CN1264250C

CN1264250C - 双频单极天线

Info

Publication number: CN1264250C
Application number: CNB021277354A
Authority: CN
Inventors: 方士庭; 董浩钧; 翁金辂
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2002-08-07
Filing date: 2002-08-07
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2022-08-07
Also published as: CN1474478A

Abstract

一种双频单极天线，包括微波基板、辐射元件及传输线。辐射元件可由中央辐射体及数个辐射臂组合而成，中央辐射体用以产生一谐振模态，辐射臂则用以产生另一谐振模态，使双频单极天线可操作于两个不同的频率。在实际应用上，可将每一辐射臂对称设置且夹靠于中央辐射体相对应的两侧边，并借由辐射臂与中央辐射体之间的电磁耦合效应使阻抗匹配良好。此外，设置多数个辐射臂可强化天线的辐射特性，达到提高天线增益的目的。

Description

双频单极天线

技术领域

本发明是有关于一种双频天线，且特别是有关于一种双频单极天线。

背景技术

近年来随着通讯业的蓬勃发展，各式的无线产品也如雨后春笋般地出现。以当前极为热门的无线区域网路(Wireless local area network)为例，其相关产品就具有相当高的市场价值，广为业界所瞩目。在无线系统中，天线设计是相当关键的一环，目前适用于无线区域网路的通讯产品，多采用长直形导体的单极天线(monopole antenna)设计；由于此等天线设计于双频操作时的结构复杂且体积较大，因此实用价值有限。再者，此等天线设计通常需要外加匹配电路才能达成良好匹配，使得制作成本较高。

另一方面，由于较高频的无线信号(如5.2GHz)传播时容易受地形地物等环境因素影响而迅速衰减，因此高频信号的传输距离与信号品质将大受影响。故在无线通讯系统的应用中，除了考虑天线是否能提供双频操作的便利性之外，更应该注意天线增益在高频时是否能予以提升，使整个通讯系统在高频操作时依然能提供良好的信号品质，这是目前亟待努力的方向。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的就是在提供一种双频单极天线，以降低制作成本。

本发明的另一目的就是在提供一种双频单极天线，使其具有双频操作及高天线增益的特点。

根据本发明的目的，提出一种双频单极天线，此装置的简述如下：

双频单极天线可采用微波基板加以制作，并利用印刷或蚀刻等技术将辐射元件成形于微波基板的表面。辐射元件可由中央辐射体及数个辐射臂组合而成，中央辐射体用以产生一谐振模态，辐射臂则用以产生另一谐振模态，使双频单极天线可操作于两个不同的频率。在实际应用上，可将每一辐射臂对称设置且夹靠于中央辐射体相对应的两侧边，并借由辐射臂与中央辐射体之间的电磁耦合效应使谐振模态的阻抗匹配良好。此外，设置多数个辐射臂可强化天线的辐射场型，达到提高天线增益的目的。

为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1所示为依照本发明一较佳实施例所提供的一种双频单极天线示意图。

图2所示为图1中辐射元件的组成示意图。

图3所示为图1中双频单极天线的返回损失(return loss)测量结果。

图4所示为图1中双频单极天线操作于2.4GHz频带的天线增益测量结果。

图5所示为图1中双频单极天线操作于5.2GHz频带的天线增益测量结果。

图6所示为图1的辐射元件的一种变形。

图7所示为图1的辐射元件的另一种变形。

标号说明

10：微波基板

11：双频单极天线

21，22，23：谐振模态

110：中央辐射体

133，135：辐射臂

150：微带线

610：中央辐射体

710：中央辐射体

713，715：辐射臂

Gnd：接地面

具体实施方式

请参照图1，其所示为依照本发明一优选实施例所提供的一种双频单极天线示意图。双频单极天线11可利用微波基板10加以制作，其中辐射元件100可借由蚀刻或印刷等技术形成于微波基板10的表面，用以产生两个不同的谐振模态，使天线能操作于两个不同的频率。在信号传输方面，若设计时采用微带线(microstrip line)作为传输线(transmission line)，则可于微波基板10的正面设置与辐射元件100相连的微带线150，而在微波基板10的背面设置与微带线150相对应的接地面Gnd。当然亦可利用其他类型的传输线连接至辐射元件100以传输天线信号，例如共平面波导(coplanarwaveguide，CPW)或同轴电缆(coaxial cable)等，为业内人士可推知。

