TWI426659B - 雙偶極天線 - Google Patents

Description

雙偶極天線

本發明是有關於一種雙偶極天線(dipole antenna)，可以使用於超高頻(ultra high frequency，UHF)的頻段。

於使用UHF頻段的多種電子裝置中，例如無線辨識系統(radio frequency identification，RFID)元件的使用頻段也包括UHF頻段，例如是在860~930 MHz。又，RFID元件中以RFID標籤已有廣泛的應用。一般RFID元件的天線是雙偶極天線，用以與遠端進行無線資料傳送。

雙偶極天線有多種設計。圖1繪示傳統的雙偶極天線結構示意圖。參閱圖1，傳統的雙偶極天線結構之一是包括一輻射金屬線100，其尺寸對應所要操作的頻率而定。另外一矩形迴圈102，在輻射金屬線100的中間區域與輻射金屬線100的距離為d。矩形迴圈102的一端有一開口104，是饋入端。輻射金屬線100與矩形迴圈102是例如形成在一電路板上，例如是印刷式RFID標籤(printed RFID tag)，其製作容易。

圖2繪示電路結構圖，是圖1天線的等效電路示意圖。參閱圖2，饋入端106與外部的晶片連接。輻射金屬線100與矩形迴圈102之間是電感性的耦合。訊號可以藉由饋入端106輸入，而藉由輻射金屬線100發射訊號。反之，輻射金屬線100接收的訊號，可以由饋入端106輸出。

天線在實際使用上其需要考慮與晶片的電阻匹配以 及操作頻率的響應，因此傳統的雙偶極天線有多種設計。由於元件的尺寸有縮小使用面積的趨勢，因此雙偶極天線的設計為因應各種操作頻率，以及縮小天線面積的考量，仍在繼續研發。

本發明提供雙偶極天線，以允許容易調整出匹配晶片的複數型式(complex form)的輸入電阻Z，所需要的實部值與虛部值。

本發明一實施例提供一種雙偶極天線，使用於一操作頻率，包括一雙偶極輻射主體、一第一半環形金屬線以及一第二半環形金屬線。雙偶極輻射主體，有一第一線臂與一第二線臂對準成一直線，且相隔有一間隙構成一饋入端。第一半環形金屬線有二個端點分別與該第一輻射線臂及該第二輻射線臂連接，構成一第一匹配環，涵蓋該饋入端。第二半環形金屬線，有二個端點分別與該第一輻射線臂及該第二輻射線臂連接，構成一第二匹配環大於該第一匹配環。

在前述的雙偶極天線的架構下，其允許有多種變化，其至少包括如實施例以及申請專利範圍的種種設計變化。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

本發明考慮相關雙偶極天線架構為基礎之後，提出雙 偶極天線的設計，有利於較容易調整出需要的匹配阻抗的實部值與虛部值。以下舉一些實施例來說明本發明，但是本發明不僅受限於所舉的一些實施例，且所舉的一些實施例之間也可以相互適當結合。

圖3繪示依據本發明一實施例，雙偶極天線的架構機制探討示意圖。參閱圖3，雙偶極天線200的輻射主體，例如有一第一線臂202與一第二線臂204對準成一直線，且相隔有一間隙，構成一饋入端206。第一線臂202與第二線臂204的長度例如是對應操作頻率的波長的1/4。一半環形金屬線，例如是半矩形的金屬線，有二個端點分別與第一輻射線臂202及該第二輻射線臂204連接，構成一個匹配環208。圖3中的右圖是其等效電路，具有電容(C)、電阻(R)，電感(L)的效應。匹配環的作用是初步調整匹配阻抗Z的實部值R與虛部值X，其中Z是複數值(complex quantity)以Z＝R＋jX表示。

從學理上來探討，雙偶極天線主要是能提供全向性(omnidirectional)的輻射場型(radiation pattern)，以接收不同角度電磁波信號。以RFID天線而言，由於大多數RFID晶片的阻抗是電容性，因此為了配合各種標籤的積體電路的電容性阻抗，在天線設計上另外需要考慮輸入阻抗的虛部值X所產生的電感性效應，用以抵銷晶片阻抗的電容性。首先如圖3的方式，在饋入端206的兩端加上半環形金屬線，以構成第一個匹配環208，其例如是矩形的匹配環208。此匹配環208可以使天線的輸入阻抗具有電感性， 且可以調整天線的輸入阻抗的實部值與虛部值。一般而言，增加匹配環208的尺寸可以增加阻抗的實部值與虛部值。

