TW200522440A - Multi-band antenna - Google Patents

Description

200522440 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種天線，且特別是有關於一種多頻 段（Multi-band)天線。 【先前技術】 在無線通訊系統中，天線是電磁波信號傳遞的窗口， 其電氣特性的良窳直接左右了通訊品質。一般天線在操作 時，常需要面對多重路徑（Multi-path)的干擾問題，而對

策之一，便是利用天線分集（Antenna Diversity)的架構 來提升信號收發的品質與效能。當系統操作於單一頻段 時，可以利用兩支（或以上）單頻天線組成天線分集系 統，例如無線區域網路WLAN 802· 1 la所使用之5GHz頻段或 WLAN 802.11b所使用之2.4GHz頻段，即可利用一支主要 (Master)天線及一支從屬（Slave)天線來達到天線分集的 目的。主要天線負責發射及接收訊號，而從屬天線則僅從 事訊號之接收，故接收訊號時可依接收訊號之強度擇一進 行接收。此外’ WLAN 802· 1 lg之2· 4GHz頻段，則規劃兩支 天線皆負責接收及發射的功能，並依訊號的品質擇一使 用，以便收發來自不同方向的電磁波。

然而當系統採雙頻（Dual-band)甚至多頻段操作時， 大部份的天線系統皆採用多組獨立天線或是複合式天線丨 ,又计方式’來達到天線分集的目@，以期能保有各頻段丨 良好特性。因此至少需使用四支天線才能滿足界副 802.1 1a/b/g所需之操作頻率範圍：2.42 4835GHz、5 ^

200522440 五、發明說明（2) ---- 〜5.35GHz、5·47〜5.725GHz 以及5. 725〜5.825GHz。很顯然 的，此等設計方式將大幅提昇射頻（RF )系統的複雜性，進 而降低操作時的可靠度並增加生產成本。 另一方面，多頻段的天線設計技巧，乃利用共振結構 的倍頻效應創作出多組共振模態，藉以實現多頻操作^目 的。然而此一設計的限制，是每個共振模態的中心頻率彼 此間互為倍數關係，且所有頻寬皆屬窄頻，具有頻寬不易 拓展的缺點。例如：一般無線區域網路使用之2· 4GHz及 5GHz雙頻天線，通常只是將24GHz頻段之兩倍頻共振模態 (即4· 8GHz )的結構參數稍事調整，便用來收發5GHz之^ 磁波訊號；職是之故，高頻段的電磁波傳輸效率往往較 差’大幅影響信號品質。不僅如此，由於每一共振模雜間 存在著倍數關係，故而對於WLAN 8〇2Ua/b/g所需運&的 頻率範圍：2· 4〜2. 4835 GHz、5· 15 〜5. 35 GHz、5. 47〜 5.725 GHz以及5·725〜5.825 GHz，此種作法顯然無法適 用，因為在5GHz頻率範圍的每一頻段，彼此間並非倍頻關 係且整體頻寬相當寬闊（接近1G Η z)。基於上述理由，在 WLAN 802· 11 a/b與WLAN 802· 11 a/g的應用中，該如何開發 出能兼顧各頻段的操作特性、同時又具有體積優勢的天 線’對所有設計者而言，不啻是極難突破的瓶頸。 【發明内容】 有鐘於此，本發明之目的就是在提供一種多頻天線， 利用一體成型的單一天線本體產生多頻操作特性，並搭配

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屏蔽金屬使系統在很小的空 磁相容性。 間下兼具良好的高頻特性與電 此天線之簡 根據本發明的目的，提出一種多頻天線 述如下： 多頻天線同時具有一低 頻寬，包括輻射元件、接地 器。輻射元件具有一用以傳 射臂，其中第一與第二輻射 態，用以聯合實現高頻段操 共振模態，以實現低頻段操 藉短路元件互相連接以縮小 路調節器可增進高頻響應時 可利用同軸線傳輸天線信號 件以做為饋入點，外導體則 為#说接地之用。 頻段操作頻寬及一高頻段操作 平面、短路元件及短路調節 輸天線信號之饋入點及數個轄 臂分別具有第一及第二共振模 作頻寬，第三輻射臂具有第三 作頻見^接地平面與輻射元件 天線尺寸，且接地平面上的短 的阻抗匹配。在實際應用上， ’同轴線之芯線耦接至輻射元 與接地平面之接地點耦接以做

^為讓本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易 懂，下文特舉-較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說 明如下： 【實施方式】 印參照第1 A圖，其繪示依照本發明一較佳實施例所提 供的一種多頻天線示意圖。多頻天線丨〇 〇採一體成形之設 计’具有#δ射元件、接地平面GPN、短路元件st及短路調 節器（regulator ) REG，其中輻射元件可由輻射臂11〇，

