TWI505566B

TWI505566B - 寬頻天線及其相關射頻裝置

Info

Publication number: TWI505566B
Application number: TW101109847A
Authority: TW
Inventors: Chi Kang Su
Original assignee: Wistron Neweb Corp
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2015-10-21
Also published as: US20130249765A1; US9318795B2; TW201340465A

Description

寬頻天線及其相關射頻裝置

本發明係指一種寬頻天線及其相關射頻裝置，尤指一種利用至少一超材料結構以改變中心頻率之天線及其相關射頻裝置。

隨著行動裝置技術的進步，一般具無線通訊功能的電子產品，如平板電腦、筆記型電腦、個人數位助理(Personal Digital Assistant)等，通常透過內建之天線來存取無線網路。因此，為了讓使用者能更方便地存取無線通訊網路，理想天線的頻寬應在許可範圍內盡可能地增加，而尺寸則應盡量減小，以配合可攜式無線通訊器材體積縮小之趨勢，將天線整合入可攜式無線通訊器材中。除此之外，隨著無線通訊技術的演進，不同無線通訊系統的操作頻率可能不同，因此，理想的天線應能以單一天線涵蓋不同無線通訊網路所需的頻帶。

如本領域所熟知，天線的操作頻率與其尺寸相關，即低頻的射頻訊號需要以較長的電流路徑來幅射，因此現有的天線往往受限於逐漸壓縮的天線空間，造成低頻的頻寬及頻寬百分比皆不理想，因而限制其應用範圍。因此，如何有效提高天線頻寬，使之適用於具寬頻需求之無線通訊系統，如長期演進(Long Term Evolution，LTE)系統，已成為業界所努力的目標之一。

因此，本發明主要提供一種寬頻天線及其相關射頻裝置。

本發明揭露一種寬頻天線，包含有一接地元件，電性連接於一地端；一饋入元件，用來饋入一射頻訊號；一輻射元件，電性連接於該饋入元件，用來輻射該射頻訊號；至少一超材料結構，每一超材料結構電性連接於該輻射元件與該接地元件之間。

本發明另揭露一種射頻裝置，包含有一射頻訊號處理單元，用來產生一射頻訊號；一寬頻天線，耦接於該射頻訊號處理單元，該天線包含有一接地元件，電性連接於一地端；一饋入元件，用來饋入該射頻訊號；一輻射元件，電性連接於該饋入元件，用來輻射該射頻訊號；至少一超材料結構，每一超材料結構電性連接於該輻射元件與該接地元件之間。

為了在有限空間下提高天線頻寬，本發明係增加超材料(Metamaterials)結構於天線的輻射體，藉由超材料之特殊物理特性，達到天線微小化及增加頻寬之目的。

所謂超材料或是左手物質(Left-Handed Materials)是指若某一物質的介電常數(permittivity)與磁導係數(permeability)的值都呈負數，光(電磁波)在這種物質裡傳播時就會產生逆杜普勒效應、逆斯乃耳(Snell)和逆車林可夫輻射(Cerenkov)效應，這種物質就稱為左手物質。然而，超材料具有天然材料所不具備的超常物理性質，因此超材料通常為人工複合結構或複合材料，透過設計特殊的結構，以產生等效左手物質特性。

請參考第1圖，第1圖為本發明實施例一寬頻天線10之示意圖。天線10包含有一接地元件100、一輻射元件102、一饋入元件104及超材料結構106。接地元件100電性連接於地端，用來提供接地。饋入元件104電性連接於輻射元件102與接地元件100之間，用來饋入一射頻訊號RF_sig至輻射元件102；亦即，當發送訊號時，饋入元件104由一射頻處理模組接收射頻訊號RF_sig，傳送至輻射元件102，以進行無線電傳播；當接收訊號時，輻射元件102所感應之射頻訊號RF_sig經由饋入元件104傳送至射頻處理模組。超材料結構106電性連接於輻射元件102與接地元件100之間，超材料結構106可等效為週期性排列的諧振器，產生在自然界中不存在的負介電常數及負磁導係數，進而形成所謂的左手物質。

請繼續參考第2圖，第2圖為天線10之等效電路圖。天線10中的超材料結構106包含有一等效電容元件108以及一等效電感元件110。如第2圖所示，等效電容元件108電性連接於輻射元件102，等效電感元件110電性連接於接地元件100。在此結構下，等效電容元件108以及等效電感元件組成超材料結構106，使輻射元件102長度相同時，將中心頻率Fc往低頻偏移，等效達到天線縮小化的目的。

