201212387 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種天線系統，特別是指一種高增益 且高指向性的多迴圈天線系統。 【先前技術】 S知應用於無線網路橋接器（access p〇int，ap)中的天 線、、，。構多以倒 F 形天線（pianar inverted f Antenna，PIFA)與 單極天線居多’例如：中華民國專利第M377714號所揭露 的多輸入多輸出之雙頻單極天線（monopole antenna)裝 置」，其中將三個單極天線以金屬切割或沖壓方式製作在天 線接地面上，並裝設於橋接器内，以形成可應用於多輸入 多輸出（ΜΙΜΟ)技術的天線系統。 但是，該天線結構雖然可内藏在裝置中，但由於天線 為立體結構，會佔據較大的空間，使得無線網路橋接器中 可使用的空間受限。且習知的天線結構在2 4 GHz或是5 GHz操作頻帶中之最大增益通常僅能為3〜5 dBi，且天線輻 射場型的指向性較低，並不滿足橋接器天線所需的高增益 且高指向性輻射場型之特性。 【發明内容】 因此，本發明之目的，即在提供一種可達到雙頻操作 且具有高指向性（directivity)及高增益的多迴圈天線系統。 本發明之另一目的，即在提供一種結構簡單、尺寸 小、低姿勢（low-profile)、製作容易、成本低，且可應用在 小型至外用無線網路橋接器（access p〇int，AP)之内藏式雙 201212387 頻多迴圈天線系統。 於疋’本發明多迴圈天線糸統，包含—天線模組及一 系統模組。天線模組包括一天線基板及多數個迴圈天線， 天線基板包括一第一表面和一相反於該第一表面的第二表 面；該等迴圏天線佈設於天線基板的第一表面或第二表面 上，各迴圈天線包括有一可提供一第一操作頻帶的第一輻 射體，及一可提供一第二操作頻帶的第二輻射體，該第一 輻射體具有位於其兩端的一饋入端及一接地端，且饋入端 與接地端相鄰且相間隔，使第一輻射體形成一迴圈，而第 二輻射體具有位於其兩端的一第一端及一第二端，第一端 〃饋入％連接，第一端與接地端連接，使第二輻射體形成 另一迴圈，各個迴圈天線的幾何中心與該等迴圈天線共同 界定出的幾何中心的距離相同，且任二相鄰迴圈天線之間 的最短距離相同；系統模組包括至少一相向於天線基板的 第二表面的接地面，提供系統電路板上射頻電路使用，且 系統模組與天線基板之第二表面平行相間隔一距離並用 以反射該等迴圈天線的輻射。如此對稱式結構（symmetricai stature)的天線，能使天線之間保有相同的隔離度 (isolation)，且讓每一個迴圈天線在空間中具有更對稱的訊 號覆蓋空間。 較佳地，各該迴圈天線的第二輻射體位於其第一輻射 體所形成的迴圈中。 較佳地，任二相鄰迴圈天線的幾何中心分別與該等迴 圈天線共同界定出的幾何中心之間的連線所夾角度相同。 201212387 較佳地，天線基板還包括一位於該等迴圈天線共同界 定出的幾何中心的穿孔，用以供多數個訊號傳輸線通過。 較佳地，天線基板的面積小於或等於系統模組的面 積，以確保系統模組能完全反射每個迴圈天線的輻射。 本發明之功效一在於，在天線基板上佈設多數個全波 長k圈天線’全波長天線為平衡式天線（baianced antenna)， 具有高增益天線特性，天線與天線之間的隔離度（is〇lati〇n) 亦可保持最小，且透過系統模組上的至少一系統接地面來 反射迴圈天線的輻射，可使天線模組的輻射場型具有高指 向性及高天線增益的特性，可提升通訊涵蓋範圍。 本發明之功效二在於，多迴圈天線系統中各個迴圈天 線的幾何中心與該等迴圈天線共同界定的幾何中心之間的 距離相同，以及任二相鄰迴圈天線的最短距離相同，使各 個迴圈天線之間具有較佳的隔離度及相同的輻射場型與訊 號覆蓋範圍。 