TW490885B - Broadband dual-band antenna - Google Patents

Description

490885 五、發明說明（1) 發明之領域： ’ 本發明係提供一種平面天線，尤指一種頻帶相連而能 增加頻寬的平面天線。 背景說明： 在現代的資訊生活中，每個人都希望能隨時隨地方便 ' 地取得有用的資訊；而無線通訊器材在使用時不須光纖、 Λ 電纜就能傳輸訊號，無疑是傳遞資訊的極佳途徑。隨著技 術的演進，各種可攜式的無線通訊器材（像是行動電話 φ )，其輕巧便利的特性，也已成為現代人重要的資訊交流 工具。 在無線通訊器材中，用來發射接收無線電波以傳遞交 丨 換無線電資料訊號之天線，無疑是最重要的元件之一。尤 其是在現代的可攜式無線通訊器材中，不僅天線要輕薄短 小（以配合可攜式無線通訊器材之特性），最好還要能運 作於雙頻，頻寬也要更寬。如眾所周知，為了要能發揮無 線通訊的特性，可將無線電資料訊號以不同的頻率予以調 變，讓調變後的無線電資料訊號能經由不同的頻帶 (f r e q u e n c y b a n d )傳輸，增加無線電訊號傳輸的容量。像 ® 是現在行動電話通訊標準的泛歐行動電話系統（G S Μ，

Global System for Mobile Communications)，就有主要

第5頁 490885 — -- —- _ 五、發明說明（2) — ~ ^ 頻率為九百及/千八百兆赫（MHz ’即百萬 線傳輸之頻帶。為了要能發射/接收雙頻帶紙）的兩個無 訊號，無線通訊器材中的天線自然也要能^無線電資料 另外，隨著無線電-貧料訊號中資料集積的種$雙頻帶。 位時間内傳輸之位7L數來衡量）增加，天=(有時以單 頻寬（b a n d w i d t h )也要隨之增加。 作時頻帶的 圖—為美國專利第5,92 6，139號所揭 請參考圖一 之習知天線10的外視圖。習’:天線f/有二導=虎所揭露 i4、一導電且設於接地平板14上方的第一平=的接地平板 且兩端分別連接於接地平板14 2、一導電 以及有兩接點的訊藏埠19。訊號槔19:3:以18’ 連於接地平面14綠另—端為訊號端，在接點16電連=第電 平板12。要由天線10發出、或 ，於弟一 就由m沪埠1 9饋入戎#山袁由天線1 〇接文的貢料訊號， 就甶虎旱m /义饋出天線1 〇。連接體1 8是一個短路钟 (short Pin)，用來連接第一平板12與接地平板14。為了針 要能在雙頻帶運作，習知天線丨〇的第一平板有兩個共振區 域（resonating area )17A、17B ;各自對應天線1〇運作的 一個頻帶。其他如歐洲專利（e u r 〇 p e a η patent)EP0997974Al所揭露之天線，也與天線i〇近似，有 一設有兩個共振區域的弟'一平板。 為更進一步說明習知天線1 0的設計原理，請參考圖 二。圖·二為習知天線10之反射係數（reflection)隨頻率變

第6頁 490885 五、發明說明（3) 化之示意圖，其橫軸為頻率；縱軸為反射係數 >(之絕對值 )。天線的反射係數可用來衡量天線運作頻帶之頻寬；一 般以反射係數小於-1 0分貝（dB，decibel )之頻率範圍做為 天線可運作的頻帶。如圖二所示，天線1 0的兩個共振部份 1 7 A、1 7B (示於圖一）就分別對應於天線1 0分佈在頻率f a 及f b附近的兩個頻帶A 1及A 2 ;也因此習知天線1 0可運作於 · 兩個頻帶。 - 習知天線10這種平面天線（planar antenna)的造型扁 > 平，相當適合嵌入至如行動電話等的可攜式無線通訊器 丨材，使其不會有突出的天線部份。然而，習知天線10會有 頻寬不足的問題，尤其是在頻率較高的頻帶。一般來說， 要增加天線1 0之頻寬，就要增加對應共振區域之尺寸。但 增加共振區域之尺寸就會增加天線的總體面積及體積，無 丨法符合可攜式無線通訊器材輕薄短小的要求。以泛歐行動 丨 通訊系統來說，其規格要求在一千八百兆赫附近的頻帶要 有一百七十兆赫的頻寬；但如習知天線1 0之設計，在一般 尺寸要求下是無法達到如此頻寬的。 發明概述： 因此，本發明之主要目的在於提供一寬頻之雙頻平面 · 天線，以解決習知天線頻寬不足的缺點。

