TWI296451B - Wide frequency band planar antenna - Google Patents

Description

12964^1^^°°7006 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 _ #發明是有’―種平面天線，且特別是有關於-種 寬頻帶平面天線。 【先前技術】 隨著無線網路訪問技術的發展，無線筆記型電腦允許 用戶在火車站、大學等設有網路站點的固定地點通過無線 局域網路(WLAN)訪問網路。結果，$線筆記型電腦因其 • 允許用戶自由訪問網路而成為一種主流產品。近年來，發 展了 WiFi無線局域網路(LAN)，其工作頻率為約2·4 GHz 和5 GHz(這些頻率稱為在諸如正交頻分頻用（〇FDM)技術 的任何調變技術中由資料信號所調變的通信載波頻率）。 然而，無線WiFi LAN技術所具有一些缺點使其僅限 在固定地點附近使用。這些缺點是指無線通信載波的低容 量和短範圍（約幾百米），其阻止用戶從任何地方訪問網 路。目前，已開發出無線WiMAX通信技術(也就是IEEE 820.16標準）來克服無線WiFi [αν技術的缺陷；即， _ wiMAX允許無線通信載波擁有較高容量和較遠通信範圍 而不會減弱效果，因此可以在設有WiMAX城域網 (metropolitan area network, MAN)的城市區域中的任何地 方訪問網路。此外，無線WiMAX MAN在幾個頻帶下工 作，其中心頻率分別在約2·3 GHZ、3.4〜3.6 GHz和5.7〜5.8 GHz。應WiFi LAN和WiMAX MAN兩種應用的需要，需 要一種工作頻率從2.3 GHz到5.8 GHz的寬頻帶天線。這 種寬頻帶天線又稱為超寬頻帶天線，因為其具有超寬的工 I7twf.doc/006 作頻率範圍。 ^卜，無線通信技術中廣泛使用平面 天=容易於與印刷電路板_)整合，因此具3 = 低成本的優勢。例如，美國專利揭干 帶下工作的疊層模式天線。所 m开為f動70件形成於PCB的正側表面上的 ϋ細—作為無源元件形成於PCB的反側表 案。通過將倒F形天線圖案的路徑長 W一特定值，所述天線將其可 =頻侧。結果，所述疊層模式天線能夠在更寬 然而，其工作頻率約為24gHz ，⑽’而不能應用於她則上= :天線__製造成本增案== :同時天線結構簡單且製造成本二以= 【發明内容】 因此，本發明涉及-種寬鱗平面天線。 本發明還涉及一種工作頻率從2.3 GHz到將近6啦 12964^ twf.doc/006 的適合於WiFi LAN和WiMAX MAN兩種應用的寬頻帶平 面天線。 基於上述和其他目標，提供本發明第一實施例的寬頻 帶平面天線。多頻寬頻平面天線包含一由一伸長部分和一' 主體短截線所形成的倒L形圖案。此外，伸長部分大體上 =仃于一形成於一電路板的反側表面（即，電路板上安裝 寬頻帶平面天線和其他電子元件的正絲_相對^ == 卜周邊邊緣，其中伸長部她^ ==有一間隙G。此外，伸長部分的一端連接到星

