TWI411158B - 一種多頻折疊環形天線 - Google Patents

Description

一種多頻折疊環形天線

本發明係關於一種環形天線，尤其是有關於一種適合內建於手機之多頻折疊環形天線。

隨著無線通訊的快速發展，在無線通訊產品中，天線扮演的角色更加重要，尤其在輕、薄、短、小的趨勢潮流下，天線的尺寸，特別是其高度將影響一個產品的價值；然而以內藏式手機天線為例，就業界實際需求而言，手機內部可放置天線之空間越來越有限，但能支援多頻帶操作之天線又是必要之趨勢。我們發現，環形天線相較於傳統單極或是平板天線更適合使用作為內藏式手機天線，這是由於環形天線可使用細的金屬線彎繞而成，且其頻寬表現又能不因線寬細小而明顯降低，這與傳統單極或平板天線需要靠寬大的金屬片增加頻寬之特性不同，故環形天線可以使用較小之尺寸達成與傳統手機天線相同之多頻操作。然而當環形天線尺寸大幅縮小時，低頻頻帶雖可涵蓋GSM850或GSM900之操作，不過較難同時涵蓋GSM850/900雙頻操作，因此需尋求增加頻寬之技術，相關技術如美國專利公告號第US 7，242，364 B2號“雙共振天線(Dual－Resonant Antenna)”，其揭示一種將匹配電路使用於行動通訊系統操作之內藏式手機天線的技術，可使單一共振模態具有雙共振特性，以達到增加頻寬之功效，但此技術僅揭露其於一單頻操作之內藏式手機天線的應用方式，無法直接應用於雙頻(如900及1800 MHz)手機天線；同時，所適用之手機天線為其長度大約為四分之一波長共振之天線。為解決上述問題，我們提出一種創新的多頻折疊環形天線設計，將一金屬線彎繞成環形，再加以折疊成一小體積之立體結構；在操作技術上，本天線之低頻頻帶使用 環形金屬線的二分之一波長共振模態，高頻頻帶則由環形金屬線之高階共振模態合成一寬頻操作，再配合使用匹配電路達成低頻頻帶的雙共振特性，以增加頻寬，以及使用至少一個調整金屬片改善高頻頻帶的匹配。上述之整體天線結構可提供GSM850/900/1800/1900/UMTS五頻操作，符合實際手機系統之應用需求。

如上所述，本發明之目的在於提供一種手機天線的創新設計，不僅可以達成適用於GSM850(824~894)/900(890~960 MHz)/1800(1710~1880 MHz)/1900(1850~1990 MHz)/UMTS(1920~2170 MHz)頻帶的手機天線設計，同時本發明天線尺寸相較於一般操作於相同頻帶之手機天線來得小，且其結構簡單、操作機制明確、製作容易，並具有節省手機內部空間之優點。

本發明之天線包含：一介質基板、一接地面、一輻射部及一匹配電路。該接地面具一接地點，並位於該介質基板上，而該輻射部則包含：一支撐介質、一環形金屬線及一個調整金屬片。該輻射部之該環形金屬線之長度大致為天線最低共振頻率之二分之一波長，並具有一饋入端與一接地端，其中該接地端電氣連接至該接地面之接地點，又該環形金屬線折疊成一立體結構，並為該支撐介質所支撐，而該輻射部之該調整金屬片並電氣連接至該環形金屬線；又該匹配電路位於該介質基板上，其一端電氣連接至該輻射部之該環形金屬線之饋入端，而另一端則連接至一訊號源。上述之介質基板為一行動通訊裝置之系統電路板，而該接地面為一行動通訊裝置之系統接地面，又該接地面係以印刷或蝕刻之技術形成於該介質基板上，而該支撐介質之材質為空氣或玻纖基板或塑膠材料或陶瓷材料，且該匹配電路具有至少一個 電容元件及至少一個電感元件。

在本項設計中，使用環形金屬線的二分之一波長共振模態形成天線的低頻頻帶，以及環形金屬線的高階共振模態形成天線的高頻頻帶，再配合使用匹配電路達成低頻頻帶的雙共振特性，以增加頻寬，並且使用至少一個調整金屬片改善高頻頻帶的匹配。低頻頻帶可以提供一大約200 MHz(810~1010 MHz)的操作頻寬，可涵蓋GSM850/900頻帶(824~960 MHZ)操作需求，且本天線在此頻帶內之返回損失皆有高於6 dB的表現；高頻頻帶則可提供一約615 MHz(1635~2250 MHz)之操作頻寬，可涵蓋GSM1800/1900/UMTS頻帶(1710~2170 MHz)的操作需求，且在此頻帶內之返回損失值亦皆有高於6 dB的表現，符合應用需求。同時本天線設計非但結構簡單、操作機制明確，其尺寸相較於一般相同操作頻帶之手機天線來得小，亦即節省手機內部放置天線之空間，但仍能維持天線的多頻特性，故具有產業應用之價值。

