CN101246988B - 一种超宽频短路偶极天线 - Google Patents

Abstract

一种超宽频短路偶极天线，包括：一同轴传输线以及二个形状大致相同的第一与第二开口环形辐射金属片。该同轴传输线，具有一中心导线以及一外层接地导体；该二个形状大致相同的第一与第二开口环形辐射金属片，大致对称配置在该天线的两侧，形成该天线的两臂，且该第一与第二开口环形辐射金属片彼此电性连接，并均具有一信号馈入点电性连接至该同轴传输线的中心导体或外层接地导体。

Description

一种超宽频短路偶极天线

技术领域

本发明关于一种偶极天线，特别是关于一种可应用于无线通信频带的超宽频短路偶极天线。

背景技术

现今无线通信频谱上已布满着许多商业无线通信系统应用频带，如：AMPS(Advanced Mobile Phone System，824～894MHz)、GSM(Global Systemfor Mobile Communication，880～960MHz)、DCS(Digital CommunicationSystem，1710～1880MHz)、PCS(Personal Communication Services，1850～1990MHz)、UMTS(Universal Mobile Telecommunication System，1920～2170MHz)、WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave access，2500～2690MHz，3400～3700MHz，5250～5850MHz)等。因此配备较好的汽车、公共汽车等各种交通工具配备有整合多种商业无线通信应用服务的功能已成为必然的趋势。而若要达成此一目的，单一交通工具除了必须设计多通信模块外，更必须配置着多天线系统。而多天线系统往往意味着必须同时具备多条同轴信号传输线、多天线制作成本、多天线摆放空间的浪费以及多电磁干扰等种种问题需要解决。

对于上述这些多天线系统所面临的问题，中国台湾专利第574771号已公开一种“多频段单一输入复合式绕线天线”，是利用具有多个谐振路径的天线来达到多系统无线通信需求；然而天线的整体结构便相形复杂且大幅增加尺寸。美国专利第4,843,403号“宽频截角天线(Broad-band NotchAntenna)”，其亦公开一种宽频类似偶极天线的天线结构，但若要设计成操作在较低频带时，其天线尺寸同样过大，在实际应用上较不适合贴置于车窗上或隐藏于汽车保险杠之中，并且难以完全于谐振频带内均达成良好的阻抗匹配。此外，美国专利第6,975,281号“缩小尺寸的介质负载螺旋天线(ReducedSize Dielectric Loaded Spiral Antenna)”，其公开一种传统超宽频螺旋天线，以利用负载多层介质的方式来减少天线尺寸的设计。然而螺旋天线除了结构复杂以外，其在信号馈入部分更需要额外使用一平衡转换器(Balun)来达成优选的阻抗匹配；再加上额外负载的多层介质，这些均提高了天线的制作成本。

因此，如何因应多系统无线通信的需求且突破上述该些天线设计于实际应用时所遭遇到的瓶颈，实为目前业界欲积极解决的课题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的就是提供一种创新的超宽频短路偶极天线设计，其不仅可于无线通信频带产生一涵盖820～7350MHz(频率比值约为9∶1)的超宽频阻抗频宽，同时具有结构简单、可与平面物体结合、制作容易且制作成本低的优点，因此相当适合安装于室内、室外或交通工具上来作为无线通信频带的信号接收天线。

