TWI381581B - 一種ｗｌａｎ用高增益平面天線 - Google Patents

Description

一種WLAN用高增益平面天線

本發明係有關於一種WLAN用高增益平面天線，具有一較寬頻的操作頻寬，且在其所有頻率均具有良好的指向性的輻射場型與平穩的高增益特性。

近十年來，拜科技發達之賜，通訊產業的快速發展使得市場競爭越來越激烈，其中又以無線通訊更甚，不僅對品質的要求愈來愈高，消費者的需求量也日益增加，除了產品本身效能、性能規格外，其產品的輕巧美觀及炫麗造型，已成為市場的競爭條件之一，也是廠商開闢利基提高競爭力的不二法門。

為了能夠確保信號接收與發射之品質；尤其在電子產品日漸講究高頻、低功率、小尺寸的同時，欲實現高品質的無線通訊環境，更需要準確、低損耗的天線。而為了適應現今日益縮小尺寸的無線行動裝置，解決的方法之一，便是設計出符合現在市場「輕、薄、短、小」需求的高增益、高效能、高指向性、高靈敏度天線。而平面天線較於傳統式的三維天線具有體積小、重量輕、低姿勢(Low Profile)、低成本、容易製造...等優勢，且可輕易的附著於任何介質表面，故平面天線便理所當然成為最佳選擇，導因於此，平面天線早已是近幾年來最為熱門的研究主題，且被廣泛的應用於各種通訊設備上，使其在無線通訊的使用上佔有極大的優勢，極具市場價值，非常值得被更進一步的開發研究。

近年來所發表的平面天線設計則是以單一輻射元件為基礎且植基於一定損耗之薄介質基底層上，以單饋入的方式達成所需要之工作頻帶操作的結構。這些結構的設計優點主要是設計形式簡單，但傳統的平面天線也因由於本身結構上的問題，有著操作頻寬狹窄、天線增益值過低等缺點，而限制其在實際運用上的功能。因此，在平面天線需求日益殷切下，勢必得克服其上述之缺點，方能使其優點發揮淋漓盡 致。

相關技術如中華民國專利第200709500號"操作在射頻辨識系統5.8 GHz頻段之H型微帶平面天線佈局"，其揭示係在玻璃纖維板之其中一面由邊緣嵌入一形狀對稱之折彎型開迴路槽孔，使形成具英文字母「H」形狀之H型微帶輻射元及包圍該H型微帶輻射元之封閉接地式共平面波導饋入信號結構，使在有限的體積下，有效增長路徑，達到所要雙頻段輻射的創新設計。不過此一設計整體面積極小，所以不管是在製作難度、成本與天線整體增益、效能都還有考量的空間！中華民國專利第I275205號"平面天線結構"，其揭示利用在天線之主體輻射金屬片上植入一槽孔(slot)，且藉由適當調整該槽孔的位置及大小，可以使得天線產生2.4和5.2 GHz的雙頻操作，雖然此設計方式，不論應用於單一基底層或是複合式基底結構，都能輕易設計；但從輻射場型上亦可發現，其指向性的效果不佳，在輻射角0度的位置有null的現象，故其天線增益、效率也將因此受到一定限制。

此外，中華民國專利第M279032號"平面天線"，其揭示一種架於機殼上之平面天線，是以雙路徑的方式來達到較寬的頻寬，以克服平面天線普遍頻寬不足的問題。不過此一天線結構，在製作設計上，將佔用較大的面積！有鑑於此，為克服上述平面天線之缺點，我們將提出一種具高增益之平面天線，並使用無損耗之空氣介質層與間隙耦合(gap-coupled)饋入輻射金屬片的方式來激發模態；這是因為以這種方式較容易激發多個具有相似輻射特性的相鄰模態，以得到較寬的頻寬，此種設計不僅可保留設計簡單的原則，亦可增加天線增益的效果；所設計的天線主要應用的頻段在2.4 GHz(IEEE 802.11 b/g)，有良好的指向性輻射場型與增益，同時天線製作成本亦大幅降低。

