CN114696100B - 双偶极天线 - Google Patents
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Abstract
一种双偶极天线，形成于一具有接地面的电路基板上，包含一第一天线组、一第二天线组及一馈入微带线，其中，该第一天线组与该第二天线组在该基板上具有四分之一波长的长度，并透过一垂直辐射金属线与两侧辐射金属线相交形成两个馈入点，而该馈入微带线连接于该两个垂直辐射金属线之间，用以增强辐射讯号。
Description
技术领域
本发明是有关一种双偶极天线，是一种用于无线模组或区域网路系统的高增益天线结构。
背景技术
目前各类电子产品所配备的无线模组其内部的天线多只拥有单频带操作能力。所以，可以预期的，随着市场的渐渐增大，配置的天线只具有单频操作能力的无线模组，其短距离的工作能力稳定度与未来市场竞争力将是不足够的，因此发展高增益的天线将是相关电子产品的主流趋势。虽然习用的技术已有可用于操作的装置，然而，该天线在调整操作欲获得最高增益时，必须考虑该天线各组成元件的相互匹配关系，在使用上是比较复杂的。
此外，由于目前的电子产品均朝低成本、轻、薄、短、小的设计发展，因此，可预期各类的电子产品所配备的无线模组其体积将会有低成本、轻薄、玲珑的特性与外观。在这种情况下，配置在无线模组内部的天线其体积也将会被限制在一定的体积之内。
过去的低功率短距离蓝芽应用其传输距离约为20～30米，最好的低成本设计约可以达到50米，然而有些高成本的SIP(Systemin package)整合内部的RF chip antenna也可以达到近100米功效，故若能设计出极高增益、长距离、低成本、小型化的微带天线一直是业界努力的目标。
因此，本发明提出了一种双偶极天线，该两组天线组在该基板上具有为四分之一波长的长度，并透过各别垂直辐射金属线与两侧辐射金属线相交形成两个馈入点，其中两个馈入点或二个垂直辐射金属线之间连接有一馈入微带线，用以结合传递增强讯号，而本发明如此设计，将能够提升高增益执行单频长距离稳定操作，并适合应用于无线模组/区域网路系统，以及具有低成本、轻、薄、面积小的特性，也得以符合现今电子产品体积缩小的要求，故本发明应为一最佳解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双偶极天线，其能克服现有技术的缺陷，能有效保证讯号的增强，还能提升高增益执行单频长距离稳定操作，并适合更为广泛，还能具有低成本、轻、薄、面积小的优点，更好的适合现有技术发展的需求。
为实现上述目的，本发明公开了一种双偶极天线，形成于一具有一接地面的基板上，其特征在于该双偶极天线包含：
一第一天线组，具有一第一辐射金属线及一第一垂直辐射金属线，该第一辐射金属线与该第二垂直辐射金属线相交处为一第一馈入点，该第一垂直辐射金属线远离第一馈入点的一端部与一信号源连接，该第一辐射金属线远离该第一馈入点的端部与该接地面保持一间隔；
一第二天线组，具有一第二辐射金属线及一第二垂直辐射金属线，其中该第二辐射金属线与该第二垂直辐射金属线相交处为一第二馈入点，该第二辐射金属线及一第二垂直辐射金属线远离第二馈入点的另一端部连接该接地面；以及
一馈入微带线，该馈入微带线的一端与该第一垂直辐射金属线连接，另一端则与该第二垂直辐射金属线连接。
其中，该第一天线组及该第二天线组具有接近对称的特性，具有较佳的垂直辐射性能。
其中，该第一天线组及第二天线组在该基板上具有四分之一波长的长度，并形成相对称的图形。
其中，该第一辐射金属线的部分线段垂直或/及平行对应于该第一垂直辐射金属线，该第二辐射金属线的部分线段垂直或/及平行对应于该第二垂直辐射金属线。
其中，该第一垂直辐射金属线、该第二垂直辐射金属线或该馈入微带线为一直线，且该第一垂直辐射金属线及该第二垂直辐射金属线为平行设置。
其中，该第一馈入点经由该第一垂直辐射金属线至该第一辐射金属线的第一共振路径，用以定义该双偶极天线的第一操作频率，而由该第二馈入点经由该第二垂直辐射金属线至该第二辐射金属线的第二共振路径，用以定义该双偶极天线的第二操作频率。
