TW591818B

TW591818B - Broadband couple-fed planar antennas with coupled metal strips on the ground plane

Info

Publication number: TW591818B
Application number: TW092119363A
Authority: TW
Inventors: Kuo-Cheng Chen
Original assignee: Htc Corp
Priority date: 2002-09-18
Filing date: 2003-07-16
Publication date: 2004-06-11
Also published as: TW200405613A; US6774850B2; US20040051665A1

Description

591818 五、發明說明（1) 發明所屬之技術領域本發明係有關於—種天線，特別是提出一種具有電性麵接至接地平面之耦合輻射體的寬頻耦合平面天線。先前技術在無線通訊系統的領域，為了使通訊設備的體積減小發展小體積且低輪廓（1 〇 W ρ Γ 〇 f i 1 e )的天線是重要的不同種類的倒F型天線（inverted F antennas)，由於可以壓縮體積、容易製造並且具有良好的電氣特性，因此’被用在需要小體積且低輪廓之天線的應用上。另外，此低輪廓之倒F型天線具有容易阻抗匹配的特性。第1圖為習知孔隙耗合式微帶天線（aperture coupled microstrip antenna)的分解圖，如圖所示，孔隙耦合式微帶天線100包括接地平面、饋入微帶1〇1以及貼片 1 20，接地平面1 1 〇具有孔隙丨n，饋入微帶丨〇 1置於接地平面11 0的一側，貼片1 2 〇置於接地平面丨丨〇的相對面。此種天線顯示一種堆疊架構，是一種較為複雜的架構，接地平面11 0及饋入微帶1 〇 1的尺寸必需被恰當地設計，貼片丨2 〇即發射天線的尺寸由共振波長的一半所決定，因此，在藍芽或者無線區域網路（WLAN)的應用上，就孔隙耦合式微帶天線的尺寸而言比較大也比較浪費空間。第2圖表示習知具有近四分之一波長的倒型天線 (inverted F antennas)，倒F 型天線200 包括貼片 2 20、接地平面210、垂直接地片230以及饋入線201，此種倒F型天線200的缺點為需要垂直接地片。

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第3圖表不習知具有直接饋入微帶的倒f型天線倒f 至天線300包括倒F型輕射條3〇1、接地平面31()、金屬平面 340以及傳導洞33G，此種倒F型天線糊的缺點為需要傳導洞’在這個架構中’ #導洞33()用於電性輕接接 310以及金屬平面340。為了製造上述的倒F型天線需要為添加額外的製作序。另夕卜，此倒F型天線，相對而言具有較窄頻寬。因此，為了克服上述缺點，一種寬頻且能和pcB(printed Circuit Board)架構相結合的小型天線是必要的。發明内容有鑑於此，本發明的主要目的在於提出一種寬頻耦合平面天線，具有彈性操作頻帶的設計及和能ρ(：β 合的高相容性。 ° 為達成上述目的，本發明提出第一種寬頻耦合平面天線，其包括一個接地輻射體及饋入線。該接地輻射體具第一區段以及第二區段，第一區段耦接至接地平面並^由接地平面的一邊緣延伸，第二區段以一角度彎曲耦接至一區段。饋入線配置於接地平面之上，且由接地平面的緣延伸，並且平行於接地輻射體的第一區段。、此外，本發明還提出第二種寬頻耦合平面天線，其勺括兩個接地輻射體及饋入線。每個接地輻射體電性耦接^ 接地平面，具有第一區段以及第二區段，第一區段由接平面的一邊緣延伸，第二區段以一角度彎曲耦接至第一段。饋入線配置於接地平面之上，且由接地平面的邊缘^

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伸’，且平行於兩接地輻射體的第一區段。堤兩個接地輻射體擴大了天線的頻寬。一另外’本發明還提出第三種寬頻耦合平面天線，其包括二個接地輻射體及饋入線。每個接地輻射體電性耦接至接地平面，具有第一區段以及第二區段，第一區段由接地 =面的一邊緣延伸，第二區段以一角度彎曲耦接至第—區段饋入線配置於接地平面之上，且由接地平面的邊緣延伸，且平行於兩接地輻射體的第一區段。這二個接地輻射體更加擴大了天線的頻寬。為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂’下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖示，詳細說明如下：實施方式第4,圖表示本發明第一實施例之天線的架構圖。如第圖，不’天線40 0包括接地輻射體10及饋入微帶線Ml。饋入微帶線Μ 1配置於基板5 5 〇的一面，接地平面4 5 〇以及接地輻射體10配置於基板的另一面。接地乾射體10為電性耦接到接地平面45〇的耦合金屬條’其包括區段al及區段bl，區段al由接地平面45〇的一邊、、彖延伸，區#又b 1以角度9 〇度彎曲搞接至區段a 1。、P館入微帶線Ml配置於接地平面45〇的上面且和區段“ =二，區段al藉由饋入微帶線…被電磁化耦合饋入，而不而藉由傳導洞，因此，此種天線免除了製作傳導洞的程序。

