專利名稱：多頻天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)一種天線，且特別是有關(guān)一種多頻段(Multi-band)天線。
背景技術(shù)：
在無線通訊系統(tǒng)中，天線是電磁波信號傳遞的窗口，其電氣特性的優(yōu)劣直接左右了通訊品質(zhì)。一般天線在操作時(shí)，常需要面對多重路徑(Multi-path)的干擾問題，而對策之一，便是利用天線分集(Antenna Diversity)的架構(gòu)來提升信號收發(fā)的品質(zhì)與效能。當(dāng)系統(tǒng)操作于單一頻段時(shí)，可以利用兩支(或以上)單頻天線組成天線分集系統(tǒng)，例如無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)WLAN 802.11a所使用的5GHz頻段或WLAN802.11b所使用的2.4GHz頻段，即可利用一根主要(Master)天線及一根從屬(Slave)天線來達(dá)到天線分集的目的。主要天線負(fù)責(zé)發(fā)射及接收信號，而從屬天線則僅從事信號的接收，故接收信號時(shí)可依接收信號的強(qiáng)度擇一進(jìn)行接收。此外，WLAN802.11g的2.4GHz頻段，則規(guī)劃兩根天線皆負(fù)責(zé)接收及發(fā)射的功能，并依信號的品質(zhì)擇一使用，以便收發(fā)來自不同方向的電磁波。
然而當(dāng)系統(tǒng)采用雙頻(Dual-band)甚至多頻段操作時(shí)，大部份的天線系統(tǒng)皆采用多組獨(dú)立天線或是復(fù)合式天線的設(shè)計(jì)方式，來達(dá)到天線分集的目的，以期能保有各頻段的良好特性。因此至少需使用四根天線才能滿足WLAN 802.11a/b/g所需的操作頻率范圍2.4~2.4835GHz、5.15~5.35GHz、5.47~5.725GHz以及5.725~5.825GHz。很顯然，這樣的設(shè)計(jì)方式將大幅增加射頻(RF)系統(tǒng)的復(fù)雜性，進(jìn)而降低操作時(shí)的可靠度并增加生產(chǎn)成本。
另一方面，多頻段的天線設(shè)計(jì)技巧，是利用共振結(jié)構(gòu)的倍頻效應(yīng)形成多組共振模態(tài)，藉以實(shí)現(xiàn)多頻操作的目的。然而此一設(shè)計(jì)的限制，是每個(gè)共振模態(tài)的中心頻率彼此間互為倍數(shù)關(guān)系，且所有頻寬皆屬窄頻，具有頻寬不易拓展的缺點(diǎn)。例如一般無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)使用的2.4GHz及5GHz雙頻天線，通常只是將2.4GHz頻段的兩倍頻共振模態(tài)(即4.8GHz)的結(jié)構(gòu)參數(shù)稍加調(diào)整，便用來收發(fā)5GHz的電磁波信號；因此，高頻段的電磁波傳輸效率往往較差，大幅影響信號品質(zhì)。不僅如此，由于每一共振模態(tài)間存在著倍數(shù)關(guān)系，故而對于WLAN 802.11a/b/g所需運(yùn)作的頻率范圍2.4~2.4835GHz、5.15~5.35GHz、5.47~5.725GHz以及5.725~5.825GHz，此種作法顯然無法適用；因?yàn)樵?GHz頻率范圍的每一頻段，彼此間并非倍頻關(guān)系且整體頻寬相當(dāng)寬闊(接近1GHz)。基于上述理由，在WLAN 802.11a/b與WLAN802.11a/g的應(yīng)用中，如何開發(fā)出能兼顧各頻段的操作特性、同時(shí)又具有體積優(yōu)勢的天線，對所有設(shè)計(jì)者而言，不啻是極難突破的瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種多頻天線，利用一體成型的單一天線本體產(chǎn)生多頻操作特性，并搭配屏蔽金屬使系統(tǒng)在很小的空間下兼具良好的高頻特性與電磁相容性。
