TWI508380B - Miniaturized three-dimensional multi-frequency antenna - Google Patents

Description

小型化立體多頻天線

本發明係有關一種行動無線寬頻天線結構，特別是指一種具有簡單型式、尺寸容積小的天線輻射體，並能涵蓋LTE八個規範頻帶的小型化立體多頻天線。

由於網際網路的蓬勃發展，行動通訊系統已成為日常生活中不可或缺的一環。為了滿足使用者的需求、多媒體資訊交流的增加，未來的無線通訊技術必須滿足高品質、高速率、高容量等運用需求。而行動通訊系統的技術發展可區分為第一代(1G)、第二代(2G)、第三代(3G)行動通訊系統等。

其次，以3G無線通訊技術為基礎的第四代(4G)行動通訊系統為目前行動通訊領域的研究重點雖為新一代行動無線寬頻技術的泛稱，而目前市場上備受囑目的新一代行動無線寬頻技術為長期演進技術(Long Term Evolution,LTE)。LTE原為第三代行動通訊組織計劃(Third Generation Partnership Project,3GPP)中的研究重點之一，其目標是不斷改進GSM核心網路及相關無線存取技術的規格。

因此，LTE的技術重點在於提升傳輸效能(達至100 Mbps)及頻道使用效率，提供使用者一個更高速的行動通訊網路。透過LTE技術，電信業者可用來提高無線網路的傳輸容量和資料速率，以支援更強大的服務和互動視訊等多媒體應用，進而滿足未來的無線通訊需求。

相較於手機、電子書等可攜式無線產品，膝上型電腦不但具有影音行動電話(MSN、Skype)的功能，還可進行網路瀏覽、傳送電子郵件及文書處理等功能，較適宜做為移動性的資訊傳收與交換中心。因此，膝上型電腦為目前首要推展LTE網路技術的無線產品平台。

然而，由於膝上型電腦外觀設計趨於輕薄小巧，而天線設計的安置空間也愈加受到縮小化的限制，導致天線的寬度被限制在60 mm以下以及高度被限制在10 mm以下。同時，為了朝向LTE技術發展，天線操作頻段除了須包含目前已廣泛發展的無線廣域網路(Wireless Wide Area Network,WWAN)的GSM 850、GSM 900、DCS、PCS、UMTS等五個規範頻帶外，甚至須擴展至LTE 700(698~787 MHz)、LTE 2.3G(2300~2400 MHz)、LTE 2.5G(2500~2690 MHz)等更多的頻帶。

因此，現有的膝上型電腦的天線設計在VSWR<3標準下的阻抗頻寬須達成698~960 MHz以及1710~2690 MHz兩個寬頻操作頻帶。低頻帶的百分比頻寬需達成31.6%(中心頻率約為829 MHz)及高頻帶的百分比頻寬需達成44.5%(中心頻率約為2200 MHz)。

為了達成高頻帶的規範目標，一般常以寄生結構形成多個位於高頻帶的模態以擴展高頻帶的阻抗頻寬，但為了避免寄生結構和其他結構產生耦合效應，故寄生結構會佔據較大的輻射體面積，進而增加了整體輻射體面積。

此外，在低頻帶的規範目標中，以達成LTE 700頻帶的挑戰最大，因為LTE 700(698~787 MHz)頻帶較低於GSM 850/900(824~960 MHz)頻帶，需要產生更長共振波長的模態，故需要較大的輻射體面積來達成。惟，膝上型電腦的外觀尺寸趨於縮小，因此如何在有限的空間內設計出滿足小尺寸規格的天線，除了需涵蓋WWAN五頻應用頻帶之外還需將頻帶擴展至LTE 700、LTE 2.3G、LTE 2.5G等頻帶成為業界亟待解決的課題。

有鑑於此，本發明即在提供一種具有簡單型式、尺寸容積小的天線輻射體，並能涵蓋LTE八個規範頻帶的小型化立體多頻天線，為其主要目的者。

為達上揭目的，本發明之小型化立體多頻天線係具有一基材、一饋入金屬微帶、一切斷式迴圈金屬微帶，以及一共振金屬微帶；其中，基材係概呈長條狀，並設有兩個相互垂直之第一結構面及第二結構面。

