TWI413302B - 單極天線裝置及使用此種天線裝置之通信裝置 - Google Patents

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Description

單極天線裝置及使用此種天線裝置之通信裝置
本發明係關於天線裝置以及使用此種天線裝置的電子設備，特別是關於作為利用UWB(Ultra Wide Band)技術，以無線方式實現USB(Universal Serial Bus)時的天線所用的天線裝置以及使用此種天線裝置的通信裝置。
採用UWB技術的無線TV(電視)所用的天線或者是在筆記型電腦(筆記型個人電腦)、PDA(個人攜帶式資訊設備)、其他的攜帶終端等等比較小型的資訊通信機器上都變得需要無線LAN等等的天線。在採用這種UWB技術的通信頻率，假設例如3.1GHz~4.9GHz，都需要非常寬頻域的天線。
最近，USB介面的電子設備係需要以USB記憶棒(memory stick)為代表地進行小型化，通常一般常見的外形大小在長60mm×寬15mm×厚12mm左右。因此，也要求已組裝UWB技術之棒狀的USB設備的大小也是相同程度，且被組裝在內部的印刷電路板尺寸則盡量是長50mm×寬10mm，在那當中能給予天線部分的面積則是長20mm×寬10mm左右。由此，在長20mm×寬10mm左右，並且以高11mm的薄型化所構成的天線非常具有優勢。
上述尺寸如果以最低使用頻率3.1GHz的波長來換算，就變為長大約0.2波長×寬0.1波長×高大約0.12波長，這種天線以寬頻域而言是非常小型的天線，特別是很難達 成高度11mm的值。
關於以往的寬頻域天線的例子，則舉出了如第16圖上所示的盤錐形天線。在圖中，101是圓板，102是圓錐，103是同軸電纜，104是同軸中心導體，105是同軸外部導體。另外，如果參照文獻1，則揭露了小型的UWB用天線。亦即，在上下介電體之間設置成夾著導體圖案，此導體圖案係由倒三角形部分及矩形部分所構成，該倒三角形部分係在前面的中央部分具有供電點，並具備從供電點分別朝向右側面及左側面以某個角度加寬的推拔形部分，而該矩形部分係與此倒三角形部分的上邊相接觸。
[文獻1 特開2005-094437號公報]
如第16圖所示，盤錐形天線能獲得寬頻域的特性，但有如以下所述的缺點。亦即，尺寸大而呈立體狀，構造複雜且昂貴。特別嚴重的是不可能收納成最近常見的USB棒狀。
文獻1上記載的UWB用天線雖是小型且具有寬頻域的特性，但需要上下介電體和導體圖案，此外，導體圖案為了要成為平面形狀並收納於USB棒狀方面，會有在長度上受限制，且上限頻率無法延伸的問題。另外，天線高度也超過22mm，無法收納成USB棒狀。
本發明之目的係提供極小型且薄型化、頻域寬、構造簡單且低成本的天線裝置以及使用該天線裝置的通信機器。
本發明之其他目的係提供可收納成USB棒狀之UWB 用的天線裝置以及使用該天線裝置的通信裝置。
本發明的天線裝置之特徵為包含：放射元件，將寬度為前端漸細的導體板彎曲成略字狀或者略U字狀而成；供電點，位在此放射元件之前端漸細的前端；以及方形的接地板，大略平行於包含此供電點的導體板。
本發明的其他天線裝置之特徵為包含：印刷電路板；接地部，被設置於前述印刷電路板的整個反面；微帶，其係設置在前述印刷電路板的正面，且由固定寬度的部分以及推拔形部分所組成，而該推拔形部分係連接至此固定寬度的部分，且從連接部分觀看則寬度是逐漸變大；以及放射元件，將寬度為前端漸細的導體板彎曲成略字狀或者略U字狀而成；前述放射元件之前端漸細的前端係被連接在前述推拔形部分之寬度最大的部分。
