TWI531123B - Multi - frequency resonant antenna - Google Patents

Description

多頻共振天線

本創作是關於一種天線，特別是指多頻共振天線。

無線通訊技術與無線網路早以深入人類的生活中，使用者利用無線通訊裝置，諸如手機、平板電腦或筆記型電腦等可攜式行動裝置連線至雲端網路，即可執行上網功能。

天線係無線通訊裝置必備的元件，一般若將天線設置在一基板之角落處，會具有最佳的收發效果。現有天線主要是製作成二維結構，亦即在一基板上設置複數個輻射段，藉由輻射段的幾何形狀、長度、寬度與連接等設計，可讓天線操作在一特定的頻帶。

然而，二維結構的天線只能單頻操作，隨著科技的進展，現有單頻天線已不敷使用。雖然現有三維結構的天線可以達到多頻帶之操作，但三維結構天線的尺寸勢必大於二維結構天線的尺寸。基於天線安裝空間的考量，因此無線通訊裝置通常傾向使用二維結構的天線，導致無線通訊裝置的功能受到二維結構天線限制，造成應用上的困擾。

本創作的主要目的是提供一種多頻共振天線，用於改善二維結構的天線僅能應用在單一頻帶導致功能受限的缺點。

本創作多頻共振天線設於一介質基板表面的角落處，該多頻共振天線包含有：一介質基板；一系統接地層，形成在該介質基板表面，且在該介質基板的角落處具有一淨空區，該系統接地層具有一第一接地段與一第二接地段，該第一接地段係從第二接地段的側邊延伸；一信號饋入件，係設置在該介質基板上且位於該淨空區中，該信號饋入件具有一第一端與一第二端，該第一端電性連接該第一接地段；一天線本體，係設置在該介質基板上且位於該淨空區中，該天線本體包含有：一第一輻射段，具有一第一端與一第二端，該第一端電性連接該信號饋入件的第二端，第一輻射段的第二端係朝第一接地段的相反方向延伸；一第二輻射段，具有一第一端與一第二端，該第一端係與第一輻射段的第二端電性連接，該第二端係朝第二接地段的相反方向延伸；一第三輻射段，具有一第一端與一第二端，該第一端係與第二輻射段的第二端電性連接，該第二端係朝第一接地段方向延伸且與第一接地段保持一間隔；一第四輻射段，具有一第一端與一第二端，該第 一端係與第一輻射段的第二端電性連接，該第二端係朝第二接地段的方向延伸且與第二接地段保持一間隔；以及一第五輻射段，位在第一接地段與第一輻射段之間且具有一第一端與一第二端，該第一端係與第一接地段電性連接，該第二端係朝第一接地段的相反方向延伸；以及一電容晶片，係設置在該介質基板上且位於該淨空區中，該電容晶片具有一第一端與一第二端，該第一端係電性連接該第四輻射段與第五輻射段的第二端，該電容晶片的第二端電性連接該第二接地段。

根據本創作的結構，第一輻射段、第四輻射段、電容晶片與系統接地層構成一低頻路徑，當低頻信號從信號饋入件進入本創作時，低頻信號係沿著低頻路徑共振；此外，第一輻射段、第二輻射段與第三輻射段構成一高頻路徑，當高頻信號從信號饋入件進入本創作時，高頻信號係沿著高頻路徑共振，使本創作可同時應用在低頻頻帶與高頻頻帶，解決現有天線僅能操作再單一頻帶的缺點，且系統接地層、信號饋入件、天線本體與電容晶片係位在同一平面上而能實現平面化的要求。

