CN102386482A - 多回圈天线系统及具有该多回圈天线系统的电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种多回圈天线系统及具有该多回圈天线系统的电子装置。其中的多回圈天线系统包含天线模块及系统模块。天线模块包括天线基板及多个回圈天线，上述回圈天线布设于天线基板，各回圈天线包括有第一辐射体及第二辐射体，该第一辐射体具有馈入端及接地端，馈入端与接地端相邻且相间隔，使第一辐射体形成一回圈，第二辐射体具有连接馈入端的第一端及连接接地端的第二端，使第二辐射体形成另一回圈，各个回圈天线的几何中心与上述回圈天线共同界定出的几何中心的距离相同，且任二相邻回圈天线之间的最短距离相同；系统模块与天线基板相间隔一距离，该系统模块包括至少一提供系统电路板上射频电路的接地面，并用以反射回圈天线的辐射。

Description

多回圈天线系统及具有该多回圈天线系统的电子装置

技术领域

本发明涉及一种天线系统，特别是指一种高增益且高指向性的多回圈天线系统及具有该多回圈天线系统的电子装置。

背景技术

现有应用于无线网路桥接器(access point，AP)中的天线结构多以倒F形天线(Planar Inverted F Antenna，PIFA)与单极天线居多，例如：中国台湾专利第M377714号所揭露的「多输入多输出的双频单极天线(monopoleantenna)装置」，其中将三个单极天线以金属切割或冲压方式制作在天线接地面上，并装设于桥接器内，以形成可应用于多输入多输出(MIMO)技术的天线系统。

但是，该天线结构虽然可内藏在装置中，但由于天线为立体结构，会占据较大的空间，使得无线网路桥接器中可使用的空间受限。且现有习知的天线结构在2.4GHz或是5GHz操作频带中的最大增益通常仅能为3-5dBi，且天线辐射场型的指向性较低，并不满足桥接器天线所需的高增益且高指向性辐射场型的特性。

由此可见，上述现有的天线结构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，而一般天线结构又不能够解决上述问题，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天线结构，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，克服现有的天线结构存在的缺陷，而提供一种新型结构的多回圈天线系统，所要解决的技术问题包括：达到双频操作且具有高指向性(directivity)及高增益。

本发明的另一目的在于，克服现有的天线结构存在的缺陷，而提供一种结构简单、尺寸小、低姿势(low-profile)、制作容易、成本低，且可应用在小型室外用无线网路桥接器(access point，AP)的内藏式双频多回圈天线系统。

本发明的目的以及解决的技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的多回圈天线系统，包含一天线模块及一系统模块。天线模块包括一天线基板及多个回圈天线，天线基板包括一第一表面和一相反于该第一表面的第二表面；上述回圈天线布设于天线基板的第一表面或第二表面上，各回圈天线包括有一可提供一第一操作频带的第一辐射体，及一可提供一第二操作频带的第二辐射体，该第一辐射体具有位于其两端的一馈入端及一接地端，且馈入端与接地端相邻且相间隔，使第一辐射体形成一回圈，而第二辐射体具有位于其两端的一第一端及一第二端，第一端与馈入端连接，第二端与接地端连接，使第二辐射体形成另一回圈，各个回圈天线的几何中心与上述回圈天线共同界定出的几何中心的距离相同，且任二相邻回圈天线之间的最短距离相同；系统模块包括至少一相向于天线基板的第二表面的接地面，提供系统电路板上射频电路使用，且系统模块与天线基板的第二表面平行相间隔一距离，并用以反射上述回圈天线的辐射。如此对称式结构(symmetrical structure)的天线，能使天线之间保有相同的隔离度(isolation)，且让每一个回圈天线在空间中具有更对称的信号覆盖空间。

