TWM513468U - 多頻帶單平面天線結構及應用該天線結構的行動裝置 - Google Patents

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Description

多頻帶單平面天線結構及應用該天線結構的行動裝置
本創作涉及行動裝置關於無線訊號的收發技術，特別是指一種小型化的印刷式無線區域網路(Wireless Local Area Network，縮寫WLAN)的單平面天線結構。
隨著通訊技術的快速發展，許多無線通訊系統結合網際網路應用在行動裝置，譬如個人數位助理(Personal Digital Assistant，縮寫PDA)、智慧型通訊器與筆記型電腦(NoteBook Computer或Laptop Computer)等。
無線區域網路以無線電波作為傳遞媒介，卻面臨空中訊號相互干擾的問題。為了解決此問題，廣泛採用多輸入多輸出(Multi-Input Multi-Output，縮寫MIMO)技術來提高天線的通訊品質，才能符合行動裝置逐漸朝向小型化、功能強及多頻帶發展的趨勢。
為了實現小型化、低成本及製作容易的特性，已知的行動裝置曾經提到下列WLAN天線的設計：
第一、用蜿蜒或彎折的形狀設計出F型的天線，是最常見的小型化設計方法。
第二、某些行動裝置則提出L型的天線，達到小型化目的；其與第一項方法製作的天線整體尺寸，往往介於35×12× 5mm3 到35×3×0.4mm3 之間，卻有天線結構難以製作、成本過高等缺點。
第三、某些行動裝置提到印刷式單平面的方法，利用非對稱偶極天線設計，搭配蜿蜒的結構，縮小整體尺寸至31×7×0.8mm3 。
第四、還有一些行動裝置，則是用雙彎折的結構加上F型印刷式結構來縮小天線整體尺寸至23×6×0.4mm3 。
第五、有些行動裝置的天線，用蜿蜒的輻射元件配合調整殘枝，除了有效的激發諧振模態以外，其整體尺寸縮減至10×6×0.4mm3 。
第六、某些天線是採用單平面(Planar Inverted-F Antenna，縮寫PIFA)設計，藉由T型輻射元件及一接地面延伸的環型輻射元件取得小型化結構，以致天線的平面尺寸縮小至9×7mm2 。
第七、還有一些小型化設計，是用L=5.6nH電感晶片的植入方式，縮減所需頻帶的輻射元件的蜿蜒結構總長度，使天線尺寸可縮減為9×6×0.4mm3 。
因此，如何縮小WLAN天線的尺寸，涵蓋無線區域網路的多個頻段(2.4/5.2/5.8GHz)，甚至於挑戰多支天線整合在行動裝置有限空間的技術，就成為本創作亟待解決的課題。
鑑於此，本創作主要目的在於：採用單平面的印刷構造，製作出目前已知同類型結構中體積最小的天線，涵蓋無線區域網路(WLAN)的多個頻帶，兼具小型化、低成本及製作容 易等功能。
緣於上述目的之達成，本創作的天線結構，係在一板材設一大致呈單平面的印刷電路，該印刷電路包括可產生高、低二頻諧振模態的一開路環形結構與一鉤型輻射元件，透過一同軸線讓開路環形結構與一系統接地面相連。
其中，該開路環形結構有一饋入點、一末端與一梳型結構，該饋入點是開路環形結構與同軸線相連處，該梳型結構介於饋入點與末端之間，可延長低頻模態的電流路徑。另外，該開路環形結構還有：一開路段，其位於饋入點上方，該開路段與調諧頻道的鄰接處視為末端；一調諧頻道，其超出開路段形成一高度。
該梳型結構的齒數量，大約是3~9根。每根齒的長度為1.4±0.4mm，寬度為0.5±0.05mm。除此之外，齒與齒之間或是齒與開路環形結構之間大都保持一為0.3±0.05mm的距離。
該鉤型輻射元件位於饋入點與梳型結構之間，並有一與末端保持非對稱關係的開路末端。該鉤型輻射元件還有一彎折段，彎折段底部到開路末端存在一高度落差。所述的高度落差是1~4mm。
如此，本創作的天線結構藉由開路環形結構與鉤型幅射元件，產生涵蓋WLAN 2.4/5.2/5.8GHz等操作頻帶的諧振模態，而且減少系統接地面的尺寸，使天線結構的體積最小化，深具比傳統式天線更容易設置在空間狹窄的行動裝置內部的優點。