第7頁 490885 五、發明說明（4) 發明之詳細說明： 請參考圖三A、圖三B、圖三C及圖三D。圖三A為本發 明一實施例之天線2 0的外視圖，圖三B為天線2 0之構成元 件圖，圖三C為天線20由箭頭3C方向看去之側視圖；圖三D 為天線20由箭頭3D方向看去之側視圖（箭頭3C及3D之方向 請參看圖三A)。天線20有一導電的第一平板22與一導電 之接地平板2 4，兩平面皆沿水平方向設置，彼此相距一固

疋之距離H1 (請參考圖三C及圖三d)而互相平行。接地平 板24與第一平板22間另有一做為短路針（sh〇rt pin)之導 電連接體2 6，其兩端分別連接至第一平板2 2與接地平板 24。圖二A、圖三B中虛線標出之接觸端26A，就是第一平 板2 2與連接體2 6相連之處。圖三B中的虛線2 9則標示出第 一平板2 2投影在接地平板2 4上的位置。另外，天線2 〇還有 一 Λ號埠28(未示於圖三c及圖三D);訊號埠28設有兩接 點’分別電連於第一平板2 2上的接點2 8 Α以及接地平板2 4 上的，點2 8Β。要由天線2 0發出的訊號、或由天線2 〇接受 2讯號，都會經由訊號淳2 8饋入、饋出。在某些可攜式無 ，，訊器材中，其内部電路（包括天線的訊號埠）的印刷 =士 Printed Circuit Board)就有一個接地面，

4 1明之天線就可以直接用這印刷電路板的接地面做為 k t !妾地平板，而訊號埠2 8的另一個接點則仍與第一平 扳^在接點2 8 A電連。

第8頁 490885 五、發明說明（5) 為更進一步說明天線2 0之第一平板2 2之形’狀及其設計 之意義，請參考圖三E及圖三F。圖三E為天線20之第一平 板2 2的俯視圖，圖三F則是第一平板2 2上各區域之示意 圖。第一平板22上由狹縫（slot)27(即圖三E中之虛線）

區分出各區域；至於各區域之配置，請進一步參考圖三 F。圖三F中以虛線標出了四個區域，分別是第一共振區域 · 23A、苐二共振區域23B、苐三共振區域23C及連接區域23D 的大概位置。由圖三E及圖三F可看出，第一共振區域 · 2 3 A、第二共振區域2 3 B及第三共振區域2 3 C間互以狹縫做 * 間隔，並共同連接於連接區域2 3 D。請注意第一平板2 2上 與連接體26(未示於圖三E及F)連接之接觸端26a，以及 龜 與訊號埠28 (未示於圖三E及F)電連之接點28A都設於連 | 接區域23D上。第一共振區域23A、第二共振區域23B及第 二共振區域2 3 C的尺寸分別對應於天線2 〇可運作之第一、 第二及第三頻率之波長。更明確地說，在第一共振區域 丨 23A中’訊號槔28由接地平板24饋入之電流，經由連接體 丨 26流入第一平板22之接觸端26a，穿過連接區域23D最後流i 至第一共振區域2 2的端點1 2 0 A的整條路徑（大約像圖三F j 中路徑2 5 A所示意的），其路徑長大略相當於第一頻率對 應波長的四分之一。同理，電流由接地平板2 4、連接體 26、接觸端26A、連接區域23D、第二共振區域23B皇第二 共振區域的端點1 2 0 B的路徑（大約像圖三F中路徑2 5 B所示肇 思）’其長度大略是第二頻率對應波長的四分之一。穿越 第三共振區域23C到達端點120C的路徑25C，其長度大略就