本發明的通信裝置之特徵為可連接於已內建上述天線裝置之USB(Universal Serial Bus)的無線設備。
藉由本發明，會有可獲得極小型且薄型化、頻域寬、構造簡單且低成本之天線裝置的效果。另外，藉由本發明，會有獲得可收納成USB棒狀之UWB用的天線裝置的效果。
以下參照圖面，就本發明的實施例進行說明。第1圖係本發明之板狀寬頻域天線的第1實施例之構成斜視圖，第2圖則是其側面圖。本實施例的板狀寬頻域天線係由以下所構成：導體11，其作為將越靠近前端寬度越細的推拔 形導體板折彎成略字狀折(亦即，彎曲成略180度)的放射元件；導體12，由成為接地(ground)板的方形導體所組成；以及供電用的同軸電纜1。
如第1圖所示，作為放射元件的導體11係由梯形狀的導體部11a、矩形狀的導體部11b、三角形狀的導體部11c所構成，梯形狀導體部11a和三角形狀導體部11c係藉由垂直設置的矩形狀導體部11b而被連結成互相大略平行。
將同軸電纜1的同軸中心導體2連接至導體11的三角形狀導體部11c之端部(亦即，頂點)，將同軸外部導體3的前端部連接於導體12的端部，藉以對此天線進行供電。
換言之，成為放射元件的導體11之寬度為前端漸細的前端部成為供電點，且作為接地板的方形導體12則是被設置成平行於包含此供電點的三角形狀導體部11c。
從連接有同軸中心導體2的供電點觀看，將導體11設置成其寬度逐步擴大的推拔形狀，可獲得2種效果。第1效果是可以寬頻域化，第2效果是良好的阻抗匹配。
首先，就可寬頻域化方面來進行說明。一般而言，在這種天線的放射元件上分佈的電流係取決於波長。如果導體11是線狀，因為只能分佈與其長度對應的波長，所以無法使用在寬頻域。不過，如果是推拔形狀的導體，就能對應各種波長。這就是為什麼從連接著同軸中心導體2的供電部分至導體11之折返的前端部分之長度會是多種數值。
例如，若沿著兩端考量的話，因為長度變長，所以可對應長的波長(亦即，低頻)。如果考量中央部的話，長度 為最短，可對應相依於此長度的高頻。因為從沿著兩端的線到沿著中央的線之間都是落在兩者之間的長度，所以能涵蓋在這當中的頻域。這就是為什麼能夠寬頻域化。
接著，就阻抗匹配變佳的部分進行說明。這和將導體11作為字狀也有關。首先，將導體11製成字狀是因為要達成薄型化(作成高度低的構造)。最初，本天線的發明主旨是要實現在3.1GHz~4.9GHz的頻域，且可組裝在以USB記憶棒為代表之小型筐體上的天線，因此，這種薄型化的構造是必須的。特別是在高度方面，11mm左右是在攜帶和設計觀點而言是可容許的界限。為了達成這數值，所以折彎成字狀。
不過，單純只有做成字狀還是無法獲得良好的阻抗匹配。因此，從連接著同軸中心導體2的供電部分觀看，藉由逐漸加寬導體11的寬度(亦即，做成逐漸加寬的推拔形狀)，會有逐漸變換阻抗的作用，可實現良好的阻抗匹配。
另外，這時候導體12係擔任接地平面的角色。基本上，本天線有考慮到單極天線的應用。亦即，如果考慮導體11是寬頻域及薄型化的放射元件的話，導體12就是接地平面。一直以來，就期望導體12是尺寸無限大、或者相較於使用波長為非常大的尺寸。
不過，本天線的發明主旨是要實現在3.1GHz~4.9GHz的頻域，且可組裝在以USB記憶棒為代表之小型筐體上的天線，因此，能使用作為接地的面積也是10mm×20mm左右。因為導體12是接地平面，所以在相對於使用波長，該 接地平面尺寸不是很大的時候，因為在容許範圍內做成大面積可改善特性，所以做成10mm×20mm的大小。
