TW201739106A

TW201739106A - 陣列偶極天線裝置與偶極天線

Info

Publication number: TW201739106A
Application number: TW105112242A
Authority: TW
Inventors: 蔡崇洲; 蔡博源
Original assignee: 崑山科技大學
Priority date: 2016-04-20
Filing date: 2016-04-20
Publication date: 2017-11-01
Also published as: TWI612727B

Abstract

一種陣列偶極天線裝置與偶極天線，偶極天線包含分別設置於基板之相反側面的第一天線本體與第二天線本體。第一天線本體包括兩個第一天線部，及一個連接於該等第一天線部間之第一微帶線部，每一個第一天線部具有彼此相連之L字型第一高頻輻射臂與L字型第一低頻輻射臂。該第二天線本體包括兩個第二天線部，及一連接於該等第二天線部間之第二微帶線部，該等第二天線部之外形與設置位置是分別沿一條鏡像對稱線而和該等第一天線部鏡像對稱。藉此結構設計，使得該偶極天線可在小型化情況下，兼具雙寬頻帶與良好增益特性。

Description

陣列偶極天線裝置與偶極天線

本發明是有關於一種天線，特別是指一種偶極天線。

隨著無線通訊技術的進步，許多國家都開始於重要城市或公共空間建構無線區域網路環境，有些家庭也都已開始建立無線區域網路，例如Wi-Fi 網路、無線 LAN 與WLAN等。民眾可以電腦或智慧型行動裝置連接至辦公室、家中和公共場所（例如機場、餐廳、咖啡廳、旅館及大學）中的無線區域網路，而快速且方便地進行資料傳輸。

由於MIMO（Multi-input Multi-output）通訊系統能夠利用多個天線各自獨立收發訊號，且可在不增加頻寬或總發送功率耗損（transmit power expenditure）的情況下，大幅增加資料吞吐量（throughput）及傳送距離，所以近幾年來逐漸受到矚目，但如何在不影響通訊品質的情況下，縮小並精簡整合MIMO通訊系統使用之天線，是相關許多天線廠商目前努力發展的目標。

因此，本發明的目的，即在提供一種用於多輸入多輸出無線通訊系統之陣列偶極天線裝置。

本發明之另一個目的，在於提供一種體積小且具有較佳增益特性的偶極天線。

於是，本發明陣列偶極天線裝置，包含一個基座、一個可反射電波地直立設置於該基座頂面之反射框，及多個沿該反射框周緣間隔分佈地直立設置於該基座頂面且分別與該反射框間隔相向的偶極天線。每一個偶極天線包括一個水平延伸地直立設置於該基座頂面的基板，及分別設置於該基板的一個第一天線本體與一個第二天線本體。該基板具有相背之一個第一側面與一個第二側面，並界定出兩條上下延伸且沿其長向相間隔之鏡像對稱線。該第一天線本體是設置於該第一側面，包括兩個沿該基板長向間隔設置的第一天線部，及一個連接於該等第一天線部間之第一微帶線部，每一個第一天線部具有以一端彼此相連並連接於該第一微帶線部之一個L字型的第一高頻輻射臂與一個L字型的第一低頻輻射臂。該第二天線本體是設置於該第二側面，包括兩個沿該基板長向間隔設置之第二天線部，及一個連接於該等第二天線部間之第二微帶線部，每一個第二天線部之外形與設置位置是沿其中一條鏡像對稱線而和其中一個第一天線部鏡像對稱，每一個第二天線部具有以一端彼此相連並連接於該第二微帶線部之一個第二高頻輻射臂與一個第二低頻輻射臂。

於是，本發明偶極天線，包含一個基板，及分別設置於該基板之一個第一天線本體與一個第二天線本體。該基板是呈左右延伸之直立片狀，具有前後相背之一個第一側面與一個第二側面，並界定出兩條上下延伸且左右間隔之鏡像對稱線。該第一天線本體是設置於該第一側面，包括兩個左右間隔的第一天線部，及一個以其兩端連接於該等第一天線部間之第一微帶線部，每一個第一天線部具有以一端彼此相連並連接於該第一微帶線部之一個L字型的第一高頻輻射臂與一個L字型的第一低頻輻射臂。該第二天線本體是設置於該第二側面，包括兩個左右間隔之第二天線部，及一個連接於該等第二天線部間之第二微帶線部，每一個第二天線部之外形與設置位置是沿其中一條鏡像對稱線而和其中一個第一天線部鏡像對稱，每一個第二天線部具有以一端彼此相連並連接於該第二微帶線部之一個第二高頻輻射臂與一個第二低頻輻射臂。

