CN116706524A - 天线系统 - Google Patents

Abstract

一种天线系统。天线系统包括第一天线元件、第二天线元件、介质基板、第一反射板、以及第二反射板；第一天线元件和第二天线元件皆设置于介质基板上；第一反射板邻近于介质基板；第二反射板耦接至第一反射板，其中第一反射板和第二反射板之间形成第一夹角；天线系统提供相对较大的一半功率波束宽度。本发明提出一种新颖的天线系统，相较于传统设计，本发明的天线系统至少具有较大半功率波束宽度、较高前后比、以及较低制造成本等优势，故其很适合应用于各种各样的通信装置当中。

Description

天线系统

技术领域

本发明涉及一种天线系统，特别是涉及一种具有较大波束宽度(Beamwidth)的天线系统。

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(长期演进，Long Term Evolution)系统且其所使用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。

天线(Antenna)为无线通信领域中不可缺少的元件。倘若用于接收或发射信号的天线其波束宽度(Beamwidth)不足，则很容易造成相关装置的通信质量下降。因此，如何设计出具有较小尺寸、较大波束宽度的天线元件，对天线设计者而言是一项重要课题。

因此，需要提供一种天线系统来解决上述问题。

发明内容

在较佳实施例中，本发明提出一种天线系统，包括：一第一天线元件；一第二天线元件；一介质基板，其中第一天线元件和第二天线元件皆设置于介质基板上；一第一反射板，邻近于介质基板；以及一第二反射板，耦接至第一反射板，其中第一反射板和第二反射板之间形成一第一夹角；其中天线系统提供相对较大的一半功率波束宽度(Half-PowerBeamwidth，HPBW)。

在一些实施例中，天线系统的半功率波束宽度介于90度至180度之间。

在一些实施例中，天线系统涵盖介于2300MHz至2700MHz之间的一操作频带。

在一些实施例中，第一天线元件和第二天线元件各自为一偶极天线。

在一些实施例中，第一夹角根据下列方程式作计算：

其中“θ1”代表第一夹角，“θB”代表半功率波束宽度，而“K1”代表介于0.8至1.2之间的一第一调整常数。

在一些实施例中，第一反射板和介质基板之间形成一第二夹角，第二反射板和介质基板之间形成一第三夹角，而第二夹角和第三夹角两者大致相等。

在一些实施例中，第一反射板的长度根据下列方程式作计算：

其中“L1”代表第一反射板的长度，“λ”代表操作频带的中心频率的波长，而“K2”代表介于0.7至2之间的一第二调整常数。

在一些实施例中，第二反射板的长度根据下列方程式作计算：

其中“L2”代表第二反射板的长度，“λ”代表操作频带的中心频率的波长，而“K2”代表介于0.7至2之间的一第二调整常数。

在一些实施例中，天线系统还包括：一第三反射板，耦接至第一反射板和第二反射板，其中第三反射板介于第一天线元件和第二天线元件之间。

在一些实施例中，第一反射板、第二反射板、以及第三反射板的组合大致呈现一Y字形。

在一些实施例中，第三反射板的长度根据下列方程式作计算：

其中“L3”代表第三反射板的长度，“λ”代表操作频带的中心频率的波长，而“K3”代表介于0至1.5之间的一第三调整常数。

在一些实施例中，天线系统还包括：一第一传输线，其中一信号源经由第一传输线耦接至第一天线元件；以及一第二传输线，其中信号源还经由第二传输线耦接至第二天线元件。

在一些实施例中，介质基板具有相对的一第一表面和一第二表面。

在一些实施例中，第一天线元件包括：一第一辐射部，设置于介质基板的第一表面；以及一第二辐射部，设置于介质基板的第二表面，其中第一辐射部和第二辐射部大致朝相反方向作延伸。

在一些实施例中，第一辐射部和第二辐射部的每一者的长度皆大致等于操作频带的中心频率的0.25倍波长。

在一些实施例中，第二天线元件包括：一第三辐射部，设置于介质基板的第一表面；以及一第四辐射部，设置于介质基板的第二表面，其中第三辐射部和第四辐射部大致朝相反方向作延伸。

