TW201616807A - 阻抗匹配電路 - Google Patents

Abstract

一種阻抗匹配電路，阻抗匹配電路耦接至天線。阻抗匹配電路包括標準阻抗調整電路以及被動元件。標準阻抗調整電路調整天線與信號饋入埠間的阻抗等於標準阻抗值。被動元件用以提供非零的電抗。其中，被動元件透過所提供的電抗使天線及阻抗匹配電路的反射係數曲線產生至少一次的交叉。

Description

阻抗匹配電路

本發明是有關於一種阻抗匹配電路，且特別是有關於一種增加頻寬的天線阻抗匹配電路。

隨著電子科技的演進，具有通信能力的電子產品成為現代人們日常生活必備的工具。為提供便捷且快速的無線通信能力，在電子裝置上設置一個優良的天線裝置成為一個重要的課題。

在關於天線裝置的效能上，天線裝置的效能可以透過天線幅射出的能量與饋入信號的能量的比值來計算。而影響天線裝置的效能的因素，可能包括天線阻抗匹配、配置天線的空間、天線的材質、天線裝置機構的機構設計以及天線周邊環境造成輻射能量損耗等多個因素。

在一般的定義下，天線頻寬是觀察天線反射係數，依據-10dB作為設計的基準。在這樣的條件下，約有90%的能量可以順利傳送到天線的本體來進行輻射。而天線裝置的阻抗，可以50歐姆為標準阻抗來進行設計。在此請參照圖10，由圖10所繪示的習知的天線的頻率響應圖可以得知，利用習知技術常使用的阻抗匹 配電路，並以50歐姆為標準阻抗來配合平面倒F型天線(PIFA)進行設計，其頻寬約為120百萬赫茲(MHz)。

在當天線裝置的阻抗越接近標準阻抗時，表示系統具有更佳的阻抗匹配，進而提升天線的輻射效率。相對的，當天線裝置的阻抗越遠離標準阻抗時，由天線所輻射的無線信號能量降低以及傳導信號的品質可能會產生變異。這個狀況針對在頻寬邊緣的頻帶進行訊號傳收的通道會更為明顯。

由上可以得知，如果可以加大天線裝置的頻寬，天線裝置的效能就可以得到改善。因此，設計一個大頻寬的天線裝置，在無線信號傳輸上，是一個重要的課題。

本發明提供多種應用於天線的阻抗匹配電路，有效增大天線的頻寬。

本發明提供一種阻抗匹配電路，阻抗匹配電路耦接至天線。阻抗匹配電路包括標準阻抗調整電路以及被動元件。標準阻抗調整電路的第一端耦接信號饋入埠，用以調整天線與信號饋入埠間的阻抗等於標準阻抗值。被動元件用以提供非零的電抗，耦接至標準阻抗調整電路的第二端以及天線。其中，被動元件透過所提供的電抗使天線的反射係數曲線產生至少一次的交叉。

在本發明的一實施例中，上述的被動元件包括至少一第一電感。第一電感的第一端耦接至標準阻抗調整電路的第二端以 及天線，第一電感的第二端耦接至參考接地端。

在本發明的一實施例中，上述的天線為雙頻天線。

在本發明的一實施例中，上述的被動元件包括至少一第一電感。第一電感的第一端耦接至標準阻抗調整電路的第二端，第一電感的第二端耦接至天線。

在本發明的一實施例中，上述的被動元件包括至少一第一電容。第一電容的第一端耦接至標準阻抗調整電路的第二端以及天線，第一電容的第二端耦接至參考接地端。

在本發明的一實施例中，上述的被動元件包括至少一第一電容。第一電容的第一端耦接至標準阻抗調整電路的第二端，第一電容的第二端耦接至天線。

本發明另提供一種阻抗匹配電路，阻抗匹配電路耦接至雙頻天線。阻抗匹配電路包括標準阻抗調整電路以及被動元件。標準阻抗調整電路的第一端耦接信號饋入埠，用以調整雙頻天線與信號饋入埠間的阻抗等於標準阻抗值。被動元件用以提供非零的電抗，耦接至標準阻抗調整電路的第二端以及雙頻天線。其中，被動元件透過所提供的電抗使雙頻天線的反射係數曲線產生至少一次的交叉。

