专利名称：调整单元具有两个自由端的单极印刷天线的制作方法
技术领域：
本发明属于天线，特别是一种调整单元具有两个自由端的单极印刷天线。
在无线区域网路的相关应用中，笔记型电脑利用无线网路卡上网的需求与日俱增，因此，对于无线网路卡的天线部分在尺寸与功能上的要求亦相对地重视。如
图1所示，笔记型电脑的PCMCIA介面的无线网路卡8可插入笔记型电脑的PCMCIA插槽，其包括本体23及延伸区域12。本体23包含驱动电路、连接器等；而延伸区域12包含发射及接收的印刷天线10。
目前在无线网路卡中使用的天线大多为印刷单极天线(Printed monopoleantenna)、晶片天线(Chip antenna)、倒F天线(Inverted-Fantenna)及螺旋天线(Helical antenna)。其中以印刷单极天线的制作为最简单及便宜。
如图2所示，印刷单极天线20包含馈线21、主要辐射单元22、接地层24及介电层25。
印刷单极天线20上的电流分布与偶极天线相同，故能产生与偶极天线相同的电场。但不同的是印刷单极天线20系利用接地层24产生镜像电流，因此，整个印刷单极天线20的长度仅需要λg/4，为偶极天线长度(λg/2)的一半。天线尺寸的缩减，在笔记型电脑的无线网路卡应用上是极为重要。上述波长λg定义为λg=1ϵre×cf0]]>其中c为光速、f0为电磁波中心频率及εre为等效介电质常数。εre的值介于电路板的介电质常数(nominal dielectric constant，约为4.4)及空气介电质常数(其值为1)之间。例如，若中心频率为2.45GHz且介质常数为4.4时，印刷单极天线的长度为2.32cm。
由于在无线网路卡上所预留给天线的面积有限，此天线长度通常无法置入该有限面积内，因此，这种印刷单极天线必须适当变形，以缩小其尺寸。
如图3所示，美国第6,008,774号专利‘无线资料传输之印刷天线结构(Printed antenna structure for wireless data communications)’即是这种印刷单极天线的变形。其基本原理是将图2中的λg/4印刷单极天线20弯曲绕线，以缩小天线面积。该印刷单极天线30亦包含馈线31、主要辐射单元32、接地层34及介电层。
本发明包括馈线、主要辐射单元、调整单元、接地层及电路板；电路板系由介质材料构成，其具有第一平面及第二平面；接地层系覆盖于电路板部分第一平面；馈线系配置于电路板第二平面且位于接地层上方，馈线的一端电连接于驱动电路；主要辐射单元系以导电材料构成，其系配置于电路板第二平面且与接地层错开；调整单系配置于电路板第二平面，且与接地层错开，其导电连接于主要辐射单元的另一端；调整单元具有藉以缩小结构尺寸的两自由端。
其中调整单元的两导电自由端形成直线、V型或倒V型结构。
主要辐射单元为V型结构。
主要辐射单元为半圆形结构。
馈线、主要辐射单元及调整结构构成螯型、Y型、箭头型或T形结构。
一种调整单元具有两个自由端的单极印刷天线，它包括馈线、主要辐射单元、调整单元、接地层及电路板；电路板系由介质材料构成，其具有第一平面及第二平面；接地层系覆盖于电路板部分第一平面；馈线系配置于电路板第二平面且位于接地层上方，馈线的一端电连接于驱动电路；主要辐射单元系以导电材料构成，其系配置于电路板第二平面且与接地层错开；调整单系配置于电路板第二平面，且与接地层错开，其导电连接于主要辐射单元的另一端；调整单元具有藉以缩小结构尺寸以令其长度小于四分之一电磁波中心波长的两个或两个以上自由端。
调整单元的两导电自由端形成直线、V型或倒V型结构。
馈线、主要辐射单元及调整结构构成螯型、Y型、箭头型或T形结构。
一种调整单元具有两个自由端的单极印刷天线，它包括馈线、主要辐射单元、调整单元、接地层及电路板；电路板系由介质材料构成，其具有第一平面及第二平面；接地层系覆盖于电路板部分第一平面；馈线系配置于电路板第二平面且位于接地层上方，馈线的一端电连接于驱动电路；主要辐射单元系以导电材料构成，其系配置于电路板第二平面且与接地层错开；调整单系配置于电路板第二平面，且与接地层错开，其导电连接于主要辐射单元的另一端；调整单元具有藉以缩小结构尺寸以令其长度小于0.25λg的两个或两个以上自由端；波长λg定义为λg=1ϵre×cf0]]>其中c为光速、f0为电磁波中心频率及εre为等效介电质常数。
