CN1855624B - 平面偶极天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种平面偶极天线，主要包括一介质基板、两个辐射导体与一传输线。两个辐射导体彼此之间以一预设距离的间距，上下配置、形成于介质基板上。各辐射导体包含一第一金属片、一第二金属片与一蜿蜒金属线。蜿蜒金属线的两端分别连接至第一金属片与第二金属片，具有至少三次以上的弯折。本发明改善公知天线的增益仅约2.2dBi的缺点，利用三个等相位区间的电流分布的方式，增益可达6.8dBi，本发明采单面电路设计，结构简单，并可轻易地以印刷或蚀刻技术形成于一介质基板上。

Description

平面偶极天线

技术领域

本发明涉及高频天线(high-frequency antenna)，尤其涉及一种具有高增益(high-gain)的平面偶极(planar dipole)天线。

背景技术

随着无线局域网络(wireless local areanetwork，WLAN)的应用越来越广泛，无线通信产品也渐受重视，因此，具有高增益且全向性辐射(omnidirectional radiation)的桥接点(access point)天线设计也逐渐开发出来。同时，为了降低相关制作成本与增加天线的效能，我们也必须考虑整体天线结构与其制作方式的改善，以符合现今无线通信产品的需求。

目前公知应用于无线局域网络桥接点的天线大都是以偶极天线或是单极(monopole)天线的设计为主，如图1所示。图1为传统的偶极天线100结构，此项天线结构可产生一水平平面良好的全向性辐射场型(pattem)，但其具有较复杂的天线结构且其增益仅约2.2dBi，于实际运用上将受到限制。如中华台湾专利文献第529783号所提出的一种偶极天线结构，此专利所揭示的是一种改良式的偶极天线，可加强天线的操作中心频率(operating frequency)及频宽(bandwidth)的稳定性，但此天线的增益与一般偶极天线的增益并无太大的差别。

在2002年，Shor(美国专利文献第6747605号与美国专利公开案号2003/0020665)揭露了两种相似的平面高频天线，都具有一种多偶极(multi-dipole)结构来接收与传输信号，此多偶极结构包含多数组相对层(opposing layer)的导电金属线(conducting strip)，分别形成于基板(substrate)的两侧。然而，此天线分布于双面电路板，设计较为复杂。此外，此天线电路需要外加芯片电感(inductor)或电容(capacitor)，以达到较大的频宽与适当的匹配。此天线的操作频带在5.15～5.35GHz，天线增益约4.5dBi，天线尺寸约1.2波长(λ)。若天线增益要达到7dBi，尺寸则必须增加到2.6波长，天线的体积就过大了。

因此，需改善上述公知天线的设计较为复杂以及增益仅约2.2dBi的缺点

发明内容

本发明的目的为改善现有技术中的天线的设计较为复杂以及增益仅约2.2dBi的缺点，提供一种平面偶极天线，利用三个等相位区间的电流分布的方式，使天线的增益可达6.8dBi。本发明采单面电路设计，结构简单，可轻易地以印刷或蚀刻技术形成于一介质基板上。

即，本发明为克服传统平面偶极天线增益过低的缺点。在本发明中，我们提出一种具有高增益且全向性的平面偶极天线的创新设计。此平面偶极天线结构简单、制作容易，并大幅提升天线增益值，可以改善前述传统平面偶极天线较复杂的结构与低增益的表现，同时达成天线制作成本降低的目的。

此平面偶极天线包含：一介质基板；两个辐射导体，彼此之间以一预设距离的间距，上下配置、形成于该介质基板上，各辐射导体包含：一第一金属片，具有一馈入点；一第二金属片；以及一蜿蜒金属线，位于该第一金属片及该第二金属片之间，该蜿蜒金属线的两端分别连接至该第一金属片与该第二金属片，并且该蜿蜒金属线的等效长度为天线的中心操作频率的1/2波长；以及一传输线，具有一信号导体及一接地导体，分别连接至所述两个辐射导体的该馈入点；其中，各辐射导体的该第一金属片与该预设距离的间距相邻，并且该蜿蜒金属线具有至少三次的弯折，可以有效地抑制蜿蜒金属在线的反向电流对整个天线全向性辐射场型的影响。

本发明的实验结果显示，本发明的第一实施例适用于无线局域网络2.4GHz(2400-2484MHz)频带操作需求，且天线辐射场型与增益可符合桥接点天线的应用。

根据本发明，通过调整两个辐射导体的第一金属片及第二金属片的长度，分别接近天线的中心操作频率的1/4及1/2波长，蜿蜒金属线则因线段彼此耦合的影响，其等效长度约为天线的中心操作频率的1/2波长，如此使得其第一金属片及第二金属片具有相同方向的电流，而与蜿蜒金属线的电流相反。同时，因蜿蜒金属线为一迂回弯折形状，可以有效地抑制蜿蜒金属在线的反向电流对整个天线全向性辐射场型的影响。如此，两个辐射导体的第一金属片及第二金属片上可以形成三个同相位的电流分布，其合成辐射可以使得本发明的天线增益达到约6.8dBi。

