TW201830771A - 裂環型天線 - Google Patents

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Abstract

一種裂環共振器天線，包含：一基板，具一外緣、一第一表面及相對於該第一表面之一第二表面；一第一導電層，配置於該第一表面，且具有一間隙及一腔體；一第一饋入部，與該第一導電層共平面且配置於該腔體之中；以及一信號線，電連接於該第一饋入部。其中該第一導電層界定該間隙之兩側邊為一第一內邊和一第二內邊，該腔體藉該間隙連接於該外緣，該第一饋入部鄰近該第一內邊。

Description

裂環型天線
本發明係關於一種裂環型天線；特別關於一種配置於多層電路板用於寬頻通訊的裂環型天線。
在無線通訊的應用上，伴隨著3C產品的微小化，以及通訊頻寬的需求，這些需要無線傳輸的電子產品上面的天線裝置必需在微小化的同時，還要具備寬頻的功效。以IEEE802.11規範為例，為了能實現應用於主頻段為5GHz的規格，天線的傳輸範圍需要足夠的頻寬。
請參閱第1圖，其顯示一種傳統型式的裂環型天線裝置100，配置於多層電路板中，圖中顯示其中相關的三層金屬層，金屬層之間各以介電層(未顯示)相隔離。如圖，最上層導電層110靠近外緣的部位具有一間隙112及腔體113，腔體113藉間隙112連接於外緣。腔體113的周圍配置多個116接地點，分別和位於底層接地片130上的多個連接點136相對應，各組相對應位置的接地點116和連接點136之間將以鍍滿金屬的導通孔(via)電連接。圖中底層的接地片130也具有間隙132及腔體134。位於中間的金屬層則於相對於腔體113的位置中配置有饋入部125，可透過導線127將電子信號(未顯示)傳送出來。
傳統的裂環型天線符合微小化的要求，然而卻難以提供足夠的頻寬，致使在主頻段為5GHz的應用上無法實現所需的通訊功效。此外，由於傳送信號的導線127必須和饋入部125相同的金屬層，而絕大多數的功能元件都是配置於多層電路板的最上層，如第1圖所示的傳統型式裂環型天線裝置100在天線訊號的傳輸路徑方面無可避免的需要透過導通孔的轉送才能到達最上層，造成不必要的損耗。職是之故，申請人有鑑於習知技術之缺失，發明出本創作「裂環型天線」，以改善上述缺失。
因此，需要發展一種具有寬頻功效的裂環型天線裝置設計，避免為了配置用以連接位於中間層的饋入部的導線而導致的天線信號損耗，也同時能讓天線具有更佳的寬頻功效。
依據本發明一觀點，提出一種裂環共振器天線，包含：一基板，具一外緣、一第一表面及相對於該第一表面之一第二表面；一第一導電層，配置於該第一表面，且具有一間隙及一腔體；一第一饋入部，與該第一導電層共平面、配置於該腔體之中、且鄰近該第一內邊；以及一信號線，電連接於該第一饋入部。其中該第一導電層界定該間隙之兩側邊為一第一內邊和一第二內邊，該腔體藉該間隙連接於該外緣。
依據本發明之另一觀點，提出一種裂環共振器天線，包含：一基板，具一外緣、一第一表面及相對於該第一表面之一第二表面；一基礎饋入部，設於該第一表面上；一導電層， 配置於該第二表面，且具有一間隙及一腔體；一第一電容耦合路徑，形成於該基礎饋入部及該第一匹配元件之間；一導電元件，與該基礎饋入部不位於同一平面；以及一第二電容耦合路徑，形成於該導電元件及該第二匹配元件之間。其中該導電層界定該間隙之兩側邊為一第一內邊和一第二內邊，且自該第一內邊和該第二內邊分別形成一第一匹配元件和一第二匹配元件，該腔體藉該間隙連接於該外緣。
本發明所提供的寬頻天線裝置，可以充分滿足微小化與頻寬的需求，完整的實現IEEE802.11規範中關於主頻段為5GHz所制定的規格，甚至更佳的頻寬。相同的概念，更可以應用於其他頻段的天線設計。因此，本創作具有極佳的產業利用性。
100‧‧‧傳統型式的裂環型天線裝置
110‧‧‧最上層導電層
112/132/212/262/312‧‧‧間隙
113/134/213/263/313‧‧‧腔體
116/216/266/316‧‧‧接地點
125‧‧‧饋入部
127/319‧‧‧導線
130‧‧‧接地片
136/256/2151/2351‧‧‧連接點
200/300‧‧‧裂環型共振器(Split Ring Resonator,SRR)天線
210/260/310‧‧‧第一導電層
214/264/314‧‧‧匹配部
215/265/315‧‧‧第一饋入部
217/261/317‧‧‧第一匹配元件
218/268/318‧‧‧第二匹配元件
220‧‧‧第一基板
221‧‧‧外緣
223‧‧‧第一表面
225‧‧‧第二表面
