TW201417397A - 多層基材上形成之微型槽式天線及其印刷電路板 - Google Patents

Abstract

本發明係關於多層基材上形成之微型槽式天線，基材依序包括至少一個第一導電層、第一介質層、第二導電層、第二介質層和第三導電層，天線係以實施於第二導電層之第一槽線(30)，連接至天線供電源(A)，和分別實施於第一和第三導電層之第二和第三槽線所形成，第二和第三槽線(31,32)各以二導電線條為界，其供電側之第一末端，利用貫穿通過實施於第二導電層的窗口之通孔相連接，而第二末端連接於第二導電層，在第二末端側之二導電線條不是斷路就是短路，其第一、第二和第三槽線之電氣長度，係以天線操作頻率的波長為函數。

Description

多層基材上形成之微型槽式天線及其印刷電路板

本發明一般係關於微型槽式天線，尤指實施於多層基材之微型槽式天線。

在無線通訊領域，MIMO(多輸入輸出系統)電路日見常用，以提高傳輸電路容量，並改善全系統之操作。使用MIMO電路一般會導致增加為單一板實施之天線數。此外，為方便電路的整合，如今把天線直接製作在印刷電路板(PCB)上。然而，應用物理定律，天線長度為波長的函數。因此，要能在WiFi操作，例如頻帶為2.4GHz，則以λg為函數的槽式天線長度即數十毫米。當天線必須整合於大量生產所用印刷電路板時，此長度即不可忽略。再者，印刷電路板最通常是由多層結構之基材構成。

因此，為使用基材之多層結構製作微型槽式天線，最自然的構想是把槽線摺疊，如第1和2圖所示。

在第1圖中，以斷面圖簡示基材，有二介質層d1,d2，和三導電層M1,M2,M3。為在此種基材製作微型槽式天線，在導電層M3接續蝕刻槽線，如槽線1所示。然後，在通過介質層d2後，槽線接續在導電層M2製成之槽線2。再通過介質層d1，繼續在導電層M1製成的槽線3。槽式天線之供電點4形成於槽線1位準。此供電是按照稱為Knorr的技術，利用電磁耦合，以標準方式實施。在此情況，三條槽線1,2,3重疊，在供電點4和槽線3的短路末端間之總電氣長度，等於λg/2，其中λg是操作頻率時，槽內導波長。

如第1圖所示雙摺槽式天線，詳見第2圖之透視圖。此情況下，只圖示為明瞭本發明所必須之部份導電層M1,M2,M3。因此，槽線1是蝕刻在下導電層M3，此槽在一末端斷路，圖上未示之另一末端耦合至供電線。再者，槽線2蝕刻在導電層M2，以二導電線條B2,B’2為界，在圖示具體例中，呈L形狀。其次，在導電層M1製作第三槽線3，以二導電線 條B3,B’3為界，也是L形狀。二導電線條B3和B’3的一側有短路末端，如導電線條B”3所示。此外，導電線條B3和B2在供電點末端側，利用連接至導電層M3絕緣元件之通孔V1相連接。同理，二導電線條B’3,B’2利用通孔V’1連接導電層M3之絕緣元件。

再者，如第2圖所示，在斷路中槽線2界限的線條B2和B’2相反末端，分別利用通孔V2和V’2連接到繼續二線條B3和B’3實施之導電層M3和導電層M1二絕緣元件。如第2圖所示，三條槽線1,2,3疊合。

在供電點和槽3斷路末端間三個槽元件1,2,3的電氣長度等於λg/2之此種天線，係模擬WiFi操作，即頻帶在2.4GHz。模擬是使用電磁模擬器Momentum d'Agilent為之，以FR4基材為基材，金屬化位準相隔0.5mm。在此情況，對第1和2圖所示結構，以頻率為函數之阻抗匹配曲線，如第3圖所示。此曲線在2.8GHz頻率處之共振，大於WiFi帶之頻率。此外，副混附共振出現在接近3.7GHz，表示由此等槽線堆疊造成槽式天線之反常行為。

