TWI518997B

TWI518997B - 阻抗匹配電路與可調天線裝置

Info

Publication number: TWI518997B
Application number: TW100129428A
Authority: TW
Inventors: 楊慶隆; 李杰森
Original assignee: 國立成功大學
Priority date: 2011-08-17
Filing date: 2011-08-17
Publication date: 2016-01-21
Also published as: TW201310772A

Description

阻抗匹配電路與可調天線裝置

本發明係關於一種天線裝置，特別關於一種阻抗匹配電路以及應用阻抗匹配電路之可調天線裝置。

近年來隨著通訊技術日新月異，如手機等無線通訊裝置儼然已成為現代生活中不可或缺的一部份，加上現代人常因商務訪問或旅行須頻繁往來世界各地，所以能接收/傳送多頻帶無線電訊號已成為無線通訊裝置必備之功能。

然而，世界各地無線通訊標準皆不相同，所以現今無線通訊裝置多以設計多頻帶天線或多支不同頻帶的天線方式來接收/傳送不同頻帶之無線電訊號。但多頻帶天線其研發上有一定困難。如圖1所示，其係利用頻帶切換電路來切換不同的調諧匹配電路及其對應天線元件，以接收及傳送多頻帶之無線電訊號，但利用多支不同頻帶的天線卻存在需耗費較多製作成本的問題。

另外，圖2為台灣公開號200931719所揭露之一種可調式天線裝置，其係藉由切換不同的調諧匹配電路電性連接至天線元件的方式，來產生不同頻帶頻率以接收/傳送多頻帶無線電訊號。

上述天線裝置皆需設置多個天線或多個匹配電路，再藉由開關進行切換，以達到多頻可調的功能；然而，多個天線以及匹配電路與開關係使成本增加。並且，上述天線在本質上還是把多個操作於不同頻段之天線或匹配電路作在一起，並無法達到各頻段可調之效果。究其原因，上述天線之發明皆未深入研究阻抗匹配電路對操作頻段造成的影響。

因此，如何找出一種天線裝置之阻抗匹配電路，能夠達到多頻、各頻段可調的效果，進而大幅降低成本、並提升天線效能與產品競爭力，實為當前重要課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種能夠達到多頻、各頻段可調效果之阻抗匹配電路與可調天線裝置。

為達上述目的，依據本發明之一種應用於寬頻天線之阻抗匹配電路包含複數電路分支，電路分支係彼此並聯，並各包含一可調電感性單元以及一頻率選擇單元。

在一實施例中，可調電感性單元包含一電感器與一可調電容器。

在一實施例中，頻率選擇單元包含一電感器。

在一實施例中，頻率選擇單元包含一電容器。

在一實施例中，可調電感性單元與頻率選擇單元係串聯。

在一實施例中，阻抗匹配電路包含三電路分支，其中一電路分支之該頻率選擇單元包含一電容器，另一電路分支之該頻率選擇單元包含另一電容器，另一電路分支之該頻率選擇單元包含一電感器。

在一實施例中，阻抗匹配電路更包含一電容單元，其分別與該等電路分支及該寬頻天線之一天線負載阻抗電性連接。

在一實施例中，阻抗匹配電路更包含一電容單元，其分別與該等電路分支及一系統阻抗電性連接。

為達上述目的，依據本發明之一種可調天線裝置包含一寬頻天線以及如上所述之任一阻抗匹配電路。寬頻天線具有一饋入端，阻抗匹配電路與饋入端電性耦接。

承上所述，經過本發明之努力研究及探討，發現到一種單一阻抗匹配電路能夠達到多頻、各頻段可調的效果。該阻抗匹配電路包含複數電路分支，該等電路分支係彼此並聯，並各包含一可調電感性單元以及一頻率選擇單元。其中，可調電感性單元係可調。藉由頻率選擇單元可達到多頻效果(如低頻、中頻、高頻)，並且藉由調整可調電感性單元之等效電感值，而能達到各頻段獨立可調以及連續可調之效果。因此，本發明能夠大幅提升天線效能與產品競爭力。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種阻抗匹配電路與可調天線裝置，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

