TWI485925B - 具有槽孔天線之通信裝置及追蹤裝置及其相關方法 - Google Patents

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Description

具有槽孔天線之通信裝置及追蹤裝置及其相關方法
本發明係關於通信領域，且更特定言之關於具槽孔天線之無線通信裝置及其相關方法。
無線通信裝置係社會之一主要部分且滲入日常生活。典型無線通信裝置包含一天線及耦合至該天線之一收發器。該收發器及該天線協作以傳輸及接收通信信號。
一典型個人射頻(RF)收發器或無線電定位標籤包含一天線、射頻電子器件及一電池。該天線、射頻電子器件及電池通常係包括一總成之分開的組件。因此，在許多個人收發器中，在電池大小與天線大小之間、在電池容量與天線效率之間及在操作時間與信號品質之間可存在一折衷。天線效能及電池容量係關於大小，又個人電子器件通常係小的同時外部天線係笨重的且通常在此等應用中不實用。
天線係用於發送及接收無線電波之傳感器，且其等可藉由導體上之電流運動而形成。較佳天線形狀可引導根據古往今來已知用於最佳化之歐幾裏得幾何形狀(諸如線及圓)之電流運動。偶極天線及迴路天線係提供發散及卷邊之歐幾裏得幾何形狀。規範偶極天線係線形的，且規範迴路天線係圓形的。
天線一般需要待建構之電絕緣體及電導體兩者。最佳室溫導體係金屬。如將明白，在室溫時，存在極佳絕緣體，諸如TeflonTM 及空氣。可用電導體較不令人滿意，然而且事實上，所有室溫天線可在足夠小時變得無效(歸因於導體電阻損耗)。因此，可能重要的是小天線具有大導體表面。絕緣體與導體之間的材料二分性提供小迴路天線之以下優點：迴路結構本質上就地提供最大可能電感器以援助效率。電容器效率(品質因素或「Q」)可比電感器好得多，因此當使用電容器時可依低損耗實現天線載入及調諧。迴路天線對於簡易印刷線路板(PWB)建構而言係平面的且當戴在身上調諧時係穩定的。
如熟習此項技術者將明白，提供高增益及效率之一小天線將係有價值的。天線形狀可係1維、2維或3維，即，天線在形狀上可係線性的、平面的或立體的。線、圓及球係較佳天線包絡，此係因為其等提供兩點之間的最短距離，最少圓周之最大面積及最少表面積之最大體積之幾何形狀最佳化。在小天線中，線、圓及球形狀可最小化金屬導體損耗。
球形繞組已揭示為1892年James Maxwell，Oxford University Press第三版，卷2「Electricity and Magnetism」，Spherical Coil第304至308頁中之一電感器且揭示為1952年9月Harold A. Wheeler之Proceedings Of The IRE，「The Spherical Coil As An Inductor,Shield,Or Antenna」第1595至1602頁中之一天線。球形繞組做法在一球形核心上使用許多匝導線(3維)且係空間有效的。當纏繞足夠多匝以自共振時，小直徑球形繞組可具有相對良好輻射效率。阿基米德螺旋天線可幾乎係2維的且係具良好效率之一小用電量天線。
細線偶極可幾乎係1維的且具比其實體面積大1785倍之一電孔隙面積。細線偶極可供應體積之最大增益及效率。因此，存在小用電量天線之許多有利形狀，但是許多天線在個人通信中並未良好地整合。例如，可能難以將電子組件安裝在一些附近電池上，可掩蓋導線迴路上之近場及輻射，當戴在身上時纏繞天線之調諧可能不穩定，且鞭形天線可係笨重的。小天線設計可包含大小、形狀、效率及增益、頻寬及使用方便性之折衷。
許多個人通信及無線電定位天線在人體上操作。人體中多半係水，具高介電常數(εr =50)，且係導電的(δ1.0 mho/meter)。因此在實踐中，戴在身上之天線可具有損耗，且增益回應可不在所要頻率上，例如調諧漂移。特定言之，可藉由人體拉低天線共振頻率達「雜散電容」而捕捉天線近電場。使用大載入電容器之天線可具有更穩定調諧，此係因為人體雜散電容可係相對小的載入電容。在Parsche等人之美國專利第6,597,318中揭示此效果，該專利亦揭示在人體附近依一迴路最小化天線調諧漂移之多個大的串聯載入電容器。
固定調諧頻寬(亦稱為瞬間增益頻寬)被認為限於具相對小波長之天線。確實，存在一理論上限(其稱為Chu-Harrington限制)，且應注意半功率(3 dB)固定調諧增益頻寬無法超過200(r/λ)3 ，其中r係將圍封天線之最小球半徑，及λ係自由空間波長。多調諧(諸如切比雪夫多項式調諧)可使頻寬增大至此頻寬以上直至無限秩調諧之3π倍。在實踐中，雙調諧可使頻寬增大4倍。在多調諧中，天線可變成一多極濾波器之一極，且可由一外部補償網路提供該濾波器。
