TWI429136B - 堆疊天線之結構 - Google Patents

Description

堆疊天線之結構

本揭示內容是有關於通訊技術，且特別是有關於一種天線。

近年來由於工商發達、社會進步，相對提供之產品亦主要針對便利、確實、經濟實惠為主旨，因此，當前開發之產品亦比以往更加進步，而得以貢獻社會。

關於平面天線(planner antenna)，習知技術是採用單層介質基板(dielectric substrate)並在其兩側印刷金屬之插線天線(patch antenna)。

隨著手持式無線通訊產品日益普及化，而在高傳輸速度及產品微小化的發展趨勢之下，天線被要求具備高操作頻寬(high bandwidth)以及高輻射增益(high gain)等條件。然而，傳統平面天線卻無法將尺寸縮小及無法得到較高之天線增益，由此可見，上述現有的平面天線，顯然仍存在不便與缺陷，而有待加以進一步改進。為了解決上述問題，相關領域莫不費盡心思來謀求解決之道，但長久以來一直未見適用的方式被發展完成。因此，如何能更有效地縮小天線尺寸並提高天線增益，實屬當前重要研發課題之一，亦成為當前相關領域亟需改進的目標。

因此，本揭示內容之一態樣是提出利用多層介質堆疊在一起的概念，設計出堆疊天線的結構，此堆疊天線結構不但可提升天線增益與操作頻寬，亦可大幅降低天線尺寸。

依據本揭示內容一實施例，一種堆疊天線之結構包括第一介質基板、第二介質基板、通孔(via)、饋入線、天線元件、反射元件與寄生元件。

在結構上，第二介質基板堆疊於第一介質基板上，通孔可貫穿第一介質基板或第二介質基板，饋入線位於第一、第二介質基板之間。天線元件位於第一、第二介質基板之間，並經由該饋入線電性連接至通孔；反射元件與天線元件之間隔著第一介質基板，且位於第一介質基板上；寄生元件與天線元件之間隔著第二介質基板。

於使用時，信號可從通孔經由饋入線傳遞至天線元件，天線元件用以輻射無線電波，反射元件用以反射無線電波以調整天線輻射場型，寄生元件用以增加天線元件輻射無線電波之指向性。

依據本揭示內容另一實施例，一種堆疊天線之結構包括第一介質基板、第一支撐金屬、饋入點、信號錫球、第二支撐金屬、支撐錫球、饋入線、天線元件、反射元件與寄生元件。

在結構上，複數個第一支撐金屬配置於第一介質基板上，至少一饋入點配置於第一介質基板上，至少一信號錫球配置於饋入點上。第二介質基板具有上表面與下表面，下表面朝向第一支撐金屬及饋入點。複數個第二支撐金屬位於下表面，分別對應該些第一支撐金屬；複數個支撐錫球分別配置於該些第一、第二支撐金屬之間，使得第一、第二介質基板被該些支撐錫球隔開，藉此第一、第二介質基板之間具有間隙空間。至少一饋入線接觸信號錫球；天線元件配置於第二介質基板之下表面，並經由饋入線電性連接至信號錫球；反射元件配置於第一介質基板上，面對天線元件；寄生元件配置於第二介質基板之上表面。

於使用時，信號可從信號錫球經由饋入線傳遞至天線元件，天線元件用以輻射無線電波，反射元件用以反射無線電波以調整天線輻射場型，寄生元件用以增加天線元件輻射無線電波之指向性。

以下將以實施例對上述之說明以及接下來的實施方式做詳細的描述，並對本揭示內容之技術方案提供更進一步的解釋。

為了使本揭示內容之敘述更加詳盡與完備，以讓熟悉此技藝者將能清楚明白其中的差異與變化，可參照以下所述之實施例。在下列段落中，對於本揭示內容的各種技術方案予以詳細敘述。所附之圖式中，相同之號碼代表相同或相似之元件；另一方面，眾所週知的元件與步驟並未描述於實施例中，以避免造成本發明不必要的限制。

另外，於實施方式與申請專利範圍中，除非內文中對於冠詞有所特別限定，否則『一』與『該』可泛指單一個或複數個。並且，於實施方式與申請專利範圍中，除非本文中有所特別限定，否則所提及的『在...中』也包含『在...裡』與『在...上』之涵意。

關於本文中所使用之『約』、『大約』或『大致約』一般通常係指數值之誤差或範圍於百分之二十以內，較好地是於百分之十以內，而更佳地則是於百分五之以內。文中若無明確說明，其所提及的數值皆視作為近似值，即如『約』、『大約』或『大致約』所表示的誤差或範圍。

然而，至於本文中所使用之『包含』、『包括』、『具有』及相似詞彙，皆認定為開放式連接詞。例如，『包含』表示元件、成分或步驟之組合中不排除請求項未記載的元件、成分或步驟。

本揭示內容之一態樣，係為提供數種高增益且寬頻之堆疊天線架構及其製造方法。本揭示內容之堆疊天線可應用在無線通訊系統之產品，或是廣泛地運用在相關的技術環節，以下將闡述兩類不同堆疊結構：

