TWI499131B - 高指向性的天線模組 - Google Patents

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高指向性的天線模組
本發明係有關一種天線，尤指一種不須要淨空區的高指向性的天線模組。
GPS的定位方式，則是利用基本的三角定位原理，以測量無線電信號傳輸時間來量測距離，再以三顆以上的衛星交叉比對，同時換算訊號接收速度與時間所得的衛星距離，搭配GPS接受器中內建的電子地圖來進行方位辨識。
目前車用衛星導航系統除了和車內影音系統結合的車載式之外，也發展出可攜帶式的PDA、Notebook、手機型式等多種GPS產品，其中與消費者息息相關的莫過於可攜式車用GPS。對於車輛並無配備原廠GPS的車主來說，選擇可攜式車用GPS的確是個不錯的選擇，因為除了價格較具親和力外，其可攜式特性除了讓使用者可以帶下車使用，就算日後換車也同樣可以使用。
傳統的攜帶式GPS系統都內建一接收GPS訊號的接收天線結構，此GPS系統的接收天線結構為一種插針式平板天線，如第一圖a、b所示。該天線100上具有一陶瓷材料的基體101，該基體101表面具有一輻射金屬片102，該基體101的底面具有一接地金屬片103，該基體101、輻射金屬片102及接地金屬片103上開設有一穿孔 104，該穿孔104係以提供一T形狀的訊號饋入體105穿過，以形成可組裝於主機板200上的平板天線結構。但是，此種的插針天線體積較大，無法安裝在新一代輕薄短小的攜帶式的電子裝置上。
因此，本發明之主要目的，在解決上述傳統缺失，本發明提供一種利用二天線的輻射體平行重疊進行耦合關係及反射接收訊號波的結構設計，可增加天線指向性，增加天線輻射效率及縮小天線尺寸，相對可以降低SAR值，降低天線輻射對人體的傷害，且不需要淨空區，在天線模組靠近金屬物或接近金屬物時，可以避免受金屬物干擾。
為達上述之目的，本發明提供一種高指向性的天線模組，包括：一載體，其上至少具有一頂面、一底面及二端面；一第一輻射體，設於該載體內部近鄰頂面，該第一輻射體上具有一第一端部及第二端部；一第二輻射體，係設於該載體內部並位於該第一輻射體下方且近鄰該載體的頂面，其上具有一第三端部及一第四端部；一電磁能隙，係設於該載體內部並位於該第二輻射體下方且近鄰頂面；一電極部，係設於該頂面及底面；一電連接部，係並設於該載體的二側面上，以電性連結電極部、第一輻射體的第二端部及第二輻射體的第四端部；其中，以該第一輻射體與該第二輻射體的部份平行重疊，使該第 一輻射體的第一端部與該第二輻射體的第三端部呈反方向設立在該載體內部，且以該部份輻射體平行重疊的耦合關係來調整頻率高低。
其中，該載體為多層的陶瓷基板或玻璃纖維板組成之長方形的半導體晶片天線。
其中，該第一輻射體為片狀體的金屬材質。
其中，該第二輻射體為片狀體的金屬材質。
其中，該電磁能隙為片狀體的金屬材質。
其中，該電極部為金屬材質，由一上電極部及一下電極部組成，該上電極部設於該頂面，該下電極部設於該底面上。
其中，該電連接部為金屬材質，由一第一電連接部及一第二電連接部組成，該第一電連接部電性連結該頂面及該底面一側的該上電極部及該下電極部，該第二電連接部電性連結該頂面及該底面另一側的該上電極部及該下電極部。
其中，該第一輻射體及該第二輻射體的部份平行重疊的耦合關係，係以耦合面積及耦合距離，可控制或調整頻率高低。
其中，更包含有一圖案層，係設於該載體的頂面上，該圖案層為型號、公司商標圖案。
其中，更包含有一基板，該基板至少一表面上具有一第一金屬層及一第一鏤空部，該第一鏤空部的兩側的第一金屬層上具有一第一接點及一第二接點，該第一接點的一側電性連結有一微帶饋入線，該微帶饋入線係由第一微帶饋入線及第二微帶饋入線組成， 該微帶饋入線兩側上各具有一第二鏤空部與該第一金屬層分隔。
其中，該載體的底面的下電極部電性連結在該第一金屬層的第一接點及第二接點上，該第一微帶饋入線與該第二微帶饋入線之間電性連結一耦合元件，且在第二微帶饋入線上電性連結有一銅軸電纜線。