根据本发明的目的，提出一种超宽频短路偶极天线，包括轴对称配置的第一与第二开口环形辐射金属片、短路金属细片以及一同轴传输线。该第一开口环形辐射金属片具有底边平行于对称轴的第一等腰梯形空部，该第一开口环形辐射金属片沿平行于对称轴的弦去除一劣弧部分形成第一直侧边，该第一直侧边上具有第一开口，该第一开口与第一等腰梯形空部的长底边垂直连通；该第二开口环形辐射金属片具有底边平行于对称轴的第二等腰梯形空部；该第二开口环形辐射金属片沿平行于对称轴的弦去除一劣弧部分形成第二直侧边，该第二直侧边上具有第二开口，该第二开口与第二等腰梯形空部的长底边垂直连通；该第一开口与第二开口朝向相反；且该第一开口环形辐射金属片上具有第一信号馈入点、第一上端短路点和第一下端短路点，该第二开口环形辐射金属片上具有第二信号馈入点、第二上端短路点和第二下端短路点，第一信号馈入点和第二信号馈入点相邻地位于两开口之间，并由第一信号馈入点、第一上端短路点、第二上端短路点和第二信号馈入点围成渐宽结构的第一空部，及由第一信号馈入点、第一下端短路点、第二下端短路点和第二信号馈入点围成渐宽结构的第二空部，该第一空部与第二空部相互贯通；短路金属细片电连接于该第一及第二开口环形辐射金属片之间，该短路金属细片对称配置在信号馈入点的左侧和/或右侧；同轴传输线具有一中心导线以及一外层接地导体，该中心导体及该外层接地导体分别耦接第一信号馈入点和第二信号馈入点。

根据本发明的目的，提出一种超宽频短路偶极天线，包括介质基板、第一与第二辐射金属片、短路金属细片以及同轴传输线。该二辐射金属片轴对称地配置在该介质基板上，该第一辐射金属片具有平行于对称轴的第一直侧边，该第一直侧边上具有第一开口；该第一辐射金属片还具有去除对顶两角的第一类棱形空部，该第一类棱形空部由第一开口扩展连通于第一等腰梯形空部的长底边而形成；该第二辐射金属片具有平行于对称轴的第二直侧边，该第二直侧边上具有第二开口；该第二辐射金属片还具有去除对顶两角的第二类棱形空部，该第二类棱形空部由第二开口扩展连通于第二等腰梯形空部的长底边而形成；该第一开口与第二开口朝向相反；且该第一辐射金属片上具有第一信号馈入点、第一上端短路点和第一下端短路点，该第二辐射金属片上具有第二信号馈入点、第二上端短路点和第二下端短路点，第一信号馈入点和第二信号馈入点相邻地位于两开口之间，并由第一信号馈入点、第一上端短路点、第二上端短路点和第二信号馈入点围成渐宽结构的第一空部，及由第一信号馈入点、第一下端短路点、第二下端短路点和第二信号馈入点围成渐宽结构的第二空部，该两空部相互贯通；短路金属细片电性连接于该二辐射金属片之间，该短路金属细片对称配置在二信号馈入点的左侧和/或右侧；同轴传输线用以耦接该二信号馈入点。

本发明的实验结果显示，本发明天线可于无线通信频带产生一频率比值约为9∶1的超宽频阻抗频宽，且天线辐射场型与天线增益可符合无线通信频带信号接收的实际应用。在本项设计中，我们除了借由使用二个简单开口环形辐射金属片来构成偶极天线的两臂，达成延长天线谐振电流路径而使天线尺寸缩小的目的之外，更借由使用一个或多个简单短路金属细片电性连接该两个简单开口环形辐射金属片所组成的偶极天线，来调整天线的阻抗匹配，使得本发明天线得以于无线通信频带达成一超宽频阻抗频宽。而在实际应用时同轴传输线可置放于该二个开口环形辐射金属片所环绕的无金属片区域以及其开口之中，进而避免同轴传输线影响天线辐射特性。由于本发明天线具有结构简单、可与平面物体结合、制作容易且制作成本低的优点，因此相当适合安装于室内、室外或交通工具内作为无线通信频带的信号接收天线。

