TWI508377B

TWI508377B - 雙頻天線

Info

Publication number: TWI508377B
Application number: TW101151112A
Authority: TW
Inventors: Sy Been Wang; Ching Wei Ling; Chih Pao Lin
Original assignee: Realtek Semiconductor Corp
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2015-11-11
Also published as: TW201427180A; US20140184459A1

Description

雙頻天線

本發明是有關於一種天線，且特別是有關於一種應用於兩個操作頻段的雙頻天線。

天線是無線通訊設備中重要的元件之一，天線特性的優異將決定通訊品質的好壞。由於現實今日無線通訊相關產品愈來愈強調實用性與技術性，多頻段、寬頻的需求也映應而生。

舉例而言，無線網路規範所使用的802.11a/b/g/n分別使用了2400~2500MHz、5150~5850MHz的頻段。固然，網路產品能夠提供兩個天線而分別提供接收這兩個頻段的功能，但是採用兩組天線分別接收的作法對於產品的生產成本卻相當不利。

因此，能夠以較為簡易的方式，透過單一個天線便能夠同時接收不同頻段的天線的作法，便成為相關領域所需解決的課題。

本發明的一方面係為一種雙頻天線，設置於一基板，包含：一饋入部，設置於該基板的一側，其係饋入一第一共振頻率與一第二共振頻率的電磁波信號，其中該第二共振頻率約等於該第一共振頻率的兩倍；以及，一槽孔天線，包含：一矩形部，具有兩個長邊、兩個短邊；以及，一漏斗部，具有一底邊、一頂邊與兩個側邊，其中該底邊短於該頂邊，且該等側邊彼此等長，其中該漏斗部的底邊位於該矩形部的一短邊，而該槽孔天線的一中心線的長度係對應於該第一共振頻率的波長。

根據上述構想，本發明所述之雙頻天線，其中更包含：一饋入部，設置於該基板，用於饋入電磁波信號，且該饋入部的位置係可沿著該矩形部的長邊而移動，當該饋入部的位置越接近該漏斗部時，該第二共振頻率的頻率越高。

根據上述構想，本發明所述之雙頻天線，其中沿著該漏斗部的兩個側邊朝該底邊形成一夾角，當該夾角越大時，該第二共振頻率的頻寬越大。

根據上述構想，本發明所述之雙頻天線，其中該基板係為一印刷電路板、一金屬玻璃纖維板。

根據上述構想，本發明所述之雙頻天線，其中該第一共振頻率介於2400~2500MHz之間，且該第二共振頻率介於5150~5850MHz之間。

根據上述構想，本發明所述之雙頻天線，其中該槽孔天線的該中心線的長度係為該矩形部的長邊與該漏斗部的中心線的和。

根據上述構想，本發明所述之雙頻天線，其中該漏斗部的中心線係平行於該矩形部的長邊，而該漏斗部係沿該中心線區分為彼此對稱之一第一子漏斗部與一第二子漏斗部。

根據上述構想，本發明所述之雙頻天線，其中該等子漏斗部係呈現一銳角三角形、一直角三角形、一扇形。

根據上述構想，本發明所述之雙頻天線，其中該槽孔天線係位於該基板之另一側、該槽孔天線係位於該基板與該饋入部之同一側。

根據上述構想，本發明所述之雙頻天線，其中該饋入部係位於一第一金屬層、該槽孔天線係位於一第二金屬層，而該基板與該等金屬層係為一多層電路板之一部分。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

本發明之雙頻天線適用於無線傳輸裝置產品中，並可依產品的需求輕易的調整與修正達到系統所需求的操作頻段。例如：應用於802.11a/b/g/n(2400~2500MHz、5150~5850MHz)之系統頻段需求等。本發明的雙頻天線可適用於諸多無線通訊裝置中，如筆記型(平板)電腦、無線網路卡、AP、包含WiFi之家電產品(如TV或DVD)等。

