CN1254882C - 能够提供双频服务的多层平板天线 - Google Patents

Abstract

一种能够提供双频服务的多层平板天线，以达到以一个天线能同时发送两种频率的需求。该多层平板天线包含一印刷电路板以及二堆栈层。该印刷电路板包含有一底板，一金属层设于该底板的上侧，以及一微带线设于该底板的下侧。该金属层上设有二开槽，该微带线是用来将无线电讯号传输至该二开槽以于该二开槽与覆盖在其上的堆栈层中间产生谐振，无线电讯号会以垂直该二堆栈层的方向向外发送以达到高指向性。

Description

能够提供双频服务的多层平板天线

技术领域

本发明提供一种多层平板天线，特别是一种能够提供双频服务的多层平板天线。

背景技术

网络的蓬勃发展，已使得数据、信息得以快速地交流累积，让大量的技术、知识能有效率地传播、分享。近年来，无线网络(wireless network)的迅速发展，更是让使用者能随时随地存取网络资源，使信息发展更深入工作、生活的每一层面。无线网络的特征之一，就是摆脱了有线网络中实体网络传输线的束缚，使得网络的终端机能使用电磁波或是红外线等无线方式传输数据，以联网至无线网络、存取网络资源。在无线网络系统中，各网络服务器是通过控制站(access point)来发射、接收无线数据讯号，以便用无线的方式提供网络资源及服务。同理，要存取利用无线网络资源及服务，要联网的终端机本身也要具有无线发射、接收数据讯号的能力。像是一般做为终端机的个人计算机或是笔记本计算机，就能加装无线网络卡来扩充其无线网络功能。

而无线网络所能服务的范围以及区域则跟控制站的设计有极大关系。这其中，牵涉最大的就在于控制站内部天线的设计。其中，如果天线结构采用多层平板天线，将可获得高增益以及高频宽的效果。

请参照图1，图1为传统多层平板天线10的示意图。多层平板天线10包含有一堆栈层18，一印刷电路板30以及一馈入线(feed line)38。堆栈层18是由一第一平板层20，一第一填料层22，一第二平板层24，一第二填料层26所组成，而采用此多层平板天线可使此平板天线达到宽频效果。印刷电路板30的上层是一接地层28，接地层28的下侧是一底板(substrate)32，底板32的下侧设有一微带线(microstrip line)34，其电连接至馈入线38，并由此接受无线电讯号的输入。接地层28具有一开槽(slot)36，其位于堆栈层18的正下方，并横跨微带线34。

当多层平板天线10欲发送无线电讯号时，无线电讯号会先由馈入线38输入微带线34，并向开槽36位置的方向传递；无线电讯号在耦合馈入开槽36之后，会在覆盖于其上的堆栈层18与开槽36本身之间构成一谐振腔，以提供输入的无线电讯号在此处谐振，而谐振的无线电讯号会从垂直于堆栈层18的方向向外发送。

多层平板天线10是一应用多年的成熟技术。以IEEE 802.11b的2.4GHz频率为例，经量测天线增益可达到约6dBi～9dBi，而频宽亦可超越一般天线设计15％以上，足可符合IEEE 802.11b的2.4GHz频率需求；而适用于IEEE802.11a的5.25GHz频带的天线设计亦可以相同结构达成高增益天线的设计。而目前的IEEE 802.11模块芯片设计已开发IEEE 802.11b与近来发展的IEEE 802.11a共同的模块，亦即此智能型模块可以2.4GHz或是5.25GHz的频率与其它控制站中IEEE 802.11b或是IEEE 802.11a的模块互通。但在此前提下，前述的多层平板天线10的特性则不敷使用。而微波频段的利用日趋繁复，以无线网络目前最通用的IEEE 802.11标准为例，除了目前通用的IEEE 802.11b的2.4G ISM频段以及更进一步发展中的IEEE 802.11b的5.25GHz频段，更有甚者，5.4GHz～5.8GHz亦已为欧洲标准的HyperLAN-2所应用。也因此，如果要减少控制站的成本，势必须要发展出一种能够同时收发多种频率的天线。

发明内容

因此本发明的目的是要提供一种能够提供双频服务的多层平板天线，以达到以一个天线能同时发送两种频率的需求。

该多层平板天线包含一印刷电路板以及二堆栈层。该印刷电路板包含有一底板，一金属层设于该底板的上侧，以及一微带线设于该底板的下侧。该金属层上设有二开槽，该微带线是用来将无线电讯号传输至该二开槽以于该二开槽与覆盖在其上的堆栈层中间产生谐振，无线电讯号会以垂直该二堆栈层的方向向外发送以达到高指向性。

