CN102025030A - 平面指向性天线 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种平面指向性天线，其包括一基板、一金属层、一主天线以及一辅助天线。其中，基板具有一第一表面与一第二表面。金属层设置在基板的第二表面，且金属层的顶边呈现一内凹式抛物曲线。主天线配置在基板，并位在内凹式抛物曲线的焦点的一预设范围之内。辅助天线设置于基板并相对于主天线，以致使平面指向性天线产生朝向一辐射方向的一波束。本发明是利用主天线与辅助天线的耦合效应来产生朝向一辐射方向的一波束。此外，主天线的设置位置是位在金属层的顶边所呈现的一内凹式抛物曲线的焦点附近，进而有效地提升天线的指向性。除此之外，本发明的平面指向性天线还可降低电子装置在系统实现上的复杂性，并具有微型化的优势。

Description

平面指向性天线

技术领域

本发明涉及一种天线，特别是涉及一种平面指向性天线。

背景技术

天线是许多无线通讯系统不可或缺的必备元件，且其更是攸关于系统的整体性能的主要构成要件。一般来说，天线依照方向性可区分为无向性天线、全向性天线与指向性天线。其中，指向性天线是针对一特定方向的电磁波能量进行传送与收发，因此可以广泛定地应用在以指向性为主的基台内，点对点通信站(point to point communication station)，或含有GPS功能的装置，如智能手机、PDA、GPS导航机或笔记本电脑等等。

在实际应用上，可重置式天线(reconfigurable antenna)或是智能天线(smart antenna)可取代传统的指向性天线，但是可重置式天线与智能天线往往具备多重的天线单元(antenna element)以及复杂且繁大的馈入与分配网路，因而具有成本过高及面积与体积过于庞大等缺点。此外，由于可重置式天线与智能天线需随着外在环境改变而与控制晶片互动，进而再调整其电气设计参数，故传统的可重置式天线与智能天线也往往会导致系统在实现上的复杂性。

因此，在设计指向性天线的过程中，如何兼顾天线的体积、指向性(directivity)以及应用性/容易性，已成为该领域技术的一大课题。

由此可见，上述现有的指向性天线在产品结构、制造方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品及方法又没有适切的结构及方法能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新的平面指向性天线，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的指向性天线存在的缺陷，而提供一种新的平面指向性天线，所要解决的技术问题是使其利用主天线与辅助天线的耦合效应来产生具有指向性的一波束，并利用具有内凹式抛物曲线的金属层来提升天线的指向性，非常适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种平面指向性天线，包括一基板、一金属层、一主天线以及一辅助天线。其中，基板具有一第一表面与一第二表面。金属层设置在基板的第二表面，且金属层的顶边呈现一内凹式抛物曲线。主天线配置在基板，并位于内凹式抛物曲线的焦点的一预设范围之内。辅助天线设置于基板并相对于主天线，以致使平面指向性天线产生朝向一辐射方向的一波束。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

从在本发明的一实施例中，上述的主天线包括一第一驱动件与一第二驱动件。第一驱动件设置于基板的第一表面。第二驱动件设置于基板的第二表面，并从金属层所延伸而出。其中，第一驱动件与第二驱动件各自具有一第一臂与一第二臂。此外，第一驱动件与第二驱动件的该些第一臂于一垂直投影面上相互重叠，且第一驱动件与第二驱动件的该些第二臂对称于辐射方向。

在本发明的一实施例中，上述的辅助天线设置在基板的第一表面，并相对于第一驱动件的第二臂。此外，上述的辅助天线对称于辐射方向。

在本发明的一实施例中，由该第一与该第二驱动件的该些第二臂相加而得的长度，大于该辅助天线的长度。

在本发明的一实施例中，上述的金属层的顶边包括一凹槽，其中该第二驱动件的该第一臂是从该凹槽所在的金属层往该辐射方向延伸出来，且该第二驱动件的该第一臂设置在该凹槽的中央。