請參見第1A圖，其係根據本發明於基板設置雙頻天線之一實施例示意圖。在本實施例中，雙頻天線19設置於印刷電路板或金屬玻璃纖維板等類型的基板10上，本實施例以寬度與長度均為60公分的基板10做說明，但是實際應用並不以此為限。

雙頻天線19包含饋入部12與槽孔天線17。其中，饋入部12的阻抗與通訊系統相互匹配，因而能用於饋入具有第一共振頻率與第二共振頻率的電磁波信號。即，透過饋入部12將具有第一共振頻率與第二共振頻率的電磁波信號傳到槽孔天線17，或是透過槽孔天線17與饋入部12接收具有第一共振頻率與第二共振頻率的電磁波信號。

在第1A圖之實施例中的槽孔天線17可細分為矩形部13與漏斗部11。其中矩形部13具有短邊15a、15b與長邊14a、14b，其中，長邊14a、14b與短邊15a、15b彼此垂直。

槽孔天線17的漏斗部11具有一底邊18、一頂邊16與兩個側邊19a、19b，其中底邊18短於頂邊16，且漏斗部11的兩個側邊19a、19b彼此實質上等長。

由第1A圖中的放大圖可以看出，矩形部13的其中一個短邊15b與漏斗部11的底邊18互相鄰接。

在設計槽孔天線17時，其外型必須滿足共振的條件，才能用於傳送或接收信號。

請參見第1B圖，其係本發明的槽孔天線之外觀示意圖，在本實施例中，矩形部13的長邊14a、14b彼此平行，且矩形部13的短邊15a、15b彼此平行，漏斗部11的兩個側邊19a、19b分別由底邊18的兩端延伸至頂邊16的兩端。

再者，透過中心線c的劃分，漏斗部11的頂邊16可進一步區分為頂邊區段16a及16b。根據應用的不同，頂邊區段16a、16b可設計為共同形成一直線、一弧線，或者如第1B圖所示，彼此相接而形成一個夾角。

請參見第2圖，其係本發明的槽孔天線所對應之回波損耗頻率響應示意圖。回波損耗(return loss)的頻率響應代表：透過饋入部12與槽孔天線11傳送電磁波信號能量時，電磁波信號中的能量有多少並未被傳送出去，而是被反彈回來的。其中沒有被反彈回來的部分，被假設為順利的透過天線而幅射出去。

因此，回波損耗越低的話表示反彈回來的能量越少，也就是成功幅射出去的能量越多。一般會以-10dB為參考基準，當回波損耗小於-10dB的時候，代表饋入部所饋入的能量已經有效率的透過天線而被傳送出去了。

由第2圖可以看出，本發明的雙頻天線具有兩個達到共振條件的頻段，分別是：介於2400~2500MHz之間的第一共振頻率，以及介於5150~5850MHz之間的第二共振頻率。即，具有2400~2500MHz與5150~5850MHz的電磁波信號可透過槽孔天線與饋入部而傳送或接收。

承上，本發明的雙頻天線可以將饋入部所導入的電磁波信號中，在第一共振頻率附近與第二共振頻率附近的能量，幅射至空氣中。其中，第二共振頻率約等於第一共振頻率的兩倍。

為了便於說明，假設第一共振頻率為2400MHz(百萬赫茲)，根據C=f*λ的公式可計算得出與雙頻天線的第一共振頻率相對應的第一波長。

由於光速C=3x10ˆ8m/s為已知，第一波長的長度為： λ=C/F=3x10ˆ8公尺/秒/2400MHz=12.5公分。

由於天線長度落在半波長整數倍的附近時可達成共振條件，且共振情況會使槽孔天線和饋入部相互匹配。因此，本發明的實施例可將槽孔天線的矩形部之長邊加上漏斗部的中心線長度之和設計為波長的二分之一的長度，考慮等效波長，其中ε_r 為介質的等效介電係數，所需長度即，λ_e <12.5/2=6.25公分。

