CN101409384A

CN101409384A - 应用于无线网络桥接器之印刷式单极智能天线

Info

Publication number: CN101409384A
Application number: CNA2007101822817A
Authority: CN
Inventors: 钟世忠; 刘彦志
Original assignee: DACHUANG SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Delta Optoelectronics Inc
Priority date: 2007-10-11
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2027-10-11
Also published as: CN101409384B

Abstract

本案系关于一种智能天线，包含一单极天线、一第一导体、一第二导体及一电路装置，其中该单极天线用以接收及发送一讯号；该第一导体包含一第一切换二极管，该第一导体用以导向及反射该讯号其中之一；该第二导体包含一第二切换二极管，该第二导体用以导向该讯号及反射该讯号其中之一；该电路装置用以产生一指令切换该第一及该第二切换二极管的导通及断开其中之一，用以变换该智能天线的一场型。

Description

应用于无线网络桥接器之印刷式单极智能天线

技术领域

本案系关于一种单极智能天线，特别是指一种应用于无线网络桥接器的印刷式单极智能天线。

背景技术

近年来由于因特网的盛行，个人与企业对于网络的需求日与俱增，有线局域网络除需一次完成实际线路的架设，还增加布建成本、降低布建的时效性，而且无法满足临时性的需求；无线局域网络的出现则可以降低布建成本、扩展局域网络讯号范围及满足随时随地连上网络的需求。

而无线局域网络讯号的接收与传输通常需透过无线网络桥接器(access point，AP)/路由器(router)、或透过笔记型计算机的无线网络卡的天线来进行。目前应用于这些无线网络产品的天线可以使用单极天线(monopole antenna)、偶极天线(dipoleantenna)、芯片天线(chip antenna)或螺旋形天线(helicalantenna)，这些类型的天线场型覆盖范围约为360度。从应用面而言，它的优点在于有更多的使用者都能透过桥接器/路由器或无线网络卡进入因特网，但是由于天线增益(antenna gain)不高，无线通讯距离被受限。为了要提高天线增益，可以利用指向型天线(directional antenna)增加传输距离。

现行的智能天线大部分是利用数个指向型天线，透过软件切换二极管开关，选择要使用的天线方向来进行通讯传输，这种指向型的智能天线具有：依照用户使用区域自动切换场型、高天线增益、能透过软件控制的优点，但是此种天线场型的利用率不高，仅能切换单一方向，一个天线只有一个方向的场型。

另外一种智能天线则是利用八木天线(Yagi antenna)的单刀双掷(single pole double throw，SPDT)二极管，分别切换一个对地的电容或是一个对地的电感，让导体形成导向器(director)或是反射器(reflector)，进而改变天线的场型。使用电容或电感的优点在于低频率时，操作上会比使用等效电容、电感来的方便，易于更换。然而，其缺点在于，若操作更高的频率，所选择的电容或电感会更小而无法使用，这是因为电容的容值及电感的感值太小导致无法制作出该组件，或者是因为自振频率过低而无法使用。换言之，切换电容或电感的方法受限于频率的高低，使用单刀双掷二极管需要两种电压选择，电路设计较为复杂，成本较高。而且使用单刀双掷二极管的插入损失(insertion loss)较切换二极管(pin diode)大，使天线增益变小。

职是之故，申请人鉴于习知技术中所产生之缺失，经过悉心试验与研究，并一本锲而不舍之精神，终构思出本案「应用于无线网络桥接器之印刷式单极智能天线」，能够克服上述缺点，以下为本案之简要说明。

