TW201301657A - 天線及無線通訊裝置 - Google Patents

Abstract

一種天線包括一介質基板和附著於介質基板上接地單元，天線還包括一附著於所述介質基板的金屬結構，所述金屬結構包括一電磁響應單元、用於圍繞所述電磁響應單元設置的一金屬開口環及與金屬開口環的一端相連的饋點，所述電磁響應單元包括一電場耦合結構。將此種設計等效於增加了天線物理長度，可以在極小的空間內設計出工作在極低工作頻率下的射頻天線，解決傳統天線在低頻工作時天線受控空間面積的物理局限，滿足手機天線的小型化、低工作頻率、寬帶多模的要求。同時為無線通訊設備的天線設計提供了一種更低成本的設計方式。

Description

天線及無線通訊裝置

本發明涉及一種天線領域，尤其涉及一種天線及應用該天線的無線通訊裝置。

隨著半導體製程的高度發展，對當今的電子系統集成度提出了越來越高的要求，器件的小型化成為了整個產業非常關注的技術問題。然而，不同於IC芯片遵循“摩爾定律”的發展，作為電子系統的另外重要組成──射頻模塊，卻面臨著器件小型化的高難度技術挑戰。射頻模塊主要包括了混頻、功放、濾波、射頻信號傳輸、匹配網絡與天線等主要器件。其中，天線作為最終射頻信號的輻射單元和接收器件，其工作特性將直接影響整個電子系統的工作性能。然而天線的尺寸、帶寬、增益等重要指標卻受到了基本物理原理的限制(固定尺寸下的增益極限、帶寬極限等)。這些指標極限的基本原理使得天線的小型化技術難度遠遠超過了其它器件，而由於射頻器件的電磁場分析的複雜性，逼近這些極限值都成為了巨大的技術挑戰。

同時，隨著現代電子系統的複雜化，多模服務的需求在無線通信、無線接入、衛星通信、無線數據網絡等系統中變得越來越重要。而多模服務的需求進一步增大了小型化天線多模設計的複雜度。除去小型化的技術挑戰，天線的多模阻抗匹配也成為了天線技術的瓶頸。然而，傳統的終端通信天線主要基於電單極子或偶極子的輻射原理進行設計，比如最常用的平面反F天線(PIFA)。傳統天線的輻射工作頻率直接和天線的尺寸正相關，帶寬和天線的面積正相關，使得天線的設計通常需要半波長的物理長度。在一些更為複雜的電子系統中，天線需要多模工作，就需要在饋入天線前額外的阻抗匹配網絡設計。但阻抗匹配網絡額外的增加了電子系統的饋線設計、增大了射頻系統的面積同時匹配網絡還引入了不少的能量損耗，很難滿足低功耗的系統設計要求。因此，小型化、多模式的新型天線技術成為了當代電子集成系統的一個重要技術瓶頸。

本發明要解決的技術問題在於，習知的手機天線尺寸基於半波長的物理長度限制很難滿足現代通信系統低功耗、小型化及多功能的設計要求，因此本發明提供一種低功耗、小型化及多諧振頻點的天線。

本發明提供一種天線，其包括一介質基板、附著於介質基板上接地單元以及附著於介質基板的金屬結構，金屬結構包括一電磁響應單元、一用於包裹電磁響應單元的金屬開口環以及與金屬開口環的一端延長末端相連的饋點，電磁響應單元包括一電場耦合結構。