若依一較小速度傳播光，則所有天線將用電量較大且具較好頻寬大小。Parsche之美國專利第7,573,431號揭示將小天線浸透在具相等滲透性(即，(μ=ε)>1)之非導電材料中，以援助依小實體大小之頻寬。此做法可識別等阻抗磁性介電(μ=ε)材料之邊界不影響進入及離開自由空間及空氣之波。該做法亦可展示光速在等阻抗磁性介電材料中明顯慢下來。因此，此等天線可具有良好頻寬內部(μ=ε)>1材料，此係因為其等在實體大小不增大之情況下變得用電量較大。除折射外，等阻抗磁性介電材料係依存在等阻抗性質之頻率之不可見材料，諸如對真空及空氣具有微不足道的反射之材料。
除需要上文關於電力效率及效能討論的設計考量之外，因若干種原因亦需要小型化無線通信裝置。確實，特定應用(例如，無線追蹤裝置)誘發小型化。特定言之，封裝減小可使得能在不實質修改被追蹤主機之情況下安裝無線追蹤裝置。小型無線電定位標籤對不同應用有用，諸如野生動物追蹤、個人識別及求救信標。當然，若偷偷摸摸地安裝無線追蹤裝置，則該裝置之小型化亦援助詭計。一做法在Holt之美國專利第6,324,392號中揭示，該案亦指派給本申請案之受讓人。此做法包含廣播一寬頻展頻信標信號之一行動無線裝置。該信標信號召集對該行動無線裝置之位點之協助。
又一做法在Clift等人之美國專利第7,126,470號中揭示，該案亦指派給本申請案之受讓人。該做法包含使用複數個射頻識別(RFID)標籤用於在包含複數個追蹤站台之一網路中追蹤。
由如可購自西班牙巴賽隆納之Fractus,S.A.之EXConnect Zigbee Chip Antenna Model 868提供又一做法。此晶片天線具有緊湊長方形形狀因數且包含一單極天線。該晶片天線可安裝至一印刷電路板(PCB)上。此做法之一潛在缺點係該PCB可能需要經調諧用於各應用之有效操作。
另一做法可包括塑造成一名片形狀因數之一無線裝置且包含一對紙基板。該無線裝置包含一對鋰離子電池及耦合至該對鋰離子電池之無線電路。導電跡線係藉由紙基板(例如，110 1b紙)上之螢幕印刷導電聚合物銀墨而形成在該紙基板上。該無線裝置亦包含一1/10波長迴路天線。此無線裝置之一潛在缺點係分開的天線且無線電路可導致電池壽命降低及傳輸信號變弱。
一做法可包括塑造成一保險桿貼紙形狀因數之一無線追蹤裝置且包含一分段圓形天線、一電池及耦合至該電池及天線之無線電路，各組件貼至一基板。再者，此無線追蹤裝置可遭受歸因於非整合設計之先前提及的缺點。
鑑於先前背景，因此本發明之一目的係提供一種整合式且容易製造之通信裝置。
由一通信裝置提供根據本發明之此目的、特徵及優點以及其他目的、特徵及優點，該通信裝置包括一導電天線層，在該導電天線層中具有自一中間部分延伸且向外朝向該導電天線層之一周長敞開之一槽孔開口。該導電天線層包括複數個天線饋送點。該通信裝置進一步包含：一第一介電層，其與該導電天線層相鄰；至少一導電被動天線調諧構件，其與該第一介電層相鄰的；及一第二介電層，其與該至少一導電被動天線調諧構件相鄰。該通信裝置包含：與該第二介電層相鄰的電路；及複數個導電通孔，其等延伸穿過該第一介電層及該第二介電層且耦合該電路與該複數個天線饋送點。有利的是，該通信裝置可具有具堆疊配置之減小封裝。
在一些實施例中，該槽孔開口係鍵孔形的。該通信裝置可進一步包括跨該槽孔開口而耦合之一調諧電容器。同樣，該通信裝置可進一步包括該槽孔開口內的介電填充材料。
例如，該槽孔開口可具有自該中間部分至該導電天線層之該周長之一遞增寬度。替代地，該槽孔開口具有自該中間部分至該導電天線層之該周長之一均勻寬度。
特定言之，該電路可進一步包含：一無線電路，其耦合至該導電天線層；及一電池，其耦合至該無線電路。該通信裝置可進一步包括與該導電天線層相鄰的一壓敏式黏附層。
在一些實施例中，該導電天線層以及該第一介電層及該第二介電層可係圓形的。在其他實施例中，該導電天線層以及該第一介電層及該第二介電層可係長方形的。
另一態樣係關於一種相似於上文討論的通信裝置之追蹤裝置。該追蹤裝置可進一步包括：一外殼；及該外殼外部上之一壓敏式黏附層。該追蹤裝置可進一步包含與該第二介電層相鄰的一無線追蹤電路。
另一態樣係關於一種製作一通信裝置之方法，該方法包括：形成一導電天線層，在該導電天線層中具有自一中間部分延伸且向外朝向該導電天線層之一周長敞開之一槽孔開口；在該導電天線層中形成複數個天線饋送點。該方法包含定位一第一介電層，該第一介電層與該導電天線層相鄰；形成至少一導電被動天線調諧構件，該至少一導電被動天線調諧構件與該第一介電層相鄰；定位一第二介電層，該第二介電層與該至少一導電被動天線調諧構件相鄰；定位與該第二介電層相鄰的電路；及形成複數個導電通孔，該複數個導電通孔延伸穿過該第一介電層及該第二介電層且耦合該電路與該複數個天線饋送點。
