TWI448006B - 具多頻帶之天線 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種天線設計,特別是指一種具多頻之天線設計。
為人所熟知地,天線為一種被設計用來傳送或接收電磁波轉換器(transducer)。換言之,天線將轉換電磁波為電流,反之亦然。廣泛來講,天線通常在空氣和外層空間中工作,也可以在水下運行,甚至在某些頻率下工作於土壤和岩石之中。
承上所述,在過去幾年,由於微帶天線所需尺寸極薄(約0.01~0.05 free-space wave length),相對於其他種類天線而言是最符合微機電製程,且具備了體積小、重量輕、厚度薄及低製造成本等優點,由於這些吸引人的特點,所以應用於許多軍事、太空梭、衛星及商業用途上。
一種如微帶天線此類型的PIFA天線結構被提出,如第1圖所示,典型PIFA天線結構1之結構示意圖,其結構如下所示,一天線主振盪體(長度約1/4 λ)11、一PIFA天線圓形F頭12,其中該F頭之頂部接地、由一帶狀線(stripline)及其延伸的一1/4圓弧stripline構成一饋線(feed line)13、一形成在PIFA天線圓形F頭內一孔洞(hole)14及一形成在PIFA天線主體呈橢圓形孔洞15。較詳細地說明為,一種PIFA單極天線則是在單極天線幅射體加入一與系統接地面端路的金
屬線,使得天線除了操作在四分之一波長的大小之外,還可以有效的達到良好的阻抗匹配。
但不幸地是,該PIFA天線頻寬及頻寬百分比皆不理想,因而限制其應用範圍。
針對習知PIFA天線之頻寬頻寬太小的缺失,本案之一目的係提供一種具多頻之天線,此一具多頻之天線包含界定出多個不同頻帶區段之一接地面、配置在該接地面上之一第一輻射元件,其中該第一輻射元件係包含一第一彎折區段及一第二彎折區段,該接地面自該第一彎折區段延伸,及自該第一輻射元件之該第二彎折區段所延伸的一第二輻射元件,即該第一輻射元件之該第一彎折區段與該接地面電性連接,該第一輻射元件之該第二彎折區段與該第二輻射元件電性連接,且該第二輻射元件之一前端具有一第一凸緣,及一末端具有一第二凸緣。該第一輻射元件更具有一饋入點電性連接至一信號源,該饋入點較佳者係設置於該第二彎折區段,又該饋入點較佳者係鄰近該接地面。其中調整該第二幅射元件的長度可以控制該天線的操作頻率,較佳者,調整該第二幅射元件自該第一凸緣至與該第一輻射元件之該第二彎折區段電性連接處的長度,可以控制該天線的操作頻率。又其中調整該第二幅射元件之該第一凸緣與該一第二凸緣的形狀和大小可以調整該天線的阻抗匹配,較佳者,該第二輻射元
件之該第一凸緣的面積大於該第二凸緣的面積,又較佳者,該第二輻射元件之該第一凸緣用於粗調該天線之阻抗匹配,且該第二輻射元件之該第二凸緣用於微調該天線之阻抗匹配。再者,該第二幅射元件約略與該接地面平行設置。又該第一輻射元件之該至少二個彎折區段與該接地面之間形成一凹陷部,該凹陷部用於調整該天線之阻抗匹配。
於一實施例中,將本案提出該天線連接於一電子裝置之一介面連接埠上時,其架構在該接地面之該等不同頻帶區段係根據與該介面連接埠之距離遠近進行調整,使其修正其頻率響應可達到應用的頻帶,可調整頻寬330MHz。
本案之又一目的係提供一種具多頻之天線,較此天線之結構詳細地敘述為,在該天線內該第一輻射元件係由一第一彎折區段及一第二彎折區段所構成,其中該第一彎折區段及該第二彎折區段皆包含至少一彎折角度,每一該彎折角度呈90度。
本案之又一目的係提供一種具多頻之天線,較此天線之結構詳細地敘述為,在該天線內該第一輻射元件係由一第一彎折區段及一第二彎折區段所構成,其中該第一輻射元件之該第一彎折區段與該接地面形成一凹陷部,可以調整該天線之阻抗匹配。
本案之另一目的係提供一種具多頻之天線,此一具多頻之天線包含界定出多個不同頻帶區段之一接地面、配置在該接地面上之一第一輻射元件包含至少二個彎折區段、位