根據本發明一優選實施例，電磁響應單元還包括至少一金屬子結構，金屬子結構設置於電場耦合結構中，且與電場耦合結構耦合或相連成一體。

根據本發明一優選實施例，電磁響應單元包括四個金屬子結構。

根據本發明一優選實施例，金屬子結構為一對互補式的開口諧振環金屬子結構中的任意一種。

根據本發明一優選實施例，開口諧振環金屬子結構通過幾何形狀衍生方式產生開口曲線金屬子結構、開口三角形金屬子結構及開口多邊形金屬子結構中的任意一種。

根據本發明一優選實施例，所述開口諧振環金屬子結構為互補式衍生結構。

根據本發明一優選實施例，金屬子結構為一對互補式的螺旋線金屬子結構中的任意一種。

根據本發明一優選實施例，金屬子結構為一對互補式的彎折線金屬子結構中的任意一種。

根據本發明一優選實施例，金屬子結構為一對互補式的開口螺旋環金屬子結構中的任意一種。

根據本發明一優選實施例，介質基板的相對兩表面均有設置有接地單元，接地單元上開設至少一金屬化通孔。

根據本發明一優選實施例，介質基板相對兩表面均附著金屬結構。

根據本發明一優選實施例，介質基板相對兩表面均附著的金屬結構形狀相同。

根據本發明一優選實施例，介質基板相對兩表面均附著的金屬結構形狀不相同。

根據本發明一優選實施例，介質基板由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料中任意一種材料製成。

本發明提供一種無線通訊裝置，其包括一PCB板以及一天線，天線與PCB板連接，其中，天線包括一介質基板、附著於介質基板上接地單元以及一附著於介質基板的金屬結構，金屬結構包括一電磁響應單元、一用於包裹電磁響應單元的金屬開口環以及與金屬開口環的一端延長末端相連的饋點，電磁響應單元包括一電場耦合結構。

根據本發明一優選實施例，電磁響應單元還包括至少一金屬子結構，金屬子結構設置於電場耦合結構中，且與電場耦合結構耦合或相連成一體。

根據本發明一優選實施例，電磁響應單元包括四個金屬子結構。

根據本發明一優選實施例，金屬子結構為一對互補式的開口諧振環金屬子結構中的任意一種、一對互補式的螺旋線金屬子結構中的任意一種、一對互補式的彎折線金屬子結構中的任意一種或是一對互補式的開口螺旋環金屬子結構中的任意一種。

根據本發明一優選實施例，開口諧振環金屬子結構通過幾何形狀衍生方式產生開口曲線金屬子結構、開口三角形金屬子結構及開口多邊形金屬子結構中的任意一種。

將此種設計等效於增加了天線物理長度，可以在極小的空間內設計出工作在極低工作頻率下的射頻天線，解決傳統天線在低頻工作時天線受控空間面積的物理局限，滿足手機天線的小型化、低工作頻率、寬帶多模的要求。同時為無線通訊設備的天線設計提供了一種更低成本的設計方式。

以下結合說明書附圖詳細介紹本發明的具體內容。

請參考圖1，為本發明天線中一實施例的立體圖。所述天線10包括介質基板11、均附著在介質基板11上的金屬結構12及接地單元22。所述接地單元22為金屬片且上開設有至少一個金屬化通孔23。在本實施方式中，所述天線10的介質基板11的一表面上附著金屬結構12；在介質基板11的相對兩表面均有設置有接地單元22，在所述金屬化通孔23對應位置的質基板11也開設有通孔(圖中未示)，通過這些金屬化通孔23將各個分散的接地單元22電連接形成公共地。在其他實施方式中，所述天線10的介質基板11相對兩表面均附著金屬結構12，在介質基板11的相對兩表面均有設置有接地單元22。

請參考圖2，所示金屬結構12用於接收基帶信號以產生電磁波或響應電磁波信號產生基帶電信號，包括一電磁響應單元120、用於包裹所述電磁響應單元120的一金屬開口環121及與金屬開口環121的一端延長末端相連的饋點123，所述用於接收基帶信號或傳送基帶電信號。所述電磁響應單元120包括一個電場耦合結構(electric-field-coupled，縮寫ELC)。此種設計等效於增加了天線物理長度(實際長度尺寸不增加)，這樣就可以在極小的空間內設計出工作在極低工作頻率下的射頻天線。解決傳統天線在低頻工作時天線受控空間面積的物理局限。

上述天線基於人工電磁材料技術設計而成，人工電磁材料是指將金屬片鏤刻成特定形狀的拓撲金屬結構，並將所述特定形狀的拓撲金屬結構設置於一定介電常數和磁導率基材上而加工製造的等效特種電磁材料，其性能參數主要取決於其亞波長的特定形狀的拓撲金屬結構。在諧振頻段，人工電磁材料通常體現出高度的色散特性，換言之，天線的阻抗、容感性、等效的介電常數和磁導率隨著頻率會發生劇烈的變化。因而可採用人工電磁材料技術對上述天線的基本特性進行改造，使得金屬結構與其依附的介質基板等效地組成了一個高度色散的特種電磁材料，從而實現輻射特性豐富的新型天線。