本創作的天線結構應用在某些行動裝置。該行動裝置有一金屬殼，在金屬殼設有多個孔，每個孔對應行動裝置所安 裝的天線結構，藉由一非金屬材料製作的蓋子封閉相應的孔。
所述的行動裝置是筆記電腦。所述的蓋子外表可以標示一些Mark或Logo。
接著，基於圖式詳述相關的實施例，說明採用之技術、手段及功效，相信本創作上述目的、構造及特徵，當可由之得一深刻而具體的瞭解。
10‧‧‧金屬殼
11‧‧‧孔
13‧‧‧系統接地面
15‧‧‧筆記電腦
17‧‧‧板材
19‧‧‧蓋子
20‧‧‧天線結構
21、34‧‧‧距離
22‧‧‧同軸線
24‧‧‧開路環形結構
26‧‧‧開路段
28‧‧‧調諧頻道
30‧‧‧梳型結構
32‧‧‧齒
40‧‧‧鉤型輻射元件
42‧‧‧根部
44‧‧‧彎折段
A‧‧‧饋入點
B‧‧‧開路末端
C‧‧‧末端
h1 ‧‧‧高度
h2 ‧‧‧高度落差
L‧‧‧長度
W‧‧‧寬度
第1、2圖是天線結構應用在行動裝置的示意圖。
第3圖是天線結構一較佳實施例的平面圖，表示其與系統接地面的關係。
第4圖是第3圖的局部放大圖。
第5圖是天線結構的模擬與量測反射損失比較圖。
第6、7圖是天線結構在高、低二頻的電流分佈圖。
第8圖是梳型結構與調諧頻道的分析圖。
第9圖是開路末端有關高度落差的分析圖。
第10~12圖是天線結構有關f1的正規化場型圖。
第13~15圖是天線結構有關f2的正規化場型圖。
第16圖是天線結構的最大增益與效率圖。
第17圖是天線結構連接不同的系統接地面的反射損失圖。
附件1~3是本實施例的天線結構電性連接不同尺寸的系統接地面的表面電流分佈影像的參考資料。
請參閱第1、2圖，闡明天線結構20應用於行動裝置 上。在本實施例，該行動裝置是筆記電腦15。一金屬殼10固定在筆記電腦15背面，在金屬殼10設有多個孔11，每個孔11被一蓋子19封閉。所述的蓋子19是非金屬材料製作而成，其外表可以標示一些圖案(Mark)或標誌(Logo)，不僅保護筆記電腦15所安裝的天線結構20，而且不會干擾電波的接收與發射。
另外，該筆記電腦15有一系統接地面(Device Ground Plane)。如第3圖所示，該系統接地面13擁有約150×200mm2 的面積。某些實施例，該系統接地面13厚度約9.7吋(Inch)。
所述的天線結構20有同軸線(Coaxial Line)22。該同軸線22是50Ω的導電線材，其藕合於系統接地面13的左上角。某些實施例，該同軸線22被稱為同軸電纜(Coaxial Cable)。
該天線結構20有一板材17，在板材17單面有一印刷電路。其中，所述的板材17是玻璃纖維板，其厚度大約是0.8mm，耐燃材料等級為FR-4，相對介電係數為4.4，損耗正切是0.02。
如第4圖所示，所述的印刷電路依設計架構分為二部分：一為開路(Open Loop)環形結構24，一為鉤型(Hook Shaped)輻射元件40。
所述的開路環形結構24亦稱斷路環形結構，其大致呈矩形設計，尺寸約為L(7.7±0.2)×W(5.4±0.2)mm2 ，相當於整個天線結構的輻射面積，適合放在手持裝置或筆記電腦等行動裝置中。界定開路環形結構24的右下角為一饋入點A，該饋入點A為開路環形結構24與同軸線22電性相連的概略位置。換個角度來看，該開路環形結構24(或是天線結構整體)位於系統接地面13的左上角，二者相隔一約1±0.2mm的距離21。
該開路環形結構24在饋入點A上方的段落視為一開路段26，開路段26有一微凸的調諧頻道(Tuning Stub)28，該調諧頻道28超出開路段26邊緣而形成一高度h1。界定開路段26鄰接調諧頻道28處為一末端C。
在本實施例，所述的高度h1約0.00001~7mm2 ，所述的寬度約0.7±0.05mm2 。因此，整個調諧頻道28的面積大約是(0.00001~7)×(0.7±0.05)mm2 。
在本實施例，所述的開路環形結構24左邊是一梳型(Comb Shaped)結構30，該梳型結構30有六齒32。某些實施例，該梳型結構30關於齒32的數量，大約是3~9根。具體而言，每根齒32約為L(1.4±0.4)×W(0.5±0.05)mm2 ，而且齒32與齒32之間、齒32與開路環形結構24邊緣之間大都保持一約為0.3±0.05mm的距離34。
