CN101060197B - 小型化的多频天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化的多频天线。在本发明的一实施方式中，本发明天线可用均匀截面的导体绕折形成连接部分、低频的第一辐射部分与高频的第二辐射部分。其中，连接部分用来接受信号馈入/馈出，第一辐射部分与第二辐射部分则分别设置于连接部分的两侧。第一辐射部分沿两平面绕折为三个主要的分段，第二辐射部分则于一平面上绕折为两分段，且第一辐射部分与第二辐射部分的终端分段互相平行，以使此两分段的辐射特性能相互耦合，从而可增进本发明多频天线的整体特性。而立体绕折的架构则可使本发明天线的体积有效缩减。

Description

小型化的多频天线

技术领域

本发明涉及一种小型化的多频天线，尤其涉及一种具有立体绕折架构并能在不同频段的辐射部分间有效利用相互耦合的特性以增进天线特性的小型化多频单极(monopole)天线。

背景技术

在现代化信息社会中，各种无线通讯网络已经成为社会大众交换语音或文字信息、数据、资料、音像档案的最重要途径之一。存取这些以无线电磁波携载信息的无线通讯网络需要利用天线，因此，天线的研发也成为现代信息厂商的重点之一。为了让使用者能更方便地整合存取多种不同的无线通讯网络，较佳的天线设计应能以单一天线涵盖不同无线通讯网络所要求的各种频段。另外，为了实现更小体积、方便使用者随身携带的无线通讯装置(如手机、个人数字助理，即PDA)，天线的体积尺寸也应该尽可能地缩减，以将天线整合入便携式通讯装置中。

在现行的技术中，现有的天线多是以平面倒F天线(PIFA，PlanarInverted-F Antenna)来作为无线通讯网络存取的天线。请参考图1，图1为现有天线的示意图。图1中的天线20即为典型的平面倒F天线。平面倒F天线通常以平面辐射部与基板平面协同激发电磁波的振荡。另外，在中国台湾发明公报公开号200419843(对应美国专利US 6930640号)中也披露了一种平面倒F天线。不过，当此种天线要作为多频天线应用时，其平面辐射部需要占用大尺寸的平面面积，而辐射平面与基板平面间的距离d0(图1)与天线的频率/频宽有关，故也不能任意调整。因此，现有的此种天线架构所占用的体积不能有效缩减，难以适应小型化与多频的要求。

发明内容

本发明目的是提供一种较佳的天线/天线架构，其可有效缩减天线体积，并可在单一天线中整合多种不同无线通讯网络所使用的各种频段，以克服现有技术的缺点，获得较佳的小型化多频天线。

可实现本发明目的的天线具有以下特征。本发明的天线可设有连接部分、低频辐射部分和高频辐射部分。连接部分设有信号馈点，用来接受信号馈入/馈出；低频辐射部分主要用来激发/辐射低频频段的无线电电磁波；高频辐射部分则主要用来激发高频频段的无线电电磁波。低频辐射部分(可视为第一辐射部分)与高频辐射部分(可视为第二辐射部分)分别设置于连接部分的相异两侧。低频辐射部分可以在多个转折处转折为多个分段，高频辐射部分则可在一转折处转折为两分段。在本发明的优选实施方式中，低频辐射部分较长，低频辐射部分在立体空间中沿着两个不平行平面绕折为三个主要分段。高频辐射部分较短，其可沿一平面绕折为两分段。而低频辐射部分的一个分段(譬如，低频辐射中的终端分段，也就是在低频辐射部分中从连接部分起延伸最远的分段)可以与高频辐射部分的一个分段(譬如，高频辐射中的终端分段，也就是在高频辐射部分中从连接部起延伸最远的分段)互相平行，使这两个平行分段间的辐射特性得以相互耦合，以增进本发明多频天线的频宽与整体特性。

