TWI555269B - Antenna device - Google Patents

Description

天線裝置

本發明係關於使用介電質天線的天線裝置。

以往，在通訊機器中，在被構裝在無線電路基板的天線元件之一，列舉有使用介電質的表面構裝型天線，所謂的介電質天線。該介電質天線係在介電質的基材設有進行天線動作的放射電極。此外，以往使用該介電質天線的單極型或倒F型的天線等開放型的天線形式為主流。

通常若為單極型或倒F型等開放型天線時，由於開放端的阻抗高，因此必須儘可能確保所構裝的天線元件與接地之間的距離為較長。因此，為了充分確保天線性能，必須在形成有接地面的基板中，除掉所構裝的天線元件的周邊的接地而使天線元件離開接地面。但是，實際上，若將介電質天線作為天線元件而構裝在基板上時，若考慮到機器小型化，作為天線可利用的空間(天線佔有區域)大部分受到限制，因天線元件周邊的接地的影響，會有天線性能無法充分發揮的不良情形。因此，為了儘可能減少接地的影響，大部份將構裝天線元件的位置構裝在基板的端部等。

因此，以往在例如專利文獻1中提出一種天線構造，其係在基體設有進行天線動作的電容饋電類型的放射電極，該基體係被裝載在電路基板的非接地區域，設有用以將 電路基板的接地電極與基體的放射電極作電性連接的接地用線。該天線構造的接地用線係形成為具有折返部的形狀。此外，在專利文獻2中記載一種天線構造，其係具有：進行天線動作的放射電極被形成在基體的表面構裝型天線；及具有形成有接地電極的接地區域與未形成有接地電極的非接地區域的基板，放射電極的一端側形成為被接地在接地電極的接地連接部。

(先前技術文獻) (專利文獻)

(專利文獻1)國際公開第WO2006/120762號

(專利文獻2)國際公開第WO2008/035526號

但是，在上述習知技術中，亦殘留有以下課題。

在上述專利文獻1所記載之技術中，由於天線性能大多取決於接地用線的折返部，因此會有依折返部的狀態而發生天線性能劣化或不安定要素增加的問題。亦即，必須確保折返部的長度而加大天線佔有區域，因此在天線佔有區域有限的情形下，並無法獲得充分的天線性能。

此外，在上述專利文獻2所記載之技術中，由基板上的饋電電極予以電容耦合，在天線元件本身沒有饋電點，放射電極直接與接地相連接，因此天線性能被接地面的狀態所左右，而會有難以改善天線性能的不良情形。其中， 為了調整共振頻率，經由電感器、電容器而與接地相連接的形態亦已有記載，但是抑制擴展至接地的高頻電流的流動變得較為困難，而仍然必須加大天線佔有區域。此外，由於抑制與接地的漂浮電容，因此取決於天線元件的放射份，且受到天線元件周邊狀態影響，而難以改善天線性能。

如上所示，以往為了改善天線性能，必須要有加大包含天線元件及周邊元件的天線佔有區域的對策，設計自由度小且天線性能的改善亦較為困難。

本發明係鑑於前述課題而研創者，目的在提供一種可以最大限度利用有限的天線佔有區域而確保充分的天線性能的天線裝置。

本發明係為解決前述課題而採用以下構成。亦即，本發明之天線裝置之特徵為具備有：絕緣性的基板本體；在該基板本體以金屬箔形成圖型的接地面；以未形成有該接地面的區域而言，在前述基板本體上與該基板本體的一邊相接而設的天線佔有區域；由該天線佔有區域朝向前述基板本體的一邊的相反方向延伸存在而在前述接地面空出的縫隙部；在該縫隙部內延伸存在，以金屬箔形成圖型，在基端側設有饋電點，並且在途中連接有第1被動元件，前端側朝向前述基板本體的一邊而延伸存在於前述天線佔有區域內的饋電圖型；由：介電質基體、形成在該介電質基 體的表面的導體圖型、及藉由該導體圖型而彼此相連接而形成在前述介電質基體之兩端的一對電極部所構成，並且在前述饋電圖型的前端部連接有一端的前述電極部，沿著前述基板本體的一邊所設置的介電質天線的天線元件；連接在該天線元件的另一端的前述電極部與所鄰接的前述接地面之間的第2被動元件；及將前述饋電圖型的前端部與前述天線元件的相反側的前述接地面相連接，以金屬箔形成圖型而具有電感成分的接地連接圖型。