调整单元的两导电自由端形成直线、V型或倒V型结构。
馈线、主要辐射单元及调整结构构成螯型、Y型、箭头型或T形结构。
由于本发明包括馈线、主要辐射单元、调整单元、接地层及电路板；电路板系由介质材料构成，其具有第一平面及第二平面；接地层系覆盖于电路板部分第一平面；馈线系配置于电路板第二平面且位于接地层上方，馈线的一端电连接于驱动电路；主要辐射单元系以导电材料构成，其系配置于电路板第二平面且与接地层错开；调整单系配置于电路板第二平面，且与接地层错开，其导电连接于主要辐射单元的另一端；调整单元具有藉以缩小结构尺寸的两自由端。藉由具有两个自由端的调整单元缩短本发明的尺寸、便于置入笔记型电脑无线网路卡内，从而达到本发明的目的。
图2、为习知的印刷单极天线结构示意剖视图。
图3、为习知的印刷单极天线结构示意剖视图(弯曲绕线状)。
图4、为输入阻抗虚部Xt对开路传输线长度L的关系图。
图5、为并联两个长度为L1的开路传输线架构。
图6、为并联两个长度为L1传输线架构等效开路传输线架构。
图7、为叉路偶极天线结构示意图。
图8、为叉路单极天线结构示意图。
图9、为本发明实施例一结构示意剖视图。
图10、为本发明实施例二结构示意剖视图。Eθ的图11、为本发明电场成份增益分布图(XY平面Eφ)。
图12、为本发明电场成份增益分布图(XY平面Eθ)。
图13、为本发明电场成份增益分布图(XZ平面Eφ)。
图14、为本发明电场成份增益分布图(XZ平面Eθ)。
图15、为本发明电场成份增益分布图(YZ平面Eφ)。
图16、为本发明电场成份增益分布图(YZ平面Eθ)。
图17、为本发明反射损耗与频率关系图。
电路板85(85’)系由介质材料构成，其具有第一平面及第二平面。
接地层84(84’)系覆盖于电路板85(85’)部分第一平面。
馈线81(81’)系配置于电路板85(85’)第二平面且位于接地层84(84’)上方，馈线81(81’)的一端电连接于驱动电路。
主要辐射单元82(82’)系以导电材料构成，其可为直线、V型或半圆形等结构。主要辐射单元82(82’)系配置于电路板84(84’)第二平面且与接地层84(84’)错开，不在接地层84(84’)上方。
调整单元83(83’)系配置于电路板85(85’)第二平面，且与接地层84(84’)错开，不在接地层84(84’)上方，调整单元83(83’)导电连接于主要辐射单元82(82’)的另一端，藉以利用不同长度调整辐射信号的中心频率f0；其中调整单元83(83’)具有两个自由端831(831’)、832(832’)，藉以缩小本发明的尺寸。调整单元83(83’)的两导电自由端831(831’)、832(832’)的形状及角度并没有限制，其可以成直线、V型、倒V型或螯型结构。
馈线81(81’)、主要辐射单元82(82’)及具有两个自由端831(831’)、832(832’)的调整单元83(83’)构成螯型、Y型、箭头型或T形结构。
首先说明本发明的原理。如熟悉天线设计者所知，长度为2L的偶极天线可视为长度为开路传输线的变形。并且偶极天线输入阻抗(Ra+jXa)的虚部(jXa)近似于开路传输线的输入阻抗(jXt)，其中，jXt＝-jZ0cot(2πL/λg)，Z0为传输线特性阻抗。
如图4所示的开路传输线输入阻抗虚部Xt对长度L的关系图。要达到天线的共振条件，即Xa≈Xt＝0，开路传输线的长度需要为1/4波长，即L＝λg/4。本发明可缩短天线的共振长度，其原理如下如图4所示，若长度L1的开路传输线输入阻抗Z1为jX1，长度L1’的开路传输线输入阻抗Z1’＝Z1/2＝jX1/2，则L1＜L1′。因此，如图5所示，当两个长度为L1的开路传输线并联在一起后，其输入阻抗Z1’变成jX1/2，亦即等效长度为L1’的开路传输线。
如图5、图6所示，若将此并联传输线再接一段长度为L2的传输线，则其输入阻抗将与一段长度为L1’+L2的传输线相等。亦即图5所示的结构与图6所示的结构具有相同的输入阻抗。所以在共振时，输入阻抗为0，图6所示结构的总长度L1’+L2须为λg/4，而图5所示结构的长度H＜L1+L2＜L1’+L2＝λg/4，如此，将可达到缩减天线长度的目的。