現將於後文中參考展示本發明之較佳實施例之隨附圖式更全面描述本發明。然而，本發明可依許多不同形式具體實施且不應解釋為限於本文陳述的實施例。相反，此等實施例經提供使得本揭示內容將係詳盡的及完整的，且將完全傳遞本發明之範疇給熟習此項技術者。相似數字自始至終係指相似元件，且使用單撇號以指示替代實施例中之相似元件。
最初參考圖1，現描述根據本發明之一通信裝置40 。該通信裝置40 圖解說明地形成為一堆疊配置且包含一導電天線層41 。例如，該導電天線層41 可包括一金屬。該導電天線層41 包含一槽孔開口50 ，在該導電天線層41 中該槽孔開口50 自一中間部分53 延伸且向外朝向該導電天線層41 之一周長54 敞開。
導電天線層41 包括複數個天線饋送點51a至51b 。通信裝置40 進一步包含：在該導電天線層41 上方之一第一介電層42 ；及在該第一介電層42 上方之複數個導電被動天線調諧構件43a至43e 。可使用該複數個導電被動天線調諧構件43a至43e 以調諧該通信裝置40 之操作頻率。
通信裝置40 進一步包含：在該複數個導電被動天線調諧構件43a至43e 上方之一第二介電層44 ；及與該第二介電層相鄰的電路45、48、49 。特定言之，在圖解說明的實例中，電路圖解說明地包含：一無線追蹤電路45 ；一電源59 (例如，一電池)，其耦合至該無線追蹤電路；及一信號源48 ，其耦合至導電天線層41 。例如，該無線追蹤電路45 可包括一收發器電路或者一傳輸器或接收器，即，其提供一無線電路。
通信裝置40 亦包含複數個導電通孔55a至55b ，該複數個導電通孔55a至55b 延伸穿過第一介電層42 及第二介電層44 且耦合電路45、48、49 與複數個天線饋送點51a至51b 。再者，例如，該複數個導電通孔55a至55b 可包括金屬。
同樣，通信裝置40 圖解說明地包含承載內部組件之一外殼46 。該外殼46 可包括一金屬或替代地一鍍有金屬之塑膠。此外，在圖解說明的實施例中，該通信裝置40 圖解說明地包含一壓敏式黏附層51 ，該壓敏式黏附層51 形成在該外殼46 之一主表面上以使得能容易附接至一追蹤目標。換言之，該通信裝置40 可操作為一追蹤裝置。
在圖解說明的實施例中，槽孔開口50 係鍵孔形的。更具體言之，該槽孔開口50 圖解說明地包含自中間部分53 至導電天線層41 之周長54 之一遞增寬度。然而，在其他實施例中，槽孔結構可採取其他形狀(圖3A)。在圖解說明的實施例中，該導電天線層41 圖解說明地包含使共振及操作頻率發生小變更(例如，微調)之調諧狹縫47 。該等調諧狹縫47 可藉由用一刀或用一雷射切除而形成且增加串聯電感以降低操作頻率。當然，該等調諧狹縫47 係選用的且在其他實施例中可省略。
此外，在圖解說明的實施例中，導電天線層41 以及第一介電層42 及第二介電層44 係圓形的。然而，在其他實施例中，此等層可具有其他幾何形狀，例如長方形(正方形實施例亦係長方形之一子集)(圖3A)或多邊形。
現參考圖2，現描述通信裝置40 之另一實施例。在通信裝置40' 之此實施例中，上文已關於圖1討論的元件被給定單撇號且多數不需要在本文中進一步討論。此實施例與先前實施例的不同點在於該通信裝置40' 圖解說明地包含一調諧裝置47' 。例如，該調諧裝置47' 可包括一調諧電容器(用陰影線展示)，該調諧電容器係跨槽孔開口50' 或該槽孔開口內的一介電填充材料而耦合。同樣，第一介電層42' 及第二介電層44' 以及外殼46' 具有一槽孔開口。一對饋送點51a'、51b' 可偏好地沿該槽孔開口50' 之圓形部分58' 之圓周跨該槽孔開口50' 而定位。調整該槽孔開口50' 之圓形部分58' 之直徑調整該通信裝置40' 提供的負載電阻。增大該圓形部分58' 之此直徑亦使電阻增大且減小直徑則使電阻減小。
現參考圖3A，現描述通信裝置40 之另一實施例。在通信裝置40" 之此實施例中，上文已關於圖1討論的元件被給定雙撇號且多數不需要在本文中進一步討論。此實施例與先前實施例之不同點在於導電天線層41" 以及第一介電層42" 及第二介電層44" 圖解說明為長方形。此外，槽孔開口50" 具有自中間部分53" 至該導電天線層41" 之周長54" 之一均勻寬度。此外，該槽孔開口50" 之中間部分53" 亦係長方形。同樣，該第一介電層42" 及該第二介電層44" 亦具有一槽孔開口。
