TWI804269B - 環形天線結構 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露一種環形天線結構，具有依序串聯的一訊號輸出/輸入導線、一第一導電體、一上導體、一第二導電體、一第一下導體、及一第二下導體，該環形天線結構還具有一第一接地通孔，該第一接地通孔的一下端連接至一第一接地層，且該第一接地通孔的一上端設置於該第一下導體及該第二下導體二者之間並連接該二者，其中該第二下導體的一第一端連接至該第一接地通孔的上端，該第二下導體的一第二端連接至該第一導電體的一端；一第二接地層，與該訊號輸出/輸入導線、該第一下導體、及該第二下導體三者皆設置於同一層，但不與該三者直接連接。
Description
本發明係有關於一種天線結構，特別是關於一種環形天線結構。
近年來60GHz毫米波(mmWave)在車內偵測、室內偵測、工業環境偵測之的短距應用已有許多，如手勢辨識、人數統計、相對位移偵測、安全防護裝置、照明控制系統、及建築物自動化，且相關標準如802.11ad/WiGig、802.11ay等皆使用此一頻段。60GHz是一個免費可用的免執照頻段，而且最大頻寬可達到9GHz，因此可以廣泛的提供更加精確和更加準確的雷達讀數。60GHz毫米波在空氣中的波長約為5毫米(mm)，所以60GHz毫米波感測器的尺寸也較為小巧。由於天線對於各種無線通信的應用皆是必備的，而目前的天線結構仍須面對如何改進天線規格的問題如：阻抗匹配(impedance matching)、輻射場型(radiation pattern)、阻抗頻寬(impedance bandwidth)、及寬波束(wide beamwidth)。
鑑於上述問題，本發明之目的在於提供一種環形天線結構。本發明揭露之環形天線結構可優化天線的阻抗匹配、輻射場型、阻抗頻寬、及寬波束。
本發明的環形天線結構包含：
一第一介電層，具有一第一上表面及一第一下表面；
一訊號輸出/輸入導線，具有一第一端與一第二端，且設置於該第一介電層的第一下表面；
一第一導電體，具有一上端及一下端，且貫穿該第一介電層；其中該第一導電體的下端連接至該訊號輸出/輸入導線的第一端；
一上導體，具有一第一端及一第二端，且設置於該第一介電層的第一上表面；其中該上導體的第一端連接至該第一導電體的上端；
一第二導電體，具有一上端及一下端，且貫穿該第一介電層；其中該第二導電體的上端連接至該上導體的第二端；
一第二介電層，具有一第二上表面及一第二下表面，且設置於該第一介電層下；
一第一下導體，具有一第一端及一第二端，且設置於該第一介電層的第一下表面與該第二介電層的第二上表面二者之間；其中該第一下導體的第一端連接至該第二導電體的下端；
一第一接地導體第一接地通孔，具有一上端及一下端，且貫穿該第二介電層；其中該第一接地導體第一接地通孔的上端連接至該第一下導體的第二端；
一第二下導體，具有一第一端及一第二端，且設置於該第一介電層的第一下表面與該第二介電層的第二上表面二者之間；其中該第二下導體的第一端連接至該第一接地導體第一接地通孔的上端，且該第二下導體的第二端連接至該第一導電體的下端；
一第一接地層，設置於該第二介電層的第二下表面與該第二介電層的第二上表面二者之間；其中該第一接地導體第一接地通孔的下端連接至該第一接地層。
較佳的，該第一接地通孔的該上端的中心與該第一導電體的下端的中心二者間的距離為一設計參數，可經由改變該設計參數來調整該環形天線結構的頻寬、中心頻率及頻寬對中心頻率的比例；該訊號輸出/輸入導線的另一端連接至一訊號輸出/輸入端；該第一接地層與該第一接地通孔的一下端皆連接至一地電位。
較佳的，本發明的環形天線結構進一步包含：一浮動導體，具有一浮動導體第一部分、一浮動導體第二部分、及一浮動導體第三部分，該浮動導體第三部分係設置於該浮動導體的中央位置並分別與設置於該浮動導體兩端的該浮動導體第一部分與該浮動導體第二部分連接成一整個導體，該浮動導體第三部分的中心具有一孔洞，該第二導電體係被設置穿過該孔洞，該浮動導體並未與該環形天線結構連接，且其中該浮動導體的電位為浮動電位。
