TWI501465B - 準碎形天線 - Google Patents

Description

準碎形天線

本發明係指一種準碎形天線，尤指一種可與表面聲波元件、高頻元件或者被動元件等整合之準碎形天線。

傳統常見的碎形天線設計中，使用碎形結構主要具有兩種優勢，第一種為自我相似(Self-Similarity)，為尺度一層層縮小的結構重複性，且在越來越小的尺度裡重複細節，而在天線設計的應用上易產生多倍頻之效果，第二種為空間填滿(Space-Filling)特性，表示在有限空間的區域內，藉由碎形結構的幾何多疊代(Iteration)之本質，可使其在天線設計的應用上，在有效空間內達到延長電流路徑，使諧振頻帶降低之效果，進而減少天線所佔用面積達到縮小化之目的。

但習知使用碎形結構作為天線設計之技術所遭遇到的缺點則至少有以下數點：一、為保有特定碎形結構之完整幾何形狀，在實際應用於行動通訊裝置中會佔據較大的面積；二、為使所設計之天線諧振頻帶更低頻，使用負載金屬片放置於碎形幾何結構後端，雖然增加電流有效的諧振路徑達到降頻效果，卻破壞了最初利用碎形結構使天線縮小化之美意；三、使用微帶線作為天線訊號饋入之方式，碎形天線之訊號饋入與其所需之接地面為非共平面式的，使得碎形天線與其他行動通訊裝置中常有的表面聲波元件、高頻元件或者被動元件等，在整合上有一定的困難度；四、如上述之三，碎形天線設計中常使用之微帶線饋入方式，易造成輻射損失，進而使得輻射效率降低，對於應用在低頻帶之碎形天 線來說是一大難題。

綜合上述之缺點，有必要提出一種新的天線架構，以克服前述缺點，職是之故，申請人鑑於習知技術中所產生之缺失，經過悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，終構思出本案「準碎形天線」，能夠克服上述缺點，以下為本案之簡要說明。

鑑於習用技術的幾個缺點，本發明係提出一種可與表面聲波(SAW)元件、高頻元件或者被動元件等整合之縮小化準碎形天線，整合表面聲波元件的壓電元件天線與印刷電路板天線，使得天線晶片化而可縮減天線之整體在行動通訊裝置中所佔尺寸。

故根據本發明的第一構想，提出一種天線，其包含一第一介電基板；以及一輻射部，其配置於該介電基板上，該輻射部包含一第一輻射部，其包含一接地端以及一訊號饋入端；以及一第二輻射部，其與該第一輻射部電性連接並具有自我相似之構形。

根據本發明的第二構想，提出一種天線，其包含一壓電基板層；以及一準碎形輻射層，其配置於該壓電基板上，並具有一四邊形子結構以及以該四邊形子結構為基礎經過n階包含裁剪、縮放與接合動作的自我相似疊代所形成之一相似結構，其中n為大於零的整數。

根據本發明的第三構想，提出一種天線，其包含一共平面波導層；以及一準碎形天線層，其配置於該共平面波導層上，並具有自我相似之構形。

本案將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，使得熟習本技藝之人士可以據以完成之，然本案之實施並非可由下列實施案例而被限制其實施型態。

本文中用語“較佳”是非排他性的，應理解成“較佳為但不限於”，任何說明書或請求項中所描述或者記載的任何步驟可按任何順序執行，而不限於請求項中所述的順序，本發明的範圍應僅由所附請求項及其均等方案確定，不應由實施方式示例的實施例確定。

用語“包含”及其變化出現在說明書和請求項中時，是一個開放式的用語，不具有限制性含義，並不排除其他特徵或步驟。

在本說明書提供的描述中，給出許多具體細節，然而本發明的實施例可以不按這些具體細節的方式來實現，故在某些情況下，本說明書未詳細地示出公知方法、結構和技術，以免模糊對此描述的理解。

