TWI501466B - 印刷式寬頻單極天線模組 - Google Patents

Description

印刷式寬頻單極天線模組

本發明係為一種印刷式寬頻單極天線模組，尤指一種應用於可攜式電子裝置中而能進行無線信號傳輸，並係直接於印刷式電路板之一側上作印製，而能簡單地依應用需求來設計與調整所運作之頻段與頻寬的天線模組。

隨著行動運算技術的發展，相關的可攜式電子裝置是不斷地被研發與創新，例如筆記型電腦、個人數位助理、行動電話或平板電腦等。這些科技產品在我們的生活中已扮演著重要之角色，並帶來相當大的方便性和實用性。另一方面，利用可攜式電子裝置作無線信號之傳輸以進行包括電話通訊、網際網路連線等功能，亦為此類電子裝置的一種重要應用。而所進行的無線信號傳輸係指藉由其裝置所內建或外接的一天線以射頻(radio frequency)方式來接收與發射相關的無線信號。

為了因應可攜式電子裝置之輕薄短小的特性，相關的無線信號傳輸模組無不以輕巧的型態或相應之尺寸加以設計與製造。就目前技術而言，小型天線主要有晶片天線(Chip Antenna)和平面型天線(Planar Antenna)兩種。其中晶片天線類型的有陶瓷晶片天線(Ceramic Chip Antenna)，而平面型天線的類型則包括微帶天線(Micro-strip Antenna)和印刷式天線(Printed Antenna)。其中結構輕巧、傳輸效能良好、方便製作且可被輕易地設置在裝置內壁之平面倒F 形天線(Planar Inverse-F Antenna，簡稱PIFA)或單極天線(Monopole Antenna)，便為目前已被廣泛地運用在各類可攜式電子裝置的平面型天線。

另一方面，目前針對可攜式電子裝置之無線信號傳輸的實用性與功能性，於其無線信號傳輸模組的設計也愈益強調具有多頻段與足夠之頻寬。舉例來說，為了要將無線區域網路(Wireless LAN)標準之802.11b和802.11a規格整合於一個無線信號傳輸模組中，必須設計能夠兼具2.4GHz和5GHz兩種不同運作頻率的天線結構或電路，而此類天線稱為雙頻天線(Dual Band Antenna)。

而就平面倒F形天線(PIFA)而言，目前的製造技術多半將同軸纜線之內層導體層與外圍導體層分別焊接於其結構之信號饋入點與信號接地點，以將信號進行傳輸。然而，為了讓平面倒F形天線能作多頻段與寬頻之應用，習知技術多半使其整體結構設計的較為複雜與尺寸較大，於製造上也存在著成本較高與組裝不易的缺陷，且其所形成的頻寬係較窄而不易於不同環境進行頻段調整。相對來說，單極天線的運作與結構則較簡單。是以，如何使單極天線能有效地進行多頻段與寬頻之運作，並且係以同一個天線或同一個無線信號傳輸模組之方式作結構設計，便為本案發展之主要目的。

本發明之目的在於提供一種印刷式寬頻單極天線模組。該天線模組係應用並內建於可進行無線信號傳輸之可 攜式電子裝置，且其天線本體係直接於可攜式電子裝置的印刷式電路板之一側上作印製，從而能簡單地依應用需求來設計與調整所運作之頻段與頻寬。

本發明係為一種印刷式寬頻單極天線模組，包含有：一基板，具有一第一側面；一接地部，形成於該第一側面上；以及一天線本體，相對於該接地部而設置於該第一側面上，該天線本體並包含有：一第一延伸部，具有一第一長度；一第二延伸部，具有一第二長度，並具有一第一寬度加上一第二寬度之寬度；一第三延伸部，具有該第一寬度，而該第二延伸部係於該第一延伸部與該第三延伸部之間形成連接；以及一饋入部，其一端連接於該第一延伸部與該第二延伸部之間，另一端則對應於該接地部；其中該第一長度決定一工作頻率，該第一長度大於該第二長度，且該第一長度對該第二長度的比值係小於一第一數值，而該第一長度對該第一寬度與該第二寬度之和的比值係小於一第二數值。

根據上述構想，本發明所述之印刷式寬頻單極天線模組，其中該接地部更包含有相互連接的一後端區域、一前端區域和一中間區域，該中間區域係形成於該後端區域與該前端區域之間，而分別於其兩端連接該後端區域與該前端區域。