所述的鉤型輻射元件40位於開路段26與梳型結構30之間。具體而言，該鉤型輻射元件40根部42與開路環形結構24設計成為一體，其位置為饋入點A左方，二者相隔的距離約2.4mm。所述的鉤型輻射元件40依0.6±0.05mm寬度蜿蜒伸出9.9±0.2mm的總長度，並將自由端界定為一開路末端B。該開路末端B至鉤型輻射元件40的彎折段44底部存在一高度落差h2，並與調諧頻道28保持非對稱關係。在本實施例，所述的高度落差h2約1~4mm。
透過鉤型輻射元件40的延伸設計，配合開路環形結構24可以讓天線結構產生二諧振模態，分別是低頻模態(f 1 ，2.44GHz)及高頻模態(f 2 ，5.62GHz)。其中，低頻模態(f 1 )的電流路徑，可被開路環形結構24的梳型結構30延長。
接著看到第5圖，虛線代表模擬態樣(Simulated)、實線表示量測結果(Measured)等損失程度。其中，f 1 的量測結果顯示10-dB操作頻寬為155MHz(2.353GHz-2.508GHz)，頻寬百分比為6.4%，比對模擬結果的操作頻寬為97MHz(2.388-2.485GHz)，頻寬百分比為3.98%。因此，f 1 的模擬與量測的頻率非常接近，分別是2.44GHz以及2.455GHz。
f 2 的量測結果顯示10-dB操作頻寬為1098MHz(4.899-5.997GHz)，頻寬百分比為19.5%，比對模擬結果的操作頻寬為918MHz(5.037-5.955GHz)，頻寬百分比為16.3%。
雖然，f 2 的模擬與量測的頻率有些微差異，分別是5.62GHz以及5.55GHz。但是，本實施例的f 1 與f 2 模擬與量測結果，確實有良好的一致性，可以滿足WLAN對2.4/5.2/5.8GHz操作頻帶的需求。
在第6、7圖中，以虛線模擬天線結構的電流路徑，清楚地解釋二共振模態。首先，f 1 (2.44GHz)的電流路徑是從開路末端B經過彎折段44而在鉤型輻射元件40的根部42迴轉，途經梳型結構30與開路環形結構24的開路段26的末端C而到調諧頻道28，電流路徑的長度大約是0.43 λg (31.9±0.2mm)。其次，f 2 (5.62GHz)的電流路徑則從同軸線22的饋入點A到鉤型輻射元件的根部42迴轉，途經彎折段44來到開路末端B，電流路徑的長度大約是0.38 λg (12.5±0.2mm)。
從圖中不難理解，影響f 1 的電流路徑的因素有二：一為調諧頻道28的高度h1 改變，一為梳型結構30的設計。同時，該鉤型輻射元件40的高度落差h2 ，也會影響到f 1 與f 2 的電流路徑。
接下來，以第8圖分析f 1 與f 2 有關電流路徑的影響。圖中，虛線代表調諧頻道的高度調整，即使增加到1.2mm或趨近於極限，頂多將f 1 往低頻偏移至2.665GHz，卻無法到達2.44GHz。
因為f 1 的電流路徑是經由開路環形結構的末端，所以調諧頻道的高度從0.00001mm到0.7mm，只能使f 1 稍微往低頻(從2.47GHz至2.335GHz)移動，卻不影響f 2 的頻率。當調諧頻道的高度大致等於2.5mm，f 1 符合WLAN低頻的需求且落在2.4GHz頻帶。
其次，實線代表梳型結構的齒長所取得的頻率。在本實施例，齒的長度是1.4mm，f 1 到達2.44GHz。倘若，齒長調整為1.1或1.7mm，會讓f 1 往高頻2.455GHz或低頻2.41GHz移動。值得注意的是，沒有梳型結構，f 1 往高頻(如2.815GHz)方向偏移的可能性相當高。
至於鉤型輻射元件的開路末端的高度落差對f 1 與f 2 的影響，則由第9圖獲得充分的瞭解。其中，中心線代表鉤型輻射元件的高度落差為3.5mm，實線表示高度落差為2.5mm，虛線表示高度落差為1.5mm。