其中，更包含有一基板，該基板正面上具有一第一金屬層及一第一鏤空部，該第一鏤空部的兩側的第一金屬層上具有一第一接點及一第二接點，該第一接點的一側電性連結有一微帶饋入線，該微帶饋入線係由第一微帶饋入線及第二微帶饋入線組成，該微帶饋入線兩側上各具有一第二鏤空部與該第一金屬層分隔；另，該基板背面具有一第二金屬面。
其中，該載體的底面的下電極部電性連結在該第一金屬層的第一接點及第二接點上，並對應背面的第三鏤空部，該第一微帶饋入線與該第二微帶饋入線之間電性連結一耦合元件，且在第二微帶饋入線上電性連結有一銅軸電纜線。
習知
100‧‧‧天線
101‧‧‧基體
102‧‧‧輻射金屬片
103‧‧‧接地金屬片
104‧‧‧穿孔
105‧‧‧訊號饋入體
200‧‧‧主機板
本創作
10‧‧‧天線模組
1‧‧‧載體
11‧‧‧頂面
12‧‧‧底面
13‧‧‧側面
2‧‧‧第一輻射體
21‧‧‧第一端部
22‧‧‧第二端部
3‧‧‧第二輻射體
31‧‧‧第三端部
32‧‧‧第四端部
4‧‧‧電磁能隙
5‧‧‧電極部
51‧‧‧上電極部
52‧‧‧下電極部
6‧‧‧電連接部
61‧‧‧第一電連接部
62‧‧‧第二電連接部
7‧‧‧圖案層
8‧‧‧基板
81‧‧‧第一金屬層
811‧‧‧第一接點
812‧‧‧第二接點
82‧‧‧第一鏤空部
83‧‧‧微帶饋入線
831‧‧‧第一微帶饋入線
832‧‧‧第二微帶饋入線
84‧‧‧第二鏤空部
85‧‧‧第二金屬面
86‧‧‧第三鏤空部
第一圖a，係傳統GPS所使用的平板天線結構外觀立體示意圖。
第一圖b，係傳統GPS所使用的平板天線結構側視示意圖。
第二圖，係本發明之高指向性的天線模組外觀立體示意圖。如圖所示：第三圖，係本發明之高指向性的天線模組側剖示意圖。
第四圖，係本發明之基板示意圖。
第五圖，係本發明之天線模組與基板組合示意圖。
第六圖，係本發明之天線模組在1.575GHZ時的XZ平面的輻射場型示意圖。
第七圖，係本發明之天線模組在1.575GHZ時的YZ平面的輻射場型示意圖。
第八圖，係本發明之天線模組在1.575GHZ時的XY平面的輻射場型示意圖。
第九圖，係本發明之天線模組的反射係數比較示意圖。
第十圖，係本發明之天線模組在2.48GHZ時的XZ平面的輻射場型示意圖。
第十一圖，係本發明之天線模組在2.48GHZ時的YZ平面的輻射場型示意圖。
第十二圖，係本發明之天線模組在2.48GHZ時的XY平面的輻射場型示意圖。
第十三圖，係本發明之天線模組運用在具有淨空區的基板正面示意圖。
第十四圖，係本發明之天線模組運用在具有淨空區的基板背面示意圖。
第十五圖，係本發明之天線模組運用在有淨空區及無淨空區的反射係數比較示意圖。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明，現配合圖式說明如下：請參閱第二、三圖，係本發明之高指向性的天線模組外觀立體、側剖示意圖。如圖所示：本發明之高指向性的天線模組10，包括：一載體1、一第一輻射體2、一第二輻射體3、一電磁能隙4、一電極部5、一電連接部6及一圖案層7。
該載體1，係由多層的陶瓷基板或玻璃纖維板所組成長方形的半導體晶片天線，其上至少具有一頂面11、一底面12及二側面13。
該第一輻射體2，為金屬材質製成片狀體，係於設該載體1內部近鄰頂面11，該第一輻射體2上具有一第一端部21及一第二端部22。
該第二輻射體3，為金屬材質製成片狀體，係設於該載體1內部並位於該第一輻射體2下方且近鄰該載體1的頂面11。該第二輻射體3上具有一第三端部31及一第四端部32。該第一輻射體2與該第二輻射體3的部份輻射體呈平行重疊的耦合關係，使該第一輻射體2的第一端部21與該第二輻射體3的第三端部31呈反方向設立在該載體1內部。