采用本发明的双频多层平板天线，可同时收发两种频率，并因其多层平板天线的结构而具有高指向性，使用者除可在用于户外的点对点通讯用外，室内的壁挂式及天花板下装置亦可利用此种高增益、高指向性支平板式天线设计，以提升通讯品质。

附图说明

图1是传统多层平板天线的示意图。

图2是本发明多层平板天线的示意图。

图3为本发明中的多层平板天线的双频讯号电压驻波比量测结果的示意图。

图4为本发明中的多层平板天线在2.4GHz下的场型增益图。

图5为本发明中的多层平板天线在5.25GHz下的场型增益图。

符号说明

10    多层平板天线    48    第二层A填料

18    堆栈层          50    第二堆栈层

20    第一平板层      52    第一层B平板

22    第一填料层      54    第一层B填料

24    第二平板层      56    第二层B平板

26    第二填料层      58    第二层B填料

28    接地面          60    第二开槽

30    印刷电路板      62    第一开槽

32    底板            64    印刷电路板

34    微带线          66    接地层

36    开槽            68    底板

38    多层平板天线    70    微带线

40    第一堆栈层      72    馈入线

42    第一层A平板     80    调整线

44    第一层A填料

46    第二层A平板

具体实施方式

请参照图2，图2是本发明多层平板天线38的示意图。多层平板天线38包含有一第一堆栈层40，一第二堆栈层50，一印刷电路板64以及一馈入线(feed line)72。第一堆栈层40包含一第一A平板层42，一第一A填料层44，一第二A平板层46以及一第二A填料层48；第二堆栈层50包含一第一B平板层52，一第一B填料层54，一第二B平板层56以及一第二B填料层58。第一堆栈层40与第二堆栈层50可使此平板天线达到宽频效果。印刷电路板64的上层是一接地层66，其下侧是一底板(substrate)68，底板68的下侧具有一微带线70，电连接至馈入线72，并由此接受无线电讯号的输入。接地层66具有一第一开槽(slot)62位于第一堆栈层40的正下方，以及一第二开槽(slot)60位于第二堆栈层50的正下方，二开槽62、60均横跨微带线70。第一开槽62与覆盖于其上的第一堆栈层40会在之间形成一第一谐振腔，同样地，第二开槽60与覆盖于其上的第二堆栈层50会形成一第二谐振腔。第一开槽62的缺口大小较第二开槽60来的小；同样地，覆盖在第一开槽62上的第一堆栈层40的面积亦较覆盖在第二开槽60上的第二堆栈层50来的小，原因在于第一开槽62与其上的第一堆栈层40所形成的第一谐振腔是提供给较高频率的无线电讯号使用，而第二谐振腔是提供给较低频率的无线电讯号使用。在本实施例中，较高频率的无线电讯号是指IEEE 802.11a所规范的频率为5.25GHz的载波，而较低频率的无线电讯号是指IEEE 802.11b所规范的频率为2.4GHz的载波。

当平板天线38欲发送双频的无线电讯号时，首先会将该双频的无线电讯号由馈入线72输入微带线70中，并向第一开槽62以及第二开槽60位置的方向传递；其中较高频的5.25GHz无线电讯号在耦合馈入第一开槽62之后，会在第一谐振腔里进行谐振，而谐振的无线电讯号会从垂直于第一堆栈层40的方向向外发送；而较低频的2.4GHz无线电讯号在耦合馈入第二开槽60之后，会在第二谐振腔里进行谐振，而谐振的较低频的无线电讯号会从垂直于第二堆栈层60的方向向外发送。

对一双频天线的设计，单一输入埠，及单一馈入点可使两不同频带共享为其特性，以前述例子对2.4GHz与5.25GHz频率为使其经由同一馈入线，到达其不同馈入点，而在其不同的谐振结构产生不同频率的谐振达成天线效果。本构想采用图2的馈入结构，讯号由微带天线进入后，经第一开槽62时，较高频率讯号如5.25GHz的IEEE 802.11a无线电讯号便可由此馈入并在第一谐振腔内谐振，而较低频率讯号如2.4GHz的IEEE 802.11b无线电讯号便在第二谐振腔内谐振。也因此，高低频讯号是否馈入该开槽是由该开槽的几何形状设计及整体结构的阻抗值决定。此实施例中的第一开槽62就具有能与高频5.25GHz匹配的阻抗，讯号经第一开槽62及第二开槽60分别进入第一谐振腔以及第二谐振腔的两个平板结构间谐振，第一谐振腔与第二谐振腔的堆栈层几何形状则依要谐振的频率决定来调整其边长各约λ_low/2以及λ_high/2。

