TWI339458B - Dual band antenna - Google Patents

Description

0801-CM-07-002 25151twf.doc/n 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種雙頻天線，且特別是有關於一種 適用於工業、科學與醫學（Industrial，Scientific and medical, ISM)頻段以及數位電視(Digital TV, DTV)頻段的雙頻天 線。 【先前技術】 經由多年的研究與發展，DTV已經發展成手持裝置， 電腦或筆記型電腦也可經由適當的接收介面來接收DTV 的信號。就通訊產品而言，其設計上重要的關鍵即為天線 的設計，因為天線設計品質的良好與否將影響通訊的品 質。舉例來說’天線包含非内藏式與内藏式兩種。非内藏 式之天線包含單極天線（monopole antenna)、偶極天線 (dipole antenna)及螺旋型天線（helix antenna)等，而内藏 式之天線包含平面倒F型天線（Planar Inverted F Antenna, PIFA)及微帶型天線（microstrip antenna)。 由於目前使用者對於無線傳輸、通訊等需求相當多樣 化’因此電子裝置通常需要支援多種不同的無線傳輸介面 與傳輸頻段。當電子裝置需整合多種頻段的信號時，例如 2.4GHz至2.4835GHz的ISM頻段以及上述的DTV頻段(如 469MHz至882MHz ’各國所規定的頻段不同），最常見的 解決方案是設置不同的天線來負責接收不同頻段的信號。 由於手持電子裝置講求輕薄’因此設置多組天線不僅增加 1339458 0801-CM-07-002 25151twf.doc/n 電子裝置成本’更會增加電子裝置的體積，並不利電子裝 置的設計。 【發明内容】 本發明提供-種雙頻天線，利用微帶線(micr〇stdp㈣ 結構與在其背面設置相對應的帶狀偶極，使雙頻天線可適 用於ISM頻段與DTV頻段。 ' 承上述，本發明提出-種雙頻天線，包括信號線、搞 合區塊、接地部以及至少一帶狀懸浮金屬偶極。其_信號 線與柄合d塊設置於-基板的上表面，且信躲與搞合區 塊的連接處具有一内嵌饋入結構(inset feed)，上述帶狀懸浮 金屬(floating strip)則δχ置於基板的下表面，並對應於内後饋 入結構與接地部的設置位置。 在本發明一實施例中，上述帶狀懸浮金屬與該接地部 之間具有一佈局間距。 在本發明一實施例中，上述耦合區塊具有左右對稱之 Λ形結構，信號線與耦合區塊的連接處位於耦合區塊的中 央部分。 在本發明一實施例中，上述内嵌饋入結構具有第一凹 槽與第二凹槽，分別設置於信號線的兩側。 在本發明一實施例中，上述耦合區塊包括倒三角形、 V形或矩形，而上述帶狀懸浮金屬為矩形。 在本發明一實施例中，上述耦合區塊在該基板下表面 的正向投影與接地部之間具有一耦合縫隙，耦合縫隙對應 6 1339458 0801-CM-07-002 25151twf.doc/n 於耦合區塊的佈局圖樣。 在本發明一實施例中’上述基板為玻璃纖維（fR4)材 質之電路板。 在本發明一實施例中，上述雙頻天線具有雙操作頻 段’分別為DTV頻段與ISM頻段。 本發明利用微帶線結構與在其背面設置相對應的帶 狀懸浮金屬，使本發明之天線具有雙頻帶，並且藉由調 整帶狀懸浮金屬的佈局結構尺寸與大小調整天線在ISM 頻4又周圍的共振點（resonant frequency)及其頻寬 (bandwidth)。由於本發明之雙頻天線可支援DTV頻段與常 用之ISM頻段，因此極具商業應用價值，可直接應用於手 持電子裝置或一般多頻段之通訊裝置。 為讓本發明之上述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，作詳細說明如下。 【實施方式】 第一實施例 圖1為根據本發明第一實施例之雙頻天線結構示意 圖。