在一些实施例中，第三辐射部和第四辐射部的每一者的长度皆大致等于操作频带的中心频率的0.25倍波长。

在一些实施例中，第二辐射部的一中心点和第一反射板之间具有一第一间距，而第四辐射部的一中心点和第二反射板之间具有一第二间距。

在一些实施例中，第一间距根据下列方程式作计算：

其中“D1”代表第一间距，“λ”代表操作频带的中心频率的波长，而“K4”代表介于0.7至2之间的一第四调整常数。

在一些实施例中，第二间距根据下列方程式作计算：

其中“D2”代表第二间距，“λ”代表操作频带的中心频率的波长，而“K4”代表介于0.7至2之间的一第四调整常数。

本发明提出一种新颖的天线系统。相较于传统设计，本发明的天线系统至少具有较大半功率波束宽度、较高前后比、以及较低制造成本等优势，故其很适合应用于各种各样的通信装置当中。

附图说明

图1显示根据本发明一实施例所述的天线系统的剖面图。

图2A显示根据本发明一实施例所述的天线系统的立体图。

图2B显示根据本发明一实施例所述的天线系统的剖面图。

图3显示根据本发明一实施例所述的天线系统的辐射场型图。

主要组件符号说明：

100、200 天线系统

110、210 第一天线元件

120、220 第二天线元件

130、230 介质基板

140、240 第一反射板

150、250 第二反射板

214 第一辐射部

215 第二辐射部

224 第三辐射部

225 第四辐射部

260 第三反射板

270 第一传输线

280 第二传输线

290 信号源

CP1、CP2 中心点

D1 第一间距

D2 第二间距

E1 介质基板的第一表面

E2 介质基板的第二表面

L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7 长度

LS 剖面线

X X轴

Y Y轴

Z Z轴

θ1 第一夹角

θ2 第二夹角

θ3 第三夹角

θB 半功率波束宽度

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元件。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元件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元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。

以下的公开内容提供许多不同的实施例或范例以实施本案的不同特征。以下的公开内容叙述各个构件及其排列方式的特定范例，以简化说明。当然，这些特定的范例并非用以限定。例如，若是本说明书叙述了一第一特征形成于一第二特征之上或上方，即表示其可能包含上述第一特征与上述第二特征是直接接触的实施例，亦可能包含了有附加特征形成于上述第一特征与上述第二特征之间，而使上述第一特征与上述第二特征可能未直接接触的实施例。另外，以下说明书不同范例可能重复使用相同的参考符号或(和)标记。这些重复是为了简化与清晰的目的，并非用以限定所讨论的不同实施例或(和)结构之间有特定的关系。

此外，与空间相关用词，例如“在…下方”、“下方”、“较低的”、“上方”、“较高的”及类似的用词，是为了便于描述图示中一个元件或特征与另一个(些)元件或特征之间的关系。除了在附图中绘示的方位外，这些空间相关用词意欲包含使用中或操作中的装置的不同方位。装置可能被转向不同方位(旋转90度或其他方位)，则在此使用的空间相关词也可依此相同解释。

图1显示根据本发明一实施例所述的天线系统(Antenna System)100的剖面图。例如，天线系统100可应用于一无线接入点(Wireless Access Point)当中，但亦不仅限于此。在图1的实施例中，天线系统100至少包括：一第一天线元件(Antenna Element)110、一第二天线元件120、一介质基板(Dielectric Substrate)130、一第一反射板(ReflectivePlate)140、以及一第二反射板150，其中第一天线元件110、第二天线元件120、第一反射板140、以及第二反射板150皆可用金属材质制成，例如：铜、银、铝、铁、或是其合金。

第一天线元件110和第二天线元件120的形状和种类在本发明中并不特别作限制。举例而言，第一天线元件110和第二天线元件120可各自为一单极天线(MonopoleAntenna)、一偶极天线(Dipole Antenna)、一贴片天线(Patch Antenna)、一回路天线(LoopAntenna)、一平面倒F字形天线(Planar Inverted F Antenna，PIFA)、或是一混合天线(Hybrid Antenna)。

