CN1369929A - 片状天线 - Google Patents
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Abstract
一种片状天线包括:一基底,由电介质所制成,包括至少一个层面;一馈入埠,置于该基底表面,以提供馈入讯号;一馈入线,放置在该基底的层面之一上,一端连结馈入埠,以传导讯号;一曲折金属导体,放置于该基底的至少一个层面;以及一匹配单元,放置于该基底,位于该馈入埠与该曲折金属导体之间,与该馈入线及该曲折金属导体相连接,以匹配天线的辐射效应及频宽。
Description
本发明涉及一种片状天线(chip antenna)，特别是涉及一种可应用于无线区域网路通讯设备，短距离无线通讯、和个人无线通讯等装置的宽频片状天线。
设计个人无线移动通讯装置时，由于尺寸方面的考虑，通常使用如图1所示的四分之一波长单极化天线(monopole antenna)10为元件。而且，个人无线移动通讯装置也慢慢朝向轻、薄、短、小的方向发展。
于是，以特殊形状曲折的方式，来进一步缩小线形天线的长度的观念，在一九八四年首先被提出。一九八四年H.Nakano、H.Tagami、A.Yoshizawa，和J.Yamauchi于IEEE Trans.Antennas Propagat.第AP-32期期刊，在″Shortening ratios ofmodified dipole antennas(改型的双极天线的缩减比例)″一文，第385-386页中揭露一种Z形(zigzagging)和一种方波形(meandering)曲折天线。
另一种蝴蝶结形曲折天线，则于一九九六由M.Ali和S.S.Stuchly于IEEE AP-S国际研讨会，在″A Meander-Line Bow-Tie Antenna″一文，第1566-1569页中提出来以期将天线更加缩短。
传统以方波形曲折天线作成的片状天线(chip antenna)20(欧洲专利0 764999 A1)，请参见图2。此片状天线以电介质(dielectric material)和/或磁介质(magnetic material)当作基底22，同时，将一条金属导体24曲折成方波形，或曲折成Z形(图未显示)，平放于基底表面或是基底中，并把曲折金属导体24的一端直接作为片状天线的馈入端(feeding point)26，连接着馈入埠28(feeding pad)。其设计原理是，利用片状天线的材料特性、金属导体的长度以及金属导体曲折次数，形成一自我匹配(self-matching)的功效，而达到天线的共振及幅射。而其缺点是，片状天线的尺寸缩小幅度有限。
而另一种传统片状天线30(美国专利5,764,198)，则如图3所示，是在螺旋状导体(spirally wound conductor)32的馈入线处，并联一个电容34来达到天线的匹配功效。其虽可缩小晶片的尺寸，但是频宽不佳。
片状天线要增加频宽相当不易，而本发明的目的是提出以一基底、一馈入埠、一馈入线、一匹配单元(matching unit)及一曲折金属导体组成的片状天线，以便非常有效地增大频宽。
为了实现上述目的，本发明提出一种片状天线，包括：一基底，由电介质所制成，包括至少一个层面；一馈入埠，置于该基底表面，以提供馈入讯号；一馈入线，放置在该基底的层面之一上，一端连结馈入埠，以传导讯号；一曲折金属导体，放置于该基底的至少一个层面；以及一匹配单元，放置于该基底，位于该馈入埠与该曲折金属导体之间，与该馈入线及该曲折金属导体相连接，以匹配天线的辐射效应及频宽。
本发明以电介质作为基底，包括多个层面。基底表面置有一馈入埠，以提供馈入讯号。其中，将一曲折金属导体(meander conductor)放置于基底，作为辐射单元。并将另一金属导体置于基底作为天线的馈入线，其一端与馈入埠相连，以传导讯号。而本发明的匹配单元，由一置于基底的匹配金属导体和一置于基底表面的接地面所组成，且匹配金属导体被接地面的面板所覆盖。如此，获得比先前所述两种片状天线更大的频宽，并可缩小天线的整体尺寸。
下面结合附图来描述本发明的优选实施例。附图中：
图1是四分之一波长单极化天线示意图；
图2是传统形式的片状天线示意图；
图3是另一传统形式的片状天线示意图；
图4是本发明的片状天线一实施例示意图；
图5为图4实施例的天线特性量测结果图；
图6是本发明的片状天线一实施例示意图；
图7A是本发明的曲折金属导体、馈入线与匹配金属导体的实施例示意图；
图7B是本发明的曲折金属导体、馈入线与匹配金属导体的实施例示意图；