在該天線裝置中係具備有：在天線佔有區域內延伸存在的饋電圖型的前端部連接有一端的電極部，沿著前述基板本體的一邊所設置的介電質天線的天線元件；連接在該天線元件的另一端的電極部與所鄰接的接地面之間的第2被動元件；及將饋電圖型的前端部與天線元件的相反側的接地面相連接而具有電感成分的接地連接圖型，因此可使電流分布集中在天線佔有區域內，並且抑制高頻電流對接地面的流動。亦即，亦可減低構裝時的周邊零件等的影響。

亦即，在本天線裝置中係產生：由藉由接地連接圖型所致之電感成分、藉由天線元件的一端的電極部(饋電端子)與接地面之間的間隙所致之漂浮電容所造成之天線元件與接地面之間的漂浮電容所得之並聯共振；藉由天線元件與第1被動元件所致之串聯共振；及藉由由第1被動元件透過饋電圖型、天線元件、第2被動元件及接地面的內緣部而至第1被動元件的迴圈形狀所致之共振。因此，藉 由在饋電圖型的左右分別所得的2種並聯共振，抑制擴展至接地面的高頻電流的流動，可以最大限度利用有限的天線佔有區域而得高天線性能。

此外，本發明之天線裝置中，前述饋電圖型延伸存在至前述基板本體的一邊，前述接地連接圖型與前述基板本體的一邊相接而形成。

亦即，在該天線裝置中，饋電圖型延伸存在至前述基板本體的一邊，接地連接圖型與前述基板本體的一邊相接而形成，因此藉由天線元件及接地連接圖型被配備在基板端，可以最大限度抽出天線元件的性能而加以利用。

藉由本發明，達成以下效果。

亦即，藉由本發明之天線裝置，由於具備有：在天線佔有區域內延伸存在的饋電圖型的前端部連接有一端的電極部，沿著前述基板本體的一邊所設置的介電質天線的天線元件；連接在該天線元件的另一端的電極部與所鄰接的接地面之間的第2被動元件；及將饋電圖型的前端部與天線元件的相反側的接地面相連接而具有電感成分的接地連接圖型，因此可抑制對接地面的高頻電流，並且即使為較小的天線佔有區域，亦可得高天線性能。

因此，本發明之天線裝置係即使省空間亦可實現最大限度的天線性能，且亦可得較高的設置自由度。

以下一面參照第1圖至第6圖，一面說明本發明之天線裝置之一實施形態。

如第1圖所示，本實施形態中的天線裝置1係具備有：絕緣性的基板本體2；以金屬箔形成圖型在該基板本體2的接地面GND；與該基板本體2的一邊2a相接設在基板本體2上來作為未形成有該接地面GND的區域的天線佔有區域AOA；由該天線佔有區域AOA朝向基板本體2的一邊2a的相反方向延伸存在而在接地面GND空出的縫隙部S；在該縫隙部S內延伸存在而以金屬箔形成圖型，在基端側設置饋電點FP，並且在途中連接第1被動元件P1而前端側朝向基板本體2的一邊2a在天線佔有區域AOA內延伸存在的饋電圖型3；由介電質基體7、形成在該介電質基體7的表面的導體圖型4、及藉由該導體圖型4而彼此相連接且形成在介電質基體7的兩端的一對電極部4a、4b所構成，並且在饋電圖型3的前端部連接有一端的電極部(饋電端子)4a而沿著基板本體2的一邊2a所設置的介電質天線的天線元件AT；連接在該天線元件AT的另一端的電極部4b(終端端子)與所鄰接的接地面GND之間的第2被動元件P2；將饋電圖型3的前端部與天線元件AT的相反側的接地面GND相連接而以金屬箔形成圖型且具有電感成分的接地連接圖型5；及連接有天線元件AT的另一端的電極部4b及第2被動元件P2的一端的終端側陸地部6。

上述饋電圖型3係延伸存在至基板本體2的一邊2a，接地連接圖型5係與基板本體2的一邊2a相接而形成。此外，終端側陸地部6亦被配備在基板本體2的一邊2a側。

上述饋電圖型3係具有：連接天線元件AT的一端的電極部4a的前端部的饋電側陸地部3a；及該饋電側陸地部3a與連接有第1被動元件P1的部分之間的細線部3b。此外，上述饋電側陸地部3a的寬幅係形成為比上述細線部3b為較寬，與相鄰接的接地面GND的間隔係被設定為比細線部3b為較窄。

其中，上述饋電點FP係與高頻電路(省略圖示)的饋電點相連接。此外，在接地面GND構裝有高頻電路。

上述第1被動元件P1及第2被動元件P2係採用例如電感器、電容器或電阻。藉由該等第1被動元件P1及第2被動元件P2，進行所希望的頻率及阻抗調整。例如，在本實施形態中，係採用電感器作為第1被動元件P1，採用電容器作為第2被動元件P2。

