TWI414106B - 用於無線裝置之內嵌式多模式天線結構 - Google Patents

用於無線裝置之內嵌式多模式天線結構 Download PDF

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TWI414106B TW096124742A TW96124742A TWI414106B TW I414106 B TWI414106 B TW I414106B TW 096124742 A TW096124742 A TW 096124742A TW 96124742 A TW96124742 A TW 96124742A TW I414106 B TWI414106 B TW I414106B
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Description

用於無線裝置之內嵌式多模式天線結構
本發明大體係關於用於無線裝置之低構形的緊密內嵌式天線設計，其支援多個無線應用模式之無線連接性及通信。更具體言之，本發明係關於低構形的內嵌式多模式天線設計，其使能夠易於整合於具有有限空間之無線裝置內，同時為在多個無線應用標準上之寬頻操作提供合適的天線特徵及效能。
對與積體電路技術之創新相聯繫的無線連接性之日益增加的市場需求已推動了裝備有具有整合天線之低成本、低功率且緊密之單體整合無線電發射器、接收器及收發器系統的無線裝置之開發。實際上，已開發了各種類型的具有內嵌式無線系統之無線裝置以支援無線應用，諸如，無線個人區域網路(WPAN)、無線區域網路(WLAN)、無線廣域網路(WWAN)，及蜂巢式網路應用。詳言之，對於膝上型電腦及其他攜帶型裝置，諸如2.45 GHz工業－科學－醫學(ISM)、WLAN 5.2/5.8 GHz、全球定位系統(GPS)(1.575 GHz)、PCS1800、PCS1900及UMTS(1.885－2.2 GHz)系統之無線標準正變得日益風行。此外，已將覆蓋3.1 GHz－10.6 GHz頻帶之超寬頻(UWB)無線系統提議為下一代無線通信標準，以增加室內低功率無線通信或局部化系統(尤其為短程WPAN應用)之資料速率。就UWB技術而言，無線通信系統可發射及接收具有大於100%頻寬之信號，其中低發射功率通常小於－41.3 dBm/MHz。
一般而言，可將無線裝置設計成具有安置於此等無線裝置之外殼外部或內嵌於此等無線裝置之外殼內的天線。舉例而言，攜帶型膝上型電腦可具有安裝於該膝上型電腦之顯示器單元之頂部區域上的外部天線結構。另外，膝上型電腦可具有用於與PC卡(具有形成於該PC卡上之天線結構)一起使用之卡介面。然而，此等及其他外部天線設計具有許多缺點，包括(例如)高製造成本、天線損壞易感性、攜帶型裝置歸因於外部天線之不雅觀的外觀，等等。
在其他習知機制中，可將天線內嵌於裝置外殼內。舉例而言，就攜帶型膝上型電腦設計而言，可將天線結構內嵌於膝上型電腦之顯示器單元內。一般而言，內嵌式天線設計比外部天線設計有利之處在於：內嵌式天線減少或消除天線損壞之可能性且提供無線裝置之較佳外觀。然而，就內嵌式天線設計而言，天線效能可能因無線裝置外殼具有有限空間及有損環境而受到不利地影響。舉例而言，內嵌於膝上型電腦之顯示器單元內的天線可經受來自周圍金屬組件(諸如，金屬顯示器蓋、顯示面板之金屬框，等等)或內嵌式天線結構附近之其他有損材料之干擾，且必須經安置成遠離此等物件或材料。
隨著使計算裝置愈來愈小而具有日益有限的空間，必須設計具有較緊密之結構及構形之內嵌式天線，同時維持充分的天線效能。建構此等天線之能力並非價值不高且可能有問題，尤其當天線必須經設計用於寬頻多模式無線應用時。實際上，雖然可設計具有複數個單獨輻射元件以致能在多個操作頻帶上之操作之多頻帶天線，但在不同操作頻帶上達成合適的天線效能之能力通常需要相對較大之大小的多頻帶天線結構，其可能不滿足膝上型電腦或其他無線設計內之空間約束。此已推動了對低構形的緊密多頻帶多標準內嵌式天線構架之需要，該等天線構架能夠覆蓋較寬的操作頻帶以用於與無線裝置一起建構以支援多個無線系統/標準。
一般而言，本發明之例示性實施例包括用於無線裝置之低構形的內嵌式多模式天線設計，其支援多個無線應用模式之無線連接性及通信。本發明之例示性實施例包括低成本、低構形且緊密的內嵌式天線設計，其使能夠易於整合於具有有限空間之無線裝置內，同時提供合適的天線特徵及效能以支援在多個無線應用標準上之寬頻操作。
在本發明之一例示性實施例中，天線包括一具有第一及第二相對基板表面之平坦基板，及形成於該平坦基板之第一表面上之第一及第二平坦輻射元件。第一平坦輻射元件為一不對稱形圖案，其具有一第一多邊形圖案及一自該第一多邊形圖案延伸之細長條帶圖案。第一平坦輻射元件具有：一第一邊緣，其界定第一多邊形圖案之一部分；及一第二邊緣，其界定第一多邊形圖案及細長條帶圖案之一部分。第二平坦輻射元件為一不對稱形圖案，其具有部分地由第二平坦輻射元件之第一邊緣所界定之第二多邊形圖案。第一及第二平坦輻射元件安置於平坦基板之第一表面上，使得第一平坦輻射元件之第一邊緣鄰近於第二平坦輻射元件之第一邊緣且與第二平坦輻射元件之第一邊緣間隔分離。第一及第二平坦輻射元件經定大小、成形及定尺寸以提供在約1.0 GHz至約11 GHz範圍內之寬頻操作，以支援覆蓋包括GPS頻帶(1.575 GHz)、PCS頻帶(1.710－1.880 GHz/1.850－1.990 GHz)、ISM頻帶(2.45、5.15－5.35及5.47－5.825 GHz)及UWB(3.1－10.6 GHz)頻帶在內之頻帶的多個無線標準，其在操作頻帶上具有所要的效能特徵。