如圖1所示，雙頻天線1〇〇包括信號線11()、耦合區 塊120、接地部150以及帶狀懸浮金屬160，其中耗合區塊 120與“號線11 〇的連接處具有内嵌饋入結構（⑹技 feeding)130。信號線11〇與耦合區塊12〇(以實線表示)設置 於基板(未繪示）的上表面，而接地部15〇與帶狀懸浮金屬 160(以虛線表示）則設置於基板的下表面。 7 080 l-CM-07-002 2515 ltwf.doc/n 本實施例之基板則例如為F R4材質之雙面印刷電路板 (printed circuit board，PCB)，本實施例之雙頻天線1〇〇結構 則形成於雙面印刷電路板的上下表面。本實施例之雙頻天 線100具有兩個操作頻段，分別為DTV頻段以及ISM頻 段’經由本實施例之雙頻天線100，通訊裝置不需配置多 組天線即可同時收發兩個頻段之無線信號。 耦合區塊120為左右對稱之λ形結構，信號線11〇與 耦合區塊120的連接處位於耦合區塊120的中央部分。内 嵌饋入結構130具有第一凹槽132與第二凹槽134，分別 設置於信號線110的兩側’使信號線110與耦合區塊12〇 的連接處形成内凹的饋入結構。帶狀懸浮金屬160設置在 基板的下表面並對應於内嵌饋入結構130的設置位置，且 不連接至接地部150。耦合區塊120在基板下表面的正向 才又影會與接地部150之間形成一搞合縫隙（C0Upiing gap)140，此耦合縫隙140對應於耦合區塊12〇的佈局圖 樣。如圖1所示，耦合區塊120的下方為一Λ形結構，因 此接地部150的上方也會形成一 Λ形結構以對應耦合區塊 120。 在本實施例中，基板上表面的結構視為信號面，包括 t號線110與搞合區塊120 ;基板下表面的結構則視為接 地面，包括接地部150與帶狀懸浮金屬160。請同時參照圖 2Α與圖2Β，圖2Α為根據本發明第一實施例之雙頻天線 之信號面結構圖。圖2Β為根據本發明第一實施例之雙頻 天線之接地面結構圖。圖2Α中分別以參數w、L、FL、H、 0801-CM-07-002 25151twf.doc/i P、T、S來表示信號線ho與耦合區塊12〇在佈局時的結 構尺寸’圖2B中則分別以參數gl、GH、GW、DL、DW、 DY表示接地部150與帶狀懸浮金屬160在佈局時的結構尺 寸’參數DY更用於表示帶狀懸浮金屬與接地部I% 之間的佈局間距。在本實施例中，參數DW、DL、DY可 為變數，主要用以調整雙頻天線在ISM頻段的頻率響應， 其餘尺寸彳示號的數值則請參照下表1，表1為根據本發明 第一實施例之佈局參數裊〇 參數 W L GL GH GW FL Η Ρ Τ S 長度 74 42 161.5 175 74 185 216 15 2 2.5 (mm) 表1 其中參數P、T會決定第一凹槽132、第二凹槽134 的凹槽大小，藉由調整參數ρ、τ可調整雙頻天線100在 DTV頻段(469MHz至882MHz)範圍内的共振頻率與頻 寬。而參數DL、DW與DY主要用來表示帶狀懸浮金屬⑽ 的佈局結構，在本實施例中，可藉由參數DW、D]l、dy 來調整雙頻天線100在ISM頻段中的共振頻率與頻寬。在 本實施例中，以參數DW為3mm為例，然後分別調整參 數DL、DY的數值並模擬如圖3A與圖3B所示。圖為 根據本發明第一實施例之雙頻天線之參數DL與其反射係 數(reflection coefficient)之頻率響應模擬圖。圖 本發明第-實施例之雙頻天線之參數DY與二= 頻率響應換擬圖。此外’值得一提的是，除參數Dw、DL、 1339458 0801-CM-07-002 25151twf.doc/n DY外，本實施例之雙頻天線的結構尺寸可參考上表1所 示，但本發明並不受限上表1之參數值。 請參照圖3A，其縱軸為反射係數sil(refection coefficient)，橫軸為頻率(GHz) ’圖3A包括參數DL為 47.2mm、57.2mm、67.2mm以及不設置帶狀懸浮金屬160