圖3為本發明較佳實施例之一種可調天線裝置1及其阻抗匹配電路10的示意圖。阻抗匹配電路10係應用於一寬頻天線，圖3所示之阻抗Z₁係代表寬頻天線之一天線負載阻抗，而阻抗Z₂係代表系統阻抗。本發明不特別限制所應用之寬頻天線之形狀或種類，其可例如為平面型天線。上述之「寬頻」係指利用本實施例之阻抗匹配電路10可在該寬頻天線之頻寬內選取2個以上之頻段並進行調整，即足以作為上述之寬頻意義。寬頻天線具有一饋入端，阻抗匹配電路10與饋入端電性耦接，此二者之電性耦接係由節點N1表示。

另外，阻抗匹配電路10可包含2個以上之電路分支，於此係以電路分支11、12為例。電路分支11、12係彼此並聯，各電路分支11、12包含一可調電感性單元111、121以及一頻率選擇單元112、122。其中，可調電感性單元111與頻率選擇單元112係串聯，可調電感性單元121與頻率選擇單元122係串聯。

於此，可調電感性單元111、121分別包含一電感器與一可調電容器，藉由調整可調電容器之電容值，可達到此電路分支11、12之電感可調。另外，可調電感性單元111、121之電感器分別為控制匹配低、高頻操作頻帶之用。

頻率選擇單元112、122例如為一濾波元件。於此，頻率選擇單元112包含一電感器，其可隔離高頻訊號，使電路分支11具有較低頻之操作頻段；頻率選擇單元122包含一電容器，其可隔離低頻訊號，使電路分支12具有較高頻之操作頻段。

總括來說，藉由頻率選擇單元112、122可達到多頻效果(如低頻、高頻)，並且藉由調整可調電感性單元111、121之等效電感值，而能達到各頻段可調之效果。上述僅是說明各單元之主要功能，在實際上，頻率選擇單元與可調電感性單元在電路上的表現是會互相影響。

另外，阻抗匹配電路10更包含一電容單元13，其分別與該等電路分支11、12及寬頻天線之一天線負載阻抗Z₁電性連接。於此，電容單元13包含一電容器C₁。阻抗匹配電路10更包含一電容單元14，其分別與該等電路分支11、12及一系統阻抗Z₂電性連接。於此，電容單元14包含一電容器C₂。藉由電容單元13、14，可將阻抗轉換至史密斯圖(Smith chart)的右端極點與拉回中心，藉由電容單元13、14可改變所需的頻寬。另外需說明的是，電容單元與可調電感性單元以及頻率選擇單元在電路上的表現是會互相影響。

藉由上述阻抗匹配電路10，本實施例之可調天線裝置可達到多頻且各頻可調之功能。圖4與圖5分別為本實施例之天線裝置之工作頻率與反射損失的示意圖，其中圖4係改變可調電感性單元121之可調電容器之偏壓，圖5係改變可調電感性單元111之可調電容器之偏壓。

如圖4所示，在將可調電感性單元121之可調電容器之偏壓改變為0V、5V、11V、23V的情況下，天線裝置達到高頻頻段可調的效果。在圖4中，可調電感性單元111之可調電容器之偏壓係以固定在5.9V為例。圖4驗證本實施例之天線裝置可實際應用於各種通訊標準，並達到多頻、且各頻段可調。

如圖5所示，在將可調電感性單元111之可調電容器之偏壓改變為0V、5V、11V、23V的情況下，天線裝置達到低頻頻段可調的效果。在圖5中，可調電感性單元121之可調電容器之偏壓係以固定在10.7V為例。圖5驗證本實施例之天線裝置可實際應用於各種通訊標準，並達到多頻、且各頻段可調。上述僅使用一些偏壓來作為例子，一旦使偏壓為連續改變的情況下，可使各頻段達到連續可調的狀態。

綜合圖4與圖5之技術手段，可使天線裝置達到高頻、低頻之獨立可調(independently tunable)，並且為連續可調(continuously tunable)。

本發明之阻抗匹配電路可包含2個以上之電路分支，以下再以3個電路分支作例說明。

圖6為本發明較佳實施例之另一種可調天線裝置2及其阻抗匹配電路20的示意圖。阻抗匹配電路20係應用於一寬頻天線，圖6所示之阻抗Z₃係代表寬頻天線之一天線負載阻抗，而阻抗Z₄係代表系統阻抗。寬頻天線具有一饋入端，阻抗匹配電路20與饋入端電性耦接，此二者之電性耦接係由節點N2表示。