1.一係為使用通孔技術之堆疊結構，設有一介質基板，先個別在介質基板中製作通孔，並在介質基板的表面製作設計之金屬，最後再依序將這些介質基板一層一層的堆疊在一起，此即完成第一類多層介質基板之堆疊天線(以下將搭配第1-5圖來說明)；以及

2.另一為使用錫球技術之堆疊結構，設有一介質基板，先個別在介質基板表面製作設計之金屬，並在上層基板之下側製作錫球，最後再將上層介質基板之錫球焊接在下層基板金屬上，並堆疊在一起，此即完成第二類多層介質基板之堆疊天線(以下將搭配第8-10圖來說明)。

第1圖是依照本揭示內容第一實施例之一種堆疊天線之結構的立體圖。如第1圖所示，此堆疊天線之結構包含第一介質基板(dielectric substrate)31b、第二介質基板31a、通孔(via)36、饋入線(feed line)35、天線元件(driven element)33、反射元件(reflector)32a、32b、32c與寄生元件(director)34。

在結構上，第二介質基板31a堆疊於第一介質基板31b上，通孔36可貫穿第一介質基板31b，饋入線35位於第一、第二介質基板31b、31a之間。天線元件33位於第一、第二介質基板31b、31a之間，並經由該饋入線35電性連接至通孔36；反射元件32a、32b、32c與天線元件33之間隔著第一介質基板31b，且位於第一介質基板31b上；寄生元件34與天線元件33之間隔著第二介質基板31a。

於使用時，信號可從通孔36經由饋入線35傳遞至天線元件33，天線元件33用以輻射無線電波，反射元件32a、32b、32c用以反射無線電波以調整天線輻射場型，寄生元件34用以增加天線元件33輻射無線電波之指向性。

在設計上，可依信號饋入之位置，由堆疊天線之最上層饋入或由最下層饋入，來決定通孔要穿過哪些介質基板。於第一實施例中，通孔36可貫穿第一介質基板31b；或者，於其他本實施例中，通孔36可貫穿第二介質基板31a(未繪示)。

關於寄生元件34，可依所需之輻射場型需求可堆疊一個或多個寄生元件，數量越多輻射場型之指向性越佳，輻射增益越大；相似地，關於反射元件32a、32b、32c，可依所需之輻射場型需求可為一個或多個反射元件，數量越多輻射場型之指向性越佳，輻射增益越大。

實作上，天線元件33設在反射元件32a、32b、32c之正上方，寄生元件34設在天線元件33之正上方，以便於增進三者間功能上相互支持的效果。

於第一實施例中，寄生元件34之長度約為0.3至0.7倍之無線電波的有效波長，若寄生元件34之長度大於0.7倍之無線電波的有效波長，則容易扭曲天線輻射場型；若寄生元件34之長度小於0.3倍之無線電波的有效波長，則指向性不佳。天線元件33之長度約為0.3至0.7倍之無線電波的有效波長，倘若天線元件33之長度不在此一範圍內，則會偏離最匹配的頻率太遠，需要額外的補償元件，使得效率變差。另外，每一個反射元件32a、32b、32c之長度約為0.3至0.7倍之無線電波的有效波長。

在設計上，天線元件33之長度大於寄生元件34之長度並且小於每一個反射元件32a、32b、32c之長度，以便於使電波順利向外部(自反射元件32a、32b、32c朝向寄生元件34之方向)輻射出去。舉例來說，寄生元件之長度約為0.44倍之無線電波的有效波長；天線元件之長度約為0.46倍之無線電波的有效波長，反射元件之長度約為0.48倍之無線電波的有效波長。

於第1圖中，此堆疊天線之結構之製造方法包括下列步驟(應瞭解到，在第一實施例中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行)：第一步驟，在介質基板31b製作一通孔36；第二步驟，在介質基板31b之上側製作饋入線35與天線元件33，在下側製作反射元件32a、32b、32c；第三步驟，在介質基板31a之上側製作寄生元件34；第四步驟，將步驟二與三完成之介質基板分層堆疊在一起，此即完成堆疊天線。

第2圖是依照本揭示內容第二實施例之一種堆疊天線之結構的立體圖。如第2圖所示，此堆疊天線之結構包含第一介質基板1b、第二介質基板1a、第三介質基板1c、通孔7、饋入線6、天線元件4、反射元件3a、3b、3c、寄生元件5與接地元件2。

在結構上，第二介質基板1a堆疊於第一介質基板1b上，饋入線6位於第一、第二介質基板1b、1a之間。天線元件4位於第一、第二介質基板1b、1a之間，並經由該饋入線6電性連接至通孔7；反射元件3a、3b、3c與天線元件4之間隔著第一介質基板1b，且位於第一介質基板1b上；寄生元件5與天線元件4之間隔著第二介質基板1a。第一介質基板1b堆疊於第三介質基板1c上，且第一介質基板1b位於第二、第三介質基板1a、1c之間，而通孔7貫穿第一、第三介質基板1b、1c。接地元件2與反射元件3a、3b、3c之間隔著第三介質基板1c，且位於第三介質基板1c上。

於使用時，信號可從通孔7經由饋入線6傳遞至天線元件4，天線元件4用以輻射無線電波，反射元件3a、3b、3c用以反射無線電波以調整天線輻射場型，寄生元件5用以增加天線元件4輻射無線電波之指向性，接地元件2用以隔絕雜訊對天線元件4之干擾。