发明内容

本案提出了一种智能天线，包含：一单极天线，包含一主天线与一馈入端，该主天线为一平面，该馈入端连接至一接地面，该单极天线用以接收及发送一讯号；一第一导体，包含一第一切换二极管，该第一导体设置于该单极天线的一第一侧，该第一导体连接至该接地面，该第一导体用以导向该讯号及反射该讯号其中之一；一第二导体，包含一第二切换二极管，该第二导体设置于该单极天线的一第二侧，该第二侧位于该第一侧之相异侧，该第二导体连接至该接地面，该第二导体用以导向该讯号及反射该讯号其中之一；和一电路装置，与该第一导体及该第二导体电连接，用以产生一指令切换该第一及该第二切换二极管，其中，藉由分别切换该第一及该第二切换二极管的导通及断开其中之一，用以变换该智能天线的一场型。

根据上述构想，该平面具有至少三边长，其中一第一边长及一第二边长各连接至少一蚀刻线于该平面，一第三边长平行于该接地面的一水平线，该等蚀刻线的长度随着与该第三边长的距离缩短而增长，而且该等蚀刻线的距离彼此相等。

根据上述构想，其中该单极天线的一主路径长度为该讯号之波长的二分之一。

根据上述构想，该第一与该第二导体的长度为该讯号之波长的0.1～0.5倍，其中较佳的为该讯号之波长的0.2倍。

根据上述构想，该单极天线到该第一导体的距离为该讯号之波长的0.1～0.5倍，其中较佳的为该讯号之波长的0.2倍，该单极天线到该第二导体的距离为该讯号之波长的0.1～0.5倍，其中较佳的为该讯号之波长的0.2倍。

根据上述构想，该第一导体更包含一第一电感，该第二导体更包含一第二电感，该第一与该第二电感分别与该电路装置电连接，做为高频阻断之用。

根据上述构想，其中该第一与该第二导体的三分之一部分与接地面重迭，并且该第一与该第二导体的一末端分别接到该接地面。

根据上述构想，其中该第一与该第二导体为一矩形及一倒L形其中之一。

根据上述构想，其中该单极天线、该第一导体及该第二导体为一金属材质。

本案又提出一种智能天线，包含：一单极天线，包含一主天线与一馈入端，该主天线为一倒三角形平面，该馈入端为信号输入端，该单极天线用以接收及发送一讯号；一第一导体，包含一第一切换二极管，该第一导体设置于该单极天线的一第一侧，该第一导体连接至该接地面，该第一导体用以导向该讯号及反射该讯号其中之一；(切换二极管导通时为反射器，反之为指向器)一第二导体，包含一第二切换二极管，该第二导体设置于该单极天线的一第二侧，该第二侧位于该第一侧之相异侧，该第二导体连接至该接地面，该第二导体用以导向该讯号及反射该讯号其中之一；一电路装置，与该第一导体及该第二导体电连接，用以产生一指令切换该第一及该第二切换二极管，至少一切槽，水平位于该接地面，分别与该单极天线、该第一导体、该第二导体垂直，用以集中接地面上的电流分布，使得天线场型不受接地面的大小而受到影响，其中，藉由该电路装置切换该第一与该第二切换二极管的导通及断开其中之一，用以变换该智能天线的一场型。

根据上述构想，其中该倒三角形平面的一第一边长及一第二边长各连接至少一蚀刻线于该倒三角形平面，一第三边长平行于该接地面的一水平线，该等蚀刻线平行于该第三边长，该等蚀刻线的长度随着与该第三边长的距离缩短而增长，而且该等蚀刻线的距离彼此相等。

根据上述构想，该第一导体更包含一第一电感，该第二导体更包含一第二电感，该第一与该第二电感分别与该电路装置电连接，该第一与该第二电感用以减缓该单极天线接收及发送该讯号的该电流的变化。

本案另提出一种智能天线的操作方法，该智能天线包含一单极天线、一第一导体、一第二导体及一电路装置，其中该第一导体包含一第一切换二极管，其中该第二导体包含一第二切换二极管，该方法包含：控制该电路装置，导通及断开该第一切换二极管其中之一，同时导通及断开该第二切换二极管其中之一，得到一第一、一第二、一第三及一第四天线场型。