第9頁 490885 五、發明說明（6) 是第三頻率對應波長的四分之一。 至於本發明天線2 0工作的原理，可用圖四來說明。請 參考圖四。圖四為天線2 0之反射係數隨頻率變化之示意 圖。如前所述，反射係數低於-1 0分貝的頻率範圍可當作 天線可運作之頻帶。在本發明天線2 0中，有第一、第二及 · 第三共振區域，分別對應到天線2 0可運作的第一、第二及 z 第三頻帶，就是圖四中之頻帶61、：82、：83。而第一、第二 ‘ 及第三頻帶又可分別用第一、第二及第三頻率代表，也就 1 是圖四中標示出的頻率f 1、f 2及f 3。在設計本發明天線 時，可適當改變各共振區域之尺寸，調整頻率f 1、f 2及f 3 之頻率值，使頻帶B 1與頻帶B 2、B 3兩者分開，作為本發明 天線可運作的第一個頻帶；頻率f 2及f 3對應之頻帶，則使 其有部份的重疊（即圖四中標示為B0之頻率範圍）。此重 | 疊的頻率範圍B0使頻帶B2及頻帶B3得以相連，讓頻帶B2及 I 頻帶B3能合成一頻寬更寬（比頻帶B2、B3個別之頻寬更寬 )的頻帶B4 ;而頻帶B4也就成為本發明天線2 0可運作的第 二個頻帶。由以上討論可知，本發明之天線不僅可運作於 雙頻帶，而頻帶的頻寬也得以有效增加；尤其是在頻率較 高的頻帶。如前面所敘述過的，在頻率較高的頻帶，其頻 寬的要求也比較嚴格（即頻帶的頻寬要比較寬），使習知 技術之平面天線難以達成。相較之下，本發明之平面天線 ® 在設計時可結合高頻的兩頻帶，增加高頻部份天線可運作 之頻寬，解決習知平面天線之缺點。

第10頁 490885 五、發明說明（7)

以下將討論本發明天線的不同實施樣態。請參考圖五 至圖十。圖五至圖十的六個圖分別是本發明天線2〇之第一 平板不同實施例的俯視圖。這些不同的第一平板之實施例 都以狹縫區分出三個不同的共振區域。請注意狹縫的寬度 與各共振區域相互間電氣特性之耦合有關；改變狹縫的寬 度可微調天線的特性（如頻帶之頻寬、天線之阻抗等）。 與圖三E中第一平板22類似，圖五中的第一平板42與連接 體26 (未示於圖五）連接於接觸端46A，並與訊號埠28 (未示於圖五）的一接點電連於接點4 8 A。第一平板4 2的 三個共振區域中，共振區域4 5 C呈現出彎曲的形狀；這種 形狀可使電流流入共振區域4 5 C時會沿著彎*的形狀增加 電流流經路徑的長度，進一步改變共振區域4 5 C對應之頻 率及頻帶之頻寬。 圖六中第一平板的另一實施例5 2有接觸端5 6 A '接點 5 8 A。第一平板5 2的共振區域5 2 C也呈彎曲的形狀’其設計 之構思則與圖五中的第一平板4 2相似。彎曲的共振區域 5 2 C可使電流沿共振區域繞經較長的路徑，改變共振區域 5 2 C對應的頻率及頻帶之特性。彎曲形狀的共振區域能在 固定的面積内改變電流路徑的長度，也能增加設計天線時 可調整的參數，有助於天線性能之最佳化。 依據相同的道理，圖七中有接觸端6 6 A、接點6 8 A的第

第11頁 490885 五、發明說明（8) 一平板6 2也有彎曲的共振區域6 2B。圖八中有i觸端7 6 A、 接點78A的第一平板72則有彎曲的共振區域72A。請注意此 第一平板72與圖三F中的第一平板22相似，但圖三F中的第I 二共振區域23B的端點120B是直接向外開路（open)，而圖 | 八中第一平板7 2的共振區域7 2 B的端點則向另一共振區域 7 2 A開路（如圖八中虛線7 9之標示）。改變共振區域7 2 A與 . 72B相互間的距離（即分隔兩者之狹縫的寬度），也能調 \ : 整天線的特性。圖九中有接觸端86A、接點88A的第一平板 「 82，其彎曲的共振區域82C則延伸圍繞於共振區域82B之外丨； 側。圖十中有接觸端9 6 A、接點9 8 A的第一平板9 2，其共振 區域9 2 B及共振區域9 2 C都呈現彎曲的形狀，共振··區域9 2 C φ 則延伸圍繞於共振區域92Β部份之外側。 請繼續參考圖十一 Α。圖Η--Α為本發明另一實施例之

天線1 0 0的外視圖。類似本發明第一實施例之天線2 〇，天 線100有一第一平板102、一接地平板104、一連接體1〇6及 一訊號埠1 0 8。連接體1 〇 6於接觸端1 0 6 A與第一平板！ 〇 2連 接’另一端則連接到接地平板1 〇 4。訊號埠1 〇 8的一接點接 到第一平板1 0 2的接點1 〇 8 A，另一端則接到接地平板1 〇 4作 為接地。與天線2 0不同的是，天線1 〇 〇的第一平板1 〇 2有兩 片向下折曲之導電的凸出部份103及105。為更進一步揭示 凸出部份103及105之配置，請繼續參考圖十一β、圖_^__c 及圖十一 D。圖十一 Β為天線1 〇 〇沿（圖十一 a中的）箭頭 1 1 B方向看去的側視圖；圖十一 c為天線1 〇 〇沿（圖十一 a中

