TWI481119B - 寬頻天線 - Google Patents

Description

寬頻天線

本發明係指一種寬頻天線，尤指一種使用耦合饋入及直接饋入的方式激發共振效應，以結合耦合饋入的寬頻和直接饋入的良好匹配效果，同時改善天線高頻頻寬和提升低頻匹配之寬頻天線。

具有無線通訊功能的電子產品，如筆記型電腦、個人數位助理(Personal Digital Assistant)等，係透過天線來發射或接收無線電波，以傳遞或交換無線電訊號，進而存取無線網路。因此，為了讓使用者能更方便地存取無線通訊網路，理想天線的頻寬應在許可範圍內盡可能地增加，而尺寸則應盡量減小，以配合電子產品體積縮小之趨勢。

平面倒F天線(PIFA，Planar Inverted-F Antenna)是一種常用於無線收發裝置的天線(Antenna)，顧名思義，其形狀類似於經過旋轉及翻轉後之「F」。平面倒F天線有著製造成本低、輻射效率高、容易實現多頻段工作等優點，但其頻寬較受限。因此，為了改善上述缺點，本案申請人於美國專利第7602341號，提出如第1A圖所示之一雙頻天線10，其相較於傳統雙頻天線增加了一輻射體12，用來提供一額外的高頻共振模態，使得雙頻天線10之高頻頻段係由兩共振模態所構成，相關電壓駐波比示意圖如第1B圖所示。若雙頻天線10未增加輻射體12，即成為第2A圖所示之一雙頻天線20，其高頻頻寬會大幅降低，相關電壓駐波比示意圖如第2B圖所示。由此可知，雙頻天線10可藉由兩共振模態，有效提升高頻頻段的頻寬，然而此種架構不適用於某些應用，且當其一共振模態產生頻寬不足或頻偏等問題時，極有可能會影響天線特性。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種寬頻天線。

本發明揭露一種寬頻天線，用於一無線收發裝置，包含有一第一輻射體，用來收發一第一頻段之無線訊號；一第二輻射體，用來收發一第二頻段之無線訊號；一接地元件；一短路元件，其一端電性連接於該第一輻射體與該第二輻射體之間，另一端電性連接於該接地元件；以及一饋入板，包含有一第一饋入金屬片，用來傳送該第一頻段及該第二頻段之無線訊號；一第二饋入金屬片，電性連接於該第二輻射體；以及一金屬條，電性連接於該第一饋入金屬片與該第二饋入金屬片之間。其中，該第一饋入金屬片以耦合方式與該短路元件相接，且該第一饋入金屬片投影於該短路元件所對應之一平面的投影結果與該短路元件部分重疊。

請參考第3A圖至第3E圖，第3A圖為本發明實施例一寬頻天線30之示意圖，第3B圖為寬頻天線30之正面示意圖，第3C圖為寬頻天線30之反面示意圖，第3D圖為寬頻天線30之電壓駐波比示意圖，第3E圖為寬頻天線30之輻射效率示意圖。寬頻天線30可用於一無線收發裝置，用以收發兩相異頻段(824MHz～960MHz與1710MHz～2170MHz)之無線訊號，其包含有一基板300、一第一輻射體302、一第二輻射體304、一接地元件306、一短路元件308及一饋入板310。基板300為一雙面電路板，其中一面設有第一輻射體302、第二輻射體304、短路元件308，另一面則設有饋入板310。另外，接地元件306係由兩相接之金屬板所構成，此兩金屬板分別設於基板300的正、反兩面。

比較第3C圖及第2A圖可知，寬頻天線30之輻射體形狀與雙頻天線20相似，然而不同的是，寬頻天線30較雙頻天線20增加了饋入板310，其係透過耦合饋入方式，將訊號饋入至短路元件308，並透過直接饋入方式，將訊號饋入至第二輻射體304。換言之，寬頻天線30不同於雙頻天線20將訊號直接饋入至短路元件，而是使用雙饋入(耦合饋入及直接饋入)的方式激發共振效應，以結合耦合饋入的寬頻和直接饋入的良好匹配效果，同時改善天線高頻頻寬和提升低頻匹配。