根据上述构想，其中该第一、该第二、该第三及该第四天线场型将再后段逐一说明。

附图说明

图1：本案智能天线第一实施例的结构示意图；

图2：本案智能天线第二实施例的结构示意图；

图3：本案第二实施例之智能天线的第一天线场型成果数值模拟图；

图4：本案第二实施例之智能天线的第二天线场型成果数值模拟图；

图5：本案第二实施例之智能天线的第三天线场型成果数值模拟图；

图6：本案第二实施例之智能天线的第四天线场型成果数值模拟图；

图7：本案第二实施例之智能天线的频率与折返损耗关系图。

主要组件符号说明

10智能天线 20智能天线

101单极天线 201单极天线

102主天线 202主天线

103馈入端 203馈入端

104第一导体 204第一导体

105第二导体 205第二导体

106第一切换二极管 206第一切换二极管

107第二切换二极管 207第二切换二极管

108第一电感 208第一电感

109第二电感 209第二电感

1010接地面 2010接地面

1011电路装置 2011电路装置

1021蚀刻线 2012切槽

2021蚀刻线

具体实施方式

本发明将可由以下的实施例说明而得到充分了解，使得熟习本技艺之人士可以据以完成之，然本发明之实施并非可由下列实施例而被限制其实施型态。

本发明利用八木天线(Yagi antenna)理论中导向器及反射器的概念，设计出本发明的智能天线，该智能天线能依照使用者使用的区域，自动切换天线场型。此智能天线能提高天线增益，并且能透过控制软件自动切换天线场型，扩大天线场型的覆盖范围，而被广泛应用于无线通讯。

具体的实施可参考第一图，为本案智能天线第一实施例的结构示意图。在第一图中，智能天线10包含一单极天线101、一第一导体104、一第二导体105及一电路装置1013。智能天线10印刷于一印刷电路板上，而单极天线101、第一导体104、第二导体105一般为金属材质。单极天线101包含一主天线102及一馈入端103，主天线102在电路板上层，单极天线101用以接收及发送一讯号。第一导体104包含一第一切换二极管106，第一导体104设置于单极天线101的第一侧，第一导体104的末端连接至接地面1010。第二导体105包含一第二切换二极管107，第二导体105设置于单极天线101的第二侧，第二侧与第一侧为相异侧，第二导体105的末端连接至接地面1010。第一及第二导体(104、105)的作用如同八木天线中的导向器或反射器，意即第一导体104在导向讯号及反射讯号其中之一具有导向器或反射器的角色，第二导体105亦同，端视电路装置1011的控制而定。电路装置1011分别与第一导体104及第二导体105电连接，用以产生一指令切换第一及第二切换二极管(106、107)的导通及断开其中之一，分别改变第一及第二导体(104、105)的导向器或反射器作用其中之一，改变智能天线的天线场型。导通第一或第二切换二极管(106、107)时，第一或第二导体(104、105)具有反射器功能；反之，断开第一或第二切换二极管(106、107)时，第一或第二导体(104、105)具有导向器功能。

请继续参考第一图，单极天线101的主天线102设置在印刷电路板上层，平面上具有至少三边长，第一边长及第二边长各连接至少一蚀刻线1021于该平面，第三边长平行于该接地面1010的一水平线。该等蚀刻线1021的长度随着与第三边长的距离缩短而增长，而且该等蚀刻线1021的距离彼此相等。主天线102虽为一平面，但具有复数蚀刻线1021的主天线102的形状为S形，可以增加单极天线101的等效长度，并且提高导向器的效果。当本案第一实施例的主天线102的共振频率为2.45GHz时，主天线102的路径长度设计为讯号的波长的二分之一，第一与第二导体(104、105)的长度为讯号的波长的0.2倍，单极天线101分别到第一导体104及到第二导体105的距离相等，为讯号的波长的0.2倍；此外，第一及第二导体(104、105)的三分之一部份与接地面1010重迭，且末端分别接到接地面1010，第一及第二导体(104、105)包含但不限于一矩形及一倒L形，只要智能天线的等效长度为共振长度即可。