簡言之，本發明係於天線10之輻射元件102增加超材料結構106，使輻射元件102的中心頻率Fc往低頻偏移，在輻射元件102的長度不變之下，達到天線縮小化的目的。本領域具通常知識者當可據以修飾或變化，而不限於此。舉例來說，超材料結構106的數量不限，設計者可依據實際應用，增加或減少超材料結構106的數量，以改變中心頻率Fc的偏移量，也就是說，當超材料結構106數量增加時，中心頻率Fc越往低頻偏移。或者，設計者可調整超材料結構106電性連接於輻射元件102的位置，如此亦可產生不同的偏移效應，不僅改變中心頻率Fc，同時也改變天線10之頻寬。

具體來說，請參考第3A圖及第3B圖，第3A圖繪示了一天線30以及本發明實施例天線32、34之示意圖，而第3B圖為天線30、32、34之電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)的模擬結果示意圖。由於天線30、32、34之結構與天線10類似，故相同元件以相同符號命名。如第3A圖所示，天線30為一單極天線，如本領域所熟知，單極天線的輻射中心頻率Fc取決於其輻射元件的等效電氣長度，即等效電氣長度需等於中心頻率Fc的四分之一波長。天線32包含單一超材料結構106，而天線34包含有一超材料結構306。值得注意的是，超材料結構306的等效電容元件308及等效電感元件310與超材料結構106的等效電容元件108及等效電感元件110位置相反，使天線32、34產生不同的中心頻率Fc偏移效應。

在第3B圖中，天線30、32、34的電壓駐波比分別以實線、虛線、點線表示。如第3B圖所示，天線30的中心頻率Fc_30約為1.64GHz，天線32的中心頻率Fc_32約為1.48GHz，天線34的中心頻率Fc_34約為1.52GHz，天線32、34的頻寬約相差0.4GHz。由此可見，增加了超材料結構106、306於天線32、34，可使其中心頻率Fc_32、Fc_34往低頻頻率偏移，Fc_30＞Fc_34＞Fc_32。並且，改變超材料結構106、306中等效電容元件108、308及等效電感元件110、310的相對位置，亦可使天線32、34的頻寬產生差異。

因此，在相同長度、面積及形狀的輻射元件102中，增加超材料結構106、306至天線32、34中，可有效地使中心頻率Fc_30往低頻偏移至中心頻率Fc_32、Fc_34，達到等效縮短天線尺寸之目的。

另外，等效電容元件108、308及等效電感元件110、310的形狀不限。舉例來說，請參考第4A至4C圖，第4A至4C圖繪示了不同形狀之等效電感元件之示意圖。如第4A至4C圖所示，等效電感元件410包含有一支臂，等效電感元件411、412包含一具彎折的支臂，其中等效電感元件412電性連接接地元件100的位置不同，如此可產生不同的頻率偏移效應。

請參考第5A至5C圖，第5A至5C圖繪示了不同形狀之等效電容元件及等效電感元件之示意圖。如第5A至5C圖所示，等效電容元件518、528包含有至少一支臂，其中等效電感元件511與等效電容元件518的形狀相互對稱且分別包含有二支臂。如此多樣的形狀，可變化出不同的超材料結構，以產生不同的頻率偏移效應。

除此之外，除了將超材料結構應用在單極天線30、31、32之外，可於天線30、31、32中新增一分支，並將該分支電性連接於接地元件100，以形成一平面倒F天線(Planar Inverted F Antenna，PIFA)之架構。請參考第6A至6F圖，第6A至6F圖為本發明實施例天線60、61、62、63、64、65之示意圖。在第6A圖中，天線60係將天線32中的輻射元件102新增一分支600，將分支600電性連接至接地元件100，以形成一平面倒F天線之架構，同樣能適用超材料結構之特性，使天線60的中心頻率Fc低於一般平面倒F天線之中心頻率，達到等效縮小天線尺寸之目的。第6B至6F則繪示了結合不同形狀之等效電容元件及等效電感元件，以組合出不同的超材料結構。

進一步地，由於超材料結構可改變天線輻射中心頻率之特性，因此，可於天線中增加一切換電路，用來切換天線的中心頻率。如此一來，即可使單一天線適應性地操作於不同的中心頻率之間，達到等效增加天線頻寬的功效。