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。

较佳地，前述的多回圈天线系统，其中各该回圈天线的第二辐射体位于其第一辐射体所形成的回圈中。

较佳地，前述的多回圈天线系统，其中该第二辐射体具有一辐射段，以及分别由该辐射段的两端延伸的一第一延伸段与一第二延伸段，该第一延伸段的末端为该第二辐射体的第一端，该第二延伸段的末端为该第二辐射体的第二端，且该辐射段形成一回圈。

较佳地，前述的多回圈天线系统，其中该第二辐射体具有一辐射段，且该辐射段的两相反端分别为该第二辐射体的第一端及第二端，该辐射段形成一回圈。

较佳地，前述的多回圈天线系统，其中任两相邻回圈天线的几何中心分别与上述回圈天线共同界定出的几何中心之间的连线所夹角度相同。

较佳地，前述的多回圈天线系统，其中各该回圈天线的第一延伸段及第二延伸段界定出一开口，且各该开口方向朝向上述回圈天线共同界定出的几何中心。

较佳地，前述的多回圈天线系统，其中该第一辐射体及第二辐射体至少其中之一形成一矩形或圆形回圈。

较佳地，前述的多回圈天线系统，其中天线基板还包括一位于上述回圈天线共同界定出的几何中心的穿孔，用以供多个信号传输线通过。

较佳地，前述的多回圈天线系统，其中天线基板的面积小于或等于系统模块的面积，以确保系统模块能完全反射每个回圈天线的辐射。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的具有多回圈天线系统的电子装置，包含：一壳体，一天线模块，以及一系统模块；所述天线模块和系统模块，装设于该壳体中；所述天线模块和系统模块如上所述。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明至少具有下列优点及有益效果：

①在天线基板上布设多个全波长回圈天线，全波长天线为平衡式天线(balanced antenna)，具有高增益天线特性，天线与天线之间的隔离度(isolation)亦可保持最小，且透过系统模块上的至少一系统接地面来反射回圈天线的辐射，可使天线模块的辐射场型具有高指向性及高天线增益的特性，可提升通讯涵盖范围。

②多回圈天线系统中各个回圈天线的几何中心与上述回圈天线共同界定的几何中心之间的距离相同，以及任二相邻回圈天线的最短距离相同，使各个回圈天线之间具有较佳的隔离度及相同的辐射场型与信号覆盖范围。

③回圈天线使用印刷式电路板制作，制作简单且成本低，并具有低姿势的外型与平面式(planar)的结构，非常适合应用在小型室外用的无线网路桥接器上。

④各个回圈天线的开口方向(馈入位置)相对于上述回天线共同界定的几何中心作45度(或135度)的旋转设置，天线辐射场型于垂向辐射方向(即正Z轴)能具有双极化辐射特性。

综上所述，本发明在使天线系统达到双频操作且具有高指向性及高增益的同时，具有结构简单、尺寸小、低姿势、制作容易、成本低等优点，在技术上有显著的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

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是说明本发明多回圈天线系统的第一较佳实施例的示意图；

图2是说明第一较佳实施例中单一回圈天线的平面展开图；

图3是说明第一较佳实施例中天线模块的平面展开图，其中开口方向相对于上述回圈天线共同界定的几何中心旋转45度；

图4是说明第一较佳实施例中天线模块的平面展开图，其中开口方向朝向上述回圈天线共同界定的几何中心；

图5是说明第一较佳实施例中上述回圈天线的另一种实施态样示意图；

图6是说明内藏式多回圈天线系统的电子装置示意图；

图7是说明第一较佳实施例中单一回圈天线之间的实际规格尺寸的示意图；

图8是说明第一较佳实施例中各个回圈天线之间的实际规格尺寸的示意图；

图9是说明第一较佳实施例中天线基板与系统模块之间的实际规格尺寸的示意图；

图10是说明第一较佳实施例中回圈天线操作于2442MHz下X-Z平面及Y-Z平面的2-D辐射场型量测结果图；

图11是说明第一较佳实施例中回圈天线操作于5490MHz下X-Z平面及Y-Z平面的2-D辐射场型量测结果图；

图12是说明第一较佳实施例中各个回圈天线的反射系数量测数据图；

图13是说明第一较佳实施例中各个回圈天线彼此之间的隔离度量测数据图；

图14是说明第一较佳实施例的多回圈天线系统的辐射效率/天线增益-频率曲线图；

图15是说明本发明多回圈天线系统的第二较佳实施例的示意图；及

图16是说明本发明多回圈天线系统的第三较佳实施例的示意图。

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多回圈天线系统及具有该多回圈天线系统的电子装置的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

