天線裝置及其設計方法
2023-06-19 05:49:16 2
專利名稱：天線裝置及其設計方法
技術領域：
本發明關於一種天線裝置，特別是一種用以收發雙頻帶頻率的天線裝置及其設計方法。
背景技術：
隨著通訊產業的快速發展，應用於無線通訊產業的天線需求也日趨多樣化。在產品走向輕薄短小的趨勢下，如何在有限的空間內設計出適合產品規格要求的天線，往往成為影響通訊品質非常關鍵的因素。在產品應用上，僅使用單一頻段，早已不敷產品多樣化的需求。考慮生產成本與製作良品率的提升，結合印刷電路板的技術實現天線產品的應用，便具有相當的利用價值。
傳統的圓柱形螺旋天線如圖1所示，藉由其直徑D與線圈間距S的相對應關係，而產生標準模式(Normal Mode，D＜＜λ)或軸向模式(AxialMode，π·D≥λ)兩種輻射模態，λ表示該天線傳輸頻率的波長。圓柱形螺旋天線在標準模式下的極端表現(即D＝0)，便是傳統的單極化天線(MonoPole Antenna)，輻射接收最佳位置為軸線A的垂直面上，極化方向沿軸線方向；而軸向模式的極端表現(即S＝0)，則為傳統的環形天線(Loop Antenna)。
傳統的移動通訊裝置所使用的天線，不外乎是外接式的螺旋天線(Helix)、套管天線(Sleeve)、或單極天線(Monopole)的應用。此等設計，不但要同時考慮額外的組裝問題，也需外加一組對接的射頻連接器(RF connector)。就產品應用的考慮上，即是增加額外的生產成本與時間成本，有鑑於印刷電路板製作的高精確性與電路結合的一致性，本發明提出一種可實現於印刷電路板上的天線設計，並應用金屬微帶線的適當疏密安排，提供一個雙頻天線的設計方法。
發明內容
本發明的目的為提供一種用以收發雙頻帶頻率的天線裝置。
本發明的另一目的為提供一種可收發雙頻帶頻率的天線裝置的設計方法。
本發明一實施例提供一種天線裝置，由製作於基板上的第一天線單元、第二天線單元以及第三天線單元所組成，用以收發信號，該信號選擇性的位於一第一頻帶頻率與一第二頻帶頻率。第一天線單元由多個具有一第一寬度的金屬帶所組成，其中所述任一金屬帶的頭端與相鄰金屬帶的尾端彼此電性連接，且任一金屬帶的頭端與相鄰金屬帶的尾端具有一第一夾角，第一天線單元更具有一饋電接腳用以連接一接收器。第二天線單元與第一天線單元電性連接，第二天線單元由多個具有一第二寬度的金屬帶所組成，其中所述任一金屬帶的頭端與相鄰金屬帶的尾端彼此電性連接，且任一金屬帶的頭端與相鄰金屬帶的尾端具有一第二夾角。
第三天線單元與第二天線單元電性連接，由多個具有一第三寬度的金屬帶所組成，其中所述任一金屬帶的頭端與相鄰金屬帶的尾端彼此電性連接，且任一金屬帶的頭端與相鄰金屬帶的尾端同樣具有第一夾角。其中所述第一夾角的角度大於第二夾角，藉由第二天線單元間的緊密結構所產生的電感效應，使得天線裝置的諧振頻率得以符合第二頻帶頻率。應注意的是，在本發明實施例中，所述金屬帶的第二寬度可小於第一寬度與第三寬度；第二頻帶頻率高於該第一頻帶頻率。此外，具有第一寬度的金屬帶可與第三寬度的金屬帶等寬。
本發明另一實施例提供一種天線裝置，包含基板、第一鋸齒狀金屬帶、第二鋸齒狀金屬帶以及第三鋸齒狀金屬帶。第一鋸齒狀金屬帶由多個具有第一寬度的金屬帶分別製作於基板的上下表面，並以多個貫孔電性連接位於基板上下表面的金屬帶，此外，第一鋸齒狀金屬帶更包含一饋電接腳。第二鋸齒狀金屬帶連結第一鋸齒狀金屬帶，由多個具有第二寬度的金屬帶分別製作於基板的上下表面，並以多個貫孔電性連接位於基板的上下表面的金屬帶。