根據上述構想，本發明所述之印刷式寬頻單極天線模組，其中該接地部更包含有相互連接的一後端區域、一前端區域和一中間區域，該後端區域係形成於該第三延伸部之一側，並和該第二延伸部之間具有一第一間距；該前端 區域係形成於該第一延伸部之一側，並和該第一延伸部之間具有一第二間距；該中間區域並和該第一延伸部、該第二延伸部之間具有一第三間距；其中係設計該第一間距大於該第二間距，該第二間距大於或等於該第三間距，調整該第一間距、該第二間距及/或該第三間距以作為該天線本體的阻抗匹配。

根據上述構想，本發明所述之印刷式寬頻單極天線模組，其中該基板更具有一第二側面，該第二側面與該第一側面係分別設置於該基板相對應的兩側，該天線本體的投影映射於該第二側面的區域為一鏤空區域而不設置任何金屬結構。

現以一第一實施例進行本發明之實施說明。請同時參閱第一圖(a)和(b)。其中第一圖(a)係為本發明所提出之印刷式寬頻單極天線模組100的平面示意圖；第一圖(b)係為該印刷式寬頻單極天線模組100於一角度上的立體示意圖。如第一圖(a)和(b)所示，於此實施例中，該印刷式寬頻單極天線模組100主要包含有一基板10、一接地部11和一天線本體20。該基板10係為一介電質之印刷式電路板，其具有兩個側面，圖中呈現了其中的一第一側面10a，而該接地部11係形成於該第一側面10a上。

承上所述，該天線本體20係以微帶線方式並相對於該接地部11印製與設置在該第一側面10a上。於此實施例中，形成於該第一側面10a上的該接地部11可為一印 刷金屬面，而於該基板10之另一側面(即一第二側面，該第二側面與該第一側面係分別設置於該基板相對應的兩側，未顯示於圖式)上則無形成任何結構，使其印刷式寬頻單極天線模組100成為一雙層板之架構。而於其他之實施方式中，亦可於該基板10之所述另一側面上印製出另一接地金屬面，使其整體模組成為一三層板之架構；但需注意的是，在此三層板(或更多層)之架構下為使天線能進行輻射，在該天線本體20所在位置之另一側面的對應區域上需為鏤空，也就是該天線本體20的投影映射於該第二側面的區域為一鏤空區域而不能形成、設置任何金屬結構。

另一方面，本發明的該印刷式寬頻單極天線模組100係應用且內建於可進行無線信號傳輸之可攜式電子裝置。是以，因應可攜式電子裝置之輕薄短小的特性，構成其電路板之該基板10的尺寸便可對應其電子裝置之尺寸，也就是整體的天線模組可和電子裝置的其他系統元件設置在同一個板材上。此外，其天線模組亦可和所應用之電子裝置的其他系統元件作板材上各自獨立之設置，也就是設置天線的該基板10可為另一個尺寸相對較小的印刷式電路板，並獨立地於電子裝置的相關位置上(例如電子裝置之殼體內璧)作懸掛或貼附之固設。

請參閱第二圖，係為該印刷式寬頻單極天線模組100的平面放大示意圖。如該圖所示，該天線本體20包含有一第一延伸部21、一第二延伸部22、一第三延伸部23和一饋入部24；其中該第二延伸部22係形成於該第一延伸 部21與該第三延伸部23之間，而分別於其兩側連接該第一延伸部21與該第三延伸部23。其次，由一般單極天線之特徵可知，單極天線係僅由一個端點作信號之饋入而與其接地點相互獨立分離；是以，該饋入部24的其中一端連接於該第一延伸部21與該第二延伸部22之間，而其另一端則對應於該接地部11。

詳細來說，如第二圖所示，該第一延伸部21具有一第一長度B1，該第二延伸部22具有一第二長度B2；而於此實施例中之該第一延伸部21和該第二延伸部22同具有一第一寬度C1加上一第二寬度C2之寬度(即(C1+C2))，也就是兩者皆呈現為矩形的形狀。其次，該第三延伸部23具有該第一寬度C1與一第三長度B3；而該第三延伸部23和該第二延伸部22之間的連接係呈現出一階梯狀之樣式，從而能夠產生出更多的電流通過型態，以便進行對應的阻抗匹配和達到所需的頻段運作。

承上所述，於此實施例中，該第一延伸部21即是用以作為信號傳輸之輻射主體。詳細來說，該第一延伸部21之該第一長度B1的設計主要便是用來決定天線之一工作頻率，也就是從該饋入部24所在之饋入點向該第一延伸部21之端緣所延伸而出的長度，將和所響應、共振之頻率大小有關。基本上，其長度係約略等於所設計頻段中所使用頻率之共振波長的四分之一。另一方面，該第二延伸部22與該第三延伸部23係用以作為阻抗匹配之調整，也就是從該饋入部24所在之饋入點向該第二延伸部22與該第三延伸部23之端緣所延伸而出的形狀(即其階梯狀)，能 使天線之電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，簡稱VSWR)達到所需之條件。此外，(C1+C2)之寬度將決定其天線本體20可運作之頻寬。