請參見第3A、3B、3C圖，其係本發明的幾種較佳實施例之槽孔天線外觀示意圖。這些圖式說明槽孔天線31、32、33的漏斗部311、321、331可能具有不同外觀。

根據本發明的構想，沿著漏斗部的中心線C1、C2、C3可進一步將漏斗部311、321、331區分為兩個對稱且相同大小的第一子漏斗部311a、321a、331a與第二子漏斗部311b、321b、331b。

在第3A圖的實施例中，漏斗部311的頂邊311c呈現彎曲的折線狀，使漏斗部311的外觀大致呈現鳶形。此時，第一子漏斗部311a與第二子漏斗部311b均為銳角三角形。

在第3B圖的實施例中，漏斗部321的頂邊321c呈現平直狀，使漏斗部321的外觀大致呈現等腰三角形。此時，第一子漏斗部321a與第二子漏斗部321b均為直角三角形。

在第3C圖的實施例中，漏斗部331的頂邊331c呈現弧狀，使得漏斗部311的外觀大致呈現扇形。此時，第一子漏斗部331a與第二子漏斗部331b均為扇形。

請參見第4A圖，其係本發明的較佳實施例，移動饋入部在槽孔天線中的位置之示意圖。如圖所示，饋入部41設置於基板，用於饋入電磁波信號，且饋入部41的位置係可沿著矩形部42a的長邊而移動。

例如：將饋入部41由最初的第一位置P1，沿著矩形部42a的長邊而朝向漏斗部42b移動，經過第二位置P2而到第三位置P3。更進一步的，本發明的雙頻天線可以透過對饋入部41的位置改變，而改變第二共振頻率。

請參見第4B圖，其係根據饋入部的位置改變，對回波反射影響之示意圖。此圖式對應於第4A圖，說明隨著饋入部41在不同位置時，雙頻天線相對應的回波反射的結果也會不同。

當饋入部41在第一位置P1時，雙頻天線具有第一共振頻率f11、第二共振頻率f21；同樣的，以f12、f22分別代表饋入部41在第二位置P2時的第一共振頻率、第二共振頻率；以及，以f13、f23分別代表饋入部41在第三位置P3時的第一共振頻率、第二共振頻率。

由第4B圖可以看出，饋入部41在不同位置時，第一共振頻率均大致相等(f11≒f12≒f13)，但是第二共振頻率卻具有明顯的差異(f21<f22<f23)。

其中，當饋入部41在第一位置P1時的第二共振頻率f21小於饋入部41在第二位置P2時的第二共振頻率f22；且，當饋入部41在第二位置P2時的第二共振頻率f22小於饋入部41在第三位置P3時的第二共振頻率f23。

換言之，當饋入部41的位置朝向漏斗部42b移動時，第二共振頻率也越高。因此，雙頻天線可以透過饋入點的位置的改變，相對應的改變第二共振頻率。

請參見第5A圖，其係本發明的較佳實施例，改變漏斗部的夾角之示意圖。在此實施例中，沿著漏斗部52b的兩個側邊朝漏斗部52b的底邊形成夾角θ，且夾角θ的大小可以根據第二共振頻寬的需求而調整。

請參見第5B圖，其係說明槽孔天線因應漏斗部的夾角改變，影響回波反射之示意圖。此圖式的分別對應於夾角為第一角度θ 1=1度、第二角度θ 2=11度、第三角度θ 3=21度時的頻率響應。

其中，第一線段L1、第二線段L2、第三線段L3代表夾角分別為第一角度θ 1、第二角度θ 2、第三角度θ 3時的回波反射頻率響應。

由第5B圖可以看出，對第二共振頻率而言，第一線段L1的頻寬小於第二線段L2的頻寬，且第二線段L2的頻寬小於第三線段L3的頻寬。換言之，隨著夾角θ的調整，槽孔天線的阻抗亦被調整。當夾角θ越大，倍頻的匹配也較佳，此時，第二共振頻率的頻寬也越大。

目前的無線通訊裝置經常使用多層的印刷電路板(Printed circuit board，簡稱為PCB)，其中四層板是經常使用的一種類型。以下利用第6圖說明如何將本發明應用於四層板。當然，本發明的應用亦可被應用於其他種類的多層電路板。

