專利名稱：調(diào)整單元具有兩個自由端的單極印刷天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于天線，特別是一種調(diào)整單元具有兩個自由端的單極印刷天線。
在無線區(qū)域網(wǎng)路的相關(guān)應(yīng)用中，筆記型電腦利用無線網(wǎng)路卡上網(wǎng)的需求與日俱增，因此，對于無線網(wǎng)路卡的天線部分在尺寸與功能上的要求亦相對地重視。如

圖1所示，筆記型電腦的PCMCIA介面的無線網(wǎng)路卡8可插入筆記型電腦的PCMCIA插槽，其包括本體23及延伸區(qū)域12。本體23包含驅(qū)動電路、連接器等；而延伸區(qū)域12包含發(fā)射及接收的印刷天線10。
目前在無線網(wǎng)路卡中使用的天線大多為印刷單極天線(Printed monopoleantenna)、晶片天線(Chip antenna)、倒F天線(Inverted-Fantenna)及螺旋天線(Helical antenna)。其中以印刷單極天線的制作為最簡單及便宜。
如圖2所示，印刷單極天線20包含饋線21、主要輻射單元22、接地層24及介電層25。
印刷單極天線20上的電流分布與偶極天線相同，故能產(chǎn)生與偶極天線相同的電場。但不同的是印刷單極天線20系利用接地層24產(chǎn)生鏡像電流，因此，整個印刷單極天線20的長度僅需要λg/4，為偶極天線長度(λg/2)的一半。天線尺寸的縮減，在筆記型電腦的無線網(wǎng)路卡應(yīng)用上是極為重要。上述波長λg定義為λg=1ϵre×cf0]]>其中c為光速、f0為電磁波中心頻率及εre為等效介電質(zhì)常數(shù)。εre的值介于電路板的介電質(zhì)常數(shù)(nominal dielectric constant，約為4.4)及空氣介電質(zhì)常數(shù)(其值為1)之間。例如，若中心頻率為2.45GHz且介質(zhì)常數(shù)為4.4時，印刷單極天線的長度為2.32cm。
由于在無線網(wǎng)路卡上所預(yù)留給天線的面積有限，此天線長度通常無法置入該有限面積內(nèi)，因此，這種印刷單極天線必須適當(dāng)變形，以縮小其尺寸。
如圖3所示，美國第6,008,774號專利‘無線資料傳輸之印刷天線結(jié)構(gòu)(Printed antenna structure for wireless data communications)’即是這種印刷單極天線的變形。其基本原理是將圖2中的λg/4印刷單極天線20彎曲繞線，以縮小天線面積。該印刷單極天線30亦包含饋線31、主要輻射單元32、接地層34及介電層。
本發(fā)明包括饋線、主要輻射單元、調(diào)整單元、接地層及電路板；電路板系由介質(zhì)材料構(gòu)成，其具有第一平面及第二平面；接地層系覆蓋于電路板部分第一平面；饋線系配置于電路板第二平面且位于接地層上方，饋線的一端電連接于驅(qū)動電路；主要輻射單元系以導(dǎo)電材料構(gòu)成，其系配置于電路板第二平面且與接地層錯開；調(diào)整單系配置于電路板第二平面，且與接地層錯開，其導(dǎo)電連接于主要輻射單元的另一端；調(diào)整單元具有藉以縮小結(jié)構(gòu)尺寸的兩自由端。
其中調(diào)整單元的兩導(dǎo)電自由端形成直線、V型或倒V型結(jié)構(gòu)。
主要輻射單元為V型結(jié)構(gòu)。
主要輻射單元為半圓形結(jié)構(gòu)。
饋線、主要輻射單元及調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)成螯型、Y型、箭頭型或T形結(jié)構(gòu)。
一種調(diào)整單元具有兩個自由端的單極印刷天線，它包括饋線、主要輻射單元、調(diào)整單元、接地層及電路板；電路板系由介質(zhì)材料構(gòu)成，其具有第一平面及第二平面；接地層系覆蓋于電路板部分第一平面；饋線系配置于電路板第二平面且位于接地層上方，饋線的一端電連接于驅(qū)動電路；主要輻射單元系以導(dǎo)電材料構(gòu)成，其系配置于電路板第二平面且與接地層錯開；調(diào)整單系配置于電路板第二平面，且與接地層錯開，其導(dǎo)電連接于主要輻射單元的另一端；調(diào)整單元具有藉以縮小結(jié)構(gòu)尺寸以令其長度小于四分之一電磁波中心波長的兩個或兩個以上自由端。