實務上，接地元件2無特定之形狀和尺寸，以能阻隔天線下方之雜訊干擾即可，如天線下方無干擾源時，亦可不加接地元件。

在設計上，可依信號饋入之位置，由堆疊天線之最上層饋入或由最下層饋入，來決定通孔要穿過哪些介質基板。於第二實施例中，通孔7可貫穿第一、第三介質基板1b、1c；或者，於其他本實施例中，通孔7可貫穿第二介質基板1a(未繪示)。

實作上，天線元件4設在反射元件3a、3b、3c之正上方，寄生元件5設在天線元件4之正上方，以便於增進三者間功能上相互支持的效果。

於第二實施例中，寄生元件5之長度約為0.3至0.7倍之無線電波的有效波長，若寄生元件5之長度大於0.7倍之無線電波的有效波長，則容易扭曲天線輻射場型；若寄生元件5之長度小於0.3倍之無線電波的有效波長，則指向性不佳。天線元件4之長度約為0.3至0.7倍之無線電波的有效波長，倘若天線元件4之長度不在此一範圍內，則會偏離最匹配的頻率太遠，需要額外的補償元件，使得效率變差。另外，每一個反射元件3a、3b、3c之長度約為0.3至0.7倍之無線電波的有效波長。

在設計上，天線元件4之長度大於寄生元件5之長度並且小於每一個反射元件3a、3b、3c之長度，以便於使電波順利向外部(自反射元件3a、3b、3c朝向寄生元件5之方向)輻射出去。舉例來說，寄生元件5之長度約為0.44倍之無線電波的有效波長；天線元件4之長度約為0.46倍之無線電波的有效波長，每一個反射元件3a、3b、3之長度約為0.48倍之無線電波的有效波長。

於第2圖中，此堆疊天線之結構之製造方法包括下列步驟(應瞭解到，在第二實施例中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行)：第一步驟，在兩介質基板1b與1c上分別製作一通孔7；第二步驟，在介質基板1c之上下兩側分別製作反射元件3a、3b、3c與接地元件2；第三步驟，在介質基板1b之上側製作饋入線6與天線元件4；第四步驟，在介質基板1a之上側製作寄生元件5；第五步驟，將步驟二、三與四完成之介質基板依序分層堆疊在一起，此即完成堆疊天線。

第3圖是依照本揭示內容第三實施例之一種堆疊天線之結構的立體圖。如第3圖所示，此堆疊天線之結構包含第一介質基板11b、第二介質基板11a、第三介質基板11c、通孔17a、17b、饋入線16a、16b、天線元件14、反射元件13a、13b、13c、寄生元件15與接地元件12。於第三實施例中，天線元件14係差動饋入型態之天線。

在結構上，第二介質基板11a堆疊於第一介質基板11b上，饋入線16a、16b位於第一、第二介質基板11b、11a之間。天線元件14位於第一、第二介質基板11b、11a之間，天線元件14之兩端分別經由二饋入線16a、16b電性連接至二通孔17a、17b。反射元件13a、13b、13c與天線元件14之間隔著第一介質基板11b，且位於第一介質基板11b上；寄生元件15與天線元件14之間隔著第二介質基板11a。第一介質基板11b堆疊於第三介質基板11c上，且第一介質基板11b位於第二、第三介質基板11a、11c之間，而通孔17a、17b貫穿第一、第三介質基板11b、11c。接地元件12與反射元件13a、13b、13c之間隔著第三介質基板11c，且位於第三介質基板11c上。

於使用時，信號可從通孔17a、17b經由饋入線16a、16b傳遞至天線元件14，天線元件14用以輻射無線電波，反射元件13a、13b、13c用以反射無線電波以調整天線輻射場型，寄生元件15用以增加天線元件14輻射無線電波之指向性，接地元件12用以隔絕雜訊對天線元件14之干擾。

實務上，接地元件12無特定之形狀和尺寸，以能阻隔天線下方之雜訊干擾即可，如天線下方無干擾源時，亦可不加接地元件。

在設計上，可依信號饋入之位置，由堆疊天線之最上層饋入或由最下層饋入，來決定通孔要穿過哪些介質基板。於第三實施例中，通孔17a、17b可貫穿第一、第三介質基板11b、11c；或者，於其他本實施例中，通孔17a、17b可貫穿第二介質基板11a(未繪示)。

實作上，天線元件14設在反射元件13a、13b、13c之正上方，寄生元件15設在天線元件14之正上方，以便於增進三者間功能上相互支持的效果。

於第三實施例中，寄生元件15之長度約為0.3至0.7倍之無線電波的有效波長，若寄生元件15之長度大於0.7倍之無線電波的有效波長，則容易扭曲天線輻射場型；若寄生元件15之長度小於0.3倍之無線電波的有效波長，則指向性不佳。天線元件14之長度約為0.3至0.7倍之無線電波的有效波長，倘若天線元件14之長度不在此一範圍內，則會偏離最匹配的頻率太遠，需要額外的補償元件，使得效率變差。另外，每一個反射元件13a、13b、13c之長度約為0.3至0.7倍之無線電波的有效波長。

