专利名称：多频段天线的制作方法
技术领域：
本发明是有关于一种多频段(Multi-band)天线，且特别是有关于一种利用单一谐振结构产生多频段电磁波的一体成型多频段天线。
背景技术：
在无线通讯系统中，天线是一种用来传送与接收电磁波的窗口，它的电特性良好与否足以影响通讯的品质。一般天线在收发信号时，往往会产生多重路径(Multi-path)干扰问题，其有效对策便是使用所谓的天线分集(Antenna Diversity)方式。当系统使用在单一频段范围时，可以利用两支单频天线来组成天线分集系统。例如无线区域网路WLAN802.1la所使用的5GHz频段或WLAN802.11b所使用的2.4GHz频段，通常利用一支主要(Master)天线及一支从属(Slave)天线来达到天线分集的目的。主要天线负责发射及接收讯号，而从属天线则仅从事讯号的接收，故接收讯号时可依接收讯号的强度择一进行接收。另外，WLAN802.11g的2.4GHz频段，则规划两支天线皆负责接收及发射的功能，并依讯号的品质择一使用，以便收发来自各个方向的电磁波。
然而当系统需使用双频(Dual-band)甚至是多频段时，目前大部分的天线系统设计方式，均为使用多组独立天线或是复合式天线来达到天线分集效果，以保有各频段的高频特性，因此至少需使用四支天线才能满足WLAN802.11a/b/g所需的操作频率范围2.4～2.4835GHz、5.15～5.35GHz、5.47～5.725GHz以及5.725～5.825GHz。显然，这样的系统设计将会增加射频(RF)系统的复杂度，进而降低系统使用上的可靠度及增加生产成本。
另外，微型化多频段天线的设计技术，是利用谐振结构的倍频效应，以制作出在单一天线结构下具多组谐振频宽(Bandwidth)的电磁波辐射体。然而，此一设计的限制为每一个谐振中心频率均为倍数关系，且所有频宽皆属窄频，所以会有频宽不易拓展的现象。例如一般无线区域网路使用的2.4GHz及5GHz双频天线，通常只是将2.4GHz频段加倍为4.8GHz，再稍微调整结构参数，即可接收到5GHz的电磁波讯号。因而，此高频段的电磁波传输效率往往较差。对于WLAN802.11a/b/g所需运作的频率范围2.4～2.4835GHz、5.15～5.35GHz、5.47～5.725GHz以及5.725～5.825GHz，此种作法显然无法适用，因为5GHz频率范围的每一频段皆非倍频关系，且其整体频宽相当大(1GHz)。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的就是在提供一种多频段天线，利用一体成型单一谐振结构，以产生多频段的电磁波，且符合WLAN 802.11a/b或WLAN802.11a/g的操作频率范围，并搭配金属屏蔽及特殊接地模式，使得整个系统在很小的空间需求前提下，兼具良好的高频特性、电磁相容性、低系统复杂度、高可靠度及低廉的价格。
根据本发明的目的，提出一种多频段天线系统，是一体成型的导体结构，用以收发其频率位于第一频段及第二频段的电磁波讯号，多频段天线包括谐振频率调节器、接地元件、短路器以及馈入线。谐振频率调节器，用以提供对应第一频段及第二频段的第一谐振模态及第二谐振模态。接地元件包括主接地面、第一接地调节器以及第二接地调节器。主接地面包括对应第一谐振模态的第一接地点，以及对应第二谐振模态的第二接地点，而第一接地调节器，连接主接地面，用以调节第一谐振模态的阻抗匹配及第一频段的频宽，第二接地调节器，连接主接地面，用以调节第二谐振模态的阻抗匹配及第二频段的频宽。短路器一端连接至谐振频率调节器，另一端连接第二接地点，且短路器具有馈入点，而馈入线连接至馈入点，用以传递电磁波讯号，且馈入线连接第一接地点。谐振频率调节器包括第一辐射臂及第二辐射臂，分别对应第一谐振模态及第二谐振模态，且第一及第二辐射臂的长度用以调整第一频段及第二频段的中心频率。
