TWI338411B - Independently tunable multiband meanderline loaded antenna - Google Patents

Description

1338411 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關經由天線去接收或傳送射頻信號，尤指一種在多頻 帶運作的天線。 5 【先前技術】 一般而言天線的性能是取決於大小，形狀及組成天線 元件的原料合成物，和介於某種天線實體特徵（如：線形天 線的長度及環形天線的直徑）間以及經由天線接收或傳送 1〇 的信號波長。這些關係決定幾個天線操作特徵，包含輸入 阻抗’增益’方向性’信號偏振及轄射場型。以一個可操 作天線而言’最小實體天線的尺寸（或關於可用電力有效最 小尺寸）必須依序在操作頻率的四分之一波長（或關於多頻 帶），因此，有效地限制阻抗損失所造成的能量消耗及將能 15量傳送或接收最大化。四分之一波長及二分之一波長的天 線是最常被使用的。 因無線網路通訊裝置及系統訊速的成長，造成在具有寬 頻或多頻寬操作的能力或多重模組的操作（如：可選擇的輻 射杈式或信號偏振）方面，對於體積小，不顯眼及更有效的 20天線有大量的需求，最新式的小型套裝通訊裝置，如：手 機’不能提供給傳統式四分之一或二分之一波長天線元件 足夠的空間。因此，實體小的天線操作 及使用其他希望得到的天線特性（輸入阻抗，J = 信號偏振等）是特別受歡迎的。 1338411 在w些已知的技術中，實體天線的大小及增益具有直接 的關係，至少和單一元件的天線有關，根據此關係= (陶二2 + 2pR’得知R為包含天線球體的半徑及β為傳播因 子。當使用者持續對小型體天線有需求，因此需要一大型 5天線來增加增益。如進一步限制，為了系統設計精簡化和 力求最低成本，設備設計者及系統操作者較喜歡使用可有 效在多頻或寬頻操作且允許通訊裝置經由各種無線網服務 傳达在不用頻寬或寬頻網路上的天線操作。最後，增益被 限制在在天線操作頻率及有效天線長度（以波長表示）間的 10已知關係。即天線增益為—所有獨特結構的四分之一波長 天線常數，如：在此操作頻率當中，有效天線長度是操作 頻率的四分之一波長。 現在最常被普遍應用的天線為二分之一波長雙極天 線，輻射場型為一類似環狀物天線且大部份在方位角的能 15量傳播具有一致性及在仰角低輻射。對某些通訊裝置而言 重要的頻寬為1710至1990MHz及2110至2200MHz。二 分之一波長雙極天線大概在BoomHz為3.11英吋長，在 1710MHz為3.45英吋及在2200MHz為2.68英吋。此典型 增益大約為2.15dBi。 2〇 放置於接地面上的四分之一波長單極天線其源自於一 二分之一波長雙極天線》實體天線長為四分之一波長，但 經由接地此天線效率相似於一二分之一波長雙極天線。因 此，單極輻射場型天線在接地上類似二分之一波長雙極天 線且典型的增益大慨為2dBi。 7 八奴閒置空間（如：不含择地）迴圈天線（具有直徑約為三 T之—波長）同樣地沿著放射狀核心、顯示類似環狀物輻射 ^型天線，此增益約為3, ldBi。在1900MHz，有一直徑2 '寸的天線此種迴圈天線提供一較佳的匹配特性為輸入 5阻抗是50 ohms。 “著名的接線天線提供定向約4 7dBi的半球狀增益覆 =^而與四分之—或二分之一波長天線做些微比較，可 付知接線天線相對擁有較窄的頻寬。 假設有助於四分之一及二分之一波長天線的性能，傳 0 先的天線-般的構造為天線的長度必須在傳播頻率為四分 之一波長的規定下及此天線在接地上運作。