第三鋸齒狀金屬帶與第二鋸齒狀金屬帶相連接，由多個具有第一寬度的金屬帶分別製作於基板的上下表面，並以多個貫孔電性連接位於基板的上下表面的金屬帶，其中第一鋸齒狀金屬帶與第三鋸齒狀金屬帶的貫孔間距大於第二鋸齒狀金屬帶的貫孔間距，藉由第二鋸齒狀金屬帶間的緊密結構產生的電感效應，使得第一鋸齒狀金屬帶的諧振頻率得以符合第二頻帶頻率。應注意的是，所述的第一寬度可大於第二寬度。
本發明的再一實施例提供一種天線裝置的設計方法，本發明的天線裝置設置於一基板上，用以收發一第一頻帶頻率與一第二頻帶頻率的信號，該方法至少包含下列步驟。首先，形成第一天線單元、第二天線單元、第三天線單元於該基板上，其中第一天線單元連結第二天線單元，第二天線單元連結第三天線單元。接著，調整第一天線單元與第三天線單元的等效長度，使得天線裝置的諧振頻率得以符合第二頻帶頻率，其中各段金屬帶的等效長度的控制利用多個等長金屬帶，透過匝數、貫孔間距及貫孔直徑的調整，達到控制金屬帶等效長度的控制。隨後，固定第一天線單元的等效長度且調整第三天線單元的等效長度，使得天線裝置的諧振頻率得以符合第一頻帶頻率。
藉由以下詳細的描述結合附圖，將可輕易明了所述內容及此項發明的諸多優點，其中圖1為傳統的圓柱形螺旋天線；圖2為本發明的天線裝置的設計方法流程圖；圖3為本發明的天線裝置第一實施例的示意圖；圖4為本發明的天線裝置第二實施例的示意圖；圖5為本發明的天線的頻率-返回損失響應仿真曲線圖；及圖6為本發明的天線的頻率-返回損失響應仿真曲線圖。
圖號10、20天線12第一天線單元14第二天線單元16第三天線單元22第一鋸齒狀金屬帶24第二鋸齒狀金屬帶26第三鋸齒狀金屬帶121、221饋電接腳222、242、262貫孔
具體實施例方式
本發明提供一種雙頻天線的設計，更提出一種雙頻天線的設計方法。在本發明中，利用本發明所提出的方法將可在一般電路基板上製作出雙頻帶天線，其利用金屬微帶線的粗細變化與上下層聯結用的兩貫孔之間距調整，有效達成雙頻的設計要求。以下茲列舉一優選實施例以說明本發明，業內人士應知此僅為一舉例，而並非用以限定發明本身。有關此優選實施例的內容詳述如下。
如圖2所示，為本發明一實施例的天線10，包含一第一天線單元12、一第二天線單元14及一第三天線單元16。第一天線單元12由多個具有第一寬度W1的等長金屬帶所組成，其中所述任一金屬帶的頭端與相鄰金屬帶的尾端彼此電性連接，且任一金屬帶的頭端與相鄰金屬帶的尾端具有第一夾角θ1，此外，第一天線單元12更具有一饋電接腳121用以連接一接收器(圖中未示)。第二天線單元14與第一天線單元12電性連接，並由多個具有第二寬度W2的等長金屬帶所組成，其中所述任一金屬帶的頭端與相鄰金屬帶的尾端彼此電性連接，且任一金屬帶的頭端與相鄰金屬帶的尾端具有一第二夾角θ2。
第三天線單元16與第二天線單元14電性連接，並由多個具有第三寬度W3的等長金屬帶所組成，其中所述任一金屬帶的頭端與相鄰金屬帶的尾端彼此電性連接，且任一金屬帶的頭端與相鄰金屬帶的尾端同樣具有第一夾角θ1。應注意的是，在本實施例中，夾角θ1大於夾角θ2，金屬帶寬度W1等於W3且大於W2，使得第二天線單元14間的緊密結構所產生的電感效應，令整體天線10的諧振頻率可符合第一頻帶頻率(約可符合GSM系統的傳輸頻率880～960MHz)，此外，利用第一天線單元12產生的諧振頻率則可以符合第二頻帶頻率(約可符合DCS系統的傳輸頻率1710～1880MHz及PCS系統的傳輸頻率1850～1990MHz)。