其中，该第一天线组在该第一操作频率为2.3-2.45GHz，该线长为31-35mm，该第二天线组在第二操作频率为2.35-2.5GHz，该线长为28-33mm，使该线长依据频率变化进行调整，达到最好的天线增益。
其中，该基板包含一第一表面及一第二表面，该第一天线组及该第二天线组设置在该第一表面上，该第二表面为一电路配置区及该接地面。
其中，辐射金属线以平面或是螺旋状位于该基板上。
其中，该馈入微带线的二个端部分别与该第一馈入点及该第二馈入点连接。
通过上述内容可知，本发明提供的两组天线组在基板上具有为四分之一波长的长度，并透过垂直辐射金属线与两侧辐射金属线相交形成两个馈入点，两个馈入点或二个垂直辐射金属线之间连接有一馈入微带线，用以结合传递增强讯号，能够提升高增益执行单频长距离稳定操作，并适合应用于无线模组/区域网路系统，也能具有低成本、轻、薄、面积小的特性，也得以符合现今电子产品体积缩小的要求。
附图说明
图1A：本发明双偶极天线的第一实施结构示意图。
图1B：本发明双偶极天线的第二实施结构示意图。
图1C：本发明双偶极天线的第三实施结构示意图。
图1D：本发明双偶极天线的第四实施结构示意图。
图2A：本发明双偶极天线的第一实施的返回损失量测结果示意图。
图2B：本发明双偶极天线的第一实施的电压驻波比(VSWR)结果示意图。
图3A：本发明双偶极天线的第三实施的返回损失量测结果示意图。
图3B：本发明双偶极天线的第三实施的电压驻波比(VSWR)结果示意图。
图4A：习用双偶极天线的返回损失量测结果示意图。
图4B：习用双偶极天线的电压驻波比(VSWR)结果示意图。
图5A：本发明双偶极天线的第一实施于2.4GHz的水平辐射面的天线增益量测结果示意图。
图5B：本发明双偶极天线的第一实施于2.4GHz的垂直辐射面的天线增益量测结果示意图。
具体实施方式
有关于本发明其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。
请参阅图1A，为本发明双偶极天线的第一实施结构示意图，由图中可知，该双偶极天线形成于一基板1，本发明实施例的基板1(微波基板)由一尺寸为21.3×11.6mm2的无线模组电路板所构成，且一般为以玻璃纤维强化BT(bismaleimide-triazine)树脂或FR4玻璃纤维强化环氧树脂(fiberglass reinforced epoxy resin)制成的印刷电路板，亦可以为聚酰亚胺(polyimide)制成的可挠性薄片基板(flexible film substrate)，也可以是在高频具有良好特性的铁弗龙、氧化铝或钛酸镁的陶瓷基板。
该基板1具有第一表面101及第二表面102，其中该双偶极天线印制于该第一表面101上，而该第二表面102为一电路配置区，用以提供电路元件布设与走线用，而该第二表面102印制有一接地面1021，该接地面1021为一无线模组的接地面，在本实施例中，该第一表面101及第二表面102位于同一平面上，但并非用以局限本发明的申请专利范围，该第一表面101及第二表面102亦可设置在不同平面上，例如:该第二表面还可设置在该基板1的正面，该第一表面101可设置在该基板1的背面。
本发明的基板1由于设计结构的平面化特性，且该双偶极天线与该基板1的系统电路具有高度整合性，不但具备轻、薄、面积小的特性，也符合现今电子产品体积缩小的要求。
在该实施例中，该双偶极天线包含：
一第一天线组11，至少包含有一第一辐射金属线111及一第一垂直辐射金属线112，该第一垂直辐射金属线112的一端部1121与一信号源1022(RF信号)连接，用以接收信号，另一端与该第一辐射金属线111相连接，连接处为一第一馈入点113，该第一馈入点113用以传递讯号，且该第一辐射金属线111远离该第一馈入点113的端部1111没有跟接地面1021相连接，并与接地面1021保持一间隔，该间隔距离用以调整跟接地之间的匹配，使该第一天线组11为一射频辐射部。
一第二天线组12，位于该第一天线组11一侧，而该第二天线组12至少包含有一第二辐射金属线121及一第二垂直辐射金属线122，其中该第二辐射金属线121及该第二垂直辐射金属线122的一端部1211、1221与接地面1021相连接，而该第二辐射金属线121及该第二垂直辐射金属线122的另一端为相连接，连接处为一第二馈入点123，该第二馈入点123用以传递讯号，使该第二天线组12形成一接地部，另外，靠近该接地面1021处有一线段124作为一补偿匹配用。
