TW200425577A - Antenna with printed compensation capacitor and fabrication method - Google Patents

Description

200425577 10431twf.doc/006 玖、發明說明： 曼明所屬之技術頜域 本發明是有關於一種通訊天線，且較特別的是，有關於 一種具有一個附加電容器的天線，藉此縮小天線體積，並保 持所需的LC(電感電容)耦合強度。 先前技術 無線通訊系統通常需要用天線（antenna)，來傳送及接收 RF(射頻)訊號。近年來，無線通訊技術的發展相當完善。舉例 而言，行動電話(cellular phone)即爲無線通訊系統中的一個極 具代表性的裝置。在極小體積的行動電話中也需要使用天線。 爲了在極小空間中實現天線功能，目前已發展出平面式(planar) 天線、線反相_F型(line inverted-F)天線、或是L型（L-type)天 線。然而，這些習知天線都不是做在印刷電路板(printed circuit board，PCB)的平面上。此外，天線也必須與特定波長比率相 匹配，例如對應於大約爲2.4 GHz的傳輸頻率而言，其波長比 率大約爲H4 。 第1圖係繪示一個長度爲L，具有特性阻抗(characteristic impedance)Z0 ’ 傳播常數(propagation constant)p，及阻抗負載 ZL的傳輸線(transmission line)。根據傳輸線理論，輸入阻抗 (input impedance)Zin 與對應的輸入導納（input

admittance)Yin，可以下列公式代表： z =z +JZ0 tmfiL (1) 厂 ° Z 〇 ^jZL tan βΣ， 及

γ YL+jY〇^PL (2) 厂 °Y〇^jYL^PL， 200425577 10431twf.doc/006 其中

κ A，及

rL 如果ZL爲零(短路），則以Zins表不的輸入阻抗Zin爲

Zins = β〇 ^PL 或

Yins =-jY〇^PL 如果ZL爲無限大（開路），則以Zino表示的輸入阻抗Zin爲 Ζΐηο = 或

Yino = jY0 tanyfiL 根據天線理論，第2圖係繪示一個習知的L型袖珍天線 (compact antenna)的設計圖。在第2圖中，L型天線102包括 一個調整單元（tuning SeCtion)102a，以及一個以正確角度在其 一端連接的訊號饋入單元（signal feeding section)102b，本身爲 底層(ground layer)l00 —部分的一個訊號饋入線（signal feeding line)103 ’係電性耦合至該訊號饋入單元l〇2b。其中，底層100 是在訊號饋入線1〇3之下，而且其間沒有直接連接。調整單 兀1〇2a本身提供底層的LC耦合。在底層100與訊號饋入線103 之間可&會有一絕緣層(insulating layer)(未繪示）存在。絕 熟習相關技藝者所熟知，因此其規格敘述在此將省略。 胃3 ®係繪示第2圖所示的L型天線的天線機構。在習 知技w中’ L型天線是根據單極(monopole)天線原理所設計。 單程。周整單冗l〇2a的長度，近似於諧振頻率(resonant frequency) 白勺四之〜波長。調整單元1 〇2a及其附近的底板（ground Plane)100 ’會形成一個開放端(open-ended)傳輸線。該開放端 傳輸線的輸入阻抗爲，且其對應於一個以下列公 200425577 10431twf.doc/006

式表示的t等努,電容(equivalent caPacitance) CM cm =-7"

