TWI517498B - 天線裝置 - Google Patents

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TWI517498B TW100135532A TW100135532A TWI517498B TW I517498 B TWI517498 B TW I517498B TW 100135532 A TW100135532 A TW 100135532A TW 100135532 A TW100135532 A TW 100135532A TW I517498 B TWI517498 B TW I517498B
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徐冠雄
楊松濤
李岳峰
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Description

天線裝置
本發明涉及一種天線裝置。
隨著半導體製程的高度發展，對當今的電子系統集成度提出了越來越高的要求，器件的小型化成為了整個產業非常關注的技術問題。然而，不同於IC芯片遵循“摩爾定律”的發展，作為電子系統的另外重要組成--射頻模塊，卻面臨著器件小型化的高難度技術挑戰。射頻模塊主要包括了混頻、功放、濾波、射頻信號傳輸、匹配網絡與天線等主要器件。其中，天線作為最終射頻信號的輻射單元和接收器件，其工作特性將直接影響整個電子系統的工作性能。然而天線的尺寸、帶寬、增益等重要指標卻受到了基本物理原理的限制(固定尺寸下的增益極限、帶寬極限等)。這些指標極限的基本原理使得天線的小型化技術難度遠遠超過了其它器件，而由於射頻器件的電磁場分析的複雜性，逼近這些極限值都成為了巨大的技術挑戰。
同時，隨著現代電子系統的複雜化，多模服務的需求在無線通信、無線接入、衛星通信、無線數據網絡等系統中變得越來越重要。而多模服務的需求進一步增大了小型化天線多模設計的複雜度。除去小型化的技術挑戰，天線的多模阻抗匹配也成為了天線技術的瓶頸。另一方面，多輸入多輸出系統(MIMO)在無線通信、無線數據服務領域的高速發展更進一 步苛刻地要求了天線尺寸的小型化並同時保證良好的隔離度、輻射性能以及抗干擾能力。然而，傳統的終端通信天線主要基於電單極子或偶極子的輻射原理進行設計，比如最常用的平面反F天線(PIFA)。傳統天線的輻射工作頻率直接和天線的尺寸正相關，帶寬和天線的面積正相關，使得天線的設計通常需要半波長的物理長度。在一些更為複雜的電子系統中，天線需要多模工作，就需要在饋入天線前額外的阻抗匹配網絡設計。但阻抗匹配網絡額外的增加了電子系統的饋線設計、增大了射頻系統的面積同時匹配網絡還引入了不少的能量損耗，很難滿足低功耗的系統設計要求。尤其在設計室內定向天線增益不能很好滿足人們需求，而且定向性不够强。
本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的上述不足，提供一種小型化且定向接收或者發送電磁波的天線裝置。
為解決上述問題，本發明採用的一個技術方案是：提供一種天線裝置，該天線裝置包括陣列式天線、功分器、反射單元及介質基板。陣列式天線包括多個天線單元，該每一天線單元包括鏤刻有一槽拓撲圖案的導電薄片、導電饋點及饋線。功分器用於將基帶信號劃分多路加權值的信號，然後將各路加權值的信號通過各個導電饋點分別傳送給該呈陣列排布的各個天線單元。反射單元用於反射該多個天線單元的向後輻射電磁波。介質基板絕緣，由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料中的任意一種製得。該每個天線單元還包括 接地單元，該多個天線單元呈陣列式附著於介質基板上一表面上。其中，該饋線的饋入方式為電容性耦合或電感性耦合。
其中，該槽拓撲圖案為軸對稱圖案。
其中，該槽拓撲圖案為互補式開口諧振環圖案、開口螺旋環圖案或是通過上述幾種結構的其中一種結構衍生、其中多種結構複合或其中一種結構組陣得到的軸對稱複合圖案。
其中，該槽拓撲圖案為軸非對稱圖案。
其中，該槽拓撲圖案為互補式螺旋線圖案、互補式彎折線圖案或是通過上述幾種結構的其中一種結構衍生、其中多種結構複合或其中一種結構組陣得到的軸非對稱圖案。
其中，該高分子材料為聚四氟乙烯、F4B或FR4。