第一接地调节器与谐振频率调节器形成第一间隙，相当于第一电容，用以调整第一谐振模态的阻抗匹配以及第一频段的频宽，第二接地调节器与谐振频率调节器形成第二间隙，相当于第二电容，用以调整第二谐振模态的阻抗匹配及第二频段的频宽。接地元件的总面积，用以调整第一谐振模态及第二谐振模态的阻抗匹配以及第一频段及该第二频段的频宽。第一接地点与第二接地点的距离用以调整第一谐振模态及第二谐振模态的阻抗匹配。主接地面电性连接屏蔽金属，用以提升天线的电磁辐射效率。馈入点沿短路器愈接近第一端时，第一频段的中心频率愈高。
根据本发明的目的，更提出一种笔记本电脑，包括主机以及显示器，显示器包括两支多频段天线以及屏蔽金属。两支多频段天线左右对称，用以收发其频率位于第一频段及第二频段的电磁波讯号，且各支多频段天线包括正极板、负极板、短路板以及馈入线。正极板包括第一及第二辐射臂，分别用以谐振出对应第一频段及第二频段的第一谐振模态以及第二谐振模态，调整第一及第二辐射臂长度，以及短路器的长度，可得到所需的第一频段及第二频段中心频率。负极板更包括主接地面、第一接地调节板以及第二接地调节板。主接地面包括对应第一谐振模态的第一接地点，以及对应第二谐振模态的第二接地点。第一接地调节板，连接主接地面，用以调节第一谐振模态的阻抗匹配及第一频段的频宽，而第二接地调节板，连接主接地面，用以调节第二谐振模态的阻抗匹配及第二频段的频宽。另外，短路板一端连接至正极板，另一端连接至第二接地点，且短路板具有馈入点与馈入线连接。馈入线用以将电磁波讯号传至主机中的射频模组，且馈入线连接第一接地点。
图1A示出依照本发明一优选实施例的多频段天线结构示意图；图1B示出图1A中多频段天线的结构立体图；图1C示出依照本发明一优选实施例第一及第二谐振模态的电流路径示意图；图2A示出图1A中谐振频率调节器以A1为交点辐射状展开为二辐射臂的结构示意图；图2B示出图1A中谐振频率调节器以A1为交点辐射状展开为三辐射臂的结构示意图；图3示出依照本发明一优选实施例的返回损失量测结果；图4示出依照本发明另一优选实施例应用于笔记本电脑的结构示意图；以及图5示出图4中两支多频段天线对不同频率的电性隔离度的量测函数图。
标号说明100、430、440多频段天线110谐振频率调节器112第一辐射臂 114第二辐射臂120短路器 122第一端124第二端 130、431、441馈入线140接地元件141主接地面143第一接地调节器 145第二接地调节器150、450屏蔽金属 400笔记本电脑410主机420显示器432、442接地面具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下本发明的多频段天线主要特点在于利用一体成型的单一谐振结构，谐振出符合WLAN 802.11a/b或WLAN 802.11a/g频率范围的多频段电磁能量，并搭配金属屏蔽及接地设计，使得本发明兼具小体积、低价格、低系统复杂度、良好高频特性以及电磁相容性的多项优点。
请参考图1A，其示出依照本发明一优选实施例多频段天线结构示意图。接下来将以2.4GHz与5GHz两个主要频段为例作说明。多频段天线100包括谐振频率调节器110、短路器120、馈入线130以及接地元件140。谐振频率调节器110是作为正极板，其与短路器120的第一端122相接，并以接点A1将谐振频率调节器100区分为第一辐射臂112及第二辐射臂114二部分，分别用以产生第一及第二谐振模态，来分别接收或发射其所对应的第一频段(以5GHz频段为例)及第二频段(以2.4GHz频段为例)的电磁波讯号。短路器120的第二端124则连接至接地元件140。
另外，短路器120更包括馈入点A2，用以连接馈入线130，馈入线130再连接射频(RF)模组(未显示于图中)，用以传递电磁波讯号。接地元件140是作为负极板，其包括主接地面141、第一接地调节器143及第二接地调节器145。主接地面141与馈入线130相接于第一接地点G1，且第一接地点G1是对应至第一谐振模态，主接地面141与短路器120的第二端124相交于第二接地点G2，而第二接地点G2是对应至第二谐振模态。第一及第二接地调节器143及145是分别用以调整第一及第二谐振模态的阻抗匹配(Impedance Match)及第一及第二频段的频宽。屏蔽金属150与主接地面141电性连接，用以提升天线100的电磁辐射效率。
