TWI538305B - 具多饋電路之天線 - Google Patents

Description

具多饋電路之天線

本發明係有關於具有多饋電路之天線，允許額外的電路元件加入，以改善多波段運作。

行動無線電應用的成長導致於全世界不同區域使欲許多不同的空中介面標準規範與無線電頻帶的服務之發展。目前這一代的行動電話幾乎是利用850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz、以及2100MHz的GSM或者UMTS空中介面(如國際標準組織3GPP所界定)來做傳輸。能夠於這些所有波段上運作，且用於行動電話、筆記型電腦、追蹤系統以及其他使用者設備(UE)的小型天線的開發，極具挑戰性。天線技術大致已循序漸進在發展，成為漸進完善的簡單雙頻段架構，在兩個頻段上都有提供較大的工作頻寬。目前「五頻(pentaband)」天線的工作頻段範圍是826-960MHz以及1710-2170MHz。

就手持式手機的設計與生產以及使用者對全球漫遊需求的經濟面來說，其意味著手持式手機需要透過所有標準頻段結合其支援的介面協定來運作。

新的行動服務之頻段範圍是698-798MHz，在結合826-960MHz現有的要件時，對天線設計者是一項新的挑戰。本發明提供一手段，藉由該手段得滿足該要件且不會顯著增加天線所佔的體積。

請參照第1圖，眾所周知，藉由圖示之手段得將兩頻率f1與f2高頻信號同時輸送給一單一放射元件10，其中元件11係一諧調成f2之帶阻濾波器，元件12係一諧調成f1之帶阻濾波器，元件13係一為了提供f1的匹配輸入阻抗而調節的輸入匹配電路，元件14係一為了提供f2的所需匹配輸入阻抗而調節的輸入匹配電路。如果f1與f2的信號頻寬小於其頻率分離(f1-f2)，則此裝置就可適當運作。如果頻率分離小或者頻寬大，就難以設計出適合的濾波器以及匹配電路，其成本、尺寸以及相關傳輸損耗就變大而難以接受。

有兩個透過f1或f2選擇性傳輸的替代性裝置是可設計，如第2圖所示，此一設計是利用一於天線輸入端之切換器15以及兩個替代匹配電路，一個是用於f1[13]而另一個則用於f2[14]。該一裝置係符合多種條件，但預先假設當饋電點到天線的位置固定時，該天線得有效且符合經濟要件達到匹配，用於f1與f2雙頻段。

就行動射頻天線來說，f1與f2所處頻寬之大的寬度、該等頻帶鄰近終端之間的小分段分離、以及規定天線小尺寸(一般為0.2 x 0.06 x 0.025波長)都產生一輸入阻抗，要在指定頻帶範圍內有效匹配是非常困難。不適當的阻抗匹配會降低天線的效能，距離、資料傳輸率、以及電池壽命也因此縮減。

根據本發明的第一觀點，提供一種天線裝置，其包含一具有第一與第二端之導電性放射元件、一導電性接地面或者接地構件、以及一輸入終端，其中該放射元件具有複數個分散饋電點位於其第一與第二端之間的不同位置，其中該輸入終端設置有一切換器，各饋電點藉由分散電氣路徑電性連接至該切換器，該切換器係構造成藉由在複數個可選取接點之間的選使該等饋電點分別連接至或以預定組合連接至該輸入終端，該等電氣路徑之至少一者包括一串聯的電容性電路組件，而該等電氣路徑之至少另一者包括一串聯的電感性電路組件。

例如，在兩個體電點沿著放射元件相互隔開設置的情況下，有兩個將該切換器連接至該放射元件的電氣路徑，一個是用於各饋電點，該切換器係構造成使該兩個電器路徑之一者或另一者連接至該輸入終端。該等路徑之一者包括一串聯之電容性電路組件，位於該輸入終端/切換器與銜接該路徑之饋電點之間，而另一路徑包括一串聯之電感性電路組件，位於該輸入終端/切換器與銜接另一路徑之饋電點之間。在設置有三個饋電點的情況下，有三個電器路徑以及該切換器可選擇性地操作，將該三個電氣路徑之任何一者連接至該輸入終端。可以針對特別應用來設置任何饋電點、銜接路徑以及可選擇接點，數目都是兩個以上，至少一路徑包括一電容性電路組件，以及至少另一路徑包括一電感性電路組件。

