TW201304277A - 高增益寬頻平面天線 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種具有寬頻操作高增益寬頻平面天線的創新設計，該天線包括：一具矩形輻射金屬片，用於產生該天線之操作模態；一具三角型饋入金屬片，並與垂直接地面平行，用於調整天線整體之阻抗匹配；一彎摺接地面，用於平衡饋入電路及減少因使用厚空氣介質之電感性電抗；一厚空氣介質，用於產生寬頻操作。本發明天線之一實施例可適用於無線區域網路系統2.4 GHz(2.4-2.484 GHz)頻帶之操作，同時該天線具有低姿勢、高增益之操作特性，適合無線區域網路操作需求。

Description

高增益寬頻平面天線

在本發明中，我們提出一種具有高增益寬頻平面天線的創新設計，不僅具有寬頻(2.4 GHz頻帶)及高天線增益等效能，由於具有高整合度、低姿勢、結構簡單及製作成本低，適用於無線區域網路橋接點的通訊產品上，而且不需要再有額外複雜的增益電路設計，便可符合現有商規天線增益的要求。

無線區域網路與光纖網路的密集佈植，提供便捷的多媒體與訊息傳輸環境，促使行動通訊裝備除了傳統語音功能外，必須具備區域網路功能，整合訊息、影像、數位資料與定位系統等多項功能，隨時上網收發信件與臉書、MSN交談、語音溝通、影像傳遞訊息的重要管道，各式智慧型手機、個人數位助理(PDA)，必須藉由行動通訊系統以外的無線通訊的資料傳輸，例如現有廣佈的WIMAX與WIFI等系統，其中橋接天線的設計將左右系統實際服務效能，主要限制因素來自於橋接點天線的設置密度與輻射方向、範圍，因此負將有線網際網路與無線相互轉換功能的橋接點天線設計，成為無線區域網路系統中重要的一環。

作為無線轉接為有線功能之橋接點天線，其輻射場型依環境與使用需要，主要區分為全向與垂向輻射兩種；在全向輻射天線設計上，習知技術是採用單極或單偶極天線設計，由於前述天線設計單一元件增益較低，一般會以陣列方式或外加放大增益電路來彌補增益上的不足，其幾何形狀一般為長直狀的鞭型；垂向輻射天線在設計上，以現有成熟的平面天線技術為主，饋入方式如耦合激發、直接饋入或使用同軸電纜線饋入等技術，一習用於橋接點具有高增益及垂向輻射天線，均採用使用厚空氣介質或是運用不同的饋入機制來達到寬頻的操作。中華民國專利第I267230號“超寬頻平面火山型天線”，其揭示一種利用圓錐體與平面接地面，調整幅射元件與饋入位置的彎曲度來調協天線阻抗匹配，並將天線場型集中形成角錐型全向幅射，可以獲得良好頻寬，但是整體體積較高；另外在中華民國專利第9012112903號“寬頻的同軸線饋入平板天線”，其揭示了一種由下而上的三角形饋入金屬片產生電容式電抗，用以改善傳統使用一長直饋入探針造成電感性電抗，來達到調制與增加天線阻抗頻寬的設計，然而以上的技術，雖然可以獲得良好的阻抗頻寬，但是上述兩者均同樣是使用較厚的空氣介質，厚度均大於中心操作波長的10%，因此在天線的輻射場型表現上具有較大的交叉極化，同時由於天線整體高度過高，在商業成品製程應用時，需要加上天線外覆包裝材料厚度與隔離間距，在整合將會增加天線的整體體積。

如上所述，本發明之目的在於提供一種高增益寬頻平面天線的創新設計。本發明天線包括：一矩形金屬片，用於產生該天線之寬頻操作模態，期一邊緣與饋入三角形相連結，可以藉由調整該輻射金屬片的長度，得到適當的共振頻率與所需的頻率比；一個彎摺長方形金屬片接地面，具備有簡單結構，由一矩形接地面、一具垂直接地面與一水平接地面所組成，形成天線的接地面；一個厚空氣介質，置於接地面與輻射金屬片之中，做為天線低損耗之基材，調整空氣介質厚度，得到適度的操作頻寬；一個饋入探針與饋入網路電路，電路尾端連結一饋入探針，饋入探針另一端與三角形饋入金屬片上方頂端相連結，其下端與矩形輻射金屬片10連結，三角形金屬片與垂直接地面平行，用以產生等效電容性電抗，調節因使用厚空氣介質與較長的饋入探針，所產生較高的電感性電抗，兩者相互調制，使天線獲得較佳之阻抗頻寬。另外本發明天線將輻射元件置於天線結構的物理中央位置，可以有效控制天線垂向輻射方向於正前方；並利用接地面向下彎摺的垂直面與饋入三角形金屬片平行，提供天線在阻抗匹配上具有調制電容與電感性與電抗的環境，使得天線設計可以運用較小厚度的空氣介質，在實驗量測的輻射場型呈現較小的交叉極化特性，有效增加天線的輻射效率。採取本發明的饋入設計，可直接與玻纖電路板上的射頻電路相互整合，縮小饋入訊號所使用的電路體積，大幅減少整體天線的體積，由以上特性，即可設計出適用於無線區域網路中，具有垂向輻射的高增益平面寬頻天線。