在設計上，天線元件14之長度大於寄生元件15之長度並且小於每一個反射元件13a、13b、13c之長度，以便於使電波順利向外部(自反射元件13a、13b、13c朝向寄生元件15之方向)輻射出去。舉例來說，寄生元件15之長度約為0.44倍之無線電波的有效波長；天線元件14之長度約為0.46倍之無線電波的有效波長，每一個反射元件13a、13b、13c之長度約為0.48倍之無線電波的有效波長。

於第3圖中，此堆疊天線之結構之製造方法包括下列步驟(應瞭解到，在第三實施例中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行)：第一步驟，在兩介質基板11b與11c上分別製作通孔17a、17b；第二步驟，在介質基板11c之上下兩側分別製作反射元件13a、13b、13c與接地元件12；第三步驟，在介質基板11b之上側製作饋入線16a、16b與天線元件14；第四步驟，在介質基板11a之上側製作寄生元件15；第五步驟，將步驟二、三與四完成之介質基板依序分層堆疊在一起，此即完成堆疊天線。

第4圖繪示了第3圖之天線元件14之各種可行的架構。如第4圖所示，差動饋入型態之天線可為偶極天線(dipole)3A、摺疊偶極天線(folded dipole)3B、三角偶極天線(bow-tie dipole)3C或橢圓偶極天線3D。於應用上，偶極天線3A與摺疊偶極天線3B均適合使用在頻寬要求較小之應用；三角偶極天線3C與橢圓偶極天線3D均適合使用在頻寬要求較高之應用。

第5圖是依照本揭示內容第四實施例之一種堆疊天線之結構的立體圖。如第5圖所示，此堆疊天線之結構包含第一介質基板21b、第二介質基板21a、第三介質基板21c、通孔29、天線元件24、反射元件23a、23b、23c、寄生元件25、接地元件22、單端到差動匹接器27a、27b、隔絕金屬(shielding box)31與饋入線。於第四實施例中，饋入線分為一條單端饋入線28與二條差動饋入線(differential feed line)26a、26b，通孔29為一個信號通孔(signal via)，通孔30為一接地通孔(ground via)，天線元件24為差動饋入型態之天線。

在結構上，第二介質基板21a堆疊於第一介質基板21b上，饋入線位於第一、第二介質基板21b、21a之間。天線元件24位於第一、第二介質基板21b、21a之間，信號通孔29經由單端饋入線28連接至單端到差動匹接器27a、27b，單端到差動匹接器27a、27b經由二差動饋入線26a、26b連接至天線元件24。反射元件23a、23b、23c與天線元件24之間隔著第一介質基板21b，且位於第一介質基板21b上；寄生元件25與天線元件24之間隔著第二介質基板21a。第一介質基板21b堆疊於第三介質基板21c上，且第一介質基板21b位於第二、第三介質基板21a、21c之間，而通孔29貫穿第一、第三介質基板21b、21c。接地元件22與反射元件23a、23b、23c之間隔著第三介質基板21c，且位於第三介質基板21c上。

於使用時，由信號通孔29傳遞至單端饋入線28，再從單端饋入線28經過單端到差動匹接器27a、27b分別傳遞至差動饋入線26a、26b並傳遞至天線元件24，天線元件24用以輻射無線電波，反射元件23a、23b、23c用以反射無線電波以調整天線輻射場型，寄生元件25用以增加天線元件24輻射無線電波之指向性，接地元件22用以隔絕雜訊對天線元件24之干擾，單端到差動匹接器27a、27b用以信號經過路徑27a與路徑27b之相位將相差180度。此外，單端到差動匹接器27a、27b亦同時進行阻抗匹配轉換，將單端饋入線28之50ohm阻抗轉換成差動饋入線26a、26b之100ohm阻抗。隔絕金屬31用以阻隔此單端到差動匹接器27a、27b所產生之輻射，以降低天線輻射場型受到單端到差動匹接器之影響，設計時上下距離匹接器愈近其阻隔效果愈佳。

實務上，接地元件22無特定之形狀和尺寸，以能阻隔天線下方之雜訊干擾即可，如天線下方無干擾源時，亦可不加接地元件。

在設計上，可依信號饋入之位置，由堆疊天線之最上層饋入或由最下層饋入，來決定通孔要穿過哪些介質基板。於第四實施例中，通孔29可貫穿第一、第三介質基板21b、21c；或者，於其他本實施例中，通孔29可貫穿第二介質基板21a(未繪示)。

實作上，天線元件24設在反射元件23a、23b、23c之正上方，寄生元件25設在天線元件33之正上方，以便於增進三者間功能上相互支持的效果。

如第5圖所示，此堆疊天線之結構亦可包含複數個接地通孔(ground via)30。在結構上，接地通孔30圍著信號通孔29；於使用時，接地通孔30用以降低信號通孔29傳輸信號之耗損，在高頻應用上可降低信號通孔發生溢漏之現象。

於第四實施例中，寄生元件25之長度約為0.3至0.7倍之無線電波的有效波長，若寄生元件25之長度大於0.7倍之無線電波的有效波長，則容易扭曲天線輻射場型；若寄生元件25之長度小於0.3倍之無線電波的有效波長，則指向性不佳。天線元件24之長度約為0.3至0.7倍之無線電波的有效波長，倘若天線元件24之長度不在此一範圍內，則會偏離最匹配的頻率太遠，需要額外的補償元件，使得效率變差。另外，每一個反射元件23a、23b、23c之長度約為0.3至0.7倍之無線電波的有效波長。

