TWI756747B - 天線與無線通訊裝置 - Google Patents

Abstract

一種天線包括一輻射本體與一饋入接腳。輻射本體包括一第一輻射支路與一第二輻射支路。第一輻射支路沿一第一方向延伸，第二輻射支路沿一第二方向延伸。饋入接腳自輻射本體沿一第三方向延伸。第一方向垂直於第二方向與第三方向。

Description

天線與無線通訊裝置

本發明係關於一種天線，尤指一種可直接應用於各類電子產品之小型化寬頻天線。

隨著無線通訊技術發展不斷演進，物聯網(Internet of Things,，縮寫IOT)的應用日益廣泛。智能家庭的應用範疇是透過在各類家用電子設備中加入無線模組的配置，使人們得以藉由無線通訊方式遠端且即時控制家中電器，諸如：電鍋、咖啡機、冷氣、冰箱、洗衣機…等等設備的工作狀態，以實現智慧生活的願景。

在智能家庭的產品應用中，由於產品外型多樣化，且產品內部構造以及主電路底板尺寸也不盡相同，相較於對所有產品進行客製化無線模組的設計，採用單一小型化無線模組的組裝方式可大幅提高適應於各類產品的便利性。然而，天線阻抗頻寬卻通常是小尺寸無線模組設計上的限制。因此，如何在有限的空間中，設計小型化、高效率、寬頻且低成本的天線為本領域重要的研究課題。

本發明之一目的在於提供一種單一小型化且可應用於各類產品的寬 頻天線設計。

根據本發明之一實施例，一種天線包括一輻射本體與一饋入接腳。 輻射本體包括一第一輻射支路與一第二輻射支路。第一輻射支路沿一第一方向延伸，第二輻射支路沿一第二方向延伸。饋入接腳自輻射本體沿一第三方向延伸。第一方向垂直於第二方向與第三方向。

根據本發明之另一實施例，一種無線通訊裝置包括一電路基板以及一天線。電路基板包括至少一第一連接部、一第二連接部與一接地平面。天線包括一輻射本體、一饋入接腳與一短路接腳。輻射本體包括一第一輻射支路與一第二輻射支路。第一輻射支路沿一第一方向延伸，第二輻射支路沿一第二方向延伸。饋入接腳自輻射本體沿一第三方向向外延伸，並且耦接第一連接部。短路接腳自輻射本體沿第三方向向外延伸，並且耦接第二連接部與接地平面。第一方向垂直於第二方向與第三方向。

根據本發明之另一實施例，一種無線通訊裝置包括一電路母板、一電路基板以及一天線。電路基板設置於電路母板上，並且包括至少一第一連接部、一第二連接部與一接地平面。天線包括一輻射本體、一饋入接腳與一短路接腳。輻射本體包括一第一輻射支路與一第二輻射支路，其中第一輻射支路沿一第一方向延伸，第二輻射支路沿一第二方向延伸。饋入接腳自輻射本體沿一第三方向向外延伸，並且耦接第一連接部。短路接腳自輻射本體沿第三方向向外延伸，並且耦接第二連接部與接地平面。第一方向垂直於第二方向與第三方向。

