TWI453988B

TWI453988B - 一種內藏式耦合型寬頻天線

Info

Publication number: TWI453988B
Application number: TW097142587A
Authority: TW
Inventors: Che Yen Huang; Liang Che Chou; Ming Ren Hsu; Cheng Han Lee; Chi Yueh Wang
Original assignee: Yageo Corp
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2014-09-21
Also published as: TW201019528A

Description

一種內藏式耦合型寬頻天線

本發明係關於一種內藏式耦合型寬頻天線，特別是適合應用在無線通訊產品上的內藏式寬頻天線。

隨著無線通訊的發展，無線網路的應用越來越廣泛，因此天線的性能便成為影響產品價值的重要關鍵之一。目前習用於無線通訊產品的天線大都僅能雙頻或多頻操作於單一網路，例如無線區域網路(WLAN)，相關之先前技術包括台灣新型專利公告第562,260號“多頻印刷式單極天線”，其揭示一種利用筆記型電腦液晶螢幕內建的接地面，在該接地面上設計天線的例子，不過該天線雖適用於2.4GHz(2.4~2.484GHz)、5GHz〔包含5.2GHz(5.15~5.35GHz)及5.8GHz(5.725~5.875GHz)〕雙頻帶操作之無線區域網路系統，但其低頻頻寬僅勉強包含2.4GHz之頻帶，使得天線量產時製作可允許誤差低，同時該天線設計缺乏全球微波存取互通(WiMAX)網路之通訊功能，因而無法達成雙網之操作。為解決此一問題，我們提出一種內藏式耦合型寬頻天線的創新設計，本發明天線可以產生一低頻共振頻帶與一高頻共振頻帶並結合出一約4GHz之寬頻操作頻寬，輕易地涵蓋目前無線區域網路(WLAN)所需之2.4GHz頻帶(2.4~2.484GHz)及5GHz頻帶〔包含5.2GHz頻帶(5.15~5.35GHz)及5.8GHz頻帶(5.725~5.875GHz)〕之操作需求，同時亦滿足全球微波存取互通網路(WiMAX)所需之2.5GHz頻帶(2.5~2.69GHz)、3.5GHz頻帶(3.3~3.8GHz)及5GHz頻帶(5.25~5.85GHz)之操作需求，且本發明天線使用一耦合式機制，兼具縮小化之優點，適合內藏應用在無線通訊產品上，達成縮小化且寬頻操作之通訊功能。

如上所述，本發明之目的在於提供一種內藏式耦合型寬頻天線的創新設計，而本發明天線之一實施例，可以產生一低頻共振頻帶與一高頻共振頻帶並結合出一約4GHz之寬頻操作頻寬，輕易地涵蓋目前無線區域網路所需之2.4GHz及5GHz頻帶之操作需求，同時亦滿足全球微波存取互通網路所需之2.5GHz、3.5GHz及5GHz頻帶之操作需求，且本發明天線使用一耦合式機制，兼具縮小化之優點，適合內藏應用在無線通訊產品上，達成縮小化且寬頻操作之通訊功能。本發明天線包含：一接地面，具有一上方邊緣，而在該接地面之上方邊緣處具有一接地點及一短路點；一輻射部，大致位於該接地面之上方邊緣處，包含：一第一子金屬部，朝遠離該接地面的方向延伸，並具有一側邊靠近於該接地面之上方邊緣處，及一彎自該側邊的第一耦合邊緣，且在該側邊上具有一饋入點；一第二子金屬部，靠近該第一子金屬部而不相連接，並具有一與該第一耦合邊緣相電磁耦合的第二耦合邊緣；一耦合間隙，介於該第一子金屬部與該第二子金屬部之間，而該間隙之最小寬度小於5mm；及一短路金屬部，具有一起始端與一末端，而該起始端連接至該第二子金屬部，同時該末端連接至該接地面之短路點，且該短路金屬部與該第二子金屬部呈一開口朝向該接地面的倒U形；及一饋入傳輸線，用以傳輸訊號，包含：一中心導線，連接至該第一子金屬部之饋入點；及一外層接地導體，連接至該接地面之接地點；同時該輻射部由印刷或蝕刻技術形成於一介質基板上。

