特殊的微型天線

介紹

在過去的十年,網路技術有著爆炸性的進步。我們可以在網路的世界裡找到我們需要的資料且我們的日常生活也變得更依賴他了。大部分的人其生活作息已經與網路世界融合在一起了。因此,在我們的生活中無線的網路連接變成一個必要的方式,亦就是所有攜帶式裝置都要有無線通訊的能力。 更進一步,物聯網勢必變成科技業發展的一個焦點。最終,每一個物件將會透過無線通訊裝置連接在一起。在無線產業的競爭環境裡,一個微型天線技術可使得攜帶式裝置更薄、更小與更輕,讓您的產品更具有競爭力,也讓您的產品在這個廣大的市場中獲得勝利。

觀察過去電子產品的發展軌跡,我們可以知道,如何依新世代產品的需求先期開發關鍵元件,即時推出新產品所需要的元件,或提供性能優越的替代元件,將能使該新產品在市場上佔有相對優勢及增加競爭力。就無線通訊產品而言,天線產品或技術,就是佔有重要地位的關鍵零組件。為了能有穩定的上網能力與資料下載速度,個人行動裝置都需要效能優越的天線裝置,來強化其訊號收發能力,以便能隨時輕輕鬆鬆上網無障礙。而詠業科技獨特的專利晶片天線(Chip Antenna)技術,能提供給客戶高收訊效率的微小型晶片天線,提高客戶無線通訊產品的效能。

以網路連線相當重要的無線路由器(WiFi AP Router)為例,大多數市售機種還是採用外置雙極(Dipole)棒狀天線,不但影響外觀設計、佔用很大的體積、使用不方便,材料與組裝成本也都很高。尤其是商務人士用的口袋型路由器,如果還要外掛一支棒狀天線,更是不搭調。

以平板電腦當例子,FPC天線仍被廣泛的使用。但要使用FPC天線,必須先將FPC天線用人工組裝的方式黏貼到平板電腦的外殼上,並在主板上焊接兩個彈片,以便讓FPC天線與主板做電性連接。這樣的做法不只是總成本高,而且人工組裝之FPC天線的穩定性不佳。但以詠業的晶片天線而言,只需將晶片天線利用SMT製程打件在主板上,即可完成,具有方便性、穩定性與總成本低等特點。

如何設計一個內建型的天線

智慧型手機、平板電腦、手持式裝置等產品的天線,主要仍以內建型天線為主。想要將天線設計為內置,目前主要有幾種形式可供選擇,包括:金屬片沖壓成型天線、印刷電路板(PCB)或軟板(FPC)天線、LDS天線以及晶片天線。模具沖壓成型金屬天線,在生產上都需要開發金屬加工成型模具,開模具不但貴而且時程長,對於新產品開發的成本與時程控制甚為不利。而且不論是使用印刷電路板製成的天線、模具沖壓成型金屬天線或LDS天線,最後都需要用人工組裝於行動裝置內,不僅人工成本高昂,而且人工組裝的良率較不穩,對品質的管控較困難。而且,不管是金屬沖壓天線或是LDS天線,其尺寸都相當大,並不符合個人可攜式產品輕薄短小的趨勢需求。所以,具有輕薄短小優勢的晶片天線,便成為另一種頗具吸引力之選擇,晶片天線之設計方式,主要以單極(Monopole或PIFA)天線與迴路(Loop)天線為主。

而內建型的天線在實際應用上會遭遇哪些主要問題呢?我們例舉如下:
1.人體靠近時對天線特性的影響
2.天線尺寸與效率的關係
3.輻射場型對有效訊號傳輸能力的影響
4.是否需針對每一機型製作客製化天線
5.生產成本

而詠業的專利晶片天線,採用改良的迴路天線設計原理,在上述的幾個問題領域,都有優越的表現。詠業的晶片天線如何克服以上的問題,並與其他類型的天線做一比較,敘述如下:

1.人體靠近時對天線特性的影響
天線的電抗近場分為電場與磁場兩種型式,人體屬於電介質,對電抗近場的電場效應影響較大,會造成天線餽入阻抗的變化。目前市場上大多數晶片天線,都運用單極天線或PIFA天線的設計原理,天線電抗近場中的電場效應較強,當人體靠近天線時(例如:以手握持手機),天線的效能會受到比較顯著的影響。而詠業科技的晶片天線採用經過改良的迴路天線設計原理,天線電抗近場中磁場效應的比例較高,相對降低電場效應的影響,因而降低了人體對天線效能的影響。

2.天線尺寸與效率的關係
詠業的專利晶片天線,是利用晶片天線周邊的金屬,來增加天線之輻射效能,換句話說,雖然晶片天線的體積縮到很小,但只要天線兩邊的金屬具有足夠長度的話,仍可擁有相當好的輻射效率。但對一般以LDS或FPC製作的PIFA天線而言,天線的輻射體長度要達到4分之一波長且天線本體要離金屬越遠越好,如此輻射效率才會好。但以現在3C產品的發展趨勢來看,越做越薄是ㄧ個主要的趨勢,PIFA天線會離電路板越來越近,導致天線的輻射效率受到影響,除非把天線覆蓋到的電路板上的金屬層全部移除,否則天線效率會大幅下降。而詠業所發明的晶片天線克服了上述的問題,即使將天線尺寸縮小到3.2*1.6*0.5(mm),還能保持高的輻射效率。此一晶片天線的推出,也立即受到國際一級大廠的熱烈採用。