参阅图1，为本发明多回圈天线系统100的第一较佳实施例，该多回圈天线系统100为可操作在双频无线区域网路WLAN(2400-2484/5150-5825MHz)的多回圈天线系统100，在本实施例中，多回圈天线系统100包含一天线模块(即天线模组)10及一与天线模块10平行间隔设置的系统模块(即系统模组)20。

天线模块10包括一天线基板(substrate)1及多个回圈天线2(本实施例以三个为例)。天线基板1(或称介质基板)为圆形或是任意的多边形，且由绝缘材质(例如：玻璃纤维，FR4)所制成。其中，该天线基板1具有一第一表面11、一相反于该第一表面11的第二表面12及一可供多个信号传输线5通过的穿孔13。值得注意的是，天线基板1的穿孔13设置于上述回圈天线2共同所界定出的几何中心的位置，以简短信号传输线5的长度及避免信号传输线5压到回圈天线2，而导致天线特性受到影响。

配合参阅图2，上述回圈天线2皆为全波长共振的金属制回圈天线(one-wavelength loop antenna)2，且布设于天线基板1的该第一表面11上，各该回圈天线2包括一可提供一第一操作频带的第一辐射体3，及一可提供一第二操作频带的第二辐射体4。第一辐射体3具有位于其两端的一馈入端(feed point)31及一接地端(ground point)32，且馈入端31与接地端32相邻且相间隔，使第一辐射体3形成一圆形回圈；第二辐射体4具有位于其两端的一第一端41及一第二端42，且第一端41连接馈入端31，第二端42连接接地端32，使第二辐射体4部分形成一圆形回圈。

在本实施例中，第二辐射体4具有一辐射段40，及分别由该辐射段40的两端平行延伸的一第一延伸段410与一第二延伸段420，第一延伸段410的末端为第二辐射体4的第一端41，第二延伸段420的末端为第二辐射体4的第二端42，且辐射段40形成一圆形回圈。此外，各个回圈天线2的第二辐射体4会位于第一辐射体3所形成的回圈中，且第一延伸段410及第二延伸段420界定出一开口430。

配合参阅图3，本实施例的回圈天线2沿着圆形天线基板1的圆周分布，且每个回圈天线2的几何中心与三个回圈天线2共同所界定出的几何中心(即A点)的距离相同，即La＝Lb＝Lc，且任两相邻的回圈天线2之间的最短距离皆相同，即L1＝L2＝L3，任两相邻的回圈天线2的几何中心分别与三个回圈天线2共同所界定出的几何中心(A点)之间的连线所夹角度亦相同，即θ1＝θ2＝θ3，也就是夹120度。如此对称式结构(symmetrical structure)的天线，能使天线之间保有相同的隔离度(isolation)，且让每一个回圈天线2在空间中具有更对称的信号覆盖空间。

特别说明的是，第二辐射体4位于第一辐射体3所形成的回圈中，如此利用第一辐射体3内部的空间设置第二辐射体4，因此可以在不额外增加空间的条件下，达成双回圈双频天线设计。且在本实施例中，第一辐射体3的几何中心位置与第二辐射体4的辐射段40的几何中心位置不同，且两者的几何中心的连线平行于第一延伸段410及第二延伸段420的延伸方向，使得第一辐射体3与第二辐射体4以两者的几何中心连线左右对称。