本發明之功效三在於，迴圈天線係使用印刷式電路板 製作，製作簡單且成本低，並具有低姿勢的外型與平面式 (Planar)的結構，非常適合應用在小型室外用的無線網路橋 接器上。 本發明之功效四在於，各個迴圈天線的開口方向（饋入 位置）相對於該等迴天線共同界定的幾何中心作45度（或135 度）之方疋轉°又置，天線輕射場型於垂向韓射方向（即正Z轴） 能具有雙極化輻射特性。 【實施方式】 201212387 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之三個較佳實施例的詳細說明中將可 清楚的呈現。 在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說 明内谷中’類似的元件是以相同的編號來表示。 參閱圖1 ’為本發明多迴圈天線系統10〇的第一較佳實 施例’該多迴圈天線系'统·為可操作在雙頻無線區域網 路 WLAN(2400-2484/5150-5825MHz)的多迴圈天線系統 100，在本實施例中，多迴圈天線系統1〇〇包含一天線模組 10及一與天線模組10平行間隔設置的系統模組2〇。 天線模組10包括一天線基板（substrate)l及多數個迴圈 天線2(本實施例以三個為例）^天線基板〗（或稱介質基板）係 為圓形或是任意的多邊形，且係由絕緣材質（例如：玻璃纖 維，FR4)所製成。其中，該天線基板1具有一第一表面 11、一相反於該第一表面11的第二表面12及一可供多數個 訊號傳輸線5通過的穿孔13。值得注意的是，天線基板i 的穿孔13係設置該等迴圈天線2共同所界定出的幾何中心 的位置，以簡短訊號傳輸線5的長度及避免訊號傳輸線5 壓到迴圈天線2，而導致天線特性受到影響。 配合參閱圖2,該等迴圈天線2皆為全波長共振的金屬 製迴圈天線（one-wavelength loop antenna)2，且佈設於天線 基板1的該第一表面11上’各該迴圈天線2包括一可提供 一第一操作頻帶的第一輻射體3,及一可提供一第二操作頻 帶的第二輻射體4。第一輻射體3具有位於其兩端的一饋入 201212387 端（feed point)31 及一接地端（ground p〇int)32，且镄入端 31 與接地端32相鄰且相間隔，使第一輻射體3形成一圓形迴 圈，第二輕射體4具有位於其兩端的一第—端41及一第二 端42,且第一端41連接饋入端31，第二端42連接接地端 32，使第二輻射體4部分形成一圓形迴圈。 在本實施例中，第一韓射體4具有一輪射段4〇，及分 別由該輻射段40的兩端平行延伸的一第一延伸段41〇與一 第二延伸段420，第一延伸段410的末端係為第二輻射體4 的第一端41，第二延伸段420的末端係為第二輻射體4的 第二端42，且輻射段40形成一圓形迴圈。此外，各個迴圈 天線2的第二輻射體4會位於第一輻射體3所形成的迴圈 中，且第一延伸段410及第二延伸段42〇界定出一開口 430。 配合參閱圖3，本實施例之迴圈天線2係沿著圓形天線 基板1的圓周分佈，且每個迴圈天線2的幾何中心與三個 迴圈天線2共同所界定出的幾何中心（即A點）的距離相同， 即La=Lb=Lc，且任兩相鄰的迴圈天線2之間的最短距離皆 相同，即L1=L2=L3，任兩相鄰的迴圈天線2的幾何中心分 別與二個迴圈天線2共同所界定出的幾何中心（A點）之間的 連線所夾角度亦相同，即01=02=θ3,也就是夾120度。 如此對稱式結構（symmetrical structure)的天線，，能使天線 之間保有相同的隔離度（is〇lati〇n)，且讓每一個迴圈天線2 在空間中具有更對稱的訊號覆蓋空間。 