阻抗匹配電路20包含電路分支21、22、23為例。電路分支21、22、23係彼此並聯，各電路分支21、22、23包含一可調電感性單元211、221、231以及一頻率選擇單元212、222、232。其中，可調電感性單元211與頻率選擇單元212係串聯，可調電感性單元221與頻率選擇單元222係串聯，可調電感性單元231與頻率選擇單元232係串聯。

於此，可調電感性單元211、221、231分別包含一電感器與一可調電容器，藉由調整可調電容器之電容值，可達到此電路分支21、22、23之電感可調。另外，可調電感性單元211、221、231之電感器分別為控制匹配低、高、中頻操作頻帶之用。

頻率選擇單元212、222、232例如為一濾波元件。於此，頻率選擇單元212包含一電感器，其可隔離高頻訊號，使電路分支21具有較低頻之操作頻段；頻率選擇單元222包含一電容器，其可隔離低頻訊號，使電路分支22具有較高頻之操作頻段；頻率選擇單元232包含一電容器，其可隔離低頻訊號，使電路分支23具有較中頻之操作頻段。雖然頻率選擇單元222皆包含電容器，但搭配不同之可調電感性單元之電感器之值，可分別得到高頻段與中頻段之效果。於此，可調電感性單元231之電感器之值大於可調電感性單元221之電感器之值。

總括來說，藉由頻率選擇單元212、222、223可達到多頻效果(如低頻、高頻、中頻)，並且藉由調整可調電感性單元211、221、231之等效電感值，而能達到各頻段可調之效果。

另外，阻抗匹配電路20更包含一電容單元24，其分別與該等電路分支21、22、23及寬頻天線之一天線負載阻抗Z₃電性連接。於此，電容單元24包含一電容器C₃。阻抗匹配電路20更包含一電容單元25，其分別與該等電路分支21、22、23及一系統阻抗Z₄電性連接。於此，電容單元25包含一電容器C₄。藉由電容單元24、25，可將阻抗轉換至史密斯圖(Smith chart)的右端極點與拉回中心。藉由電容單元24、25可改變所需的頻寬。

藉由上述阻抗匹配電路20，本實施例之天線裝置可達到多頻且各頻可調之功能。圖7、圖8、圖9分別為本實施例之天線裝置之工作頻率與反射損失的示意圖，其中圖7係改變可調電感性單元221之可調電容器之偏壓，圖8係改變可調電感性單元211之可調電容器之偏壓，圖9係改變可調電感性單元231之可調電容器之偏壓。

如圖7所示，在將可調電感性單元221之可調電容器之電容值改變為0.3PF、0.05PF、0.03PF、0.01PF的情況下，天線裝置達到高頻頻段可調的效果。在圖7中，可調電感性單元211之可調電容器之電容值係以固定在2PF，而可調電感性單元231之可調電容器之電容值係以固定在0.5PF為例。圖7驗證本實施例之天線裝置可實際應用於各種通訊標準，並達到多頻、且各頻段可調。

如圖8所示，在將可調電感性單元211之可調電容器之電容值改變為2PF、0.1PF、0.05PF、0.02PF的情況下，天線裝置達到低頻頻段可調的效果。在圖8中，可調電感性單元231之可調電容器之電容值係以固定在0.02PF，而可調電感性單元221之可調電容器之電容值係以固定在0.02PF為例。圖8驗證本實施例之天線裝置可實際應用於各種通訊標準，並達到多頻、且各頻段可調。

如圖9所示，在將可調電感性單元231之可調電容器之電容值改變為0.5PF、0.1PF、0.02PF、0.01PF的情況下，天線裝置達到中頻頻段可調的效果。在圖9中，可調電感性單元211之可調電容器之電容值係以固定在2PF，而可調電感性單元221之可調電容器之電容值係以固定在0.01PF為例。圖9驗證本實施例之天線裝置可實際應用於各種通訊標準，並達到多頻、且各頻段可調。綜合圖7、圖8、圖9之技術手段，可使本實施例之天線裝置達到高頻、中頻、低頻之獨立可調，並且為連續可調。