一馈入微带线13(microstrip line)，连接于该第一馈入点113与该第二馈入点123之间，于本实施例中，该馈入微带线13具有特性阻抗50欧姆，且将射频端及接地端连接，达到增强传递讯号的目的。
该第一辐射金属线111具有以下特征：
1.该第一辐射金属线111由第一馈入点113朝向不同方向(向上、向下、向左、向右或斜向)弯折多个连通的通道1110，每一个通道1110的宽度及长度能够相同或是不同，且每两个通道1110之间的弯角或夹角能够相同或是不同。
2.该第一辐射金属线111的部分线段垂直或/及平行对应于该第一垂直辐射金属线112。
3.该第一辐射金属线111以平面状态布设于该基板1上。
4.该第一天线组11的线长在2.3-2.45G Hz的操作频率下，线长为31-35mm(该线长起算由该第一垂直辐射金属线112的端部1121至该第一辐射金属线111的端部1111)为最佳，并能够依据频率变化进行调整，该线长包含31mm、32mm、33mm、34mm及35mm。
5.该第一辐射金属线111的线长能够依据不同的平面结构变化进行调整当该第一表面101的面积为7*12mm时，线长的长度以31-35mm为最佳，该线长包含31mm、32mm、33mm、34mm及35mm。
该第二辐射金属线121具有以下特征：
1.该第二辐射金属线121由该第二馈入点123朝向不同方向(向上、向下、向左、向右或斜向)弯折多个连通的通道1210，每一个通道1210的宽度及长度能够相同或是不同，且每两个通道1210之间的弯角或夹角能够相同或是不同。
2.该第二辐射金属线121的部分线段垂直或/及平行对应于该第二垂直辐射金属线122。
3.该第二辐射金属线121以平面状态布设于该基板1上。
4.该第二天线组12的线长在2.35-2.5G Hz的操作频率下，该线长为28-33mm(指该第二垂直辐射金属线122的端部1221至该第二辐射金属线121的端部1211长度，靠近该接地面1021线段124作为匹配补偿用，未纳入长度计算)为最佳，并能够依据频率变化进行调整，该线长包含28mm、29mm、30mm、31mm、32mm及33mm。
5.该第二辐射金属线121的线长能够依据不同的平面结构变化进行调整该第一表面的面积为7*12mm时，线长的长度以28-33mm为最佳，包含28mm、29mm、30mm、31mm、32mm及33mm。
另外，该第一辐射金属线111及第二辐射金属线121在该第一垂直辐射金属线112及该第二垂直辐射金属线122的两侧呈现左、右对称的图形。
另外，该第一辐射金属线111、第一垂直辐射金属线112、第二辐射金属线121或第二垂直辐射金属线122的线宽能够相同或是不相同，当在2.3-2.5G Hz频率下，该线宽以0.25-0.35mm为最佳，包含0.25mm、0.3mm及0.35mm。
另外，由该第一馈入点113经由该第一垂直辐射金属线112至该第一辐射金属线111的第一共振路径，用以定义该双偶极天线的第一操作频率；而由该第二馈入点123经由该第二垂直辐射金属线122至该第二辐射金属线121的第二共振路径，用以定义该双偶极天线的第二操作频率，其中该第二操作频率高于该第一操作频率。
而相较于先前技术在决定单频操作时必须考虑到各使用元件的相互关系，本发明的双偶极天线，由调整该第一辐射金属线111及该第二辐射金属线121的长度，即可轻易调整该双偶极天线的两个共振模态的频率(第一操作频率、第二操作频率)，达到无线模组/区域网路系统所要的频带。
而天线结构除了图1A所揭露的样式外，如图1B所示，一第三天线组14的第三辐射金属线141、第三垂直辐射金属线142及一第四天线组15的第四辐射金属线151、第四垂直辐射金属线152，其中由该第三馈入点143及第四馈入点153所延伸出来的第三辐射金属线141及第四辐射金属线151的布线路径明显与图1A不同，除此之外，于图1B中，该第三天线组14的该第三垂直辐射金属线142远离该第三馈入点143的一端部1421与该信号源1022相连接，而该第三辐射金属线141远离该第三馈入点143的另一端部1411则未与该接地面1021相连接；该第四天线组15的第四辐射金属线151及该第四垂直辐射金属线152远离第四馈入点153的端部1511、1521皆与该接地面1021相连接，作为接地使用，该第四天线组15同样包含一补偿匹配用的线段154。