進一步來說，該天線本體20之設計係具有以下條件；其一，該第一長度B1係大於該第二長度B2，同時該第一長度B1對該第二長度B2的比值係小於一第一數值，而該第一數值於此實施例中係為4，也就是： 其二，該第二寬度C2係大於該第一寬度C1，同時該第一長度B1對該第一寬度C1與該第二寬度C2之和的比值係小於一第二數值，而該第二數值於此實施例中係為2.5，也就是：

再者，如第二圖所示，該接地部11包含有一後端區域113、一前端區域112和一中間區域111；該中間區域111係形成於該後端區域113與該前端區域112之間，而分別於其兩端連接該後端區域113與該前端區域112。由上述可知，單極天線係僅由一個端點作信號之饋入而與其接地點相互獨立分離；是以，於此實施例中，該饋入部24之另一端係鄰近該接地部11，也就是對應於該接地部11之中間區域111的一饋入信號接地點111a。

具體來說，該饋入部24係直接於該基板10上採用50歐姆(Ω)之線路來構成，並以其一端銲接在該第一延伸部 21與該第二延伸部22之交界處的一饋入點上，而能進行信號之饋入，且其線路的另一端則可因應該饋入信號接地點111a之位置作對應的延伸。

承上所述，如第二圖所示，該後端區域113係形成於該第三延伸部23之一側，並和該第二延伸部22之間具有一第一間距A1。其次，該前端區域112係形成於該第一延伸部21之一側，並和該第一延伸部21之間具有一第二間距A2。此外，該中間區域111並和該第一延伸部21、該第二延伸部22之間具有一第三間距A3。當信號饋入後，該接地部11附近會有電流通過，因此，該等區域111、112、113同樣是用以作為阻抗匹配之調整。而於此實施例中，該後端區域113與該前端區域112係呈現為矩形的形狀，且其中係設計該第一間距A1大於該第二間距A2，該第二間距A2大於或等於該第三間距A3。進一步來說，當調整該第一間距A1、該第二間距A2及/或該第三間距A3之間隔距離的設計時，便可用以作為該天線本體20的阻抗匹配之調整。

請參閱第三圖，係為該印刷式寬頻單極天線模組100於此實施例中之反射損失(dB)對頻率(GHz)的實測結果示意圖。於此圖中之曲線代表B1/B2之比值為3.83的實測結果。而就反射損失(Return Loss，單位dB)此一條件進行實測檢視時，於此實施例中是以-10dB作為檢測的標準。詳細來說，所呈現的曲線是在-10dB以下時，代表此天線在對應之頻率可供有效使用；而其曲線是在-10dB以上時，代表對應之頻率在其傳輸介面上會出現較大的反射而無 法有效使用。於此實施例中係定義該第一長度B1對該第二長度B2的比值小於4(式1)，而如第三圖所示，以B1/B2之比值為3.83的實測結果來說，便已呈現出位於-10dB以下的部份其可用頻段約在1.7~2.7GHz，也就是其可用頻寬約達1.0GHz(或1000MHz)；而1.7GHz即為該第一長度B1所對應之工作頻率。

請同時參閱第四圖，係為該印刷式寬頻單極天線模組100於此實施例中之頻寬(MHz)對一比值(B1/(C1+C2))的實測結果示意圖。由上所述可知，該第一延伸部21之該第一長度B1的設計係用來決定天線之工作頻率；且當固定該第一長度B1並調整該第一延伸部21和該第二延伸部22之寬度(C1+C2)的設計時，便可決定天線之頻寬。於此實施例中係定義該第一長度B1對該第一寬度C1與該第二寬度C2之和的比值小於2.5(式2)，而如第四圖所示，以B1/(C1+C2)之比值約為1.9~2.5的實測結果來說，便已呈現出其可用頻寬約達970~1060MHz，也就是平均而言已有約1000MHz的可用頻寬。

是以，承上所述，根據對該印刷式寬頻單極天線模組100於此實施例中之相關設計條件，其所可具體進行實施與應用之操作頻段在LTE(Long Term Evolution，簡稱LTE)之Band 1(1920~2170MHz)、Band 3(1710~1880MHz)、Band 4(1710~2155MHz)、Band 7(2500~2690MHz)、Band 38(2570~2620MHz)、Band 40(2300~2400MHz)以及UMTS(1920~2170MHz)、WiFi 802.11bgn(2.40~2.50GHz)等之系統的頻段或頻帶，而能於可進行無線信號傳輸之相關可攜 式電子裝置上作運用；或是任何可於LTE之1710~2700MHz頻段上進行應用的系統，或是可稍作頻段調整而能應用在其它操作頻段之無線信號傳輸系統或裝置。