本發明的功效在於：透過該偶極天線的結構設計，使得該偶極天線可在小型化情況下，兼具雙寬頻帶與良好增益特性，並能夠進一步配合該反射框之設計，而能夠應用於WLAN與多輸入多輸出（MIMO）無線通訊系統。

在本發明被詳細描述的前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1、2、3，本發明陣列偶極天線裝置之第一實施例，具備雙頻帶通訊功能，適用於應用在多輸入多輸出（Multi-input Multi-output，MIMO）無線通訊系統。

該陣列偶極天線裝置包含一個板片狀基座3、一個安裝固定於該基座3頂面之環形反射框4，及多個間隔固定於該基座3頂面且環繞該反射框4間隔分佈之偶極天線5。為方便說明，在以下說明書內容中，是以圖2之左右側定義為左右向，而以圖2之前後側定義為前後向。

該反射框4為金屬材質之正四邊形環框，是固定在該基座3之正中心，具有四個直立固定於該基座3，且可反射擋阻該等偶極天線5發出之訊號的反射壁41，可藉由該等反射壁41之反射功用，提高整個陣列偶極天線裝置的訊號增益。

配合該基座3與該反射框4之外形設計，本實施例共設置四個偶極天線5，該等偶極天線5是直立地對稱佈設於該基座3頂面的四個側邊，而分佈於該反射框4周圍，並分別間隔面向其中一個反射壁41，且該等偶極天線5之頂緣低於該等反射壁41之頂緣。

參閱表1，在本實施例中，整個陣列偶極天線5之高度為H3。該基座3之四邊邊長皆為L7。該反射框4之該等反射壁41的長度為L8，高度為H2。該等偶極天線5之長度為L1，高度為H1。各個偶極天線5與相向之反射壁41的間距為D，兩相鄰偶極天線5間的最短間距為V。該陣列偶極天線裝置之整體體積為120×120×14 mm³ 。

由於該等偶極天線5結構相同，為方便說明，以下是以設置於該反射框4後側之偶極天線5為例進行結構說明。

該偶極天線5包括一個左右延伸地直立設置於該基座3上的基板50，及分別被覆設置於該基板50前後兩側之一個第一天線本體51與一個第二天線本體52。該基板50具有前後相背之一個第二側面502與一個第一側面501，並界定出兩條上下直立延伸且沿其長向左右間隔之鏡像對稱線500。在本實施例中，該基板50為玻璃纖維材質，厚度為1 mm，而該第一天線本體51與該第二天線本體52皆為銅箔材質，厚度為35 μm。但實施時，該基板50、該第一天線本體51與該第二天線本體52之材質類型眾多，因此不以上述實施態樣為限。

該第一天線本體51是設置於該第一側面501，具有兩個左右間隔對稱且概呈開口朝上之C字型的第一天線部511，及一個左右延伸並以其兩端分別連接於該等第一天線部511的第一微帶線部518。該等第一天線部511是分別緊鄰設置於該等鏡像對稱線500左側，而該第一微帶線部518大致介於該等鏡像對稱線500間。

每一個第一天線部511具有一個以其一端連接於該第一微帶線部518末端的L字型第一高頻輻射臂512，及一個以其一端連接於該第一高頻輻射臂512末端並連接於該第一微帶線部518末端之L字型第一低頻輻射臂515。該第一高頻輻射臂512具有一個上下延伸並以其底端連接於該第一微帶線部518末端之第一高頻縱向段513，及一個自該第一高頻縱向段513頂端水平延伸背離對應之鏡像對稱線500的第一高頻橫向段514。該第一低頻輻射臂515具有一個左右延伸並以其右端連接於該第一高頻縱向段513底端之第一低頻橫向段516，及一個自該第一低頻橫向段516左端往上直立延伸之第一低頻縱向段517，且該第一低頻橫向段516長度大於該第一高頻橫向段514長度。