已發現沿著放射元件的饋電點之間的間隔是一項重要參數而且必須謹慎選擇才能達到良好的天線運作。該饋點阻抗會隨著沿著該放射元件之一位置改變而變化。該饋電位置之選取因此取決於放射元件的構造以及指定的頻率。

在簡單的實施例中，每一個饋電點及相關的路徑係藉由該切換器個別切換，也就是說，當一饋電點與路徑被接通時，其他都會被斷開。然而，在較複雜實施例中，兩個以上的饋電點及相關的路徑得同時連接至該輸入終端。這提供額外的自由度並提供較高頻寬於一些應用上。

各路徑與饋電點得與一預定頻段相關。

在一些實施例中，該放射元件或其至少一端係直接(採電氣處理)或透過一電感性及/或電容性電路組件電氣連接該接地面或接地構件。這樣就有額外自由度可將天線匹配於特別條件中。

於一些實施例中，電阻、電感及/或電容電路組件可與該放射元件在該等饋電點之間串聯設置。在三個以上饋電點的情況下，不同電路組件得被串連設置於不同對的饋電點之間，或者電路組件得被設置於一些成對的饋電點之間。例如，在兩個指定的工作頻段之間差異很大的情況下，已發現於兩個饋電點之間設置一與該放射元件串聯之電感器能促進雙頻段之匹配。

於本發明之一進一步實施例中，包含電感性及/或電容性電路元件之匹配網路得以選擇性與饋電路徑串聯。這種調諧元件得以選擇性含有接地之電路元件，但是任何接地阻抗會造成所有饋電點的阻抗變化，而不是只有設置元件處的饋電點；相反的，串聯的電路元件會使相關切換器輸入終端的輸入阻抗變化而稍微影響到其他輸入端的阻抗。

了解到在任何單一實施例中，電感、電容及/或電路元件每一者得選擇性設置或省略，被省略的元件係由直接連接(0+j0歐姆之額定阻抗)取代，而一饋電點藉由含有一串聯電感電路組件之一路徑連接該輸入終端/切換器，以及另一饋電點藉由含有一串聯電容電路組件之一路徑連接該輸入終端/切換器。

於一特別較佳實施例中，該放射元件係採取一環形天線之形式，該天線包含一具有第一與第二對置表面之介電基板以及一形成於該基板上之傳導軌，其中該基板的第一表面上設有一第一饋電點、一第二饋電點以及一接地點，而該傳導軌分別由該第一饋電點與該接地點延伸，然後朝向該介電基板之一邊緣延伸，然後沿著一大致遵循該介電基板之第一表面的路徑之路徑穿過該介電基板之第二表面，在此之前則連接於該介質基板之第二表面上的傳導載板處，該傳導載板延伸至該介電基板第二表面之傳導軌所形成之一迴路中央部位。

該第一饋電點係被構造成一電感饋電，例如依電感耦合迴路或者一電接頭連接，該第二饋電點係被構造成一電容饋電。

雖然前述係以該天線作為一發射器，但是天線裝置在接收器模式運作時，該討論同樣適用於該天線裝置。當然，所有天線一般都是傳送與接收射頻(Radio Frequency，RF)信號，兩者交互運作，而實際規範就是說明天線運作係依據其傳輸特性時，即意味有接收特性並且可由傳輸特性來推論該接收特性。因此，本發明之實施例接應用於傳送以及接收結構。

為要能較佳了解本發明且為了如何實現本發明，以透過實例參照附圖。

在第3圖，顯示一種以最簡單結構呈現之改良裝置，其中設有一傳導天線構件20，與一接地構件11一同運作。該傳導天線構件20之端21得選擇性連接至該接地構件11。至少兩個分散饋電點22、23被設置於該天線構件上，並且分別藉由對應數目的導體24、25連接，且分別藉由具有與饋電點相同數目之可選取接點且將選取與各頻段相關的饋電系統之連接導體之輸入切換器26連接至該輸入終端27。

一電容電路組件29係在該導體25所界定之路徑上串聯，而一電感電路組件28係在該導體24所界定之路徑上串聯。

於一進一步實施例中，該天線傳導構件20之端21係直接連接至該接地面11或透過一電感或電容電路元件30連接至該接地面11(例如第4圖所示)。

有利地，如第4圖所示，電容、電感或電阻電路元件係在該等饋電點22、23之間依選擇與該天線構件串聯設置。

於本發明之一進一步實施例中，包含電感性或電容性電路元件之匹配網路係以選擇性與饋電導體串聯。這種調諧元件得以選擇性含有接地之電路元件，但是任何接地阻抗會造成所有饋電點的阻抗變化，而不是只有設置元件處的饋電點；相反的，串聯的電路元件會使相關切換器輸入終端的輸入阻抗變化而稍微影響到其他輸入終端的阻抗。