等4種模擬條件之反射係數si 1的頻率響應模擬圖。由圖 3A可知，調整參數DL主要影響在ISM頻段範圍内的共 振頻率，參數DL越大，其共振頻率有朝向低頻移動的趨 勢，且其反射係數sn越大，相對應的回波損耗(return loss)(即反射係數纟巴對值的倒數)也越小。在本實施例中， 當參數DL為47.2rmn時，其共振頻率約為2 6GHz，此時 相對應的反射係數SI 1也最低，約_23dB。當雙頻天線1〇〇 未設置帶狀懸浮金屬160時’在ISM頻段内之共振頻率則 消失，由此可知帶㈣浮金屬⑽的設置是使雙頻天線1〇〇 產生ISM頻段之共振頻率的主要技術手段之一。此外，由

圖3A亦可明顯看到調整參數沉對較低頻之㈣頻段内 之共振頻率並無顯著影響，所以不會影響雙頻天線削在 DTV頻段内頻率響應特性。 明參…、圖3B，其縱轴為反射係數SI l(refection =ff1C副）’橫轴為頻率(GHz)，圖犯包括參數阶為 mm、15議、25_、3〇mm等4種模擬 的頻率響應模擬圖。由圖3B可知，當帶狀縣浮：6數〇 治、接地部150之__越遠(參數ϋγ越大)時，雜頻天 在购_頻寬則越小，當參數DY^5mm 1339458 080J-CM-07-002 25!51twfdoc/n 或30mm時，雙頻天線100在ISM頻段内可操作之頻寬則 幾乎消失。當參數DY等於6mm時，其在isM頻段内可 • 操作之頻寬則加大。因此，藉由調整帶狀懸浮金屬160與 . ' 接地部150之間的距離可調整雙頻天線1〇〇在頻段内 之頻寬。同樣的，帶狀懸浮金屬160設置位置的改變並不 會對雙頻天線】〇〇在DTV頻段的共振頻率或頻率響應特 性造成太大影響。 φ 由圖3A與圖3B可知，針對不同的設計需求，可經由 調整帶狀懸浮金屬160的佈局結構尺寸與其設置位置來改 交雙頻天線100在ISM頻段的共振頻率與頻寬。然而，帶 狀懸浮金屬160的設置位置須對應於内嵌饋入結構丨與 接地部150的設置位置，當帶狀懸浮金屬16〇過於遠離接 地部150(同時也會遠離嵌饋入結構13〇)時，便會改變整體 雙頻天線100在ISM頻段的頻率響應特性。 在實際量測中，本實施例分別設定參數DL為 67.2mm、參數DW等於3mm以及參數DY等於6 72mm， 基板材質為FR4 ’厚度為1.6腿，介電常數①挪剛⑺為* * ’其餘的天線結構參數請參照上表丨所示。在無線網路 (WLAN)頻段，上述雙頻天線所量測到的1〇dB頻寬為 2.36GHz〜2.55GHz。在低頻段’模擬1〇犯回波損耗的頻寬為 467·3ΜΗΖ=66·2ΜΗΖ ’此頻段可涵蓋所有國家的DTV頻段。 在本貝施例中，雙頻天線100在兩個操作頻段頻 段與ISM頻段)的極化方向皆為y方向(極化方向請參照圖1), 且就上述兩個操作頻段而言，天線1GQ之騎場型是與半波長 1339458 0301-CM-07-002 25151twf.doc/n 雙偶極(half wave length dipole)天線的場型類似，亦即各頻段在 xz平面均具有全方向性(omni-directional pattern)之場型，以及 在平面均具有接近八字形之場型(figure of eight pattern)。 圖4為根據本發明第一實施例之雙頻天線之立體結構 示意圖。實線表示的信號線110、耦合區塊12〇位於基板 的上表面’而虛線表示的接地部150以及帶狀懸浮金屬16〇 則位於基板的下表面。關於基板的上下表面僅為表示雙面 印刷電路板的兩側’本實施例之雙頻天線1〇〇的結構方向 並不文限於上述上、下表面之表示方式，反之亦可。本技 術領域具有通常知識者經由圖4與上述實施例之說明應能 輕易推知本實施例之其餘實施細節，在此不加累述。 第二實施例 在本發明中，辆合區塊與接地部並不受限於第一實施 例中之Λ形結構圖樣。請參照圖5，圖5為根據本發明第 一貝施例之雙頻天線多種結構示意圖。圖5(a)、圖5(b)、 圖5(c)分別繪示倒三角形'v形以及矩形等三種轉合區塊 520、521、522的結構示意圖。而接地部wo、551、552 則分別對應搞合區塊520、521、522的結構形狀，並分別 形成兩者之間的耦合縫隙54〇、54卜542。值得注音的是， 帶狀懸浮金屬56G、561 ' 562 f配合接地部55()、&、说 的形狀調整外型，以避免與接地部55G、55卜552形成短 路。 