在本項設計中，我們可以藉由適當地調整該第一子金屬部之長度與寬度(總和一般大於8mm)，產生一高頻共振頻帶；而藉由適當地調整該第二子金屬部之長度與寬度(總和一般大於12mm)及該短路金屬部之長度與寬度(總和一般大於6mm)，產生一低頻共振頻帶；再適當地調整該第一子金屬部之饋入點與該接地面之距離(一般小於3mm)，並適當地調整該第一子金屬部與該第二子金屬部之耦合間隙之寬度(一般小於5mm)，可以得到良好之阻抗匹配，且結合該低頻共振頻帶與該高頻共振頻帶進而獲得一約4GHz之寬頻操作頻寬，輕易地涵蓋目前無線區域網路所需之2.4GHz頻帶及5GHz頻帶之操作需求，亦滿足全球微波存取互通網路所需之2.5GHz頻帶、3.5GHz頻帶及5GHz頻帶之操作需求，而本發明天線使用一耦合式機制，即是該第一子金屬部除了用以產生一高頻共振頻帶，同時藉由該耦合間隙將能量耦合至該第二子金屬部與該短路金屬部，用以產生一低頻共振頻帶，如此共用一子金屬部而使得高頻與低頻共振頻帶均能被激發，讓原本需以相異之金屬部產生共振頻帶而必須增加天線整體尺寸之缺點獲得改善，因而兼具縮小化之優點，適合內藏應用在無線通訊產品上，達成縮小化且寬頻操作之通訊功能。

參考第1圖，本發明之一種內藏式耦合型寬頻天線一實施例1包括：一接地面13，具有一上方邊緣131，而在該接地面之上方邊緣131處具有一接地點132及一短路點133；一輻射部14，大致位於該接地面之上方邊緣處131，包含：一第一子金屬部15，朝遠離該接地面13的方向延伸，並具有一側邊151靠近於該接地面13之上方邊緣131處及一彎自該側邊151的第一耦合邊緣153，且在該側邊151上具有一饋入點152；一第二子金屬部16，靠近該第一子金屬部15而不相連接，並具有一與該第一耦合邊緣153相電磁耦合的第二耦合邊緣161；一耦合間隙d，介於該第一子金屬部15與該第二子金屬部16之間，而該間隙d之最小寬度小於5mm；及一短路金屬部17，具有一起始端171與一末端172，而該起始端171連接至該第二子金屬部16，同時該末端172連接至該接地面之短路點133，且該短路金屬部17與該第二子金屬部16呈一開口162朝向該接地面13的倒U形；及一饋入傳輸線18，用以傳輸訊號，包含：一中心導線181，連接至該第一子金屬部之饋入點152；及一外層接地導體182，連接至該接地面之接地點132。在本實施例1中，該第一子金屬部15用以產生一高頻共振頻帶22，而該第一子金屬部15藉由該耦合間隙d 將能量耦合至該第二子金屬部16與該短路金屬部17，用以產生一低頻共振頻帶21；同時該輻射部14由印刷或蝕刻技術形成於一介質基板19上；由以上配置方式可以得到良好之阻抗匹配，而結合該低頻共振頻帶21與該高頻共振頻帶22可獲得一約4GHz之寬頻操作頻寬，輕易地涵蓋目前無線區域網路所需之2.4GHz及5GHz頻帶之操作需求，同時亦滿足全球微波存取互通網路所需之2.5GHz、3.5GHz及5GHz頻帶之操作需求，且本發明天線使用一耦合式機制，兼具縮小化之優點，適用於無線通訊產品上，達成縮小化且寬頻操作之通訊功能。

第2圖為本發明天線一實施例1的返回損失實驗量測結果；在實施例1中，我們選擇該接地面13之長度為300mm、寬度為260mm；該輻射部14之長度為23mm、寬度為8mm；該第一子金屬部15之長度為8mm、寬度為6.5mm，而該饋入點152與該接地面之上方邊緣131之距離為1.5mm；該第二子金屬部16之長度為6.5mm、寬度為6.5mm；該短路金屬部17之長度為8mm、寬度為8mm；而該第一子金屬部15與該第二子金屬部16之間隙寬度d為0.5mm；該饋入傳輸線18為一同軸傳輸線；該介質基板19為一厚度為0.4mm之玻璃纖維基板(FR4)。由所得實驗結果，在返回損失小於10dB的定義下，其可產生一低頻共振頻帶21與一高頻共振頻帶22進而合成一約4GHz之寬頻操作頻寬，輕易地涵蓋目前無線區域網路所需之2.4GHz及5GHz頻帶之操作需求，同時亦滿足全球微波存取互通網路所需之2.5GHz、3.5GHz及5GHz頻帶之操作需求。而本發明天線一實施例1於寬頻操作頻帶內之天線增益約為1.6~4.3dBi，滿足無線區域網路與全球微波存取互通網路系統之操作需求。

第3圖為本發明天線一實施例1在x-z、y-z平面(垂直面)及x-y平面(水平面；假設地面平行於x-y平面)於2500MHz的天線輻射場型量測結果；第4圖為本發明天線一實施例1在x-z、y-z平面(垂直面)及x-y平面(水平面；假設地面平行於x-y平面)於3500MHz的天線輻射場型量測結果；第5圖為本發明天線一實施例1在x-z、y-z平面(垂直面)及x-y平面(水平面)於5500MHz的天線輻射場型量測結果。由量測結果可知，天線的主極化輻射均呈現垂直極化(E_θ)特性，且在x-y平面(水平面)產生大致為全向性輻射之場型，滿足無線區域網路系統之操作需求，同時在x-y平面(水平面)之垂直極化(E_θ)分量與水平極化(E_Φ)分量相近，則具有抵抗複雜環境所產生之多重路徑衰減之功能，符合實際應用之需求。

