TW201511406A

TW201511406A - 寬頻天線

Info

Publication number: TW201511406A
Application number: TW102131720A
Authority: TW
Inventors: Yu-Yu Chiang; Yen-Cheng Chen; Kuan-Hsueh Tseng; Chia-Tien Li
Original assignee: Wistron Neweb Corp
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2015-03-16
Also published as: US20150061952A1

Abstract

一種寬頻天線，用於一無線通訊裝置，包含有一接地元件，用來提供接地；一輻射部；一訊號饋入元件，用來將一射頻訊號傳送至該輻射部，以透過該輻射部發射該射頻訊號，其一接地端電性連接該接地元件；一饋入點，位於該輻射部上；一電容，電性連接於該饋入點與該訊號饋入元件之間；以及一電感，其一第一端電性連接於該電容。

Description

寬頻天線

本發明係指一種寬頻天線，尤指一種使用被動元件激發共振效應，以改善天線高頻頻寬和提升低頻匹配之寬頻天線。

天線係用來發射或接收無線電波，以傳遞或交換無線電訊號。一般具無線通訊功能的電子產品，如筆記型電腦、個人數位助理(Personal Digital Assistant)等，通常透過內建之天線來存取無線網路。因此，為了讓使用者能更方便地存取無線通訊網路，理想天線的頻寬應在許可範圍內盡可能地增加，而尺寸則應盡量減小，以配合可攜式無線通訊器材體積縮小之趨勢。除此之外，隨著無線通訊技術的演進，大資料量的傳輸已成為通訊系統需求，且不同無線通訊系統的操作頻率可能不同，因此，理想的天線應能以單一天線涵蓋不同無線通訊網路所需的頻帶。

因此，如何在有限空間下設計小尺寸的天線，同時有效提高天線頻寬，使之適用於不同無線通訊系統的操作頻率，也就成為業界所努力的目標之一。

本發明主要提供一種天線，其在天線饋入訊號端搭配被動元件，以達到寬頻的效果，並可有效地縮小天線尺寸。

本發明揭露一種寬頻天線，用於一無線通訊裝置，包含有一接地元件，用來提供接地；一輻射部；一訊號饋入元件，用來將一射頻訊號傳送至該輻射部，以透過該輻射部發射該射頻訊號，其一接地端電性連接該接地元件；一饋入點，位於該輻射部上；一電容，電性連接於該饋入點與該訊號饋入元件之間；以及一第一電感，其一第一端電性連接於該電容。