在本發明實施例中，因收/發信號頻率的諧振點與天線等效長度的相關性(天線金屬帶的等效電流路徑長度形成約為所欲傳輸信號頻率的四分之一波長結構)，本實施例可以寬度較窄的第二天線單元14並做緊密纏繞的設計，使得第二天線單元14成為電感性較大的部份，並置於天線10的中間位置，此電感性又因輻射頻段不同，於傳輸高頻信號時將可有效忽略第二天線單元14本身及其後方的第三天線單元16(金屬帶分布較為疏鬆的部分)的諧振效果。此外，所述的天線10可設置於基板上或為立體的彎折金屬帶來呈現，業內人士當可依據實際的應用加以變化，所有不脫離本發明優選實施例的精神所為的等效修飾與變更，仍應包含於本發明範圍中。
如圖3所示，本發明另一實施例的天線20，包含基板21、一第一鋸齒狀金屬帶22、一第二鋸齒狀金屬帶24及一第三鋸齒狀金屬帶26。其中第一鋸齒狀金屬帶22、第二鋸齒狀金屬帶24及一第三鋸齒狀金屬帶26分別由多個具有特定寬度的金屬帶分別製作於基板21的上下表面，並個別以多個貫孔222、242、262電性連接位於基板21的上下表面的金屬帶。其中第一鋸齒狀金屬帶22與第三鋸齒狀金屬帶26的貫孔間距Z1大於第二鋸齒狀金屬帶24的貫孔間距Z2，藉由第二鋸齒狀金屬帶間的緊密結構所產生的電感效應，使得天線20得以收/發雙頻帶頻率的信號。
如圖4所示，說明本發明的天線裝置的設計方法流程圖，並配合圖3的天線示意圖，以利說明本發明的設計方法，此外，再透過相關電磁仿真軟體，如HFSS(High Frequency Structure Simulator)來驗證經本發明方法所設計的天線，該方法包含下列步驟首先，設定基板的相關參數(步驟400)。在本實施例中，基板的介電常數(εr)約為4.4，厚度約為1.0mm，在不考慮介質損耗下，本實施例僅在一印刷電路板長度為84mm，寬度為50mm且具接地金屬層(ground plan)的基板上，規劃上方角落且背面不具接地金屬層的區域(16mm×10mm)，藉以作為本發明的天線的起始設計區域。
接著，形成第一天線單元、第二天線單元、第三天線單元的金屬帶於該基板上(步驟402)，其中第一天線單元連結第二天線單元，第二天線單元連結第三天線單元，應注意的是，如圖3所示，第一天線單元22、第二天線單元24、第三天線單元26分別由多個金屬帶形成於基板21的上下表面，並透過多個導電貫孔222、242、262以電性連接位於基板21上下表面的金屬帶。除此之外，步驟中更包含控制金屬帶的線寬、匝數與相鄰貫孔間距(包括前後貫孔間距與左右貫孔間距)。
在本發明優選實施例中，根據天線所欲收/發的信號頻率，其中心頻率約為900MHz及1850MHz，因此，首先設定第一、第二及第三天線單元的線寬(W1、W2、W3)、匝數(N1、N2、N3)與相鄰貫孔間距值(Z1、Z2、Z3)，其線寬值分別為W1＝W3＝1.0mm、W2＝0.3mm；匝數值N1＝5、N2＝5、N3＝5；前後貫孔間距值Z1＝Z3＝1.2mm、Z2＝0.4mm；左右貫孔的水平相距為9mm、貫孔直徑Φ＝0.25mm，由於構成第一、第二及第三天線單元皆由具有特定長度的多個金屬帶所組成，因此，藉由控制匝數值及貫孔間距值得以將天線的等效電流路徑長度控制在所欲傳輸頻率波長的1/4，使得低頻頻率得以控制在900MHz。因此，根據所述的數值經過HFSS的分析，如圖5所示，為該天線的頻率-返回損失響應仿真曲線圖，其中虛線部份根據所述的數值所得到的結果，其諧振頻率約在925MHz及2250MHz，其中低頻頻率已約略符合本發明的要求。