隨著本發明之阻抗匹配電路所包含之電路分支越多，可從寬頻天線之頻寬選擇出來之頻段數量也越多，並且可達到各頻段獨立可調以及連續可調。

綜上所述，經過本發明之努力研究及探討，發現到一種阻抗匹配電路能夠達到多頻、各頻段可調的效果。該阻抗匹配電路包含複數電路分支，該等電路分支係彼此並聯，並各包含一可調電感性單元以及一頻率選擇單元。其中，可調電感性單元係可調。藉由頻率選擇單元可達到多頻效果(如低頻、中頻、高頻)，並且藉由調整可調電感性單元之等效電感值，而能達到各頻段獨立可調以及連續可調之效果。因此，本發明能夠大幅提升天線效能與產品競爭力。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1、2．．．可調天線裝置

10、20．．．阻抗匹配電路

11、12、21、22、23．．．電路分支

111、121、211、221、231．．．可調電感性單元

112、122、212、222、232．．．頻率選擇單元

13、14、24、25．．．電容單元

C₁、C₂、C₃、C₄．．．電容器

N1、N2．．．節點

Z₁、Z₂、Z₃、Z₄‧‧‧阻抗

圖1與圖2為習知之多頻天線的示意圖；

圖3為本發明較佳實施例之一種可調天線裝置及其阻抗匹配電路的示意圖；

圖4與圖5分別為本發明較佳實施例之天線裝置之工作頻率與反射損失的示意圖；

圖6為本發明較佳實施例之另一種天線裝置及其阻抗匹配電路的示意圖；以及

圖7至圖9分別為本發明較佳實施例之另一種天線裝置之工作頻率與反射損失的示意圖。

1．．．可調天線裝置

10．．．阻抗匹配電路

11、12．．．電路分支

111、121．．．可調電感性單元

112、122．．．頻率選擇單元

13、14．．．電容單元

C₁、C₂．．．電容器

N1．．．節點

Z₁、Z₂．．．阻抗

Claims

一種應用於寬頻天線之阻抗匹配電路，包含：複數電路分支，包含一第一電路分支及與該第一電路分支並聯之一第二電路分支，該第一電路分支包含一第一可調電感性單元串聯一第一頻率選擇單元，該第一可調電感性單元為一第一電感器串聯一第一可調電容器，該第一可調電容器的一端與一接地端連接，且該第一頻率選擇單元為一電感器，該第二電路分支包含一第二可調電感性單元串聯一第二頻率選擇單元，該第二可調電感性單元為一第二電感器串聯一第二可調電容器，該第二可調電容器的一端與該接地端連接，且該第二頻率選擇單元為一電容器。
如申請專利範圍第1項所述之阻抗匹配電路，其中該些電路分支更包含一第三電路分支，該第三電路分支與該第一電路分支及該第二電路分支並聯，且該第三電路分支包含一第三可調電感性單元串聯一第三頻率選擇單元，該第三可調電感性單元為一第三電感器串聯一第三可調電容器，該第三可調電容器的一端與該接地端連接，且該第三頻率選擇單元為一電容器或一電感器。
如申請專利範圍第1項所述之阻抗匹配電路，更包含：一電容單元，其分別與該第一電路分支、該第二電路分支及該寬頻天線之一天線負載阻抗電性連接。
如申請專利範圍第.2項所述之阻抗匹配電路，更包含：一電容單元，其分別與該第一電路分支、該第二電路分支、該第三電路分支及該寬頻天線之一天線負載阻抗電性連接。
如申請專利範圍第1項所述之阻抗匹配電路，更包含：一電容單元，其分別與該第一電路分支、該第二電路分支及一系統阻抗電性連接。
如申請專利範圍第2項所述之阻抗匹配電路，更包含：一電容單元，其分別與該第一電路分支、該第二電路分支、該第三電路分支及一系統阻抗電性連接。
如申請專利範圍第3項或第4項所述之阻抗匹配電路，其中該電容單元包含一電容器。
如申請專利範圍第5項或第6項所述之阻抗匹配電路，其中該電容單元包含一電容器。
一種可調天線裝置，包含：一寬頻天線，具有一饋入端；以及如申請專利範圍第1項至第6項任一項所述之一阻抗匹配電路，其與該饋入端電性耦接。