CN1635663A

CN1635663A - 多频天线

Info

Publication number: CN1635663A
Application number: CN 200310124562
Authority: CN
Inventors: 林晖
Original assignee: Quanta Computer Inc
Current assignee: Quanta Computer Inc
Priority date: 2003-12-31
Filing date: 2003-12-31
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2023-12-31
Also published as: CN100365867C

Abstract

一种多频天线，同时具有一低频段操作频宽及一高频段操作频宽。多频天线包括辐射元件、接地平面、短路元件及短路调节器。辐射元件具有一用以传输天线信号的馈入点及数个辐射臂，其中第一与第二辐射臂分别具有第一及第二共振模态，用以联合实现高频段操作频宽；第三辐射臂具有第三共振模态，以实现低频段操作频宽。接地平面与辐射元件藉短路元件互相连接以缩小天线尺寸，且接地平面上的短路调节器可增进高频响应时的阻抗匹配。在实际应用上，可利用同轴线传输天线信号，同轴线的芯线耦接至辐射元件以作为馈入点，外导体则与接地平面的接地点耦接以作为信号接地之用。

Description

多频天线

技术领域

本发明有关一种天线，且特别是有关一种多频段(Multi-band)天线。

背景技术

在无线通讯系统中，天线是电磁波信号传递的窗口，其电气特性的优劣直接左右了通讯品质。一般天线在操作时，常需要面对多重路径(Multi-path)的干扰问题，而对策之一，便是利用天线分集(Antenna Diversity)的架构来提升信号收发的品质与效能。当系统操作于单一频段时，可以利用两支(或以上)单频天线组成天线分集系统，例如无线区域网络WLAN 802.11a所使用的5GHz频段或WLAN802.11b所使用的2.4GHz频段，即可利用一根主要(Master)天线及一根从属(Slave)天线来达到天线分集的目的。主要天线负责发射及接收信号，而从属天线则仅从事信号的接收，故接收信号时可依接收信号的强度择一进行接收。此外，WLAN802.11g的2.4GHz频段，则规划两根天线皆负责接收及发射的功能，并依信号的品质择一使用，以便收发来自不同方向的电磁波。

然而当系统采用双频(Dual-band)甚至多频段操作时，大部份的天线系统皆采用多组独立天线或是复合式天线的设计方式，来达到天线分集的目的，以期能保有各频段的良好特性。因此至少需使用四根天线才能满足WLAN 802.11a/b/g所需的操作频率范围：2.4~2.4835GHz、5.15~5.35GHz、5.47~5.725GHz以及5.725~5.825GHz。很显然，这样的设计方式将大幅增加射频(RF)系统的复杂性，进而降低操作时的可靠度并增加生产成本。

另一方面，多频段的天线设计技巧，是利用共振结构的倍频效应形成多组共振模态，藉以实现多频操作的目的。然而此一设计的限制，是每个共振模态的中心频率彼此间互为倍数关系，且所有频宽皆属窄频，具有频宽不易拓展的缺点。例如：一般无线区域网络使用的2.4GHz及5GHz双频天线，通常只是将2.4GHz频段的两倍频共振模态(即4.8GHz)的结构参数稍加调整，便用来收发5GHz的电磁波信号；因此，高频段的电磁波传输效率往往较差，大幅影响信号品质。不仅如此，由于每一共振模态间存在着倍数关系，故而对于WLAN 802.11a/b/g所需运作的频率范围：2.4~2.4835GHz、5.15~5.35GHz、5.47~5.725GHz以及5.725~5.825GHz，此种作法显然无法适用；因为在5GHz频率范围的每一频段，彼此间并非倍频关系且整体频宽相当宽阔(接近1GHz)。基于上述理由，在WLAN 802.11a/b与WLAN802.11a/g的应用中，如何开发出能兼顾各频段的操作特性、同时又具有体积优势的天线，对所有设计者而言，不啻是极难突破的瓶颈。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种多频天线，利用一体成型的单一天线本体产生多频操作特性，并搭配屏蔽金属使系统在很小的空间下兼具良好的高频特性与电磁相容性。