以矩形的匹配環208為例，其尺寸以及線寬可以藉由多個參數來調整，例如藉由l_a1 、l_b1 、l_w 等參數的大小做尺寸變化。針對RFID天線且操作頻率為UHF頻段為例，例如是915 MHz。單臂的長度約為此對應波長的1/4。又，二個線臂202、204的尾端可以往饋入端206的方向彎折成為彎折區域202a。如此，彎折的方式例如可以達到縮小面積。另外，由於彎折區域202a的尺寸調整，也可以再次微調操作頻率，其結果將於後面更詳細描述。二個線臂202、204的間隙是饋入端206。在饋入端206加入匹配環208可以產生電感性以及調整阻抗匹配。雙偶極天線本身的天線實部輸入阻抗約為70歐姆，而虛部為電容性。然而，電路晶片所使用的輸入阻抗通常為實部阻抗較小且虛部阻抗較大且為電容性。為了達到最大的功率輸出，天線端輸入阻抗需要設計為共軛匹配(conjugated match)，也就是說天線的輸入阻抗必須為電感性，因此在饋入端206加入匹配環208，除了可以使整體天線的輸入阻抗具有電感性，且可以改變天線輸入阻抗實部的阻抗值，達到匹配的效果。

圖4繪示依據本發明一實施例，針對圖3的天線結構，改變一些參數的實部值與虛部值變化示意圖。參閱圖4，實線代表例如l_a1 ＝17mm，l_b1 ＝3mm的實部值(R)與虛部值(X)隨頻率F的變化而改變。實部值(R)的變化是由下部 的線，虛部值(X)的變化是上部的線。另外虛線代表l_a1 ＝19mm，l_b1 ＝4mm的實部值(R)與虛部值(X)變化。點線代表l_a1 ＝21 mm，l_b1 ＝5mm的實部值(R)與虛部值(X)變化。另外其他的參數例如l＝100mm，w＝15 mm，l₁ ＝29 mm，l_w ＝2 mm。結果可以看出，增加匹配環208則實部值(R)與虛部值(X)都會增加。至於線寬的大小，例如整個天線都是等線寬設計較為簡便。然而，線寬可依實際而變化，整個天線無需全部等線寬。更就匹配環本身而言也無須全部等線寬。

根據圖4的變化行為來看，一般在設計天線時，先設計第一個匹配環208，使虛部值(X)接近實際所需要的虛部值(X)。然而，由於阻抗的虛部值(X)調動時也會同時調動阻抗的實部值(R)。因此，天線設計需要再考慮如何調整實部值(R)，以使增加可調的自由度。

圖5繪示依據本發明一實施例，雙偶極天線結構示意圖。參閱圖5，以圖3的天線基本結構為基礎，再增加外圍的另一匹配環210，構成一雙偶極天線300，其等效電路繪示於右圖。較大的匹配環210的作用可以再一次調整輸入阻抗Z的實部值(R)與虛部值(X)。匹配環210可以與匹配環208不同邊。然而，就較佳的方式例如是匹配環210設置在匹配環208的外圍，可以節省天線面積。匹配環210所產生的作用包括增加頻寬與允許天線阻抗的實部與虛部再度調整的自由度。匹配環210的尺寸例如是l_a2 ＝24 mm及l_b2 ＝6 mm。

圖6繪示圖5的雙偶極天線結構所產生的調整機制示 意圖。參閱圖6，其中細線是對於僅有匹配環208(如圖3所示)的天線結構下，實部與虛部隨頻率變化示意圖。粗線是對於雙環設計，含有匹配環208與匹配環210(如圖5所示)的天線結構下，實部與虛部隨頻率變化示意圖。虛線是根據對應的等效電路的模擬結果。對於在900MHz範圍的UHF頻段而言，加入匹配環210可以降低阻抗實部值(R)，但是阻抗虛部值(X)相對的變化較小。因此藉由匹配環208先做初步調整阻抗的實部值(R)與虛部值(X)，其中以虛部值(X)為主要考慮，使其與所晶片阻抗所需要的虛部值接近，而此時實部值(R)可能過大。可以藉由匹配環210再度調整阻抗的實部值(R)與虛部值(X)。由於如圖6的特性，主要可以對實部值(R)做調整，以減少實部值(R)，虛部值(X)仍大致上維持。如此的天線結構，容易達到所需要的阻抗值，因此有較大的調整自由度。另外由於加入的匹配環也使阻抗隨頻率的變化趨緩，因此也可以增加天線頻寬。