上述波长λg定义为λg=1ϵre×cf0]]>其中c为光速、f0为电磁波中心频率及εre为等效介电质常数。εre的值介于电路板的介电质常数(nominal dielectric constant，约为4.4)及空气介电质常数(其值为1)之间。
如图7所示，若在图5所示结构的P-P’处将讯号线及地线分别往上、下折，则可变成具有叉路结构的偶极天线。此叉路偶极天线的输入阻抗虚部将近似于如图5所示结构的输入阻抗，因此，可达共振作用。此时，整个叉路偶极天线的高度2H将小于传统偶极天线结构的高度，即λg/2，若进一步利用镜像原理，则图7所示的叉路偶极天线结构可缩减成如图8所示的调整单元具有两个自由端的单极印刷天线80”包含馈线81、主要辐射单元L2、调整单元(叉路部分)L1及接地面84”。在此种结构中，调整单元(叉路部分)L1除可用以缩减其高度外，并可在其所在平面上，产生两个方向的电流，帮助达到全方向辐射的目标。如图9所示，本发明调整单元具有两个自由端的单极印刷天线80系将图8所示的结构中垂直导线弯曲，则可进一步缩减其高度，达到缩小其尺寸的目的。
如上所述，图5与图6所示结构的输入阻抗相等，即Z1/2＝Z1’，或-j/2Z0cotβL1＝-jZ0cotβL1’其中β＝2π/λg，称为传输线的相位常数(phase constant)。因此，可推导出βL1′=cot-1(cotβL12)]]>在共振时必须满足β(L1’+L2)＝β(λg/4)＝(2π/λg)(λg/4)＝π/2，因此βL2=π2-βL1′=π2-cot-1(cotβL12)]]>令f(βL1)=βL1+βL2=βL1+π2-cot-1(cotβL12)]]>，则可藉由求出适当的βL1，使f(βL1)的值最小。经过运算后，得知f(βL1)的最小值为1.23，即L1+L2的最小值为1.23/β＝(1.23/2π)λg，或0.196λg。
因此，图8所示的调整单元具有两个自由端的单极印刷天线80”的长度，即L1+L2最小可缩减为0.196λg。与如图2所示的传统单极天线长度，即λg/4相比，本发明的导线长度仅为传统叉路单极天线的0.196λg/0.25λg≈78.4％。
例如，对于中心频率f0为2.45GHz且介电质常数为4.4时，本发明的调整单元具有两个自由端的单极印刷天线80(80’、80”)实际设计所得的导线长度可从传统单极天线的2.32cm缩减为1.92cm。而其实际高度H更低于1.92cm。若将本发明垂直部分弯曲成如图9所示的结构，则本发明的大小更可大幅缩减。
实施例一如图9所示，本发明调整单元具有两个自由端的单极印刷天线80包括馈线81、主要辐射单元82、具有两个自由端831、832的调整单元83、接地层84及为电路板的电路板85。
馈线81、主要辐射单元82及具有两个自由端831、832的调整单元83构成螯型、Y型、箭头型或T形结构。
电路板85的介电质常数定义为εr，介电质常数一般大约为4.4。
接地层84分布于电路板85底面部分区域。馈线81分布于介电层84的上表面，且位于接地层84上方，一端导电连接于驱动电路。
主要辐射单元82的一端导电连接于馈线81的另一端，用来发射与接收传输信号。主要辐射单元82的形状并没有限，其可以是直线或具有V型或半圆形结构。
调整单元83的两导电自由端831、831的形状及角度并没有限制，其可以成直线、V型、倒V型或螯型结构。
调整单元83导电连接于主要辐射单元82的另一端，用以缩小本发明调整单元具有两个自由端的单极印刷天线80的尺寸，并调整其中心频率f0。
实施例二如图10所示，本发明调整单元具有两个自由端的单极印刷天线80’的主要辐射单元82’形状为具有半圆形结构。
馈线81’、主要辐射单元82’及具有两个自由端831’、832’的调整单元83’构成螯型、Y型、箭头型或T形结构。
具有两个自由端831’、832’的调整单元83’变形为螯型结构。