591818 五、發明說明（4) " ----- …區段a 1的長度為Si，區段bl的長度為S2，天線的幅射 ^率大約估算為四分之一波長，和輻射體10的總長度相從a 1到饋入微帶線μ 1的距離可以被調整到符合天線的輸入阻抗。第4b圖天線的回歸損耗（return 1〇ss，丨sn丨 )，在2· 4 GHz即P1點的回歸損耗為—1〇〇3 dB，在2 GHz即P2點的回歸損耗為-10· 〇6 dB，明顯地，天線的頻寬 (return l〇ss |sn| < — 1〇 dB)大約為85 MHz，藍芽以及無線區域網路之應用頻帶大約從24〇〇〇2到2483.5 MHz，因此’本發明的天線可適用於這些無線產品的應用中。第5_a圖表示本發明第二實施例之天線的架構圖。如第 5a圖所示，天線50 0包括接地輻射體1〇及2〇以及饋入微帶線Μ1。饋入微帶線μ 1配置於基板5 5 〇的一面，接地平面$ 5 〇以及接地輻射體10及20配置於基板5 5〇的另一面。接地輻射體10為電性耦接到接地平面45〇的耦合金屬條，其包括區段al及區段bl，區段a 1由接地平面“ο的一邊緣延伸，區段bl以角度90度彎曲耦接至區段al。接地輻射體20為電性耦接到接地平面45〇的耦合金屬條’其包括區段a2及區段b2，區段a2和區域ai平行，並且由接地平面4 50的一邊緣延伸，區段b2以角度9〇度彎曲耦接至區段a 2。饋入微帶線Ml配置於接地平面45〇的上面且和區段&1 及區域a2平行，區段ai及區域a2藉由饋入微帶線^丨被電磁

591818 五、發明說明（5) =耦合饋入，而不需藉由傳導洞，因此’此種天線免除了 I作傳導洞的程序。區段al的長度為“，區段bl的長度為82，區段a2的長度為S3，區段b2的長度為S4。從a 1到饋入微帶線Μ 1的距離可以被調整到符合天線的輸入阻抗，接地輻射體1 〇及2〇的顯著優點為擴大天線5 〇〇的頻見。第5b圖天線的回歸損耗（returil i〇ss，|sii| )，在 2·371 GHz即P1點的回歸損耗為_1〇〇〇 dB，在2·52ι GHz 即P2點的回歸損耗為-1 〇 . 〇 2 dB，明顯地，天線的頻寬 (Return loss < — 10 dB)大約為149 MHz，藍芽以及無線❹ 區域網路之應用頻帶大約從24〇〇 MHz到2483.5 MHz，因此’本發明的天線可適用於這些無線產品的應用中。第5c圖表示說明從啟始頻率2 ghz到結束頻率3 GHz饋入微帶線Ml輸入組抗之變化的史密司圖（Smith Chart)。圖圈 C60 為電壓駐波比（v〇itage standing wave ratio， VSWR)迴圈，在史密司圖上，饋入微帶線M1輸入阻抗的所有點即對應於第5c圖中從Pi到p2的曲線，都落在具有2. 〇的電壓駐波比之電壓駐波比迴圈C6〇之上或之内，2〇的電壓駐波比所對應的|su|值大約為_1() dB。參考第5C圖，在j 史密司圖上’啟始頻率2 GHz的輸入阻抗點P5有較嚴重的阻抗不匹配，不符合饋入微帶線M丨，因此具有大的有電壓駐波比及|sii I值。隨著操作頻率的增加，輸入阻抗曲線在 P1點進入電壓駐波比迴圈C6 〇，p丨點所對應的頻率大約為

