TW201347296A - 天線 - Google Patents

Abstract

一種天線包括在輻射器自身上的一狹槽饋電部(輻射器載狹槽饋電天線或ORSFA)，以取代作為一分立元件的狹槽饋電部。將狹槽饋電部集成於輻射器上的一個優點是天線更少依賴於相鄰的導電部分，因為所述饋電部耦合於輻射器而不是接地部(如在一標準狹槽饋電天線概念中所做的)。對於一給定體積，輻射器的Q也可減少，因為耦合器自天線體積中除去。在一實施例中，所述天線可包括直接在所述輻射器上的一傳輸線以及一阻抗匹配電路。

Description

天線

本發明是涉及天線領域，更具體而言涉及供小型化裝置使用的天線領域。

天線是設置在一通信系統中具有挑戰性的元件。一方面希望將天線制得非常小。另一方面，因天線的諧振與尺寸相關且一天線能夠成為多小但仍然提供可接受的性能存在限制。

狹槽饋電天線是公知的且一狹槽饋電天線的一實施例在PCT申請PCT/US10/47978中說明，該PCT申請通過援引其整體併入本文。該狹槽饋電天線試圖通過針對給定體積的天線提供更大的頻寬來解決現有天線設計的一些問題。雖然該狹槽饋電天線設計具有某些優點，但是它多少依賴於相鄰的導電部分且接地面作為電路的一部分使用。某些應用和封裝結構較不適於這種設計，但是對於一給定的輻射器尺寸而言仍然會從改進的頻寬中受益。因此，某些人群會賞識在天線設計上的進一步改進。

本申請示出一種非常小型化的天線設計，其能 夠用於高電容負載環境像具有金屬蓋的裝置)中。這個構思能夠作為一單諧振天線用於GPS和藍牙的應用中或者通過結合若干ORSFA元件作為多諧振天線(像WiFi和蜂窩系統)。

在一實施例中，一輻射元件在一第一端部耦合 於接地而一第二端部與接地分離。所述輻射元件包括具有一第一側和一第二側的一狹槽，所述狹槽位於所述第一端部和所述第二端部之間，同時所述第一側面向所述第一端部而所述第二側面向所述第二端部。一饋電部在所述第二側耦合於所述狹槽。

10‧‧‧天線

15、115‧‧‧同軸電纜

17、117‧‧‧導體

118、218、318‧‧‧傳輸線

418、518‧‧‧傳輸線

119‧‧‧線端

120‧‧‧PCB

20、220、320‧‧‧輻射器

420、520‧‧‧輻射器

216‧‧‧並聯電容器

219、319‧‧‧短截線

21、121‧‧‧第一端部

22、122‧‧‧第二端部

30、130、330‧‧‧狹槽

430、530‧‧‧狹槽

31‧‧‧基部

316‧‧‧低阻抗區域

32‧‧‧第一腿部

33‧‧‧第二腿部

5‧‧‧接地面

50、50’、60b‧‧‧史密斯圖

52、52’‧‧‧旋度

540‧‧‧電容器

545‧‧‧豁口

560‧‧‧承載體

570‧‧‧殼體

62a、62b‧‧‧阻抗曲線

63‧‧‧第一頻率

64‧‧‧第二頻率

65、66‧‧‧頻率

A‧‧‧第一側

B‧‧‧第二側

本發明通過舉例示出且不限制於附圖，在附圖中，相似的附圖標記表示類似的部件，且在附圖中：圖1示出一天線結構的一實施例的一立體圖；圖2示出在一史密斯圖上的一天線的一阻抗圖；圖3示出在一史密斯圖上的一天線的一阻抗圖；圖4示出在一史密斯圖上的一天線的一阻抗圖；圖5示出在一史密斯圖上的一天線的一阻抗圖；圖6示出一天線結構的一實施例的一立體圖；圖7示出一天線結構的一實施例的一立體圖；圖8示出一天線結構的一實施例的一立體圖；圖9示出一天線結構的一實施例的一立體圖；圖10示出一天線結構的一實施例的一立體圖； 圖11示出一天線結構的一實施例的一立體圖；及圖12示出一天線結構的一實施例的一立體圖。