230‧‧‧第二導電層
235/285/335‧‧‧第二饋入部
240‧‧‧第二基板
250‧‧‧接地層
270‧‧‧第一導通孔
280‧‧‧第二導通孔
2121/2621/3121‧‧‧第一內邊
2122/2622/3122‧‧‧第二內邊
本案得藉由下列圖式之詳細說明，俾得更深入之瞭解：第1圖係顯示一種傳統型式的裂環型天線裝置的示意圖；第2A圖係本發明裂環型天線的一實施例之示意圖；第2B圖係第2A圖中沿著A-A’虛線的剖面示意圖；第2C圖為第2A圖中沿著2C虛線的剖面示意圖；第2D圖為本發明裂環形天線的另一實施例之示意圖；第3圖為本發明裂環形天線的另一實施例之示意圖；第4圖係依據本發明所製作的裂環形天線的天線特性示意圖；第5圖係依據本發明所製作的裂環形天線的天線功效示意圖； 第6圖係依據本發明所製作的裂環形天線的天線增益示意圖。
本發明將可由下列實施例說明而得到充分瞭解，使熟習本技藝之人士可以據以完成之，然本發明之實施並非可由下列實施例而被限制其實施型態。
請參閱第2A-2C圖，其為本發明裂環型共振器(Split Ring Resonator,SRR)天線的一實施例示意圖。第2B圖為第2A圖中沿著A-A’虛線的剖面示意圖；第2C圖為第2A圖中沿著2C虛線的剖面示意圖。SRR天線200配置於多層電路板，至少包含第一基板220和第二基板240。本領域專業人士了解，多層電路板通常是由上下堆疊的多層介電材料形成的基板以及配置於各層基板之間及上下方多層金屬導電層所構成，為了強調本發明裂環型共振器天線在各導電層的主要元件構造以及相對位置，第2A圖中沒有顯示第一基板220和第二基板240，本領域專業人士仍然可以理解在各導電層之間必然配置有介電材料的基板以提供絕緣。如第2C圖所示，第一基板220具有一外緣221、第一表面223及相對於第一表面之第二表面225。
如第2A圖所示，裂環型共振器(SRR)天線200包含有第一導電層210，配置於第一基板220的第一表面221，而且第一導電層210在鄰近於第一基板220外緣221的位置具有一間隙212及一腔體213，腔體213和間隙212相連，且藉間隙212連接於外緣221。第一導電層210界定間隙212之兩側邊為第一內邊2121和第二內邊 2122。與第一導電層210共平面的腔體213之中且鄰近第一內邊2121的位置上配置有第一饋入部215。依據本發明一實施例，為了加強第一饋入部215和裂環型共振器的電耦合效應，還可以在第一內邊2121且鄰近第一饋入部215的位置配置第一匹配元件217。此外，為了進一步增加天線頻寬，還可以在第一導電層210的腔體213之中鄰近第二內邊2122和第一饋入部215的共平面位置配置一匹配部214。為了加強匹配部214和裂環型共振器的電耦合效應，還可以在第二內邊2122且鄰近匹配部214的位置配置第二匹配元件218。
同時參閱第2A-2C圖，SRR天線200還包含第二導電層230，配置於第一基板220的第二表面225，且包括對應於第一饋入部215的第二饋入部235。第一導電層210和該第二導電層230之間配置有第一導通孔270，分別電連接第一饋入部215的連接點2151和第二饋入部235的連接點2351，致使第一饋入部215和第二饋入部235形成導通的狀態。相同於傳統形式的SRR天線，本發明的SRR天線200也具有接地層250，位於第二基板240下方，也就是平行於第一導電層210和第二導電層230，第一導電層210上的多個接地點216和接地層250上位於相對應位置的多個接點256之間分別配置有第二導通孔280，俾使第一導電層210和接地層250上相對應位置的接地點216和連接點256之間形成電連接，達到接地的功效。
裂環形共振器天線200中的腔體213尺寸，例如長度與寬度，決定了天線的主要共振頻率。為了實現主頻段為5GHz的裂環形共振器天線天線，其腔體必須為與頻率為5GHz的對應波長相 關的特定尺寸，如第2A圖所示的裂環形共振器天線200中的腔體213長度為4.7釐米而寬度為2.2釐米。第1圖所示的裂環形天線100最上層導電層只有用以產生共振的腔體134元件，因接收電磁波信號而產生的感應電流路徑單調，所產生的天線共振頻率也將集中於一處，所以頻寬十分有限。傳統式裂環形天線100的饋入部125為單一元件，透過與腔體134電耦合而接收與發送信號，受限於饋入元件的尺寸必須小於腔體134的尺寸，天線功效往往不足。然而，本發明裂環形共振器天線200的腔體213中另外配置第一饋入部215，電連接於位於第二導電層230的第二饋入部235，使得饋入元件的總尺寸大幅增加。為了進一步擴充頻寬，依據本發明另一實施例，在腔體213中第一饋入部215另一側更配置一個尺寸更小的匹配部214，使得本發明的天線功效更加的優於傳統式裂環形天線。
