TWI419410B - 手提式精巧天線 - Google Patents

Description

手提式精巧天線

本發明係關於一種手提式精巧天線，尤指設計來接收電視訊號之天線，特別是手提電腦、PDA(個人助理)等手提式電子裝置，或需要天線接收電磁訊號的任何其他類似裝置。

在現時附件市場上，有些設備項目可接收直接在膝上型電腦上的數位地球電視(TNT)用之訊號。接收在膝上型電腦上的數位地球電視訊號之優點，在於該電腦把數位影像解碼之電算功率，尤其是以MPEG2或MPEG4格式將數位影像流動加以解碼。此項設備最常見的市場形式是，一單位有二界面，即一RF(射頻)無線電界面，供連接至室內或室外VHF－UHF天線，另一USB界面，供連接至電腦。

現時市售裝置一般是由分離式天線構成，諸如鞭式或環式天線，安裝在帶有USB連接器之單位。

在2005年4月20日申請的法國專利申請案05 51009號中，申請人倡議一種精巧寬帶天線，覆蓋整個UHF帶，由偶極型天線構成。天線與電子卡關聯，後者可接至手提式裝置，尤其是使用USB型連接器。

更具體而言，法國專利申請案05 51009號所載天線，包括第一和第二導電臂，分開供應，其中一臂稱為第一臂，形成電子卡之至少一蓋部。更具體言之，第一臂呈盒型，內插電子卡，包括由偶極型天線所接收訊號之處理電路。此等電路最通常連接於USB型連接器，得以連接到膝上型電腦或任何其他類似裝置。

本申請案擬議之解決方案，涵蓋全UHF帶。然而，為了能提供最廣覆蓋此類產品，最要的是除UHF帶(470－862 MHz)外，至少能夠接收VHF－III帶(174－225...230 MHz)，有些國家，像德國或義大利，繼續在此廣播數位多工。

所以，本發明係關於一種手提式精巧天線，可符合此項要件。

本發明手提式精巧天線，包括偶極型第一輻射天線，在第一頻率帶內操作，由第一導電臂和分開供應的至少一個第二導電臂所形成，第一臂稱為冷臂，形成電子卡用之至少一蓋部，其特徵為，第二臂稱為熱臂，利用電線元件延長，由第一臂、第二臂和電線元件形成的總成長度，可選用來提供在第二頻率帶內操作。

按照本發明一特徵，總成長度等於λ2/(2×(1＋α))，其中λ2是第二頻率帶中心頻率之波長，α為介於0和1間的係數。係數最好介於0.5和0.2之間。此係數用來調節天線之理論共鳴頻率相對於獲得阻抗相配之方式所用的頻率。

按照本發明一較佳具體例，第一頻率帶是UHF帶，而第二頻率帶是VHF帶，以VHF－III帶為佳。

為了在UHF帶操作，第一和第二臂各長等於λ1/4，其λ1為第一頻率帶(即UHF帶)中心頻率帶之波長。

按照一具體例，電線元件設在熱臂內。按照另一具體例，電線元件是由在套筒內與熱臂成為一體之伸縮段所形成。

此外，欲得以多樣化操作之天線，第一輻射元件包括二個第二臂，安裝成在第一臂之一極端轉動，各第二臂利用電線元件延長。

本發明其他特徵和優點，參照附圖說明不同的具體例，即可明白。

為簡化說明起見，同樣元件在圖上以同樣參考號碼表示。

參見第1圖，先說明偶極型天線之具體例，可用來順應本申請人在法國專利申請案05 51009號所載，在膝上型電腦或類似裝置接收地球數位電視。

如第1圖所示，此偶極型天線包括第一導電臂1(亦稱為冷臂)和第二導電臂2(亦稱為熱臂)，二臂利用位於各臂一極端的關節區3，將彼此連接。

更具體而言，臂1明顯呈盒型，尤其是可接收電子卡。盒有一部份1a為明顯長方形，以逐漸開口的彎曲部份1b延長，使能量逐漸輻射，增加阻抗，在寬頻帶全面相配。臂1長等於λ1/4，其中λ1為中心操作頻率之波長。因此，臂1長趨近112 mm，以便在UHF帶(介於470和862 MHz間之頻率帶)內操作。