在本发明的一实施例中，上述的平面指向性天线更包括一第一反射件与一第二反射件。其中，第一反射件与第二反射件设置在基板的第一表面，并排列在第一驱动件的第一臂的两侧。此外，第一反射件与第二反射件于垂直投影面上系环绕于金属层的顶边周围。

在本发明的一实施例中，其更包括多个导孔，贯穿该金属层、该基板与该第一反射件，或是贯穿该金属层、该基板与该第二反射件，以致使该第一反射件或该第二反射件电性连接至该金属层。

在本发明的一实施例中，上述的辅助天线设置在该基板的该第二表面，并相对于该第二驱动件的该第二臂，且对称于该辐射方向。

在本发明的一实施例中，上述的辅助天线包括：一第一次辅助天线，设置在该基板的该第一表面，并相对于该第一驱动件的该第二臂；以及一第二次辅助天线，设置在该基板的该第二表面，并相对于该第二驱动件的该第二臂。

在本发明的一实施例中，上述的第一驱动件与该第二驱动件的该些第二臂相加而得的长度，大于该第一次辅助天线与该第二次辅助天线相加而得的长度。

借由上述技术方案，本发明平面指向性天线至少具有下列优点及有益效果：本发明是利用主天线与辅助天线的耦合效应来产生朝向一辐射方向的一波束。此外，主天线的设置位置是位在金属层的顶边所呈现的一内凹式抛物曲线的焦点附近，进而有效地提升天线的指向性。除此之外，本发明的平面指向性天线还可降低电子装置在系统实现上的复杂性，并具有微型化的优势。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1绘示为依据本发明一实施例的平面指向性天线的结构示意图。

图2绘示为用以说明图1的平面指向性天线于垂直投影面上的透视结构示意图。

图3绘示为依据本发明另一实施例的平面指向性天线的结构示意图。

图4绘示为用以说明图3的平面指向性天线于垂直投影面上的透视结构示意图。

图5绘示为依据本发明另一实施例的平面指向性天线的结构示意图。

图6绘示为用以说明图5的平面指向性天线于垂直投影面上的透视结构示意图。

100：平面指向性天线

110：基板

111：基板的第一表面

112：基板的第二表面

120：金属层

130：主天线

131：第一驱动件

131a：第一驱动件的第一臂

131b：第一驱动件的第二臂

132：第二驱动件

132a：第二驱动件的第一臂

132b：第二驱动件的第二臂

140：辅助天线

141：次辅助天线

142：次辅助天线

151：第一反射件

152：第二反射件

161-164：导孔

170：凹槽

DR：辐射方向

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的平面指向性天线其具体实施方式、结构、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。

图1绘示为依据本发明一实施例的平面指向性天线的结构示意图。参照图1所示，平面指向性天线100包括一基板110、一金属层120、一主天线130以及一辅助天线140。其中，基板110具有一第一表面111(相当于X轴与Y轴所构成的平面，如图1中的上半部)，以及一第二表面112(相当于-X轴与Y轴构成的平面，如图1中的下半部)。

参照图1所示，主天线130包括一第一驱动件131与一第二驱动件132。其中，第一驱动件131与辅助天线140一同设置于基板110的第一表面111，而第二驱动件132与金属层120一同设置于基板110的第二表面112。本发明另一实施例，参照图3与图4所示，可在基板110的第一表面111上仅设置第一驱动件131，而第二驱动件132、辅助天线140与金属层120一同设置于基板110的第二表面112。在实际应用上，主天线130可以例如是偶极天线(dipole antenna)，且本实施例便是以偶极天线为例来列举主天线130。因此，主天线130的第一驱动件131与第二驱动件132的形状分别呈现L形，并各自具有双臂，例如：第一驱动件131具有第一臂131a与第二臂131b，且第二驱动件132具有第一臂132a与第二臂132b。值得一提的是，第一驱动件131的第一臂131a连接于一馈入点(图未绘示)，而金属层120则可看成系统接地面。

