TW201826619A - 雙頻偶極天線與電子系統 - Google Patents

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Abstract

一種雙頻偶極天線與電子系統，雙頻偶極天線主體為一U形或L形的第一天線部，以及方形的第二天線部，第一天線部為具有至少一轉折的印刷輻射體，設有第一電性連接部，第二天線部則設有第二電性連接部。當有一電流源經第一電性連接部與第二電性連接部饋入訊號，分別在第一天線部與第二天線部形成相同方向的電流，使得第一天線部激發第一波段的電磁波，以及第二天線部鄰近第一天線部的部位因耦合效應而致使第二天線部激發感應最佳化頻率響應的第二波段電磁波。

Description

雙頻偶極天線與電子系統
本發明關於一種偶極天線與系統，特別是指一種小型、雙頻而具有電流同向性輻射體的偶極天線以及應用此天線的電子系統。
在科技發展日新月異的現今時代中，電子裝置的運算能力增長，訊號處理的能力也愈來愈好，特別是寬頻網路與多媒體服務的演進，使得電子裝置的傳輸速率成為最大的需求之一。
由於目前的電子產品均朝輕、薄、短、小的設計發展，因此，除了電子產品內各項電路元件有小型化的趨勢外，配置在電子產品內的天線更需要支援多頻的用途，其體積也需要考量小型化的設計。
一個偶極天線包括具有兩個電流方向的兩個輻射體，兩側輻射體的總長約半波長，可參考圖1與圖2。圖1顯示分別在兩側的輻射體11,12，經電線13饋入訊號後形成兩個方向相對的電流方向，圖中箭頭方向表示電流方向；圖2顯示為具有對稱輻射體21,22的天線，電流經電線23饋入輻射體21,22後形成方向相反的電流方向，如圖中箭頭指向。如此，偶極天線中兩側輻射體形成涵蓋較廣的輻射場型。
本發明提出一種雙頻偶極天線，以及使用此雙頻偶極天線的電子系統。雙頻偶極天線主體包括有第一天線部，可以為具有一個轉折的L形印刷輻射體，或是為具有兩個轉折的U形印刷輻射體；另有第二天線部，為一方形印刷輻射體，具有四個側邊，其中至少兩個相鄰的側邊與第一天線部之間產生一耦合效應。當有電流源經一導體電性連接第一天線部的第一電性連接部與第二天線部的第二電性連接部，可分別於第一天線部與第二天線部形成相同的訊號方向，使得第一天線部與該第二天線部之間產生耦合效應。
在一實施例中，第一電性連接部與第二電性連接部係設於相鄰的對應位置上，以利連接一電線在同一方向上的電流端與接地端。
根據實施例之一，第一天線部用以激發第一波段的電磁波；第二天線部鄰近第一天線部的部位因耦合效應致使第二天線部激發一感應最佳化頻率響應的第二波段電磁波。
發明涉及一電子系統，如一無線網路設備，其中採用上述雙頻偶極天線。
為了能更進一步瞭解本發明為達成既定目的所採取之技術、方法及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明、圖式，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得以深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
11,12,21,22‧‧‧輻射體
13,23‧‧‧電線
31‧‧‧第一天線部
311‧‧‧第一電性連接部
301‧‧‧第一訊號方向
34‧‧‧導體結構
32‧‧‧第二天線部
321‧‧‧第二電性連接部
302‧‧‧第二訊號方向
33‧‧‧電線
313‧‧‧第一輻射部
314‧‧‧第二輻射部
315‧‧‧第三輻射部
41‧‧‧第一天線部
411‧‧‧第一電性連接部
415‧‧‧導體結構
413‧‧‧第一輻射部
414‧‧‧第二輻射部
42‧‧‧第二天線部
421‧‧‧第二電性連接部
43‧‧‧電線
51‧‧‧第一天線部
511‧‧‧第一電性連接部
515‧‧‧第一導體結構
513‧‧‧第一輻射部
514‧‧‧第二輻射部
52‧‧‧第二天線部
521‧‧‧第二電性連接部
516‧‧‧第二導體結構
61‧‧‧第一天線部
62‧‧‧第二天線部
611‧‧‧第一電性連接部
621‧‧‧第二電性連接部
L‧‧‧第一天線部輻射體長度
A‧‧‧第二天線部輻射體長度
L’‧‧‧第一天線部長度
a‧‧‧第二天線部長度
△a1‧‧‧第一長度
△a2‧‧‧第二長度
△a3‧‧‧第三長度
d1‧‧‧第一耦合間距
d2‧‧‧第二耦合間距
1‧‧‧第一標記
2‧‧‧第二標記
3‧‧‧第三標記
