TWI524594B - Miniaturized planar multi - frequency antenna - Google Patents

Description

小型化平面多頻天線

本發明係有關一種行動無線寬頻天線結構，特別是指一種可操作於WWAN之五頻規範頻帶及涵蓋到低頻LTE 700頻帶，甚至進一步包含到高頻LTE 2300與LTE 2500之六頻規範頻帶到八頻規範頻帶之小型化平面天線。

按，為迎接高科技時代的來臨，行動辦公室的理念已成為現今與未來的趨勢，個人行動通訊儼然成為最重要的一環。各式各樣的行動通訊產品為求多功能性與方便性，不斷推陳出新，舉凡手機、平板電腦與筆記型電腦等產品，都逐漸成為人手一機、不可或缺的隨身物品。同時隨著行動通訊產品功能的突破進化，其密不可分的行動通訊系統也相應地發展出來。

行動通訊系統的演進可區分為第一代(1G)、第二代(2G)、第三代(3G)與未來的***(4G)行動通訊系統等；其中，第三代行動通訊系統所涵蓋之五個頻帶綜合而成之低頻與高頻應用頻帶的中心頻率與頻寬分別為892 MHz(15.2%)與1940 MHz(23.7%)。具備3G行動通訊系統功能之設備，將可建構一個無線廣域網路(Wireless Wide Area Network,WWAN)，如此即可透過此裝置隨時隨地無線上網。

然而，現今諸如高速鐵路快速移動之交通工具等生活上普遍使用到的設施，以既有之3G系統常會發生收訊不良或斷訊等困擾，因此能滿足更多元化生活需求的4G系統在未來將是大家所引頸期盼的。

***行動通訊系統(4G)未來將發展一個除了包含既有的第三代行動通訊系統的五個頻帶外，再加入長期演進技術(Long Term Evolution,LTE)的三個規範頻帶；分別為美規LTE 700(698~787 MHz)、中國LTE 2300(2300~2395 MHz)、歐規LTE 2500(2500~2690 MHz)等八個規範頻帶所綜合而成之698~960 MHz與1710~2690 MHz等兩個應用頻帶，其中心頻率與百分比頻寬分別為829 MHz(31.6%)與2200 MHz(44.5%)。

邁入4G時代的通訊系統的資料傳輸率將可達到目前3G網路的數十倍，甚至可以達到上傳速度50 Mbps與下傳速度100 Mbps以上，並且更具備因應移動的能力，可適用於現今高速交通工具，以保持通訊品質不中斷。此外，在4G行動通訊系統中，不但降低了設置基地臺的成本，直接架構於GSM手機系統上，只要將既有的3G/3.5G基地臺升級成為4G基地臺，在任何有手機基地臺訊號的地方都可以接收到高速的網路訊號，極適合於未來資訊產業講求如何以最低成本去追求一個高資料傳輸率與多功能服務功能的趨勢，因此將革除3G的瓶頸而邁入一個4G的時代。

由於不同國家使用相異的行動通訊系統與操作頻帶，這對於需輾轉世界各地的人們將會造成不必要的困擾，因此有必要整合各種系統均可使用的行動通訊裝置。這些行動通訊裝置中，最炙手可熱的非手機與筆記型電腦莫屬。兩者相較，手機雖然已大量應用於通訊、收發訊息、網路資訊等功能，筆記型電腦則不但囊括了手機通訊的功能，更具有處理工作報表與資料等功能。對於一位外地出差的上班族或是各地旅遊的達人，筆記型電腦除了可掌握到最新的訊息外，也可提供工作所需的即時文書處理功能。

隨著上述這些行動通訊裝置不斷在功能性、方便性、外觀輕巧化且便利攜帶性等方面推陳出新，它們所用的天線也由外露式發展為內藏式，且對尺寸縮小化與薄形化的要求也越來越嚴苛，因此日後如何在日趨要求近乎無厚度的有限空間內，避免遭受週邊裝置的影響而劣化天線的性能，滿足具有更高傳輸率的***行動通訊(4G)系統的操作頻寬，將會是未來的天線設計必須面對的一大挑戰。故，如何設計出應用於筆記型電腦上且滿足未來4G應用的小型平面式多頻帶天線已為業界及學術界極力研發的主軸。

