200933975 九、發明說明： .【發明所屬之技術領域】 . 本發明係關於一種環形天線，尤其是有關於一種適合 内建於手機之多頻環形天線。 【先前技術】 隨著無線通訊的快速發展，在無線通訊產品中，天線 扮演的角色更加重要，尤其在輕、薄、短、小的趨勢潮流 _ 下，天線的尺寸，特別是其高度將影響一個產品的價值。 而此類無線通訊產品中又大多以平板天線或是外露式單極 天線為主要設計類型，當天線尺寸礙於手機内部空間限制 而必須縮減時，此類天線之性能將大為下降。除上述傳統 手機天線外，近來亦可見多頻手機使用環形天線作為應用 ，如美國專利公告號第US 7,265,726 B2號“多頻天線(Multiband antenna)” ，其揭示一種具有多金屬支臂之環形天線， 並使用於行動通訊系統 GSM (Global System for Mobile Commu-❹ nications)及 DCS (Digital Cellular System)/PCS (Personal Communication System)/UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) 多 頻操作之内藏式手機天線的例子，雖可達成多頻操作，但 其使用的是習知環形天線的二分之一波長模態及全波長模 態，其中二分之一波長模態提供GSM頻帶操作，這使得天 線尺寸較大。為縮減天線所佔空間，並同時滿足手機薄形 化的需求’我們提出一種創新的多頻環形天線設計，有別 於習知應用於手機之環形天線使用金屬環之二分之一波長 5 200933975 及全波長共振模態，本天線設計使用的是金屬環之四分之 .-波長及二分之-波長模態，就操作於相同頻帶之應用而 .言，尺寸可縮減成-半，在製程上可將金屬環直接平面印 刷在-支樓介質上，以節省製程成本，亦或將金屬環適當 f折並由-支撐介質所支撐。本天線設計並使用一匹配電 路’使金屬環之共振基頻為四分之一波長共振時能具有良 好阻抗匹配，因此其尺寸僅有習知環形天線之一半，再配 合金屬環之二分之-波長模態，整體天線可提供gs_cs /PCS/UMTS四頻操作，符合實際手機系統之應用需求。 【發明内容】 a如上所述·，本發明之目的在於提供一種手機天線的創 新《•又。十，不僅可以達成適用於GSM (89〇〜96〇 m出)瓜⑶（mo 〜1880 MHZ)/PCS (1850 〜1990 mhz)/umts (192〇 〜217〇 MHz)頻帶 的手機天線設計，同時本發明天線尺寸僅有一般操作於相 同頻帶之手機天線的一半，且其結構簡單' 操作機制明確 ©、製作谷易，並具有節省手機内部空間之優點。 本發明天線包含：一介質基板、一接地面、一輻射部 及一匹配電路；其中該接地面具一接地點，並位於該介質 基板上；輻射部則包含一支撐介質及一金屬環，該金屬環 為該支樓介質所支撐，而其長度大致為天線最低共振頻率 之四分之一波長，並具有一饋入端與一接地端，其中該接 地電氣連接至該接地面之接地點；匹配電路則位於該介 質基板上’且其一端電氣連接至該輻射部之該金屬環之饋 6 200933975 行：通：：：則連接至一訊號源。上述之介質基板為-置夕/、系統電路板，而該接地面為-行動通訊裝 二：土、= 也面’又該接地面係以印刷或餘刻之技術形成 ;該；|質基板上。輕射部之人傲 其也h ㈤耵冲之支撐介質之材質為空氣或玻纖 =塑膠材料或陶刪，可為其中一種材質或二種以 :質：組合，又輻射部之金屬環可為一平面結構，或具 >-次之f折而形成之立體結構；上述之匹配電路則 為一具有-電容元件及—電感元件之串接電路。 在本項》又叶中，使用金屬環的四分之—波長及二分之 :波長共振模態，並配合匹配電路補償各個模態之虛部阻 ::可：成具有良好阻抗匹配之共振模態。第一個共振模 :四刀之一波長模態）提供一大約70MHZ(_〜96〇mhz) 求頻帶内之返回損==需求’且本天線在此需 *U相失白有-於6dB的表現；第二個共振模 ❿ 心- 77之-波長核態）則具有雙共振特性，可形成一約 600 MHz(腦〜229嶋z)之操作頻寬，並涵蓋⑽卿、 職頻帶的操作需求’且在此所需頻帶範圍⑽〜㈣ =回：失值亦皆有高於_的表現，符合應用需求 ，本天線设計非但結構簡單、操作機制明確，1 相較於一般相同操作頻帶之手機天線大幅減小，料節省 手機内部放置天線之空間’故具有產業應用之價值。 