10、20、30、40、50‧‧‧寬頻天線

100、200、300、400、500‧‧‧基板

102、202、302、402、502‧‧‧輻射部

1020、2020、3020、4020‧‧‧第一輻射體

1022、2022、3022、4022‧‧‧第二輻射體

1024、2024、3024‧‧‧第三輻射體

1026、2026、3026‧‧‧第四輻射體

2028‧‧‧第五輻射體

104、204、304、404、504‧‧‧訊號饋入元件

106、206、306、406、506‧‧‧接地元件

108、208、308、408‧‧‧短路元件

112、114、116、212、214、216、312、314、316‧‧‧連接部

118‧‧‧金屬片

C1‧‧‧電容

L1、L2‧‧‧電感

FP1、FP2、FP3、FP4、FP5‧‧‧饋入點

D1、D2、D3‧‧‧方向

508‧‧‧耦合激發元件

5020‧‧‧低頻輻射體

5022‧‧‧高頻輻射體

60‧‧‧無線通訊裝置

600‧‧‧殼體

第1A圖為本發明實施例一寬頻天線之示意圖。

第1B圖為第1A圖之寬頻天線之正面示意圖。

第1C圖為第1A圖之寬頻天線之背面示意圖。

第1D圖為第1A圖之寬頻天線之側面示意圖。

第1E圖為第1A圖之寬頻天線之電壓駐波比示意圖。

第1F圖為第1A圖之寬頻天線之輻射效率示意圖。

第2圖為本發明實施例一寬頻天線之示意圖。

第3A圖為本發明實施例一寬頻天線之示意圖。

第3B圖為第3A圖之寬頻天線之正面示意圖。

第3C圖為第3A圖之寬頻天線之背面示意圖。

第4圖為本發明實施例一寬頻天線之示意圖。

第5圖為本發明實施例一寬頻天線之示意圖。

第6圖為第1A圖之寬頻天線應用於一無線通訊裝置之示意圖。

請參考第1A圖至第1F圖，第1A圖為本發明實施例一寬頻天線10之示意圖，第1B圖為寬頻天線10之正面示意圖，第1C圖為寬頻天線10之背面示意圖，第1D圖為寬頻天線10之側面示意圖，第1E圖為寬頻天線10之電壓駐波比示意圖，第1F圖為寬頻天線10之輻射效率示意圖。寬頻天線10可用於一無線通訊裝置，用以收發多個相異頻段如LTE/GSM850/GSM900(791MHz~960MHz)與GSM1800/GSM1900/UMTS/LTE2300/LTE2500(1710MHz~2700MHz)等之無線訊號。寬頻天線10包含有一基板100、一輻射部102、一訊號饋入元件104、一接地元件106、一短路元件108、一饋入點FP1、一電容C1及一電感 L1。基板100為一雙面基板，其中一面(即正面)設有輻射部102，另一面(即背面)則設有短路元件108。接地元件106可由兩相接之金屬片所構成，且此兩金屬片分別設於基板100的正面、背面。饋入點FP1位於輻射部102上，射頻訊號主要從訊號饋入元件104經由饋入點FP1傳送至輻射部102，以發射至空氣中。訊號饋入元件104之一接地端可連接無線通訊裝置之一系統接地件或一同軸電纜之地線。電容C1電性連接於饋入點FP1與訊號饋入元件104之間，而電感L1電性連接於電容C1及接地元件106之間。藉由電容C1及電感L1等被動元件，寬頻天線10可增加多個共振模態，以達到寬頻的效果，並有效地縮小天線尺寸。

詳細來說，短路元件108之一端電性連接於輻射部102，而另一端電性連接接地元件106。輻射部102於基板100的正面包含有一第一輻射體1020及一第二輻射體1022，於基板100的背面另可包含有一第三輻射體1024及一第四輻射體1026。基板100可具有一或多個貫孔(Via)，可位於輻射部102中，以電性連接第一輻射體1020與第三輻射體1024及第二輻射體1022與第四輻射體1026，亦可位於接地元件106中，以將基板100的正面及背面之接地元件106相連。如第1C圖所示，短路元件108可電性連接第三輻射體1024、第四輻射體1026及位於背面的接地元件106，短路元件108、第三輻射體1024、第四輻射體1026及位於背面的接地元件106較佳地為一體成型結構，但不限於此。短路元件108所延伸的方向大致上與第一輻射體1020、第三輻射體1024所延伸的方向D2相同，而第三輻射體1024、第四輻射體1026大致與第一輻射體1020、第二輻射體1022於基板100之平面的投影結果重疊。連接部112、114、116位於電容C1及電感L1兩端，用以輔助電容C1電性連接於饋入點FP1與訊號饋入元件104之間，以及輔助電感L1電性連接於電容C1與接地元件106之間。連接部112、114、116可以是金屬連接片，或是將電容C1及電感L1焊於基板100上的焊點。

電容C1電性連接於饋入點FP1與訊號饋入元件104之間，因此，當射頻訊號由訊號饋入元件104經由電容C1饋入至饋入點FP1後，電流會流至輻射部102，以透過輻射部102發射射頻訊號。由於第三輻射體1024、第四輻射體1026與第一輻射體1020、第二輻射體1022部分重疊，因此透過耦合效應，第三輻射體1024、第四輻射體1026會感應第一輻射體1020及第二輻射體1022上的電流，而產生相同方向的感應電流。如此一來，可增加輻射部102之輻射金屬面積，進而縮小天線尺寸，並同時達到良好的寬頻阻抗匹配。

第1D圖顯示由寬頻天線10左側往右側方向看入的側面示意圖，寬頻天線10可另包含一金屬片118，電性連接輻射部102。金屬片118大致垂直輻射部102平貼於基板100的平面，亦可與輻射部102呈任一夾角。金屬片118可視為輻射部102於Z軸方向的延伸，以輻射電磁波，而增加天線的輻射金屬面積。

由上述可知，第一輻射體1020之一電氣長度大於第二輻射體1022之一電氣長度，兩輻射體1020、1022相連接而短路到接地元件106，分別用來共振出一低頻頻段及一高頻頻段。電容C1與第一輻射體1020、第二輻射體1022相互搭配，用來共振出另一高頻頻段。因此，寬頻天線10可至少包含有三個共振頻段。此外，電感L1與第一輻射體1020、第二輻射體1022相互搭配，用來提升低頻頻段的阻抗匹配。其中，電容C1之一等效電容值大致上介於1pF至20pF之間，而電感L1之一等效電感值大致上介於1nH至20nH之間。訊號饋入元件104用來連接訊號線，以傳送射頻訊號。為了達到較佳的輻射場型，訊號饋入元件104之一饋入方向D1平行於射頻訊號於輻射部102上之共振方向D2、D3。於適當調整輻射部102、短路元件108之尺寸及電容C1、電感L1之數值後，寬頻天線10可應用於多個相異頻段的無線通訊系統中，如LTE、GSM系統等。如第1E圖所示，寬頻天線10可同時改善頻寬與匹配效果，並且，如第1F圖所示，其操作頻段內(791MHz~960MHz及1710MHz~2700MHz)的輻射效率亦可維持在50%左右。