第12頁 五、發明說明（9) 的）箭頭11 C之方】 102另一方向的立j 十一 C中未顯示訊$ 向下折曲的凸出部 連接。增加凸出部 電流流經的路彳查長 之頻寬。增加折曲 平部份投影面積的 及頻帶’有助於減 請參考圖十二 11 0。天線11 0有一 體1 1 6及一訊號埠1 板112連接，另一坤 一接點接到第一平 平板1 1 4作為接地。 折曲的凸出部份1丄 折之凸出部份Π 5、。 情形，可參考圖十 十二A中箭頭12B之 1 1 0由圖十二A中箭 顯示訊號埠1 1 8 )。 份1 1 3及11 5皆未與 設置的目地，與前

貫施例之天奪

句看去的側視圖，圖十一 D則 '是第_ w It圖。為求圖示之清晰，在圖十一 B、’板 虎埠108。由圖十一 B及圖十一 c中可次圖 份103及105不會與接地平板1〇4接 份103及105的目的也是增加共振區域中 度，以改變共振區域對應之頻率及頻嫌 的凸出部份可在不增加第一平板1水^ 情況:，改變對應共振區域的相 ~ 少天線之體積。 ^貝手 第一平板112、一接地平板114、一連去 ^18。連接體116於接觸端116八與第一平 IV妾到接地平板1 14。訊號埠1 18的 板二2:fnfU8A’另-端則接到接地 與天線100不同的是，天線11〇有向下 3 1以及連接於凸出部份113、呈水平万 這兩個導電的凸屮部 二b及圖十二ΛΛΛ份進一步的配置 圖十一B為天線110由围

Sc之方的二視圖；圖十二㈣是天線 頁」岡C 士方f看到的側视圖（兩圖皆未 Λ二;圖十二c可看出，凸出部 接it 接觸。凸出部份Π3及115 -實轭例凸出部份設置的目地相同，宅

490885 五、發明說明（ίο) 是要改變共振區域電流繞經的路徑，以改變對 '應之頻率及 頻帶的頻寬。 相較於習知平面天線之頻帶頻寬不足的現象，本發明 天線可操作於三個頻帶，並使其中兩個頻帶聯合以提供更 寬的頻寬，解決習知平面天線之問題。以上也揭露了本發 . 明的多種實施例，可提供多種參數變化，有助於在設計不 ： 同用途天線時對天線性能的最佳化。另外，如連接體與第 _ 一平板連接之位置（即接觸端之位置）、第一平板與接地 ’ 平板間之距離（換句話說，就是連接體的長度）、第一平 板上接點（即第一平板與訊號埠電連之處）之位置，都可 加以改變以求本發明天線性能之最佳化。另外本發明天線 在第一平板與接地平板間，除了以空氣作為介電質外，也 可用其他絕緣材料作為介電質，填充在第一平板與接地平 板間的空間。 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，皆應屬本發明專利之涵 蓋範圍。

第14頁 490885 圖式簡單說明 圖示之簡單說明： ' 圖一為習知天線之外視圖。 圖二為圖一中天線之反射係數隨頻率變化之示意圖。 圖三A為本發明天線一實施例之外視圖。 圖三B為圖三A中天線之組成元件圖。 · 圖三C為圖三A中天線的一個側視圖。 : 圖三D為圖三A中天線的另一侧視圖。 · 圖三E為圖三A中天線第一平板之俯視圖。 — 圖三F為圖三A中天線第一平板配置之示意圖。 圖四為本發明天線之反射係數隨頻率變化之示意圖。 _ 圖五至圖十分別為本發明天線第一平板的六種實施例 之示意圖。 圖十一 A為本發明天線另一實施例之示意圖。 圖Η--B為圖^——Α中天線的一個側視圖。 ； 圖十一 C為圖十一 A中天線的另一側視圖。 圖十一 D為圖十一 A中天線之第一平板的立體圖。 圖十二A為本發明天線另一實施例之示意圖。 圖十二B為圖十二A中天線的一個側視圖。 圖十二C為圖十二A中天線的另一側視圖。 圖示之符號說明： ® 20 > 1 00 ^ 1 1 0 本發明之天線

