TWI403022B - 小型化線狀天線 - Google Patents

Description

小型化線狀天線

本發明是有關於一種線狀天線，且特別是有關於一種小型化線狀天線。

眾所週知，無線網路(WLAN)、全球定位系統(GPS)、全球行動通信系統(GSM)已逐漸成為各種移動式裝置(portable device)的基本功能。因此，移動式裝置必須內建多根天線來接收不同頻帶的信號。當然，於移動式裝置的體積越來越小的情況之下，天線所佔的體積也要越小越好

一般來說，晶片型天線(chip antenna)為體積最小的天線，以無線網路(WLAN)用途的天線為例，晶片型天線的體積會小於2mm×5mm×1mm。但是，晶片型天線的單價高、效率也較差。

而另外一種類型為印刷電路板天線(PCB antenna)，亦即將天線直接設計於印刷電路板上。印刷電路板天線的優點為成本低，但是佔用的面積卻最大。

於印刷電路板上設計線狀天線(wire antenna)，或稱為單極天線(monopole antenna)時，其構造包括一導線與一接地面。而導線的長度為共振頻率的四分之一波長。因此，共振頻率越高則導線的長度越短；而共振頻率越低則導線的長度越長。由於導線長度過長使得線狀天線不易直接運用於移動式裝置中。

為了要將線狀天線運用於移動式裝置中，一般都是設計繞線式的導線來縮小線狀天線的面積。而繞線的方式可為轉角線(Bent line)或者蛇狀線(serpent line)。

再者，IEEE Antenna and wireless Propagation Letters,pp 11-14,2007期刊中提出一種利用二金屬層的小型化線狀天線(The Design of Miniaturized Printed Wire Antenna Using Double-Layer Periodic Metallization)；以及IEEE APS 2008期刊中提出一種無線通信中使用三層基板金屬的小型化線狀天線(A Miniaturized Printed Wire Antenna Utilizing 3D Substrate Metallization for Wireless Communication)。

上述二期刊皆是利用人造傳輸線的方式來設計線狀天線。其中，第一件期刊是採用二層的印刷電路板來設計，無線網路(WLAN)使用的天線長度約為12mm；第二件期刊是採用三層的印刷電路板來設計，無線網路(WLAN)使用的天線長度更可降至約8mm。然而，由於此二天線的共振頻率皆無法進行微調，使得此二天線於實際的應用上有困難。

本發明的目的係提出一種小型化線狀天線，此天線的結構異於習知小型化線狀天線，且其共振頻率可進行微調。

本發明提出一種利用人造傳輸線觀念設計的小型化線狀天線，包括：N個矩形金屬片，位於一印刷電路板的一第一層；一微調金屬板，位於印刷電路板的第一層；以及，N個蛇狀線，位於印刷電路板的一第二層；其中，N個蛇狀線與N個矩形金屬片的位置相互對應；每一個蛇狀線的一第一端連接至相對應的矩形金屬片，一第二端連接至下一個矩形金屬片；最後一個蛇狀線的一第一端連接至相對應的矩形金屬片，一第二端連接至微調金屬板。

為了使　貴審查委員能更進一步瞭解本發明特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

請參照第一圖A與B其所繪示為微帶線(Microstrip line)及其等效電路示意圖。微帶線為最常使用的波導結構(guided-wave structure)，而微帶線包括一薄板(thin substrate)10、一導體(conductor)20、以及一接地面(ground panel)30。而一小部份的微帶線等效電路模型(lumped-element circuit model)如第一圖B所示，為一LC元件(LC lumped-element)。其中，特徵阻抗(characteristic impedance，Z0)，波數(wave number，β)，截止頻率(cutoff frequency，fc)：

當第一圖A中的接地面30被移除時，該架構可用來設計單極天線(Monopole Antenna)或稱線狀天線(Wire Antenna)。但因線段的長度接近工作頻率的四分之一波長，因此實務上並不常見。

如第一圖C所示為人造傳輸線示意圖。亦即，當多個自行設計的LC元件串接(cascade)後，即成為一人造傳輸線(Artificial Transmission Line)。而將第一圖C中的接地層移除即可成為一小型化的線狀天線。由於LC的數值較傳統微帶線大，因此該線狀天線的長度將小於工作頻率的四分之一波長。

