CN1521887A - 平面式多频段全向性辐射场型天线 - Google Patents

Abstract

本发明是一种平面式多频段全向性辐射场型天线，该天线是在一介电质基底材料的前后两面，分别印制一微带线及复数个由该微带线的纵向两侧延伸出的辐射体，各该辐射体是对称地排列在该微带线的纵向轴两侧，其上包括两个以上的条状导体，各该条状导体的长度约短于所欲设计的各频段的中心频率波长的四分之一(即1/4)，以形成多频段扼流圈及多频段辐射体，并令多个频段间不具谐波关系，此外，本发明尚可透过适当改变各该条状导体的形状，调整彼此间的寄生效应，以得到更佳的多频段共振效果，令该天线不仅具有全向性辐射场型，更具有较高的天线增益，特别适于应用在微波频率上。

Description

平面式多频段全向性辐射场型天线

技术领域

本发明涉及一种辐射场型天线，特别涉及一种可利用印刷技术制作在一介电质基底材料上，以产生多频段全向性辐射场型的天线。

背景技术

传统无线通信装置上所使用的天线，一般均属同轴缆线套管式偶极天线(Sleeve antenna)，参阅图1所示，该种天线包括一同轴缆线10，该同轴缆线10包含一内导体14(或称心轴)与外导体16(或称遮蔽网或地线)，该内导体14与外导体16间是藉一绝缘介电质材料17隔开，以令该同轴缆线10的该内导体14与外导体16形成一电磁学上所称的同心导体。另，该同轴缆线10的外缘包覆有一绝缘外皮19，其一端是连接到一无线通信装置的控制电路上(图中未显示)，其另一端上则套设有一金属套管18，该金属套管18是与该外导体16共轴心，且该金属套管18仅上端是与该外导体16相连接，该金属套管18的其余部份是藉该绝缘外皮19的区隔，而未与该外导体16相连接，该同轴缆线10的另一端并由该内导体14延伸出一段导体12，该导体12是延伸至该金属套管18外，其长度约等于该金属套管18的长度，但二者均略短于操作频率波长的四分之一(1/4λ，λ代表操作频率的波长)，如此，该金属套管18与该外导体16间将形成另一同心导体，可用以阻止该外导体16外侧泄漏电流所产生的辐射干扰，构成一平衡对不平衡的转换器(balun)，令该同轴缆线套管式偶极天线产生预期的天线辐射。

一般而言，在移动式或携带式的无线通信装置中，如：现今普遍使用的移动电话，均必须安装一全向辐射场型性天线，以令该种无线通信装置能维持360度方位角(Azimuth)的通讯，而前述的偶极天线即为该种无线通信装置上最普遍被选择安装的天线，该等偶极天线并被普遍安装于用以接收或发射高(HF)、超高频(VHF)及极高频(WHF)等频段讯号的无线通信装置上，其基本结构主要是利用金属管，在同轴缆线套管式偶极天线上，设计出一平衡对不平衡的转换器(Balun)，此外，为提高天线增益，以维持全向性辐射场型，一般均会利用同轴共线式(Collinear)结构，设计该种同轴缆线套管式偶极天线。

近年来，由于行动通讯产品的市场需求大增，使得无线通讯的发展更为快速，在众多无线通讯标准中，最引人注目者乃IEEE802.11无线区域网路(WirelessLocal Area Network)协定，IEEE802.11协定是制定于1997年间，该协定不仅提供了通讯上许多前所未有的功能，还提供了可令各种不同厂牌的无线产品得以相互沟通的解决方案，该协定的制定无疑为无线通讯的发展，开启了一个新的里程碑。然而，在2000年8月间，IEEE为令802.11协定能成为IEEE/ANSI及ISO/IEC间的一联合标准，乃对其作了更进一步的修订，其修订内容中增加了二项重要的内容，即IEEE802.11a协定及IEEE802.11b协定，根据该二协定的规定，在扩展的标准实体层中，其工作频带必须分别设置在5GHz与2.4GHz，故当一无线通讯产品欲同时使用该二种无线通讯协定时，习知的同轴缆线套管式偶极天线即无法满足此一须求，而必需根据频带上的要求，安装多个天线，然而，此举不仅增加了零件成本、安装程序，更需在该无线通讯产品上腾出较多的空间，以安装该等天线，致该无线通讯产品的体积始终无法轻易缩小，以符合轻薄短小的设计趋势。