在限制阻抗損 失的把里消耗及傳送能量最大化的這些範圍下，允許此天 、.良谷易的在共振頻率下激發及操作。但是，當操作頻率 上升或降低時，操作波長及天線元件尺寸也成比例的上升 15或降低。因此，當此構造實體尺寸不等於有效用電的尺寸， 天線設計者需轉向所謂的慢性波形構造應用。回想之前的 纣响上彳于知，有效的天線尺寸必須在傳播頻率為二分之— 波長（或四分之一波長在接地上）以達到有利的傳播及低 性能指失。大體而言，-慢性波形構造是定義在移動波的 20相速率較低於空間光通信速率。此波形速率是波長，頻率 及考慮到物質介電係數及滲透率的結果，如： c/((Sqrt(er)Sqrt(Mr)) = λί·。當頻率經由一慢性波形架構傳送 且持續無變化時，假如波形傳送較慢（如：狀態速率較低時） 於光的速度時，此架構的波長是低於空間通信的波長。因 此舉例來說，一個二分之一慢波波長架構比在光速度傳 送下的二分之一波長架.構短。此慢波架構隔離在實體長度 與共振頻率及波長間慣用的關係。此種慢波架構可被用來 做為天線元件或天線傳播架構。當一慢波架構傳播的相速 5度低於空間光通信速率，這些架構有效的電子長度大於波 形在光速中傳送的電子長度。造成對應慢波架構的共振頻 率相對的增加。因此，假如兩架構同時運作在共振頻率， 如：如一雙極半波，於是慢波架構的傳送將完全地小於在 光速t傳送的波形架構。 10 【發明内容】 在此實施例中，對裝配連結於接地面以區隔關係的天 線，係包含用於傳送及接收射頻能量。此天線包含一用一 或多邊做界定的一螺旋狀上層板。一短路元件（在包含一曲 15直導體的較佳實施例中）從上層板往接地面方面延伸，係用 以連接該上層板至接地面。一側壁從一上層板邊緣往接地 面方向延伸。 【較佳具體實施例之詳細說明】 在詳細描述此發明之個別天線裝置前，需先注意存在 20 =此發明中新奇且不明顯的元件組合。因此，在圖示上用 常見的元件來表示此發明之元件，為了不模糊公開此發明 的結構細節，僅僅顯示和此發明有關的細節，以求容易 地在此說明令看出此發明技術明顯的好處。 此發明的天線包含-具有一個或多重曲直架構連結成 25的緊密螺旋狀發射天線，因此，假如此天線之最佳運作體 9 1338411 積較小於接地面上的四分之一波形架構。此天線可㈣地 經句在空白金屬板上所，標示的必須尺寸來構成，在特定區 域標示尺寸及在適當的位置附加曲直區段是必須的。小形 天線的體積考慮到在手機通訊設備上的裝置及更優質的應 5用空間。在另一實施例，此發明天線必須經由圖案結構及 蝕刻配置在一非傳導性基板之傳導板上所構成。 -有關本創作天線10之一較佳實施例，請先參照第一圖所 示’天線10是由一傳導性較差的原料所構成（如：銅）及包 含一具有内^累旋區間12及—外部螺旋區間13的上層板$ ίο u。上層板11包含一片傳導性材質，且此材質從靠近二從· 此傳導性材質片的中心延伸至邊緣的區域移動。在此實施 例中，此材質從上層板n的一螺旋孔中移出。 天線10配置在一非傳導性基板14上，包含一接地16且此 天線從非傳導性基板14的邊緣18延伸至界限20上。因此， 15接地16並沒完全擴張在天線1〇之下。此特徵呈現在介於上 層板11與非傳導性基板丨之間的電容，且因此電線1〇的操作 特性將會逐漸下降。在此實施例中，上層板丨丨和非傳導性籲 基板14的距離大約是5mm。降低此距離改變了天線丨〇的共振鲁 特性。 八 20 天線10更進一步包含一曲直元件22係依附在非傳導性 基板14上之介於界限2〇與邊緣24間之區間23。此曲線元件 22並非利用電力與區域23連在一起，但卻可提供天線1〇在 機械方面的支援。 