該饋入金屬微帶主要設於基材之第一結構面上，具有概自第一結構面前緣中段處朝第二結構面方向延伸預定長度再轉而朝第一結構面邊側延伸至邊緣之第一區段及第二區段。

該切斷式迴圈金屬微帶設於該基材之第一結構面及第二結構面上，該切斷式迴圈金屬微帶之起始區段係概與饋入金屬微帶之第二區段平行，接著沿著第一結構面之側緣進入第二結構面，並沿著第二結構面之邊緣形成一主區段，其末段最後沿著第二結構面與第一結構面側緣延伸至第一結構面之前緣。

至於，該共振金屬微帶係設於該基材之第一結構面及第二結構面上，該共振金屬微帶之起始區段係概自該饋入金屬微帶之第一區段處朝饋入金屬微帶第二區段相反方向延伸預定長度，之後轉朝向第二結構面延伸進入第二結構面預定長度之後，其末段轉朝向起始點的方向延伸預定長度並概與起始區段平行。

利用上述結構特徵，本發明之小型化立體多頻天線即可以該饋入金屬微帶第一區段之前端為饋入點，另以切斷式迴圈金屬微帶之末端為接地點，並且透過金屬微帶與切斷式迴圈金屬微帶之區隔將切斷式迴圈金屬微帶之原始直接饋入結構改為耦合式饋入結構，可保有切斷式迴圈金屬微帶的二分之一波長模態(1950 MHz)與全波長模態(2300 MHz)外，另多產生一個共振頻率在640 MHz的模態；以及，在共振金屬微帶之作用下可在1000 MHz處產生一個共振模態(低頻帶第二模態)，並且將切斷式迴圈金屬微帶的全波長模態共振頻率升高至2940 MHz，使得位於高頻帶的這兩個模態所涵蓋頻寬更符合高頻規範頻帶的需求頻寬(1710~2690 MHz)俾使整體天線之阻抗頻帶範圍涵蓋687~965 MHz及1700~2950 MHz，可涵蓋LTE 700、GSM 850、GSM 900、DCS、PCS、UMTS、LTE 2.3G、LTE 2.5G等八個規範頻帶之需求。

依據上述結構特徵，所述共振金屬微帶之起始區段係直接自該饋入金屬微帶之饋入點延伸出來為佳。

依據上述結構特徵，所述共振金屬微帶之末段係以盡可能靠近切斷式迴圈金屬微帶之主區段為佳。

依據上述結構特徵，該基板之第一結構面之面積係相對大於第二結構面之面積，且第一結構面係與整體天線之接地金屬面平行，第二結構面則相對垂直於整體天線之接地金屬面為佳。

具體而言，本發明之小型化立體多頻天線係在簡單的迴圈金屬微帶天線架構下適當地在封閉路徑上取一斷點，形成切斷式迴圈天線以產生較低頻的共振模態。同時再設計一雙耦合式饋入結構且調控其尺寸，即可激發四個共振模態且使其分別在低頻帶與高頻帶結合形成兩個寬的阻抗頻帶。俾可成功地涵蓋LTE 700、GSM 850、GSM 900、DCS、PCS、UMTS、LTE 2.3G、LTE 2.5G等規格所需的八個規範頻帶，也可有效縮小天線的尺寸。

本發明之特點，可參閱本案圖式及實施例之詳細說明而獲得清楚地瞭解。

第一圖本發明一較佳實施例之小型化立體多頻天線結構立體圖、第二圖本發明中各金屬微帶之結構平面圖，以及第三圖本發明小型化立體多頻天線與接地金屬面之結構立體圖所示，本發明之小型化立體多頻天線係具有一基材10、一饋入金屬微帶20、一切斷式迴圈金屬微帶30，以及一共振金屬微帶40，而該本發明之小型化立體多頻天線可連接有一接地金屬面50；其中：

該基材10係概呈長條狀，且該基材可以為厚度為0.4 mm、相對介電係數為4.4的FR4基材，並設有兩個相互垂直之第一結構面11及第二結構面12；於實施時，該第一結構面11之面積(55×8 mm² )係相對大於第二結構面(55×4 mm² )之面積，且第一結構面11係與該接地金屬面50平行，第二結構面12則相對垂直於該接地金屬面50為佳。

該饋入金屬微帶20主要設於基材10之第一結構面11上，具有概自第一結構面11前緣中段處朝第二結構面12方向延伸預定長度再轉而朝第一結構面11邊側延伸至邊緣之第一區段21(A點~B點)及第二區段22(B點~C點)。