接著，調整第一天線單元與第三天線單元的金屬帶的等效長度，使得天線的諧振頻率得以符合第二頻帶頻率(步驟404)。根據所述步驟，藉由控制第一天線單元與第三天線單元的匝數值(N1＝8、N3＝2)，並固定第二天線單元的匝數(N2＝5)，達到調整金屬帶等效長度的目的。如圖5所示(實線部分)，其諧振頻率約在1050MHz及1875MHz，由圖可知，高頻頻率諧振點已符合所欲傳輸的第二頻帶頻率，不過，低頻部分則往高頻方向偏移，必須再行調整。應注意的是，若第二頻帶頻率諧振點未能達成，則重回步驟404，直到第二頻帶頻率諧振點達成(步驟406)。
接著，固定第一天線單元的等效長度與第二天線單元的等效長度，調整第三天線單元的等效長度，使得天線的諧振頻率得以符合低頻的第一頻帶頻率(步驟408)。同樣的，在此藉由調整第三天線單元的匝數以達到調整第三天線單元的等效長度的目的，因此，設定N3＝4。如圖6所示(虛線部分)，其諧振頻率約在925MHz及1875MHz，由圖可知，高頻及低頻頻率諧振點已相當接近所欲傳輸的第二及第一頻帶頻率。應注意的是，若第一頻帶頻率諧振點未能達成，則重回步驟408，直到第一頻帶頻率諧振點達成(步驟410)。然而，在調整金屬帶等效長度的同時，更可藉由調整貫孔的直徑Φ＝0.25mm改成Φ＝0.125mm(貫孔直徑縮小物理上等同等效長度的增加)，達到調整金屬帶等效長度的目的，如圖6的實線部分所示，經由所述的調整，天線的諧振頻率將是913MHz及1850MHz。最後，完成本發明天線的設計(步驟412)。
本發明的天線裝置的設計具有如下的優點(1)本發明提出一種可供雙頻使用的天線，藉由鋸齒狀或彎折金屬帶的設計，使得本發明的天線裝置具有較小面積。
(2)本發明具有可在一般PCB上實現的設計方法，將大大降低生產所需的成本，並提高生產時的良率。
(3)本發明同時提出貫孔大小對天線的影響，藉此可增加設計時的自由度。
(4)本發明提供一種設計印刷電路式雙頻天線的流程，可藉由修改金屬帶的分布或貫孔的大小，以滿足天線的規格要求。
本發明雖以優選實例闡明如上，然其並非用以限定本發明精神與發明實體僅止於所述實施例爾。是以，在不脫離本發明的精神與範圍內所作的修改，均應包含在本發明的範圍內。
權利要求
1.一種天線裝置，用以收發一信號，該信號的頻率選擇性的位於一第一頻帶頻率與一第二頻帶頻率，該天線裝置包含一第一天線單元，由多個具有一第一寬度的金屬帶所組成，其中所述任一金屬帶的頭端與相鄰金屬帶的尾端彼此電性連接，且任一該金屬帶的頭端與相鄰金屬帶的尾端具有一第一夾角，該第一天線單元更具有一饋電接腳用以連接一接收器；一第二天線單元，與該第一天線單元電性連接，該第二天線單元由多個具有一第二寬度的金屬帶所組成，其中所述任一金屬帶的頭端與相鄰金屬帶的尾端彼此電性連接，且任一該金屬帶的頭端與相鄰金屬帶的尾端具有一第二夾角；一第三天線單元，與該第二天線單元電性連接，由多個具有一第三寬度的金屬帶所組成，其中所述任一金屬帶的頭端與相鄰金屬帶的尾端彼此電性連接，且任一該金屬帶的頭端與相鄰金屬帶的尾端同樣具有第一夾角；其中所述第一夾角的角度大於該第二夾角，藉由該第二天線單元間的緊密結構所產生的電感效應，使得該天線裝置的諧振頻率得以符合該第二頻帶頻率。
2.如權利要求1所述的天線裝置，其中所述的天線裝置設置於一基板上。
3.如權利要求1所述的天線裝置，其中所述的該第二寬度小於該第一寬度與該第三寬度。
