CN113972476B - 天线与无线通信装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及天线与无线通信装置。一种天线包括一辐射本体与一馈入接脚。辐射本体包括一第一辐射支路与一第二辐射支路。第一辐射支路沿一第一方向延伸，第二辐射支路沿一第二方向延伸。馈入接脚自辐射本体沿一第三方向延伸。第一方向垂直于第二方向与第三方向。

Description

天线与无线通信装置

技术领域

本发明是关于一种天线，尤指一种可直接应用于各类电子产品的小型化宽带天线。

背景技术

随着无线通信技术发展不断演进，物联网(Internet of Things，缩写IOT)的应用日益广泛。智能家庭的应用范畴是通过在各类家用电子设备中加入无线模块的配置，使人们得以借由无线通信方式远程且实时控制家中电器，诸如：电饭锅、咖啡机、冷气、冰箱、洗衣机…等等设备的工作状态，以实现智慧生活的愿景。

在智能家庭的产品应用中，由于产品外型多样化，且产品内部构造以及主电路底板尺寸也不尽相同，相较于对所有产品进行客制化无线模块的设计，采用单一小型化无线模块的组装方式可大幅提高适应于各类产品的便利性。然而，天线阻抗带宽却通常是小尺寸无线模块设计上的限制。因此，如何在有限的空间中，设计小型化、高效率、宽带且低成本的天线为本领域重要的研究课题。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种单一小型化且可应用于各类产品的宽带天线设计。

根据本发明的一实施例，一种天线包括一辐射本体与一馈入接脚。辐射本体包括一第一辐射支路与一第二辐射支路。第一辐射支路沿一第一方向延伸，第二辐射支路沿一第二方向延伸。馈入接脚自辐射本体沿一第三方向延伸。第一方向垂直于第二方向与第三方向。

根据本发明的另一实施例，一种无线通信装置包括一电路基板以及一天线。电路基板包括至少一第一连接部、一第二连接部与一接地平面。天线包括一辐射本体、一馈入接脚与一短路接脚。辐射本体包括一第一辐射支路与一第二辐射支路。第一辐射支路沿一第一方向延伸，第二辐射支路沿一第二方向延伸。馈入接脚自辐射本体沿一第三方向向外延伸，并且耦接第一连接部。短路接脚自辐射本体沿第三方向向外延伸，并且耦接第二连接部与接地平面。第一方向垂直于第二方向与第三方向。

根据本发明的另一实施例，一种无线通信装置包括一电路母板、一电路基板以及一天线。电路基板设置于电路母板上，并且包括至少一第一连接部、一第二连接部与一接地平面。天线包括一辐射本体、一馈入接脚与一短路接脚。辐射本体包括一第一辐射支路与一第二辐射支路，其中第一辐射支路沿一第一方向延伸，第二辐射支路沿一第二方向延伸。馈入接脚自辐射本体沿一第三方向向外延伸，并且耦接第一连接部。短路接脚自辐射本体沿第三方向向外延伸，并且耦接第二连接部与接地平面。第一方向垂直于第二方向与第三方向。

附图说明

图1是示出根据本发明的一实施例所述的天线结构范例。

图2是示出根据本发明的一实施例所述的立体天线结构范例。

图3是示出根据本发明的一实施例所述的小型化宽带天线的等效电流路径。

图4是示出根据本发明的一实施例所述的小型化宽带天线的能量反馈损失示意图。

图5是示出立体型的天线的第一平面。

图6是示出立体型的天线的第二平面。

图7是示出立体型的天线的第三平面。

图8是示出立体型的天线的第四平面。

图9是示出根据本发明的一实施例所述的天线制作流程。

图10是示出根据本发明的一实施例所述的包含小型化宽带天线的无线通信装置示意图。

具体实施方式

本发明提出一种一体成型、单一馈入且宽带操作的天线结构。此天线结构以四分之一波长的天线为设计基础，并包括双辐射支路。借由调整双辐射支路所对应的两共振频率，达成小型化宽带天线的特性，不仅天线尺寸缩小，使其可搭配小尺寸电路基板，并具有良好天线辐射特性。