兹配合下列圖式、實施例之詳細說明及申請專利範圍 ’將上述及本發明之其他目的與優點詳述於後。 7 200933975 【實施方式】 參 ❹ 第1圖為本發明天線之主要實施例！結構圖，其 1(a)圖為整體結構圖，帛1(b)圖為天線結構放大圖了本發 明天線主要實施例1包含：一介質基板U、-接地面12 : -輻射部13及一匹配電路14 ;其中該接地面12具一接地點 m，並位於該介f基板u上；輕射部13則包含—支撐介 質131、一金屬環132 ’該金屬環132為該支撐介質⑶ 所支稽，而其長度大致為天線最低共振頻率<四分之一波 長’並具有-饋入端133與一接地端134 ,其中該接地端 134電氣連接至該接地面12之接地點i2i ;匹配電路_ 位於該介質絲1丨上，且其__端141電氣連接至該輕射部 13之該金屬環132之饋人端133，而另—# 142則連接至 -訊號源15。上述之介質基板„為一行動通訊裝置之系统 電路板，而該接地面12為一行動通訊裝置之系統接地面， 又該接地面12係以印刷或蝕刻之技術形成於該介質基板u 上；輻射部13之支撐介質131材質為一玻纖基板，且輻射 4 13之金屬裱132為一平面結構；上述之匹配電路μ則為 具有一電容元件143及一電感元件144之串接電路。 。第2圖為第1圖之本發明天線之主要實施例丨的返回 損失實驗量測結果。本實驗選擇下列尺寸及元件值進行量 測.介質基板11為厚度0.8 mm之FR4玻纖基板，接地面12 =尺寸為40xl〇〇mm2，並蝕刻於介質基板丨丨之表面；輻射 邛13之支撐介質131使用厚度為〇 8加孤之玻纖基板， 8 200933975 且支撐介質131的長寬分別為 22 mm及10 mm，金屬環 132則印刷於該支撐介質131之一表面，而金屬環132長 度為62 mm ’此長度約為天線最低共振頻率之四分之一波 長，又金屬環132具有一饋入端133與一接地端134，其 中該接地端134電氣連接至該接地面12之接地點ι21 。匹 配電路14位於該介質基板丨丨上，為一具有一電容元件143
及一電感元件144之串接電路，電容元件143值為〇 47奸 ，而電感元件144值為13 nH ;上述匹配電路14之一端 Η1電氣連接至該輻射部13之該金屬環132之饋入端 ^而另一端142則連接至一訊號源15。有別於習知技術之 環形天線採用金屬環之二分之—波長模態作為第—個共振 2態’以提供GSM頻帶之頻寬需纟，本項設計採用之金屬 ί哀132的長度為62mm，僅約9〇〇ΜΗζ之四分之一波+ , 故較低頻帶之共振模態為金屬環132之四分之一波長模離 :而較高頻帶則為金屬冑132之二分之一波長模態。在^ 未使用匹配電路14狀況下，金屬132之四分 態：實部阻抗約則，但虛部阻抗呈現高電感性，而：分 呈現低模態之實部阻抗亦約5(>Ω ’然其虛部阻抗則 呈感性並略偏電容性；為達成各個㈣之阻抗匹配 :::匹：電路之電容元件143值’用以補償（ 其阻抗達成匹配，電感性虛部阻抗，使 模態之虛部阻抗呈現高電容性， 及長 態之高電容性虛部阻抗，：低）此-模 』丹¥接一電感兀件144，使其 9 200933975 阻抗達成匹配。本發明天線使用金屬環132之四分之一波 •長及二分之一波長模態，配合選取匹配電路Η之電容元件 .143及電感元件144值’共可達成二個具有良好匹配之共 振模態。第一（低頻）共振模態21為四分之一波長模態， 提供一大約70MHz(890〜％〇MHz)的操作頻寬，可涵蓋gsm 頻帶操作需求，且本天線在此需求頻帶内之返回損失皆有 高於6dB的表現；第二（高頻）共振模態22則為二分之一 φ波長模態，且具有雙共振特性，可提供一約000MHz(1690 ^ 2290 MHz)之操作頻寬，而涵蓋DCS/pcs/UMTS頻帶的操作 需求，且在此所需頻帶範圍171〇〜217〇MHz的返回損失值 亦皆有高於6 dB的表現，符合應用需求。 ^第3圖為本發明天線之主要實施例於925 MHz之輻射 %型圖。由所得之結果，金屬環所共振出的四分之一波長 模態之輕射場型，與傳統單極天線或平板天線共振於相同 ❹頻率時的輻射場型相似。 第4圖為本發明天線之主要實施例於1795 MHz之輻射 :由所得之結果’金屬環所共振出的二分之一波長 、^％型，梵到接地面上電流零點的影響，其場型之凹 =點較925MHZ乡，且因輻射部不對稱接地面中心線，其 的U面之輕射场型偏向+>"方向’但仍不影響實際應用上 圖為本發明天線之主要實施例於1920 MHz之輻射 200933975 場型圖。