該第二天線本體52是設置於該第二側面502，其結構是與該第一天線本體51大致相同，包括兩個左右間隔對稱且概呈開口朝上之C字型的第二天線部521、一個左右延伸並以其兩端分別連接於該等第二天線部521之第二微帶線部528。該等第二天線部521是分別緊鄰設置於該等鏡像對稱線500右側，且該等第二天線部521結構是沿該等鏡像對稱線500而與該等第一天線部511左右鏡像對稱，該第二微帶線部528則與該第一微帶線部518大致重疊。每一個第二天線部521具有一個L字型第二高頻輻射臂522，及一個連接於該第二高頻輻射臂522之L字型第二低頻輻射臂525，該第二高頻輻射臂522結構具有一個第二高頻縱向段523與一個第二高頻橫向段524。該第二低頻輻射臂525具有一個第二低頻橫向段526與一個第二低頻縱向段527。

該偶極天線5使用時，是由較長之該等第一低頻輻射臂515與該等第二低頻輻射臂525相配合控制低頻通訊頻率，而由較短之該等第一高頻輻射臂512與該等第二高頻輻射臂522相配合控制高頻通訊頻率。

在本實施例中，該基板50長度為L1，高度為H1。該等第一低頻縱向段517與該等第二低頻縱向段527之長度為L2，該等第一高頻橫向段514與該等第二高頻橫向段524之長度為L3，該等第一低頻橫向段516與該等第二低頻橫向段526之長度為L4，該等第一高頻縱向段513與該等第二高頻縱向對長度為L5，該等第一低頻縱向段517與該等第二低頻縱向段527之寬度為W2，該等第一高頻橫向段514與該等第二寬頻橫向段之寬度為W3，該等第一低頻橫向段516與該等第二低頻橫向段526之寬度為W4，相鄰之第一低頻縱向段517與第二低頻縱向段527之間距為S1。該第一微帶線部518與該第二微帶線部528之長度為L6。

實施時，可透過調整該等第一天線部511與該等第二天線部521之各部位的長寬尺寸，來測試找出最佳低頻帶範圍與最佳高頻帶範圍。由於測試各種尺寸以找出最佳低頻帶範圍與高頻帶範圍的方式眾多，且非本發明之改良重點，因此不再詳述。

以下是以表2所示之該偶極天線5的尺寸規格實際進行反射損失測試與場型分析。測試時，會將一個50Ω的SMA接頭設（圖未示）置於該基板50底緣，並電連接於該第一微帶線部518與該第二微帶線部528，頻率量測儀器為R&S公司的結合向量網路分析儀/頻譜分析儀（ZVL）。

參閱圖4，測試結果顯示，小於-5 dB的低頻反射損失頻率範圍為2.14 GHz~2.8 GHz，比例頻寬為27.5%，小於-10dB的高頻反射損失頻率範圍為4.41 GHz~6 GHz，比例頻寬為29.4%。

進一步根據圖5A、5B、6A、6B、7A、7B、8A與8B所示之2.4 GHz、2.5 GHz、5 GHz與5.8 GHz的實測場型圖可知，在2.4 GHz與2.5 GHz之低頻範圍，E面的場型呈現8字形，而H面的場型則會因為該等第一低頻輻射臂515、該等第二低頻輻射臂525，以及相匹配之該第一微帶線部518與該第二微帶線部528的靠底部設計的架構，使該偶極天線5的輻射往上集中，而具指向性特性。在5 GHz與5.8 GHz之高頻範圍，H面與E面的場型也呈現與在2.4 GHz與2.5 GHz之低頻範圍內的現象類似。