因此，近年来，许多无线通讯产品的设计及制造业者，在研发其所谓的双频或多频段通讯产品时，均欲藉开发出一种能提供二个以上工作频段的天线，使在将该多频段天线使用于该等无线通讯产品上时，可有效减少天线的数量及其所占用的空间。然而，目前市面上所看到的多频段天线，无论是晶片型天线(Chip Antenna)，或利用印刷技术所制作的微带天线(Printed Antenna)，在工作频带于5GHz上的表现，皆不够理想，或虽有部份天线符合天特性上的要求，但天线的尺寸却过于庞大，或结构过于复杂，如：美国第4,509,056号专利所揭露的结构，徒增制作、加工及组装的成本，并造成安装空间上无谓地浪费，或仅具有单一元件的辐射场型，不易达到全向性的要求。此外，由于微波频率的波长较短，故在制造微波天线时，其变易性(variation相对较高，极易导致生产良率降低。

发明内容

有鉴于前述传统天线，尺寸庞大、结构复杂、不易达到全向性辐射或良率较低等缺点，发明人乃根据多年来从事天线制造的技术经验，及所累积的专业知识，针对上述缺失，悉心研究各种解决方案，并经不断研究、实验与改良后，终于开发设计出本发明的一种平面式多频段全向性幅射场型天线。

本发明的一目的，是在一介电质基底材料的前后两面，分别印制一微带线及复数个由该微带线的纵向轴向两侧延伸出的辐射体，各该辐射体是对称地排列在该微带线的纵向轴两侧，其上包括两个以上的条状导体，各该条状导体的长度约短于所欲设计的各频段的中心频率波长的四分的一(即1/4)，以形成多频段扼流圈(Choke)及多频段辐射体，并令多个频段间不具谐波关系。

本发明的另一目的，是在提供一种适合应用于多频段微波频率上的平面印刷式天线结构，该天线结构的辐射场型含盖360度全向性方位角，且是利用印刷方式制作于一介电质基底材料上，故可降低生产上的变易性，可提高生产良率及效率，并降低生产成本。

本发明的又一目的，是在提供一种采用同轴共线式的天线结构，使在多频段的情形下，可有效补偿天线增益，令其不仅具有与习知偶极天线相似的全向性辐射场型(方位角)，更具有较习知偶极天线高的天线增益，特别适于微波频率的应用。

本发明的又另一目的，是在可透过适当改变各该条状导体的形状，调整彼此间的寄生(parastic)效应，以得到更佳的多频段共振效果。

为实现上述目的，本发明提供一种平面式多频段全向性幅射场型天线，包括：

一介电质基底材料；

二微带线，其中一第一微带线是印制在该介电质基底材料之前侧面，作为讯号传输线，一第二微带线是印制在该介电质基底材料之后侧面，对应于该第一微带线的位置，作为一延伸导体；

复数个辐射体，各该辐射体是分别由各该微带线的纵向轴向两侧延伸，对称地排列在各该微带线的纵向轴两侧，其上分别包括两个以上的条状导体。

该第一微带线的一端是作为讯号输入端，该第一微带线的另一端则由其纵向轴向两侧延伸出二辐射体，各该辐射体是对称地排列在该第一微带线的纵向轴两侧，其上分别包括两个以上的条状导体。

该第二微带线上对应于该讯号输入端的一端，由其纵向轴向两侧延伸出二辐射体，该第二微带线的另一端则由其纵向轴向两侧延伸出另二辐射体，各该辐射体是对称地排列在该第二微带线的纵向轴两侧，其上分别包括两个以上的条状导体。

各该辐射体上所设的条状导体均是平行于该等微带线，且其中印制在第二微带线的该另一端的该另二辐射体中的各该条状导体的延伸方向，是分别与其它辐射体上的各该条状导体的延伸方向相反。

该第一微带线的适当位置处，由其纵向轴向两侧延伸出另二辐射体，各该另二辐射体是对称地排列在该第一微带线两侧，且分别包括两个以上的条状导体，各该条状导体均是平行于该第一微带线，且分别与该第一微带线的该另一端的该等辐射体上的各该条状导体朝同一方向延伸。

该第二微带线上，对应于该第一微带线上各该辐射体的位置处，分别由该第二微带线的纵向轴向两侧延伸出二辐射体，各该辐射跚对称地排列在该第二微带线两侧，且分别呢两个以上的是状导体，各该条状导体均是平行于该第二微带线，且其延伸方向分别与该第一微带线的对应辐射体上的各该条状导体的延伸方向相反。

