TWI586032B - 天線系統及通信裝置 - Google Patents

Description

天線系統及通信裝置

本發明係有關一種天線系統，特別是關於一種具連接至接地點的匹配導電線段的天線系統。

無線感測網路（wireless sensor network）係由多個感測裝置（例如Z-wave裝置）所組成。由於結構簡單、低功耗與低成本等優點，因此普遍使用作為家庭自動化（home automation）的控制。

感測裝置通常使用單極天線（monopole antenna）來接收或發射信號。單極天線的設計需要搭配足夠大的接地面，才能達到較高的天線輻射效率。然而，由於感測裝置有小型化的趨勢，使得接地面過小而影響天線輻射效率（例如輻射效率小於20%）。

第一A圖顯示傳統單極天線的示意圖。為了增加輻射效率，因此延伸一短路殘支（stub）13。第一B圖顯示第一A圖之短路殘支13的等效電路圖。傳統所使用的短路殘支13雖可達到阻抗的匹配，稍微改善天線的輻射效率，但是對於感測裝置的持續小型化，則無法跟著改善輻射效率，且會增加印刷電路板的面積，於小型配件中無法使用。

因此亟需提出一種新穎的機制，用以改善傳統天線系統的諸多缺失。

鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種具增強效率的天線系統，其藉由匹配導電線段可有效達到阻抗的匹配並增加輻射阻抗，因而大大提升整體的天線輻射效率，用以補償小型通信裝置因接地面長度過小所造成的缺失。

根據本發明實施例，天線系統包含單極天線及匹配導電線段。單極天線的第一端連接至印刷電路板表面上的饋點，且其第二端為電性懸空。匹配導電線段的第一端連接至印刷電路板表面上的接地點，其第二端為電性懸空。

第二A圖顯示本發明第一實施例之具增強效率的天線系統200的透視圖，第二B圖顯示第二A圖之天線系統200的左側視圖。本實施例之天線系統200可適用於通信裝置，特別適用於小型（compact）通信裝置，其接地面長度過小，例如小於四分之一波長。舉例而言，若頻率為908百萬赫茲（MHz），則四分之一波長大約為8公分。在一例子中，小型通信裝置可為無線感測網路（wireless sensor network）當中的感測裝置，例如Z-wave感測裝置，但不限定於此。在一例子中，小型通信裝置的尺寸之長、寬、高小於10公分。第三圖顯示通信裝置（其包含有天線系統200）的系統方塊圖。

在本實施例中，天線系統200主要包含有單極天線（monopole antenna）21，其第一端連接至印刷電路板（PCB）20表面上的饋點（feed point）211，其第二端為電性懸空（floating）。本實施例之單極天線21為四分之一波長（quarter-wave）單極天線，因此其長度大約為四分之一波長。以頻率為908百萬赫茲（MHz）為例，四分之一波長大約為8公分。為了避免與通信模組22及印刷電路板20發生接觸或干擾，單極天線21的第一端首先從印刷電路板20的表面（例如第一表面）向外（例如向上）延伸，接著，沿著通信模組22的周圍繼續延伸。

此外，單極天線21還可局部作波狀（例如方波狀）曲折，如第四A所例示。作波狀曲折的另一好處在於減少單極天線21的直線距離（linear distance），使得通信裝置的形狀因數（form factor）或尺寸大小（dimension）得以降低。

再者，單極天線21還可局部包覆絕緣保護套管23，防止與交流電源短路，如第四B圖所例示。本實施例之單極天線21的材質可使用金屬銅、其他金屬或合金。為了增加硬度（hardness），單極天線21的核心（core）可改用鋼材料、其他較硬金屬或合金。

通信模組22與單極天線21之間還可包含傳輸線（transmission line）24與阻抗匹配（impedance matching）電路25，其可設於印刷電路板20的表面。在本實施例中，通信模組22可為無線感測模組，但不限定於此。在本說明書中，傳輸線24係指纜線或其他結構，用以載送射頻的交流電流。阻抗匹配電路25則是用以匹配傳輸線24與單極天線21之間的阻抗，可使用傳統電路技術來實施。

根據本實施例的特徵之一，天線系統200包含匹配導電線段（matching conductive stub）26，其第一端連接至印刷電路板20表面上的接地點261，其第二端為電性懸空，因此匹配導電線段26係呈開路型態。本實施例之匹配導電線段26的長度大約為四分之一波長。以頻率為908百萬赫茲（MHz）為例，四分之一波長大約為8公分。為了避免與通信模組22及印刷電路板20發生接觸或干擾，匹配導電線段26的第一端首先從印刷電路板20的表面（例如第二表面）向外（例如向下）延伸，接著，沿著通信模組22的周圍繼續延伸。