10:天線

100:無線通訊模組

110:饋入接腳

120:短路接腳

130,140:輻射支路

150,160:支撐部

170,180:等效電流路徑

300:無線通訊裝置

310:電路基板

320:接地平面

330,340,350,360:連接部

510:電路母板

520:排針

D1,D2,D3:方向

l,g,s:長度

L-1,L-2,L-3,L-4-1,L-4-2,L-4-3:折線

P1,P2,P3,P4:平面

第1圖係顯示根據本發明之一實施例所述之天線結構範例。

第2圖係顯示根據本發明之一實施例所述之立體天線結構範例。

第3圖係顯示根據本發明之一實施例所述之小型化寬頻天線之等效電流路徑。

第4圖係顯示根據本發明之一實施例所述之小型化寬頻天線之能量反饋損失示意圖。

第5圖係顯示立體型的天線的第一平面。

第6圖係顯示立體型的天線的第二平面。

第7圖係顯示立體型的天線的第三平面。

第8圖係顯示立體型的天線的第四平面。

第9圖係顯示根據本發明之一實施例所述之天線製作流程。

第10圖係顯示根據本發明之一實施例所述之包含小型化寬頻天線之無線通訊裝置示意圖。

本發明提出一種一體成型、單一饋入且寬頻操作之天線結構。此天線結構以四分之一波長之天線為設計基礎，並包括雙輻射支路。藉由調整雙輻射支路所對應之兩共振頻率，達成小型化寬頻天線的特性，不僅天線尺寸縮小，使其可搭配小尺寸電路基板，並具有良好天線輻射特性。

此外，由於採用一體成型的結構，本發明提出之天線僅需使用一金屬導體，經過適當的彎折即可製作完成，並且可直接與無線通訊模組之電路基板焊接在一起，故其具有製作簡單、成本低廉與組裝容易之優點，具備產業利用性。

第1圖係顯示根據本發明之一實施例所述之天線結構範例。於本發明之實施例中，天線10可實施為一平面天線，亦可實施為一立體天線。第1圖係顯示天線本體展開圖。

天線10可至少包括一輻射本體與一饋入接腳110。輻射本體可至少包括輻射支路130與140。於本發明之實施例中，天線10可選擇性包括一短路接腳120，並且天線10為一平面倒F天線(於天線10包含短路接腳120之實施例)或一單極天線(於天線10未包含短路接腳120之實施例)。

根據本發明之一實施例，輻射支路130可包含複數輻射部，其中至少一輻射部係沿第一方向D1延伸，輻射支路140可包含複數輻射部，其中至少一輻射部係沿第二方向D2延伸。此外，饋入接腳110與短路接腳120可自輻射本體沿第三方向D3向外延伸，其中第一方向D1可垂直於或大體垂直於第二方向D2與第三方向D3。

此外，天線10可更包括自輻射本體向外延伸的支撐部150與160，饋入接腳110、短路接腳120以及支撐部150與160可與電路基板相連。

第2圖係顯示根據本發明之一實施例所述之立體天線結構範例。天線10可被設置於電路基板310上。於此實施例中，天線10採用倒F天線形式，短路接腳120與電路基板310之接地平面320相連接，而饋入接腳110及短路接腳120與接地平面320具有一間隙，其長度為g。電路基板310上可具有四個連接部330、340、350與360，用以將天線10插件到電路基板310上固定，其中連接部330接到電路基板310的饋入端，連接部340與接地平面320相連接，連接部350與360分別與支撐部150與160相連接，用以增加天線10的穩固性。饋入接腳110與短路接腳120末端可實施為階梯狀，用以固定天線10高度。值得注意的是，於一些實施例中，連接部350與360可被移除。即，天線10可僅藉由將饋入接腳110及短路接腳120分別與連接部330及340相接，以安裝到電路基板310上。

於本發明之實施例中，輻射支路130可用於傳送和接收一第一共振頻率的信號，輻射支路140可用於傳送和接收一第二共振頻率的信號，其中第一共振頻率與第二共振頻率接近天線10的操作頻率。舉例而言，於本發明之一實施 例，第一共振頻率可為2.41千兆赫(GHz)，第二共振頻率可為2.46GHz，而天線共振頻率可為2.45GHz。藉由分別調整各支路整體金屬走線長度，可改變第一共振頻率與第二共振頻率。兩共振頻率經適當調適後，即可達成寬頻天線操作。 於本發明之實施例中，天線10之10dB頻寬可達80MHz，操作頻段可被設計為2.4GHz-2.48GHz，並且於操作頻帶內具有兩共振頻率。此外，根據本發明之一實施例，以天線之操作頻率設定為2.4GHz為例，電路基板310可以是厚度0.6毫米(mm)，尺寸為15毫米×20毫米(相當於0.12λ×0.16λ)之FR(flame retardant)4基板，其中λ為操作頻率2.4GHz之信號波長，而天線10的尺寸可僅為14.2毫米×5.0毫米×5.0毫米(相當於0.11λ×0.04λ×0.04λ)，因此，相較於電路基板310尺寸，天線10可被實現為小型化寬頻天線。