AC I刀T通過凋即間隙G為一特定值，所述 瓦

== LAN 和戦AX MAN —伸二ί:明的第二實施例，寬頻帶平面天線包含-由 伸長邛刀和一貼片圖案所形成的 s由 :片圖案代替第-實施例中所揭=二其中所述 伸長部分大體上平行 U餘祕。此外， (即’電路板上安妒有宽‘;一電路板的反側表面 =表面的相對面)上的接地圖案的邊邊=件的正 2刀的—端連接到隹形貼片圖^，伸 案㈣饋電傳輪線的長邊向外漸縮(二的長度所為 7 1296451 17017twf.doc/006 卩刀的另—端連接到一饋電傳輸線，以便高頻AC電 ⑺l牙1^饋黾傳輪線進入伸長部分中。通過調節間隙G為一 斗寸疋值所述平面天線能夠在適合於…正丨lan和wiMAX MAN兩種應用的2·3 GHz到約μ孤(或將近6哪)的 超寬頻率範圍内工作。 〜根據本發明的第一實施例，本發明第三實施例的多頻 見頻平面天線進一步包含一阻抗匹配調節短戴線，其一端 經由一通孔而短路連接到所述接地圖案，而其另一端連接 到所述伸長部分和所述饋電傳輸線之間的接合點。另外， 所述短的短截線的作用是調節寬頻帶平面天線和饋電傳輸 線之間的阻抗匹配，以便穿過傳輸線的高頻Ac信號能以 最小反射損耗最理想地傳輸到平面天線中。 ^根據本發明的第二實施例，本發明第四實施例的寬頻 帶平面天線進一步包含一阻抗匹配調節短截線，其一端經 由一通孔而短路連接到所述接地圖案，而其另一端連接到 所述伸長部分和所述饋電傳輸線之間的接合點。另外，所 述短的短截線的作用是調節寬頻帶平面天線和傳輸線之間 的阻抗匹配，以便穿過傳輸線的高頻AC信號能以最小反 射損耗最理想地傳輸到平面天線中。 為Λ：本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯 易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作详細說 明如下。 【實施方式】 現在將詳細描述一種寬頻帶平面天線，其實例如附圖 rf.doc/〇〇6 所示。可能的情況下，圖式和具體實施方式中使用相同的 參考數位指示相同的部件。 圖1A顯示本發明第一實施例的寬頻帶平面天線的俯 視圖。寬頻帶平面天線1包含伸長部分la和主體短截線 lb。此外，伸長部分la和主體短截線沁形成倒l形圖案， 其中伸長部分la大體上平行於用於隔離的接地圖案2的_ 周邊邊緣，所^接地圖案2形成於電路板4的反側表面上 (被虛線所包圍）’所述反侧表面與電路才反4的正側表面(或 稱為元件侧表面)相對，在所述正側表面上安裝有所述寬頻 帶平面天線和其他電子元件。此外，在伸長部分la和接地 圖案2的周邊邊緣之間有—間隙G。另外，長度為L2的 伸長部分la的-端連接咖定長度為H的主體短截線化 的一端，而主體短截線lb的另一端開口，且伸長部分“ 的另-端連接到饋電傳輸線3，以便高頻交流(AC)信號穿 過饋電傳輸線3進入伸長部分ia中。因此，由資料信號用 OFDM技術所調變的高頻AC信號被寬頻帶平面天線i轉 換為具有寬頻率範_電磁波。㈣磁波又被用作頻率和 AC k號相同的通信載波。 目丽，無線網路訪問技術所使用的幾個頻帶的中心頻 率分別是 2.4 GHz、3·5 GHz、5·25 GHz 和 5.8 GHz。在這 些頻率中，2.4 GHz、5.25 GHz 和 5·8 GHz 應用於 WiFi LAN，而 2.3 GHz、3·5 GHz、5·25 GHZ 和 5.8 GHz 應用於

