倒f型金屬天線的製作方法

2023-10-05 17:13:34 4

專利名稱：倒f型金屬天線的製作方法
技術領域：
本發明關於一種金屬天線結構，特別是關於一種在接地面(ground plane)具有饋入點(feed point)並向曲型凹口(curved groove)突出的倒F型金屬天線(metal inverted F antenna；MIFA)。
背景技術：
通訊技術由過去數十年的有線通訊進步至有效及方便的無線通訊，而無線通訊裝置及其成果已隨處可見。天線已經成為每個無線通訊系統中的主要建構基礎。在多數例子中，天線並非內部系統設計的主要考慮因素。然而，天線為一種使得射頻能量可於有線通訊線及空間之間轉變的單一裝置。因此，天線及電波傳遞(propagation)是影響無線通訊頻道(wirelesscommunication channel)的穩健性及品質的主要因素。
通常，一般螺旋型(helical)天線或直線型單極(linear monopole)天線是作為可攜端的天線。螺旋型天線或直線型單極天線具有全方向輻射的特性優點，為突出於裝置外的形式，因此也較容易被外力所損壞。
稱為平面倒F型天線(planar inverted F antenna；PIFA)的平面天線具有低剖面結構，是作為配置於移動通訊端內的內部天線。一般平面倒F型天線包含輻射元件、同軸線及接地面。輻射元件通過同軸線饋入並且連接至接地面，使之達到阻抗匹配。一般平面倒F型天線設計必須根據輻射元件的寬度，加入輻射元件長度L及天線高度的考慮。平面倒F型天線具有如同方型微帶天線(square-shaped micro-strip antenna)的功能，將輻射單元長度減半以達到低剖面結構。再者，平面倒F型天線為安裝於移動通訊端的內部天線，因此設計上更為美觀並且可避免外力衝擊。
另外，天線的接地面在天線運作時扮演著重要角色。使用印刷的倒F型天線的發展趨勢刺激了接地面的發展。倒F型天線和接地面下的其本身形狀互相影響而形成電場。只有在接地面無限大或遠大於單極本身尺寸時，其功用如同完美的能量反射器般穩定。實際上，金屬層具有相當單極的尺寸，並可作為偶極的其它元件部分。
因為一般天線的最小化方式是基於二維結構的考慮，而此為其最小化的限制。隨著可攜式天線空間日益減少，更急需增進最小化的方法。也需要考慮增進使用空間或饋入速率。
然而，目前無線通訊特徵是為有限的頻譜、低傳輸電力及處理能力有限的裝置。此外，一般平面倒F型天線的窄頻特性也是應用於現今無線手機時的其中一項限制。

發明內容
本發明的主要目的在於提供一種平面金屬天線。
本發明的另一目的在於提供一種增加頻寬的倒F型金屬天線。
本發明的又一目的在於提供一種具有一饋入點，並向接地面內的曲型凹口中央突出的金屬天線結構。換句話說，曲型凹口有一開口以容納位於曲形凹口中央的饋入點。
本發明更進一步的目的在於提供一種包含輻射體的金屬天線結構，上述輻射體包含曲形部分及矩形部分連接至接地面，能增進金屬天線的效能。
本發明揭露一種倒F型金屬天線，包含接地面、輻射體及饋入點。上述輻射體包含曲形部分及矩形部分，通過曲形部分的第一端連接至接地面並且由接地面的接地點接地，矩形部分連接至曲形部分的第二端。上述饋入點向內突出於接地面內的曲形凹口的大略中央位置，並連接至輻射體的曲形部分的第二端。其中接地面延伸至輻射體的矩形部分。輻射體的矩形部分與接地面平行。
上述倒F型金屬天線的厚度約為0.3毫米(mm)至2毫米(mm)。輻射體的矩形部分的長度約為1/4波長(λ)。輻射體的矩形部分的寬度是從1/20至1/50波長(λ)。輻射體的曲形部分的最外圍圓的半徑約為1/16波長(λ)。上述輻射體的曲形部分的中央中空圓的半徑約為1/16波長(λ)減去輻射體的矩形部分的寬度。