請參見第6圖，其係本發明的較佳實施例，將雙頻天線應用於四層的印刷電路板之示意圖。

根據此剖視圖可以看出，四層的印刷電路板包含複數個金屬層與介於金屬層之間的基板60c、60d、60e。本發明可使用其中的一部分做為雙頻天線。

此處假設饋入部位於第一金屬層60a、槽孔天線位於第二金屬層60b。其中，第一金屬層60a與第二金屬層60b之間隔著基板60c。因此，此處可將饋入部視為在基板60c的頂面，以及將槽孔天線視為在基板60c的底面。

由第一金屬層60a往上方向的各層分別為銅箔(Copper foil)60f、銅板(Copper Plated)60h與防焊膜(Solder Resist，又稱為Solder Mask)60j。由第二金屬層60b往下方向的各層分別為銅箔60g、銅板60i與防焊膜60k。

接著假設無線通訊裝置使用的印刷電路板呈現矩形，且饋入部、槽孔天線與基板之間的相對位置維持如第6圖所示。

請參見第7A圖，其係本發明的較佳實施例，於基板的一側設置饋入部之示意圖。此圖式為俯視圖，而第一金屬層60a平鋪於基板60c的頂面。此處假設在第一金屬層60a所設置的饋入部61呈現一矩形型狀，其長邊方向平行於印刷電路板的短邊方向(x方向)、其短邊方向平行於印刷電路板的長邊方向(y方向)。

請參見第7B圖，其係本發明的較佳實施例，於基板的另一側設置槽孔天線之示意圖。此圖式為俯視圖，而第二金屬層60b平鋪於基板60c的底面，透過對第二金屬層60b的挖設可得出槽孔天線62。此處假設槽孔天線62的中心線平行於印刷電路板的長邊方向(y方向)。此外，槽孔天線62的矩形部相對靠近印刷電路板的左側、槽孔天線62的漏斗部相對靠近印刷電路板的右側。

請參見第7C圖，其係結合第7A、7B圖而於基板兩側分別設置饋入部與槽孔天線之示意圖。此圖式相當於將第7A、7B圖疊加在一起後，再旋轉一個角度觀看的結果。由於基板60c相對較厚，因此z方向代表基板60c的厚度(例如：1.6mm)。

由第7C圖可以看出，若將饋入部61的位置投射於第二金屬層60b時，饋入部61的長邊方向與槽孔天線62的矩形部的長邊方向彼此垂直。此外，饋入部61的一側有部分的區段朝下延伸。

前述說明雖以槽孔天線與饋入部的位置分別在基板的兩側為例，但在實際應用時，槽孔天線62與饋入部61所在的金屬層亦可能在基板的同一側。

根據前述說明可以得知，本發明實施例的雙頻天線提供了可同時接收或傳送兩個不同頻段的功能，能大幅簡化天線的生產過程。此外，本發明可以利用槽孔天線的長度改變第一共振頻率、根據饋入部的位置移動而改變第二共振頻率，以及，透過對漏斗部的角度改變而調整第二共振頻率的頻寬，讓槽孔天線的可適用範圍更大。

需留意的是，僅管前述的實施例係以無線網路的頻段2400~2500MHz、5150~5850MHz為例，但是本發明的雙頻天線之應用並不以此為限。針對其他需要接收或傳送兩個不同頻段的需求，同樣可以將本發明應用於其上。