具體來說，請參考第7圖，第7圖為本發明實施例一射頻裝置7之示意圖。射頻裝置7包含有一天線70以及一射頻訊號處理單元72。射頻訊號處理單元72用來產生射頻訊號RF_sig，並耦接於天線70，透過天線70將射頻訊號RF_sig發射至空中。天線70具有多操作頻段及超材料特性，其包含有一接地元件700、輻射元件702、712及722、一饋入元件704、一超材料結構706以及一切換電路720。接地元件700電性連接於地端，用來提供接地。輻射元件702包含有一分之支730，電性連接於接地元件700，使天線70形成平面倒F天線的架構。饋入元件704電性連接於輻射元件702、712及722與接地元件700之間，用來饋入射頻訊號RF_sig至輻射元件702、712及722。亦即，當發送訊號時，饋入元件704由訊號處理單元72接收射頻訊號RF_sig，傳送至輻射元件702、712及722，以透過輻射元件702、712及722進行多頻段的無線電傳播；當接收訊號時，輻射元件702、712及722所感應之射頻訊號RF_sig經由饋入元件704傳送至訊號處理單元72。如第7圖所示，輻射元件702及712可包含有至少一彎折7020、7120，且輻射元件712、722也可視為輻射元件702的分支，用來產生不同電流路徑，以使天線70可涵括多個操作頻段。

超材料結構706包含有一等效電容元件708及一等效電感元件710，等效電容元件708電性連接於輻射元件702，等效電感元件710電性連接於切換電路720。切換電路720包含有一開關D、一電阻R及一電感L。開關D耦接於等效電感元件710與接地元件700之間，用來根據射頻訊號處理單元72輸出之一切換訊號CR_sig，切換等效電感元件710與接地元件700之連結，以改變天線70之中心頻率Fc。電阻R耦接於切換訊號CR_sig，用來限制切換訊號CR_sig產生的電流大小，使開關D能在正常工作電流下使用。電感L的一端耦接於電阻R，另一端耦接於開關D與等效電感元件710，用來阻斷等效電感元件710中射頻訊號RF_sig流至切換訊號CR_sig，避免因射頻訊號RF_sig傳遞至切換訊號CR_sig之路徑對天線特性的影響。其中，開關D較佳為一PIN(Positive-Intrinsic-Negative)二極體或一雙載子接面二極體(Bipolar Junction Transistor，BJT)。

值得注意的是，輻射元件702具有最長的長度，主要用來收發低頻段的射頻訊號RF_sig，而超材料結構706電性連接於輻射元件702，其目的在於改變天線70於低頻段的中心頻率Fc。

在此架構下，天線70即可透過切換電路720來調整其低頻的中心頻率Fc。也就是說，當開關D連接等效電感元件710與接地元件700時，天線70的中心頻率Fc為一第一頻率F1；當開關D分離等效電感元件710與接地元件700時，天線70的中心頻率Fc為一第二頻率F2。由於超材料結構706使中心頻率Fc往低頻偏移之特性，因此第二頻率F2大於第一頻率F1，即當等效電感元件710與接地元件700連接時，天線70的中心頻率Fc由第二頻率F2偏移至較低頻的第一頻率F1。

請參考第8A及8B圖，第8A為天線70在不同切換狀態下的電壓駐波比之示意圖；第8B圖為天線70在不同切換狀態下的輻射效率(Efficiency)之示意圖。為便於說明，當開關D連接等效電感元件710與接地元件700的狀態State_on以實線表示；當開關D分離等效電感元件710與接地元件700的狀態State_off以虛線表示。如第8A圖所示，於狀態State_on時，低頻部分VSWR低於3的中心頻率Fc為第一頻率F1(F1≒740MHz，於狀態State_off時，低頻部分VSWR低於3的中心頻率Fc為第二頻率F2(F2≒870MHz)，而高頻的輻射頻段幾乎沒有變化。另一方面，如第8B圖所示，於狀態State_on時，低頻部分輻射效率大於40%的中心頻率Fc為第一頻率F1，於狀態State_off時，低頻部分輻射效率大於40%的中心頻率Fc為第二頻率F2，而高頻的輻射頻段幾乎沒有變化。