在設計上，天線元件24之長度大於寄生元件25之長度並且小於每一個反射元件23a、23b、23c之長度，以便於使電波順利向外部(自反射元件23a、23b、23c朝向寄生元件25之方向；Z軸方向)輻射出去。舉例來說，寄生元件25之長度約為0.44倍之無線電波的有效波長；天線元件24之長度約為0.46倍之無線電波的有效波長，每一個反射元件23a、23b、23c之長度約為0.48倍之無線電波的有效波長。

於第5圖中，此堆疊天線之結構之製造方法包括下列步驟(應瞭解到，在第四實施例中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行)：第一步驟，在兩介質基板21b與21c上分別製作一信號通孔29與接地通孔30；第二步驟，在介質基板21c之上下兩側分別製作反射元件23a、23b、23c與接地元件22，以及隔絕金屬31之下層；第三步驟，在介質基板21b之上側製作差動饋入線26a、26b、天線元件24、單端饋入線28與單端到差動匹接器27a、27b；第四步驟，在介質基板21a之上側製作寄生元件25與隔離金屬31之上層；第五步驟，將步驟二、三與四完成之介質基板依序分層堆疊在一起，此即完成堆疊天線。若製程可提供更多層之結構，如低溫共燒陶瓷製程(LTCC)，則隔絕金屬31距離匹接器愈近其阻隔效果愈佳。

第6圖繪示了第四實施例之堆疊天線的反射係數模擬結果。設計使用在60GHz寬頻通訊系統之堆疊天線，請參閱第5圖所示，介質基板21a、21b、21c之材質採用低溫共燒陶瓷(LTCC)，其介電係數為7.8，介電損耗為0.005，各層介質基板之厚度分別係21a為0.464公厘、21b為0.418公厘、21c為0.046公厘，金屬之厚度為0.013公厘。接地元件22之尺寸為2×2公厘。反射元件23a、23b、23c之尺寸為波長乘上0.48，在設計上為增加頻寬，可適度微調尺寸，此設計之反射元件長度為1.2公厘。寄生元件25之尺寸為波長乘上0.44，在設計上為增加頻寬，可適度微調尺寸，此設計之反射元件長度為0.6公厘。天線元件24之尺寸為波長乘上0.46，此設計之天線元件長度為0.9公厘。此架構之反射係數模擬結果如第六圖所示，操作頻寬介於54GHz至68GHz，符合60GHz寬頻通訊系統之要求。此一堆疊天線之輻射場型模擬結果如第7圖所示，在Z軸方向有最大增益，增益值為7dBi。

第8A圖與第8B圖分別為依照本揭示內容第五實施例之一種堆疊天線之結構的立體圖與剖面圖。。如圖所示，此堆疊天線之結構包括第一介質基板100、第二介質基板101、第一支撐金屬108c、饋入點109、信號錫球107、第二支撐金屬108a、支撐錫球108b、饋入線106、天線元件104、反射元件103a、103b、103c與寄生元件105。

在結構上，複數個第一支撐金屬108c配置於第一介質基板100上，至少一饋入點109配置於第一介質基板100上，至少一信號錫球107配置於饋入點109上。第二介質基板101具有上表面與下表面，下表面朝向第一支撐金屬108c及饋入點109。複數個第二支撐金屬108a位於下表面，分別對應該些第一支撐金屬108c；複數個支撐錫球108b分別配置於該些第一、第二支撐金屬108c、108a之間，使得該第一、第二介質基板100、101被該些支撐錫球108b隔開，藉此該第一、第二介質基板100、101之間具有間隙空間102，例如可為空氣層。至少一饋入線106接觸信號錫球107；天線元件104配置於第二介質基板101之下表面，並經由饋入線106電性連接至信號錫球107；反射元件103a、103b、103c配置於第一介質基板100上，面對天線元件104，被該些第一支撐金屬108c圍著；寄生元件105配置於第二介質基板101之上表面。

於使用時，信號可從信號錫球107經由饋入線106傳遞至天線元件104，天線元件104用以輻射無線電波，反射元件103a、103b、103c用以反射無線電波以調整天線輻射場型，寄生元件105用以增加天線元件輻射無線電波之指向性。

在設計上，第二、第一支撐金屬108a、108c係為提供支撐錫球108b有焊接點，三者係為提供板材支撐與固定用途。信號錫球107與支撐錫球108b之尺寸大小可相同，依不同製程提供不同尺寸之錫球會影響到天線之匹配性，可藉由微調反射元件103a、103b、103c長度補償偏移之阻抗。關於寄生元件105，可依所需之輻射場型需求可堆疊一個或多個寄生元件，數量越多輻射場型之指向性越佳，輻射增益越大；相似地，關於反射元件103a、103b、103c，可依所需之輻射場型需求可為一個或多個反射元件，數量越多輻射場型之指向性越佳，輻射增益越大。