10‧‧‧介質基板

11‧‧‧系統接地層

12‧‧‧天線本體

111‧‧‧第一接地段

112‧‧‧第二接地段

113‧‧‧淨空區

120‧‧‧信號饋入件

121‧‧‧第一輻射段

122‧‧‧第二輻射段

123‧‧‧第三輻射段

124‧‧‧第四輻射段

125‧‧‧第五輻射段

126‧‧‧電容晶片

127‧‧‧匹配元件

圖1：本創作第一較佳實施例的上視示意圖。

圖2：本創作第一較佳實施例的側視示意圖。

圖3：本創作第一較佳實施例的平面示意圖。

圖4：本創作第二較佳實施例的平面示意圖。

圖5：本創作等效LC共振迴路示意圖。

圖6：第二接地段長度與低頻頻帶、高頻頻帶波形圖。

圖7：電容晶片電容量與低頻頻帶波形圖。

圖8：電容晶片電容量與低頻頻帶、高頻頻帶波形圖。

圖9：本創作等效PIFA示意圖。

圖10：第三輻射段寬度與低頻頻帶、高頻頻帶波形圖。

圖11：第三輻射段寬度與低頻頻帶、高頻頻帶波形圖。

圖12：匹配元件與低頻頻帶、高頻頻帶波形圖。

請參考圖1至圖3所示，本創作多頻共振天線包含有一介質基板10、一系統接地層11、一信號饋入件120、一天線本體12與一電容晶片126。

該系統接地層11形成在該介質基板10上且在在介質基板10的角落處具有未接地的一淨空區113。本較較佳實施例中，該系統接地層11具有一第一接地段111與一第二接地段112，該第一接地段111係從第二接地段112的側邊延伸。

該信號饋入件120係設置在該介質基板10上且位於該淨空區113中，該信號饋入件120具有一第一端與一第二端，該第一端電性連接該第一接地段111。該信號饋入件120可為同軸傳輸線、微帶線、共平面波導或SMA接頭。

該天線本體12係設置在該介質基板10的表面且位在該淨空區113中。該天線本體12包含有一第一輻射段121、一第二輻射段122、一第三輻射段123、一第四輻 射段124與一第五輻射段125，如圖4所示，於第二較佳實施例中，該天線本體12可進一步包含一匹配元件127。

該第一輻射段121具有一第一端與一第二端，該第一端電性連接該信號饋入件120的第二端，第一輻射段121的第二端係朝第一接地段111的相反方向延伸。

該第二輻射段122具有一第一端與一第二端，該第一端係與第一輻射段121的第二端電性連接，該第二端係朝第二接地段112的相反方向延伸。

該第三輻射段123具有一第一端與一第二端，該第一端係與第二輻射段122的第二端電性連接，該第二端係朝第一接地段111方向延伸且與第一接地段111保持一間隔。

該第四輻射段124具有一第一端與一第二端，該第一端係與第一輻射段121的第二端電性連接，該第二端係朝第二接地段112的方向延伸且與第二接地段112保持一間隔。

該第五輻射段125位在第一接地段111與第一輻射段121之間且具有一第一端與一第二端，該第一端係與第一接地段111電性連接，該第二端係朝第一接地段111的相反方向延伸。

該匹配元件127連接在該第一輻射段121與第五輻射段125之間。

該電容晶片126係設置在該介質基板10上且位於該淨空區113中，該電容晶片126具有一第一端與一第二端，該第一端係電性連接該第四輻射段124與第五輻 射段的第二端，該電容晶片126的第二端電性連接該第二接地段112的邊緣處。

本創作可操作在低頻共振模態或高頻共振模態。

(一)低頻共振模態

請參考圖5所示，當低頻信號進入信號饋入件120後，第一輻射段121、第四輻射段124、電容晶片126與系統接地層11等效為LC共振迴路，如圖3所示，藉由調整第二接地段112的長度(L)，可調整低頻操作頻帶。請參考圖6所示之波形圖，在低頻(約2.5GHz)中，當第二接地段112的長度分別為6mm、5.5mm與5mm時，低頻操作頻帶係逐漸提高。

低頻操作頻帶的調整除了透過前述改變第二接地段112的長度外，還可改變電容晶片126的電容量，請參考圖7所示，細實線代表電容晶片126的電容量C1為最高，虛線代表的電容量C2為最低，隨著電容晶片126的電容量增加，低頻操作頻帶逐漸降低。

此外，請參考圖8所示，粗實線代表電容晶片126的電容量C3最高，兩點鍊線代表的電容量C4最低，由圖8可以觀察出，當電容晶片126的電容量改變時，高頻之操作頻率亦隨之改變，且為非線性的改變。例如當電容晶片126的電容量最高時雖然具有最高的低頻頻帶，其高頻頻帶係落在最高與最低高頻頻帶之間。

(二)高頻共振模態

請參考圖9，當高頻信號進入信號饋入件120 後，第一輻射段121、第二輻射段122與第三輻射段123等效為平面倒F型天線(PIFA,Planar Inverted-F Antenna,PIFA)，藉由調整第三輻射段123的寬度(W)，可調整高頻的操作頻帶。請參考圖10所示之波形圖，舉例來說，當第三輻射段123的寬度為一預設寬度L時，操作頻段約為5.75GHz；當第三輻射段123的寬度比預設寬度寬0.3mm時，操作頻段約為5.5GHz；當第三輻射段123的寬度比預設寬度寬0.6mm時，操作頻段約為5.25GHz，當第三輻射段123的寬度比預設寬度少0.3mm時，操作頻段約為6GHz；當第三輻射段123的寬度比預設寬度少0.6mm時，操作頻段約為6.3GHz。