一訊號的饋給或接收是從天線10經由一饋線軌跡 10 1338411 〇(在非傳導性基板14上所型成）及一天線饋給32所構 成一般而言，一饋送連結器（無顯示於圖丨）實際上是屬於 在範圍33的非傳導性基板，在饋送連結器上包含一饋送插 梢以用於電力連結饋線軌跡3〇，及接地插梢用於連結接地 5面丨6。圖1的實施例中缺少特定的曲直區間的說明及描述。 圖2及圖3分別為天線10實施例的俯視圖及前視圖， έ曲直元件22及40(後者無顯示於圖1)。曲直元件4〇 以電力方式連接於上層板丨丨的範圍4丨及接地面16之間。 圖示3之最佳說明為，此曲直元件22包含由一垂直區間· 10 43及一扶手44且擴充至配置於實質連結非傳導性基板的 範圍23上；此扶手並非以電力方式連結於接地面^上。 曲直7G件40為一呈現於圖4且具代表性的結構說明， 沿著圖2的平面4-4取出。如概要性的指出，此曲直元件 40的尾端42為接地。在此實施例，距離„d”大約為1英吋。 5 相等地天線10電力電路呈現於圖5。一電容器50代 表介於外部螺旋區間13及接地面16間的電流容量，一電 今器52代表介於内部螺旋區間12及接地面16間的電流容籲 里。電谷器50及52都被介於上層板丨丨及接地面丨6間的籲 垂直距離所影響。同樣地’邊界2〇(如圖〇是以天線邊緣 20 18(或24)的電容器50及52的改變值而做調整。因此，_ 衫響知·些電容器的技術及此天線的一般特性係用來調整介 於邊界20及邊緣18(或邊綠24)間的距離。 一電容器54分別標示介於内部螺旋區間丨2及外部螺旋 區間13間的電流容量，一符號％表示曲直元件4〇於接地 11 Ϊ路A =號58表示曲直元件22並非連接至接地而卻是 =2:路。概括來說，這些元件在圖”所示，天 線饋，··。32的右方元件為影響低頻頻帶性能及天線馈給32 的右方元件為影響高頻頻帶性能。 在此實％例中，天線丨〇操作的共振運用在大約 _-960MHz(低步貝帶）的手機頻帶及在大約 1.7HM.99GGHZ(高頻帶）的個人通訊系統頻帶間。輪射場型 天線在低頻帶時是全方向性的（類似圓環狀）及在高頻帶最 10

主，的變化為能量主要為正向傳播方式。高頻帶頻率的譜 調疋依曲直兀彳40的實體特性做調整，例如關於長度方 面王球疋位系統頻帶在此頻帶中達到共鳴頻率】5αΗζ。 曲直元件22的外形及尺寸的改變也多變地影響著含操作 頻率天線1G性能特性的改變。在此實施例中天線i 〇的大 15 概尺寸為長度大約〇.4英吋及寬度約為〇 4英吋。 在圖6中，天線7〇的俯視圖呈現出在三種頻帶中的共 振條件，一般來說，天線如同圖1所描述之天線10包

含一内部螺旋區間12及外部螺旋區間13。然而，當天線 7〇與天線10做一相比時，天線7〇更進一步附加及修改曲 折元件。 圖7為天線70之前視圖’天線7〇包含曲直元件40及 天線饋給32且在本質上的運作如同以上所述連接於天線 ⑺之相同方法，此外天線1〇更包含一曲直元件71，且以 電力方式連結於區間72及73。區間72從上層板11開始 延伸及區間73則配置或靠近於非傳導性基板14上，但並 12 1338411 沒有連結至接地。 圖8為曲直&件71具代表性且進—步描述的圖，由圖 植道卜8面所取出’如圖所示’此曲直元件71是配置在非 專導性基板14上，但並非連結至接地16。在此實施例， 5此距離”dd”為〇·3英吋。 天線70進一步包含一曲直元件74,此元件由一垂直區 間75及一扶手76所組成。在操作方面，天線兀提出一丘 ，條件’行動電話通訊頻寬為82㈣綱Hz，全球定㈣ 統為1.5GHZ^線本地區域網路通訊為2 5GHz。 ’、· 10概括來說，根據本發明的論點’圖1中的天線可經由增· 加曲直7L件及/或調整所述之曲折元件長度來調整操作於 各種不同的頻率，且額外的操作頻帶可經由增加曲直元作 來產生。