此外，匹配導電線段26還可局部作波狀（例如方波狀）曲折（未顯示）。作波狀曲折的另一好處在於減少匹配導電線段26的直線距離，使得通信裝置的形狀因數或尺寸大小得以降低。

再者，匹配導電線段26還可局部包覆絕緣保護套管23，如第四C圖所例示。本實施例之匹配導電線段26的材質可使用金屬銅、其他金屬或合金。為了增加硬度，匹配導電線段26的核心可改用鋼材料、其他較硬金屬或合金。

根據上述實施例，匹配導電線段26可有效達到阻抗的匹配並增加輻射阻抗，因而大大提升整體的天線輻射效率，用以補償小型通信裝置因接地面長度過小所造成的缺失。本實施例之匹配導電線段26具阻抗匹配的效果，所以離傳輸線24較近則效果較好。

根據本實施例的特徵之二，為了避免單極天線21與匹配導電線段26之間產生耦合情形或者降低兩者間的耦合量，單極天線21與匹配導電線段26於設置時，其分別往相反的方向延伸。此外，單極天線21的饋點211與匹配導電線段26的接地點261之間具有一預設距離。

如第二A圖所例示，單極天線21往印刷電路板20的右側延伸，而匹配導電線段26則往印刷電路板20的左側延伸。在一較佳實施例中，單極天線21從印刷電路板20的上表面且往右上方延伸，而匹配導電線段26則往印刷電路板20的下表面且往左下方延伸。在此實施例中，印刷電路板20的上表面主要為直流信號相關電路，而印刷電路板20的下表面則為交流信號相關電路。

第五A圖顯示本發明第二實施例之具增強效率的天線系統200的俯視圖，第五B圖顯示第五A圖之天線系統200的前側視圖。第二實施例類似於第一實施例，不同的地方在於單極天線21與匹配導電線段26係以印刷電路製造技術而形成於印刷電路板20的表面。例如，形成單極天線21於印刷電路板20的第一表面（例如上表面），且形成匹配導電線段26於印刷電路板20的第二表面（例如下表面）。然而，在另一實施例中，單極天線21與匹配導電線段26也可形成於同一表面，如第五C圖所示。

本實施例之單極天線21與匹配導電線段26兩者都形成於印刷電路板20的表面。然而，在另一實施例中，單極天線21與匹配導電線段26的其中一個形成於印刷電路板20的表面，而另一個則設於印刷電路板20的上方（如第一實施例）。

為了讓本實施例之天線系統200可適用於小型通信裝置，單極天線21或/且匹配導電線段26還可局部作波狀（例如方波狀）曲折。藉此，得以減少單極天線21/匹配導電線段26的直線距離，使得通信裝置的形狀因數或尺寸大小得以降低。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

13‧‧‧短路殘支
200‧‧‧天線系統
20‧‧‧印刷電路板
21‧‧‧單極天線
211‧‧‧饋點
22‧‧‧通信模組
23‧‧‧絕緣保護套管
24‧‧‧傳輸線
25‧‧‧阻抗匹配電路
26‧‧‧匹配導電線段
261‧‧‧接地點

第一A圖顯示傳統單極天線的示意圖。 第一B圖顯示第一A圖之短路殘支的等效電路圖。 第二A圖顯示本發明第一實施例之具增強效率的天線系統的透視圖。 第二B圖顯示第二A圖之天線系統的左側視圖。 第三圖顯示通信裝置的系統方塊圖。 第四A圖至第四C圖顯示本發明變化實施例之具增強效率的天線系統的透視圖。 第五A圖顯示本發明第二實施例之具增強效率的天線系統的俯視圖。 第五B圖顯示第五A圖之天線系統的前側視圖。 第五C圖顯示本發明變化實施例之具增強效率的天線系統的前側視圖。

200‧‧‧天線系統

20‧‧‧印刷電路板

21‧‧‧單極天線

211‧‧‧饋點

22‧‧‧通信模組

26‧‧‧匹配導電線段

261‧‧‧接地點

Claims (24)