參考第1圖，本發明之高增益寬頻平面天線一實施例1包括：一矩形金屬片10，具有矩形金屬片寬度11用於調整天線的交叉極化輻射特性，一矩形金屬片長度12其長度約為二分之一共振波長的長度，用於形成天線的操作模態；一具彎摺矩形接地面20，包含一第一水平接地面21，具有一寬度211與長度212，一垂直接地面22，具有高度221，一第二水平接地面23，具有長度231與一玻纖電路板24，具有一長度241與一厚度242，以上元件之寬度均與第一水平接地面寬度211相同；一個空氣介質基底30，介於輻射金屬片及接地面之間，用以隔離輻射元件與接地面，具有一厚度31，用以調製天線的阻抗頻寬，用於平衡使用厚空氣介質導致饋入探針過長所產生的電感式電抗，調整天線阻抗匹配的操作並形成天線的接地面成為參考電為零點；一饋入50歐姆SMA接頭40，其頂端與玻纖電路板24上50歐姆電路41相連結，電路尾端連結一饋入探針42，饋入探針另一端與三角形饋入金屬片43上方頂端相連結，其下端與矩形輻射金屬片10連結，三角形金屬片43與垂直接地面22平行，用形成電容性電抗以調制饋入探針所形成之電感性感抗，使天線獲得較佳之阻抗頻寬。

第2圖是天線的三視圖，有助於瞭解天線的整體與基本結構。

第3圖是本發明天線一實施例的返回損失實驗量測結果；在本實施例中，該矩形輻射金屬片10其寬度11約為60mm，矩形金屬片長度12其長度約為47 mm約為39%共振波長的長度；彎摺矩形接地面20的規格包含第一水平接地面21，具有寬度211為100mm與長度212為60 mm，垂直接地面22，具有高度221為13mm，第二水平接地面23，其長度231為26 mm，上方的玻纖電路板24，具有長度241為26mm，厚度242為0.8mm，以上元件之寬度，均與第一水平接地面寬度211的100 mm相同；空氣介質基底30為6mm；饋入50歐姆SMA接頭40，其頂端與玻纖電路板24上50歐姆電路41相連結，電路尾端連結一饋入探針42其長度為5mm，三角形饋入金屬片43為一底緣為60mm高為7mm之等腰三角形。本實驗量測時，由所得實驗結果，天線的中心頻率位於約2.45 GHz頻帶，在電壓駐波比小於1.5(VSWR返回損失約小於14 dB)的定義下，實驗量測操作模態的阻抗頻寬為(2.3924-2.504 GHz)涵蓋2.4 GHz(2.4-2.484 GHz)無線區域網路頻段，未來可由簡單調整將操作頻率調整符合WIMAX與WIFI系統需求。

第4圖為天線輻射場型量測圖，在x-z平面與y-z方向上呈現為垂向輻射之狀態，如實驗量測天線輻射場型所示，本設計之天線適用於高架於開闊區域，且具有垂向式之無線區域網路橋接點系統使用。

第5圖為本發明天線一實施例於2.4 GHz頻帶天線增益實驗量測結果；由所得實驗結果，操作頻帶的天線增益約為8 dBi以上，滿足一般無線區域網路常用頻段2.4 GHz(2.4-2.484 GHz)的高增益操作之需求。

第6圖為本發明天線之其他實施例結構圖。本實施例包括：一楔型輻射金屬片50；一上緣寬度51，及一下緣寬度52，用於調制天線阻抗頻寬，並緣引前述之饋入技術以完成之。以上說明中所述之實施例僅為說明本發明之原理及其功效，而非限制本發明。因此，習於此技術之人士可在不違背本發明之精神對上述實施例進行修改及變化。