根据本发明的目的，提出一种多频天线，其特点是：

多频天线同时具有一低频段操作频宽及一高频段操作频宽，包括辐射元件、接地平面、短路元件及短路调节器。辐射元件具有一用以传输天线信号的馈入点及数个辐射臂，其中第一与第二辐射臂分别具有第一及第二共振模态，用以联合实现高频段操作频宽；第三辐射臂具有第三共振模态，以实现低频段操作频宽。接地平面与辐射元件藉短路元件互相连接以缩小天线尺寸，且接地平面上的短路调节器可增进高频响应时的阻抗匹配。在实际应用上，可利用同轴线传输天线信号，同轴线的芯线耦接至辐射元件以作为馈入点，外导体则与接地平面的接地点耦接以作为信号接地之用。

为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。

附图说明

图1A是依照本发明一较佳实施例所提供的一种多频天线示意图。

图1B是解析图1A的各辐射臂。

图2A是折叠后的多频天线示意图。

图2B是折叠后的多频天线与同轴线耦接时的情形。

图3显示多频天线配置于笔记本电脑内的情形。

图4显示本发明所提出的多频天线的返回损失量测结果。

图5显示本发明所提出的多频天线执行隔离测试后的结果。

具体实施方式

请参照图1A，图中示出依照本发明一较佳实施例所提供的一种多频天线。多频天线100采用一体成形的设计，具有辐射元件、接地平面GPN、短路元件ST及短路调节器(regulator)REG，其中辐射元件可由辐射臂110，150，170所组成，使多频天线100能具有多频段的操作特性。下文中，将以WLAN802.11a/b及WLAN 802.11a/g的应用为例，说明多频天线100是如何满足2.4GHz及5GHz两频段运作所需的操作频宽；为方便说明起见，将2.4~2.4835GHz的频率范围定义为低操作频宽，将5.15~5.825GHz的频率范围定义为高操作频宽，以符合多频段操作的设计需求。

在信号传输方面，辐射元件上的馈入点F与接地平面GPN上的接地点G，是为多频天线100与传输线间的接触点。以同轴线的应用为例，其芯线可焊接至辐射元件处以作为天线信号的馈入点F，其外导体则与接地点G连接以作为信号接地之用。更进一步来看，辐射元件实由辐射臂110，150，170三部分所组成，经解析后，可将上述辐射臂分解表示，如图1B所示。以长度而论，辐射臂110的长度最长、辐射臂150次之、辐射臂170最短，因此辐射臂110由开路端(open end)至馈入点F所形成的电流路径L1，在设计时即以2.4GHz的频率响应为依据，使辐射臂110的共振模态能使多频天线100满足低操作频宽的设计需求。

此外，由于多频天线100对5GHz频段的频宽要求极为宽阔，因此本发明分别以辐射臂150、170来负责高操作频宽中的低频及高频特性。也即设计时让两辐射臂的操作频宽有部分重叠(例如辐射臂150的频宽为5.15~5.5GHz，而辐射臂170的频宽为5.4~5.825GHz)，以联合实现5GHz频段的宽频要求；换言之，5GHz频段的频宽是由辐射臂150与辐射臂170所共同贡献。在实际使用时，辐射臂150与辐射臂170可采用Z型对称结构以拓展频宽，辐射臂150由开路端至馈入点F所形成的电流路径L2，可着眼于5.3GHz左右的频率响应，使辐射臂150的共振模态能满足5.15~5.5GHz的频宽要求。另一方面，辐射臂170由开路端至馈入点F所形成的电流路径L3，可以5.6GHz左右的频率响应为设计依据，使辐射臂170的共振模态能满足5.4~5.825GHz的频宽要求。

这样的天线结构的另一个重点，在于短路元件ST的设置。由于短路元件ST可将辐射元件与接地平面GPN短路，其短路效应与平面倒F天线(planarinverted F antenna，PIFA)的结构相似，故有助于天线尺寸的微小化。此外，也由于短路元件ST与接地点G分离，使2.4GHz与5GHz两频段间的牵动性降低，使射频特性得以最佳化。为使天线体积更加小巧，在实际应用中可将短路元件ST、辐射臂110，150，170、短路调节器REG、接地平面GPN及接地点G等加以折叠，如图2A所示。