该第二微带线上对应于该讯号输入端的一端，分别由该第二微带线的纵向轴向两侧延伸出二辐射体，各该辐射体是对称地排列在该第二微带线两侧，且分别包括两个以上的条状导体，各该龇导体均是平行于该第二微带线，且分别与该第一微带线的各该辐射体上的各该条状导体，朝同一方向延伸。

该第二微带线上对应于该讯号输入端的一端，分别由该第二微带线的纵向轴向两侧延伸出一接地导体。

各该辐射体中长度较长的该等条状导体上，超出相邻条状导体的部份，可由其纵向轴向一侧扩张，使超出的部份得以向一侧延伸出一扩张部份，该扩张部分可延伸至该相邻条状导体的开路端。

各该条状导体的长度均约短于所欲设计的各频段的中心频率波长的四分之一。

本发明尚可透过适当改变各该条状导体的形状，调整彼此间的寄生(parastic)效应，以得到多频段的共振效果，并令该天线不仅具有与习知偶极天线相似的全向性辐射场型(方位角)，更具有较习知偶极天线高的天线增益，使其特别适于在微波频率上的应用。

本发明所设计的平面式多频段全向性幅射场型天线，在各该频段均能获致极佳的天线增益。

为能对本发明的形状、构造、设计原理及其功效，有进一步的认识与了解，兹列举若干实施例，并配合图示，详细说明如下：

附图说明

图1是习知的同轴缆线套管式偶极天线的示意图；

图2a～图2b是本发明的一最佳实施例中的平面式双频段全向性辐射场型天线的前视及后视示意图；

图3a～图3b是本发明的另一最佳实施例中的平面结构多频段全向性辐射场型天线的前视及后视示意图；

图4是图3a～图3b所示的另一最佳实施例的局部放大示意图；

图5a～图5b是本发明的又一最佳实施例中的平面结构多频段全向性辐射场型天线的前视及后视示意图；

图6a～图6b是本发明的又另一最佳实施例中的平面结构多频段全向性辐射场型天线的前视及后视示意图；

图7是根据图3a～图3b所提供的天线，实际量测的回返损失结果；

图8a～图8c是根据图3a～图3b所提供的天线，操作于2450MHz、5225MHz与5775MHz频率下，H平面的垂直极化辐射场型；

图9是根据图3所提供的天线，实际量测的增益结果。

实施方式

在本发明的一较佳实施例中，参阅图2a～图2b所示，该天线结构是在一呈平板状的介电质基底材料20的前后两侧面20a及20b，分别印制一第一微带线22及一第二微带线24，其中印制在前侧面20a的该第一微带线22是作为寻好传输线，该第一微带线22的一端却为讯号输入端21，可透过一同轴缆线连接到一无线通信装置的控制电路上(图中未显示)，该第一微带线22的另一端则由其纵向轴向两侧延伸出二辐射体35及36，各该辐射体35及36是对称地排列在该第一微带线22两侧，且分别包括两个以上的条状导体，在该实施例中，各该辐射体35及36分别包括二个条状导体351、352及361、362。另，该介电质基底材料20后侧面20b上的该第二微带线24，是印制在对应于前侧面20a上该一微带线22的位置，以作为一延伸导体，该第二微带线24上对应于该讯号输入端21的一端，沿其纵向轴依序向两侧延伸出一接地导体23及二辐射体31及32，各该辐射体31及32是对称的排列在该第二微带线24两侧，且分别包括两个以上的条状导体，在该实施例中，各该辐射体31及32分别包括二个条状导体311、312及321、322；该第二微带线24的另一端则由其纵向轴向两侧延伸出二辐射体33及34，各该辐射体33及34也是对称地排列在该第二微带线24两侧，且分别包括两个以上的条状导体，在该实施例中，各该辐射体33及34分别包括二个条状导体331、332及341、342。在该实施例中，各该辐射体上所设的条状导体均是平行于该等微带线，且其中该辐射体33及34上的条状导体331、332及341、342的延伸方向，并分别与该辐射体35及36上的条状导体351、352、361、362及该辐射体31及32上的条状导体311、312、321、322的延伸方向相反，且各该条状导体的长度，约短于所设计的个频段的中心频率波长的四分之一(即1/4)。