下面的詳細說明描述多個示範性實施例且不意欲限制到這些明確公開的組合。因此，除非另有說明，本文所公開的多個特徵可以組合在一起而形成出於簡明目的而未示出的另外的多個組合。

下面的說明給出用於將在天線上的一狹槽饋電部集成於輻射器自身上(輻射器載狹槽饋電天線或ORSFA)且並非如在PCT申請PCT/US10/47978中說明的一獨立元件的新技術，該申請通過援引其整體併入本文。將狹槽饋電部集成於輻射器的一個優點是天線更少依賴於相鄰的導電部分，因為饋電部僅耦合於輻射器亦不像在標準狹槽饋電天線概念中那樣耦合於接地。對於一給定體積，輻射器的Q(品質因數Quality Factor)也可減少，由於耦合器從天線體積中去掉，所以輻射器的電容耦合能夠減少。在一實施例中，所述天線可包括在所述輻射器自身上的一傳輸線以及一匹配的阻抗。

圖1示出一自一接地面5延伸的天線10的一實施例。天線10包括一輻射器20，輻射器20具有一第一端部21以及一第二端部22。第一端部21連接於接地面5而所述第二端部22未電連接於所述接地面5。一狹槽30包括一第一側A(面向第一端部21)以及一第二側B(面向第二端部22)。如所示出的，狹槽30具有一基部31以及一第 一腿部32及一第二腿部33。所述腿部的長度使得圍繞狹槽30的距離能按照需要調節。一饋電部通過自一同軸電纜15延伸的一導體17直接連接於所述狹槽30的第二側B。因此，所述輻射器載饋電部能夠如圖1所示設置，其中同軸電纜15用於橫跨在所述輻射器上的狹槽30進行饋電(間接饋電部)。輻射器20自身能夠按一常規方式設計以在所需的頻率下諧振且所述間接狹槽饋電部用於產生一切比雪夫(Chebyshev)類匹配，從而使可用的阻抗頻寬增加。如下面將進一步說明地，所述狹槽30的位置、尺寸、以及形狀用於限定所述額外的切比雪夫匹配。因此，圖1所示的所述天線示出一輻射器載狹槽饋電天線(以下簡稱為“ORSFA”)。

如所示出，輻射器20位於一無限接地面(由接地面5示出)並在輻射器20與接地面5之間具有明確的連接。然而，實際上，接地面5可以是任意的尺寸和形狀，且輻射器20可以位於接地面5上的任何位置。

基本ORSFA的未匹配複阻抗如圖2所示。如所示出地，史密斯圖50包括一旋度(curl)52。小的旋度52是由所述間接狹槽饋電部產生的切比雪夫類匹配。旋度52的尺寸受所述狹槽30的物理尺寸和形狀控制。更高的耦合(更大的旋度)通過移動所述狹槽30靠近所述輻射器20的第一端部21(例如更靠近所述輻射器20的接地連接)或通過增加所述狹槽30的尺寸來獲得。所述旋度52的相位延遲(在史密斯圖中的位置)也是一個重要因素，因為這 決定所需的匹配電路的拓撲(topology)以及器件的值。為了最大化天線阻抗頻寬，希望使相位延遲盡可能小，這與使匹配電路簡單稍有衝突。對於圖1所示的ORSFA的一可接受折中將是針對相位延遲通過採用一並聯電容器來設計允許一50Ω匹配。採用一並聯電容器的結果如圖3所示。如能夠認識到的，相位延遲主要受所述狹槽30的尺寸和形狀或多個分立器件控制。為了方便起見，圖3所示的諧振的調節是通過一串聯電容器而不是採用不同尺寸的狹槽來進行；然而，相位最優化也可通過調整所述狹槽來進行。如有可能，通過使所述狹槽變化來調整為優選，因為這將減少所採用的分立器件的數量且由此簡化物料的複雜性及清單。最後的步驟是採用一並聯電容器使旋度匹配於50Ω，其結果如圖5所示，其中阻抗曲線62a具有相距約98MHz的一第一頻率63和一第二頻率64(這兩個頻率代表駐波反射(SWR)環=3：1的進出)。這與圖5的阻抗曲線62b比較，其中阻抗曲線62b具有代表阻抗曲線進出SWR=3環的一頻率65和一頻率66(這兩個相距約40MHz)。這些值給出在如下表1中。