再由圖9、10所示之增益曲線可知，低頻增益大概介於4.7~5.35 dBi之間，高頻的最高增益為8.06 dBi，顯示該偶極天線5具有良好的增益特性。

本發明陣列偶極天線裝置使用時，當該等偶極天線5間的隔離度較差時，該等偶極天線5間的相互干擾會影響製成之陣列偶極天線裝置的頻帶與增益，本發明就是透過設置於該等偶極天線5間之該反射框4來擋阻反射電波訊號，降低相互干擾程度，但該等偶極天線5與該反射框4之間距也會影響訊號反射效果，同樣會影響整個陣列偶極天線裝置的頻帶與增益，所以實施時，可透過調整該等偶極天線5間的距離，以及調整該等偶極天線5與該等反射壁41之間距，來測試對低頻頻帶與高頻頻帶之影響，藉以找出最佳尺寸規格。由於此測試部分為習知技術，且非本發明之創作重點，因此不再詳述。在本實施例中，是以表1、2所示之該基座3、該反射框4與該等偶極天線5的尺寸規格為例進行場形與增益測試。

參閱圖11所示之反射損失測試結果，該陣列偶極天線裝置-10 dB之低頻頻帶範圍介於2.0 GHz~2.63 GHz，而-10 dB之高頻頻帶範圍介於4.5 GHz~6 GHz。

且由圖12A、12B、13A、13B、14A、14B、15A與15B所示之2.4 GHz、2.5 GHz、5 GHz與5.8 GHz的實測場型圖可知，在2.4 GHz與2.5 GHz之低頻範圍，E面的場型呈現8字形，而H面的場型則會因為該等第一低頻輻射臂515、該等第二低頻輻射臂525，以及相匹配之該第一微帶線部518與該第二微帶線部528的靠底部設計的架構，使整體輻射往上集中，且加上反射板4之反射使H面場更為集中，而具指向性特性並提高增益值。在5 GHz與5.8 GHz之高頻範圍，H面與E面的場型也呈現與在2.4 GHz與2.5 GHz之低頻範圍內的現象類似。

參閱圖16、17之增益測試結果，低頻增益介於6.17~8.10 dBi之間，2.49 GHz為低頻的最高增益點，高頻的最高增益為12.12 dBi，落在5.2 GHz，可見本發明陣列偶極天線裝置同樣具有極佳的增益特性。

參閱圖18，本發明陣列偶極天線裝置之第二實施例與該第一實施例之差異在於整體結構外形之設計。為方便說明，以下僅針對本實施例與第一實施例差異處進行描述。

在本實施例中，該陣列偶極天線裝置是設計成三角形，具有一個三角形的基座3、一個設置於該基座3之三角形的反射框4，及三個間隔對稱地設置於該基座3之三個側邊之偶極天線5。在本實施例中，相鄰兩個偶極天線5之端與端間距為10 mm，每個偶極天線5與該反射框4之最短間距為15 mm，但實施時，可根據所欲製成之陣列偶極天線裝置之頻寬特性，對應調整該等偶極天線5與該反射框4間之相對位置關係，不以上述間距條件為限。

參閱圖19、20，由圖19之反射損失曲線圖可知，即便是佈設成三角形，該等偶極天線5同樣都具有很好的雙頻特性，且由圖20所示之隔離度測試結果可知，該等偶極天線5間亦不會互相影響訊號輻射性能，而具有很好的訊號隔離度。

由圖21A與21B之場形圖可知，在2.4 GHz與2.5 GHz之低頻範圍，E面和H面的場型都呈現集中的現象，而具指向性特性並提高增益值。在5 GHz與5.8 GHz之高頻範圍，H面與E面的場型也呈現與在2.4 GHz與2.5 GHz之低頻範圍內的現象類似。

綜上所述，透過該等偶極天線5之該第一天線本體51與該第二天線本體52的結構設計，使得該偶極天線5可在小型化情況下，兼具雙寬頻帶與良好增益特性，而能夠適用於WLAN系統的應用。此外，進一步透過在該等偶極天線5間設置該反射框4的結構設計，可有效避免該等偶極天線5間的相互干擾問題，且同樣可在縮小尺寸情況下，使得本發明該陣列偶極天線裝置具有極佳的增益特性，而能夠應用於多輸入多輸出（MIMO）無線通訊系統，是一種創新的偶極天線5與陣列偶極天線裝置設計。因此，確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

