TWI362784B - Dual-polarized, microstrip patch antenna array, and associated methodology, for radio device - Google Patents

Description

1362784 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明-般係關於-種用於可搞式無線電裝置 祕（工t、醫學及科學）頻帶操作之—具有藍芽能力或 8〇2.U b/g能力的裝置）之天線。更特定言之，本發明 係關於-種能夠定位於該可攜式無線電裝置之—無線電外 殼處或其内部而具有緊密構造的雙極性天線及相關方法 -角定位型貼片陣列係佈置於該基板上。該等角定位型 貼片連同將相鄰貼片互連之連接帶在一第一— ^ 弟二極性 兩方向上皆係對稱且其尺寸允許在一共振頻率對稱激發。 【先前技術】 現代社會中多使用無線電通㈣統來進行通信。許多變 化的通信服務（語音通信服務與資料通信服務兩者卜般係 藉由無線電通信系統來實現。而且’技術進步使得可^由 無線電通信系統來實現的通信服務之類型可能增加。θ 蜂巢式通信系統係、具有高層級使用之無線電^信系統的 :“列。蜂巢式通信系統一般經構造以提供較寬區域的覆 蓋。且其基礎設備係已安裝於全球居住區的重要部分。使 用者透過使用-無線裝置、一無線電收發器（有時係稱為 行動台或使用者設備_)而藉由一無線電通信系统來進 行通信。一般依照對一訂用（採取一循環（即每月一次）方式 或採取一預付費、按時間使用的方式）之購買來提供對L 蜂巢式通信系統之接取。可依照不同操作標準來操作的蜂 巢式通信系統定義處於不同頻帶（例如，處於_贿2頻 130613.doc 1362784 帶、處於900 MHz頻帶及處於位置介於17 GHz與2.2 GHz 之間的頻帶）之無線電空氣介面。 亦廣泛使用其他類型的無線電通信系統，例如，基於藍 芽（tm)與基於IEEE 802.11 b/g的系統，其係實施為（例 如）WLAN(無線區域網路）系統，其一般亦提供語音及資料 通仏（在比蜂巢式通信系統更小的覆蓋區域内）^ WLAN — 般係作為專用網路而操作，其透過使用具有藍芽能力或具

有802.11 b/g能力的無線裝置，將透過此類網路進行通信 的能力提供給可接取此類網路之使用者。WLAN有時經組 態成連接至公用網路，例如網際網路，並進而連接至其他 通信網路，例如PSTN(公用交換電話網路）及pLMN(公用地 打動網路）。有時亦棱供交互工作實體來提供小區域網路 與-PLMN之間的更直接連接。上述各種系統係實施於2 4 GHZ頻帶〇 無線電通信系統一般受頻寬限制。@ ,針對其操作之頻 寬刀配係有限的。而且’此類有限的頻寬分配對該通信系 統之通信能力施加㈣I對於在受頻制之系統之有限 頻寬中高效率使用分㈣應採取之方式，吾等已作出大量 努力並予以關注。有時使用雙極性通信技術。在—雙極性 技術中#連於同__頻率的資料係在分離的極性平面中傳 達。透過使用雙極性技術可以令通信能力接近翻倍。為依 照雙極性方案來轉換信號能量，該無線裝置需使用可在 刀離的極ϋ平面中操作之—雙極性天線。使用雙極性技術 之所以㈣’原因亦在於―般會減小多路徑傳輸及其他干 130613.doc 擾之影響’從而改良信號傳輸與接收之品質。 雙極性天線可藉由—邊緣饋送或_探測饋送而於其兩個 • 正交邊緣饋送一方形貼片天線來實現。一般地，現有的雙 極性貼片天線係結合兩個饋送網路電路來使用。此類現有 天線因各種限制而存在問題。例如，饋送連接之間的分離 • 距離需大得足以防止發生個別饋送線之間的輕纟。過多量 的麵合導致較高的交叉極性位準。 • 由於無線裝置具有越來越小的尺寸、係封裝於越來越小 尺寸的外殼令，因此與該等交又極性位準相關之問題可能 變得越來越明顯。需要以一方式構造成減少此類有害問題 之一改良的雙極性天線。 鑑於與用於無線電裝置的天線有關之此先前技術資訊， 而已對本發明之明顯改良加以開發。 【發明内容】 因此，本發明有利地提供一種用於可攜式無線電裝置 • (例如在IMS(工業、醫學及科學）頻帶操作之一與藍芽相容 或與8〇2.U b/g相容的裝置）之天線設備及相關方法。 透過本發明之一具體實施例之操作，提供一種具有緊密 ' 構造之雙極性天'線。該天線能夠定位於該可攜式無線電裝 -置之一無線電外殼處或其内部。 在本發明之一態樣中，該天線係由佈置於該基板上之一 角定位型貼片陣列形成。該等角定位型貼片連同將相鄰貼 片互連之連接帶在-第-極性方向與一第二極性方向兩者 上皆係對稱。而且可於IMS頻帶之一共振頻率（例如，約 130613.doc 1362784 2·47 GHz)對稱地激發蝕刻或以其他方式佈置於該基板上 的導電材料。