茲配合下列圖式、實施例之詳細說明及申請專利範圍，將上述及本發明之其他目的與優點詳述於後。

第1圖為本發明天線第一主要實施例1結構圖，其中第1(a)圖為天線結構圖，第1(b)圖為外接匹配電路。本發明之天線主要實施例1包含：一介質基板11、一接地面12、一輻射部13及一匹配電路14。該接地面12具一接地點121，並位於該介質基板11上，而該輻射部13則包含：一支撐介質131、一環形金屬線132及一個調整金屬片135。該輻射部13之該環形金屬線132，其長度大致為天線最低共振頻率之二分之一波長，並具有一饋入端133與一接地端134，其中該接地端134電氣連接至該接地面12之接地點121，又該環形金屬線132 折疊成一立體結構，並為該支撐介質131所支撐，而該輻射部13之該調整金屬片135並電氣連接至該環形金屬線132；該匹配電路14位於該介質基板11上，其一端141電氣連接至該輻射部13之該環形金屬線132之饋入端133，而另一端142則連接至一訊號源15。上述之介質基板11為一行動通訊裝置之系統電路板，而該接地面12為一行動通訊裝置之系統接地面，又該接地面12係以印刷或蝕刻之技術形成於該介質基板11上，而該匹配電路14包含至少一個電容元件及至少一個電感元件，如1(b)圖所示，其中一個電容元件C與一個電感元件L2串聯後，再與另一電感元件L1並聯而形成；電容元件C並可以由二個電容元件串聯組成。

第2圖為本發明之天線第二主要實施例2結構圖。本發明之天線主要實施例2包含：一介質基板11、一接地面12及一輻射部13。該接地面12具一接地點121，並位於該介質基板11上，而該輻射部13則包含：一支撐介質131、一環形金屬線132及一個調整金屬片135。該輻射部13之該環形金屬線132，其長度大致為天線最低共振頻率之二分之一波長，並具有一饋入端133與一接地端134，其中該饋入端133電氣連接至一訊號源15，而該接地端134則電氣連接至該接地面12之接地點121，又該環形金屬線132折疊成一立體結構，並為該支撐介質131所支撐，而該輻射部13之該調整金屬片135並電氣連接至該環形金屬線132。上述之介質基板11為一行動通訊裝置之系統電路板，而該接地面12為一行動通訊裝置之系統接地面，又該接地面12係以印刷或蝕刻之技術形成於該介質基板11上。

第3圖為第1圖之第一主要實施例1的返回損失實驗量測結果。本實驗選擇下列尺寸及元件值進行量測：介質基板11為厚度0.8 mm之FR4玻纖基板，接地面12之尺寸為40 x 100 mm2，並蝕刻於介質 基板11之表面；輻射部13之支撐介質131為空氣，亦即在實施例1中之輻射部13為一中空結構，其體積僅為40 x 3 x 5 mm3或0.6 cm3，環形金屬線132則包覆此中空之支撐介質131之表面；又環形金屬線132之總長度約為180 mm，大致為天線最低共振頻率之二分之一波長，並具有一饋入端133與一接地端134，其中該接地端134電氣連接至該接地面12之接地點121，而該環形金屬線132如前所敘述，折疊成一立體結構，包覆於中空之支撐介質131之表面，且該輻射部13之該調整金屬片135之尺寸為16 x 1.3 mm2，並電氣連接至該環形金屬線132；該匹配電路14位於該介質基板11上，其一端141電氣連接至該輻射部13之該環形金屬線132之饋入端133，而另一端142則連接至一訊號源15。該匹配電路14之C值選用1 pF、L2值選用9.1 nH、L1值則選用4.3 nH。本項設計採用之環形金屬線132的長度約為180 mm，為900 MHz之二分之一波長，故低頻頻帶21為天線的二分之一波長共振模態，而高頻頻帶22則為天線之高階共振模態合成，主要為環形金屬線132之全波長共振模態及一又二分之一波長共振模態所合成；此處技術重點有二項，一是使用匹配電路14使低頻頻帶21增加一虛部阻抗零點，使該共振模態具有雙共振特性而增加頻寬，另一則是使用調整金屬片135改善高頻頻帶22的阻抗匹配。在尚未使用匹配電路14狀況下，環形金屬線132之二分之一波長共振模態之頻寬無法同時涵蓋GSM850/900操作頻寬，而高頻頻帶則因使用了調整金屬片135調整其阻抗匹配，可涵蓋GSM1800/1900/UMTS操作頻寬；同時匹配電路14可以在不影響高頻頻帶22的前提下，增加低頻頻帶的頻寬。此處所使用之匹配電路14為一3 dB頻寬僅170 MHz之帶拒電路，其共振中心頻率約1100 MHz，此匹配電路14在其共振中心頻率處，具有一劇烈變化之實部阻抗與虛部阻抗，其中虛部阻抗的變化有助於環形金屬線132的二分之一波長共振模態增加一虛部共振零 點，使得此低頻頻帶21具有雙共振現象，而達成一寬頻操作並涵蓋GSM850/900操作頻寬；同時該匹配電路14因帶拒中心頻率設計於約1100 MHz，對於高頻頻帶22影響很小。返回損失的量測結果中，低頻頻帶21為具有雙共振特性的二分之一波長共振模態，提供一大約200 MHz(810~1010 MHz)的操作頻寬，可涵蓋GSM 850/900頻帶操作需求，且本天線在此頻帶內之返回損失皆有高於6 dB的表現；高頻頻帶22則可提供一約615 MHz(1635~2250 MHz)之操作頻寬，可涵蓋GSM1800/1900/UMTS頻帶的操作需求，且在此頻帶內之返回損失值亦皆有高於6 dB的表現，符合應用需求。