由于低频辐射部分的立体绕折架构，故高频辐射部分中的终端分段与低频辐射部分中的终端分段不仅共平面而且还具有最小距离。换句话说，高频辐射部分中的终端分段与低频辐射部分中各其它分段间的距离均大于两终端分段间的距离，使两终端分段间的电磁耦合程度最高。另外，由于立体架构，低频辐射部分中至少有一个分段与高频辐射部分中的各分段不共面。因为本发明天线采用了此种立体绕折架构，故本发明天线的体积能有效缩减，以实现小型化、小体积的天线，从而满足现代便携式通讯装置的体积需求。譬如说，当要支持GSM{用于移动通讯的全球***(GlobalSystem for Mobile communication)}850/900的通讯网络的频段时，原本需要9公分左右长度的辐射导体，但由于本发明低频辐射部分的立体绕折架构，故采用本发明天线仅需以3公分左右(或更短)的分段就能支持低频GSM850/900的无线通讯需求。

另一方面，由于本发明在低频辐射部分与高频辐射部分间的耦合设计，故本发明能利用两者间的耦合关系来增进本发明天线的整体特性(如频宽等等)。在低频辐射部分与高频辐射部分间的相互耦合可将低频辐射部分的倍频谐波(harmonic)耦合至高频辐射部分，使本发明天线能振荡出谐波高频频段，而两辐射部分的耦合可将两辐射部分互耦(或自耦)的等效电容、电感耦合在一起，减少本发明天线在频域特性的Q因子(Quality factor)，使谐波高频频段与高频辐射部分本身所能激发出的高频频段能合成在一起，在高频范围内中形成宽频的可用频带，使本发明不仅能支持低频频段的无线通讯，也能以高频频段的宽频带来支持高频频段的无线通讯。

一般而言，在高频与低频辐射部分间的相互耦合原本互相干扰，但在本发明中，由于巧妙地利用了此种相互耦合，以此种耦合来合成、加宽本发明在高频的频宽，使这种互相干扰反而成为本发明增进天线特性的助力。由此引伸而出的是，若需要微调(fine-tune)本发明天线特性(譬如，可用频段的中心频率、频宽等等)，就可在低频/高频辐射部分中改变两终端分段间的距离，使两者间的互耦程度有所改变，进而可对本发明天线的整体特性受控地改变。若以实例说明，本发明可在低频/高频辐射部分中利用3公分左右(或更短)的各分段来顺利支持五种不同频段，包括GSM 850/900、GSM 1800/1900和WCDMA(Wide-band CDMA，CDMA为Code-DivisionMultiple Access))2100等五种不同频段。

在本发明一优选实施方式中，天线的连接部分与各辐射部分可用均匀(uniform)截面的导体直接绕折而成，譬如以圆截面的金属铜线(或漆包线)直接绕折而成。当然，本发明天线也可用其它方式来实现，譬如以压条(stamp)的扁平金属条绕折而成。

附图说明

图1为现有天线的示意图；

图2为本发明天线一实施方式的示意图；

图3至图6示出了图2所示天线的各个不同部分；

图7示意性地示出了本发明天线通过高/低频辐射部分的相互耦合所合成出的频率特性；

图8示意性地示出了本发明天线所能实现的电压驻波比；

图9为将图2所示的天线组装于电路板上的示意图；

图10为将图2所示的天线组装于固定具上的示意图；

图11为将图2所示的天线以嵌合方式组装于电路板上的示意图；

图12至图17分别示意性地示出了本发明天线的各种不同实施方式。

附图标记说明

10、20、30、40、50、60、70、80             天线

22、28                                     电路板

24、26                                     固定具

L、H、La-Lf、Ha-Hf                         辐射部分

CP、CPa-CPf                                连接部分

L1-L5、H1-H2                               分段

L1p-L4p、H1p                               转折处

d0、d、da、db                              距离

S、Sa-Sf                                   信号馈点

f0-f3                                      频率

P1-P3                                      平面

具体实施方式

请参考图2，图2以不同角度的视图示意地示出了本发明天线20的一实施方式。本发明天线20可为单极天线，其设有连接部分CP、低频辐射部分L及高频辐射部分H，以使本发明天线20能发挥多频天线的功能，支持多种不同频段的无线通讯需求。如图2所示，本发明天线20可由均匀截面的导体(譬如，圆形截面的金属铜线)绕折而成，其低频辐射部分L及高频辐射部分H分别从连接部分CP的相异(相对)两端开始延伸，并形成三维立体绕折结构。连接部分CP可由其信号馈点S接受电子信号的馈入/馈出，低频辐射部分L及高频辐射部分H则主要用来激发低频频带及高频频带的辐射特性，使本发明天线20能兼顾低频频段与高频频段的无线通讯需求。如图2中示意地示出的那样，在图2所示的实施方式中，低频辐射部分L延伸较长，其可在立体空间中沿两个不平行平面而在多个转折处转折为多个分段，高频辐射部分H延伸较短，其可在一转折处转折为两分段。