有鑑於此，本發明即在提供一種可操作於WWAN之五頻規範頻帶及涵蓋到低頻LTE 700頻帶，甚至進一步包含到高頻LTE 2300與LTE 2500之六頻規範頻帶到八頻規範頻帶之小型化平面天線，為其主要目的者。

為達上揭目的，本發明之小型化平面多頻天線係包括有：一基材、一饋入金屬微帶、一切斷式迴圈金屬微帶、一共振金屬微帶、一馬刺形金屬微帶，以及延伸金屬帶結構；其中，該基材係為概呈長條狀之介質基材。該饋入金屬微帶係設於該基材上，其依序形成有一概自基材前緣中段處朝基材內側方向延伸預定長度之第一起始區段、及一轉而朝基材右側方向延伸至基材邊緣之第一伸展區段。該切斷式迴圈金屬微帶係設於該基材上，其依序形成有一概與饋入金屬微帶第一伸展區段平行之第二起始區段、一轉而自基材右側邊緣延伸至基材後緣之第一接續區段、一沿著基材後緣延伸至基材左側邊緣之主區段、及一沿著基材左側邊緣延伸至基材前緣之第二伸展區段。該共振金屬微帶係設於該基材上，其依序形成有一概自該饋入金屬微帶之第一起始區段處朝饋入金屬微帶第一伸展區段相反走向延伸預定長度之第三起始區段、一轉而朝向基材內側延伸預定長度之第二接續區段、及一轉朝向起始點的方向延伸預定長度並概與第三起始區段平行之第三伸展區段。該馬刺形金屬微帶設於該基材上，其依序形成有一概自該共振金屬微帶第三伸展區段中段處朝基材前緣延伸預定長度之第四起始區段、及一轉朝基材右側延伸預定長度之第四伸展區段；以及該馬刺形金屬微帶在其第四伸展區段近中段處形成一寬度增加之階級，該階級係延伸至第四伸展區段尾端成為一延伸金屬帶結構。

本發明之小型化平面多頻天線即以該饋入金屬微帶之第一起始區段前端為饋入點，另以切斷式迴圈金屬微帶之第二伸展區段末端為接地點，透過饋入金屬微帶與切斷式迴圈金屬微帶之區隔將切斷式迴圈金屬微帶之原始直接饋入結構改為耦合式饋入結構，以激發低頻共振模態，且設計一組雙耦合式饋入結構來激發四個共振模態。

並藉由該馬刺形金屬微帶，可增加800 MHz~965 MHz低頻帶之電感性阻抗，使675~965 MHz達成VSWR<3的阻抗匹配。同時，不但使高頻第二模態(共振在2540 MHz)移向2150 MHz且改善附近激烈變化的阻抗曲線，而產生了雙共振現象，使得1670~2900 MHz皆能達成VSWR<3的阻抗匹配，如此使本發明之小型化平面多頻天線可涵蓋到LTE 700/GSM 850/GSM 900/GSM 1800/GSM 1900/UMTS/LTE 2300/LTE 2500等八個規範頻帶。

具體而言，本發明利用上述設計可獲致一種尤適合應用於4G八頻平面式筆記型電腦之小型化平面多頻天線，此一小型化平面多頻天線僅用55×8 mm²的平面尺寸即可得到在VSWR≦3標準下包含675~965 MHz與1670~2900 MHz的阻抗頻帶範圍。這個操作頻帶範圍可涵蓋LTE 700/GSM 850/GSM 900/GSM 1800/GSM 1900/UMTS/LTE 2300/LTE 2500等八個規範頻帶。