本文所述措辭或定義僅僅用於助於理解本發明，這些定義不應解讀為具有比本發明所屬技術領域中具有通常知識者所理解的範圍更小的範圍。

請參閱第一圖(a)與第一圖(b)，第一圖(a)係本發明之準碎形天線結構之俯視示意圖，第一圖(b)係本發明之準碎形天線結構之立體示意圖，第一圖(a)與(b)之準碎形天線100係經由配置在介電基板115上的金屬片11所製成，介電基板115較佳為壓電材料，以作為金屬片11的支撐體，準碎形天線100包含輻射部111、訊號饋入端112以及接地端114與116等部分，其中輻射部111包含 準碎形輻射部111a、迴圈輻射部111b以及分支點113等部分，輻射部111的迴圈輻射部111b之形式經設計為具有鏤空區111f，鏤空區111f之形式是大致對應於準碎形輻射部111a之整體形式，其大小大致可以再容納另外一個準碎形輻射部111a。

由於行動通訊裝置中的表面聲波元件所使用的壓電材料皆為高介電係數，因此壓電材料也將是最佳的天線基板材料，因此可以表面聲波元件所使用的壓電材料作為本發明準碎形天線100之介電基板，故介電基板115較佳為表面聲波元件，例如：射頻表面聲波濾波器、中頻表面聲波濾波器及表面聲波共振器等所採用的壓電材料或壓電材料基板；再者，由於本發明之準碎形天線100所採用之訊號饋入與其所需之接地面為非共平面波導式，使得本發明之準碎形天線還能夠與其他行動通訊裝置中常見的高頻元件或者被動元件(passive component)等作進一步整合，例如：濾波器、低雜訊放大器、功率放大器、電感、電容或者電阻等。

即本發明之準碎形天線100就結構上而言可以與表面聲波元件、高頻元件或者被動元件等共用同一基板，也就是將本發明之準碎形天線製作在表面聲波元件、高頻元件或者被動元件的背面，而將本發明之準碎形天線與表面聲波元件、高頻元件或者被動元件等巧妙的整合在一起，如此可有效縮減準碎形天線100在行動通訊裝置中所佔用的空間體積，也毋須在行動通訊裝置中額外規劃出天線配置空間，進而使得行動通訊裝置之整體體積能再微型化。

請參閱第二圖(a)到(d)，其係本發明之準碎形輻射部之各階構形的示意圖，準碎形輻射部111a包含子結構與相似結構，準碎形 輻射部111a是以一個子結構為基礎，經過n階(order)包含裁剪、縮放與接合動作的自我相似(self similar)疊代(iteration)所形成之構形，其中n為大於零的整數。

例如，以第二圖(a)的準碎形輻射部111a為例，其包含子結構111c與相似結構111d，相似結構111d是以子結構111c為基礎經過1階等比例縮放的自我相似疊代後所形成之構形，值得注意的是，第二圖(a)的子結構111c與相似結構111d較佳為四邊形的梯形，第二圖(a)的子結構111c的放大圖請參閱第三圖，從第三圖可清楚看到，梯形的相似結構111d是以梯形的子結構111c為基礎，經過1階等比例縮放的自我相似疊代後所形成之構形。

相同的，繼續以梯形作為子結構為例，第二圖(b)的準碎形輻射部111a包含子結構111c、第1階相似結構111d與第2階相似結構111e，第1階相似結構111d與第2階相似結構111e是以子結構111c為基礎分別經過1階與2階的包含裁剪、縮放與接合動作的自我相似疊代所形成之構形。

依此類推，繼續以梯形作為子結構為例，第二圖(c)的準碎形輻射部111a包含子結構111c以及三階的相似結構，第二圖(d)的準碎形輻射部111a包含子結構111c以及四階的相似結構，第二圖(d)的準碎形輻射部111a之形式即為第一圖(a)與(b)所示例的準碎形輻射部111a，子結構還可以是三角形、四邊形、矩形與正方形等幾何形狀，當子結構形式為三角形時，準碎形輻射部之部分形式將類近Sierpinski Gasket碎形結構，但準碎形輻射部並不是Sierpinski Gasket碎形結構。