基於上述，本發明透過在阻抗匹配電路中配置可提供非零電抗的被動元件，並透過這個被動元件的配置，來使阻抗匹配電路在史密斯圖(Smith chart)中的反射係數曲線產生至少一次的交叉。透過這樣的設置，可以有效的增大阻抗匹配電路的頻寬。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、300、400、500、600、800‧‧‧阻抗匹配電路

ANT‧‧‧天線

ANT2‧‧‧雙頻天線

110、310、410、510、610、810‧‧‧標準阻抗調整電路

120、320、420、520、620、910~940‧‧‧被動元件

820‧‧‧被動元件電路

FP‧‧‧信號饋入埠

P1~P5‧‧‧參考點

P7~P8‧‧‧區域低點

710‧‧‧頻率響應曲線

RC、RC1‧‧‧反射係數曲線

C31、C32、C41、C51、C52、C53、C61、C62、C63、C71、C72‧‧‧電容

L31、L32、L41、L42、L43、L51、L61、L71、L72、L73‧‧‧電感

GND‧‧‧參考接地端

圖1繪示本發明一實施例的天線裝置的阻抗匹配電路的示意圖。

圖2A繪示本發明圖1實施例的天線ANT與阻抗匹配電路100對應的史密斯圖。

圖2B繪示本發明圖1實施例的天線ANT與阻抗匹配電路100對應的頻率響應圖。

圖3繪示本發明另一實施例的阻抗匹配電路的示意圖。

圖4繪示本發明再一實施例的阻抗匹配電路的示意圖。

圖5繪示本發明再一實施例的阻抗匹配電路的示意圖。

圖6繪示本發明再一實施例的阻抗匹配電路的示意圖。

圖7繪示本發明一實施例的頻率響應圖。

圖8A繪示本發明再一實施例的阻抗匹配電路的示意圖。

圖8B以及圖8C分別繪示圖8A的天線裝置的史密斯圖及頻率響應圖。

圖9A-圖9D分別繪示的本發明實施例的被動元件的配置方式示意圖。

圖10繪示繪示的習知的天線的頻率響應圖。

請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例的天線裝置的阻抗匹配電路的示意圖。阻抗匹配電路100耦接至天線ANT，包括標準阻抗調整電路110以及被動元件120。標準阻抗調整電路110的第一端耦接信號饋入埠FP，標準阻抗調整電路110的第二端耦接至被動元件120。標準阻抗調整電路110可用來調整天線ANT與信號饋入埠FP間的阻抗為標準阻抗值。在本實施例中，標準阻抗值可以為50歐姆。標準阻抗調整電路110透過調整天線ANT與信號饋入埠FP間的阻抗為50歐姆來提高天線ANT的傳輸效率。

被動元件120另耦接至天線ANT。被動元件120可提供非零的電抗，並透過所提供的電抗，來使天線ANT與阻抗匹配電路100，在史密斯圖中對應的反射係數曲線會產生至少一次的交叉的情況。以下請同步參照圖1、圖2A以及圖2B，其中，圖2A繪示本發明圖1實施例的天線ANT與阻抗匹配電路100對應的史密斯圖，圖2B繪示本發明圖1實施例的天線ANT與阻抗匹配電路100對應的頻率響應圖。

在圖2A中，透過被動元件120所提供的電抗，反射係數曲線RC1的參考點P1上可產生交叉的現象。另外，標準阻抗調整電路110則將參考點P1調整至標準阻抗(例如50歐姆)對應的位置。由上述說明可以知道，參考點P1在反射係數曲線RC1上實際是由兩個點交叉疊合而成的。而在將參考點P1調整至標準阻抗的方式下，可以見得反射係數曲線RC1實際上是有兩個點被匹配 至接近標準阻抗的位置。

對應到圖2B，參考點P4及P5對應到-10dB的位置，而在圖2A中，參考點P4及P5的位置將遠離圓心，也就表示阻抗匹配電路100及天線ANT所形成的天線裝置的頻寬可以有效的被增大。另外，在圖2B中，參考點P4與P1間會形成一個區域低點(local minimum)，在參考點P2及P3間且接近參考點P3的位置則會形成另一個區域低點。