TW1331F(廣達）.ptd 第7頁 200522440 五、發明說明（4) I 5 0， 1 7 0所組成，使多頻天線1 〇 〇能具有多頻段的操作特 性。下文中，將以WLAN 802· 11a/b 及WLAN 802. 1 1 a/g 的應 用為例，說明多頻天線100是如何滿足2· 4GHz及5GHz兩頻 段運作所需的操作頻寬；為方便說明起見，吾人將2. 4〜 2· 48 35 GHz的頻率範圍定義為低操作頻寬，將5. 1 5〜5. 825 G Η z的頻率範圍定義為高操作頻寬，以符合多頻段操作的 設計需求。 在信號傳輸方面，輻射元件上的饋入點F與接地平面 GPN上的接地點G，係為多頻天線1〇〇與傳輸線間的接觸 點。以同軸線的應用為例，其芯線可焊接至輻射元件處以 做為天線信號的饋入點F，其外導體則與接地點g連接以做 為信號接地之用。更進一步來看，輻射元件實由輻射臂 II 〇，1 5 0，1 7 0三部分所組成，經解析後，可將上述輻射 臂分別繪示，如第1Β圖所示。以長度而論，輻射臂11 〇之 長度最長、輻射臂1 50次之、輻射臂1 70最短，因此輻射臂 110由開路端（open end)至饋入點F所形成的電流路徑 L1，在設計時即以2· 4GHz的頻率響應為依據，使輻射臂 11 〇的共振模態能令多頻天線1 〇 〇滿足低操作頻寬的設計需 求。 此外，由於多頻天線100對5GHz頻段的頻寬要求極為 寬闊’因此本發明分別以輻射臂丨5〇， 170來負責高操作頻 寬中的低頻及高頻特性。亦即，設計時讓兩輻射臂的操作 頻寬有部分重疊（例如輻射臂丨5 〇的頻寬為5. 1 5〜5. 5 GHz，而輻射臂17〇的頻寬為5·4〜5.825 GHz)，以聯合實

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現5 GHz頻段的寬頻要求；換言之，5 gh 士 輕射臂15G與ϋ射臂17G所共同貢獻。 二之由 150與輻射臂170可採Z型對稱結構以括展頻寬’ ^射 由開路端至饋入點F所形成的電流路徑L2

Tf fn Y// ^ ^ ^ ^ 1150 ^ Μ ^ „ ^5315 GHz的頻寬要求。另一方面，輻射臂ΐ7〇由開路端 =點F所形成的電流路徑L3，可以56 GHz左右的 塑 應為設計依據，冑輻射臂17〇β共振模態曰 GHz的頻寬要求。 ~ 4 1 825

此等天線結構的另一個重點，在於短路元件以 置。由於短路元件ST可將輕#元件與接地平面㈣短：， 其短路效應與平面倒F天線（planar inverted F antenna，PIFA)的結構相似，故有助於天線尺寸的微小 化。此外，也由於短路元件^與接地點G分離，使2· 4 與5 GHz兩頻段間的牵動性降低，使射頻特性得以最佳 化。為使天線體積更加小巧，在實際應用中可將短路元 ST、輻射臂11〇，150， no、短路調節器REG、接地平面 GPN及接地點G等加以折疊，如第2A圖所繪示。 接著請參照第2B圖，其繪示折疊後的多頻天線1〇〇與 同軸線200耦接時的情形。同軸線2〇〇的芯線21〇耦接至輻 射元件做為天線信號的饋入點F，而同軸線2 〇 〇的外導體 2未標示）則與接地點G耦接做為信號接地之用。需要注 意的是，吾人可利用螺絲250將短路調節器REG與屏蔽金屬 短路，使電磁場的切割截面積增加，提升信號收發的品質

200522440 五、發明說明（6) (下文將配合圖式s兒明）。另一方面，短路調節器REG盥 接地平面GPN之間留有間隙GAP，是以短路調節可視 為接地平面GPN的延伸，對多頻天線1〇〇的阻抗匹配 (impedance matching)有所助益；尤其在5 GHz頻段的 返回損失（return loss)方面，加入短路調節器REG的設 計後有相當程度的改善。 研參照第3圖’其緣示多頻天線配置於筆記型電腦内 的情形。筆記型電腦300内配置有屏蔽金屬33〇，用以降低 電磁干擾，提升系統抗輻射干擾的能力。在實務上，可將 數個多頻天線1 00 (本例為2個）組成天線分集架構，並以 螺絲250鎖在屏蔽金屬330上，利用屏蔽金屬33〇增加天線 表面積，使多頻天線1〇〇能有更好的接收（或發射）效、 果。在這樣的理念下，屏蔽金屬33〇將成為廣義的天線元 件之二，，信號收發有正面幫助，在天線設計時若將其效 應一併考量，便可使筆記型電腦3〇 〇的無線效能達到最佳> 化。此外，由於多頻天線丨〇〇係隔離設置於筆記型電腦^ 應的兩端，故可降低訊號收發時的互相干擾，、 切換選擇的效果。 ’二間 請參考第4圖，其繪示本發明所提出之多頻天線的 回損失篁測結果。在低頻部分，由標記丨、標記2及杈 可知操作頻率由2·4〜2· 5 GHz的返回損失皆低於—1〇 =， 且中心頻率2·45 GHz處為一 27·97 dB。在高頻部份 5^ 825 GHz^