於該第一輻射元件之該至少二個彎折區段的其中一之一饋入點,及自該第一輻射元件延伸的一第二輻射元件。其中,該饋入點電性連接至一信號源,該饋入點較佳者係鄰近該接地面設置於第一輻射元件。其中,該第二輻射元件呈一長條狀且其一前端具有一第一凸緣與一末端具有一第二凸緣,調整該第二幅射元件之該第一凸緣與該一第二凸緣的形狀和大小可以調整該天線的阻抗匹配,較佳者,該第二輻射元件之該第一凸緣用於粗調該天線之阻抗匹配,且該第二輻射元件之該第二凸緣用於微調該天線之阻抗匹配。其中,調整該第二幅射元件的長度可以控制該天線的操作頻率,較佳者,調整該第二幅射元件自該第一凸緣至與該第一輻射元件之該第二彎折區段電性連接處的長度,可以控制該天線的操作頻率。其中,該第二幅射元件較佳者約略與該接地面平行設置。其中,該天線內該第一輻射元件係由至少二個彎折區段所構成,每個該第一彎折區段及該第二彎折區段皆包含至少一彎折角度,該彎折區段皆至少包含一彎折角度。
於一實施例中,將本案提出該天線連接於一電子裝置之一介面連接埠上時,其架構在該接地面之該等不同頻帶區段係根據與該介面連接埠之距離遠近進行調整,使其修正其頻率響應可達到應用的頻帶,可調整頻寬330MHz。
在一實測狀況下,當一信號源透過該第一輻射元件之該饋入點而產生的一電流路徑時,該電流路徑會先經由與該第
一輻射元件電性連接的該第二輻射元件,之後,基於此該第一輻射元件呈多個彎折區段,亦能降低該電流路徑之反射電流,使得量測電壓駐波比(Voltage standing wave ratio,VSWR)數值接近一理想值,一般皆以VSWR等於或小於2作為衡量標準。
一般商用天線會有以下的要求:1.體積小,2.重量輕,3.厚度薄,4.容易量產,5.價格便宜,6.外形美觀,7.天線本身具有特色,8.最好是內建式天線,9.可適用到各式各樣的產品上,10.性能符合一定標準。
現有PIFA的設計有下列缺點,如頻寬太小、中心頻率不穩定及生產良率低等問題。因此,設計一種用在2.4GHz ISM band的IEEE 802.11b、IEEE 802.11g Bluetooth等WLAN商用產品上的一種具多頻帶之天線有其必要性。
況且,熟知此技藝人士可知,影響天線性能的臨界參數有很多,通常在天線設計過程中可以進行調整,如諧振頻率、阻抗、增益、孔徑或輻射方向圖、極化、效率和頻寬等。因此,在設計本案具多頻帶之天線之外形架構時,還需參考上述天線參數。還需提及的,製造天線基板材料尚需考慮介電常數的大小,如採用介電常數4.6環氧玻璃纖維板FR4為較佳選擇。
請一併參考第2(a)圖為本案之具多頻帶之天線之前視圖及第2(b)圖為本案之等角前視圖。主體上,在第2(a)圖中,
該具多頻帶之天線2(以下可簡稱天線)包含一接地面20、一第一輻射元件21及一第二輻射元件22,較詳細地的結構說明為:該接地面20其電性連接於一地端,該第一輻射元件21配置在該接地面20,且包含一第一彎折區段211及一第二彎折區段212,也就是,該第一輻射元件21設有多個彎折區段(含至少一彎折區段),其中在第2(a)圖可知,該第一彎折區段211及該第二彎折區段212皆至少包含一彎折角度,且於本實施例中每一該彎折角度皆呈90度。及該第二輻射元件22,呈一長條狀,該第二輻射元件22自該第二彎折區段212延伸,且該第二輻射元件22之一前端具有一第一凸緣221及一末端具有一第二凸緣222。較佳地,該第二輻射元件22之前端之第一凸緣221之面積大於該第二輻射元件22之後端之第二凸緣222之面積,該第二彎折區段212約略與接地面20呈平行設置。
而針對天線參數而改善習知PIFA天線頻寬及阻抗匹配如下說明:界定該第二彎折區段212至該第二輻射元件22之前端之第一凸緣221之間的一區域用於調整該天線2之操作頻率,及該第二輻射元件22之前端之第一凸緣221用於粗調該天線2之阻抗匹配,及該第二輻射元件22之後端之第二凸緣222用於微調該天線2之阻抗匹配,及該第一輻射元件21之一凹陷部至該接地面20之間的一區域P用於調整該天線2之阻抗匹配。
接著,請參考第3圖,該圖係為一信號源(cable)透過該第
一輻射元件21之該信號源的一饋入點nd而產生的一電流路徑A1(以虛線表示)示意圖,其中該饋入點nd位於該第二彎折區段212,且於本實施例中饋入點nd設置於該第二彎折區段212的位置系鄰近該接地面20。