本發明實施例的天線ANT的頻寬可以有效的被擴充至約220MHz，相較於圖10繪示的習知技術的作法，本發明實施例的天線ANT的頻寬的確有效的被提升。

值得一提的，本案實施例中的被動元件120是一個可以提供非零電抗的電路元件。舉例來說，被動元件120可以是電容或是電感。而被動元件120與天線ANT以及標準阻抗調整電路110的連接方式沒有一定的限制，重點在於，在任何的連接形式下，透過被動元件120可使天線ANT與阻抗匹配電路100對應的反射係數曲線RC可以產生至少一次的交叉者，都可以應用於本發明。

以下請參照圖3，圖3繪示本發明另一實施例的阻抗匹配電路的示意圖。阻抗匹配電路300耦接至天線ANT，並包括標準阻抗調整電路310以及被動元件320。在本實施例中，被動元件320為電感L31。電感L31的一端耦接至天線ANT，其另一端則耦接至標準阻抗調整電路310。標準阻抗調整電路310除耦接至電感L31外，並耦接至信號饋入埠FP。標準阻抗調整電路310包括 電感L32以及電容C31及C32。其中，電容C31的第一端耦接至信號饋入埠FP，而電容C31的第二端耦接至參考接地端GND。電感L31的第一端耦接至電容C31的第一端及信號饋入埠FP。另外，電感L31的第二端耦接至電容C32的第一端。電容C32的第二端則耦接至參考接地端GND。

在本實施例中，透過與天線ANT及標準阻抗調整電路310串接的電感L31以作為被動元件320，並藉以使反射特性曲線產生至少一次的交叉，再透過標準阻抗調整電路310使交叉點匹配至標準阻抗值。如此一來，天線裝置的頻寬有效的被增大，並提升天線ANT的信號傳輸效率。

以下請參照圖4，圖4繪示本發明再一實施例的阻抗匹配電路的示意圖。阻抗匹配電路400耦接至天線ANT，並包括標準阻抗調整電路410以及被動元件420。在本實施例中，被動元件420為電感L41。電感L41的一端耦接至天線ANT，其另一端則耦接至參考接地端GND。標準阻抗調整電路410則耦接在電感L41及信號饋入埠FP間。標準阻抗調整電路410包括電感L42以及L43以及電容C41。其中，電感L42的第一端耦接至信號饋入埠FP，而電感L42的第二端耦接至電感L43的第一端。電感L43的第二端耦接至參考接地端GND。電容C41的第一端耦接至電感L43的第二端，另外，電容C41的第二端則天線ANT以及電感L41的第一端。

在本實施例中，透過連接在天線ANT與參考接地端GND 的電感L41以作為被動元件420，並藉以使反射特性曲線產生至少一次的交叉，再透過標準阻抗調整電路410使交叉點匹配至標準阻抗值，以提升天線裝置的頻寬及其信號傳輸效率。

以下請參照圖5，圖5繪示本發明再一實施例的阻抗匹配電路的示意圖。阻抗匹配電路500耦接至天線ANT，並包括標準阻抗調整電路510以及被動元件520。在本實施例中，被動元件520為電容C51。電容C51的第一端耦接至天線ANT，其第二端則耦接至參考接地端GND。標準阻抗調整電路510則耦接在電容C51及信號饋入埠FP間。標準阻抗調整電路510包括電感L51以及電容C52及C53。其中，電容C52的第一端耦接至信號饋入埠FP，而電容C52的第二端耦接至電容C53的第一端。電容C53的第二端耦接至參考接地端GND。電感L51的第一端耦接至電容C53的第一端，另外，電感L51的第二端耦接至天線ANT以及電容C51的第一端。

在本實施例中，透過連接在天線ANT與參考接地端GND間的電容C51以作為被動元件520，並藉以使反射特性曲線產生至少一次的交叉，再透過標準阻抗調整電路510使交叉點匹配至標準阻抗值，以提升天線裝置的頻寬及其信號傳輸效率。

以下請參照圖6，圖6繪示本發明再一實施例的阻抗匹配電路的示意圖。阻抗匹配電路600耦接至天線ANT，並包括標準阻抗調整電路610以及被動元件620。在本實施例中，被動元件620為電容C61。電容C61的第一端耦接至天線ANT，其第二端 則耦接至標準阻抗調整電路610。標準阻抗調整電路610則耦接在電容C61及信號饋入埠FP間。標準阻抗調整電路610包括電感L61以及電容C62及C63。其中，電容C62的第一端耦接至信號饋入埠FP，而電容C62的第二端耦接至參考接地端GND。電容C63的第一端耦接至信號饋入埠FP，電容C63的第二端耦接至電感L61的第一端。電感L61的第二端則耦接至參考接地端GND。