如图11、图12、图13、图14、图15、图16所示，本发明电场成分(electricfield components)Eφ与Eθ的增益(gain)中，传输信号的中心频率为2450MHz。图11所示的电场分布参考座标显示于图10中，且Y轴为馈线81的延伸方向。
本发明反射损耗与频率的关系显示于图17中。
权利要求
1.一种调整单元具有两个自由端的单极印刷天线，它包括馈线、主要辐射单元、调整单元、接地层及电路板；电路板系由介质材料构成，其具有第一平面及第二平面；接地层系覆盖于电路板部分第一平面；馈线系配置于电路板第二平面且位于接地层上方，馈线的一端电连接于驱动电路；主要辐射单元系以导电材料构成，其系配置于电路板第二平面且与接地层错开；调整单系配置于电路板第二平面，且与接地层错开，其导电连接于主要辐射单元的另一端；其特征在于所述的调整单元具有藉以缩小结构尺寸的两自由端。
2.根据权利要求1所述的调整单元具有两个自由端的单极印刷天线，其特征在于所述的调整单元的两导电自由端形成直线、V型或倒V型结构。
3.根据权利要求1所述的调整单元具有两个自由端的单极印刷天线，其特征在于所述的主要辐射单元为V型结构。
4.根据权利要求1所述的调整单元具有两个自由端的单极印刷天线，其特征在于所述的主要辐射单元为半圆形结构。
5.根据权利要求1所述的调整单元具有两个自由端的单极印刷天线，其特征在于所述的馈线、主要辐射单元及调整结构构成螯型、Y型、箭头型或T形结构。
6.一种调整单元具有两个自由端的单极印刷天线，它包括馈线、主要辐射单元、调整单元、接地层及电路板；电路板系由介质材料构成，其具有第一平面及第二平面；接地层系覆盖于电路板部分第一平面；馈线系配置于电路板第二平面且位于接地层上方，馈线的一端电连接于驱动电路；主要辐射单元系以导电材料构成，其系配置于电路板第二平面且与接地层错开；调整单系配置于电路板第二平面，且与接地层错开，其导电连接于主要辐射单元的另一端；其特征在于所述的调整单元具有藉以缩小结构尺寸以令其长度小于四分之一电磁波中心波长的两个或两个以上自由端。
7.根据权利要求6所述的调整单元具有两个自由端的单极印刷天线，其特征在于所述的调整单元的两导电自由端形成直线、V型或倒V型结构。
8.根据权利要求6所述的调整单元具有两个自由端的单极印刷天线，其特征在于所述的馈线、主要辐射单元及调整结构构成螯型、Y型、箭头型或T形结构。
9.一种调整单元具有两个自由端的单极印刷天线，它包括馈线、主要辐射单元、调整单元、接地层及电路板；电路板系由介质材料构成，其具有第一平面及第二平面；接地层系覆盖于电路板部分第一平面；馈线系配置于电路板第二平面且位于接地层上方，馈线的一端电连接于驱动电路；主要辐射单元系以导电材料构成，其系配置于电路板第二平面且与接地层错开；调整单系配置于电路板第二平面，且与接地层错开，其导电连接于主要辐射单元的另一端；其特征在于所述的调整单元具有藉以缩小结构尺寸以令其长度小于0.25λg的两个或两个以上自由端；波长λg定义为λg=1ϵre×cf0]]>其中c为光速、f0为电磁波中心频率及εre为等效介电质常数。
10.根据权利要求9所述的调整单元具有两个自由端的单极印刷天线，其特征在于所述的调整单元的两导电自由端形成直线、V型或倒V型结构。
11.根据权利要求9所述的调整单元具有两个自由端的单极印刷天线，其特征在于所述的馈线、主要辐射单元及调整结构构成螯型、Y型、箭头型或T形结构。
全文摘要
一种调整单元具有两个自由端的单极印刷天线。为提供一种尺寸小、便于置入笔记型电脑无线网路卡内的天线，提出本发明，它包括馈线、主要辐射单元、调整单元、接地层及电路板；电路板系由介质材料构成，其具有第一平面及第二平面；接地层系覆盖于电路板部分第一平面；馈线系配置于电路板第二平面且位于接地层上方，馈线的一端电连接于驱动电路；主要辐射单元系以导电材料构成，其系配置于电路板第二平面且与接地层错开；调整单系配置于电路板第二平面，且与接地层错开，其导电连接于主要辐射单元的另一端；调整单元具有藉以缩小结构尺寸的两自由端。
文档编号H01Q9/04GK1464589SQ0212306
公开日2003年12月31日 申请日期2002年6月11日 优先权日2002年6月11日
发明者吴敏铨, 郭彭渊, 钟世忠, 李职民 申请人:瑞昱半导体股份有限公司