請一並參閱圖2和圖3，天線的金屬結構的示意圖和本發明天線第二實施例的立體圖。為了實現阻抗匹配和更好提高天線10的性能，還可以將天線10進一步修改；所述金屬結構12還包括至少一個金屬子結構122，即在所述電磁響應單元120的電場耦合結構(electric-field-coupled，縮寫ELC)中嵌套至少一個金屬子結構122。在本實施方式中，在電場耦合結構(ELC)中嵌套分別四個相同的金屬子結構122且與電場耦合結構相連成一體(如圖3所示)。在本其他方式中，所述四個相同的金屬子結構122可以直接與電場耦合結構採用電場耦合或電感耦合方式連接。

上述四個金屬子結構122中的至少兩個金屬子結構的形狀不相同，即所述四個金屬子結構122可以完全不相同和部分不相同。

各種無線通訊裝置都可以採用本發明中的天線10或20，但是為了天線10或20與各種無線通訊裝置之間的阻抗匹配或者實現多模工作模式，所述金屬子結構122可以採用各種對電磁波響應的金屬子結構及其衍生結構。如所述金屬子結構122可選用互補式的開口諧振環金屬子結構(如圖4、5所示)，即如圖4、5所示兩種金屬子結構的形狀形成互補。

所述圖4和5所示金屬子結構122相互形成一對互補式的開口諧振環金屬子結構。由於如圖4所示的金屬子結構122未設置有連接末端，因此圖4所示的金屬子結構122可以採用耦合方式設置於金屬結構12中，從而形成本發明的所述天線10(如圖14所示)。同理，圖5所示也未設置有連接末端，也可採用耦合方式設置於金屬結構12中。

所述金屬子結構122還可選用如圖6和7所示的一對互補式螺旋線金屬子結構、如圖8和9所示的一對互補式彎折線金屬子結構、如圖10和11所示的一對互補式的開口螺旋環金屬子結構及如圖12和13所示的一對互補式的雙開口螺旋環金屬子結構。若所述金屬子結構122設置有連接末端，則所述金屬子結構122可以與金屬結構12直接相連，如圖9金屬子結構122。請一並參閱圖15，將如圖9金屬子結構122電連接於金屬結構12的電場耦合結構上，從而獲得本發明衍生的天線10。在上述各種金屬子結構122形成各種的彎折處都是呈直角形狀的。在其他實施方式中，金屬子結構122形成各種的彎折處為圓角，如電磁響應單元120的彎折處的圓角形狀。

所述金屬子結構122可以由一種或者是通過前面幾種結構衍生、複合或組陣得到的金屬子結構。衍生分為兩種，一種是幾何形狀衍生，另一種是擴展衍生。此處的幾何形狀衍生是指功能類似、形狀不同的結構衍生，例如由方框類結構衍生開口曲線金屬子結構、開口三角形金屬子結構、開口多邊形金屬子結構及其它不同的多邊形類結構，以圖5所示的開口諧振金屬子環結構為例，圖16為其幾何形狀衍生示意圖。由上述幾何形狀衍生方式從而得出相對應的互補式衍生結構，如基於所述開口諧振環金屬子結構形成的互補式衍生結構(如圖17所示)。

此處的擴展衍生即在圖4至圖13的金屬子結構的基礎上相互複合叠加形成符合金屬子結構；此處的複合是指，如圖4至圖13所示的至少兩個金屬子結構複合叠加形成一個複合金屬子結構122。如圖18所示的複合金屬子結構是由三個如圖5所示互補式開口諧振環金屬子結構複合嵌套形成。從而由如圖18所示的金屬子結構得到一種互補式的複合金屬子結構(如圖19所示)。

在本發明中，所述介質基板11、21兩相對表面都設有金屬結構12情況下，兩表面上的金屬結構12可以連接，也可以不連接。當所述兩表面上的金屬結構12不連接的情況下，所述兩表面上的金屬結構12之間通過容性耦合的方式饋電；此種情況下，通過改變介質基板11、21的厚度可以實現兩表面上的金屬結構12的諧振。在所述兩表面上的金屬結構12電連接的情況下(例如通過導線或金屬化通孔的形式連接)，所述兩表面上的金屬結構12之間通過感性耦合的方式饋電。