此外，由于采用一体成型的结构，本发明提出的天线仅需使用一金属导体，经过适当的弯折即可制作完成，并且可直接与无线通信模块的电路基板焊接在一起，故其具有制作简单、成本低廉与组装容易的优点，具备产业利用性。

图1是示出根据本发明的一实施例所述的天线结构范例。于本发明的实施例中，天线10可实施为一平面天线，亦可实施为一立体天线。图1是示出天线本体展开图。

天线10可至少包括一辐射本体与一馈入接脚110。辐射本体可至少包括辐射支路130与140。于本发明的实施例中，天线10可选择性包括一短路接脚120，并且天线10为一平面倒F天线(于天线10包含短路接脚120的实施例)或一单极天线(于天线10未包含短路接脚120的实施例)。

根据本发明的一实施例，辐射支路130可包含多个辐射部，其中至少一辐射部是沿第一方向D1延伸，辐射支路140可包含多个辐射部，其中至少一辐射部是沿第二方向D2延伸。此外，馈入接脚110与短路接脚120可自辐射本体沿第三方向D3向外延伸，其中第一方向D1可垂直于或大体垂直于第二方向D2与第三方向D3。

此外，天线10可还包括自辐射本体向外延伸的支撑部150与160，馈入接脚110、短路接脚120以及支撑部150与160可与电路基板相连。

图2是示出根据本发明的一实施例所述的立体天线结构范例。天线10可被设置于电路基板310上。于此实施例中，天线10采用倒F天线形式，短路接脚120与电路基板310的接地平面320相连接，而馈入接脚110及短路接脚120与接地平面320具有一间隙，其长度为g。电路基板310上可具有四个连接部330、340、350与360，用以将天线10插件到电路基板310上固定，其中连接部330接到电路基板310的馈入端，连接部340与接地平面320相连接，连接部350与360分别与支撑部150与160相连接，用以增加天线10的稳固性。馈入接脚110与短路接脚120末端可实施为阶梯状，用以固定天线10高度。值得注意的是，于一些实施例中，连接部350与360可被移除。即，天线10可仅借由将馈入接脚110及短路接脚120分别与连接部330及340相接，以安装到电路基板310上。

于本发明的实施例中，辐射支路130可用于传送和接收一第一共振频率的信号，辐射支路140可用于传送和接收一第二共振频率的信号，其中第一共振频率与第二共振频率接近天线10的操作频率。举例而言，于本发明的一实施例，第一共振频率可为2.41千兆赫(GHz)，第二共振频率可为2.46GHz，而天线共振频率可为2.45GHz。借由分别调整各支路整体金属走线长度，可改变第一共振频率与第二共振频率。两共振频率经适当调适后，即可达成宽带天线操作。于本发明的实施例中，天线10的10dB带宽可达80MHz，操作频段可被设计为2.4GHz-2.48GHz，并且于操作频带内具有两共振频率。此外，根据本发明的一实施例，以天线的操作频率设定为2.4GHz为例，电路基板310可以是厚度0.6毫米(mm)，尺寸为15毫米×20毫米(相当于0.12λ×0.16λ)的FR(flame retardant)4基板，其中λ为操作频率2.4GHz的信号波长，而天线10的尺寸可仅为14.2毫米×5.0毫米×5.0毫米(相当于0.11λ×0.04λ×0.04λ)，因此，相较于电路基板310尺寸，天线10可被实现为小型化宽带天线。

图3是示出根据本发明的一实施例所述的小型化宽带天线的等效电流路径。本发明的实施例中，辐射支路130可提供第一共振频率的等效电流路径170，第一共振频率的等效电流可自馈入接脚流至辐射支路130末端的开路端点，辐射支路140可提供第二共振频率的等效电流路径180，第二共振频率的等效电流可自馈入接脚流至辐射支路140末端的开路端点。于本发明的实施例中，借由分别调整各支路整体金属走线长度，等效电流路径长度可等于或接近信号波长的四分之一，使得天线的辐射效能可达最佳。