一種WLAN用高增益平面天線，適用於接收一天線信號，其包括：一FR4玻璃纖維板；一收發單元，設置於該FR4玻璃纖維板之一表面上，其包括：一倒U形主金屬面，設置於該FR4玻璃纖維板之一表面上；及 一微帶線，設置於倒U形主金屬面之內側中間並相間隔之；一第二金屬接地面，與該FR4玻璃纖維板之另一表面相間隔設置；及多數個金屬短路牆，每一金屬短路牆穿設過該FR4玻璃纖維板且兩端分別與該收發單元及該第二金屬接地面電連接；其中，該天線信號由該微帶線饋入，並由該收發單元輻射輸出之。

本發明之天線結構主要是以平面天線進行設計，使有良好的指向性輻射場型與增益，並採間隙耦合(gap-coupled)饋入輻射金屬片的方式來激發模態；這是因為以這種方式較容易激發多個具有相似輻射特性的相鄰模態，以得到較寬的頻寬。

第1圖是本發明之一實施例1，適用於收發一天線信號，其包括：一FR4玻璃纖維板11、一設置於該FR4玻璃纖維板11之一表面上之輻射單元10、一相間隔設置於該FR4玻璃纖維板11之另一表面上之第二金屬接地面12，及二金屬短路牆14。其中，該第二金屬面12設置於該FR4玻璃纖維板11之另一面距離3.5 mm的位置；該FR4玻璃纖維板11與第二金屬接地面12間存在一高度為3.5 mm空氣介質(不含FR4玻璃纖維板11與第二金屬接地面12之厚度)，用意是希望能在有限的尺寸下，藉此方式以克服操作頻寬狹窄、天線增益值過低等缺點，而每一金屬短路牆14穿設過該FR4玻璃纖維板11並分別電連接於該收發單元10及該第二金屬接地面12。

此外，該收發單元10包含：一用以輻射該天線信號之倒U形主金屬面111、一用以饋入該天線信號之微帶線112與一第一金屬接地面114。微帶線112設置於倒U形主金屬面111之內側中間並相間隔之，以饋入該天線信號；該第一金屬接地面114與該微帶線112相間隔並向垂直於該微帶線112之延伸方向延伸之，且該第一金屬接地面114分別與該等金屬短路牆14電連接。

值得說明的是，該倒U形主金屬面111具有一第一區塊191、一第二區塊192及一第三區塊193，其中，該第一區塊191與該第二區塊192分別為一相間隔設置之矩形區塊，且該第三區塊193分別與該第一 區塊191及該第二區塊192電連接，以形成一倒U形之形狀，較佳地，該第三區塊193為兩三角形之子區塊連結組合而成，但該第三區塊193之形狀不以此為限。

此外，該FR4玻璃纖維板11具有多數個用以固定之的圓形槽孔13。

第2圖是本發明天線之一實施例1的電壓駐波比量測結果圖，縱軸表示電壓駐波比(VSWR)，橫軸表示操作頻率，本實施例選擇下列尺寸進行測試：倒U形主金屬面111之長度為44.5 mm，寬度為35 mm；微帶線124之長度為21 mm，寬度為2 mm；天線製作材質選用介電常數ε_r=4.7，厚度為0.4 mm，損耗正切Loss tangent=0.0245、尺寸大小為35×56×0.4 mm³的FR4玻璃纖維板11來設計。其中，FR4玻璃纖維板11與第二金屬接地面12間加上一高度為3.5 mm空氣介質(不含FR4玻璃纖維板11與第二金屬接地面12之厚度)，用意是希望能在有限的尺寸下，藉此方式以克服操作頻寬狹窄、天線增益值過低等缺點，而天線的饋入方式也應業界需求，採用50Ω mini cable line(IPEX 1.13 mm Cable Line)同軸線作為信號饋入，如第3圖所示為所得的測試結果，在2：1 VSWR反射損失的定義下，其操作範圍為2.355~2.517 GHz，其阻抗頻寬為162 MHz，滿足IEEE 802.11 b/g之系統頻寬要求，其中阻抗頻寬高達了6.6%。

第3圖為本發明天線之一實施例1於2450 MHz的天線輻射場型量測結果；在X-Z Plane與Y-Z Plane都具有良好之指向性(Directional)的輻射場型。

第4圖為本發明天線之上述實施例於其操作頻帶中之天線增益實驗量測結果；縱軸表示天線增益，橫軸表示操作頻率，由所得實驗結果，可發現最高峰值增益(Peak Gain)可達7.6 dBi，滿足一般無線區域網路的增益需求。