從圖中不難理解，開路末端的高度落差從3.5mm往1.5mm縮減時，f 1 與f 2 皆往高頻移動。其中，f 1 從2.365GHz略微往2.5GHz移動，f 2 則由5.41GHz往5.875GHz移動，明確f 1 與f 2 的電流路徑均為鉤型輻射元件所產生，故調整鉤型輻射元件的開路末端的高度落差，對f 1 與f 2 產生一定的影響。因為觀察到f 1 與f 2 相互匹配的較佳效果，是指高度落差在約2.5mm時，而且涵蓋WLAN的頻帶，所以此參數為較佳的選項之一。
綜合上開分析，得到下列的結論：首先，在不影響f 2 的條件下，有兩種方式可以對f 1 進行調整：一為調諧頻道的高度增減，一為樞型結構的齒的長度(包括齒的寬度與二齒相隔的距離)。
其次，改變鉤型輻射元件的開路末端的高度落差，可以調整f 2 的頻率。然而，鉤型輻射元件的高度落差，同樣會影響到f 1 。
在第10~12圖中，頻率為2.44GHz(f 1 )的x -z 平面(plane)與y -z 平面的E θ 皆呈現良好的雙向輻射特性，而x -z 平面之E Φ 於-x 方向以及y -z 平面之E Φ 於-y 方向都呈現較大的輻射強度。此現象可從第6、7圖的電流分佈獲得解釋，梳型結構30在f 1 有大量的電流，使得梳型結構30(-x 方向)呈現較大的輻射場型。
接著看到第13~15圖，頻率為5.62GHz(f 2 )的場型與f 1 相似，這是因為f 1 與f 2 的電流路徑皆需要經過鉤型輻射元件，如第6、7圖所示。
因此，所述的天線結構具備梳型結構，無論是f 1 或f 2 的正規化場型的模擬與量測結果，均呈現良好的一致性。
如第16圖所示，闡明本實施例關於天線結構的最大增益及輻射效率。由圖可知，在WLAN低頻的2.4GHz頻帶(2.4-2.484GHz)最大模擬增益介於3.12~4.17dBi，輻射效率介於50.45~64.07%之間。同時，WLAN低頻的最大量測增益變化介於3.34~3.81dBi，輻射效率介於52.16~60.69%之間。
其次，WLAN高頻的5.2GHz頻帶(5.15-5.35GHz)的最大模擬增益介於5.7~5.88dBi，輻射效率介於92.82~96.87% 之間。而且，WLAN高頻的最大量測增益介於5.19~5.62dBi，輻射效率介於82.7~86.75%。
另外，高頻的5.8GHz頻帶(5.725-5.85GHz)的最大模擬增益介於5.55~6.02dBi，輻射效率介於91.11~96.66%。高頻的5.8GHz頻帶最大量測增益介於5.2~5.38dBi，輻射效率介於81.8~86.93%。
從上述結果得知，模擬與量測的增益與效率(涵蓋WLAN的操作頻帶)亦具良好的一致性。
在第17圖中，所述的天線結構電性連接行動裝置三種常見且不同尺寸的系統接地面，分別是7 inch(140×105mm2 )、9.7 inch(200×150mm2 )與12.9 inch(260×200mm2 )。從圖中得知，不管系統接地面的尺寸是大或小，都不會對f 1 與f 2 的反射損失(阻抗匹配)造成顯著的影響，仍可操作於WLAN頻帶。
因此，所述的天線結構的最大優勢之一，就是系統接地面的最小極限可以達到30×20mm2 ，符合行動裝置有關輕、薄、短、小的研發趨勢。
接著，從天線結構的表面電流分佈，瞭解系統接地面的改變，不會影響到f 1 與f 2 (請參考附件1~3)。在三種不同尺寸的系統接地面，f 1 與f 2 會有些微的電流集中於天線結構下方的系統接地面。這項結果顯示，本實施例的天線結構確實可以減少電流分佈且擴散於系統接地面。因此，天線結構放置於不同尺寸的系統接地面上，也不會影響諧振模態之頻率及阻抗匹配。
由此可知，本實施例的天線結構具備系統接地面的電流減少的效應。這項設計的優點，是系統接地面幾乎不會造成 輻射效應，也可以降低系統接地面輻射所帶來的電磁波干擾。尤其是，天線結構附近的射頻電路或通訊元件，可免於此項干擾所產生的破壞。
換句話說，本實施例是小型化多頻道單平面的天線結構，藉由開路環形結構以及鉤型輻射元件產生多個諧振模態，取代行動裝置的傳統式WLAN天線。