为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下：

附图说明

图1所示为依照本发明第一实施例的超宽频短路偶极天线的结构图。

图2所示为第一实施例的超宽频短路偶极天线1的返回损失(return loss)测量图。

图3至图5分别示出第一实施例的超宽频短路偶极天线1在1000MHz、4000MHz与6000MHz的辐射场型图。

图6所示为第一实施例的超宽频短路偶极天线1在其操作频带内的天线增益图。

图7所示为依照本发明第二实施例的超宽频短路偶极天线的结构图。

图8所示为依照本发明第三实施例的超宽频短路偶极天线的结构图。

图9所示为第三实施例的超宽频短路偶极天线3的返回损失测量图。

主要元件符号说明

1，2，3：超宽频短路偶极天线

11，71：第一开口环形辐射金属片

12，72：第二开口环形辐射金属片

112，122，712，722：开口

111，121：信号馈入点

113，114，123，124：短路点

13：同轴传输线

131：同轴传输线的中心导体

132：同轴传输线的外层接地导体

14，15，74，75，84：短路金属细片

70：介质基版

具体实施方式

第一实施例

请参照图1，其所示为依照本发明第一实施例的超宽频短路偶极天线的结构图。超宽频短路偶极天线1包括：一同轴传输线13以及二个形状大致相同的第一与第二开口环形辐射金属片11及12。同轴传输线13具有一中心导线131以及一外层接地导体132。第一与第二开口环形辐射金属片11及12分别具有信号馈入点111及121与开口112及122，且大致对称地配置在超宽频短路偶极天线1的两侧，形成超宽频短路偶极天线1的两臂。

如图1所示，第一与第二开口环形辐射金属片11及12的对称配置方式使得两开口112及122方向相反且信号馈入点111及121相邻地位于两开口112及122之间。同轴传输线13的中心导线131及外层接地导体132则分别耦接信号馈入点111及121。此外，在本实施例中，使用两个短路金属细片14及15作为导体元件来电性连接于两开口环形辐射金属片11及12之间，其材质则可别于辐射金属片或与辐射金属片以前述切割金属片的制作方式一体成形。在图1中，两个短路金属细片14及15并分别位于信号馈入点111及121的两侧，如短路金属细片14电性连接第一开口环形辐射金属片11的短路点113及第二开口环形辐射金属片12的短路点123，而短路金属细片15则电性连接第一开口环形辐射金属片11的短路点114及第二开口环形辐射金属片12的短路点124。借此来增加天线的电感性，以抵消第一与第二开口环形辐射金属片11及12相邻边之间的电容效应进而调整超宽频短路偶极天线1的阻抗匹配，使得超宽频短路偶极天线1得以达成一超宽频阻抗频宽。

两开口112及122的设计可延长第一与第二开口环形辐射金属片11、12上的天线谐振电流路径而加以缩小天线尺寸。再者，在实际应用时，同轴传输线13也可置放于开口112或122中(在图1中为开口122)，或者超宽频短路偶极天线1中其他无金属片区域，借此避免同轴传输线13影响天线辐射特性的情况发生。以下再详细说明本实施例的超宽频短路偶极天线1的尺寸设计，及其天线特性。

请参照图2，其所示为第一实施例的超宽频短路偶极天线1的返回损失(return loss)测量图。本实施例选择下列尺寸进行实验测量：

超宽频短路偶极天线1的总宽度约为170mm(如图1中两短路金属细片14及15的间距)、总长度约为109mm。信号馈入点111(121)沿着第一(第二)开口环形辐射金属片11(12)左右任一侧路径至开口112(122)的总路径长度约为125mm，且信号馈入点111及121的间距约为2mm。两短路金属细片14及15的长度约为30mm、宽度约为2mm，如前述对称配置在信号馈入点111及121的右侧与左侧。右侧的短路点113及123以及左侧的短路点114及124均距离信号馈入点111及121约85mm。

此外，自信号馈入点111及121至右侧的短路点113及123(或至左侧的短路点114及124)，之间的部分为一宽度变化介于10～35mm的渐宽结构。而第一(第二)开口环形辐射金属片11(12)的右侧与左侧至开口转弯处至开口112(122)之间的部分为一宽度为20mm的等宽结构(如图1的虚框范围所示)。

在图2中，纵轴表示天线返回损失值，横轴表示天线操作频率。由返回损失的测量结果可以观察到，采用上述尺寸设计的超宽频短路偶极天线1在2.5∶1VSWR(Voltage Standing Wave Ratio，驻波比)的返回损失定义(约7.35dB)下，其操作频带可涵盖约820～7350MHz的超宽频频宽(频率比值约为9∶1)，且返回损失位准能够满足移动通信信号接收的实际应用需求。