接着请参照图2B，其示出折叠后的多频天线100与同轴线200耦接时的情形。同轴线200的芯线210耦接至辐射元件作为天线信号的馈入点F，而同轴线200的外导体(未标示)则与接地点G耦接作为信号接地之用。需要注意的是，可利用螺丝250将短路调节器REG与屏蔽金属短路，使电磁场的切割截面积增加，提升信号收发的品质(下文将配合附图说明)。另一方面，短路调节器REG与接地平面GPN之间留有间隙GAP，因此短路调节器REG可视为接地平面GPN的延伸，对多频天线100的阻抗匹配(impedance matching)有所助益；尤其在5GHz频段的返回损失(return loss)方面，加入短路调节器REG的设计后有相当程度的改善。

请参照图3，图中示出多频天线配置于笔记本电脑内的情形。笔记本电脑300内配置有屏蔽金属330，用以降低电磁干扰，提升系统抗辐射干扰的能力。在实际使用时，可将数个多频天线100(本例为2个)组成天线分集架构，并以螺 250锁在屏蔽金属330上，利用屏蔽金属330增加天线表面积，使多频天线100能有更好的接收(或发射)效果。在这样的理念下，屏蔽金属330将成为广义的天线元件之一，对信号收发有正面帮助，在天线设计时若将其效应一并考虑，便可使笔记本电脑300的无线效能达到最佳化。此外，由于多频天线100是隔离设置于笔记本电脑对应的两端，故可降低信号收发时的互相干扰，亦具有空间切换选择的效果。

请参考图4，图中示出本发明所提出的多频天线的返回损失量测结果。在低频部分，由标记1、标记2及标记3可知操作频率由2.4~2.5GHz的返回损失皆低于-10dB，且中心频率2.45GHz处为-27.97dB。在高频部份，5.15~5.825GHz其返回损失均低于-10dB，甚至可用的频率范围可扩大到自4.9GHz到6.0GHz(返回损失仍小于-10dB，由标记4，5可知)，涵盖了其他诸如日本、澳洲等地区所使用的4.9GHz频段规格，可以说在良好的阻抗匹配要求下，5GHz频段可以调出很大的频宽(约1GHz)。另外，在2.4GHz频段部份，在WLAN 802.11b或WLAN 802.11g的操作频率范围：2.4GHz到2.4835GHz，其返回损失皆低于-10dB，就一般业界规格而言，本发明天线所具有的高操作频宽，实际包括了5.15GHz~5.35GHz、5.47~5.725GHz、5.725~5.825GHz等三个不同频段，换句话说，这种多频天线仅以一体成形的结构，即共振出至少四个频段的电磁波。

请参考表一及表二，其表列出本发明所提出的多频天线于低频(2.4GHz)及高频(5GHz)频段的天线增益测量值，其中天线是沿图2A及图2B中的X轴放置，以测量X-Y平面的增益值。由2.4GHz频段各频率的尖峰增益(Peak Gain)近于0dB可知其辐射场型近似均匀的圆形，而5GHz频段的尖峰增益约为0.93~3.79dB之间，其辐射场型近似椭圆形。2.4GHz频段的平均增益(AverageGain)皆大于-2.8dB，而5GHz频段的平均增益皆大于-3.5dB，显示出本发明的天线具有良好的辐射效率。

频率范围	2.4GHz频段
频率范围	2.4GHz频段			频率(GHz)	2.40	2.45	2.4835
尖峰增益(dBi)	0.14	-0.47	0.6	频率(GHz)	2.40	2.45	2.4835
尖峰增益(dBi)	0.14	-0.47	0.6	平均增益(dBi)	-2.39	-2.75	-2.53

表一

频率范围	5GHz频段
频率范围	5GHz频段					频率(GHz)	4.9	5.15	5.25	5.35	5.47
尖峰增益(dBi)	3.71	3.79	3.56	3.60	3.23	频率(GHz)	4.9	5.15	5.25	5.35	5.47
尖峰增益(dBi)	3.71	3.79	3.56	3.60	3.23	平均增益(dBi)	-3.10	-3.13	-2.78	-2.11	-1.85
频率(GHz)	5.5975	5.725	5.775	5.825		平均增益(dBi)	-3.10	-3.13	-2.78	-2.11	-1.85
频率(GHz)	5.5975	5.725	5.775	5.825		尖峰增益(dBi)	1.35	1.64	1.08	0.93
平均增益(dBi)	-2.34	-2.12	-2.36	-2.90		尖峰增益(dBi)	1.35	1.64	1.08	0.93