本發明的線狀天線是由多個矩形金屬片與蛇狀線連接而成。例如，將矩形金屬片和一蛇狀線(serpent line)連接而成並設計於二層的印刷電路板。亦即於印刷電路板的第一層設計矩形金屬片於印刷電路板的第二層可設計蛇狀線，並以導孔(via)達成矩形金屬片與蛇狀線之間的電性連接。

請參照第二圖，其所繪示為本發明的線狀天線示意圖。於印刷電路板第一層110的下方擺設一接地面時，該架構即可視為一人造傳輸線，矩形金屬片112、114即等效為一電容元件，蛇狀線122、124則等效為一電感元件。線狀天線至少包括複數個矩形金屬片112、114，複數個蛇狀線122、124，複數個導孔(via)140以及一微調金屬板130。其中，矩形金屬片112、114以及微調金屬板130位於印刷電路板的第一層110；蛇狀線122、124位於印刷電路板的第二層120，且蛇狀線122位於矩形金屬片112正上方相對應的區域126內；蛇狀線124位於矩形金屬片114正上方相對應的區域128內。再者，蛇狀線122的一端經由導孔140連接至相對應的矩形金屬片112，而蛇狀線122的另一端經由導孔140連接至下一個矩形金屬片114；而最後一個蛇狀線124的一端經由導孔140連接至相對應的矩形金屬片114，而最後一個蛇狀線124的另一端經由導孔140連接至微調金屬板130。再者，矩形金屬片112、114以及微調金屬板130皆為矩形金屬板，而研發人員可裁切部份的微調金屬板130來進行線狀天線的共振頻率調整。

第二圖之線狀天線僅以二個矩形金屬片112、114，二個蛇狀線122、124，與一微調金屬板130為例。然，本發明並不限定於蛇狀線與矩形金屬片的數目。以下介紹利用本發明的線狀天線運用於各種頻率時的範例。

請參照第三圖A～D，其所繪示為運用於WLAN的單頻天線(single band WLAN antenna)示意圖。由第三圖A可知，印刷電路板的第一層210上有三個矩形金屬片212、214、216以及一微調金屬板230，位於mx×my=10mm×10mm的淨空區(metal free region)；矩形金屬片212、214、216寬度(w1)為3.0mm，長度為(w+g)3.2mm與(w)1.2mm；間隔為(2s)0.4mm；微調金屬板230寬度(w1)為3.0mm，長度為(L2)2.0mm。

由第三圖B可知，印刷電路板的第二層220上有三個蛇狀線222、224、226，位於mx×my=10mm×10mm的淨空區內，而淨空區之外則為接地面250。再者，蛇狀線222、224、226位於矩形金屬片212、214、216正上方相對應的區域內；而蛇狀線222、224、226二端皆有導孔240用以連接至相對應的矩形金屬片212、214、216或者；微調金屬板230。再者，蛇狀線222、224、226的線寬為(s)0.2mm。而第三圖C為完成的WLAN的單頻天線示意圖。

為了要使得線狀天線可操作在正確的頻率上，研發人員可將部份的微調金屬板230裁切用以調整線狀天線的頻率。因此，如第三圖D所示為WLAN的單頻天線反射係數示意圖。其中，虛線代表尚未進行頻率調整時的反射係數曲線；而實線則代表經過調整後的反射係數曲線。

再者，第三圖C的WLAN的單頻天線於頻率2.4GHz時，效率(efficiency)為74.8%；於頻率2.45GHz時，效率為77.1%，天線增益(antenna gain)為3.05dBi；於頻率2.5GHz時，效率為74.9%。

請參照第四圖A～D，其所繪示為運用於GPS的天線(GPS antenna)示意圖。由第四圖A可知，印刷電路板的第一層上有七個矩形金屬片312、313、314、315、316、317、318以及一微調金屬板330，位於mx×my=10mm×15mm的淨空區；矩形金屬片312、313、314、315、316、317、318寬度(w1)為3.0mm，長度為(w)1.2mm；間隔為(2s)0.4mm；微調金屬板330寬度(w1)為3.0mm，長度為(L2)2.0mm。