由于，在该实施例中，该介电质基底材料20的前后两侧面20a及20b，共设有六个辐射体31、32、33、34、35及36，并以微带线22作为纵向轴，左右对称排列，各辐射体所包含的二段条状导体，其长度A与B均约短于所设计的各频段的中心频率波长的四分之一(即1/4)，以形成一双频段的平衡对不平衡的转换器(balun)及双频段的辐射体，故其操作频率可不受谐波关系限制，另，由于前后侧面20a及20b上所设的两对辐射体35、36及33、34，是作为双频辐射的主体，该等辐射体均是以该微带线22为纵向轴，对称布局，故其辐射场型能含盖360度方位角。此外，由于设于后侧面20b上对应于该讯号输入端21的二辐射体31及32，是与该接地导体23相连接，故此一设计具有双频扼流圈(choke)的功能，可大幅减少外接同轴缆线长度，或外部接地平面面积变化，对辐射场型的影响。

此外，本发明尚可透过适当改变各该条状导体的形状，调整彼此间的寄生(parastic)效应，以得到多频段的共振效果，并令该天线不仅具有与习知偶极天线相似的全向性辐射场型(方位角)，更具有较习知偶极天线高的天线增益，使其特别适于在微波频率上的应用。在本发明的另一较佳实施例中，请参阅图3a～图3b所示，该天线结构雷同于图2a～图2b所示的结构，二者间不相同之处，是在该另一较佳实施例中，藉适当改变各该条状导体的形状，令其中较长的条状导体312、322、332、342、352、362上，超出相邻条状导体311、321、331、341、351、361的部份，如图4所示的该条状导体362上的超出部份362a，可由其纵向轴向一侧扩张，令超出部份362a得以向一侧延伸出一扩张部份362b，该扩张部份362b可延伸至相邻条状导体361的开路端(open end)。此时，该条状导体361上的电场分布将最强，该扩张部分362b则会对相邻较短的条状导体361形成额外的寄生(parastic)效果，如此，即可有效增加其共振模式及频宽，达到多频段的要求。此外，由于较短的条状导体361是用以提供高频段的共振，故在该另一较佳实施例中，所增加的频段，会属于高频的频段，特别适于在微波频率上的应用。

在本发明的又一较佳实施例中，请参阅图5a～图5b所示，该天线结构雷同于图3a～图3b所示的结构，二者间不相同之处，是在该又一较佳实施例中，印制于前侧面20a作为讯号传输线的该第一微带线22的适当位置处，由其纵向轴向两侧另延伸出二辐射体45及46，各该辐射体45及46是对称地排列在该第一微带线22两侧，且分别包括两个以上的条状导体，在该实施例中，各该辐射体45及46分别包括二个条状导体451、452及461、462，各该条状导体均是平行于该第一微带线22，且分别与该辐射体35及36上的条状导体朝同一方向延伸。而印制于后侧面20b作为讯号传输线的该第二微带线24，在对应于各该辐射体45及46的位置处，则由该第二微带线24的纵向轴向两侧延伸出二辐射体51及52，各该辐射体51及52是对称地排列在该第二微带线24两侧，且分别包括两个以上的条状导体，在该实施例中，各该辐射体51及52分别包括二个条状导体511、512及521、522，各该条状导体均是平行于该第二微带线24，且延伸方向分别与该辐射体45及46上的条状导体的延伸方向相反。在该又一较佳实施例中，各该条状导体的长度也均约短于所设计的各频段的中心频率波长的四分之一(即1/4)。由于本发明的平面式多频段同轴共线式结构需兼顾多频段，而无法令各频段达成最佳化，故特别采用同轴共线式的设计，将前述实施例中印制在后侧面20b的二辐射体31及32舍去，而由该辐射体51及52取代，以补偿天线增益，令所设计出平面式同轴共线式(collinear)的多频段天线，不仅其辐射场型也为全向性，且能得到较高的天线增益。

在本发明的又另一较佳实施例中，请参阅图6a～图6b所示，该天线结构雷同于图5a～图5b所示的结构，二者间不相同之处，是在该又另一较佳实施例中，印制于后侧面20b作为延伸导体的该第二微带线24上，对应于前侧面的该讯号输入端21的一端，由其纵向轴向两侧分别延伸出一辐射体61及62，各该辐射体61及62是对称地排列在该第二微带线24两侧，且分别包括两个以上的条状导体，在该实施例中，各该辐射体61及62分别包括二个条状导体611、612及621、622，各该条状导体均是平行该第二微带线24，且其分别与该第一微带线22的各该辐射体上的各该条状导体，朝同一方向延伸。如此，藉由在该第二微带线24的纵向轴两侧，布置更多的辐射体，即可制作出更高增益的平面式多频段天线。