C〇ZQ 等效電容會以由L型天線的訊號饋入單元102b所提供的小電 感，在角頻率（angular frequency)□□下共振(resonate)。 另一種習知天線爲如第4圖所示的反相F型天線。如第4 圖所示，天線200包括一個短路桿單元（short circuit stub section)200a、一個訊號饋入單元200c、以及一個調整單元 200b，且該些元件互相連結至一接點(joint)。反相F型天線係 與L型天線相似，但其更加包括直接耦合至底層1〇〇的短路 桿單元200a。第5圖係繪示第4圖所示的反相F型天線的天 線機構。 在上述習知天線中，調整單元2〇〇b爲一直線，而且其長 度滿足針對工作頻率的接收/傳送動作。一般而言，其長度L 爲174 ，以滿足LC耦合效應。因此會使其體積變大。 此外，習知天線是以向通訊裝置的主體延伸的方式製造。 這種方式不是針對袖珍的設計，而且需要額外的製程處理。 發明內容 有鑑於此，本發明提供一種具有一印刷補償電容器(printed compensating capacitor)的天線。該天線的調整單兀長度可縮 短，且繼續保持所需的LC耦合效應。 本發明提供一種具有一印刷補償電容器的天線。該天線 可成形在一個印刷電路板之上，而且該天線的調整單元的一 部分，可與底層重疊，藉此產生一個補償電容器(compensating capacitor)，用來補償當調整單元長度縮小時，所需的電容値。 本發明提供一種在印刷電路板上成形的印刷式天線 200425577 10431twf.doc/006 (printed antenna)。該天線的製彳壬係與在印刷電路板上成形鼠 子元件的製程相容。本發明可改善天線的機械強度。該天線 係直接成形在印刷電路板之上，因此可裝配在小體積中。 如在此詳細說明的實施例所述，本發明提供一種具有一 個補償電容器的天線。該天線包括一個配置在印刷電路板的 一第一表面上的輻射器(radiator)。其中，該輻射器包括互相連 結在一接點(joint)的一個訊號饋入單元及一個調整單元。調整 單元包括一個彎曲部分（bendin§ Portion)。此外，底層（Sround layer)係配置在印刷電路板的一個第二表面上，其中該調整單 元的彎曲部分，係與該底層重疊，藉此成形一補償電容器。 此外，輻射器亦可包括電性耦合在接點與底層之間的一個短 路桿單元。 在上述的天線中，底層包括從一邊緣(edge)突出的突出部 分(protruding portion)，其中該突出部分至少會與調整單元的 彎曲部分重疊，藉此成形該補償電容器。 在上述的天線中，調整單元的彎曲部分會延伸至底層， 並且跨越突出部分。 在上述的天線中，調整單元的彎曲部分會延伸並且跨越 底層的一邊緣。 本發明更加提供一種在印刷電路板上成形天線之方法， 該方法包括在印刷電路板的一面上成形一輻射器。其中，該 輻射器係配置在印刷電路板的一第一表面上，而且該輻射器 至少包括互相連結在一接點的一訊號饋入單元及一調整單 元，其中該調整單元包括一彎曲部分。底層係成形在印刷電 路板之上，而調整單元的彎曲部分係與底層的一部分重疊， 200425577 10431twf.doc/006 藉此成形一補償電容器。 在上述方法中，成形底層的步驟包括從一邊緣成形一個 突出部分，其中該突出部分至少會與調整單元的彎曲部分重 疊，藉此成形該補償電容器。 在上述方法中，成形底層的步驟包括成形調整單元的彎 曲部分，使其延伸並且跨越底層的一邊緣。 熟習相關技藝者當知上述的一般說明及下文中的詳細說 明，爲提供說明之範例，且係用來提供本發明後附之申請專 利範圍的詳細說明之用。 