需注意的是，本發明實施例係利用電容、電感等被動元件設置於訊號饋入元件旁，以改善天線的頻寬與匹配，凡依此所做之各種變化皆屬本發明之範疇。舉例來說，在第1A圖中，寬頻天線10的各元件係印刷於基板100，但不限於此，亦可以金屬板製成第一輻射體1020、第二輻射體1022、第三輻射體1024、第四輻射體1026、接地元件106、短路元件108等。此外，位於基板100正面、背面的輻射部102或接地元件106可透過一或多個貫孔達到電性連接的效果，亦可透過其它形式的電性連接方式如金屬連接線等實現。如第1A圖所示，寬頻天線10為一平面倒F天線，但不限於此，本發明利用電容、電感等被動元件以改善天線的頻寬與匹配的概念亦可應用於單極天線、雙極天線、摺疊式雙極天線或槽孔天線等各式天線結構中。

請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一寬頻天線20之示意圖。比較第2圖及第1A圖可知，寬頻天線20之輻射體形狀與寬頻天線10相似。不同的是，寬頻天線20較寬頻天線10增加了一電感L2。於基板200的正面上，輻射部202包含有一第一輻射體2020、一第二輻射體2022及一第五輻射體2028，第一輻射體2020與第五輻射體2028之間具有一不連續金屬面，而電感L2電性連接於第一輻射體2020與第五輻射體2028之間。於輻射部202中增加電感L2，可額外共振出另一高頻頻段，而進一步地增加天線頻寬。

請參考第3A圖至第3C圖，第3A圖為本發明實施例一寬頻天線30之示意圖，第3B圖為寬頻天線30之正面示意圖，第3C圖為寬頻天線30之背面示意圖。比較第3A圖至第3C圖及第1A圖至第1C圖可知，寬頻天線30之輻射體形狀與寬頻天線10相似。不同的是，短路元件308所延伸的方向大致上與第二輻射體3022所延伸的方向D3相同。換言之，第二輻射體3022之一水平投影結果(即於X軸之投影結果)與短路元件308之一水平投影結果大致重疊。將短路元件308的延伸方向由方向D2改變為方向D3可使寬頻天線30產生另一共振模態，而形成另一頻段的天線，以符合另一無線通訊系統的應用。

請參考第4圖，第4圖為本發明實施例一寬頻天線40之示意圖。比較第4圖及第1A圖可知，寬頻天線40之輻射體形狀與寬頻天線10相似。不同的是，於寬頻天線10中，輻射部402及短路元件408分別設置於基板400之不同兩面上；而於寬頻天線40中，輻射部402及短路元件408設置於基板400之同一平面上。此外，於寬頻天線10中，第一輻射體1020與第二輻射體1022的銜接處向接地元件106延伸，其形狀為不等邊的倒三角形；而於寬頻天線40中，第一輻射體4020與第二輻射體4022的銜接處向接地元件406延伸，其形狀為一倒立的直角三角形。值得注意的是，第一輻射體與第二輻射體的銜接處之形狀不限於此，可以是等邊或不等邊的倒三角形，亦可以是長方形、楔形、梯形，或任意組合的幾何形狀，其可根據不同的應用作適當的調整，以改善天線的阻抗匹配。

在上述實施例中，寬頻天線10、20、30、40係以直接饋入的方式，將射頻訊號由饋入點FP1、FP2、FP3、FP4饋入至第一輻射體1020、2020、3020、4020及第二輻射體1022、2022、3022、4022。然而，不限於此，本發明亦可應用於耦合饋入形式的天線中。

請參考第5圖，第5圖為本發明實施例一寬頻天線50之示意圖。寬頻天線50包含有一基板500、一輻射部502、一訊號饋入元件504、一接地元件506、一耦合激發元件508、一饋入點FP5、一電容C1及一電感L1。輻射部502包含有一低頻輻射體5020及一高頻輻射體5022。饋入點FP5位於高頻輻射體5022上，高頻輻射體5022與低頻輻射體5020之間具有一耦合間距d1，射頻訊號係以耦合的方式由高頻輻射體5022饋入低頻輻射體5020中。耦合激發元件508電性連接於低頻輻射體5020與接地元件506之間，並且與高頻輻射體5022之間具有一耦合間距d2，以加強低頻輻射體5020與高頻輻射體5022之間的耦合作用，激發不同的共振模態。耦合間距d1、d2可視高頻輻射體5022、低頻輻射體5020及耦合激發元件508之面積、形狀、位置及阻抗匹配等需求而適應性地調整，不需為一定值。低頻輻射體5020之一水平投影結果(即於X軸之投影結果)與高頻輻射體5022大致重疊，而高頻輻射體5022可為一不等寬度金屬片，以達到良好的耦合效果及輻射效能。