在一例示性實施例中，天線為平坦盤錐形天線，其中第一平坦輻射元件為不對稱形平坦盤形元件，且第二平坦輻射元件為不對稱形平坦錐形元件，其具有由第二平坦輻射元件之第一邊緣所界定之錐形尖端。
在另一例示性實施例中，天線為平坦雙錐形天線，其中第一平坦輻射元件為不對稱形平坦錐形元件，其具有由第一平坦輻射元件之第一邊緣所界定之第一錐形尖端；且第二平坦輻射元件為不對稱形平坦錐形元件，其具有由第二平坦輻射元件之第一邊緣所界定之第二錐形尖端。
在本發明之又一例示性實施例中，平坦基板為可撓性基板，其沿著至少一第一彎曲線及一第二彎曲線而彎曲以界定非共平面的第一基板部分、第二基板部分及第三基板部分。第一彎曲線使第一與第二基板部分分離，且第二彎曲線使第二與第三基板部分分離。在一實施例中，第一彎曲線延伸穿過第二平坦輻射元件，且第二彎曲線延伸穿過第一平坦輻射元件，使得第一及第二平坦輻射元件之第一邊緣安置於第二基板部分中。可大體上相互正交地安置第一與第二基板部分，且可大體上相互正交地安置第二與第三基板部分。在一彎曲組態中，可將天線內嵌於一顯示器單元中，其中第一基板部分安置於顯示面板與顯示器蓋之間，且其中第二基板部分安置於顯示器蓋之一側壁的外部且大體上平行於顯示器蓋之一側壁。
在本發明之又一例示性實施例中，可撓性基板可沿著一第三彎曲線而彎曲，該第三彎曲線沿著第一平坦輻射元件之第二邊緣而延伸以進一步減小天線結構在膝上型電腦顯示器單元內之高度。此外，一金屬背板圖案可安置於基板之第二表面上，且在平坦基板之第一表面上對準至第一平坦輻射元件之一部分，以便提供一調諧元件來補償可能由天線附近之顯示面板所引起之干擾。
在本發明之其他例示性實施例中，可包括諸如分枝元件、耦接元件或分枝及耦接元件之一或多個額外平坦輻射元件作為天線之一部分，以致能由第一及第二平坦輻射元件所提供的除了在1.5－10.6 GHz頻帶中之操作以外的在0.8/0.9 GHz頻帶中之操作。
舉例而言，在一例示性實施例中，天線包括一具有第一及第二相對基板表面之平坦基板，及形成於平坦基板之第一表面上的一第一平坦輻射元件、一第二平坦輻射元件、一第三平坦輻射元件及一第四平坦輻射元件。第一平坦輻射元件為不對稱形圖案，其具有一第一多邊形圖案及一自第一多邊形圖案延伸之細長條帶圖案。第一平坦輻射元件包含界定第一多邊形圖案之一部分的第一邊緣、第二邊緣及第三邊緣，及界定第一多邊形圖案及細長條帶圖案之一部分的第四邊緣。第二平坦輻射元件為不對稱形圖案，其具有部分地由第二平坦輻射元件之第一邊緣所界定之第二多邊形圖案。第一及第二平坦輻射元件安置於平坦基板之第一表面上，使得第一平坦輻射元件之第一邊緣鄰近於第二平坦輻射元件之第一邊緣且與第二平坦輻射元件之第一邊緣間隔分離。第三平坦輻射元件為一連接至第一平坦輻射元件之細長分枝元件。該細長分枝元件之至少一部分經安置成鄰近於第一平坦輻射元件之第二邊緣且與第一平坦輻射元件之第二邊緣間隔分離。第四平坦輻射元件為一連接至第二平坦輻射元件之細長耦接元件，其中該細長耦接元件之至少一部分經安置成鄰近於第一平坦輻射元件之第三邊緣且與第一平坦輻射元件之第三邊緣間隔分離。在一實施例中，可將細長分枝輻射器在第一輻射元件上之天線饋入點附近連接至第一平坦輻射元件。
在本發明之又一實施例中，天線包括一具有第一及第二相對基板表面之平坦基板，及形成於平坦基板之第一表面上的一第一平坦輻射元件、一第二平坦輻射元件、一第三平坦輻射元件及一第四平坦輻射元件。第一平坦輻射元件為不對稱形圖案，其具有一第一多邊形圖案及一自第一多邊形圖案延伸之細長條帶圖案，其中第一平坦輻射元件包含界定第一多邊形圖案之一部分的第一邊緣、第二邊緣及第三邊緣，及界定第一多邊形圖案及細長條帶圖案之一部分的第四邊緣。第二平坦輻射元件為不對稱形圖案，其具有部分地由第二平坦輻射元件之第一邊緣所界定之第二多邊形圖案。第一及第二平坦輻射元件安置於平坦基板之第一表面上，使得第一平坦輻射元件之第一邊緣鄰近於第二平坦輻射元件之第一邊緣且與第二平坦輻射元件之第一邊緣間隔分離。第三平坦輻射元件為一連接至第一平坦輻射元件之細長分枝元件，其中該細長分枝元件之至少一部分經安置成鄰近於第一平坦輻射元件之第二邊緣且與第一平坦輻射元件之第二邊緣間隔分離。第四平坦輻射元件為一連接至第二平坦輻射元件之細長耦接元件，其中該細長耦接元件之至少一部分經安置成鄰近於第一平坦輻射元件之第三邊緣且與第一平坦輻射元件之第三邊緣間隔分離。在一實施例中，將細長分枝元件輻射器在第一平坦輻射元件上之天線饋入點附近連接至第一平坦輻射元件，且將細長耦接元件在該天線饋入點附近連接至第二平坦輻射元件。
本發明之此等及其他例示性實施例、特徵及優點將被描述或將自例示性實施例之以下詳細描述而變得顯而易見，應結合隨附圖式來閱讀以下詳細描述。
一般而言，本發明之例示性實施例包括緊密內嵌式多模式天線設計，其用於與諸如膝上型電腦之計算裝置一起使用以致能無線連接性及通信。如下文更詳細地論述之例示性多模式天線構架提供省空間的寬頻帶(0.8 GHz－10.6 GHz)多標準的可交互操作之天線設計，其高度地適合於膝上型及其他攜帶型裝置，同時提供對於最佳系統需求之所需的天線效能。一般而言，根據本發明之例示性天線構架係基於對在標題為"Low －Profile Embedded Ultra －Wideband Antenna Architectures for Wireless Devices "的在2005年1月25日申請之美國專利申請案第11/042,223號(其以引用的方式併入本文中)中所描述之例示性天線結構的擴展，以致能(例如)具有增加之操作頻寬之更緊密的較小構形天線結構。