因此，本發明擬議一種摺疊式槽線之新解決方案，致使印刷電路板之多層結構可用來製作微型槽式天線，得以限制印刷電路板尺寸和/或整合若干天線。此項新解決方案並無上述諸問題。

本發明係關於一種多層基材上形成之微型槽式天線，基材依序包括至少一個第一導電層、第一介質層、第二導電層、第二介質層和第三導電層，天線係以實施於第二導電層之第一槽線，連接至天線供電源，和分別實施於第一和第三導電層之第二和第三槽線所形成，第二和第三槽線各以二導電線條為界，其供電側之第一末端，利用貫穿通過實施於第二導電層的窗口之通孔相連接，而第二末端連接於第二導電層，在第二末端側之二導電線條不是斷路就是短路，其第一、第二和第三槽線之電氣長度，係以天線操作頻率的波長為函數。

第一、第二和第三槽線疊合，總電氣長度為在槽式天線操作頻率的波長λg為函數。

按照第一具體例，當第一、第二和第三槽線之電氣長度等於kλg/2，k係整數，則第二或第三槽線之一為短路。

按照另一具體例，當第一、第二和第三槽線之電氣長度等於k’λg/2，k’為奇數整數，則第二或第三槽線之一為斷路。

傳統上，槽線與天線供電耦合，是以電磁耦合實施，其微線條是按照已知稱為Knorr原理之技術，實施在第一或第三導電層上。

本發明關係到實施在多層基材上之印刷電路板，包括至少一槽式天線，按照下述具體例實施在基材上。

本發明又關係到一種終端機，加設有上述印刷電路板。

10,11,12‧‧‧槽線

13,23‧‧‧供電點

20,21,22‧‧‧槽線

30,31,32‧‧‧槽線

d1,d2‧‧‧介質層

M1‧‧‧上導電層

M2‧‧‧中間導電層

M3‧‧‧下導電層

V,V’,V”,V'''‧‧‧通孔

A‧‧‧供電源

F,F’‧‧‧窗口

PCB‧‧‧印刷電路板

A1,A2‧‧‧四分之一波天線

S1,S2,S3,S4‧‧‧槽

B11,B’11,B12,B’12,B”12‧‧‧導電線條

B21,B’21,B22,B’22,B”22‧‧‧導電線條

B31,B’31,B32,B’32‧‧‧導電線條

EM1,EM1’,EM2,EM2’,EM3,EM3’‧‧‧絕緣元件

第1圖為先前技術所實施摺疊槽式天線具體例之斷面圖；第2圖為第1圖天線之示意透視圖；第3圖為第1和2圖所示天線以頻率為函數之阻抗匹配曲線以dB計；第4A和4B圖為本發明槽式天線第一具體例和第二具體例之示意斷面圖；第5A和5B圖分別為第4A和4B圖所示天線之透視圖；第6A和6B圖為第5A和5B圖所示槽式天線以頻率為函數之阻抗匹配曲線；第7圖為本發明槽式天線另一具體例之俯視透視圖；第8A和8B圖分別為第7圖槽式天線以頻率為函數之阻抗匹配曲線(A)以及指向性和增益曲線(B)；第9圖為上述天線具體實現的PCB電路之示意圖。

本發明其他特點和優點，由參照附圖所示不同具體例之說明，即可明白。

首先參照第4至6圖說明微型槽式天線之二具體例，實施在多層基材上，電氣長度λg/2。

尤其如第4A和4B圖所示，多層基材包括二介質層d1和d2，以及三導電層，分別為M1在介質層d1上面之上導電層，M2在介質層d1和d2間之中間導電層，M3在介質層d2下面之下導電層。

在第4A和4B圖之二具體例中，先由蝕刻在中間導電層M2 的槽線10形成槽式天線，利用以微線條技術實施在介質層d1上面或介質層d2下面之供電線電磁耦合的供電點13供電。天線供電模態僅供說明之用。