图4是示出根据本发明的一实施例所述的小型化宽带天线的能量反馈损失示意图。由金属走线1构成的辐射支路130可提供第一共振频率操作，由金属走线2构成的辐射支路140可提供第二共振频率操作，辐射本体则为金属走线1与金属走线2的结合。借由分别调整金属走线1、2的长度，可改变第一共振频率与第二共振频率，使得在结合两共振频率的效应之下，辐射本体的整体反馈损失低于10dB的频段可具有所需的带宽，例如80MHz。

值得注意的是，于本发明的实施例中，当天线10被实施为立体天线时，并不限于图2所示的结构。于本发明的立体型天线实施例中，天线10或辐射本体可具有至少一弯折，例如，辐射本体可沿垂直于第三方向D3的一折线L-1弯折，例如，弯折90度，使第二方向D2与第三方向D3垂直，并且使馈入接脚110及/或短路接脚120可以插件形式安装于或焊接形式焊接于电路基板310上。

于本发明的一些实施例中，天线10或辐射本体可具有多个弯折，例如，辐射本体可进一步沿垂直于第一方向D1的一折线L-2弯折，甚至可更沿平行于第一方向D1的一折线L-3弯折，以形成如图2所示的立体型的辐射支路130。此外，辐射本体亦可沿垂直于第二方向D2的折线L-4-1、L-4-2与L-4-3弯折，以形成如图2所示的立体型的辐射支路140。

多个弯折使立体型的辐射支路130与立体型的辐射支路140可分别包含位于不同平面的多个辐射部。

图5是示出如图2所示的立体型的天线设计的第一平面P1。图6是示出如图2所示的立体型的天线设计的第二平面P2。图7是示出如图2所示的立体型的天线设计的第三平面P3。图8是示出如图2所示的立体型的天线设计的第四平面P4。其中所述弯折可使第一平面P1、第二平面P2与第三平面P3彼此互相垂直，使第二平面P2、第三平面P3与第四平面P4彼此互相垂直，以及可使第一平面P1与第四平面P4平行。

于本发明的一实施例中，馈入接脚110、短路接脚120及连接部330与340可位于第一平面P1。辐射支路130可包括分别位于第一平面P1、第二平面P2与第三平面P3的多个辐射部，辐射支路140可包括分别位于第一平面P1、第二平面P2与第四平面P4的多个辐射部，其中辐射支路130与辐射支路140亦可共享位于相同平面的辐射部。例如，位于第一平面P1且耦接馈入接脚110及/或短路接脚120的辐射部可为辐射支路130与辐射支路140所共享。此外，支撑部150可位于第三平面P3，支撑部160可位于第四平面P4。

根据本发明的一实施例，天线10可由一单一金属片经由冲压(Stamping)或切割制作而成。

图9是示出根据本发明的一实施例所述的天线制作流程。由图9所示的步骤可知，本发明所提出的小型化宽带天线可使用单一金属片冲压或切割制作，经过几个简单的弯折步骤，便能达成图2的立体形式。

于本发明的实施例中，以图2为示意，通过由上往下插入的简易安装方式安装于电路基板310上，便能将本发明的小型化宽带天线与电路基板310上的其他电路组合，使本发明具有制作容易、组装简单的特点。于本发明的实施例中，小型化宽带天线与电路基板310及其他电路的结合可形成一无线通信模块或一无线通信装置，例如，一无线局域网络(Wireless Local Area Networks，缩写WLAN)芯片，并且由于本发明所提出的天线结构具有小尺寸特性，电路基板310的尺寸可小于或等于天线10的操作频率的四分之一波长。