該切斷式迴圈金屬微帶30設於該基材10之第一結構面11及第二結構面12上，該切斷式迴圈金屬微帶30之起始區段31(D點~E點)係概與饋入金屬微帶20之第二區段22(B點~C點)平行，接著沿著第一結構面11之側緣進入第二結構面側緣之接續區段32(E點~F點)，並沿著第二結構面之邊緣(與上述第二結構面側緣垂直相接)形成一主區段33(F點~G點)，其末段34最後沿著第二結構面12與第一結構面11另一側緣延伸至第一結構面11之前緣(G點~H點)。

至於，該共振金屬微帶40係設於該基材10之第一結構面11及第二結構面12上，該共振金屬微帶40之起始區段41係概自該饋入金屬微帶20之第一區段21處朝饋入金屬微帶20第二區段22相反方向延伸預定長度(B點~I點)，之後轉朝向第二結構面12延伸進入第二結構面12預定長度之接續區段42(I點~J點)後，其末段43轉朝向起始點的方向延伸預定長度(J點~K點)並概與起始區段41平行。

而本發明小型化立體多頻天線的發展過程，如第四圖(A)~(C)所示，首先以一個饋入金屬微帶20為起始結構。如第四圖(A)所示，該饋入金屬微帶20的印製路徑為A-B-C-F-G-H段，線寬為1 mm且總長度為102.5 mm；其中A點為饋入點，H點為接地點。饋入金屬微帶20可在較高頻的規範頻帶範圍內(1710~2690 MHz)激發二個模態(分別稱為高頻帶第一與第二模態)。

為在較低頻的規範頻帶範圍內(698~960 MHz)新產生一個共振模態(稱為低頻帶第一模態)，發展一個切斷式迴圈金屬微帶30。可如第四圖(B)所示，在饋入金屬微帶20路徑上的適當處斷開，且將饋入金屬微帶20的直接饋入結構設計為一個耦合式饋入結構。路徑斷開處(E點)是在饋入金屬微帶20路徑C-F段上的F點下方6.5 mm處，且由此向左延伸一段長度後至D點，形成A-B-C段及D-E-F-G-H段兩條分離的金屬微帶，其中的B-C段及D-E段相互平行且間隔1 mm。

為在較低頻的規範頻帶範圍內再產生一個共振模態(稱為低頻帶第二模態)，以便涵蓋所需的698~960 MHz的阻抗頻寬，後續將饋入金屬微帶20延伸與發展為一個共振金屬微帶40。該天線如第四圖(C)所示是在該饋入金屬微帶20上的B點向左延伸一條寬度為1 mm且長度為25 mm的金屬微帶至I點，再向上及向右分別延伸6 mm及25.5 mm至K點，形成由標示點B-I-J-K區段組成的倒U形共振金屬微帶40。

如第五圖係為以模擬本發明中小型化立體多頻天線發展過程中的結構所得之阻抗頻率響應圖：(a)反射損失圖；(b)實部阻抗圖；(c)虛部阻抗圖。由模擬結果可知，如第四圖(A)所示之起始結構可激發共振頻率分別座落於高頻規範頻帶的前端及末端(在1620 MHz及2560 MHz附近)的兩個模態。如第四圖(B)所示之結構除可保有如第四圖(A)所示結構的兩個模態外(僅共振頻率移至2050 MHz與2560 MHz)，又可多產生一個共振頻率在700 MHz的模態(低頻帶第一模態)。而如第四圖(C)所示之結構除可保有如第四圖(B)所示結構的三個模態外(僅高頻帶第二模態的共振頻率由2570 MHz升高至2900 MHz)，又在1 GHz處多產生一個共振模態(低頻帶第二模態)。這是因為在1~1.5 GHz之間產生了一個新的阻抗曲線，它與在0.6~1 GHz之間的原有阻抗曲線形成了雙共振現象。

為了調整低頻第二模態的耦合程度，以有利於該模態的阻抗匹配，J-K段須與G-F段保持適當耦合間距(0.5mm)。若將J-K段與G-F段的耦合間距拉大，則不但低頻第二模態的共振頻率會升高，且阻抗匹配也會大幅劣化。同時，J-I段須與G-H段保持適當的距離，這是為了避免兩金屬微帶段靠的太近而使低頻第二模態的電流分佈直接由J-I段耦合至G-H段，導致該模態的共振頻率升高。

