TW434940B - Printed twin spiral dual band antenna - Google Patents

Description

43494 0 五 '發明說明（i) 發明背景·‘ 本發明廣泛來說，是有關於無線電通訊系統，特別是 關於能結合到可攜式終端設備，且允許這些可攜式終端設 備以不同頻帶互相通訊的内建天線。 美國的細皰式行動電話產業在商業運作上已跨出不凡 的一大步’如同世界的其他地區。在主要的大都會地區的 成長遠超過預期，而迅速地超過了系統容量。如果此一 趨勢繼續下去’這項產業的成長效果將很快地遍及即使是 最小的帝場。因此需要創新的解決方法來滿足這些遞增的 容量需求’以及保持高品質的服務，且避免價格的上揚。 環顧整個世界，無線通訊系統改進的重要—步是由類 比式到數位式傳送的改變。同樣重要的將是有效率的數位 傳送方案選擇來實現下一代科技，例如分時多路進接 (TMDA)或分碼多路進接（CMDA)。更有甚者，第一代個人通 訊綱路（PCNs )’具有低成本，口袋大小，能方便地攜帶， 而且可在家中，辦公室，街道上，車内等地方使用的無線 電話，被廣泛地相信將能夠由，例如使用下一代數位細胞 式系統架構的行動載具所提供α •為了提供可接受水平的設備相容性，世界各個地區已 建立—個標準。例如，類比式標準、諸如AMPS(高等行動電 話服務）’NMT(北歐式行動電話）及ETACS ;以及數位式標 準，諸如 D-AMPS(即如同在 nA/TIA_IS —54 —B&IS—136 所 和GSM(由ETSI所採用的全球行動通訊系統），均已被頒 J Λ、標準化無線通訊系统的設計準則。一旦此—標準建立

第5頁 434940 五、發明說明（2) \ 之後’這些標準有助於以相同或相似的形式再使用，來規 劃新增的系統。例如*除了原來的GSM系統之外，亦存在 著DCS1 800 (由ETSI 所指定）及PCS1 9 0 0 (由在 J-STD-007 的 JTC所指定），這兩者皆來自於gsm α 然而’細胞式通訊服務最新的進展包含了使用於掌上 型行動通訊之額外頻帶的採用，例如，個人通訊服務 (.PCS)。以美國為例，細胞式超頻帶指定了兩條頻帶（〜 被稱為A頻帶及β頻帶）以實行及控制在8〇〇MHz區域的通4 訊。另一方面來說，PCS超频帶，在美國被指定為在 1 9 0 0MI.IZ區域包含六條不同頻帶（A、B、c，D，E及F)。令 此一來，在美國現在已有八條可在任何服務區域使用的 帶，來使通訊服務順利運作。某些標準被用來增進PCS超、 頻帶，（例如PCS1 90 0 CJ-STD —0 07 )),而其他則^來增進細 胞式超頻帶（例如D-AMPS(IS-136))。 曰 個通信頻道以及至少一個進接或控制频道 摊制猫：¾ a·斗ιί

或是數位式調幅來運作 基地電台在通信及控制頻遒上 上之下行連結傳送 ^一個指定給細胞式和PCS超頻帶的頻帶是分配給多 434940 五、發明說明⑶ ...........'..........'......................................................................................................................................................... '號’是由行動式或可攜式終端設備所接收，其中每一個至 少有—個天線。根據過去的歷史，可攜式終端設備使用各 種不同種類的天線來在空氣界面上接收和傳送信號。例 如’垂直地固定在傳導界面的單極天線便被發現具有良好 的無線傳播特性。單極天線可製成各種不同的實體形式。 例如 > 桿狀或鞭狀天線便經常被使用在連接可攜式終端設 備。對於天線長度需要最小化的高頻率應用，另一個選擇 便是螺旋天線。 如同上述’很快地便會有提供能在許多不同頻帶運作 的機式終端設備之商業需求，例如，位在9〇〇MHz區域以 及位於1 800MHz區域之雙頻帶。於是，能在兩個頻帶上提 供適當倍率及頻寬之天線，不久的將來使用在可攜式終端 設備上將會是需要的。創造此種雙波帶天線已有種種嘗 試。 舉例來說，Ph i 1 1 i ps等人所有的美國專利第 4, 5 7 1，5 9 5號描述了具有雜齒狀導體元件的雙波帶天線。 此種雙波帶天線可在兩個非常接近的分隔頻帶間（例如， 位在91 5MBz及960MHz中間）切換選擇。然而，此種天線的 設計比較沒有效率，因為是其非常地實體接近於行動電咭 的底座n w 曰本專利編號6-37531揭露了包含内部寄生的金屬桿 之螺線。在此專利中’天線可藉由調整金屬桿的位置來f 整雙共振的頻率。不幸地是，這項設計的頻寬使用在行^ 通訊上太窄了。 助