延续图2所示的实施方式，请继续参考图3至图6。图3至图6更明确地示意和表示出本发明天线20的各部分结构。如图3、图4所示，天线20的低频辐射部分L沿两个不平行平面P1、P2(图3)绕折，在各转折处L1p至L4p转折为各分段L1至L5(图4)，也就是三个主要(较长)的分段L1、L3、L5与各个较短的分段L2、L4。在低频辐射部分L的各分段L1至L5中，由连接部分CP沿辐射部分L延伸最远的分段就是分段L5，故分段L5可视为低频辐射部分L的终端分段。另外，如图5、图6所示，天线20的高频辐射部分H可沿平面P3绕折(图6)，在转折处H1p转折出两共面分段H1、H2(图5)。在高频辐射部分H的各分段中，由连接部分CP开始沿辐射部分H延伸最远的分段是分段H2，故分段H2可视为高频辐射部分H的终端分段。从图6中可看出，在本发明天线的立体架构下，除了终端分段L5可和高频辐射部分H的各分段(H1、H2)分布于同一面(同一平面)之外，低频辐射部分L的其它各分段(L1至L4)中至少有一分段会和高频辐射部分不共面(分布于不同的平面)。因为本发明天线采用了此种立体绕折架构，故本发明天线的体积能有效缩减，以实现天线的小型化，并满足现代便携式通讯装置的小体积需求。

如图6所示出的那样，在本发明天线20的立体绕折结构下，低频辐射部分L的终端分段L5与高频辐射部分H的终端分段H2两者间隔距离为d且相互平行。相较之下，终端分段H2与低频辐射部分L的其它分段(如分段L1、L3)的距离均大于距离d。使低频辐射部分与高频辐射部分的两终端分段相互接近、相互平行，本发明就可利用低频辐射部分与高频辐射部分的相互耦合来增进本发明天线的整体特性。为进一步说明本发明运用此相互耦合的原理，请参考图7。图7通过本发明天线的频域特性来说明本发明运用高/低频辐射部分相互耦合的原理。图7的横轴为频率，纵轴则是频域特性的大小。譬如，纵轴可以是电压驻波比VSWR(Voltage Standing WaveRatio)。如本领域技术人员所公知的那样，电压驻波比在频域的局部低点(local minimum)可代表天线的可用频段，故电压驻波比常用来表现天线的辐射特性(尤其是在频域的辐射特性)。

如图7所示，若仅考虑低频辐射部分，天线的低频辐射部分会以较长的长度而在低频频段(也就是频率f0附近)激发出低频的局部低点(在图7中以虚线绘示)。同理，若仅有高频辐射部分，天线则会因高频辐射部分的较短长度而在频率f2附近的高频频段激发出局部低点(同样以虚线代表)。一般来说，此高频频段的频宽难以用来同时支持不同的高频通讯工作频带需求(2G/3G应用)。不过，正如前面所讨论过的那样，本发明天线架构特意在天线的低频辐射部分与高频辐射部分间建立较强的相互耦合，故本发明可利用此相互耦合来增进天线的整体特性。此相互耦合主要可引发两种效应，首先，低频/高频辐射部分的相互耦合可促进低频辐射部分的倍频谐波(harmonic)耦合，在倍频谐波处激发出一局部低点。如图7所示，低频辐射部分的2倍频谐波可在频率f1处形成另一局部低点(也就是说，频率f1约为频率f0的两倍)，可协助扩展高频频段的可用频宽。