一般而言，類似於在以上被併入之專利申請案第11/042,223號中所描述之彼等結構，根據本發明之例示性多模式天線設計係基於經修改之平坦盤錐形或平坦雙錐形天線構架以達成具有較寬的操作頻寬及其他合適的天線特徵之緊密天線構形。圖8A至圖8D為說明各種天線實施例之演變以演示根據本發明之例示性實施例的低構形多模式天線之設計原理的示意圖。
詳言之，圖8A展示一具有鏡面錐形元件(80－1)及(81－1)之三維雙錐形天線，其具有中心饋入(F)，該天線為一般熟習此項技術者已知之提供寬頻帶阻抗回應的天線構架。在圖8B中，圖8A之上部錐形元件(80－1)可用3D盤形元件(80－2)置換，此導致3D盤錐形天線構架，其提供具有較低構形之寬頻寬天線結構。藉由修改圖8B之天線以形成具有平坦條帶元件(80－3)及平坦錐形元件(81－2)之平坦盤錐形天線(如圖8C中所描繪)，可減小圖8B之天線之厚度。圖8C之平坦盤錐形天線可經建構以用於(例如)膝上型電腦應用，但歸因於天線之體積的顯著減小，天線之寬頻帶特徵被降級。
根據本發明之例示性實施例，藉由修改錐形元件(81－2)以具有多邊形狀，且以一邊緣或平滑弧來置換錐形尖端(點)以形成元件(81－3)以及用具有多邊形狀之不對稱形元件(80－4)(具有額外延伸之細長條帶)來置換平坦條帶(80－3)，可達成在寬頻寬上之改良的阻抗匹配，諸如圖8D所示。圖8D描繪一例示性構架，其可使用本文中所描述之結構及方法而經進一步修改/改進以進一步減小天線大小，同時提供較寬的操作頻寬。為了達成說明性目的，下文將關於用於整合於攜帶型膝上型電腦(例如，IBM ThinkPad電腦)之顯示器單元內的低構形多模式內嵌式天線設計來描述本發明之例示性實施例，但不應將任何內容看作限制本發明之範疇。
圖1A至圖1D示意性地說明根據本發明之一例示性實施例的低構形多模式天線。更具體言之，圖1A為一低構形多模式天線結構(10)之示意性平面圖，該天線結構(10)包含一第一輻射元件(11)(或"初級輻射元件")、一第二輻射元件(12)(或"次級輻射元件")及複數個支撐結構(14)，該等支撐結構(14)經圖案化或另外由金屬材料薄膜(例如，銅)形成於一平坦絕緣/介電基板(13)之第一(頂部)表面上。此外，一金屬背板(15)(其係以幻影被描繪於圖1A中)經圖案化或另外由金屬材料薄膜形成於基板(13)之第二(背部)表面上。圖1B說明例示性多模式天線結構(10)之尺寸參數，其將在下文加以更詳細地論述。
基板(13)可為由聚醯亞胺材料製成之可撓性基板(或"撓曲")，其為具有長度L及寬度W之矩形。圖1A描繪一可內嵌於一無線裝置中(取決於空間限制，等等)之平坦多模式天線結構(10)。對於內嵌式膝上型應用，可將多模式天線(10)沿著彎曲線B1、B2及B3而彎曲以形成一較緊密之構形，以用於整合於(例如)一膝上型電腦之顯示器單元內(此將在下文參看圖2加以論述)。詳言之，圖1C為圖1A之多模式天線(10)在沿著彎曲線B1、B2及B3以連續直角而彎曲時沿著線1C－1C所截取的示意性側視圖說明。
在此彎曲組態中，天線基板(13)包含一界限於第一基板邊緣E1與彎曲線B1之間的第一基板部分(P1)(或第一水平部分)、一界限於彎曲線B1與B2之間的第二基板部分(P2)(或第二垂直部分)、一界限於彎曲線B2與B3之間的第三基板部分(P3)(或第三水平部分)，及一界限於彎曲線B3與第二基板邊緣E2之間的第四基板部分(P4)(或第四垂直部分)。矩形銅襯墊(14)提供支撐以在彎曲之後維持多模式天線(10)之結構，同時對天線效能具有可忽略的影響。圖1D為基板(13)之背側表面在彎曲線B1與B2之間沿著圖1C中之線1D－1D的示意圖，其說明在基板部分P2之背部表面上安置於該基板(13)之背側表面上的金屬背板(15)圖案。
在圖1A至圖1D之例示性實施例中，第一輻射元件(11)及第二輻射元件(12)形成一基於諸如以上參看圖8C及圖8D而論述的經修改之平坦盤錐形天線(或經修改之平坦雙錐形天線)的天線結構，以提供一用於寬頻應用之具有較寬的操作頻寬之緊密天線結構。
一般而言，第一輻射元件(11)具有對稱形圖案，其包含具有多邊形狀之第一部分(11a)及為沿著第一輻射元件(11)之上部邊緣而自第一部分(11a)延伸之細長條帶圖案之第二部分(11c)。詳言之，第一部分(11a)具有多邊形狀，其係部分地由沿著彎曲線B3(見圖1B)之長度L5的上部邊緣及朝向第一輻射元件(11)之底部邊緣(11b)(具有長度L5)之各別末端聚合且連接至該等各別末端的楔形邊緣T1、T2界定。細長金屬條帶(11c)沿著彎曲線B3而自第一部分(11a)之頂側在長度L6下延伸。
此外，第二輻射元件(12)通常具有不對稱形圖案，其係由沿著整個基板邊緣E1而延伸之具有長度W的底部邊緣、自該底部邊緣沿著基板邊緣E4而延伸一長度L1的側邊緣、自該底部邊緣沿著基板邊緣E3而延伸一長度L2的側邊緣及自基板(13)之各別側邊緣E3及E4延伸且朝向具有長度L7之上部邊緣(12c)之各別末端聚合且連接至該等各別末端的楔形邊緣T3、T4界定。