故本發明最佳實施例中，該饋入金屬微帶之第一區段21(A點~B點)之長度為4mm，及第二區段22(B點~C點)之長度為24mm，該切斷式迴圈金屬微帶之起始區段31(D點~E點)之長度為14mm，該接續區段32(E點~F點)之長度為6.5mm，該主區段33(F點~G點)之長度為55mm，以及該末段34(G點~H點)之長度為12mm，該共振金屬微帶之起始區段41(B點~I點)之長度為25mm，接續區段42(I點~J點)之長度為5mm，以及該末段43(J點~K點)之長度為26.5mm，而其中該第二區段22(B點~C點)與該起始區段31(D點~E點)係間隔1mm，該主區段33(F點~G點)與該末段43(J點~K點)係間隔0.5mm，該起始區段41(B點~I點)與接地金屬面50之間距為3.5 mm。

再者，為能使低頻帶第二模態得到較佳的阻抗匹配，共振金屬微帶40結構中的J-K段須靠近相鄰的切斷式迴圈金屬微帶30G-F段(亦即所述共振金屬微帶之末段係以盡可能靠近切斷式迴圈金屬微帶之主區段為佳)：這使得共振金屬微帶40的低頻帶第一模態在G-F段產生較強電流分佈，因此，共振金屬微帶40低頻帶第一模態在全部電流分佈路徑上產生劇烈的變化。

上述現象也使得低頻帶第一模態在700 MHz頻率附近的阻抗曲線產生較劇烈的變化，為了改善此一現象，經由諸多模擬結果的分析，我們發現將B-I線段與接地金屬面的間距由初始設計時的3.5 mm改變為0.5 mm(所述共振金屬微帶40之起始區段41係直接自該饋入金屬微帶20之饋入點A延伸出來)，可用以調整天線與接地金屬面的耦合程度。俾使整體天線之阻抗頻帶範圍涵蓋687~965 MHz及1700~2950 MHz，可涵蓋LTE 700、GSM 850、GSM 900、DCS、PCS、UMTS、LTE 2.3G、LTE 2.5G等八個規範頻帶之需求。

如第二圖所示，g為共振金屬微帶40的起始區段41(B點~I點)與接地面50之間的距離；w為共振金屬微帶40的起始區段41(B點~I點)的寬度。而如第六圖所示本發明天線具有不同耦合間距g與線寬w，量測所得之低頻段阻抗頻率響應圖。第六圖中，(a)反射損失圖，其橫座標為頻率(Frequency；GHz)，縱座標為反射損失(Return loss；dB)；(b)實部阻抗圖，其橫座標為頻率(Frequency；GHz)，縱座標為阻抗匹配(Input Impedance；Ohm)；(c)虛部阻抗圖，其橫座標為頻率(Frequency；GHz)，縱座標為阻抗匹配(Input Impedance；Ohm)，由實驗結果發現將B-I線段與接地金屬面的間距g由初始設計時的3.5 mm改變為0.5 mm，可用以調整天線與金屬接地面的耦合程度，如此使不論是電阻或電抗曲線皆能較為平緩化而改善低頻帶第一模態的阻抗匹配。由諸多模擬結果的分析得知，若將B-I段線寬w縮減，由原本1 mm改變為0.5 mm，可改變該模態在960 MHz附近的阻抗曲線，使得687~965 MHz頻帶的VSWR皆能小於3，此一結果亦示於第六圖中。具有上述參數變化的本發明天線的反射損失如第七圖所示，其橫座標為頻率(Frequency；GHz)，縱座標為反射損失(Return loss；dB)，其中也顯示當參數g與w依上述方式皆調整為0.5mm時，共振在2940 MHz的高頻第二模態會調整至2640 MHz，如此使1700~2950 MHz頻帶的VSWR(電壓駐波比)皆能小於3。

具體而言，本發明之小型化立體多頻天線係在簡單的迴圈金屬微帶天線架構下適當地在封閉路徑上取一斷點，形成切斷式迴圈天線以產生較低頻的共振模態。同時再設計一雙耦合式饋入結構且調控其尺寸，即可激發四個共振模態且使其分別在低頻帶與高頻帶結合形成兩個寬的阻抗頻帶。俾可成功地涵蓋LTE 700、GSM 850、GSM 900、DCS、PCS、UMTS、LTE 2.3G、LTE 2.5G等規格所需的八個規範頻帶，也可有效縮小天線的尺寸。

綜上所述，本發明提供一較佳可行之小型化立體多頻天線，爰依法提呈發明專利之申請；本發明之技術內容及技術特點巳揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之揭示而作各種不背離本案發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