值得注意的是，第一頻率F1(F1≒740MHz，704～787MHz)包含的頻寬大致符合長期演進之頻段需求，第二頻率F2(F2≒870MHz，791～960MHz)包含的頻寬大致符合全球行動通訊(Global System for Mobile Communications，GSM)中800MHz、900MHz之操作頻段需求。因此，透過切換電路720切換等效電感元件710與接地元件700之連結，即可有效地改變天線70於低頻部分之中心頻率Fc，使天線70能適應性地操作於不同中心頻率或不同行動通訊系統的操作頻段，達到等效增加天線頻寬的功能，以在有限的面積之下，等效縮小天線尺寸。

請參考第9圖，第9圖為本發明實施例另一天線90之示意圖。天線90係由天線70衍伸而來，故相同元件以相同符號命名，兩者主要差異在於，天線90的超材料結構906與天線70的超材料結構706不同。超材料結構906包含有等效電容元件908、918及一等效電感元件910，此架構的超材料結構906可等效於在輻射元件702上串聯兩個電容及並聯一電感。如前述第4A至4C圖、第5A至5C圖、第6A至6F圖之變化例，超材料結構906中的等效電容元件908、918及一等效電感元件910可包含有至少一支臂，以產生不同的頻率偏移效應。

請參考第10A及10B圖，第10A為天線90在不同切換狀態下的電壓駐波比之示意圖；第10B圖為天線90在不同切換狀態下的輻射效率之示意圖。當開關D連接等效電感元件910與接地元件700的狀態State_on以實線表示，當開關D分離等效電感元件910與接地元件700的狀態State_off以虛線表示。如第10 A圖所示，於狀態State_on時，低頻部分VSWR低於3的中心頻率Fc為第一頻率F1(F1≒740MHz，704～787MHz)，於狀態State_off時，低頻部分VSWR低於3的中心頻率Fc為第二頻率F2(F2≒870MHz，791～960MHz)，而高頻的輻射頻段(1710～2690MHz)幾乎沒有變化。另一方面，如第10B圖所示，於狀態State_on時，低頻部分輻射效率大於35%的中心頻率Fc為第一頻率F1；於狀態State_off時，低頻部分輻射效率大於35%的中心頻率Fc為第二頻率F2，而高頻的輻射頻段仍維持良好的輻射效率。

綜上所述，本發明藉由增加超材料結構於天線之輻射元件，當輻射元件具有相同長度、面積及形狀的條件下，使輻射元件的中心頻率往低頻偏移，達到等效縮短天線尺寸之目的。另一方面，本發明另結合切換電路於天線之中，透過切換電路切換等效電感元件與接地元件之連結，即可有效地改變天線於低頻部分之中心頻率，以使天線能適應性地操作於不同中心頻率或輻射頻段，達到等效增加天線頻寬的功能。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10、30、32、34、40、41、42、50、51、52、60、61、62、63、64、65、70、90．．．天線