本發明之特點，可參閱本案圖式及實施例之詳細說明而獲得清楚地瞭解。

本發明主要提供一種可操作於WWAN之五頻規範頻帶及涵蓋到低頻LTE 700頻帶，甚至進一步包含到高頻LTE 2300與LTE 2500之六頻規範頻帶到八頻規範頻帶之小型化平面天線。如第一圖本發明中小型化平面天線之結構立體圖所示，本創作之小型化平面天線基本上包括有：一基材10、一饋入金屬微帶20、一切斷式迴圈金屬微帶30，以及一共振金屬微帶40；其中：該基材10係為概呈長條狀之介質基材，於實施時，該基材10係可架設於一接地金屬面60上；該基材10係可以為一外形尺寸為55 mm×8 mm×0.4 mm之FR4介質基板；至於，該接地金屬面60係可為一外形尺寸為260mm×200 mm×0.2 mm之銅板；以及，整體天線之饋入訊號係可以利用一沿著接地金屬面60邊緣佈線的導線70連接。

該饋入金屬微帶20係設於該基材10上，其依序形成有一概自基材10前緣中段處朝基材10內側方向延伸預定長度之第一起始區段21(A點~B點)、及一轉而朝基材10右側方向延伸至基材10邊緣之第一伸展區段22(B點~C點)。

該切斷式迴圈金屬微帶30係設於該基材10上，其依序形成有一概與饋入金屬微帶20第一伸展區段22平行之第二起始區段31(D點~E點)、一轉而自基材10右側邊緣延伸至基材10後緣之第一接續區段32(E點~F點)、一沿著基材10後緣延伸至基材10左側邊緣之主區段33(F點~G點)、及一沿著基材10左側邊緣延伸至基材10前緣之第二伸展區段34(G點~H點)。

該共振金屬微帶40係設於該基材10上，其依序形成有一概自該饋入金屬微帶20之第一起始區段21處朝饋入金屬微帶20第一伸展區段22相反走向延伸預定長度之第三起始區段41(A點~I點)、一轉而朝向基材10內側延伸預定長度之第二接續區段42(I點~J點)、及一轉朝向起始點的方向延伸預定長度並概與第三起始區段41平行之第三伸展區段43(J點~K點)。

進一步包括有一馬刺形金屬微帶50，該馬刺形金屬微帶50係設於該基材10上，其依序形成有一概自該共振金屬微帶40第三伸展區段43中段處朝基材10前緣延伸預定長度之第四起始區段51(L點~M點)、及一轉朝基材10右側延伸預定長度之第四伸展區段52(M點~N點)，並在其第四伸展區段52近中段處形成一寬度增加之階級，該階級係延伸至第四伸展區段52尾端成為一延伸金屬帶結構53(N點~O點)；該延伸金屬帶結構53所增加的寬度係為馬刺形金屬微帶50寬度的三分之五倍為佳。

原則上，本發明之小型化平面多頻天線即以該饋入金屬微帶20之第一起始區段21前端為饋入點(A點)，另以切斷式迴圈金屬微帶30之第二伸展區段34末端為接地點(H點)，透過饋入金屬微帶20與切斷式迴圈金屬微帶30之區隔將切斷式迴圈金屬微帶30之原始直接饋入結構改為耦合式饋入結構，以激發低頻共振模態，且設計一組雙耦合式饋入結構來激發四個共振模態，藉此來形成兩個寬的阻抗頻帶以涵蓋4G應用之八個規範頻帶。

而本發明小型化平面式多頻天線的發展過程，如第二圖(A)~(D)所示，首先以一個饋入金屬微帶20為起始結構。如第二圖(A)所示，該饋入金屬微帶20的印製路徑為A-B-C-F-G-H段，線寬為1 mm且總長度為96 mm；其中A點為饋入點，H點為接地點。饋入金屬微帶20可在較高頻的規範頻帶範圍內(1710~2690 MHz)激發二個模態(分別稱為高頻帶第一與第二模態)。

為在較低頻的規範頻帶範圍內(698~960 MHz)新產生一個共振模態(稱為低頻帶第一模態)，發展一個切斷式迴圈金屬微帶30。可如第二圖(B)所示，在饋入金屬微帶20路徑上的適當處斷開，且將饋入金屬微帶20的直接饋入結構設計為一個耦合式饋入結構。路徑斷開處(E點)是在饋入金屬微帶20路徑C-F段上的F點下方3 mm處，且由此向左延伸一段長度後至D點，形成A-B-C段及D-E-F-G-H段兩條分離的金屬微帶。

