TWI389388B - 雙頻平面天線 - Google Patents

Description

雙頻平面天線

本發明大體上是關於一種天線結構，其中特別是關於一種含有鉤型輻射體之雙頻與雙模式的平面天線結構。

在一般大眾追求方便與效率的驅使下，過去十年間，電信技術已從有線通訊進展到無線通訊。至今，無線通訊與其施行應用已無所不在。天線在無線通訊系統的建構上扮演一個關鍵的角色，天線裝置使得射頻能量可以在傳輸線與自由空間中傳送。因此，天線與其傳播是影響無線通訊頻道的品質與健全的重要因素。

一般的可攜式終端都使用傳統的螺旋型天線或線性單極天線(linear monopole)。螺旋型天線或線性單極天線具有全向(omni-directional)輻射的優點特色，但因為這類天線多為向外伸出裝置的形式，因此它們有可能受到外力損壞。

雙頻微帶天線(dual-band micro-strip)的其中一個重要應用就是在行動通訊系統方面。這類天線的共通外型，在Zi Dong Liu與Peter Hall所著的兩篇論文中有描述，是呈倒F的幾何線條。第一篇論文是「手持可攜式電話用之雙頻天線」(Electronics Letters,Vol.32,No.7,pp.609610,March 1996)；第二篇論文是「雙頻平面倒F型天線」(IEEE Transactions on Antennas and Propagation,Vol.45,pp.1451 1457,October 1997)

Liu與Hall所描述之兩個雙頻天線結構，其中一個含有一單一的輸入埠，另一個則含有兩個輸入埠。該雙埠天線包含兩個共平面的輻射元件-第一個呈長方形；第二個呈L型，且兩邊與其第一個元件相鄰接。該長方形元件用於1.8 GHz的訊號，而L型元件用於0.9 GHz的訊號。這種雙頻天線的外型與用於0.9 GHz訊號的單頻倒F型天線的大小差不多一樣。長方形元件與L型元件都有一端接地。因為兩個輻射元件之間並沒有連接，故兩天線間的耦合很小，且都是因為邊際場(fringe field)的交互作用所造成。有一設計變化將其單一的輸入埠連接至其長方形元件與L型元件之間連結的中間點。這樣的配置具有使用單一輸入埠之優點，但也增加了長方形元件與L型元件之間的耦合。

因為一般天線上使用之微型化方法是建立在二維架構上(例如圖一所示之一傳統雙頻平面天線設計)，故其微型化有限制存在。在圖一中可以看到一傳統雙頻天線，其具有一高頻輻射部位10、一低頻輻射部位11、一饋針12與一接地板13。饋入點14連接到接地板13。在本實施例中，這類天線的尺寸長度大約為三公分，寬度大約為一公分。因為以駐波(standing wave)的形式輻射，故這類天線的頻寬(bandwidth)較窄。而且，因為目前可攜式裝置中可用的天線空間越來越小，現今的天線裝置在微型化方面有強烈的需求，故在其空間配置上與天線饋入之效率方面，它仍有需要改善的地方。

以上所描述其先前技術之缺點，如輻射增益(radiation gain)較少、配置靈活性差等，是因為一般平面天線的類型不多。本發明提供一種具有鉤狀輻射體的新穎天線結構設計，可應用在不只一個輻射頻率範圍中。

本發明的目的之一為提供一種平面天線，這種天線能改善天線配置的靈活度。

本發明的另一目的為提供一種鉤型天線，其空間多樣性與輻射場型(radiation pattern)之優良性能可帶來良好的輻射增益以減少其頻道之間的干擾，並改善每個頻道的傳輸容積(transmission capacity)。

又根據本發明之另一目的，其提供了一種具有鉤型輻射體的天線結構，該輻射體有一第一輻射部與第二輻射部相連來改善天線之性能。

本發明提供了一雙頻雙模式的平面天線。該天線結構包含一基底；一接地部設置在基底上；一鉤型輻射體，含有一第一輻射部與第二輻射部設置在基版上，其中該第二輻射部連接到第一輻射部的第一端；一饋入線連接至該鉤型輻射體中其第一輻射部的第二端。

