CN1203625C - 双单极天线 - Google Patents
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Abstract
一种双单极天线，此双单极天线至少包括：具有相对的第一表面和第二表面的基板；位于基板第一表面上的上层接地面，由第一至第三接地面构成；位于基板第二表面上的下层接地面，由第四接地面及ㄇ字形状接地面组成，其中于ㄇ字形状接地面中具有中空矩形面；以及位于基板第一表面上的第一辐射微带线和第二辐射微带线，其中第一辐射微带线和第二辐射微带线之间具有一间隔距离，且第一辐射微带线和第二辐射微带线与ㄇ字形状接地面间分别具有一对应间隔距离，而第二接地面与第一辐射微带线及第二辐射微带线之间分别形成第一和第二夹角。本发明的双单极天线能于高频中提供良好的接收与辐射场型，且能轻易搭配电路基板制成，具有极高产业应用价值。
Description
技术领域
本发明有关于一种双单极天线(Twin Monople Antenna)，特别是有关于可应用在无线通信系统中，一种以双共面波导(TwinCoplanar Waveguide)馈入的双单极天线，用以提供无线通信系统在不同操作频率时的信号的辐射与接收。
背景技术
随着通信科技的精进，通信技术在科技产品的应用上日益增加，使得相关的通信产品也日趋多样化，而且近年来消费者对通信产品的功能要求越来越高，所以许多具有不同设计和功能的通信产品不断的被提出，例如双频、三频的通信产品的一体化设计、具有无线通信的计算机网络产品等都是近来热门的趋势，再加上集成电路的技术日益成熟，使得产品的体积也逐渐倾向轻薄短小。
在通信产品中天线的主要功能是用以传送与接收信号，因此其设计与研究有其重要性，且根据不同的操作需求，通信产品所具备的功能都不尽相同，故用以辐射或接收信号的天线设计更是多样化，例如菱形天线(Rhombic Antenna)、正交叉式天线(Turnstile Antenna)、倒F型天线和平板天线等，供不同通信产品的操作需要。一般可从天线组件的操作频率、辐射场型(Radiation Pattern)、反射损失(ReturnLoss)及天线增益(Antenna Gain)等参数来获知天线的特性。
由于平板的单极天线(Monopole Antenna)具有平面化、结构简单、设计容易等特点，因此近年被大量应用于各种不同的通信系统产品。不过因传统的平板单极天线于高频操作中，未能提供通信系统或通信产品良好的信号辐射与接收功效，在现今逐渐朝向操作频率高、带宽大的通信发展趋势中，其应用范围受到一定的限制。
发明内容
鉴于上述背景技术中，于无线通信产品中，天线占有重要的地位，因其对无线通信的效能有很大的影响，所以天线的设计都朝高效益、低成本、实施简单等方面设计。而传统的平板天线具有平面化、结构简单、设计容易等特点，所以于各种通信产品中被大量应用。
本发明的主要目的为提供一种双单极天线，特别是有关于应用在无线通信系统中，一种具有双共面波导馈入的双单极天线。该双单极天线能于不同频带中操作，且因具有二支单极天线，可根据外在环境的信号强度通过射频电路进行切换，借以辐射或接收信号，故能提供更佳的天线特性给予通信产品的设计人员，让无线通信产品具有更完备的功能，更由于本发明的双单极天线能轻易搭配电路基板制成，故具有极高的产业应用价值。
根据以上所述的目的，本发明提供了一种双单极天线，可应用在无线通信系统中。本发明的双单极天线至少包括：具有相对的第一表面和第二表面的基板；位于基板第一表面上的上层接地面，是由第一接地面、第二接地面和第三接地面组成；而位于基板第二表面上的下层接地面，是由第四接地面及ㄇ字形状接地面组成，其中于ㄇ字形状接地面中具有中空矩形面(Hollow Rectangular Surface)；位于基板第一表面上的第一辐射微带线；位于基板第一表面上的第二辐射微带线，其中第一辐射微带线和第二辐射微带线之间具有一间隔距离，且第一辐射微带线和第二辐射微带线与ㄇ字形状接地面之间分别具有一对应间隔距离，而第二接地面则分别与第一辐射微带线及第二辐射微带线之间形成第一夹角和第二夹角。