圍可擴大到自4· 9 GHz到6· 〇 GHz(返回損失仍小於—1Q

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d B ’由標記4，5可知）’涵蓋了其他諸如曰本、澳洲等地 區所使用的4· 9GHz頻段規格’可以說在良好的阻抗匹配要 求下，5GHz頻段可以調出很大的頻寬（約1GHz)。另外，在 2.4GHz 頻段部份，在 WLAN802.1 1b 或 WLAN 802.1 1g 之操作 頻率範圍·· 2· 4GHz到2· 4835GHz，其返回損失皆低於一μ 1 0dB，就一般業界規格而言，本發明天線所具有之高操作 頻寬，實際包括了5. 15GHz〜5. 35 GHz、L GHz、 5· 725〜5· 825 GHz等三個不同頻段，換句話說，此等多頻 天線僅以一體成形之結構，即共振出至少四個頻段之電磁 波0

請參考表一及表二，其表列出本發明所提出之多頻天 線於低頻（2· 4GHz)及高頻（5GHz)頻段之天線增益測量值， 其中天線係沿第2A圖及第2B圖中之X軸放置，以測量χ_γ平 面之增益值。由2· 4GHz頻段各頻率的尖峰增益（peak Gam)近於〇dB可知其輻射場型近似均勻的圓形，而“。頻 =2峰二益約ΐ〇·93〜3·79仆之間，其輻射場型近似橢 7 · z頻#又之平均增益（Average Gai η)皆大於-

200522440 五、發明說明（8)

頻李範圍 2.4 GHz 頻段、 頻率（GHz) 2.40 2.45 2.4835 尖峰增ii(dBi) 0.14 -0.47 .......... 0.6 平均增益（dBi) -2.39 -2.75 -2.53 表一 頻李範圍 5 GHz頻段、 頻率（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 乎均增益（dBi) -3.10 -3.13 -2.78 -2.11 -1.85^ 頻孪（GHz) 5.5975 5.725 5.775 5.825 尖峰增& (dBi) 1.35 1.64 1.08 0.93 ~—. 平均增 -2.34 -2.12 -2.36 •2.90 1 " 表二 接著請參照第5圖，其繪示本發明所提出之多頻天線 執行隔離（Iso 1 at ion)測試後的結果，電磁波信號由甲天 線發出後由乙天線接收，以得知電磁波的隔離特性。由 圖可看出，在雙天線系統中，2· 52 GHz與4· 89 GHz兩頻$ 之電性隔離度分別為-20·9 dB及-26.28 dB，隔離效果十 分良好。 綜上所述，本發明所提出之多頻天線至少具有以下優

TW1331F(廣達）.ptd 第12頁 200522440 五、發明說明（9) 點·· 、^線本體為一體成型之導體結構，可降低生產成 本及提升高頻特性的穩定度。 二、由兩個長度接近的輻射臂互相搭配，以達到阻抗 匹配及拓展頻寬的效果。 一、以短路元件連接輻射元件及接地平面，可有效縮 小天線體積。 四、 短路調節器可增進高頻模態的阻抗匹配

五、 天線與屏蔽金屬電性連接可提昇電磁輻射效率並 兼具電磁相容之考量以提昇系統之高頻表現。 八、結構簡f、體積小，十分適用在隱藏式天線系 統。 、、’、τ、上所述雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上-然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者’在不脫離 Π月之精神和範圍内’當可作各種之更動與满飾，因此 γ明之保護範圍當視後附之中請專利範圍所界定者為

200522440 圖式簡單說明 【圖式簡單說明】 第1 A圖繪示依照本發明一較佳實施例所提供的一種多 頻天線示意圖。 第1 B圖係解析第1A圖之各輻射臂。 第2 A圖繪示折疊後的多頻天線示意圖。 第2B圖繪示折疊後的多頻天線與同軸線耦接時的情 形。 第3圖繪示多頻天線配置於筆記型電腦内的情形。 第4圖繪示本發明所提出之多頻天線的返回損失量測 結果。 第5圖繪示本發明所提出之多頻天線執行隔離測試後 的結果。 圖式標號說明 1 0 0 :多頻天線 110， 150， 170 :輻射臂 2 0 0 :同軸線 21 0 :芯線 2 5 0 :螺絲 3 0 0 :筆記型電腦 330 :屏蔽金屬 F :饋入點 G :接地點 GPN :接地平面