爲讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯 易懂，下文特以較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明 如下= 實施方式： 根據微波傳輸帶線理論(microstrip line theory)，個別長度 爲L0及Ls的調整單元及短路桿單元，會具有如第5圖所示 的不同特性。請參考第5圖所示，當其個別長度L0及Ls都 小於四分之一波長時，短路桿單元200a會提供電感效應 (inductive effect) ’ 且 g周整單兀 2〇〇b 爲一^電容性兀件（capacitive element)。事實上，如反相-F型天線的輻射器，會包括一短路 桿單元及一調整單元。 因爲S周整單兀200b需要接近四分之—^波長的長度，所以 反相-F型天線的輪射器需要較大空間來繞線。因此會使天線 的體積加大。 以下說明在本發明中所檢視的一個問題。假設在反相-F 型天線中，從饋入點到調整單元的等效電容爲CF，則如第6 圖所示，可在調整單元及接地線之間，電性連接一個外接式 10431twf.doc/006 或分散式電容器。在第6圖中，舉例而言，新的天線包括一 個電性耦合至接地線的短路桿單元600a、一個具有縮小長度 的調整單元600b、一個訊號饋入單元600c、以及一個提供電 容値CL的補償電容器610。以這種方式，習知的調整單元200b 的一部分，可由一個縮小長度的調整單元600b取代。從調整 單元600b所遺失的電容値，可由補償電容器610補償。較偏 好總等效電容CE可與第5圖所示的天線的期待電容値CF相 等。其推導理論當爲熟習相關技藝者所熟知，因此其細節在 此不再贅述。 同理，根據本發明’如第3圖設計的習知天線，可修正 爲如第7圖設計的L型天線。在L型天線中，因爲本發明的 調整單元的長度^已經縮小，所以相對的其電容値也會降低。 然而，補償電容器612可提供電容値的遺失部分。因此，可 達成L型天線所需的LC耦合效應。 爲實現第6圖到第7圖所示的天線機構，以下提供數個 範例，做爲說明之用。首先說明根據反相-F型天線的設計。 本發明提供一種如第8圖到第9圖所示的反相-E型天線。 在第8圖中，舉例而言，本發明的反相-E型天線310包 括—個短路桿單元310a、一個工作型態類似一開路桿(open stub) 的調整單元310b、以及一個訊號饋入單元310c。其中，訊號 饋入單元310c係與一訊號饋入線313電性耦合，且該訊號饋 入線313係成形在印刷電路板一面的底層300之上。一般而 言’訊號饋入單元310c的寬度，係與訊號饋入線313的寬度 不同。元件310a、310b、及310c，係互相聯結在一接點上。 如前所述，雖然印刷電路板未繪示在圖中，但熟習相關技藝 #當知其細節。舉例而言，印刷電路板係爲一雙層印刷電路 10431twf.doc/006 板。天線310及訊號饋入線313，係成形在印刷電路板的一面 上。一般而言，印刷電路板的另一面會有一個底層300。印刷 電路板或一絕緣層，會將天線310及訊號饋入線313，與底層 300格離，並且提供適當分隔距離。短路桿單元310a的一端， 係經由在印刷電路板中的一穿孔結構（through hole structure)3 12或一插銷結構(plug structure)，電性耦合至底層 300 〇 調整單元310b包括一個主體部分(main portion)310b’及 一個彎曲部分(bending portion)310b’’。彎曲部分310b”係用來 產生底層的補償電容器300。在此例中，舉例而言，底層300 包括一個主體部分300a及一個突出部分300b。因此，底層300 的突出部分300b，係電性耦合至彎曲部分310b’’，藉此成形 補償電容器320。 另一方面，如第9圖所示，其係繪示根據第8圖的另一 種設計選擇。在第9圖中，底層400可不需具有突出部分。 