鉤型輻射體與接地部平行，該鉤型輻射體設置於基底之一第一表面，而接地部則設置於基底之一第二表面。該基地的第一表面與第二表面相對。在另一實施例中，鉤型輻射體與接地部共平面。在此類結構中，饋入線與接地部共平面，其饋入線之饋入點為一共平面波導饋入方式 (coplanar waveguide,CPW)饋入方式的末端。

上述天線結構之厚度大小從0.3 mm到2.0 mm不等。其鉤型輻射體中其第一輻射部與第二輻射部之長度分別約為20~30 mm與8~12 mm。鉤型輻射體之第一輻射部與第二輻射部寬度約0.2~2.0 mm。第一部分輻射體與第二輻射部之間的夾角約為20度到80度。

上述之目的、特徵與優點將隨著以下詳細之具體實施例描述與其所伴隨之圖式而更加清楚明白。

本發明之較佳實施例將參考其附上之圖式來作詳盡的說明。在圖中，其相同或相似的元件都將以相同的參考數字來表示，不論它們是否出現在同一張圖中。在下面的描述中會省略其已知功能與結構之詳細描述，以避免其模糊本發明主體之虞。

用以來描述一天線的基本參數包含：阻抗(impedance)、電壓駐波比(voltage standing wave ratio,VSWR)或駐波比(SWR)、波幅輻射場型(amplitude radiation pattern)、輻射指向性(directivity)、輻射增益(gain)、極化性(polarization)與頻寬(bandwidth)。

為了使導線(或同軸傳輸線)與天線之間能有最大的能量傳輸，天線的輸入阻抗必須與傳輸線的特性阻抗完全一致。其傳輸線上最大電壓與最小電壓之比例被定義為電壓駐波比(VSWR)。電壓駐波比可從其正向波與反射波的 位準得知，也是一個能夠反映其天線終端之輸入阻抗與傳輸線之特性阻抗有多一致的指標。電壓駐波比的增加即代表其天線與傳輸線之間越不一致。

如圖二所示，雙頻微帶天線含有一接地板20、一鉤型輻射體21，具有一第一輻射部22與一第二輻射部23。這類平面天線結構適合用在多頻率範圍。一饋入線24可以是一同軸纜線(未表示)的延伸，並連接至該第一輻射部22的端點位置。該饋入線24之連接點與該第一輻射部22與第二輻射部23之長度可藉由實驗調整以得到我們想要的天線頻寬與其阻抗匹配。圖二以其應用在輻射場型之X-Y-Z座標系統來說明其天線的方位。

參照至圖二，其為本發明之一鉤型雙模式平面天線的示意圖。該天線結構包含一接地板20、一鉤型輻射體21，具有一第一輻射部22與一第二輻射部23，該鉤型輻射體21設置在一基底上並連接至一饋入線24。饋入點25可作為一同軸饋入(coaxial feed)點。也可將其設置在鉤型輻射體21的邊緣來實行。在一實施例中，鉤型輻射體21含有第一輻射部22與第二輻射部23，如圖二所示第一輻射部22與第二輻射部23可為長形條狀結構。饋入線24連接到第一輻射部22的第二端27。在一實施例中，鉤型輻射體21設置在一介電基底26的正面並與在介電基底26背面形成的接地板20平行，其中，饋入線24也與接地板20平行。在這種天線結構中，饋入線24配置在其介電基底26未接地的一面上以提供超寬頻(ultra wide band,UWB) 特性。