在一頻帶調整其特定曲直元件的操作是不會影響 到其匕頻帶的操作。因此，此天線提供個別可調整的運作 15頻帶。在過去的技術中，只要改變一天線的實體特徵或尺 寸大小就會影響到此天線的所有共振頻率，在此發明的天 線無此如此限制。同樣地，此發明天線的尺寸比率大小壽 (如.在接地面上之長度，寬度及高度）通常會影燮 Φ 振頻率。 20 天線構造被描述於提供在一或多種頻帶下操作有用 的方法’當此發明的特殊應用及例子被說明及討論時，此 發明人提供此發明多種方法的基本運用及多種天線結構。 眾多的變化可能在此發明的範圍内，本發明所限制之專利 申請範圍如下。 13 1338411 上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已 主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準 於上述實施例。 ，本發明所 ，而非僅限 10 I圖式間單說明】 圖1 ·係說明本創作之天線構造透視圊。 圖2:係說明本創作之另一天線架構實施例各別說明之俯 視圖。 圖3:係說明本創作之另一天線架構實施例各別說明之俯 視圖。 圖:··係說日林創作之摇述天線迴路元件橫截面圖。 5* 為一圖？ R 阁 .- 圖5 圖6 圖7 15 圖 為圖2及圖3天線之等效電力概要圖。 係說明本創作天線架構的第二實施例不同視圖 係說明本創作天線架構的第二實施例不同視圖 :係說明本創作天線架構的第二實施例不同視圖 【圖號說明】 天線10 外部螺旋區間13 20邊緣18 區間23 天線饋給3 2 範圍41 扶手44 25符號56 上層板11 非傳導性基板14 界限20 邊緣24 範圍33 尾端42 電容器50 符號58 内部螺旋區間12 接地面16 曲直元件22 饋線軌跡30 曲直元件40 垂直區間43 電容器52 天線70 1338411 曲直元件71 區間72 區間73 曲直元件74 垂直區間75 扶手76

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Claims (1)

1338411 j-〆 一一•一™一•一 、 第92129338號，99年9月修正頁 矜年^月修(更)正替換$ 拾、申請專利範圍： 1 . 一種連接於在接地面下方的天線，係用來傳送或接收 射頻能量’主要包括； 一螺旋狀上層板，其係以一或多個邊緣來限定界限； 5 短路元件’係從該上層板向接地面的方向延伸，以將 該上層板電性連接至該接地面；以及 一側壁’其由上層板邊緣向接地面的方向延伸； 其中，該短路元件包含一曲直導體。 2.如申請專利範圍第丨項所述之天線，其中，當天線操 10作於接地面時，則該上層板的一部份為覆在接地面上。 3 ·如申清專利範圍第2項所述之天線，其中，當該上層 板的部份區域覆在接地面上是可調整時，將會影響天線的 15 2〇 4.如申請專利範圍第2項所述之天線，其中，該上層板 的=覆在接地上且包含—從短路元件延伸而來的該上層 反弟-區域及排斥從側壁延伸而來的該上層板第二區域。 人―5.如申請專利—第1項所述之天線，其中，當接地包 覆於第傳ν性材f且配置在基板的S —區域且當側壁配置 區域。~區域時，則此傳導性材質不會出現在基板的第二 該上層板 該上層板 6·如申請專利範圍第丨項所述之 農 包令~ 4 a r 連，·Ό至外部螺旋區間的内部螺旋區間。 勺^.如_請專利_第1項所述之天線，其中 匕3 —具傳導性材質的連續性螺旋構造。 