在本發明之另一態樣中，該等角定位型貼片形成一貼片 陣列，其中該陣列之每一貼片係一對應的幾何尺寸。每一 貼片（例如）係方形。每一方形貼片具有一共同的縱向與橫 向尺寸’從而允許所得陣列在兩個方向（一第一極性方向 與一第二極性方向’其中該第二極性方向係與該第一極性 方向正交）上對稱。該等貼片（例如）係形成於一矩形基板之 角處而使得該等貼片延伸至該基板之邊緣側。

在本發明之另一態樣中，連接帶係佈置於該基板上以將 該陣列之貼片中的相鄰貼片互連。由於該等貼片係配置為 一 2x2陣列，因此使用四個連接帶，每一連接帶將一對相 鄰的帶連接在一起。一連接帶延伸於一第一極性方向或一 第二極性方向上，此係由該陣列中的哪一對貼片係藉由連 接帶互連來決定。該等連接帶係定位成透過與該等連接帶 延伸所沿的極性方向相同之方向上延伸之一通道來提供對 稱。當定位成連接該2x2陣列的相鄰貼片時，該等四個連 接帶之兩個連接帶延伸於該第—極性方向上且係與延伸於 該第-極性方向上之-極性轴對稱。而該等四個連接帶之 一第二對連接帶延伸於1二極性方向上且係與延伸於一 第二極性方向上之-極性轴對稱。該等連接帶因此將該陣 列之每一相鄰貼片互連並總體上將該陣列之所有貼片互 在本發明之另一態樣中 —交叉帶係佈置於該基板上而 130613.doc -9. 1362784 橫向延伸於該貼片陣列之一對橫向定位的貼片之間。在該 橫向延伸的交叉帶之一中點處提供一單一饋送連接。該饋 送連接提供佈置於該基板上之天線之對稱定位部分的對稱 激發。該對稱激發係透過使用該單一饋送連接來提供。從 而，減少與交叉極性相關之問題。並因此提供一高增益、 高效率、緊密的雙極性天線。 因此，在此等及其他態樣中，提供用於無線電裝置之天 線設備及-相關方法。提供一基板。並將一群組的側定位 型貼片以對稱配置佈置於該基板上。將連接帶佈置於該基 板上。該等連接帶經組態以將該群組之側定位型貼片之相 鄰貼片連接在一起。將一交又帶佈置於該基板上。該交又 帶經組態以將該群組的側定位型貼片之一對橫向組態的貼 片連接在一起。該等側定位型貼片提供雙極性操作。 因此，在此等及其他態樣中，提供用於無線電裝置之天 線設備及一相關方法。提供一基板。且將一群組的貼片佈 置於該基板上。該等貼片經組態成形成一2χ2陣列。將一 群組的連接帶佈置於該基板上1等連接帶經組態以將該 陣列之該等貼片中的相鄰貼片互連。進一步將一橫向帶佈 置於該基板上，而將一對橫向定位的貼片互連。此等連接 帶不僅用作該等貼片之饋送線，而且作為在每一極性方向 上的同相輻射元件而操作。 【實施方式】 因此，首先來看圖丨，一無線電通信系統（大體而言如ι〇 所示）提供與一行動台12之通信。在該範例性實施方案 130613.doc -10· 1362784 中，該行動台依照一藍芽標準或IEEE 8〇2 i丨b/g標準來操 作，其可操作用以於2.4 GHz頻帶傳送與接收信號。更一 般地’該打動台12係表示各種無線裝置中的任何裝置，而 該無線電通彳§系統係表示可按照各種通信標準之任何標準 或在不爻調即之頻帶進行操作之許可來操作的任何各種無 線電通m因此，儘管以下說明將說明—與藍芽或 IEEE 802.11 b/g相容之系統的範例性操作（其可在2 * 頻帶操作）’但應瞭解，以下說明僅係範例性，而可按照 另方式操作之無線電通信系統之操作的說明係與其類 似。 該無線電通信系統包括—網路部分，在此係表示為一網 ° 14該網路台包含（例如）—之一接取點或藉由 f線裝置（例如行動台12)收發信號之-類似實體。該網路 台（其在此形成一接取點）係一區域網路結構（wlan)i62 部分，其進而係輕合至一外部網路(在此係一公用封包資 料網路（PDN)18，例如網際網路）。 該等行動及料台可據以進行操作的操作標準係在該通 信系統的操作頻帶（在此係延伸於2.鄉2 w咖之間的 — ISM頻帶）之雙極性通信 ^ 汗T 而在此提供此雙極性通 la 0 該行動台12包括收發器電路， 都八v t 在此係表不為一接收（RX) 口P刀26與一發送（τχ)部分28。 , 飞寺接收與發送部分係（例 如）藉由一天線耦合器或向 -天…心 锞本發明之-具體實施例之 天線32提供該等收發器 间的恥離之其他實體來耦 1306I3.doc 1^1 1362784 合。該收發器電路能夠進行雙極性操作。即，該等發送與 接收部分能夠產生供在該兩個極性方向上發射的信號且還 對在該兩個極性方向上傳達至該行動台之信號進行操作。 