如第1圖所示，天線包括第二臂2，安裝成繞軸線或銷3轉動，後者亦為天線對訊號處理電路之連接點，即圖上未示之電子卡插入臂1形成之盒內。天線的電氣連接是以金屬股線為之，例如共軸式或類似纜索，而轉動軸線是由對電磁波較透明之材料製成。

如第1圖所示，可繞銷3關節運動的臂2長度，顯示等於λ1/4。臂2亦有彎曲造型，接著是平坦長方形組件，可反摺，在關閉位置完全貼緊臂1。臂2安裝成在3相對於臂1轉動，如此可修飾臂2的導向，使接收電視訊號最佳。

第1圖展示的天線維度，可在UHF帶內操作。然而，為保證最寬的可能商業涵蓋率，有益的是此類天線除UHF頻率帶外，可接收VHF頻率帶，尤指VHF－III頻率帶(174－225...230 MHz)，有些國家，諸如德國或義大利繼續在其中廣播數位多工。

因此，第2圖表示本發明天線之第一具體例，可兼在UHF和VHF帶內發揮功能，詳後。連接於訊號處理電路，則在銷3的位準為之。

如第2圖所示，本發明天線包含第一臂1或冷臂，如第1圖天線之臂1，呈盒型。此臂1由臂2或熱臂，利用銷或軸線3連接至轉動臂1。

按照本發明且如第2圖所示，熱臂2利用電線元件或股線4延長。由臂1、臂2和電線元件4構成的總成，是由導電性材料製成，以金屬或金屬化材料為佳。

按照本發明和參見第3圖所詳述，總長度，亦即臂1、臂2和電線元件4所形成總成之電氣長度，可選用使阻抗配合VHF－III(174－230 MHz)和UHF(470－862 MHz)帶內之天線。因此，總成顯然等於0.5×λ2/(1＋α)，其中λ2是VHF－III帶中心頻率之波長，而α為介於0和1間之係數，以介於0.15和0.2之間為佳，此係數用來調節天線理論共鳴頻率相對於使用頻率，得以提供其阻抗配合，詳後說明。為了能夠接收UHF帶，如上述參照第1圖的說明，臂1和臂2顯然等於長度L1和L2，使L1λ1/4，而L2λ1/4，其λ1為UHF帶中心頻率之波長。因此，對666 MHz的中心UHF頻率而言，偶極各臂1和2之長度，顯然等於11公分。

為確保在VHF帶內操作，如第3圖所示，臂1、臂2和電線元件4構成的總成之總長度，等於大約λ2/2(2×(1＋α))，其中λ2是VHF帶中心頻率之波長。又以介於0.15和0.2之間為佳。此意即阻抗配合，天線頻率比中心頻率稍高，即ff2×(1＋α)。事實上，此項移位在維持良好效率情形下，使天線可與作業頻率呈阻抗配合。誠然，如第4圖所示，天線展示的阻抗共鳴高，即想像部份無效。此阻抗值大約1000歐姆。故對例如50或75歐姆的負載阻抗，難以配合天線。欲得較低天線阻抗，可查尋位於共鳴頻率以上的較低操作頻率。然而，為減小電線元件之尺寸，在共鳴頻率以下操作天線相當好；此即何以選用作業頻率以上之共鳴頻率，以縮小天線尺寸。

因此，如第3圖所示，電線元件4長度等於L30.5×λ2/(1＋α)－λ2/2。所以，對VHF帶F2＝200 MHz和係數α＝0.175之操作頻率而言，可得電線元件長度在41公分左右。以上述具體例，在VHF帶內，可見天線呈不對稱偶極。

此外，在UHF頻率，由電線元件帶到熱臂(即臂2)邊緣的電氣阻抗平面，等於開口電路平面，所以對UHF頻率頗為透明。使用上述設計規劃，在熱臂極端加金屬元件，對UHF帶內天線的操作，很少干擾。