該電磁能隙(Electromagnetic Band-gap，EBG)4，為金屬材質製成片狀體，係設於該載體1內部並位於該第二輻射體3下方且近鄰頂面11。該電磁能隙4能反射接收訊號供該第一輻射體2及該第二輻射體3接收，可增加天線指向性，增加天線輻射效率及縮小天線尺寸，相對可以降低SAR值，降低天線輻射對人體的傷害。
該電極部5，為金屬材質，係由一上電極部51及一下電極部52組成。該上電極部51設於該載體1的頂面11，該下電極部52設於該 載體1的底面12上，該下電極部52供天線模組可以表面黏著在基板(圖中未示)上。
該電連接部6，為金屬材質，由一第一電連接部61及一第二電連接部62組成，並設於該載體1的二側面13上。該第一電連接部61以電性連結右側邊的該上電極部51、第二輻射體3的第四端部32及右側邊的下電極部52。該第二電連接部62電性連結左側邊的上電極部51、第一輻射體2的第二端部22及左側邊的下電極部52電性連結。
該圖案層7，係設於該載體1的頂面11上，該圖案層7可以印刷天線的型號、公司商標圖案。
藉由，上述該第一輻射體2及該第二輻射體3的部份平行重疊的耦合關係，該耦合關係是以輻射體的耦合面積及耦合距離關係，形成二耦合電容彼此相配合調變(如調整二耦合電容大小來控制頻率高低，可適用於2.4GHZ或1.575GHZ的天線)，而達到預定的目標阻抗、共振頻率、頻寬與輻射效應，且可有效縮小天線尺寸。
請參閱第四、五圖，係本發明之基板及天線模組組合正面及背面示意圖。如圖所示：在本創作之高指向性的天線模組10在運用時，將該天線模組10電性連結在一無淨空區的基板8上做說明。
該基板8正面上具有一第一金屬層81及一第一鏤空部82，該第一鏤空部82的兩側的第一金屬層81上具有一第一接點811及一第二接點812。該第一接點811的一側電性連結有一微帶饋入線83，該微帶饋入線83係由第一微帶饋入線831及第二微帶饋入線832組成，該微帶饋入線83兩側上各具有一第二鏤空部84與該第一金屬層 81分隔。另，於該基板8的背面具有一第二金屬層85，該第二金屬層85上無淨空區。
在天線模組10與該基板8電性連結時，該天線模組10的載體1的底面11上右側及左側的下電極部52電性連結在該第一金屬層81的第一接點811及第二接點812上。該第一微帶饋入線831與該第二微帶饋入線832之間電性連結一耦合元件(圖中未示)，且在第二微帶饋入線832上電性連結有一銅軸電纜線(圖中未示)。
在天線模組10接收訊號後，經該第二接點812傳至該微帶饋入線83上，由該微帶饋入線83傳至該銅軸電纜線(圖中未示)上，以便銅軸電纜線可將訊號傳至該裝置(圖中未示)的主機板上。
請參閱第六圖，係本發明之天線模組在1.575GHZ時的XZ平面的輻射場型示意圖。如圖所示：在頻率為1.575GHZ時，主波瓣大小(Main lobe magnitude)在3.3dBi，主波瓣方向(Main lobe direction)在2.0deg，角寬度(Angular width)在3dB時為93.0deg，旁波瓣準位(side lobe level在-3.0dB。
請參閱第七圖，係本發明之天線模組在1.575GHZ時的YZ平面的輻射場型示意圖。如圖所示：在頻率為1.575GHZ時，主波瓣大小(Main lobe magnitude)在3.6dBi，主波瓣方向(Main lobe direction)在26.0deg，角寬度(Angular width)在3dB時為222.8deg。
請參閱第八圖，係本發明之天線模組在1.575GHZ時的XY平面的輻射場型示意圖。如圖所示：在頻率為1.575GHZ時，主波瓣大小(Main lobe magnitude)在2.7dBi，主波瓣方向(Main lobe direction)在273.0deg，角寬度(Angular width)在3dB時為116.2deg，旁波瓣準位(side lobe level)在-4.5dB。
