专利名称：宽频的双频天线的制作方法
发明的领域本发明是提供一种平面天线，特别是一种频带相连而能增加频宽的平面天线。
在无线通讯器材中，用来发射接收无线电波以传递交换无线电资料讯号的天线，无疑是最重要的元件之一。尤其是在现代的可携式无线通讯器材中，不仅天线要轻薄短小(以配合可携式无线通讯器材的特性)，最好还要能操作于双频，频宽也要更宽。如众所周知，为了要能发挥无线通讯的特性，可将无线电资料讯号以不同的频率予以调制，让调制后的无线电资料讯号能经由不同的频带(frequency band)传输，增加无线电讯号传输的容量。像是现在移动电话通讯标准的泛欧移动电话系统(GSM，Global System for MobileCommunications)，就有主要频率为九百及一千八百兆赫(MHz，即百万赫兹)的两个无线传输的频带。为了要能发射/接收双频带的无线电资料讯号，无线通讯器材中的天线自然也要能操作于双频带。另外，随着无线电资料讯号中资料集积的程度(有时以单位时间内传输的比特数来衡量)增加，天线操作时频带的频宽(bandwidth)也要随之增加。
请参考
图1。图1为美国专利第5,926,139号所披露的传统的天线10的外视图。传统的天线10有一导电的接地平板14、一导电且设于接地平板14上方的第一平板12、一导电且两端分别连接于接地平板14与第一平板12的连接体18，以及有两接点的讯号接口19。讯号接口19的一端为接地端，电连接于接地平面14；另一端为讯号端，在接点16电连于第一平板12。要由天线10发出、或由天线10接受的资料讯号，就由讯号接口19馈入或馈出天线10。连接体18是一个短路针(short pin)，用来连接第一平板12与接地平板14。为了要能在双频带操作，传统的天线10的第一平板有两个谐振区域(resonating area)17A、17B；各自对应天线10操作的一个频带。其他如欧洲专利(european patent)EP 0997974A1所揭露的天线，也与天线10近似，有一设有两个谐振区域的第一平板。
为更进一步说明传统的天线10的设计原理，请参考图2。图2为传统的天线10的反射系数(reflection)随频率变化的示意图，其横轴为频率；纵轴为反射系数(的绝对值)。天线的反射系数可用来衡量天线操作频带的频宽；一般以反射系数小于-10分贝(dB，decibel)的频率范围做为天线可操作的频带。如图2所示，天线10的两个谐振部分17A、17B(示于图1)就分别对应于天线10分布在频率fa及fb附近的两个频带A1及A2；也因此传统的天线10可操作于两个频带。
传统的天线10这种平面天线(planar antenna)的造型扁平，相当适合嵌入至如移动电话等的可携式无线通讯器材，使其不会有突出的天线部分。然而，传统的天线10会有频宽不足的问题，尤其是在频率较高的频带。一般来说，要增加天线10的频宽，就要增加对应谐振区域的尺寸。但增加谐振区域的尺寸就会增加天线的总体面积及体积，无法符合可携式无线通讯器材轻薄短小的要求。以泛欧行动通讯系统来说，其规格要求在一千八百兆赫附近的频带要有一百七十兆赫的频宽；但如传统的天线10的设计，在一般尺寸要求下是无法达到如此频宽的。
发明的详细说明请参考图3A、图3B、图3C及图3D。图3A为本发明一实施例的天线20的外视图，图3B为天线20的构成元件图，图3C为天线20由箭头3C方向看去的侧视图；图3D为天线20由箭头3D方向看去的侧视图(箭头3C及3D的方向请参看图3A)。天线20有一导电的第一平板22与一导电的接地平板24，两平面皆沿水平方向设置，彼此相距一固定的距离H1(请参考图3C及图3D)而互相平行。接地平板24与第一平板22间另有一做为短路针(shortpin)的导电连接体26，其两端分别连接至第一平板22与接地平板24。图3A、图3B中虚线标出的接触端26A，就是第一平板22与连接体26相连之处。图3B中的虚线29则标示出第一平板22投影在接地平板24上的位置。另外，天线20还有一讯号接口28(未示于图3C及图3D)；讯号接口28设有两接点，分别电连于第一平板22上的接点28A以及接地平板24上的接点28B。要由天线20发出的讯号、或由天线20接受的讯号，都会经由讯号接口28馈入、馈出。在某些可携式无线通讯器材中，其内部电路(包括天线的讯号接口)的印刷电路板(PCB，Printed Circuit Board)就有一个接地面，而本发明的天线就可以直接用这印刷电路板的接地面做为天线的接地平板，而讯号接口28的另一个接点则仍与第一平板22在接点28A电连。