第一輻射元件(11)及第二輻射元件(12)之邊緣(11b)與(12c)相互對準且分離一間隙距離G。當使基板沿著彎曲線B1而彎曲時，第二輻射元件(12)包含一安置於基板部分P1上之第一部分(12a)及一安置於第二基板部分P2上之第二部分(12b)(或錐形尖端區域)，其中在自彎曲線B1高於第二輻射元件(12)之第一部分(12a)之高度H1處安置第一輻射元件之邊緣(11b)。舉例而言，第一輻射元件(11)藉由自50 Ω之同軸線(16)延伸之探針(內部導體)而饋入，其中使該探針與底部邊緣(11c)之中點對準。經由焊料連接而將同軸電纜(16)之外部接地屏蔽電連接至接地元件(12)。
基本上，可將第一輻射元件(11)及第二輻射元件(12)看作形成一經修改之平坦雙錐形天線或經修改之平坦盤錐形天線結構。舉例而言，可將第一輻射元件(11)看作包含經修改之平坦錐形元件(亦即，經修改以具有延伸條帶(11c)及呈邊緣(11b)之形式的錐形尖端)的不對稱形元件，或可將其看作經修改之平坦盤形元件(亦即，經修改以包括形成於具有總長度L5＋L6之平坦盤形條帶元件之長度部分L5上的錐形部分(11a))。此外，可將第二輻射元件(12)看作包含具有呈邊緣(12c)之形式之錐形尖端的經修改之平坦錐形元件之不對稱形元件。第一輻射元件(11)及第二輻射元件(12)經定大小及成形以提供寬頻阻抗匹配及低構形結構。
第一輻射元件(11)提供多模式天線(10)之初級輻射，且基本上為調諧元件，使得第一輻射元件(11)之尺寸的較小改變會顯著地影響多模式天線(10)之操作頻率及阻抗匹配。第二輻射元件(12)為次級輻射元件，其提供極少或無實質的輻射，使得可將第二輻射元件(12)基本上考慮為"接地"(但當安置於攜帶型裝置中時，不應將天線元件(12)直接連接至金屬/接地元件)。然而，在操作頻寬之較低頻率下，第二輻射元件之尺寸對阻抗匹配具有顯著影響。第二輻射元件(12)經定大小及成形以致能多模式天線(10)之初級輻射元件(11)之高度的減小。第一輻射元件(11)之細長條帶元件(11c)之尺寸可經調諧以調整天線之阻抗匹配，尤其在操作頻寬中之較低頻率下。根據元件(11)及(12)之被形成為邊緣(11b)及(12c)的錐形尖端部分來達成寬頻帶阻抗變壓器。間隙G顯著地控制阻抗匹配，尤其在較高頻率下。饋入點D1較佳地位於上部多邊形輻射元件(11)之底部邊緣(11b)的大約中點處。饋入點之位置亦影響阻抗匹配。
根據本發明之例示性實施例，使用圖2中示意性地說明之技術，可將圖1A至圖1D中所描繪之例示性多模式天線(10)內嵌於膝上型電腦之顯示器單元內。圖2為一膝上型顯示器單元(50)之側面示意圖，其包含一內嵌式多模式天線結構，諸如，圖1A至圖1D中所描繪之例示性多模式天線(10)。顯示器單元(50)包含一顯示器蓋(51)及一顯示面板(52)(例如，LCD)。顯示器蓋(51)包含一背部部分(51a)及側壁部分(51b)。顯示面板(52)經展示成具有厚度t1，且使用一金屬顯示面板框(未圖示)而緊固至顯示器蓋(51)，使得一較小空間形成於顯示面板(52)之背側與顯示器蓋(51)之背部面板部分(51a)之間。顯示器蓋(51)可由金屬材料(諸如，鎂)、複合材料(CFRP)或塑膠材料(諸如，ABS)形成。視膝上型設計而定，為了電磁屏蔽之目的，可將一屏蔽板(未圖示)安置於顯示面板(52)之背側上。
如圖2中所描繪，藉由在顯示面板(52)之背側與顯示器蓋(51)之背部面板(51a)之內部表面之間插入天線基板(13)之第一基板部分P1，可將圖1C中所描繪之多模式天線(10)結構整合於膝上型顯示器單元(50)中。此外，將第一基板部分P1安置於顯示面板(52)之背側與蓋(51)之背部面板(51a)之內部表面之間，使得次級輻射元件(12)之第二部分(12a)不接觸金屬物件。當顯示器蓋(51)由金屬形成時，可使用絕緣膠帶來覆蓋次級輻射元件部分(12a)及(12b)，以確保無與顯示器單元(50)之金屬蓋或其他金屬或接地元件之接觸。
另外，移除顯示器蓋(51)之側壁(51b)之一部分，使得基板部分P2、P3及P4以及基板部分P1之末端區域越過顯示器蓋(51)之側壁(51b)之外部表面突出一距離d。如圖2中所描繪，第二基板部分在彎曲線B1與B2之間的高度H經選擇以使得天線結構並不延伸越過顯示器蓋(51)之上部表面。較佳的係使第一輻射元件(11)安置於顯示器(52)之表面平面上方以達成較高的輻射效率。
為了測試及判定根據本發明之一例示性實施例之低構形多模式天線的電特性及特徵，基於圖1A至圖1D中所描繪之例示性多模式天線構架來建構一原型天線以提供約1 GHz至約11 GHz之操作頻寬，其中將該原型內嵌於諸如圖2中所描繪的膝上型應用之顯示器單元中。原型天線基板(13)係由經圖案化以形成天線元件(11)及(12)及支撐結構(14)的具有1盎司(oz)銅之可撓性聚醯亞胺基板材料製成。參看圖1B，聚醯亞胺基板(13)經形成為具有尺寸L＝105 mm、W＝70 mm及6密耳(mil)之厚度。此外，以下原型多模式天線經建構成具有以下尺寸：L1＝47 mm、L2＝67 mm、L3＝23 mm、L4＝55 mm、L5＝46 mm、L6＝22 mm、L7＝4 mm、H＝12 mm、H1＝3 mm、H2＝4 mm、H3＝4 mm、H4＝2 mm及G＝1 mm。
