CN110783694A - 高指向性天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高指向性天线，包括支撑介质、第一辐射单元及第二辐射单元。第一辐射单元位于支撑介质的前板面并具有馈入端部。第二辐射单元包括立体接地结构及第一接地片，立体接地结构与第一接地片连接形成具有开口的五个面的盒子，且立体接地结构具有前接地片，前接地片也位于支撑介质的前板面。馈入端部及前接地片是分别用以收发正负射频信号。较传统技术的同轴共线天线，本发明高指向性天线通过将馈入端部和前接地片共同位于支撑介质的前板面，而不是分开位于前板面及后板面，所以可以解决传统技术的缺点。

Description

高指向性天线

技术领域

本发明涉及一种天线，具体地，涉及一种高指向性天线。

背景技术

参考图1，是传统技术的同轴共线天线(Coaxial Collinear antenna,CoCoantenna)，其包括玻纤材质的印刷电路板11、第一辐射阵列12及第二辐射阵列13。

第一辐射阵列12位于印刷电路板11的前板面111，第二辐射阵列13位于印刷电路板11的后板面112。第一辐射阵列12的馈入端121及第二辐射阵列13的接地端131分别用以焊接同轴电缆线(图未示)的芯线及金属屏蔽编织层。

这种传统技术的缺点在于∶馈入端121和接地端131是分别位于相间隔的前板面111及后板面112而不是同一平面，容易使同轴电缆线受应力拉扯而与同轴共线天脱落分离，造成讯号中断。

发明内容

本发明实施例公开一种高指向性天线，可以解决传统高指向性天线的耐用度不足、容易受到外力而损坏的问题，并且在改进前述缺点的同时也能够提供标准的全向性辐射场型。

本发明实施例公开一种高指向性天线，包括支撑介质、第一辐射单元及第二辐射单元。支撑介质由非导电材料制成大体上呈板状，并包括前板面、后板面、左板面、右板面及底板面。支撑介质是利用塑胶射出成型制成，且介电系数是介于1.5到3之间。第一辐射单元，由导电材料制成并位于支撑介质的前板面上，且包括沿着第一方向排列的第一辐射带及第一辐射片，第一辐射带具有馈入端部及连接端部，连接端部与第一辐射片电连接。第二辐射单元由导电材料制成，包括立体接地结构、第一接地片、第一接地带及第二接地片。第一接地片、第一接地带及第二接地片位于支撑介质的后板面并沿着第一方向顺序排列且三者电连接，立体接地结构分布于支撑介质的前板面、左板面、右板面及底板面，且立体接地结构与第一接地片连接形成具有一开口且具有五个面的盒子。并且，定义前板面的法线方向为一第二方向，第一辐射带与第一接地片于第二方向上的投影相重迭，第一辐射片与第一接地带于第二方向上的投影相重迭，并且，立体接地结构具有一位于前板面的前接地片，第一辐射单元的馈入端部及第二辐射单元的前接地片是分别用以收发正负射频信号。

优选地，所述立体接地结构还具有左接地片、右接地片及底接地片，左接地片位于支撑介质的左板面，右接地片位于支撑介质的右板面，底接地片位于支撑介质的底板面，且底接地片连接前接地片、左接地片、右接地片及第一接地片，以共同形成五个面且具开口的盒子。

优选地，所述前接地片、左接地片及右接地片各自于第一方向上的长度定义为长度L1，第一接地片于第一方向上的长度定义为长度L2，则r＝L1/L2，r大体上为0.3。

优选地，所述第一辐射带概略呈沿着第一方向延伸的一直线状，且馈入端部及连接端部是分别位于直线的两相反端，馈入端部与前接地片间隔地相邻。

优选地，所述第一辐射单元还包括第一辅助焊接带及第二辅助焊接带，第一辅助焊接带及第二辅助焊接带分别是从馈入端部反向远离延伸而出，且第一辐射带、第一辅助焊接带及第二辅助焊接带三者共同形成一倒T型。

