TWI475749B - 改良式天線 - Google Patents

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TWI475749B TW099147044A TW99147044A TWI475749B TW I475749 B TWI475749 B TW I475749B TW 099147044 A TW099147044 A TW 099147044A TW 99147044 A TW99147044 A TW 99147044A TW I475749 B TWI475749 B TW I475749B
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Cheng Han Tsai
Ken Huang Lin
Yu Tung Huang
Chi Yun Chen
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Tai Saw Technology Co Ltd
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Description

改良式天線
本發明係相關於一種天線尤指一種改良式天線。
傳統常見的圓極化操作微帶天線設計技術主要有二種：第一種是雙饋入圓極化微帶天線，其利用一對具有90度相位差之饋入設計，使得天線輻射金屬片被適當地激發兩個等振幅電流分佈，並且此兩個電流分佈在空間上互相垂直，進而達成遠場具有圓極化波輻射的特性。
第二種是採用單饋入而且天線輻射金屬片上具有微擾設計之圓極化微帶天線，其基本原理是利用在輻射金屬片上導入微擾的設計，來擾動金屬片上的電流，形成兩個等振幅電流，並且兩者具有90度相位差以及在空間上互相垂直。常見的微擾設計有矩形金屬片的對角上採用截角設計、在輻射金屬片內挖除槽孔的設計或在輻射金屬片邊緣有細窄的開槽縫設計。此類型傳統的圓極化微帶天線其物理尺寸大約是二分之一的操作波長。美國專利第6140968號是表面黏著式的圓極化微帶天線結構，然而其採用的輻射金屬片是傳統的截角設計，天線的尺寸難以縮小，而且微帶天線通常需要比較厚的基底來達成比較高的天線輻射效率，不適合應用於輕薄短小的行動通訊裝置上。
一些習知技術也揭露了如何縮小天線尺寸的方法，中華民國專利公告第385571號，其在對角上已截角的正方形天線輻射金屬片上的中心蝕刻一個正方形槽孔，形成正方環形；中華民國專利公告第395564號，其在圓形輻射金屬片上蝕刻一個正十字形槽孔，形成具有十字形槽孔負載的圓極化微帶天線。這些方法都是利用延長電流的有效共振路徑，使得天線最大縮小尺寸約為傳統天線的兩成。雖然這些方法都能使得天線具有圓極化操作的特性，然而在電流分佈的觀點來看，其採用的縮小化技術容易破壞原來天線輻射金屬片上兩個在空間上互相垂直的電流分佈，使得圓極化的特性下降，必須經過調整才能再度使得天線具有圓極化操作的特性。
第一圖為傳統達成圓極化波操作的微帶天線結構示意圖，該天線具有接地部1、基底2、輻射部3以及信號的饋入點4。其中接地部1位於基底2的其中一面，而輻射部3位於基底2的另一面。輻射部3具有兩截角31與32，截角31與32位於輻射部3的對角線上，利用對角截角的技術來構成微擾條件，達成圓極化波操作的特性。然而此類型的天線通常所占面積過大，而且需要比較厚的基底材料才能達成比較高的天線輻射效率，所以不適合應用於行動裝置上。
職是之故，申請人鑑於習知技術中所產生之缺失，經過悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，終構思出本案「改良式天線」，能夠克服上述缺點，以下為本案之簡要說明。
本發明導入縮小化的技術以及改良式的接地面設計，使得天線能夠兼顧小型化與良好的輻射效率。並提出一種改良式縮小型圓極化操作的天線設計，能夠改善傳統的圓極化微帶天線尺寸過大的問題，使其更適用於行動通訊裝置上，具有輕薄短小的優勢，符合產業利用性的要素；而且採用新的縮小化方法，在物理上相對地不破壞天線輻射金屬片上的電流分佈，如此圓極化的特性不會因為導入縮小化的方法而使得表現受到太大的影響，另外導入改良式接地面的設計，使得天線不需要太厚的基底便能擁有比較高的輻射效率，綜合此兩點的方法，使得此天線設計擁有新穎進步的特色。與傳統圓極化微帶天線相比，本發明縮小化可達40%以上。