第3圖係顯示根據本發明之一實施例所述之小型化寬頻天線之等效電流路徑。本發明之實施例中，輻射支路130可提供第一共振頻率之等效電流路徑170，第一共振頻率之等效電流可自饋入接腳流至輻射支路130末端的開路端點，輻射支路140可提供第二共振頻率之等效電流路徑180，第二共振頻率之等效電流可自饋入接腳流至輻射支路140末端的開路端點。於本發明之實施例中，藉由分別調整各支路整體金屬走線長度，等效電流路徑長度可等於或接近信號波長的四分之一，使得天線的輻射效能可達最佳。

第4圖係顯示根據本發明之一實施例所述之小型化寬頻天線之能量反饋損失示意圖。由金屬走線1構成的輻射支路130可提供第一共振頻率操作，由金屬走線2構成的輻射支路140可提供第二共振頻率操作，輻射本體則為金屬走線1與金屬走線2的結合。藉由分別調整金屬走線1、2的長度，可改變第一共振頻率與第二共振頻率，使得在結合兩共振頻率的效應之下，輻射本體的整體反饋損失低於10dB的頻段可具有所需的頻寬，例如80MHz。

值得注意的是，於本發明之實施例中，當天線10被實施為立體天線 時，並不限於第2圖所示之結構。於本發明之立體型天線實施例中，天線10或輻射本體可具有至少一彎折，例如，輻射本體可沿垂直於第三方向D3的一折線L-1彎折，例如，彎折90度，使第二方向D2與第三方向D3垂直，並且使饋入接腳110及/或短路接腳120可以插件形式安裝於或焊接形式焊接於電路基板310上。

於本發明之一些實施例中，天線10或輻射本體可具有複數彎折，例如，輻射本體可進一步沿垂直於第一方向D1的一折線L-2彎折，甚至可更沿平行於第一方向D1的一折線L-3彎折，以形成如第2圖所示之立體型的輻射支路130。 此外，輻射本體亦可沿垂直於第二方向D2的折線L-4-1、L-4-2與L-4-3彎折，以形成如第2圖所示之立體型的輻射支路140。

複數彎折使立體型的輻射支路130與立體型的輻射支路140可分別包含位於不同平面的複數輻射部。

第5圖係顯示如第2圖所示之立體型的天線設計的第一平面P1。第6圖係顯示如第2圖所示之立體型的天線設計的第二平面P2。第7圖係顯示如第2圖所示之立體型的天線設計的第三平面P3。第8圖係顯示如第2圖所示之立體型的天線設計的第四平面P4。其中所述彎折可使第一平面P1、第二平面P2與第三平面P3彼此互相垂直，使第二平面P2、第三平面P3與第四平面P4彼此互相垂直，以及可使第一平面P1與第四平面P4平行。

於本發明之一實施例中，饋入接腳110、短路接腳120及連接部330與340可位於第一平面P1。輻射支路130可包括分別位於第一平面P1、第二平面P2與第三平面P3的複數輻射部，輻射支路140可包括分別位於第一平面P1、第二平面P2與第四平面P4的複數輻射部，其中輻射支路130與輻射支路140亦可共用位於相同平面的輻射部。例如，位於第一平面P1且耦接饋入接腳110及/或短路接腳120之輻射部可為輻射支路130與輻射支路140所共用。此外，支撐部150可位於第三平面P3，支撐部160可位於第四平面P4。