本發明中，介質基板11、21由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料製成。優選地，由高分子材料製成，具體地可以是FR-4、F4B等高分子材料。

本發明中，金屬結構12為銅或銀材料製成。優選為銅，價格低廉，導電性能好。為了實現更好阻抗匹配，金屬結構12也為銅和銀組合，例如，電磁響應單元120和金屬子結構122採用銀材料製成，而金屬開口環121與饋點123採用銅材料製成，如此可以得出多種銅和銀組合製成的金屬結構12。

本發明中，關於天線的加工制造，只要滿足本發明的設計原理，可以採用各種制造方式。最普通的方法是使用各類印刷電路板(PCB)的制造方法，當然，金屬化的通孔，雙面覆銅的PCB制造也能滿足本發明的加工要求。除此加工方式，還可以根據實際的需要引入其它加工手段，比如RFID(RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別技術，俗稱電子標簽)中所使用的導電銀漿油墨加工方式、各類可形變器件的柔性PCB加工、鐵片天線的加工方式以及鐵片與PCB組合的加工方式。其中，鐵片與PCB組合加工方式是指利用PCB的精確加工來完成天線微槽結構的加工，用鐵片來完成其它輔助部分。另外，還可以通過蝕刻、電鍍、鑽刻、光刻、電子刻或離子刻的方法來加工。

請參閱圖20，一種應用上述天線無線通訊裝置100，所述裝置包括一個裝置殼體97、設置所述裝置殼體97內的一PCB板99和本發明中前述的天線10。天線10與PCB板99相連接。天線10用於接收電磁波信號並將電磁波信號轉換為電信號傳送至PCB板99中進行處理。應理解，天線無線通訊裝置100中也可採用前述的天線20，在此不再贅述。

採用本發明的天線設計思想，可以根據各種無線通訊裝置的通訊頻段的很容易設計阻抗匹配的天線。所述無線通訊裝置100包括但不限於無線接入點(AP)、手機、移動多媒體設備、WIFI設備、個人計算機、藍牙設備、無線路由器、無線上網卡及導航裝置等。

儘管上文藉由較佳實施例揭示了本發明，但並不意圖限制本發明。本領域熟知此項技藝者可在不脫離本發明的精神及範圍的情況下進行一些潤飾及變化。因而，本發明的保護範圍落入所附的申請專利範圍內。

10．．．天線

11．．．介質基板

12．．．金屬結構

20．．．天線

21．．．介質基板

22．．．接地單元

23．．．金屬化通孔

97．．．裝置殼體

99．．．PCB板

100．．．天線無線通訊裝置

120．．．響應單元

121．．．金屬開口環

122．．．金屬子結構

123．．．饋點

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。其中：

圖1是本發明天線第一實施例的立體圖；

圖2為圖1中天線的金屬結構的示意圖；

圖3是本發明天線第二實施例的立體圖；

圖4為圖2中金屬結構為一種開口諧振環金屬子結構平面圖；

圖5為圖4所示開口諧振環金屬子結構的一種互補式金屬子結構平面圖；

圖6為圖2中金屬結構為一種螺旋線金屬子結構平面圖；

圖7為圖6所示螺旋線金屬子結構的一種互補式金屬子結構平面圖；

圖8為圖2中金屬結構為一種彎折線金屬子結構的平面圖；

圖9為圖8所示彎折線金屬子結構的一種互補式金屬子結構平面圖；

圖10為圖2中金屬結構為一種開口螺旋環金屬子結構的平面圖；

圖11為圖10所示開口螺旋環金屬子結構的一種互補式金屬子結構平面圖；

圖12為圖2中金屬結構為一種雙開口螺旋環金屬子結構平面圖；

圖13為圖12所示雙開口螺旋環金屬子結構的一種互補式金屬子結構平面圖；

圖14是本發明天線第三實施例的立體圖；

圖15是本發明天線第四實施例的立體圖；

圖16為圖4所示開口諧振環金屬子結構其中之一結構的幾何形狀衍生示意圖；

圖17為圖5所示互補式開口諧振環金屬子結構中另一結構的幾何形狀衍生示意圖；

圖18為圖5所示三個互補式開口諧振環金屬子結構複合衍生得到一種金屬子結構平面圖；

圖19為圖18所示金屬子結構的一種互補式的金屬子結構平面圖；

圖20為應用本發明的天線的一無線通訊裝置。

10．．．天線

11．．．介質基板

12．．．金屬結構

22．．．接地單元

23．．．金屬化通孔

Claims (19)