特別說明的是，第二輻射體4係位於第一輻射體3所 201212387 形成的迴圈中，如此利用笼 ±_ ~用第一輻射體3内部的空間設置第 幸田射體4因此可以在不額外增加空間的條件下，達成雙 k圈雙頻天線叹5十。且在本實施例中，第〆輪射體3的幾 何中〜位置與第一轄射體4的轄射段的幾何中心位置不 同且兩者的幾何中心的連線係平行於第一延伸段41〇及 第一延伸段420的延伸方向，使得第一輕射體3與第二輕 射體4係以兩者的幾何中（、連線左右對稱。 此外’每個迴圈天線2中，第-延伸段410及第二延 伸段420料伸方向（即開口 43〇方向）係與三個迴圈天線2 共同界定出的幾何中心（Α點）和各個迴圈天線2的幾何中心 連線（即La、Lb及Lc)夾α角，其較佳為45度，即迴圈天 線2的館人位置相對於三個迴圈天線2共同敎出的幾何 中心位置作45度（或135度）之旋轉設置，使得天線輕射場 型於垂向輻射方向（即Ζ軸）能具有雙極化輻射特性。 當然，第一延伸段41〇及第二延伸段42〇所界定之開 口 430的方向也可以朝向該等迴圈天線2共同界定出的幾 何中心’即第-延伸段㈣及第二延伸段42()的延伸方向 平行於三個迴圈天線2共同界定出的幾何中心（A點）與各個 坦圈天線2的幾何中心連線，如圖4(圖中省略訊號傳輸線5) 所示，其旋轉角度並不設限。此外，第—輻射體3及第二 輻射體4的輻射段4〇所形成的迴圏也不以圓形為限，兩者 可=皆為矩形迴圈（如圖5所示’其中省略訊號傳輸線5)， 或疋第輻射體3為圓形迴圈，輻射段4〇為矩形迴圈等， 同樣可以達到本發明共振出雙頻的功效。 201212387 參閱圖1，系統模組20係為一系統電路板，其可為圓 形或是任意的多邊形，系統模組2〇具有至少一相向於天線 基板1之第一表面12的接地面201(例如：金屬面），該接地 面20丨除了作為系統電路板上射頻電路之系統接地面外， 亦可視為一反射板（reflector)，用以反射該等迴圈天線2的 輕射’藉此不但可使天線模組1〇具有高度的指向性 (directivity)外，也可以提升天線模組1〇在單一方向（即天線 基板1的第一表面u的法線方向）的天線增益。其中，系統 模組20可為多層結構，最上層是薄的金屬層，下層則是介 | 質基板’或者可以是包含更多層的電路層。又，接地面（又 可做為一反射面）2〇1與第二表面12間存在一間距，作為系 統模組20上電子元件（圖未示）擺設之有效空間利用。此 外’本實施例之天線基板1的面積小於或等於系統模組2〇 的面積’以確保系統模組20能完全反射每個迴圈天線2的 輻射。 參閱圖6 ’本實施例之多迴圈天線系統10〇係裝設於如 至外的無線網路橋接器（access p〇int，AP)或是無線寬頻路癱 由器（router)等電子裝置2〇〇的一殼體210中，且藉由小型 同軸線（mini-coaxial cable)作為訊號傳輸線5，將訊號饋入 迴圈天線2的镄入端31，使得多迴圈天線系統1〇〇可配合 不同應用的系統模組2〇(即系統電路板），提高多迴圈天線系 統100使用上的彈性。當然，訊號傳輸線5的種類並不因 本實施例而受限制。 參閱圖7至圖9，為本實施例之多迴圈天線系統1〇〇的 10 201212387 實際尺寸示意圖，其中圖7為單一迴圈天線2的平面展開 圖；圖8為多迴圈天線系統100的俯視圖；圖9為天線基 板1與系統模組20之間的側視圖，各圖尹數字的單位為公 厘（mm)，可參閱圖中各項數據以得知本實施例的實際規格 尺寸，但不以本實施例為限。