調(diào)整單元的兩導(dǎo)電自由端形成直線、V型或倒V型結(jié)構(gòu)。
饋線、主要輻射單元及調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)成螯型、Y型、箭頭型或T形結(jié)構(gòu)。
一種調(diào)整單元具有兩個自由端的單極印刷天線，它包括饋線、主要輻射單元、調(diào)整單元、接地層及電路板；電路板系由介質(zhì)材料構(gòu)成，其具有第一平面及第二平面；接地層系覆蓋于電路板部分第一平面；饋線系配置于電路板第二平面且位于接地層上方，饋線的一端電連接于驅(qū)動電路；主要輻射單元系以導(dǎo)電材料構(gòu)成，其系配置于電路板第二平面且與接地層錯開；調(diào)整單系配置于電路板第二平面，且與接地層錯開，其導(dǎo)電連接于主要輻射單元的另一端；調(diào)整單元具有藉以縮小結(jié)構(gòu)尺寸以令其長度小于0.25λg的兩個或兩個以上自由端；波長λg定義為λg=1ϵre×cf0]]>其中c為光速、f0為電磁波中心頻率及εre為等效介電質(zhì)常數(shù)。
調(diào)整單元的兩導(dǎo)電自由端形成直線、V型或倒V型結(jié)構(gòu)。
饋線、主要輻射單元及調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)成螯型、Y型、箭頭型或T形結(jié)構(gòu)。
由于本發(fā)明包括饋線、主要輻射單元、調(diào)整單元、接地層及電路板；電路板系由介質(zhì)材料構(gòu)成，其具有第一平面及第二平面；接地層系覆蓋于電路板部分第一平面；饋線系配置于電路板第二平面且位于接地層上方，饋線的一端電連接于驅(qū)動電路；主要輻射單元系以導(dǎo)電材料構(gòu)成，其系配置于電路板第二平面且與接地層錯開；調(diào)整單系配置于電路板第二平面，且與接地層錯開，其導(dǎo)電連接于主要輻射單元的另一端；調(diào)整單元具有藉以縮小結(jié)構(gòu)尺寸的兩自由端。藉由具有兩個自由端的調(diào)整單元縮短本發(fā)明的尺寸、便于置入筆記型電腦無線網(wǎng)路卡內(nèi)，從而達(dá)到本發(fā)明的目的。
圖2、為習(xí)知的印刷單極天線結(jié)構(gòu)示意剖視圖。
圖3、為習(xí)知的印刷單極天線結(jié)構(gòu)示意剖視圖(彎曲繞線狀)。
圖4、為輸入阻抗虛部Xt對開路傳輸線長度L的關(guān)系圖。
圖5、為并聯(lián)兩個長度為L1的開路傳輸線架構(gòu)。
圖6、為并聯(lián)兩個長度為L1傳輸線架構(gòu)等效開路傳輸線架構(gòu)。
圖7、為叉路偶極天線結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8、為叉路單極天線結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9、為本發(fā)明實施例一結(jié)構(gòu)示意剖視圖。
圖10、為本發(fā)明實施例二結(jié)構(gòu)示意剖視圖。Eθ的圖11、為本發(fā)明電場成份增益分布圖(XY平面Eφ)。
圖12、為本發(fā)明電場成份增益分布圖(XY平面Eθ)。
圖13、為本發(fā)明電場成份增益分布圖(XZ平面Eφ)。
圖14、為本發(fā)明電場成份增益分布圖(XZ平面Eθ)。
圖15、為本發(fā)明電場成份增益分布圖(YZ平面Eφ)。
圖16、為本發(fā)明電場成份增益分布圖(YZ平面Eθ)。
圖17、為本發(fā)明反射損耗與頻率關(guān)系圖。
電路板85(85’)系由介質(zhì)材料構(gòu)成，其具有第一平面及第二平面。
接地層84(84’)系覆蓋于電路板85(85’)部分第一平面。
饋線81(81’)系配置于電路板85(85’)第二平面且位于接地層84(84’)上方，饋線81(81’)的一端電連接于驅(qū)動電路。
主要輻射單元82(82’)系以導(dǎo)電材料構(gòu)成，其可為直線、V型或半圓形等結(jié)構(gòu)。主要輻射單元82(82’)系配置于電路板84(84’)第二平面且與接地層84(84’)錯開，不在接地層84(84’)上方。