上述曲形凹口的半徑大於輻射體的矩形部分的寬度。接地面的高度大於曲形凹口的半徑。從連接至矩形部分第一端的端點至曲形凹口的長度大於輻射體的曲形部分最外圍圓的半徑。
根據上述方案，本發明的效果是顯著的本發明的優點是提供一兼具接收縱向及橫向的極化電磁波能力的倒F型金屬天線，其可被證明利於在對極化敏感的室內環境中使用。
本發明所述的倒F型金屬天線可視為一種以平面取代有線輻射元件以增加頻寬的線性倒F型金屬天線。平面倒F型金屬天線的第一項優點是，相較於伸縮式/棒狀/螺旋型天線，其可隱匿在手機內。第二項優點是，可降低傳回至使用者頭部的反向輻射量，降低所吸收的電磁波(SAR)，並增進天線的效能。第三項優點是，在水平及垂直的極化情況下皆有適度的高增益。在某些天線方向不固定且反射波在各方位出現的無線通訊環境中，這種特徵非常有用。在那些例子中，水平和垂直極化向量和是應考慮的重要參數。


圖1為本發明的倒F型金屬天線的橫向示意圖。
圖1A為本發明的倒F型金屬天線的側視示意圖。
圖2為本發明的平面倒F型金屬天線的縱向示意圖。
圖3為根據本發明的駐波比(SWR)的示意圖。
圖4為根據本發明的2.4GHz共振頻率下的輻射場型圖(radiationpattern)。
圖5為根據本發明的2.45GHz共振頻率下的輻射場型圖。
圖6為根據本發明的2.5GHz共振頻率下的輻射場型圖。
主要元件符號對照10接地面20輻射體21矩形部分22曲形部分23第一端24第二端25接地點30饋入點32曲形凹口具體實施方式
根據下列較佳實施例的詳細敘述與後附圖式，將可更快了解本發明所述的物件、特徵及優點。
參考後附圖式，本發明將詳細地敘述較佳實施例。於圖式中，不同圖式中的相同或相似的元件是以相同元件符號表示。在以下敘述中，所包含的已知功能及結構將不再詳述，以避免混淆本發明的主題。
圖1、1A為本發明的倒F型金屬天線的橫向示意圖及側視示意圖。如圖1、1A所示，倒F型金屬天線的輻射體元件結合至接地金屬面(ground metalplane)10的一端。代表天線效能的天線基本特性包含阻抗(impedance)、電壓駐波比(voltage standing wave ratio；VSWR)或駐波比(standing waveratio；SWR)、大小輻射場型圖(amplitude radiation patterns)、方向性(directivity)、增益值(gain)、極化(polarization)及頻寬(bandwidth)。
為了達到有線或同軸(coaxial)傳輸線及天線之間最大化的電力傳輸，天線的輸入阻抗與傳輸線的特性阻抗(characteristic impedance)必須互相匹配(match)。傳輸線的最大電壓及最小電壓之間的比例定義為電壓駐波比(VSWR)。電壓駐波比(VSWR)由反射及前進波的等級(level)所導出，並且也為天線端輸入阻抗與傳輸線的特性阻抗匹配程度的指標。電壓駐波比(VSWR)增加是表示天線及傳輸線之間的不匹配(mismatch)程度的增加。
