CN110600864B - 天线结构 - Google Patents

Abstract

一种天线结构。该天线结构包括：一第一导体层、一第二导体层、一弯折导体层，以及一第一同轴电缆线；该第二导体层具有一第一开孔，其中该第一导体层和该第二导体层之间形成一空腔；该弯折导体层耦接于该第一导体层和该第二导体层之间，其中该弯折导体层用于将该空腔分隔为一第一部分和一第二部分；该第一同轴电缆线包括一第一中心导线和一第一导体外壳，其中该第一中心导线穿过该第一开孔并耦接至该第一导体层上的一第一馈入点，而该第一导体外壳耦接至该第二导体层。本发明提供一种通信装置，其天线系统具有宽频带、高辐射效率等优势，因此，本发明很适合应用于各种室内环境，以克服传统因信号反射和多重路径衰减造成通信质量不佳的问题。

Description

天线结构

技术领域

本发明涉及一种天线结构(Antenna Structure)，特别涉及一种宽频带(Wideband)、高辐射效率(High Radiation Efficiency)的天线结构。

背景技术

随着移动通信技术的发达，移动装置在近年日益普遍，常见的例如：手提式计算机、移动电话、多媒体播放器以及其他混合功能的携带型电子装置。为了满足人们的需求，移动装置通常具有无线通信的功能。有些涵盖长距离的无线通信范围，例如：移动电话使用2G、3G、LTE(Long Term Evolution)系统及其所使用700MHz、850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz、2100MHz、2300MHz以及2500MHz的频带进行通信，而有些则涵盖短距离的无线通信范围，例如：Wi-Fi、Bluetooth系统使用2.4GHz、5.2GHz和5.8GHz的频带进行通信。

举例言之，无线网络基站(Wireless Access Point)是使移动装置在室内能高速上网的必要组件。然而，由于室内环境充满了信号反射和多重路径衰减(MultipathFading)，无线网络基站必须能同时处理来自各方向和各种极化的信号。因此，如何在无线网络基站的有限空间中设计出一种宽频带、全向性(Omnidirectional)的天线，已成为现今设计者的一大挑战。

因此，需要提供一种天线结构来解决上述问题。

发明内容

在较佳实施例中，本发明提供一种天线结构，该天线结构包括：一第一导体层；一第二导体层，该第二导体层具有一第一开孔，其中该第一导体层和该第二导体层之间形成一空腔；一弯折导体层，该弯折导体层耦接于该第一导体层和该第二导体层之间，其中该弯折导体层用于将该空腔分隔为一第一部分和一第二部分；以及一第一同轴电缆线，该第一同轴电缆线包括一第一中心导线和一第一导体外壳，其中该第一中心导线穿过该第一开孔并耦接至该第一导体层上的一第一馈入点，而该第一导体外壳耦接至该第二导体层。

在一些实施例中，该第一导体层的中心点、该第二导体层的中心点，以及该弯折导体层的折线皆排列于同一直线上。

在一些实施例中，该第一同轴电缆线至少部分平行于该第二导体层。

在一些实施例中，该弯折导体层具有介于10度至350度之间的一第一夹角。

在一些实施例中，该第一馈入点位于该第一夹角的一角平分面上。

在一些实施例中，该天线结构涵盖介于5150MHz至5850MHz之间的一操作频带。

在一些实施例中，该第一导体层和该第二导体层的间距介于该操作频带的中心频率的1/54倍至1/9倍波长之间。

在一些实施例中，该第一导体层呈现一第一圆形。

在一些实施例中，该第二导体层呈现一第二圆形。

在一些实施例中，该第二圆形的半径等于该第一圆形的半径。

在一些实施例中，该第一馈入点和该第一导体层的中心点的间距介于该第一圆形的该半径的1/2倍至1倍之间。

在一些实施例中，该第一圆形的该半径和该第二圆形的该半径皆介于该操作频带的中心频率的3/20倍至7/20倍波长之间。

在一些实施例中，该第二导体层还具有一第二开孔，而该天线结构还包括：一第二同轴电缆线，包括一第二中心导线和一第二导体外壳，其中该第二中心导线穿过该第二开孔并耦接至该第一导体层上的一第二馈入点，而该第二导体外壳耦接至该第二导体层。