藉由使用圖2中所描繪之方法，在顯示器單元之上部右區域中，將原型多模式天線安裝於一具有鎂顯示器蓋之IBM ThinkPad膝上型電腦中。該電腦之顯示器單元具有15 mm之高度(內部)之蓋側壁。該蓋側壁具有一形成於安裝有原型多模式天線之處的狹槽。具有55 mm之長度之RF饋入電纜經安裝穿過金屬蓋以饋入多模式天線。顯示面板之框架至天線(底部)之間的最小距離為約3 mm。顯示面板(圖2中之51)之厚度t1為約5 mm。原型多模式天線位於/經定向於如圖2中所描繪之顯示器單元(50)外殼內。該多模式天線經安置成使得第二基板部分P2越過蓋側壁(51b)延伸一距離d＝5 mm。
藉由安裝於消音室中之原型膝上型電腦中的原型多模式天線來執行電壓駐波比(VSWR或僅SWR)及輻射量測。圖3用圖表說明在1 GHz－11 GHz之頻率範圍上安裝於膝上型顯示器中之原型多模式天線之所量測的SWR。如圖3所示，例示性原型多模式天線提供充分的SWR頻寬(3：1)以覆蓋多個頻帶，包括GPS頻帶(1.5 GHz)、PCS頻帶(1800/1900)、2.4－2.5 GHz ISM頻帶、5 GHz WLAN頻帶及UWB頻帶(3.1 GHz－10.6 GHz)在內。藉由約2英吋之低損耗同軸電纜來量測SWR。在實際膝上型應用中，同軸電纜通常為大於50 cm長且在2.4 GHz之頻率下歸因於其較小直徑而具有大於1 dB之損耗，且因此，收發器處之SWR為2：1或較佳。
圖4用圖表說明對於例示性原型天線在1~10 GHz之頻率範圍上而採取的峰值增益及平均增益(單位為dBi)量測。虛線說明所量測之峰值增益，且實曲線說明相對於基座單元而將膝上型顯示器單元打開90度時在水平面上的金屬顯示器蓋中之原型的平均增益。在水平面(圖2中之y－z平面)中，在360度上界定平均增益。發現所量測之峰值增益及平均增益值在頻帶上變化不多。峰值及平均增益分別高於0 dBi及－4 dBi，其足夠用於所有無線標準。
發現原型多模式天線之所量測之增益值比藉由典型的膝上型天線可獲得之增益值要好得多。在具有由ABS及CFRP材料形成之顯示器蓋的其他膝上型顯示器單元中測試例示性原型多模式天線。與鎂顯示器蓋相比，發現ABS及CFRP膝上型顯示器蓋中之原型多模式天線之所量測的平均及峰值增益分別稍高及稍低。
圖5A及圖5B示意性地說明根據本發明之另一例示性實施例的低構形多模式天線。更具體言之，圖5A及圖5B為具有第一輻射元件(11)及第二輻射元件(12)之低構形多模式天線結構(50)的示意性平面圖，其中結構類似於如以上所論述之例示性多模式天線(10)的結構，其提供在1.5－10.6 GHz頻帶中之寬頻操作。例示性多模式天線(20)進一步包含一提供在800/900 MHz頻帶中之操作的第三平坦輻射元件(21)。
詳言之，第三平坦輻射元件(21)為一在邊緣(11b)處之饋入點附近連接至初級輻射元件(11)的分枝輻射元件。分枝輻射元件(21)包含第一細長條帶部分(21a)、第二細長條帶部分(21b)及連接側部分(21c)。第一細長條帶部分(21a)沿著第一輻射元件(11)之楔形邊緣T2而延伸，且藉由連接側部分(21c)而連接至第二細長條帶部分(21b)。第二細長條帶部分(21b)沿著彎曲線B3而沿著第一輻射元件(11)之上部邊緣延伸，且終止於基板邊緣E4附近之開口末端處。
分枝輻射元件(21)之元件(21b)及(21c)的總長度判定800/900 MHz之頻帶共振頻率。可使用短路元件(22)以在第一輻射元件(11)與分枝輻射元件(21)上之一點之間提供短連接，以有效地改變分枝輻射元件(21)之電長度且因此調諧分枝輻射元件(21)之共振頻率。可使用一可沿著彎曲線B1、B2及(視情況)B3而彎曲以形成諸如圖1C中所說明之天線構形的可撓性基板(13)來形成多模式天線(20)。
為了測試及判定具有如圖5A及圖5B中所描繪之構架之低構形多模式天線的電特性及特徵，一原型多模式天線經建構以提供約800 MHz至10.6 GHz之操作頻寬，其中將該原型內嵌於諸如圖2中所描繪的膝上型應用之顯示器單元中。原型天線基板(13)係由經圖案化以形成天線元件(11)、(12)、(21)及支撐結構(14)的具有1盎司銅之可撓性聚醯亞胺基板材料製成。
參看圖5B，聚醯亞胺基板(13)經形成為具有尺寸L＝105 mm、W＝70 mm及6密耳之厚度。此外，以下原型多模式天線經建構成具有以下尺寸：L1＝52 mm、L2＝62 mm、L3＝28 m、L4＝50 mm、L5＝54 mm、L6＝17 mm、L7＝4 mm、L8＝28 mm、L9＝21 mm及L10＝12 mm、H＝12 mm、H1＝3 mm、H2＝4 mm、H3＝4 mm、H4＝2 mm及G＝1 mm。原型多模式天線位於/經定向於諸如圖2中示意性地描繪之顯示器單元(50)外殼中。該多模式天線經安置成使得第二基板部分P2越過蓋側壁(51b)延伸一距離d＝5 mm。
藉由安裝於具有鎂顯示器蓋之原型膝上型顯示器中的原型多模式天線來執行電壓駐波比量測。圖6用圖表說明在0.8 GHz－11 GHz之頻率範圍上原型多模式天線之所量測的SWR。圖6說明：該原型多模式天線在800/900 MHz頻帶下為共振的。分枝輻射元件(21)對1.5－10.6 GHz頻帶具有某一影響，其可藉由增加第一輻射元件(11)與分枝輻射元件(21)之間的間隙而最小化或減小。應瞭解，例示性多模式天線(20)提供有效地覆蓋自800 MHz至10.6 GHz之所有無線通信標準的另一低成本天線設計。