接着请参照图2，其所示为辐射元件100的组成。辐射元件100可包括中央辐射体110及辐射臂133，135，中央辐射体110用以产生第一操作频率的谐振模态，而辐射臂133，135用以产生第二操作频率的谐振模态。设计时，可以让中央辐射体110的长度大于辐射臂133，135的长度，使中央辐射体110谐振在较低的频率。以无线区域网路的应用为例，由于天线必须具有2.4GHz及5.2GHz两个操作频率，故可令中央辐射体110的长度约为2.4GHz的1/4波长，而辐射臂133，135的长度各约为5.2GHz的1/4波长。需要注意的是，辐射臂133与辐射臂135是对称设置，且具有一特定角度的折弯，使两辐射臂能夹靠于中央辐射体110相对应的两侧边，以产生电磁耦合效应。以图2为例，中央辐射体110为矩形结构，故辐射臂133与辐射臂135需要约90度的折弯，使辐射臂133与辐射臂135分别夹靠于中央辐射体110的左侧与右侧。因辐射臂133，135与中央辐射体110的距离相当接近(但不可直接接触)，故辐射元件100被激发时，辐射臂133，135与中央辐射体110之间便可形成电磁耦合效应，使谐振模态的阻抗匹配的更加完美。

借由电磁耦合效应使阻抗匹配良好是十分重要的条件。由于中央辐射体110与辐射臂133，135是共用相同的信号馈入点，因此在设计时必须使中央辐射体110与辐射臂133，135同时达到良好的阻抗匹配，天线才具有双频操作的特点；为使中央辐射体110与辐射臂133，135均匹配良好，电磁耦合是必要的条件之一。换句话说，若辐射臂133，135与中央辐射体110的距离大至能量无法耦合，便不能使中央辐射体110与辐射臂133，135同时达到阻抗匹配良好。在实验中发现，若电磁耦合效应不存在，则中央辐射体110阻抗匹配时辐射臂133，135的阻抗匹配特性变差，使得第一谐振模态的操作频宽变小。或辐射臂133，135阻抗匹配时中央辐射体110的阻抗匹配特性较差，使得第二谐振模态的操作频宽减小。如此一来，天线就无法同时操作在两个阻抗匹配良好的谐振模态。

另一方面，为使天线具有高增益(gain)的操作特性，设置多数个(两个或以上)辐射臂是必要的。辐射臂133与辐射臂135可对称设置且朝相同的方向(以图2为例即y方向)延伸，使辐射场型在方位角平面均接近全向性(omnidirectional)。由于本发明不需加入额外的匹配电路即可得到良好的阻抗匹配，因此能以低廉的制作成本制作出双频天线。

综观以上所述，为使天线具有双频操作及高增益的特点，必须同时具备两个条件：其一，必须设置多数个辐射臂，以强化辐射场强度；其二，这些辐射臂必须与中央辐射体之间存在电磁耦合效应。

图3为双频单极天线11的返回损失(return loss)测量结果。微波基板10的相对介电系数约为4.4，厚度约为0.4mm，长度约为57mm。中央辐射体110的长度约为25mm，被激发时可产生谐振模态21及谐振模态23，谐振模态21所对应的操作频率约为2.4GHz，谐振模态23为谐振模态21的二倍频模态。另一方面，辐射臂133与辐射臂135的长度约为13mm，被激发时可产生谐振模态22，所对应的操作频率约为5.2GHz。在频宽方面，以电压驻波比(voltage standing wave ratio，VSWR)等于1.5或14dB返回损失阻抗频宽的定义，操作于2.4GHz时频宽为112MHz，操作于5.2GHz的频宽为310MHz，分别满足无线区域网路系统于2.4GHz(2.4～2.484GHz)及5.2GHz(5.15～5.35GHz)的操作频宽要求。