为方便解释本发明实施例的详细内容，以下仅以图1与图2的结构配置方式做说明，图3与图4的内容则不再赘述，本领域熟悉该项技艺者当可依此类推。更进一步来看，图2绘示为用以说明图1的平面指向性天线在垂直投影面上的透视结构示意图，其中图2以虚线标示出第二驱动件132与金属层120垂直投射在第一表面111的相对位置。请同时参照图1与图2来看，图1中第一驱动件131与第一表面111的相对空间关系是以X轴与Y轴来表达，而第二驱动件132与第二表面112则是以-X轴与Y轴来表达。因此，当第二驱动件132垂直投射在第一表面111时，如图2所示，藉由俯视第一表面111(X轴与Y轴所构成的平面)，第一驱动件131的第一臂131a与第二驱动件132的第一臂132a于垂直投影面上相互重叠，且第一驱动件131的第二臂131b与第二驱动件132的第二臂132b对称于一辐射方向DR(Y轴)。

依照第一驱动件131与第二驱动件132的配置方式，主天线130将可朝着辐射方向DR辐射出最大的能量。此外，辅助天线140相对于第一驱动件131的第二臂131b，且对称于辐射方向DR。其中，辅助天线140的长度小于由第一驱动件131与第二驱动件132的第二臂131b与132b相加而得的长度。藉此，主天线130与辅助天线140将产生耦合效应(coupling)，以致使主天线130所辐射出的能量集中在辐射方向DR，进而产生出朝着辐射方向DR的波束。

值得注意的是，为了致使平面指向性天线100所产生的波束更为集中或是更指向一辐射方向DR，金属层120将可用以反射主天线130所辐射出的能量。在实体配置上，藉由俯视基板110的第二表面112(-X轴与Y轴所构成的平面)，金属层120的周边包含顶边、侧边与底边。而在本实施例中，为了增加平面指向性天线100的指向性(directivity)，令金属层120的顶边呈现一内凹式抛物曲线(concave parabolic curve)，也就是说金属层120的顶边往辐射方向DR的反方向(即-Y轴方向)向内凹陷，且向内凹陷的曲线呈现一抛物状。其中，内凹式抛物曲线可定义出一焦点(focus)与一准线(directrix)，以致使内凹式抛物曲线上的任意一点至焦点与准线的距离皆相等。

因应内凹式抛物曲线的特性，如图2所示，第一驱动件131与第二驱动件132的第一臂131a与132a的延伸线垂直于内凹式抛物曲线的准线(相当于X轴)，且第一驱动件131与第二驱动件132位于内凹式抛物曲线的焦点的附近。藉此，金属层120的顶边将形同光学上的凹透镜，而具有“虚拟聚焦”的功能。如此一来，朝着辐射方向DR的反方向(-Y轴方向)所辐射出的电磁讯号，将可通过金属层120的反射而更加地集中在辐射方向DR上，进而致使平面指向性天线100所产生的波束将更为集中或是更具指向性。

本发明另一实施例，参照图5与图6所示，其中图5与图6所示的平面指向性天线100将辅助天线140划分成一个次辅助天线141与一个次辅助天线142。其中，次辅助天线141与第一驱动件131一同设置于基板110的第一表面111，而次辅助天线142则与第二驱动件132、金属层120一同设置于基板110的第二表面112。此外，次辅助天线141相对于第一驱动件131的第二臂131b，且次辅助天线142相对于第二驱动件132的第二臂132b。再者，次辅助天线141与142相加而得的长度，小于由第一驱动件131与第二驱动件132的第二臂131b与132b相加而得的长度。至于图5与图6所示的除辅助天线140以外的相关构件，其配置关系、结构以及形状皆与上述各实施例相同，故在此不予赘述。

如图6所示，次辅助天线141与142于垂直投影面上的相对位置，相对于第一驱动件131与第二驱动件132的第二臂131b与132b在垂直投影面上的相对位置。因此，在实际应用上，由次辅助天线141与142所构成的辅助天线140，也会与主天线130产生耦合效应。藉此，主天线130所辐射出的能量将可集中在辐射方向DR，进而产生朝着辐射方向DR的波束。基于指向性与背向辐射(back-radiation)的考量，次辅助天线141与142彼此间亦可藉由配置一导孔(图未绘式)的方式来达成电性连接，以作为动态调整天线收讯品质的方法。此外，平面指向性天线100所产生的波束也会因应金属层120的顶边所呈现的内凹式抛物曲线而更为集中或是更具指向性。

