TWI524595B - 天線 - Google Patents

Description

天線

本案是有關於一種天線技術，特別是有關於一種多頻天線。

隨著通訊科技技術的進步，使得電子裝置及其無線應用功能愈加廣泛使用，例如3G智慧型手機與個人數位助理(PDA)等電子產品，頻繁地出現在日常周遭之中。尤其是各種天線的整合與應用，憑藉其提供快速而不受實體線路限制的無線通訊功能，從而大幅提升生活上的便利性。

然而天線在行動式通訊裝置愈趨輕薄的設計下，本身的設計空間與淨空區間愈來愈小，但要求達到的操作頻帶卻愈來愈多，同時尚需兼顧天線的效率與輻射場型，以維持良好的通訊品質。對於天線的設計來說，無疑是相當大的挑戰。

本案提供一種天線，包含：饋入端、接地端、環圈金屬部以及突出金屬部。接地端電性連接於接地面。環圈 金屬部自饋入端延伸至接地端，俾形成環圈型天線結構。突出金屬部電性連接於環圈金屬部上，且突出金屬部與接地端之距離較突出金屬部與饋入端之距離短，突出金屬部與環圈金屬部相對饋入端及接地端形成平面倒F型天線結構。

1‧‧‧天線

10‧‧‧環圈金屬部

100‧‧‧第一輻射臂

102‧‧‧第二輻射臂

104‧‧‧連接臂

12‧‧‧突出金屬部

14‧‧‧接地面

3‧‧‧天線

30‧‧‧環圈金屬部

32‧‧‧突出金屬部

4‧‧‧天線

40‧‧‧環圈金屬部

42‧‧‧突出金屬部

420‧‧‧彎折部

5‧‧‧天線

50‧‧‧環圈金屬部

500‧‧‧第一部份

502‧‧‧第二部份

52‧‧‧突出金屬部

54‧‧‧槽縫

6‧‧‧天線

60‧‧‧環圈金屬部

600‧‧‧電流零點區間

62‧‧‧突出金屬部

64‧‧‧接地面

7‧‧‧天線

70‧‧‧環圈金屬部

700‧‧‧耦合元件

72‧‧‧突出金屬部

720‧‧‧耦合元件

第1圖為本案一實施例中，一種天線之俯視圖；第2圖為本案一實施例中，第1圖的天線的返回損失與頻率之關係圖；第3圖為本案第二實施例中，天線之俯視圖；第4圖為本案第三實施例中，天線之俯視圖；第5圖為本案第四實施例中，天線之俯視圖；第6圖為本案第五實施例中，天線之俯視圖；以及第7圖為本案第六實施例中，天線之俯視圖。

請參照第1圖。第1圖為本案第一實施例中，一種天線1之俯視圖。天線1包含：饋入端A、接地端B、環圈金屬部10以及突出金屬部12。

饋入端A用以饋入一訊號，接地端B則電性連接於一個接地面14。環圈金屬部10自饋入端A延伸至接地端B以形成一環圈型的天線結構。換句話說，環圈金屬部 10的兩個端點即為饋入端A及接地端B。於第1圖所繪示的實施例中，環圈金屬部10為L型環圈結構，並包含第一輻射臂100、第二輻射臂102以及連接臂104。其中，第一輻射臂100電性連接於饋入端A，第二輻射臂102電性連接於接地端B，連接臂104電性連接第一輻射臂100以及第二輻射臂102。上述環圈金屬部10的第一輻射臂100、第二輻射臂102以及連接臂104，於實作中係可分別形成後再進行電性連接，亦可為一體成形，本案不以此為限。

突出金屬部12電性連接於環圈金屬部10。於不同實施例中，突出金屬部12可與環圈金屬部10一體成形，亦或各自獨立形成後相互電性連接。其中，突出金屬部12與接地端B間的距離，較突出金屬部12與饋入端A間的距離為短。於本實施例中，突出金屬部12為矩形，並形成於環圈金屬部10中的第二輻射臂102上。因此，突出金屬部12與環圈金屬部10相對饋入端A及接地端B可形成一平面倒F型天線結構(Planar Inverted F Antenna；PIFA)。