該電流路徑A1係沿著該第一輻射元件21之該第二彎折區段212流至該第二輻射元件22,之後,該電流路徑A1經反射流回至該第一輻射元件21之該第一彎折區段211及該第二彎折區段212(此時,該電流路徑A1稱之為一電流路徑A2,以虛線表示),這時,所產生的該電流路徑A2因流經該第一彎折區段211及該第二彎折區段212之多個彎折角度(其中,每一彎折角度皆呈90度)進而造成該電流路徑A2之反射電流減少,亦能降低該天線2之電壓駐波比(VSWR),如第6圖所示,為本案具多頻帶之天線之電壓駐波比示意圖(可涵蓋目前無線區域網路WiFi所需之2.29GHz至2.59GHz頻帶之操作需求,其中VSWR下降至一期望最大值2)。
再者,將本案提出該天線2連接於筆記型電腦或行動電話如此類型的一電子裝置之一介面連接埠4上時,如第4(a)圖所示,其固定天線方式為機構式固定天線,可依據不同的系統做調整。及第4(b)圖,其固定天線方式使用天線2之接地面20之背面(以斜線表示)透過黏膠以貼黏方式固定該天線2。
特別地,如第2(a)圖,其架構在該接地面之該等不同頻帶區段(以字母A、B、C、D及E表示)係根據與如第4圖所示
之該介面連接埠4之距離遠近進行調整,使其修正其頻率響應可達到應用的頻帶,可調整頻寬330MHz,如第5圖所示,其中,在該圖中一虛線表示第2(a)圖中以字母E所表示一頻帶,一實線表示第2(a)圖以字母A所表示另一頻帶。
除此之外,透過實驗量測,可得出該具多頻帶之天線2其它輻射特性。請參考第7圖為具多頻帶之天線之返回損失(Return Loss)圖、第8(a)-8(c)圖為該具多頻帶之天線之水平及垂直面輻射場形圖(Y-Z平面)、第9(a)-第9(c)圖為該具多頻帶之天線之水平及垂直面輻射場形圖(Z-X平面)、第10(a)-第10(c)圖為該具多頻帶之天線之水平及垂直面輻射場形圖(X-Y平面)及表一為本案之具多頻帶之天線之平均增益表。
其中上述該具多頻帶之天線2之輻射特性其定義及詳細
量測方式為本領域具通常知識者所熟知,在此不贅述。
綜上所述,本發明係透過該第一輻射元件之該第一彎折區段及該第二彎折區段,降低電壓駐波比使天線達到寬頻或雙頻的效果,且該第一彎折區段及該第二彎折區段的彎折方向、彎折數等皆可根據所需分別調整。因此,本發明天線不僅可輕易達成寬頻或多頻的效果,且其結構簡單、堅固,可有效降低生產成本。
本案得由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾,然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
1‧‧‧PIFA天線
11‧‧‧天線主振盪體(長度約1/4 λ)
12‧‧‧圓形F頭
13‧‧‧饋線(feed line)
14‧‧‧孔洞(hole)
15‧‧‧橢圓形孔洞
2‧‧‧具多頻帶之天線
20‧‧‧接地面
21‧‧‧第一輻射元件
22‧‧‧第二輻射元件
211‧‧‧第一彎折區段
212‧‧‧第二彎折區段
22‧‧‧第二輻射元件
221‧‧‧第一凸緣
222‧‧‧第二凸緣
nd‧‧‧饋入點
P‧‧‧區域
A1、A2‧‧‧電流路徑
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂,所附圖式之詳細說明如下:第1圖為習知PIFA天線結構圖。
第2(a)圖為本案多頻帶之天線之前視圖。
第2(b)圖為本案多頻帶之天線之前視圖。
第3圖為一信號源透過該第一輻射元件之該信號源的一饋入點而產生的一電流路徑示意圖。
第4(a)及第4(b)圖分別為固定天線方式之示意圖。
第5圖本案在改變銲接位置之可調整頻寬可達330MHz。
第6圖為本案具多頻帶之天線之電壓駐波比示意圖(可涵蓋目前無線區域網路WiFi所需之2.29GHz至2.59GHz頻帶之操作需求)。
第7圖為本案具多頻帶之天線之返回損失圖。
第8(a)-8(c)圖為本案具多頻帶之天線之水平及垂直面輻射場形圖(Y-Z平面)。