再如图1C所示，该第五天线组16的第五辐射金属线161、第五垂直辐射金属线162及第六天线组17的第六辐射金属线171、第六垂直辐射金属线172，其中由该第五馈入点163及第六馈入点173所延伸出来的第五辐射金属线161及第六辐射金属线171的行走路径则与图1A、B明显不同，最特殊之处，是本实施例中，该第五辐射金属线161及该第六辐射金属线171的部分线段是呈现为螺旋状。其中，该第五垂直辐射金属线162远离该第五馈入点163的一端部1621与一信号源1022相连接，而该第五辐射金属线161远离该第五馈入点163的一端部1611则与该接地面1021保持一间隔，没有与该接地面1021相连接。而该第六辐射金属线171及第六垂直辐射金属线172远离该第六馈入点173的一端部1711、1731皆与该接地面1021相连接，该第六天线组15同样包含一补偿匹配用的线段174。
请参阅图1D所示，为本发明的第四实施示意图，其中该馈入微带线13的一端部可与该第一垂直辐射金属线连接，而另一端部可以与第二垂直辐射金属线相连接，同样可以达到增加天线增益的目的。
本发明的其中一天线组若连接该RF信号源，另一天线组则连接该接地面1021，因此，本发明并未限定该第一天线组11或第二天线组12的位置在该基板1的左侧或右侧。
而本发明的一实作量测中，能使用一相对介电常数4.4，厚度1.0mm的微波基板1，以及一面积为7×11.6mm2的单频双偶极天线，该第一辐射金属线111的长度为25mm、宽度为0.3mm，第二辐射金属线121的长度为25mm、宽度为0.3mm，第一及第二垂直辐射金属线112,122的长度为6.8mm、宽度为0.3mm，可得以下的实验结果。
本发明将前述的天线结构分别量测，其量测结果如下：
1.以图1A的结构进行实际量测，如图2A、2B所示，于-10dB的返回损失阻抗频宽的定义下，该双偶极天线的第一操作频率为2.3-2.45GHz，第二操作频率为2.35-2.5GHz，在共振频率下，最佳增益效果为-23db(如图2A所示)及驻波比为
1.17U(如图2B所示)，达到最佳增益效果，损失愈少，故符合单频率的无线区域网路系统频宽需求。
2.再以图1C的结构进行实际量测，如图3A、3B所示，于-10dB的返回损失阻抗频宽的定义下，可看出该双偶极天线的第一操作频率为2.3-2.45GHz，第二操作频率为2.35-2.5GHz，最佳增益效果为-24.2db(如图3A所示)及驻波比为1.25U(如图3B所示)，达到最佳增益效果，损失愈少，故符合单频率的无线区域网路系统频宽需求。
3.而本发明更将习用未具有馈入微带线13的特征的习用天线结构进行量测，如图4A、4B所示，由图中明显可见，在第一操作频率为2.3-2.45GHz，第二操作频率为2.35-2.5GHz，最佳增益效果为-11.1db(如图4A所示)及驻波比为1.77U(如图4B所示)，其增益表面明显不如本发明前两个实施案例，故本发明的馈入微带线13用以结合传递增强讯号的功效，是明显可见的。
如图5A及图5B所示，以图1A的结构进行量测辐射范围，其中图5A则是水平辐射面(Horizontal pattern)，而图5B则是垂直辐射面(Vertical pattern)，由图中可知，由于本发明的双偶极天线的实际辐射距离最大为200米、最小为120米，故与传统天线设计的蓝芽模组比较之下，本发明的双偶极天线所实测出来的结果大了4到6倍(传统天线设计的BLE模组传输距离仅为20至30米)。
以下则是将天线增益与RF信号范围做一整理，由如下的表一及表二可知，在2.3GHz、2.4GHz或2.5GHz频带内，本发明的双偶极天线具有相当良好的增益表现，依照实测距离去换算，表一及表二的具体内容整理如下：
表一垂直辐射面的天线增益与RF信号范围表
表二水平辐射面的天线增益与RF信号范围表