在一些实施例中，该第一馈入点和该第二馈入点分别位于该弯折导体层的相异二侧。

在一些实施例中，该弯折导体层还具有一第二夹角，而该第二馈入点位于该第二夹角的一角平分面上。

在一些实施例中，该第一夹角和该第二夹角的总和为360度。

在一些实施例中，该第二馈入点和该第一导体层的中心点的间距介于该第一圆形的该半径的1/2倍至1倍之间。

在一些实施例中，该第二导体层呈现一正方形。

在一些实施例中，该正方形的每边长至少为该第一圆形的半径的2倍以上。

在一些实施例中，该天线结构还包括：一反射导体层，邻近于该第二导体层，其中该第二导体层介于该第一导体层和该反射导体层之间，该反射导体层呈现一正方形且该正方形的每边长至少为该第一圆形的该半径的2倍以上。

本发明提供一种通信装置，其天线系统具有宽频带、高辐射效率等优势。因此，本发明很适合应用于各种室内环境，以克服传统因信号反射和多重路径衰减造成通信质量不佳的问题。

附图说明

图1A显示根据本发明一实施例所述的天线结构的侧视图。

图1B显示根据本发明一实施例所述的天线结构的俯视图。

图2显示根据本发明一实施例所述的天线结构的电压驻波比图

图3显示根据本发明一实施例所述的天线结构的辐射效率图

图4A显示根据本发明一实施例所述的天线结构于一平面上所测量的天线增益图。

图4B显示根据本发明一实施例所述的天线结构于另一平面上所测量的天线增益图。

图4C显示根据本发明一实施例所述的天线结构于另一平面上所测量的天线增益图。

图5A显示根据本发明另一实施例所述的天线结构的侧视图。

图5B显示根据本发明另一实施例所述的天线结构的俯视图。

图6A显示根据本发明另一实施例所述的天线结构的侧视图。

图6B显示根据本发明另一实施例所述的天线结构的俯视图。

图7A显示根据本发明另一实施例所述的天线结构的侧视图。

图7B显示根据本发明另一实施例所述的天线结构的俯视图。

主要组件符号说明：

100、500、600、700 天线结构

110 第一导体层

120、520、620 第二导体层

125、525、625 第一开孔

130 弯折导体层

140 空腔

141 空腔的第一部分

142 空腔的第二部分

150 第一同轴电缆线

151 第一中心导线

152 第一导体外壳

161、162 角平分面

191 第一信号源

192 第二信号源

526 第二开孔

560 第二同轴电缆线

561 第二中心导线

562 第二导体外壳

770 反射导体层

CP1、CP2、CP3 中心点

D1、r1、r2 间距

FB1 操作频带

FP1 第一馈入点

FP2 第二馈入点

L1、L2 边长

R1、R2 半径

VP 折线

X X轴

Y Y轴

Z Z轴

θ1 第一夹角

θ2 第二夹角

具体实施方式

为让本发明的目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出本发明的具体实施例，并配合附图，作详细说明如下。

在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”及“包括”一词为开放式的用语，故应解释成“包含但不仅限定于”。“大致”一词则是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，达到所述基本的技术效果。此外，“耦接”一词在本说明书中包含任何直接及间接的电性连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接至一第二装置，则代表该第一装置可直接电性连接至该第二装置，或经由其他装置或连接手段而间接地电性连接至该第二装置。