本发明无须设计复杂的天线馈入电路，也无须外加芯片电感或电容，即可达到较大的频宽与适当的匹配。在天线增益同样为6.8dBi的情况下，本发明(1.7波长)的体积远小于现有技术(2.4波长)。另外，本发明采单面电路设计，设计简单、制作容易，并具有良好的效能。

现配合下列附图、实施例的详细说明及权利要求书，将上述及本发明的其它目的与优点详述于后。

附图说明

图1为传统的偶极天线结构。

图2A为本发明的平面偶极天线的结构示意图。

图2B为本发明的平面偶极天线的结构侧视图。

图3A为本发明的第一实施例的结构示意图。

图3B为本发明的第一实施例的结构侧视图。

图4是公知2.5波长的偶极天线的电流分布图。

图5是本发明的第一实施例的返回损失实验测量结果图。

图6为本发明的第一实施例于2442MHz的天线辐射场型测量结果。

图7是本发明的第一实施例于2.4GHz频带内天线增益实验测量结果。

图8为本发明的第二实施例的结构示意图。

图9为本发明的第三实施例的结构示意图。

其中，附图标记说明如下：

100传统的偶极天线      200平面偶极天线

210介质基板            d间距

220辐射导体            221第一金属片

222、822、922第二金属片223蜿蜒金属线

2211馈入点             230传输线

231信号导体            232接地导体

330同轴传输线          331中心导体

332外层接地导体        41、42、43、44、45等相位区间

具体实施方式

图2A、图2B分别为本发明的平面偶极天线的结构示意图与侧视图。此平面偶极天线200包含一介质基板210、两个辐射导体220与一传输线230。两个辐射导体220彼此之间以一预设距离的间距d，上下配置、形成于介质基板210上，各辐射导体220包含一第一金属片221、一第二金属片222与一蜿蜒金属线223。第一金属片221具有一馈入点2211，蜿蜒金属线223位于第一金属片221及第二金属片222之间，蜿蜒金属线223的两端分别连接至第一金属片221与第二金属片222。传输线230具有一信号导体231及一接地导体232，分别连接至两个辐射导体的馈入点2211。各辐射导体220的第一金属片221与此预设距离的间距d相邻。其中，传输线230可以为一同轴传输线或一微带传输线等等。

图3A、图3B为本发明的第一实施例的结构示意图与侧视图。第一实施例所包含的传输线为一同轴传输线。平面偶极天线300包含一介质基板210、两个辐射导体220与一同轴传输线330。同轴传输线330具有一中心导体331及一外层接地导体332。第一金属片221的形状大致为一矩形，长度大致为天线300中心操作频率的1/4波长。第二金属片222的长度大致为天线300中心操作频率的1/2波长。蜿蜒金属线223的两端分别连接至第一金属片221与第二金属片222，具有至少三次以上的弯折。同轴传输线330的中心导体331与外层接地导体332分别连接至上、下两个辐射导体220的馈入点2211。两个辐射导体220之间预设距离的间距d为一小于4mm的间距，且由印刷或蚀刻技术形成于一介质基板210上。此外，两个辐射导体220的第二金属片222的宽度为一定值。

图4是公知2.5波长的偶极天线的电流分布图。41、42、43、44、45为公知2.5波长的偶极天线的等相位区间，其中虚线部份则代表电流大小。图4可对照图3中本发明的实施例，亦即41可代表上辐射导体220的第二金属片222；42可代表上辐射导体220的蜿蜒金属线223；43可代表上辐射导体220的第一金属片221与下辐射导体220的第一金属片221；44可代表下辐射导体220的蜿蜒金属线223；45可代表下辐射导体220的第二金属片222。本发明可产生三个同相位的电流41、43、45，而其反向电流42、44，则因蜿蜒金属线223为一迂回弯折形状，可以有效地抑制蜿蜒金属线223的反向电流对整个天线全向性辐射场型的影响，大幅提升天线整体增益。