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Claims (1)

1. 200522440 六、申請專利範圍 .二種多頻天線，具有一高頻段操作頻寬及一低頻段 操作頻見，該多頻天線包括·· # J 4輻射元件，具有一用以傳輸天線信號之饋入點及複 數個輻射臂，該些輻射臂包括·· 一第一輕射臂，耦接至該饋入點，該第一輻射臂 具有一第一共振模態； 一第二輻射臂，耦接至該饋入點，該第二輻射臂 ^ Ϊ 7第，共振模態，其中，該高頻段操作頻寬係由該第 一 一振模態與該第二共振模態聯合實現；及 且 :第二輻射臂，耦接至該饋入點，該第三輻射臂 ，、有一第三共振模態以實現該低頻段操作頻寬·， 接地平面’該接地平面具有一接地點；以及 一短路元件，用以將該輻射元件耦接至該接地平面。 一 2·如申請專利範圍第1項所述之多頻天線，其中該第 一輻射臂係與該第二輻射臂合成一對稱結構。 其中該對 其中該局 其中該低 其中該輻 3·如申請專利範圍第2項所述之多頻天線， 稱結構係Ζ型結構。 4·如申請專利範圍第1項所述之多頻天線， 頻段操作頻寬屬5GHz頻段。 5 ·如申請專利範圍第1項所述之多頻天線， 頻段操作頻寬屬2· 4GHz頻段。 6 ·如申請專利範圍第1項所述之多頻天線， 射兀件、該接地平面及該短路元件係一體成形 7 ·如申請專利範圍第1項所述之多頻天線，更包括 第16頁 TW1331F(廣達）.pt(1 200522440

   器與該接地平面耦接並形成一間 於該高頻段操作頻寬與該低頻段 六、申請專利範圍 短路調節器’該短路調節 隙，用以加強該多頻天線 操作頻寬之阻抗匹配。 頻 段 8.如申請專利範圍第7項所述之多頻天線，苴中該高 段操作頻寬屬5GHz頻段，該低頻段操作頻寬屬2.4GHz頻 9.如申請專利範圍第7項所述之多頻天線，其中該第 一輻射臂係與該第二輻射臂合成一 Z型結構。’、 1:·如申請專利範圍第7項所述之多頻天線，其中該輻 :疋件、該接地平面、該短路元件及該短路調節器係 成形。 11· 一種筆記型電腦，包括： 一屏蔽金屬，用以降低電磁干擾；以及 -天線’具有一高頻段操作頻寬及一低頻段 頻寬，包括： 芬、自叙伽Γ輻射元件，具有一用以傳輸天線信號之饋入點 及複數個輕射臂，該些輻射臂包括： 一第—輻射臂，耦接至該饋入點，該第一転 射臂具有一第一共振模態； 一第二輻射臂，耦接至該饋入點，該第二輕 具ϊ —第二共振模態，#中，該高頻段操作頻寬係： 孩第一 /、振模態與該第二共振模態聯合實現；及 免 一第三輻射臂，耦接至該饋入點，該第三幸s 射臂具有一第三共振模態以實現該低頻段操作頻寬；均

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   200522440 六、申請專利範圍 一接地平面，該接地平面耦接至該屏蔽金屬並且 有一接地點；及 ’、 一短路元件，用以將該輻射元件耦接至該接地 面。 12·如申請專利範圍第n項所述之多頻天線，其中該 第一輻射臂係與該第二輻射臂合成一對稱結構。 13·如申請專利範圍第12項所述之多頻天線，其 對稱結構係Z型結構。 ’、〃 ^ 14 ·如申請專利範圍第11項所述之多頻天線，其中該 高頻段操作頻寬屬5GHz頻段。 、X

   1 5·如申請專利範圍第11項所述之多頻天線，其中該 低頻段操作頻寬屬2· 4GHz頻段。 一 16·如申請專利範圍第11項所述之多頻天線，其中該 輕射元件、該接地平面及該短路元件係一體成形。 1 7 ·如申請專利範圍第丨丨項所述之多頻天線，更包括 一短路調節器，該短路調節器與該接地平面耦接並形成一 間隙，用以加強該多頻天線於該高頻段操作頻寬與該低頻 段操作頻寬之阻抗匹配。

   一 1 8 ·如申請專利範圍第1 7項所述之多頻天線，其中該 南頻段操作頻寬屬5GHz頻段，該低頻段操作頻寬屬2. 4GHz 頻段。 1 9 ·如申請專利範圍第1 7項所述之多頻天線，其中該 第一輻射臂係與該第二輻射臂合成/ Z型結構。 2 0 ·如申請專利範圍第丨了項所述之多頻天線，其中該

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