为更进一步说明天线20的第一平板22的形状及其设计的意义，请参考图3E及图3F。图3E为天线20的第一平板22的俯视图，图3F则是第一平板22上各区域的示意图。第一平板22上由狭缝(slot)27(即图3E中的虚线)区分出各区域；至于各区域的配置，请进一步参考图3F。图3F中以虚线标出了四个区域，分别是第一谐振区域23A、第二谐振区域23B、第三谐振区域23C及连接区域23D的大概位置。由图3E及图3F可看出，第一谐振区域23A、第二谐振区域23B及第三谐振区域23C间互以狭缝做间隔，并共同连接于连接区域23D。请注意第一平板22上与连接体26(未示于图3E及F)连接的接触端26A，以及与讯号接口28(未示于图3E及F)电连的接点28A都设于连接区域23D上。第一谐振区域23A、第二谐振区域23B及第三谐振区域23C的尺寸分别对应于天线20可操作的第一、第二及第三频率的波长。更明确地说，在第一谐振区域23A中，讯号接口28由接地平板24馈入的电流，经由连接体26流入第一平板22的接触端26A，穿过连接区域23D最后流至第一谐振区域22的端点120A的整条路径(大约像图3F中路径25A所示意的)，其路径长大略相当于第一频率对应波长的四分之一。同理，电流由接地平板24、连接体26、接触端26A、连接区域23D、第二谐振区域23B至第二谐振区域的端点120B的路径(大约像图3F中路径25B所示意)，其长度大略是第二频率对应波长的四分之一。穿越第三谐振区域23C到达端点120C的路径25C，其长度大略就是第三频率对应波长的四分之一。
至于本发明天线20工作的原理，可用图4来说明。请参考图4。图4为天线20的反射系数随频率变化的示意图。如前所述，反射系数低于-10分贝的频率范围可当作天线可操作的频带。在本发明天线20中，有第一、第二及第三谐振区域，分别对应到天线20可操作的第一、第二及第三频带，就是图4中的频带B1、B2、B3。而第一、第二及第三频带又可分别用第一、第二及第三频率代表，也就是图4中标示出的频率f1、f2及f3。在设计本发明天线时，可适当改变各谐振区域的尺寸，调整频率f1、f2及f3的频率值，使频带B1与频带B2、B3两者分开，作为本发明天线可操作的第一个频带；频率f2及f3对应的频带，则使其有部分的重叠(即图4中标示为B0的频率范围)。此重叠的频率范围B0使频带B2及频带B3得以相连，让频带B2及频带B3能合成一频宽更宽(比频带B2、B3个别的频宽更宽)的频带B4；而频带B4也就成为本发明天线20可操作的第二个频带。由以上讨论可知，本发明的天线不仅可操作于双频带，而频带的频宽也得以有效增加；尤其是在频率较高的频带。如前面所叙述过的，在频率较高的频带，其频宽的要求也比较严格(即频带的频宽要比较宽)，使传统的技术的平面天线难以达成。相较之下，本发明的平面天线在设计时可结合高频的两频带，增加高频部分天线可操作的频宽，解决传统的平面天线的缺点。
以下将讨论本发明天线的不同实施形态。请参考图5至图10。图5至图10的六个图分别是本发明天线20的第一平板不同实施例的俯视图。这些不同的第一平板的实施例都以狭缝区分出三个不同的谐振区域。请注意狭缝的宽度与各谐振区域相互间电气特性的耦合有关；改变狭缝的宽度可微调天线的特性(如频带的频宽、天线的阻抗等)。与图3E中第一平板22类似，图5中的第一平板42与连接体26(未示于图5)连接于接触端46A，并与讯号接口28(未示于图5)的一接点电连接于接点48A。第一平板42的三个谐振区域中，谐振区域45C呈现出弯曲的形状；这种形状可使电流流入谐振区域45C时会沿着弯曲的形状增加电流流经路径的长度，进一步改变谐振区域45C对应的频率及频带的频宽。
图6中第一平板的另一实施例52有接触端56A、接点58A。第一平板52的谐振区域52C也呈弯曲的形状，其设计的构思则与图5中的第一平板42相似。弯曲的谐振区域52C可使电流沿谐振区域绕经较长的路径，改变谐振区域52C对应的频率及频带的特性。弯曲形状的谐振区域能在固定的面积内改变电流路径的长度，也能增加设计天线时可调整的参数，有助于天线性能的最佳化。