其中，若在第2被動元件P2使用電容器時，由漂浮電容C4與第2被動元件P2的電容器電容的並聯漂浮電容成分、及天線元件AT的電感成分而成為串聯共振(圖中的符號R2部分)。

此外，上述各圖型、陸地部及接地面GND係以銅箔等金屬箔予予以形成圖型。

上述基板本體2係一般的印刷基板，在本實施形態中 係採用長方形狀之由玻璃環氧樹脂等所構成的印刷基板的本體。在該基板本體2的表面，係以大致矩形狀去除接地面GND而設有上述天線佔有區域AOA。此外，基板本體2的背面係如第2圖所示，使接地面GND形成圖型，去除相當於上述天線佔有區域AOA的正下方的部分的接地面GND。

上述天線元件AT係在天線動作的所希望的共振頻率不作自我共振的加載元件，例如第4圖及第5圖所示，在陶瓷等介電質基體7的表面形成有Ag等之導體圖型4的晶片天線。該天線元件AT係按照共振頻率等的設定，來設定介電質材料、長度或寬幅等尺寸、導體圖型4的匝數或寬幅等。

此外，天線元件AT不僅內在有電感成分，亦內在有電容成分，而決定阻抗。其中，天線元件AT的阻抗係以相對使用頻率被設定為高阻抗為宜。

亦即，由使用頻率、所使用的介電質材料來選定天線元件尺寸。此外，藉由天線要求性能(天線增益、頻寬等)，來進行導體圖型4的匝數、圖型寬幅等的最適化。例如，在第4圖及第5圖所示之天線元件AT中，藉由進行因導體圖型4的匝數所致的阻抗值、因導體圖型4的線間寬幅所致的電容值等的設定，來進行對使用頻率的阻抗的最適化。

如上所述，天線元件AT係作為饋電端子的一端的電極部4a連接於饋電圖型3與接地面GND，並且作為終端 端子的另一端的電極部4b經由第2被動元件P2而連接於接地面GND。此外，天線佔有區域AOA係藉由饋電圖型3而在饋電端子(電極部4a)側與終端元件(電極部4b)側分割為2個。

在本實施形態之天線裝置1中，如第3圖所示，會發生：藉由接地連接圖型5所致之電感成分L；饋電圖型3的饋電側陸地部3a與接地面GND之間的漂浮電容C1；饋電圖型3的細線部3b與接地面GND之間的漂浮電容C2；天線元件AT與第1被動元件P1側的接地面GND之間的漂浮電容C3；及天線元件AT與第2被動元件P2側的接地面GND之間的漂浮電容C4。

亦即，產生由藉由接地連接圖型5所致之電感成分L、藉由天線元件AT的一端的電極部(饋電端子)4a與接地面GND之間的間隙所致之漂浮電容C1及天線元件AT與接地面GND之間的漂浮電容C2所得之並聯共振(圖中的符號R1部分)；藉由天線元件AT與第2被動元件P2與漂浮電容C4所致之串聯共振(圖中的符號R2部分)；及藉由由第1被動元件P1透過饋電圖型3、天線元件AT、第2被動元件P2及接地面GND的內緣部而至第1被動元件P1的迴圈形狀所致之共振(圖中的符號R3部分)。因此，藉由在饋電圖型3的左右分別所得的2種並聯共振，可抑制擴展至接地面GND的高頻電流的流動，以最大限度利用有限的天線佔有區域AOA而得較高的天線性能。

接著，關於藉由模擬對本實施形態之天線裝置1的表面中任意相位的電流分布進行解析的結果，將以箭號簡單顯示高頻電流之流動者顯示於第6圖。由該圖可知，電流分布集中在天線佔有區域AOA內，抑制擴展至接地面GND的高頻電流的流動。

亦即，利用藉由天線元件AT與第2被動元件P2所致的串聯共振，高頻電流容易沿著接地面GND的內緣部而朝箭號Y1方向流動，抑制擴展至接地面GND的高頻電流的流動。

此外，利用藉由饋電圖型3與接地面GND之間的漂浮電容C1、C2與接地連接圖型5的電感成分L所致之並聯共振，高頻電流容易沿著接地面GND的內緣部朝向箭號Y2方向流動，抑制擴展至接地面GND的高頻電流的流動。此外，接地連接圖型5及終端側陸地部6係透過天線元件AT，朝向有助於放射的同方向(箭號Y3方向)流動高頻電流，彼此相互增強。