請參閱第四圖(a)到(c)，第四圖(a)係為本發明之共平面波導結 構之示意圖，第四圖(b)係為本發明之準碎形共平面波導天線之俯視示意圖，第四圖(c)係為本發明之準碎形共平面波導天線之立體示意圖。

第四圖(a)之共平面波導結構200包含作為共平面波導金屬片的接地金屬片221、耦合饋入金屬片225以及介電材料224，其中耦合饋入金屬片225包含訊號收發端222以及耦合饋入端223，介電材料224較佳為印刷電路板(PCB board)。

第四圖(b)與(c)之準碎形共平面波導天線300包含準碎形天線100以及共平面波導結構200，準碎形天線100具有前述的準碎形輻射部111a、接地端116與訊號饋入端112等，共平面波導結構200具有接地金屬片221、耦合饋入金屬片225、介電材料224、訊號收發端222以及耦合饋入端223等，準碎形天線100經由訊號饋入端112與共平面波導結構200的耦合饋入端223電性連接，以及準碎形天線100的接地端116與共平面波導結構200的接地金屬片221電性連接，準碎形天線100與共平面波導結構200可經由例如覆晶(Flip Chip)製程而接合，或者簡易的以非導電膠黏著方式做固定接合，藉此整合準碎形天線100與共平面波導結構200，構成準碎形共平面波導天線300，無論是擬接收(receive)或者擬傳送(transmission)之所有訊號，皆循著由訊號收發端222、耦合饋入端223、訊號饋入端112、迴圈輻射部111b與準碎形輻射部111a所構成之路徑進出準碎形天線100，或者準碎形共平面波導天線300。

綜上所述，本發明之準碎形共平面波導天線300，是一種整合表面聲波(SAW)元件常用之壓電元件的雙頻天線，其主要使用 兩種不同層之介質基板材料，在共平面波導結構200之層之中其介質層是使用現有的印刷電路板作為天線設計之主要基板，印刷電路板可以直接使用行動通訊裝置之系統板，將其表面印製或蝕刻成具有一個訊號收發端222及兩片接地金屬片221之共平面波導金屬片，結構與製作皆相當簡單，可以很簡單的與任何行動通訊之系統板之設計整合，在準碎形天線100之層之中其介質層則是採用表面聲波元件，例如：表面聲波濾波器元件，常用的壓電材料，作為天線設計之主要基板，由於壓電材料的高介電係數，因此壓電材料也是最佳的天線基板材料。

從另一角度觀察，本發明之準碎形共平面波導天線300包含兩層元件，分別為準碎形天線層100與平面波導結構層200，層與層之間採用耦合饋入之方式，可避免常見的打線方式發生斷裂情形，並於其中一層使用共平面波導形式之饋入方式，除了減少相較微帶線饋入之輻射損失外，並提供一環境使其更易與表面聲波元件以覆晶或者非導電膠黏著的方式做整合，另一層作為天線設計之基板材料，使天線得以晶片化。

前述之準碎形天線100之輻射部111從分支點113分為準碎形輻射部111a、迴圈輻射部111b，準碎形輻射部111a本質上是一種單極形式(monopole)天線，準碎形輻射部111a可以獨立操作，配合介電基板115就是一個可獨立操作之單極天線，而迴圈輻射部111b本質上是一種迴圈形式(loop)天線，本發明之準碎形天線100係結合準碎形輻射部111a與迴圈輻射部111b，並使兩者產生實體電性連接，準碎形輻射部111a即可與迴圈輻射部111b產生諧振，藉由兩諧振形態電流路徑的特性達到具有雙頻諧振的 效果，因此前述之準碎形天線100也是一種雙頻帶(dual band)天線。

由於準碎形共平面波導天線300以及準碎形天線100同時具有迴圈及單極形式之天線，藉由迴圈形式之設計，使得天線不需厚度太厚的基板材料，即可使天線擁有較高之輻射效率，而單極形式之設計，可藉由多邊形碎形結構，在有限空間內達到延長電流路徑，使天線所占面積與現今現有同頻帶之碎形天線設計產品相比，本發明之縮小化程度可達75%以上