圖7示意性地說明根據本發明之另一例示性實施例的低構形多模式天線。更具體言之，圖7說明具有第一輻射元件(11)、第二輻射元件(12)及第三輻射元件(21)之低構形多模式天線結構(30)，其中結構類似於如以上所論述之例示性多模式天線(20)的結構。例示性多模式天線(30)進一步包含一第四平坦輻射元件(31)以進一步改良在800/900 MHz頻帶覆蓋中之操作的第二頻帶效能。
詳言之，第四平坦輻射元件(31)為一在邊緣(11b)處之饋入點附近連接至邊緣(12c)處之次級輻射元件(12)的耦接輻射元件。耦接輻射元件(31)包含一沿著第一輻射元件(11)之楔形邊緣T3而延伸的第一細長條帶部分(31a)，及一沿著初級輻射元件(11)之細長條帶部分(11c)而延伸且終止於基板邊緣E4附近之開口末端處的第二細長條帶部分(31b)。耦接輻射器之電長度可經選擇以具有在800/900 MHz頻帶中之共振頻率，以提供在此頻帶中之操作的較寬頻寬。
應理解，以上所述之例示性寬頻多模式天線僅為說明性實施例，且一般熟習此項技術者可易於預見可基於本文中之教示而建構之其他多模式天線構架。舉例而言，第一(初級)輻射器元件可經修改以基於(例如)可用空間、所要天線高度、操作頻率範圍、在操作頻帶中之某些頻率下的輻射度等等而具有不同類型之不對稱形狀。就平坦輻射器而言，咸信，大多數輻射發生於平坦輻射器之邊緣附近，藉以輻射器邊緣之具有成形器不連續性的區域提供增加之輻射點，而具有平滑邊緣之平坦輻射器沿著該等邊緣而提供較均勻之輻射。不對稱形狀傾向於增加操作頻寬。咸信不對稱結構防止元件上電流分布之取消。
雖然次級輻射元件之形狀並不顯著地影響天線效能，但此等元件之楔形形狀致能寬頻操作。次級輻射元件之平滑彎曲邊緣可用以提供相對於較寬頻寬之稍微增加的效能，但如以上所述，次級輻射元件對輻射具有極小貢獻，且較大尺寸改變會提供天線電特徵之較小改變。
雖然本文中已參看隨附圖式而描述了說明性實施例，但應理解，本發明不限於彼等精確實施例，且在不脫離本發明之範疇的情況下，熟習此項技術者可在其中實現各種其他改變及修改。
11．．．第一輻射元件/初級輻射元件/天線元件
11a．．．錐形部分/第一部分
11b．．．邊緣
11c．．．細長條帶元件/細長條帶部分/延伸條帶/底部邊緣/細長金屬條帶/第二部分
12．．．第二輻射元件/次級輻射元件/天線元件
12a．．．第一部分/次級輻射元件部分
12b．．．第二部分/次級輻射元件部分
12c．．．邊緣
13．．．基板/天線基板/可撓性基板/聚醯亞胺基板/原型天線基板
14．．．支撐結構/矩形銅襯墊
15．．．金屬背板
16．．．同軸線/同軸電纜
20．．．多模式天線
21．．．第三平坦輻射元件/第三輻射元件/分枝輻射元件/天線元件
21a．．．第一細長條帶部分
21b．．．第二細長條帶部分
21c．．．連接側部分
22．．．短路元件
31．．．第四平坦輻射元件
31a．．．第一細長條帶部分
31b．．．第二細長條帶部分
50．．．膝上型顯示器單元/低構形多模式天線結構
51．．．顯示器蓋
51a．．．背部面板部分
51b．．．蓋側壁
52．．．顯示面板/顯示器
80－1．．．鏡面錐形元件
80－2．．．3D盤形元件
80－3．．．平坦條帶元件/平坦條帶
80－4．．．不對稱形元件
81－1．．．鏡面錐形元件
81－2．．．平坦錐形元件
81－3．．．元件
B1 ．．．彎曲線
B2 ．．．彎曲線
B3 ．．．彎曲線
d．．．距離
E1 ．．．第一基板邊緣
E2 ．．．第二基板邊緣
E3 ．．．基板邊緣/側邊緣
E4 ．．．基板邊緣/側邊緣
F．．．中心饋入
G．．．間隙距離
H．．．高度
H1 ．．．高度
H2 ．．．高度
H3 ．．．高度
H4 ．．．高度
L．．．長度
L1 ．．．長度
L2 ．．．長度
L3 ．．．長度
L4 ．．．長度
L5 ．．．長度
L6 ．．．長度
L7 ．．．長度
L8 ．．．長度
L9 ．．．長度
L10 ．．．長度
P1 ．．．第一基板部分
P2 ．．．第二基板部分
P3 ．．．第三基板部分
P4 ．．．第四基板部分
t1 ．．．厚度
T1 ．．．楔形邊緣
T2 ．．．楔形邊緣
T3 ．．．楔形邊緣
T4 ．．．楔形邊緣
W．．．寬度
圖1A至圖1D示意性地說明根據本發明之一例示性實施例的多模式天線。
圖2示意性地說明根據本發明之一例示性實施例的用於將多模式天線整合至膝上型電腦之顯示器單元中之方法。
圖3用圖表說明對於基於圖1A至圖1D中所描繪之例示性構架而建構且內嵌於具有鎂顯示器蓋之膝上型電腦之顯示器單元中的例示性第一原型內嵌式多模式天線在1~11 GHz之頻率範圍上而採取的駐波比(SWR)量測。
圖4用圖表說明對於例示性第一原型內嵌式多模式天線在1~10 GHz之頻率範圍上而採取的峰值增益及平均增益(單位為dBi)之量測。
圖5A及圖5B示意性地說明根據本發明之另一例示性實施例的多模式天線。
圖6用圖表說明對於基於圖5A及圖5B中所描繪之例示性構架而建構且內嵌於具有鎂顯示器蓋之膝上型電腦之顯示器單元中的例示性第二原型內嵌式多模式天線在0.8 GHz~11 GHz之頻率範圍上而採取的駐波比(SWR)量測。
圖7示意性地說明根據本發明之另一例示性實施例的多模式天線。
圖8A至圖8D為說明各種天線實施例之演變以演示根據本發明之例示性實施例的低構形多模式天線之設計原理的示意圖。
11．．．第一輻射元件/初級輻射元件/天線元件
11a．．．錐形部分/第一部分
11b．．．邊緣
