TW529206B - Miniaturized microwave antenna - Google Patents

Description

529206 A7 _________ B7 五、發明説明（！） 本發明係關於具有至少一陶瓷基板及一金屬化結構的一 小型化天線’其特別用於高頻及微波範圍。本發明進一步 關於具有這種天線的一印刷電路板及一行動通訊裝置。 在追隨朝向更小的電子元件之驅勢中，特別是在電訊科 技領域’所有的被動及/或主動電子元件的製造商皆要強化 他們在此領域的活動。因為許多元件的性質將與它們的實 際尺寸有關’所以特別是使用高頻及微波技術範圍之電子 元件產生特殊的問題。此係基於通常瞭解的事實，該信號 的波長隨著頻率增加而較小，其再次造成所供應的信號源 特別受到反射的影響。 特別是這種電子裝置的天線結構，例如一行動電話，其 要比其E任何HF元件更依賴所要的應用頻率範圍。此乃 因為該天線為一共振元件，須配合個別的應用，即該運作 頻率範圍。一般而言，有線天線係用於傳送所需要的資料 。一足的實際長度對於這些天線來獲得良好輻射及接收特 性是絕對必要的。 所謂的λ /2雙極天線，其長度相當於開放空間中該信號 波長（又）的一半，其具有最佳的輻射性質。該天線係由二 個長度；I /4的導線構成，彼此相差丨8〇 。然而因為這些 雙極天線為於許多應用而言太大，尤其是行動電訊（例如 GSM900範圍的波長約為32cm)，其需要使用另外的天線結 構。一種常用於行動電訊頻帶的天線為所謂的λ /4單極。 此係由一長度又/4的導線形成。此天線具有合格的輻射特 性，同時其實際長度（對於GSM900大約為8cm)也令人滿意 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 529206 A7 ________B7 _ 五、發明説明（2 ) 。此外此種天線之特徵在於其大阻抗及輻射頻寬，所以其 亦可用於需要較大頻寬的系統。為了達到最佳功率配接50 Ω ’對於此種天線選擇一被動電子配接，對於大多數又/2 雙極也是如此。此種配接通常由至少一個線圈及一電容的 組合所形成，其藉由適當的尺寸來配接不同於50 Ω的該入 /4單極的輸入阻抗到該連接的5〇 Q元件。 雖然此種形式的天線已廣泛使用，但具有相當的缺點。 其中之一為上述的被動配接電路。 再者，該；I /4單極不能直接焊接到該印刷電路板，因為 該有線天線大多數做為一拉出的組件，例如在行動電話中 。此代表在該印刷電路板及該天線之間的資訊交換需要昂 貴的接點。 此形式天線的進一步缺點在於該天線本身的機械性不穩 定’以及因為此不穩定性，因而該天線需要配接外殼。例 如，如果一行動電話掉到地上，該天線通常即會折斷，或 其外殼會在該天線被拉出的地方折斷。 ΕΡ 0 762 538中揭示一種具有一基板及至少一導體的晶 片天線。但是這些天線的缺點在於至少該導體跡線的部份 係延伸在該基板内，因此該基板要以多疊層製造，即具有 某個最小的尺寸，其可能相當昂貴。此外，此導體跡線的 配置不可能在完成狀態下完成該導體跡線的電子配接達到 一堅固的結構狀態，此乃由於該導體跡線不再可接達的， 或至少部份可接達。 因此，本發明之目的在於提供至少具有一陶资基板及一 ____ -5- 本紙張尺度適+國國豕標準(CNS) A4規格(210X 297公^^ " —-— 529206

