TWI511381B - 天線 - Google Patents

Description

天線

本發明是有關於一種天線，且特別是有關於一種八分之一波長之天線。

天線所能設置的空間與天線之波長是相互牽制的，往往在產品空間限制下，當天線設置空間不足時，天線會被要求縮小設計在限制空間中；將天線設計成四分之一波長是天線設計者慣用之天線設計手法，雖四分之一波長天線之效率較佳，且無線傳送距離可達200公尺以上(如：Wifi)，然而四分之一波長天線相對所需空間也比較大，對於目前許多小型的電子裝置而言，四分之一波長天線之設置空間是一個挑戰。

現行之天線礙於效率須設計成四分之一波長，但設置空間是一個挑戰。因此，如何能在天線干涉源可控制的情況下，設置八分之一波長天線以縮小使用空間，使天線操作在應用頻率，實屬當前重要研發課題之一，亦成為當前相關領域極需改進的目標。

本發明之一態樣是在提供一種天線，以解決先前技術的問題。

於一實施例中，本發明所提供的天線包含接地導體、饋入導體、共振導體及輻射導體；饋入導體與接地導體相間隔，一端具有供饋入訊號之饋入點；共振導體具有共振寬度，且沿接地導體設置並以共振接地距離相間隔，共振導體之一端連接饋入導體上相對於饋入點之另一端；輻射導體具有輻射寬度，一端連接共振導體與饋入導體連接之一端，另一端與接地導體間隔，其中輻射導體包含變形段及從變形段兩端所延伸之多個延伸段，且多個延伸段沿共振導體設置並以共振輻射距離相間隔；其中共振導體係設置於輻射導體及接地導體之間，而共振接地距離、共振寬度、共振輻射距離及輻射寬度之比例係固定比例。

於一實施例中，接地導體具有凹槽，而饋入導體上具有饋入點之一端係朝向凹槽設置。

於一實施例中，饋入導體係長條形元件。

於一實施例中，接地導體包含突出部。

於一實施例中，共振導體包含至少一共振彎折部，用以使共振導體彎折以沿突出部設置並以共振接地距離相間隔。

於一實施例中，多個延伸段包含至少一輻射彎折部，用以使延伸段彎折以沿共振導體設置並以共振輻射距離相間隔。

於一實施例中，共振接地距離、共振寬度、共振輻射距離及輻射寬度之比例係為1：1：1：1。

於一實施例中，共振接地距離及共振輻射距離係為1mm，而共振寬度及輻射寬度係為1mm。

於一實施例中，天線之應用頻率係為2.4GHz~2.5GHz。

於一實施例中，共振導體及輻射導體連接之總長度係為天線之應用頻率的八分之一波長。

於一實施例中，共振導體之長度係大於天線之應用頻率的十六分之一波長。

於一實施例中，變形段係為U字形元件。

綜上所述，本發明之技術方案與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。藉由上述技術方案，可達到相當的技術進步，並具有產業上的廣泛利用價值，其優點係能在天線干涉源可控制的情況下，設置八分之一波長天線以縮小使用空間，使天線操作在應用頻率。

1‧‧‧電路板

11‧‧‧天線

111‧‧‧接地導體

111a‧‧‧突出部

112‧‧‧饋入導體

112a‧‧‧饋入點

113‧‧‧共振導體

113a、113b‧‧‧共振彎折部

114‧‧‧輻射導體

114a‧‧‧變形段

114b、114c‧‧‧延伸段

114d、114e‧‧‧輻射彎折部

12‧‧‧電路板周緣

D1‧‧‧共振接地距離

D2‧‧‧共振輻射距離

W1‧‧‧共振寬度

W2‧‧‧輻射寬度

S‧‧‧凹槽

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖是依照本發明一實施例之一種天線應用的示意圖；第2圖是依照本發明一實施例之一種天線的結構圖；第3圖是依照本發明一實施例之一種天線的另一結構圖；第4圖是依照本發明一實施例之一種天線的回波損耗圖； 第5A~5C圖是依照本發明一實施例之一種天線的輻射場型圖；第6圖是依照本發明一實施例之一種天線的最大增益曲線圖；以及第7圖是依照本發明一實施例之一種天線的效率曲線圖。

為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，以下將以圖式及詳細說明清楚說明本發明之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本發明之較佳實施例後，當可由本發明所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本發明之精神與範圍。另一方面，眾所週知的元件與步驟並未描述於實施例中，以避免對本發明造成不必要的限制。