表二

接着请参照图5，图中示出本发明所提出的多频天线执行隔离(Isolation)测试后的结果，电磁波信号由甲天线发出后由乙天线接收，以得知电磁波的隔离特性。由此图可看出，在双天线系统中，2.52GHz与4.89GHz两频率的电性隔离度分别为-20.9dB及-26.28dB，隔离效果十分良好。

综上所述，本发明所提出的多频天线至少具有以下优点：

一、天线本体为一体成型的导体结构，可降低生产成本及提升高频特性的稳定度。

二、由两个长度接近的辐射臂互相搭配，以达到阻抗匹配及拓展频宽的效果。

三、以短路元件连接辐射元件及接地平面，可有效缩小天线体积。

四、短路调节器可增进高频模态的阻抗匹配。

五、天线与屏蔽金属电性连接可提升电磁辐射效率并兼具电磁相容的考虑以提升系统的高频表现。

六、结构简单、体积小，十分适用在隐藏式天线系统。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化和修改，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。

Claims

1.一种多频天线，具有一高频段操作频宽及一低频段操作频宽，其特征在于，该多频天线包括：

一辐射元件，具有一用以传输天线信号的馈入点及多个辐射臂，所述辐射臂包括：

一第一辐射臂，耦接至该馈入点，该第一辐射臂具有一第一共振模态；

一第二辐射臂，耦接至该馈入点，该第二辐射臂具有一第二共振模态，其中，该高频段操作频宽是由该第一共振模态与该第二共振模态联合实现；及

一第三辐射臂，耦接至该馈入点，该第三辐射臂具有一第三共振模态以实现该低频段操作频宽；

一接地平面，该接地平面具有一接地点；以及

一短路元件，用以将该辐射元件耦接至该接地平面。

2.如权利要求1所述的多频天线，其特征在于该第一辐射臂是与该第二辐射臂合成一对称结构。

3.如权利要求2所述的多频天线，其特征在于该对称结构是Z型结构。

4.如权利要求1所述的多频天线，其特征在于该高频段操作频宽属5GHz频段。

5.如权利要求1所述的多频天线，其特征在于该低频段操作频宽属2.4GHz频段。

6.如权利要求1所述的多频天线，其特征在于该辐射元件、该接地平面及该短路元件是一体成形。

7.如权利要求1所述的多频天线，其特征在于还包括一短路调节器，该短路调节器与该接地平面耦接并形成一间隙，用以加强该多频天线于该高频段操作频宽与该低频段操作频宽的阻抗匹配。

8.如权利要求7所述的多频天线，其特征在于该高频段操作频宽属5GHz频段，该低频段操作频宽属2.4GHz频段。

9.如权利要求7所述的多频天线，其特征在于该第一辐射臂是与该第二辐射臂合成一Z型结构。

10.如权利要求7所述的多频天线，其特征在于该辐射元件、该接地平面、该短路元件及该短路调节器是一体成形。

11.一种笔记本电脑，其特征在于包括：

一屏蔽金属，用以降低电磁干扰；以及

一多频天线，具有一高频段操作频宽及一低频段操作频宽，包括：

一接地平面，该接地平面耦接至该屏蔽金属并具有一接地点；及

一短路元件，用以将该辐射元件耦接至该接地平面。

12.如权利要求11所述的笔记本电脑，其特征在于该第一辐射臂是与该第二辐射臂合成一对称结构。

13.如权利要求12所述的笔记本电脑，其特征在于该对称结构是Z型结构。

14.如权利要求11所述的笔记本电脑，其特征在于该高频段操作频宽属5GHz频段。

15.如权利要求11所述的笔记本电脑，其特征在于该低频段操作频宽属2.4GHz频段。

16.如权利要求11所述的笔记本电脑，其特征在于该辐射元件、该接地平面及该短路元件是一体成形。

17.如权利要求11所述的笔记本电脑，其特征在于还包括一短路调节器，该短路调节器与该接地平面耦接并形成一间隙，用以加强该多频天线于该高频段操作频宽与该低频段操作频宽的阻抗匹配。

18.如权利要求17所述的笔记本电脑，其特征在于该高频段操作频宽属5GHz频段，该低频段操作频宽属2.4GHz频段。

19.如权利要求17所述的笔记本电脑，其特征在于该第一辐射臂是与该第二辐射臂合成一Z型结构。

20.如权利要求17所述的笔记本电脑，其特征在于该辐射元件、该接地平面、该短路元件及该短路调节器是一体成形。