於第五實施例中，天線元件104設在反射元件103a、103b、103c之正上方，寄生元件105設在天線元件104之正上方，以便於提升三者間功能上相互支持的效果。

於第五實施例中，寄生元件105之長度約為0.3至0.7倍之無線電波的有效波長，若寄生元件105之長度大於0.7倍之無線電波的有效波長，則容易扭曲天線輻射場型；若寄生元件105之長度小於0.3倍之無線電波的有效波長，則指向性不佳。天線元件104之長度約為0.3至0.7倍之無線電波的有效波長，倘若天線元件104之長度不在此一範圍內，則會偏離最匹配的頻率太遠，需要額外的補償元件，使得效率變差。另外，每一個反射元件103a、103b、103c之長度約為0.3至0.7倍之無線電波的有效波長。

在設計上，天線元件104之長度大於寄生元件105之長度並且小於每一個反射元件103a、103b、103c之長度，以便於使電波順利向外部(自反射元件103a、103b、103c朝向寄生元件105之方向)輻射出去。舉例來說，寄生元件之長度約為0.44倍之無線電波的有效波長；天線元件之長度約為0.46倍之無線電波的有效波長，反射元件之長度約為0.48倍之無線電波的有效波長。

於第五實施例中，此堆疊天線之結構之製造方法包括下列步驟(應瞭解到，在第五實施例中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行)：第一步驟，在介質基板101上側製作寄生元件105，在其下側製作天線元件104、饋入線106與第二支撐金屬108a；第二步驟，在介質基板100之上側製作反射元件103a、103b、103c、饋入點109與第一支撐金屬108c；第三步驟，在介質基板101之饋入線處製作信號錫球，在支撐金屬處製作支撐錫球；第四步驟，分別將信號錫球107對準介質基板100上之饋入點109，支撐錫球108b對準介質基板100上之第一支撐金屬108c；第五步驟，對齊後將兩介質基板堆疊再一起。此即完成堆疊天線。

第9A圖與第9B圖分別為依照本揭示內容第六實施例之一種堆疊天線之結構的立體圖與剖面圖。如圖所示，此堆疊天線之結構包括第一介質基板200、第二介質基板201、第一支撐金屬208c、饋入點209a、209b、信號錫球207a、207b、第二支撐金屬208a、支撐錫球208b、饋入線206a、206b、天線元件204、反射元件203a、203b、203c與寄生元件205。於第六實施例中，天線元件係差動饋入型態之天線。

在結構上，複數個第一支撐金屬208c配置於第一介質基板200上，至少一饋入點209a、209b配置於第一介質基板200上，至少一信號錫球207a、207b配置於饋入點209a、209b上。第二介質基板201具有上表面與下表面，下表面朝向第一支撐金屬208c及饋入點209a、209b。複數個第二支撐金屬208a位於下表面，分別對應該些第一支撐金屬208c；複數個支撐錫球208b分別配置於第一、第二支撐金屬208c、208a之間，使得第一、第二介質基板200、201被該些支撐錫球208b隔開，藉此第一、第二介質基板200、201之間具有間隙空間202，例如可為空氣層。至少一饋入線206a、206b接觸信號錫球207a、207b；天線元件204配置於第二介質基板201之下表面，天線元件204之兩端分別經由二饋入線206a、206b電性連接至二信號錫球207a、207b。反射元件203a、203b、203c配置於第一介質基板200上，面對天線元件204，被該些第一支撐金屬208c圍著；寄生元件205配置於第二介質基板201之上表面。

於使用時，信號可從信號錫球207a、207b經由饋入線206a、206b傳遞至天線元件204，天線元件204用以輻射無線電波，反射元件203a、203b、203c用以反射無線電波以調整天線輻射場型，寄生元件205用以增加天線元件輻射無線電波之指向性。

在設計上，第二、第一支撐金屬208a、208c係為提供支撐錫球208b有焊接點，三者係為提供板材支撐與固定用途。信號錫球207a、207b與支撐錫球208b、208c之尺寸大小可相同，依不同製程提供不同尺寸之錫球會影響到天線之匹配性，可藉由微調反射元件203a、203b、203c長度補償偏移之阻抗。關於寄生元件205，可依所需之輻射場型需求可堆疊一個或多個寄生元件，數量越多輻射場型之指向性越佳，輻射增益越大；相似地，關於反射元件203a、203b、203c，可依所需之輻射場型需求可為一個或多個反射元件，數量越多輻射場型之指向性越佳，輻射增益越大。

於第六實施例中，天線元件204設在反射元件203a、203b、203c之正上方，寄生元件205設在天線元件204之正上方，以便於提升三者間功能上相互支持的效果。

於第六實施例中，寄生元件205之長度約為0.3至0.7倍之無線電波的有效波長，若寄生元件205之長度大於0.7倍之無線電波的有效波長，則容易扭曲天線輻射場型；若寄生元件205之長度小於0.3倍之無線電波的有效波長，則指向性不佳。天線元件204之長度約為0.3至0.7倍之無線電波的有效波長，倘若天線元件204之長度不在此一範圍內，則會偏離最匹配的頻率太遠，需要額外的補償元件，使得效率變差。另外，每一個反射元件203a、203b、203c之長度約為0.3至0.7倍之無線電波的有效波長。