在此实施例中，由于所服务的2.4GHz以及5.25GHz两种无线电讯号的频率的波长相差甚大，故2.4GHz的讯号在通过第一开槽62时，对此较低频无线电讯号通过的阻抗值，尚不致有太大的变异，各讯号仍可循如图2所示的微带线70传达至第二开槽60的馈入点，而不致因为阻抗的不匹配而在第一开槽62造成太大的反射损失。但若在其它实施例中，要服务的双频是一频带相近的应用设计，也就是假设两频率fh，fz其相对应的波长λh，λz相差不大时，λ_low的较低频无线电讯号会在通过第一开槽62时将会因阻抗不匹配而产生反射，并造成该无线电讯号衰减。为使低频讯号能由阻抗值为50Ω的微带线70经第一开槽62时不反射，可在第一开槽62与第二开槽60间的微带线70上建置一调整线(tuning stub)80，并依照各开槽阻抗，服务频率以及微带线70的阻抗值来决定调整线80的阻抗值，并依该阻抗值来决定所对应的几何形状以及建置位置，使得较低频的无线电讯号讯号由50Ω的微带线70馈入后至第二开槽60之间可达到阻抗匹配的需求。其中调整线80可为开路式(open stub)或接地的短路式(short stub)。而在第一开槽62与第二开槽60间的微带线70可做类似转换器(transformer)的作用。

请参照图3，图3为本发明中的多层平板天线38的双频讯号电压驻波比(VSWR)量测结果的示意图。请参照图4以及图5，图4为本发明中的多层平板天线38在2.4GHz下的场型增益图；图5则为本发明中的多层平板天线38在5.25GHz下的场型增益图。由图3可之，多层平板天线38所对应预定服务的IEEE 802.11b与IEEE 802.11a双频讯号的电压驻波比(VSWR)经过量测结果，其中2.4GHz及5.25GHz的3dBi频宽可达15％以上。且根据图4以及图5可知，本发明中双频讯号的辐射场型，及其天线增益值可知其3dBi的束宽(beamwidth)可达60度。因此，本发明的多层平板天线38具有高指向性，高频宽以及高增益的效果，进而能服务较大的面积。而采用本发明的双频天线的无线网络产品，不论是在一般办公场所，或是在家里使用均可置于该场所的各个角落，并以本发明的双频天线的高指向性，以及大面积的服务范围而达到处处可上网的需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，均应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种平板天线，其包含：

一印刷电路板，其包含：

一底板；

一金属层，设于所述底板的上侧，所述金属层上设有一第一开槽及一第二开槽；以及

一微带线(microstrip line)，设于所述底板的下侧，用来将无线电讯号传输至所述二开槽以于所述二开槽中产生谐振；

一第一堆栈层，设于所述第一开槽的上方，用来于所述第一开槽形成一第一谐振腔；以及

一第二堆栈层，设于所述第二开槽的上方，用来于所述第二开槽形成一第二谐振腔；

2.如权利要求1所述的平板天线，其中每一堆栈层包含两平板层以及两填料层。

3.如权利要求1所述的平板天线，其中所述第一开槽小于所述第二开槽，所述第一开槽是用来馈入较高频的无线电讯号并使其产生谐振，所述第二开槽是用来馈入较低频的无线电讯号并使其产生谐振。

4.如权利要求3所述的平板天线，其中所述第一开槽是用来馈入符合IEEE 802.11a的无线电讯号并使其产生谐振，所述第二开槽是用来馈入符合IEEE 802.11b的无线电讯号并使其产生谐振。

5.如权利要求1所述的平板天线，其中所述微带线横跨所述二开槽。

6.如权利要求5所述的平板天线，其中所述微带线是与所述二开槽相垂直。

7.如权利要求1所述的平板天线，其中所述微带线包含有一调整线。

8.如权利要求1所述的平板天线，其中无线电讯号是经由一馈入线馈入所述微带线。

9.如权利要求1所述的平板天线，其中所述金属层接地。

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