本發(fā)明涉及一種寬帶天線(widebandantenna)及其相關射頻裝置，尤其涉及一種利用至少一超材料結構以改變中心頻率的天線及其相關射頻裝置。

背景技術：
隨著行動裝置技術的進步，一般具無線通信功能的電子產品，如平板計算機、筆記型計算機、個人數字助理(PersonalDigitalAssistant)等，通常通過內建的天線來接入無線網絡。因此，為了讓使用者能更方便地接入無線通信網絡，理想天線的頻寬(帶寬)應在許可范圍內盡可能地增加，而尺寸則應盡量減小，以配合便攜式無線通信器材體積縮小的趨勢，將天線整合入便攜式無線通信器材中。除此之外，隨著無線通信技術的演進，不同無線通信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信網絡所需的頻帶。如本領域所熟知，天線的操作頻率與其尺寸相關，即低頻的射頻信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于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，因而限制其應用范圍。因此，如何有效提高天線頻寬，使之適用于具寬頻需求的無線通信系統，如長期演進(LongTermEvolution，LTE)系統，已成為業(yè)界所努力的目標之一。

技術實現要素：
因此，本發(fā)明主要提供一種寬帶天線及其相關射頻裝置。本發(fā)明公開一種寬帶天線，包含有一接地元件，電性連接于一地端；一饋入元件，用來饋入一射頻信號；一輻射元件，電性連接于該饋入元件，用來輻射該射頻信號；至少一超材料結構，每一超材料結構電性連接于該輻射元件與該接地元件之間。本發(fā)明還公開一種射頻裝置，包含有一射頻信號處理單元，用來產生一射頻信號；一寬帶天線，耦接于該射頻信號處理單元，該天線包含有一接地元件，電性連接于一地端；一饋入元件，用來饋入該射頻信號；一輻射元件，電性連接于該饋入元件，用來輻射該射頻信號；至少一超材料結構，每一超材料結構分別電性連接于該輻射元件與該接地元件之間。附圖說明圖1為本發(fā)明實施例一寬帶天線的示意圖。圖2為圖1的天線的等效電路圖。圖3A為一已知天線以及本發(fā)明實施例的天線的示意圖。圖3B為圖3A的天線的電壓駐波比的模擬結果示意圖。圖4A至圖4C為不同形狀的等效電感元件的示意圖。圖5A至圖5C為不同形狀的等效電容元件及等效電感元件的示意圖。圖6A至圖6F為本發(fā)明實施例另一寬帶天線的示意圖。圖7為本發(fā)明實施例一射頻裝置的示意圖。圖8A為圖7的天線在不同切換狀態(tài)下的電壓駐波比的示意圖圖8B為圖7的天線在不同切換狀態(tài)下的輻射效率的示意圖。圖9為本發(fā)明實施例另一寬帶天線的示意圖。圖10A為圖9的天線在不同切換狀態(tài)下的電壓駐波比的示意圖。圖10B為圖9的天線在不同切換狀態(tài)下的輻射效率的示意圖。【主要元件符號說明】10、30、32、34、40、41、42、天線50、51、52、60、61、62、63、64、65、70、90100、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、等效電容元件918110、310、410、411、412、511、等效電感元件710、910RF_sig射頻信號CR_sig切換信號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射頻信號處理單元720切換電路D開關R電阻L電感State_on、State_off狀態(tài)F1第一頻率F2第二頻率具體實施方式為了在有限空間下提高天線頻寬，本發(fā)明增加超材料(Metamaterials)結構于天線的輻射體，通過超材料的特殊物理特性，達到天線微小化及增加頻寬的目的。所謂超材料或是左手物質(Left-HandedMaterials)是指若某一物質的介電常數(permittivity)與磁導系數(permeability)的值都呈負數，光(電磁波)在這種物質里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復合結構或復合材料，通過設計特殊的結構，以產生等效左手物質特性。請參考圖1，圖1為本發(fā)明實施例一寬帶天線10的示意圖。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電性連接于地端，用來提供接地。饋入元件104電性連接于輻射元件102與接地元件100之間，用來饋入一射頻信號RF_sig至輻射元件102；亦即，當發(fā)送信號時，饋入元件104由一射頻處理模塊接收射頻信號RF_sig，傳送至輻射元件102，以進行無線電傳播；當接收信號時，輻射元件102所感應的射頻信號RF_sig經由饋入元件104傳送至射頻處理模塊。超材料結構106電性連接于輻射元件102與接地元件100之間，超材料結構106可等效為周期性排列的諧振器，產生在自然界中不存在的負介電常數及負磁導系數，進而形成所謂的左手物質。請繼續(xù)參考圖2，圖2為天線10的等效電路圖。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。如圖2所示，等效電容元件108電性連接于輻射元件102，等效電感元件110電性連接于接地元件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(fā)明于天線10的輻射元件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。本領域技術人員當可據以修飾或變化，而不限于此。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電性連接于輻射元件102的位置，如此也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的頻寬。具體來說，請參考圖3A及圖3B，圖3A繪示了一天線30以及本發(fā)明實施例天線32、34的示意圖，而圖3B為天線30、32、34的電壓駐波比(VoltageStandingWaveRatio，VSWR)的模擬結果示意圖。由于天線30、32、34的結構與天線10類似，故相同元件以相同符號命名。如圖3A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取決于其輻射元件的等效電氣長度，即等效電氣長度需等于中心頻率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。在圖3B中，天線30、32、34的電壓駐波比分別以實線、虛線、點線表示。如圖3B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于天線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。并且，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，也可使天線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的目的。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，請參考圖4A至圖4C，圖4A至圖4C繪示了不同形狀的等效電感元件的示意圖。如圖4A至圖4C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。請參考圖5A至圖5C，圖5A至圖5C繪示了不同形狀的等效電容元件及等效電感元件的示意圖。如圖5A至圖5C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，可在天線30、31、32中新增一分支，并將該分支電性連接于接地元件100，以形成一平面倒F天線(PlanarInvertedFAntenna，PIFA)的架構。