天線用來發射或接收無線電波、電磁波，可應用於廣播和電視、無線電子裝置、點對點無線電通信裝置、雷達、太空探索等系統。第1圖是依照本發明一實施例之一種天線11應用的示意圖。如第1圖所示，電路板1係設置於無線電子裝置，例如用來測人體心跳之無線測量器，透過藍芽傳輸以將結果傳送至包含藍牙接收模組之電腦裝置；無線電子裝置的電路係佈局於電路板1中電路板周緣12範圍內，而用以傳輸無線訊號之天線11可設置於電路板1上之角落。

第2圖是依照本發明一實施例之一種天線11的結構圖。如第2圖所示，於一實施例中，本發明所提供的天 線11包含接地導體111、饋入導體112、共振導體113及輻射導體114。接地導體111可藉由佈線或貫孔方式與電路板上之系統接地端連接。饋入導體112與接地導體111相間隔，饋入導體112之一端具有供饋入訊號之饋入點112a，於實體電路上，饋入點112a係透過一段微導線以及π電路連接至電路模組，電路模組上的電流會流入饋入點112a，使得天線11之輻射導體114受到電流之激發產生共振輻射時，也會導致電流經由饋入點112a自饋入導體112流向共振導體113，再到接地導體111，使電流在接地導體111產生共振輻射的可能，因此接地導體111的大小或形狀，也會影響整個輻射場型及模態。饋入點112a之設置位置可經設計進而調整以使天線11之共振點阻抗符合定值(如：50歐姆)，藉此可因良好阻抗匹配而激發電磁波輻射傳遞訊號。共振導體113具有共振寬度W1，且沿接地導體111設置並以共振接地距離D1與接地導體111相間隔，共振導體113之一端連接饋入導體112上相對於設置饋入點112a之另一端。

輻射導體114具有輻射寬度W2，輻射導體114之一端共振導體113與饋入導體112連接之一端，即饋入導體112、共振導體113及輻射導體114均有其中一端共同連接在一起，而輻射導體114之另一端與接地導體111間隔；輻射導體114以應用頻率(如：2.4GHz~2.5GHz)共振以發射或接收電磁信號。其中輻射導體114包含變形段114a及從變形段114a兩端所延伸之延伸段114b、114c，且延伸 段114b、114c沿共振導體113設置並以共振輻射距離D2與共振導體113相間隔；由於當天線11設置於電路板1上之角落時，輻射導體114係天線11中最靠近電路板周緣12之部位，為了使輻射導體114的輻射效果更好，輻射導體114的變形段114a會視佈局空間大小來改變形狀，唯寬度仍然保持輻射寬度W2，例如變形段114a係為U字形元件，且U字形元件之封閉端會朝向電路板周緣12，可使輻射導體114向外伸展，以增強輻射效果。其中共振導體113係設置於輻射導體114及接地導體111之間，而共振接地距離D1、共振寬度W1、共振輻射距離D2及輻射寬度W2之比例係固定比例。

於一實施例中，接地導體111具有凹槽S，而饋入導體112上具有饋入點112a之一端係朝向凹槽S設置，且饋入導體112於凹槽S中的部份與接地導體111相間隔，其中凹槽S之位置應視實際電路佈局而調整，熟習此項技藝者當視當時需要，彈性選擇凹槽S、饋入導體112及饋入點112a的具體設置方式。

於一實施例中，饋入導體112係長條形元件，一端連接共振導體113及輻射導體114，另一端設置饋入點112a。應瞭解到，饋入導體112的形狀對於天線11之輻射效能並無影響，本實施例並非用以限制本發明，熟習此項技藝者當視當時需要，彈性選擇饋入導體112的具體實施方式。

第3圖是依照本發明一實施例之一種天線11的另 一結構圖。由於接地導體111的大小或形狀，也會影響整個輻射場型及模態，接地導體111靠近共振導體113之邊緣可能為直線或突出的樣態。如第3圖所示，於一實施例中，接地導體111包含突出部111a，使得接地導體111之邊緣係朝向共振導體113突出，當接地導體111包含突出部111a時，由於共振導體113須沿接地導體111設置並以共振接地距離D1與接地導體111相間隔，故共振導體113之形狀也會因突出部111a而改變。