于本发明的实施例中，辐射支路130末端的长度s与天线第一共振频率相关，增加长度s有助于降低天线操作频率。

于本发明的实施例中，辐射支路140末端的长度l与天线第二共振频率相关，增加长度l有助于降低天线操作频率。

于本发明的实施例中，借由适当的调整第一共振频率与第二共振频率，便能有效的达成宽带天线操作的目的。

于本发明的实施例中，间隙长度g与天线阻抗匹配相关，改变间隙长度g可改变天线的输入阻抗，例如，当长度g由1.5毫米增长为3.5毫米时，可得到较佳的阻抗匹配。

于本发明的实施例中，包含本发明所提出的小型化宽带天线的无线通信模块可被安装于另一装置(例如，家用电器)的电路母板上，使其成为具备无线通信功能的无线通信装置。

图10是示出根据本发明的一实施例所述的包含小型化宽带天线的无线通信装置示意图。电路母板510可包含排针520，无线通信模块100的电路基板(电路子板)可通过排针520与无线通信装置300的电路母板510相接，使其可被设置于电路母板510上，而小型化宽带天线可如图2所示通过电路基板的连接部设置于电路基板上。

于本发明的实施例中，电路基板尺寸可小于或等于天线的操作频率的四分之一波长，并且电路母板尺寸可大于或等于天线的操作频率的二分之一波长，或可大于一个波长以上。换言之，本发明所提出的小型化宽带天线可与各种不同尺寸与形状(例如，矩形、方形、圆形或多边形等)的电路母板结合，因此可弹性地适应于各类产品，并维持原有的宽带操作特性。此外，于本发明的实施例中，电路基板可被设置于电路母板的任何区域，并且电路基板的摆放方向可如图所示与电路母板垂直。

值得注意的是，于本发明的实施例中，电路母板并不限于图10所示的形状，亦可为其他形状的底板，例如，矩形、方形、圆形或多边形等。

此外，值得注意的是，于本发明的实施例中，排针亦并不限于图10所示的形状，举例而言，图10所示的是一字形的排针，让无线通信模块100与电路母板510平行摆放，但排针也可以是L型的排针，让无线通信模块100与电路母板510垂直式的摆放。因此，于本发明的实施例中，排针可以是任意形状。

本发明所提出的小型化宽带天线结构借由双辐射支路的设计，达成小型化宽带天线的特性，不仅天线尺寸缩小，使其可搭配小尺寸电路基板，并具有良好天线辐射特性。此外，由于采用一体成型的结构，本发明提出的天线仅需使用一金属导体，经过适当的弯折即可制作完成，并且可直接与无线通信模块的电路基板焊接在一起，故其具有制作简单、成本低廉与组装容易的优点，具备产业利用性。此外，包含小型化宽带天线的无线通信模块亦可简单地通过排针或各种形式与另一电路母板相接，使其成为具备无线通信功能的无线通信装置。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明的权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

【符号说明】

10：天线

100：无线通信模块

110：馈入接脚

120：短路接脚

130,140：辐射支路

150,160：支撑部

170,180：等效电流路径

300：无线通信装置

310：电路基板

320：接地平面

330,340,350,360：连接部

510：电路母板

520：排针

D1,D2,D3：方向

l,g,s：长度

L-1,L-2,L-3,L-4-1,L-4-2,L-4-3：折线

P1,P2,P3,P4：平面。

Claims (10)

1.一种天线，包括：

一辐射本体，包括一第一辐射支路与一第二辐射支路，其中该第一辐射支路沿一第一方向延伸，该第二辐射支路沿一第二方向延伸；以及

一馈入接脚，自该辐射本体沿一第三方向延伸；

其中该第一方向垂直于该第二方向与该第三方向，并且其中，

该天线的操作频段为2.4GHz-2.48GHz并且在该操作频段内存在一第一共振频率和一第二共振频率，该第一共振频率小于该天线的共振频率，该第二共振频率大于该天线的共振频率，该第一辐射支路用于传送和接收该第一共振频率的信号，该第二辐射支路用于传送和接收该第二共振频率的信号。

