TW202333421A - 天線系統 - Google Patents

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Abstract

一種天線系統，包括：一第一天線元件、一第二天線元件、一介質基板、一第一反射板，以及一第二反射板。第一天線元件和第二天線元件皆設置於介質基板上。第一反射板係鄰近於介質基板。第二反射板係耦接至第一反射板，其中第一反射板和第二反射板之間形成一第一夾角。天線系統可提供相對較大之一半功率波束寬度。

Description

天線系統
本發明係關於一種天線系統，特別係關於一種具有較大波束寬度(Beamwidth)之天線系統。
隨著行動通訊技術的發達，行動裝置在近年日益普遍，常見的例如：手提式電腦、行動電話、多媒體播放器以及其他混合功能的攜帶型電子裝置。為了滿足人們的需求，行動裝置通常具有無線通訊的功能。有些涵蓋長距離的無線通訊範圍，例如：行動電話使用2G、3G、LTE(Long Term Evolution)系統及其所使用700MHz、850 MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz、2100MHz、2300MHz以及2500MHz的頻帶進行通訊，而有些則涵蓋短距離的無線通訊範圍，例如：Wi-Fi、Bluetooth系統使用2.4GHz、5.2GHz和5.8GHz的頻帶進行通訊。
天線(Antenna)為無線通訊領域中不可缺少之元件。倘若用於接收或發射信號之天線其波束寬度(Beamwidth)不足，則很容易造成相關裝置之通訊品質下降。因此，如何設計出具有較小尺寸、較大波束寬度之天線元件，對天線設計者而言是一項重要課題。
在較佳實施例中，本發明提出一種天線系統，包括：一第一天線元件；一第二天線元件；一介質基板，其中該第一天線元件和該第二天線元件皆設置於該介質基板上；一第一反射板，鄰近於該介質基板；以及一第二反射板，耦接至該第一反射板，其中該第一反射板和該第二反射板之間形成一第一夾角；其中該天線系統提供相對較大之一半功率波束寬度(Half-Power Beamwidth，HPBW)。
在一些實施例中，該天線系統之該半功率波束寬度係介於90度至180度之間。
在一些實施例中，該天線系統涵蓋介於2300MHz至2700MHz之間之一操作頻帶。
在一些實施例中，該第一天線元件和該第二天線元件各自為一偶極天線。
在一些實施例中，該第一夾角係根據下列方程式作計算： 其中「θ1」代表該第一夾角，「θB」代表該半功率波束寬度，而「K1」代表介於0.8至1.2之間之一第一調整常數。
在一些實施例中，該第一反射板和該介質基板之間形成一第二夾角，該第二反射板和該介質基板之間形成一第三夾角，而該第二夾角和該第三夾角兩者大致相等。
在一些實施例中，該第一反射板之長度係根據下列方程式作計算： 其中「L1」代表該第一反射板之該長度，「λ」代表該操作頻帶之中心頻率之波長，而「K2」代表介於0.7至2之間之一第二調整常數。
在一些實施例中，該第二反射板之長度係根據下列方程式作計算： 其中「L2」代表該第二反射板之該長度，「λ」代表該操作頻帶之中心頻率之波長，而「K2」代表介於0.7至2之間之一第二調整常數。
在一些實施例中，該天線系統更包括：一第三反射板，耦接至該第一反射板和該第二反射板，其中該第三反射板係介於該第一天線元件和該第二天線元件之間。
在一些實施例中，該第一反射板、該第二反射板，以及該第三反射板之組合係大致呈現一Y字形。
在一些實施例中，該第三反射板之長度係根據下列方程式作計算： 其中「L3」代表該第三反射板之該長度，「λ」代表該操作頻帶之中心頻率之波長，而「K3」代表介於0至1.5之間之一第三調整常數。
在一些實施例中，該天線系統更包括：一第一傳輸線，其中一信號源係經由該第一傳輸線耦接至該第一天線元件；以及一第二傳輸線，其中該信號源更經由該第二傳輸線耦接至該第二天線元件。
在一些實施例中，該介質基板具有相對之一第一表面和一第二表面。
在一些實施例中，該第一天線元件包括：一第一輻射部，設置於該介質基板之該第一表面；以及一第二輻射部，設置於該介質基板之該第二表面，其中該第一輻射部和該第二輻射部係大致朝相反方向作延伸。
在一些實施例中，該第一輻射部和該第二輻射部之每一者之長度皆大致等於該操作頻帶之中心頻率之0.25倍波長。
在一些實施例中，該第二天線元件包括：一第三輻射部，設置於該介質基板之該第一表面；以及一第四輻射部，設置於該介質基板之該第二表面，其中該第三輻射部和該第四輻射部係大致朝相反方向作延伸。
在一些實施例中，該第三輻射部和該第四輻射部之每一者之長度皆大致等於該操作頻帶之中心頻率之0.25倍波長。