10．．．基材

11．．．第一結構面

12．．．第二結構面

20．．．饋入金屬微帶

21．．．第一區段

22．．．第二區段

30．．．切斷式迴圈金屬微帶

31．．．起始區段

32．．．接續區段

33．．．主區段

34．．．末段

40．．．共振金屬微帶

41．．．起始區段

42．．．接續區段

43．．．末段

50．．．接地金屬面

第一圖係為本發明一較佳實施例之小型化立體多頻天線結構立體圖。

第二圖係為本發明中各金屬微帶之結構平面圖。

第三圖係為本發明小型化立體多頻天線與接地金屬面之結構立體圖。

第四圖係為本發明中小型化立體多頻天線的發展過程示意圖。

第五圖係為模擬本發明中小型化立體多頻天線發展過程的結構所得之阻抗頻率響應圖。

第六圖係為本發明中小型化立體多頻天線具有不同耦合間距g與線寬w，量測所得之低頻段阻抗頻率響應圖。

第七圖係為本發明中小型化立體多頻天線具有不同耦合間距g與線寬w，進行量測與模擬所得之反射損失圖。

10．．．基材

11．．．第一結構面

12．．．第二結構面

20．．．饋入金屬微帶

21．．．第一區段

22．．．第二區段

30．．．切斷式迴圈金屬微帶

31．．．起始區段

32．．．接續區段

33．．．主區段

34．．．末段

40．．．共振金屬微帶

41．．．起始區段

42．．．接續區段

43．．．末段

Claims (9)

1. 一種小型化立體多頻天線，係包括有：一基材，概呈長條狀，設有兩個相互垂直之第一結構面及第二結構面；一饋入金屬微帶，設於基材之第一結構面上，具有概自第一結構面前緣中段處朝第二結構面方向延伸預定長度再轉而朝第一結構面邊側延伸至邊緣之第一區段及第二區段；一切斷式迴圈金屬微帶，設於該基材之第一結構面及第二結構面上，該切斷式迴圈金屬微帶之起始區段係概與饋入金屬微帶之第二區段平行，接著沿著第一結構面之側緣進入第二結構面側緣之接續區段，並沿著第二結構面之邊緣形成一主區段，其末段最後沿著第二結構面與第一結構面側緣延伸至第一結構面之前緣；一共振金屬微帶，設於該基材之第一結構面及第二結構面上，該共振金屬微帶之起始區段係概自該饋入金屬微帶之第一區段處朝饋入金屬微帶第二區段相反方向延伸預定長度，之後轉朝向第二結構面延伸進入第二結構面預定長度之接續區段後，其末段轉朝向起始點的方向延伸預定長度並概與起始區段平行，且該共振金屬微帶之末段盡可能靠近切斷式迴圈金屬微帶之主區段。
2. 如申請專利範圍第1項所述之小型化立體多頻天線，其中，該基板可連接有一接地金屬面，而該基板之第一結構面之面積係相對大於第二結構面之面積，且第一結構面係與該接地金屬面平行，第二結構面則相對垂直於該接地金屬面。
3. 如申請專利範圍第2項所述之小型化立體多頻天線， 其中，該饋入金屬微帶之第二區段與該切斷式迴圈金屬微帶之起始區段係間隔1mm，該切斷式迴圈金屬微帶之主區段與該共振金屬微帶之末段係間隔0.5mm。
4. 如申請專利範圍第3項所述之小型化立體多頻天線，其中，該饋入金屬微帶之第一區段長度為4mm，及第二區段之長度為24mm，該切斷式迴圈金屬微帶之接續區段長度為6.5mm，該主區段之長度為55mm，以及該末段之長度為12mm，該共振金屬微帶之起始區段長度為25mm，接續區段之長度為5mm，以及該末段之長度為26.5mm。
5. 如申請專利範圍第4項所述之小型化立體多頻天線，其中，該切斷式迴圈金屬微帶之起始區段長度為14mm。
6. 如申請專利範圍第4項所述之小型化立體多頻天線，其中，該共振金屬微帶之起始區段與接地金屬面之間距為3.5mm。
7. 如申請專利範圍第2項所述之小型化立體多頻天線，其中，該共振金屬微帶之起始區段係直接自該饋入金屬微帶之饋入點延伸出來。
8. 如申請專利範圍第7項所述之小型化立體多頻天線，其中，該共振金屬微帶之起始區段與接地金屬面之間距為0.5mm。
9. 如申請專利範圍第3項所述之小型化立體多頻天線，其中，該基材可以為相對介電係數為4.4的FR4基材。