參考圖1、1A，為顯示本發明的倒F型金屬天線的橫向示意圖及側視示意圖。倒F型金屬天線包含一接地面10。一輻射體(raditor)20，包含一曲形部分(cured shape portion)22及一矩形部分(rectangular portion)21，輻射體20通過曲形部分22的一第一端(first end)23連接至接地面10，並且由接地面10的接地點(ground point)25接地。接地點25具有一接地線，約略配置於輻射體20的邊緣。饋入點(feed point)30配置於接地面10上的曲形凹口32內。也就是說，接地面10具有一朝向饋入點30的曲形凹口32，以在該凹口32的大致中央位置容納饋入點30。應注意任何形狀的凹口皆可應用。再者，饋入點30可作為同軸饋入(coaxial feed)來實施。饋入點30的實施方式也可通過置於輻射體20的邊緣來達成。此外，輻射體20包含一曲形部分22及一矩形部分21。饋入點30連接至曲形部分22的一第二端24。應注意接地面10延伸至輻射體20的矩形部分21。輻射體20的矩形部分21與接地面10大致上平行。
平面輻射體於曲形部分及矩形部分之間的交接口具有一凹口(groove)。上述的平面金屬天線結構適用於多於一頻率範圍。矩形部分21的開口端(open end)位於輻射體20的矩形部分21的邊緣。
為了依照所需而操作倒F型金屬天線，曲形部分22配置於接地面10及饋入點30之間，且饋入點30向內凸出於接地面10內的曲形凹口32。矩形部分21是由曲形部分22的第二端24延伸。接地面10延伸至矩型部分21，因此接地面10可提供一充足的平臺與傳輸裝置(如基地臺)接合。
再者，當矩形部分21及曲形部分22連接至一般接地元件時，可製成一完整的內部金屬天線。較佳地，饋入點30垂直配置至輻射體20，並向內凸出於接地面10內的曲形凹口32的中央。然而，當以配置內部金屬天線的結構端為基礎的接地情況改變時，也可適當改變饋入元件、輻射體及接地間的一些物理參數，能使輻射元件分別輻射出預定頻率的極化波(polarizedwaves)。並且，輻射元件可以是經過各種潤飾的有線或平面輻射元件。
上述倒F型金屬天線的厚度Z約為0.3毫米(mm)至2毫米(mm)。輻射體20的矩形部分21的長度L約為1/4波長(λ)。1/4波長是表示天線長度為達到諧振的操作頻率波長的1/4。輻射體20的矩形部分21的寬度T約為1/20至1/50波長(λ)。輻射體20的曲形部分22的最外圍圓的半徑R約為1/16波長(λ)。上述輻射體20的曲形部分22的中央中空圓的半徑r約為1/16波長(λ)減去輻射體20的矩形部分21的寬度T。值得注意的是，本發明在此說明的個別實施例的目的是用以說明本發明，並非用以限制本發明。
上述金屬天線結構的高度大於或等於輻射體20的矩形部分21的寬度T及輻射體的曲形部分22的中央中空圓的半徑r的總和。矩形部分21的開口端至輻射體20的曲形部分22的中心的長度大於矩形部分21的長度L及輻射體20的曲形部分22的中央中空圓的半徑r的總和。上述金屬天線結構的總長大於輻射體20的矩形部分21的長度L及輻射體20的曲形部分22的最外圍圓的半徑R的總和。曲形凹口32的半徑Sr大於輻射體20的矩形部分21的寬度T。甚者，曲形凹口32的直徑大於饋入點30的直徑，如此曲形凹口32即可容納饋入點30。接地面10的高度W大於曲形凹口32的半徑Sr。從連接至曲形部分22的第一端23的端點至曲形凹口32的長度A大於輻射體20的曲形部分22的最外圍圓的半徑R。
圖2為本發明的倒F型金屬天線的縱向示意圖。輻射體20可垂直放置以和傳輸裝置(如基地臺)連接。矩形部分21的位置應位於曲形部分22的上方。
圖3為顯示倒F型金屬天線的駐波比(SWR)的示意圖。代表天線功效的一基本特性為駐波比(SWR)。駐波比(SWR)是由反射及前進波的等級(level)所導出，並且也為金屬天線端輸入阻抗與傳輸線的特性阻抗匹配程度的指標。圖3中的位置4及5的相對應的頻率分別為2.59496GHz及2.25823GHz。因此，金屬天線的頻寬可大於340MHz，金屬天線的效能十分良好。