在一些實施例中，該第二輻射部之一中心點和該第一反射板之間具有一第一間距，而該第四輻射部之一中心點和該第二反射板之間具有一第二間距。
在一些實施例中，該第一間距係根據下列方程式作計算： 其中「D1」代表該第一間距，「λ」代表該操作頻帶之中心頻率之波長，而「K4」代表介於0.7至2之間之一第四調整常數。
在一些實施例中，該第二間距係根據下列方程式作計算： 其中「D2」代表該第二間距，「λ」代表該操作頻帶之中心頻率之波長，而「K4」代表介於0.7至2之間之一第四調整常數。
為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
在說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。本領域技術人員應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及申請專利範圍當中所提及的「包含」及「包括」一詞為開放式的用語，故應解釋成「包含但不僅限定於」。「大致」一詞則是指在可接受的誤差範圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題，達到所述基本之技術效果。此外，「耦接」一詞在本說明書中包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接至一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電性連接至該第二裝置，或經由其它裝置或連接手段而間接地電性連接至該第二裝置。
以下的揭露內容提供許多不同的實施例或範例以實施本案的不同特徵。以下的揭露內容敘述各個構件及其排列方式的特定範例，以簡化說明。當然，這些特定的範例並非用以限定。例如，若是本揭露書敘述了一第一特徵形成於一第二特徵之上或上方，即表示其可能包含上述第一特徵與上述第二特徵是直接接觸的實施例，亦可能包含了有附加特徵形成於上述第一特徵與上述第二特徵之間，而使上述第一特徵與第二特徵可能未直接接觸的實施例。另外，以下揭露書不同範例可能重複使用相同的參考符號或(且)標記。這些重複係為了簡化與清晰的目的，並非用以限定所討論的不同實施例或(且)結構之間有特定的關係。
此外，其與空間相關用詞。例如「在…下方」、「下方」、「較低的」、「上方」、「較高的」 及類似的用詞，係為了便於描述圖示中一個元件或特徵與另一個(些)元件或特徵之間的關係。除了在圖式中繪示的方位外，這些空間相關用詞意欲包含使用中或操作中的裝置之不同方位。裝置可能被轉向不同方位(旋轉90度或其他方位)，則在此使用的空間相關詞也可依此相同解釋。
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統(Antenna System)100之剖面圖。例如，天線系統100可應用於一無線分享器(Wireless Access Point)當中，但亦不僅限於此。在第1圖之實施例中，天線系統100至少包括：一第一天線元件(Antenna Element)110、一第二天線元件120、一介質基板(Dielectric Substrate)130、一第一反射板(Reflective Plate)140，以及一第二反射板150，其中第一天線元件110、第二天線元件120、第一反射板140，以及第二反射板150皆可用金屬材質製成，例如：銅、銀、鋁、鐵，或是其合金。
第一天線元件110和第二天線元件120之形狀和種類於本發明中並不特別作限制。舉例而言，第一天線元件110和第二天線元件120可各自為一單極天線(Monopole Antenna)、一偶極天線(Dipole Antenna)、一補釘天線(Patch Antenna)、一迴圈天線(Loop Antenna)、一平面倒F字形天線(Planar Inverted F Antenna，PIFA)，或是一混合天線(Hybrid Antenna)。
介質基板130可為一FR4(Flame Retardant 4)基板、一印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)，或是一軟性電路板(Flexible Printed Circuit，FPC)，但亦不僅限於此。第一天線元件110和第二天線元件120皆設置於介質基板130上。在一些實施例中，第一天線元件110和第二天線元件120可分佈於介質基板130之同一表面上。在另一些實施例中，第一天線元件110和第二天線元件120亦可分佈於介質基板130之不同表面上。