與此對應，該天線32形成一雙極性天線，其能夠轉換該 兩個極性方向之信號能量。即，在該兩個雙極性方向上藉 由該天線偵測信號能量。而且，將產生於該行動台的信號 能量轉換成電磁形式並將其輻射於該兩個雙極性方向上。 在該範例性實施方案中，該天線32係佈置於一般係平面之 一基板上，其尺寸允許將其定位於該行動台之一外殼刊 内。 圖2更詳細地解說本發明之一具體實施例之天線32，且 該天線32形成圖1所示行動台12之部分。該天線包括佈置 於一基板42上之複數個貼片44。該等貼片係蝕刻、塗抹或 以其他方式形成於該基板上。該等貼片係以定義一 2χ2貼 片陣列之方式形成於該基板上。即，該等貼片係形成為兩 列與兩行，每一貼片係定義於該陣列之一單一列與一單一 行中。 在範例性實施方案中，該等貼片係方形幾何形狀，即， 係方形。每一貼片44之一橫向尺寸係d而一縱向尺寸係a。 在該範例性實施方案中，該等貼片皆係形成於基板42(在 此係矩形）之角處。因此，該基板之邊緣及該等貼片之外 部周邊側係共終點。透過使用具有共同形狀與共同尺寸的 貼片並透過將其定位於均勻的陣列中，該貼片群組係相 對於兩個對稱軸（在此係軸46與48)而對稱。該等軸46與Μ I306l3.doc , Γ\'ϊ 1362784 係彼此正交。而該等轴定義互相正交的極性方向。 連接帶52亦係佈置於該基板42上。該等連接帶亦係佈 置、蝕刻或以其他方式形成於該基板上。每一連接帶52經 組態用以將該等貼片44之一相鄰對互連。在該2χ2陣列 中，該等貼片皆係連接至兩個連接帶，因為該等連接帶將 在該等方向46與48之每一方向上定義的相鄰貼片對之貼片 連接。在範例性實施方案中，該等連接帶係矩形，其寬度 6為…。而且，該等貼片係以分離距離d分離。而因此，該 籲#連接帶之每-連接帶之長度係d。該等連接帶還係與該 等對稱軸46與48之一對稱軸對稱。由該等貼片料及連接帶 52形成之所得結構合起來係與該等軸枓及“雙向對稱。 e亥天線32進一步包括一交又帶％，該交又帶“係佈置、 钱刻或以其他方式形成於該基板上以橫向延伸於-對橫向 疋位的貼片44之間。—饋送連接58係沿該交又帶之長度定 義於中間。該馈送連接之定位提供對稱激發，從而減少雙 φ 極性組件之父又極性位準。在範例性實施方案中，該基板 進步包括形成於其一底部（如圖所示）側上之-共同接地 例。該共同接地平面定義與導電元件分離之： 11 ’該等導電元件係佈置於該基板上而在此係以-由該基 板的厚度定義之距離分離。 圖3解說#線圖表示92，其解說代表分別與頻率成函 數關係而標繪的模擬與測量所得返回損失之曲線圖94與 96。在範例性竇始古安 貫施方案中’該天線係共振於2 4 ^出頻 帶，而該等曲線圖指示此點。 130613.doc •13- 1362784 圖4同樣解說本發明之一範例性具體實施例之天線32。 此係該天線於其共振頻率2.47 GHz展現之一模擬所得電流 分佈°天線標頭代表該天線中的電流。對該電流分佈之分 析指不該電流分佈包括在平行於圖2所示極性轴46及48之 方向上延伸的組件。 圖5及6分別解說本發明之一具體實施例之天線32在處於 其2.47 GHz共振頻率時的模擬與測量所得之二維輻射場 型。在每一表示中，皆標繪零度與九十度平面之表示1〇2 與 104。 圖7解說本發明之一具體實施例之一天線32所展現之與 頻率成函數關係的模擬所得增益之一曲線圖表示1〇6。該 增益係居中於或接近該2.47 GHz共振頻率。 圖8解說一方法流程圖，大體而言如丨丨2所示其代表本 發明之一具體實施例之操作之方法。該方法係用於轉換在 一無線電裝置處之信號能量。 首先，且如步驟i 14所示，一群組的貼片係佈置於一基 板上。該等貼片經組態成形成一 2χ2陣列。而且，如步驟 116所示，一群組的連接帶係佈置於一基板上。該等連接 帶之各個帶經組態用以將該等貼片中的相鄰貼片互連。 一旦將該等貼片形成於該基板上，便使用其來轉換分別 在該等第-及第二群組的迴路帶處在該第一極性方向上與 在該第二極性方向上具有極性之信號能量。 ^ 從而提供-具有緊密尺寸之雙極性天線。透過使用佈置 於一基板上之貼片（其經一方式組態成允許使用一單—饋 130613.doc •14- 1362784 、連接來對稱激發如此組態的天線），來消除與傳統雙極 性天線所使用❾多個饋送連接相_之問題。 【圖式簡單說明】 之一無線 圖1解說本發明之一且骑杳*4;九 乂 具體實施例可在其中操作 電通信系統之功能組塊圖。 圖2解說本發明之 線之一平面圖。 具體實施例之—雙極性微帶貼片天