介质基板130可为一FR4(Flame Retardant 4)基板、一印刷电路板(PrintedCircuit Board，PCB)、或是一软性电路板(Flexible Printed Circuit，FPC)，但亦不仅限于此。第一天线元件110和第二天线元件120皆设置于介质基板130上。在一些实施例中，第一天线元件110和第二天线元件120可分布于介质基板130的同一表面上。在另一些实施例中，第一天线元件110和第二天线元件120亦可分布于介质基板130的不同表面上。

第一反射板140和第二反射板150两者互相耦接，其中第一反射板140和第二反射板150之间可形成一第一夹角(Angle)θ1。大致而言，第一反射板140和第二反射板150可用于增强第一天线元件110和第二天线元件120的辐射增益(Radiation Gain)。在一些实施例中，第一反射板140和第二反射板150皆邻近于介质基板130。必须注意的是，本说明书中所谓“邻近”或“相邻”一词可指对应的二元件间距小于一既定距离(例如：10mm或更短)，亦可包括对应的二元件彼此直接接触的情况(亦即，前述间距缩短至0)。

根据实际测量结果，本发明所提的天线系统100可提供相对较大的一半功率波束宽度(Half-Power Beamwidth，HPBW)。例如，天线系统100的半功率波束宽度可介于90度至180度之间，但亦不仅限于此。在一些实施例中，天线系统100可涵盖介于2300MHz至2700MHz之间的一操作频带(Operational Frequency Band)。因此，天线系统100将至少可支持WLAN(Wireless Wide Area Network)和LTE(Long Term Evolution)的宽频操作。

以下实施例将介绍天线系统100的不同组态及详细结构特征。必须理解的是，这些附图和叙述仅为举例，而非用于限制本发明的范围。

图2A显示根据本发明一实施例所述的天线系统200的立体图。图2B显示根据本发明一实施例所述的天线系统200的剖面图(沿图2A的一剖面线LS)。请一并参考图2A、图2B。在图2A、图2B的实施例中，天线系统200包括：一第一天线元件210、一第二天线元件220、一介质基板230、一第一反射板240、一第二反射板250、一第三反射板260、一第一传输线(Transmission Line)270、一第二传输线280、以及一信号源290，其中第一天线元件210、第二天线元件220、第一反射板240、第二反射板250、第三反射板260、第一传输线270、以及第二传输线280皆可用金属材质制成。

第一天线元件210和第二天线元件220可各自为一偶极天线。详细而言，第一天线元件210包括一第一辐射部(Radiation Element)214和一第二辐射部215，而第二天线元件220包括一第三辐射部224和一第四辐射部225。另外，介质基板230具有相对的一第一表面E1和一第二表面E2。

在第一天线元件210中，第一辐射部214可设置于介质基板230的第一表面E1上，而第二辐射部215可设置于介质基板230的第二表面E2上，其中第一辐射部214和第二辐射部215可大致朝相反方向作延伸。在一些实施例中，第一传输线270同时分布于介质基板230的第一表面E1和第二表面E2上，其中信号源290可经由第一传输线270耦接至第一辐射部214和第二辐射部215，以激发第一天线元件210。

在第二天线元件220中，第三辐射部224可设置于介质基板230的第一表面E1上，而第四辐射部225可设置于介质基板230的第二表面E2上，其中第三辐射部224和第四辐射部225可大致朝相反方向作延伸。在一些实施例中，第二传输线280同时分布于介质基板230的第一表面E1和第二表面E2上，其中信号源290还可经由第二传输线280耦接至第三辐射部224和第四辐射部225，以激发第二天线元件220。必须注意的是，第一天线元件210和第二天线元件220可共同形成一天线阵列(Antenna Array)。

第一反射板240和第二反射板250两者互相耦接，其中第一反射板240和第二反射板250之间可形成一第一夹角θ1。在一些实施例中，第一夹角θ1根据下列方程式(1)作计算：