如第2、3圖所示，於一實施例中，共振導體113包含共振彎折部113a、113b，當接地導體111包含突出部111a時，由於共振導體113須沿接地導體111設置並以共振接地距離D1與接地導體111相間隔，共振彎折部113a、113b用以使共振導體113彎折以沿突出部111a設置，並以共振接地距離D1與突出部111a相間隔。應瞭解到，由於突出部111a的形狀會視當時情況而定，共振彎折部113a、113b亦應視突出部111a的形狀以決定須同時存在或擇一存在，例如：當突出部111a只突出一個角時，則共振彎折部113a、113b係擇一存在，當突出部111a突出三個角時，則除共振彎折部113a、113b均存在外，仍可再增加其他的共振彎折部以使共振導體113彎折並以共振接地距離D1與突出部111a相間隔。另外，共振彎折部113a、113b亦應視突出部111a的形狀以決定設置之位置。

同樣地，由於輻射導體114須沿共振導體113設置，並以共振輻射距離D2與共振導體113相間隔，倘若接 地導體111包含突出部111a而使得共振導體113的形狀改變，輻射導體114之形狀也會因共振導體113而改變。於一實施例中，多個延伸段114c、114b包含輻射彎折部114d、114e，用以使延伸段114c、114b彎折以沿共振導體113設置，並以共振輻射距離D2與共振導體113相隔。應瞭解到，由於突出部111a的形狀會影響到共振導體113之形狀，進而影響多個延伸段114c、114b之形狀，故輻射彎折部114d、114e亦應視共振導體113的形狀以決定須同時存在、擇一存在或須再增加其他的輻射彎折部，以使輻射導體114彎折並以共振輻射距離D2與共振導體113相間隔。另外，輻射彎折部114d、114e亦應視共振導體113的形狀以決定設置之位置。

如第2圖所示，於一實施例中，共振接地距離D1、共振寬度W1、共振輻射距離D2及輻射寬度W2之比例係為1：1：1：1，即共振接地距離D1、共振寬度W1、共振輻射距離D2及輻射寬度W2均為相同之度量數值。本實施例所揭露共振接地距離D1、共振寬度W1、共振輻射距離D2及輻射寬度W2之比例，係以實體電路經實驗測試後所取得之最佳比例。於一實施例中，共振接地距離D1及共振輻射距離D2係為1mm，而共振寬度W1及輻射寬度W2係為1mm。應瞭解到，以上所舉的這些例子並沒有所謂孰優孰劣之分，亦並非用以限制本發明，熟習此項技藝者當視當時需要，彈性選擇共振接地距離D1、共振寬度W1、共振輻射距離D2及輻射寬度W2之數值，惟共振接地距離 D1、共振寬度W1、共振輻射距離D2及輻射寬度W2之比例須為1：1：1：1。

實際以網路分析儀(network analyzer)量測如第2、3圖所示之天線11，以同軸電纜(Coaxial cable)連接饋入點112a及接地導體111將訊號傳輸至網路分析儀，可得到天線11之回波損耗(return loss)，稱做S11，回波損耗S11係發送訊號端發出訊號之後反射回發送訊號端的參數；回波損耗S11的值越越低越好(一般是在-25dB~-40dB)，表示傳遞過程反射(reflection)越小，也稱為輸入反射係數(Input Reflection Coefficient)。第4圖是依照本發明一實施例之一種天線的回波損耗圖。如第4圖所示，於一實施例中，天線之應用頻率係為2.4GHz~2.5GHz。

第5A~5C圖是依照本發明一實施例之一種天線的輻射場型圖。第5A圖係天線之應用頻率為2.4GHz時的輻射場型圖，第5B圖係天線之應用頻率為2.45GHz時的輻射場型圖，第5C圖係天線之應用頻率為2.5GHz時的輻射場型圖。基於特定三維(通常指水平或垂直)平面，可以把天線分為兩大基本類型：一是全向天線，指在平面中均勻輻射性質的天線；二是定向天線，又稱指向天線，指在某方向輻射強度較大的天線。天線發射或接收的相對電場強度可以輻射場型圖之圖形來描述，由於天線向三維空間輻射，需要數個電場強度的圖形來描述。以往天線設計者慣用以四分之一波長設計天線，四分之一波長的天線屬定向天線，這樣的天線由於在某方向輻射強度較大，故四分之 一波長天線之輻射場型圖係為指向性。如第5A~5C圖所示，本發明所揭露之天線為八分之一波長天線，輻射場型圖係在平面中均勻輻射，故屬全向天線。