WiMAX MAN。牙過寬頻帶平面天線}的電流的總路徑長 1296451 17017twf.doc/006 度等於L2和H的和。嘗相册 一 ^ 見湧絜平面天線1較佳地總路徑長 度約等於λ/4，其中a 4古μ ώ Τ人疋巧於2.3GHz的頻率的波長。結果， 見頻页千面天線1可飛 ,,,,^ 心成為一共振腔以用於波長λ的駐 波，然後其發射波長λ的堂私4 L Η曰食人的電磁波以用於通信载波。接下來， 疋农# ’間隙G應該較小且適當調節，以便獲得伸 又口P刀la和接地圖案2之間的強電磁柄合。為此，在η GHz到將近6 GHz的頻率下工作時，可產生另外的第二諧 將其下拉向第—共振頻率，以形成具有低回 流拍失的寬頻帶。 麥看圖1B’其顯示本發明第二實施例的寬頻帶平面 天線的俯視®。寬頻帶平面天線1，包含伸長部分l，a和貼 片圖案1 ’b，所述貼片圖案！，b代替第一實施例中所揭示的 主體短截線lb。此外’長度為L2的伸長部分^大體上 平行於用於隔離的接地圖案2的—周邊邊緣，所述接地圖 案2形成於電路板4的反側表面上(被虛線所，所述 反侧表面與f路板4的正側表_對，在所駐側表面上 安裝有所述寬頻帶平面天線和其他電子元件。此外，在 長部分l，a和接地圖f 2的周邊邊緣之間有一間隙g。此 外，伸長部分i，a的-端連接到矩形貼片圖案rb的最短 邊，所述貼片圖案l，b靠近饋電傳輸線的長邊向 邊的長斷而:申長，ra的另一端連接到镇電傳(J 線3’以便冋頻ACj5號牙過饋電傳輸線3進入伸長部分α 10 * I2964Siwf.doc/006 此外，如圖2A所示，根據本發明的第一實施例，本 發明弟二貫施例的I頻帶平面天線1可進一步包含長度為 L1的阻抗匹配調節圖案1C，例如圖2A所示之短的短截 線’其一端經由通孔10短路連接到形成於電路板4的反侧 表面上的接地圖案2，而其另一端連接到伸長部分ia和饋 電傳輸線3之間的接合點。另外，短的短截線丨c的作用是 調節寬頻帶平面天線1和饋電傳輸線3之間的阻抗匹配， 以便穿過饋電傳輸線3的高頻AC信號能以最小反射損耗 最理想地傳制寬㈣平面天線丨巾。概通過參考圖6 洋細描述如何獲得前述的最佳阻抗匹配。 如第-實施例所述，穿過第三實施例的寬頻帶平面天 線1的電流之總路徑長度等於L1、£2和^的和，且寬頻 帶平面天線1較佳的總路徑長度約等^λ/4，1中1在Μ GHz的頻率到5.8 GHz(或將近6 GHz)的頻率範圍内，以作 為用於通輯波的電磁波。結果，寬頻帶平面天線 成為-共振腔於波長1的駐波，然後 ( 電磁波以用於通信載波。 射波長λ的 參照圖2Β，寬頻帶平面天線！，可進一步 1的:且抗匹配調節圖案lc，’例如圖2Β中短的短 ，、—端經由通孔20短路連接到接地圖案2，而其另—妒 接到伸長部分la，和饋電傳輪線3之間的接合點。另:連 短的短截線l’e的作用是調節寬頻帶平面天線丨，和綠 3之間的阻抗匹配’以便穿過傳輸線3的高頻Ac信^能 12964^¾ wf.doc/006 以最小反射損耗最理想地傳輸到寬頻帶平面天線丨，中。 當評估寬頻帶平面天線！和！，的性能時，必須考慮其 重要特性，包括天線增益、輻射圖和可用頻帶的帶寬大小。 當設計具有前述特性的平面天線時，應分析G、L2和只 的值是如何影響寬頻帶平面天線的特性的，下文將對此作 出描述。在進行分析之前，應引入，，可用頻帶，，的定義。 爹看圖3,其顯示G值從〇mm到3·5腿白々五個不同 回流相失相對頻率㈣線圖，，，可用鮮，，的定義是指其中 :有頻，相應回流損失都小於_1〇肋的頻帶，在，，可用頻 帶中，最局頻率減去最低頻率的頻率範圍稱為其，，帶寬，，。 然而，下文中使用術語”頻帶”來代替術語，，可用頻帶，，。此 外，回流損失是在傳輸線3與伸長部分以和ra之間的接 合點上測置的，其計算公式如下·· 回流抽失=20 log | ρ 1 ............ (!) 其中r是反射係數，其等於傳輸線3與伸長部分ia 矛1 a之間的接合點上的反射ac信號的電壓和入射ac 信號的電壓的比值；即，用回流損失來指示AC信號穿過 傳輸線3跟伸長部分1&和ra之間的接合點時的減弱程 度。此外，根據式⑴，_1〇dB回流損失意謂，傳輸線3中 的原始AC信號在穿過傳輸線3跟伸長部分。和ra之間 的接合點後減弱1/3。 圖3顯示圖2A所示的寬頻帶平面天線中G值為〇mm 到3·5 mm的五個不同回流損失相對頻率的曲線圖。顯然， 12 Ι296451„ 根據圖3，隨著G值變窄，不僅“頻帶，，的數量增加，而 且母一’’頻帶”的帶寬也增大。最終，各，，頻帶，，彼此重疊而 形成從2.3 GHz到超過6 GHz的超寬頻帶。此外，通過將 低頻V的中心頻率移到高頻側，並且將高頻帶的中心頻率 移到低頻側，而導致帶寬增加。