其中“θ1”可代表第一夹角θ1，“θB”可代表天线系统200的一半功率波束宽度，而“K1”可代表介于0.8至1.2之间的一第一调整常数。

在一些实施例中，第一反射板240和介质基板230之间可形成一第二夹角θ2，而第二反射板250和介质基板230之间可形成一第三夹角θ3，其中第二夹角θ2和第三夹角θ3两者可大致相等(亦即，θ2＝θ3)。

例如，天线系统200可涵盖介于2300MHz至2700MHz之间的一操作频带，但亦不仅限于此。在一些实施例中，第一反射板240的长度L1和第二反射板250的长度L2根据下列方程式(2)、(3)作计算：

其中“L1”可代表第一反射板240的长度L1，“L2”可代表第二反射板250的长度L2，“λ”可代表天线系统200的操作频带的中心频率的波长，而“K2”可代表介于0.7至2之间的一第二调整常数。

第三反射板260同时耦接至第一反射板240和第二反射板250。必须注意的是，第三反射板260设置于第一天线元件210和第二天线元件220之间。例如，第一反射板240、第二反射板250、以及第三反射板260三者的组合可大致呈现一Y字形。在一些实施例中，第三反射板260可穿透介质基板230。然而，本发明并不仅限于此。在另一些实施例中，第三反射板260可不必穿透介质基板230，而仅有第三反射板260的一部分耦接至第一反射板240和第二反射板250。根据实际测量结果，第三反射板260的加入有助于进一步提升天线系统200的半功率波束宽度。

在一些实施例中，第三反射板260的长度L3根据下列方程式(4)作计算：

其中“L3”可代表第三反射板260的长度L3，“λ”可代表天线系统200的操作频带的中心频率的波长，而“K3”可代表介于0至1.5之间的一第三调整常数(当K3等于0时，即代表可省略掉第三反射板260)。

在一些实施例中，第一辐射部214的长度L4、第二辐射部215的长度L5、第三辐射部224的长度L6、以及第四辐射部225的长度L7根据下列方程式(5)作计算：

其中“L4”可代表第一辐射部214的长度L4，“L5”可代表第二辐射部215的长度L5，“L6”可代表第三辐射部224的长度L6，“L7”可代表第四辐射部225的长度L7，而“λ”可代表天线系统200的操作频带的中心频率的波长。

第二辐射部215的中心点CP1和第一反射板240之间具有一第一间距D1，而第四辐射部225的中心点CP2和第二反射板250之间具有一第二间距D2。在一些实施例中，第一间距D1和第二间距D2根据下列方程式(6)、(7)作计算：

其中“D1”可代表第一间距D1，“D2”可代表第二间距D2，“λ”可代表天线系统200的操作频带的中心频率的波长，而“K4”可代表介于0.7至2之间的一第四调整常数。

图3显示根据本发明一实施例所述的天线系统200的辐射场型图(RadiationPattern)(其可沿XZ平面进行测量)。根据图3的测量结果，天线系统200可提供相对较大的半功率波束宽度θB。例如，天线系统200的半功率波束宽度θB可介于90度至180度之间，但亦不仅限于此。另外，天线系统200的前后比(Front-to-Back Ratio)可达15dB或更高，此已可满足一般通信装置的实际应用需求。必须理解的是，前述的方程式(1)至(7)的设计范围是根据多次实验结果而得出，其有助于优化天线系统200的半功率波束宽度、前后比、操作频宽(Operational Bandwidth)、以及阻抗匹配(Impedance Matching)。

本发明提出一种新颖的天线系统。相较于传统设计，本发明的天线系统至少具有较大半功率波束宽度、较高前后比、以及较低制造成本等优势，故其很适合应用于各种各样的通信装置当中。

值得注意的是，以上所述的元件尺寸、元件形状、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。本发明的天线系统并不仅限于图1-图3所图示的状态。本发明可以仅包括图1-图3的任何一个或多个实施例的任何一项或多项特征。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系统当中。

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元件。

本发明虽以较佳实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，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的范围所界定者为准。

Claims (20)