1. 一種天線系統，包含：一單極天線，其第一端連接至一印刷電路板表面上的饋點，且其第二端為電性懸空，該印刷電路板的表面包含一接地面，其中該單極天線與該接地面用以產生天線輻射；及一匹配導電線段，用以匹配阻抗並增加輻射阻抗，其第一端連接至該印刷電路板表面上的接地點，其第二端為電性懸空；其中該單極天線與該匹配導電線段於設置時，其分別從該饋點與該接地點往相反的方向並沿著該印刷電路板的相對二側延伸，藉以避免該單極天線與該匹配導電線段之間產生耦合。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中上述之單極天線的第一端從該印刷電路板的表面向外延伸，接著沿該印刷電路板表面設置的通信模組的周圍繼續延伸。
3. 根據申請專利範圍第2項所述之天線系統，其中上述之匹配導電線段的第一端從該印刷電路板的表面向外延伸，接著沿該印刷電路板表面設置的通信模組的周圍繼續延伸。
4. 根據申請專利範圍第3項所述之天線系統，其中上述之單極天線設於該印刷電路板的第一表面的上方，且該匹配導電線段設於該印刷電路板相對於第一表面之第二表面的上方。
5. 根據申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中上述之單極天線形成於該印刷電路板的表面，其第一端從該印刷電路板的饋點，沿該印刷電路板表面設置的通信模組的周圍延伸。
6. 根據申請專利範圍第5項所述之天線系統，其中上述之匹配導電線段形成於該印刷電路板的表面，其第一端從該印刷電路板的接地點，沿該印刷電路板表面設置的通信模組的周圍延伸。
7. 根據申請專利範圍第6項所述之天線系統，其中上述之單極天線形成於該印刷電路板的第一表面，且該匹配導電線段形成於該印刷電路板相對於第一表面之第二表面。
8. 根據申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中上述之匹配導電線段的長度為四分之一波長。
9. 根據申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中上述之匹配導電線段的局部作波狀曲折。
10. 根據申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中上述之匹配導電線段的材質包含金屬銅。
11. 根據申請專利範圍第3項所述之天線系統，其中上述之匹配導電線段的局部包覆絕緣保護套管。
12. 根據申請專利範圍第3項所述之天線系統，其中上述之匹配導電線段的核心包含鋼材料。
13. 一種通信裝置，包含：一印刷電路板，該印刷電路板的表面包含一接地面；至少一通信模組，設於該印刷電路板上；一單極天線，其第一端連接至該印刷電路板表面上的饋點，且其第二端為電性懸空，其中該單極天線與該接地面用以產生天線輻射；及一匹配導電線段，用以匹配阻抗並增加輻射阻抗，其第一端連接至該印刷電路板表面上的接地點，其第二端為電性懸空； 其中該單極天線與該匹配導電線段於設置時，其分別從該饋點與該接地點往相反的方向並沿著該印刷電路板的相對二側延伸，藉以避免該單極天線與該匹配導電線段之間產生耦合。
14. 根據申請專利範圍第12項所述之通信裝置，其中上述之單極天線的第一端從該印刷電路板的表面向外延伸，接著沿該通信模組的周圍繼續延伸。
15. 根據申請專利範圍第14項所述之通信裝置，其中上述之匹配導電線段的第一端從該印刷電路板的表面向外延伸，接著沿該通信模組的周圍繼續延伸。
16. 根據申請專利範圍第15項所述之通信裝置，其中上述之單極天線設於該印刷電路板的第一表面的上方，且該匹配導電線段設於該印刷電路板相對於第一表面之第二表面的上方。
17. 根據申請專利範圍第12項所述之通信裝置，其中上述之單極天線形成於該印刷電路板的表面，其第一端從該印刷電路板的饋點，沿該通信模組的周圍延伸。
18. 根據申請專利範圍第17項所述之通信裝置，其中上述之匹配導電線段形成於該印刷電路板的表面，其第一端從該印刷電路板的接地點，沿該通信模組的周圍延伸。
19. 根據申請專利範圍第18項所述之通信裝置，其中上述之單極天線形成於該印刷電路板的第一表面，且該匹配導電線段形成於該印刷電路板相對於第一表面之第二表面。
20. 根據申請專利範圍第12項所述之通信裝置，其中上述之匹配導電線段的長度為四分之一波長。
21. 根據申請專利範圍第12項所述之通信裝置，其中上述之匹配導電線段的局部作波狀曲折。
22. 根據申請專利範圍第12項所述之通信裝置，其中上述之匹配導電線段的材質包含金屬銅。
23. 根據申請專利範圍第15項所述之通信裝置，其中上述之匹配導電線段的局部包覆絕緣保護套管。
24. 根據申請專利範圍第15項所述之通信裝置，其中上述之匹配導電線段的核心包含鋼材料。