此外，每个回圈天线2中，第一延伸段410及第二延伸段420的延伸方向(即开口430方向)与三个回圈天线2共同界定出的几何中心(A点)和各个回圈天线2的几何中心连线(即La、Lb及Lc)夹α角，其较佳为45度，即回圈天线2的馈入位置相对于三个回圈天线2共同界定出的几何中心位置作45度(或135度)的旋转设置，使得天线辐射场型于垂向辐射方向(即Z轴)能具有双极化辐射特性。

当然，第一延伸段410及第二延伸段420所界定的开口430的方向也可以朝向上述回圈天线2共同界定出的几何中心，即第一延伸段410及第二延伸段420的延伸方向平行于三个回圈天线2共同界定出的几何中心(A点)与各个回圈天线2的几何中心连线，如图4(图中省略信号传输线5)所示，其旋转角度并不设限。此外，第一辐射体3及第二辐射体4的辐射段40所形成的回圈也不以圆形为限，两者可以皆为矩形回圈(如图5所示，其中省略信号传输线5)，或是第一辐射体3为圆形回圈，辐射段40为矩形回圈等，同样可以达到本发明共振出双频的功效。

参阅图1，系统模块20为一系统电路板，其可为圆形或是任意的多边形，系统模块20具有至少一相向于天线基板1的第二表面12的接地面201(例如：金属面)，该接地面201除了作为系统电路板上射频电路的系统接地面外，亦可视为一反射板(reflector)，用以反射上述回圈天线2的辐射，藉此不但可使天线模块10具有高度的指向性(directivity)外，也可以提升天线模块10在单一方向(即天线基板1的第一表面11的法线方向)的天线增益。其中，系统模块20可为多层结构，最上层是薄的金属层，下层则是介质基板，或者可以是包含更多层的电路层。又，接地面(又可做为一反射面)201与第二表面12间存在一间距，作为系统模块20上电子元件(图未示)摆设的有效空间利用。此外，本实施例的天线基板1的面积小于或等于系统模块20的面积，以确保系统模块20能完全反射每个回圈天线2的辐射。

参阅图6，本实施例的多回圈天线系统100装设于如室外的无线网路桥接器(access point，AP)或是无线宽频路由器(router)等电子装置200的一壳体210中，且借由小型同轴线(mini-coaxial cable)作为信号传输线5，将信号馈入回圈天线2的馈入端31，使得多回圈天线系统100可配合不同应用的系统模块20(即系统电路板)，提高多回圈天线系统100使用上的弹性。当然，信号传输线5的种类并不因本实施例而受限制。

参阅图7至图9，为本实施例的多回圈天线系统100的实际尺寸示意图，其中图7为单一回圈天线2的平面展开图；图8为多回圈天线系统100的俯视图；图9为天线基板1与系统模块20之间的侧视图，各图中数字的单位为毫米(即公厘)(mm)，可参阅图中各项数据以得知本实施例的实际规格尺寸，但不以本实施例为限。

在本实施例中，第一辐射体3与第二辐射体4可分别共振出2.4GHz及5GHz的频率，且天线基板1与系统模块20的接地面201之间的间距需大于5毫米(mm)，以供更多种类的电子元件置放于系统模块(系统电路板)20上，而本实施例之间距为8.4毫米(mm)将获得较佳的天线增益。

参阅图10及图11，为本实施例的回圈天线2分别操作在2442MHz及5490MHz的2-D辐射场型量测结果图，且回圈天线2的开口430方向与三个回圈天线2共同界定出的几何中心和各个回圈天线2的几何中心连线所夹的α角为45度。由图中可知，借由天线模块10与系统模块20的相互配合，使得多回圈天线系统100在正Z轴方向具有较高的天线增益，即高度的指向性，且天线辐射场型具有双极化辐射特性，可适用于无线网路桥接器(AP)。