請參閱第九圖，係本發明之天線模組的反射係數比較示意圖。如圖所示：S1頻率在1.456GHZ時為-13.438dB，S2頻率在1.4749GHZ時為-12.416dB，S3頻率在1.4953GHZ時為-12.096dB，S4頻率在1.5278GHZ時為-11.842dB，S5頻率在1.5814GHZ時為-10.974dB，S6頻率在1.5957GHZ時為-10.85dB，S7頻率在1.626GHZ時為-10.491dB，S8頻率在1.6579GHZ時為-9.9802dB，S9頻率在1.6925GHZ時為-9.6347dB。
請參閱第十圖，係本發明之天線模組在2.48GHZ時的XZ平面的輻射場型示意圖。如圖所示：在頻率為2.48GHZ時，主波瓣大小(Main lobe magnitude)在1.9dBi，主波瓣方向(Main lobe direction)在19.0deg，角寬度(Angular width)在3dB時為180.0deg。
請參閱第十一圖，係本發明之天線模組在2.48GHZ時的YZ平面的輻射場型示意圖。如圖所示：在頻率為2.48GHZ時，主波瓣大小(Main lobe magnitude)在1.5dBi，主波瓣方向(Main lobe direction)在4.0deg，角寬度(Angular width)在3dB時為151.6deg，旁波瓣準位(side lobe level)在-4.2dB。
請參閱第十二圖，係本發明之天線模組在2.4GHZ時的XY平面的輻射場型示意圖。如圖所示：在頻率為2.48GHZ時，主波瓣大小(Main lobe magnitude)在0.6dBi，主波瓣方向(Main lobe direction)在327.0deg，角寬度(Angular width)在3dB時為 216.5deg，旁波瓣準位(side lobe level)在-4.2dB。
請參閱第十三、十四、十五圖，係本發明之天線模組運用在具有淨空區的基板正面及背面與天線模組運用在有淨空區及無淨空區的反射係數比較示意圖。如圖所示：在天線模組10電性連結於該基板8的正面有一第一金屬面81上時，該天線模組10所對應該基板8背面具有一第二金屬面85及一第三鏤空部86，該第三鏤空部86為淨空區對應該天線模組10。
在有無淨空區的使用時對天線的頻率影響很大，因此本發明做了有無淨空區的比較。在淨空區尺寸為5×4mm時，頻率為1.8822GHZ、-18.6dB(如第十五圖的C1所示)。在淨空區尺寸為5×2mm時，頻率為2.2145GHZ、-10.9dB(如第十五圖的C2所示)。在淨空區尺寸為5×6mm時，頻率為1.6465GHZ、-10.7dB(如第十五圖的C3所示)。在無淨空區時，頻率為2.4734GHZ、-7.9dB(如第十五圖的C4所示)。
上述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。即凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。
10‧‧‧天線模組
1‧‧‧載體
11‧‧‧頂面
12‧‧‧底面
2‧‧‧第一輻射體
21‧‧‧第一端部
22‧‧‧第二端部
3‧‧‧第二輻射體
31‧‧‧第三端部
32‧‧‧第四端部
4‧‧‧電磁能隙
5‧‧‧電極部
51‧‧‧上電極部
52‧‧‧下電極部
6‧‧‧電連接部
61‧‧‧第一電連接部
62‧‧‧第二電連接部
7‧‧‧圖案層

Claims (13)