图1A显示根据本发明一实施例所述的天线结构(Antenna Structure)100的侧视图。图1B显示根据本发明一实施例所述的天线结构100的俯视图。请一并参考图1A、图1B。天线结构100可应用于一无线网络基站(Wireless Access Point)当中。在图1A、图1B的实施例中，天线结构100包括：一第一导体层(Conductive Layer)110、一第二导体层120、一弯折导体层(Bending Conductive Layer)130，以及一第一同轴电缆线(Coaxial Cable)150。天线结构100的前述组件可用金属材质制成，例如：铜、银、铝、铁，或是其合金。在一些实施例中，每一导体层是各自以一薄形金属片来实施的。

第一导体层110和第二导体层120可以彼此分离且互相平行。例如，第一导体层110可以大致呈现一第一圆形，而第二导体层120亦可大致呈现一第二圆形，其中此第一圆形和第二圆形可具有相同或不同尺寸。第二导体层120具有一第一开孔(Opening)125，其可具有任意的形状和尺寸。例如，第一开孔125可大致呈现一圆形、一三角形，或是一四边形，但亦不仅限于此。第一导体层110和第二导体层120之间形成一空腔(Cavity)140，其可作为天线结构100的一共振腔。

弯折导体层130直接耦接于第一导体层110和第二导体层120之间，其中弯折导体层130用于将空腔140分隔为一第一部分141和一第二部分142，使得空腔140的第一部分141和第二部分142可分别位于弯折导体层130的相异二侧。在一些实施例中，第一导体层110的中心点CP1(亦即，第一圆形的圆心)、第二导体层120的中心点CP2(亦即，第二圆形的圆心)，以及弯折导体层130的折线(Bending Line)VP(亦即，其转折处)三者皆排列于同一直线上，其中此直线可视为天线结构100的一对称中心轴。另外，弯折导体层130还可延伸至第一导体层110的边缘处(亦即，第一圆形的圆周)和第二导体层120的边缘处(亦即，第二圆形的圆周)，以完全分离空腔140的第一部分141与第二部分142。

第一同轴电缆线150包括一第一中心导线(Central Conductive Line)151和一第一导体外壳(Conductive Shielding)152，其中第一中心导线151穿过第一开孔125并耦接至第一导体层110上的一第一馈入点(Feeding Point)FP1，而第一导体外壳152耦接至第二导体层120。一第一信号源(Signal Source)191可用于激发天线结构100。例如，第一信号源191可为一射频(Radio Frequency，RF)模块，其中第一信号源191的正极(PositiveElectrode)可耦接至第一中心导线151，而第一信号源191的负极(Negative Electrode)可耦接至第一导体外壳152。在一些实施例中，弯折导体层130具有关于其折线VP的一第一夹角(Angle)θ1，其中第一馈入点FP1大致位于第一夹角θ1的一角平分面(Bisector Plane)161上。在一些实施例中，第一同轴电缆线150至少部分邻近并平行于第二导体层120(或第一同轴电缆线150具有至少一直角弯折部分)。必须注意的是，本说明书中所谓“邻近”或“相邻”一词可指对应的二组件间距小于一既定距离(例如：5mm或更短)，亦可包括对应的二组件彼此直接接触的情况(亦即，前述间距缩短至0)。

图2显示根据本发明一实施例所述的天线结构100的电压驻波比(VoltageStanding Wave Ratio，VSWR)图。根据图2的测量结果，天线结构100可涵盖介于5150MHz至5850MHz之间的一操作频带(Operation Frequency Band)FB1，而操作频带FB1的相对带宽(Relative Bandwidth)可达约13.95％。必须注意的是，传统空腔型天线(Cavity Antenna)的相对带宽通常仅约2.5％至5％。因此，所提的天线结构100可改良相对带宽达约179％，并至少可支持WLAN(Wireless Local Area Network)5GHz的宽带操作。

图3显示根据本发明一实施例所述的天线结构100的辐射效率(RadiationEfficiency)图。根据图3的测量结果，天线结构100在前述操作频带FB1内的辐射效率可达至少75％以上，而在其中心频率处的辐射效率还可达约84.9％，此已可满足一般移动通信装置的实际应用需求。