4‧‧‧第四標記
5‧‧‧第五標記
80‧‧‧電路板
81‧‧‧雙頻偶極天線
84‧‧‧接地面
83‧‧‧射頻模組
85‧‧‧基頻模組
87‧‧‧記憶單元
圖1顯示習知技術之偶極天線示意圖；圖2顯示習知技術之偶極天線示意圖；圖3顯示本發明雙頻偶極天線的實施例示意圖之一； 圖4顯示本發明雙頻偶極天線的實施例示意圖之二；圖5顯示本發明雙頻偶極天線的實施例示意圖之三；圖6顯示本發明雙頻偶極天線的實施例示意圖之四；圖7顯示本發明雙頻偶極天線實施例之一的天線電壓駐波比；圖8顯示為採用本發明雙頻偶極天線的電子系統中主要電路元件的實施例示意圖。
揭露書描述本發明雙頻偶極天線與採用此雙頻偶極天線的電子系統，主要目的之一是要提出一種容易調整頻帶設計的印刷式小型雙頻偶極天線，在天線的設計上，根據實施例之一，經小型化的天線主體比習知之偶極天線縮小了天線面積，例如比習知之偶極天線縮小了約50-70%以上的寬度，以能適用兩個頻段的應用，如2G與5G雙頻的小型天線，如此，可節省非常多的印刷式天線材料成本，產生更多的應用，適用特定電子系統，例如無線傳輸裝置產品中。
雙頻偶極天線可依產品的需求調整與修正，以達到適合的應用。特別的是，雙頻偶極天線的設計使用獨立地(independent ground)，不用有如一般天線需另外的下地端，所以尺寸可以比其他種類天線為小，使得天線可以置放在電子系統中任意位置，並不受限於必須接到系統接地端的限制。雙頻偶極天線的訊號饋入方式可直接以電線連接到天線饋入點，例如直接以50Ω同軸電纜線銲接在天線饋入點，電線的另一端則可任意延伸至電子系統中射頻(RF)信號模組端。更者，根據雙頻偶極天線的實施例之一，雙頻偶極天線以印刷方式形成於電路板上，可免除立體式天線所需負擔的模具成本支出及組裝成本及立體天線易變形之風險。
雙頻偶極天線實施例可參考圖3所示之實施例示意圖，此例顯示為一具有U形(或說倒U形)輻射體的天線，分為具有U形 輻射體的第一天線部31以及接近方形的第二天線部32。
雙頻偶極天線的輻射體至少有一轉折，此例顯示第一天線部31為具有兩個轉折的印刷輻射體，形成第一天線部31的第一輻射部313、第二輻射部314與第三輻射部315。在其中一端(此例為圖中左側的第一輻射部313，對照圖4實施例為第一輻射部413)設有第一電性連接部311，第二天線部32為一接近方形的印刷輻射體，以印刷方式形成在第一天線部31的U形結構圍繞的區域中，在第二天線部32的輻射體的一端(此例為左上角)設有第二電性連接部321。
根據一實施例，設計第一天線部31的結構時，第一天線部31具有第一輻射部313、第二輻射部314與第三輻射部315形成U形天線結構的兩個轉折，尺度上，第二輻射部314結合第三輻射部315的長度需大於天線整體長度之二分之一。
此例顯示為了在第一天線部31與第二天線部32上形成相同訊號方向，可以將第一電性連接部311與第二電性連接部321設於相鄰的對應位置上。在一實施例中，第一電性連接部311為第一天線部31的一訊號饋入的區域(設於第一輻射部313上)，第二電性連接部321設於第二天線部32鄰近第一天線部31的第一輻射部313，為一接地的區域，以利連接電線33同一方向上的一電流端與一接地端，如此例沿著電線33由左至右的水平方向。
根據實施例，電線33實現一種導體，可以為同軸電纜線，其中包括通過電流的中央軸芯(電流端)以及包覆在外的接地導體(接地端)，兩者分別連接到第一電性連接部311與第二電性連接部321。當電流源經此電線33電性連接第一電性連接部311與第二電性連接部321，以分別於第一天線部31形成第一訊號方向301，在第二天線部32形成第二訊號方向302，兩者較佳為相同的訊號方向，或是接近平行的訊號方向，第一天線部31與第二天線部32之間亦因此產生一耦合效應。
在一實施例中，第一天線部31用以激發第一波段的電磁波，如2GHz附近的波段；第二天線部32鄰近第一天線部31的部位因耦合效應致使第二天線部32激發一感應最佳化頻率響應的第二波段電磁波，如5GHz附近的波段。
在第一天線部31上可以在結構轉折處設一導體結構34，作為阻抗匹配的用途，然而阻抗匹配的結構並不限於此實施例。
在此一提的是，連接一電流源的電線33連接到第一天線部31的第一電性連接部311與第二天線部32的第二電性連接部321的搭接方式包括有熔接(Welding)、硬焊(Brazing)、軟焊(Soldering)、砧接(Swaging)、鉚接(Riveting)以及螺絲連接等。