為在較低頻的規範頻帶範圍內再產生一個共振模態(稱為低頻帶第二模態)，以便涵蓋所需的698~960 MHz的阻抗頻寬，後續將饋入金屬微帶20延伸發展為一個共振金屬微帶40。該天線如第二圖(C)所示是在該饋入金屬微帶20上的A點向左延伸至I點，再向上及向右分別延伸至J點與K點，形成由標示點B-I-J-K區段組成的倒U形共振金屬微帶40。

接著於第二圖(D)所示的L點處延伸出去一條馬刺形金屬微帶50(L-M-N-O線段)。同時，在馬刺形金屬微帶50中之N-O段(N-O段的長度為馬刺形結構長度之一半)朝垂直於M-O線段的方向加寬，使得其中的N-O段的寬度較M-N段寬。藉由上述設計步驟可達成涵蓋兩個寬頻應用頻帶(698~960 MHz與1710~2690 MHz)的平面式天線設計。

如第三圖係為模擬本發明中小型化平面多頻天線發展過程中的第二圖(C)與第二圖(D)的結構所得之阻抗頻率響應圖：(a)反射損失圖；(b)實部阻抗圖；(c)虛部阻抗圖，由模擬結果可知，由於本發明之小型化平面多頻天線當中所使用之基材10厚度僅具有0.4 mm，且基材10之面積僅為55×8 mm²，因此當天線發展至第二圖(C)的結構時，低頻帶僅能涵蓋670~830 MHz，而高頻帶則僅涵蓋1670~2210 MHz與2530~2770 MHz，無法完全涵蓋高頻應用頻帶(1710 MHz~2690 MHz)。藉由馬刺形金屬微帶50的加入，成為第二圖(D)的結構；也就是本發明之小型化平面多頻天線，可增加第二圖(C)的結構在800 MHz~965 MHz低頻帶之電感性阻抗，因此使675~965 MHz皆能達成VSWR<3的阻抗匹配。同時，本發明之小型化平面多頻天線也將改善第二圖(C)的結構呈激烈變化的阻抗曲線，不但使其移向2150 MHz且將阻抗振幅平緩化，產生了雙共振現象，使得1670~2900 MHz皆能達成VSWR<3的阻抗匹配，如此使本發明之小型化平面多頻天線可涵蓋到LTE 700/GSM 850/GSM 900/GSM 1800/GSM 1900/UMTS/LTE 2300/LTE 2500等八個規範頻帶。

另，如第四圖所示，係為本發明之小型化平面多頻天線具有不同長度的50歐姆同軸傳輸導線時，量測與模擬所得之反射損失圖；分別以520 mm與720 mm等不同長度的50歐姆同軸傳輸導線饋入至本發明之小型化平面多頻天線並量測其特性。傳輸線之饋入訊號端連接於饋入點(A點)，接地編織網則是焊接於接地點(H點)附近的天線金屬接地面上。此50歐姆同軸傳輸導線將沿著筆記型電腦銀幕背面接地面之上緣往右端方向佈線，且沿著天線金屬接地面的右邊緣至右下角，再連接至網路分析儀之測試端。由第四圖量測與模擬所得之反射損失圖所示，當傳輸導線長度為520 mm或720 mm時，天線反射損失相較於模擬結果(不具50歐姆同軸傳輸導線)而言，傳輸導線長度愈長，損耗愈大，因此阻抗匹配程度愈佳。雖然如此，實測結果與模擬結果皆能涵蓋低頻應用頻帶(698~960 MHz)與高頻應用頻帶(1710~2690 MHz)等八個頻規範頻帶之阻抗匹配。

在本實施例中，該基材10同樣係可架設於一接地金屬面60上；該基材10係可以為一外形尺寸為55 mm×8 mm×0.4 mm之FR4介質基板；至於，該接地金屬面60係可為一外形尺寸為260mm×200 mm×0.2 mm之銅板；以及，整體天線之饋入訊號係可以利用一沿著接地金屬面60邊緣佈線的導線70連接。