第一反射板140和第二反射板150兩者係互相耦接，其中第一反射板140和第二反射板150之間可形成一第一夾角(Angle)θ1。大致而言，第一反射板140和第二反射板150可用於增強第一天線元件110和第二天線元件120之輻射增益(Radiation Gain)。在一些實施例中，第一反射板140和第二反射板150皆鄰近於介質基板130。必須注意的是，本說明書中所謂「鄰近」或「相鄰」一詞可指對應之二元件間距小於一既定距離(例如：10mm或更短)，亦可包括對應之二元件彼此直接接觸之情況(亦即，前述間距縮短至0)。
根據實際量測結果，本發明所提之天線系統100可提供相對較大之一半功率波束寬度(Half-Power Beamwidth，HPBW)。例如，天線系統100之半功率波束寬度可介於90度至180度之間，但亦不僅限於此。在一些實施例中，天線系統100可涵蓋介於2300MHz至2700MHz之間之一操作頻帶(Operational Frequency Band)。因此，天線系統100將至少可支援WLAN(Wireless Wide Area Network)和LTE(Long Term Evolution)之寬頻操作。
以下實施例將介紹天線系統100之不同組態及細部結構特徵。必須理解的是，這些圖式和敘述僅為舉例，而非用於限制本發明之範圍。
第2A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統200之立體圖。第2B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統200之剖面圖(沿第2A圖之一剖面線LS)。請一併參考第2A、2B圖。在第2A、2B圖之實施例中，天線系統200包括：一第一天線元件210、一第二天線元件220、一介質基板230、一第一反射板240、一第二反射板250、一第三反射板260、一第一傳輸線(Transmission Line)270、一第二傳輸線280，以及一信號源290，其中第一天線元件210、第二天線元件220、第一反射板240、第二反射板250、第三反射板260、第一傳輸線270，以及第二傳輸線280皆可用金屬材質製成。
第一天線元件210和第二天線元件220可各自為一偶極天線。詳細而言，第一天線元件210包括一第一輻射部(Radiation Element)214和一第二輻射部215，而第二天線元件220包括一第三輻射部224和一第四輻射部225。另外，介質基板230具有相對之一第一表面E1和一第二表面E2。
在第一天線元件210中，第一輻射部214可設置於介質基板230之第一表面E1上，而第二輻射部215可設置於介質基板230之第二表面E2上，其中第一輻射部214和第二輻射部215可大致朝相反方向作延伸。在一些實施例中，第一傳輸線270係同時分佈於介質基板230之第一表面E1和第二表面E2上，其中信號源290可經由第一傳輸線270耦接至第一輻射部214和第二輻射部215，以激發第一天線元件210。
在第二天線元件220中，第三輻射部224可設置於介質基板230之第一表面E1上，而第四輻射部225可設置於介質基板230之第二表面E2上，其中第三輻射部224和第四輻射部225可大致朝相反方向作延伸。在一些實施例中，第二傳輸線280係同時分佈於介質基板230之第一表面E1和第二表面E2上，其中信號源290更可經由第二傳輸線280耦接至第三輻射部224和第四輻射部225，以激發第二天線元件220。必須注意的是，第一天線元件210和第二天線元件220可共同形成一天線陣列(Antenna Array)。
第一反射板240和第二反射板250兩者係互相耦接，其中第一反射板240和第二反射板250之間可形成一第一夾角θ1。在一些實施例中，第一夾角θ1係根據下列方程式(1)作計算：
……………………………(1) 其中「θ1」可代表第一夾角θ1，「θB」可代表天線系統200之一半功率波束寬度，而「K1」可代表介於0.8至1.2之間之一第一調整常數。
在一些實施例中，第一反射板240和介質基板230之間可形成一第二夾角θ2，而第二反射板250和介質基板230之間可形成一第三夾角θ3，其中第二夾角θ2和第三夾角θ3兩者可大致相等(亦即， )。
例如，天線系統200可涵蓋介於2300MHz至2700MHz之間之一操作頻帶，但亦不僅限於此。在一些實施例中，第一反射板240之長度L1和第二反射板250之長度L2係根據下列方程式(2)、(3)作計算：
…………………………………(2)
…………………………………(3) 其中「L1」可代表第一反射板240之長度L1，「L2」可代表第二反射板250之長度L2，「λ」可代表天線系統200之操作頻帶之中心頻率之波長，而「K2」可代表介於0.7至2之間之一第二調整常數。