3‧‧‧基座
4‧‧‧反射框
41‧‧‧反射壁
5‧‧‧偶極天線
50‧‧‧基板
500‧‧‧鏡像對稱線
501‧‧‧第一側面
502‧‧‧第二側面
51‧‧‧第一天線本體
511‧‧‧第一天線部
512‧‧‧第一高頻輻射臂
513‧‧‧第一高頻縱向段
514‧‧‧第一高頻橫向段
515‧‧‧第一低頻輻射臂
516‧‧‧第一低頻橫向段
517‧‧‧第一低頻縱向段
518‧‧‧第一微帶線部
52‧‧‧第二天線本體
521‧‧‧第二天線部
522‧‧‧第二高頻輻射臂
523‧‧‧第二高頻縱向段
524‧‧‧第二高頻橫向段
525‧‧‧第二低頻輻射臂
526‧‧‧第二低頻橫向段
527‧‧‧第二低頻縱向段
528‧‧‧第二微帶線部

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明陣列偶極天線裝置的第一實施例的立體圖；圖2是該第一實施例的俯視圖；圖3是該第一實施例之側視圖；圖4是該第一實施例之單一個偶極天線的反射損失曲線圖；圖5A是該偶極天線於2.4 GHz測試時的H面場型圖，圖5B是該偶極天線在2.4 GHz測試時的E面場型圖；圖6A是該偶極天線於2.5 GHz測試時的H面場型圖，圖6B是該偶極天線在2.5 GHz測試時的E面場型圖；圖7A是該偶極天線於5 GHz測試時的H面場型圖，圖7B是該偶極天線在5 GHz測試時的E面場型圖；圖8A是該偶極天線於5.8 GHz測試時的H面場型圖，圖8B是該偶極天線在5.8 GHz測試時的E面場型圖；圖9是該偶極天線之低頻頻帶的增益變化曲線圖；圖10是該偶極天線之高頻頻帶的增益變化曲線圖；圖11是該第一實施例的反射損失曲線圖；圖12A是該第一實施例於2.4 GHz測試時的H面場型圖，圖12B是該第一實施例在2.4 GHz測試時的E面場型圖；圖13A是該第一實施例於2.5 GHz測試時的H面場型圖，圖13B是該第一實施例在2.5 GHz測試時的E面場型圖；圖14A是該第一實施例於5 GHz測試時的H面場型圖，圖14B是該第一實施例在5 GHz測試時的E面場型圖；圖15A是該第一實施例於5.8 GHz測試時的H面場型圖，圖15B是該第一實施例在5.8 GHz測試時的E面場型圖；圖16是該第一實施例之低頻頻帶的增益變化曲線圖；圖17是該第一實施例之高頻頻帶的增益變化曲線圖；圖18是本發明陣列偶極天線裝置之第二實施例的俯視圖；圖19是第二實施例使用之三個偶極天線同時進行測試的反射損失曲線圖；圖20是該第二實施例之該等鄰偶極天線間之隔離度測試曲線圖；圖21A是該第二實施例於2 GHz測試時之一個偶極天線的H面場型圖；圖21B是該第二實施例在5 GHz測試時之一個偶極天線的E面場型圖。