圖解說顯不與形成本發明之一範例性具體實施例之 一無線裝置之部分的天線之頻率成函數關係而標繪的模擬 及測量所得返回損失之一曲線圖表示。 圖4解說本發明之—且销>杳_ r 具體實施例之一天線在處於2.47 GHz時之一範例性的模擬所得電流分佈之一表示。 圖5解說本發明之一具體實施例之一天線在處於247 GHz時的模擬所得輻射場型之一曲線圖表示。 圖6解說與圖5所示者類似但係由本發明之一具體實施例

之一天線在處於2.47 GHz時所展現的測量所得㈣場型之 —曲線圖表示。 圖7解說顯示本發明之一 得增益之一曲線圖表示。 圖8解說代表本發明之一 法流程圖。 具體實施例之一天線之模擬所 具體實施例之操作方法的一方 【主要元件符號說明】 0 無線電通信系統 ί2 行動台/無線電裝置 130613.doc •15- 1362784 14 網路台 16 區域網路結構（WLAN) 18 公用封包資料網路（PDN) 26 接收（RX)部分 28 發送（TX)部分 32 天線/天線設備 36 外殼 42 基板

44 貼 片 52 連接 帶 56 交 叉 帶 58 饋 送連接/饋送點 60 共 同 接地平面

130613.doc -16·

Claims (1)

1362784 第097113690號專利申請案 中文申請專利範圍^本α·〇·ι~^4*丹+------------j 十、申請專利範圍： 0伴丨月、丨日修(X)正本 1. 一種用於一無線電裝置（12)之天線設備（32)，該天線設 備（32)包含： 一實質上矩形之基板（42); 一群組的側定位型貼片（44)，其係彼此間隔且以一 2χ2 對稱陣列佈置於該基板（42)上；