能夠認識到的是，匹配ORSFA的阻抗特性非常類似於一切比雪夫匹配的阻抗特性，這有助於促進提高阻抗頻寬。相同元件但採用一標準直接饋電部饋電的阻抗示出在圖5中。在那個實例中，匹配通過一串聯電感器隨後通過一並聯電感器來提供。在狹槽饋電技術與標準直接饋電技術之間得到的阻抗總結在表1中：

採用在相同接地面上的相同元件但使它們饋電不同，可用的阻抗頻寬由40MHz增加至98MHz。對於這個結構在一無損耗環境下，看到阻抗頻寬增加143%。對於有耗損的環境期望一類似的結果，因為元件的Q值相同且耦合狹槽未在元件諧振頻率下輻射而是一非常高Q的二階匹配電路。

雖然提供可接受的性能，但從封裝角度考慮，採用同軸電纜饋電的所述輻射器20可能不總是一實際的解決辦法。這是因為同軸電纜佔據空間且在某些應用中難以安裝。一更易於封裝的是將輻射器上的微波傳輸線與同軸電纜組合，如圖6所示。在這個結構中，具有一導體117的同軸電纜115連接於一柔性PCB 120的一第一端部121處，同時所述導體電117連接於一微波傳輸線118，微波傳輸線118用於經由線端119橫跨狹槽130進行饋電(這如圖6所示為一直接耦合)。

採用輻射器上的一傳輸線的一個缺點是具有穿孔的一雙側柔性PCB最適於這種設計(這可能趨於增加該方案的成本)。然而，具有雙側柔性PCB使得採用微波短截線、低阻抗傳輸線、以及如圖7和圖8所示的在PCB上的 電容器代替分立匹配器件成為可能。應注意的是，所述傳輸線示出為採用一微帶線(mircostrip line)來實現。然而當柔性PCB超過2層時，也可能採用一帶狀線(stripline)來取代一微帶線。

具體地，圖7示出一輻射器220，其能夠由一柔 性PCB形成且包括一狹槽130(其尺寸按需要確定)。一同軸電纜115包括電連接於傳輸線218的一導體117，傳輸線218包括一終端開路短截線(open stub)219，終端開路短截線219耦合於所述輻射器220(由此提供一間接耦合而不是如圖6所示的一直接電連接)。一並聯電容器216有助於使所述傳輸線的阻抗匹配至所需的50歐姆。

所述λ/4波長終端開路短截線等效於一串聯電 容器並用於控制所述旋度的位置和尺寸。使所述終端開路短截線長度增加至大於λ/4波長將使所述旋度在史密斯圖中順時針方向移動，而使所述長度縮短將使所述旋度逆時針方向移動。所述λ/4波長終端開路短截線的寬度能夠在不需影響相位延遲的情況下用於調節所述旋度的尺寸且一更寬的終端開路短截線將增加所述旋度的尺寸。

圖8示出天線的一實施例，其具有支撐一傳輸線318的一輻射元件320，傳輸線318在一端連接於同軸電纜115的導體117。傳輸線318包括一短截線319，短截線319間接耦合於一狹槽330的第二側的所述輻射元件320。如上所述，所述短截線319的尺寸能夠合適地進行被調整。傳輸線318還包括仿效一並聯電容器的一低阻抗區域316 。如能夠認識到的，所述終端開路短截線的使用控制相位延遲，而所述低阻抗區域能夠提供所需的50歐姆匹配。

以上示出的狹槽饋電結構全部是閉合狹槽的低阻抗狹槽饋電(Low Impedance Slot Feed，以下簡稱為LISF)的實施例，類似於在PCT申請PCT/US10/47978中說明的結構。然而，也可採用一開口狹槽LISF結構，如圖9所示。開口狹槽LISF的結構能夠具有任意形狀且放置在輻射器420上的任意位置，尺寸和位置具有上面所述的作用。因此如能夠認識到的，一輻射器420可包括一開口或閉合狹槽430與一直接或間接耦合的傳輸線418的任意組合。