第三反射板260係同時耦接至第一反射板240和第二反射板250。必須注意的是，第三反射板260係設置於第一天線元件210和第二天線元件220之間。例如，第一反射板240、第二反射板250，以及第三反射板260三者之組合可大致呈現一Y字形。在一些實施例中，第三反射板260可穿透介質基板230。然而，本發明並不僅限於此。在另一些實施例中，第三反射板260可不必穿透介質基板230，而僅有第三反射板260之一部份耦接至第一反射板240和第二反射板250。根據實際量測結果，第三反射板260之加入有助於進一步提升天線系統200之半功率波束寬度。
在一些實施例中，第三反射板260之長度L3係根據下列方程式(4)作計算：
…………………………………(4) 其中「L3」可代表第三反射板260之長度L3，「λ」可代表天線系統200之操作頻帶之中心頻率之波長，而「K3」可代表介於0至1.5之間之一第三調整常數(當K3等於0時，即代表可省略掉第三反射板260)。
在一些實施例中，第一輻射部214之長度L4、第二輻射部215之長度L5、第三輻射部224之長度L6，以及第四輻射部225之長度L7係根據下列方程式(5)作計算：
…………………………(5) 其中「L4」可代表第一輻射部214之長度L4，「L5」可代表第二輻射部215之長度L5，「L6」可代表第三輻射部224之長度L6，「L7」可代表第四輻射部225之長度L7，而「λ」可代表天線系統200之操作頻帶之中心頻率之波長。
第二輻射部215之中心點CP1和第一反射板240之間具有一第一間距D1，而第四輻射部225之中心點CP2和第二反射板250之間具有一第二間距D2。在一些實施例中，第一間距D1和第二間距D2係根據下列方程式(6)、(7)作計算：
……………………………………(6)
……………………………………(7) 其中「D1」可代表第一間距D1，「D2」可代表第二間距D2，「λ」可代表天線系統200之操作頻帶之中心頻率之波長，而「K4」可代表介於0.7至2之間之一第四調整常數。
第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統200之輻射場型圖(Radiation Pattern)(其可沿XZ平面進行量測)。根據第3圖係之量測結果，天線系統200可提供相對較大之半功率波束寬度θB。例如，天線系統200之半功率波束寬度θB可介於90度至180度之間，但亦不僅限於此。另外，天線系統200之前後比(Front-to-Back Ratio)可達15dB或更高，此已可滿足一般通訊裝置之實際應用需求。必須理解的是，前述之方程式(1)至(7)之設計範圍係根據多次實驗結果而得出，其有助於最佳化天線系統200之半功率波束寬度、前後比、操作頻寬(Operational Bandwidth)，以及阻抗匹配(Impedance Matching)。
本發明提出一種新穎之天線系統。相較於傳統設計，本發明至少具有較大半功率波束寬度、較高前後比，以及較低製造成本等優勢，故其很適合應用於各種各式之通訊裝置當中。
值得注意的是，以上所述之元件尺寸、元件形狀，以及頻率範圍皆非為本發明之限制條件。天線設計者可以根據不同需要調整這些設定值。本發明之天線系統並不僅限於第1-3圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-3圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之，並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之天線系統當中。
在本說明書以及申請專利範圍中的序數，例如「第一」、「第二」、「第三」等等，彼此之間並沒有順序上的先後關係，其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100,200:天線系統 110,210:第一天線元件 120,220:第二天線元件 130,230:介質基板 140,240:第一反射板 150,250:第二反射板 214:第一輻射部 215:第二輻射部 224:第三輻射部 225:第四輻射部 260:第三反射板 270:第一傳輸線 280:第二傳輸線 290:信號源 CP1,CP2:中心點 D1:第一間距 D2:第二間距 E1:介質基板之第一表面 E2:介質基板之第二表面 L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7:長度 LS:剖面線 X:X軸 Y:Y軸 Z:Z軸 θ1:第一夾角 θ2:第二夾角 θ3:第三夾角 θB:半功率波束寬度