現參考圖3B，現描述通信裝置40 之另一實施例。此實施例通信裝置200 圖解說明地包含來自一導電外殼210 之一天線(未展示)。該導電外殼可包括一中空金屬罐且可具有自始至終延伸之一過道212 ，及一遠端較寬楔形凹口214 。該通信裝置200 圖解說明地包含一介電楔220 ，該介電楔220 插入該楔形凹口214 中以供載入及調諧。該通信裝置200 圖解說明地包含一內部無線電收音機230 (諸如一射頻振盪器)，該內部無線電收音機230 定位在該導電外殼210 內以產生一通信信號。
如熟習此項技術者將明白，內部無線電收音機亦可係一接收器或傳輸器及接收器之一組合。通信裝置200 圖解說明地包含導電引線232a、232b ，其等可包括金屬線。該等導電引線232a、232b 傳送射頻信號給楔形凹口214 且跨過該楔形凹口214 。該導電引線232a 穿過導電外殼210 中之一孔隙240 到達介電楔220 之遠端面以在其上導電接觸。該導電引線232b 在不穿過該孔隙240 之情況下接觸該導電外殼210 內部。射頻電流244 在該導電外殼210 外面流通以轉換成無線電波以提供輻射及/或接收。
現參考圖4至圖12，若干圖圖解說明具槽孔結構50 之上文描述的通信裝置40 之有利模擬效能，該槽孔結構50 具有自其中間部分53 至導電天線層41 之周長54 之不均勻寬度，例如一鍵孔槽孔形狀。應注意，上文描述的鍵孔實施例可減小導體鄰近效果損耗以提供增強型效率及增益(此係因為高電流中間區域減小)。
特定言之，圖表60 展示通信裝置40 隨著操作頻率改變之電壓駐波比(VSWR)。曲線上註釋的點之值係61 ：依162.39MHz之6.04；62 ：依162.55MHz之5.14；6 3：依163.92MHz之1.32；及64 ：依165.45MHz之5.91。圖表60 圖解說明一有利二次共振回應，且該通信裝置40 之天線提供一想要的50歐姆電阻負載。對於此模擬，該通信裝置40 具有以下特性：
如自表格1可見，通信裝置40 繼續調諧且提供在甚至極小的電大小相關波長下之一些輻射。在1000 MHz下，該通信裝置40 提供90%輻射效率及1.4英寸直徑之+1.3 dBi增益，其係0.12波長之一電大小。表格1中dBil之增益單位係指關於一等向天線之分貝且用於線性極化。作為背景，一波偶極天線之增益係+2.1 dBil。
圖表70、80 展示通信裝置40 之導電天線層41 中之模擬卷邊電流。圖表70 展示在1瓦特之一施加RF功率下以安培/米為單位之電流之振幅等值線。如熟習此項技術者可明白，最高電流密度係在天線饋送點72、74 附近。天線區域多半填充有導電結構，且導致一表流以使金屬導體損耗減小。在此等模擬結果中，導電天線層41 (銅)之直徑係1.0英寸(λ/72)且通信裝置40 係在162.55 MHz下操作。圖表80 展示天線表面上之電流之主導定向。如可見，存在兩種截然不同模式：一槽孔偶極模式Islot 及一迴路模式Iloop 。該槽孔偶極模式係藉由在鍵孔槽孔開口50 的任一側上振幅相等且方向相反之逆平行電流之發散而形成。該迴路模式係藉由往返於該鍵孔槽孔開口50 之卷邊電流而形成。在先前技術中，細線迴路100 (圖6B)Islot 明顯不存在。Islot 就地提供一傳輸線阻抗變壓器之操作優點以實現饋送點電阻之調整，且容易完成50歐姆。此外，該槽孔開口50 之楔形鍵孔形狀可減小導體鄰近效果損耗(導體鄰近效果係在可增大損耗電阻之相鄰導體表面上電流之群聚)。
圖7A包含圖表90 且展示通信裝置40 之一實例之XY平面自由空間輻射場型斷面。圖7B包含一圖表91 ，其展示該通信裝置40 之一實例之YZ平面自由空間輻射場型斷面。圖7C包含一圖表92 ，其展示該通信裝置40 之一實例之ZX平面自由空間輻射場型斷面。
如熟習此項技術者將明白，輻射場型係環形的(未展示等角視圖)且在YZ平面上係全向的。當天線平面係水平時極化係線性的及水平的，因此當天線平面係水平時E輻射場係線性的及水平的。通信裝置40 提供甚至λ/73直徑之一些輻射及較大電大小之增大的輻射效率。繪製總場，且單位係關於一具有線性極化之等向天線之dBil或分貝。輻射場型部分混合在小用電量迴路與一槽孔偶極之間，即，槽孔開口50 提供一些輻射作為一槽孔偶極，儘管圓體作為一迴路在輻射場型中佔主導地位。此可在未定向通信裝置中係有利的，此係因為在平面及側向兩者上發生一些輻射。藉由以下公式近似給定自通信裝置40 產生的電場長度：
Eφ =[μωIa/2r][J1 (β sin θ)；
其中：
μ=以法拉/米為單位之自由空間滲透性；