但因為只有這些還是無法獲得充分的阻抗匹配，所以藉由適當保持與導體11的距離、調整導體11的推拔形形狀、調整導體11和導體12的靜電容量，能夠良好地調整阻抗匹配。
參照第2圖的側面圖，以焊接4a來將同軸電纜1的同軸中心導體2連接至導體11之端部，另外，以焊接4b來將同軸外部導體3的前端部連接至導體12之端部。
第3圖係表示本發明之第2實施例的構成側面圖。與先前第1實施例的第1圖以及第2圖不同的是：導體21左端不是字狀，而是折彎成圓弧狀(亦即，略U字狀)。即使在本例中也有和第1實施例相同的作用效果。
第4圖係表示本發明之第3實施例的構成圖的側面圖。與先前第1實施例的第1圖以及第2圖不同的是：導體22不是字狀，而是朝向右上方向斜向延伸的形狀。亦即，越接近字狀之前端部開放部份則角度越來越大。這構造在薄型化方面就稍有缺點。
第5圖是表示本發明之第4實施例的構成圖的側面圖。與第4圖的第3實施例不同的是：導體31的下側部分係朝向左上方向斜向延伸的形狀，在此例中，也是越接近字狀之前端部開放部份則角度越來越大。這構造在薄型化方面也稍有缺點。
第6圖係表示本發明之第5實施例的構成圖的側面 圖。與先前第1實施例的第1圖以及第2圖不同的是：在導體12左邊的前端部(前端邊緣部)垂直地加上壁狀的導體41。另外，第7圖係表示本發明之第6實施例的構成圖的斜視圖。與第6圖的第5實施例不同的是：在導體12的兩側部(邊緣部)垂直地加上壁狀的導體51。
在第6圖以及第7圖中，設置導體41甚至是導體51會有以下2個效果。第1是阻抗匹配變佳，第2是能聚集放射方向。關於阻抗匹配方面，在第1圖的說明中也已記載，本天線的阻抗匹配係將導體11做成推拔形狀，並且調整與導體12的間隔所造成的靜電容量，並進行阻抗匹配。 在此情況下，很難進行靜電容量的細微調整，藉由設置如同導體41和導體51的導體，因為能微調與導體11的靜電容量，所以更能簡化阻抗匹配。
另外因為導體12有接地平面的功能，所以主要是在導體11上方進行電波的放射。這時候因為導體12小，放射電波會一直繞射至導體12的反面側。不過因為設置導體41和導體51，會產生如同小反射板的效果，比起沒有導體41和導體51的時候，放射電波更能強烈放射於導體11上方，會有在導體12的反面側(下側)繞射的電波少，更能將放射電波集中在上方的優點。
第8圖係表示本發明之第7實施例的構成圖的斜視圖。與先前的第1~第6實施例不同的是做成使用印刷電路板52的構成。在印刷電路板52的底面係配置有由導體所組成的接地53，在右表面上配置有由導體所組成的微帶 線(microstrip line)54。微帶線54係與接地53形成所謂微帶線路，其作用為取代第1圖的同軸電纜1。在微帶線54的左前端係形成有推拔形狀的導體56，在此左端係焊接有字狀且推拔形狀的導體55。
第9圖~第13圖是第1~第6實施例的導體11的替代形狀的範例。第9A圖係三角形的形狀，以中央的2條虛線折彎成字狀。第9B圖係將第9A圖之下前端切削的梯形形狀，以中央的2條虛線折彎成字狀。第9C圖係將第9B圖中央的2條虛線部分作成縱向直線。
第10A圖係將第9A圖的三角形形狀作成曲線，且越靠近前端則迅速變窄的推拔形狀。第10B圖係將第10A圖之下前端部切削的形狀。第10C圖係將第10B圖中央的2條虛線部分作成縱向直線。
第11A圖係與第9A圖相反，把三角形形狀作為曲線但卻變寬的推拔形狀。第11B圖係將第11A圖之下前端部切削的形狀。第11C圖係將第11B圖中央的2條虛線部分作成縱向直線。