在另一實施例中，其輻射體與接地板共平面，其中饋入線位於兩個接地板之間。此類天線結構採用共平面波導(CPW)饋入方式。一共平面波導饋入線設置在一具有天線場型的介電基底面上。如圖三所示，鉤型雙頻平面天線包含一鉤型輻射體31，該輻射體具有一第一輻射部32與一第二輻射部33、一接地部34、一共平面波導饋入線35與一介電基底36。同樣地，饋入點37可作為一同軸饋入點，也可將其設置在鉤型輻射體31的邊緣來實行。饋入線35連接至第一輻射部32的第二端38。換言之，鉤型雙頻平面天線的具體表現為在介電基底36上形成一鉤狀片板31並使用共平面波導(CPW)饋入線35。本發明較佳實施例之具體表現為使用第一輻射部32與第二輻射部33。第一輻射部32放射出一行進波型型態(traveling wave)的輻射，在頻率範圍4.9 GHz到6.0 GHz之間運作。第二輻射部33放射出一駐波型態的輻射，在頻率範圍2.0 GHz到2.5 GHz之間運作。換言之，第一輻射部32放射之行進波比第二輻射部33放射駐波的頻寬來的寬廣。

另外，該介電基底36的高度在0.2~2.0 mm之間。此處使用Roger公司所製造的TTM4作為介電基底36，其介電常數為4.5、損耗正切(loss tangent)為0.002。

再者，將鉤型與矩形的輻射元件設置在基底上可以製造出一緊密的內部天線。饋入元件最好能與輻射體垂直排列。然而，當有配置內部天線之終端結構的接地狀況改變 時，其饋入元件、輻射體與接地面之間的一些物理參數也會跟著改變使得輻射元件分別放射出極化的預定頻帶。輻射元件可以是一導線或平面輻射元件，也可以在多方面作修改。

上述天線結構之厚度從0.2 mm~2.0 mm不等。鉤型輻射體的第二輻射部之長度約為20~30 mm，寬度約為0.2~2.0 mm。此外，鉤型輻射體的第一幅射部之長度約為8~12 mm，寬度約為0.2~2.0 mm。在一實施例中，其第一輻射部與第二輻射部之夾角可藉由實驗調整，以得到我們想要的天線頻寬與阻抗匹配。需瞭解，此處描述之特別實施例係用以說明本發明，而非侷限本發明之範疇。

圖四為天線的電壓駐波比(VSWR)圖表。電壓駐波比是用來表示天線性能的基本指標之一。電壓駐波比可從入射波與反射波的電壓位準獲得。它也是一個能夠反映其天線終端之輸入阻抗與傳輸線之特性阻抗有多接近的指標。在2.4 GHz的頻率下，其電壓駐波比低於2.0。在4.6~6.0 GHz的頻率下，其電壓駐波比低於2.2。從圖四中點4與點5來看，其對應之頻率分別為4.9 GHz與5.85 GHz。故天線的頻寬幾乎比300 MHz還寬，故此天線的性能非常好。

請參照圖五至圖九，其分別圖示根據本發明實施例在頻率2.4,2.45,4.9,5.25與5.75 GHz下的輻射場型。圖五為一輻射場型圖(H plane)，其輻射增益在227度的位置約為3.41 dBi。圖六為一輻射場型圖，其輻射增益在225 度的位置約為4.08 dBi。同樣地，圖七為一輻射場型圖，其輻射增益在88度的位置約為0.27 dBi。圖八為一輻射場型圖，其輻射增益在72度的位置約為2.25 dBi。圖九為一輻射場型圖，其輻射增益在64度的位置約為2.76 dBi。從本發明中其天線輻射圖形的測量結果來看，使用長方形與鉤型之輻射元件能獲得一大於0 dBi的好的輻射增益。本發明實施例之天線輻射場型能使其接收效率獲得相當的改善。

上面所提到的輻射增益能達到4.0 dBi以上，也因此多重的天線配置可減少其頻道之間的干擾，其空間多樣性與輻射場型之優良性能可改善每個頻道的傳輸容積。此外，本發明之平面天線可應用在802.11a/b/g無線通訊、智慧型天線與多重輸入輸出(multiple input multiple out,MIMO)等系統上。