較佳的，該上導體包含：一第一寄生導體、一第二寄生導體、及一第三寄生導體，其中該第一寄生導體、該第二寄生導體、及該第三寄生導體皆為矩形平板且係設置於該上導體與該第二導電體連接處的周圍，並延著該上導體的邊緣向外突出；該浮動導體第一部分與該第一寄生導體的形狀相似，並且該浮動導體第一部分係重疊設置於該第一寄生導體的正下方以形成一第一電容，該浮動導體第二部分與該第二寄生導體的形狀相似，並且該浮動導體第二部分係重疊設置於該第二寄生導體的正下方以形成一第二電容，該第三寄生導體與該浮動導體形成一第三電容。
請參考圖1至圖4，其顯示本發明環形天線結構1的幾何結構及形狀。該環形天線結構1包含一訊號輸出/輸入導線11、與該訊號輸出/輸入導線11連接的一第一導電通孔12、與該第一導電通孔12堆疊連接的一第二導電通孔131、與該第二導電通孔131堆疊連接的一第三導電通孔13、與該第三導電通孔13連接的一上導體14、與該上導體14連接的一第四導電通孔15、與該第四導電通孔15堆疊連接的一第五導電通孔151、與該第五導電通孔151堆疊連接的一第六導電通孔16、與該第六導電通孔16連接的一第一下導體17、與該第一下導體17連接的一第一接地通孔(grounding via)50的一上端、以及與該第一接地通孔50的上端連接的一第二下導體171的一第一端，該第二下導體171的一第二端係連接該第一導電通孔12，其中該第一導電通孔12、該第二導電通孔131、與該第三導電通孔13三者係為連通的導體稱為一第一導電體，且該第四導電通孔15、該第五導電通孔151、與該第六導電通孔16三者係為連通的導體稱為一第二導電體。
如此，該環形天線結構1係由上述該訊號輸出/輸入導線11、該第一導電體、該上導體14、該第二導電體、該第一下導體17、該第一接地通孔50的上端，與該第二下導體171等導體首尾連接組成的環形結構。其中該第一接地通孔50的一下端可連接至一地電壓(GND)，該訊號輸出/輸入導線11可連接至一訊號輸出/輸入端。
另外，該上導體14還進一步包含一第一寄生導體141、一第二寄生導體142、及一第三寄生導體143，其中該第一寄生導體141、該第二寄生導體142、及該第三寄生導體143皆為矩形平板且係設置於該上導體14與該第四導電通孔15連接處的周圍，並延著該上導體14的邊緣向外突出。另外，該環形天線結構1還進一步包含由一浮動導體第一部分241、一浮動導體第二部分242、及一浮動導體第三部分243三者所構成的一浮動導體24，其中，該浮動導體第一部分241與該第一寄生導體141的形狀相似，並且該浮動導體第一部分241係重疊設置於該第一寄生導體141的正下方以形成一第一電容，該浮動導體第二部分242與該第二寄生導體142的形狀相似，並且該浮動導體第二部分242係重疊設置於該第二寄生導體142的正下方以形成一第二電容，該浮動導體第三部分243係設置於該浮動導體24的中央位置並分別與設置於該浮動導體24兩端的該浮動導體第一部分241與該浮動導體第二部分242連接成一整個導體，該浮動導體第三部分243的中心具有一圓孔，該第四導電通孔15與該第五導電通孔151的連接處係被設置穿過該圓孔，該浮動導體24並未與該四導電通孔15與該第五導電通孔151以及該環形天線結構1的其他部分連接，故該浮動導體24的電位可視為浮動的；其中該第三寄生導體143與該浮動導體24形成一第三電容。