在設計上，天線元件204之長度大於寄生元件205之長度並且小於每一個反射元件203a、203b、203c之長度，以便於使電波順利向外部(自反射元件203a、203b、203c朝向寄生元件205之方向；Z軸方向)輻射出去。舉例來說，寄生元件之長度約為0.44倍之無線電波的有效波長；天線元件之長度約為0.46倍之無線電波的有效波長，反射元件之長度約為0.48倍之無線電波的有效波長。

於第六實施例中，此堆疊天線之結構之製造方法包括下列步驟(應瞭解到，在第六實施例中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行)：第一步驟，在介質基板201上側製作寄生元件205，在其下側製作天線元件204、差動饋入線206a、206b與第二支撐金屬208a。第二步驟，在介質基板200之上側製作反射元件203a、203b、203c、差動饋入點209a、209b與第一支撐金屬208c。第三步驟，在介質基板201之差動饋入線處製作差動信號錫球207a、207b，在第二支撐金屬208a處製作支撐錫球208b。第四步驟，分別將信號錫球207a、207b對準介質基板200上之差動饋入點209a、209b，支撐錫球208b對準介質基板200上之第一支撐金屬208c。第五步驟，對齊後將兩介質基板堆疊再一起。此即完成堆疊天線。

第10圖繪示了第六實施例之堆疊天線的反射係數模擬結果。設計使用在60GHz寬頻通訊系統之堆疊天線，請參閱第九圖所示，介質基板200之材質採用玻璃纖維基板(FR4)，其介電係數為4.4，介電損耗為0.02，玻璃纖維基板之厚度係為1公厘，介質基板201之材質採用玻璃基板(glass)，其介電係數為5.2，介電損耗為0.003，玻璃基板之厚度係為0.2公厘，金屬之厚度為0.017公厘。反射元件203a、203b、203c之尺寸為波長乘上0.48，在設計上為增加頻寬，可適度微調尺寸，此設計之反射元件長度為1.8公厘。寄生元件205之尺寸為波長乘上0.44，在設計上為增加頻寬，可適度微調尺寸，此設計之反射元件長度為1.05公厘。天線元件204之尺寸為波長乘上0.46，此設計之天線元件長度為1.7公厘。此架構之反射係數模擬結果如第十圖所示，操作頻寬介於54GHz至66.5GHz，符合60GHz寬頻通訊系統之要求。此堆疊天線之輻射場型模擬結果如第11圖所示，在Z軸方向有最大增益，增益值為7.18dBi，其增益值較佳係因為玻璃基板之介電損耗較小以及兩介質基板間夾一空氣層，故能獲得較高之輻射增益。

在材質方面，上述各個實施例中，介質基板係由介電材料製成；舉例來說，介質基板的材質可為陶瓷材料、玻璃材料或是其他高分子材料。反射元件、天線元件與寄生元件的材質均可為金屬，饋入線與通孔的材質均可為金屬，所述之任一錫球均可為金屬球。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，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。

31a．．．第二介質基板

31b．．．第一介質基板

36．．．通孔

35．．．饋入線

33．．．天線元件

32a、32b、32c．．．反射元件

34．．．寄生元件

1a．．．第二介質基板

1b．．．第一介質基板

1c．．．第三介質基板

2．．．接地元件

4．．．天線元件

5．．．寄生元件

6．．．饋入線

7．．．通孔

3a、3b、3c．．．反射元件

11a．．．第二介質基板

11b．．．第一介質基板

11c．．．第三介質基板

12．．．接地元件

13a、13b、13c．．．反射元件

15．．．寄生元件

16a、16b．．．饋入線

17a、17b．．．通孔

21a．．．第二介質基板

21b．．．第一介質基板

21c．．．第三介質基板

22．．．接地元件

23a、23b、23c．．．反射元件

24．．．天線元件

25．．．寄生元件

26a、26b．．．差動饋入線

27a、27b．．．單端到差動匹接器

28．．．單端饋入線

29．．．信號通孔

30．．．接地通孔

31．．．隔絕金屬

100．．．第一介質基板

101．．．第二介質基板

109．．．饋入點

103a：103b、103c．．．反射元件

104．．．天線元件

105．．．寄生元件

106．．．饋入線

107．．．信號錫球

108a．．．第二支撐金屬

108b．．．支撐錫球

108c．．．第一支撐金屬

200．．．第一介質基板

201．．．第二介質基板

209a、209b．．．饋入點

203a：203b、203c．．．反射元件

204．．．天線元件

205．．．寄生元件

206a、206b．．．饋入線

207a、207b．．．信號錫球

208a．．．第二支撐金屬

208b．．．支撐錫球

208c．．．第一支撐金屬

為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖是依照本揭示內容第一實施例之一種堆疊天線之結構的立體圖；