調(diào)整單元83(83’)系配置于電路板85(85’)第二平面，且與接地層84(84’)錯開，不在接地層84(84’)上方，調(diào)整單元83(83’)導(dǎo)電連接于主要輻射單元82(82’)的另一端，藉以利用不同長度調(diào)整輻射信號的中心頻率f0；其中調(diào)整單元83(83’)具有兩個自由端831(831’)、832(832’)，藉以縮小本發(fā)明的尺寸。調(diào)整單元83(83’)的兩導(dǎo)電自由端831(831’)、832(832’)的形狀及角度并沒有限制，其可以成直線、V型、倒V型或螯型結(jié)構(gòu)。
饋線81(81’)、主要輻射單元82(82’)及具有兩個自由端831(831’)、832(832’)的調(diào)整單元83(83’)構(gòu)成螯型、Y型、箭頭型或T形結(jié)構(gòu)。
首先說明本發(fā)明的原理。如熟悉天線設(shè)計者所知，長度為2L的偶極天線可視為長度為開路傳輸線的變形。并且偶極天線輸入阻抗(Ra+jXa)的虛部(jXa)近似于開路傳輸線的輸入阻抗(jXt)，其中，jXt＝-jZ0cot(2πL/λg)，Z0為傳輸線特性阻抗。
如圖4所示的開路傳輸線輸入阻抗虛部Xt對長度L的關(guān)系圖。要達(dá)到天線的共振條件，即Xa≈Xt＝0，開路傳輸線的長度需要為1/4波長，即L＝λg/4。本發(fā)明可縮短天線的共振長度，其原理如下如圖4所示，若長度L1的開路傳輸線輸入阻抗Z1為jX1，長度L1’的開路傳輸線輸入阻抗Z1’＝Z1/2＝j(luò)X1/2，則L1＜L1′。因此，如圖5所示，當(dāng)兩個長度為L1的開路傳輸線并聯(lián)在一起后，其輸入阻抗Z1’變成jX1/2，亦即等效長度為L1’的開路傳輸線。
如圖5、圖6所示，若將此并聯(lián)傳輸線再接一段長度為L2的傳輸線，則其輸入阻抗將與一段長度為L1’+L2的傳輸線相等。亦即圖5所示的結(jié)構(gòu)與圖6所示的結(jié)構(gòu)具有相同的輸入阻抗。所以在共振時，輸入阻抗為0，圖6所示結(jié)構(gòu)的總長度L1’+L2須為λg/4，而圖5所示結(jié)構(gòu)的長度H＜L1+L2＜L1’+L2＝λg/4，如此，將可達(dá)到縮減天線長度的目的。
上述波長λg定義為λg=1ϵre×cf0]]>其中c為光速、f0為電磁波中心頻率及εre為等效介電質(zhì)常數(shù)。εre的值介于電路板的介電質(zhì)常數(shù)(nominal dielectric constant，約為4.4)及空氣介電質(zhì)常數(shù)(其值為1)之間。
如圖7所示，若在圖5所示結(jié)構(gòu)的P-P’處將訊號線及地線分別往上、下折，則可變成具有叉路結(jié)構(gòu)的偶極天線。此叉路偶極天線的輸入阻抗虛部將近似于如圖5所示結(jié)構(gòu)的輸入阻抗，因此，可達(dá)共振作用。此時，整個叉路偶極天線的高度2H將小于傳統(tǒng)偶極天線結(jié)構(gòu)的高度，即λg/2，若進(jìn)一步利用鏡像原理，則圖7所示的叉路偶極天線結(jié)構(gòu)可縮減成如圖8所示的調(diào)整單元具有兩個自由端的單極印刷天線80”包含饋線81、主要輻射單元L2、調(diào)整單元(叉路部分)L1及接地面84”。在此種結(jié)構(gòu)中，調(diào)整單元(叉路部分)L1除可用以縮減其高度外，并可在其所在平面上，產(chǎn)生兩個方向的電流，幫助達(dá)到全方向輻射的目標(biāo)。如圖9所示，本發(fā)明調(diào)整單元具有兩個自由端的單極印刷天線80系將圖8所示的結(jié)構(gòu)中垂直導(dǎo)線彎曲，則可進(jìn)一步縮減其高度，達(dá)到縮小其尺寸的目的。
如上所述，圖5與圖6所示結(jié)構(gòu)的輸入阻抗相等，即Z1/2＝Z1’，或-j/2Z0cotβL1＝-jZ0cotβL1’其中β＝2π/λg，稱為傳輸線的相位常數(shù)(phase constant)。因此，可推導(dǎo)出βL1′=cot-1(cotβL12)]]>在共振時必須滿足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)]]>，則可藉由求出適當(dāng)?shù)摩翷1，使f(βL1)的值最小。經(jīng)過運算后，得知f(βL1)的最小值為1.23，即L1+L2的最小值為1.23/β＝(1.23/2π)λg，或0.196λg。