在第一具體例中，槽線10繼以實施在上導電層M1之槽線11，再繼實施在下導電層M3之槽線12。槽線10,11,12疊合，其總電氣長度等於kλg/2，其中λg為在操作頻率之波長。

更特定而言，如第5A圖所示，實施於導電層M1之槽線11，以二導電線條B11和B’11為界，即在圖示具體例中呈L形狀。再者，在下導電層M3實施槽線12，以二導電線條B12,B’12為界，呈L形狀。此二導驗線條B12,B’12利用導電線條B”12相連，使槽線12到短路為止。又，為得放射狀槽線，不同的導電線條以下述方式相連。

如第5A圖所示，中間導電層M2在槽線10各供電側，有二窗口F,F’，貫穿二通孔V,V’，分別連接導電線條B12之一末端至導電線條B11之相對應末端，和導電線條B’12之一末端至導電線條B’11之相對應末端。此外，導電線條B11之自由末端穿過通孔V”連接至導電層M2，和導電層M3之絕緣元件EM3，連續至導電線條B12。同理，導電線條B’11之末端連接至中間層M2，和導電層M3之絕緣元件EM3’，連續導電線條B’12。如此在不同槽線10,11,12間可以連接，如第4A圖箭頭所示。

茲參照第5B圖說明電氣長度λg/2的槽式天線第二具體例。在此情況，如第4B圖所示，先在中間導電層M2蝕刻槽線20，實施供電點23，正如第4A圖具體例之供電點13。在此情況，於下導電層M3實施第二槽線21。如第5B圖所示，此槽線21以二導電線條B21,B’21為界。於上導電層M1實施第三槽線22。如第5B圖所示，此槽線22以二導電線條B22,B’22為界，在相反側，利用形成槽線短路之導電元件B”22，相連接至供電點。一如第5A圖之具體例，導電線條呈L形狀。此外，如第5B圖所示，中間導電層M2有二窗口F,F’，容許通孔V,V’穿過，分別使導電線條B21與導電線條B22，以及導電線條B’21與導電線條B’22，在L形狀之下臂位準相連接。再者，絕緣導電元件EM1和絕緣導電元件EM1’均實施於第一導電層M1，分別連續導電線條B21和B’21，利用通孔V”,V'''分別連接至第二導電層M2，以及分別至導電線條B21和導電線條B’21，而得槽線 20,21,22相連接，如第4B圖箭頭所示。

此二結構使用與第2圖所示天線同樣之模擬方法模擬，第4A和4B圖之天線實施於與第1圖基材相同之基材。

在此情況，第6A和6B圖表示第5A和5B圖所示槽式天線以頻率為函數之阻抗匹配曲線。在此情況可見阻抗匹配曲線顯示在相當於所需WiFi頻率的頻率2.5GHz之共振。與第3圖曲線相比，可見在第6A和6B圖上無混附共振(即與印在單層的基本槽式天線類似之共振)存在。而且在第3圖中，共振頻率比第6A和6B圖所見共振頻率高，此為槽線之單一總長度。以相等共振頻率，本發明二具體例之天線尺寸更為縮小。

茲參見第7和8圖說明電氣長度λg/4之槽式天線。

如第7圖左側簡示，先在中間導電層M2實施槽線30，此槽線由在上導電層M1以微線條技術實施之饋電線A供電，其方式有如按照Knorr實施與槽線30電磁耦合。

如第7圖右方所簡示，在上導電層M1實施槽線31，以二導電線條B31,B’31為界。此槽線31到斷路終止，如第7圖所示。

此外，在導電層M3實施槽線32，以二導電線條B32和B’32為界。導電線條B31,B’31,B32,B’32一般都為L形狀，以方便其相連接。

如第7圖所示，在導電層M1連續各導電線條B31,B’31分別實施絕緣元件EM1和EM1’。此等元件EM1和EM1’利用通孔V”和V'''連接至導電線條B31,B’31之末端，此等通孔並未連接至中間導電層M2。此外，如第7圖所示，導電線條B32,B31,B’32,B’31之另一末端係利用通孔V和V’連接，後者亦連接至中間導電層M2之絕緣元件EM2,EM2’，切入主要中間導電層M2，如第7圖所示。