金屬化結構之天線，立姓w 、 具特別適用於高頻及微波範圍，其具 -咼機械穩足性，並特別適用於小型化裝置。 夺再者’ k供-天線可使其能夠至少實質上取消被動配接 龟路，而且也適合葬丄〇Λ ^ 口精由SMD(表面固定裝置）技術來安裝在 一印刷電路板上。 /後，提線可使其具有-充份大之共振頻率及阻 杬颈寬，以便在GSM或UMTS頻帶中操作。 精由在Λ公開文件中所提出的天線型式而達到此目的， 其特徵在於該金心匕結構為一表面金屬化結構，其由一用 來？射電磁能量之饋給終端、至少一第一金屬化結構及一 /口著这基板周界的至少—部份之導體跡線所形&，該跡線 連接該饋給終端到該至少—個第—金屬化結構，而該第一 金屬化結構包含一第一導體跡線部份，而由相對於該進給 終端的該基板側朝向該饋給終端延伸，並包含一第一金屬 化結構區。 … 此方案…口才多優點。因為該饋給終端為位在該基板表 面上的該金屬化之部份，其不需要接觸腳或類似的項目來 饋入輻射的電磁能量。此代表該天線可藉由在一印刷電路 板上的表面固足（SMD技術）（與其它的元件）來提供。該天 線的尺寸也可藉此進一步地降低，而該天線在機械性上實 質地更加穩定，及不受外部影響。 本發明亦發現到並不需要阻抗配接的被動電路，此乃由 於這種配接可經由改變具有連結天線的完全可接達金屬化 結構來達成（例如藉由雷射切割來達到）。同時亦發現到， -6 - 529206 A7 B7 五、發明説明（4 ) 該天線具有令人意外的高阻抗及輻射頻寬。 本發明的進一步具體貫施例的好處如相關的申請專利範 圍項目所定義。 如申請專利範圍第2及3項的具體實施例之好處在於該 基板及該表面金屬化結構的製造技術上相當地簡單。 如申請專利範圍第4及8項的具體實施例之好處在於其 結合兩個金屬化結構，特別是如果兩者只有小的相互差異 ’及/或具有該種結構的基板疊層能彈性調整位置與距離以 及該共振頻率的寬度。 此可保持與申請專利範圍第7及8項類似的天線的阻抗 ，及其梯度對頻率的關係。 本發明的進一步細節，特徵及好處將可藉由以下的較佳 具體實施例之說明及參考所附圖面而更加瞭解，其中： 圖1所示為本發明的第一具體實施例； 圖2所示為此具體實施例所量測的一阻抗頻譜； 圖3所示為此具體實施例所量測的一方向性特徵； 圖4a、4b及4c所示為本發明的第二具體實施例； 圖5所示為此具體實施例所量測的一阻抗頻譜；及 圖6所示為根據本發明一具有一天線的印刷電路板。 以下所說明的具體實施例包含一具有一實質上為長方形 區塊的一基板，其高度大約小於該長度或寬度的1/3倍到 1 /10倍。因此，以下的說明將提到該基板的上及下（較大的 )表面如圖中顯示為該第一上表面，及該第二下表面’而 本紙張尺奴财 529206

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裝 訂

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饋給終端12的方向實質卜 焉負上延伸於薇基板的縱向方向上，及 一該第一導體跡線部价1 I知31延伸所達的實質上長方形金屬 化結構區32。 此處在該進給終端12及該金屬化結構區32之間的結構 之有效長度係大致對應於在該基板中要輕射的該信號之波 長的一半。

裝 其令人意外地發現到，此天線結合了數個較佳的特性。 一方面，該天線具有一特別高的阻抗頻寬，而另一方面， 忒天線具有非常均句，半全方向的空間圖案。 在實施該GSM900波段的一具體實施例中（大約是89〇到 960 MHz)，該陶瓷基板的尺寸大約為17χ11χ4 mm3，而由 該導體跡線20及該金屬化結構3〇所形成的該共振結構之 整體長度大約為39 mm。被動阻抗配接電路在這些尺寸下 可被省略’因為該天線的輸入阻抗大約為5〇 Ω。

圖2所示的阻抗梯度為頻率，及如圖3所示的方向性特 徵之函數，其中該曲線（a)代表該水平，而該曲線（b)為該垂 直的空間特性，其亦可在此天線上發現到。這些曲線顯示 該天線特性實質上對應於一雙極或單極天線的特性。 因此，此天線非常適用於一行動電話裝置，因為其可藉 由表面固定（SMD技術）來安裝（以及其它元件）在一印刷電 路板上，藉此該製造可以相當地簡化。 相較於已知的有線天線之進一步的小型化，及進一步增 加頻率頻寬，特別是第一諧波，其可透過改變該陶瓷基板 10的形狀變化來達成，以及進一步結構化該共振導體跡線 -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 529206 A7 B7 五、發明説明（7 )