因此，天線1將同時包含兩個天線結構。其中之一為由環圈金屬部10形成的環圈型天線結構，另一則為環圈金屬部10以及突出金屬部12形成的平面倒F型天線結構。

請參照第2圖。第2圖為本案一實施例中，第1圖的天線1的返回損失(return loss)與頻率之關係圖。其中，橫軸為頻率，單位為GHz，縱軸則為返回損失，單位於dB。

如第1圖和第2圖所示，主要由環圈金屬部10形成的環圈型天線結構，將產生一個低頻共振模態以及至少 一個倍頻共振模態，以提供如第2圖所示的第一共振頻率F1以及第二共振頻率F2。於本實施例中，第二共振頻率F2為第一共振頻率F1之倍頻。而由環圈金屬部10以及突出金屬部12共同形成的平面倒F型天線結構，將產生另一個高頻共振模態，提供第三共振頻率F3。

第一共振頻率F1及其附近的頻率範圍係做為低頻的第一操作頻帶，而第二共振頻率F2、第三共振頻率F3及其附近的頻率範圍係做為高頻的第二操作頻帶。其中，第二共振頻率F2及第三共振頻率F3可決定第二操作頻帶的頻寬大小。於一實施例中，以應用在無線區域網路(Wireless Local Area Network；WLAN)的天線1為例，其第一操作頻帶可為2400~2480MHz，第二操作頻帶可為4800~5800MHz。因此，藉由天線1的設計方式，將可在高頻形成一個頻寬達1GHz的操作頻帶。需注意的是，上述之數據僅為一範例。於其他實施例中，天線1的共振頻率與頻帶範圍大小，可依其尺寸設計以及實際應用而定，不為上述的數據所限。

於一實施例中，環圈金屬部10之長度係指由饋入端A延伸至接地端B的長度，且此長度與前述之第一共振頻率F1及第二共振頻率F2相關。於另一實施例中，突出金屬部12至接地端B之長度係指如第1圖所示，由突出金屬部12之終端到接地端B的長度L1，且此長度與第三共振頻率F3相關。

於一實施例中，環圈金屬部10之長度為第一操作 頻帶之二分之一波長(λ/2)，突出金屬部12至接地端B之長度則為第二操作頻帶之四分之一波長(λ/4)至二分之一波長(λ/2)間。因此，天線1的低頻共振模態係由環圈金屬部10提供，而高頻共振模態則由環圈金屬部10之倍頻(第一操作頻帶之一倍波長或二分之三波長)及突出金屬部12提供。

如前所述，環圈金屬部10或突出金屬部12的共振頻率，與其長度的設計相關。舉例來說，當長度設計的愈長，可達到使共振頻率降頻之功效。並且，天線1的阻抗匹配，亦可藉由環圈金屬部10或突出金屬部12的面積大小設計進行調整。

因此，於不同的實施例中，前述的共振頻率、操作頻帶的頻寬以及整體天線1阻抗匹配以及尺寸大小，可藉由調整環圈金屬部10及突出金屬部12的形狀、長度、面積或設置輔助的元件，達到更彈性的設計。

請參照第3圖。第3圖為本案第二實施例中，天線3之俯視圖。類似第1圖的實施例，第3圖的天線3包含：饋入端A、接地端B、環圈金屬部30以及突出金屬部32。以下將針對第3圖與第1圖間具差異之元件進行說明，而不再對相同的元件贅述。

於本實施例中，突出金屬部32為梯形，且此梯形之下底係與環圈金屬部30相電性連接。突出金屬部32至接地端B的長度，亦即由梯形之上底至接地端B的長度會影響共振的頻率。此外，與第1圖相較下，天線1的阻抗 匹配，可藉由此梯形的面積大小進行更彈性的調整。