另外，如業界所熟知，天線的輻射頻率、頻寬、效率等係與天線形狀、材質等相關，因此，設計者當可適當調整寬頻天線10、20、30、40、50，以符合系統所需。需注意的是，上述關於本發明寬頻天線之各種變化旨在說明本發明利用電容、電感等被動元件設置於訊號饋入元件旁，以改善天線的頻寬與匹配，其它如材質、製作方式、各元件的形狀、位置等皆可因應不同需求而做適當之變化，不限於此。

請參考第6圖，第6圖為第1A圖所示之寬頻天線10應用於一無線通訊裝置60之示意圖。無線通訊裝置60可以是任何具無線通訊功能之電子產品，如手機、平板電腦、筆記型電腦、電子書、電腦系統、無線存取點設備等，其簡略地係由一殼體600、寬頻天線10及一射頻訊號處理裝置所組成。寬頻天線10設置於殼體600內，可同時收發多個相同頻帶之無線訊號，使無線通訊裝置60支援不同頻段的無線通訊協定，以相容於不同國家的通訊規格。

綜上所述，本發明使用電容、電感等被動元件設置於訊號饋入元件旁，以激發多個共振模態並達成良好的阻抗匹配，使天線可兼具寬頻及小尺寸的優點。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10‧‧‧寬頻天線

100‧‧‧基板

102‧‧‧輻射部

1020‧‧‧第一輻射體

1022‧‧‧第二輻射體

1024‧‧‧第三輻射體

1026‧‧‧第四輻射體

104‧‧‧訊號饋入元件

106‧‧‧接地元件

108‧‧‧短路元件

112、114、116‧‧‧連接部

C1‧‧‧電容

L1‧‧‧電感

FP1‧‧‧饋入點

D1、D2、D3‧‧‧方向

Claims

一種寬頻天線，用於一無線通訊裝置，包含有：一接地元件，用來提供接地；一輻射部；一訊號饋入元件，用來將一射頻訊號傳送至該輻射部，以透過該輻射部發射該射頻訊號，其一接地端電性連接該接地元件；一饋入點，位於該輻射部上；一電容，電性連接於該饋入點與該訊號饋入元件之間；以及一第一電感，其一第一端電性連接於該電容。
如請求項1所述之寬頻天線，其中該第一電感之一第二端電性連接於該接地元件。
如請求項1所述之寬頻天線，其另包含有：一短路元件，其一第一端電性連接於該輻射部，其一第二端電性連接該接地元件。
如請求項3所述之寬頻天線，其另包含有一基板，該輻射部及該短路元件設置於該基板之同一平面上。
如請求項3所述之寬頻天線，其另包含有一基板，該輻射部設置於該基板之一第一面及一第二面，該短路元件設置於該基板之該第二面。
如請求項5所述之寬頻天線，其中該基板具有至少一貫孔，位於該輻射部或該接地元件中，以電性連接該輻射部與該接地元件。
如請求項3所述之寬頻天線，其中該輻射部包含有：一第一輻射體，沿一第一方向延伸；以及一第二輻射體，電性連接於該第一輻射體，且沿一第二方向延伸；其中，該第一輻射體之一電氣長度大於該第二輻射體之一電氣長度，而該短路元件係沿該第一方向或該第二方向延伸，該第一方向與該第二方向相異。
如請求項7所述之寬頻天線，其中該第一輻射體與該第二輻射體的銜接處向該接地元件延伸，其形狀為長方形、楔形、三角形、梯形或一幾何組合。
如請求項1所述之寬頻天線，其另包含有：一高頻輻射體，包含有該饋入點；以及一低頻輻射體，與該高頻輻射體之間具有一耦合間距，使該射頻訊號以耦合的方式饋入該低頻輻射體。
如請求項9所述之寬頻天線，其另包含有：一耦合激發元件，電性連接於該低頻輻射體與該接地元件之間。
如請求項9所述之寬頻天線，其中該高頻輻射體係一不等寬度金屬片。
如請求項1所述之寬頻天線，其中該輻射部具有一不連續金屬面，而該寬頻天線另包含有一第二電感，電性連接於該不連續金屬面之間。
如請求項1所述之寬頻天線，其中該電容之一等效電容值大約介於1pF至20pF之間。
如請求項1所述之寬頻天線，其中該第一電感之一等效電感值大約介於1nH至20nH之間。
如請求項1所述之寬頻天線，其另包含有一金屬片，電性連接該輻射部，並與該輻射部之一平面呈一夾角。
如請求項1所述之寬頻天線，其中該訊號饋入元件之一饋入方向平行於該射頻訊號於該輻射部上之一共振方向。