如上所示在本實施形態之天線裝置1中，係具備有：在天線佔有區域AOA內延伸存在的饋電圖型3的前端部連接有一端的電極部4a而沿著基板本體2的一邊2a而設置的介電質天線的天線元件AT；被連接在該天線元件AT的另一端的電極部4b與相鄰接的接地面GND之間的第2被動元件P2；及將饋電圖型3的前端部與天線元件AT的相反側的接地面GND相連接而具有電感成分的接地連接圖型5，因此電流分布可集中在天線佔有區域AOA內，並 且可抑制擴展至接地面GND之高頻電流的流動。亦即，構裝時的周邊零件等的影響亦可減低。

此外，饋電圖型3延伸存在至基板本體2的一邊2a，接地連接圖型5與基板本體2的一邊2a相接而形成，因此藉由天線元件AT及接地連接圖型5被配備在基板端，可以最大限度抽出天線元件AT的性能加以利用。

其中，天線元件AT較佳為儘可能接近基板本體2之端，亦即一邊2a作設置，俾以將來自天線元件AT的放射空間確保為較為寬廣。

此外，接地連接圖型5較佳為以最短且為直線由饋電圖型3連接於接地面GND。

此外，由饋電圖型3(細線部3b至饋電側陸地部3a)、接地連接圖型5及接地面GND的內緣部所包圍的開口部以寬廣為宜。

此外，天線佔有區域AOA以儘可能大為宜。

其中，基板本體2的尺寸雖然影響少，但是以波長的4分之1左右的長度為佳。

(實施例)

接著，參照第7圖至第11圖，說明在實際製作本實施形態之天線裝置的實施例中所評估的結果。

首先，作成將基板本體2的尺寸形成為將上述一邊2a設為100mm並且將與上述一邊2a呈正交的邊設為50mm的實施例。此外，此時的第1被動元件P1係採用4.2nH 的電感器，第2被動元件P2係採用0.3pF的電容器。此外，饋電點FP係設定在基板本體2的大致中央。

將該本實施例中的反射損失(return loss)結果顯示於第7圖。此外，將本實施例中的放射圖型顯示於第8圖。其中，此時，測定出相對將基板本體2的一邊2a的延伸存在方向設為Y方向，將饋電圖型3的延伸存在方向設為X方向，將與基板本體2的表面呈正交的方向設為Z方向時的ZX面的垂直偏波。

由該等可知，在本實施例中，可得反射損失少且無指向性的放射圖型，且可實現較高的天線性能。

接著，製作將天線佔有區域AOA的尺寸設定為5mm×5mm的實施例，以開放型的習知天線而言，針對第9圖的(a)(b)所示之倒F天線形式的習知例1及2與天線增益作比較。

上述習知例1係如第9圖的(a)所示，將天線佔有區域AOA的尺寸與本實施例同樣地設定為5mm×5mm，上述習知例2係如第9圖的(b)所示，將天線佔有區域AOA的尺寸設定為比本實施例更大的10mm×5mm。在該等習知例1及2中，具有連接有天線元件AT0的倒F形狀的天線單元23。其中，基板本體2的尺寸與上述實施例同樣地均為100mm×50mm。此外，天線元件AT0係由連接於介電質基體的天線單元23的端面至上面形成有銅圖型24。

將本實施例與習知例1及2的天線增益作比較的曲線圖顯示於第10圖。在習知例1中，全方位天線增益較低 ，為-5.07dBi，為改善該情形，在擴大天線佔有區域AOA 的習知例2中，亦僅改善全方位天線增益至-2.23dBi。相對於該等，在本實施例中，雖然係與習知例1同樣的較小的天線佔有區域AOA，但是獲得全方位天線增益較高，為-1.48dBi的天線增益，而得與習知例1及2分別為3.6dB、0.8dB的差。如上所示，在本實施例中，即使在天線佔有區域AOA為較小的情形下，亦可實現高天線性能。

接著，將基板本體2的尺寸(基板本體2的一邊2a×與該一邊2a呈正交的邊)準備100mm×50mm、50mm×50mm及25mm×25mm等3種來製作3個實施例，針對各自的天線增益加以調查。將藉由變更尺寸後的各基板本體2的實施例所得之天線增益作比較的曲線圖顯示於第11圖。

由該結果可知，基板本體2的尺寸100mm×50mm、50mm×50mm及25mm×25mm的各實施例係全方位天線增益分別為-1.48dBi、-0.81dBi及-1.94dBi，即使基板本體2的尺寸變小，亦在本實施例中，天線性能的劣化較少。