參見第5至10圖，說明上述本發明天線所得模擬結果。天線模擬是以Zeland的IE3D軟體進行。模擬所用材料以導電係數4.9×10⁷ (S/m)和厚度35 μm界定。第6圖阻抗配合網路最適化，是以Agilent科技的ADS軟體進行。

第5圖表示二阻抗配合曲線，其一為模擬天線的S11反應，無阻抗配合網路，另一為具有第6圖所示阻抗配合網路的模擬天線S11反應。阻抗配合網路是由阻抗Z構成，圖示具體例中Zc值＝75歐姆。其中包括自行阻抗L1，串聯安裝在天線A和阻抗Z之間。自行阻抗L1值為20 nH。此阻抗配合網路使阻抗配合於75歐姆負載，不論VHF和UHF帶。第5圖表示在二VHF和UHF頻率帶，利用阻抗配合網路所為S11的改進。分別在VHF和UHF頻率帶內的S11位準，即分別優於－0.7 dB和－4 dB，標記(m3,m7,m10和m12)特定天線以其阻抗配合網路最適化後所得S11位準。

此外，如第7圖所示，阻抗配合網路損失，在UHF帶內為2.5 dB，即介於470和862 MHz之間，在VHF帶內為8 dB，即介於174和230 MHz之間。

第8圖展示天線在二帶之增益，顯示VHF帶增益介於－6 dB和1.8 dB之間，而UHF帶增益介於0.5 dB和3 dB之間。

此外，第9圖展示天線在二帶之效率，天線在VHF帶的效率至少20%，在UHF帶至少58%。

再者，第10圖表示第2圖所示天線分別在UHF和VHF帶的模擬輻射圖型。模擬全方位圖型可以確證，天線在二種情況均有偶極型行為。

茲說明具體例之不同變化例。於此，第11圖表示第一變化例，其中電線元件是由伸縮元件4a,4b,4c構成。元件之一4a形成金屬套筒4a，固定於熱臂2，內插形成電線股線之另二元件4b,4c。如此只有在需要VHF帶接收時，使天線可用電線股線進行阻抗配合。在此情況下，UHF操作顯然與伸縮元件長度超出熱臂，對此臂極端實現開口電路之情況相同，使得伸縮元件較為透明。此外，位於金屬套筒4a位準的熱臂厚度略增，不會使UHF操作遜色，尤有進者，正如精於此道之士所知，增加偶極天線之容積，會導致增加阻抗配合帶。

第12圖表示本發明又一具體例。在此情況下，熱臂2特點為長孔2'，電線元件4插入其旁。此具體例可縮短電線元件長度。誠然，如第13圖所示，呈現天線阻抗有無長孔的真實和想像部份，可見加0.2 mm寬和9 cm長的長孔，共鳴頻率降低14 MHz。誠然，在同等共鳴頻率情況下，導電性電線元件長度降低4 cm。

長孔2a長度和電線元件減少之間的比例，視空中的導電性電線元件和電線元件沿臂2延長間之相對波長而定。

參見第14和15圖，說明導電性電線元件4位置對天線熱臂2之影響。誠然，導電性電線元件4在熱臂2延長線不一定張緊。第15圖展示第14圖所示三個位置V1,V2,V3的S11阻抗配合，可見不論電線元件4的位置如何，天線保持在VHF和UHF帶內全然可接受的行為。電線元件形狀之修飾，對指定接收頻道，天線的阻抗配合可得某種屈曲性。

參見第16圖，茲說明天線之特殊具體例，容許天線系統可得在UHF帶和VHF帶操作之多樣化。在此情況下，導電性冷臂1連接二熱臂，即2和2a。以第2圖具體例而言，各熱臂利用導電性電線股線(4,4')延長，在圖示具體例中，安裝於非導電性套筒5內，套筒5覆蓋二股線4和4'。此特殊具體例可形成環路，懸掛天線。此天線系統不同元件的維度，可就第2圖天線所述計算。