第2圖是依照本揭示內容第二實施例之一種堆疊天線之結構的立體圖；

第3圖是依照本揭示內容第三實施例之一種堆疊天線之結構的立體圖；

第4圖繪示了第3圖之天線元件之各種可行的架構；

第5圖是依照本揭示內容第四實施例之一種堆疊天線之結構的立體圖；

第6圖是依照本揭示內容第四實施例所繪示之堆疊天線的反射係數模擬結果；

第7圖是依照本揭示內容第四實施例所繪示之輻射場型模擬結果；

第8A圖是依照本揭示內容第五實施例之一種堆疊天線之結構的立體圖；

第8B圖是依照本揭示內容第五實施例之一種堆疊天線之結構的剖面圖；

第9A圖是依照本揭示內容第六實施例之一種堆疊天線之結構的立體圖

第9B圖是依照本揭示內容第六實施例之一種堆疊天線之結構的剖面圖；

第10圖是依照本揭示內容第六實施例所繪示之堆疊天線的反射係數模擬結果；以及

第11圖是依照本揭示內容第六實施例所繪示之堆疊天線的堆疊天線之輻射場型模擬結果。

31a．．．第二介質基板

31b．．．第一介質基板

36．．．通孔

35．．．饋入線

33．．．天線元件

32a、32b、32c．．．反射元件

34．．．寄生元件

Claims (14)

1. 一種堆疊天線之結構，包括：一第一介質基板；一第二介質基板，堆疊於該第一介質基板上；至少一通孔，貫穿該第一介質基板或該第二介質基板；至少一饋入線，位於該第一、第二介質基板之間；一天線元件，位於該第一、第二介質基板之間，並經由該饋入線電性連接至該通孔，用以輻射無線電波；至少一反射元件，與該天線元件之間隔著該第一介質基板，且位於該第一介質基板上，用以反射該無線電波以調整天線輻射場型；一寄生元件，與該天線元件之間隔著該第二介質基板，用以增加該天線元件輻射無線電波之指向性；一第三介質基板，其中該第一介質基板堆疊於該第三介質基板上，且該第一介質基板位於該第二、第三介質基板之間；以及一接地元件，與該反射元件之間隔著該第三介質基板，且位於該第三介質基板上，用以隔絕雜訊對該天線元件之干擾，其中該通孔貫穿該第二介質基板或貫穿該第一、第三介質基板。
2. 如請求項1所述之堆疊天線之結構，其中該天線元件為一差動饋入型態之天線，該至少一通孔係二通孔，該至少一饋入線係二饋入線，該差動饋入型態之天線之兩端分別經由該二饋入線電性連接至該二通孔。
3. 如請求項1所述之堆疊天線之結構，更包括：一單端到差動匹接器；以及至少一隔絕金屬，用以阻隔該單端到差動匹接器所產生之輻射，其中該天線元件為一差動饋入型態之天線，該至少一通孔係一信號通孔，該至少一饋入線分為一單端饋入線與二差動饋入線，該信號通孔經由該單端饋入線連接至該單端到差動匹接器，該單端到差動匹接器經由該二差動饋入線連接至該差動饋入型態之天線。
4. 如請求項4所述之堆疊天線之結構，更包括：複數個接地通孔，圍著該信號通孔，用以降低該信號通孔傳輸信號之耗損。
5. 如請求項2或3所述之堆疊天線之結構，其中該差動饋入型態之天線為一偶極天線、一摺疊偶極天線、一三角偶極天線或一橢圓偶極天線。
6. 如請求項1所述之堆疊天線之結構，其中該天線元件之長度大於該寄生元件之長度並且小於該反射元件之長度。
7. 如請求項6所述之堆疊天線之結構，其中該天線元件之長度約為0.3至0.7倍之該無線電波的有效波長。
8. 如請求項1所述之堆疊天線之結構，其中該天線元件設在該反射元件之正上方，該寄生元件設在該天線元件之正上方。
9. 一種堆疊天線之結構，包括：一第一介質基板；複數個第一支撐金屬，配置於該第一介質基板上；至少一饋入點，配置於該第一介質基板上；至少一信號錫球，配置於該饋入點上；一第二介質基板，具有一上表面與一下表面，該下表面朝向該些第一支撐金屬及該饋入點；複數個第二支撐金屬，位於該下表面，分別對應該些第一支撐金屬；複數個支撐錫球，分別配置於該些第一、第二支撐金屬之間，使得該第一、第二介質基板被該些支撐錫球隔開，藉此該第一、第二介質基板之間具有間隙空間； 至少一饋入線，接觸該信號錫球；一天線元件，配置於該下表面，並經由該饋入線電性連接至該信號錫球，用以輻射無線電波；至少一反射元件，配置於該第一介質基板上，面對該天線元件，用以反射該無線電波以調整天線輻射場型；以及一寄生元件，配置於該上表面，用以增加該天線元件輻射無線電波之指向性。
10. 如請求項9所述之堆疊天線之結構，其中該天線元件為一差動饋入型態之天線，該至少一饋入點係二饋入點，該至少一信號錫球係二信號錫球，該至少一饋入線係二饋入線，該差動饋入型態之天線之兩端分別經由該二饋入線電性連接至該二信號錫球。
11. 如請求項10所述之堆疊天線之結構，其中該差動饋入型態之天線為一偶極天線、一摺疊偶極天線、一三角偶極天線或一橢圓偶極天線。
12. 如請求項9所述之堆疊天線之結構，其中該天線元件之長度大於該寄生元件之長度並且小於該反射元件之長度。
13. 如請求項12所述之堆疊天線之結構，其中該天線元件之長度約為0.3至0.7倍之該無線電波的有效波長。
14. 如請求項9所述之堆疊天線之結構，其中該該天線元件設在該反射元件之正上方，該寄生元件設在該天線元件之正上方。