在此例中，彎曲部分4l〇b’’會延伸至底層400，以成形電容器 420 〇 一般而言，選擇單元具有一個與底層電性連接的彎曲部 分，已足夠讓其成形補償電容器。此外，亦可將第8圖到第9 圖中的特性結合在一起。換言之，第8圖中的彎曲部分310b’’ 可甚至延伸至底層3〇〇a，並且跨越底層300a的邊緣。 此外，突出部分31〇b’’及410b，，的外形及尺寸’並未受 限於圖中所示的桿狀或條狀，其亦可爲各種不同形狀’例如 圓形。彎曲角度並未受限於必須爲直角，其亦可爲平順的彎 曲角度。 本發明的相同設計原理亦可應用於第1〇圖到第11圖所 200425577 10431twf.doc/006 示的L型天線。天線716及816係藉由如印刷電路板（未繪示) 的一個絕緣層，與底層700及800隔離。亦可藉由第8圖到 第9圖所示的前述相同原理，成形補償電容器720及820 ° 本發明可應用於無線通訊、手提式個人通訊系統、或袖 珍或小尺寸的射頻(RF)模組。因爲在本發明的天線中的調整單 元的長度可有效縮小，因此相對的也會縮小天線的尺寸。因 爲天線是直接成形在印刷電路板上，所以可改善其機械強度’ 並且可改善其元件的袖珍度(compactness)。 根據本發明，從製造觀點而言，本發明更加提供一種在 印刷電路板上成形天線之方法，該方法包括在印刷電路板的 一面上成形一個輻射器。其中，輻射器係成形在印刷電路板 的一第一表面上，而且輻射器至少包括在一接點互相聯結的 一個訊號饋入單元，及一個調整單元。調整單元包括一個彎 曲部分。底層係成形在印刷電路板的另一面上，其中調整單 元的彎曲部分會與底層的一部分重疊，以成形一個補償電容 器。輻射器更加包括一個短路桿單元，以成形一個反相-E型 天線。 在上述方法中，成形底層的步驟包括從一邊緣成形一突 出部分，其中該突出部分會至少與調整單元的彎曲部分重疊， 以成形補償電容器。 在上述方法中，成形底層的步驟包括成形調整單元的彎 曲部分，使其延伸並且跨越底層的一邊緣。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定 本發明’任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍 內’當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視 後附之申請專利範圍所界定者爲準。 12 200425577 10431twf.doc/006 圖式簡單說明 第1圖係繪示一個具負載的傳輸線的示意圖。 第2圖到第5圖係繪示各種習知天線的示意圖。 第6圖到第7圖係繪示根據本發明實施例的各種天線的等 效電路圖。 第8圖到第9圖係繪示根據本發明一第一實施例的一天線 結構示意圖。 第10圖到第11圖係繪示根據本發明一第二實施例的一天 線結構示意圖。 圖式標記說明= 100 :底層 102 : L型天線 102a :調整單元 l〇2b :訊號饋入單元 103 :訊號饋入線 200 :天線 200a :短路桿單元 200b :調整單元 200c :訊號饋入單元 300 :底層 300a :主體部分 300b :突出部分 310 :反相-E型天線 310a :短路桿單元 31〇b :調整單元 13 200425577 10431twf.doc/006 31〇b’ ：主體部分 310b’’ ：彎曲部分 31〇c :訊號饋入單元 312 :穿孔結構 313 :訊號饋入線 320 :補償電容器 400 :底層 410b’ ：主體部分 410b” ：彎曲部分 420 :電容器 600a ··短路桿單元 600b :調整單元 6〇〇c :訊號饋入單元 610 :補償電容器 612 :補償電容器 700 ··底層 716 :天線 720 :補償電容器 800 :底層 816 :天線 820 :補償電容器