11c．．．細長條帶元件/細長條帶部分/延伸條帶/底部邊緣/細長金屬條帶/第二部分
12．．．第二輻射元件/次級輻射元件/天線元件
12a．．．第一部分/次級輻射元件部分
12b．．．第二部分/次級輻射元件部分
12c．．．邊緣
13．．．基板/天線基板/可撓性基板/聚醯亞胺基板/原型天線基板
14．．．支撐結構/矩形銅襯墊
15．．．金屬背板
16．．．同軸線/同軸電纜
B1 ．．．彎曲線
B2 ．．．彎曲線
B3 ．．．彎曲線
E1 ．．．第一基板邊緣
E2 ．．．第二基板邊緣
E3 ．．．基板邊緣/側邊緣
E4 ．．．基板邊緣/側邊緣
P1 ．．．第一基板部分
P2 ．．．第二基板部分
P3 ．．．第三基板部分
P4 ．．．第四基板部分
T1 ．．．楔形邊緣
T2 ．．．楔形邊緣
T3 ．．．楔形邊緣
T4 ．．．楔形邊緣

Claims (35)

  1. 一種天線，包含：一平坦基板，其具有第一及第二相對基板表面；一第一平坦輻射元件及一第二平坦輻射元件，其形成於該平坦基板之該第一表面上；其中該第一平坦輻射元件具有一不對稱形圖案，其包含一第一多邊形圖案及一自該第一多邊形圖案延伸之細長條帶圖案，其中該第一平坦輻射元件包含一界定該第一多邊形圖案之一部分的第一邊緣，及一界定該第一多邊形圖案及該細長條帶圖案之一部分的第二邊緣；其中該第二平坦輻射元件具有一不對稱形圖案，其包含一部分地由該第二平坦輻射元件之一第一邊緣所界定的第二多邊形圖案；其中該第一及該第二平坦輻射元件安置於該平坦基板之該第一表面上，使得該第一平坦輻射元件之該第一邊緣鄰近於該第二平坦輻射元件之該第一邊緣且與該第二平坦輻射元件之該第一邊緣間隔分離。
  2. 如請求項1之天線，其中該天線為一平坦盤錐形天線，其中該第一平坦輻射元件為一不對稱形平坦盤形元件，且其中該第二平坦輻射元件為一不對稱形平坦錐形元件，其具有一由該第二平坦輻射元件之該第一邊緣所界定的錐形尖端。
  3. 如請求項1之天線，其中該天線為一平坦雙錐形天線，其中該第一平坦輻射元件為一不對稱形平坦錐形元件， 其具有一由該第一平坦輻射元件之該第一邊緣所界定的第一錐形尖端，且其中該第二平坦輻射元件為一不對稱形平坦錐形元件，其具有一由該第二平坦輻射元件之該第一邊緣所界定的第二錐形尖端。
  4. 如請求項1之天線，其中該平坦基板為一可撓性基板，其沿著至少一第一彎曲線及一第二彎曲線而彎曲以界定非共平面的一第一基板部分、一第二基板部分及一第三基板部分，其中該第一彎曲線使該第一與該第二基板部分分離，且其中該第二彎曲線使該第二與該第三基板部分分離。
  5. 如請求項4之天線，其中該第一彎曲線延伸穿過該第二平坦輻射元件，其中該第二彎曲線延伸穿過該第一平坦輻射元件，且其中該第一及該第二平坦輻射元件之該等第一邊緣安置於該第二基板部分中。
  6. 如請求項4之天線，其中該第一與該第二基板部分大體上正交，且其中該第二與該第三基板部分大體上正交。
  7. 如請求項4之天線，其中該可撓性基板沿著一沿著該第一平坦輻射元件之該第二邊緣而延伸之第三彎曲線彎曲。
  8. 如請求項1之天線，進一步包含一金屬背板圖案，其安置於該基板之一第二表面上且在該平坦基板之該第一表面上對準至該第一平坦輻射元件之一部分。
  9. 如請求項1之天線，進一步包含一單一饋入探針，其沿著該第一平坦輻射元件之該第一邊緣而連接至一中點。
  10. 如請求項1之天線，其中該天線在約1 GHz至約11 GHz之一頻寬上操作。
  11. 如請求項1之天線，其中該天線在約0.8 GHz至約11 GHz之一頻寬上操作。
  12. 一種具有內嵌於一顯示器單元中之如請求項6之天線之膝上型電腦，其中該第一基板部分安置於一顯示面板與顯示器蓋之間，且其中該第二基板部分安置於該顯示器蓋之一側壁的外部且大體上平行於該顯示器蓋之一側壁。
  13. 一種天線，包含：一平坦基板，其具有第一及第二相對基板表面；一第一平坦輻射元件、一第二平坦輻射元件及一第三平坦輻射元件，其形成於該平坦基板之該第一表面上；其中該第一平坦輻射元件具有一不對稱形圖案，其包含一第一多邊形圖案及一自該第一多邊形圖案延伸之細長條帶圖案，其中該第一平坦輻射元件包含界定該第一多邊形圖案之一部分的一第一邊緣及一第二邊緣，及一界定該第一多邊形圖案及該細長條帶圖案之一部分的第三邊緣；其中該第二平坦輻射元件具有一不對稱形圖案，其包含一部分地由該第二平坦輻射元件之一第一邊緣所界定的第二多邊形圖案；其中該第一及該第二平坦輻射元件安置於該平坦基板之該第一表面上，使得該第一平坦輻射元件之該第一邊 緣鄰近於該第二平坦輻射元件之該第一邊緣且與該第二平坦輻射元件之該第一邊緣間隔分離，且其中該第三平坦輻射元件為一連接至該第一平坦輻射元件之細長分枝元件，其中該細長分枝元件之至少一部分經安置成鄰近於該第一平坦輻射元件之該第二邊緣且與該第一平坦輻射元件之該第二邊緣間隔分離。
  14. 如請求項13之天線，其中該細長分枝元件之至少一部分經安置成鄰近於該第一平坦輻射元件之該第三邊緣之至少一部分且與該第一平坦輻射元件之該第三邊緣之至少一部分間隔分離。
  15. 如請求項13之天線，其中該天線為一平坦盤錐形天線，其中該第一平坦輻射元件為一不對稱形平坦盤形元件，且其中該第二平坦輻射元件為一不對稱形平坦錐形元件，其具有一由該第二平坦輻射元件之該第一邊緣所界定的錐形尖端。