另外，本发明的第一辐射金属线111、第二辐射金属线121、第一垂直辐射金属线112及第二垂直辐射金属线122之间的配置有弹性，因此该双偶极天线与该基板1的系统电路整合度可得以提高；此外，也使得该双偶极天线所占该基板1的面积比例得以更小，进一步明确本发明的技术方案能有效符合电子产品体积电子产品体积缩小的要求。
本发明所提供的双偶极天线，与其他习用技术相互比较时，其还具有如下优点：
1.本发明能够提供一超高增益小型化单频双偶极天线，能够单一频率操作，并可轻易调整该天线共振模态的频率增益匹配，以达到无线模组/区域网路系统所要的频带极大化的传输稳定度。
2.本发明的双偶极天线为平面结构或是螺旋结构，用以能与该微波基板的系统电路整合在一起，其中若是使用平面结构，将能够与微波电路具有高整合性。
3.本发明的双偶极天线可操作于于2.3、2.4或2.5GHz中任一个频率内的无线区域网路系统，且于操作频带内皆具有超高的天线增益效益。
4.本发明能够调整该第一及该第二辐射金属线的长度，用以轻易微调整天线共振模态的频率及增益，进而调整到所要的进接频带及增益。
本发明已透过上述的实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此一技术领域具有通常知识者，在了解本发明前述的技术特征及实施例，并在本发明的精神和范围内，不可作些许之更动与润饰，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的权利要求所界定者为准。
Claims (9)
1.一种双偶极天线，形成于一具有一接地面的基板上，其特征在于该双偶极天线包含：
一第一天线组，具有一第一辐射金属线及一第一垂直辐射金属线，该第一辐射金属线与该第一垂直辐射金属线相交处为一第一馈入点，该第一垂直辐射金属线远离第一馈入点的一端部与一信号源连接，该第一辐射金属线远离该第一馈入点的端部与该接地面保持一间隔；
一第二天线组，具有一第二辐射金属线及一第二垂直辐射金属线，其中该第二辐射金属线与该第二垂直辐射金属线相交处为一第二馈入点，该第二辐射金属线及一第二垂直辐射金属线远离第二馈入点的另一端部连接该接地面；以及
一馈入微带线，该馈入微带线的一端与该第一垂直辐射金属线连接，另一端则与该第二垂直辐射金属线连接；
其中，该馈入微带线的二个端部分别与该第一馈入点及该第二馈入点连接；
该馈入微带线具有特性阻抗50欧姆，且将射频端及接地端连接；
所述第二天线组在靠近该接地面处有一线段作为一补偿匹配用。
2.如权利要求1所述的双偶极天线，其特征在于，该第一天线组及该第二天线组具有接近对称的特性，具有较佳的垂直辐射性能。
3.如权利要求2所述的双偶极天线，其特征在于，该第一天线组及第二天线组在该基板上具有四分之一波长的长度，并形成相对称的图形。
4.如权利要求3所述的双偶极天线，其特征在于，该第一辐射金属线的部分线段垂直或/及平行对应于该第一垂直辐射金属线，该第二辐射金属线的部分线段垂直或/及平行对应于该第二垂直辐射金属线。
5.如权利要求1所述的双偶极天线，其特征在于，该第一垂直辐射金属线、该第二垂直辐射金属线或该馈入微带线为一直线，且该第一垂直辐射金属线及该第二垂直辐射金属线为平行设置。
6.如权利要求1所述的双偶极天线，其特征在于，该第一馈入点经由该第一垂直辐射金属线至该第一辐射金属线的第一共振路径，用以定义该双偶极天线的第一操作频率，而由该第二馈入点经由该第二垂直辐射金属线至该第二辐射金属线的第二共振路径，用以定义该双偶极天线的第二操作频率。
7.如权利要求6所述的双偶极天线，其特征在于，该第一天线组在该第一操作频率为2.3-2.45GHz，线长为31-35mm，该第二天线组在第二操作频率为2.35-2.5GHz，线长为28-33mm，使线长依据频率变化进行调整，达到最好的天线增益。
8.如权利要求1所述的双偶极天线，其特征在于，该基板包含一第一表面及一第二表面，该第一天线组及该第二天线组设置在该第一表面上，该第二表面为一电路配置区及该接地面。
9.如权利要求1所述的双偶极天线，其特征在于，该第一辐射金属线及该第二辐射金属线以平面或是螺旋状位于该基板上。
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