於一較佳實施例中，該傳導放射元件係被形成為一摺疊環形元件，如2009年7月28日申請之英國專利申請第0912368.8號案所述以及如第5圖與第6圖所示。這裡的一薄片介電構件49係支援一薄片接地導體11以及一介電天線支架42。該傳導放射構件41之該等端43、44終止在該接地導體11上。該實施例中有設置兩個輸入連接部45、46。該連接部45係一透過一小耦合迴路45-47-43之電性連接點，也可解釋為一於該迴路41之輸入連接部上的分接頭。該迴路45-43-47內之電流產生一磁通量，該磁通量經由互感而耦合至該放射構件41。了解雖然該連接部45在該示意實施例中為一直接分接的電性連接部，但是替代性實施例不需要該電感迴路45-43-47與該放射構件41電性連接。該第二輸入連接部46係經由該輸入探針47與該放射元件48之一部分之間產生的電容而連接至該放射元件41。選擇該導體47與48的尺寸要優化該等連接點45與46的輸入阻抗。於本發明之一實施例中，該摺疊環形天線整體尺寸為50mm x 10mm x 3mm。輸入45提供的工作頻段為698-798MHz，而輸入46提供的工作頻段為826-890MHz、880-960MHz、1710-1880MHz、1850-1990MHz以及1990-2170MHz，包含三個主要行動無線電通信協定之國際分配。第6圖係該介電天線支撐體42區域內之薄片介電構件49底面。電容連接部46係於該介電構件49下方通過並且於該介電構件49上端面與該導体48電容耦合。

由本發明實施例提供之大量自由度能使一天線之該等特性於大範圍內變化並且使多頻段運作於現代行動無線電裝置。

第7圖係第5圖實施例於698-798MHz頻段的輸入埠所量測的回波損耗。第8圖係於800MHz與2500MHz周圍之間所測得的回波損耗，意指天線裝置也是於850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz以及2100MHz波段有效運作。於第8圖中，該等指定點有：1) 824MHz、2) 960MHz、3) 1710MHz以及4) 2170MHz。

第9圖係說明之直接饋電裝置對照使用於本發明實施例中的電感與電容饋電。於一直接饋電(第9a圖)中，藉由一於饋電點93被連接至該放射元件之傳導電氣路徑92，由輸入終端90至一放射元件91有一直接電氣連接部。於該實施例中，該放射元件91之一端係被連接至射頻(RF)接地94。第9b圖顯示一電感饋電裝置，其中一迴路95形成於電氣路徑92’，該迴路95所產生的磁通量係於饋電點93’與該放射元件91電感耦合。於該實施例中，該電氣路徑92’之一端係被連接至RF接地94。第9c圖顯示一電容饋電裝置，其中一電氣路徑92”係由該輸入終端90延伸並且於饋電點93”與該放射元件91電容耦合。

在本說明書整個敘述以及申請專利範圍內之「包含」、「含有」以及其之變化意指「包含但不受限於」，而且非欲意(而且沒有)排除其他部分、補充、構成部份、整體結構或步驟。在本說明書之整體敘述與申請專利範圍之單數除非內文有指定，否則包含複數。尤其，內文的不確定性就要了解本說明書是考慮複數性以及單數性，除非內文有指定。

應瞭解的是，關於本發明之一特定方面、實施例或實例所述的特徵、整體、特性、化合物、化學部分或群組，除非有不相容之處，否則可應用於本發明所述之其他任何方面、實施例或實例之。本說明書所揭示之所有特徵(包括任何專利範圍附屬項、摘要以及圖示)、及/或被揭示之任何方法或程序之所有步驟可以任何組合方式來組合，而該等特徵及/或步驟之至少有一些互相排斥之組合則除外。本發明未受限於前述任何實施例之詳細內容。本發明延展至本說明書所揭示之任何新穎特徵或任何新穎特徵組合(包括任何專利範圍附屬項、摘要以及圖示，或者延展至被揭示之任何方法或程序之任何新穎步驟或任何新穎步驟組合。