前述之準碎形共平面波導天線300，其中基於準碎形輻射部111a之單極形式天線，由於在有限空間中進行多次的自我相似疊代而延長其諧振路徑，經測試可在2.4~2.484GHz之無線區域網路頻帶內具有S₁₁ <-10dB的良好匹配特性，參閱第五圖(a)其為本發明之準碎形共平面波導天線，由模擬軟體模擬求解所得之在2.3~2.55GHz頻帶之輻射效率圖，第五圖(b)為本發明之準碎形共平面波導天線，由模擬軟體模擬求解所得之在2.45GHz之輻射場型圖，其中第五圖(b)中所標示符號x-y plane、y-z plane與z-x plane之定義請參閱第七圖，其定義出本發明之準碎形共平面波導天線300在包含x軸、y軸與z軸之卡式座標中相對位置，第八圖為由模擬軟體模擬求解所得之本發明之準碎形共平面波導天線之反射係數對頻率響應圖。

在基於迴圈輻射部111b之迴圈形式天線的部分，迴圈輻射部111b係環繞地設置在該準碎形輻射部111a之外圍，經由在準碎形輻射部111a之外部走線的延伸路徑，最後再由經由接地端116與下層之共平面波導結構200之印刷電路板上的接地金屬片 221做電氣連接，經測試可在1.575GHz全球衛星定位系統之頻帶內亦有S₁₁ <-10dB的良好匹配特性，參閱第六圖(a)為本發明之準碎形共平面波導天線，由模擬軟體模擬求解所得之在1.56~1.58GHz頻帶之輻射效率圖，第六圖(b)為本發明之準碎形共平面波導天線，由模擬軟體模擬求解所得之在1.57GHz之輻射場型圖，其中第六圖(b)中所標示符號x-y plane、y-z plane與z-x plane之定義請參閱第七圖，其定義出本發明之準碎形共平面波導天線300在包含x軸、y軸與z軸之卡式座標中相對位置，第八圖為由模擬軟體模擬求解所得之本發明之準碎形共平面波導天線之反射係數對頻率響應圖。

準碎形共平面波導天線在前述兩頻帶之輻射效率在低頻部分有60%以上，在高頻部分可達90%以上，同為優異的表現。

鑑於產業界對於天線尺寸微型化，以及整合行動通訊裝置之天線與表面聲波元件的需求，本發明提出之準碎形共平面波導天線其結構可使行動通訊裝置的天線縮小在5×5mm² (0.025λ₀ ×0.025λ₀ )之面積範圍內，並有容易與表面聲波元件整合之絕佳優勢，且無需佔用額外空間，有縮小尺寸的絕佳效果。

茲提供更多實施例如以下所述：

(1)一種天線，其包含一第一介電基板；以及一輻射部，其配置於該介電基板上，該輻射部包含一第一輻射部，其包含一接地端以及一訊號饋入端；以及一第二輻射部，其與該第一輻射部電性連接並具有自我相似之構形。

(2)如第1實施例所述之天線，還包含一第二介電基板；以及一共平面波導金屬片，其設置於該第二介電基板上，該共平面波 導金屬片包含一接地金屬片，其係與該接地端電性連接；以及一耦合饋入金屬片，其具有一訊號收發端以及一耦合饋入端，該耦合饋入端係與該訊號饋入端電性連接。

(3)如第1實施例所述之天線，其中該第二輻射部具有一子結構以及以該子結構為基礎經過n階包含裁剪、縮放與接合動作的自我相似疊代所形成之一相似結構，其中n為大於零的整數。

(4)如第3實施例所述之天線，其中該相似結構係為由該子結構經過n階包含裁剪、縮放與接合動作的自我相似疊代成為準Sierpinski Gasket碎形結構之構形，其中n為大於零的整數。