詳細來說，如第3A圖及第3C圖所示，短路元件308包含有一第一支臂TA1、一第二支臂TA2及一第三支臂TA3，其較佳地為一體成型結構。第一支臂TA1係由第一輻射體302與第二輻射體304的銜接處向接地元件306延伸；第二支臂TA2之一端耦接於第一支臂TA1，另一端朝第一輻射體302之方向延伸；而第三支臂TA3則耦接於第二支臂TA2與接地元件306之間。另一方面，如第3A圖及第3B圖所示，饋入板310包含有一第一饋入金屬片FP1、一第二饋入金屬片FP2及一金屬條ML，其較佳地亦為一體成型結構。第一饋入金屬片FP1包含有一訊號饋入端312，用來連接訊號線，以傳送無線訊號；第二饋入金屬片FP2係以一貫穿孔(Via)314，電性連接於第二輻射體304；而金屬條ML則電性連接於第一饋入金屬片FP1與第二饋入金屬片FP2之間。此外，第一饋入金屬片FP1與第一支臂TA1之投影結果部分重疊，也就是說，將第一饋入金屬片FP1投影於第一支臂TA1所在之平面後其投影結果與第一支臂TA1部分重疊。

因此，當射頻訊號饋入至第一饋入金屬片FP1上的訊號饋入端312後，電流會由第一饋入金屬片FP1，經金屬條ML、第二饋入金屬片FP2，最後透過貫穿孔314流至第二輻射體304及第一輻射體302，此即直接饋入的運作方式。除此之外，由於第一饋入金屬片FP1與第一支臂TA1部分重疊，因此透過耦合效應，第一支臂TA1會感應第一饋入金屬片FP1的電流，而產生相同方向的感應電流，此即耦合饋入的運作方式。結合耦合饋入與直接饋入後，如第3D圖所示，寬頻天線30可同時改善頻寬與匹配效果，同時，如第3E圖所示，其操作頻段內(824MHz～960MHz及1710MHz～2170MHz)中輻射效率亦可維持50%左右。關於耦合饋入與直接饋入的優、缺點，詳述於後。

請參考第4A、4B圖及第5A、5B圖，第4A、4B圖為一天線40及其電壓駐波比之示意圖，而第5A、5B圖為一天線50及其電壓駐波比之示意圖。天線40係寬頻天線30省略直接饋入部分後的結果，亦即將寬頻天線30中第二饋入金屬片FP2及金屬條ML移除後所得的天線。反之，天線50係寬頻天線30省略耦合饋入部分後的結果，亦即將寬頻天線30中第一饋入金屬片FP1及金屬條ML移除，並將訊號饋入端312移至第二饋入金屬片FP2後所得的天線。將第4B圖及第5B圖與第2B圖比較可知，當僅使用耦合饋入時，高頻頻寬較佳，但低頻匹配略差，而僅使用直接饋入時，高頻頻寬略差，但低頻匹配較佳。因此，當同時使用耦合饋入與直接饋入時，即可結合兩者的優點，互補兩者的缺點，達到同時改善頻寬與匹配的目的。

需注意的是，本發明之主要概念係結合耦合饋入與直接饋入以改善頻寬與匹配，凡依此所做之各種變化皆屬本發明之範疇。舉例來說，在第3A圖中，寬頻天線30的各元件係印刷於基板300，但不限於此，亦可以是以金屬片製成第一輻射體302、第二輻射體304、接地元件306、短路元件308及饋入板310，即不需基板300。不論以何種方式製成寬頻天線30，需確保第一饋入金屬片FP1與第一支臂TA1間的耦合饋入關係(兩者間隔一定距離而不直接連接)，及第二饋入金屬片FP2與第二輻射體304的直接饋入關係(兩者直接連接)。此外，第二饋入金屬片FP2與第二輻射體304間除透過貫穿孔314相連外，其它形式的電性連接方式亦可行，不限於此。