第6圖為本發明天線之第一其他實施例結構圖；本實施例6與實施例1之不同在於：該第一子金屬部65之形狀為一多邊形，由此樣式之設計，可以調整天線之高頻共振頻帶22之頻率分佈，同時亦能具有良好之阻抗匹配，因此可產生一低頻共振頻帶21與一高頻共振頻帶22，進而合成一寬頻之操作頻寬，涵蓋目前無線區域網路與全球微波存取互通網路之操作需求，適合內藏應用在無線通訊產品上，達成寬頻操作之通訊功能。

第7圖為本發明天線之第二其他實施例結構圖；本實施例7與實施例1之不同在於：該第二子金屬部76之形狀為一多邊形，由此樣式之設計，可以調整天線之低頻共振頻帶21之頻率分佈，同時亦能具有良好之阻抗匹配，因此可產生一低頻共振頻帶21與一高頻共振頻帶22，進而合成一寬頻之操作頻寬，涵蓋目前無線區域網路與全球微波存取互通網路之操作需求，適合內藏應用在無線通訊產品上，達成寬頻操作之通訊功能。

第8圖為本發明天線之第三其他實施例結構圖；本實施例8與實施例1之不同在於：該接地面83、該輻射部84均由印刷或蝕刻技術形成於一介質基板89上，由此配置方式之設計，可達成一體成形之製程，增加天線製作上之方便性與實用性，同時亦能具有良好之阻抗匹配，因此可產生一低頻共振頻帶21與一高頻共振頻帶22，進而產生一寬頻操作頻寬以涵蓋目前無線區域網路與全球微波存取互通網路之操作需求，適合內藏應用在無線通訊產品上，達成寬頻操作之通訊功能。

第9圖為本發明天線之第四其他實施例結構圖；本實施例9與實施例1之不同在於：該接地面93、該輻射部94由金屬片沖壓或切割製作而成，由此配置方式之設計，亦能簡易地實現天線之製程，同時亦能具有良好之阻抗匹配，因此可產生一低頻共振頻帶21與一高頻共振頻帶22，進而產生一寬頻操作頻寬以涵蓋目前無線區域網路與全球微波存取互通網路之操作需求，適合內藏應用在無線通訊產品上，達成寬頻操作之通訊功能。

以上說明中所述之實施例僅為說明本發明之原理及其功效，而非限制本發明。因此，習於此技術之人士可在不違背本發明之精神對上述實施例進行修改及變化，本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。

1‧‧‧本發明天線一實施例

13‧‧‧接地面或接地金屬貼片

131‧‧‧接地面之上方邊緣

132‧‧‧接地點

133‧‧‧短路點

14‧‧‧輻射部

15‧‧‧第一子金屬部

151‧‧‧第一子金屬部之一側邊

152‧‧‧饋入點

153‧‧‧第一耦合邊緣

16‧‧‧第二子金屬部

161‧‧‧第二耦合邊緣

162‧‧‧開口

17‧‧‧短路金屬部

171‧‧‧短路金屬部之起始端

172‧‧‧短路金屬部之末端

18‧‧‧饋入傳輸線

181‧‧‧中心導線

182‧‧‧外層接地導體

19‧‧‧介質基板

d‧‧‧耦合間隙(第一子金屬部與第二子金屬部之間距)

21‧‧‧天線之低頻共振頻帶

22‧‧‧天線之高頻共振頻帶

6‧‧‧本發明天線之第一其他實施例

65‧‧‧第一子金屬部

651‧‧‧第一子金屬部之一側邊

652‧‧‧饋入點

7‧‧‧本發明天線之第二其他實施例

76‧‧‧第二子金屬部

8‧‧‧本發明天線之第三其他實施例

83‧‧‧接地面或接地金屬貼片

831‧‧‧接地面之上方邊緣

832‧‧‧接地點

833‧‧‧短路點

84‧‧‧輻射部

89‧‧‧介質基板

9‧‧‧本發明天線之第四其他實施例

93‧‧‧接地面或接地金屬貼片

931‧‧‧接地面之上方邊緣

932‧‧‧接地點

933‧‧‧短路點

94‧‧‧輻射部

第1圖為本發明天線一實施例結構圖。

第2圖為本發明天線一實施例之返回損失實驗量測結果。

第3圖為本發明天線一實施例之輻射場型於頻率2500MHz之量測結果。

第4圖為本發明天線一實施例之輻射場型於頻率3500MHz之量測結果。

第5圖為本發明天線一實施例之輻射場型於頻率5500MHz之量測結果。

第6圖為本發明天線之第一其他實施例結構圖。

第7圖為本發明天線之第二其他實施例結構圖。

第8圖為本發明天線之第三其他實施例結構圖。

第9圖為本發明天線之第四其他實施例結構圖。