3.輻射場型對訊號傳輸能力的影響
採用PIFA結構設計的天線,輻射場型的主要方向會指向接地金屬的方向,因此天線工程師無法輕易的調整天線的設計形狀,來改變輻射場型的方向,導致輻射場型的主要輻射方向不一定是該產品需要的方向。例如,智慧型手機上要建置一個GPS天線,一般而言,因為手機的下端會設計LTE/3G的主天線,所以GPS天線都會設計在智慧型手機的頂端,如果運用PIFA結構來設計的話,輻射場型的主要輻射方向會是朝向下方,亦就是朝向地面,但是GPS的衛星訊號又是來自於天空,如此真正可以用於接收GPS訊號的有效輻射增益其實是很低的。而詠業的晶片天線,將天線的電流流動侷限在晶片天線的周圍,如此可輕易的將輻射場型設計成指向上方的天空,也就是衛星訊號來源的方向,因此,有效的輻射增益可大幅增加,換句話說,GPS的訊號接收能力即可大幅提升。

4.是否需針對每一機型製作客製化天線
天線的基本物理特性顯示,天線放置的位置及周遭環境,對其電氣特性的影響是很大的,所以每一個3C產品的天線都需要客製化製作,如此會造成開發時程較久、庫存壓力大、成本高等問題產生。但詠業的晶片天線,有獨家的調頻元件設計,當同一個晶片天線裝置在不同機構環境時,即使天線之共振頻率有所偏移,皆可輕易的利用調頻元件將共振頻率調到該產品所需的頻段。產品開發與製造單位,只要準備單一天線元件,即可滿足各個不同產品之開發需求。而產品開發過程中,也不用重複地微調天線,因此,天線開發過程變得很簡單,開發時程可大幅縮短,庫存成本與製造成本也可顯著降低。

5.生產成本
天線的生產成本,可以從兩個層面來分析,一為直接成本,另一為間接成本:

一、直接成本:

以目前使用較普遍的LDS天線、FPC天線與晶片天線來做比較:

a.LDS的材料較昂貴、製程較複雜,其售價一直是所有天線種類裡面最貴的一種
b.FPC的天線成本需包括天線本體、兩個彈片、組裝費用(人工組裝與打件費用),其總成本雖較LDS便宜,但仍比晶片天線貴。
c.晶片天線只要將天線用SMT製程打件在電路板上即完成,沒有其他人工組裝與彈片的需求,其總成本是最低的。

二、間接成本:

任何電子產品在開發過程裡,難以避免的需要隨時修改機構或結構,因此,像LDS天線與FPC天線,就必須隨著機構的變更而變更天線設計,亦就是必須重新製作天線,導至開發時程的增長,如此開發成本勢必升高。但是使用詠業的晶片天線的話,同一天線標準品(單一料號)可以使用於各式產品,不必因為機構或結構的變更,而重新設計晶片天線,電路板的佈線(Layout)也不用改變,如此不僅可縮短開發時程,相對的整個開發成本自然也會下降。進入量產之後,庫存也僅需要準備單一料號的天線標準品,不需要為不同機型準備不同料號的天線,庫存管理的複雜度與成本都可顯著降低,也不用擔心呆滯料的發生。

實施例子

Fig1:詠業科技的GPS和 WiFi/Bluetooth 晶片天線在平板電腦上的應用實例

Fig2:詠業科技的雙頻WiFi (2.4G + 5G) 晶片天線在平板電腦上的應用實例

Fig3:詠業科技的GPS晶片天線在智慧型手機上的應用實例

Fig4:詠業科技的WiFi晶片天線在無線分享器上的應用實例

Fig5:詠業科技的Bluetooth晶片天線在耳機上的應用實例

 

Fig1天線尺寸:3.2X1.6X0.5 mm

Fig.1 詠業科技的GPS和 WiFi/Bluetooth 晶片天線在平板電腦上的應用實例

 

Table1 GPS&WiFi 晶片天線的3D輻射增益

table1

table1-1

 

Fig2天線尺寸:3.2X1.6X0.5 mm

Fig.2 詠業科技的雙頻WiFi (2.4G + 5G) 晶片天線在平板電腦上的應用實例

 

Table2 雙頻WiFi晶片天線的3D輻射增益

table2

table2-2

 

Fig3天線尺寸:3.2X1.6X0.5 mm

Fig.3 詠業科技的GPS晶片天線在智慧型手機上的應用實例

 

Table 3 GPS晶片天線的3D輻射增益

table3

 

Fig4天線尺寸:3.2X1.6X0.5 mm

Fig.4 詠業科技的WiFi 晶片天線在無線分享器上的應用實例

 

Table 4 WiFi 晶片天線的3D輻射增益

table4

 

Fig5Size:5.0X3.0X0.5 mm

Fig.5 詠業科技的Bluetooth晶片天線在耳機上的應用實例

 

Table 5 Bluetooth晶片天線的3D輻射增益

table5

 

結論:

詠業科技的晶片天線已成功的應用在各種產品領域,例如:Smart phone、Tablet PC、PND、Portable router、Wireless dongle、BT earphone等產品,各國際品牌大廠也都熱烈地採用,在在的證明了我們晶片天線的優勢,不管是在成本的競爭力,在研發使用的便利性、抗干擾的特性、天線的輕薄短小等方面,都非常具有吸引力。如下表,我們整理了晶片天線、LDS 天線與FPC天線的綜合特性比較,由此表中,即可看出詠業晶片天線的特性與優點。

 

對抗人體影響的能力天線的尺寸場型的有效效率使用單一標準料件成本
晶片天線
雷雕天線不行
軟板天線不行