(5)如第3實施例所述之天線，其中該子結構為一經裁剪後的三角形或者一四邊形，該四邊形係選自一梯形、一矩形以及一正方形其中之一。

(6)如第1實施例所述之天線，其中該第一介電基板係為一壓電材料基板，該第二介電基板係為一印刷電路基板。

(7)如第1實施例所述之天線，其中該第一輻射部係環繞地設置在該第二輻射部之外圍，該第一輻射部之形式具有一鏤空區，該鏤空區之形式係對應於該第二輻射部之整體形式。

(8)如第1實施例所述之天線，其中該第一輻射部與該第二輻射部之分歧點為耦合金屬片以上至少距離為自由空間中天線最低諧振頻率的1/80波長。

(9)如第1實施例所述之天線，其中該第一輻射部與該第二輻射部係為一導電金屬片，該導電金屬片設置於該第一介電基板上。

(10)如第1實施例所述之天線，其中該第一輻射部為一迴圈 輻射部，該第二輻射部為一準碎形輻射部。

(11)一種天線，其包含一壓電基板層；以及一準碎形輻射層，其配置於該壓電基板上，並具有一四邊形子結構以及以該四邊形子結構為基礎經過n階包含裁剪、縮放與接合動作的自我相似疊代所形成之一相似結構，其中n為大於零的整數。

(12)一種天線，其包含一共平面波導層；以及一準碎形天線層，其配置於該共平面波導層上，並具有自我相似之構形。

(13)如第12實施例所述之天線，其中該共平面波導層與該準碎形天線層之間係以覆晶製程或者非導電膠黏著方式而接合，並以共平面波導形式進行耦合饋入。

(14)如第12實施例所述之天線，其中準碎形天線層具有一子結構以及以該子結構為基礎經過n階包含裁剪、縮放與接合動作的自我相似疊代所形成之一相似結構，其中n為大於零的整數。

本發明並不侷限於前文所描述的各個實施例，而是包含基於本文所詳細描述可被該領域的技術人員理解到的變型、省略、組合(例如不同實施例的方面的組合)、互換、替代、改變和/或修改的任何和所有實施例。

以上所述僅為本發明之最佳實施例，當不能以之限定本發明所實施之範圍，本發明之範圍應以申請專利範圍為準，即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

100‧‧‧準碎形天線

11‧‧‧金屬片

111‧‧‧輻射部

111a‧‧‧準碎形輻射部

111b‧‧‧迴圈輻射部

111c‧‧‧子結構

111d‧‧‧第1階相似結構

111e‧‧‧第2階相似結構

111f‧‧‧鏤空區

112‧‧‧訊號饋入端

113‧‧‧分支點

114‧‧‧接地端

115‧‧‧介電基板

116‧‧‧接地端

200‧‧‧共平面波導結構

221‧‧‧接地金屬片

222‧‧‧訊號收發端

223‧‧‧耦合饋入端

224‧‧‧介電材料

225‧‧‧耦合饋入金屬片

300‧‧‧準碎形共平面波導天線

第一圖(a) 係本發明之準碎形天線結構之俯視示意圖；第一圖(b) 係本發明之準碎形天線結構之立體示意圖；第二圖(a) 係本發明之準碎形輻射部之第一階子結構的示意圖；第二圖(b) 係本發明之準碎形輻射部之第二階子結構的示意圖；第二圖(c) 係本發明之準碎形輻射部之第三階子結構的示意圖；第二圖(d) 係本發明之準碎形輻射部之第四階子結構的示意圖；第三圖 係第二圖(a)的第一階子結構的放大示意圖；第四圖(a) 係本發明之共平面波導結構之示意圖；第四圖(b) 係本發明之準碎形共平面波導天線之俯視示意圖；第四圖(c) 係本發明之準碎形共平面波導天線之立體示意圖；第五圖(a) 係本發明之準碎形共平面波導天線在2.3~2.55GHz頻帶之輻射效率圖；第五圖(b) 係本發明之準碎形共平面波導天線在2.45GHz之輻射場型圖；第六圖(a) 係本發明之準碎形共平面波導天線在1.56~1.58GHz頻帶之輻射效率圖；第六圖(b) 係本發明之準碎形共平面波導天線在1.57GHz之輻射場型圖； 第七圖 係本發明之準碎形共平面波導天線300在包含x軸、y軸與z軸之卡式座標中相對位置之示意圖；以及第八圖 係本發明之準碎形共平面波導天線之反射係數對頻率響應圖。