第15頁 490885 圖式簡單說明 ψ 22 、 42 、 52 、 62 、 72 、 82 、 92 、 102 、 112 第一平面

23A

23B

23C 24 、 104 、 114 25A 、 25B 、 25C 26 〜106 > 116 26A 、 46A 、 56A 、 66A 、 |連接體之接觸端 I . 27 I 28 、 108 、 118 | 28A 、 48A 、 58A 、 68A 、 丨接點 弟一共振區域 弟二共振區域 第三共振區域 接地平面 路徑 連接體

76A、86A、96A、106A、116B 狹缝 訊號璋

78A、88A、98A'108A、118B

1 0 3、1 0 5、1 1 3、1 1 5 凸出部份 3C、3D、12B、12C、13B、13C 箭頭 1 2 0 A、1 2 0 B、1 2 0 C 端點 45C 、 52C 、 62B ' 72A 、 72B 、 82B 、 82C 、 92B 、 92C 共振區域 f卜 f2 ^ f 3 頻率 B1、 B2、 B3、B4 頻帶 H1 距離

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Claims (1)

1. 490885 六、申請專利範圍 1. 一種天線，其包含有： 一導電之接地平板，沿水平方向設置； 一導電之第一平板，沿水平方向設於該接地平板上 方，與該接地平板相隔一固定距離；該第一平板包含有： 第一、第二及第三共振區域，各共振區域之尺寸分別 對應於該天線運作的第一、第二及第三頻率之波長；以及 · 一連接區域，分別與該第一、第二及第三共振區域連 -· 接； * 一導電之連接體，該連接體之兩端分別連接於該接地 _ 平板與該第一平板之連接區域；以及 一設有兩接點的訊號埠；該兩接點分別電連於該接地 平板與該第一平板； 其中該第一、第二與第三頻率相異並分別對應於該天 線運作的第一頻帶（frequency band)、第二頻帶與第三頻 t 帶； 丨 該第二頻率與該第三頻率相近，讓該第二頻帶與該第 | 三頻帶有部份重疊而使得該第二頻帶與該第三頻帶得以相 連。 2. 如申請專利範圍第1項之天線，其中該第一平板係以 狹缝（slot)區分出該第一、第二及第三共振區域。 I 3. 如申請專利範圍第1項之天線，其中該第一共振區域 係以一第一連接端連接於該連接區域，該第一共振區域中

   第17頁 490885 六、申請專利範圍 與該第一連接端相對之另一端至該第一連接端 '間的距離約 為該第一頻率對應波長的四分之一。 4. 如申請專利範圍第1項之天線，其中該第二共振區域 係以一第二連接端連接於該連接區域，該第二共振區域中 與該第二連接端相對之另一端至該第二連接端間的距離約 為該第二頻率對應波長的四分之一。 5. 如申請專利範圍第1項之天線，其中該第三共振區域 係以一第三連接端連接於該連接區域，該第三共振區域中 與該·第三連接端相對之另一端至該第三連接端間的距離約 為該第三頻率對應波長的四分之一。 6. 如申請專利範圍第1項之天線，其中該第一、第二或 第三共振區域另包含一凸出部份，於垂直方向凸出該第一 平板。 7. 如申請專利範圍第1項之天線，其中該第二頻率與第 三頻率間的頻率差距係大略小於該第二頻帶與第三頻帶頻 寬和之一半。 8. 如申請專利範圍第1項之天線，其中該第一頻率與該 第二頻率間的頻率差距係大於該第一頻帶的頻寬。

   第18頁 490885 六、申請專利範圍 9. 如申請專利範圍第1項之天線，其中該第J頻率與該 第三頻率間的頻率差距係大於該第一頻帶的頻寬。 1 0.如申請專利範圍第1項之天線，其中該第一頻率大約 在八百兆赫（MHz，即一百萬赫茲）到一千兆赫之間。 11.如申請專利範圍第1項之天線，其中該第二頻率大約 在一千六百兆赫到一千七百九十九兆赫之間。 1 2.如申請專利範圍第1 1項之天線，其中該第三頻率大約 在一千八百兆赫到兩千兆赫之間。 1 3.如申請專利範圍第1 2項之天線，其中該第二頻率約在 該第二頻帶頻率範圍的中間。 1 4.如申請專利範圍第1 2項之天線，其中該第三頻率約在 該第三頻帶頻率範圍的中間。

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