再者，如業界所熟知，天線的輻射頻率、頻寬、效率等係與天線形狀、材質等相關，因此，設計者當可適當調整寬頻天線30，以符合系統所需。例如，在第3A圖中，短路元件308係朝向寬頻天線30中高頻輻射部分(即第一輻射體302)延伸，因此電流可較為均勻地分佈於第二輻射體304上，以獲得較佳的輻射全方向性。當然，針對不同應用，亦可將短路元件設計為朝向低頻輻射部分延伸。舉例來說，請參考第6A圖至第6E圖，第6A圖為本發明實施例一寬頻天線60之示意圖，第6B圖為寬頻天線60之正面示意圖，第6C圖為寬頻天線60之反面示意圖，第6D圖為寬頻天線60之電壓駐波比示意圖，第6E圖為寬頻天線60之輻射效率示意圖。由第6A圖至第6E圖可知，寬頻天線60與第3A圖之寬頻天線30之差異在於短路元件的延伸方向不同，其餘運作方式，特別是結合耦合饋入及直接饋入的部分皆相同，因此寬頻天線60亦可改善頻寬與匹配。

除此之外，在第3A圖中，饋入板310的形狀、貫穿孔314的位置等亦會影響輻射結果，因此，設計者可據以進一步調整，以符合系統所需。舉例來說，請參考第7A、7B、8A、8B及9A、9B圖，第7A、7B圖為一天線70及其電壓駐波比之示意圖，第8A、8B圖為一天線80及其電壓駐波比之示意圖、第9A、9B圖為一天線90及其電壓駐波比之示意圖。比較第7A、8A、9A圖可知，天線70、80、90僅有饋入板之形狀不同，更詳細來說，是連接第一饋入金屬片及第二饋入金屬片的金屬條(等同於第3A圖中的金屬條ML)分別位於低、中、高三個不同位置。進一步由第7B、8B、9B圖可知，金屬條的設置位置主要影響低頻部分，對高頻部分的影響不大。另外，請參考第10A、10B圖，第10A、10B圖為一天線100及其電壓駐波比之示意圖。相較於第7A、8A、9A圖之天線70、80、90，天線100之金屬條部分較寬，而由第10B圖亦可知，如此變化同樣主要影響低頻部分，對高頻部分的影響不大。

進一步地，請參考第11A、11B及12A、12B圖，第11A、11B圖為一天線110及其電壓駐波比之示意圖，第12A、12B圖為一天線120及其電壓駐波比之示意圖。由第11A、11B圖可知，當貫穿孔(直接饋入端)設於高頻部分亦可行，同樣可改善頻寬與匹配。而由第12A、12B圖可知，當連接第一饋入金屬片及第二饋入金屬片的金屬條(等同於第3A圖中的金屬條ML)較長時，即直接饋入端距短路元件較遠時，高頻與低頻的頻寬均會縮減。

需注意的是，上述關於寬頻天線30之各種變化旨在說明本發明同時使用了耦合饋入及直接饋入，其它如材質、製作方式、各元件的形狀、位置等皆可因應不同需求而做適當之變化，不限於此。而透過結合耦合饋入和直接饋入，本發明可同時改善天線高頻頻寬和提升低頻匹配，以改善習知技術的缺點。

綜上所述，本發明使用耦合饋入及直接饋入的方式激發共振效應，以結合耦合饋入的寬頻和直接饋入的良好匹配效果，同時改善天線高頻頻寬和提升低頻匹配。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10、20．．．雙頻天線