2.根据权利要求1所述的天线，其中该天线为一平面倒F天线或一单极天线，该辐射本体具有至少一弯折，该至少一弯折使该第二方向与该第三方向垂直。

3.根据权利要求1所述的天线，还包括：

一短路接脚，自该辐射本体沿该第三方向延伸，

其中该第一辐射支路包括位于一第一平面的一第一辐射部、位于一第二平面的一第二辐射部与位于一第三平面的一第三辐射部，该第二辐射支路包括位于该第一平面的一第一辐射部、位于该第二平面的一第二辐射部与位于一第四平面的一第三辐射部，并且该辐射本体具有多个弯折，该多个弯折使该第一平面、该第二平面与该第三平面彼此互相垂直，以及使该第二平面分别垂直于该第一平面与该第四平面。

4.一种无线通信装置，包括：

一电路基板，包括至少一第一连接部、一第二连接部与一接地平面；以及

一天线，包括：

一辐射本体，包括一第一辐射支路与一第二辐射支路，其中该第一辐射支路沿一第一方向延伸，该第二辐射支路沿一第二方向延伸；

一馈入接脚，自该辐射本体沿一第三方向向外延伸，并且耦接该第一连接部；以及

一短路接脚，自该辐射本体沿该第三方向向外延伸，并且耦接该第二连接部与该接地平面，

其中该第一方向垂直于该第二方向与该第三方向，并且其中，

该天线的操作频段为2.4GHz-2.48GHz并且在该操作频段内存在一第一共振频率和一第二共振频率，该第一共振频率小于该天线的共振频率，该第二共振频率大于该天线的共振频率，该第一辐射支路用于传送和接收该第一共振频率的信号，该第二辐射支路用于传送和接收该第二共振频率的信号。

5.根据权利要求4所述的无线通信装置，其中该天线具有至少一弯折，该至少一弯折使该第二方向与该第三方向垂直。

6.根据权利要求4所述的无线通信装置，其中该第一辐射支路包括位于一第一平面的一第一辐射部、位于一第二平面的一第二辐射部与位于一第三平面的一第三辐射部，该第二辐射支路包括位于该第一平面的一第一辐射部、位于该第二平面的一第二辐射部与位于一第四平面的一第三辐射部，并且该天线具有多个弯折，该多个弯折使该第一平面、该第二平面与该第三平面彼此互相垂直，以及使该第二平面分别垂直于该第一平面与该第四平面。

7.根据权利要求4所述的无线通信装置，其中该电路基板尺寸小于该天线的一操作频率的四分之一波长。

8.一种无线通信装置，包括：

一电路母板；

一电路基板，设置于该电路母板上，并且包括至少一第一连接部、一第二连接部与一接地平面；以及

一天线，包括：

一辐射本体，包括一第一辐射支路与一第二辐射支路，其中该第一辐射支路沿一第一方向延伸，该第二辐射支路沿一第二方向延伸；

一馈入接脚，自该辐射本体沿一第三方向向外延伸，并且耦接该第一连接部；以及

一短路接脚，自该辐射本体沿该第三方向向外延伸，并且耦接该第二连接部与该接地平面，

其中该第一方向垂直于该第二方向与该第三方向，并且其中，

该天线的操作频段为2.4GHz-2.48GHz并且在该操作频段内存在一第一共振频率和一第二共振频率，该第一共振频率小于该天线的共振频率，该第二共振频率大于该天线的共振频率，该第一辐射支路用于传送和接收该第一共振频率的信号，该第二辐射支路用于传送和接收该第二共振频率的信号。

9.根据权利要求8所述的无线通信装置，其中该电路基板的尺寸小于该天线的一操作频率的四分之一波长，并且该电路母板的尺寸大于该天线的该操作频率的二分之一波长。

10.根据权利要求8所述的无线通信装置，其中该天线为一立体型天线，该第二方向与该第三方向垂直，并且该第一辐射支路包括位于一第一平面的一第一辐射部、位于一第二平面的一第二辐射部与位于一第三平面的一第三辐射部，该第二辐射支路包括位于该第一平面的一第一辐射部、位于该第二平面的一第二辐射部与位于一第四平面的一第三辐射部，该馈入接脚与该短路接脚位于该第一平面，并且该第一平面、该第二平面与该第三平面彼此互相垂直，以及该第二平面、该第三平面与该第四平面彼此互相垂直。