1．．．本發明之高增益寬頻平面天線一實施例

10．．．矩形金屬片

11．．．矩形金屬片長度

12．．．矩形金屬片寬度

20．．．天線接地面

21．．．第一水平矩形接地面

211．．．第一水平矩形接地面寬度

212．．．第一水平矩形接地面長度

22．．．垂直矩形接地面

221．．．垂直矩形接地面高度

23．．．第二水平矩形接地面

231．．．第二水平矩形接地面長度

24．．．第二水平矩形接地面上置FR4玻纖電路板

241．．．FR4玻纖電路板厚度

242．．．FR4玻纖電路板長度

30．．．空氣介質

31．．．空氣介質之厚度

40．．．饋入50歐姆SMA接頭

41．．．50歐姆饋入微帶線

42．．．饋入探針

43．．．三角形饋入金屬片

50．．．本發明之輻射金屬片可置換其他楔型輻射金屬片實施例

51．．．第一種楔型輻射金屬片

52．．．第二種楔型輻射金屬片

第1圖為本發明天線一實施例結構圖。

第2圖為本發明天線一實施例結構三視圖。

第3圖為本發明天線一實施例之返回損失實驗量測結果。

第4圖為本發明天線一實施例於2.4 GHz之天線輻射場型量測結果。

第5圖為本發明天線一實施例於2.4 GHz之天線增益量測結果。

第6圖為本發明天線之輻射金屬片置換為其他實施例結構圖。

1．．．本發明之高增益寬頻平面天線一實施例

10．．．矩形金屬片

11．．．矩形金屬片長度

12．．．矩形金屬片寬度

20．．．天線接地面

21．．．第一水平矩形接地面

211．．．第一水平矩形接地面寬度

212．．．第一水平矩形接地面長度

22．．．垂直矩形接地面

221．．．垂直矩形接地面高度

23．．．第二水平矩形接地面

231．．．第二水平矩形接地面長度

24．．．第二水平矩形接地面上置FR4玻纖電路板

241．．．FR4玻纖電路板厚度

242．．．FR4玻纖電路板長度

30．．．空氣介質

31．．．空氣介質之厚度

40．．．饋入50歐姆SMA接頭

41．．．50歐姆饋入微帶線

42．．．饋入探針

43．．．三角形饋入金屬片

50．．．本發明之輻射金屬片可置換其他楔型輻射金屬片實施例

51．．．第一種楔型輻射金屬片

52．．．第二種楔型輻射金屬片

Claims (7)

1. 一種高增益寬頻平面天線，由一矩形金屬片作為輻射元件，其下方結合一個具有階梯彎摺形狀的接地面，在輻射元件與接地面中間使用空氣介質，並且以一個饋入三角形金屬片做為饋入結構所組成，用於產生寬頻操作的特性，包含：一矩形金屬片，做為輻射元件，在其上長度與寬度可調動，以產生寬頻操作，其一端與饋入三角形金屬片連結，其構成包含：一矩形金屬片長度用於產生及調整操作模態；一矩形金屬片寬度用於調整天線操作阻抗頻寬與調整交叉極化大小；一矩形階梯彎摺形狀的接地面，其構成包含：一第一水平接地面，用於天線之水平接地面，其一邊緣與垂直矩形接地面相連結；一垂直矩形接地面，用於調整天線的阻抗匹配與連接饋入訊號位置，其一邊緣與第二水平接地面相連結；一第二水平接地面，用於天線之接地面與調整天線的阻抗匹配，其上置放一玻璃纖維電路板，用於整合饋入電路與隔離同軸傳輸線之中心導線與接地面；一饋入50歐姆SMA接頭，用於連結玻纖電路板上之電路與饋入訊號同軸電線相互連結，其結構包含：一饋入探針，連結於饋入電路末端用於連結三角形饋入金屬片之頂點；一饋入三角形金屬片，用於調整天線的阻抗匹配及增加阻抗頻寬，並將訊號饋入下端連結之輻射矩形金屬片，及一厚空氣介質，用以隔離矩形金屬片及接地面，並產生寬頻操作。
2. 如申請專利範圍第1項之高增益寬頻平面天線，其中矩形金屬片，可以一楔型取代，其上下寬度可以不是一定值。
3. 如申請專利範圍第1項之高增益寬頻平面天線，其中饋入之同軸線可以用簡單的饋入電路或是同軸纜線取代，不一定由50歐姆SMA接頭饋入。
4. 如申請專利範圍第1項之高增益寬頻平面天線，其中該彎摺矩形接地面之角度可由垂直調整為30°調整至60°。
5. 如申請專利範圍第1項之高增益寬頻平面天線，其中三角形饋入金屬片之頂角展開角度可由15°調整至175°。
6. 如申請專利範圍第1項之高增益寬頻平面天線，其中三角形饋入金屬片可以用半圓形、梯形饋入金屬片取代。
7. 如申請專利範圍第1項之高增益寬頻平面天線，其中該厚空氣介質可以用介電係數相近之材料取代。