如已知的，輻射器的諧振頻率取決於它的長度，這對於某些應用可能是一個問題，特別是分配給天線的空間太小以至於不能在所需的頻率下諧振。諧振器的諧振頻率能夠通過增加一調諧電路來改變/調節，如圖10所示。輻射器520包括一狹槽530，同時自同軸電纜115延伸的一導體117連接於橫跨所述狹槽530直接耦合的一傳輸線518(與採用如圖7所示的短截線相反)。一調諧電路如所示出地由一豁口545與位於形成在輻射器520的空隙(gap)中的一電容器540組成。

所示出的調諧電路由橫跨所述輻射器520上的一豁口545的一電容器540組成，這形成一並聯諧振電路。在這種結構中，電感器(由所述豁口決定)是固定的，但是並聯諧振器的特性能夠通過調整電容來改變。電容器 540可以是一分立器件或在所述柔性板(flex)自身中實現。此外，採用一可調諧電容器540(例如能夠對一控制器提供的信號回應的電容器)將允許一可調諧天線系統能夠在封閉或開放回饋的一環形結構中工作。

使天線結構和匹配電路大部分實現在一柔性 PCB上能夠選擇將同軸電纜移動遠離饋電區域。這產生一種天線方案，其中輻射器520(其能夠與圖10所示的天線相同)能夠安裝在一傳統承載體560上(如圖11所示)或者能夠安裝在一蓋體/殼體570內(如圖12所示)。如能夠認識到的，天線僅需在天線柔性PCB與裝置的底盤(chassis)之間形成一個連接，由此提供設計極大的靈活性。將柔性PCB安裝在一蓋體/殼體部內的另一優點在於在輻射器與所述底盤接地之間的高電磁場通過空氣而不是通過一些更可能耗損的承載材料來耦合，由此提高了天線的輻射性能。

以上說明的例子全部是單個諧振天線結構。然 而，可以將各個ORSFA的結構組合作為一多饋電或單饋電結構，以覆蓋多個頻率範圍。多饋電結構採用一定數量的ORSFA結構，各ORSFA結構分別自RF前端饋電。需要在所有ORAFA結構之間良好阻抗隔離，以避免不希望的耦合損耗。

一組合網路採用ORSFA結構有益於實現一單饋 電多個頻率範圍的天線系統。所述組合網路增加自RF前端看到的ORSFA結構之間的隔離，這用於保持ORSFA結構 的各個阻抗頻寬。耦合損耗對於單饋電結構不是問題且對於在各個元件之間的阻抗隔離的要求小於多饋電部結構。然而，良好的阻抗隔離仍然是需要的，因為它將使得ORSFA結構的調諧更容易。所述組合網路能夠包括一所需的分立元件、微波短截線、以及傳輸線的組合。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

10‧‧‧天線

15‧‧‧同軸電纜

17‧‧‧導體

20‧‧‧輻射器

21‧‧‧第一端部

22‧‧‧第二端部

30‧‧‧狹槽

31‧‧‧基部

32‧‧‧第一腿部

33‧‧‧第二腿部

5‧‧‧接地面

A‧‧‧第一側

B‧‧‧第二側

Claims (6)

1. 一種天線，包括：一輻射元件，具有一第一端部以及一第二端部，所述第一端部設置成連接於一參考電壓平面而所述第二端部未電連接於所述參考電壓平面；一狹槽，位於所述輻射元件，所述狹槽具有一第一側和一第二側且位於所述第一端部和所述第二端部之間，所述第一側面向所述第一端部而所述第二側面向所述第二端部；以及一饋電部，耦合於所述狹槽的所述第二側。
2. 如請求項1所述天線，其中，所述饋電部是一導體，所述導體通過一同軸電纜設置，所述同軸電纜沿所述輻射元件自所述第一端部延伸至所述狹槽。
3. 如請求項1所述天線，其中，所述饋電部是位於所述輻射元件上的一傳輸線。
4. 如請求項3所述天線，其中，所述傳輸線經過終端開路短截線耦合於所述第二側，所述短截線具有約等於λ/4波長的長度。
5. 如請求項4所述天線，其中，所述傳輸線包括位於所述狹槽的所述第一端部和所述第二側之間的一低阻抗部分。
6. 如請求項4所述天線，其中，所述傳輸線包括一並聯電 容器，所述並聯電容器由自所述第一端部和所述狹槽的所述第二側之間的所述傳輸線延伸出的一短截線形成。