图4A显示根据本发明一实施例所述的天线结构100在XZ平面上所测量的天线增益(Antenna Gain)图。图4B显示根据本发明一实施例所述的天线结构100在YZ平面上所测量的天线增益图。图4C显示根据本发明一实施例所述的天线结构100在XY平面上所测量的天线增益图。根据图4A、图4B、图4C的测量结果，在前述操作频带FB1内，天线结构100可具有近似全向性(Omnidirectional)的辐射场型，其中此辐射场型的涟波(Ripple)皆小于6dB。

在一些实施例中，天线结构100的操作原理可如下例所述。天线结构100可归类为一空腔共振型天线。在本发明中，弯折导体层130还将第一导体层110和第二导体层120之间的空腔140分割为第一部分141和第二部分142。根据实际测量结果，空腔140的第一部分141和第二部分142内可形成反向电场，并分别对应于二个不同频率的谐振点。因为这些谐振点可以互相耦合，故能大幅增加天线结构100的操作带宽(Operation Bandwidth)。详细而言，若将第一导体层110或第二导体层120设计为圆形，则可改善天线结构100的全向性；若将第一馈入点FP1设计为位于弯折导体层130的第一夹角θ1的角平分面161上，则可使空腔140的第一部分141和第二部分142内的电场分布更均匀，以提升天线结构100的带宽；而若将第一同轴电缆线150设计为至少部分邻近并平行于第二导体层120，则可有效避免第一同轴电缆线150对天线结构100的辐射场型产生负面影响，并可省下应用于第一同轴电缆线150的传统扼流组件(Choke Element)的成本。以上详细设计的内容为本发明的选用特征(OptionalFeature)，在另一些实施例中亦可将之移除。

在一些实施例中，天线结构100的组件尺寸可如下例所述。弯折导体层130的第一夹角θ1可约介于10度至350度之间。第二导体层120的第二圆形的半径R2可等于第一导体层110的第一圆形的半径R1，其中第一圆形的半径R1和第二圆形的半径R2皆可约介于天线结构100的操作频带FB1的中心频率的3/20倍至7/20倍波长之间(3λ/20～7λ/20)。第一导体层110和第二导体层120的间距D1(亦即，弯折导体层130在Z轴上的高度)可约介于天线结构100的操作频带FB1的中心频率的1/54倍至1/9倍波长之间(λ/54～λ/9)。第一馈入点FP1和第一导体层110的中心点CP1的间距r1可约介于第一圆形的半径R1的1/2倍至1倍之间。以上尺寸范围根据多次实验结果而得出，其有助于优化天线结构100的操作带宽和阻抗匹配(Impedance Matching)。

图5A显示根据本发明另一实施例所述的天线结构500的侧视图。图5B显示根据本发明另一实施例所述的天线结构500的俯视图。请一并参考图5A、图5B。在图5A、图5B的实施例中，天线结构500包括第一同轴电缆线150和一第二同轴电缆线560，而天线结构500的一第二导体层520同时具有一第一开孔525和一第二开孔526。第一开孔525和第二开孔526可具有任意的形状和尺寸。例如，第一开孔525和第二开孔526的任一者可大致呈现一圆形、一三角形，或是一四边形，但亦不仅限于此。如前所述，第一同轴电缆线150通过第一开孔525耦接至第一馈入点FP1。详细而言，第二同轴电缆线560包括一第二中心导线561和一第二导体外壳562，其中第二中心导线561穿过第二开孔526并耦接至第一导体层110上的一第二馈入点FP2，而第二导体外壳562耦接至第二导体层520。一第二信号源192还可用于激发天线结构500。例如，第二信号源192可为另一射频模块，其中第二信号源192的正极可耦接至第二中心导线561，而第二信号源192的负极可耦接至第二导体外壳562。在一些实施例中，第二同轴电缆线560亦至少部分邻近并平行于第二导体层520(或第二同轴电缆线560具有至少一直角弯折部分)。详细而言，第一馈入点FP1和第二馈入点FP2分别位于弯折导体层130的相异二侧，并分别邻近于空腔140的第一部分141和第二部分142。弯折导体层130同时具有第一夹角θ1和一第二夹角θ2，其中第一夹角θ1和第二夹角θ2的总和可约为360度。第一馈入点FP1可大致位于第一夹角θ1的角平分面161上，而第二馈入点FP2可大致位于第二夹角θ2的一角平分面162上。第二馈入点FP2和第一导体层110的中心点CP1的间距r2可约介于第一导体层110的第一圆形的半径R1的1/2倍至1倍之间。必须注意的是，此种双馈入的设计可同时增强空腔140的第一部分141和第二部分142内的电场，从而可使天线结构500操作于多重频带。图5A、图5B的天线结构500的其余特征皆与图1A、图1B的天线结构100类似，故此二实施例均可达成相似的操作效果。