雙頻偶極天線的第一天線部除如上述U形輻射體的實施例以外，更可以為僅具有一個轉折的L形印刷輻射體，如圖4所示本發明雙頻偶極天線的實施例示意圖。
此例顯示有一L形的第一天線部41，可利用轉折處區分為第一輻射部413與第二輻射部414，此例的第一電性連接部411設於第一輻射部413的一端上，第一輻射部413與第二輻射部414之間轉折處可設有用以調整天線操作頻率的導體結構415，此例導體結構415為一方形形式的導體。尺度上，在此L型天線結構中，第二輻射部414的長度需大於天線整體長度之二分之一。
此例雙頻偶極天線的第二天線部42仍為接近方形的印刷輻射體，在對應第一電性連接部411對面的位置上設有第二電性連接部421，可以方便電線43在同一方向上分別以電流端與接地端連接作為訊號饋入區域的第一電性連接部411，以及作為接地區域的第二電性連接部421。
第一天線部41與第二天線部42之間產生耦合效應，當有電流源經第一電性連接部411與第二電性連接部421饋入天線後，在第一天線部41與第二天線部42上形成相同的訊號方向，產生 的耦合效應因此感應出天線的操作頻率之一。
在圖5所示之本發明雙頻偶極天線的實施例示意圖中，天線主體仍包括第一天線部51，其中依據轉折處分為第一輻射部513與第二輻射部514，第一輻射部513上設有第一電性連接部511；另有第二天線部52，設有第二電性連接部521。
特別的是，此例用於阻抗匹配的結構除了設於第一天線51轉折處的第一導體結構515，更包括第一輻射部513延伸形成的第二導體結構516，此例顯示第二導體結構516為自第一電性連接部511向下延伸的導體結構。在此實施例中，第一電性連接部511與第二電性連接部521仍維持在相對的位置，以方便電流可以在相同方向上饋入第一天線部51與第二天線部52。
在此一提的是，此處阻抗匹配的實施例並不排除應用在具有兩個轉折的雙頻偶極天線上。
圖6接著顯示本發明雙頻偶極天線中第一天線部61與第二天線部62在設計上尺寸的考量，圖中以具有一個轉折的雙頻偶極天線為例。
雙頻偶極天線設計時，第一天線部61上的第一電性連接部611與第二天線部62的第二電性連接部621維持在一電線連接時同一方向的對應位置上，第一天線部61的輻射體主要感應第一波段的訊號，第二天線部62的輻射體感應第二波段的訊號，而第一天線部61與第二天線部62之間的相同電流方向耦合效應更激發最佳化頻率響應的第二波段電磁波。
根據實施例示意圖，顯示有第一天線部輻射體長度L與第二天線部輻射體長度A，設計上，兩者可具有一比例關係。
例如第一天線部長度L’(最長至L)與第二天線部長度a(最長至A)，第二天線部長度a變化包括a+第一長度△a1、a+第二長度△a2與a+第三長度△a3。
第一天線部長度L’為了感應得到第一波段電磁波，應具有與 電磁波長一定比例關係的長度；同理，第二天線部長度a為了感應得到第二波段電磁波的目的也應有一定的長度，並應考量第二天線部長度a，以及第一天線部61與第二天線部62之間的耦合效應(考量第一耦合間距d1、第二耦合間距d2)感應得到的第二波段電磁波。
第一天線部長度L’與第二天線部長度a具有一比例(L’/a)。而此比例(L’/a)隨著第二天線部62的長度變化而改變，比例(L’/a)具有一最大值(max)，而此最大值更規範於一特定範圍內，使得雙頻偶極天線可以依照電子系統的需求運作在特定電磁波下。
圖7接著顯示本發明雙頻偶極天線實施例之一的天線電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)。
圖中橫軸表示頻率(GHz)，縱軸表示反射損失(dB，return loss)，從實驗數據來看，雙頻偶極天線在各頻段的反射損失值可得到適合的操作頻段，如此例顯示曲線的第一標記1標示在2.4GHz的反射損失值為1.8716；第二標記2標示在2.45GHz的反射損失值為1.6695；第三標記3標示在2.5GHz的反射損失值為1.7719，因此雙頻偶極天線可應用操作頻段在2400MHz~2500MHz，適用IEEE802.11 b/g無線通訊版本。並且，第四標記4標示在4.9GHz的反射損失值為1.6173；第五標記5標示在5.85GHz的反射損失值為1.3467，使得雙頻偶極天線可應用操作頻率在4900MHz~5850MHz，適用IEEE802.11 ac無線通訊版本。如此，本發明雙頻偶極天線達成雙頻應用的目的。