讀者注意力係被引導至與本申請案有關且同時申請或在本說明書之前申請的所有論文與文件，該等論文與文件係與本說明書開放以供公開查閱，該等所有論文與文件之內容均以參照的方式合倂於此。

10．．．放射元件

11．．．接地構件

12．．．元件

13．．．元件

14．．．元件

15．．．切換器

20．．．傳導天線構件

21．．．端

22．．．饋電點

23．．．饋電點

24．．．導體

25．．．導體

26．．．輸入切換器

27．．．輸入終端

28．．．電感電路組件

29．．．電容電路組件

30．．．電容電路元件

41．．．傳導放射構件

42．．．介電天線支架

43．．．端

44．．．端

45．．．輸入連接部

46．．．輸入連接部

47．．．輸入探針

48．．．放射元件

49．．．薄片介電構件

90．．．輸入終端

91．．．放射元件

92,92’,92”．．．電氣路徑

93,93’,93”．．．饋電點

94．．．RF接地

95．．．迴路

第1圖係一習知技術之天線裝置圖，於不同頻率處有兩信號輸送至一單一放射元件。

第2圖係一習知替代技術之天線裝置圖，於不同頻率處有兩信號輸送至一單一放射元件。

第3圖係本發明之一第一實施例示意圖，其中於兩個分散饋電點輸送信號至一天線放射元件。

第4圖係本發明之一第二實施例示意圖，其中結合額外電容及/或電感組件。

第5圖及第6圖係本發明利用一摺疊環性天線之一可實施之實施例。

第7圖係第5圖與第6圖實施例在698-798MHz波段中所測得之回波損耗曲線圖。

第8圖係第5圖與第6圖實施例在800MHz與2500MHz頻率之間所測得之回波損耗曲線圖。

第9圖係三個饋電裝置之比較圖。

20．．．傳導天線構件

21．．．端點

22．．．饋電點

23．．．饋電點

24．．．導體

25．．．導體

26．．．輸入切換器

27．．．輸入終端

Claims (11)

1. 一種天線裝置，該天線裝置包含具有第一端與第二端之一導電性放射元件、一導電性接地面、以及一輸入終端，其中該放射元件在該放射元件的該第一端與該第二端之間的不同位置上具有複數個分散饋電點，且其中該等饋電點之每一者藉由一分散電氣路徑的方式電性連接至一切換器，該切換器係構造成藉由在複數個可選取接點之間選取而選擇性地將該等分散電氣路徑連接至該輸入終端及從該輸入終端中斷，且其中該等電氣路徑之至少一者包括與該等饋電點之其中一者串聯的一電容性電路組件，且其中該等電氣路徑之至少另一者包括與該等饋電點之其中另一者串聯的一電感性電路組件，其中至少一個電感電路組件在至少一對饋電點之間與該放射元件串聯連接。
2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中有兩個饋電點。
3. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中有至少三個饋電點。
4. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該放射元件之該第一端係電性連接至該接地面。
5. 如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中該放射元件之該第一端係藉由一電容性及/或電感性電路組件的方式連接至該接地面。
6. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中至少一個電阻 電路組件在至少一對饋電點之間與該放射元件串聯連接。
7. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中至少一個電容電路組件在至少一對饋電點之間與該放射元件串聯連接。
8. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中包含電感及/或電容電路組件之匹配網路係與該等電氣路徑串聯連接。
9. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該等匹配網路包括至少一些連接至該接地面之電路組件。
10. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該放射元件係採取一環形天線之形式，該天線包含具有彼此相對的第一表面與第二表面之一介電基板以及形成於該介電基板上之一傳導軌，其中該基板之該第一表面上有一第一饋電點、一第二饋電點以及一接地點，而該傳導軌分別自該第一饋電點與該接地點延伸，隨之朝向該介電基板之一邊緣延伸，然後穿過該介電基板之該第二表面並且再沿著一大致遵循該介電基板之該第一表面上的路徑穿過該介電基板之該第二表面，在此之前則連接於該介質基板之該第二表面上的一傳導載板處，該傳導載板延伸至該介電基板之該第二表面之該傳導軌所形成之一迴路的一中央部位。
11. 如申請專利範圍第10項所述之裝置，其中該第一饋電點係被構造成一電感饋送，而該第二饋電點係被構造成 一電容饋送。