根據本發明的第一構想，提供一種天線，該天線包括：一基底，其具有一第一面與一第二面；一輻射部，其呈一矩形並位於該第一面，且具有一第一邊、一第二邊、一第三邊及一第四邊，該四邊之至少兩邊各具有一缺口，且該等缺口中的每一缺口只位於該四邊中之兩相鄰邊之一；以及一接地部，其位於該第二面，並具有一挖空區，該挖空區之形狀對應於該輻射部之形狀。
較佳地，本發明所提供的天線更包括一饋入線，用以將一訊號以耦合方式饋入該等缺口其中之一。
較佳地，本發明所提供的天線，其中在該四邊各具有一缺口的狀況下，該等缺口是至少一階的科赫曲線(Koch Curve)碎形結構。
較佳地，本發明所提供的天線，其中該矩形的其中兩對角直角各被截去一區域，該區域為一等腰三角形。
較佳地，本發明所提供的天線，其中該挖空區的形狀大於該輻射部之形狀，且該挖空區的中心對準該輻射部之中心。
較佳地，本發明所提供的天線是一圓極化天線。
較佳地，本發明所提供的天線，其中該基底是一高介電常數材料。
較佳地，本發明所提供的天線，其中該輻射部與該接地部是一金屬材料，該金屬材料是藉半導體製程技術附著於該基底。
較佳地，本發明所提供的天線，其中該輻射部與該接地部是一金屬材料，該金屬材料是藉印刷或電鍍技術形成於該基底。
較佳地，本發明所提供的天線，其中該接地部為一行動裝置之系統接地面。
較佳地，本發明所提供的天線，其中該基底是一微波基板。
根據本發明的第二構想，提供一種天線，該天線包括：一基底，其具有一第一面；以及一輻射部，其呈一矩形並位於該第一面，且具有一第一邊、一第二邊、一第三邊及一第四邊，該四邊之至少兩邊各具有一缺口，且該等缺口中的每一缺口只位於該四邊中之兩相鄰邊之一。
較佳地，本發明所提供的天線，其中該基底具有一第二面，而該天線更包括一接地部，該接地部位於該第二面，並具有一挖空區，該挖空區之形狀對應於該輻射部之形狀。
根據本發明的第三構想，提供一種天線，該天線包括：一基底，其具有一第一面與一第二面；一輻射部，其呈一矩形並位於該第一面；以及一接地部，其位於該第二面，具有一挖空區，該挖空區之形狀對應於該輻射部之形狀。
較佳地，本發明所提供的天線，其中該輻射部具有一第一邊、一第二邊、一第三邊及一第四邊，該四邊之至少兩邊各具有一缺口，且該等缺口中的每一缺口只位於該四邊中之兩相鄰邊之一。
根據本發明的第四構想，提供一種天線，該天線包括：一基底，其具有一第一面與相對於該第一面之一第二面；一輻射部，其位於該第一面；以及一接地部，其位於該第二面，具有一挖空區。
較佳地，本發明所提供的天線，其中該挖空區之形狀對應於該輻射部之形狀。
較佳地，本發明所提供的天線，其中該輻射部呈圓形，且該天線更包括複數場型改善裝置，裝設於該輻射部上。
較佳地，本發明所提供的天線，其中該輻射部呈圓形，且具有至少二缺口。
根據本發明的第七構想，提供一種天線，該天線包括：一多角形輻射部，且對應該多角形輻射部而具有多邊；複數場型改善裝置，裝設於該多角形輻射部之該多邊上，其中該多邊之至少兩邊各具有一該場型改善裝置，且該等場型改善裝置中的每一場型改善裝置只位於該多邊中之兩相鄰邊之一；以及一接地部。
較佳地，本發明所提供的天線，其中該複數場型改善裝置可為缺口或是突出，或改變原輻射部形狀的部分。
本案將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，使得熟習本技藝之人士可以據以完成之，然本案之實施並非可由下列實施案例而被限制其實施型態。其中相同的標號始終代表相同的組件。
本發明之天線的其中之一較佳實施例結構示意圖如第二圖(A)與第二圖(B)所示。該天線較佳為一圓極化天線，其包含一接地部11、一基底22、一天線輻射部33、位於接地部11之挖空區44以及一饋入線55。其中接地部11與輻射部33較佳為金屬材質。