再者，第2圖之第二主要實施例2與第1圖之第一主要實施例1之差異在於，實施例2之輻射部13尺寸為40 x 5 x 6 mm3或1.2 cm3，而以此較實施例1大之天線尺寸製作，僅需改變調整金屬片135電氣連接至環形金屬線132之位置，亦可達成涵蓋GSM850/900/18001900/UMTS五頻操作之設計；此即意味著，是否採用匹配電路14技術，取決於天線佔用之尺寸空間，當天線體積縮小而使得低頻頻帶無法同時涵蓋GSM850/900二頻帶時，使用本設計之匹配電路14，可使低頻頻帶具有雙共振現象，進而增加頻寬以涵蓋操作需求。

第4圖為本發明天線之第一主要實施例1於GSM850/900頻帶之輻射場型圖。其中第4(a)圖為859 MHz，第4(b)圖為925 MHz之輻射場型圖。涵蓋此操作頻帶之低頻頻帶21為天線之二分之一波長共振模態；而由所得之結果，環形金屬線所共振出的二分之一波長共振模態之輻射場型，仍與傳統單極天線或平板天線共振於相同頻率時的輻射場型相似。

第5圖為本發明天線第一主要實施例1於GSM1800/1900/UMTS 頻帶之輻射場型圖。其中第5(a)圖為1795 MHz，第5(b)圖為1920 MHz，第5(c)圖為2045 MHz之輻射場型圖。涵蓋此操作頻帶之高頻頻帶22主要由天線之全波長及一又二分之一波長共振模態合成；而由所得之結果，高頻頻帶22內的輻射場型，受到接地面上電流零點的影響，其x－z及y－z平面場型之凹陷點較低頻頻帶21的輻射場型多，但仍不影響實際應用上的需求。

第6圖為本發明天線之第一主要實施例1於操作頻帶內之天線增益圖，其中第6(a)圖為GSM850/900頻帶之天線增益圖，第6(b)圖為GSM1800/1900/UMTS頻帶之天線增益圖。由圖中量測數據可知，本設計於GSM850/900操作頻帶內之增益值約－1.0~－0.1 dBi，而於GSM1800/1900/UMTS操作頻帶內之增益值約1.7~2.6 dBi，皆符合實際應用之需求。

第7、第8、第9及第10圖分別為本發明天線之第一、第二、第三及第四其他實施例結構圖。本發明天線之實施例7及8與實施例1的整體結構相同，而實施例9及10則與實施例2的整體結構相同，惟環形金屬線的折疊方式不同，同時實施例7及9分別具有二個調整金屬片。然此等實施例仍皆可達成與實施例1或2相同之功效。

本發明的實驗結果顯示，本發明天線之實施例可以達成適用於GSM850/900/1800/1900/UMTS頻帶的手機天線設計。其中低頻頻帶21(涵蓋GSM850/900頻帶者)頻寬約200 MHz(810~1010 MHz)，而高頻頻帶22(涵蓋GSM1800/1900/UMTS頻帶者)之頻寬約615 MHz(1635 ~2250 MHz)，皆可符合實際手機系統之應用需求。