1.一种天线系统，该天线系统包括：

一第一天线元件；

一第二天线元件；

一介质基板，其中该第一天线元件和该第二天线元件皆设置于该介质基板上；

一第一反射板，该第一反射板邻近于该介质基板；以及

一第二反射板，该第二反射板耦接至该第一反射板，其中该第一反射板和该第二反射板之间形成一第一夹角；

其中该天线系统提供相对较大的一半功率波束宽度。

2.如权利要求1所述的天线系统，其中该天线系统的该半功率波束宽度介于90度至180度之间。

3.如权利要求1所述的天线系统，其中该天线系统涵盖介于2300MHz至2700MHz之间的一操作频带。

4.如权利要求1所述的天线系统，其中该第一天线元件和该第二天线元件各自为一偶极天线。

5.如权利要求1所述的天线系统，其中该第一夹角根据下列方程式作计算：

其中“θ1”代表该第一夹角，“θB”代表该半功率波束宽度，而“K1”代表介于0.8至1.2之间的一第一调整常数。

6.如权利要求1所述的天线系统，其中该第一反射板和该介质基板之间形成一第二夹角，该第二反射板和该介质基板之间形成一第三夹角，而该第二夹角和该第三夹角两者大致相等。

7.如权利要求3所述的天线系统，其中该第一反射板的长度根据下列方程式作计算：

其中“L1”代表该第一反射板的该长度，“λ”代表该操作频带的中心频率的波长，而“K2”代表介于0.7至2之间的一第二调整常数。

8.如权利要求3所述的天线系统，其中该第二反射板的长度根据下列方程式作计算：

其中“L2”代表该第二反射板的该长度，“λ”代表该操作频带的中心频率的波长，而“K2”代表介于0.7至2之间的一第二调整常数。

9.如权利要求3所述的天线系统，该天线系统还包括：

一第三反射板，该第三反射板耦接至该第一反射板和该第二反射板，其中该第三反射板介于该第一天线元件和该第二天线元件之间。

10.如权利要求9所述的天线系统，其中该第一反射板、该第二反射板、以及该第三反射板的组合大致呈现一Y字形。

11.如权利要求9所述的天线系统，其中该第三反射板的长度根据下列方程式作计算：

其中“L3”代表该第三反射板的该长度，“λ”代表该操作频带的中心频率的波长，而“K3”代表介于0至1.5之间的一第三调整常数。

12.如权利要求1所述的天线系统，该天线系统还包括：

一第一传输线，其中一信号源经由该第一传输线耦接至该第一天线元件；以及

一第二传输线，其中该信号源还经由该第二传输线耦接至该第二天线元件。

13.如权利要求3所述的天线系统，其中该介质基板具有相对的一第一表面和一第二表面。

14.如权利要求13所述的天线系统，其中该第一天线元件包括：

一第一辐射部，该第一辐射部设置于该介质基板的该第一表面；以及

一第二辐射部，该第二辐射部设置于该介质基板的该第二表面，其中该第一辐射部和该第二辐射部大致朝相反方向作延伸。

15.如权利要求14所述的天线系统，其中该第一辐射部和该第二辐射部的每一者的长度皆大致等于该操作频带的中心频率的0.25倍波长。

16.如权利要求14所述的天线系统，其中该第二天线元件包括：

一第三辐射部，该第三辐射部设置于该介质基板的该第一表面；以及

一第四辐射部，该第四辐射部设置于该介质基板的该第二表面，其中该第三辐射部和该第四辐射部大致朝相反方向作延伸。

17.如权利要求16所述的天线系统，其中该第三辐射部和该第四辐射部的每一者的长度皆大致等于该操作频带的中心频率的0.25倍波长。

18.如权利要求16所述的天线系统，其中该第二辐射部的一中心点和该第一反射板之间具有一第一间距，而该第四辐射部的一中心点和该第二反射板之间具有一第二间距。

19.如权利要求18所述的天线系统，其中该第一间距根据下列方程式作计算：

其中“D1”代表该第一间距，“λ”代表该操作频带的中心频率的波长，而“K4”代表介于0.7至2之间的一第四调整常数。

20.如权利要求18所述的天线系统，其中该第二间距根据下列方程式作计算：

其中“D2”代表该第二间距，“λ”代表该操作频带的中心频率的波长，而“K4”代表介于0.7至2之间的一第四调整常数。