第9(a)-第9(c)圖為本案具多頻帶之天線之水平及垂直面輻射場形圖(Z-X平面)。
第10(a)-第10(c)圖為本案具多頻帶之天線之水平及垂直面輻射場形圖(X-Y平面)。
2‧‧‧具多頻帶之天線
20‧‧‧接地面
21‧‧‧第一輻射元件
22‧‧‧第二輻射元件
211‧‧‧第一彎折區段
212‧‧‧第二彎折區段
22‧‧‧第二輻射元件
221‧‧‧第一凸緣
222‧‧‧第二凸緣
Claims (21)
- 一種具多頻帶之天線,連接於一電子裝置之一介面連接埠上,該天線包含:一接地面,其上界定出多個不同頻帶區段;一第一輻射元件,配置在該接地面上,且該第一輻射元件係包含一第一彎折區段及與該第一彎折區段相連接的一第二彎折區段,該第一彎折區段形成一第一凹口,該第二彎折區段形成一第二凹口,其中該第一凹口與該第二凹口的朝向是相反的方向,該接地面自該第一彎折區段延伸;一饋入點,在該第二凹口的凹口處,其中該饋入點對應於該接地面的相對接地位置來決定不同的頻帶;以及一第二輻射元件,呈一長條狀,該第二輻射元件自該第二彎折區段延伸,且該第二輻射元件之一前端具有一第一凸緣及一末端具有一第二凸緣。
- 如申請專利範圍第1項所述之天線,其中該第二彎折區段更具有電性連接至一信號源的一饋入點。
- 如申請專利範圍第2項所述之天線,其中該饋入點係鄰近該接地面設置。
- 如申請專利範圍第1項所述之天線,其中該第二幅射元件約略與該接地面平行設置。
- 如申請專利範圍第1項所述之天線,其中該第一彎折區段及該第二彎折區段皆包含至少一彎折角度。
- 如申請專利範圍第5項所述之天線,其中該彎折角度皆呈 90度。
- 如申請專利範圍第1項所述之天線,其中該多個不同頻帶區段係根據與該介面連接埠之距離遠近進行調整。
- 如申請專利範圍第1項所述之天線,其中界定該第一輻射元件之該第二彎折區段至該第二輻射元件之該第一凸緣之間的一區域用於調整該天線之操作頻率。
- 如申請專利範圍第1項所述之天線,其中該第二輻射元件之該第一凸緣之面積大於該第二凸緣之面積。
- 如申請專利範圍第9項所述之天線,其中該第二輻射元件之該第一凸緣用於粗調該天線之阻抗匹配,該第二輻射元件之該第二凸緣用於微調該天線之阻抗匹配。
- 如申請專利範圍第1項所述之天線,其中該天線所接收或發送之無線訊號的頻段實質上為330MHz。
- 如申請專利範圍第1項所述之天線,其中該第一輻射元件之該第一彎折區與該接地面之間形成一凹陷部,該凹陷部用於調整該天線之阻抗匹配。
- 一種具多頻帶之天線,連接於一電子裝置之一介面連接埠上,該天線包含:一接地面,其上界定出多個不同頻帶區段;一第一輻射元件,配置在該接地面上,並設有至少二個彎折區段,每個該彎折區段皆至少包含一彎折角度,相鄰的兩彎折區段各形成一第一凹口以及一第二凹口,其中該第一凹口與該第二凹口的朝向是相反的方向; 一饋入點,位於該第一輻射元件之該至少二個彎折區段的其中一個,該饋入點電性連接至一信號源;以及一第二輻射元件,呈一長條狀,該第二輻射元件自該第一輻射元件延伸,且該第二輻射元件之一前端具有一第一凸緣及一末端具有一第二凸緣。
- 如申請專利範圍第13項所述之天線,其中該彎折區段之該彎折角度皆呈90度。
- 如申請專利範圍第13項所述之天線,其中該多個不同頻帶區段係根據與該介面連接埠之距離遠近進行調整。
- 如申請專利範圍第13項所述之天線,其中該饋入點係鄰近該接地面設置。
- 如申請專利範圍第13項所述之天線,其中該第二幅射元件約略與該接地面平行設置。
- 如申請專利範圍第13項所述之天線,其中該第二輻射元件之第一凸緣用於粗調該天線之阻抗匹配。
- 如申請專利範圍第13項所述之天線,其中該第二輻射元件之第二凸緣用於微調該天線之阻抗匹配。
- 如申請專利範圍第13項所述之天線,其中該天線所接收或發送之無線訊號的頻段實質上為330MHz。
- 如申請專利範圍第13項所述之天線,其中該第一輻射元件之該至少二個彎折區段與該接地面之間形成一凹陷部,該凹陷部用於調整該天線之阻抗匹配。
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