为方便解释本发明实施例的详细内容，以下将接续以图1与图2的结构配置方式做说明，图5与图6的内容则不再赘述，本领域熟悉该项技艺者当可依此类推。请继续参照图1与图2所示，随着平面指向性天线100的指向性的提升，平面指向性天线100的传输距离也将随之变得更远。相对地，平面指向性天线100将可广泛地应用在各类型的手持式电子装置中，例如：手机、笔记本电脑(Notebook)、全球定位系统(Global Positioning System，GPS)、超级移动电脑(Ultra Mobile PC，UMPC)、上网本(Network Linkable Notebook，Netbook)、智能笔记本(Smartbook)等，以及各种以指向性为主的基台内，例如：辅助全球定位系统基地台(AGPS base station)、点对点通信站(point to point communication station)、智能基地台(Smart Base-station)等。虽然本实施例列举了平面指向性天线100的应用型态，但其并非用以限定本发明。

除此之外，由于平面指向性天线100具有平板化的架构，因此可直接设置在手持式电子装置的机构件上，例如：手机背盖或是电池背盖等，又或者直接在PCB基板上进行配置(layout)。据此，手持式电子装置也会因为平面指向性天线100的平板化而具有微型化的优势。相对地，当平面指向性天线100应用在以指向性为主的基台内时，其平板化的架构也可降低基台的实体体积。此外，平面指向性天线100具有精简的实体架构，因此平面指向性天线100还可降低手持式电子装置与基台在系统实现上的复杂性。

值得一提的是，平面指向性天线100在实体配置上还可搭配具有凹槽的金属层120、额外的反射件以及导孔(via)来提升天线的特性。举例来说，如图1与图2所示，平面指向性天线100更包括一第一反射件151、一第二反射件152以及多个导孔161-164，且金属层120的顶边包括一凹槽170。其中，第二驱动件132的第一臂132a是从凹槽170所在的金属层往辐射方向DR延伸出来，且第二驱动件132的第一臂132a设置在凹槽170的中央，以藉此增加主天线130的匹配度。

除此之外，第一反射件151与第二反射件152设置在基板110的第一表面111，并排列在第一驱动件131的第一臂131a的两侧。且在本实施例中，第一反射件151与第二反射件152呈现条状式(strip)。此外，第一反射件151与第二反射件152垂直投影在基板110的第二表面112上时，反射件151与152的投影是环绕在金属层120的顶边的周围。由于金属层120的顶边呈现一内凹式抛物曲线，因此第一反射件151与第二反射件152也对应地沿着金属层120的顶边，而成呈现向内凹陷的曲线状。藉此，第一反射件151与第二反射件152将更进一步地增加平面指向性天线100的指向性。

值得注意的是，第一反射件151与第二反射件152主要是用以反射第一表面111上由第一驱动件131所辐射出的能量，金属层120则主要是用以反射第二表面112上由第二驱动件132所辐射出的能量。但是，能量的辐射是四面八方且不容易受到控制的，因此，来自第一表面111上的能量也会穿透基板110而往第二表面112辐射发散出去相对地，来自第二表面112上的能量也会穿透基板110而往第一表面111辐射发散出去。此时，这些穿透过基板110而往辐射方向DR的反方向(-Y轴方向)辐射发散出去的电磁讯号，将被第一反射件151、第二反射件152以及金属层120予以反射。也就是说，第一反射件151与第二反射件152也可能反射到来自第二表面112上的能量，而金属层120也可能反射到来自第一表面111上的能量。

除此之外，为了能够更完整地反射这些穿透基板110而往辐射方向DR的反方向辐射发散出去的电磁讯号，本实施例更可利用导孔161-164来加强平面指向性天线100的指向性。其中，导孔161-164贯穿金属层120、基板110与第一反射件151，或是贯穿金属层120、基板110与第二反射件152。在电性连接上，第一反射件151与第二反射件152将可通过导孔161-164电性连接至金属层120。