434940 五、發明說明（4) 雙波帶的印刷的式單極天線是已知，藉由對印刷式單 極天線十分接近的额外附加之寄生桿來達成雙共振。雖然 此種天線對行動通訊系統具有足夠的頻寬，卻需要額外的 寄生桿。在瑞典的Moteco 設計了配合雙波帶鞭狀天線 和螺旋天線的線圈，使得可藉由調整線圈匹配元件 (9001^2為1/4又，18001〇2為1/2；1)來達成雙共振。此天 線具有相對良好的頻寬及發射效能，和長度約在40mm之短 小。另一種在大小上較小型的非均勻螺旋狀雙頻天線揭露 在同一申請人同時期申請之美國專利申請案第 08/725,507，名稱為「多頻帶非均勻螺旋天線」中。 目前，諸如行動電話的無線通訊設備之天線是直接固 定在電話底座。然而，當可攜式終端設備的大小及重量繼 續遞減下去，上述的天線便因其大小而變得較不利°甚 至，當這些未來輕巧的可攜式終端設備之功能增加’這些 能夠在多頻帶中共振的内建迷你型天線的需求將會增加° 目前在行動電話使用的傳統内建天線包括了微β天線 及平面倒F型天線。微片天線的體積小重量輊。平面倒F型 天線（PIFA)則已經實行在行動電話手機，如同K. Qassim 於1994年2月，在英國倫敦之個人通訊系统的微波逾波器 及天線之I EE研討會，所提出之11可攜式話機的倒F塑天線 ”，pp. 3/1 - 3/6所述。而且，更在最近’ Lai‘等人公開 了曲折倒F型天線（WO 9 6 / 2 7 2 1 9 )。此天線的大小只有大約 傳統PIFA天線大小的40%。 圖1 A和圖1 B傳統平面貼片天線與説明由La i等人所描

4349 40 五、發明說明⑸ ................................................................................................................................................-一-----.............................-......--.......................〜' ·.'............ 述之曲折倒F型矢祕^ 0女丄，「/大線的比較圖。圖1 A之傳統平面贴片夭 二ί ΐ i度等於例如能使天線達到共振之頻率的四分之 ' '統平面貼片天線的寬度為W。曲折倒]7型天 竭^所上，也擁有共振頻率之四分之一波長的長匕 导於W的見度，然而，曲折倒F塑天線的大小卻降低到傳 平面貼片天線大小的大約谓。此大小的減少可歸因辨 線形狀的曲折形狀。 然而’行動電話越變越小，傳統微片貼片及P1FA天線 仍嫌太大而不此適用在未來的小型電話底座。此外，這歧 内建天線不能夠在雙頻帶間調整。而此種能力正是下—代 需要細胞型無線當地網路GPS及分集用多重天線的電話機 所必須。 發明概要· —1； 本發明藉由提供適用在未來精巧塑行終端設備之 迷你化内建雙頻帶之天線來克服以上所述_技藝的缺 陷"根據示範的實施例，内建天線提供了 兩個螺線塑 導it臂（螺線臂），兩者具有不同長度，且在不同頻帶 中切換。螺線臂是藉由基質固定在行動終端設備的印刷電 路板上。天線的匹配是由位於饋電腳及接地桿之間的匹配 撟所執行。藉由調整匹配橋的長度’可以改變天線的匹 配》在另一實施例中，有一加感電阻器為了提升天線的頻 露而附加到匹配橋中。本發明的天線是屬於印刷雙螺線型 設計 > 體積非常小（其大小小於傳統PIFA天線20-30%之天 線的作用頻率波長的1八0 )、雙頻帶且可表面固定。

第9頁 434940 五、發明說明（6) 圖面之簡要說明： 以上本發明的 實'施例的描述而更 圖1 A和1 B表示 線之比較圖； 目的及特點將可由以下配合附圖之較佳 加彰顯，圖中： 傳統平面贴片天線及傳統曲折倒F型天