例如，比較3·5 mm的G 值和0.5 mm的G值可以看出，當G值為3·5 mm時只有 一個帶寬很窄（即，約〇·5 GHz帶寬)的頻帶，而值為 鲁 0.5 mm時有兩個中心頻率在3·75 GHz和5·ό GHz的頻帶 (即低頻帶和高頻帶）。同時，這兩個頻帶彼此重疊而形成 k 2·3 GHz到超過6 GHz的超寬頻帶。相對而言，當〇值 為1 mm時，低頻帶和高頻帶是分開的，其中心頻率分別 為^·6 GHz和5.95 GHz。即，頻帶的帶寬隨著6值變小而 加寬。因此，較小的G值可以滿足寬頻帶平面天線丨和ρ 在較寬頻率範圍工作的要求。為滿足前述要求，本發明中 較佳的G值小於2 mm。 鲁圖4顯示圖2A所示的寬頻帶平面天線中l2值從6·5 麵到9.5 mm白勺四個$同回流損失相對頻率的曲線圖。 此=，伸長部分的長度L2的作用是將頻帶的中心頻率移 到高頻侧或低頻侧。參看圖4，其顯示u值從6·5腿到 m的四個不同回流抽失相對頻率的曲線圖。比較9.5 mm的L2值和6.5 mm的L2值可以看出，隨著L2值變小， 其頻π的中心頻率移到高頻側。在本發明中，較佳的L2 值範圍為7.5 mm-9.5 mm 〇 13 1296451 17017twf.doc/006 另外，圖5顯示圖2A所示的寬頻帶平面天線中幵值 從1L5 mm到15·5 mm的三個不同回流損失相對頻率的曲 線圖。根據圖5，比較H值從1L5mm到15 5mm的三個 不同回流損失相對頻率的曲線圖可以推斷出，頻帶的帶命 保持相同的值，但隨著Η值變大，其中心頻率移到低頻：見 換句話說，當主體短截線比的長度變大時，寬頻帶平面天 線丨’的工作頻率移到低頻側。此外，在G、L2和η各值 春 中，G值對寬頻帶平面天線1和1，的性能的影響最大。即， G值不僅啟動”頻帶，，，而且還增寬所得，，頻帶，，的帶寬。最 終’所得”頻帶，，重疊形成從2·3 GHz到5·8 GHz(或將近6 GHz)的超寬頻率範圍。因此，WiFi LAN和WiMAX MAN 中都可應用平面天線1和r。 另外，短的短截線lc和I’c的作用是調節寬頻帶平面 天線1和1’的阻抗跟傳輸線3的阻抗之間的匹配，以便穿 過傳，線3的高頻AC信號能以最小反射損耗最理想地傳 • 輸到寬頻帶平面天線1和1，中。參看圖6，其顯示寬頻帶 平面天線1和1，的兩個電阻（即，有和沒有短的短截線lc 和1C時)相對頻率的曲線圖。顯然，當具備短的短截線lc 和1c’時’寬頻帶平面天線1和1，的電阻穩定在5〇 Ω。為 了 "周節見頻帶平面天線1和Γ的阻抗跟傳輸線3的阻抗之 間的匹配，短的短截線lc和lc，的寬度和長度不必跟伸長 la和丨、的寬度和長度相同。例如，在圖2A所示的 第二實施例中，短的短截線lc的寬度與伸長部分la相同， 14 *12964τ§ 7|wf.doc/006 而在圖2B所示的第四實施例中，短的短截線1，C的寬度大 於伸長部分l’a的寬度。 為了同時實施WiFi LAN和WiMAX MAN，本發明的 寬頻帶平面天線能夠在寬頻率範圍内工作。圖7A和圖7B 分別顯示如圖2A和圖2B所示的本發明第三和第四實施例 的寬頻帶平面天線的回流損失(單位dB)相對頻率的曲線 圖。顯然，其驗證了本發明第三和第四實施例的寬頻帶平 面天線能夠在2·14 GHz到6·2 GHz的頻率範圍内工作。此 外’圖8A和圖8B分別顯示如圖2B所示的本發明第四實 施例的見頻帶平面天線在2.45 GHz、3.5 GHz、5.25 GHz 和5.75 GHz下在y_z平面上的韓射圖。所有這些輻射圖都 近似為全向輕射，其允許用戶方便地使用無線筆記型電腦 或任何實施本發明的寬頻帶平面天線1和1，的無線通信產 品0 另外，在前述寬頻帶天線的第四實施例中，儘管將其 汉置在電路板的正側表面上，而將接地圖案設置在反侧表 1上，但其設置也可切換，而不會損失寬頻帶平面天線的 4寸鉍。即，可將寬頻帶平面天線設置在電路板的反側表面 上，而將接地圖案設置在正側表面上。 總而言之，本發明的寬頻帶平面天線至少具有以下優 勢： 、 1·本發明的寬頻帶平面天線可以很好地應用於wiFi LAN和WiMAX MAN，從而提供中心頻率從2·3 GHz到 ptwf.doc/006 的短截線時的兩個輸入電阻相對頻率的曲線圖。 圖7A和7B分別顯不圖2A和圖2B所不貫施例的览 頻帶平面天線的回流損失(單位dB)相對頻率的曲線圖。 圖8A和8B分別顯示圖2B所示第四實施例的寬頻帶 平面天線分別在 2.45 GHz、3.5 GHz、5.25 GHz 和 5.75 GHz 下工作的輻射圖。 【主要元件符號說明】 卜1，··寬頻帶平面天線 la、l’a :伸長部分 lb :主體短截線 l’b :貼片圖案 2 :接地圖案 4 :電路板 G :間隙 L2 :伸長部分的長度 Η :預定長度 3:饋電傳輸線 lc、lc’ ：阻抗匹配調節圖案 10、20 :通孔 L1 :阻抗匹配調節圖案的長度