优选地，所述第一辐射单元还包括第二辐射带、第二辐射片、第三辐射带及第三辐射片，且第一辐射带、第一辐射片、第二辐射带、第二辐射片、第三辐射带及第三辐射片六者是位于支撑介质的前板面上并沿着第一方向依序排列且彼此电连接，第二辐射单元还包括第二接地带、第三接地片及第三接地带，且第一接地片、第一接地带、第二接地片、第二接地带、第三接地片及第三接地带六者是位于支撑介质的后板面上并沿着第一方向依序排列且彼此电连接，并且，第二辐射带与第二接地片于第二方向上的投影相重迭，第二辐射片与第二接地带于第二方向上的投影相重迭，第三辐射带与第三接地片于第二方向上的投影相重迭，第三辐射片与第三接地带于第二方向上的投影相重迭，且第二辐射带于第一方向上的长度加上第二辐射片于第一方向上的长度总和大体上为一个共振波长，第三辐射带于第一方向上的长度加上第三辐射片于第一方向上的长度总和大体上为一个共振波长，第一接地片于第一方向上的长度加上第一接地带于第一方向上的长度总和大体上为一个共振波长，第二接地片于第一方向上的长度加上第二接地带于第一方向上的长度总和大体上为一个共振波长。

优选地，所述前接地片、左接地片及右接地片各自于第一方向上的长度大体上介于0.15个共振波长至0.22个共振波长之间。第一接地带于第一方向上的长度加上第二接地片于第一方向上的长度两者大体上为一个共振波长。

综上所述，本发明实施例提供一种高指向性天线，具有如下有益效果:1、馈入端部和前接地片是共同位于支撑介质的前板面，而不是分开位于前板面及后板面，所以可以解决传统技术所述的缺点；及2、第一辐射带、第一辅助焊接带及第二辅助焊接带三者共同形成一倒T型，使得本发明应用在毫米波高频通信时更能克服因实体尺寸较小难以焊接馈入的问题。

附图说明

图1是传统技术的同轴共线天线的外观示意图。

图2是本发明第一实施例提供的高指向性天线的外观示意图。

图3是图2的六视图。

图4是本发明第一实施例的高指向性天线的三维辐射场型图。

图5是本发明第一实施例的高指向性天线的二维辐射场型图。

图6是本发明第一实施例模拟的局部表面电流分布图。

图7是本发明第一实施例模拟的返回损失图。

图8是本发明第二实施例提供的高指向性天线的外观示意图。

图9是本发明第一实施例移除左、右侧板面后模拟的局部表面电流分布图。

图10是本发明第一实施例移除左、右侧板面后模拟的三维辐射场型图。

具体实施方式

参照图2及图3，本发明一高指向性天线的第一实施例包含支撑介质2、第一辐射单元3及第二辐射单元4。

支撑介质2大体上呈长条板状，由非导电材料制成，并包括前板面21、后板面22、左板面23、右板面24及底板面25(被底接地片414包覆)。于本实施例，支撑介质2的材料是适用于雷雕天线制造并可供射出成型的塑料，介电系数是介于1.5到3之间。

第一辐射单元3由导电材料制成，例如金属，并位于支撑介质2的前板面21上，且包括沿着第一方向(X)顺序排列的第一辐射带31、第一辐射片32、第二辐射带33、第二辐射片34、第三辐射带35及第三辐射片36。

第一辐射带31、第一辐射片32、第二辐射带33、第二辐射片34、第三辐射带35及第三辐射片36六者是位于支撑介质2的前板面21上并沿着第一方向(X)依序排列且彼此电连接。

更详细地说明，第一辐射带31概略呈沿着第一方向(X)延伸的一直线状，并具有馈入端部311及连接端部312，且馈入端部311及连接端部312是分别位于直线的两相反端。