® 2 _ $ ^適用本發明之天線的無線電通信裝置示意 圖3顯不根據本發明之第一實施例的内建多頻帶螺 型天線示意圖； 圖4顯示本發明之内建多頻帶螺線型天線的俯視圖； 圖5顯示根據本發明之第二實施例的内建多頻帶螺線 型天線之俯视圖； 、 圖6顯示本發明之GPS/ISM-連結雙頻帶天線的模擬 結果曲線圖；和 圖7顯示本發明之GSM/DCS雙頻帶天線的模擬結果曲線 圖。 詳細說明： 圖2概略表示適合裴設本發明的内建多頻帶天線的無 線通訊設備2〇〇。通訊設備2〇(]包含了具有麥克風孔22〇及 擴音器孔2 3 0的底座2 1 〇，分別位於接近使用者口耳。按鍵 盤2 4 0允許使用者與通訊設備互動，例如，輸入要撥的電 話號碼。通訊設備2 〇 〇也包括了内建天線組件2 5 0 s詳細内 容將在下文描述。 圖3顯示根據本發明示範性實施例之内建天線级件

第10頁 43494ο 五、發明說明（7) 根據本發明’此内建天線組件包括了兩導體臂3 0 5及3 1 0， 每一臂皆形成内旋螺線型的輪廓。兩導體臂3 0 5及3 1 0是藉 由絕緣基質3 2 0附加在印刷電路板（PCB) 31 5上，且連結在 與饋電腳3 2 5相結合的連結點上。此螺旋型導體臂位在 PCB3 15上，且在二導體臂及PCB315之間形成插槽。熟知本 領域者應了解此螺線型插槽形成了本天線系統的主要無線 電輻射器（或感應器）。 由圖3可明白，及由圖4的俯視圖更清楚表示，導體臂 3 0 5及3 1 0是由在螺線外圈端末之饋電腳3 2 5供應電流。熟 知本領域者應可了解當電流由饋電腳流到導體臂的他端 ，:] 時’導體臂的電流會衰減。如此一來，當電流大部份分布 於導體臂的外緣時，天線會有較高的輜!射效率。 内建天線也包含了位於饋電腳325及接地桿335之間的 匹配橋330。E配橋330的作用是調整天線及在餚電腳325 與接地桿3 3 5之間形成小型迴圏天線。關於天線在其輪入 終端設備遭遇阻抗時，天線的調整可被视為純粹地有抵抗 力的1即它沒有可看見的電抗性元件。本發明天線系統的 調整是藉由測量或估計與天線有關的輸入阻抗，以及提供 適當的阻抗匹配電路（即匹配橋）而執行。根據本發明，天 線的匹配可由改變匹配橋3 3 0的長度來調整。這只要簡單 地改變接地桿335的位置即可完成。匹配橋的長度通常是 在0. (U λ到〇. 1 λ的程度。 從圖3及圖4 以很明顯的看出天線系統的兩條導體臂 3 0 5及3 1 0是不同長度的。這便允許天線系統可運作在多頻 434940 五、發明說明（8) 帶》下文將更詳細的討論。藉著控制導體臂的長度s天線 便可以調整到不同的頻率。此多波帶天線的第一導體臂、 305是屬於長度（一般來說是導體臂所要調整之頻帶的四分 之一波長）及構造足能與第一低頻帶之頻率共振；而第二 導體f疋其長度及構造足能與第二高頻帶之頻率共振。這 兩條導艘臂可製成能與任意之頻率共振。 舉例來說’第一頻帶可以是G S Μ頻帶，而第二頻帶可 以是DCS頻帶。如此，第一導體臂便大約為以财信號（即 9 0 0MHz)的四分之一波長，而第二導體臂則大約為DCS信號 (即1 800MHz)的四分之一波長。這便允許天線能被輕易地" 調整成雙共振。雖然本範例只就第一及第二頻·分別為 GSM及DCS頻帶加以說明，熟知本領域技術者應了解在不違 背本發明的精神及範疇之下’其他頻帶的组合亦可實施。 例如，其他可能的低頻及高頻帶組合可包括GSM + pcs， GSM + WCMA ’ DCS + WCDMA，GSM + GPS，GSM+ISM，或任何其他 較低頻及較高頻帶的組合。 ' 多頻帶天線可製造成如印刷金屬帶，線結構或颔刻在 塑膠框架之上。導體臂在此圖示說明者是形成内旋螺線 形’但熟知本領域者應了解也可選用其他的形狀來取代 之5諸如區折彎曲的或外旋螺線形。然而，内旋螺線形的 構形不只提供了天線的整體大小的減少（大約是傳統平面 贴片天線大小的20%) *也如上所述地提供了更高的效能。 本發明之内建多頻帶天線的共振頻率及頻帶端視絕緣 基質的面積及密度、所選取之絕緣材料的種類（即絕緣係