由第四圖B可知，印刷電路板的第二層上有七個蛇狀線322、323、324、325、326、327、328，位於mx×my=10mm×15mm的淨空區內，而淨空區之外則為接地面。再者，蛇狀線322、323、324、325、326、327、328位於矩形金屬片312、313、314、315、316、317、318正上方相對應的區域內；而蛇狀線322、323、324、325、326、327、328二端皆有導孔340用以連接至相對應的矩形金屬片312、313、314、315、316、317、318或者；微調金屬板330。再者，蛇狀線322、323、324、325、326、327、328的線寬為(s)0.2mm。而第四圖C為完成的GPS天線示意圖。

為了要使得線狀天線可操作在正確的頻率上，研發人員可將部份的微調金屬板330裁切用以調整線狀天線的頻率。因此，如第四圖D所示為GPS天線反射係數示意圖。其中，虛線代表尚未進行頻率調整時的反射係數曲線；而實線則代表經過調整後的反射係數曲線。

再者，第四圖C的GPS天線於頻率1570MHz時，效率(efficiency)為50.1%，天線增益(antenna gain)為1.75dBi。

請參照第五圖A～D，其所繪示為運用於WLAN的雙頻天線(Dual band WLAN antenna)示意圖。由第五圖A可知，印刷電路板的第一層510上有三個矩形金屬片512、514、516、一微調金屬板530，以及一高頻線狀天線560，位於mx×my=10mm×10mm的淨空區(metal free region)；矩形金屬片512、514、516寬度(w1)為3.0mm，長度為(w+g)2.2mm與(w)1.2mm；間隔為(2s)0.4mm；微調金屬板530寬度(w1)為3.0mm，長度為(L2)1.0mm。再者，高頻線狀天線560寬度(wh)為1.0mm，長度(Lh)為7mm。

由第五圖B可知，印刷電路板的第二層520上有三個蛇狀線522、524、526，位於mx×my=10mm×10mm的淨空區內，而淨空區之外則為接地面550。再者，蛇狀線522、524、526位於矩形金屬片512、514、516正上方相對應的區域內；而蛇狀線522、524、526二端皆有導孔540用以連接至相對應的矩形金屬片512、514、516或者；微調金屬板530。再者，蛇狀線522、524、526的線寬為(s)0.2mm。而第五圖C為完成的WLAN的雙頻天線示意圖。

為了要使得線狀天線可操作在正確的頻率上，研發人員可將部份的微調金屬板530裁切用以調整線狀天線的頻率。因此，如第五圖D所示為WLAN的雙頻天線反射係數示意圖。其中，虛線代表尚未進行頻率調整時的反射係數曲線；而實線則代表經過調整後的反射係數曲線。

再者，第五圖C的WLAN的雙頻天線可操作於2.5GHz以及5.0GHz。於頻率2.45GHz時，效率為61.1%，天線增益為2.33dBi；於頻率5.0GHz時，效率為48.6%，天線增益為-0.04dBi；於頻率5.4925GHz時，效率為28.8%，天線增益為-1.59dBi；於頻率5.985GHz時，效率為45%，天線增益為0.15dBi。

請參照第六圖A～D，其所繪示為運用於超高頻帶天線(ultra wide band antenna)示意圖。由第六圖A可知，印刷電路板的第一層610上有三個矩形金屬片612、614、616、一微調金屬板630，以及一高頻線狀天線660，位於mx×my=10mm×10mm的淨空區(metal free region)；矩形金屬片612、614、616寬度(w1)為1.4mm，長度為(w+g)2.2mm與(w)1.2mm；間隔為(2s)0.4mm；微調金屬板630寬度(w1)為1.4mm，長度為(L2)2.5mm。再者，高頻線狀天線660寬度(wh)為1.5mm，長度(Lh)為10mm。

由第六圖B可知，印刷電路板的第二層620上有三個蛇狀線622、624、626，位於mx×my=10mm×10mm的淨空區內，而淨空區之外則為接地面650。再者，蛇狀線622、624、626位於矩形金屬片612、614、616正上方相對應的區域內；而蛇狀線622、624、626二端皆有導孔640用以連接至相對應的矩形金屬片612、614、616或者；微調金屬板630。再者，蛇狀線622、624、626的線寬為(s)0.2mm。而第六圖C為完成的超高頻帶天線示意圖。而第六圖D所示為超高頻帶天線反射係數示意圖。