根據(jù)本發(fā)明的目的，提出一種多頻天線，其特點(diǎn)是多頻天線同時(shí)具有一低頻段操作頻寬及一高頻段操作頻寬，包括輻射元件、接地平面、短路元件及短路調(diào)節(jié)器。輻射元件具有一用以傳輸天線信號的饋入點(diǎn)及數(shù)個(gè)輻射臂，其中第一與第二輻射臂分別具有第一及第二共振模態(tài)，用以聯(lián)合實(shí)現(xiàn)高頻段操作頻寬；第三輻射臂具有第三共振模態(tài)，以實(shí)現(xiàn)低頻段操作頻寬。接地平面與輻射元件藉短路元件互相連接以縮小天線尺寸，且接地平面上的短路調(diào)節(jié)器可增進(jìn)高頻響應(yīng)時(shí)的阻抗匹配。在實(shí)際應(yīng)用上，可利用同軸線傳輸天線信號，同軸線的芯線耦接至輻射元件以作為饋入點(diǎn)，外導(dǎo)體則與接地平面的接地點(diǎn)耦接以作為信號接地之用。
為進(jìn)一步說明本發(fā)明的上述目的、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和效果，以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。


圖1A是依照本發(fā)明一較佳實(shí)施例所提供的一種多頻天線示意圖。
圖1B是解析圖1A的各輻射臂。
圖2A是折疊后的多頻天線示意圖。
圖2B是折疊后的多頻天線與同軸線耦接時(shí)的情形。
圖3顯示多頻天線配置于筆記本電腦內(nèi)的情形。
圖4顯示本發(fā)明所提出的多頻天線的返回?fù)p失量測結(jié)果。
圖5顯示本發(fā)明所提出的多頻天線執(zhí)行隔離測試后的結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
請參照圖1A，圖中示出依照本發(fā)明一較佳實(shí)施例所提供的一種多頻天線。多頻天線100采用一體成形的設(shè)計(jì)，具有輻射元件、接地平面GPN、短路元件ST及短路調(diào)節(jié)器(regulator)REG，其中輻射元件可由輻射臂110，150，170所組成，使多頻天線100能具有多頻段的操作特性。下文中，將以WLAN802.11a/b及WLAN 802.11a/g的應(yīng)用為例，說明多頻天線100是如何滿足2.4GHz及5GHz兩頻段運(yùn)作所需的操作頻寬；為方便說明起見，將2.4~2.4835GHz的頻率范圍定義為低操作頻寬，將5.15~5.825GHz的頻率范圍定義為高操作頻寬，以符合多頻段操作的設(shè)計(jì)需求。
在信號傳輸方面，輻射元件上的饋入點(diǎn)F與接地平面GPN上的接地點(diǎn)G，是為多頻天線100與傳輸線間的接觸點(diǎn)。以同軸線的應(yīng)用為例，其芯線可焊接至輻射元件處以作為天線信號的饋入點(diǎn)F，其外導(dǎo)體則與接地點(diǎn)G連接以作為信號接地之用。更進(jìn)一步來看，輻射元件實(shí)由輻射臂110，150，170三部分所組成，經(jīng)解析后，可將上述輻射臂分解表示，如圖1B所示。以長度而論，輻射臂110的長度最長、輻射臂150次之、輻射臂170最短，因此輻射臂110由開路端(open end)至饋入點(diǎn)F所形成的電流路徑L1，在設(shè)計(jì)時(shí)即以2.4GHz的頻率響應(yīng)為依據(jù)，使輻射臂110的共振模態(tài)能使多頻天線100滿足低操作頻寬的設(shè)計(jì)需求。
此外，由于多頻天線100對5GHz頻段的頻寬要求極為寬闊，因此本發(fā)明分別以輻射臂150、170來負(fù)責(zé)高操作頻寬中的低頻及高頻特性。也即設(shè)計(jì)時(shí)讓兩輻射臂的操作頻寬有部分重疊(例如輻射臂150的頻寬為5.15~5.5GHz，而輻射臂170的頻寬為5.4~5.825GHz)，以聯(lián)合實(shí)現(xiàn)5GHz頻段的寬頻要求；換言之，5GHz頻段的頻寬是由輻射臂150與輻射臂170所共同貢獻(xiàn)。在實(shí)際使用時(shí)，輻射臂150與輻射臂170可采用Z型對稱結(jié)構(gòu)以拓展頻寬，輻射臂150由開路端至饋入點(diǎn)F所形成的電流路徑L2，可著眼于5.3GHz左右的頻率響應(yīng)，使輻射臂150的共振模態(tài)能滿足5.15~5.5GHz的頻寬要求。另一方面，輻射臂170由開路端至饋入點(diǎn)F所形成的電流路徑L3，可以5.6GHz左右的頻率響應(yīng)為設(shè)計(jì)依據(jù)，使輻射臂170的共振模態(tài)能滿足5.4~5.825GHz的頻寬要求。