請參考圖1、2，圖2顯示圖1中本發明環形天線結構1的A-A剖面圖。本發明環形天線結構1係設置於一導電底層9之上。該導電底層9係設置於一底層基板30之上與一第三介電層31之下，該導電底層9中設置一第三接地層120及一訊號導線19(請參考圖7所示)，且該第三接地層23及該訊號導線19二者之間具有一間隙(未圖示)，以使該第三接地層23及該訊號導線19二者之間不導通，該導電底層9之上表面設置有該第三介電層31，該第三介電層31之上表面設置一第一接地層21，該第一接地層21之上表面設置一第二介電層32，該第二介電層32之上表面設置一第二接地層22及本發明環形天線結構1的一部分組件包含：該訊號輸出/輸入導線11、該第一下導體17、該第二下導體171、該第一導電體的一下端(即該第一導電通孔12的一下端)、該第二導電體的一下端(即該第六導電通孔16的一下端)；該第二接地層22之上表面及上述本發明環形天線結構1的該部分組件之上設置一第三基板層33，該第三基板層33之上表面設置一第四基板層34，該第四基板層34之上表面設置該浮動導體24，該浮動導體24與該第四基板層34二者之上表面設置一第五基板層35，該第五基板層35之上表面設置該上導體14，該上導體14與該第五基板層35二者之上表面設置一抗氧化層36，其中該第三基板層33、該第四基板層34、與該第五基板層35三者形成一堆疊的絕緣體，稱為一第一介電層。
其中，該第一接地層21、該第二接地層22、及該第三接地層23三者皆為導電材料(如金屬)所構成且皆可連接至該地電壓(GND)，該第一接地層21與該第二接地層22二者之間還設置有多個第九導電通孔51以導通該二者。本發明環形天線結構1僅經由該第一接地通孔50(參照圖4A所示)與該第一接地層21連接以導通該地電壓(GND)，本發明環形天線結構1不與該多個第九導電通孔51直接連接。
該第二介電層32之上除了設置該第二接地層22之外，還設置有上述本發明環形天線結構1的該部分組件包含：該訊號輸出/輸入導線11、該第一下導體17、該第二下導體171、該第一導電通孔12的一下端、該第六導電通孔16的一下端、及該第一接地通孔50的上端，而且該第二接地層22與上述本發明環形天線結構1的該部分組件二者之間係具有一絕緣間隙20，以將該二者斷開，故而該第二接地層22與上述本發明環形天線結構1的該部分組件二者之間並不直接連接。
請參考圖1-3，圖3顯示圖1中本發明環形天線結構1的B-B剖面圖。可知該第二下導體171、該第一導電通孔12的下端、及該第一接地通孔50的上端三者係為連接，另外，該第一導電通孔12、該第二導電通孔131及該第三導電通孔13三者係堆疊連接形成該第一導電體，該第三導電通孔13的一上端係與該上導體14連接，且該第一導電通孔12的下端不與該多個第九導電通孔51直接連接。
請參考圖1-4A、4B，圖4A顯示圖1中本發明環形天線結構1的C-C剖面圖。其中該第一接地通孔50的一上端係設置於該第一下導體17以及該第二下導體171二者之間並與該二者連接，該第一接地通孔50的一下端係與該第一接地層21直接連接以導通該地電壓(GND)。
請參考圖1-4A、4B，其中圖4B係為本發明環形天線結構1的俯視圖。其中該多個第九導電通孔51僅圍繞著本發明環形天線結構1，而未與本發明環形天線結構1直接連接。
請參考圖5，圖5顯示本發明環形天線結構1的一設計參數d。該設計參數d係為該第一接地通孔50的中心與該第一導電體下端的中心(即該第一導電通孔12的該下端的中心)二者間的距離，改變該設計參數d，就可改變本發明環形天線結構1的反射係數(S11或稱reflection coefficient或稱return loss)。請參考圖6，圖6顯示該設計參數d的值為0.2mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm時，本發明環形天線結構1分別對應不同的反射係數頻譜A、B、C、D。在圖6中若以反射係數為-10分貝(dB)來定義一頻寬(BW)，並以該頻寬的中點為中心頻率(CF)時，可定義一頻寬對中心頻率比例(BW-ratio)：BW-ratio = BW / CF，則該設計參數d的值為0.2mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm時，分別對應不同的頻寬對中心頻率比例(BW-ratio)：1%、23%、27.5%、26.3%。