图8是本发明的片状天线实施例分解示意图；
图9为本发明图8实施例的外观示意图；
图10是本发明的阻抗匹配电路单元的一实施例示意图；
图11A是本发明的实施例示意图；
图11B是本发明的曲折金属导体的实施例示意图；
图12是本发明实施例的多层面解剖图；
图13是本发明的阻抗匹配电路单元的一实施例示意图；
图14是本发明的阻抗匹配电路单元的一实施例示意图；
图15是本发明的阻抗匹配电路单元的一实施例示意图；以及
图16是本发明实施例多层面解剖图。
图4为本发明的一片状天线的第一实施例的分解示意图。天线基底41以电介质，譬如：陶瓷、玻璃或树脂等制成。本实施例将一金属导体(metalconductor)42，譬如：金、银、银钯、铜或它们的合金，方波形曲折放置于基底41。曲折金属导体42的第一端421连接一匹配金属导体45的第一端，而第二端422则纵向曲折地朝馈入埠43的焊接面44的反方向延伸，藉以缩短片状天线的整体长度，同时使其等效的共振长度及特性趋近于四分之一波长单极化天线。另外，以一金属导体作为天线的馈入线46，馈入线46的一端连结馈入埠43，另一端则与匹配金属导体45的第二端相连。
这样，我们可以藉由控制曲折金属导体42的长短，而影响天线的中心频率。而且，我们可置曲折金属导体42于基底41表层，也可将其全部或一部份置于基底41内部层面(图未显示)。其中，金属导体42的形状可以曲折成方波形或Z形，并且除了曲折成平面式也可以曲折成立体式(spirallywounding)，以调整天线尺寸。
随着曲折金属导体42曲折次数增多，天线的幅射电阻(radiationresistance)会跟随着变小，同时电感增加，从而降低整体天线的幅射效率及频宽。因此，本发明以一匹配单元来增加天线的幅射效率及频宽。本实施例的匹配单元采用带状匹配线(strip line)结构，由一具两层面板的接地面(ground)47，以及被此接地面的面板所覆盖的匹配金属导体45所组成，并且，接地面47连接着匹配金属导体的第二端，造成短路匹配的效果。并且，我们可设计此匹配的短路匹配线的长度与宽度，来获得天线输入阻抗(input impedance)的匹配，而达到所需的宽频。
图5为本实施例的天线的返回损耗特性的测量结果。在本实施例中将天线的中心频率设计在2.44GHz，则其-10dB频宽可达220MHz(约9.2％)。
为了更进一步缩小晶片的尺寸，匹配单元也可以如图6所示的本发明第二实施例图6那样，设计成采用微带匹配线(microstrip line)的结构。本实施例的片状天线，由基底61、曲折金属导体62、馈入埠63、馈入线66及一匹配单元所组成。
方波形曲折金属导体62放置于基底61，其一端621连接一匹配金属导体65的第一端，而另一端622则沿纵向曲折地朝馈入埠63的焊接面64的相反方向延伸。并且，以另一金属导体作为天线的馈入线66，馈入线66的一端连结馈入埠63，另一端则与匹配金属导体65的第二端相连。本实施例的匹配单元，由接地面67，以及被此接地面的面板覆盖的匹配金属导体65所组成，并且，接地面67连接着匹配金属导体65的第一端，造成短路匹配的效果。同样的，我们可设计此短路匹配线的长度与宽度，来获得天线输入阻抗的匹配，而达到宽频的结果。并且，由于接地面只分布于片状天线的一层表面，其面积变少，这样便能再空出一部分空间供曲折金属导体使用。
为了调整天线的中心频率，可如图7A所示，缩短曲折金属导体自由前进的一端710的长度，来提升天线的中心频率。在图7A的实施例中，平面化曲折金属导体711被放置于基底中一层面上。馈入线713与匹配金属导体的一线段715和曲折金属导体711放置在同一层面上，而另一线段717则穿过多个层面，在端点719处与位于基底表面的接地面(图内未显示)相连结。并且，本发明的馈入线和匹配金属导体均可以不同长度、宽度来实现。
请参见图7B的实施例，也可将曲折金属导体折叠化分布，来降低天线的中心频率。曲折金属导体的主体720被放置于基底一表层上，曲折金属导体第一端721与匹配金属导体一线段722相连结，而此一匹配金属导体线段722穿过多个层面，连接摆放于基底一层面上的馈入线723。而我们可将曲折金属导体自由前进的末端曲折拉长(724)，穿过多个层面后，再曲折摆放最末线段725于基底另一层面上。另外，匹配金属导体段722则再继续穿过多个层面后，曲折成线段726摆放于基底另一层面上，然后再穿过多个层面(727)，在端点728处与位于基底表面的接地面(图内未显示)相连结。