綜上所述，雖然本發明已以諸項實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

19‧‧‧雙頻天線

10、60c、60d、60e‧‧‧基板

12、41、61‧‧‧饋入部

19a、19b‧‧‧側邊

17、31、32、33、62‧‧‧槽孔天線

13、42a‧‧‧矩形部

18‧‧‧底邊

14a、14b‧‧‧長邊

15a、15b‧‧‧短邊

16、311c、321c、331c‧‧‧頂邊

16a、16b‧‧‧頂邊區段

11、311、321、331、42b、52b‧‧‧漏斗部

311a、321a、331a‧‧‧第一子漏斗部

311b、321b、331b‧‧‧第二子漏斗部

60a‧‧‧第一金屬層

60b‧‧‧第二金屬層

60f、60g‧‧‧銅箔

60h、60i‧‧‧銅板

60j、60k‧‧‧防焊膜

第1A圖，其係本發明實施例於基板設置雙頻天線之示意圖。

第1B圖，其係本發明的槽孔天線之外觀示意圖。

第2圖，其係本發明的槽孔天線所對應之回波損耗示意圖。

第3A、3B、3C圖，其係本發明的幾種較佳實施例之槽孔天線外觀示意圖。

第4A圖，其係本發明的較佳實施例，移動饋入點在槽孔天線中的位置之示意圖。

第4B圖，其係根據饋入點在槽孔天線中的位置改變，對回波反射影響之示意圖。

第5A圖，其係本發明的較佳實施例，改變漏斗部的夾角之示意圖。

第5B圖，其係說明槽孔天線因應漏斗部的夾角改變，影響回波反射之示意圖。

第6圖，其係本發明的較佳實施例，將雙頻天線應用於四層的印刷電路板之示意圖。

第7A圖，其係本發明的較佳實施例，於基板的一側設置饋入部之示意圖。

第7B圖，其係本發明的較佳實施例，於基板的另一側設置槽孔天線之示意圖。

第7C圖，其係結合第7A、7B圖而於基板兩側分別設置饋入部與槽孔天線之示意圖。

19‧‧‧雙頻天線

10‧‧‧基板

12‧‧‧饋入部

17‧‧‧槽孔天線

13‧‧‧矩形部

11‧‧‧漏斗部

15a、15b‧‧‧短邊

14a、14b‧‧‧長邊

18‧‧‧底邊

16‧‧‧頂邊

19a、19b‧‧‧側邊

Claims

一種雙頻天線，設置於一基板，包含：一饋入部，設置於該基板的一側，供饋入一第一共振頻率與一第二共振頻率的電磁波信號，其中該第二共振頻率實質上等於該第一共振頻率的兩倍；以及，一槽孔天線，包含：一矩形部，具有兩個長邊、兩個短邊；以及，一漏斗部，具有一底邊、一頂邊與兩個側邊，其中該底邊短於該頂邊，且該等側邊彼此等長，其中該漏斗部的底邊位於該矩形部的一短邊，而該槽孔天線的一中心線的長度係對應於該第一共振頻率的二分之一波長。
如申請專利範圍第1項所述之雙頻天線，其中該饋入部的位置係可沿著該矩形部的長邊而移動，當該饋入部的位置越接近該漏斗部時，該第二共振頻率的頻率越高。
如申請專利範圍第1項所述之雙頻天線，其中沿著該漏斗部的兩個側邊朝該底邊形成一夾角，當該夾角越大時，該第二共振頻率的頻寬越大。
如申請專利範圍第1項所述之雙頻天線，其中該基板係為一印刷電路板、一金屬玻璃纖維板。
如申請專利範圍第1項所述之雙頻天線，其中該第一共振頻率介於2400~2500MHz之間，且該第二共振頻率介於5150~5850MHz之間。
如申請專利範圍第1項所述之雙頻天線，其中該槽孔天線的該中心線的長度係為該矩形部的長邊與該漏斗部的中心線的和。
如申請專利範圍第1項所述之雙頻天線，其中該漏斗部的中心線係平行於該矩形部的長邊，而該漏斗部係沿該漏斗部的中心線區分為彼此對稱之一第一子漏斗部與一第二子漏斗部。
如申請專利範圍第7項所述之雙頻天線，其中該等子漏斗部係呈現一銳角三角形、一直角三角形、一扇形。
如申請專利範圍第1項所述之雙頻天線，其中該槽孔天線係位於該基板之另一側、該槽孔天線係位於該基板與該饋入部之同一側。
如申請專利範圍第1項所述之雙頻天線，其中該饋入部係位於一第一金屬層、該槽孔天線係位於一第二金屬層，而該基板與該等金屬層係為一多層電路板之一部分。