由此可知，經由改變本發明環形天線結構1的一設計參數d，可有效的改進本發明環形天線結構1的頻寬(BW)、中心頻率(CF)及頻寬對中心頻率的比例(BW-ratio)之天線規格。如圖6所示，不同的反射係數頻譜A、B、C、D與-10分貝(dB)的交點係被以垂直線段標示，可知反射係數頻譜A、B、C、D的頻寬的大小關係為 C ＞ D ＞ B ＞ A，以及反射係數頻譜A、B、C、D的中心頻率的大小關係為 B ＞ C ＞ A ＞ D；值得一提的是，當該設計參數d的值為0.4mm時，本發明環形天線結構1相對應的反射係數頻譜C的頻寬(BW)為16.63GHz、中心頻率(CF) 為60.44GHz、且頻寬對中心頻率的比例(BW-ratio) 為27.5%，故當該設計參數d的值為0.4mm時，本發明環形天線結構1是適合60GHz毫米波(mmWave)的應用。
同時本發明環形天線結構1的該第一寄生導體141、該第二寄生導體142、及該第三寄生導體143與對應的該浮動導體24所形成的該第一至第三電容也能夠改進本發明環形天線結構1的輻射場型(radiation pattern)與阻抗匹配(impedance matching)的天線規格。
請參考圖7及圖8，圖7、8顯示本發明環形天線結構1連接一系統晶片的訊號輸出/輸入端的剖面圖。該訊號輸出/輸入導線11經由一第七導電通孔18及與該第七導電通孔18堆疊連接的一第八導電通孔181連接至該導電底層9中的該訊號導線19，其中該第七導電通孔18及該第八導電通孔181係為連通的導體稱為一第三導電體，該第三導電體未與該第一接地層21、該第二接地層22、或該第三接地層23三者中的任一個連接。
該第三接地層23與該第一接地層21二者之間還設置有多個第十導電通孔52以導通二者，其中該多個第十導電通孔52僅圍繞著該第七導電通孔18，而未與該第七導電通孔18直接連接，該多個第十導電通孔52也未與本發明環形天線結構1直接連接。
圖8顯示圖7中的該訊號導線19連接一系統晶片90的一接腳91(即該訊號輸出/輸入端)，以將該系統晶片90的輸出訊號輸出至本發明的環形天線結構1發射，或將本發明環形天線結構1所感測接收到的輸入訊號輸入至該系統晶片90。該系統晶片90係設置於該底層基板30所具有的一容置空間中(未圖示)並位於該導電底層9的下方，該系統晶片90可為一系統單晶片(SOC)或一輕薄小巧的組裝電路板(PCBA)。
上述該第一至該第十導電通孔12、131、13、15、151、16、18、181、51、52皆具有一導電柱體以及與該導電柱體相連的一上端及一下端，該導電柱體係設置於一絕緣體層的一貫通孔中，該上端與該下端係分別環繞設置於該導電柱體的一上表面及一下表面，同時該上端與該下端也分別設置於該絕緣體層的上表面及下表面，該上端、該下端與該導電柱體三者皆為導體且三者形成一連貫的導體。例如：在圖3中，該第一導電通孔12的一導電柱體121係設置於該第三基板層33的一貫通孔(未圖示，該貫通孔可視為與該導電柱體121重疊)中，該貫通孔係貫穿該第三基板層33，該第一導電通孔12的一上端122與一下端120係分別環繞設置於該導電柱體121的一上表面及一下表面，且該第一導電通孔12的該上端122係設置於該第三基板層33的一上表面與該第四基板層34的一下表面之間，且該第一導電通孔12的該下端120係設置於該第三基板層33的一下表面與該第二介電層32的一上表面之間。另外，該第二至該第十導電通孔131、13、15、151、16、18、51、52皆具有與該第一導電通孔12的上述結構與設置方式相似的結構與設置方式。
以上所述僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
1:環形天線結構
9:導電底層
11:訊號輸出/輸入導線
12:第一導電通孔
120:下端
121:導電柱體