本发明的曲折金属导体能控制天线的中心频率及缩小天线的整体尺寸，而匹配单元则在馈入端匹配天线的输入阻抗。如此，经由此两部分的连结而得到宽频的结果，并有效缩小尺寸。
图8为本发明的第三实施例的一片状天线实施例分解示意图。天线基底837是以电介质，譬如：陶瓷、玻璃、树脂等制成。本实施例的馈入埠831放置于基底837表面，是一侧面电极，为讯号输入与输出的管道。而接地面832具有三层接地面板，放置于基底837表面或内部，外观配置关系如图9所示。以金属导体作成的馈入线833，第一端连结馈入埠831成为馈入端。
本发明的阻抗匹配电路单元的实施例可如图10所示，具有三层接地面板的接地面包括上、中和下接地面板832、854、856，第一匹配金属导体834被接地面对中和下两接地面板覆盖，形成带状匹配线(strip line)结构；而同样地，第二匹配金属导体835被接地面的上和中接地面板852、854所覆盖，也形成带状匹配线结构，来匹配天线主体836与馈入埠831两端的阻抗，使能量得以顺利传送(天线主体836未显示于图中)。
第一匹配金属导体834的第一端连接馈入线833第二端，第一匹配金属导体834的第二端则与接地面832的一接地面板56相连，作为短路匹配线，用以抵消天线的电抗部分。而藉由调整第一匹配金属导体834的长、宽，可以控制所欲达成的功效。
图11A和图11B表示曲折导体836的三维示意图。如图11A所示，第一和第二匹配导体部分相对于竖向设置的馈入埠831设置在不同的层面上，以便获得阻抗改变效应。第二匹配金属导体835是串联于馈入线833与作为天线主体的曲折金属导体836之间，并且是沿着与馈入埠831平行或垂直的方向曲折前进。第二匹配金属导体835第一端连接馈入线833第二端以及第一匹配金属导体834的第一端，第二匹配金属导体835的第二端则与曲折金属导体836的第一端相连，以辅助达成阻抗转换的功效。如此，第一匹配金属导体834与第二匹配金属导体835并联，形成一阻抗匹配电路，而此阻抗匹配电路则串联于馈入线833和曲折金属导体836之间。
在此实施例中，是将曲折金属导体836，立体曲折绕转放置于多层面基底837，作为天线主体。曲折金属导体836的第一端连接第二匹配金属导体835的第二端，而第二端则沿与馈入埠831垂直或平行的方向自由曲折前进，藉以缩短片状天线的整体长度。
另外，我们可以藉由控制曲折金属导体836的曲折/绕转方式，使得在有限的体积内增加其总长度，而在固定天线频率时其所需总长度为固定值，经由本发明特殊的曲折绕转方式，可有效缩短天线体积。在下面段落中，将藉由图11B针对此实施例加以说明。而图8、9、10、11A和11B的片状天线实施例的多层面解剖图，则显示于图12中。
图11B为本发明的天线主体即曲折金属导体836的一实施例，假设其立体曲折绕转延伸方向(x、y、z)为如图所示的三方向。在此实施例中，x为垂直于馈入埠的方向。曲折金属导体836在多层面基底(图未显示)中曲折绕转，先由基底某一层面上+x方向延伸一段距离后，向+y方向延伸，再藉由金属孔柱(via hole)延+z方向向上延伸至另一层面，而在该层面向-y方向延伸，再藉金属孔柱向-z方向延伸至一其他层面，在该层面向+y方向延伸一段距离后，再向+x方向延伸。依此方式绕转，以在不向+x方向延伸时，至少用到多层面基底中的两层面为原则去延伸长度，直到天线的共振频率落在设计目标的中心频率附近为止。如此，曲折金属导体836在曲折延伸时，是曲折置放于该基底同一轴方向位置至少两层的不同层面上。
此外，曲折金属导体836除了可立体曲折外，也可以是平面区折方式。同时，也可将本发明的馈入线833、第一匹配金属导体834和第二匹配金属导体835的长度与宽度加以变化，依实际需求来获得天线输入阻抗(inputimpedance)的匹配，而达到所欲的频宽。
图12表明了基底的分解透视图，其表明相对于基底的各个层面的各个上板852，中板854，和下板856的位置。
本发明的阻抗匹配电路单元的接地面也可像图13所例示的那样实施，用中和下接地面板854、856覆盖着第一匹配金属导体834，形成带状匹配线(strip line)结构，并且第一匹配金属导体834的一端与接地面板856相连，形成短路匹配线。第二匹配金属导体835则采用微带匹配线(microstrip line)的结构，只被中间接地面板854所覆盖。
此外，本发明的阻抗匹配电路单元的接地面还可以实施成为图14所例示的情况，第一匹配金属导体834只被一接地面板854所覆盖，形成微带匹配线的结构，并且第一匹配金属导体834的一端与接地面板854相连，形成短路匹配线。而第二匹配金属导体835则采用带状匹配线结构，被两接地面板852、854覆盖着。