300‧‧‧準碎形共平面波導天線

100‧‧‧準碎形天線

200‧‧‧共平面波導結構

111a‧‧‧準碎形輻射部

221‧‧‧接地金屬片

223‧‧‧耦合饋入端

224‧‧‧介電材料

225‧‧‧耦合饋入金屬片

112‧‧‧訊號饋入端

116‧‧‧接地端

Claims (12)

1. 一種天線，其包含：一第一介電基板；以及一輻射部，其配置於該第一介電基板上，該輻射部包含：一第一輻射部，其包含一接地端以及一訊號饋入端；以及一第二輻射部，其與該第一輻射部電性連接，其中該第二輻射部具有一四邊形子結構以及以該四邊形子結構為基礎經過n階包含裁剪、縮放與接合動作的自我相似疊代所形成之一相似結構，其中n為大於零的整數，且該第一輻射部之形式具有一鏤空區，該鏤空區之形式係對應於該第二輻射部之整體形式。
2. 如申請專利範圍第1項所述之天線，還包含：一第二介電基板；以及一共平面波導金屬片，其設置於該第二介電基板上，該共平面波導金屬片包含：一接地金屬片，其係與該接地端電性連接；以及一耦合饋入金屬片，其具有一訊號收發端以及一耦合饋入端，該耦合饋入端係與該訊號饋入端電性連接。
3. 如申請專利範圍第1項所述之天線，其中該相似結構係為由該四邊形子結構經過n階包含裁剪、縮放與接合動作的自我相似疊代成為準Sierpinski Gasket碎形結構之構形，其中n為大於零的整數。
4. 如申請專利範圍第1項所述之天線，其中該四邊形係選自一梯形、一矩形以及一正方形其中之一。
5. 如申請專利範圍第1項所述之天線，其中該第一介電基板係為一壓電材料基板，該第二介電基板係為一印刷電路基板。
6. 如申請專利範圍第1項所述之天線，其中該第一輻射部係環繞地 設置在該第二輻射部之外圍。
7. 如申請專利範圍第1項所述之天線，其中該第一輻射部與該第二輻射部之分歧點為耦合金屬片以上至少距離為自由空間中天線最低諧振頻率的1/80波長。
8. 如申請專利範圍第1項所述之天線，其中該第一輻射部與該第二輻射部係為一導電金屬片，該導電金屬片設置於該第一介電基板上。
9. 如申請專利範圍第1項所述之天線，其中該第一輻射部為一迴圈輻射部，該第二輻射部為一準碎形輻射部。
10. 一種天線，其包含：一壓電基板層；以及一準碎形輻射層，其配置於該壓電基板上，並具有一四邊形子結構以及以該四邊形子結構為基礎經過n階包含裁剪、縮放與接合動作的自我相似疊代所形成之一相似結構，其中n為大於零的整數，且該準碎形輻射層具有一鏤空區，該鏤空區之形式係對應於該四邊形子結構以及該相似結構之整體形式。
11. 一種天線，其包含：一共平面波導層；以及一準碎形天線層，其配置於該共平面波導層上，其中該準碎形天線層具有一四邊形子結構以及以該四邊形子結構為基礎經過n階包含裁剪、縮放與接合動作的自我相似疊代所形成之一相似結構，其中n為大於零的整數，且該準碎形天線層具有一鏤空區，該鏤空區之形式係對應於該四邊形子結構以及該相似結構之整體形式。
12. 如申請專利範圍第11項所述之天線，其中該共平面波導層與該準 碎形天線層之間係以覆晶製程或者非導電膠黏著方式而接合，並以共平面波導形式進行耦合饋入。