在本實施例中，第一輻射體3與第二輻射體4可分別 共振出2.4GHz及5GHz的頻率，且天線基板丨與系統模組 20的接地面201之間的間距需大於5公厘，以供更多 種類的電子元件置放於系統模組（系統電路板）2〇上，而本實 施例之間距為8.4公厘（mm)將獲得較佳的天線增益。 參閱圖10及圖11，為本實施例之迴圈天線2分別操作 在2442MHz及5490MHz的2-D輻射場型量測結果圖，且迴 圈天線2的開口 430方向與三個迴圈天線2共同界定出的 幾何中心和各個迴圈天線2的幾何中心連線所夾之“角為 45度。由圖中可知，藉由天線模組1〇與系統模組2〇的相 互配合，使得多迴圈天線系、统1〇〇在正ζ轴方向具有較高 的天線增益’即高度的指向性’且天線輻射場型具有雙極 化輻射特性，可適用於無線網路橋接器（Αρ)。 參閱圖12,為各個迴圈天，線2的反射係數（Re-
Coefficient) 量測數據圖 ，為了方便說明’配合參閱圖 3 ，以 下將三個迴圏天線2分別定義為一第一迴圈天線21、一第 二迴圈天線22及一第三迴圈天線23。而在圖12中 第二迴圈天線22及第三
Su及S33分別為第一迴圈天線21、 迴圈天線23的反射係數。 經實驗可得知，第一輻射體3提 201212387 供的第—操作頻帶的中心頻率為2.4GHz，第二ϋ射體4提 供的第二操作頻帶的中心頻率為5GHz，且兩者分別在 2.4GHz及5GHz的反射係數皆小於負1〇_dB，符合2 4gHz 及5GHZ無線區域網路頻帶的規範，因此本實施例的確是可 應用在無線區域網路中。 參閱圖13，為各個迴圈天線2之間的隔離度（Is〇lati〇n) 量測數據圖，其中為第一迴圈天線21與第二迴圈天線 22之間的隔離度；Ssi為第一迴圈天線21與第三迴圈天線 23之間的隔離度；S32為第二迴圈天線22與第三迴圈天線 23之間的隔離度。經實驗可得知，各個迴圈天線2之間的 隔離度平均約在負15.dB以下，具有良好的隔離度。 圖14為本實施例之多迴圈天線系統1〇〇的輻射效率 (rachation efficiency)/天線增益_頻率曲線圖。由圖可知多 迴圈天線系統100在24 GHz WLAN頻帶内的最大增益與 輻射效率分別可達到7 6 dBi及76%，在5 GHz WLAN頻帶 内的最大增益與輻射效率則分別可達到9 dBi及83%，具有 高天線增益及良好的輻射特性。 參閱圖15 ’為本發明多迴圈天線系統1〇〇的第二較佳 實施例’大致與第一較佳實施例相同，其不同之處在於該 等迴圈天線2可分別佈設於天線基板丨的不同表面。在本 實施例中，第一迴圈天線21佈設於天線基板丨的第一表面 Π ’而第二迴圈天線22及第三迴圈天線23則佈設於天線基 板1的第二表面12,如此同樣可以接收或發射雙頻的訊 號’並達到高天線增益的特點。而圖15中同樣省略繪出訊 12 201212387 號傳輸線5。 參閱圖16 ’為本發明多迴圈天線系統1〇〇的第三較佳 實靶例’大致與第一較佳實施例相同，其不同之處在於， 在本實施例中，第二輻射體4僅具有一輻射段40，且該輻 射段40的兩相反端即為第二輻射體4的第一端41及第二 端42。換言之，本實施例之第二輻射體4相較於第一較佳 實施例之第二輻射體4係省去第一延伸段410與第二延伸 段420(如圖2)，並直接利用輻射段4〇的兩相反端連接第一 輻射體3的饋入端31及接地端32，如此仍能達到本案接收 或發射雙頻的訊號且具有高天線增益及高指向性的功效。 而圖16中同樣省略繪出訊號傳輸線5。 综上所述’本發明多迴圈天線系統1〇〇的功效如下： I多迴圈天線系統1〇〇係應用多輸入多輸出（MIm〇)技 術’藉由在天線基板1上佈設多數個迴圈天線2， 且第一輻射體3及第二輻射體4的長度各自為相對 其操作中心頻率（2.4GHz及5GHz)的全波長，全波 長天線為平衡式天線（balanced antenna)，具有高增 益天線特性，天線與天線之間的隔離度（isolati〇n)亦 可保持最小。適當調整天線饋入間距（即饋入端3 i 及接地端32之間距）以及第一輻射體3與第二輻射 體4之間的距離，可有效控制迴圈天線2的阻抗特 性，使其在2.4/5GHz無線區域網路頻帶内得到優良 的阻抗匹配。 