3‧‧‧基座

4‧‧‧反射框

41‧‧‧反射壁

5‧‧‧偶極天線

50‧‧‧基板

501‧‧‧第一側面

502‧‧‧第二側面

51‧‧‧第一天線本體

511‧‧‧第一天線部

518‧‧‧第一微帶線部

52‧‧‧第二天線本體

521‧‧‧第二天線部

528‧‧‧第二微帶線部

Claims

一種偶極天線，包含：一個基板，呈左右延伸之直立片狀，具有前後相背之一個第一側面與一個第二側面，並界定出兩條上下延伸且左右間隔之鏡像對稱線；一個第一天線本體，設置於該第一側面，包括兩個左右間隔的第一天線部，及一個連接於該等第一天線部間之第一微帶線部，每一個第一天線部具有以一端彼此相連並連接於該第一微帶線部之一個L字型的第一高頻輻射臂與一個L字型的第一低頻輻射臂；及一個第二天線本體，設置於該第二側面，包括兩個左右間隔之第二天線部，及一個連接於該等第二天線部間之第二微帶線部，每一個第二天線部之外形與設置位置是沿其中一條鏡像對稱線而和其中一個第一天線部鏡像對稱，每一個第二天線部具有以一端彼此相連並連接於該第二微帶線部之一個第二高頻輻射臂與一個第二低頻輻射臂。
如請求項1所述的偶極天線，其中，每一個第一高頻輻射臂具有一個上下延伸且以其底端連接於該第一微帶線部末端的第一高頻縱向段，及一個自該第一高頻縱向段頂端往外延伸背離鏡像對稱之該第二高頻輻射臂的第一高頻橫向段，每一個第二高頻輻射臂具有一個與該第一高頻縱向段鏡像對稱之第二高頻縱向段，及一個與該第一高頻橫向段鏡像對稱之第二高頻橫向段。
如請求項2所述的偶極天線，其中，每一個第一低頻輻射臂具有一個連接於對應之第一高頻縱向段並延伸背離鏡像對稱之第二低頻輻射臂的第一低頻橫向段，及一個自該第一低頻橫向段末端往上延伸之第一低頻縱向段，每一個第二低頻輻射臂具有一個與該第一低頻橫向段鏡像對稱之第二低頻橫向段，及一個與該第一低頻縱向段鏡像對稱之第二低頻縱向段，且該第一低頻縱向段與未鏡像對稱之另一個第二低頻輻射臂的該第二低頻縱向段左右相距特定距離。
一種陣列偶極天線裝置，包含：一個基座；一個反射框，可反射電波地直立設置於該基座頂面；及多個偶極天線，間隔分佈地直立設置於該基座頂面，且分別與該反射框間隔相向，每一個偶極天線包括：一個基板，水平延伸地直立設置於該基座頂面，具有相背之一個第一側面與一個第二側面，並界定出兩條上下延伸且沿其長向相間隔之鏡像對稱線，一個第一天線本體，設置於該第一側面，包括兩個沿該基板長向間隔設置的第一天線部，及一個連接於該等第一天線部間之第一微帶線部，每一個第一天線部具有以一端彼此相連並連接於該第一微帶線部之一個L字型的第一高頻輻射臂與一個L字型的第一低頻輻射臂，及一個第二天線本體，設置於該第二側面，包括兩個沿該基板長向間隔設置之第二天線部，及一個連接於該等第二天線部間之第二微帶線部，每一個第二天線部之外形與設置位置是沿其中一條鏡像對稱線而和其中一個第一天線部鏡像對稱，每一個第二天線部具有以一端彼此相連並連接於該第二微帶線部之一個第二高頻輻射臂與一個第二低頻輻射臂。
如請求項4所述的陣列偶極天線裝置，其中，該反射框是呈三角環狀，具有三個依序相連圍繞成環狀之反射壁，該陣列偶極天線裝置包含三個偶極天線，且該等偶極天線是與該等反射壁間隔相向。
如請求項4所述的陣列偶極天線裝置，其中，該反射框是呈四角環狀，具有四個依序相連圍繞成環狀之反射壁，該陣列偶極天線裝置包含四個偶極天線，該等偶極天線是與該等反射壁間隔相向。
5或6所述的陣列偶極天線裝置，其中，該反射框之頂緣高於該等偶極天線頂緣。
5或6所述的陣列偶極天線裝置，其中，每一個第一高頻輻射臂具有一個上下延伸且以其底端連接於該第一微帶線部末端的第一高頻縱向段，及一個自該第一高頻縱向段頂端往外延伸背離鏡像對稱之該第二高頻輻射臂的第一高頻橫向段，每一個第二高頻輻射臂具有一個與該第一高頻縱向段鏡像對稱之第二高頻縱向段，及一個與該第一高頻橫向段鏡像對稱之第二高頻橫向段。
如請求項8所述的陣列偶極天線裝置，其中，每一個第一低頻輻射臂具有一個連接於對應之第一高頻縱向段並延伸背離鏡像對稱之第二低頻輻射臂的第一低頻橫向段，及一個自該第一低頻橫向段末端往上延伸之第一低頻縱向段，每一個第二低頻輻射臂具有一個與該第一低頻橫向段鏡像對稱之第二低頻橫向段，及一個與該第一低頻縱向段鏡像對稱之第二低頻縱向段，且該第一低頻縱向段與未鏡像對稱之另一個第二低頻輻射臂的該第二低頻縱向段左右相距特定距離。