4.如權利要求1所述的天線裝置，其中所述的第二頻帶頻率高於該第一頻帶頻率。
5.如權利要求1所述的天線裝置，其中該第一寬度等於該第三寬度。
6.一種天線裝置，用以收發一第一頻帶頻率與一第二頻帶頻率的信號，包含一基板；一第一鋸齒狀金屬帶，由多個具有第一寬度的金屬帶分別製作於該基板的上下表面，並以多個貫孔電性連接位於該基板的上下表面的金屬帶，該第一鋸齒狀金屬帶更包含一饋電接腳；一第二鋸齒狀金屬帶，連結於該第一鋸齒狀金屬帶，由多個具有第二寬度的金屬帶分別製作於該基板的上下表面，並以多個貫孔電性連接位於該基板的上下表面的金屬帶；及一第三鋸齒狀金屬帶，連結於該第二鋸齒狀金屬帶，由多個具有第一寬度的金屬帶分別製作於該基板的上下表面，並以多個貫孔電性連接位於該基板的上下表面的金屬帶；其中該第一鋸齒狀金屬帶與該第三鋸齒狀金屬帶的貫孔間距大於該第二鋸齒狀金屬帶的貫孔間距，藉由該第二鋸齒狀金屬帶間的緊密結構所產生的電感效應，使得該第一鋸齒狀金屬帶的諧振頻率得以符合該第二頻帶頻率。
7.如權利要求6所述的天線裝置，其中所述的第一寬度大於該第二寬度。
8.如權利要求6所述的天線裝置，其中所述的第二頻帶頻率高於該第一頻帶頻率。
9.一種天線裝置的設計方法，該天線裝置設置於一基板上，用以收發一第一頻帶頻率與一第二頻帶頻率的信號，該方法至少包含下列步驟形成一第一天線單元、一第二天線單元、一第三天線單元於該基板上，其中該第一天線單元連結該第二天線單元，該第二天線單元連結該第三天線單元；調整該第一天線單元與第三天線單元的等效長度，使得該第一天線單元的諧振頻率得以符合該第二頻帶頻率；及固定該第一天線單元的等效長度且調整該第三天線單元的等效長度，使得該天線裝置的諧振頻率得以符合該第一頻帶頻率。
10.如權利要求9所述的方法，其中所述的第一天線單元，由多個具有第一寬度的等長金屬帶分別製作於該基板的上下表面，並以多個貫孔電性連接位於該基板的上下表面的金屬帶，該第一天線單元更包含一饋電接腳。
11.如權利要求10所述的方法，其中所述的調整該第一天線單元等效長度的步驟更包含調整所述貫孔直徑的大小。
12.如權利要求9所述的方法，其中所述的第二天線單元，由多個具有第二寬度的等長金屬帶分別製作於該基板的上下表面，並以多個貫孔電性連接位於該基板的上下表面的金屬帶。
13.如權利要求9所述的方法，其中所述的第三天線單元，由多個具有第一寬度的等長金屬帶分別製作於該基板的上下表面，並以多個貫孔電性連接位於該基板的上下表面的金屬帶。
14.如權利要求13所述的方法，其中所述的調整該第三天線單元等效長度的步驟更包含調整所述貫孔的直徑大小。
全文摘要
一種天線裝置，由第一天線單元、第二天線單元以及第三天線單元所組成，用以收發信號，而信號頻率位於第一頻帶或第二頻帶頻率。第一天線單元由多個第一寬度的金屬帶組成，其中任一金屬帶的頭端與相鄰金屬帶的尾端相連，且具有第一夾角，第一天線單元更具有饋電接腳以連接接收器。第二天線單元與第一天線單元相連，第二天線單元亦由多個第二寬度的金屬帶組成，其中任一金屬帶的頭端與相鄰金屬帶的尾端相連，且具有第二夾角。第三天線單元與第二天線單元相連，亦由多個具有第三寬度的金屬帶組成，其中任一金屬帶的頭端與相鄰金屬帶的尾端相連，且同樣具有第一夾角。其中第一夾角的角度大於第二夾角。
文檔編號H01Q7/00GK1783580SQ200410098230
公開日2006年6月7日 申請日期2004年11月30日 優先權日2004年11月30日
發明者黃宗訪 申請人:明基電通股份有限公司