在、上，圖5(a)、圖5(b)、圖5(e)與上述第一實施 例樣力別以虛線表不位於基板下表面之帶狀懸浮金屬 12 1339458 0801-CM-07-002 25151twf.d〇c/n 560、56卜562與接地部550、55卜552 ;以實線表示位於 基板上表面之信號線51〇、51卜512與耦合區塊520、521、 522。其餘結構的設計細節請參照上述第一實施例之說明， 在本技術領域具有通常知識者，經由本發明之揭露應可輕 易推知，在此不加累述。 第三實施例 在本實施例中’可根據設計需求設置多個帶狀懸浮金 屬’如圖6所示’圖6為根據本發明第三實施例之雙頻天 線多種結構示意圖。圖6 (a)、圖6(b)、圖6(c)、圖6(d) 與上述圖5(a)、圖5(b)、圖5 (c)以及圖1的主要差異在於 设置了第二個帶狀懸浮金屬660、661、662、663。經由調 整帶狀懸浮金屬660、661、662、663的設置位置與其結構 尺寸同樣可調整本實施例之雙頻天線在IS Μ頻段之共振頻 率與頻寬。關於圖6之其餘天線結構設計細節請參照上述 第一實施例與第二實施例之說明，在此不加累述。 綜合上述，本發明之雙頻天線結構適用於DTV與ISM雙 頻段的共面天線，在DTV頻段，上述實施例應用内嵌饋入方 法來增加頻寬。當具有帶狀懸浮金屬時，電流密度沿著内嵌區 域之部分與不含此浮懸金屬之天線比較，會有較大之不同，而前 者引導之的電流會激發產生第二較高頻之操作頻率。由實驗顯 不，此第二操作頻率之極化方向係在y而非χ方向，故增加本案 之此帶狀懸浮金屬主要功能為激發原本只有DTV操作頻率原 天線結構的高階諧波，此與藉耦合方式激發寄生結構(如本案 之帶狀懸浮金屬)並由寄生結構本身產生輻射之作法並不相同, 13 0801-CM-07-002 2515)twf.d〇c/n 實驗證明此魏不射在DTV倾，也可財_頻段有效 輻射。另-方面’無線射頻賴（RFIDtag)的主要應用頻段為 430MH讀2,45GHz ’本發明之雙頻天線亦可應用於咖^的 天線。藉由本發明之雙頻天線可有效解決㈣段的信號收發問 題，以單-天線取代兩個頻段的天線，進而達到天線整合、降 低设計複雜度以及製造成本等功效。 十雖然本發明已以較佳實施例揭露如上’然其並非用以 限定本發明，任何所屬技術钱巾具有通常知識者，在不 脫離本發明之精神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾， 因此本發明之保護範gj當視_之巾請專利範目所界定者 為準。 【圖式簡單說明】 圖1為根據本發明第一實施例之雙頻天線結構示竟 圖。 圖2A為根據本發明第一實施例之雙頻天線之信號面 結構圖。 圖2B為根據本發明第一實施例之雙頻天線之接地面 結構圖。 圖3A為根據本發明第一實施例之雙頻天線之參數〇乙 與其反射係數之頻率響應模擬圖。 圖3 B為根據本發明第一實施例之雙頻天線之參數D γ 與其反射係數之頻率響應模擬圖。 圖4為根據本發明第一實施例之雙頻天線之立體結構 1339458 0801-CM-07-002 25151twf.doc/n 示意圖。 圖5為根據本發明第二實施例之雙頻天線多種結構示 意圖。 圖6為根據本發明第三實施例之雙頻天線多種結構示 意圖。 【主要元件符號說明】 100 :雙頻天線 110、510、511、512 :信號線 120、520、521、522 :耦合區塊 130 :内嵌饋入結構 140、540、541、542 :耦合缝隙 150、550、551、552 :接地部 160、560、561、562 :帶狀懸浮金屬 660、661、662、663 :帶狀懸浮金屬 132 :第一凹槽 134 :第二凹槽 X、y、z :極化方向 W、L、FL、Η、P、T、GL、S :參數 GH、GW、DL、DW、DY :參數 15

Claims (1)

1339458 0801-CM-07-002 25151twf.doc/n 狀偶極為一矩形。 8. 如申請專利範圍第1項所述之雙頻天線，其中該基 板為玻璃纖維材質之印刷電路板。 9. 如申請專利範圍第1項所述之雙頻天線，其中該雙 頻天線具有一第一操作頻段與一第二操作頻段，該第一操 作頻段位於數位電視頻段，該第二操作頻段位於工業、科 學與醫學頻段。

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