另外，低频/高频辐射部分的相互耦合也可在天线的不同分段间形成等效互耦/自耦的电感、电容，而这些电感、电容效应可适当地降低天线的Q因子(Quality factor)，使天线频域特性的频宽增加。如图2至图6所示，天线20的各分段L1、L3、L5与分段H2之间都会有互相耦合所产生的互耦电容，各分段也会相互形成互耦/自耦的等效电感(譬如，在转折处)，而这些电感、电容效应就能降低天线20的Q因子。正如本领域技术人员所公知的那样，Q因子越高则频宽越小，故Q因子的降低就会在频域反映为频宽的增加。如图7中用实线表示的曲线所示，由于本发明可利用相互耦合来扩展频宽，故在频率f1、f2的局部低点就可因Q因子减少而扩展并相互结合，以在高频合成一宽频的可用频带，足以支持各种不同的高频无线通讯需求。

一般而言，在高频与低频辐射部分间的相互耦合原本是互相干扰的，但在本发明中，巧妙地利用了此种相互耦合，以此种耦合来合成、加宽本发明能在高频的频宽，使此种互相干扰反而成为本发明增进天线特性的助力。由此引伸而出的是，当需要微调(fine-tune)本发明天线的整体特性(譬如，可用频段的中心频率、频宽等等)时，就可在低频/高频辐射部分中改变两终端分段间的距离(也就是图6中的距离d)，使两者间的互耦程度有所改变，进而可对本发明天线的整体特性受控地进行调整。譬如，若要增加距离d(图6)，可适当缩短分段H1的长度(图5)，减少两终端分段间的相互耦合。

就实例来说，本发明可在低频/高频辐射部分中利用3公分左右(或更短)的各分段来广泛支持现行的五种不同频段，包括GSM 850/900、GSM1800/1900与WCDMA(Wide-band CDMA，CDMA为Code-Division MultipleAccess)2100等五种频段。正如本领域技术人员所公知的那样，当要支持GSM(Global System for Mobile communication)850/900通讯网络的低频频段时，原本需要长度为9公分左右的低频辐射导体，而在本发明中，由于低频辐射部分的立体绕折架构，故天线仅需以3公分左右(或更短)的分段就能支持低频GSM 850/900的无线通讯需求。另一方面，由于本发明运用低频/高频辐射部分的相互耦合，在高频频段所扩展出的宽广频宽则能完全支持GSM 1800/1900与WCDMA 2100的高频频段。具体情形请参考图8。利用图2所示的天线架构设计，本发明天线可具体实现图8中的频域特性。图8的横轴为频率，纵轴则为电压驻波比的大小。从图8中可看出，本发明天线可在低频频带支援低频的GSM 850/900，而本发明在高频频带的宽频带则可涵盖GSM 1800/1900以及WCDMA 2100的所有需求，以同一天线支持五种不同频段的无线通讯需求，实现多频天线的功能。

由于本发明天线具有小体积与高频宽支持度，本发明天线可广泛运用于各种便携式通讯装置，如运用于手机、个人数字助理(即PDA，PersonalDigital Assistant)或笔记本型计算机等等中。请参考图9，延续图2至图6中的例子，图9示出的是将本发明天线20安装于电路板22上的情形。天线20上的信号馈点可连接于电路板22(譬如，印刷电路板)上的对应电路，以接受电子信号的馈入/馈出。将本发明天线实际安装于通讯装置上时，可将本发明天线配合其它的固定具来安装。请参考图10，图10以不同角度的视图示意性地示出了本发明天线20配合固定具24的组装情形。固定具24可由介质材料(即，非导电材料，如塑料等等)制成。如图10所示，固定具24上设有各种孔洞、沟槽以与本发明的天线架构配合。将固定具24与天线20组装在一起后，就能将它们方便地装置于电路板(图10中未绘出)上。譬如，固定具24上可具有卡榫、螺钉孔等结构，以将天线/固定具的组合安装于电路板上。固定具24不仅可用来固定/保护天线20的立体架构，也可用来支撑通讯装置中的其它子机构(譬如，摄影镜头等)。固定具24本身的材料可能对天线20的整体特性有影响，但正如前面所讨论过的那样，可通过调整低频/高频辐射部分之间的距离d(图6)来对本发明的天线特性进行微调，补偿固定具24所导致的影响。反之，亦可通过固定具24的介质材料的调整和变换，影响、改变或调整天线的频域特性或其它辐射特性(如辐射场型等等)。