本发明的双单极天线的辐射主体为两个共平面的单极辐射微带线，其中此两支单极辐射微带线之间有一间隔距离，此间隔距离视所需的天线辐射场型来决定。另外，本发明的双单极天线可分别根据两支单极辐射微带线的不同的设计参数，如长度、宽度、形状和夹角等，从而于不同的频带中操作，具有灵活的设计和运用，所需的操作频率非常容易达成。本发明的双单极天线也同时具有较低的插入损失和反射损失，能提供良好的操作特性。此外，更由于本发明的双单极天线是将辐射金属片或金属线与接地面直接印刷在电路基板，故可降低制作成本及提高制作上的方便性，具有极高的产业应用价值。
附图说明
图1为本发明的一实施例的双单极天线的立体结构示意图；
图2为根据图1的本发明一实施例的双单极天线的结构俯视图；
图3为根据图1在x方向所得的截面图；
图4为根据图1的本发明一实施例的双单极天线的结构仰视图；
图5为根据图1的本发明一实施例以A点作馈入时的反射损失的数值仿真图；
图6为根据图1的本发明一实施例以A点作馈入时的插入损失的数值仿真图；
图7为根据图5和图6的反射损失和插入损失的史密斯(Smith)数据图；
图8为根据图1的本发明一实施例操作于5.25GHz时的天线增益数据图；
图9为根据图1的本发明的一实施例以A点作信号馈入操作于5.25GHz时，x-z平面的辐射场型的数值仿真图；
图10为根据图1的本发明一实施例以A点作信号馈入操作于5.25GHz时，y-z平面的辐射场型的数值仿真图；
图11为根据图1的本发明一实施例以A点作信号馈入操作于5.25GHz时，x-y平面的辐射场型的数值仿真图。
10基板 12第一表面
14第二表面 16下层接地面
18ㄇ字形状接地面 20第四接地面
22中空矩形面 36第四接地面宽度
38上层接地面宽度 40第一金属线
42第二金属线 44第一夹角
46第二夹角 60上层接地面
62第一接地面 64第二接地面
66第三接地面 68间隔距离
70ㄇ字形状接地面宽度 72第一金属线宽度
74第二金属线宽度 76第一对应间隔距离
78第二对应间隔距离 80曲线
82曲线
具体实施方式
请同时参考图1和图2，图1为本发明一实施例的双单极天线的立体结构示意图。图2为根据图1的本发明一实施例的双单极天线的结构俯视图。在图2中，于基板10的第一表面12上分别印刷有上层接地面60、第一金属线40和第二金属线42。此上层接地面60是由第一接地面62、第二接地面64和第三接地面66组成，而具有第一金属线宽度72的第一金属线40和具有第二金属线宽度74的第二金属线42，为本发明的主要辐射天线，用以辐射和接收信号。此外，第一金属线40与第二接地面64之间具有第一夹角44，第二金属线42与第二接地面64之间具有第二夹角46，其中第一夹角44和第二夹角46的度数是依据天线的操作频率及辐射场型等参数来设计的，一般为0度至90度内。
请同时参考图1和图4，图4为根据图1的本发明的一实施例的双单极天线的结构仰视图。在基板10的第二表面14上，印刷有由第四接地面20及ㄇ字形状接地面18组成的下层接地面16，其中第四接地面20的第四接地面宽度36和图2的上层接地面60的上层接地面宽度38相同，而于ㄇ字形状接地面18中，具有中空矩形面22。
此外，如图1所示，第一金属线40和第二金属线42之间具有间隔距离68，此间隔距离68视所需的天线辐射场型来决定，一般为大于ㄇ字形状接地面18的ㄇ字形状接地面宽度70(图2标出)。而第一金属线40与第二表面14的ㄇ字形状接地面18之间具有第一对应间隔距离76，第二金属线42与第二表面14的ㄇ字形状接地面18之间具有第二对应间隔距离78。上述之间隔距离68、第一对应间隔距离76、第二对应间隔距离78、第一金属线宽度72和第二金属线宽度74等几何设计参数，都视天线的操作频率和阻抗匹配等而定。
请同时参考图1和图3，图3为根据图1在x方向所得的截面图。于本发明的一实施例的双单极天线中，主要辐射天线(即第一金属线40和第二金属线42)也可利用金属辐射微带线等辐射组件实施，基板10的材质则可采用玻纤材质(FR4)，如此可让产品的成本大为降低，同时也可于不同的操作频率中提供良好的天线操作特性。
请参考图5，为根据图1的本发明的一实施例以A点作馈入时的反射损失的数值仿真图。当本发明的双单极天线以A点作信号馈入端时，于A点量测所得的反射损失(SAA)如图5所示。当本发明的双单极天线工作于约5.25GHz，若以驻波比V.S.W.R.＝1.5来计算天线的操作带宽，则本发明的双单极天线的操作带宽约接近6.5％，而此时在B点所量测得到的插入损失(SBA)则如图6所示。