為解決上述問題，本發明採用的另一個技術方案是：提供一種天線裝置，該天線裝置包括陣列式天線及功分器。陣列式天線包括多個天線單元，該每一天線單元包括鏤刻有一槽拓撲圖案的導電薄片、導電饋點及饋線。功分器用於將基帶信號劃分多路加權值的信號，然後將各路加權值的信號通過各個導電饋點分別傳送給該呈陣列排布的各個天線單元；所述天線裝置還包括一設置在所述天線單元背面的金屬板，用於反射所述多個天線單元的向後輻射電磁波。
其中，該陣列式天線還包括一絕緣的介質基板，該每個天線單元還包括接地單元，該多個天線單元呈陣列式附著於介質基板上一表面上。
其中，該介質基板由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料中的任意一種製得。
其中，該高分子材料為聚四氟乙烯、F4B或FR4。
其中，該槽拓撲圖案為軸對稱圖案。
其中，該槽拓撲圖案為互補式開口諧振環圖案、開口螺旋環圖案或是通過上述幾種結構的其中一種結構衍生、其中多種結構複合或其中一種結構組陣得到的軸對稱複合圖案。
其中，該槽拓撲圖案為軸非對稱圖案。
其中，該槽拓撲圖案為互補式螺旋線圖案、互補式彎折線圖案或是通過上述幾種結構的其中一種結構衍生、其中多種結構複合或其中一種結構組陣得到的軸非對稱圖案。
通過將天線單元進行組陣，採取波束賦形的方法利用天線單元間的相位叠加使得天線的方向性按需要進行設計，然後在天線的背面加上反射的金屬板使得天線的後瓣得到壓縮，從而小天線陣列實現高定向性的功能，從而可以代替現在大多數的室內高定向性天線的功能。
本發明可以通過相應的無線接口在以下無線設備環境中應用：
1)無線局域網(802.11a/b/g/n/y)。可以應用到的設備包括：無線路由器，室內移動終端無線接收器，如電腦，個人數字助理(Personal digital assistant，PDA)，無線接入設備(AP)等。
2)蜂窩網通信。可以應用到的設備包括：個人數字蜂窩系統(Personal Digital Cellular，PDC)，Global Systems for Mobile Communications(GSM)[可以應用到GSM的各種頻率，如400MHz、450MHz、850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz]，IS-95(Code Division Multiple Access,CDMA)， IS-2000(CDMA2000),Generalized Packet Relay Service(GPRS)，Wide Code Division Multiple Access(WCDMA),Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access(TD-SCDMA),Universal Mobile Telecommunications System(UMTS),High Speed OFDM Packet Access(HSOPA),High-Speed Uplink Packet Access(HSUPA),High-Speed Downlink Packet Access(HSDPA),Worldwide Interoperability for Microwave Access(WiMax),UMTS Long Term Evolution(LTE)以及MIMO。即本發明可以廣泛地應用到各類蜂窩網通信終端中，其中包括各類第二代、第三代以及第四代的無線終端。本發明不僅可以應用在蜂窩網通信中的各類移動接收終端中，而且還可以應用在發射端，如針對於第二代、第三代以及第四代無線通信系統的基站天線等。
3)全球定位系統(Global Positioning System，GPS)終端天線。
4)超短距離通信(Ultra-wideband，UWB，13m以內)。可以應用的設備包括使用UWB技術的所有無線電子設備。
5)藍牙無線設備(IEEE802.15.1)。可以應用的設備包括IEEE802.15.1協議定義下的所有無線電子設備。
6)ZigBee(IEEE802.15.4)協議內的無線通信設備，如工業監控、傳感器網絡、家庭網絡、安全系統、車載電子系統、伺服執行機構等。由於IEEE802.15.4定義的無線通信設備均為功率受限設備，因此要求低功耗。本發明提出的小型天線在大大縮小硬件尺寸的同時也節省了硬件的功耗，因此這裏提出的 小天線將非常適合IEEE802.15.4協議下的任何無線電子設備。