這樣的天線結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重點(diǎn)，在于短路元件ST的設(shè)置。由于短路元件ST可將輻射元件與接地平面GPN短路，其短路效應(yīng)與平面倒F天線(planarinverted F antenna，PIFA)的結(jié)構(gòu)相似，故有助于天線尺寸的微小化。此外，也由于短路元件ST與接地點(diǎn)G分離，使2.4GHz與5GHz兩頻段間的牽動(dòng)性降低，使射頻特性得以最佳化。為使天線體積更加小巧，在實(shí)際應(yīng)用中可將短路元件ST、輻射臂110，150，170、短路調(diào)節(jié)器REG、接地平面GPN及接地點(diǎn)G等加以折疊，如圖2A所示。
接著請參照圖2B，其示出折疊后的多頻天線100與同軸線200耦接時(shí)的情形。同軸線200的芯線210耦接至輻射元件作為天線信號的饋入點(diǎn)F，而同軸線200的外導(dǎo)體(未標(biāo)示)則與接地點(diǎn)G耦接作為信號接地之用。需要注意的是，可利用螺絲250將短路調(diào)節(jié)器REG與屏蔽金屬短路，使電磁場的切割截面積增加，提升信號收發(fā)的品質(zhì)(下文將配合

)。另一方面，短路調(diào)節(jié)器REG與接地平面GPN之間留有間隙GAP，因此短路調(diào)節(jié)器REG可視為接地平面GPN的延伸，對多頻天線100的阻抗匹配(impedance matching)有所助益；尤其在5GHz頻段的返回?fù)p失(return loss)方面，加入短路調(diào)節(jié)器REG的設(shè)計(jì)后有相當(dāng)程度的改善。
請參照圖3，圖中示出多頻天線配置于筆記本電腦內(nèi)的情形。筆記本電腦300內(nèi)配置有屏蔽金屬330，用以降低電磁干擾，提升系統(tǒng)抗輻射干擾的能力。在實(shí)際使用時(shí)，可將數(shù)個(gè)多頻天線100(本例為2個(gè))組成天線分集架構(gòu)，并以螺 250鎖在屏蔽金屬330上，利用屏蔽金屬330增加天線表面積，使多頻天線100能有更好的接收(或發(fā)射)效果。在這樣的理念下，屏蔽金屬330將成為廣義的天線元件之一，對信號收發(fā)有正面幫助，在天線設(shè)計(jì)時(shí)若將其效應(yīng)一并考慮，便可使筆記本電腦300的無線效能達(dá)到最佳化。此外，由于多頻天線100是隔離設(shè)置于筆記本電腦對應(yīng)的兩端，故可降低信號收發(fā)時(shí)的互相干擾，亦具有空間切換選擇的效果。
請參考圖4，圖中示出本發(fā)明所提出的多頻天線的返回?fù)p失量測結(jié)果。在低頻部分，由標(biāo)記1、標(biāo)記2及標(biāo)記3可知操作頻率由2.4~2.5GHz的返回?fù)p失皆低于-10dB，且中心頻率2.45GHz處為-27.97dB。在高頻部份，5.15~5.825GHz其返回?fù)p失均低于-10dB，甚至可用的頻率范圍可擴(kuò)大到自4.9GHz到6.0GHz(返回?fù)p失仍小于-10dB，由標(biāo)記4，5可知)，涵蓋了其他諸如日本、澳洲等地區(qū)所使用的4.9GHz頻段規(guī)格，可以說在良好的阻抗匹配要求下，5GHz頻段可以調(diào)出很大的頻寬(約1GHz)。另外，在2.4GHz頻段部份，在WLAN 802.11b或WLAN 802.11g的操作頻率范圍2.4GHz到2.4835GHz，其返回?fù)p失皆低于-10dB，就一般業(yè)界規(guī)格而言，本發(fā)明天線所具有的高操作頻寬，實(shí)際包括了5.15GHz~5.35GHz、5.47~5.725GHz、5.725~5.825GHz等三個(gè)不同頻段，換句話說，這種多頻天線僅以一體成形的結(jié)構(gòu)，即共振出至少四個(gè)頻段的電磁波。