图4为双频单极天线11操作于2.4GHz频带的天线增益测量结果，显示出天线增益最高可达2.1dBi。图5为双频单极天线11操作于5.2GHz频带的天线增益测量结果，显示出天线增益最高可达5.7dBi。由图4及图5可以看出，本发明所提出的双频单极天线除具备双频操作的特点外，高频操作时更具有高增益的特性。

当然，只要中央辐射体与辐射臂的相对关系满足上文所提及的条件，中央辐射体及辐射臂的外观有些许变形是被允许的。例如图6的中央辐射体610的宽度呈线性(linear)递增，图7的中央辐射体710的宽度呈步阶式(step)递增，辐射臂713，715的宽度呈线性递增，均不影响本发明的可实施性。抑或是辐射臂713，715的宽度亦呈步阶式递增，或于中央辐射体及辐射臂的边缘或内部设置开槽(slot)或切口(slit)以缩小产品尺寸，都是可行的方案，仍不脱离本发明的精神。

本发明上述实施例所披露的双频单极天线，于达成2.4GHz及5.2GHz的双频带操作下，天线宽度仅约为12mm，与一般长直形导体的单极天线接近，非常适合提供相关无线区域网路系统的双频带操作。此外，本发明天线于方位角平面上的辐射场型非常接近于全方向性，且天线的两个操作频带内均有良好的天线增益表现，低频与高频的天线增益分别约为2.1dBi与5.7dBi，非常适合应用于现今的无线区域网路系统的基地台(base station oraccess point)上。

单极天线通常被使用在体积小的无线通讯产品上，由于单极天线利用四分之一操作波长来谐振的原理，比起偶极(dipole)天线所使用的二分之一波长的谐振长度减少一半，故单极天线被广泛地应用在轻薄短小的无线通讯产品上。

在过去传统的技术里，单极天线是以绝缘的介质材料来包覆长直形的金属导体所形成，故在外观上多为长直的柱状体，除了体积较大之外，制造成本也较为昂贵。本发明中除了提出一种制作成本十分低廉的平面单极天线外，并提供双频带操作以及维持天线长度在四分之一波长不变的情形下，使天线可以拥有高增益特性的设计，来改进传统柱状偶极天线设计在双频带操作的不实用特性以及需要使用增加天线长度的方式来提升天线增益等的诸多缺点。

综上所述，虽然本发明已以一优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何业内人士，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims

1.一种双频单极天线，包括：

一微波基板；

一辐射元件，形成于该微波基板的表面，用以产生一第一谐振模态及一第二谐振模态，使该双频单极天线具有一对应于该第一谐振模态的第一操作频率以及一对应于该第二谐振模态的第二操作频率，该辐射元件包括：

一中央辐射体，用以产生该第一谐振模态；及

多个辐射臂，用以产生该第二谐振模态，该些辐射臂是对称设置且夹靠于该中央辐射体相对应的两侧边，以令该些辐射臂与该中央辐射体间产生电磁耦合效应，其中该些辐射臂是朝相同的方向延伸；以及

一传输线，耦接至该中央辐射体及该些辐射臂以传输天线信号。

2.如权利要求1所述的双频单极天线，其中该第一操作频率低于该第二操作频率。

3.如权利要求2所述的双频单极天线，其中该第一谐振模态的操作频率为2.4GHz，该第二谐振模态的操作频率为5.2GHz。

4.如权利要求1所述的双频单极天线，其中该中央辐射体的长度为该第一操作频率所对应波长的四分之一。

5.如权利要求1所述的双频单极天线，其中该些辐射臂的长度为该第二操作频率所对应波长的四分之一。

6.如权利要求1所述的双频单极天线，其中该传输线是微带线。

7.如权利要求1所述的双频单极天线，其中该传输线是同轴电缆。

8.如权利要求1所述的双频单极天线，其中该传输线是共平面波导。

9.如权利要求1所述的双频单极天线，其中该中央辐射体为矩形。

10.如权利要求1所述的双频单极天线，其中该中央辐射体的宽度呈步阶式递增。

11.如权利要求1所述的双频单极天线，其中该中央辐射体的宽度呈线性递增。

12.如权利要求1所述的双频单极天线，其中该些辐射臂的宽度固定。

13.如权利要求1所述的双频单极天线，其中该些辐射臂的宽度呈线性递增。