因此，圖8所示的調(diào)整單元具有兩個自由端的單極印刷天線80”的長度，即L1+L2最小可縮減為0.196λg。與如圖2所示的傳統(tǒng)單極天線長度，即λg/4相比，本發(fā)明的導(dǎo)線長度僅為傳統(tǒng)叉路單極天線的0.196λg/0.25λg≈78.4％。
例如，對于中心頻率f0為2.45GHz且介電質(zhì)常數(shù)為4.4時，本發(fā)明的調(diào)整單元具有兩個自由端的單極印刷天線80(80’、80”)實際設(shè)計所得的導(dǎo)線長度可從傳統(tǒng)單極天線的2.32cm縮減為1.92cm。而其實際高度H更低于1.92cm。若將本發(fā)明垂直部分彎曲成如圖9所示的結(jié)構(gòu)，則本發(fā)明的大小更可大幅縮減。
實施例一如圖9所示，本發(fā)明調(diào)整單元具有兩個自由端的單極印刷天線80包括饋線81、主要輻射單元82、具有兩個自由端831、832的調(diào)整單元83、接地層84及為電路板的電路板85。
饋線81、主要輻射單元82及具有兩個自由端831、832的調(diào)整單元83構(gòu)成螯型、Y型、箭頭型或T形結(jié)構(gòu)。
電路板85的介電質(zhì)常數(shù)定義為εr，介電質(zhì)常數(shù)一般大約為4.4。
接地層84分布于電路板85底面部分區(qū)域。饋線81分布于介電層84的上表面，且位于接地層84上方，一端導(dǎo)電連接于驅(qū)動電路。
主要輻射單元82的一端導(dǎo)電連接于饋線81的另一端，用來發(fā)射與接收傳輸信號。主要輻射單元82的形狀并沒有限，其可以是直線或具有V型或半圓形結(jié)構(gòu)。
調(diào)整單元83的兩導(dǎo)電自由端831、831的形狀及角度并沒有限制，其可以成直線、V型、倒V型或螯型結(jié)構(gòu)。
調(diào)整單元83導(dǎo)電連接于主要輻射單元82的另一端，用以縮小本發(fā)明調(diào)整單元具有兩個自由端的單極印刷天線80的尺寸，并調(diào)整其中心頻率f0。
實施例二如圖10所示，本發(fā)明調(diào)整單元具有兩個自由端的單極印刷天線80’的主要輻射單元82’形狀為具有半圓形結(jié)構(gòu)。
饋線81’、主要輻射單元82’及具有兩個自由端831’、832’的調(diào)整單元83’構(gòu)成螯型、Y型、箭頭型或T形結(jié)構(gòu)。
具有兩個自由端831’、832’的調(diào)整單元83’變形為螯型結(jié)構(gòu)。
如圖11、圖12、圖13、圖14、圖15、圖16所示，本發(fā)明電場成分(electricfield components)Eφ與Eθ的增益(gain)中，傳輸信號的中心頻率為2450MHz。圖11所示的電場分布參考座標(biāo)顯示于圖10中，且Y軸為饋線81的延伸方向。
本發(fā)明反射損耗與頻率的關(guān)系顯示于圖17中。
權(quán)利要求
1.一種調(diào)整單元具有兩個自由端的單極印刷天線，它包括饋線、主要輻射單元、調(diào)整單元、接地層及電路板；電路板系由介質(zhì)材料構(gòu)成，其具有第一平面及第二平面；接地層系覆蓋于電路板部分第一平面；饋線系配置于電路板第二平面且位于接地層上方，饋線的一端電連接于驅(qū)動電路；主要輻射單元系以導(dǎo)電材料構(gòu)成，其系配置于電路板第二平面且與接地層錯開；調(diào)整單系配置于電路板第二平面，且與接地層錯開，其導(dǎo)電連接于主要輻射單元的另一端；其特征在于所述的調(diào)整單元具有藉以縮小結(jié)構(gòu)尺寸的兩自由端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)整單元具有兩個自由端的單極印刷天線，其特征在于所述的調(diào)整單元的兩導(dǎo)電自由端形成直線、V型或倒V型結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)整單元具有兩個自由端的單極印刷天線，其特征在于所述的主要輻射單元為V型結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)整單元具有兩個自由端的單極印刷天線，其特征在于所述的主要輻射單元為半圓形結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)整單元具有兩個自由端的單極印刷天線，其特征在于所述的饋線、主要輻射單元及調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)成螯型、Y型、箭頭型或T形結(jié)構(gòu)。