在此情況，三槽線30,31,32之總電氣長度等於λg/4，其中λg為在操作頻率之波長。此類槽式天線是使用第2或5圖所示槽式天線之同樣標準和同樣工具模擬。

第8A圖表示按照第7圖所示槽式天線頻率之阻抗匹配曲線。此第8A圖表示在相當於WiFi所用頻率的2.4和2.5GHz間之頻率共振。天線在操作帶之阻抗匹配低於-10dB。此外，第7圖天線之增益和指向性如第8B圖所示。所得增益(約2dBi)和指向性(約3.5dBi)數值，接近非摺 疊槽式天線。

茲參見第9圖簡單說明如第7圖所示摺疊的四分之一波槽式天線之具體例，此具體例用在例如MIMO 2*2應用。稱為PCB之印刷電路板，包括多層基材，有至少二介質層，利用一導電層和二外部導電層分開，在上面已實施二個四分之一波天線A1和A2，此等天線以槽S1,S2,S3,S4絕緣。第9圖之天線可實施在維度40×120mm之電路板上。如第9圖所示，以2.4-2.5GHz天線實施的天線系統之性能如下： 損失程度低於-14dB。

天線絕緣大於17dB。

指向性大於3dBi而增益接近2dBi。

標準輻射形態。

由於摺疊槽式天線之精巧，在諸優點當中，在電子板上之定位(定向)撓性更大，可符合例如特殊通達範圍之需求，或避免縮小尺寸和低成本電子產品常常遭遇到的固有機應力之罩覆區域。

因此，使用多層基材上實施之槽線特殊摺疊，可得精巧槽式天線，其實體長度遠比天線之總電氣長度為小。

30,31,32‧‧‧槽線

A‧‧‧供電源

B31,B’31,B32,B’32‧‧‧導電線條

EM1,EM1’,EM2,EM2’‧‧‧絕緣元件

M2‧‧‧中間導電層

V,V’,V”,V'''‧‧‧通孔

Claims (8)

1. 一種多層基材上形成之微型槽式天線，基材依序包括至少一個第一導電層(M1)、第一介質層(d1)、第二導電層(M2)、第二介質層(d2)和第三導電層(M3)，天線係以實施於第二導電層(M2)之第一槽線(10,20,30)，連接至天線供電源(13,23,A)，和分別實施於第一和第三導電層之第二和第三槽線所形成，第二和第三槽線(11,12,21,22,31,32)各以二導電線條為界，其供電側之第一末端，利用貫穿通過實施於第二導電層的窗口之通孔相連接，而第二末端連接於第二導電層，在第二末端側之二導電線條不是斷路就是短路，其第一、第二和第三槽線之電氣長度，係以天線操作頻率的波長為函數者。
2. 如申請專利範圍第1項之槽式天線，其中第一、第二和第三槽線係疊合者。
3. 如申請專利範圍第1或2項之任一項槽式天線，其中第一、第二和第三槽線之總電氣長度，以在槽式天線操作頻率之波長λg為函數者。
4. 如申請專利範圍第1至3項之任一項槽式天線，其中當第一、第二和第三槽線之電氣長度等於kλg/2，k係整數，則第二或第三槽線之一係短路者。
5. 如申請專利範圍第1至3項之任一項槽式天線，其中當第一，第二和第三槽線之電氣長度等於k’λg/4，k’係整數，則第二或第三槽線之一係短路者。
6. 一種印刷電路板，實施於申請專利範圍第1至5項之至少一項槽式天線者。
7. 如申請專利範圍第6項之印刷電路板，其中包括至少二槽式天線(A1,A2)，以絕緣槽(S1,S2,S3,S4)分開者。
8. 一種終端機，加設申請專利範圍第6或7項之任一項印刷電路板者。