图6A显示根据本发明另一实施例所述的天线结构600的侧视图。图6B显示根据本发明另一实施例所述的天线结构600的俯视图。请一并参考图6A、图6B。在图6A、图6B的实施例中，天线结构600的一第二导体层620大致呈现一正方形，而第二导体层620的面积可大于或等于第一导体层110的面积。例如，第二导体层620的正方形的每边长L1可至少为第一导体层110的第一圆形的半径R1的2倍以上。第一导体层110的中心点CP1(亦即，第一圆形的圆心)、第二导体层620的中心点CP2(亦即，正方形的中心)，以及弯折导体层130的折线VP三者皆可排列于同一直线上，其中此直线可视为天线结构600的一对称中心轴。必须注意的是，此种较大尺寸的第二导体层620的设计可微调天线结构600的辐射场型，使得天线结构600能根据不同需求而具有指向性(Directional)的特性。然而，本发明并不仅限于此。在其他实施例中，第二导体层620亦可改为具有任何不同于第一导体层110的形状，例如：一长方形、一正三角形、一正六边形、一正八边形，或是一等腰梯形。图6A、图6B的天线结构600的其余特征皆与图1A、图1B的天线结构100类似，故此二实施例均可达成相似的操作效果。

图7A显示根据本发明另一实施例所述的天线结构700的侧视图。图7B显示根据本发明另一实施例所述的天线结构700的俯视图。请一并参考图7A、图7B。在图7A、图7B的实施例中，天线结构700还包括一反射导体层(Reflective Conductive Layer)770。反射导体层770邻近于第二导体层120，其中第二导体层120介于第一导体层110和反射导体层770之间。反射导体层770可以大致呈现一正方形，而反射导体层770的面积可大于或等于第一导体层110和第二导体层120的每一者的面积。例如，反射导体层770的正方形的每边长L2可至少为第一导体层110的第一圆形的半径R1的2倍以上，或可至少为第二导体层120的第二圆形的半径R2的2倍以上。第一导体层110的中心点CP1(亦即，第一圆形的圆心)、第二导体层120的中心点CP2(亦即，第二圆形的圆心)、弯折导体层130的折线VP，以及反射导体层770的中心点CP3四者皆可排列于同一直线上，其中此直线可视为天线结构700的一对称中心轴。必须注意的是，此种较大尺寸的反射导体层770的设计可反射天线结构700的背向电磁波，以提高天线结构700的天线增益和指向性。然而，本发明并不仅限于此。在其他实施例中，反射导体层770亦可改为任意形状，例如：一圆形、一长方形、一正三角形、一正六边形、一正八边形，或是一等腰梯形。图7A、图7B的天线结构700的其余特征皆与图1A、图1B的天线结构100类似，故此二实施例均可达成相似的操作效果。

本发明提供一种通信装置，其天线系统具有宽频带、高辐射效率等优势。因此，本发明很适合应用于各种室内环境，以克服传统因信号反射和多重路径衰减造成通信质量不佳的问题。

值得注意的是，以上所述的组件尺寸、组件形状，以及频率范围皆非为本发明的限制条件。天线设计者可以根据不同需要调整这些设定值。本发明的天线结构并不仅限于图1A-图7B所示的状态。本发明可以仅包括图1A-图7B的任何一或多个实施例的任何一或多项特征。换言之，并非所有图示的特征均须同时实施于本发明的天线结构当中。