圖7繪示依據本發明一實施例，關於尾部彎曲所產生的效應示意圖。參閱圖5與圖7，改變彎折區域202a的l₁ 的長度，其產生的主要效果是調整操作頻率的功能。細線是l₁ ＝26mm。點線是l₁ ＝29mm。粗線是l₁ ＝32mm。虛線是依據等效電路的模擬結果。如箭頭所示，其彎折區域202a的l₁ 參數增加，則操作頻率降低。

圖8繪示依據本發明一實施例，雙偶極天線在二個平面上的輻射場型模擬示意圖。參閱圖8，左邊的輻射場型是在XZ平面上，右邊的輻射場型是在YZ平面上。以操 作頻率為915 MHz的情形，其晶片輸入阻抗為Zc＝13.3－j64歐姆，而較佳的天線阻抗為Za＝13.3＋j64歐姆。最大天線增益例如是1.63dB，輻射效率(radiation efficiency)為85.3%。

上述的實施例是以二個匹配環為例。然而實際設計上，其不限制僅為二個匹配環，例如可以再增加一個匹配環，成為三個匹配環。圖9繪示依據本發明一實施例，雙偶極天線的匹配環效應模擬示意圖。參閱圖9，點線為單環模擬結果，實線為雙環模擬結果，虛線為三環模擬結果。就900MHz的操作頻率而言，增加匹配環可以減少實部值，但是虛部值大致上仍維持在相同的值，且變化更為趨緩，因此頻寬增大。

圖10繪示依據本發明一實施例，雙偶極天線的設計流程示意圖。參閱圖10，步驟S100決定晶片阻抗Zc。步驟S102決定天線阻抗Za＝Ra＋jXa＝Zc^＊ 。也就是說，天線阻抗Za是晶片阻抗Zc的共軛複數。步驟S104決定雙偶極天線的長度。步驟S106調動第一圈的匹配環的尺寸，其中阻抗虛部值Xa先被調整接近所需值。步驟S108再加入第二圈的匹配環，主要調整阻抗實部值Ra。步驟S110改變尾部彎曲l₁ 的大小，用以再微調天線的特性，例如包括改變電感(La)，電阻(Ra)，電容(Ca)等的整體值，如圖7所示，以對應所要的操作頻率。

圖11繪示依據本發明一實施例，雙偶極天線模擬反射損失(return loss)的頻率響應示意圖。參閱圖11，針對三 種不同天線設計的頻率響應來比較。實線是本發明採用雙匹配環的設計，其RL值為：

虛線是採用單匹配環的設計。點線是傳統的天線設計。從頻率響應的特性來看，本發明採用雙匹配環的設計所得到的特性，以10dB的反射損失來看，適合操作於UHF的頻段，且有較大的頻寬。對於雙匹配環設計在915MHz的阻抗Za例如可以得到Za＝17.3＋j64.2。

圖12繪示依據本發明實施例，雙偶極天線的多變化示意圖。以二個匹配環為例，參閱圖12(a)，匹配環不一定是重疊。參閱圖12(b)，匹配環的形狀可以是多邊形，其更例如是矩形改變為三角形。另外，所謂的矩形又廣泛指直角四邊形，其也可以包含正四方形等設計。參閱圖12(c)，匹配環的形狀可以是曲線形，例如是半圓形。參閱圖12(d)，尾端的彎折方式也不限於直角式的彎折，其可以是曲線的彎折，例如圓形的彎折。又，關於線寬的大小，如前述無需都是等線寬，其中例如二個匹配環無需相等線寬。也就是說，對於整體天線而言，其允許至少有一部分是不同線寬。本發明的天線尺寸的實際變化不僅限於所舉的實施例，且所舉的實施例之間也可以做相互結合。

本發明提出的雙偶極天線結構，藉由多個匹配環的設計可以容易調整阻抗，使得到與晶片阻抗有較佳的匹配。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，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‧‧‧輻射金屬線