it?郎· i 屬環所共振出二！!果’基於192GMHz與1795MHz同屬金 $., 、一分之一波長模態，其場型亦相近似，受 :土面上電流零點的影響，其場型之凹陷點較925MHz 二二輕射部不對稱接地面中心線…丫平面之輕射 Μ偏向方向’但仍不影響實㈣用上的需求。 ’ 6®為本發明天線之主要實施例於屬應z之輕射 =圖*所得之結果’基於2045 MHz與1795 MHz同屬金 ❹.％所共振出的二分之—波長模態，其場型亦相近似，受 到接地面上電流零點的影響，其場型之凹陷點較925贿z =二ϋ射部不對稱接地面中心線，其x_y平面之輕射 琢i偏向+y方向，但仍不影響實際應用上的需求。 第7圖為本發明天線之主要實施例於操作頻帶内之天 線增益圖’其中第7⑻圖為瞧頻帶之天線增益圖，第 7⑼圖為DCS/PCS/UMTS頻帶之天線增益圖。纟_中量測數 ❹據可知，本設計於GSM操作頻帶内之增益值約_〇7〜〇4犯1 ’而於DCS/PCS/UMTS操作頻帶内之增益值約〇5〜3〇啦， 皆符合實際應用之需求。 第8、第9及第1〇圖分別為本發明天線之第一其他實 施例、第二其他實施例及第三其他實施例結構圖。:發明 天線之實施例8、9及1〇與實施例丨的整體結構相同，惟 貫施例8之金屬環832經過彎折而成一立體結構；而實施 例9之金屬環932大致與接地面12垂直，且金屬環932經
II 200933975 過彎折而成一立體結構；又實施例ίο之金屬環132為一圓 •滑曲線’並大致與接地面12垂直，可以由一金屬導線彎繞 *而成’直接以空氣作為支撐介質。此等實施例僅為金屬環 (132、832或932)與接地面12相對位置配置不同，或其彎 折方式相異’但仍皆可達成與實施例1相同之功效。 本發明的實驗結果顯示，本發明天線之實施例可以達 成適用於GSM/DCS/PCS/UMTS頻帶的手機天線設計。其中較 ®低共振頻率（涵蓋GSM頻帶者）頻寬約70MHz (890〜960 MHz)，而較咼共振頻率（涵蓋DCS/pcs/UMTs頻帶者）之頻 寬約600MHZ(1690〜229〇MHz)，冑可符合實際手機系統之 應用需求。 紅合上述的說明，本發明天線的結構簡單，操作機制 月確1作成本低’同時可縮減手機天線尺寸，因此本發 月天線甚具同度產業應用價值，足以符合發明之範缚。 ❹ 准X上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當 利汾鬥=疋本發明實施之範圍。即大凡依本發明申請專 •V <之均等變化與修飾’皆應仍屬本發明專利涵蓋 12 200933975 【圊式簡單說明】 -第1圖為本發明天線之主要實施例結構圖，其 々 為整體結構圖，第1(b)圖為天線結構放大圖。 第2圖為本發明天線之一實施例之返回損失量測結果。 第3圖為本發明天線一實施例於925 MHz之輻射^型圖。 第4圖為本發明天線一實施例於1795 MHz之輻射場型圖。 第5圖為本發明天線一實施例於1920 MHz之輻射場型圖。 ❹第6圖為本發明天線一實施例於2〇45 MHz之輻射場型圖。 第7圖為本發明天線一實施例於操作頻帶之天線增益圖， 其中第7⑻圖為GSM頻帶之天線增益圖，第7(b)圖 為DCS/PCS/UMTS頻帶之天線增益圖。 第8圖為本發明天線之第一其他實施例結構圖。 第9圖為本發明天線之第二其他實施例結構圖。 第10圖為本發明天線之第三其他實施例結構圖。 〇 【主要元件符號說明】 1 :本發明天線之主要實施例 8 .本發明天線之第一其他實施例 9 : 本發明天線之第 二其他實施例 10 : 本發明天線之第 二其他實施例 11 : 介質基板 12 : 接地面 121 :接地點 13 : 輻射部 13 200933975 131 :支撐介質 132 、832、932 :金屬環 133 :金屬環之饋入端 134 ••金屬環之接地端 14 :匹配電路 141 :匹配電路之一端點 142 :匹配電路之一端點連接至一訊號源 143 :電容元件 144 .電感元件 15 :訊號源 21 :四分之一波長共振模態 (低頻模態） 22 :二分之一波長共振模態 (高頻模態）
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