本发明根据图3a及图3b所示的实施例，将该实施例的微带线及辐射体，印制至一厚度约为0.5毫米(mm)且介电系数约为3～3.5的一平板状介电质基底材料上，实际制作出本所发明所称的平面式多频段全向性幅射场型天线，并令该天线操作于2.4～2.483GHz、5.15～5.35GHz及5.725～5.825GHz三个频段，实测其回返损失(Return Loss)，其量测结果如图7所示，三个频段都优于16dB。图8a～图8c所示乃三个频段的中心频率在H平面的辐射场型下所量测的结果，显示在各该频段下均有极佳的全向性特性。图9所示乃该天线在最低频、中间频率及最高频等三个频段，所量测到的最大增益及平均增益值，由该等量测结果显示，本发明所设计的平面式多频段全向性幅射场型天线，在各该频段均能获致极佳的天线增益。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，本发明所主张的专利要求并不局限于此，按凡熟悉该项技艺人士，依据本发明所揭露的技术内容，可轻易思及的等效变化，均应属不脱离本发明的保护范畴。

Claims (10)

1、一种平面式多频段全向性辐射场型天线，其特征在于包括：

一介电质基底材料；

二微带线，其中一第一微带线是印制在该介电质基底材料的前侧面，作为讯号传输线，一第二微带线是印制在该介电质基底材料的后侧面，对应于该第一微带线的位置，作为一延伸导体；

复数个辐射体，各该辐射体是分别由各该微带线的纵向轴向两侧延伸，对称地排列在各该微带线的纵向轴两侧，其上分别包括两个以上的条状导体。

2、根据权利要求1所述的天线，其特征在于该第一微带线的一端是作为讯号输入端，该第一微带线的另一端则由其纵向轴向两侧延伸出二辐射体，各该辐射体是对称地排列在该第一微带线的纵向轴两侧，其上分别包括两个以上的条状导体。

3、根据权利要求2所述的天线，其特征在于该第二微带线上对应于该讯号输入端的一端，由其纵向轴向两侧延伸出二辐射体，该第二微带线的另一端则由其纵向轴向两侧延伸出另二辐射体，各该辐射体是对称地排列在该第二微带线的纵向轴两侧，其上分别包括两个以上的条状导体。

4、根据权利要求3所述的天线，其特征在于各该辐射体上所设的条状导体均是平行于该等微带线，且其中印制在第二微带线的该另一端的该另二辐射体中的各该条状导体的延伸方向，是分别与其它辐射体上的各该条状导体的延伸方向相反。

5、根据权利要求2所述的天线，其特征在于该第一微带线的适当位置处，由其纵向轴向两侧延伸出另二辐射体，各该另二辐射体是对称地排列在该第一微带线两侧，且分别包括两个以上的条状导体，各该条状导体均是平行于该第一微带线，且分别与该第一微带线的该另一端的该等辐射体上的各该条状导体朝同一方向延伸。

6、根据权利要求5所述的天线，其特征在于该第二微带线上，对应于该第一微带线上各该辐射体的位置处，分别由该第二微带线的纵向轴向两侧延伸出二辐射体，各该辐射体对称地排列在该第二微带线两侧，且分别包括两个以上的条状导体，各该条状导体均是平行于该第二微带线，且其延伸方向分别与该第一微带线的对应辐射体上的各该条状导体的延伸方向相反。

7、根据权利要求6所述的天线，其特征在于该第二微带线上对应于该讯号输入端的一端，分别由该第二微带线的纵向轴向两侧延伸出二辐射体，各该辐射体是对称地排列在该第二微带线两侧，且分别包括两个以上的条状导体，各该条状导体均是平行于该第二微带线，且分别与该第一微带线的各该辐射体上的各该条状导体，朝同一方向延伸。

8、根据权利要求7所述的天线，其特征在于该第二微带线上对应于该讯号输入端的一端，分别由该第二微带线的纵向轴向两侧延伸出一接地导体。

9、根据权利要求8所述的天线，其特征在于各该辐射体中长度较长的该等条状导体上，超出相邻条状导体的部份，可由其纵向轴向一侧扩张，使超出的部份得以向一侧延伸出一扩张部份，该扩张部分可延伸至该相邻条状导体的开路端。

10、根据权利要求8所述的天线，其特征在于各该条状导体的长度均约短于所欲设计的各频段的中心频率波长的四分之一。

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