基底22具有一第一面與一第二面，其較佳具有一高介電係數(例如：相對介電常數為4.4)，較佳厚度為0.8公釐，且可以是一微波基板。接地部11呈一矩形且位於基底22的第二面(在第二圖(A)中朝下那一面)，接地部11之較佳大小為100公釐乘100公釐，接地部11可藉半導體製程技術、印刷或電鍍技術來形成於該基底22，此外接地部11可以是行動裝置之系統接地面。輻射部33位於基底材料22之第一面(在第二圖(A)中朝上那一面)，與接地部11不同側，且較佳為一個19公釐乘19公釐的矩形金屬片，輻射部33可藉半導體製程技術、印刷或電鍍技術來形成於該基底22；在一較佳狀況下，其四個直角中截去兩個截角331與332(如第二圖(B)所示)，截去的對角為直角等腰三角形，其腰為4公釐；輻射部33具有複數場型改善裝置，該些場型改善裝置較佳為分別位於輻射部33的四個邊上的四個缺口333、334、335以及336，該等缺口較佳為矩形或是至少一階的科赫曲線(Koch Curve)碎形結構，而大小皆為4公釐(短邊)乘6.3公釐(長邊)。在接地部11之挖空區44形狀對應於輻射部33，如第二圖與第三圖所示，挖空區44的形狀與輻射部33的形狀相似，且面積略大於輻射部33，挖空區44之邊緣與輻射部33之邊緣大部分的水平距離較佳是1.5公釐，所以挖空區44較佳為近似於一個22公釐乘22公釐的矩形。饋入線55寬度較佳為1.5公釐，饋入於輻射部33的該等缺口333、334、335以及336的其中之一，例如缺口334，採用耦合式饋入，饋入線55與缺口334長邊的間距為0.5公釐、短邊為1公釐。
第三圖為上述實施例模擬結果之訊號阻抗反射損失(Return Loss)對操作頻率(Frequency)的關係圖，其中縱軸的單位為分貝(dB)橫軸的單位為千兆赫茲(G Hz)。
第四圖為上述實施例模擬結果之極化軸比(Axial Ratio)對操作頻率(Frequency)的關係圖，其中縱軸的單位為分貝(dB)橫軸的單位為千兆赫茲(G Hz)。
第五圖(A)與第五圖(B)為該實施例模擬結果之天線輻射場型圖，實線代表右旋圓極化(Right-Hand Circularly Polarized,RHCP)，虛線代表左旋圓極化(Left-Hand Circularly Polarized,LHCP)。第五圖(A)為第二圖(A)中XZ平面的輻射場型圖，此平面為第二圖(A)中垂直接於地部11並且平行於饋入線55的平面；第五圖(B)為第二圖(A)YZ平面的輻射場型圖，此平面為第二圖(A)垂直於接地部11並且垂直於饋入線55的平面。
當傳統的截角圓極化天線(如第一圖所示)之操作頻率中心為2.375 GHz，以及最低極化軸比位於2.368 GHz時，本實施例之操作頻率中心為2.35 GHz，以及最低極化軸比位於2.37 GHz(如第三圖與第四圖所示)，此時兩者的接地面大小相同，基底材料相同，厚度同樣為0.8公釐，傳統截角的天線輻射金屬片大小為30公釐乘30公釐，而本實施例之輻射部33大小為19公釐乘19公釐，接地面挖空所占面積為22公釐乘22公釐，因此本發明所占面積約為傳統截角圓極化天線的54%，即有效的縮小了46%。
本發明在輻射部33上導入延長電流有效共振路徑的設計，即是在對角已截角(截角331與332)的正方形金屬片四邊上，分別除去四個矩形金屬片(缺口333、334、335以及336)，如此可以降低對構成圓極化操作的兩個主要電流路徑的影響，而且能有效地延長電流共振路徑，使得設計更為方便。此外，在天線輻射金屬片正下方的接地部11作挖空的動作，其中挖空的區域形狀相似於輻射部33，這樣的結構改變了接地部與輻射部之間的場量分佈，可以有效地提昇天線的輻射效率。
而本領域具一般技藝人士可理解的是，上述實施例可賦予適當變化，亦可達到本發明縮小天線面積以及提高效能的目的。例如：第六圖為本發明之另一實施例，其中天線的接地部11可不具有挖空區44，而呈整面金屬面；第七圖為本發明之又一實施例，其中天線的輻射部33’僅具有一饋入信號的缺口334’，而挖空部44對應不具缺口之輻射部33的形狀。
除此之外，輻射部33的實施方式也可以有其他變化，例如第八圖顯示其中一種實施態樣，其中輻射部33”不具較佳實施例中所述的截角331與332，而改將缺口333、334、335以及336分別依箭頭a、b、c、d的方向作適當偏移；或者如第九圖所示，輻射部33’’’的其中一角(虛線圓圈處)加上一小塊區域的突起337。可以理解的是，本發明的輻射部並不限於上述實施態樣，只要能夠激發輻射部兩個對角線的鄰近模態即可。此外，輻射部33可以僅具有缺口333、334、335以及336中的其中兩個，且輻射部33的形狀不限於矩形，而可呈三角形、圓形等，而缺口333、334、335以及336也不限於矩形，可改為三角形，亦可達到本發明縮小天線面積與提昇效率的功效。