请参考图1B，其示出图1A中多频段天线100的结构立体图。如上所述，多频段天线100是由作为正极板的谐振频率调节器110、作为负极板的接地元件140及短路器120组成的谐振结构，可由一片金属导体，在适当的应力处理下，利用一体成型方式制成。除了馈入点A2之外，没有其它的焊接点。这是本发明的特点之一，一体成型方式可以降低生产成本，并提升高频特性的稳定度，更可以使多频段天线100的整体结构更稳固。
请参考图1C，其示出依据本发明一优选实施例第一及第二谐振模态的电流路径示意图。本发明的另一特点在于，可借由调整第一辐射臂112及第二辐射臂114的长度，来决定第一频段及第二频段中心频率的大小，例如当设计出的天线第一频段中心频率低于预期的5GHz时，就必须缩短其所对应的第一辐射臂112；或是当设计出的天线第二频段中心频率高于预期的2.4GHz时，就必须增长其所对应的第二辐射臂114。
而且对应第一频段及第二频段的谐振接地点是分开为第一接地点G1及第二接地点G2，如此的设计，将使得对应第一频段(5GHz频段)的谐振电流会由馈入点A2流向第一端122，经由第一辐射臂(短辐射臂)112后，再依原来路径，流入第一接地点G1。而对应第二频段(2.4GHz频段)的谐振电流则由馈入点A2流向第一端122，经由第二辐射臂(长辐射臂)114后，再经由原来路径回到馈入点A2处，并经由短路器120，最后流入第二接地点G2，形成对应第一及第二频段所需的第一及第二谐振模态。
上述实施例的谐振频率调节器110是以矩形的正极板为例作说明，然而，本发明的谐振频率调节器110，也可以是以接点A1为交点，辐射状延伸出各个频段所需的谐振导体长度，例如在图2A所示谐振频率调节器俯视图中的第一辐射臂112′及第二辐射臂114′，辐射臂长度愈长，谐振频率愈低，且第一辐射臂112′及第二辐射臂114′之间可以呈各种夹角θ，并搭配适当的接地元件140设计，调整阻抗匹配及讯号频宽，仍可以达到上述提供所需二个谐振频段的目的。另外，利用相同的原理，若欲产生三个谐振频段，例如无线区域网路的2.4GHz及5GHz以外，再多一个手机讯号接收频段，根据本发明只要设计以接点A1为交点，辐射状延伸出具适当导体长度的三支辐射臂，如图2B所示谐振频率调节器俯视图中的辐射臂112″、113″及114″，且配合短路器120及接地元件140的设计，即可提供对应三种不同频段的三种谐振模态。
再者，上述短路器120的形状是以直角N型板为例作说明，实际上，短路器120亦可以使用其它形状，只要其具有第一端122接于谐振频率调节器110，以及第二端124接于主接地面141，第二接地点G2与第一接地点G1不重叠，并且短路器120具有一个馈入点A2，其与接点A1及第二接地点G2不重叠，即可以达到上述利用两种不同电流路径以形成两种谐振模态的效果。
如上所述，本发明的谐振中心频率大小主要取决于第一辐射臂112及第二辐射臂114的长度，而短路器120的长度以及馈入点A2的位置也会影响谐振频率，短路器120的长度愈短，或者短路器120上的馈入点A2愈接近第一端122时，第一频段的中心频率也会愈高。另外，谐振效率的好坏取决于阻抗匹配的优劣以及频宽的大小。第一及第二接地调节器143及145与谐振频率调节器110之间形成的间隙(Gap)，具有电容效应，这些间隙的大小以及负极板140整块面积，皆可用以调整第一及第二谐振模态的阻抗匹配以及第一及第二频段的频宽。再者，第一接地点G1及第二接点地G2的距离也会影响整个辐射返回损失(Return Lose)的表现，而影响其阻抗匹配。
请参考图3，其示出依照本发明一优选实施例的返回损失量测结果。经过考量上述各种因素并作适当的设计后，由图3可知，在5GHz频段部分，属于WLAN 802.11a的操作频率范围5.15GHz～5.825GHz，其返回损失皆大于10dB，甚至可用的频率范围可扩大到自4.9GHz到6.0GHz(返回损失仍小于10dB)，包含了日本、澳洲所使用的4.9GHz频段规格，可以说在良好的阻抗匹配要求下，5GHz频段可以调出很大的频宽(约1GHz)。另外，在2.4GHz频段部分，WLAN 802.11b或WLAN 802.11g操作频率范围的2.4GHz到2.4835GHz，其返回损失皆大于10dB。就一般业界规格而言，本发明天线可操作的5GHz频段部分，实际包括了三个不同频段5.15GHz～5.35GHz、5.47～5.725GHz、5.725～5.825GHz，因此，本发明的多频段天线仅以单一谐振结构，便可谐振出至少四个频段的电磁波。