  16. 如請求項13之天線，其中該天線為一平坦雙錐形天線，其中該第一平坦輻射元件為一不對稱形平坦錐形元件，其具有一由該第一平坦輻射元件之該第一邊緣所界定的第一錐形尖端，且其中該第二平坦輻射元件為一不對稱形平坦錐形元件，其具有一由該第二平坦輻射元件之該第一邊緣所界定的第二錐形尖端。
  17. 如請求項13之天線，其中該平坦基板為一可撓性基板，其沿著至少一第一彎曲線及一第二彎曲線而彎曲以界定非共平面的一第一基板部分、一第二基板部分及一第三 基板部分，其中該第一彎曲線使該第一與該第二基板部分分離，且其中該第二彎曲線使該第二與該第三基板部分分離。
  18. 如請求項17之天線，其中該第一彎曲線延伸穿過該第二平坦輻射元件，其中該第二彎曲線延伸穿過該第一及該第三平坦輻射元件，且其中該第一及該第二平坦輻射元件之該等第一邊緣安置於該第二基板部分中。
  19. 如請求項17之天線，其中該第一與該第二基板部分大體上正交，且其中該第二與該第三基板部分大體上正交。
  20. 如請求項17之天線，其中該可撓性基板沿著一沿著該第一平坦輻射元件之該第三邊緣而延伸之第三彎曲線彎曲。
  21. 如請求項13之天線，進一步包含一金屬背板圖案，其安置於該基板之一第二表面上且在該平坦基板之該第一表面上對準至該第一平坦輻射元件之一部分。
  22. 如請求項13之天線，進一步包含一單一饋入探針，其沿著該第一平坦輻射元件之該第一邊緣而連接至一中點。
  23. 如請求項13之天線，其中該天線在約0.8 GHz至約11 GHz之一頻寬上操作。
  24. 一種具有內嵌於一顯示器單元中之如請求項19之天線之膝上型電腦，其中該第一基板部分安置於一顯示面板與顯示器蓋之間，且其中該第二基板部分安置於該顯示器蓋之一側壁的外部且大體上平行於該顯示器蓋之一側壁。
  25. 一種天線，包含：一平坦基板，其具有第一及第二相對基板表面；一第一平坦輻射元件、一第二平坦輻射元件、一第三平坦輻射元件及一第四平坦輻射元件，其形成於該平坦基板之該第一表面上；其中該第一平坦輻射元件具有一不對稱形圖案，其包含一第一多邊形圖案及一自該第一多邊形圖案延伸之細長條帶圖案，其中該第一平坦輻射元件包含界定該第一多邊形圖案之一部分的一第一邊緣、第二邊緣及第三邊緣，及一界定該第一多邊形圖案及該細長條帶圖案之一部分的第四邊緣；其中該第二平坦輻射元件具有一不對稱形圖案，其包含一部分地由該第二平坦輻射元件之一第一邊緣所界定的第二多邊形圖案；其中該第一及該第二平坦輻射元件安置於該平坦基板之該第一表面上，使得該第一平坦輻射元件之該第一邊緣鄰近於該第二平坦輻射元件之該第一邊緣且與該第二平坦輻射元件之該第一邊緣間隔分離，其中該第三平坦輻射元件為一連接至該第一平坦輻射元件之細長分枝元件，其中該細長分枝元件之至少一部分經安置成鄰近於該第一平坦輻射元件之該第二邊緣且與該第一平坦輻射元件之該第二邊緣間隔分離；且其中該第四平坦輻射元件為一連接至該第二平坦輻射元件之細長耦接元件，其中該細長耦接元件之至少一部 分經安置成鄰近於該第一平坦輻射元件之該第三邊緣且與該第一平坦輻射元件之該第三邊緣間隔分離。
  26. 如請求項25之天線，其中該細長分枝元件之至少一部分經安置成鄰近於該第一平坦輻射元件之該第四邊緣之至少一部分且與該第一平坦輻射元件之該第四邊緣之至少一部分間隔分離。
  27. 如請求項26之天線，其中該第一平坦輻射元件包含一界定該細長條帶圖案之一部分的第五邊緣，且其中該細長分枝元件之至少一部分經安置成鄰近於該第一平坦輻射元件之該第五邊緣之至少一部分且與該第一平坦輻射元件之該第五邊緣之至少一部分間隔分離。
  28. 如請求項25之天線，其中該天線為一平坦盤錐形天線，其中該第一平坦輻射元件為一不對稱形平坦盤形元件，且其中該第二平坦輻射元件為一不對稱形平坦錐形元件，其具有一由該第二平坦輻射元件之該第一邊緣所界定的錐形尖端。
  29. 如請求項25之天線，其中該天線為一平坦雙錐形天線，其中該第一平坦輻射元件為一不對稱形平坦錐形元件，其具有一由該第一平坦輻射元件之該第一邊緣所界定的第一錐形尖端，且其中該第二平坦輻射元件為一不對稱形平坦錐形元件，其具有一由該第二平坦輻射元件之該第一邊緣所界定的第二錐形尖端。
  30. 如請求項25之天線，其中該平坦基板為一可撓性基板，其沿著至少一第一彎曲線及一第二彎曲線而彎曲以界定 非共平面的一第一基板部分、一第二基板部分及一第三基板部分，其中該第一彎曲線使該第一與該第二基板部分分離，且其中該第二彎曲線使該第二與該第三基板部分分離。
  31. 如請求項30之天線，其中該第一彎曲線延伸穿過該第二平坦輻射元件，其中該第二彎曲線延伸穿過該第一、該第三及該第四平坦輻射元件，且其中該第一及該第二平坦輻射元件之該等第一邊緣安置於該第二基板部分中。
  32. 如請求項30之天線，其中該第一與該第二基板部分大體上正交，且其中該第二與該第三基板部分大體上正交。
  33. 如請求項31之天線，其中該可撓性基板沿著一沿著該第一平坦輻射元件之該第四邊緣而延伸之第三彎曲線彎曲。
  34. 如請求項25之天線，進一步包含一金屬背板圖案，其安置於該基板之一第二表面上且在該平坦基板之該第一表面上對準至該第一平坦輻射元件之一部分。
  35. 一種具有內嵌於一顯示器單元中之如請求項32之天線之膝上型電腦，其中該第一基板部分安置於一顯示面板與顯示器蓋之間，且其中該第二基板部分安置於該顯示器蓋之一側壁的外部且大體上平行於該顯示器蓋之一側壁。
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