参阅图12，为各个回圈天线2的反射系数(Reflection Coefficient)量测数据图，为了方便说明，配合参阅图3，以下将三个回圈天线2分别定义为一第一回圈天线21、一第二回圈天线22及一第三回圈天线23。而在图12中，S11、S22及S33分别为第一回圈天线21、第二回圈天线22及第三回圈天线23的反射系数。经实验可得知，第一辐射体3提供的第一操作频带的中心频率为2.4GHz，第二辐射体4提供的第二操作频带的中心频率为5GHz，且两者分别在2.4GHz及5GHz的反射系数皆小于负10-dB，符合2.4GHz及5GHz无线区域网路频带的规范，因此本实施例的确是可应用在无线区域网路中。

参阅图13，为各个回圈天线2之间的隔离度(Isolation)量测数据图，其中S21为第一回圈天线21与第二回圈天线22之间的隔离度；S31为第一回圈天线21与第三回圈天线23之间的隔离度；S32为第二回圈天线22与第三回圈天线23之间的隔离度。经实验可得知，各个回圈天线2之间的隔离度平均约在负15-dB以下，具有良好的隔离度。

图14为本实施例的多回圈天线系统100的辐射效率(radiationefficiency)/天线增益-频率曲线图。由图可知，多回圈天线系统100在2.4GHz WLAN频带内的最大增益与辐射效率分别可达到7.6dBi及76％，在5GHzWLAN频带内的最大增益与辐射效率则分别可达到9dBi及83％，具有高天线增益及良好的辐射特性。

参阅图15，为本发明多回圈天线系统100的第二较佳实施例，大致与第一较佳实施例相同，其不同之处在于上述回圈天线2可分别布设于天线基板1的不同表面。在本实施例中，第一回圈天线21布设于天线基板1的第一表面11，而第二回圈天线22及第三回圈天线23则布设于天线基板1的第二表面12，如此同样可以接收或发射双频的信号，并达到高天线增益的特点。而图15中同样省略绘出信号传输线5。

参阅图16，为本发明多回圈天线系统100的第三较佳实施例，大致与第一较佳实施例相同，其不同之处在于，在本实施例中，第二辐射体4仅具有一辐射段40，且该辐射段40的两相反端即为第二辐射体4的第一端41及第二端42。换句话说，本实施例的第二辐射体4相较于第一较佳实施例的第二辐射体4省去第一延伸段410与第二延伸段420(如图2)，并直接利用辐射段40的两相反端连接第一辐射体3的馈入端31及接地端32，如此仍能达到本案接收或发射双频的信号且具有高天线增益及高指向性的功效。而图16中同样省略绘出信号传输线5。

综上所述，本发明多回圈天线系统100的功效如下：

多回圈天线系统100应用多输入多输出(MIMO)技术，借由在天线基板1上布设多个回圈天线2，且第一辐射体3及第二辐射体4的长度各自为相对其操作中心频率(2.4GHz及5GHz)的全波长，全波长天线为平衡式天线(balanced antenna)，具有高增益天线特性，天线与天线之间的隔离度(isolation)亦可保持最小。适当调整天线馈入间距(即馈入端31及接地端32的间距)以及第一辐射体3与第二辐射体4之间的距离，可有效控制回圈天线2的阻抗特性，使其在2.4/5GHz无线区域网路频带内得到优良的阻抗匹配。

多回圈天线系统100中各个回圈天线2的几何中心与上述回圈天线2共同界定的几何中心之间的距离相同，以及任二相邻回圈天线2的最短距离相同，使各个回圈天线2之间具有相同的隔离度(小于负15-dB)及对称的辐射场型与信号覆盖范围。

天线模块10与系统模块20整合，并借由该系统模块20上的至少一接地面来反射回圈天线2的辐射，不但可使天线模块10具有高度的指向性(至少大于6dBi)，也可以提升天线模块10在单一方向(正Z轴方向)的天线增益。

各个回圈天线2的开口方向(馈入位置)相对于上述回圈天线2共同界定的几何中心作45度(或135度)的旋转设置，使得天线辐射场型于垂向辐射方向(即正Z轴)能具有双极化辐射特性，所以确实能达成本发明的目的。