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591818 五、發明說明（6) 2.371 GHz，P1點在電壓駐波比迴圈C6〇之上，因此，且有 = 駐波比及大約，dB❹叫值。到U2;、别的頻率都落在電壓駐波比迴圈C60之内，因此，電 ^^^。，丨值也都比—^好’所緣製的輸 c抗曲線的停止頻率2.521 GHz所對應的點為 C圖：不二天線50 0具有較大的頻寬，大約為149 MHz。施例施例所揭露的微帶搞合天線之頻寬大於第-實二線。第6a@表“發明第三實施例之天線 2 圖所示’天線600包括接地輻射體1〇、 20^30以及饋入微帶線M1。饋入微帶線们配置於基板55〇 ^一广，接地平面450以及接地輻射體10、20及30配置於基板550的另一面。接地輻射體丨〇為電性耦接到接地平面450的耦合金屬 =，其包括區段al及區段bl ，區段al由接地平面45〇的一邊緣延伸，區段bl以角度90度彎曲耦接至區段al。接地輻射體2 0為電性耦接到接地平面4 5 〇的耦合金屬條，其包括區段a2及區段b2，區段a2和區域al平行，並且由接地平面4 50的一邊緣延伸，區段b2以角度9〇度彎曲耦接至區段a2。接地輕射體3 0為電性耦接到接地平面4 5 〇的耦合金屬條’其包括區段a3及區段b3，區段a3和區域al平行，並且由接地平面4 50的一邊緣延伸，區段b3以角度9〇度彎曲耦接至區段a 3。第10頁〇746-7548twf(nl);htc90039;ellen.ptd 591818 五、發明說明（7) 饋入微帶線Μ1配置於接地平面450的上面且和區段 al、a2及a3平行，區段ai、a2&a3藉由饋入微帶線Ml被電磁化轉合饋入，而不需藉由傳導洞，因此，此種天線免除了製作傳導洞的程序。區段al的長度為8!，區段bl的長度為\，區段a2的長度為&，區段b2的長度為S4，區段a3的長度為心，區段b3的長度為S6。接地輻射體10、20及30的顯著優點為擴大天線600的頻寬。第6b圖天線的回歸損耗（return loss, lslll )，在 2·341 GHz即P1點的回歸損耗為—i〇 05 dB，在2.541 GHz > 即P2點的回歸損耗為-10 · 〇9 dB，在2· 456 GHz即P3點的回歸損耗為-20· 99 dB，明顯地，天線的頻寬（|sn| < —1() dB) 大約為200 MHz，藍芽以及無線區域網路之應用頻帶大約從240 0 MHz到24 83· 5 MHz，因此，本發明的天線可適用於這些無線產品的應用中。第6c圖表示說明從啟始頻率2 GHz到結束頻率3 GHz饋入微帶線Ml輸入組抗之變化的史密司圖（Smith chart)。圖圈 C60 為電壓駐波比（v〇itage standing wave VSWR)迴圈，在史密司圖上，饋入微帶線M1輸入阻抗的所有點即對應於第6c圖中從P1到P2的曲線，都落在具有2 〇的電壓駐波比之電壓駐波比迴圈C60之上或之内，2 〇的電壓駐波比所對應的Is 11丨值大約為-1 〇 d B。參考第6 c圖，在史密司圖上，啟始頻率2 GHz的輸入阻抗點P5有較嚴重的

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五、發明說明（8) 阻抗不匹配，因此具有大的電壓駐波比及|S11|值。—。作頻率的增加，輸入阻抗曲線在P1點進入電壓駐思者操 C60，P1點所對應的頻率大約為2· 34i ghz，P1點在^ 1圈波比迴圈C60之上，因此，具有2 . 〇的電壓駐波 :壓駐 -10,05 dB的叫I值。到2·541 GHz之前的頻率都落在電芦駐波比迴圈C60之内，因此，電壓駐波比都小於2 〇 i

值也都比-10 dB好。P3點落在史密司圖上接近阻抗匹1111 地方’制的頻率大約為2. 456 GHz。所繪製的輪①配的曲線的停止頻率2· 54 GHz所對應的點為p2。如第^ 抗示，天線600具有更寬的頻寬，大約為2〇1MHz。 C β所綜合以上所述，本發明之天線利用饋入微帶線號到接地輻射體，因此不需使用傳導洞、堆疊天 σ ^ 直接地片，因此，此種天線免除了過多的成；及額作程序。此種天線能和PCB架構高度相容，饋入微帶^ 信號微帶線形成在同一金屬層中，多個接地輻射體 σ 接地平面的同一層，輕射體的數量由寬頻耦合平面要的頻寬所決定，是可以變動的。 Ί % 揭露如上，然其並非用以在不脫離本發明之精神潤飾，因此本發明之保護界定者為準。雖然本發明已以較佳實施例限定本發明，任何熟習此技藝者和範圍内，當可作些許之更動與範圍當視後附之申請專利範圍所