6.一種調(diào)整單元具有兩個自由端的單極印刷天線，它包括饋線、主要輻射單元、調(diào)整單元、接地層及電路板；電路板系由介質(zhì)材料構(gòu)成，其具有第一平面及第二平面；接地層系覆蓋于電路板部分第一平面；饋線系配置于電路板第二平面且位于接地層上方，饋線的一端電連接于驅(qū)動電路；主要輻射單元系以導(dǎo)電材料構(gòu)成，其系配置于電路板第二平面且與接地層錯開；調(diào)整單系配置于電路板第二平面，且與接地層錯開，其導(dǎo)電連接于主要輻射單元的另一端；其特征在于所述的調(diào)整單元具有藉以縮小結(jié)構(gòu)尺寸以令其長度小于四分之一電磁波中心波長的兩個或兩個以上自由端。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的調(diào)整單元具有兩個自由端的單極印刷天線，其特征在于所述的調(diào)整單元的兩導(dǎo)電自由端形成直線、V型或倒V型結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的調(diào)整單元具有兩個自由端的單極印刷天線，其特征在于所述的饋線、主要輻射單元及調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)成螯型、Y型、箭頭型或T形結(jié)構(gòu)。
9.一種調(diào)整單元具有兩個自由端的單極印刷天線，它包括饋線、主要輻射單元、調(diào)整單元、接地層及電路板；電路板系由介質(zhì)材料構(gòu)成，其具有第一平面及第二平面；接地層系覆蓋于電路板部分第一平面；饋線系配置于電路板第二平面且位于接地層上方，饋線的一端電連接于驅(qū)動電路；主要輻射單元系以導(dǎo)電材料構(gòu)成，其系配置于電路板第二平面且與接地層錯開；調(diào)整單系配置于電路板第二平面，且與接地層錯開，其導(dǎo)電連接于主要輻射單元的另一端；其特征在于所述的調(diào)整單元具有藉以縮小結(jié)構(gòu)尺寸以令其長度小于0.25λg的兩個或兩個以上自由端；波長λg定義為λg=1ϵre×cf0]]>其中c為光速、f0為電磁波中心頻率及εre為等效介電質(zhì)常數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的調(diào)整單元具有兩個自由端的單極印刷天線，其特征在于所述的調(diào)整單元的兩導(dǎo)電自由端形成直線、V型或倒V型結(jié)構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的調(diào)整單元具有兩個自由端的單極印刷天線，其特征在于所述的饋線、主要輻射單元及調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)成螯型、Y型、箭頭型或T形結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種調(diào)整單元具有兩個自由端的單極印刷天線。為提供一種尺寸小、便于置入筆記型電腦無線網(wǎng)路卡內(nèi)的天線，提出本發(fā)明，它包括饋線、主要輻射單元、調(diào)整單元、接地層及電路板；電路板系由介質(zhì)材料構(gòu)成，其具有第一平面及第二平面；接地層系覆蓋于電路板部分第一平面；饋線系配置于電路板第二平面且位于接地層上方，饋線的一端電連接于驅(qū)動電路；主要輻射單元系以導(dǎo)電材料構(gòu)成，其系配置于電路板第二平面且與接地層錯開；調(diào)整單系配置于電路板第二平面，且與接地層錯開，其導(dǎo)電連接于主要輻射單元的另一端；調(diào)整單元具有藉以縮小結(jié)構(gòu)尺寸的兩自由端。
文檔編號H01Q9/04GK1464589SQ0212306
公開日2003年12月31日 申請日期2002年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月11日
發(fā)明者吳敏銓, 郭彭淵, 鐘世忠, 李職民 申請人:瑞昱半導(dǎo)體股份有限公司