依据相同的道理，图7中有接触端66A、接点68A的第一平板62也有弯曲的谐振区域62B。图8中有接触端76A、接点78A的第一平板72则有弯曲的谐振区域72A。请注意此第一平板72与图3F中的第一平板22相似，但图3F中的第二谐振区域23B的端点120B是直接向外开路(open)，而图8中第一平板72的谐振区域72B的端点则向另一谐振区域72A开路(如图8中虚线79的标示)。改变谐振区域72A与72B相互间的距离(即分隔两者的狭缝的宽度)，也能调整天线的特性。图9中有接触端86A、接点88A的第一平板82，其弯曲的谐振区域82C则延伸围绕于谐振区域82B的外侧。图10中有接触端96A、接点98A的第一平板92，其谐振区域92B及谐振区域92C都呈现弯曲的形状，谐振区域92C则延伸围绕于谐振区域92B部分的外侧。
请继续参考图11A。图11A为本发明另一实施例的天线100的外视图。类似本发明第一实施例的天线20，天线100有一第一平板102、一接地平板104、一连接体106及一讯号接口108。连接体106于接触端106A与第一平板102连接，另一端则连接到接地平板104。讯号接口108的一接点接到第一平板102的接点108A，另一端则接到接地平板104作为接地。与天线20不同的是，天线100的第一平板102有两片向下折曲的导电的凸出部分103及105。为更进一步揭示凸出部分103及105的配置，请继续参考图11B、图11C及图11D。图11B为天线100沿(图11A中的)箭头11B方向看去的侧视图；图11C为天线100沿(图11A中的)箭头11C的方向看去的侧视图；图11D则是第一平板102另一方向的立体图。为求图示的清晰，在图11B、图11C中未显示讯号接口108。由图11B及图11C中可知，向下折曲的凸出部分103及105不会与接地平板104接触或连接。增加凸出部分103及105的目的也是增加谐振区域中电流流经的路径长度，以改变谐振区域对应的频率及频带的频宽。增加折曲的凸出部分可在不增加第一平板102水平部分投影面积的情况下，改变对应谐振区域的相关频率及频带，有助于减少天线的体积。
请参考图12A。图12A为本发明另一实施例的天线110。天线110有一第一平板112、一接地平板114、一连接体116及一讯号接口118。连接体116于接触端116A与第一平板112连接，另一端则连接到接地平板114。讯号接口118的一接点接到第一平板112的接点118A，另一端则接到接地平板114作为接地。与天线100不同的是，天线110有向下折曲的凸出部分113，以及连接于凸出部分113、呈水平反折的凸出部分115。这两个导电的凸出部分进一步的配置情形，可参考图12B及图12C。图12B为天线110由图12A中箭头12B的方向看到的侧视图；图12C则是天线110由图12A中箭头12C的方向看到的侧视图(两图皆未显示讯号接口118)。由图12B及图12C可看出，凸出部分113及115均未与接地平板114接触。凸出部分113及115设置的目的，与前一实施例凸出部分设置的目地相同，都是要改变谐振区域电流绕经的路径，以改变对应的频率及频带的频宽。
相较于传统的平面天线的频带频宽不足的现象，本发明天线可操作于三个频带，并使其中两个频带联合以提供更宽的频宽，解决传统的平面天线的问题。以上也披露了本发明的多种实施例，可提供多种参数变化，有助于在设计不同用途天线时对天线性能的最佳化。另外，如连接体与第一平板连接的位置(即接触端的位置)、第一平板与接地平板间的距离(换句话说，就是连接体的长度)、第一平板上接点(即第一平板与讯号接口电连之处)的位置，都可加以改变以求本发明天线性能的最佳化。另外本发明天线在第一平板与接地平板间，除了以空气作为介电质外，也可用其他绝缘材料作为介电质，填充在第一平板与接地平板间的空间。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，均应属本发明专利的涵盖范围。
图3A为本发明天线一实施例的外视图。
图3B为图3A中天线的组成元件图。
图3C为图3A中天线的一个侧视图。
图3D为图3A中天线的另一侧视图。
图3E为图3A中天线第一平板的俯视图。
图3F为图3A中天线第一平板配置的示意图。
图4为本发明天线的反射系数随频率变化的示意图。
图5至图10分别为本发明天线第一平板的六种实施例的示意图。