在本说明书以及权利要求书中的序数，例如“第一”、“第二”、“第三”等等，彼此之间并没有顺序上的先后关系，其仅用于标示区分两个具有相同名字的不同组件。

本发明虽以较佳实施例公开如上，然而其并非用来限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，应当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当视所附的权利要求书所界定者为准。

Claims (19)

1.一种天线结构，该天线结构包括：

一第一导体层；

一第二导体层，该第二导体层具有一第一开孔，其中该第一导体层和该第二导体层之间形成一空腔；

一弯折导体层，该弯折导体层耦接于该第一导体层和该第二导体层之间，其中该弯折导体层用于将该空腔分隔为一第一部分和一第二部分；

一第一同轴电缆线，该第一同轴电缆线包括一第一中心导线和一第一导体外壳，其中该第一中心导线穿过该第一开孔并耦接至该第一导体层上的一第一馈入点，而该第一导体外壳耦接至该第二导体层；以及

一反射导体层，该反射导体层邻近于该第二导体层，其中该第二导体层介于该第一导体层和该反射导体层之间；

其中该第一导体层的中心点、该第二导体层的中心点、该弯折导体层的折线VP，以及该反射导体层的中心点皆排列于同一直线上。

2.如权利要求1所述的天线结构，其中该第一同轴电缆线至少部分平行于该第二导体层。

3.如权利要求1所述的天线结构，其中该弯折导体层具有介于10度至350度之间的一第一夹角。

4.如权利要求3所述的天线结构，其中该第一馈入点位于该第一夹角的一角平分面上。

5.如权利要求1所述的天线结构，其中该天线结构涵盖介于5150MHz至5850MHz之间的一操作频带。

6.如权利要求5所述的天线结构，其中该第一导体层和该第二导体层的间距介于该操作频带的中心频率的1/54倍至1/9倍波长之间。

7.如权利要求5所述的天线结构，其中该第一导体层呈现一第一圆形。

8.如权利要求7所述的天线结构，其中该第二导体层呈现一第二圆形。

9.如权利要求8所述的天线结构，其中该第二圆形的半径等于该第一圆形的半径。

10.如权利要求9所述的天线结构，其中该第一馈入点和该第一导体层的中心点的间距介于该第一圆形的该半径的1/2倍至1倍之间。

11.如权利要求9所述的天线结构，其中该第一圆形的该半径和该第二圆形的该半径皆介于该操作频带的中心频率的3/20倍至7/20倍波长之间。

12.如权利要求9所述的天线结构，其中该第二导体层还具有一第二开孔，而该天线结构还包括：

一第二同轴电缆线，该第二同轴电缆线包括一第二中心导线和一第二导体外壳，其中该第二中心导线穿过该第二开孔并耦接至该第一导体层上的一第二馈入点，而该第二导体外壳耦接至该第二导体层。

13.如权利要求12所述的天线结构，其中该第一馈入点和该第二馈入点分别位于该弯折导体层的相异二侧。

14.如权利要求12所述的天线结构，其中该弯折导体层还具有一第二夹角，而该第二馈入点位于该第二夹角的一角平分面上。

15.如权利要求14所述的天线结构，其中该第一夹角和该第二夹角的总和为360度。

16.如权利要求12所述的天线结构，其中该第二馈入点和该第一导体层的中心点的间距介于该第一圆形的该半径的1/2倍至1倍之间。

17.如权利要求7所述的天线结构，其中该第二导体层呈现一正方形。

18.如权利要求17所述的天线结构，其中该正方形的每边长至少为该第一圆形的半径的2倍以上。

19.如权利要求9所述的天线结构，其中该反射导体层呈现一正方形且该正方形的每边长至少为该第一圆形的该半径的2倍以上。

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