結構20, 30。 此天線的進一步優點可發現到該天線的輸入阻抗可藉 該饋給終端12及該導體跡線的第一部份21之間彦&曰由 座·生一溝 槽2 11 (空氣間隙）而被影響及調整以達到一固定結構狀^ 。這是一種可邊的天線的固定狀態’例如藉由雷射切判 藉此該間隙的寬度及/或長度（以及該饋給終端12及兮共振 結構20，30之間的電容耦合）即隨著一雷射光束而增加，直 到達到一最佳化的配接。 為了實施該天線的一較佳應用在一雙模式或多模式行動 電話裝置中’最好進行調整，以使其使用該共振頻率的該 第一諧波之特別大的頻寬來涵蓋該GSM頻帶。依此方式， 也可建構來該天線用於該UMTS頻帶（1970到2170 MHz)。 圖4a、4b及4c所示為該天線的第二具體實施例。此天 線由具有一共振金屬導體跡線結構20, 30, 40之基板1〇所 形成’其貝貝上以二個零件構成’即根據圖4a之共用導體 跡線20、在圖4b中所示的該基板的上（第一）表面上一第一 金屬化結構3〇及相對的一第二金屬化結構4〇，如圖4c所 示的該基板的下（第二）表面，該結構30，4〇係由該導體跡 線20所供應。這三個零件係在一張圖上獨立地顯示，其每 個用來說明該架構。 詳細地’一形式為金屬化墊的饋給終端12係再次配置在 該基板10的下側，其位在一第一側面丨3的中心區域，其 在該基板的表面安裝時做為焊接到一導體區域之做為該天 線供應電磁能量所使用的結構區。 -10- 529206 A7 B7 五、發明説明（Q 〇 由該镇給終端12開始，該導體跡線2 〇的一第一部份2 1 首先垂直延伸在該第一側面13上，朝向該上表面，然後水 平向上到一第二側面14。該導體跡線20繼續做為一第二 部份22，進一步沿著該第二側面14，及做為一第三部份 2 3，沿著相對於該第一側面1 3的一側面1 5 ,其中該第三 部份中止於一 T型終端區231，其位在垂直於鄰接一第四 侧面1 6的一邊緣。 在圖4b中，該第一金屬化結構30係連接到該終端區23 i 的一上接腳’其延伸朝向該上表面，並包含一類似於該第 一具體實施例的弟一邵份3 1，該部份係以該饋給終端12 的方向延伸於該基板1 0的縱向方向，並最終進入到一第一 貫質上為長方形的金屬化結構區33。但是，該第一部份31 連接到該終端區2 3 1的上接腳，其係透過沿著鄰接該第三 側面1 5的該邊緣延伸的一第二導體跡線部份3 2。 最後，圖4c所示為該終端區23 1的下接腳，其延伸朝向 該下表面，到該第二金屬化結構40所連接者，該結構係以 類似於該第一金屬化結構3 0的方式所形成，其藉由延伸於 該基板的縱向方向朝向該饋給終端12的一第一部份41 , 並最終進入一第二實質為長方形的金屬化結構區43。同時 此地，一第二部份42提供在沿著鄰接該第三侧面ι5的邊 緣延伸，且其達成該終端區23 1的下接腳與該第一部份41 之間的連接。 在該饋給終端12及該第一金屬化結構區3 3之間以及在 该馈給終端12及该弟二金屬化結構區4 3之間之結構的有 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 529206

效長度再/入對應於要在該基板中輻射的信號之波長的大約 一半。

泫天、’泉的此第一具體實施例，其也可藉由表面固定（SMD 技術）安裝在一印刷電路板上。再者，其再次可達到同時在 該水平方向及其垂直的該方向上一非常均勾半全向空間樣 式。 同時亦發現到，如果該兩個金屬化結構3〇, 4〇略為不同 時，即可激發兩個共振頻率，即具有不同的長度或寬度， 具有不同的耦合（例如藉由可變寬度及/或長度之間隙2ιι) 到該接合導體跡線20，或具有該第一及第二金屬化結構區 33, 43的不同尺寸，該頻率係根據這些差異而相互地偏移 。例如在該狀況下，該第一金屬化結構3 〇將具有比該第二 金屬化結構40要略低的共振頻率。 這些共振的數目，舉例而言，可增加在一或數個具有相 同或類似的共振導體跡線結構2〇, 3〇, 4〇之其它的基板位 於該基板上’如圖4a、4b及4c所示。技術上此係比較容 易實施，特別是使用多層技術。再者，如果使用具有兩個 基板之®層結構，在該基板之間可產生進一步的共振。 該共振頻率的位置及距離，其同時相關於該基本模式， 以及該共振頻率的第一諧波，其可依需要經由適當地選擇 該基板的尺寸及該共振結構20，30，40來調整。此對於該 天線阻抗配接到該镇給終端亦是如此，其目的再次地為達 到一固定結構狀況的配接能藉由一可變間隙2 1 1來達到適 當改變該電容耦合，例如透過加長及/或加寬具有一雷射光 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 529206 A7 ___ B7 五、發明説明（10 ) " 束的間隙（雷射切割）。 此具體實施例的進一步好處與該共振頻率的區域中該阻 抗梯度的傾斜度有關。如果該天線的設計，例如用於雙向 操作，其僅需要有兩個共振頻率（傳送及接收頻率），對於 遠天線在該傳送及接收頻率之間經由此梯度的傾斜度可達 到一滤波器效應，其可用於降低連接於上游或下游的滤波 器電路的需求，或甚至可完全消除這些需求。較佳地是， 對於此應用，可對該第一及該第二金屬化結構30及4〇提 供獨立的供應。 在此具體實施例中，相較於已知的有線天線，亦有可能 來實施進一步的小型化，透過該陶瓷基板1 〇的一適當設計 ’及3共振導體跡線結構2 〇，3 〇，4 〇的一對應結構。 在針對GSM900頻帶（大約為890到960 MHz)所實施的 具體實施例中，該陶瓷基板的尺寸大約為17xl lx4 mm3， 而咸導體跡線2 0及該第一金屬化結構3 〇的整體長度，及 該導體跡線20與該第二金屬化結構40的整體長度，每個 皆大約為39 mm。 此即造成如圖5所示的阻抗頻譜梯度，其中該兩個共振 尖峰可清楚地區分。 最後圖6所示為一印刷電路板（PCB) 100，其根據本發明 在其上提供一天線1 1 〇及其它元件，其位在該印刷電路板 100的區域120及130中，其藉由表面固定（SMD)。此係以 在一波形浴焊中的平面焊接或一回焊處理來完成，藉此該 焊接點（腳印）1 1及該饋給終端1 2被連接到板1 00上的對應 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 529206 A7 B7 五、 發明説明（H ) 焊接點。此特別是可達到在板1 00上該饋給終端12及一導 體跡線11 1之間的電性連接，藉此要輻射的電磁能量即供 應到該天線。 根據本發明，選擇一適當的尺寸，該天線也可用於 GSM18 00 (DCS)頻帶、UMTS 頻帶及 Bluetooth 頻帶（2480 MHz的BT頻帶）。 該天線也可由數個具有相同或不相似的介電及/或磁導 率特性的陶瓷基板構成，其每個具有其本身的表面金屬化結 構。 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