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)

1.一种多回圈天线系统，其特征在于：

该多回圈天线系统，包含：

一天线模块，以及一系统模块；所述天线模块包括：

一天线基板，包括一第一表面和一相反于该第一表面的第二表面；

多个回圈天线，布设于该天线基板的该第一表面或该第二表面上，各该回圈天线包括有一可提供一第一操作频带的第一辐射体，及一提供一第二操作频带的第二辐射体，该第一辐射体具有位于其两端的一馈入端及一接地端，且该馈入端与该接地端相邻且相间隔，使该第一辐射体形成一回圈，该第二辐射体具有位于其两端的一第一端及一第二端，该第一端与该馈入端连接，该第二端与该接地端连接，使该第二辐射体形成另一回圈；

其中各该回圈天线的几何中心与上述回圈天线共同界定出的几何中心的距离相同，且任两相邻回圈天线之间的最短距离相同；

所述系统模块，包括至少一相向于该天线基板的该第二表面的接地面，且该系统模块与该天线基板的该第二表面平行相间隔一距离，用以反射上述回圈天线的辐射。

2.如权利要求1所述的多回圈天线系统，其特征在于：各该回圈天线的第二辐射体位于其第一辐射体所形成的回圈中。

3.如权利要求2所述的多回圈天线系统，其特征在于：该第二辐射体具有一辐射段，以及分别由该辐射段的两端延伸的一第一延伸段与一第二延伸段，该第一延伸段的末端为该第二辐射体的第一端，该第二延伸段的末端为该第二辐射体的第二端，且该辐射段形成一回圈。

4.如权利要求2所述的多回圈天线系统，其特征在于：该第二辐射体具有一辐射段，且该辐射段的两相反端分别为该第二辐射体的第一端及第二端，该辐射段形成一回圈。

5.如权利要求3或4所述的多回圈天线系统，其特征在于：任两相邻回圈天线的几何中心分别与上述回圈天线共同界定出的几何中心之间的连线所夹角度相同。

6.如权利要求3所述的多回圈天线系统，其特征在于：各该回圈天线的第一延伸段及第二延伸段界定出一开口，且各该开口方向朝向上述回圈天线共同界定出的几何中心。

7.如权利要求1所述的多回圈天线系统，其特征在于：该第一辐射体及第二辐射体至少其中之一形成一矩形或圆形回圈。

8.如权利要求1所述的多回圈天线系统，其特征在于：该天线基板还包括一位于上述回圈天线共同界定出的几何中心的穿孔，用以供多个信号传输线通过。

9.如权利要求1所述的多回圈天线系统，其特征在于：该天线基板的面积小于或等于该系统模块的面积。

10.一种具有多回圈天线系统的电子装置，其特征在于：

该电子装置，包含：

一壳体，一天线模块，以及一系统模块；

所述天线模块，装设于该壳体中，该天线模块包括：

一天线基板，包括一第一表面和一相反于该第一表面的第二表面；

多个回圈天线，布设于该天线基板的该第一表面或该第二表面上，各该回圈天线包括有一可提供一第一操作频带的第一辐射体，及一可提供一第二操作频带的第二辐射体，该第一辐射体具有位于其两端的一馈入端及一接地端，且该馈入端与该接地端相邻且相间隔，使该第一辐射体形成一回圈，该第二辐射体具有位于其两端的一第一端及一第二端，该第一端与该馈入端连接，该第二端与该接地端连接，使该第二辐射体形成另一回圈；

其中各该回圈天线的几何中心与上述回圈天线共同界定出的几何中心的距离相同，且任二相邻回圈天线之间的最短距离相同；

所述系统模块，装设于该壳体中，该系统模块包括至少一相向于该天线基板的该第二表面的接地面，且该系统模块与该天线基板的该第二表面平行相间隔一距离，用以反射上述回圈天线的辐射。

Images