具體而言，本發明利用上述設計可獲致一種尤適合應用於4G八頻平面式筆記型電腦之小型化平面多頻天線，此一小型化平面多頻天線僅用55×8 mm²的平面尺寸即可得到在VSWR≦3標準下包含675~965 MHz與1670~2900 MHz的阻抗頻帶範圍。這個操作頻帶範圍可涵蓋LTE 700/GSM 850/GSM 900/GSM 1800/GSM 1900/UMTS/LTE 2300/LTE 2500等八個規範頻帶。

值得一提的是，上述55×8 mm²的平面尺寸並非為本發明中基材10唯一可行之尺寸限制。在其他同樣可行之平面尺寸條件下，該饋入金屬微帶20之第一伸展區段22與該切斷式迴圈金屬微帶30之第二起始區段31之間隔保持在0.5mm；該切斷式迴圈金屬微帶30之主區段33與該共振金屬微帶40之第三伸展區段43間隔保持在0.5mm；以及，該饋入金屬微帶20之第一起始區段21前端與基材前緣距離保持在0.5mm為佳。

再者，當該基材10之面積為55×8 mm²的平面尺寸時，各金屬微帶之尺寸可以為如下之配置設計：該饋入金屬微帶20之第一起始區段21寬度為1mm、長度為3mm；該饋入金屬微帶20之第一伸展區段22寬度為1mm、長度為24mm；該切斷式迴圈金屬微帶30之第二起始區段31寬度為1mm、長度為15mm；該切斷式迴圈金屬微帶30之第一接續區段32寬度為1mm、長度為3mm；該切斷式迴圈金屬微帶30之主區段33寬度為1mm、長度為54mm；該切斷式迴圈金屬微帶30之第二伸展區段34寬度為1mm、長度為7mm。

另外，該共振金屬微帶40之第三起始區段41寬度為0.5mm、長度為24mm；該共振金屬微帶40之第二接續區段42寬度為1mm、長度為6mm；該共振金屬微帶40之第三伸展區段43寬度為1mm、長度為25.5mm。

至於，該馬刺形金屬微帶50之第四起始區段51寬度為1mm、長度為2mm；該馬刺形金屬微帶50之第四伸展區段52寬度為1mm、長度為15mm；該延伸金屬帶結構53之寬度為1.5mm、長度為8mm。

此外，在本發明之天線設計上要注意的是馬刺形金屬微帶之第四起始區段51與該共振金屬微帶之第二接續區段42須保持適當的距離，這是為了避免兩段金屬微帶靠得太近而將低頻第二模態電流分佈直接由該第二接續區段42耦合至該第四起始區段51，導致該模態的共振頻率升高，而本實施例中，該馬第四起始區段51與該第二接續區段42之間距以7mm為佳。

綜上所述，本發明提供一較佳可行之小型化平面多頻天線，爰依法提呈發明專利之申請；本發明之技術內容及技術特點巳揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之揭示而作各種不背離本案發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

10．．．基材

20．．．饋入金屬微帶

21．．．第一起始區段

22．．．第一伸展區段

30．．．切斷式迴圈金屬微帶

31．．．第二起始區段

32．．．第一接續區段

33．．．主區段

34．．．第二伸展區段

40．．．共振金屬微帶

41．．．第三起始區段

42．．．第二接續區段

43．．．第三伸展區段

50．．．馬刺形金屬微帶

51．．．第四起始區段

52．．．第四伸展區段

53．．．延伸金屬帶結構

60．．．接地金屬面

70．．．導線

第一圖係為本發明中小型化平面天線之結構立體圖。

第二圖係為本發明中小型化平面天線的發展過程示意圖。

第三圖係為模擬本發明中小型化平面多頻天線發展過程的第二圖(C)結構與第二圖(D)結構所得之阻抗頻率響應圖。

第四圖係為本發明中小型化平面多頻天線進行量測與模擬所得之反射損失圖。

10．．．基材

20．．．饋入金屬微帶

21．．．第一起始區段

22．．．第一伸展區段

30．．．切斷式迴圈金屬微帶

31．．．第二起始區段

32．．．第一接續區段

33．．．主區段

34．．．第二伸展區段

40．．．共振金屬微帶

41．．．第三起始區段

42．．．第二接續區段

43．．．第三伸展區段

50．．．馬刺形金屬微帶

51．．．第四起始區段

52．．．第四伸展區段

53．．．延伸金屬帶結構

60．．．接地金屬面

70．．．導線

Claims (8)