根據本發明之一實施例，天線10可由一單一金屬片經由沖壓(Stamping)或切割製作而成。

第9圖係顯示根據本發明之一實施例所述之天線製作流程。由第9圖所示之步驟可知，本發明所提出之小型化寬頻天線可使用單一金屬片沖壓或切割製作，經過幾個簡單的彎折步驟，便能達成第2圖之立體形式。

於本發明之實施例中，以第2圖為示意，透過由上往下插入的簡易安裝方式安裝於電路基板310上，便能將本發明之小型化寬頻天線與電路基板310上的其他電路組合，使本發明具有製作容易、組裝簡單的特點。於本發明之實施例中，小型化寬頻天線與電路基板310及其他電路之結合可形成一無線通訊模組或一無線通訊裝置，例如，一無線區域網路(Wireless Local Area Networks，縮寫WLAN)晶片，並且由於本發明所提出的天線結構具有小尺寸特性，電路基板310的尺寸可小於或等於天線10之操作頻率的四分之一波長。

於本發明之實施例中，輻射支路130末端的長度s與天線第一共振頻率相關，增加長度s有助於降低天線操作頻率。

於本發明之實施例中，輻射支路140末端的長度l與天線第二共振頻率相關，增加長度l有助於降低天線操作頻率。

於本發明之實施例中，藉由適當的調整第一共振頻率與第二共振頻率，便能有效的達成寬頻天線操作的目的。

於本發明之實施例中，間隙長度g與天線阻抗匹配相關，改變間隙長度g可改變天線的輸入阻抗，例如，當長度g由1.5毫米增長為3.5毫米時，可得到較佳的阻抗匹配。

於本發明之實施例中，包含本發明所提出之小型化寬頻天線之無線通訊模組可被安裝於另一裝置(例如，家用電器)之電路母板上，使其成為具備無線通訊功能之無線通訊裝置。

第10圖係顯示根據本發明之一實施例所述之包含小型化寬頻天線之無線通訊裝置示意圖。電路母板510可包含排針520，無線通訊模組100的電路基板(電路子板)可透過排針520與無線通訊裝置300之電路母板510相接，使其可被設置於電路母板510上，而小型化寬頻天線可如第2圖所示透過電路基板的連接部設置於電路基板上。

於本發明之實施例中，電路基板尺寸可小於或等於天線之操作頻率的四分之一波長，並且電路母板尺寸可大於或等於天線之操作頻率的二分之一波長，或可大於一個波長以上。換言之，本發明所提出之小型化寬頻天線可與各種不同尺寸與形狀(例如，矩形、方形、圓形或多邊形等)之電路母板結合，因此可彈性地適應於各類產品，並維持原有之寬頻操作特性。此外，於本發明之實施例中，電路基板可被設置於電路母板之任何區域，並且電路基板之擺放方向可如圖所示與電路母板垂直。

值得注意的是，於本發明之實施例中，電路母板並不限於第10圖所示之形狀，亦可為其他形狀的底板，例如，矩形、方形、圓形或多邊形等。

此外，值得注意的是，於本發明之實施例中，排針亦並不限於第10圖所示之形狀，舉例而言，第10圖所示的是一字形的排針，讓無線通訊模組100與電路母板510平行擺放，但排針也可以是L型的排針，讓無線通訊模組100與電路母板510垂直式的擺放。因此，於本發明之實施例中，排針可以是任意形狀。

本發明所提出之小型化寬頻天線結構藉由雙輻射支路的設計，達成小型化寬頻天線的特性，不僅天線尺寸縮小，使其可搭配小尺寸電路基板，並具有良好天線輻射特性。此外，由於採用一體成型的結構，本發明提出之天線僅需使用一金屬導體，經過適當的彎折即可製作完成，並且可直接與無線通訊模組之電路基板焊接在一起，故其具有製作簡單、成本低廉與組裝容易之優點，具備產業利用性。此外，包含小型化寬頻天線之無線通訊模組亦可簡單地透過 排針或各種形式與另一電路母板相接，使其成為具備無線通訊功能之無線通訊裝置。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10:天線