綜合上述的說明，本發明天線的結構簡單，操作機制明確，製作成本低，在縮減手機天線尺寸的同時，仍能維持天線的多頻特性，因此本發明天線甚具高度產業應用價值，足以符合發明之範疇。

惟，以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧本發明天線第一主要實施例

2‧‧‧本發明天線第二主要實施例

7‧‧‧本發明天線第一其他實施例

8‧‧‧本發明天線第二其他實施例

9‧‧‧本發明天線第三其他實施例

10‧‧‧本發明天線第四其他實施例

11‧‧‧介質基板

12‧‧‧接地面

121‧‧‧接地點

13‧‧‧輻射部

131‧‧‧支撐介質

132、732、832‧‧‧環形金屬線

133‧‧‧環形金屬線之饋入端

134‧‧‧環形金屬線之接地端

135‧‧‧金屬片

14‧‧‧匹配電路

141‧‧‧匹配電路之一端點

142‧‧‧匹配電路之一端點連接至一訊號源

15‧‧‧訊號源

21‧‧‧低頻頻帶(二分之一波長共振模態)

22‧‧‧高頻頻帶(高階共振模態)

L1、L2‧‧‧電感元件 以及

C‧‧‧電容元件

第1圖為本發明天線第一主要實施例結構圖，其中第1(a)圖為天線結構圖，第1(b)圖為外接匹配電路。

第2圖為本發明天線第二主要實施例結構圖。

第3圖為本發明天線之第一主要實施例之返回損失量測結果。

第4圖為本發明天線第一主要實施例於GSM850/900頻帶之輻射場型圖。其中第4(a)圖為859 MHz，第4(b)圖為925 MHz之輻射場型圖。

第5圖為本發明天線第一主要實施例於GSM1800/1900/UMTS頻帶之輻射場型圖。其中第5(a)圖為1795 MHz，第5(b)圖為1920 MHz，第5(c)圖為2045 MHz之輻射場型圖。

第6圖為本發明天線第一主要實施例於操作頻帶之天線增益圖，其中第6(a)圖為GSM850/900頻帶之天線增益圖，第6(b)圖為GSM1800/1900/UMTS頻帶之天線增益圖。

第7圖為本發明天線第一其他實施例結構圖。

第8圖為本發明天線第二其他實施例結構圖。

第9圖為本發明天線第三其他實施例結構圖。

第10圖為本發明天線第四其他實施例結構圖。

1‧‧‧本發明天線第一主要實施例

11‧‧‧介質基板

12‧‧‧接地面

121‧‧‧接地點

13‧‧‧輻射部

131‧‧‧支撐介質

132‧‧‧環形金屬線

133‧‧‧環形金屬線之饋入端

134‧‧‧環形金屬線之接地端

135‧‧‧金屬片

14‧‧‧匹配電路

141‧‧‧匹配電路之一端點

142‧‧‧匹配電路之一端點連接至一訊號源 以及

15‧‧‧訊號源

Claims (9)

1. 一種多頻折疊環形天線，包含：一介質基板；一接地面，具一接地點，並位於該介質基板上；及一輻射部，包含：一環形金屬線，長度大致為天線最低共振頻率之二分之一波長，並具有一第一U形部、一第二U形部、一第一連接部、一第二連接部、一第三連接部、一饋入端與一接地端，其中該接地端電氣連接至該接地面之該接地點，上述第一連接部用以連接上述第一U形部至上述饋入端，上述第二連接部用以連接上述第一U形部至上述第二U形部，上述第三連接部用以連接上述第二U形部至上述接地端，且該環形金屬線折疊成一立體結構。
2. 如申請專利範圍第1項所述之天線，其中上述第一U形部和上述第二U形部係位於同一平面。
3. 如申請專利範圍第2項所述之天線，其中上述第一U形部具有一第一開口，上述第二U形部具有一第二開口，且上述第一開口和上述第二開口朝向相反方向。
4. 如申請專利範圍第1項所述之天線，其中上述輻射部更包含至少一個調整金屬片，其電氣連接至上述第二連接部。
5. 如申請專利範圍第1項所述之天線，其中該介質基板為一行動通訊裝置之系統電路板。
6. 如申請專利範圍第1項所述之天線，其中該接地面為一行動通訊裝置之系統接地面。
7. 如申請專利範圍第1項所述之天線，其中該接地面係以印刷或蝕刻之技術形成於該介質基板上。
8. 如申請專利範圍第1項所述之天線，更包括：一匹配電路，位於該介質基板上，其一端電氣連接至該饋入端，而另一端則連接至一訊號源。
9. 如申請專利範圍第8項所述之天線，其中該匹配電路具有至少一個電容元件及至少一個電感元件。