在第一图中，第一导体104更包含一第一电感108，第二导体105更包含一第二电感109，第一与第二电感(108、109)分别与电路装置1011电连接，做为高频阻断之用。

请参考第二图，为本案智能天线第二实施例的结构示意图。在第二图中，智能天线20包含一单极天线201、一第一导体204、一第二导体205及一电路装置2011。智能天线20印刷于一印刷电路板上，而单极天线201、第一导体204、第二导体205一般为金属材质。单极天线201包含一主天线202及一馈入端203，主天线202为一倒三角形平面，而馈入端203连接一接地面2010，单极天线201用以接收及发送一讯号。第一导体204包含一第一切换二极管206，第一导体204设置于单极天线201的第一侧，第一导体204连接至接地面2010。第二导体205包含一第二切换二极管207，第二导体205设置于单极天线201的第二侧，第二侧与第一侧为相异侧，第二导体205亦连接至接地面2010。如同第一实施例的智能天线所述，第二实施例的智能天线的第一及第二导体(204、205)的作用如同八木天线中的导向器或反射器，意即第一导体204在导向讯号及反射讯号其中之一具有导向器或反射器的角色，第二导体205亦同，视电路装置2011的控制而定。

电路装置2011分别与第一及第二导体(204、205)电连接，用以产生一指令切换第一及第二切换二极管(206、207)的导通及断开其中之一，分别改变第一及第二导体(204、205)的导向器或反射器作用，改变智能天线20的天线场型。

请继续参考第二图，单极天线201的主天线202为一倒三角形平面，其第一边长及第二边长各连接至少一蚀刻线2021于倒三角形平面，第三边长平行于接地面2010的一水平线。该等蚀刻线2021的长度随着与第三边长的距离缩短而增长，而且该等蚀刻线2021的距离彼此相等。主天线202虽为一倒三角形平面，但具有复数蚀刻线2021的主天线202的形状为S形，可以增加单极天线201的等效长度，并且提高导向器的效果。当本案第二实施例的主天线202的共振频率为2.45GHz时，主天线202的路径长度设计为讯号的波长的二分之一，第一与第二导体(204、205)的长度为讯号的波长的0.2倍，单极天线201分别到第一导体204及到第二导体205的距离相等，为讯号的波长的0.2倍；此外，第一及第二导体(204、205)的三分之一部份分别接到接地面2010，第一及第二导体(204、205)包含但不限于一矩形及一倒L形，只要单极天线20的等效长度为共振长度即可。

在第二图中，第一导体204更包含一第一电感208，第二导体205更包含一第二电感209，第一与第二电感(208、209)分别与电路装置2011电连接，做为高频阻断之用。

智能天线20与第一实施例中的智能天线10之最大差别在于其在接地面2010设置至少一切槽2012，这是因为接地面2010的面积大小会影响智能天线20的天线增益。当讯号馈入主天线202时，接地面2010将会有电流产生，电流透过接地的方式或是流经一等效电容而感应到第一与第二导体(204、205)。为了让天线场型与电流分布不受接地面2010的宽度影响，并且能集中电流分布往第一与第二导体(204、205)移动，在接地面2010设置至少一切槽2012，该等切槽2012水平位于接地面2010，分别与单极天线201、第一导体204、第二导体205垂直，用以集中单极天线201接收及发送讯号的电流。因此，在接地面2010设置切槽2012能够有效解决天线增益受接地面2010的面积大小的影响。

由第二图中的第二实施例的智能天线，本案提出一种智能天线的操作方法。该智能天线20包含一单极天线201、一第一导体204、一第二导体205及一电路装置2011，其中该第一导体204包含一第一切换二极管206，第二导体205包含一第二切换二极管207。该智能天线的操作方法为：控制电路装置2011用以导通及断开第一切换二极管206其中之一，控制电路装置2011时，同时导通及断开该第二切换二极管207其中之一，藉由第一及第二切换二极管(206、207)的导通及断开其中之一，产生四天线场型。该四天线场型详述如下。