请参考图6，为根据图1的本发明一实施例以A点作馈入时的插入损失的数值仿真图。当本发明的双单极天线以A点作馈入时，在B点所量测得的插入损失约为-34dB，可看出本发明的双单极天线中的第一金属线40和第二金属线42相互之间，于高频操作时具有极佳的隔离度(Isolation)效果。另请参考图7及图8，图7为根据图5和图6的反射损失和插入损失的史密斯(Smith)数据图，于图7中的曲线80表示反射损失(SAA)的特性，曲线82则表示插入损失(SBA)的特性，而图8为根据图1的本发明的一实施例操作于不同频率时的天线增益数据图。
请参考图9、图10和图11，其中图9为根据图1的本发明的一实施例以A点作信号馈入操作于5.25GHz时，x-z平面的辐射场型的数值仿真图，图10为根据图1的本发明的一实施例以A点作信号馈入操作于5.25GHz时，y-z平面的辐射场型的数值仿真图，图11为根据图1的本发明的一实施例以A点作信号馈入操作于5.25GHz时，x-y平面的辐射场型的数值仿真图。
从图11可得知，本发明的一实施例的x-y平面的辐射场型于Φ为约90°至约180°间时(此为第二金属线42的位置)，辐射场型则较小，显示出第一金属线40和第二金属线42相互之间，具有极佳的隔离度，即表示当第一金属线40或第二金属线42在发射或接收不好时，另一金属线并不会受到其影响，而有一定程度的辐射表现，如此可通过切换模块，如射频电路(未绘示)等，切换进行辐射或接收操作的金属线，所以本发明的双单极天线能提供良好的辐射及接收电波信号的范围，提高天线的操作特性。
本发明的优点在于提供了一种双单极天线，特别是有关于可应用在电路基板中，一种以双共面波导馈入的双单极天线。通过调整两个单极辐射天线的长度、宽度、形状和夹角等，可使本发明的双单极天线能轻易操作于所需的工作频率。此外，由于两个单极辐射天线之间具有良好的隔离度，比一般微带天线更能提供宽广的辐射场型，以及低插入损失及反射损失，所以本发明的双单极天线的阻抗匹配极佳，能提供优良的操作特性。而且，本发明的双单极天线的结构简单，能轻易搭配电路基板，直接将辐射金属片或金属线与接地面直接印刷在电路基板上制成，此方式可提高制作上的方便性及达到天线缩小化的目的。因此，本发明的双单极天线的应用广泛，且成本低廉，具有极高的产业应用价值。
Claims (10)
1.一种双单极天线，以双共面波导作馈入且用于无线通讯系统中，其特征是，该天线至少包括：
基板，至少具有第一表面和第二表面，且该第一表面和该第二表面分别位于该基板两侧；
接地面，至少包括上层接地面和下层接地面，其特征是，该上层接地面位于该基板的该第一表面上，该下层接地面位于该基板的该第二表面上，且该下层接地面是由第四接地面和ㄇ字形状接地面所组成；
第一辐射天线，位于该基板的该第一表面上，其特征是，该第一辐射天线具有第一宽度，且与该上层接地面之间形成第一夹角；以及
第二辐射天线，位于该基板的该第一表面上，其特征是，该第二辐射天线具有第二宽度，且与该上层接地面之间形成第二夹角，该第二辐射天线和该第一辐射天线之间具有间隔距离。
2.如权利要求1所述的双单极天线，其特征是，上述的ㄇ字形状接地面中具有中空矩形面。
3.如权利要求1所述的双单极天线，其特征是，上述的第一辐射天线与该ㄇ字形状接地面之间具有第一对应间隔距离。
4.如权利要求3所述的双单极天线，其特征是，上述的第二辐射天线与该ㄇ字形状接地面之间具有第二对应间隔距离。
5.如权利要求1所述的双单极天线，其特征是，上述的基板为玻纤材质基板。
6.如权利要求1所述的双单极天线，其特征是，上述的第一辐射天线为第一金属辐射微带线。
7.如权利要求6所述的双单极天线，其特征是，上述的第二辐射天线为第二金属辐射微带线。
8.如权利要求1所述的双单极天线，其特征是，上述的第一、二夹角的角度均在0度至90度之间。
9.如权利要求1所述的双单极天线，其特征是，上述的第一辐射天线的该第一宽度和该第二辐射天线的该第二宽度相同。
10.如权利要求1所述的双单极天线，其特征是，上述的第一夹角的角度和该第二夹角的角度相同。
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