122:上端
13:第三導電通孔
131:第二導電通孔
14:上導體
141:第一寄生導體
142:第二寄生導體
143:第三寄生導體
15:第四導電通孔
151:第五導電通孔
16:第六導電通孔
17:第一下導體
171:第二下導體
18:第七導電通孔
181:第八導電通孔
19:訊號導線
20:絕緣間隙
21:第一接地層
22:第二接地層
23:第三接地層
24:浮動導體
241:浮動導體第一部分
242:浮動導體第二部分
243:浮動導體第三部分
30:底層基板
31:第三介電層
32:第二介電層
33:第三基板層
34:第四基板層
35:第五基板層
36:抗氧化層
50:第一接地通孔
51:第九導電通孔
52:第十導電通孔
90:系統晶片
91:接腳
圖1係為本發明環形天線結構的立體圖。
圖2係為圖1所示的環形天線結構的A-A剖面圖。
圖3係為圖1所示的環形天線結構的B-B剖面圖。
圖4A係為圖1所示的環形天線結構的C-C剖面圖。
圖4B係為本發明環形天線結構的俯視圖。
圖5係為本發明環形天線結構的一設計參數示意圖。
圖6係為本發明環形天線結構的設計參數d與反射係數頻譜的對應圖。
圖7、8係為本發明環形天線結構連接一系統晶片的訊號輸出/輸入端的剖面圖。
1:環形天線結構
9:導電底層
11:訊號輸出/輸入導線
12:第一導電通孔
13:第三導電通孔
131:第二導電通孔
14:上導體
141:第一寄生導體
142:第二寄生導體
143:第三寄生導體
16:第六導電通孔
17:第一下導體
171:第二下導體
20:絕緣間隙
21:第一接地層
22:第二接地層
23:第三接地層
241:浮動導體第一部分
242:浮動導體第二部分
243:浮動導體第三部分
30:底層基板
31:第三介電層
32:第二介電層
33:第三基板層
34:第四基板層
35:第五基板層
36:抗氧化層
50:第一接地通孔
Claims (10)
- 一種環形天線結構，包含： 一第一介電層，具有一第一上表面及一第一下表面； 一訊號輸出/輸入導線，具有一第一端與一第二端，且設置於該第一介電層的第一下表面； 一第一導電體，具有一上端及一下端，且貫穿該第一介電層；其中該第一導電體的下端連接至該訊號輸出/輸入導線的第一端； 一上導體，具有一第一端及一第二端，且設置於該第一介電層的第一上表面；其中該上導體的第一端連接至該第一導電體的上端； 一第二導電體，具有一上端及一下端，且貫穿該第一介電層；其中該第二導電體的上端連接至該上導體的第二端； 一第二介電層，具有一第二上表面及一第二下表面，且設置於該第一介電層下； 一第一下導體，具有一第一端及一第二端，且設置於該第一介電層的第一下表面與該第二介電層的第二上表面二者之間；其中該第一下導體的第一端連接至該第二導電體的下端； 一第一接地通孔，具有一上端及一下端，且貫穿該第二介電層；其中該第一接地通孔的上端連接至該第一下導體的第二端； 一第二下導體，具有一第一端及一第二端，且設置於該第一介電層的第一下表面與該第二介電層的第二上表面二者之間；其中該第二下導體的第一端連接至該第一接地通孔的上端，且該第二下導體的第二端連接至該第一導電體的下端； 一第一接地層，設置於該第二介電層的第二下表面與該第二介電層的第二上表面二者之間；其中該第一接地通孔的下端連接至該第一接地層。
- 如請求項1所述之環形天線結構，其中該第一接地通孔的該上端的中心與該第一導電體的下端的中心二者間的距離為一設計參數，可經由改變該設計參數來調整該環形天線結構的頻寬、中心頻率及頻寬對中心頻率的比例。
- 如請求項1所述之環形天線結構，其中 該訊號輸出/輸入導線的另一端連接至一訊號輸出/輸入端； 該第一接地層與該第一接地通孔的下端皆為一地電位。