  1. 一種高指向性的天線模組，包括：一載體，其上至少具有一頂面、一底面及二端面；一第一輻射體，設於該載體內部近鄰頂面，該第一輻射體上具有一第一端部及第二端部；一第二輻射體，係設於該載體內部並位於該第一輻射體下方且近鄰該載體的頂面，其上具有一第三端部及一第四端部；一電磁能隙，係設於該載體內部並位於該第二輻射體下方且近鄰頂面；一電極部，係設於該頂面及底面；一電連接部，係並設於該載體的二側面上，以電性連結電極部、第一輻射體的第二端部及第二輻射體的第四端部；其中，以該第一輻射體與該第二輻射體的部份平行重疊，使該第一輻射體的第一端部與該第二輻射體的第三端部呈反方向設立在該載體內部，且以該部份輻射體平行重疊的耦合關係來調整頻率高低。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之天線模組，其中，該載體為多層的陶瓷基板或玻璃纖維板組成之長方形的半導體晶片天線。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之天線模組，其中，該第一輻射體為片狀體的金屬材質。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之天線模組，其中，該第二輻射體為片狀體的金屬材質。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之天線模組，其中，該電磁能隙為片狀體的金屬材質。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之天線模組，其中，該電極部為金屬材質，由一上電極部及一下電極部組成，該上電極部設於該頂面，該下電極部設於該底面上。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之天線模組，其中，該電連接部為金屬材質，由一第一電連接部及一第二電連接部組成，該第一電連接部電性連結該頂面及該底面一側的該上電極部及該下電極部，該第二電連接部電性連結該頂面及該底面另一側的該上電極部及該下電極部。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之天線模組，其中，該第一輻射體及該第二輻射體的部份平行重疊的耦合關係係以耦合面積及耦合距離，來控制或調整頻率高低。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之天線模組，其中，更包含有一圖案層，係設於該載體的頂面上，該圖案層為型號、公司商標圖案。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之天線模組，其中，更包含有一基板，該基板至少一表面上具有一第一金屬層及一第一鏤空部，該第一鏤空部的兩側的第一金屬層上具有一第一接點及一第二接點，該第一接點的一側電性連結有一微帶饋入線，該微帶饋入線係由第一微帶饋入線及第二微帶饋入線組成，該微帶饋入線兩側上各具有一第二鏤空部與該第一金屬層分隔。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之天線模組，其中，該載體的底面的下電極部電性連結在該第一金屬層的第一接點及第二接點上，該第一微帶饋入線與該第二微帶饋入線之間電性連結一耦合元件，且在第二微帶饋入線上電性連結有一銅軸電纜線。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之天線模組，其中，更包含有一基板，該基板正面上具有一第一金屬層及一第一鏤空部，該第一鏤空部的兩側的第一金屬層上具有一第一接點及一第二接點，該第一接點的一側電性連結有一微帶饋入線，該微帶饋入線係由第一微帶饋入線及第二微帶饋入線組成，該微帶饋入線兩側上各具有一第二鏤空部與該第一金屬層分隔；另，該基板背面具有一第二金屬面。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之天線模組，其中，該載體底面的下電極部電性連結在該第一金屬層的第一接點及第二接點上，並對應背面的第三鏤空部，該第一微帶饋入線與該第二微帶饋入線之間電性連結一耦合元件，且在第二微帶饋入線上電性連結有一銅軸電纜線。
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