591818 圖式簡單說明 -------- 第1圖為習知孔隙耦合式微帶天線的分解圖。第2圖表示習知具有近四分之一波長的倒ρ型天線。第3圖表示習知具有直接馈入微帶的倒F型天線。第4 a圖表示本發明第一實施例之天線的架構圖。第4 b圖表示本發明第一實施例之天線架構的回歸損耗的示意圖。第5 a圖表示本發明第二實施例之天線的架構圖。第5 b圖表示本發明第二實施例之天線架構的回歸損耗的示意圖。第5c圖表示說明本發明第二實施例之天線架構的輸入阻抗之史密司圖（Smith Chart )。第6a圖表示本發明第三實施例之天線的架構圖。第6 b圖表示本發明第三實施例之天線架構的回歸損耗的示意圖。第6c圖表示說明本發明第三實施例之天線架構的輸入阻抗之史密司圖（Smith Chart)。符號說明： 1 0 0〜孔隙耦合式微帶天線； 110、210、310、450 〜接地平面； 101〜饋入微帶； 120、220〜貼片； 20 0、30 0〜倒F型天線 23 0〜垂直接地片； 2 0 1〜饋入線；

0746-7548twf(nl);htc90039;ellen.ptd 第13頁 591818 圖式簡單說明 3 0 1〜倒F型輻射條； 340〜金屬平面； 3 3 0〜傳導洞； 400、500、600 〜天線； 10、20、30〜接地輻射體； Μ1〜饋入微帶線； 5 5 0〜基板； a 1、a2、a3、bl、b2、b3 〜區段； Si、S2、S3、S4、S5、S6 〜長度。

0746-75481wf(n1);h t c90039;e11en.p t d 第14頁

Claims

591818 六、申請專利範圍 1· 一種平面和一信一第一段，該第一邊緣延伸，一第二段，該第一邊緣延伸，以及一饋入延伸，並且接地輻射體 2. 如申地輻射體的分之一。 3. 如申地輻射體的 4. 如申天線，號線，接地輻區段搞該第二接地輻區段搞該第二線，其與上述以及該請專利長度接段’該第一請專利安裝用請專利第三接地幸备區段耦邊緣延伸，該第 5 · —種天線，號線，輻射體平面和一信一接地其應用於一通訊電路之中並具有一包括：地射體，具有一第一區段以及一第二接至該接地平面並且由該接地平面=一區段以一角度彎曲耦接至該第一區段· 射體，具有一第一區段以及一第二，接至該接地平面並且由該接地平面區段以一角度彎曲輕接至該第一區段^ 耦接至該信號線並由該接地平接地輻射體分隔，_ # I _、； 4 A 瓊、味第二接地輻射體。“可以輕合到第- 範圍第1項所述之天線，其中該第一近該天線的發射頻率所對應之波長的四範圍第1項所述之天線，其中該以提供該饋入線適宜的阻抗。X 範圍第1項所述之天線，更包括· ;體，具有-第-區段以更：Λ·二區，，該接地平面並且由該接地平面其應用於-通訊電路之中包括： I /、有一接地，具有一第一區段以及一第區段

〇746-7548twf(nl);htc90039;ellen.ptd 第15頁 591818 —--- 六、申請專利範圍第一區段耦接伸，該第二區一饋入線延伸，並且與射體。至該接地平丰免以一角度 ’其耦接至該接地輻射 6 · —種天平面和一信號段，該邊緣延線，其應用於線，包括：一第一接地輻射體，第一區段耦接至該 =，且由該接地平面的—邊緣彎曲耦接至該第一區段；以及、該信號線並由該接地平面的體分隔，信號可以耦合到接地：伸，該第二區段以一第二接地輻射體，段耦接至該段，該第一區邊緣延伸，該第二區段以一第三接地輕射體，段耦接至該段，該第一區邊緣延伸，該第二區段以以及延伸，接地輻通訊電路之中並具有一接地具有一第一區段以及一第二區接地平面並且由該接地平面=一一角度彎曲耦接至該第一區段；具有一第一區段以及一第二區接地平面並且由該接地平面的一一角度彎曲麵接至該第一區段；具有一第一區段以及一第二區接地平面並且由該接地平面的一一角度彎曲耦接至該第一區段；饋入線並且與射體、 ’其麵接至該信號線並由該接地平面的邊緣上述接地輻射體分隔，信號可以耦合到第一该第二接地輻射體以及該第三接地輻射體。

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