本發明還可根據上述第一實施例所揭露之概念進行相關的變化實施，而能在類似的構造設計下達成相近的功效與實施目的。現以一第二實施例進行本發明之實施說明，於此第二實施例中，本發明提出一印刷式寬頻單極天線模組102。

請參閱第五圖，係為該印刷式寬頻單極天線模組102的平面放大示意圖；其中和上述第一實施例相同構成單元的部份係以相同的元件編號作示意。如該圖所示，此第二實施例和第一實施例之差別僅在於，其接地部11還包含有一槽孔114，該槽孔114係形成於其前端區域112’與其中間區域111之間。類似地，當信號饋入後，該接地部11附近會有電流通過，而該等區域111、112’、113將進行阻抗匹配調整。而於此第二實施例中，該前端區域112’因應該槽孔114之設計，其形狀便呈現出一階梯狀之樣式，使得於其上能夠產生出更多的電流通過型態而能進行對應的阻抗匹配調整。

現以一第三實施例進行本發明之實施說明，於此第三實施例中，本發明提出一印刷式寬頻單極天線模組103。

請參閱第六圖，係為該印刷式寬頻單極天線模組103的平面放大示意圖；其中和上述第一實施例相同構成單元 的部份係以相同的元件編號作示意。如該圖所示，此第三實施例和第一實施例之差別僅在於，其天線本體20還包含有一缺塊25，該缺塊25係形成於其第一延伸部21’之一角上，使得該第一延伸部21’相對在該前端區域112一側上的形狀呈現出一階梯狀之樣式。而於此第三實施例中，因應該缺塊25之設計，該第一延伸部21’之一第一長度將從B1’變化至B1”；相較於第一實施例而言，長度B1’小於長度B1(並大於長度B2)，且長度B1”大於長度B1，也就是該第一延伸部21’係相對地向該前端區域112一側加以延伸，使得其間距A2’小於間距A2。

承上所述，該第一延伸部21’之該第一長度B1’、B1”之值的設計，需於分別代入第一實施例之式1與式2中之B1後，能符合其條件。由上所述可知，該第一延伸部21’之長度的設計係用來決定天線之工作頻率；是以，因應其第一長度B1’、B1”之不同，便能決定出不同的工作頻率，並進而能以此工作頻率調整出所需之不同頻段。

綜上所述，本發明所提出之印刷式寬頻單極天線模組，至少具有如下的特徵或可達到之功效增進：

其一，本發明係根據單極天線之運作原理作設計，從而不需具有如平面倒F形天線(IIFA)的接地點，使得其整體尺寸能較平面倒F形天線來得小；同時饋入部之設計係直接印製於其印刷式電路板上，從而能減少同軸纜線饋入之使用成本。

其二，本發明之天線本體係亦能直接印製於其印刷式 電路板之一側上，也就是製造上可簡單地改變相關長度與寬度之設計，使得其運作之頻段與頻寬便能依應用需求而被輕易調整；同時還可減少相對於一般立體天線所需的模具製造成本及生產組裝成本。

其三，本發明經實測後已驗證可有效地於LTE之1710~2700MHz頻段上進行運用，或是可稍作頻段調整而能作不同頻段的應用；同時其整體模組可於所應用之電子裝置中以單一板材之方式來設置，或是可另外以一較小的電路板作獨立設置。

是故，本發明能有效解決先前技術中所提出之相關問題，並能成功地達到本案發展之主要目的。

任何熟悉本技術領域的人員，可在運用與本發明相同目的之前提下，使用本發明所揭示的概念和實施例變化來作為設計和改進其他一些方法的基礎。這些變化、替代和改進不能背離申請專利範圍所界定的本發明的保護範圍。是故，本發明得由熟習此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。