本實施例則是透過連接在天線ANT與標準阻抗調整電路610間的電容C61以作為被動元件620，並藉以使反射特性曲線產生至少一次的交叉，再透過標準阻抗調整電路610使交叉點匹配至標準阻抗值，以提升天線裝置的頻寬及其信號傳輸效率。

值得注意的是，上述圖3-圖6實施例中的天線ANT可以是任意的單頻的天線，例如為平面倒F型天線(Planar Inverted F Antenna，PIFA)、倒F形天線(IFA型式天線)、單極天線(monopole antenna)、槽孔型式天線(Open slot antenna)、晶片式天線(chip antenna)等，沒有固定的限制。

特別值得注意的是，透過上述的多個實施例中作法，利用調整其中的電容的容值以及電感的感值，可以使單頻的天線ANT產生具有雙頻的信號傳輸效應。如圖7所繪示的頻率響應圖。在圖7中，透過被動元件以及阻抗匹配電路，天線ANT的頻率響應曲線710中的兩個區域低點P7以及P8對應的頻率可有效的被拉開，如此一來，天線ANT將可具有雙頻的信號傳輸的效果。

利用上述的實施方式，本發明實施例的天線ANT可以匹 配至4G的分時長期演進(Time Division Long Term Evolution，TD-LTE)格式的頻段38及頻段40。其中，頻段38的頻帶介於2570MHz~2620MHz間，頻段38的頻帶介於2300MHz~2400MHz間。

另外，本發明實施例亦可應用於多頻的天線，請參照圖8A，圖8A繪示本發明再一實施例的阻抗匹配電路的示意圖。阻抗匹配電路800耦接至雙頻天線ANT2，並包括標準阻抗調整電路810以及被動元件電路820。其中，雙頻天線AN2可以是雙頻的天線，舉例來說，雙頻天線ANT2可以是應用於全球行動通訊系統(GlobalSystem for Mobile Communications,GSM)900以及數位蜂巢服務(Digital Cellular System,DCS)1800格式的信號傳收動作。

被動元件電路820包括電感L71以及電容C71，電感L71以及電容C71相互並連，並皆耦接在雙頻天線ANT2以及參考接地端GND間。

標準阻抗調整電路810包括電容C72、C73以及電感L72及L73。電容C72的第一端耦接至信號饋入埠FP，電容C72的第二端耦接至參考接地端GND。電感L72與電容C72並接，其中電感L72耦接在信號饋入埠FP與參考接地端GND間。電感L73的第一端耦接至信號饋入埠FP，電感L73的第二端耦接至電容C73的第一端。另外，電容C73的第二端耦接至電感L71的第一端及天線ANT2。

關於圖8A的天線裝置的史密斯圖及頻率響應圖則請分別參照圖8B以及圖8C。其中，在圖8B中，史密斯圖上的反射係數曲線RC產生兩次的交叉，並且，其中之一的交叉點被匹配至標準阻抗的位置。並且，在圖8C中，其中之一頻帶的頻寬有效的被提升。

以下請參照圖9A-圖9D分別繪示的本發明實施例的被動元件的配置方式示意圖。其中，圖9A中，被動元件910為以導線形式所所形成的單一電感，且此電感的一端連接至天線ANT，另一端則直接連接至接地端。另外，在圖9B中，被動元件920則是利用兩個以導線方式形成的電感並連而成。在另一方面，在圖9C中，被動元件930則為利用短導線段來形成等效電感，而在圖9D中，被動元件940則利用如圖9C中的短導線段外，加上並連的集總式(lump)的電感來建構。

綜上所述，本發明提供非零電抗的被動元件，並透過調整反射係數曲線產生至少一次的交叉的方式來有效提升天線裝置的頻寬。如此一來，天線的阻抗匹配效果可以提高，並降低因天線阻抗不匹配所造成的射頻主動元件的影響，並提升天線的信號傳輸效率。此外，本發明的作法只著重於反射係數曲線的調整，無關於天線的種類，在應用層面上並沒有限制。