馈入端部311用以作为本实施例的讯号馈入端，连接端部312与第一辐射片32电连接。

第二辐射带33及第二辐射片34于第一方向(X)上的两长度总和大体上为一个共振波长，第三辐射带35及第三辐射片36于第一方向(X)上的两长度总和大体上也为一个共振波长。

第二辐射单元4由导电材料制成，例如金属，并包括立体接地结构41、第一接地片42、第一接地带43、第二接地片44、第二接地带45、第三接地片46及第三接地带47。

第一接地片42、第一接地带43、第二接地片44、第二接地带45、第三接地片46及第三接地带47六者是位于支撑介质2的后板面22上并沿着第一方向(X)依序排列且彼此电连接。并且，第一接地片42及第一接地带43于第一方向(X)上的两长度总和大体上为一个共振波长，第二接地片44及第二接地带45于第一方向(X)上的两长度总和大体上也为一个共振波长。

一般而言，为了使高指向性天线上的电流方向一致以达到Y-Z平面高指向性的特点，第一辐射片32、第二辐射带33、第二辐射片34、第三辐射带35及第三辐射片36、第一接地片42、第一接地带43、第二接地片44、第二接地带45、第三接地片46及第三接地带47这其中的任一者是半波长共振的设计方式，且第一至第三辐射片32、34、36及第一至第三接地片42、44、46这六者大体上会设计成近似相同的尺寸，第二及第三辐射带33、35与第一及第二接地带43、45这四者会设计成近似相同的尺寸。但在本实施例中为了调整阻抗匹配，第一至第三辐射片32、34、36及第一至第三接地片42、44、46这六者在第一方向(X)上的长度会略短于半个波长，并且，第二及第三辐射带33、35及第一及第二接地带43、45这四者在第一方向(X)上的长度会略长于半个波长，第三接第带47在第一方向(X)上的长度会略短于半个波长。

立体接地结构41分布于支撑介质2的前板面21、左板面23、右板面24及底板面25，且立体接地结构41与第一接地片42连接形成具有一开口且具有五个面的盒子40。

更详细地说明，立体接地结构41具有前接地片411、左接地片412、右接地片413及底接地片414。前接地片411位于支撑介质2的前板面21，左接地片412位于支撑介质2的左板面23，右接地片413位于支撑介质2的右板面24，底接地片414位于支撑介质2的底板面25，且底接地片414连接前接地片411、左接地片412、右接地片413及第一接地片42，以共同形成五个面且具开口的盒子40，前接地片411、左接地片412及右接地片413各自于第一方向(X)上的长度定义为长度L1，第一接地片42于第一方向(X)上的长度定义为长度L2，则r＝L1/L2，r大体上为0.3。

幷且，定义前板面21的法线方向为第二方向(Y)，前接地片411及第一辐射带31与第一接地片42于第二方向(Y)上的投影相重迭，第一辐射片32与第一接地带43于第二方向(Y)上的投影相重迭，第二辐射带33与第二接地片44于第二方向(Y)上的投影相重迭，第二辐射片34与第二接地带45于第二方向(Y)上的投影相重迭，第三辐射带35与第三接地片46于第二方向(Y)上的投影相重迭，第三辐射片36与第三接地带47于第二方向(Y)上的投影相重迭。

馈入端部311及前接地片411共平面幷间隔地相邻，分别用以收发正负射频信号，举例说明，馈入端部311与同轴电缆线(图未示)的芯线焊接或者与I-PEX接头的内导体电连接，前接地片411与同轴电缆线的屏蔽编织层焊接或者与I-PEX接头的外导体电连接。

参照图2及图4、5，图4、5分别是本实施例用HFSS软件仿真的三维及二维幅射场型。经模拟测试，本实施例在Y-Z平面的辐射场型确实能维持高指向性的特点(即辐射能量集中在Y-Z平面)。