Claims (1)

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   1 · 一種至少具有一陶瓷基板及一金屬化結構之天線，其特 別設計用於高頻及微波範圍，其特徵在於該金屬化結構 為一表面金屬化結構，其係由一用以輻射電磁能量的饋 給終端（12)、至少一第一金屬化結構（3〇)及一沿著該基 板（i〇)的周界之一部份來延伸之導體跡線（20)所形成， 該跡線連接該饋給終端到該至少一個第一金屬化結構 (3〇)，而該第一金屬化結構（30)包含一第一導體跡線部 伤（3 1)’其由相對於該饋給終端（丨2)的該基板侧面朝向 該饋給終端延伸，並包含一第一金屬化結構區（32)。 2 ·如申睛專利範圍第1項之天線，其特徵在於該基板（j 〇) 的形狀為一實質上長方形的板塊，其具有兩個主要表面 及四個較小的側面，且其中該第一金屬化結構（3〇)位在 一第一主要表面上。 3·如申請專利範圍第2項之天線，其特徵在於該饋給終端 (12)位在一第一側面（13)的中心區域的基板（11)的第二 主要表面上，而該導體跡線（20)具有一第一，第二及第 三部份（21，22, 23)，其分別沿著該基板（1〇)的該第一、 一第二及至少一第三側面（13, 14, 15)的部份延伸。 4·如申請專利範圍第2項之天線，其特徵在於一第二金屬 化結構（40)位在該基板（10)的該第二主要表面上，該結 構係連接到該導體跡線（20)，並包含一第一導體跡線部 份（41) ’其由相對於該饋給終端（丨2)的該基板側延伸朝 向該饋給終端，並包含一第二金屬化結構區（42)。 5·如申請專利範圍第4項之天線，其特徵在於該第一及該 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇 X 297公釐) 529206

   A B c D 第二金屬化結構（30, 4〇)，其每個包含一第二導體跡線咋 份（32, 42)，其每個沿著一邊緣體而延伸至相對於該饋給 終端（12)的基板（10)的第三侧面〇5)，各第—導體跡線^ 伤（3 1，41)分別具有連續性。 6·如申請專利範圍第5項之天線，其特徵在於該導體跡線 (20)的第三部份（23)向上延伸到該第三側面（1 5)的一邊 緣，於此處結合了該基板（丨〇)的一第四側面（i 6),並在 其終端結合到一 T形終端區（231)，其每個自由接腳係連 接到一個別的第二導體跡線部份（32, 42)。 7·如申請專利範圍第丨項之天線，其特徵在於一間隙（2u) 位於該導體跡線（20)的橫方向上，該間隙的長度及寬度 的選擇使得該天線達到一固定結構狀態的阻抗配接。 8·如申請專利範圍第丨項之天線，其特徵在於其由數個陶 堯基板形成，其每個具有表面金屬化結構。 9. 一種印刷電路板，其特別設計用於電子元件的表面固定 ’其特徵為具有如申請專利範圍第1，2，3，4，5，6 ’ 7或8項的天線。 10·—種行動電訊裝置，其特別設計用於該GSM或UMTS 範圍，其特徵為具有如申請專利範圍第1 , 2，3，4，5 ，6，7或8項的天線。 -16- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規;^i^297公爱了