第12A圖係作成橢圓形狀的導體。第12B圖係連接大橢圓形和小橢圓形，在連接部分設置直線部的形狀。第12C圖係已切削第12B圖之上前端的形狀。第13A圖係已將第9B圖切削(切入)成略方形的形狀。第13B圖係已將第12C圖切削(切入)成V字形的形狀。
上述第9圖~第13圖形狀也能夠以該等組合來實施。另外，這些也可以用來取代第8圖之第7實施例中組合導 體55以及導體56的形狀。另外，在上述說明中，虛線折彎的部分係能夠作為如第3圖所見之圓弧的應用。
在上述中，關於第12圖的形狀以及類似形狀，其比起推拔形狀，更趨近於橢圓形的形狀。不過，從本天線之寬頻域化的原理以及阻抗匹配的原理來考量的話，就不難得知能獲得與使用推拔形狀元件時相同的效果。
這是因為例如，若考量寬頻域化的原理，即使使用第12A、B圖的形狀，也能夠如同第1圖之寬頻域的說明所述，從連接著同軸中心導體2的供電部分至導體70或者導體71之折返的前端部分為止的長度係由多種數值所組成。
此外，也是因為在阻抗匹配的原理中，從連接著同軸中心導體2的供電部分觀看，藉由逐漸加寬導體70或者導體71的寬度而具有逐步進行阻抗變換的作用是無可取代的。
另外，在第13A圖以及第13B圖中，成為在上部切入的形狀。關於這方面，如果考量寬頻域化的原理，即使使用導體70和導體71的形狀，也能夠如同第1圖之寬頻域的說明所述，從連接著同軸中心導體2的供電部分至導體70或者導體71之折返的前端部分為止的長度係由多種數值所組成，所以同樣的概念也適用。
第14圖係實際試作的本發明之板狀寬頻域天線的形狀以及尺寸。相當於第1圖之導體11的導體80形狀係相當於第11B圖的形狀，並將其折彎成圓弧狀。
第15圖係表示第14圖之板狀寬頻域天線的回波損耗 特性。在3.1GHz~4.9GHz中，能獲得回波損耗6dB，這數值係成為VSWR3.0以下。
如同上述，本發明的板狀寬頻域天線係以寬度10mm×長度20mm×高度11mm的尺寸且能涵蓋3.1GHz~4.9GHz之頻域的小型天線。此尺寸若以最低使用頻率的3.1GHz的波長來換算，則天線裝置全體的長度、寬度以及高度分別成為約略0.2波長、約略0.1波長以及約略0.1波長的尺寸。總結本發明的特徵，可構成為非常小型且薄型化、頻域寬、低成本。
1‧‧‧同軸電纜
2‧‧‧同軸中心導體
3‧‧‧同軸外部導體
4a、4b‧‧‧焊接部
11、12、21、22、31、41、51、55、56、61~74‧‧‧導體
11a~11c‧‧‧導體部
52‧‧‧印刷電路板
53‧‧‧接地
54‧‧‧微帶線
75、76‧‧‧切削
第1圖係表示本發明之第1實施例的構成斜視圖。
第2圖係本發明之第1實施例的側面圖。
第3圖係表示本發明之第2實施例的構成側面圖。
第4圖係表示本發明之第3實施例的構成側面圖。
第5圖係表示本發明之第4實施例的構成側面圖。
第6圖係表示本發明之第5實施例的構成側面圖。
第7圖係表示本發明之第6實施例的構成的斜視圖。
第8A圖表示本發明之第7實施例的構成斜視圖。
第8B圖表示本發明之第7實施例的構成側面圖。
第9圖係導體形狀的變化例的表示圖。
第10圖係表示導體形狀之其他變化例的圖。
第11圖係進一步表示導體形狀之其他變化例的圖。
第12圖係表示導體形狀之另外變化例的圖。
第13圖係進一步表示導體形狀之另外變化例的圖。
第14圖係表示本發明之板狀寬頻域天線的試作構成的斜視圖。
第15圖係表示本發明之板狀寬頻域天線的回波損耗(return loss)特性圖。
第16圖係表示習知技術之天線的範例圖。
1‧‧‧同軸電纜