参照图2及图6，图6是本实施例用HFSS软件仿真的局部电流分布图。于本实施例，长度L1(见图3)大体上是0.15个共振波长且r＝L1/L2＝0.3时，天线的表面电流零点(颜色越黑代表电流越小，深黑色的区块就是电流零点的位置)会位于底接地片414的范围内，进而使得Y-Z平面的辐射场型如图4及图5所示能维持優選的高指向性特点。而要特别注意的是，为了实际设计的弹性，例如接地时焊接方便，L1不受限于只能操作于0.15λ，而是介于0.15λ至0.22λ都能保持表面电流零点是位于底接地片414的范围内的功效。

参照图7，是本实施例用HFSS软件仿真的S11图，其显示本实施例确实可操作在16GHz附近的频带范围。

参照图8，是本发明的第二实施例，与第一实施例不同的是第二实施例还包括第一辅助焊接带37及第二辅助焊接带38。第一辅助焊接带37及第二辅助焊接带38分别是从馈入端部311反向远离延伸而出，且第一辐射带31、第一辅助焊接带37及第二辅助焊接带38三者共同形成倒T型，其有益的效果在于当本发明应用于越高频的毫米波频段时，天线的实体尺寸会随着频度的提升而缩小，这样会导致馈入端部311变得越小且精细而不易做讯号馈入，无论是焊接馈入或接触馈入都有困难，而如前述T型的设计正好可以解决这个问题，进而增加天线的良率及稳定性。

参照图9及图10，分别是第一实施例(见图2)移除立体接地结构41的左接地片412及右接地片413后，再以HFSS模拟的表面电流分布图及3D辐射场型图。从图9中可以发现电流零点已不在底接地片414上(图6中电流零点明显地在底接地片414上)，且由于这个原因，进而造成如图10所示的3D辐射场型除了主波办外还另外产生了几个旁波瓣，而这些旁波瓣会分走原本集中在主波瓣的能量，进而导致Y-Z平面的指向性降低(可以对照图4)。所以从这个对照设计可以验证将立体接地结构41连接第一接地片42形成的五面盒子40的接地结构确实具耐用幷保持高指向性的有益效果。

综上所述，上述实施例具有以下特点∶

1、用以收发正负射频信号的馈入端部311和前接地片411是共平面的设计，所以可以解决传统技术所述的缺点，再者，立体接地结构41及第一接地片42形成具有五个面的盒子40可以解决如图9、10所示的缺点，在改善传统技术耐用性缺点的同时仍保持高指向性的有益效果。

2、第二实施例将第一辐射带31、第一辅助焊接带37及第二辅助焊接带38三者共同形成一倒T型，使得本发明应用在如5G的毫米波高频通信频带时也能克服因实体尺寸过小难以焊接馈入的问题。

以上所述仅为本发明的实施例，其并非用以局限本发明的专利范围。

附图标记

11：印刷电路板

111：前板面

112：后板面

12：第一辐射单元

121：馈入端

13：第二辐射单元

131：接地端

2：支撑介质

21：前板面

22：后板面

23：左板面

24：右板面

25：底板面

3：第一辐射单元

31：第一辐射带

311：馈入端部

312：连接端部

32：第一辐射片

33：第二辐射带

34：第二辐射片

35：第三辐射带

36：第三辐射片

37：第一辅助焊接带

38：第二辅助焊接带

4：第二辐射单元

40：盒子

41：立体接地结构

411：前接地片

412：左接地片

413：右接地片

414：底接地片

42：第一接地片

43：第一接地带

44：第二接地片

45：第二接地带

46：第三接地片

47：第三接地带

X：第一方向

Y：第二方向

L1：长度

L2：长度

Claims (10)

1.一种高指向性天线，包括：

一支撑介质，大体上呈板状，由非导电材料制成，并包括一前板面、一后板面、一左板面、一右板面及一底板面；

一第一辐射单元，由导电材料制成并位于该支撑介质的该前板面上，且包括沿着一第一方向排列的一第一辐射带及一第一辐射片，该第一辐射带具有一馈入端部及一连接端部，该连接端部与该第一辐射片电连接；