图11A为本发明天线另一实施例的示意图。
图11B为图11A中天线的一个侧视图。
图11C为图11A中天线的另一侧视图。
图11D为图11A中天线的第一平板的立体图。
图12A为本发明天线另一实施例的示意图。
图12B为图12A中天线的一个侧视图。
图12C为图12A中天线的另一侧视图。附图的符号说明20、100、110 本发明的天线22、42、52、62、72、82、92、102、112 第一平面23A第一谐振区域23B第二谐振区域23C第三谐振区域24、104、114 接地平面25A、25B、25C 路径26、106、116 连接体26A、46A、56A、66A、76A、86A、96A、106A、116B 连接体的接触端27 狭缝28、108、118 讯号接口28A、48A、58A、68A、78A、88A、98A、108A、118B 接点103、105、113、115 凸出部分3C、3D、12B、12C、13B、13C 箭头120A、120B、120C 端点45C、52C、62B、72A、72B、82B、82C、92B、92C 谐振区域f1、f2、f3 频率B1、B2、B3、B4 频带H1 距离
权利要求
1.一种天线，其包含有一导电的接地平板，沿水平方向设置；一导电的第一平板，沿水平方向设于该接地平板上方，与该接地平板相隔一固定距离；该第一平板包含有第一、第二及第三谐振区域，各谐振区域的尺寸分别对应于该天线操作的第一、第二及第三频率的波长；以及一连接区域，分别与该第一、第二及第三谐振区域连接；一导电的连接体，该连接体的两端分别连接于该接地平板与该第一平板的连接区域；以及一设有两接点的讯号接口；该两接点分别电连于该接地平板与该第一平板；其中该第一、第二与第三频率相异并分别对应于该天线操作的第一频带(frequency band)、第二频带与第三频带；该第二频率与该第三频率相近，让该第二频带与该第三频带有部分重叠而使得该第二频带与该第三频带得以相连。
2.如权利要求1的天线，其中该第一平板是以狭缝(slot)区分出该第一、第二及第三谐振区域。
3.如权利要求1的天线，其中该第一谐振区域是以一第一连接端连接于该连接区域，该第一谐振区域中与该第一连接端相对的另一端至该第一连接端间的距离约为该第一频率对应波长的四分之一。
4.如权利要求1的天线，其中该第二谐振区域是以一第二连接端连接于该连接区域，该第二谐振区域中与该第二连接端相对的另一端至该第二连接端间的距离约为该第二频率对应波长的四分之一。
5.如权利要求1的天线，其中该第三谐振区域是以一第三连接端连接于该连接区域，该第三谐振区域中与该第三连接端相对的另一端至该第三连接端间的距离约为该第三频率对应波长的四分之一。
6.如权利要求1的天线，其中该第一、第二或第三谐振区域另包含一凸出部分，于垂直方向凸出该第一平板。
7.如权利要求1的天线，其中该第二频率与第三频率间的频率差距是大略小于该第二频带与第三频带频宽和之一半。
8.如权利要求1的天线，其中该第一频率与该第二频率间的频率差距是大于该第一频带的频宽。
9.如权利要求1的天线，其中该第一频率与该第三频率间的频率差距是大于该第一频带的频宽。
10.如权利要求1的天线，其中该第一频率大约在八百兆赫(MHz，即一百万赫兹)到一千兆赫之间。
11.如权利要求1的天线，其中该第二频率大约在一千六百兆赫到一千七百九十九兆赫之间。
12.如权利要求11的天线，其中该第三频率大约在一千八百兆赫到两千兆赫之间。
13.如权利要求12的天线，其中该第二频率约在该第二频带频率范围的中间。
14.如权利要求12的天线，其中该第三频率约在该第三频带频率范围的中间。
全文摘要
一种天线，包括一沿水平方向设置的导电接地平板；一设于接地平板上方的导电第一平板、一导电的连接体及一设有两接点的讯号接口。第一平板与接地平板相隔一固定距离；第一平板包括第一、第二及第三谐振区域，各谐振区域的尺寸分别对应于天线的第一、第二及第三频率的波长；以及一连接区域，分别与第一、第二及第三谐振区域连接。连接体的两端则分别连接于接地平板与第一平板的连接区域。讯号接口的两接点分别电连接于接地平板与第一平板。
文档编号H01Q1/27GK1393956SQ01122040
公开日2003年1月29日 申请日期2001年6月25日 优先权日2001年6月25日
发明者林芳利 申请人:奇美数位股份有限公司