ω=角頻率=2πf；
I=以安培為單位之卷邊電流；
a=以米為單位之通信裝置半徑，例如，直徑除以2；
r=以米為單位之與通信裝置之距離；
J1 =一階引數之貝塞爾函數(βa sin θ)；及
θ=以弧度為單位之自迴路平面之角度(側向係π/2弧度)。
現額外地及簡要地參考圖11至圖12，圖表100 及圖表110 展示通信裝置40 分別隨操作頻率及導電天線層41 之直徑改變之增益效能。曲線101 及111 兩者展示隨著天線用電量變大以每倍頻帶約12 dB之頻率之可預測增益特性。
圖8及圖表120 展示通信裝置40 之一操作實例之特定吸收率(SAR)。圖中之單位係瓦特-千克。當一人員戴著本發明之一實施例時，模擬設計人肉相鄰的加熱特性。天線底部係在人體上方0.1英寸，天線直徑係1.0英寸，且頻率係162.55 MHz。人類曝露之背景限於可在IEEE標準C95.1TM -2005「IEEE Standard For Safety Levels with Respect To Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields 3 KHz to 300 GHz」中發現的RF電磁場。
如自圖表120 可明白，在一局部化區域中，在實例中實現的峰值SAR係0.1 W/kg。上文提及的IEEE標準(未展示)之表格6建議2 W/kg之局部化區域SAR位準允許用於公眾，因此曝露實例係可允許且低SAR可係本發明之一優點。當然，SAR位準隨頻率、功率位準、至身體之距離等而改變。如熟習此項技術者將明白，2010年IEEE標準公眾SAR限制係0.08 W/kg全身，對10 g組織之2 W/kg局部化曝露，及對手之4 W/kg局部化曝露。在VHF頻率下，身體加熱可主要由藉由天線近磁場至導電肉體中之渦電流感應致使。該實例之理論弧度球體距離(近場=遠場)係λ/2π=11.6英寸，且分析確實包含所有近場及遠場之效果。在UHF頻率下，自天線近電場之介電加熱可更顯著。在超過近場(r>λ/2π)之範圍處，SAR效果係根據波展開(1/4πr2 )而減小，因此使至身體之距離加倍使SAR減小4倍或6 dB。
接著係圖2之實施例之一操作理論。通信裝置40' 實施一複合天線設計，該複合天線設計包含兩種天線機構：提供一組合迴路天線及槽孔偶極天線之卷邊及發散。天線層41' 使電流卷邊以提供迴路且槽孔開口50' 使電流發散以提供槽孔偶極。輻射係卷邊及發散電流之傅立葉變換，且驅動點阻抗係根據洛倫茲輻射方程式。
槽孔開口50' 用作為一分接式槽孔線傳輸線及其中之一分佈元件阻抗變壓器。因此，藉由調整該槽孔開口50' 之尺寸(特定言之，該槽孔開口之圓形部分58' )而提供一種用以調整天線之負載電阻之方法。增大該圓形部分58' 之大小使負載電阻增大且減小該圓形部分58' 之大小則使電阻減小。外殼46 之較佳外徑在約0.01至0.1波長範圍中，且天線主要引導朝向關於自由空間波長之小用電量操作。本發明提供與此範圍中直徑之一50歐姆電阻匹配。作為背景，許多不同天線稱為迴路天線，但是典型迴路天線可能係一細線圈。例如，John Kraus之第二版課本「Antennas」，McGraw Hill1988圖6至圖7，第245頁揭示作為「一般情況迴路天線」之一細線圈。
典型細線迴路之限制在於其不提供一種調整獨立於迴路圓周之驅動點電阻之手段。本發明藉由調整圓形部分58' 之大小而提供獨立於天線直徑之電阻控制，因此提供一種方法。
根據巴俾涅原理根據面板、槽孔及構架形狀而劃分平面天線。例如，一面板偶極可包括一長金屬條、一槽孔偶極、一金屬片中之槽孔及一構架偶極、一長形長方形線。在本發明之一些實施例中，天線係一面板及一槽孔之混合。例如，若不使用中心孔，則迴路將導電地填充且係一面板形狀天線。若中心孔足夠大，則結構將係中空的且係一構架，藉此形成一混合面板槽孔。
一小導線迴路之輻射電阻係：
Rr =31,200(A2 /λ2 )2 ；
其中：
A=以平方米為單位之迴路面積；及
λ=自由空間波長。
引用面板電阻與槽孔之布克關係：
Zs =(377)2 /Zp ；
其中：
Zs =槽孔阻抗；及
Zp =面板阻抗。
將先前公式代入後面公式得出：
Rr =(377)2 /[31,200(A2 /λ2 )2 ]。
且此近似小中心孔大小之通信裝置40 之輻射電阻，此可對輻射效率而言係重要的。當然，天線之驅動點電阻不同於輻射電阻，且驅動點電阻可調整至任何所要值，諸如50歐姆。此係因為天線層41' 係寬的且係平面以允許一鍵孔形槽孔開口50' 在其中，該鍵孔形槽孔開口50' 用作為一阻抗變壓器。