为了得到第一天线场型(请见第三图)，控制电路装置2011用以断开第一切换二极管206，使第一导体204形成导向器，控制电路装置2011时，同时导通第二切换二极管207使第二导体205形成反射器，产生第一天线场型。导通第二切换二极管207使第二导体205接地，由于镜像原理，第二导体205的等效长度较单极天线201的等效长度长，使第二导体205形成反射器，将天线场型往单极天线201推挤；而第一切换二极管206被断开，等效上第一导体204为一等效长度和一个电容值接地，由于第一导体204的等效长度较单极天线201的等效长度短，使第一导体204形成导向器，将被第二导体205推挤的场型往单极天线201指引，用以增加天线增益。

值得注意的是，第一及第二导体(204、205)和接地面2010连接的部分，在导向器(第一导体204)上形成电容接地的特性，能耦合接地的电流，在单极天线201的主天线202辐射时，除了导向器共振所产生的天线增益外，还有接地面2011上的电流耦合到导向器上，增加了天线增益。

请参考第三图，为本案第二实施例之智能天线的第一天线场型成果数值模拟图。在第三图中，在水平面(X-Y平面)上第一导体204与单极天线201之间会形成较大的天线场型，天线增益增为5dBi。

为了得到第二天线场型(请见第四图)，控制电路装置2011用以导通第一切换二极管206，使第一导体204形成反射器，控制电路装置2011时，同时断开第二切换二极管207，使第二导体205形成导向器，产生第二天线场型。同理，第一导体204形成反射器，将天线场型往单极天线201推挤；而第二导体205形成导向器，将被第一导体204推挤的场型往单极天线201指引，用以增加天线增益。

请参考第四图，为本案第二实施例之智能天线的第二天线场型成果数值模拟图。在第四图中，在水平面(X-Y平面)上第二导体205与单极天线201之间会形成较大的天线场型，天线增益增为5dBi。

为了得到第三天线场型(请见第五图)，控制电路装置2011用以断开第一切换二极管206，使第一导体204形成导向器，控制电路装置2011时，同时断开第二切换二极管207，使第二导体205形成导向器，产生第三天线场型。此时，天线场型皆往第一及第二导体(204、205)指引，用以增加天线效益。

请参考第五图，为本案第二实施例之智能天线的第三天线场型成果数值模拟图。在第五图中，在水平面(X-Y平面)上第一导体204和单极天线201间与第二导体205和单极天线201间的天线场型较第三图及第四图来的大，天线增益增为1～2.5dBi。

为了得到第四天线场型(请见第六图)，控制电路装置2011用以导通第一切换二极管206，形成反射器，控制电路装置2011时，同时导通第二切换二极管207，形成反射器，产生第四天线场型。此时，第一及第二导体(204、205)皆将天线场型往单极天线201推挤，用以增加天线效益。

请参考第六图，为本案第二实施例之智能天线的第四天线场型成果数值模拟图。在第六图中，在水平面(X-Y平面)的天线场型较第一、第二、第三天线场型(第一图至第三图)来的小，天线增益增为3～3.5dBi。

请参考第七图，为本案第二实施例之智能天线的频率与折返损耗(return loss)关系图。由第七图可得知当天线频宽为200MHz时，最大天线增益为5dBi，其在无线网络上具有明显的使用效益。

本案智能天线的第一至第四天线场型的顺序为随机排列，端视使用者所在位置使本案智能天线达成指向型天线的功能。本案也可将复数智能天线印刷在印刷电路板的不同位置，配置在不同方向，藉由控制电路装置，获得到全向性的辐射场型(omnidirectional radiation pattern)。