請參考圖6A至圖6F，圖6A至圖6F為本發(fā)明實施例天線60、61、62、63、64、65的示意圖。在圖6A中，天線60是將天線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天線的架構，同樣能適用超材料結構的特性，使天線60的中心頻率Fc低于一般平面倒F天線的中心頻率，達到等效縮小天線尺寸的目的。圖6B至圖6F則繪示了結合不同形狀的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，由于超材料結構可改變天線輻射中心頻率的特性，因此，可在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于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，請參考圖7，圖7為本發(fā)明實施例一射頻裝置7的示意圖。射頻裝置7包含有一天線70以及一射頻信號處理單元72。射頻信號處理單元72用來產生射頻信號RF_sig，并耦接于天線70，通過天線70將射頻信號RF_sig發(fā)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電性連接于地端，用來提供接地。輻射元件702包含有一分的支730，電性連接于接地元件700，使天線70形成平面倒F天線的架構。饋入元件704電性連接于輻射元件702、712及722與接地元件700之間，用來饋入射頻信號RF_sig至輻射元件702、712及722。亦即，當發(fā)送信號時，饋入元件704由信號處理單元72接收射頻信號RF_sig，傳送至輻射元件702、712及722，以通過輻射元件702、712及722進行多頻段的無線電傳播；當接收信號時，輻射元件702、712及722所感應的射頻信號RF_sig經由饋入元件704傳送至信號處理單元72。如圖7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電性連接于輻射元件702，等效電感元件710電性連接于切換電路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耦接于等效電感元件710與接地元件700之間，用來根據射頻信號處理單元72輸出的一切換信號CR_sig，切換等效電感元件710與接地元件700的連結，以改變天線70的中心頻率Fc。電阻R耦接于切換信號CR_sig，用來限制切換信號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的一端耦接于電阻R，另一端耦接于開關D與等效電感元件710，用來阻斷等效電感元件710中射頻信號RF_sig流至切換信號CR_sig，避免因射頻信號RF_sig傳遞至切換信號CR_sig的路徑對天線特性的影響。其中，開關D優(yōu)選為一PIN(Positive-Intrinsic-Negative)二極管或一雙載子接面二極管(BipolarJunctionTransistor，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(fā)低頻段的射頻信號RF_sig，而超材料結構706電性連接于輻射元件702，其目的在于改變天線70于低頻段的中心頻率Fc。在此架構下，天線70即可通過切換電路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。由于超材料結構706使中心頻率Fc往低頻偏移的特性，因此第二頻率F2大于第一頻率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。請參考圖8A及圖8B，圖8A為天線70在不同切換狀態(tài)下的電壓駐波比的示意圖；圖8B為天線70在不同切換狀態(tài)下的輻射效率(Efficiency)的示意圖。為便于說明，當開關D連接等效電感元件710與接地元件700的狀態(tài)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(tài)State_off以虛線表示。如圖8A所示，在狀態(tài)State_on時，低頻部分VSWR低于3的中心頻率Fc為第一頻率F1(F1≒740MHz，在狀態(tài)State_off時，低頻部分VSWR低于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，如圖8B所示，在狀態(tài)State_on時，低頻部分輻射效率大于40％的中心頻率Fc為第一頻率F1，在狀態(tài)State_off時，低頻部分輻射效率大于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的頻段需求，第二頻率F2(F2≒870MHz，791～960MHz)包含的頻寬大致符合全球移動通信(GlobalSystemforMobileCommunications，GSM)中800MHz、900MHz的操作頻段需求。因此，通過切換電路720切換等效電感元件710與接地元件700的連結，即可有效地改變天線70于低頻部分的中心頻率Fc，使天線70能適應性地操作于不同中心頻率或不同移動通信系統的操作頻段，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。請參考圖9，圖9為本發(fā)明實施例另一天線90的示意圖。天線90由天線70衍伸而來，故相同元件以相同符號命名，兩者主要差異在于，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可等效于在輻射元件702上串聯兩個電容及并聯一電感。如前述圖4A至圖4C、圖5A至圖5C、圖6A至圖6F的變化例，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。請參考圖10A及圖10B，圖10A為天線90在不同切換狀態(tài)下的電壓駐波比的示意圖；圖10B為天線90在不同切換狀態(tài)下的輻射效率的示意圖。當開關D連接等效電感元件910與接地元件700的狀態(tài)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(tài)State_off以虛線表示。如圖10A所示，在狀態(tài)State_on時，低頻部分VSWR低于3的中心頻率Fc為第一頻率F1(F1≒740MHz，704～787MHz)，在狀態(tài)State_off時，低頻部分VSWR低于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，如圖10B所示，在狀態(tài)State_on時，低頻部分輻射效率大于35％的中心頻率Fc為第一頻率F1；于狀態(tài)State_off時，低頻部分輻射效率大于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(fā)明通過增加超材料結構于天線的輻射元件，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的目的。另一方面，本發(fā)明另結合切換電路于天線之中，通過切換電路切換等效電感元件與接地元件的連結，即可有效地改變天線于低頻部分的中心頻率，以使天線能適應性地操作于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(fā)明的優(yōu)選實施例，凡依本發(fā)明權利要求書所做的均等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明的涵蓋范圍。