同时，本发明的阻抗匹配电路单元又可以再简化成为如图15的实施例，将第二匹配金属导体835′与馈入埠831垂直，沿平行于接地面856方向直线前进。并且，第一匹配金属导体834和第二匹配金属导体835′只被一接地面856所覆盖，形成微带匹配线的结构。而图15的片状天线实施例的多层面解剖图，则显示于图16中。
本发明所提出如上所述的宽频组合结构，以一段匹配线并联一段短路匹配线来当作阻抗匹配的电路，并将其串联于馈入线与天线主体之间。而藉由控制此匹配电路的长度与宽度，可提供相当大的自由度去达成阻抗匹配与调整共振频率的功能，同时在多层电路的结构下，此阻抗匹配电路所占的空间很小。
上述诸多实施例仅是为了便于说明而举例而已，在不违背以下权利要求的精神及范围之下，也可以用相同原理的其它类似技术对本发明作出不同的实现方式。
Claims (23)
1.一种片状天线，其包括：
一基底，由电介质所制成，包括至少一个层面；
一馈入埠，置于该基底表面，以提供馈入讯号；
一馈入线，放置在该基底的层面之一上，一端连结馈入埠，以传导讯号；
一曲折金属导体，放置于该基底的至少一个层面；以及
一匹配单元，放置于该基底，位于该馈入埠与该曲折金属导体之间，与该馈入线及该曲折金属导体相连接，以匹配天线的辐射效应及频宽。
2.如权利要求1所述的片状天线，其中该匹配单元包括：
一接地面，具有至少一层接地面板，放置于该基底；及
一匹配金属导体，放置于该基底的层面上，被该接地面的面板覆盖，而其中该匹配金属导体的各个部分分别与该曲折金属导体，该馈入线和该接地面连接。
3.如权利要求2所述的片状天线，其中所述匹配金属导体具有一第一匹配导体部分和一第二匹配导体部分，所述第一匹配导体部分连接所述馈入线和所述接地面，所述第二匹配导体部分连接所述第一匹配导体部分、所述馈入线和所述曲折金属导体。
4.如权利要求3所述的片状天线，其中所述第一匹配金属导体部分、第二匹配金属导体部分、和所述曲折金属导体设置在至少两个不同的基底层面上。
5.如权利要求3所述的片状天线，其中所述具有至少一个接地面板的接地面和所述第一匹配金属导体形成带状匹配线结构。
6.如权利要求3所述的片状天线，其中所述具有至少一个接地面板的接地面和所述第一匹配金属导体的部分形成带状匹配线结构。
7.如权利要求3所述的片状天线，其中所述具有至少一个接地面板的接地面和所述第一匹配金属导体形成微带匹配线结构。
8.如权利要求3所述的片状天线，其中所述具有至少一个接地面板的接地面和所述第一匹配金属导体的部分形成微带匹配线结构。
9.如权利要求3所述的片状天线，其中所述具有至少一个接地面板的接地面和所述第二匹配金属导体形成带状匹配线结构。
10.如权利要求3所述的片状天线，其中所述具有至少一个接地面板的接地面和所述第二匹配金属导体形成微带匹配线结构。
11.如权利要求5所述的片状天线，其中所述具有至少一个接地面板的接地面和所述第二匹配金属导体形成带状匹配线结构。
12.如权利要求7所述的片状天线，其中所述具有至少一个接地面板的接地面和所述第二匹配金属导体形成微带匹配线结构。
13.如权利要求6所述的片状天线，其中所述具有至少一个接地面板的接地面和所述第二匹配金属导体形成微带匹配线结构。
14.如权利要求8所述的片状天线，其中所述具有至少一个接地面板的接地面和所述第二匹配金属导体形成带状匹配线结构。
15.如权利要求1所述的片状天线，其中所述曲折金属导体旋绕在所述基底的各个层面上。
16.如权利要求15所述的片状天线，其中所述曲折金属导体由多个段构成，所述各个段连接起来但彼此设置在所述基底的不同层面上。
17.如权利要求3所述的片状天线，其中所述曲折金属导体设置在所述基底各个层面的一个层面上。
18.如权利要求17所述的片状天线，其中所述曲折金属导体为方形或“Z”字形。
19.如权利要求1所述的片状天线，其中所述电介质材料由陶瓷材料构成。
20.如权利要求3所述的片状天线，其中所述馈入线、所述第二匹配金属导体和所述曲折金属导体设置在所述基底的各个层面的至少两个不同层面上。
21.如权利要求3所述的片状天线，其中所述馈入线、所述第二匹配金属导体和所述曲折金属导体设置在所述基底的一个相同层面上。
22.如权利要求3所述的片状天线，其中所述馈入线、所述第一匹配金属导体设置在所述基底的一个相同层面上。
23.如权利要求22所述的片状天线，其中所述曲折金属导体旋绕在所述基底的各个层面上。
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