其中，本發明並非限定於上述實施形態及上述實施例，在未脫離本發明之趣旨的範圍內，可施加各種變更。

例如，亦可將在基板本體2背面的接地面GND中與表面的縫隙部S相對向的部分，與表面的縫隙部S同樣地以直線狀除掉接地面GND而形成為沒有接地面GND的部分。

此外，在上述實施形態中，第1被動元件P1被設置在饋電圖型3之被配置在縫隙部S內的部分，但是亦可設置在饋電圖型3之延伸存在於天線佔有區域AOA內之部分的途中。

1‧‧‧天線裝置

2‧‧‧基板本體

2a‧‧‧基板本體的一邊

3‧‧‧饋電圖型

3a‧‧‧饋電側陸地部

3b‧‧‧細線部

4a‧‧‧天線元件的一端的電極部(饋電端子)

4b‧‧‧天線元件的另一端的電極部(終端端子)

5‧‧‧接地連接圖型

6‧‧‧終端側陸地部

7‧‧‧介電質基體

23‧‧‧天線單元

24‧‧‧銅圖型

AOA‧‧‧天線佔有區域

AT、AT0‧‧‧天線元件

C1、C2、C3、C4‧‧‧漂浮電容

FP‧‧‧饋電點

GND‧‧‧接地面

L‧‧‧電感成分

P1‧‧‧第1被動元件

P2‧‧‧第2被動元件

S‧‧‧縫隙部

第1圖係顯示本發明之天線裝置之一實施形態的平面圖。

第2圖係在本實施形態中，顯示天線裝置的底面圖。

第3圖係在本實施形態中，顯示天線裝置的模式等效電路圖。

第4圖係在本實施形態中，顯示天線元件的斜視圖。

第5圖係在本實施形態中，顯示天線元件的平面圖(a)、正面圖(b)、底面圖(c)、背面圖(d)及側面圖(e)。

第6圖係在本實施形態中，簡單顯示表示天線裝置的表面的電流分布的模擬結果的高頻電流流動的說明圖。

第7圖係在本發明之天線裝置之實施例中，顯示反射損失(return loss)特性的曲線圖。

第8圖係在本實施例中，顯示天線裝置之放射圖型的曲線圖。

第9圖係顯示本發明之天線裝置之習知例1(a)及習知例2(b)的主要部位的斜視圖。

第10圖係將本發明之習知例1(a)、習知例2(b) 及實施例的天線增益作比較的曲線圖。

第11圖係在本實施例中，顯示變更基板尺寸時之天線增益的曲線圖。

1‧‧‧天線裝置

2‧‧‧基板本體

2a‧‧‧基板本體的一邊

3‧‧‧饋電圖型

3a‧‧‧饋電側陸地部

3b‧‧‧細線部

4a‧‧‧天線元件的一端的電極部(饋電端子)

4b‧‧‧天線元件的另一端的電極部(終端端子)

5‧‧‧接地連接圖型

6‧‧‧終端側陸地部

AOA‧‧‧天線佔有區域

AT‧‧‧天線元件

FP‧‧‧饋電點

GND‧‧‧接地面

P1‧‧‧第1被動元件

P2‧‧‧第2被動元件

S‧‧‧縫隙部

Claims (2)

1. 一種天線裝置，其特徵為具備有：絕緣性的基板本體；在該基板本體以金屬箔形成圖型的接地面；以未形成有該接地面的區域而言，在前述基板本體上與該基板本體的一邊相接而設的天線佔有區域；由該天線佔有區域朝向前述基板本體的一邊的相反方向延伸存在而在前述接地面空出的縫隙部；在該縫隙部內延伸存在，以金屬箔形成圖型，在基端側設有饋電點，並且在途中連接有第1被動元件，前端側朝向前述基板本體的一邊而延伸存在於前述天線佔有區域內的饋電圖型；由：介電質基體、形成在該介電質基體的表面的導體圖型、及藉由該導體圖型而彼此相連接而形成在前述介電質基體之兩端的一對電極部所構成，並且在前述饋電圖型的前端部連接有一端的前述電極部，沿著前述基板本體的一邊所設置的介電質天線的天線元件；連接在該天線元件的另一端的前述電極部與所鄰接的前述接地面之間的第2被動元件；及將前述饋電圖型的前端部與前述天線元件的相反側的前述接地面相連接，以金屬箔形成圖型而具有電感成分的接地連接圖型，前述縫隙部將前述接地面分斷，前述接地面在前述饋電圖型的兩側被配置成分為：與 前述第2被動元件相連接的部分、及與前述接地連接圖型相連接的部分。
2. 如申請專利範圍第1項之天線裝置，其中，前述饋電圖型延伸存在至前述基板本體的一邊，前述接地連接圖型與前述基板本體的一邊相接而形成。