12．．．輻射體

30、40、50、60、70、80、90、100、110、120．．．寬頻天線

300．．．基板

302．．．第一輻射體

304．．．第二輻射體

306．．．接地元件

308．．．短路元件

310‧‧‧饋入板

TA1‧‧‧第一支臂

TA2‧‧‧第二支臂

TA3‧‧‧第三支臂

FP1‧‧‧第一饋入金屬片

FP2‧‧‧第二饋入金屬片

ML‧‧‧金屬條

312‧‧‧訊號饋入端

314‧‧‧貫穿孔

第1A圖為習知一雙頻天線之示意圖。

第1B圖為第1A圖之雙頻天線之電壓駐波比示意圖。

第2A圖為習知一雙頻天線之示意圖。

第2B圖為第2A圖之雙頻天線之電壓駐波比示意圖。

第3A圖為本發明實施例一寬頻天線之示意圖。

第3B圖為第3A圖之寬頻天線之正面示意圖。

第3C圖為第3A圖之寬頻天線之反面示意圖。

第3D圖為第3A圖之寬頻天線之電壓駐波比示意圖。

第3E圖為第3A圖之寬頻天線之輻射效率示意圖。

第4A、4B圖為僅使用耦合饋入之一天線及其電壓駐波比之示意圖。

第5A、5B圖為僅使用直接饋入之一天線及其電壓駐波比之示意圖。

第6A圖為本發明實施例一寬頻天線之示意圖。

第6B圖為第6A圖之寬頻天線之正面示意圖。

第6C圖為第6A圖之寬頻天線之反面示意圖。

第6D圖為第6A圖之寬頻天線之電壓駐波比示意圖。

第6E圖為第6A圖之寬頻天線之輻射效率示意圖。

第7A、7B圖、第8A、8B圖、第9A、9B圖、第10A、10B圖、第11A、11B及12A、12B圖為本發明不同實施例之天線及其電壓駐波比之示意圖。

30．．．寬頻天線

300．．．基板

302．．．第一輻射體

304．．．第二輻射體

306．．．接地元件

308．．．短路元件

310．．．饋入板

TA1．．．第一支臂

TA2．．．第二支臂

TA3．．．第三支臂

FP1．．．第一饋入金屬片

FP2．．．第二饋入金屬片

ML．．．金屬條

312．．．訊號饋入端

314．．．貫穿孔

Claims (6)

1. 一種寬頻天線，用於一無線收發裝置，包含有：一第一輻射體，用來收發一第一頻段之無線訊號；一第二輻射體，用來收發一第二頻段之無線訊號，其中該第二頻段相異於該第一頻段，該第一輻射體由該第一輻射體與該第二輻射體相接的一連接點朝向一第一方向延伸，該第一輻射體由該連接點朝向一第二方向延伸，該第一方向與該第二方向相異；一接地元件；一短路元件，其一端電性連接於該第一輻射體與該第二輻射體之間的該連接點，另一端電性連接於該接地元件；以及一饋入板，包含有：一第一饋入金屬片，用來傳送該第一頻段及該第二頻段之無線訊號；一第二饋入金屬片，電性連接於該第二輻射體；以及一金屬條，電性連接於該第一饋入金屬片與該第二饋入金屬片之間；其中，該第一饋入金屬片以耦合方式與該短路元件相接，且該饋入板投影於該短路元件所對應之一平面的投影結果與該短路元件及該第一或該第二輻射體其中之一輻射體部分重疊；其中，該短路元件包含有： 一第一支臂，電性連接於該第一輻射體與該第二輻射體之間，並向該接地元件延伸；一第二支臂，電性連接於該第一支臂；以及一第三支臂，電性連接於該第二支臂與該接地元件之間；其中，該第一饋入金屬片投影於該短路元件所對應之該平面的投影結果與該第一支臂部分重疊。
2. 如請求項1所述之寬頻天線，其中該第一饋入金屬片以耦合方式與該第一支臂及該第二支臂之銜接處相接。
3. 如請求項1所述之寬頻天線，其中該第二支臂係朝該第一輻射體之方向延伸。
4. 如請求項1所述之寬頻天線，其中該第二支臂係朝該第二輻射體之方向延伸。
5. 如請求項1所述之寬頻天線，其另包含一基板，該第一輻射體、該第二輻射體及該短路元件形成於該基板之一面，而該饋入板形成於該基板之另一面。
6. 如請求項5所述之寬頻天線，其中該第二饋入金屬片係以貫穿孔連接方式，電性連接於該第二輻射體。