綜合上述說明，本發明之WLAN(無線區域網路)用高增益平面天線有著寬頻的操作頻寬，高指向性的輻射場型；此外，不僅製作簡單、成本低、體積小，及高於一般市售天線的增益(最高可達7.6 dBi)等優勢，證明本發明之產業應用價值極高，足以符合發明之範疇。

在上述說明中所敘述之實施例僅為說明本發明裝置之原理及其功 效，而非限制本發明。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。

1‧‧‧WLAN用高增益平面天線

11‧‧‧FR4玻璃纖維板

12‧‧‧第二金屬接地面

13‧‧‧圓形槽孔

14‧‧‧金屬短路牆

111‧‧‧倒U型主金屬面

112‧‧‧微帶線

114‧‧‧第一金屬接地面

191‧‧‧第一區塊

192‧‧‧第二區塊

193‧‧‧第三區塊

10‧‧‧收發單元

第1圖為本發明之高增益平面天線之一實施例結構圖(Top View)。

第2圖為該實施例之電壓駐波比量測結果。

第3圖為該實施例操作於2450 MHz之輻射場型量測結果。

第4圖為該實施例之天線增益量測結果。

1‧‧‧WLAN用高增益平面天線

11‧‧‧FR4玻璃纖維板

12‧‧‧第二金屬接地面

13‧‧‧圓形槽孔

14‧‧‧金屬短路牆

111‧‧‧倒U型主金屬面

112‧‧‧微帶線

113‧‧‧五角槽孔

114‧‧‧第一金屬接地面

191‧‧‧第一區塊

192‧‧‧第二區塊

193‧‧‧第三區塊

10‧‧‧收發單元

Claims (10)

1. 一種WLAN用高增益平面天線，適用於收發一天線信號，其包括：一FR4玻璃纖維板；一收發單元，設置於該FR4玻璃纖維板之一表面上，其包括：一倒U形主金屬面，設置於該FR4玻璃纖維板之一表面上；及一微帶線，設置於倒U形主金屬面之內側中間並相間隔之；一第二金屬接地面，與該FR4玻璃纖維板之另一表面相間隔設置；及多數個金屬短路牆，每一金屬短路牆穿設過該FR4玻璃纖維板且兩端分別與該收發單元及該第二金屬接地面電連接；其中，該天線信號由該微帶線饋入，並由該收發單元輻射輸出之。
2. 如申請專利範圍第1項所述之WLAN用高增益平面天線，其中，該收發單元之工作頻率係操作於2.4 GHz(IEEE 802.11 b/g)之頻帶。
3. 如申請專利範圍第1項所述之WLAN用高增益平面天線，其中，該收發單元還包括一與該微帶線相間隔並向垂直於該微帶線112之延伸方向延伸之第一金屬接地面。
4. 如申請專利範圍第1項所述之WLAN用高增益平面天線，其中，該該倒U形主金屬面具有一第一區塊、一第二區塊及一第三區塊，其中，該第一區塊與該第二區塊分別為一相間隔設置之矩形區塊，且該第三區塊分別與該第一區塊及該第二區塊電連接。
5. 如申請專利範圍第4項所述之WLAN用高增益平面天線，其中，該微帶線分別平行且相間隔於該第一區塊與該第二區塊設置之。
6. 如申請專利範圍第4項所述之WLAN用高增益平面天線，其中，該微帶線設置於相反於該第三區塊之另一側。
7. 如申請專利範圍第4項所述之WLAN用高增益平面天線，其中，該第三區塊是由兩三角形之子區塊連結組合而成。
8. 如申請專利範圍第3項所述之WLAN用高增益平面天線，其中，每一金屬短路牆穿設過該FR4玻璃纖維板且兩端分別與該第一金屬接地面及該第二金屬接地面電連接。
9. 如申請專利範圍第1項所述之WLAN用高增益平面天線，其中，該第二金屬接地面與該FR4玻璃纖維板之另一表面相間隔3.5 mm設置之。
10. 如申請專利範圍第1項所述之WLAN用高增益平面天線，其中，該第二金屬接地面與該FR4玻璃纖維板之另一表面之間的介質為空氣介質。