天線具有單一控制調諧，例如操作頻率可藉由調整鍵孔凹口中之電容器之值(或介電插入之介電常數)而簡單地設定在一寬範圍(許多倍頻帶)內。天線之已實現增益係關於輻射電阻與方向性之比、輻射電阻及金屬導體損耗：
其中：
Gr =以dBil為單位之已實現增益；
Rr =以歐姆為單位之天線輻射電阻；及
Rl =以歐姆為單位之金屬導體損耗電阻。
因數1.5係關於小用電量天線之方向性，且作為背景當小用電量天線無限小時，多數迴路及偶極之方向性變為1.5。dBil之已實現增益單位係指關於一線性極化等向天線之分貝。術語已實現增益包含耗散損耗及不匹配損耗之效果，然而本文假定適當地調諧及匹配阻抗。在實踐中，載入電容器之損耗可係小的且在一些環境中可被忽視。本發明藉由調整一單一組件值：以法拉為單位之電容器值而具有一10比1之異常廣的可調諧頻寬。例如，瞬間增益頻寬(例如，固定調諧頻寬)係關於歸因於波展開率(有時稱為Chu-Harrington限制l/kr3 )之天線大小。
圖9包含具一曲線132 之一圖表130 ，該曲線132 展示本發明之一例示性實施例之已實現增益。通信裝置40 之外徑係常數1.0英寸且其由銅導體製成。增益隨頻率上升歸因於輻射電阻相對導體損耗電阻而增大。
圖10包含具一曲線133 之一圖表131 ，該曲線133 展示在1000 MHz下通信裝置40 之已實現增益。通信裝置40 之直徑經改變以進行繪圖且在較大大小處看見遞增增益。大體上，較大天線提供增大的效能。本發明有利地允許一連續大小及增益交換以運用此以及良好的絕對大小效率。通信裝置40 具有大導電表面以最小化焦耳效果損耗且可用電容器調諧，此可具有忽略不計損耗或基本不具有損耗。
已測試且發現本發明之實施例以甚至當隨機定向時提供全球定位系統(GPS)衛星之良好接收及可用性。測試的通信裝置具有1.1英寸之一直徑，且GPS L1頻率係1575.42 MHz。本發明之線性極化有利地避免當圓形極化接收天線反相時其等共有的深交叉感測衰落。
如熟習此項技術者明白，當一起使用圓形及線性極化天線時存在一常數3 dB理論損耗，但是當使用交叉感測圓形極化天線時理論上存在一無限損耗。對於隨機定向天線，無法避免交叉旋轉感測圓形極化衰落之發生。因此，線性極化GPS接收可係一有用交換，此係因為無線電通信衰落係統計學上的且若需要高可用性/可靠度則最深衰落定義所要功率。因此，本發明提供無需定標或定向以及對其他目的有用之一良好整合GPS無線電定位標籤。
有利地，通信裝置40 提供具圍繞鍵孔形槽孔結構50 之電流跡線卷邊之一就地多層PCB。對於所需應用，導電天線層41 之電阻負載可藉由調整該鍵孔形槽孔結構50 之大小而容易地改變。此外，多層PCB係使用第一介電層42 及第二介電層44 、調諧裝置47 及導電被動天線調諧構件43a至43e 來形成該通信裝置40 之調諧結構。進一步就此點而言，該通信裝置40 可以任何頻率擴展至任何大小，可在廣的多倍頻帶頻寬上調諧且容易以低單位成本製造。
40．．．通信裝置
40'．．．通信裝置
40"．．．通信裝置
41．．．導電天線層
41"．．．導電天線層
42．．．第一介電層
42'．．．第一介電層
42"．．．第一介電層
43a．．．導電被動天線調諧構件
43b．．．導電被動天線調諧構件
43c．．．導電被動天線調諧構件
43d．．．導電被動天線調諧構件
43e．．．導電被動天線調諧構件
44．．．第二介電層
44'．．．第二介電層
44"．．．第二介電層
45．．．電路/無線追蹤電路
46．．．外殼
46'．．．外殼
47．．．調諧狹縫/調諧裝置
47'．．．調諧裝置
48．．．電路/信號源
49．．．電路
50．．．槽孔開口
50'．．．槽孔開口
50"．．．槽孔開口
51．．．壓敏式黏附層
51a．．．天線饋送點
51a'．．．饋送點
51b．．．天線饋送點
51b'．．．饋送點
53．．．槽孔開口50之中間部分
53"．．．槽孔開口50"之中間部分
54．．．導電天線層41之周長
54"．．．導電天線層41"之周長
55a．．．導電通孔
55b．．．導電通孔
58'．．．圓形部分
59．．．電源
60．．．圖表
70．．．圖表
72．．．天線饋送點
74．．．天線饋送點
80．．．圖表
90．．．圖表
91．．．圖表
92．．．圖表
100．．．圖表
101．．．曲線
110．．．圖表
111．．．曲線
120．．．圖表
130．．．圖表
131．．．圖表
132．．．曲線
200．．．通信裝置
210．．．導電外殼
212．．．過道
214．．．楔形凹口