1. 一種小型化平面多頻天線係包括有：一基材，為概呈長條狀之介質基材；一饋入金屬微帶，設於該基材上，其依序形成有一概自基材前緣中段處朝基材內側方向延伸預定長度之第一起始區段、及一轉而朝基材右側方向延伸至基材邊緣之第一伸展區段，其中以該饋入金屬微帶之第一起始區段前端為饋入點；一切斷式迴圈金屬微帶，設於該基材上，其依序形成有一概與饋入金屬微帶第一伸展區段平行之第二起始區段、一轉而自基材右側邊緣延伸至基材後緣之第一接續區段、一沿著基材後緣延伸至基材左側邊緣之主區段、及一沿著基材左側邊緣延伸至基材前緣之第二伸展區段，其中以該切斷式迴圈金屬微帶之第二伸展區段末端為接地點；一共振金屬微帶，設於該基材上，其依序形成有一概自該饋入金屬微帶之第一起始區段處朝饋入金屬微帶第一伸展區段相反走向延伸預定長度之第三起始區段、一轉而朝向基材內側延伸預定長度之第二接續區段、及一轉朝向起始點的方向延伸預定長度並概與第三起始區段平行之第三伸展區段；一馬刺形金屬微帶，設於該基材上，其依序形成有一概自該共振金屬微帶第三伸展區段中段處朝基材前緣延伸預定長度之第四起始區段、及一轉朝基材右側延伸預定長度之第四伸展區段；以及該馬刺形金屬微帶在其第四伸展區段近中段處形成一寬度增加之階級，該階級係延伸至第四伸展區段尾端成為一延 伸金屬帶結構。
2. 如申請專利範圍第1項所述小型化平面多頻天線，其中，該延伸金屬帶結構所增加的寬度係為馬刺形金屬微帶寬度的三分之五倍。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述小型化平面多頻天線，其中，該饋入金屬微帶之第一伸展區段與該切斷式迴圈金屬微帶之第二起始區段係間隔0.5mm，該切斷式迴圈金屬微帶之主區段與該共振金屬微帶之第三伸展區段間隔0.5mm，該饋入金屬微帶之第一起始區段前端與基材前緣距離0.5mm。
4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述小型化平面多頻天線，其中，該基材係架設於一接地金屬面上，整體天線之饋入訊號係以一沿著接地金屬面邊緣佈線的導線連接。
5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述小型化平面多頻天線，其中，該基材之面積為55×8mm²；該饋入金屬微帶之第一起始區段寬度為1mm、長度為3mm；該饋入金屬微帶之第一伸展區段寬度為1mm、長度為24mm；該切斷式迴圈金屬微帶之第二起始區段寬度為1mm、長度為15mm；該切斷式迴圈金屬微帶之第一接續區段寬度為1mm、長度為3mm；該切斷式迴圈金屬微帶之主區段寬度為1mm、長度為54mm；該切斷式迴圈金屬微帶之第二伸展區段寬度為1mm、長度為7mm；該共振金屬微帶之第三起始區段寬度為0.5mm、長度為24mm；該共振金屬微帶之第二接續區段寬度為1mm、長度為6mm；該共振金屬微帶之第三伸展區段寬度為1mm、長度為25.5mm。
6. 如申請專利範圍第5項所述小型化平面多頻天線，其中，該馬刺形金屬微帶之第四起始區段寬度為1mm、長度為 2mm；該馬刺形金屬微帶之第四伸展區段寬度為1mm、長度為15mm；該延伸金屬帶結構之寬度為1.5mm、長度為8mm。
7. 如申請專利範圍第1項或第2項所述小型化平面多頻天線，其中，該馬刺形金屬微帶之第四起始區段與該共振金屬微帶之第二接續區段之間距可以為7mm。
8. 如申請專利範圍第1項或第2項所述小型化平面多頻天線，其中，該基材可以為相對介電係數為4.4的FR4基材。