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43494 0 五、發明說明（9) …_—— —..................................................................................... 數）、螺旋長度及螺線的展開率而定。熟知本領域者應了 解絕緣基質的面積及密度的增加，或螺線的緊度增加，或 絕緣係數值的減少都會造成欲達成之頻寬增加。 如圖3清楚地表示出，本發明之内建多頻帶天線可固 定在提供較佳的輻射效能及頻寬之PCB的邊緣。此外，内 建多頻帶天線所佔PCB的空間需求因其具有體積小的特性 而可減至最小. 本發明的天線纟且件運作上如同磁性天線。結果，螺線 金屬帶產生了近乎圓形的極化波（相對於以上關於圖1 A及 圖1B所探討的傳統天線所達成之線性極化波），當螺線的 展開率（即螺旋之緊度）適當地選取時。這對多路徑環境， 諸如行動無線通訊，及衛星通訊（如GPS)等一般使用圓形 極化信號而言是有利的。更有甚者，即是磁性天線，對人 體的干擾比較小。 圖5顯示根據本發明之第二實施例的内建螺線天線。 熟知本领域者應可了解在接地平面上的印刷天線有著較稻 早所討論的傳統單極或偶極天線更窄的頻寬。此種印刷天 線的頻寬可由引入系統中某些電力損失來提升❶這是很明 顯的可由電力損失總是代表著較低的Q -因數，也因此是較 高的頻寬的事實看出。下列方程式表示Q-因數與其可達成 頻宽之間的關係

Q=f0/BW

434940 五、發明說明（ίο) 其中f〇是中央頻率而BW是頻寬 根據本發明的不範貧施例，加 匹配橋330，以對系统產峰锻士从丨技鉍560疋串述 判糸既座生電力的損失。在 中， 相同的結果可由將雷阻汽U η好tr絲& # , ' /、 J- π ΗΗ奶·冑1 560並聯於接地桿33 5而達成。本 赉月的黾I且可以是片狀電阻器或電阻膦。電阻在天線賴 射功率上產生電力的損失造成了較廣的頻寬。 電組值可選取以滿足特定的設計需求。在高效能是必

須的時候（即電力的損失保持在很小時），應該使用小電阻 值。然而，當寬頻帶是重要的情況時，應使用較大的電阻 值0 為了顯示本發明的效率，圖6及圖7圖示了示範性雙波 帶天線的模擬結果。兩個模擬的天線都藉由絕緣基質固定 在印刷電路板。在第一個模擬情況中，其結果表示在圖 6 ’具有長為0‘ 1波長、寬為〇. 〇5波長、及高為〇· 1波長的 雙波带雙螺旋天線中。天線臂是製成在GPS及I SM雙頻帶共 振。天線的頻寬在GPS頻帶為6. 8%(即大約107MHz);而在 iSM頻帶為4. 5%(即110MHz)，對小於5:1的VSWR而言。圖

6表示了本發明之第一個模擬情況的天線之VSWR效能π從 圖6中可明顯地看出’既然GPS需要窄的頻帶，提供一個比 用在此模擬中更小的天線是可能的。 在第二模擬情況中，天線的導體臂是做成能共振在 GSM及DCS頻帶。此雙頻帶雙螺線天線是長〇. 1波長，寬 0。07波長 > 及高〇,〇4波長《在此模擬中，一歐姆的片狀電

434i4 Ο 五、發明說明（11) 阻器附加在匹配橋上，以提升天線的頰寬。此頻寬在GSM 頻帶為8. 7%(即大約80MHz);在DCS頻帶為8. 8%(即大約 16 0MHz)，對小於2· 5 : 1的VSWR而言。圖7顯示了本發明之 第二個模擬情況的天線VSWR效能。 前文已探討了本發明之原理，較佳實施例，及運作的 模式。然而，本發明不應限制在上文所論的實施例來實 行。例如’雖然上述本發明之天線主要涉及無線電輻射 器，但熟知本領域者應了解 線也可用作感應器以接收在 所述的實施例應當作是舉例 解熟知本领域之技術者可就 離以下界定之申請專利範圍 本發明之印刷雙螺旋雙波帶天 特定頻率的訊息。因此，以上 說明而不是限制性的，且應了 這些實施例作種種變更而不悖