Claims (1)

1. 200425577 10431twf.doc/006 拾、申請專利範園： 1·—種具印刷補償電容器之天線，形成於一印刷電路板(PCB) 上，該天線包括： 一輻射器，該輻射器係配置在該印刷電路板的一第一表面 上，其中該輻射器包括在一接點互相連結的一短路桿單元、 一訊號饋入單元、以及一調整單元，且該調整單元包括一彎 曲部分； 一訊號饋入線，該訊號饋入線係配置在該印刷電路板的該 第一表面上，並且連接至該輻射器的該訊號饋入單元，藉此 β 與該輻射器電性耦合；以及 一底層，該底層係配置在該印刷電路板的一第二表面上’ 且該短路桿單元的一端點，係電性耦合至該底層’ 其中，該調整單元的該彎曲部分係與該底層重疊’以成形 該補償電容器。 2. 如申請專利範圍第1項所述之具印刷補償電容器之天線， 其中該底層包括從一邊緣突出的一突出部分’其中該突出部 分會至少與該調整單元的該彎曲部分重疊，以成形該補償電 容器。 φ 3. 如申請專利範圍第2項所述之具印刷補償電容器之天線， 其中該調整單元的該彎曲部分，係延伸至該底層，並且跨越 該突出部分。 4. 如申請專利範圍第1項所述之具印刷補償電谷器之天線， 其中該調整單元的該彎曲部分，係延伸並且跨越該底層的一 邊緣。 5·一種具印刷補償電容器之天線，形成在一印刷電路板(pCB) 上，該天線包括： 15 200425577 10431twf.doc/006 一輻射器，該輻射器係配置在該印刷電路板的一第一表面 上，其中該輻射器包括在一接點互相連結的一訊號饋入單元 及一調整單元，且該調整單元包括一彎曲部分； 一訊號饋入線，該訊號饋入線係配置在該印刷電路板的該 第一表面上，並且連接至該輻射器的該通5虎饋入單兀，藉此 與該輻射器電性耦合；以及 一底層，該底層係配置在該印刷電路板的一第二表面上， 其中，該調整單元的該彎曲部分係與該底層重疊’以成形 該補償電容器。 6. 如申請專利範圍第5項所述之具印刷補償電容器之天線’ 其中該底層包括從一邊緣突出的一突出部分，其中該突出部 分會至少與該調整單元的該彎曲部分重疊，以成形該補償電 容器。 7. 如申請專利範圍第6項所述之具印刷補償電容器之天線， 其中該調整單元的該彎曲部分，係延伸至該底層’並且跨越 該突出部分。 8. 如申請專利範圍第5項所述之具印刷補償電容器之天線， 其中該調整單元的該彎曲部分’係延伸並且跨越該底層的一 邊緣。 9. 一種製造具印刷補償電容器之天線的方法’在一印刷電 路板(PCB)上，該方法包括： 在該印刷電路板的一第一表面上，成形一輻射器，其中該 輻射器包括在一接點互相連結的一訊號饋入單元及一調整單 元； 在該印刷電路板上，成形一訊號饋入線，其中該訊號饋入 線係連接至該訊號饋入單元，藉此與該輻射器電性耦合；以 及 200425577 10431twf.doc/006 在該印刷電路板的一第二表面上，成形一底層， 其中，該調整單元的一部分係與該底層的一部分重疊，以 成形一補償電容器。 10.如申請專利範圍第9項所述之製造具印刷補償電容器之 天線的方法，其中該輻射器更加包括一短路桿單元，且該短 路桿單元的一端點，係電性耦合至該底層。 11·如申請專利範圍第10項所述之製造具印刷補償電容器 之天線的方法，其中在成形該底層的該步驟中，成形該底層 更加包括成形從一邊緣突出的一突出部分，其中該突出部分 會至少與該調整單元的該部分重疊，以成形該補償電容器。 着 I2·如申請專利範圍第11項所述之製造具印刷補償電容器 之天線的方法，其中該調整單元的該部分，係以延伸至該底 層，並且跨越該突出部分的方式成形。 13·如申請專利範圍第1〇項所述之製造具印刷補償電容器 之天線的方法，其中該調整單元的該部分，具有延伸並且跨 越該底層的一邊緣的一彎曲部分。 I4·如申請專利範圍第9項所述之製造具印刷補償電容器之 天線的方法，其中在成形該底層的該步驟中，成形該底一以 層更加包括成形從一邊緣突出的一突出部分，其中該突出部鲁 分會至少與該調整單元的該部分重疊，以成形該補償電容器。 I5·如申請專利範圍第14項所述之製造具印刷補償電容器 之天線的方法，其中該調整單元的該部分，係以延伸至該底 層’並且跨越該突出部分的方式成形。 16·如申請專利範圍第9項所述之製造具印刷補償電容器之 天線的方法，其中該調整單元的該部分，具有延伸並且跨越 該底層的一邊緣的一彎曲部分。 17