1. 一種天線，包括一介質基板和附著於所述介質基板上接地單元，其中，天線還包括一附著於所述介質基板的金屬結構，所述金屬結構包括一電磁響應單元、一包裹所述電磁響應單元的金屬開口環以及與所述金屬開口環的一端延長末端相連的饋點，所述電磁響應單元包括一電場耦合結構。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之天線，其中，所述電磁響應單元還包括至少一金屬子結構，所述金屬子結構設置於所述電場耦合結構中，且與所述電場耦合結構耦合或相連成一體。
3. 根據申請專利範圍第2項所述之天線，其中，所述電磁響應單元包括四個所述金屬子結構。
4. 根據申請專利範圍第2項所述之天線，其中，所述金屬子結構為一對互補式的開口諧振環金屬子結構中的任意一種。
5. 根據申請專利範圍第4項所述之天線，其中，所述開口諧振環金屬子結構通過幾何形狀衍生方式產生開口曲線金屬子結構、開口三角形金屬子結構及開口多邊形金屬子結構中的任意一種。
6. 根據申請專利範圍第5項所述之天線，其中，所述開口諧振環金屬子結構為互補式衍生結構。
7. 根據申請專利範圍第2項所述之天線，其中，所述金屬子結構為一對互補式的螺旋線金屬子結構中的任意一種。
8. 根據申請專利範圍第2項所述之天線，其中，所述金屬子結構為一對互補式的彎折線金屬子結構中的任意一種。
9. 根據申請專利範圍第2項所述之天線，其中，所述金屬子結構為一對互補式的開口螺旋環金屬子結構中的任意一種。
10. 根據申請專利範圍第1項所述之天線，其中，所述介質基板的相對兩表面均有設置有接地單元，所述接地單元上開設至少一金屬化通孔。
11. 根據申請專利範圍第10項所述之天線，其中，所述介質基板相對兩表面均附著所述金屬結構。
12. 根據申請專利範圍第11項所述之天線，其中，所述介質基板相對兩表面均附著的所述金屬結構形狀相同。
13. 根據申請專利範圍第11項所述之天線，其中，所述介質基板相對兩表面均附著的所述金屬結構形狀不相同。
14. 根據申請專利範圍第10項所述之天線，其中，所述介質基板由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料中任意一種材料製成。
15. 一種無線通訊裝置，其中，所述無線通訊裝置包括一PCB板以及一天線，所述天線與PCB板連接，其中，所述天線包括一介質基板、附著於所述介質基板上接地單元以及一附著於所述介質基板的金屬結構，所述金屬結構包括一電磁響應單元、一用於包裹所述電磁響應單元的金屬開口環以及與所述金屬開口環的一端延長末端相連的饋點，所述電磁響應單元包括一電場耦合結構。
16. 根據申請專利範圍第15項所述之無線通訊裝置，其中，所述電磁響應單元還包括至少一金屬子結構，所述金屬子結構設置於所述電場耦合結構中，且與所述電場耦合結構耦合或相連成一體。
17. 根據申請專利範圍第16項所述之無線通訊裝置，其中，所述電磁響應單元包括四個所述金屬子結構。
18. 根據申請專利範圍第15項所述之無線通訊裝置，其中，所述金屬子結構為一對互補式的開口諧振環金屬子結構中的任意一種、一對互補式的螺旋線金屬子結構中的任意一種、一對互補式的彎折線金屬子結構中的任意一種或是一對互補式的開口螺旋環金屬子結構中的任意一種。
19. 根據申請專利範圍第18項所述之無線通訊裝置，其中，所述開口諧振環金屬子結構通過幾何形狀衍生方式產生開口曲線金屬子結構、開口三角形金屬子結構及開口多邊形金屬子結構中的任意一種。