请参照图3至图5，其分别示出第一实施例的超宽频短路偶极天线1在1000MHz、4000MHz与6000MHz的辐射场型图。如图3至图5所示，超宽频短路偶极天线1能够满足移动通信信号接收的实际应用场型需求，且随着操作频率升高，其辐射场型旁波瓣数逐渐增加的特性与传统偶极天线相同。

请参照图6，其所示为第一实施例的超宽频短路偶极天线1于其操作频带内的天线增益图。在图6中，纵轴表示天线增益，横轴表示天线操作频率。如图6所示，在500～7500MHz之间的天线增益约介于2.5～5.5dBi之间，其满足移动通信信号接收的实际应用增益需求。

第二实施例

请参照图7，其所示为依照本发明第二实施例的超宽频短路偶极天线的结构图。与第一实施例不同之处在于，第二实施例的超宽频短路偶极天线2其第一与第二开口环形辐射金属片71及72是以蚀刻或印刷方式形成在介质基板70上；此外，并视制造考虑或实际应用而调整两开口环形辐射金属片71及72的外形(天线整体呈一矩形，别于第一实施例的两侧弧度设计)与开口712及722的内缘形状。借由开口712及722与短路金属细片74及75的设计，同样能延长天线谐振电流路径而达成天线尺寸缩小的目的，且能增加天线的电感性以抵消两开口环形辐射金属片71及72相邻边之间的电容效应，进而调整天线的阻抗匹配。因此超宽频短路偶极天线2也能具有如第一实施例所述的阻抗频宽与辐射特性。

第三实施例

请参照图8，其所示为依照本发明第三实施例的超宽频短路偶极天线的结构图。相较于图1，超宽频短路偶极天线3仅使用单一短路金属细片84来调整天线的阻抗匹配外，其他结构皆与第一实施例相同。因此，超宽频短路偶极天线3也能具有如第一实施例的阻抗频宽与辐射特性。

请参照图9，其所示为第三实施例的超宽频短路偶极天线3的返回损失测量图。在图9中，纵轴表示天线返回损失值，横轴表示天线操作频率。由返回损失的测量结果可以观察到，超宽频短路偶极天线3除了在1.5GHz附近的返回损失值稍高于2.5∶1VSWR下的返回损失标准以外，在其他约800～7500MHz频带区间内的返回损失值均能满足2.5∶1VSWR下的返回损失标准，因此亦能够满足移动通信信号接收的实际应用需求。

综合上述的说明，本发明的超宽频短路偶极天线使用二个简单开口环形辐射金属片来构成偶极天线的两臂，达成延长天线谐振电流路径而使天线尺寸缩小，且因此于实际应用时同轴传输线可置放于任一开口环形辐射金属片所环绕的无金属片区域以及其开口中，而避免同轴传输线影响天线辐射特性。此外，本发明的超宽频短路偶极天线更使用一个或多个简单短路金属细片来电性连接该两个开口环形辐射金属片以调整天线的阻抗匹配，并使得超宽频短路偶极天线得以于无线通信频带达成频率比值大于9∶1的超宽频阻抗频宽。当然，所属技术领域中具有通常知识者亦可以明了，短路金属细片的数量及连接位置可适当变化以取得所需的阻抗匹配。或者，如前述图1的两开口环形辐射金属片11及12的相邻边的渐宽结构(或相邻边所形成的夹角)也能作变化来调整天线阻抗匹配，改变等宽结构的长度则能进一步调整天线最低谐振频率而达到尺寸缩小化的目的。如此一来，本发明的超宽频短路偶极天线结构简单、可与平面物体结合、具隐藏与节省空间的优点、制作容易且制作成本低，因此相当适合安装于室内、室外或交通工具内作为无线通信频带的信号接收天线，功能明确。因此本发明天线甚具高度产业应用价值，足以符合发明的范畴。

综上所述，虽然本发明已以一优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种超宽频短路偶极天线，其特征在于，该超宽频短路偶极天线包括：