2.多迴圈天線系統100中各個迴圈天線2的幾何中心 13 201212387 與該等迴圈天線2共同界定的幾何中心之間的距離 相同，以及任二相鄰迴圈天線2的最短距離相同， 使各個迴圈天線2之間具有相同的隔離度（小於負 15-dB)及對稱的輻射場型與訊號覆蓋範圍。 3. 天線模組1〇與系統模組20整合，並藉由該系統模 組20上的至少一接地面來反射迴圈天線2的輻射， 不但可使天線模組10具有高度的指向性（至少大於 6 dBi) ’也可以提升天線模組1 〇在單一方向（正z 軸方向）的天線增益。 4. 各個迴圈天線2的開口方向（饋入位置）相對於該等 迴圈天線2共同界定的幾何中心作45度（或丨35度） 之旋轉設置，使得天線輻射場型於垂向輻射方向（即 正Z軸）能具有雙極化輻射特性，故確實能達成本發 明之目的。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利 範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1是說明本發明多迴圈天線系統的第一較佳實施 例； 圖2是說明第一較佳實施例中單一迴圈天線的平面展 開圖； 圖3是說明第一較佳實施例中天線模組的平面展開 14 201212387 始&開口方向係相對於該等迴圈天線共同界定的幾n 中心旋轉45度； β &何 圖4是說明楚· ^ 弟—較佳實施例中天線模組的平面展„ 圖，其中開口 τ田展開 、、. 句係朝向該等迴圈天線共同界定的幾何中 圖5疋說明第—較佳實施例中該等迴圈天線的另-種 實施態樣； 圖6疋說明内藏式多迴圈天線系統的電子裝置；
圖7是說明第—較佳實施例中單一迴圈天線之間的實 際規格尺寸； 圖8疋說明第—較佳實施例中各個迴圈天線之間的實 際規格尺寸； 圖9是說明第一較佳實施例中天線基板與系統模組之 間的實際規格尺寸； 圖10是說明第一較佳實施例中迴圈天線操作於 2442MHz下Χ·Ζ平面及γ_ζ平面的2_D輕射場型量測結果 圖； 圖11是說明第一較佳實施例中迴圈天線操作於 5490MHz下X-Z平面及γ-ζ平面的2-D輻射場型量測結果 圖； 圖12是說明第一較佳實施例中各個迴圈天線的反射係 數量測數據圖； 圖13是說明第一較佳實施例中各個迴圈天線彼此之間 的隔離度量測數據圖； 15 201212387 圖14是說明第一較佳實施例之多迴圈天線系統的輻射 效率/天線增益-頻率曲線圖； 圖15是說明本發明多迴圈天線系統的第二較佳實施 例；及 圖16是說明本發明多迴圈天線系統的第三較佳實施 例。
16 201212387 【主要元件符號說明】
100.......多迴圈天線系統 200 .......電子裝置 210.......殼體 10 .........天線模組 20 .........系統模組 201 .......接地面 1 ..........天線基板 11 .........第一表面 12 .........第二表面 13 .........穿孔 2 ..........迴圈天線 21 .........第一迴圈天線 22 .........第二迴圈天線 23…… •…第三迴圈天線 3 ....... …·第一輻射體 31…… .…饋入端 32…… •…接地端 4 ....... •…第二輻射體 40…… •…輻射段 410… •…第一延伸段 41 ••… •…第一端 420… •…第二延伸段 42••… •…第二端 430… ….開口 5…… •…訊號傳輸線
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