除了以图9的型态将本发明天线安装于电路板的表面外，由于本发明天线的立体架构，也可配合固定具将本发明天线安装于电路板的侧面，更进一步地减小天线安装所需的空间。请参考图11，图11示出的是本发明天线20配合固定具26以嵌合方式被安装于电路板28上的情形。如图11所示，固定具26上的相关结构可与电路板28的厚度相对应，以利用嵌合的方式将天线20安装于电路板28的一侧，使天线20的立体结构可嵌入、分布于电路板的相异两侧(也就是可使天线20的不同分段分别分布于电路板28的相异两侧面)，从而可减小天线安装所需的空间。

在图2(至图6)所示的实施方式中，本发明是以均匀截面(圆形截面)的导体架构出本发明的天线。延续本发明天线的架构设计，也可利用其它种类的导体来架构本发明的天线。请参考图12，图12为本发明天线另一实施方式30的示意图。如图12所示，天线30可用压条(stamp)的扁平金属条绕折而成。与图2所示的天线20相似，图12所示的天线30同样具有连接部分CPa(以Sa为信号馈点)、低频辐射部分La与高频辐射部分Ha，以利用本发明的技术原理实现单极多频天线。同样，低频辐射部分La与高频辐射部分的终端分段间距离da可用来调整天线30的辐射特性。

请参考图13，图13以不同角度的视图示意地示出了本发明天线的又一实施方式40。与图12所示的天线30类似，图13所示的天线40同样是用扁平金属条绕折出连接部分CPb(以Sb为信号馈点)和低频辐射部分Lb/高频辐射部分Hb。不同的是，天线40的各个主要分段(较长的分段)沿曲面分布而略呈弯曲型。不过，低频辐射部分Lb与高频辐射部分Hb的终端分段还是可在同一曲面上相互平行，以增进互相耦合的程度。调整两者之间的距离db就可改变两者的耦合程度，微调天线40的特性。

请参考图14、图15，此两图分别示意地示出了本发明天线的另两种实施方式，也就是天线50、60。在图14中，天线50亦可区分为连接部分CPc(以Sc为信号馈点)及低频/高频辐射部分Lc/Hc。低频/高频辐射部分的终端分段以较短距离相互平行以在两者之间建立较强的相互耦合。在图15中，天线60也可区分为连接部分CPd(以Sd为信号馈点)及低频/高频辐射部分Ld/Hd。低频辐射部分可以只有一分段，此一分段和高频辐射部分的终端分段相互平行，以建立主控(dominant)的相互耦合。

请继续参考图16、17，此两图分别示意地示出了本发明天线的又两种实施方式，也就是天线70、80。图16中以不同视图显示出了本发明天线70的架构。本发明天线的立体架构不一定要分布于相互直角正交的各个平面上，如图16所示，天线70的立体折叠架构分布于不成直角的平面之间。天线70亦可区分出连接部分CPe(以Se为信号馈点)以及低频/高频辐射部分Le/He，低频辐射部分Lf沿一平面绕折为多段，两辐射部分Le、He的终端分段亦相互平行接近，以建立较强的相互耦合。在图17中，天线80亦具有连接部分CPf及低频/高频辐射部分Lf/Hf，其终端分段则和高频辐射部分的终端分段相互平行接近，以建立较强的相互耦合。

如图12至图17的各实施方式所示，本发明天线可用单一导体一体成形(譬如，以均匀截面的金属直接绕折出连接部分及高频/低频辐射部分)，可节省加工的时间与成本。当然，本发明天线也可由不同导体组装形成，譬如，以不同截面的金属导体分别形成低频/高频辐射部分，再通过导体连接部分组装为天线。