Claims (1)

1. v 1296451 170171 .doc/d 96-12-28 十、申請專利範圍·· 更^ 1· 一種形成於一電路板的一側表面上的寬頻帶平面 天線，其包含： 一伸長部分，其與一形成於所述電路板的另一側表面 上的接地圖案的一周邊邊緣大體平行，且其一端連接到一 饋電傳輸線，其中，該伸長部分與該接地圖案的該周邊邊 緣之間有一間隙；以及 一主體短截線，其一端開口，且其另一端連接到所述 伸長部分的另一端，從而形成一倒[形圖案， 其中該間隙值小於2mm，以便使該寬頻帶天線能夠 在2·3 GHz到將近6 GHz的一寬頻率範圍内工作。 2·如申請專利範圍第丨項所述的寬頻帶平面天線，其 中該主體短截線被一矩形貼片圖案所代替，該貼片圖案^ 近饋電傳輸線的長邊向外漸縮，且所述貼片圖案的最短 連接到該伸長部分。 3·如申請專利範圍第2項所述的寬頻帶平面天線，其 中該阻抗匹配調節圖案為一短的短截線。 /、 4·如申請專利範圍第1項所述的寬頻帶平面天線，其 中所述寬頻帶平面天線的總路徑長度等於λ/4，其中入從 該寬頻率範圍的最低頻率到其最高頻率不等。 5·如申請專利範圍第i項所述的寬頻帶平面天線，其 中所述伸長部分的長度從 7.5 mm 到 9.5 mm 不等。 6·如申請專利範圍第2項所述的寬頻帶平面天線，其 中所述伸長部分的長度從 7.5 mm 到 9·5 mm 不等。 7·如申请專利範圍第1項所述的寬頻帶平面天線，其 18 * 1296451 17017twfl.doc/d 96-12-28 中所ί ίΐ域線的長度從Π.5咖賴.5麵不等。 中所圍第2項所述的寬頻帶平面天線，其 斤=體短截線的長度從u 5職到^5麵不等。 天線，.其一成於一電路板的一側表面上的寬頻帶平面 上的形成於所述電路板的另一侧表面 周邊邊緣大體平行，且其—端連接到-

