生1710MHz～2300MHz的模态，为二分之一波长。第二辐射体32依靠由馈入区330耦合至馈入耦合区320的电磁能量，产生2300～2700MHz的模态，为四分之一波长。如图3D及图3E所示，宽带天线30可涵盖更高频的带宽且具有良好的辐射效率，因此可适用于带宽需求大的无线通信系统。

请参考图4A至图4C，图4A为本发明实施例的一宽带天线40的示意图，图4B为宽带天线40的电压驻波比示意图，图4C为宽带天线40的辐射效率示意图。宽带天线40与宽带天线10结构类似，不同的是，宽带天线40的辐射体皆设置于基板400的同一面。此外，如图4A所示，第三辐射体43直接连接于第二辐射体42，然而如图1A所示，第三辐射体13利用耦合效应与第二辐射体12电性相连。

详细来说，宽带天线40利用将馈入点处的能量同时分流到回路天线单元（即第三辐射体43）及单极天线单元（即第二辐射体42），再通过单极天线单元与接地式耦合天线单元（即第一辐射体41）之间的相互耦合的效应，将共振频率拉低，并在高频带共振多个模态，产生宽带效应。由于宽带天线40在一平面上即可实现，因此制造成本低廉。此外，通过调整第二辐射体42、第三辐射体43的开槽大小及第一辐射体41与第二辐射体42、第三辐射体43之间的耦合间距，可改变谐振频率及匹配，以符合不同规范所需天线效能。第三辐射体43接地，能将宽带天线40电流均匀分布，有利于在天线性能以及解决安全规范SAR问题之间取得平衡。第一辐射体41提供一低频模态的路径，主要产生704MHz～960MHz的模态，为四分之一波长。第三辐射体43提供一高频模态的路径，主要产生1710MHz～2300MHz的模态，为二分之一波长。第二辐射体42提供另一高频模态的路径，主要产生2300～2700MHz的模态，为四分之一波长。如图4B及图4C所示，宽带天线40亦可具有高带宽以及良好的辐射效率，设置面积小，又能符合安全规范SAR的规范，因此可解决传统上天线难以同时克服的安全规范SAR及带宽问题。

另外，如本领域所熟知，天线的辐射频率、带宽、效率等与天线形状、材质等相关，因此，设计者应当可适当调整宽带天线10、20、30、40的辐射体线宽、长度、弯折方向、耦合间距、开槽大小等，以符合系统所需，其他如材质、制作方式、各组件的形状、位置等皆可因应不同需求而作适当的变化，不限于此。

综上所述，本发明利用单极天线单元结合接地式耦合天线单元及回路天线单元，以增加天线带宽、提升辐射效率、缩小天线尺寸，并且在全部的工作频段下皆可符合安全规范SAR的规范。同时，本发明宽带天线的辐射体之间具有数个耦合间距及开槽，可用来更灵活地调整阻抗匹配以及共振频率的带宽及位移，使本发明的天线可适用多种不同频段的无线通信系统。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是根据本发明权利要求书的范围所作的等同变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (13)

1.一种宽带天线，该宽带天线用于一无线通信装置，该宽带天线包括：

一基板；

一接地组件，该接地组件用来提供接地；

一第一辐射体，该第一辐射体包括一第一区段及一第二区段，该第一区段与该第二区段相连接且大致相互垂直，且该第一区段电性连接于该接地组件，该第二区段沿一方向延伸；

一第二辐射体，该第二辐射体耦合于该第一辐射体；

一第三辐射体，该第三辐射体的一端电性连接于该第二辐射体，另一端电性连接于该接地组件；以及

一信号馈入组件，该信号馈入组件电性连接于该第三辐射体，以传送或接收一射频信号；

其中，该第一辐射体、该第二辐射体及该第三辐射体的排列方式是以该第一辐射体的该第一区段、该第二辐射体及该第三辐射体的顺序沿该方向依次形成于该基板上。

2.如权利要求1所述的宽带天线，其中该第三辐射体与该第一辐射体的该第二区段相互耦合。

3.如权利要求1所述的宽带天线，其中该第二辐射体包括一第三区段、一第一弯折及一第四区段，该第一弯折与该第一辐射体的该第一区段大致平行且相互耦合，而该第四区段与该第一辐射体的该第二区段大致平行且相互耦合。

4.如权利要求3所述的宽带天线，其中该第二辐射体的该第三区段与该第四区段相互耦合。

5.如权利要求1所述的宽带天线，其中该第三辐射体包括一第五区段、一第二弯折、一第六区段以及一接地部，该第五区段与该第一辐射体的该第二区段大致平行且相互耦合，该第六区段与该第五区段相互耦合，该接地部连接该接地组件。

6.如权利要求1所述的宽带天线，其中该第三辐射体形成于该基板的一第一面，该第二辐射体形成于该基板上与该第一面相对的一第二面，而该第一辐射体形成于该基板的该第一面或该第二面。

7.如权利要求6所述的宽带天线，其中该第三辐射体还包括一馈入区，该信号馈入组件连接于该馈入区中的一馈入点，该第二辐射体还包括一馈入耦合区，该第三辐射体的该馈入区与该第二辐射体的该馈入耦合区在该基板的该第一面的一投影结果大致重叠。

8.如权利要求7所述的宽带天线，其中该馈入区及该馈入耦合区大致呈矩形。

9.如权利要求6所述的宽带天线，该宽带天线还包括一接地耦合部，该接地耦合部连接于该接地组件，并耦合于该第一辐射部或该第二辐射部。

10.如权利要求9所述的宽带天线，其中该接地耦合部形成于该基板上相对于该第一辐射体的另一面，并且该接地耦合部与该第一辐射体在该另一面的一投影结果部分重叠。

11.如权利要求10所述的宽带天线，其中该接地耦合部包括一耦合分支，该第一辐射体及该第二辐射体形成于该基板的该第二面，而该第三辐射体及该接地耦合部形成于该基板的该第一面，该耦合分支与该第二辐射体的该第四区段在该基板的该第一面的一投影结果部分重叠。

12.如权利要求10所述的宽带天线，其中该第一辐射体包括一耦合分支，该第一辐射体及该第三辐射体形成于该基板的该第一面，该第二辐射体及该接地耦合部形成于该基板的该第二面，该耦合分支与该第二辐射体的该第四区段在该第一面的一投影结果部分重叠。

13.如权利要求1所述的宽带天线，其中该第一辐射体形成一接地式耦合天线单元，而该第二辐射体形成一高频单极天线单元，该第三辐射体形成一高频回路天线单元。