此外，考慮到短距無線傳輸裝置的輸出動力及接收敏感度的標準值，倒F型金屬天線的多方向性能具有確實滿足一般室內環境所需性能的增益值。
參考圖4至圖6，為根據本發明的實施例分別顯示2.4、2.45及2.5GHz共振頻率(resonant frequency)下的金屬天線輻射場型圖(radiationpattern)。圖4為顯示H平面輻射場型圖，並且於角度348度時其增益值約為3.80dBi，而其平均增益值為0.57dBi。圖5為顯示H平面輻射場型圖，並且於角度345度時其增益值約為4.02dBi，而其平均增益值為0.81dBi。圖6為顯示H平面輻射場型圖，並且於角度339度時其增益值約為3.96dBi，而其平均增益值為0.75dBi。根據本發明的利用矩形與曲形輻射元件所設計及製造的金屬天線的輻射場型圖的量測結果，發現可得到超過0dBi的良好增益值。本發明實施例的金屬天線輻射場型圖具有相當進步的接收效能。
本發明以較佳實施例說明如上，然而其並非用以限定本發明所主張的專利權利範圍。其專利保護範圍當視權利要求書及其等同領域而定。凡熟悉此領域的技藝者，在不脫離本專利精神或範圍內，所作的更動或潤飾，均屬於本發明所揭示精神下所完成的等效改變或設計，且應包含在本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種倒F型金屬天線，其特徵在於，包含一接地面；一輻射體，包含一曲形部分及一矩形部分，通過該曲形部分的一第一端連接至該接地面並且由該接地面的一接地點接地，該矩形部分連接至該曲形部分的一第二端；以及一饋入點，向內突出於該接地面內的一凹口，並連接至該輻射體的該曲形部分的該第二端；其中該接地面延伸至該輻射體的該矩形部分。
2.根據權利要求1所述的倒F型金屬天線，其特徵在於，其中該輻射體的該矩形部分與該接地面平行。
3.根據權利要求1所述的倒F型金屬天線，其特徵在於，其中該金屬天線結構的厚度約為0.3毫米至2毫米。
4.根據權利要求1所述的倒F型金屬天線，其特徵在於，其中該輻射體的該矩形部分的長度約為1/4波長。
5.根據權利要求1所述的倒F型金屬天線，其特徵在於，其中該輻射體的該矩形部分的寬度是從1/20至1/50波長。
6.根據權利要求1所述的倒F型金屬天線，其特徵在於，其中該輻射體的該曲形部分的最外圍圓的半徑約為1/16波長。
7.根據權利要求1所述的倒F型金屬天線，其特徵在於，其中該輻射體的該曲形部分的中央中空圓的半徑約為1/16波長減去該輻射體的該矩形部分的寬度。
8.根據權利要求1所述的倒F型金屬天線，其特徵在於，其中該凹口為一曲形凹口，且其半徑大於該輻射體的該矩形部分的寬度。
9.根據權利要求1所述的倒F型金屬天線，其特徵在於，其中該接地面的高度大於該凹口的半徑。
10.根據權利要求1所述的倒F型金屬天線，其特徵在於，其中連接至該曲形部分的該第一端的端點至該凹口的長度大於該輻射體的該曲形部分最外圍圓的半徑。
全文摘要
本發明公開一種倒F型金屬天線，該倒F型金屬天線包含接地面、輻射體及饋入點。上述輻射體包含曲形部分及矩形部分，通過曲形部分的第一端連接至接地面並且由接地面的接地點接地，矩形部分連接至曲形部分的第二端。上述饋入點向內突出於接地面內的一凹口，並連接至輻射體的曲形部分的第二端；且接地面延伸至輻射體的矩形部分。本發明能增加頻寬、增進金屬天線的效能。
文檔編號H01Q1/38GK101093909SQ20071000554
公開日2007年12月26日 申請日期2007年2月12日 優先權日2006年6月23日
發明者李長榮 申請人:智易科技股份有限公司