特別是，在目前已知的同類型天線中，本實施例的天線結構擁有最小的體積〔(7.7±0.2)×(5.4±0.2)×0.8mm3 〕，非常適合安裝於行動裝置的有限空間裡面。
另外，在第5、8~17圖的表格中，橫向刻度是頻率(Frequency)，縱向刻度是反射損失(Return Loss)。
20‧‧‧天線結構
21、34‧‧‧距離
22‧‧‧同軸線
24‧‧‧開路環形結構
26‧‧‧開路段
28‧‧‧調諧頻道
30‧‧‧梳型結構
32‧‧‧齒
40‧‧‧鉤型輻射元件
42‧‧‧根部
44‧‧‧彎折段
A‧‧‧饋入點
B‧‧‧開路末端
C‧‧‧末端
h1 ‧‧‧高度
h2 ‧‧‧高度落差
L‧‧‧長度
W‧‧‧寬度

Claims (9)

  1. 一種多頻帶單平面天線結構，係在一板材(17)設一大致呈單平面的印刷電路，該印刷電路包括可產生高、低二頻(f 1 與f 2 )諧振模態的一開路環形結構(24)與一鉤型輻射元件(40)，透過一同軸線(22)讓開路環形結構(24)與一系統接地面(13)相連；其中，該開路環形結構(24)大致呈矩形，尺寸約為長(7.7±0.2)×寬(5.4±0.2)mm2 ，該開路環形結構(24)包括：一饋入點(A)，該饋入點(A)是開路環形結構(24)與同軸線(22)相連處；一開路段(26)，其位於饋入點(A)上方；一調諧頻道(28)，其與開路段(26)鄰接處視為一末端(C)，該調諧頻道(28)超出開路段(26)形成一高度(h1)；一梳型結構(30)，其有3~9根齒(32)，該梳型結構(30)介於饋入點(A)與末端(C)之間，可延長低頻(f1)模態的電流路徑；所述的鉤型輻射元件(40)位於饋入點(A)與梳型結構(30)之間，並有一與末端(C)保持非對稱關係的開路末端(B)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的多頻帶單平面天線結構，其中，每根齒(32)的長度為1.4±0.4mm，寬度為0.5±0.05mm。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的多頻帶單平面天線結構，其中，該梳型結構(30)的齒(32)與齒(32)間，齒(32)與開路環形結構(24)間大都保持一距離(34)，所述的距離(34) 為0.3±0.05mm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的多頻帶單平面天線結構，其中，該鉤型輻射元件(40)還有一彎折段(44)，彎折段(44)底部到開路末端(B)存在一高度落差(h2 )。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的多頻帶單平面天線結構，其中，所述的高度落差(h2 )是1~4mm。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的多頻帶單平面天線結構，其中，該所述的板材(17)是厚度大約是0.8mm的玻璃纖維板，玻璃纖維板的耐燃材料等級為FR-4，相對介電係數為4.4，損耗正切是0.02。
  7. 一種應用申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述的多頻帶單平面天線結構的行動裝置，該行動裝置有一金屬殼(10)，在金屬殼(10)設有多個孔(11)，每個孔(11)對應行動裝置所安裝的天線結構(20)，藉由一非金屬材料製作的蓋子(19)封閉相應的孔(11)。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的行動裝置，其中，所述的行動裝置是筆記電腦(15)。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的行動裝置，其中，所述的蓋子(19)外表可以標示一些圖案(Mark)或標誌(Logo)。
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