從本發明的另一個觀點來看，第2A-2C圖中的第二饋入部235相當於傳統式裂環形天線100的饋入部125，也可稱之為基礎饋入部，依據本發明裂環形共振器天線200的裝置結構，基礎饋入部可以和第一匹配元件217之間產生電容耦合，形成第一電容耦合路徑，進而實現天線的主要共振頻率。而第一饋入部215是一片導電元件，透過與鄰近的匹配部214之間以及匹配部214與第二匹配元件218之間的電容耦合，形成第二電容耦合路徑。第一饋入部215和第一匹配元件217之間也可以產生電容耦合，形成又第三電容耦合路徑。由於這些額外的電容耦合路徑的存在，大幅增加了本發明裂環形共振器天線的頻寬。
參閱第2D圖，其顯示本發明SRR天線200的另一實施例之示意圖，圖中的元件與第2A圖中的裝置相似，只是左右位置互調。如圖，SRR天線200包含有第一導電層260，配置於第一基板220的第一表面223，而且第一導電層260在鄰近於第一基板220外緣221的位置具有一間隙262及一腔體263，腔體263和間隙262相連，且藉間隙262連接於外緣221。第一導電層260界定間隙262之兩側邊為第一內邊2621和第二內邊2622。與第一導電層260共平面的腔體263之中且鄰近第一內邊2621的位置上配置有第一饋入部265。為了加強第一饋入部265和裂環型共振器的電耦合效應，還可以在第一內邊2621且鄰近第一饋入部265的位置配置第一匹配元件261。此外，為了進一步增加天線頻寬，還可以在第一導電層260的腔體263之中鄰近第二內邊2622和第一饋入部265的共平面位置配置一匹配部264。為了加強匹配部264和裂環型共振器的電耦合效應，還可以在第二內邊2622且鄰近匹配部264的位置配置第二匹配元件268。第一饋入部265透過其上的接點2651電連接於位於其下方的第二饋入部285。第一導電層260上有多個接地點266。
請參閱第3圖，其顯示本發明SRR天線的另一實施例之示意圖。圖中的SRR天線300和第2A圖所示的天線結構類似，包含有第一導電層310，配置於第一基板220的第一表面223，而且第一導電層310在鄰近於第一基板220外緣221的位置具有一間隙312及一腔體313，腔體313和間隙312相連，且藉間隙312連接於外緣221。第一導電層310界定間隙312之兩側邊為第一內邊3121和第二 內邊3122。與第一導電層310共平面的腔體313之中且鄰近第一內邊3121的位置上配置有第一饋入部315。為了加強第一饋入部315和裂環型共振器的電耦合效應，還可以在第一內邊3121且鄰近第一饋入部315的位置配置第一匹配元件317。此外，為了進一步增加天線頻寬，還可以在第一導電層310的腔體313之中鄰近第二內邊3122和第一饋入部315的共平面位置配置一匹配部314。為了加強匹配部314和裂環型共振器的電耦合效應，還可以在第二內邊3122且鄰近匹配部314的位置配置第二匹配元件318。第一饋入部315透過其上的接點3151電連接於位於其下方的第二饋入部335。第一導電層310上有多個接地點316。
第一饋入部所接收的天線信號需要再經由導線輸入到基板上的其他功能元件。在第2A和第2D圖所示的裝置中，第一饋入部215/265可以做為焊接點，將信號線(未顯示)直接焊接於第一饋入部215/265。如第3圖所示的裝置，第一導電層310中更包括與第一饋入部315電連接的導線319，可以將天線信號(未顯示)直接傳送到同樣位於第一導電層310中的其他功能元件，有效的縮短信號傳送的距離並且降低信號傳輸的耗損，提昇信號的品質。
第4圖顯示依據本發明所製作的SRR天線與傳統的SRR天線在電腦模擬過程中返回損失(Return Loss)的比較。圖中以實線表示依據本發明概念所設計的SRR天線的模擬數據，而以虛線表示傳統SRR天線的模擬數據。如果以-10dB為允收標準，由圖中可發現傳統SRR天線的可用頻寬明顯的少於本發明概念所設計的 SRR天線的可用頻寬，而且本發明概念所設計的SRR天線在返回損失特性方面遠優於傳統的SRR天線。
第5圖顯示依據本發明所製作的SRR天線與傳統的SRR天線在電腦模擬過程中天線功效的比較。圖中以實線表示依據本發明概念所設計的SRR天線的模擬數據，而以虛線表示傳統SRR天線的模擬數據。如果以0.7或70%天線功效當作允收標準，由圖中可發現傳統SRR天線的在頻率為5.5GHz附近的天線功效明顯的低於本發明概念所設計的SRR天線，而且本發明概念所設計的SRR天線在5.1到5.9GHz的範圍都具有0.8或80%以上的功效。