此外，本發明輻射部的缺口以及接地部的挖空區之構想，亦可套用於圓極化天線以外的天線，以縮小天線的面積與提昇效率。
總結而言，本案實為一難得一見，值得珍惜的難得發明，惟以上所述者，僅為本發明之最佳實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。
1．．．接地部
2．．．基底
3．．．輻射部
31、32．．．截角
4．．．饋入點
11．．．接地部
22．．．基底
33、33’、33”、33’’’．．．輻射部
331、332．．．截角
333、334、334’、335、336．．．缺口
337．．．突起
44．．．挖空區
55．．．饋入線
a、b、c、d．．．箭頭方向
第一圖為傳統截角式的圓極化微帶天線結構圖。
第二圖(A)與第二圖(B)為本發明之一較佳實施例結構圖。
第三圖為本發明之較佳實施例模擬結果之阻抗反射損失(Return Loss)圖。
第四圖為本發明之較佳實施例模擬結果之極化軸比(Axial Ratio)圖。
第五圖為本發明之較佳實施例模擬結果之天線輻射場型圖。
第六圖為本發明之另一實施例結構圖。
第七圖為本發明之又一實施例結構圖。
第八圖為本發明輻射部的一實施態樣。
第九圖為本發明輻射部的又一實施態樣。
11．．．接地部
22．．．基底
33．．．輻射部
44．．．挖空區
55．．．饋入線

Claims (11)

  1. 一種天線，該天線包括：一基底，其具有一第一面與一第二面；一輻射部，其呈一矩形並位於該第一面，且具有一第一邊、一第二邊、一第三邊及一第四邊，該四邊之至少兩邊各具有一缺口，其中該矩形的其中兩對角直角各被截去一區域，該區域為一等腰三角形；一接地部，其位於該第二面，並具有一挖空區，該挖空區之形狀對應於該輻射部之形狀，且該挖空區的中心對準該輻射部之中心；以及一饋入線，用以將一訊號以耦合方式饋入該等缺口其中之一。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的天線，其中在該四邊各具有一缺口的狀況下，該等缺口是至少一階的科赫曲線(Koch Curve)碎形結構。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的天線，其中該挖空區的形狀大於該輻射部之形狀。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的天線是一圓極化天線。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的天線，其中該基底是一高介電常數材料。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的天線，其中該輻射部與該接地部是一金屬材料，該金屬材料是藉半導體製程技術附著於該基底。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的天線，其中該輻射部與該接地部是一金屬材料，該金屬材料是藉印刷或電鍍技術形成於該基底。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的天線，其中該接地部為一行動裝置之系統接地面。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的天線，其中該基底是一微波基板。
  10. 一種天線，該天線包括：一基底，其具有一第一面與一第二面；一多角形輻射部，位於該第一面，且對應該多角形輻射部而具有多邊；複數場型改善裝置，裝設於該多角形輻射部之該多邊上，其中該多邊之至少兩邊各具有一該場型改善裝置，其中該多邊的其中兩對角各被截去一區域，該區域為一等腰三角形；一接地部，其位於該第二面，並具有一挖空區，該挖空區之形狀對應於該多角形輻射部之形狀，且該挖空區的中心對準該多角形輻射部之中心；以及一饋入線，用以將一訊號以耦合方式饋入該等缺口其中之一。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的天線，其中該複數場型改善裝置可為缺口或是突出，或改變原輻射部形狀的部分。
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