图5是本发明的第一实施例的返回损失(return loss)实验测量结果图。本实验选择下列尺寸进行测量：第一金属片221的长度约为28mm、宽度约为10mm，第二金属片222的长度约为56mm、宽度约为1mm，蜿蜒金属线223具有约11次弯折，通过较密集的蜿蜒路径，可以大幅缩短蜿蜒金属线223在辐射导体220所占的空间距离(约16mm)，并可缩小天线宽度至10mm，亦可选择较少的弯折数目，但此时天线的宽度会变大。上、下两个辐射导体220之间距宽度约为2mm，可以得到一良好的阻抗匹配与频宽。介质基板210则采用一介电系数为4.4的玻纤基板。参考图5，纵轴表示返回损失值，横轴表示操作频率。由所得实验结果，在返回损失大于10dB的定义下，其操作频带足以涵盖2.4GHz(2400-2484MHz)的无线局域网络频带。

图6为本发明的第一实施例于2442MHz的天线辐射场型测量结果。由所得实验结果，天线于x-y平面具有一良好全向性辐射的场型，且天线增益可约达6.8dBi，满足一般2.4GHz无线局域网络操作的增益需求。

图7是本发明的第一实施例于2.4GHz频带内天线增益实验量测结果。参考图7，纵轴表示天线增益，横轴表示操作频率。由所得实验结果，操作模态内的天线增益约为6.6-6.8dBi，满足一般2.4GHz无线局域网络操作的增益需求。

图8和图9为本发明的第二与第三实施例的结构示意图。除了第二金属片的形状的差异外，第二、第三实施例与第一实施例的结构相似。第二实施例的第二金属片822具有一步阶式变化的宽度，第三实施例的第二金属片922具有一线性变化的宽度。第二实施例中使用一步阶式变化的宽度的第二金属片822，以及在第三实施例中，使用一线性变化的宽度的第二金属片922，与第一实施例有相似的效果。

根据本发明，通过调整两个辐射导体的第一金属片及第二金属片的长度，分别接近天线的中心操作频率的1/4及1/2波长，蜿蜒金属线则因线段彼此耦合的影响，其等效长度约为天线的中心操作频率的1/2波长，如此使得其第一金属片及第二金属片具有相同方向的电流，而与蜿蜒金属线的电流相反。同时，因蜿蜒金属线为一迂回弯折形状，可以有效地抑制蜿蜒金属在线的反向电流对整个天线全向性辐射场型的影响。如此，两个辐射导体的第一金属片及第二金属片上可以形成三个同相位的电流分布，其合成辐射可以使得本发明的天线增益达到约6.8dBi。另一方面，通过调整第一金属片与蜿蜒金属线的长度，可改变天线的中心操作频率。通过调整第一金属片的宽度及两个辐射导体的间距宽度，可得到本发明天线良好阻抗匹配与阻抗频宽。由以上特性，即可以轻易设计出适用于无线局域网络2.4GHz频带操作的天线。

本发明无须设计复杂的天线馈入电路，也无须外加芯片电感或电容，即可达到较大的频宽与适当的匹配。在天线增益同样为6.8dBi的情况下，本发明(1.7波长)的体积远小于现有技术(2.4波长)。并且，本发明采单面电路设计，结构简单，并可轻易地以印刷或蚀刻技术形成于一介质基板上。

综合上述的说明，本发明天线的结构简单，制作成本低，功能明确，因此本发明天线甚具高度产业应用价值，足以符合发明的范畴。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围。即凡依本发明权利要求书所作的均等变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (8)

1.一种平面偶极天线，包含：

一介质基板；

两个辐射导体，彼此之间以一预设距离的间距，上下配置、形成于该介质基板上，各辐射导体包含：

一第一金属片，具有一馈入点；

一第二金属片；以及

一蜿蜒金属线，位于该第一金属片及该第二金属片之间，该蜿蜒金

属线的两端分别连接至该第一金属片与该第二金属片，并且该蜿蜒金属

线的等效长度为天线的中心操作频率的1/2波长；以及

一传输线，具有一信号导体及一接地导体，分别连接至所述两个辐射导体的该馈入点；其中，各辐射导体的该第一金属片与该预设距离的间距相邻，并且该蜿蜒金属线具有至少三次的弯折，可以有效地抑制蜿蜒金属在线的反向电流对整个天线全向性辐射场型的影响。

2.如权利要求1所述的平面偶极天线，其特征在于该第一金属片的长度为该天线中心操作频率的1/4波长。

3.如权利要求1所述的平面偶极天线，其特征在于该第二金属片的长度为该天线中心操作频率的1/2波长。

4.如权利要求1所述的平面偶极天线，其特征在于该预设距离的间距小于4mm。

5.如权利要求1所述的平面偶极天线，其特征在于该第二金属片的宽度为一定值。

6.如权利要求1所述的平面偶极天线，其特征在于该第二金属片的宽度具有步阶式变化。

7.如权利要求1所述的平面偶极天线，其特征在于该第二金属片的宽度具有线性变化。

8.如权利要求1所述的平面偶极天线，其特征在于该传输线为一同轴传输线或一微带传输线的其中一种。

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