100:無線通訊模組

110:饋入接腳

120:短路接腳

130,140:輻射支路

150,160:支撐部

310:電路基板

320:接地平面

330,340,350,360:連接部

Claims (7)

1. 一種天線，包括：一輻射本體，包括一第一輻射支路與一第二輻射支路，其中該第一輻射支路沿一第一方向延伸，該第二輻射支路沿一第二方向延伸；一饋入接腳，自該輻射本體沿一第三方向延伸；以及一短路接腳，自該輻射本體沿該第三方向延伸，其中該第一方向垂直於該第二方向與該第三方向，該第一輻射支路包括位於一第一平面之一第一輻射部、位於一第二平面之一第二輻射部與位於一第三平面之一第三輻射部，該第二輻射支路包括位於該第一平面之一第一輻射部、位於該第二平面之一第二輻射部與位於一第四平面之一第三輻射部，並且該輻射本體具有複數彎折，該等彎折使該第一平面、該第二平面與該第三平面彼此互相垂直，以及使該第二平面分別垂直於該第一平面與該第四平面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之天線，其中該天線為一平面倒F天線或一單極天線，並且該第二方向與該第三方向垂直。
3. 一種無線通訊裝置，包括：一電路基板，包括至少一第一連接部、一第二連接部與一接地平面；以及一天線，包括：一輻射本體，包括一第一輻射支路與一第二輻射支路，其中該第一輻射支路沿一第一方向延伸，該第二輻射支路沿一第二方向延伸；一饋入接腳，自該輻射本體沿一第三方向向外延伸，並且耦接該第一連接部；以及 一短路接腳，自該輻射本體沿該第三方向向外延伸，並且耦接該第二連接部與該接地平面，其中該第一方向垂直於該第二方向與該第三方向，該第一輻射支路包括位於一第一平面之一第一輻射部、位於一第二平面之一第二輻射部與位於一第三平面之一第三輻射部，該第二輻射支路包括位於該第一平面之一第一輻射部、位於該第二平面之一第二輻射部與位於一第四平面之一第三輻射部，並且該天線具有複數彎折，該等彎折使該第一平面、該第二平面與該第三平面彼此互相垂直，以及使該第二平面分別垂直於該第一平面與該第四平面。
4. 如申請專利範圍第3項所述之無線通訊裝置，其中該第二方向與該第三方向垂直。
5. 如申請專利範圍第3項所述之無線通訊裝置，其中該電路基板尺寸小於該天線之一操作頻率的四分之一波長。
6. 一種無線通訊裝置，包括：一電路母板；一電路基板，設置於該電路母板上，並且包括至少一第一連接部、一第二連接部與一接地平面；以及一天線，包括：一輻射本體，包括一第一輻射支路與一第二輻射支路，其中該第一輻射支路沿一第一方向延伸，該第二輻射支路沿一第二方向延伸；一饋入接腳，自該輻射本體沿一第三方向向外延伸，並且耦接該第一連接部；以及 一短路接腳，自該輻射本體沿該第三方向向外延伸，並且耦接該第二連接部與該接地平面，其中該第一方向垂直於該第二方向與該第三方向，該天線為一立體型天線，該第二方向與該第三方向垂直，並且該第一輻射支路包括位於一第一平面之一第一輻射部、位於一第二平面之一第二輻射部與位於一第三平面之一第三輻射部，該第二輻射支路包括位於該第一平面之一第一輻射部、位於該第二平面之一第二輻射部與位於一第四平面之一第三輻射部，該饋入接腳與該短路接腳位於該第一平面，並且該第一平面、該第二平面與該第三平面彼此互相垂直，以及該第二平面、該第三平面與該第四平面彼此互相垂直。
7. 如申請專利範圍第6項所述之無線通訊裝置，其中該電路基板尺寸小於該天線之一操作頻率的四分之一波長，並且該電路母板尺寸大於該天線之該操作頻率的二分之一波長。

Images