請參考表一及表二，其表列出本發(fā)明所提出的多頻天線于低頻(2.4GHz)及高頻(5GHz)頻段的天線增益測量值，其中天線是沿圖2A及圖2B中的X軸放置，以測量X-Y平面的增益值。由2.4GHz頻段各頻率的尖峰增益(Peak Gain)近于0dB可知其輻射場型近似均勻的圓形，而5GHz頻段的尖峰增益約為0.93~3.79dB之間，其輻射場型近似橢圓形。2.4GHz頻段的平均增益(AverageGain)皆大于-2.8dB，而5GHz頻段的平均增益皆大于-3.5dB，顯示出本發(fā)明的天線具有良好的輻射效率。

表一

表二接著請參照圖5，圖中示出本發(fā)明所提出的多頻天線執(zhí)行隔離(Isolation)測試后的結(jié)果，電磁波信號由甲天線發(fā)出后由乙天線接收，以得知電磁波的隔離特性。由此圖可看出，在雙天線系統(tǒng)中，2.52GHz與4.89GHz兩頻率的電性隔離度分別為-20.9dB及-26.28dB，隔離效果十分良好。
綜上所述，本發(fā)明所提出的多頻天線至少具有以下優(yōu)點(diǎn)一、天線本體為一體成型的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，可降低生產(chǎn)成本及提升高頻特性的穩(wěn)定度。
二、由兩個(gè)長度接近的輻射臂互相搭配，以達(dá)到阻抗匹配及拓展頻寬的效果。
三、以短路元件連接輻射元件及接地平面，可有效縮小天線體積。
四、短路調(diào)節(jié)器可增進(jìn)高頻模態(tài)的阻抗匹配。
五、天線與屏蔽金屬電性連接可提升電磁輻射效率并兼具電磁相容的考慮以提升系統(tǒng)的高頻表現(xiàn)。
六、結(jié)構(gòu)簡單、體積小，十分適用在隱藏式天線系統(tǒng)。
雖然本發(fā)明已參照當(dāng)前的具體實(shí)施例來描述，但是本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，以上的實(shí)施例僅是用來說明本發(fā)明，在沒有脫離本發(fā)明精神的情況下還可作出各種等效的變化和修改，因此，只要在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)對上述實(shí)施例的變化、變型都將落在本發(fā)明權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種多頻天線，具有一高頻段操作頻寬及一低頻段操作頻寬，其特征在于，該多頻天線包括一輻射元件，具有一用以傳輸天線信號的饋入點(diǎn)及多個(gè)輻射臂，所述輻射臂包括一第一輻射臂，耦接至該饋入點(diǎn)，該第一輻射臂具有一第一共振模態(tài)；一第二輻射臂，耦接至該饋入點(diǎn)，該第二輻射臂具有一第二共振模態(tài)，其中，該高頻段操作頻寬是由該第一共振模態(tài)與該第二共振模態(tài)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)；及一第三輻射臂，耦接至該饋入點(diǎn)，該第三輻射臂具有一第三共振模態(tài)以實(shí)現(xiàn)該低頻段操作頻寬；一接地平面，該接地平面具有一接地點(diǎn)；以及一短路元件，用以將該輻射元件耦接至該接地平面。
2.如權(quán)利要求1所述的多頻天線，其特征在于該第一輻射臂是與該第二輻射臂合成一對稱結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求2所述的多頻天線，其特征在于該對稱結(jié)構(gòu)是Z型結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的多頻天線，其特征在于該高頻段操作頻寬屬5GHz頻段。
5.如權(quán)利要求1所述的多頻天線，其特征在于該低頻段操作頻寬屬2.4GHz頻段。
6.如權(quán)利要求1所述的多頻天線，其特征在于該輻射元件、該接地平面及該短路元件是一體成形。