Claims (1)

1. 434840 六、申請專利範i 1 .—種用於無線通訊系統之通訊設備，該設備包括： 允許通訊設備接受來自使用者之聲音訊息之麥克風 ； 允許通訊設備傳送聲音訊息到該使用者之擴音器 ΊΙ ； 袖珍鍵盤*以及 由調整至不同頻帶之第一導體臂及第二導體臂所構 成的多頻帶天線； 其t該頻帶天線為一内建天線。 2。 依申請專利範圍第1項之通訊設備，其中該第一導體臂 是共振於較低頻帶，而該第二導體臂是共振於較高頻 帶。 3。 依申請專利範圍第1項之通訊設備，其中該第一導體臂 及第二導體臂之形狀乃為内旋螺線型，外旋螺線型，及 曲折形狀中之一。 4 „依申請專利範圍第1項之通訊設備，更包含了用來與該 天線之輸入阻抗匹配之匹配橋。 5,依申請專利範圍第4項之通訊設備，其中該天線的匹配 可由改變該匹配橋的長度來調整。 6依申請專利範圍第1項之通訊設備，其中該第一導體臂 及第二導體臂之形狀係形成内旋螺線，而在該第 < 導體 臂及笫二導體臂的電流是由該螺線的外圈端點所供給。 7 „依申請專利範圍第1項之通訊設備 > 更包括了供該内建 之多波帶天線固定之印刷電路板。

   434S4.0 六、t請專利範圍 8. 依申請專利範圍第1項之通訊設備，其中該導體臂之長 度係選定為此導體臂欲調整的不同頻帶之大約1 /4波 長。 9。 依申請專利範圍第4項之通訊設備，更包含了附加在該 匹配橋之加載電阻器，以提升該天線的頻寬。 1 ϋ. 一種用於無線通訊系統之通訊設備，該設備包括： 固設在通訊設備底座之印刷電路板； 附設在該印刷電路板上且具有預先決定的厚度之 基質；以及 固定在該基質上且包含可共振於不同頻率之第一 及第二螺線導體臂之天線， 其中該天線為内建天線。 1 1。依申請專利範圍第1 〇項之通訊設備，其中該第一導體 臂是共振於較低頻帶之頻率，而該第二導體臂是共振 於較高頻帶的頻率。 ]_ 2,依申請專利範圍第1 0項之通訊設備，更包括了位於饋 電腳與接地桿之間，用來與該天線之輸入阻抗匹配之 匹配橋。 1 3.依申請專利範園第1 2項之通訊設備 > 其中該天線之匹 配可由改變匹配橋的長度來調整。 1 4,依申請專利範圍第1 0項之通訊設備，其中該導體臂之 長度係選定為此導體臂欲調整的不同頻帶之大約1 /4波 長。 1 5,依申請專利範圍第1 2項之通訊設備，更包含了附加在

   第17頁 434i4g 六、申請專利範園 該匹配橋之加載電阻器，以提升該天線的頻寬。 1 6.依申請專利範圍第:L 0項之通訊設備，其中該天線之頻 寬端視該螺線臂之大小及該基質的厚度和絕緣常數而 定。 17. — 可 其 1 8.依 體 臂 19„依 該 2 0.依 頻 21„依 由 2 2.依 藉 23,依 視 定 種用於無線 調整到不同 中該天線為 申請專利範 臂是共振於 則共振於較 申請專利範 第二導體臂 申請專利範 用來與該 附加在該 寬。 申請專利範 改變匹配橋 申請專利範 由基質連接 申請專利範 該印刷螺線 通訊系 頻率的 内建天 圍第17 較低頻 高頻帶 圍第18 長。 圍第17 天線之 匹配橋 該天線包括了 ： 線臂； 其中該天線之第一導 而該天線之第二導體 統之天線 兩個印刷螺 線。 項之天線， 帶之頻率， 的頻率。 項之天線，其中該第一導體臂較 項之天 輸入阻匹 之加载 包括了 ： 配之匹配橋；及 器，以提升該天線的 圍第2 0項之天線，其中該天線之匹配可 的長度來調整。 圍第1 7項之天線， 到該無線通訊設備 圍第2 2項之天線， 臂之大小及該基質 其中該印刷螺線臂是 之印刷電路板。 其中該天線之頻寬端 的密度和絕緣常數而 2 4,依申請專利範圍第1 7項之天線，其中該印刷螺線臂的 434940 六、申請專利範圍 電流是由該螺線的外圈端點所供給。

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