100‧‧‧阻抗匹配電路

ANT‧‧‧天線

110‧‧‧標準阻抗調整電路

120‧‧‧被動元件

FP‧‧‧信號饋入埠

Claims (10)

1. 一種阻抗匹配電路，耦接至一天線，包括：一標準阻抗調整電路，其第一端耦接一信號饋入埠，用以調整該天線與該信號饋入埠間的阻抗為一標準阻抗值；以及一被動元件，用以提供非零的一電抗，耦接至該標準阻抗調整電路的第二端以及該天線，其中，該被動元件透過所提供的該電抗使該天線的反射係數曲線產生至少一次的交叉。
2. 如申請專利範圍第1項所述的阻抗匹配電路，其中該被動元件包括：至少一第一電感，耦接在該標準阻抗調整電路以及該天線間。
3. 如申請專利範圍第2項所述的阻抗匹配電路，其中該第一電感的第一端耦接至該標準阻抗調整電路，該第一電感的第二端耦接至一參考接地端，該標準阻抗調整電路包括：一第二電感，其第一端耦接該信號饋入埠；一第三電感，其第一端耦接至該第二電感的第二端，該第三電感的第二端耦接至該參考接地端；以及一電容，其第一端耦接至該第三電感的第一端，該電容的第二端耦接至該第一電感的第一端。
4. 如申請專利範圍第2項所述的阻抗匹配電路，其中該第一電感的第一端耦接至該標準阻抗調整電路的第二端，該第一電感的第二端耦接至該天線，該標準阻抗調整電路包括： 一第一電容，其第一端耦接該信號饋入埠，該第一電容的第二端耦接至一參考接地端；一第二電感，其第一端耦接該第一電容的第一端，該第二電感的第二端耦接至該第一電感的第一端；以及一第二電容，其第一端耦接該第二電感的第二端，該第二電容耦接至該參考接地端。
5. 如申請專利範圍第1項所述的阻抗匹配電路，其中該被動元件包括：至少一第一電容，耦接在該標準阻抗調整電路與該天線間。
6. 如申請專利範圍第5項所述的阻抗匹配電路，其中該第一電容的第一端耦接至該標準阻抗調整電路的第二端以及該天線，該第一電容的第二端耦接至一參考接地端，該標準阻抗調整電路包括：一第二電容，其第一端耦接至該信號饋入埠；一第三電容，其第一端耦接至該第二電容的第一端，該第三電容的第二端耦接至該參考接地端；以及一第一電感，其第一端耦接至該第三電容的第一端，該第一電感的第二端耦接至該第一電容的第一端。
7. 如申請專利範圍第5項所述的阻抗匹配電路，其中該第一電容的第一端耦接至該標準阻抗調整電路的第二端，該第一電容的第二端耦接至該天線，該標準阻抗調整電路包括：一第二電容，其第一端耦接至該信號饋入埠，該第二電容的 第二端耦接至一參考接地端；一第三電容，其第一端耦接至該第二電容的第一端；以及一第一電感，其第一端耦接至該第三電容的第二端，該第一電感的第二端耦接至該第一電容的第一端。
8. 一種阻抗匹配電路，耦接至一雙頻天線，包括：一標準阻抗調整電路，其第一端耦接一信號饋入埠，用以調整該雙頻天線與該信號饋入埠間的阻抗為一標準阻抗值；以及一被動元件電路，用以提供非零的一電抗，耦接至該標準阻抗調整電路的第二端以及該雙頻天線，其中，該被動元件透過所提供的該電抗使該天線的反射係數曲線產生至少一次的交叉。
9. 如申請專利範圍第8項所述的阻抗匹配電路，其中該被動元件電路包括：一第一電容，串接在該雙頻天線與一參考接地端間；以及一第一電感，串接在該雙頻天線與該參考接地端間。
10. 如申請專利範圍第9項所述的阻抗匹配電路，其中該標準阻抗調整電路包括：一第二電感，其第一端耦接至該信號饋入埠，該第二電感的第二端耦接至該參考接地端；一第三電感，其第一端耦接至該信號饋入埠；一第二電容，串接在該信號饋入埠以及該參考接地端間；以及 一第三電容，其第一端耦接至該第三電感的第二端，該第三電容的第二端耦接至該雙頻天線。