7.如權(quán)利要求1所述的多頻天線，其特征在于還包括一短路調(diào)節(jié)器，該短路調(diào)節(jié)器與該接地平面耦接并形成一間隙，用以加強(qiáng)該多頻天線于該高頻段操作頻寬與該低頻段操作頻寬的阻抗匹配。
8.如權(quán)利要求7所述的多頻天線，其特征在于該高頻段操作頻寬屬5GHz頻段，該低頻段操作頻寬屬2.4GHz頻段。
9.如權(quán)利要求7所述的多頻天線，其特征在于該第一輻射臂是與該第二輻射臂合成一Z型結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求7所述的多頻天線，其特征在于該輻射元件、該接地平面、該短路元件及該短路調(diào)節(jié)器是一體成形。
11.一種筆記本電腦，其特征在于包括一屏蔽金屬，用以降低電磁干擾；以及一多頻天線，具有一高頻段操作頻寬及一低頻段操作頻寬，包括一輻射元件，具有一用以傳輸天線信號的饋入點(diǎn)及多個(gè)輻射臂，所述輻射臂包括一第一輻射臂，耦接至該饋入點(diǎn)，該第一輻射臂具有一第一共振模態(tài)；一第二輻射臂，耦接至該饋入點(diǎn)，該第二輻射臂具有一第二共振模態(tài)，其中，該高頻段操作頻寬是由該第一共振模態(tài)與該第二共振模態(tài)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)；及一第三輻射臂，耦接至該饋入點(diǎn)，該第三輻射臂具有一第三共振模態(tài)以實(shí)現(xiàn)該低頻段操作頻寬；一接地平面，該接地平面耦接至該屏蔽金屬并具有一接地點(diǎn)；及一短路元件，用以將該輻射元件耦接至該接地平面。
12.如權(quán)利要求11所述的筆記本電腦，其特征在于該第一輻射臂是與該第二輻射臂合成一對稱結(jié)構(gòu)。
13.如權(quán)利要求12所述的筆記本電腦，其特征在于該對稱結(jié)構(gòu)是Z型結(jié)構(gòu)。
14.如權(quán)利要求11所述的筆記本電腦，其特征在于該高頻段操作頻寬屬5GHz頻段。
15.如權(quán)利要求11所述的筆記本電腦，其特征在于該低頻段操作頻寬屬2.4GHz頻段。
16.如權(quán)利要求11所述的筆記本電腦，其特征在于該輻射元件、該接地平面及該短路元件是一體成形。
17.如權(quán)利要求11所述的筆記本電腦，其特征在于還包括一短路調(diào)節(jié)器，該短路調(diào)節(jié)器與該接地平面耦接并形成一間隙，用以加強(qiáng)該多頻天線于該高頻段操作頻寬與該低頻段操作頻寬的阻抗匹配。
18.如權(quán)利要求17所述的筆記本電腦，其特征在于該高頻段操作頻寬屬5GHz頻段，該低頻段操作頻寬屬2.4GHz頻段。
19.如權(quán)利要求17所述的筆記本電腦，其特征在于該第一輻射臂是與該第二輻射臂合成一Z型結(jié)構(gòu)。
20.如權(quán)利要求17所述的筆記本電腦，其特征在于該輻射元件、該接地平面、該短路元件及該短路調(diào)節(jié)器是一體成形。
全文摘要
一種多頻天線，同時(shí)具有一低頻段操作頻寬及一高頻段操作頻寬。多頻天線包括輻射元件、接地平面、短路元件及短路調(diào)節(jié)器。輻射元件具有一用以傳輸天線信號的饋入點(diǎn)及數(shù)個(gè)輻射臂，其中第一與第二輻射臂分別具有第一及第二共振模態(tài)，用以聯(lián)合實(shí)現(xiàn)高頻段操作頻寬；第三輻射臂具有第三共振模態(tài)，以實(shí)現(xiàn)低頻段操作頻寬。接地平面與輻射元件藉短路元件互相連接以縮小天線尺寸，且接地平面上的短路調(diào)節(jié)器可增進(jìn)高頻響應(yīng)時(shí)的阻抗匹配。在實(shí)際應(yīng)用上，可利用同軸線傳輸天線信號，同軸線的芯線耦接至輻射元件以作為饋入點(diǎn)，外導(dǎo)體則與接地平面的接地點(diǎn)耦接以作為信號接地之用。
文檔編號H01Q1/00GK1635663SQ20031012456
公開日2005年7月6日 申請日期2003年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月31日
發(fā)明者林暉 申請人:廣達(dá)電腦股份有限公司