请参考表1及表2，分别表示依照本发明一优选实施例第一频段(5GHz频段)及第二频段(2.4GHz频段)于天线沿图1B中X轴配置时的各操作频率于X-Y平切面的天线增益量测值。由2.4GHz频段各频率的峰值增益(PeakGain)近于0dB可知其辐射场型近似均匀的圆形，而5GHz频段的峰值增益约为1.2～2.8dB之间，其辐射场型近似椭圆形。2.4GHz频段的平均增益(Average Gain)皆大于-2.5dB，而5GHz频段的平均增益皆大于-4.5dB，显示出本发明的天线具有良好的辐射效率。在峰值增益(Peak Gain)方面，本发明设计使5GHz频段的峰值增益较2.4GHz的峰值增益来得大。这是因为5GHz频段的电磁波随传递距离变长的衰减率比2.4GHz频段的电磁波还大，因此，当同时接收5GHz频段及2.4GHz频段的电磁波辐射时，5GHz频段的辐射场型就要设计具有较大的峰值增益(同时调整谐振频段调节器110及接地元件140)，才能于相同的要求距离下收到位于两种频段的电磁波讯号。虽然，这样的高峰值增益设计对于5GHz频段会增加讯号接收的死角，然一般无线区域网络皆用于室内，有多个反射角度的接收路径，死角问题不大，反而稳定的收发效率是要求重点。
表1
表2
请参考图4，其示出依照本发明另一优选实施例应用于笔记本电脑的结构示意图。笔记本电脑400包括主机410以及显示器420两部分。使用两支本发明的多频段天线430及440，分别设置于显示器420打开时的上端，且相对于显示器420左右对称，形成一个多频段空间切换式(Spatial Diversity)双天线系统。多频段天线430及440的接地面432及442电性连接至屏蔽金属450，对应多频段天线430及440的馈入线431及441连接至位于主机410的RF模组(未显示于图中)，以传递电磁波讯号。多频段天线430及440左右对称可形成优选的隔离(Isolation)效果，不至于在收发讯号时左右互相干扰，且可达到空间切换选择的效果。如图5所示，是由多频段天线430及440其中一支天线发射电磁波给另一支天线接收时的电磁波隔离状况。由图5可知，2.4GHz与5.15GHz频率于此双天线系统的高频电性隔离度分别为-27dB及-36dB，其隔离效果可说是相当不错。
本发明的优点在于天线谐振机制是为一体成型的导体结构，可以降低生产成本及提升高频特性的稳定度。本发明以高频讯号馈入点为中心，形成辐射状的多支辐射臂，并依不同的长度区分各频段谐振频率，可在单一导体结构上形成多组电磁谐振模态，达到多频段辐射的目的，而且利用多点接地的设计方式可以与辐射臂设计模式相互对应搭配以达到阻抗匹配及拓展频宽的效果，另外，将天线接地点与屏蔽金属电性连接，可以提升电磁辐射效率并兼具电磁相容的考虑以提升系统的高频表现，且结构简单、体积小，十分适用在隐藏式天线系统。
综上所述，虽然本发明已以一优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何业内人士，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
权利要求
1.一种多频段天线，用以收发多个电磁波讯号，所述电磁波讯号的频率位于一第一频段以及一第二频段，该多频段天线包括一谐振频率调节器，用以提供对应该第一频段及该第二频段的一第一谐振模态及一第二谐振模态；一接地元件，包括一主接地面，包括对应该第一谐振模态的一第一接地点，以及对应该第二谐振模态的一第二接地点；一第一接地调节器，连接该主接地面，用以调节该第一谐振模态的阻抗匹配及该第一频段的频宽；以及一第二接地调节器，连接该主接地面，用以调节该第二谐振模态的阻抗匹配及该第二频段的频宽；一短路器，包括一第一端，连接至该谐振频率调节器，一第二端，连接该第二接地点，以及一馈入点；以及一馈入线，连接至该馈入点，用以传递所述电磁波讯号，且该馈入线连接该第一接地点。