102‧‧‧矩形迴圈

104‧‧‧開口

106‧‧‧饋入端

200、300‧‧‧雙偶極天線

202‧‧‧線臂

202a‧‧‧彎折區域

204‧‧‧線臂

206‧‧‧饋入端

208‧‧‧匹配環

210‧‧‧匹配環

圖1繪示傳統的雙偶極天線結構示意圖。

圖2繪示電路結構圖，是圖1天線的等效電路示意圖。

圖3繪示依據本發明一實施例，雙偶極天線的基礎架構機制探討示意圖。

圖4繪示依據本發明一實施例，針對圖3的天線結構，改變一些參數的實部值與虛部值變化示意圖。

圖5繪示依據本發明一實施例，雙偶極天線結構示意圖。

圖6繪示圖5的雙偶極天線結構所產生的調整機制示意圖。

圖7繪示依據本發明一實施例，關於尾部彎曲所產生的效應示意圖。

圖8繪示依據本發明一實施例，雙偶極天線在二個平面上的輻射場型模擬示意圖。

圖9繪示依據本發明一實施例，雙偶極天線的匹配環效應模擬示意圖。

圖10繪示依據本發明一實施例，雙偶極天線的設計流程示意圖。

圖11繪示依據本發明一實施例，雙偶極天線模擬反 射損失(return loss)的頻率響應示意圖。

圖12繪示繪示依據本發明實施例，雙偶極天線的多變化示意圖。

300‧‧‧雙偶極天線

202‧‧‧線臂

202a‧‧‧彎折區域

204‧‧‧線臂

206‧‧‧饋入端

208‧‧‧匹配環

210‧‧‧匹配環

Claims (17)

1. 一種雙偶極天線，使用於一操作頻率，包括：一雙偶極輻射主體，有一第一輻射線臂與一第二輻射線臂對準成一直線，且相隔有一間隙構成一饋入端；一第一半環形金屬線，有第一端點與第二端點分別與該第一輻射線臂及該第二輻射線臂連接，構成一第一匹配環，涵蓋該饋入端；以及一第二半環形金屬線，有第三端點與第四端點分別與該第一輻射線臂及該第二輻射線臂連接，構成一第二匹配環大於該第一匹配環，其中該第一至該第四端點是在不同位置，且該第三端點與該第四端點是分別在該第一端點與第二端點的外部。
2. 如申請專利範圍第1項所述之雙偶極天線，其中該操作頻率是在超高頻(UHF)範圍。
3. 如申請專利範圍第1項所述之雙偶極天線，其中該第一輻射線臂及該第二輻射線臂分別的二尾端，是往該饋入端內彎的一彎折結構。
4. 如申請專利範圍第1項所述之雙偶極天線，其中該第一輻射線臂及該第二輻射線臂分別的二尾端，是往該饋入端內彎的一直角彎折結構，用以移動該操作頻率。
5. 如申請專利範圍第1項所述之雙偶極天線，其中該第一匹配環產生輸入阻抗的一虛部值與一實部值，該第二匹配環減少該實部值，並大致上維持該虛部值。
6. 如申請專利範圍第1項所述之雙偶極天線，更包括一第三半環形金屬線，有二個端點分別與該第一輻射線臂及該第二輻射線臂連接，構成一第三匹配環大於該第二匹 配環。
7. 如申請專利範圍第1項所述之雙偶極天線，其中該雙偶極天線主體，該第一環形金屬線與該第二環形金屬線都是相同線寬。
8. 如申請專利範圍第1項所述之雙偶極天線，其中該雙偶極天線主體，該第一環形金屬線與該第二環形金屬線不是全部相同線寬。
9. 如申請專利範圍第1項所述之雙偶極天線，其中該第一匹配環與該第二匹配環是矩形、曲線形或是多邊形。
10. 如申請專利範圍第1項所述之雙偶極天線，其中該第一匹配環與該第二匹配環是一第一矩形匹配環與一第二矩形匹配環矩形。
11. 如申請專利範圍第10項所述之雙偶極天線，其中該第二矩形匹配環圍繞該第一矩形匹配環的外圍。
12. 如申請專利範圍第11項所述之雙偶極天線，更包括一第三半矩形金屬線，有二個端點分別與該第一輻射線臂及該第二輻射線臂連接，構成一第三矩形匹配環，圍繞該二矩形匹配環的外圍。
13. 如申請專利範圍第11項所述之雙偶極天線，其中該第一矩形匹配環產生輸入阻抗的一虛部值與一實部值，該第二矩形匹配環減少該實部值而並大致上維持該虛部值。
14. 如申請專利範圍第13項所述之雙偶極天線，其中該操作頻率是在超高頻(UHF)範圍。
15. 如申請專利範圍第14項所述之雙偶極天線，其中該操作頻率約是915MHz。
16. 如申請專利範圍第11項所述之雙偶極天線，其中該第一環形金屬線與該第二環形金屬線的每一個是整圈相同線寬。
17. 如申請專利範圍第11項所述之雙偶極天線，其中該第一環形金屬線與該第二環形金屬線的每一個是不完全等線寬。