轴对称配置的第一与第二开口环形辐射金属片，该第一开口环形辐射金属片具有底边大致平行于对称轴的类等腰梯形的第一空部，该第一开口环形辐射金属片沿大致平行于对称轴的弦去除一劣弧部分形成第一直侧边，该第一直侧边上具有第一开口，该第一开口与类等腰梯形的第一空部的长底边垂直连通；该第二开口环形辐射金属片具有底边大致平行于对称轴的类等腰梯形的第二空部；该第二开口环形辐射金属片沿大致平行于对称轴的弦去除一劣弧部分形成第二直侧边，该第二直侧边上具有第二开口，该第二开口与类等腰梯形的第二空部的长底边垂直连通；该第一开口与第二开口朝向相反；且该第一开口环形辐射金属片上具有第一信号馈入点、第一上端短路点和第一下端短路点，该第二开口环形辐射金属片上具有第二信号馈入点、第二上端短路点和第二下端短路点，第一信号馈入点和第二信号馈入点相邻地位于两开口之间，并由第一信号馈入点、第一上端短路点、第二上端短路点和第二信号馈入点围成渐宽结构的第三空部，及由第一信号馈入点、第一下端短路点、第二下端短路点和第二信号馈入点围成渐宽结构的第四空部，该第三空部与第四空部相互贯通；

短路金属细片，电连接于该第一及第二开口环形辐射金属片之间，该短路金属细片配置在信号馈入点的右侧；以及

一同轴传输线，具有一中心导线以及一外层接地导体，该中心导体及该外层接地导体分别耦接第一信号馈入点和第二信号馈入点。

2.根据权利要求1所述的超宽频短路偶极天线，其特征在于，所述短路金属细片包括两个短路金属细片，这两个短路金属细片对称配置在信号馈入点的左侧和右侧。

3.根据权利要求1所述的超宽频短路偶极天线，其特征在于，该第一与第二开口环形辐射金属片由金属片切割制作形成。

4.根据权利要求1所述的超宽频短路偶极天线，其特征在于，该第一与第二开口环形辐射金属片由蚀刻或印刷技术形成在一介质基板上。

5.一种超宽频短路偶极天线，其特征在于，该超宽频短路偶极天线包括：

一介质基板；

第一与第二辐射金属片，该二辐射金属片轴对称地配置在该介质基板上，该第一辐射金属片具有大致平行于对称轴的第一直侧边，该第一直侧边上具有第一开口；该第一辐射金属片还具有去除对顶两角的第一类棱形空部，该第一类棱形空部由第一开口扩展连通于第一类等腰梯形空部的长底边而形成；该第二辐射金属片具有大致平行于对称轴的第二直侧边，该第二直侧边上具有第二开口；该第二辐射金属片还具有去除对顶两角的第二类棱形空部，该第二类棱形空部由第二开口扩展连通于第二类等腰梯形空部的长底边而形成；该第一开口与第二开口朝向相反；且该第一辐射金属片上具有第一信号馈入点、第一上端短路点和第一下端短路点，该第二辐射金属片上具有第二信号馈入点、第二上端短路点和第二下端短路点，第一信号馈入点和第二信号馈入点相邻地位于两开口之间，并由第一信号馈入点、第一上端短路点、第二上端短路点和第二信号馈入点围成渐宽结构的第三空部，及由第一信号馈入点、第一下端短路点、第二下端短路点和第二信号馈入点围成渐宽结构的第四空部，该第三和第四空部相互贯通；

短路金属细片，电性连接于该二辐射金属片之间，该短路金属细片配置在二信号馈入点的右侧；以及

一同轴传输线，用以耦接该二信号馈入点。

6.根据权利要求5所述的超宽频短路偶极天线，其特征在于，所述短路金属细片包括两个短路金属细片，这两个短路金属细片对称配置在信号馈入点的左侧和右侧。

7.根据权利要求5或6所述的超宽频短路偶极天线，其特征在于，该二辐射金属片是以蚀刻或印刷方式形成在该介质基板上。

8.根据权利要求5或6所述的超宽频短路偶极天线，其特征在于，该短路金属细片与该二辐射金属片一体成形。

9.根据权利要求5或6所述的超宽频短路偶极天线，其特征在于，该同轴传输线铺设在该二开口的其中一者内。

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