一第二辐射单元，由导电材料制成，包括一立体接地结构、一第一接地片、一第一接地带及一第二接地片，该第一接地片、该第一接地带及该第二接地片位于该支撑介质的后板面并沿着该第一方向顺序排列且三者电连接，该立体接地结构分布于该支撑介质的前板面、左板面、右板面及底板面，且该立体接地结构与该第一接地片连接形成具有一开口且具有五个面的盒子，并且定义该前板面的法线方向为一第二方向，该第一辐射带与该第一接地片于该第二方向上的投影相重迭，该第一辐射片与该第一接地带于该第二方向上的投影相重迭，并且，该立体接地结构具有一位于该前板面的前接地片，该第一辐射单元的馈入端部及该第二辐射单元的前接地片是分别用以收发正负射频信号。

2.如权利要求1所述的高指向性天线，其特征在于，该立体接地结构还具有一左接地片、一右接地片及一底接地片，该左接地片位于该支撑介质的左板面，该右接地片位于该支撑介质的右板面，该底接地片位于该支撑介质的底板面，且该底接地片连接该前接地片、左接地片、右接地片及该第一接地片，以共同形成该五个面且具开口的盒子。

3.如权利要求2所述的高指向性天线，其特征在于，该该前接地片、该左接地片及该右接地片各自于该第一方向上的长度定义为长度L1，该第一接地片于该第一方向上的长度定义为长度L2，则r＝L1/L2，r大体上为0.3。

4.如权利要求3所述的高指向性天线，其特征在于，该第一辐射带概略呈沿着该第一方向延伸的一直线状，且该馈入端部及该连接端部是分别位于该直线的两相反端，该馈入端部与该前接地片间隔地相邻。

5.如权利要求4所述的高指向性天线，其特征在于，该第一辐射单元还包括一第一辅助焊接带及一第二辅助焊接带，该第一辅助焊接带及该第二辅助焊接带分别是从该馈入端部反向远离延伸而出，且该第一辐射带、该第一辅助焊接带及该第二辅助焊接带三者共同形成一倒T型。

6.如权利要求2所述的高指向性天线，其特征在于，该第一接地片于该第一方向上的长度加上该第一接地带于该第一方向上的长度两者大体上为一个共振波长。

7.如权利要求6所述的高指向性天线，其特征在于，该第一辐射单元更包括一第二辐射带、一第二辐射片、一第三辐射带及一第三辐射片，且该第一辐射带、该第一辐射片、该第二辐射带、该第二辐射片、该第三辐射带及该第三辐射片六者是位于该支撑介质的前板面上并沿着该第一方向依序排列且彼此电连接，该第二辐射单元更包括一第二接地带、一第三接地片及一第三接地带，且该第一接地片、该第一接地带、该第二接地片、该第二接地带、该第三接地片及该第三接地带六者是位于该支撑介质的后板面上并沿着该第一方向依序排列且彼此电连接，并且，该第二辐射带与该第二接地片于该第二方向上的投影相重迭，该第二辐射片与该第二接地带于该第二方向上的投影相重迭，该第三辐射带与该第三接地片于该第二方向上的投影相重迭，该第三辐射片与该第三接地带于该第二方向上的投影相重迭，且该第二辐射带于该第一方向上的长度加上该第二辐射片于该第一方向上的长度总和大体上为一个共振波长，该第三辐射带于该第一方向上的长度加上该第三辐射片于该第一方向上的长度总和大体上为一个共振波长，该第二接地片于该第一方向上的长度加上该第二接地带于该第一方向上的长度总和大体上为一个共振波长。

8.如权利要求2所述的高指向性天线，其特征在于，该前接地片、该左接地片及该右接地片各自于该第一方向上的长度大体上介于0.15个共振波长至0.22个共振波长之间。

9.如权利要求1所述的高指向性天线，其特征在于，该支撑介质是利用塑胶射出成型制成。

10.如权利要求9所述的高指向性天线，其特征在于，该支撑介质的介电系数是介于1.5到3之间。

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