再者，第六圖C的超高頻帶天線可操作於3.0GHz以及4.0GHz。於頻率3.1GHz時，效率為62.2%，天線增益為2.33dBi；於頻率4.0GHz時，效率為52.2%，天線增益為1.83dBi；於頻率4.9GHz時，效率為40.9%，天線增益為-0.17。

因此，本發明的優點係提出一種小型化線狀天線，其天線本體大小(size of antenna body)很小且其共振頻率可進行微調，並且適用於移動式裝置。再者，由上述的四種天線範例可知，WLAN的單頻天線的天線本體大小約為3.0mm×8.0mm；GPS天線的天線本體大小約為3.0mm×14.2mm；WLAN的雙頻天線的天線本體大小約為5.0mm×5.8mm；超高頻帶天線的天線本體大小約為4.9mm×8.3mm。

綜上所述，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，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

本案圖式中所包含之各元件列示如下：

10．．．薄板

20．．．導體

30．．．接地面

110．．．第一層

112、114．．．矩形金屬片

120．．．第二層

122、124．．．蛇狀線

126、128．．．相對應區域

130．．．微調金屬板

140．．．導孔

210．．．第一層

212、214、216．．．矩形金屬片

220．．．第二層

222、224、226．．．蛇狀線

230．．．微調金屬板

240．．．導孔

250．．．接地面

312、313、314、315、316、317、318．．．矩形金屬片

322、323、324、325、326、327、328．．．蛇狀線

330．．．微調金屬板

340．．．導孔

510．．．第一層

512、514、516．．．矩形金屬片

520．．．第二層

522、524、526．．．蛇狀線

530．．．微調金屬板

540．．．導孔

550．．．接地面

560．．．高頻線狀天線

610．．．第一層

612、614、616．．．矩形金屬片

620．．．第二層

622、624、626．．．蛇狀線

630．．．微調金屬板

640．．．導孔

650．．．接地面

660．．．高頻線狀天線

本案得藉由下列圖式及說明，俾得一更深入之了解：

第一圖A與B所繪示為微帶線及其等效電路示意圖。

第一圖C所示為人造傳輸線示意圖。

第二圖所繪示為本發明的線狀天線示意圖。

第三圖A～D所繪示為運用於WLAN的單頻天線示意圖。

第四圖A～D所繪示為運用於GPS的天線示意圖。

第五圖A～D所繪示為運用於WLAN的雙頻天線示意圖。

第六圖A～D所繪示為運用於超高頻帶天線示意圖。

110．．．第一層

112、114．．．矩形金屬片

120．．．第二層

122、124．．．蛇狀線

126、128．．．相對應區域

130．．．微調金屬板

140．．．導孔

Claims (6)

1. 一種小型化線狀天線，包括：N個矩形金屬片，位於一印刷電路板的一第一層；一微調金屬板，位於該印刷電路板的該第一層；以及N個蛇狀線，位於該印刷電路板的一第二層；其中，N個蛇狀線與N個矩形金屬片的位置相互對應；每一該蛇狀線的一第一端連接至相對應的矩形金屬片，一第二端連接至下一個矩形金屬片；最後一個蛇狀線的一第一端連接至相對應的矩形金屬片，一第二端連接至該微調金屬板。
2. 如申請專利範圍1所述的小型化線狀天線，其中，該微調金屬板為矩形金屬板。
3. 如申請專利範圍1所述的小型化線狀天線，其中，更可裁切部份的該微調金屬板用以調整該小型化線狀天線的一共振頻率。
4. 如申請專利範圍1所述的小型化線狀天線，其中，該小型化線狀天線可作為一WLAN的單頻天線或者一GPS天線。
5. 如申請專利範圍4所述的小型化線狀天線，其中，該小型化線狀天線可搭配一高頻線狀天線成為一WLAN的雙頻天線或者一超高頻帶天線。
6. 如申請專利範圍1所述的小型化線狀天線，其中，該印刷電路板更包括複數個導孔用以連接該矩形金屬片與該蛇狀線。