再者，參見第17圖說明電子卡之實施例，可使用本發明如第2圖所示天線。此電子卡的設計，可插入含有冷臂1的盒內，冷臂1做為蓋部或盒元件。此電子卡10包括LNA放大器11，天線的共軸纜索在關節3位準連接於此。LNA 11連接於加設調諧器12，兼處理VHF帶和UHF帶。調諧器12接至解調器13，其輸出接至USB界面14，其本身接至USB連接器15。所以，此系統可接天線至膝上型電腦或任何其他顯示元件之USB輸入，尤其是使地球數位電視，可在電腦、PDA或其他手提式裝置接收。

1．．．第一導電臂

2．．．第二導電臂

3．．．銷

4,4,'4a,4b,4c．．．電線元件

2',2a．．．長孔

5．．．導電性套筒

10．．．電子卡

11．．．LNA放大器

12．．．調諧器

14．．．USB界面

15．．．USB連接器

第1圖為本申請人在法國專利05 51009號所載天線之簡略透視圖；第2圖本發明天線第一具體例之簡略透視圖；第3圖為表示形成本發明天線的不同元件長度之圖；第4圖表示第3圖所提供維度的天線在VHF和UHF頻率帶上阻抗之真實和想像部份；第5圖表示二阻抗配合曲線，其一係天線無阻抗配合網路之S11反應，另一為天線有阻抗配合網路之S11反應；第6圖為獲得第5圖結果所用阻抗配合網路之S11反應；第7圖為表示阻抗配合網路損失之曲線圖；第8圖為表示VHF和UHF內天線增益之曲線圖；第9圖為表示VHF和UHF內天線效率之曲線圖；第10圖表示按照第3和4圖模擬天線所得，分別在UHF和UHF帶內之輻射圖型；第11圖為本發明天線另一具體例之簡略透視圖；第12圖為本發明天線又一具體例之一部份簡略透視圖；第13圖表示第12圖天線有無長孔的阻抗真實和想像部份之模擬結果；第14圖簡略表示第12圖天線的電線元件之不同導向；第15圖表示第14圖不同具體例之阻抗配合曲線圖；第16圖為本發明具體例可得多樣化之簡圖；第17圖為本發明天線所用電子卡之簡圖。

1．．．第一導電臂

2．．．第二導電臂

3．．．銷

4．．．電線元件

Claims (8)

1. 一種手提式寬帶精巧天線，包括偶極型第一輻射元件，在第一頻率帶操作，由第一導電臂(1)和至少一個第二導電臂(2)所形成，該第一和第二導電臂係分別供應第一臂，稱為冷臂，形成電子卡之至少一蓋部，其特徵為，第二輻射元件在第二頻率帶操作，由第一臂和第二臂利用導電線元件(4；4a,4b,4c)延長所構成，由第一臂、第二臂和線元件形成之總成長度，決定該第二頻率帶之數值，並等於λ2/(2×(1+α))，其中λ2係第二頻率帶在中心頻率之波長，而α為介於0和1間之係數者。
2. 如申請專利範圍第1項之天線，其中α係介於0.15和0.2之間者。
3. 如申請專利範圍第1或2項之天線，其中第一頻率帶為UHF帶，第二頻率帶為VHF帶者。
4. 如申請專利範圍第3項之天線，其中VHF頻率帶為VHF-III帶者。
5. 如申請專利範圍第1或2項之天線，其中電線元件(4)插於熱臂(2)內所設長孔(2')之旁者。
6. 如申請專利範圍第1或2項之天線，其中電線元件係由與熱臂(2)一體之套筒(4a)內伸縮元件(4a,4b,4c)形成者。
7. 如申請專利範圍第1或2項之天線，其中第一輻射元件包括二個第二臂(2,2')，安裝成在第一臂之一端轉動，各第二臂係以電線元件(4,4')延長者。
8. 如申請專利範圍第1或2項之天線，其中第一臂和第二臂各長度等於λ1/4，其中λ1係在第一頻率帶中心頻率之波長者。