100、700．．．接地元件

102、702、712、722．．．輻射元件

104、704．．．饋入元件

106、306、706、906．．．超材料結構

108、308、518、528、708、908、918．．．等效電容元件

110、310、410、411、412、511、710、910．．．等效電感元件

RF_sig．．．射頻訊號

CR_sig．．．切換訊號

600、730．．．分支

7020、7120．．．彎折

Fc、Fc_30、Fc_32、Fc_34．．．中心頻率

7．．．射頻裝置

72．．．射頻訊號處理單元

720．．．切換電路

D．．．開關

R．．．電阻

L．．．電感

State_on、State_off．．．狀態

F1．．．第一頻率

F2．．．第二頻率

第1圖為本發明實施例一寬頻天線之示意圖。

第2圖為第1圖之天線之等效電路圖。

第3A圖為一習知天線以及本發明實施例之天線之示意圖。

第3B圖為第3A圖之天線之電壓駐波比的模擬結果示意圖。

第4A至4C圖為不同形狀之等效電感元件之示意圖。

第5A至5C圖為不同形狀之等效電容元件及等效電感元件之示意圖。

第6A至6F圖為本發明實施例另一寬頻天線之示意圖。

第7圖為本發明實施例一射頻裝置之示意圖。

第8A為第7圖之天線在不同切換狀態下的電壓駐波比之示意圖。

第8B圖為第7圖之天線在不同切換狀態下的輻射效率之示意圖。

第9圖為本發明實施例另一寬頻天線之示意圖。

第10A為第9圖之天線在不同切換狀態下的電壓駐波比之示意圖。

第10B圖為第9圖之天線在不同切換狀態下的輻射效率之示意圖。

10．．．天線

100．．．接地元件

102．．．輻射元件

104．．．饋入元件

106．．．超材料結構

108．．．等效電容元件

110．．．等效電感元件

RF_sig．．．射頻訊號

Claims

一種寬頻天線，包含有：一接地元件，電性連接於一地端；一饋入元件，用來饋入一射頻訊號；一輻射元件，電性連接於該饋入元件，用來輻射該射頻訊號；至少一超材料(Meta-material)結構，每一超材料結構電性連接於該輻射元件與該接地元件之間，其中每一超材料結構包含有：一等效電容元件，電性連接於該輻射元件；以及一等效電感元件，電性連接於該接地元件；以及一切換電路，耦接於該至少一超材料結構與該接地元件之間，該切換電路包含有一開關，該開關耦接於該等效電感元件與該接地元件之間，用來根據一切換訊號，切換該等效電感元件與該接地元件之連結；其中當該開關連接該等效電感元件與該接地元件時，該天線之該中心頻率係一第一頻率；當該開關分離該等效電感元件與該接地元件時，該天線之該中心頻率係一第二頻率，其中該第二頻率大於該第一頻率。
如請求項1所述之寬頻天線，其中該等效電容元件包含有至少一支臂。
如請求項1所述之寬頻天線，其中該等效電感元件包含有至少一支臂。
如請求項1所述之寬頻天線，其中該切換電路另包含有：一電阻，耦接於該切換訊號，用來限制該切換訊號產生的一電流大小；以及一電感，其一端耦接於該電阻，另一端耦接於該開關與該等效電感元件，用來阻斷該等效電感元件中之該射頻訊號流至該切換訊號源之元件。
如請求項1所述之寬頻天線，其中該開關係一PIN(Positive-Intrinsic-Negative)二極體或一雙載子接面二極體(Bipolar Junction Transistor，BJT)。
如請求項1所述之寬頻天線，其中該輻射元件包含有至少一分支以及至少一彎折。
如請求項6所述之寬頻天線，其中該輻射元件之該分支電性連接於該接地元件，其中該寬頻天線係一倒F天線(Planar Inverted F Antenna，PIFA)。
如請求項1所述之寬頻天線，其係一單極(Monopole)天線。
一種射頻裝置，包含有：一射頻訊號處理單元，用來產生一射頻訊號；一寬頻天線，耦接於該射頻訊號處理單元，該寬頻天線包含有：一接地元件，電性連接於一地端；一饋入元件，用來饋入該射頻訊號；一輻射元件，電性連接於該饋入元件，用來輻射該射頻訊號；至少一超材料(Meta-material)結構，每一超材料結構電性連接於該輻射元件與該接地元件之間，其中每一超材料結構包含有：一等效電容元件，電性連接於該輻射元件；以及一等效電感元件，電性連接於該接地元件；以及一切換電路，耦接於該至少一超材料結構與該接地元件之間，該切換電路包含有一開關，該開關耦接於該等效電感元件與該接地元件之間，用來根據一切換訊號，切換該等效電感元件與該接地元件之連結；其中當該開關連接該等效電感元件與該接地元件時，該天線之該中心頻率係一第一頻率；當該開關分離該等效電感元件與該接地元件時，該天線之該中心頻率係一第二頻率，其中該第二頻率大於該第一頻率。
如請求項9所述之射頻裝置，其中該等效電容元件包含有至少一支臂。
如請求項9所述之射頻裝置，其中該等效電感元件包含有至少一支臂。
如請求項9所述之射頻裝置，其中該切換電路另包含有：一電阻，耦接於該切換訊號，用來限制該切換訊號產生的一電流大小；以及一電感，其一端耦接於該電阻，另一端耦接於該開關與該等效電感元件，用來阻斷該等效電感元件中之該射頻訊號流至該切換訊號源之元件。
如請求項9所述之射頻裝置，其中該開關係一PIN(Positive-Intrinsic-Negative)二極體或一雙載子接面二極體(Bipolar Junction Transistor，BJT)。
如請求項9所述之射頻裝置，其中該輻射元件包含有至少一分支以及至少一彎折。
如請求項14所述之射頻裝置，其中該輻射元件之該分支電性連接於該接地元件，其中該寬頻天線係一倒F天線(Planar Inverted F Antenna，PIFA)。
如請求項9所述之射頻裝置，其中該寬頻天線係一單極(Monopole)天線。