16 1338411 8·如申請專利範圍第1項所述之天線，其中，此曲直元 件含有一具有ζ字形結構的細長傳輸線。 9.如申請專利範圍第1項所述之天線，其中，此曲直元 件包含一細長的傳輸線且進一步包含第一區間及第二區 5間’此第—區間及第二區間以電力連結且絕大部份的配置 為平行於上層板。 I 〇.如申請專利範圍第9項所述架設覆蓋於接地面之天 線’其中’第—及第二區間絕大部份平行於該接地面且配 置介於該上層板和接地之間。 II ·如申清專利範圍第1項所述天線，係進一步地包含 一連結至該上層板的饋給元件。 I 2.如申凊專利範圍第1項所述包含饋給元件之天線， 其中’該上層板包含—内部螺旋區間及外部螺旋區間，且 此饋給元件配置在外部螺旋區間的終端機未端上。 15 丨3·如申請專利範圍第12項所述之天線，係覆蓋一非傳 導性基板且進一步包含一接地面及一絕緣於接地的傳導饋 、。區域’其中’此饋給區域以電力方式連結於此饋給元件。 14. 如申請專利範圍第13項所述之天線，其中，在非傳 導丨生基板上’此饋給元件包含一從上層板延伸至該傳導饋 20 給區域的傳導帶。 15. 如申請專利範圍第丨4項所述之天線，其中，該側壁 會和上層板邊緣形成—大大地直角。 16·—天線主要包括： —接地面； 17 1338411 一螺旋狀上層板， 區域覆在接地面上； 其包貪第一及第二區域 其中，第一 良、〇元件，係與上層板電性通訊； -從上層板延伸之第一曲直導體；及 -從上層板延伸之第二曲直導體。 專㈣圍第㈣所述之天線其中，該接地 w具有傳導材f配置在第―區域的之非傳導性基 板’此傳導材質不會出現於該基板的第二 二 ίο 板的第-區域大部份覆在該基板的第一區域。 θ 18广申呀專利圍第17項所述之天線，其中，該第一 曲直v體由上層板的第一區域延伸及進一步包含一 z字形 、。構的細長導體’且其第—曲直導體係從上層板連結至接 地面〇 /9.如申請專利範圍第16項所述之天線，其中，該上層 15板，進—步包含一向接地面邊緣那邊延伸的第二區域，且 5亥第二曲直導體包含—從第二區域邊緣延伸的第一傳導元 件及一從第一傳導元件所延伸的第二傳導元件。· 2〇·如申請專利範圍第1 9項所述之天線，其中，一角度 介於第-傳導元件及上層板的第二區間之間的角度约： 21.如申請專利範圍第19項所述之天線，其令，一角度 介於第一傳導元件及第二傳導元件間的角度約為9〇。。 22·—連結於區隔接地面的天線係用以傳送及接收射頻 能量’其主要包括： 18 1338411 一具有一或多邊之螺旋狀上層板，· 一側壁’係從該上層㈣緣向接地面方向延伸·及 在接地面的“作上’該上層板的第—區域配置於接地面 的相對位置，該上層板的第二區域則向接地面的邊緣延伸。 5 23.如中請專利範圍第22項所述之天線，其巾，該側壁 向接地面的邊緣延伸。 24·如申請專利範圍第23項所述之天線，其另外包含— 短路元件，該元件係用於連接該上層板至接地面。 如申叫專利！巳圍第24項所述之天線，其中，該短 10元件包含一從該上層板延伸之曲直導體。 〃 26.如中請專利範_22項所述之天線，係包含—具有 第一及第二基板區域的非傳導性基板，其中，該接地面是 配置在第-基板區域及其第—上層板區域被配置於該第— 基板區域的相對位置。 15 27‘如申請專利範圍第％項所述之天線，其側壁覆於第 二基板區域。 沒-天線連結於接地面，以傳送及接收射頻能量，发 主要包括； 〃 一螺旋狀上層板； 2〇 第曲直元件，係從該上層板往接地面方向延伸，使 該上層板與接地面能相互連接； —第二曲直元件，係從該上層板延伸·，及 « β亥上層板延伸之側壁。 