综合上列所述，本发明系对单极天线及导体做巧妙的安排而得到一智能天线，该智能天线具有良好且可自动切换的天线场型，具备覆盖范围大及天线增益高的优点，能有效应用在无线网络桥接器的通讯中，实属难能的创新设计，深具产业价值，爰依法提出申请。

本案得由熟悉技艺之人任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利范围所欲保护者。

Claims

1.一种智能天线，包含：

一单极天线，包含一主天线与一馈入端，该主天线为一平面，该馈入端为一信号输入端，该单极天线用以接收及发送一讯号；

一第一导体，包含一第一切换二极管，该第一导体设置于该单极天线的一第一侧，该第一导体连接至该接地面，该第一导体用以导向该讯号及反射该讯号其中之一；

一第二导体，包含一第二切换二极管，该第二导体设置于该单极天线的一第二侧，该第二侧位于该第一侧之相异侧，该第二导体连接至该接地面，该第二导体用以导向该讯号及反射该讯号其中之一；和

一电路装置，与该第一导体及该第二导体电连接，用以产生一指令切换该第一及该第二切换二极管，

其中，藉由分别切换该第一及该第二切换二极管的导通及断开其中之一，用以变换该智能天线的一场型。

2.如权利要1所述的智能天线，其特征在于，该平面具有至少三边长，其中一第一边长及一第二边长各连接至少一蚀刻线于该平面，一第三边长平行于该接地面的一水平线，该等蚀刻线的长度随着与该第三边长的距离缩短而增长，而且该等蚀刻线的距离彼此相等。

3.如权利要1所述的智能天线，其特征在于，其中该单极天线的一主路径长度为该讯号之波长的二分之一。

4.如权利要1所述的智能天线，其特征在于，该第一与该第二导体的长度为该讯号之波长的0.1～0.5倍，其中较佳的为该讯号之波长的0.2倍。

5.如权利要1所述的智能天线，其特征在于，该单极天线到该第一导体的距离为该讯号之波长的0.1～0.5倍，其中较佳的为该讯号之波长的0.2倍，该单极天线到该第二导体的距离为该讯号之波长的0.1～0.5倍，其中较佳的为该讯号之波长的0.2倍。

6.如权利要1所述的智能天线，其特征在于，该第一导体更包含一第一电感，该第二导体更包含一第二电感，该第一与该第二电感分别与该电路装置电连接，做为高频阻断之用。

7.如权利要1所述的智能天线，其特征在于，其中该第一与该第二导体的三分之一部分与接地面重迭，并且该第一与该第二导体的一末端分别接到该接地面。

8.如权利要1所述的智能天线，其特征在于，其中该第一与该第二导体为一矩形及一倒L形其中之一。

9.如权利要1所述的智能天线，其特征在于，其中该单极天线、该第一导体及该第二导体为一金属材质。

10.一种智能天线，包含：

一单极天线，包含一主天线与一馈入端，该主天线为一倒三角形平面，该馈入端为一信号输入端，该单极天线用以接收及发送一讯号；

一第二导体，包含一第二切换二极管，该第二导体设置于该单极天线的一第二侧，该第二侧位于该第一侧之相异侧，该第二导体连接至该接地面，该第二导体用以导向该讯号及反射该讯号其中之一；

至少一切槽，水平位于该接地面，分别与该单极天线、该第一导体、该第二导体垂直，用以集中单极天线接收及发送该讯号的一电流，

其中，藉由该电路装置切换该第一与该第二切换二极管的导通及断开其中之一，用以变换该智能天线的一场型。

11.一种智能天线的操作方法，该智能天线包含一单极天线、一第一导体、一第二导体及一电路装置，其中该第一导体包含一第一切换二极管，其中该第二导体包含一第二切换二极管，该方法包含：

控制该电路装置，导通及断开该第一切换二极管其中之一，同时导通及断开该第二切换二极管其中之一，得到一第一、一第二、一第三及一第四天线场型。

12.如权利要11所述的智能天线，其特征在于，其中该第一、该第二、该第三及该第四天线场型的一顺序为随机排列。