   〗線’/、中該伸長部分與該接地圖案的該周邊邊緣 之間有一間隙； 豕 具都Γ主體域線，其—端開口，且其另—端連接到該伸 長部分的另一端；以及 外 一阻抗匹配調節圖案，用於調節該寬頻帶平面天線以 及該饋電傳輸m的阻抗匹配，其—端經由—通孔短路 連接到該接地圖案，且其另—端連制該伸長部分與 電傳輸線之間的一接合點， 、

   其中該間隙值小於2mm，以便使該寬頻帶天線能夠 在2.3 GHz到將近6GHz的一寬頻率範圍内工作。 10·如申請專利範圍第9項所述的寬頻帶平面天線， 其中=主體短戴線被一矩形貼片圖案所代替，該矩形貼片 圖，靠近饋電傳輸線的長邊向外漸縮，且該矩形貼片圖案 的彔短邊連接到該伸長部分。 、 11·如申請專利範圍第9項所述的寬頻帶平面天線， 其中取決於調節該寬頻帶平面天線和該饋電傳輸線之間的 阻抗匹配之需要，該阻抗匹配調節圖案的寬度等於或不等 於該伸長部分的寬度。 •1296451 17017twfl.doc/d 96-12-28 12·如申請專利範圍第1〇項所述 ί的ΐίΞΐίϊί該寬頻帶平面天線和該饋電傳輸線之 線，It申請專利範圍第11項所述的寬頻帶平面天 "中該阻k匹配調節圖案是—短的短截線。

   二·如申請專利範圍第12項所述的寬頻帶平面天 、、、，”中該阻抗匹配調節圖案是一短的短截線。 复中=15命如申請專利範圍第9項所述的寬頻帶平面天線， 二命該見頻帶平面天線的總路徑長度等於λ/4·，其中λ從 頻率範圍的最低頻率到其最高頻率不等。 发j6·如申請專利範圍第9項所述的寬頻帶平面天線， ，、中該伸長部分的長度從7.5 mm到9.5 mm不等。

   1入如申晴專利範圍第10項所述的寬頻帶平面天 線其中該伸長部分的長度從7·5 nun到9·5 mm不等。 農=18·如申請專利範圍第9項所述的覓頻帶平面天線， ，、中該主體短截線的長度從u 5mm到M.5mm不等。 19·如申請專利範圍第1〇項所述的寬頻帶平面天 線’其中該主體短截線的長度從ll 5mm到14.5 nun不等。 20