在小的面積空間中，若干涉源為可控制的情況下，八分之一波長天線是個好的設計方式；其中干涉源可能為天線所連接到的接地導體111(繪示於第2圖)對天線產生的輻射干涉，或是人體在使用應用天線的電子裝置時對天線產生的輻射干涉。應瞭解到，控制干涉源的方式係可由熟習此項技藝者視當時需要，於設計天線時加以考量。如第2圖所示，對於天線11的兩大結構體(即共振導體113及輻射導體114)可透過兩大結構體之總長度及個別之長度來實現。於一實施例中，若天線11係用於Wifi或藍芽傳輸，作用於應用頻率2.4GHz~2.5GHz時，八分之一波長約為15mm左右。其中，由於八分之一波長天線係可設置在狹窄空間，故輻射導體114在向位上必須與共振導體113呈180度方向伸展，使得輻射導體114能夠有效達到輻射功能。

於一實施例中，共振導體113及輻射導體114連接起來之總長度為15mm左右時，天線11之應用頻率會在2.4GHz~2.5GHz。由於平面倒F天線(PIFA，planar inverted F antenna)結構設計在共振區域內必須有效達到應用頻率的振盪輻射，且是輻射效率的啟動點，相對是輻射較強的區域，故在八分之一波長天線中，共振導體113之長度係大於天線11之應用頻率2.4GHz~2.5GHz的十六分之一波長，即8~9mm。

第6圖是依照本發明一實施例之一種天線的最大增益曲線圖，第7圖是依照本發明一實施例之一種天線的效率曲線圖。如第6、7圖所示，顯示天線11之應用頻率在2.4GHz~2.5GHz的頻段內具有良好的增益及輻射效率。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，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。

11‧‧‧天線

111‧‧‧接地導體

112‧‧‧饋入導體

112a‧‧‧饋入點

113‧‧‧共振導體

114‧‧‧輻射導體

114a‧‧‧變形段

114b、114c‧‧‧延伸段

D1‧‧‧共振接地距離

D2‧‧‧共振輻射距離

W1‧‧‧共振寬度

W2‧‧‧輻射寬度

S‧‧‧凹槽

Claims (16)

1. 一種天線，包含：一接地導體；一饋入導體，與該接地導體相間隔，一端具有供饋入訊號之一饋入點；一共振導體，具有一共振寬度，且沿該接地導體設置並以一共振接地距離相間隔，該共振導體之一端連接該饋入導體上相對於該饋入點之另一端；以及一輻射導體，具有一輻射寬度，一端連接該共振導體與該饋入導體連接之一端，另一端與該接地導體間隔，其中該輻射導體包含一變形段及從該變形段兩端所延伸之複數延伸段，且該些延伸段沿該共振導體設置並以一共振輻射距離相間隔；其中該共振導體係設置於該輻射導體及該接地導體之間，而該共振接地距離、該共振寬度、該共振輻射距離及該輻射寬度之比例係一固定比例。
2. 如請求項1所述之天線，其中該接地導體具有一凹槽，而該饋入導體上具有該饋入點之一端係朝向該凹槽設置。
3. 如請求項2所述之天線，其中該饋入導體係一長條形元件。
4. 如請求項3所述之天線，其中該接地導體包含一突出部。
5. 如請求項4所述之天線，其中該共振導體包含至少一共振彎折部，用以使該共振導體彎折以沿該突出部設置並以該共振接地距離相間隔。
6. 如請求項5所述之天線，其中該些延伸段包含至少一輻射彎折部，用以使該延伸段彎折以沿該共振導體設置並以該共振輻射距離相間隔。
7. 如請求項6所述之天線，其中該變形段係為一U字形元件。
8. 如請求項7所述之天線，其中該共振接地距離、該共振寬度、該共振輻射距離及該輻射寬度之比例係為1：1：1：1。
9. 如請求項1所述之天線，其中該接地導體包含一突出部。
10. 如請求項9所述之天線，其中該共振導體包含至少一共振彎折部，用以使該共振導體彎折以沿該突出部設 置並以該共振接地距離相間隔。
11. 如請求項10所述之天線，其中該些延伸段包含至少一輻射彎折部，用以使該延伸段彎折以沿該共振導體設置並以該共振輻射距離相間隔。
12. 如請求項1所述之天線，其中該共振接地距離、該共振寬度、該共振輻射距離及該輻射寬度之比例係為1：1：1：1。
13. 如請求項1所述之天線，其中該共振接地距離及該共振輻射距離係為1mm，而該共振寬度及該輻射寬度係為1mm。
14. 如請求項1所述之天線，其中該天線之應用頻率係為2.4GHz~2.5GHz。
15. 如請求項14所述之天線，其中該共振導體及該輻射導體連接之總長度係為該天線之應用頻率的八分之一波長。
16. 如請求項15所述之天線，其中該共振導體之長度係大於該天線之應用頻率的十六分之一波長。