本發明亦涉及一電子系統，如一無線網路設備，其中採用上述雙頻偶極天線，實施例如圖8所示為電子系統中主要電路元件。無線網路設備中電路板80上設有雙頻偶極天線81，相關電路元件包括有一接地面84，電路板80上主要元件包括有一射頻模組(Radio Frequency module)83、基頻模組(Bass-band module)85與記憶單元87。
射頻模組83與雙頻偶極天線81電性連接，用以轉換接收的天線訊號，或是轉換為傳送出去的電磁波訊號。雙頻偶極天線81的訊號將經射頻模組83接收並以基頻模組85處理，儲存在記憶單元87中，並可提供電子系統內部的電路；或者電子系統產生的訊號經基頻模組85處理，由射頻模組83轉換為電磁波，經雙頻偶極天線81傳輸出去。
是以，揭露書描述為一種印刷式雙頻偶極天線，其中根據訊號饋入位置的設計，使得兩個天線輻射體中的電流方向為同向，不同於習知偶極天線中兩支部中反向的電流方向，且天線具獨立地設計，不用一般天線的下地端，並達成小型化與廣泛應用的好處。
以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

Claims (16)

  1. 一種雙頻偶極天線，包括：一第一天線部，為具有至少一轉折的印刷輻射體，設有一第一電性連接部；一第二天線部，為一方形印刷輻射體，設有一第二電性連接部；其中，一電流源經一導體電性連接該第一電性連接部與該第二電性連接部，以分別於該第一天線部與該第二天線部形成相同的訊號方向，使得該第一天線部與該第二天線部的至少兩個相鄰的側邊間產生一耦合效應。
  2. 如請求項1所述的雙頻偶極天線，其中該第一天線部僅包括一個轉折，形成一L形輻射體。
  3. 如請求項2所述的雙頻偶極天線，其中該L形輻射體包括一第一輻射體與一第二輻射體，形成該第一天線部的一個轉折。
  4. 如請求項3所述的雙頻偶極天線，其中該第二輻射部的長度需大於該雙頻偶極天線整體長度之二分之一。
  5. 如請求項1所述的雙頻偶極天線，其中該第一天線部包括兩個轉折，形成一U形輻射體。
  6. 如請求項5所述的雙頻偶極天線，其中該U形輻射體包括一第一輻射體、一第二輻射體與一第三輻射體，形成該第一天線部的兩個轉折。
  7. 如請求項6所述的雙頻偶極天線，其中該第二輻射部結合該第三輻射部的長度需大於該雙頻偶極天線整體長度之二分之一。
  8. 如請求項1至7其中之一所述的雙頻偶極天線，其中該第一電性連接部設於該第一天線部的該第一輻射部上，為一訊號饋入的區域；該第二電性連接部設於該第二天線部鄰近該第一天線部的該第一輻射部的一側，為一接地的區域。
  9. 如請求項8所述的雙頻偶極天線，其中該第一天線部用以激發 一第一波段的電磁波；該第二天線部鄰近該第一天線部的部位因該耦合效應致使該第二天線部激發一感應最佳化頻率響應的第二波段電磁波。
  10. 如請求項9所述的雙頻偶極天線，其中該第一電性連接部與該第二電性連接部係設於相鄰的對應位置上，以利連接一電線同一方向上的一電流端與一接地端。
  11. 如請求項10所述的雙頻偶極天線，其中該第一天線部設有用以調整天線阻抗匹配的導體結構。
  12. 如請求項11所述的雙頻偶極天線，其中該導體結構包括該第一輻射部延伸的結構。
  13. 如請求項11所述的雙頻偶極天線，其中該導體結構包括該第一輻射部與該第一天線部的該第二輻射部之間轉折處的結構。
  14. 一種電子系統，具有一種雙頻偶極天線，該雙頻偶極天線包括：一第一天線部，為具有至少一轉折的印刷輻射體，設有一第一電性連接部；一第二天線部，為一方形印刷輻射體，設有一第二電性連接部；其中，一電流源經一導體電性連接該第一電性連接部與該第二電性連接部，以分別於該第一天線部與該第二天線部形成相同的訊號方向，使得該第一天線部與該第二天線部的至少兩個相鄰的側邊間產生一耦合效應。
  15. 如請求項14所述的電子系統，其中該雙頻偶極天線的該第一天線部包括形成一L形輻射體的一第一輻射體與一第二輻射體，並形成一個轉折；該第二輻射部的長度需大於該雙頻偶極天線整體長度之二分之一。
  16. 如請求項14所述的電子系統，其中該雙頻偶極天線的該第一天線部包括形成一U形輻射體的一第一輻射體、一第二輻射體 與一第三輻射體，並形成兩個轉折；該第二輻射部結合該第三輻射部的長度需大於該雙頻偶極天線整體長度之二分之一。
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