由上述可知，第三輻射段123的寬度與高頻操作頻段成反比，即第三輻射段123的寬度越窄，高頻操作頻段越高。此外，請參考圖11所示，粗實線代表第三輻射段123的寬度最長(Lmax)，兩點鍊線代表第三輻射段123的寬度最短(Lmin)，由圖11可以觀察出，當第三輻射段123的寬度改變時，雖然高頻操作頻帶隨之改變，但低頻操作頻帶係沒有受到影響。

該匹配元件127可為短路元件或電感元件，匹配元件127在低頻共振模態與高頻共振模態係有阻抗匹配的作用。請參考圖12所示的波形圖，當匹配元件127為短路元件時，高頻操作頻帶約為5.55GHz；當匹配元件127為1nH的電感元件時，高頻操作頻帶約為5.4GHz；當匹配元件127為3nH的電感元件時，高頻操作頻帶約為5.1GHz。

綜上所述，本創作能在有限的空間內實現，且 匹配元件127可在低頻與高頻共振模態達到阻抗匹配的效果，且透過調整第二接地段111的長度、電容晶片126的電容量與第三輻射段123的寬度，可分別改變低頻與高頻操作頻帶，操作頻帶的設計較為彈性，而可符合各種操作需求。

10‧‧‧介質基板

11‧‧‧系統接地層

12‧‧‧天線本體

111‧‧‧第一接地段

112‧‧‧第二接地段

113‧‧‧淨空區

120‧‧‧信號饋入件

121‧‧‧第一輻射段

122‧‧‧第二輻射段

123‧‧‧第三輻射段

124‧‧‧第四輻射段

125‧‧‧第五輻射段

126‧‧‧電容晶片

Claims (7)

1. 一種多頻共振天線，其包含有：一介質基板；一系統接地層，形成在該介質基板表面，且在該介質基板的角落處具有一淨空區，該系統接地層具有一第一接地段與一第二接地段，該第一接地段係從第二接地段的側邊延伸；一信號饋入件，係設置在該介質基板上且位於該淨空區中，該信號饋入件具有一第一端與一第二端，該第一端電性連接該第一接地段；一天線本體，係設置在該介質基板上且位於該淨空區中，該天線本體包含有：一第一輻射段，具有一第一端與一第二端，該第一端電性連接該信號饋入件的第二端，第一輻射段的第二端係朝第一接地段的相反方向延伸；一第二輻射段，具有一第一端與一第二端，該第一端係與第一輻射段的第二端電性連接，該第二端係朝第二接地段的相反方向延伸；一第三輻射段，具有一第一端與一第二端，該第一端係與第二輻射段的第二端電性連接，該第二端係朝第一接地段方向延伸且與第一接地段保持一間隔；一第四輻射段，具有一第一端與一第二端，該第一端係與第一輻射段的第二端電性連接，該第二端係朝第二接地段的方向延伸且與第二接地段保持一間隔；以及一第五輻射段，位在第一接地段與第一輻射段之 間且具有一第一端與一第二端，該第一端係與第一接地段電性連接，該第二端係朝第一接地段的相反方向延伸；以及一電容晶片，係設置在該介質基板上且位於該淨空區中，該電容晶片具有一第一端與一第二端，該第一端係電性連接該第四輻射段與第五輻射段的第二端，該電容晶片的第二端電性連接該第二接地段。
2. 如請求項1所述之多頻共振天線，係進一步包含有一匹配元件，該匹配元件連接在該第一輻射段與第五輻射段之間。
3. 如請求項1或2所述之多頻共振天線，其中該信號饋入件為同軸傳輸線、微帶線、共平面波導或SMA接頭。
4. 如請求項3所述之多頻共振天線，其中該第一輻射段、第四輻射段、電容晶片與系統接地層等效為LC共振迴路。
5. 如請求項4所述之多頻共振天線，其中該第一輻射段、第二輻射段與第三輻射段等效為PIFA天線。
6. 如請求項2所述之多頻共振天線，該匹配元件為一短路元件。
7. 如請求項2所述之多頻共振天線，該匹配元件為一電感元件。