220．．．介電楔
230．．．內部無線電收音機
232a．．．導電引線
232b．．．導電引線
240．．．孔隙
244．．．射頻電流
圖1係根據本發明之一通信裝置之一分解圖之一示意圖。
圖2係根據本發明之通信裝置之另一實施例之一平面俯視圖。
圖3A係根據本發明之移除外殼之通信裝置之另一實施例之一平面俯視圖。
圖3B係根據本發明之具一導電外殼之通信裝置之另一實施例之一等角視圖。
圖4係根據本發明之通信裝置之電壓駐波比效能之一圖表。
圖5至圖6A係根據本發明之通信裝置之卷邊及發散電流流動之圖表。
圖6B描繪根據先前技術之一細線迴路天線。
圖7A係根據本發明之通信裝置之一實例之XY平面自由空間輻射場型斷面之一圖表。
圖7B係根據本發明之通信裝置之一實例之YZ平面自由空間輻射場型斷面之一圖表。
圖7C係根據本發明之一例示性通信裝置之ZX平面自由空間輻射場型斷面之一圖表。
圖8係根據本發明之一例示性通信裝置之特定吸收率之一圖表。
圖9係根據本發明之通信裝置之一1英寸直徑實例之已實現增益之一圖表。
圖10係根據本發明之通信裝置之一實例之已實現增益之一圖表。
圖11至圖12係根據本發明之通信裝置之增益值之圖表。
40．．．通信裝置
41．．．導電天線層
42．．．第一介電層
43a．．．導電被動天線調諧構件
43b．．．導電被動天線調諧構件
43c．．．導電被動天線調諧構件
43d．．．導電被動天線調諧構件
43e．．．導電被動天線調諧構件
44．．．第二介電層
45．．．電路/無線追蹤電路
46．．．外殼
47．．．調諧狹縫/調諧裝置
48．．．電路/信號源
50．．．槽孔開口
51．．．壓敏式黏附層
51a．．．天線饋送點
51b．．．天線饋送點
53．．．槽孔開口50之中間部分
54．．．導電天線層41之周長
55a．．．導電通孔
55b．．．導電通孔
59．．．電源

Claims (33)

  1. 一種通信裝置，其包括：一導電天線層，其中具有一槽孔開口，該槽孔開口包括與該導電天線層之一內部部分相鄰之一圓形部分、耦合至該圓形部分之一槽孔部分及向外朝向該導電天線層之一周長敞開之一開口，該導電天線層包括複數個天線饋送點，該複數個天線饋送點係跨該槽孔開口且沿著該圓形部分之一圓周；一第一介電層，其與該導電天線層相鄰；至少一導電被動天線調諧構件，其與該第一介電層相鄰；一第二介電層，其與該至少一導電被動天線調諧構件相鄰；在該第二介電層上的電路；及複數個導電通孔，其等延伸穿過該第一介電層及該第二介電層且耦合該電路與該複數個天線饋送點。
  2. 如請求項1之通信裝置，其中該槽孔開口係鍵孔形。
  3. 如請求項1之通信裝置，其進一步包括跨該槽孔開口而耦合之一調諧電容器。
  4. 如請求項1之通信裝置，其進一步包括該槽孔開口內的介電填充材料。
  5. 如請求項1之通信裝置，其中該槽孔開口具有自該內部部分至該導電天線層之該周長之一遞增寬度。
  6. 如請求項1之通信裝置，其中該槽孔開口具有自該內部 部分至該導電天線層之該周長之一均勻寬度。
  7. 如請求項1之通信裝置，其中該電路包括：一無線電路，其耦合至該導電天線層；及一電池，其耦合至該無線電路。
  8. 如請求項1之通信裝置，其進一步包括與該導電天線層相鄰之一壓敏式黏附層。
  9. 如請求項1之通信裝置，其中該導電天線層及該等第一及第二介電層係圓形。
  10. 如請求項1之通信裝置，其中該導電天線層及該等第一及第二介電層係長方形。
  11. 如請求項1之通信裝置，其中該導電天線層其中包括多個線性槽孔。
  12. 一種通信裝置，其包括：一圓形導電天線層，其中具有一鍵孔形槽孔開口，該鍵孔形槽孔開口包含與該圓形導電天線層之一內部部分相鄰之一圓形部分、耦合至該圓形部分之一槽孔部分及向外朝向該圓形導電天線層之一周長敞開之一開口，該圓形導電天線層包括複數個天線饋送點，該複數個天線饋送點係跨該鍵孔形槽孔開口且沿著該圓形部分之一圓周；一第一圓形介電層，其與該圓形導電天線層相鄰；至少一導電被動天線調諧構件，其與該第一圓形介電層相鄰；一第二圓形介電層，其與該至少一導電被動天線調諧 構件相鄰；在該第二圓形介電層上的電路；及複數個導電通孔，其等延伸穿過該第一圓形介電層及該第二圓形介電層且耦合該電路與該複數個天線饋送點。
  13. 如請求項12之通信裝置，其進一步包括跨該鍵孔形槽孔開口而耦合之一調諧電容器。
  14. 如請求項12之通信裝置，其進一步包括該鍵孔形槽孔開口內的介電填充材料。
  15. 如請求項12之通信裝置，其中該鍵孔形槽孔開口具有自該內部部分至該圓形導電天線層之該周長之一遞增寬度。