综上所述，与现有技术相比，本发明的单极天线在空间中绕折出立体架构的低频/高频辐射部分，以有效缩小整个天线所占用的体积，并且能在低频/高频辐射部分之间建立可操控的相互耦合，以利用此相互耦合来增进天线的整体特性与性能(譬如，增加本发明天线在高频频段的可用频宽)，使本发明能用单一的小型天线来广泛支持多种高低不同频段的无线通讯需求。

以上通过优选实施方式对本发明的描述仅用于说明而不是对本发明的限制，显然，在不超出本发明的构思和范围的前提下，可对本发明进行各种改型和变换，凡在本发明范围内作出的等同变换与修饰，皆应落入所附权利要求所涵盖的范围。

Claims (16)

1.一种多频天线，包括：

一连接部分，其用来接受信号馈入/馈出；

一第一辐射部分，其连接于所述连接部分的一端；该第一辐射部分在至少一转折处转折为多个分段，且所述多个分段分别分布于空间中两个互不平行的面上；及

一第二辐射部分，其连接于所述连接部分的另一端，该第二辐射部分设有至少一分段，且该第二辐射部分中至少有一分段与所述第一辐射部分中的至少一分段互相平行，致使所述两个平行分段间的辐射特性能相互耦合，以增进所述多频天线的频宽，

其中，所述第二辐射部分中有一给定分段与所述第一辐射部分中的终端分段互相平行，以使该两平行分段间的辐射特性能相互耦合；所述第一辐射部分中的终端分段是从所述连接部分沿所述第一辐射部分中延伸最远的分段，

其中，所述第二辐射部分中的各分段与所述第一辐射部分中的终端分段共面。

2.如权利要求1所述的多频天线，其中，所述第二辐射部分的所述给定分段与所述第一辐射部分的终端分段间的距离小于所述给定分段与所述第一辐射部分中其它分段间的距离。

3.如权利要求1所述的多频天线，其中，所述第二辐射部分中的所述给定分段是所述第二辐射部分的终端分段；所述第二辐射部分中的终端分段是从所述连接部分沿所述第二辐射部分中延伸最远的分段。

4.如权利要求1所述的多频天线，其中，所述第二辐射部分在至少一转折处转折为多个分段。

5.如权利要求1所述的多频天线，其中，所述第一辐射部分中至少有一分段与所述第二辐射部分中的各分段不共面。

6.如权利要求1所述的多频天线，其中，所述天线为单极天线。

7.如权利要求1所述的多频天线，其中，所述第一辐射部分用来辐射低频频段的电磁波，所述第二辐射部分用来辐射高频频段的电磁波，致使该多频天线可支持多频段无线电信号的收发。

8.如权利要求1所述的多频天线，其中，所述第一辐射部分与第二辐射部分分别由均匀截面的导体绕折而成。

9.如权利要求1所述的多频天线，其中，还包括介质材料的固定具，用来保护所述多频天线结构或调整该多频天线的特性。

10.如权利要求9所述的多频天线，其中，所述固定具可使该天线以嵌入式的方式安装于电路板上，使该多频天线的不同分段分布于所述电路板的相异两侧面上。

11.如权利要求5所述的多频天线，其中，所述第二辐射部分的所述给定分段与所述第一辐射部分的终端分段间的距离小于所述给定分段与所述第一辐射部分中其它分段间的距离。

12.如权利要求5所述的多频天线，其中，所述第二辐射部分中的所述给定分段是该第二辐射部分的终端分段；该第二辐射部分中的终端分段是由所述连接部分沿该第二辐射部分中延伸最远的分段。

13.如权利要求5所述的多频天线，其中，所述第一辐射部分用来辐射低频频段的电磁波，所述第二辐射部分用来辐射高频频段的电磁波，使所述多频天线可支持多频段无线电信号的收发。

14.如权利要求5所述的多频天线，其中，还包括一介质材料的固定具，用来保护所述多频天线的结构或调整该多频天线的特性。

15.如权利要求14所述的多频天线，其中，所述固定具可使所述天线以嵌入式的方式被安装于电路板上，使该多频天线的不同分段分布于所述电路板的相异两侧面。

16.如权利要求1所述的多频天线，其中，该第一辐射部分由均匀截面的导体绕折而成且该第二辐射部分由均匀截面的导体形成。

Images