須瞭解的是，根據以上內容所描述之發明特別實施例係用以說明，但在不背離本發明之精神與範疇下，此領域之熟習技藝者得對其做其他修改。然，此修改仍須涵蓋於本發明專利主張範圍內。

10‧‧‧高頻輻射部位

11‧‧‧低頻輻射部位

12‧‧‧饋針

13‧‧‧接地板

14‧‧‧饋入點

20‧‧‧接地板

21‧‧‧鉤型輻射體

22‧‧‧第一輻射部

23‧‧‧第二輻射部

24‧‧‧饋入線

25‧‧‧饋入點

26‧‧‧介電基底

27‧‧‧第二端

31‧‧‧鉤型輻射體

32‧‧‧第一輻射部

33‧‧‧第二輻射部

34‧‧‧接地部

35‧‧‧饋入線

36‧‧‧介電基底

37‧‧‧饋入點

本發明之較佳實施例將在下面的描述與其所伴隨之圖式中作更進一步的說明，其中：圖一為一般先前技術中的雙模式天線之示意圖

圖二為根據本發明，其鉤型雙模式天線之示意圖

圖三為根據本發明，其一具有共平面波導饋入線的鉤 型雙模式天線之示意圖

圖四為根據本發明之駐波比圖表

圖五為根據本發明，共振頻率為2.4 GHz的輻射場型

圖六為根據本發明，共振頻率為2.45 GHz的輻射場型

圖七為根據本發明，共振頻率為4.9 GHz的輻射場型

圖八為根據本發明，共振頻率為5.25 GHz的輻射場型

圖九為根據本發明，共振頻率為5.75 GHz的輻射場型

20‧‧‧接地板

21‧‧‧鉤型輻射體

22‧‧‧第一輻射部

23‧‧‧第二輻射部

24‧‧‧饋入線

25‧‧‧饋入點

26‧‧‧介電基底

27‧‧‧第二端

Claims (13)

1. 一種天線結構，其包含：一基底；一接地部，設置在該基底上；一鉤型輻射體，具有一第一輻射部與第二輻射部設置在該基底上，其中該第一輻射部與該第二輻射部均為長形條狀結構，該第二輻射部連接至該第一輻射部的第一端，並與第一輻射部成一約具20度至80度之夾角；及一饋入線，連接至該鉤型輻射體中其第一輻射部的第二端。
2. 如專利申請範圍第1項之天線結構，其中該鉤型輻射體與該接地部平行。
3. 如申請專利範圍第1項之天線結構，其中該鉤型輻射體設置在該基底的第一表面上，而該接地部設置在其基底的第二表面上，該第一表面與第二表面係互相對應。
4. 如申請專利範圍第1項之天線結構，其中該鉤狀輻射體與該接地部共平面。
5. 如申請專利範圍第1項之天線結構，其中該饋入線與該接地部共平面。
6. 如申請專利範圍第1項之天線結構，其中該饋入線之饋入點為一共平面波導(CPW)饋入方式的末端。
7. 如申請專利範圍第1項之天線結構，其中該天線結構之厚度為0.2~2.0 mm之間。
8. 如申請專利範圍第1項之天線結構，其中該鉤型輻射體的第二輻射體部之長度約為20~30 mm。
9. 如申請專利範圍第1項之天線結構，其中該鉤型輻射體的第二輻射部之寬度約為0.2~2.0 mm。
10. 如申請專利範圍第1項之天線結構，其中該鉤型輻射體的第一部分輻射體之長度約為8.0~12 mm。
11. 如申請專利範圍第1項之天線結構，其中該鉤型輻射體的第一輻射部之寬度約為0.2~2.0 mm。
12. 如申請專利範圍第1項之天線結構，其中該第一輻射部以行進波型態放射訊號。
13. 如申請專利範圍第1項之天線結構，其中該第二輻射部以駐波型態放射訊號。