- 如請求項1所述之環形天線結構，進一步包含： 一浮動導體，設置於該第一介電層內，且具有一浮動導體第一部分、一浮動導體第二部分、及一浮動導體第三部分；其中該浮動導體第三部分係設置於該浮動導體的中央位置並分別與設置於該浮動導體兩端的該浮動導體第一部分與該浮動導體第二部分連接成一整個導體，該浮動導體第三部分的中心具有一孔洞，該第二導電體係被設置穿過該孔洞，使該浮動導體並未與該環形天線結構連接。
- 如請求項4所述之環形天線結構，其中該浮動導體的電位為一浮動電位。
- 如請求項1所述之環形天線結構，其中該上導體包含： 一第一寄生導體、一第二寄生導體、及一第三寄生導體，其中該第一寄生導體、該第二寄生導體、及該第三寄生導體皆為矩形平板且係設置於該上導體與該第二導電體連接處的周圍，並延著該上導體的邊緣向外突出。
- 如請求項4所述之環形天線結構，其中該上導體包含： 一第一寄生導體、一第二寄生導體、及一第三寄生導體，其中該第一寄生導體、該第二寄生導體、及該第三寄生導體皆為矩形平板且係設置於該上導體與該第二導電體連接處的周圍，並延著該上導體的邊緣向外突出； 該浮動導體第一部分與該第一寄生導體的形狀相似，並且該浮動導體第一部分係重疊設置於該第一寄生導體的正下方以形成一第一電容，該浮動導體第二部分與該第二寄生導體的形狀相似，並且該浮動導體第二部分係重疊設置於該第二寄生導體的正下方以形成一第二電容，該第三寄生導體與該浮動導體形成一第三電容。
- 如請求項1所述之環形天線結構，進一步包含： 一第二接地層，設置於該第一介電層的第一下表面與該第二介電層的第二上表面二者之間；其中該訊號輸出/輸入導線、該第一下導體、該第二下導體三者與該第二接地層之間係具有一間隙； 一第三介電層，具有一第三上表面及一第三下表面，且設置於該第二介電層下方； 一第三接地層，設置於該三介電層的第三下表面； 一訊號導線，具有一第一端及一第二端，且設置於該第三介電層的第三下表面，並與該第三接地層之間具有一間隙； 一第三導電體，具有一上端及一下端，且貫穿該第二介電層及該第三介電層；其中該訊號輸出/輸入導線的第二端連接至該第三導電體的上端，且該第三導電體的下端連接至該訊號導線的第一端。
- 如請求項3所述之環形天線結構，其中 該訊號輸出/輸入端係為一系統晶片的一訊號輸出/輸入端。
- 如請求項8所述之環形天線結構，其中 該訊號導線的第二端與一系統晶片的一訊號輸出/輸入端連接。
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ID=87803460
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| TW201830771A (zh) * | 2017-02-10 | 2018-08-16 | 智易科技股份有限公司 | 裂環型天線 |
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| CN113994345A (zh) * | 2019-04-17 | 2022-01-28 | 苹果公司 | 无线可定位标签 |
-
2022
- 2022-04-08 TW TW111113494A patent/TWI804269B/zh active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060033664A1 (en) * | 2002-11-07 | 2006-02-16 | Jordi Soler Castany | Integrated circuit package including miniature antenna |
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| CN113994345A (zh) * | 2019-04-17 | 2022-01-28 | 苹果公司 | 无线可定位标签 |
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