藉此，导孔161-164将具有与该些反射件151-152及金属层120的同样功效，进而可将上述穿透过基板110的部分能量予以反射。如此一来，平面指向性天线100将具有更佳的指向性。虽然本实施例所列举的导孔的数量为4个，但其并非用以限定本发明，本领域具有通常知识者可依整体天线设计的需求而相对应地调整，但亦须考虑到成本的因素，而其相对位置亦可依本领域具有通常知识者精心安排。

综上所述，本发明是利用主天线与辅助天线的耦合效应来产生朝向一辐射方向的一波束。此外，主天线的设置位置是位在金属层的顶边所呈现的一内凹式抛物曲线的焦点附近。藉此，朝着辐射方向的反方向所辐射出的电磁讯号，将可通过金属层的反射而更加地集中在辐射方向上，进而致使平面指向性天线所产生的波束将更为集中或是更具指向性。此外，本发明的平面指向性天线不仅具有微型化的优势，还可降低电子装置在系统实现上的复杂性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种平面指向性天线，其特征在于其包括：

一基板，具有一第一表面与一第二表面；

一金属层，设置在该第二表面，且该金属层的顶边呈现一内凹式抛物曲线；

一主天线，配置在该基板，并位于该内凹式抛物曲线的焦点的一预设范围之内；以及

一辅助天线，设置于该基板并相对于该主天线，以致使该平面指向性天线产生朝向一辐射方向的一波束。

2.根据权利要求1所述的平面指向性天线，其特征在于其中所述的主天线包括：

一第一驱动件，设置于该基板的该第一表面，并具有一第一臂与一第二臂；以及

一第二驱动件，设置于该基板的该第二表面，并具有一第一臂与一第二臂，且该第二驱动件从该金属层所延伸而出，其中该第一驱动件与该第二驱动件的该些第一臂在一垂直投影面上相互重叠，且该第一驱动件与该第二驱动件的该些第二臂对称于该辐射方向。

3.根据权利要求2所述的平面指向性天线，其特征在于其中所述的辅助天线设置在该基板的该第一表面，并相对于该第一驱动件的该第二臂，且对称于该辐射方向。

4.根据权利要求2所述的平面指向性天线，其特征在于其中由该第一与该第二驱动件的该些第二臂相加而得的长度，大于该辅助天线的长度。

5.根据权利要求2所述的平面指向性天线，其特征在于其中所述的金属层的顶边包括一凹槽，其中该第二驱动件的该第一臂是从该凹槽所在的金属层往该辐射方向延伸出来，且该第二驱动件的该第一臂设置在该凹槽的中央。

6.根据权利要求2所述的平面指向性天线，其特征在于其更包括一第一反射件与一第二反射件，设置在该基板的该第一表面，并排列在该第一驱动件的该第一臂的两侧，且该第一反射件与该第二反射件于该垂直投影面上环绕于该金属层的该顶边周围。

7.根据权利要求6所述的平面指向性天线，其特征在于其更包括多个导孔，贯穿该金属层、该基板与该第一反射件，或是贯穿该金属层、该基板与该第二反射件，以致使该第一反射件或该第二反射件电性连接至该金属层。

8.根据权利要求2所述的平面指向性天线，其特征在于其中所述的辅助天线设置在该基板的该第二表面，并相对于该第二驱动件的该第二臂，且对称于该辐射方向。

9.根据权利要求2所述的平面指向性天线，其特征在于其中所述的辅助天线包括：

一第一次辅助天线，设置在该基板的该第一表面，并相对于该第一驱动件的该第二臂；以及

一第二次辅助天线，设置在该基板的该第二表面，并相对于该第二驱动件的该第二臂。

10.根据权利要求9所述的平面指向性天线，其特征在于其中所述的第一驱动件与该第二驱动件的该些第二臂相加而得的长度，大于该第一次辅助天线与该第二次辅助天线相加而得的长度。

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