第6圖顯示依據本發明所製作的SRR天線與傳統的SRR天線在電腦模擬過程中天線增益的比較。圖中以實線表示依據本發明概念所設計的SRR天線的模擬數據，而以虛線表示傳統SRR天線的模擬數據。如圖所示，本發明概念所設計的SRR天線在頻率5.1到5.9GHz的天線增益明顯的優於傳統SRR天線。
從第4-6圖的比較可知，由於本發明的SRR天線裝置具有不同於傳統SRR的種種設計，例如與第一導電層共平面的腔體之中且鄰近第一內邊的位置上所配置第一饋入部、鄰近第一饋入部的位置所配置第一匹配元件、鄰近第一饋入部的共平面的位置上所配置的匹配部、鄰近匹配部的位置上所配置的第二匹配元件等等，致使本發明的SRR天線具有較佳的頻寬以及信號品質。在相同的設計概念之下，本發明的天線設計也適用於其他不同頻段的天線規格，導致優異的設計功效。
本案雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本案的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本案之精神和範圍內所作之變動與修飾，皆應屬本案之涵蓋範圍。

Claims (10)

  1. 一種裂環共振器天線，包含：一基板，具一外緣、一第一表面及相對於該第一表面之一第二表面；一第一導電層，配置於該第一表面，且具有一間隙及一腔體，其中：該第一導電層界定該間隙之兩側邊為一第一內邊和一第二內邊；以及該腔體藉該間隙連接於該外緣；一第一饋入部，與該第一導電層共平面、配置於該腔體之中、且鄰近該第一內邊；以及一信號線，電連接於該第一饋入部。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的裂環形共振器天線，還包含：一第二導電層，配置於該第二表面，且包括對應於該第一饋入部的一第二饋入部；以及一第一導通孔，配置於該第一導電層和該第二導電層之間，且連接該第一饋入部和該第二饋入部，其中該第一導電層還具有一第一匹配元件，該第一匹配元件配置於該第一內邊且鄰近該第一饋入部。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的裂環形共振器天線，還包括一匹配部，其中該腔體具有一第一特定尺寸，該第一饋入部具有一第二特定尺寸，該匹配部共平面地配置於該腔體之中，鄰近該第二內邊和該第一饋入部，且具有一第三特定尺寸。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的裂環形共振器天線，其中該第一導電層還具有一第二匹配元件，該第二匹配元件配置於該第二內邊且鄰近該匹配部。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的裂環形共振器天線，其中該第一特定尺寸大於第二特定尺寸，且該第二特定尺寸大於第三特定尺寸。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的裂環形共振器天線，還包含：一接地層，平行於該第一導電層和該第二導電層；以及多個第二導通孔，連接該第一導電層和該接地層。
  7. 一種裂環共振器天線，包含：一基板，具一外緣、一第一表面及相對於該第一表面之一第二表面；一基礎饋入部，設於該第一表面上；一導電層，配置於該第二表面，且具有一間隙及一腔體，其中：該導電層界定該間隙之兩側邊為一第一內邊和一第二內邊，且自該第一內邊和該第二內邊分別形成一第一匹配元件和一第二匹配元件；以及該腔體藉該間隙連接於該外緣；一第一電容耦合路徑，形成於該基礎饋入部及該第一匹配元件之間；一導電元件，與該基礎饋入部不位於同一平面；以及一第二電容耦合路徑，形成於該導電元件及該第二匹配元件之間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的裂環共振器天線，其中該導電層還包括一匹配部，該匹配部配置於該腔體之中，且鄰近該第二內邊。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的裂環共振器天線，其中該導電元件與該導電層共平面。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的裂環共振器天線，還包括一匹配 部，該匹配部共平面地配置於該腔體之中，鄰近該第二內邊，且位於該第二電容耦合路徑之內。
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