請參照第4圖。第4圖為本案第三實施例中，天線4之俯視圖。類似第1圖的實施例，第4圖的天線4包含：饋入端A、接地端B、環圈金屬部40以及突出金屬部42。以下將針對第4圖與第1圖間具差異之元件進行說明，而不再對相同的元件贅述。

於本實施例中，突出金屬部42包含一彎折部420。突出金屬部42可藉由形成彎折部420延長其至接地端B的總長度及總面積，進而達到調整共振頻率與阻抗匹配的功效。舉例來說，以矩形設置的突出金屬部42通常會佔據較大的橫向空間。因此原本橫向伸展的部份可藉由彎折部420的設置而反向伸展，在較小的橫向空間中維持相同的總長度與總面積。於不同實施例中，突出金屬部42可增加彎折部的數目，以進一步縮減其所佔的橫向空間，並仍可達到符合的共振頻率與頻寬需求。

請參照第5圖。第5圖為本案第四實施例中，天線5之俯視圖。類似第1圖的實施例，第5圖的天線5包含：饋入端A、接地端B、環圈金屬部50以及突出金屬部52。以下將針對第5圖與第1圖間具差異之元件進行說明，而不再對相同的元件贅述。

於本實施例中，突出金屬部52與環圈金屬部50電性相連處更形成有槽縫54。此槽縫54係將環圈金屬部50分隔為相獨立之第一部份500以及第二部份502，第一部份500以及第二部份502實際上透過突出金屬部52相電性連 接。在此設計下，環圈金屬部50的長度實際上將等於第一部份500、第二部份502以及繞經突出金屬部52的總長度。因此，藉由繞經突出金屬部52得到額外增加的長度，環圈金屬部50在第一部份500或第二部份502的長度設計上將有更彈性的選擇，以符合共振頻率與頻寬需求。

請參照第6圖。第6圖為本案第五實施例中，天線6之俯視圖。類似第1圖的實施例，第6圖的天線6包含：饋入端A、接地端B、環圈金屬部60以及突出金屬部62。以下將針對第6圖與第1圖間具差異之元件進行說明，而不再對相同的元件贅述。

於本實施例中，環圈金屬部60更包含電流零點區間(Current Null Region)600。電流零點區間600是環圈金屬部60中，電流大小最小的位置。於一實施例中，電流零點區間600係位於環圈金屬部60約一半長度的位置。電流零點區間600的面積大小可用以決定環圈金屬部60所形成的環圈型天線結構之共振頻率。舉例來說，當電流零點區間600的面積設計的愈大，可使共振頻率往低頻偏移，且此面積大小亦可同時輔助調整天線1的阻抗匹配。

於另一實施例中，電流零點區間600與接地面64之間距L2可決定電流零點區間600與接地面64形成的耦合電容之大小，藉此調整環圈金屬部60的共振頻率。舉例來說，當電流零點區間600與接地面64之間距L2設計的愈小，電流零點區間600與接地面64形成的耦合電容越大，故可降低共振頻率。而此間距L2的大小亦可同時輔助 調整天線1的阻抗匹配。

請參照第7圖。第7圖為本案第六實施例中，天線7之俯視圖。類似第1圖的實施例，第7圖的天線7包含：饋入端A、接地端B、環圈金屬部70以及突出金屬部72。以下將針對第7圖與第1圖間具差異之元件進行說明，而不再對相同的元件贅述。

於本實施例中，環圈金屬部70及突出金屬部72分別包含耦合元件700及720。耦合元件700及720亦可提供調整共振頻率以及阻抗匹配的功效。於一實施例中，耦合元件700及720為晶片電感或晶片電容。舉例來說，耦合元件700及720之設置，可達到使共振頻率降頻之功效。於不同實施例中，耦合元件亦可選擇性地僅設置於環圈金屬部70上或僅設置於突出金屬部72。

於不同的實施例中，天線1可採用上述不同設計方式的組合，例如可同時形成如第5圖的槽縫與設置如第7圖的耦合元件，或是同時設置如第4圖所示的彎折部與增加如第6圖所示的電流零點區間的面積。因此在天線1的共振頻率、操作頻帶的頻寬、阻抗匹配以及尺寸大小，本案的天線1具有更為彈性的設計。