29·如申請專利範圍第28項所述之天線，其中，—介於 19 1338411 6玄上層板與接地面間的距離被選定去達成對天線所期望之 性能參數。 30.如申請專利範圍第28項所述之天線，其中，當天線 為與接地面操作而安裝時，該上層板的一區域重疊於接地 5 面。 3 1 ·如申请專利範圍第3 〇項所述之天線，其中，該重疊 區域的面積是可調整以用來改進天線的性能。 32·如申請專利範圍第3 1項所述之天線，其中，該第一 曲直元件配置於該重疊區域。 1〇 3 3 ’如申凊專利範圍第2 8項所述之天線，其中，該上异 板包含一内部螺旋區間與外部螺旋區間做電力傳播。 34.如申請專利範圍第28項所述之天線，其中，該上層 板包含一具傳導性材質的連續螺旋構造。 3 5 ·如申5青專利範圍第2 8項所述之天線’其中，該第一 15曲直7件從上層板往接地面方向延伸及包括一大型L狀曲 直元件。 36. 如申請專利範圍第35項所述之天線，其中，該第二 曲直元件另外還包含一從該上層板延伸之第一區間及—從 第一區間延伸之第二區間，且其第二區間的長度小於該上 2〇層板的長度及寬度。 Λ 37. 如申請專利範圍第28項所述之天線，其中，該第一 曲直元件包含一細長型曲直傳輸線，且該元件包含一平行 於上層板之區間。 38. 如申請專利範圍第28項所述之天線’其中’該第一 20 1338411 曲直元件包含一細長傳線線且另外還包括至少二個與上層 板平行之連結區間。 39_如申請專利範圍第28項所述一架設好與接地面區間 連結關係之天線，其中，第一曲直元件包含以平行於接地 5面及平行於上層板為方向的二大平行的細長區間。 40.如申請專利範圍第28項所述之天線’其該天線另外 包含一饋給元件。 41 ·如申請專利範圍第4〇項所述之天線，其中，此饋給 元件從上層板往接地面的方向延伸’且該接地面配置在一 1〇非傳導性基板，其該非傳導性基板包含一絕緣於接地面的 傳導性饋給區域及以電力連接此鑛給元件。 42. 如申凊專利範圍第28項所述之天線，其中，該第二 曲直元件定向於該側壁與第一曲直元件之間。 43. 如申請專利範圍第28項所述之天線，其中，該側壁 匕3 '、上層板形成直角的第一區間及一連結於第一區間 的第二區間且與該第一區間形成直角配置。 44. —連結於區隔接地面的天線，係用以傳送或接收射 頻能量，主要包括； -傳導板，其内具有—插槽，其中，該傳導板板另外包 °含一或多邊及其第一或第二區域； 當天線操作於接地面時’該側壁係從該板的邊緣往接地 面的方向延伸；及 當操作於接地面時，該第一卩< ^ 弟&域配置於接地面的相對位 置而°亥第一區域往接地面的邊緣延伸。 21 1338411 45. 如申請專利範圍第44項所述之天線，其中，該惻壁 係從第二區域開始延伸，。 46. 如申請專利範圍第23項所述之天線，其該天線另包 含一從該第一區域延伸之短路元件，此短路元件係用以電 5 力連結該上層板至接地面。 47. 如申請專利範圍第45項所述之天線，其中，該插槽 定義為一螺旋狀。 22

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4 ^~1 圖2 1338411

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圖4 54

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圖7 11 / / / 72-^ 73 / / ////// /W / / λ dd §

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