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統之剖面圖。 第2A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統之立體圖。 第2B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統之剖面圖。 第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統之輻射場型圖。
100:天線系統
110:第一天線元件
120:第二天線元件
130:介質基板
140:第一反射板
150:第二反射板
X:X軸
Y:Y軸
Z:Z軸
θ1:第一夾角

Claims (20)

  1. 一種天線系統，包括： 一第一天線元件； 一第二天線元件； 一介質基板，其中該第一天線元件和該第二天線元件皆設置於該介質基板上； 一第一反射板，鄰近於該介質基板；以及 一第二反射板，耦接至該第一反射板，其中該第一反射板和該第二反射板之間形成一第一夾角； 其中該天線系統提供相對較大之一半功率波束寬度(Half-Power Beamwidth，HPBW)。
  2. 如請求項1所述之天線系統，其中該天線系統之該半功率波束寬度係介於90度至180度之間。
  3. 如請求項1所述之天線系統，其中該天線系統涵蓋介於2300MHz至2700MHz之間之一操作頻帶。
  4. 如請求項1所述之天線系統，其中該第一天線元件和該第二天線元件各自為一偶極天線。
  5. 如請求項1所述之天線系統，其中該第一夾角係根據下列方程式作計算： 其中「θ1」代表該第一夾角，「θB」代表該半功率波束寬度，而「K1」代表介於0.8至1.2之間之一第一調整常數。
  6. 如請求項1所述之天線系統，其中該第一反射板和該介質基板之間形成一第二夾角，該第二反射板和該介質基板之間形成一第三夾角，而該第二夾角和該第三夾角兩者大致相等。
  7. 如請求項3所述之天線系統，其中該第一反射板之長度係根據下列方程式作計算： 其中「L1」代表該第一反射板之該長度，「λ」代表該操作頻帶之中心頻率之波長，而「K2」代表介於0.7至2之間之一第二調整常數。
  8. 如請求項3所述之天線系統，其中該第二反射板之長度係根據下列方程式作計算： 其中「L2」代表該第二反射板之該長度，「λ」代表該操作頻帶之中心頻率之波長，而「K2」代表介於0.7至2之間之一第二調整常數。
  9. 如請求項3所述之天線系統，更包括： 一第三反射板，耦接至該第一反射板和該第二反射板，其中該第三反射板係介於該第一天線元件和該第二天線元件之間。
  10. 如請求項9所述之天線系統，其中該第一反射板、該第二反射板，以及該第三反射板之組合係大致呈現一Y字形。
  11. 如請求項9所述之天線系統，其中該第三反射板之長度係根據下列方程式作計算： 其中「L3」代表該第三反射板之該長度，「λ」代表該操作頻帶之中心頻率之波長，而「K3」代表介於0至1.5之間之一第三調整常數。
  12. 如請求項1所述之天線系統，更包括： 一第一傳輸線，其中一信號源係經由該第一傳輸線耦接至該第一天線元件；以及 一第二傳輸線，其中該信號源更經由該第二傳輸線耦接至該第二天線元件。
  13. 如請求項3所述之天線系統，其中該介質基板具有相對之一第一表面和一第二表面。
  14. 如請求項13所述之天線系統，其中該第一天線元件包括： 一第一輻射部，設置於該介質基板之該第一表面；以及 一第二輻射部，設置於該介質基板之該第二表面，其中該第一輻射部和該第二輻射部係大致朝相反方向作延伸。
  15. 如請求項14所述之天線系統，其中該第一輻射部和該第二輻射部之每一者之長度皆大致等於該操作頻帶之中心頻率之0.25倍波長。
  16. 如請求項14所述之天線系統，其中該第二天線元件包括： 一第三輻射部，設置於該介質基板之該第一表面；以及 一第四輻射部，設置於該介質基板之該第二表面，其中該第三輻射部和該第四輻射部係大致朝相反方向作延伸。
  17. 如請求項16所述之天線系統，其中該第三輻射部和該第四輻射部之每一者之長度皆大致等於該操作頻帶之中心頻率之0.25倍波長。
  18. 如請求項16所述之天線系統，其中該第二輻射部之一中心點和該第一反射板之間具有一第一間距，而該第四輻射部之一中心點和該第二反射板之間具有一第二間距。
  19. 如請求項18所述之天線系統，其中該第一間距係根據下列方程式作計算： 其中「D1」代表該第一間距，「λ」代表該操作頻帶之中心頻率之波長，而「K4」代表介於0.7至2之間之一第四調整常數。
  20. 如請求項18所述之天線系統，其中該第二間距係根據下列方程式作計算： 其中「D2」代表該第二間距，「λ」代表該操作頻帶之中心頻率之波長，而「K4」代表介於0.7至2之間之一第四調整常數。
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