  16. 如請求項12之通信裝置，其中該鍵孔形槽孔開口具有自該內部部分至該圓形導電天線層之該周長之一均勻寬度。
  17. 一種追蹤裝置，其包括：一外殼；在該外殼之一外部上一壓敏式黏附層；一導電天線層，其由該外殼所乘載且其中具有一槽孔開口，該槽孔開口包含與該導電天線層之一內部部分相鄰之一圓形部分、耦合至該圓形部分之一槽孔部分及向外朝向該導電天線層之一周長敞開之一開口，該導電天線層包括複數個天線饋送點，該複數個天線饋送點係跨該槽孔開口且沿著該圓形部分之一圓周； 一第一介電層，其由該外殼所乘載且與該導電天線層相鄰；至少一導電被動天線調諧構件，其由該外殼所乘載且與該第一介電層相鄰；一第二介電層，其由該外殼所乘載且與該至少一導電被動天線調諧構件相鄰；在該第二介電層上的一無線追蹤電路；及複數個導電通孔，其等延伸穿過該第一介電層及該第二介電層且耦合該無線追蹤電路與該複數個天線饋送點。
  18. 如請求項17之追蹤裝置，其中該槽孔開口係鍵孔形。
  19. 如請求項17之追蹤裝置，其進一步包括跨該槽孔開口而耦合之一調諧電容器。
  20. 如請求項17之追蹤裝置，其中該槽孔開口具有自該內部部分至該導電天線層之該周長之一遞增寬度。
  21. 一種製作一通信裝置之方法，該方法包括：形成一導電天線層，在該導電天線層中具有一槽孔開口，該槽孔開口包含與該導電天線層之一內部部分相鄰之一圓形部分、耦合至該圓形部分之一槽孔部分及向外朝向該導電天線層之一周長敞開之一開口；在該導電天線層中形成複數個天線饋送點，該複數個天線饋送點跨該槽孔開口且沿著該圓形部分之一圓周；定位一第一介電層，該第一介電層與該導電天線層相鄰； 形成至少一導電被動天線調諧構件，該至少一導電被動天線調諧構件與該第一介電層相鄰；定位一第二介電層，該第二介電層與該至少一導電被動天線調諧構件相鄰；定位在該第二介電層上的電路；及形成複數個導電通孔，該複數個導電通孔延伸穿過該第一介電層及該第二介電層且耦合該電路與該複數個天線饋送點。
  22. 如請求項21之方法，其中形成該導電天線層包括：使該槽孔開口形成為鍵孔形。
  23. 如請求項21之方法，其進一步包括跨該槽孔開口而耦合一調諧電容器。
  24. 如請求項21之方法，其進一步包含以一介電填充材料填充該槽孔開口。
  25. 如請求項21之方法，其進一步包含形成與該導電天線層相鄰之一壓敏式黏附層。
  26. 一種通信裝置，其包括：一導電天線層，其中具有一槽孔開口，該槽孔開口包含與該導電天線層之一內部部分相鄰之一長方形部分、耦合至該長方形部分之一槽孔部分及向外朝向該導電天線層之一周長敞開之一開口，該導電天線層包括複數個天線饋送點，該複數個天線饋送點係跨該槽孔開口、在該長方形部分之一周長上且與該長方形部分及該槽孔部分之一交點相鄰； 一第一介電層，其與該導電天線層相鄰；至少一導電被動天線調諧構件，其與該第一介電層相鄰；一第二介電層，其與該至少一導電被動天線調諧構件相鄰；在該第二介電層上的電路；及複數個導電通孔，其等延伸穿過該第一介電層及該第二介電層且耦合該電路與該複數個天線饋送點。
  27. 如請求項26之通信裝置，其中該槽孔開口係鍵孔形。
  28. 如請求項26之通信裝置，其進一步包括跨該槽孔開口而耦合之一調諧電容器。
  29. 如請求項26之通信裝置，其進一步包括該槽孔開口內的介電填充材料。
  30. 一種製作一通信裝置之方法，該方法包括：形成一導電天線層，在該導電天線層中具有一槽孔開口，該槽孔開口包含與該導電天線層之一內部部分相鄰之一長方形部分、耦合至該長方形部分之一槽孔部分及向外朝向該導電天線層之一周長敞開之一開口；在該導電天線層中形成複數個天線饋送點，該複數個天線饋送點跨該槽孔開口、在該長方形部分之一周長上且與該長方形部分及該槽孔部分之一交點相鄰；定位一第一介電層，該第一介電層與該導電天線層相鄰；形成至少一導電被動天線調諧構件，該至少一導電被 動天線調諧構件與該第一介電層相鄰；定位一第二介電層，該第二介電層與該至少一導電被動天線調諧構件相鄰；定位在該第二介電層上的電路；及形成複數個導電通孔，該複數個導電通孔延伸穿過該第一介電層及該第二介電層且耦合該電路與該複數個天線饋送點。
  31. 如請求項30之方法，其中形成該導電天線層包括使該槽孔開口形成為鍵孔形。
  32. 如請求項30之方法，其進一步包括跨該槽孔開口而耦合一調諧電容器。
  33. 如請求項30之方法，其進一步包括以一介電填充材料填充該槽孔開口。
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