2.如权利要求1所述的多频段天线，其中该谐振频率调节器包括以该第一端为交点的一第一辐射臂及一第二辐射臂，分别对应该第一谐振模态及该第二谐振模态。该第一辐射臂及该第二辐射臂的长度决定该第一频段及该第二频段的中心频率。
3.如权利要求1所述的多频段天线，其中该谐振频率调节器是为矩形。
4.如权利要求1所述的多频段天线，其中该第一频段为5GHz频段。
5.如权利要求4所述的多频段天线，其中该第二频段为2.4GHz频段。
6.如权利要求1所述的多频段天线，其中该短路器是为一直角N型板。
7.如权利要求1所述的多频段天线，其中该第一接地调节器与该谐振频率调节器之间具有一第一间隙，该第一间隙的大小决定该第一谐振模态的阻抗匹配以及该第一频段的频宽。
8.如权利要求1所述的多频段天线，其中该第二接地调节器与该谐振频率调节器之间具有一第二间隙，该第二间隙的大小决定该第二谐振模态的阻抗匹配及该第二频段的频宽。
9.如权利要求1所述的多频段天线，其中该主接地面电性连接一屏蔽金属，用以提升该天线的电磁辐射效率。
10.如权利要求1所述的多频段天线，其中该多频段天线是一体成型的导体结构。
11.一种笔记本电脑，包括一主机；以及一显示器，包括两支多频段天线，用以收发多个电磁波讯号，所述电磁波讯号的频率位于一第一频段以及一第二频段，各所述多频段天线包括一正极板，用以谐振出对应该第一频段及该第二频段的一第一谐振模态以及一第二谐振模态；一负极板，包括一主接地面，包括对应该第一谐振模态的一第一接地点，以及对应该第二谐振模态的一第二接地点；一第一接地调节板，连接该主接地面，用以调节该第一谐振模态的阻抗匹配及该第一频段的频宽；以及一第二接地调节板，连接该主接地面，用以调节该第二谐振模态的阻抗匹配及该第二频段的频宽；一短路板，包括一第一端，连接至该正极板，一第二端，连接至该第二接地点，以及一馈入点；一馈入线，连接至该馈入点，用以传递所述电磁波讯号，且该馈入线连接该第一接地点；以及一屏蔽金属，电性连接各所述多频段天线的该主接地面。
12.如权利要求11所述的笔记本电脑，其中该两支多频段天线的位置是相对于该显示器左右对称。
13.如权利要求11所述的笔记本电脑，其中该正极板包括以该第一端为交点的一第一辐射臂及一第二辐射臂，分别对应该第一谐振模态及该第二谐振模态，该第一辐射臂及该第二辐射臂的长度是决定该第一频段及该第二频段的中心频率。
14.如权利要求11所述的笔记本电脑，其中该第一频段为5GHz频段。
15.如权利要求14所述的笔记本电脑，其中该第二频段为2.4GHz频段。
16.如权利要求11所述的笔记本电脑，其中该短路板是为一直角N型板。
17.如权利要求11所述的笔记本电脑，其中该第一接地调节板与该正极板之间是具有一第一间隙，该第一间隙的大小是决定该第一谐振模态的阻抗匹配以及该第一频段的频宽。
18.如权利要求11所述的笔记本电脑，其中该第二接地调节板与该正极板之间是具有一第二间隙，该第二间隙的大小是决定该第二谐振模态的阻抗匹配及该第二频段的频宽。
19.如权利要求11所述的笔记本电脑，其中该多频段天线是一体成型的导体结构。
全文摘要
一种多频段天线包括谐振频率调节器、接地元件、短路器以及馈入线。谐振频率调节器，用来提供对应第一频段及第二频段的第一谐振模态及第二谐振模态。接地元件包括主接地面、第一接地调节器以及第二接地调节器。主接地面包括对应第一谐振模态的第一接地点，以及对应第二谐振模态的第二接地点，而第一接地调节器，用以调节第一谐振模态的阻抗匹配及第一频段的频宽，第二接地调节器，用以调节第二谐振模态的阻抗匹配及第二频段的频宽。短路器一端连接至谐振频率调节器，另一端连接第二接地点，且短路器具有馈入点与馈入线连接，用以传递电磁波讯号，且馈入线连接第一接地点。
文档编号H01Q5/00GK1610182SQ20031010431
公开日2005年4月27日 申请日期2003年10月24日 优先权日2003年10月24日
发明者林晖, 吴能炎 申请人:广达电脑股份有限公司