2‧‧‧同軸中心導體
3‧‧‧同軸外部導體
11、12‧‧‧導體
11a~11c‧‧‧導體部

Claims (18)

  1. 一種單極天線裝置，其特徵為包含：放射元件，使寬度為前端漸細的導體板彎曲略180度；供電點，位在此放射元件之前端漸細的前端；以及方形的接地板，大略平行於包含此供電點的導體板，其中，前述放射元件係使前述導體板於與前述接地板相反之方向彎曲成略字狀或者略U字狀而成。
  2. 如申請專利範圍第1項之單極天線裝置，其中，使前述放射元件的前述略字狀或者略U字狀的前端部開放部朝外側擴大。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之單極天線裝置，其中，同軸電纜的內部導體係連接至前述供電點，前述同軸電纜的外部導體係連接至前述接地板。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之單極天線裝置，其更包含與前述接地板的邊緣部呈垂直設置的導體。
  5. 如申請專利範圍第3項之單極天線裝置，其更包含與前述接地板的邊緣部呈垂直設置的導體。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之單極天線裝置，其中，前述放射元件之前端漸細的形狀係直線狀的推拔形。
  7. 如申請專利範圍第1或2項之單極天線裝置，其中，前述放射元件之前端漸細的形狀係曲線狀的推拔形。
  8. 如申請專利範圍第7項之單極天線裝置，其中，將切入部設置在前述放射元件之寬度最大的部分。
  9. 如申請專利範圍第7項之單極天線裝置，其中，以橢圓形狀的放射元件來代替寬度為前端漸細的前述放射元件。
  10. 如申請專利範圍第1或2項之單極天線裝置，其中，對應於所使用之頻率的最低頻率的波長，單極天線裝置全體的長度、寬度以及高度係分別為約略0.2波長、約略0.1波長以及約略0.1波長。
  11. 一種單極天線裝置，特徵為包含：印刷電路板；接地部，被設置於前述印刷電路板的整個反面；微帶，其係設置在前述印刷電路板的正面，且由寬度固定的部分以及推拔形部分所組成，而該推拔形部分係連接至此寬度固定的部分之前端，且從連接部分觀看則寬度是逐漸變大；以及放射元件，使寬度為前端漸細的導體板彎曲成略字狀或者略U字狀而成；前述放射元件之前端漸細的前端係被連接在前述推拔形部分之寬度最大的部分。
  12. 如申請專利範圍第11項之單極天線裝置，其中，前述放射元件之前端漸細的形狀係直線狀的推拔形。
  13. 如申請專利範圍第11項之單極天線裝置，其中，前述放射元件之前端漸細的形狀係曲線狀的推拔形。
  14. 如申請專利範圍第13項之單極天線裝置，其中，將切入部設置在前述放射元件之寬度最大的部分。
  15. 如申請專利範圍第13項之單極天線裝置，其中，以橢圓 形狀的放射元件來代替寬度為前端漸細的前述放射元件。
  16. 如申請專利範圍第11項之單極天線裝置，其中，對應於所使用之頻率的最低頻率的波長，單極天線裝置全體的長度、寬度以及高度係分別為約略0.2波長、約略0.1波長以及約略0.1波長。
  17. 一種通信裝置，其特徵為具有申請專利範圍第1至16項中任一項之單極天線裝置。
  18. 如申請專利範圍第17項之通信裝置，其中，該通信裝置係可連接於USB(Universal Serial Bus)的無線設備。
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