需注意的是，於上述實施例中，環圈金屬部10係以L型為例進行說明。於其他實施例中，亦可以矩形、圓形或其他不同的形狀實現，而不為上述實施例所限。類似地，突出金屬部72除上述實施例中所述的形狀外，亦可以例如L型、U型或T型或其他可能的形狀實現，而不為上 述實施例所限。

在僅具備環圈型天線結構的情形下，由於其電感性較強的特性，阻抗匹配不易，難以達成寬頻的操作。因此，藉由本案的天線中之突出金屬部，不但可以改善原先環圈天線的倍頻模態的阻抗匹配，同時可以激發平面倒F型天線的1/4波長共振模態，使天線兼具環圈型天線結構與平面倒F型天線結構優點的混合型設計。其中，操作於低頻的天線結構是由對環境較不敏感的環圈型天線結構形成，其可抵抗周圍環境的金屬元件耦合，故可將所需的天線淨空區可縮小。高頻的操作頻帶則由環圈型天線結構的倍頻共振模態與平面倒F型天線結構的共振模態共同提供，以達到寬頻的操作。因此，本案的天線可以符合無線區域網路系統雙頻與寬頻的操作頻帶的需求。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧天線

10‧‧‧環圈金屬部

100‧‧‧第一輻射臂

102‧‧‧第二輻射臂

104‧‧‧連接臂

12‧‧‧突出金屬部

14‧‧‧接地面

Claims (14)

1. 一種天線，包含：一饋入端；一接地端，其中該接地端電性連接於一接地面；一環圈金屬部，自該饋入端延伸至該接地端，以形成一環圈型天線結構；以及一突出金屬部，電性連接於該環圈金屬部上，且該突出金屬部與該接地端之距離較該突出金屬部與該饋入端之距離短，其中該突出金屬部與該環圈金屬部電性相連處更形成有一槽縫，該槽縫係將該環圈金屬部分隔為相獨立之一第一部份以及一第二部份，該第一部份以及該第二部份透過該突出金屬部相電性連接。
2. 如請求項1所述之天線，其中該環圈金屬部為一L型環圈結構，包含：一第一輻射臂，電性連接於該饋入端；一第二輻射臂，電性連接於該接地端，其中該突出金屬部形成於該第二輻射臂上；以及一連接臂，電性連接該第一輻射臂以及該第二輻射臂。
3. 如請求項1所述之天線，其中該突出金屬部為一矩形或一梯形。
4. 如請求項1所述之天線，其中該突出金屬部包含至少 一彎折部。
5. 如請求項1所述之天線，其中該環圈金屬部更包含一電流零點區間(Current Null Region)，該電流零點區間之一面積決定該環圈型天線結構之一共振頻率以及一阻抗匹配。
6. 如請求項1所述之天線，其中該環圈金屬部更包含一電流零點區間，該電流零點區間與該接地面之一間距決定該環圈型天線結構之一共振頻率以及一阻抗匹配。
7. 如請求項1所述之天線，其中該環圈金屬部更包含一耦合元件。
8. 如請求項7所述之天線，其中該耦合元件為一晶片電感或一晶片電容。
9. 如請求項1所述之天線，其中該突出金屬部更包含一耦合元件。
10. 如請求項9所述之天線，其中該耦合元件為一晶片電感或一晶片電容。
11. 如請求項1所述之天線，其中該環圈金屬部提供一第一操作頻帶，該環圈金屬部之倍頻共振模態以及該突出金屬部提供一第二操作頻帶，其中該第二操作頻帶高於該第一 操作頻帶。
12. 如請求項11所述之天線，其中該環圈金屬部之長度為該第一操作頻帶之二分之一波長。
13. 如請求項12所述之天線，其中該突出金屬部至該接地端之長度為該第二操作頻帶之四分之一波長至二分之一波長間。
14. 如請求項1所述之天線，其中該突出金屬部與該環圈金屬相對該饋入端及該接地端形成一平面倒F形天線。