100、102、103‧‧‧印刷式寬頻單極天線模組

10‧‧‧基板

10a‧‧‧第一側面

11‧‧‧接地部

111‧‧‧中間區域

111a‧‧‧饋入信號接地點

112、112’‧‧‧前端區域

113‧‧‧後端區域

114‧‧‧槽孔

20‧‧‧天線本體

21、21’‧‧‧第一延伸部

22‧‧‧第二延伸部

23‧‧‧第三延伸部

24‧‧‧饋入部

25‧‧‧缺塊

A1‧‧‧第一間距

A2、A2’‧‧‧第二間距

A3‧‧‧第三間距

B1、B1’、B1”‧‧‧第一長度

B2‧‧‧第二長度

B3‧‧‧第三長度

C1‧‧‧第一寬度

C2‧‧‧第二寬度

第一圖(a)，係為本發明之印刷式寬頻單極天線模組100的平面示意圖。

第一圖(b)，係為本發明之印刷式寬頻單極天線模組100於一角度上的立體示意圖。

第二圖，係為本發明之印刷式寬頻單極天線模組100的平面放大示意圖。

第三圖，係為本發明之印刷式寬頻單極天線模組100於第一實施例中之反射損失(dB)對頻率(GHz)的實測結果示意圖。

第四圖，係為本發明之印刷式寬頻單極天線模組100於第一實施例中之頻寬(MHz)對一比值(B1/(C1+C2))的實測結果示意圖。

第五圖，係為本發明之印刷式寬頻單極天線模組102的平面放大示意圖。

第六圖，係為本發明之印刷式寬頻單極天線模組103的平面放大示意圖。

100‧‧‧印刷式寬頻單極天線模組

10‧‧‧基板

10a‧‧‧第一側面

11‧‧‧接地部

111‧‧‧中間區域

111a‧‧‧饋入信號接地點

112‧‧‧前端區域

113‧‧‧後端區域

20‧‧‧天線本體

21‧‧‧第一延伸部

22‧‧‧第二延伸部

23‧‧‧第三延伸部

24‧‧‧饋入部

A1‧‧‧第一間距

A2‧‧‧第二間距

A3‧‧‧第三間距

B1‧‧‧第一長度

B2‧‧‧第二長度

B3‧‧‧第三長度

C1‧‧‧第一寬度

C2‧‧‧第二寬度

Claims (12)

1. 一種印刷式寬頻單極天線模組，包含有：一基板，具有一第一側面；一接地部，形成於該第一側面上；以及一天線本體，相對於該接地部而設置於該第一側面上，該天線本體並包含有：一第一延伸部，具有一第一長度；一第二延伸部，具有一第二長度，並具有一第一寬度加上一第二寬度之寬度；一第三延伸部，具有該第一寬度，而該第二延伸部係於該第一延伸部與該第三延伸部之間形成連接；以及一饋入部，其一端連接於該第一延伸部與該第二延伸部之間，另一端則對應於該接地部；其中該第一長度對該第二長度的比值係小於一第一數值，而該第一長度對該第一寬度與該第二寬度之和的比值係小於一第二數值；其中該接地部包含有：一後端區域，形成於該第三延伸部之一側，並和該第二延伸部之間具有一第一間距；一前端區域，形成於該第一延伸部之一側，並和該第一延伸部之間具有一第二間距；以及一中間區域，形成於該後端區域與該前端區域之間，並和該第一延伸部、該第二延伸部之間具有一第三間距；其中該第一間距係大於該第二間距，且該第二間距係 大於或等於該第三間距。
2. 如申請專利範圍第1項所述之印刷式寬頻單極天線模組，其中該基板係為一介電質之印刷式電路板。
3. 如申請專利範圍第1項所述之印刷式寬頻單極天線模組，其中該接地部係為一印刷金屬面。
4. 如申請專利範圍第1項所述之印刷式寬頻單極天線模組，其中該第一長度係決定一工作頻率，而該第一長度係大於該第二長度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之印刷式寬頻單極天線模組，其中該第二寬度係大於該第一寬度。
6. 如申請專利範圍第1項所述之印刷式寬頻單極天線模組，其中該第二延伸部與該第三延伸部係用以進行阻抗匹配調整。
7. 如申請專利範圍第1項所述之印刷式寬頻單極天線模組，其中該接地部包含有一槽孔，形成於該前端區域與該中間區域之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之印刷式寬頻單極天線模組，其中該第一延伸部之寬度係為該第一寬度加上該第二寬度。
9. 如申請專利範圍第1項所述之印刷式寬頻單極天線模組，其中該基板更具有一第二側面，該第二側面與該第一側面係分別設置於該基板相對應的兩側，該天線本體的投影映射於該第二側面的區域不設置任何金屬結構。
10. 如申請專利範圍第1項所述之印刷式寬頻單極天線模組，其中該第一數值係為4。
11. 如申請專利範圍第1項所述之印刷式寬頻單極天線模組，其中該第二數值係為2.5。
12. 如申請專利範圍第1項所述之印刷式寬頻單極天線模組，其中該天線本體包含有一缺塊，形成於該第一延伸部之一角上。