連接帶（52)，其係佈置於該基板（42)上，該等連接帶 (52)經組態以將該群組之該等側定位型貼片（44)之相鄰 貼片連接在一起；以及 一交叉帶（56)，其係佈置於該基板（42)上，該交叉帶 (5 6)經組態以在該群組之該等側定位型貼片（44)之一橫 向位置對的貼片（44)之間橫向地延伸，該等側定位型貼 片（44)提供雙極性操作，該單一交叉帶具有一靠近該交 叉帶之一t點的饋送連接。 2. 如請求項1之設備（32)，其中以該對稱配置佈置於該基板 (42)上之該等側定位型貼片（44)在一第一極性方向上與 在一第二極性方向兩者皆係對稱。 3. 如請求項1之設備（32)，其中該側定位型貼片（44)群組包 含一第一側定位型貼片（44)、一第二側定位型貼片、一 第三側定位型貼片（44)及一第四側定位型貼片（44)。 4. 如請求項3之設備（32)，其中該等貼片係方形，且其中該 第一側定位型貼片（44)係佈置於該基板（42)之一第一角 處，其中該第二側定位型貼片（44)係佈置於該基板（42) 之一第二角處，其中該第三側定位型貼片（44)係佈置於 130613-1010111.doc 1362784 該基板（42)之m而其中該第四側定位型貼片 (44)係佈置於該基板(42)之一第四角處。 5.如請求項4之設備（32)，其中該等連接帶（52)係矩形，具 有一寬度’w’以及一與分離該等侧定位型貼片（44)之距離 相等的長度μ·，該等連接帶（52)之一第一連接帶將該第 一側疋位型貼片（44)與一第二側定位型貼片連接在一 起，其中該該等連接帶（52)之一第二連接帶將該第二側 疋位型貼片（44)與該第三側定位型貼片（44)連接在一 起，其中該等連接帶（52)之一第三連接帶將該第三側定 位型貼片（44)與該第四側定位型貼片（44)連接在一起， 且其中該等連接帶（52)之一第四連接帶將該第四側定位 型貼片（44)與該第一側定位型貼片（44)連接在一起。 6.如請求項4之設備（32),其中該交又帶（56)經組態以將該 第一側定位型貼片（44)與該第三側定位型貼片（44)連接 在一起。 7_如請求項1之設備（32)，其中該群組之側定位型貼片的每 一側定位型貼片係一方形幾何形狀。 8. 如請求項丨之設備（32)，其中該等連接帶（52)之每一連接 帶係組態成具有一第一選定長度與一第—選定寬度。 9. 如請求項7之設備（32)，其中該交又帶（56)經進一步組態 成具有該第一選定寬度。 10·如請求項1之設備（32),其中成群組的該等側定位型貼片 (44)經組態成在一 2·4 ghz頻帶共振於一第一極性方向與 第一極性方向兩者上。 I30613-I010111.doc • 2 - 1362784 U·—種用以轉換在一無線電裝置（12)處之信號能量的方法 012)，該方法包含以下操作： 將一群組的四個側定位型貼片（44)以對稱2χ2陣列佈置 (114)於一實質上矩形之基板（42)上； 將連接帶（52)佈置（116)於該基板（42)上，該等連接帶 (52)經組態以將該等側定位型貼片（44)之相鄰貼片連接 在一起；

將一交又帶（56)佈置（116)於該基板（42)上，該交又帶 (56)經組態以在該群組之該等側定位型貼片（44)之一對 k向組態貼片 < 間橫向地延伸並將該群組之該等側定位 型貼片（44)之該對橫向組態貼片連接在一起；以及 轉換（118)在該側定位型貼片（44)群組之該等側定位型 貼片處於一第一極性方向及在一第 性之信號能量。 一極性方向上具有極 12.如請求項U之方法’進__步包含將—無線電裝置⑽連 接至該交叉帶（56)之該單一饋送點（58)的操作。 13·如請求項12之方法’進—步包含對稱激發該等側定位型 貼片(44)、該等連接帶(52)及在對信號能量進行處置之 該等操作期間所佈置之該交又帶的操作。 14.如請求項13之方法’其中在對稱激發之該操作期間提供 的該信號能量包含2.4 GHz之信號能量。 15·如請求項U之方法，丨中佈置該群組的該等側定位型貼 片（44)之該操作包含將該群組佈置成該等側定位型貼片 (44)之一 2x2陣列。 I306I3-I010111.doc 16. 如請求項〗1之方， 貼片(“)之該操作期二中置該群組之該等側定位型 片（44)包含在1 λ 群組的料側定位型貼 在笛 極性方向上採用一第一對稱配置虫 在第一極性方向上採用一第二 型貼片。 夏<该等側定位 130613-1010111.doc