7)無有線基礎設施支持的移動網絡。如傳感器網絡(Sensor Networks)軀域傳感器網絡(Body Sensor Network)與Ad Hoc網絡。由於此類網絡對無線終端尺寸要求很高，希望無線終端越小越好，因此這裏所設計的小型天線將有效的解決此類無線網絡的技術瓶頸。
8)醫用電子無線設備(IEEE 1073)。包括：醫用通風設備、電震發生器、急性病醫院中的病人監視設備、家庭保健設備、醫用成像設備，如核磁共振成像(MRI)等。IEEE 1073使用的總頻譜為14MHz，該頻譜是聯邦通信委員會(FCC)於2002年10月份專門為醫療無線應用留出的。FCC計劃從608-614，1395-1400和1427-1432MHz三種頻段中提取頻譜，為醫療設備提供無干擾的頻譜空間。本專利中提出的小型天線完全適用於這三種頻段。因此，本專利中提出的小型天線可以廣泛應用到IEEE 1073標準包括的所有醫用電子無線設備中。
9)各類衛星通信的發射接收裝置。對於高增益要求的衛星天線可採取基於本發明的射頻芯片小天線的陣列天線系統。
10)各類雷達與微波探測系統，如車載雷達、氣象雷達以及海事雷達等。該芯片小天線可作為雷達系統中的輻射單元。
11)射頻標簽與識別(RFID)的芯片天線與讀寫天線。
12)各類無線娛樂消費電子設備，如無線HiFi耳機(2.4GHz-2.48GHz和433MHz-434MHz)、無線移動硬盤、打印機、無線游戲手柄、無線鼠標(27.085MHz和27.135MHz)、鍵盤(27.185MHz和27.035MHz)等小型電子設備，以及所有應 用藍牙天線的電子設備。
13)以上提到的各類無線技術之間應用的多模式射頻設計。
超材料天線是基於人工電磁材料理論設計，人工電磁材料技術是指將金屬片鏤刻成特定形狀的拓撲金屬結構，並將所述特定形狀的拓撲金屬結構設置於一定介電常數和磁導率基材上而加工製造的等效特種電磁材料，其性能參數主要取決於其亞波長的特定形狀的拓撲金屬結構。在諧振頻段，人工電磁材料通常體現出高度的色散特性，換言之，天線的阻抗、容感性、等效的介電常數和磁導率隨著頻率會發生劇烈的變化。因而可採用人工電磁材料技術對上述天線的基本特性進行改造，使得金屬結構與其依附的介質基板等效地組成了一個高度色散的特種電磁材料，從而實現輻射特性豐富的新型天線。
本發明利用上述原理，設計一種多模式工作的天線裝置。 其將導電薄片附著於介質基板上，然後將導電薄片鏤刻掉部分導電薄片以形成特定形狀。由於特定形狀導電薄片的高度色散特性使得天線具有豐富的輻射特性從而省去了阻抗匹配網絡的設計以實現天線小型化和多模化工作模式。
請參閱圖1，是本發明中一實施例的天線裝置的平面示意圖。天線裝置5包括一陣列式天線8、設置在陣列式天線8一側的反射單元9及功分器7。所述陣列式天線8包括多個天線 單元10。當所述天線裝置5發送電磁波時，所述反射單元9用於反射各個天線單元10的向後輻射電磁波，使得上述天線裝置1形成的後瓣得到壓縮，以提高天線裝置的發射效率。
功分器7用於將基帶信號劃分多路加權值的信號，然後將各路加權值的信號分別分配給所述呈陣列排布的各個天線單元10，根據波束賦形(beam forming)技術使所陣列式天線8產生電磁波定向輻射範圍。在本實施方式中，所述功分器7採用一六功分器。
圖2為圖1所示天線裝置中一天線單元平面示意圖。天線單元10包括一絕緣的介質基板100，所述介質基板100的第一表面101附著有導電薄片13a，在將導電薄片13a鏤刻有一槽拓撲圖案12a。在本實施方式中，導電薄片13a採用金屬銅片，在金屬銅片鏤刻有一軸對稱的槽拓撲圖案12a。在其他實施方式中，槽拓撲圖案12a為軸非對稱圖案。
在第一表面101上還形成一導電饋點14和與導電饋點14電連接的饋線11、一接地單元15a及接地線16。在本實施方式中，所述導電薄片13a通過接地線16連接接地單元15a。 所述饋線11通過磁電耦合與導電薄片13a相關聯。在其他實施方式中，饋線11和接地線16一般可以視為天線的兩個引脚，以標準50歐姆阻抗饋入，但饋線11的饋入方式與接地線16的接地方式可以是電容性耦合也可以是電感性耦合，具體來說，饋線11的饋入方式與接地線16的接入方式共有四種組合，分別是：饋線電感饋入，接地線電感接地；饋線電感饋入，接地線電容接地；饋線電容饋入，接地線電感接地；饋線電容 饋入，接地線電容接地。在陣列式天線8上的天線單元10的拓撲微結構與尺寸可以相同，也可以不同，從而進行混合設計。
本發明中天線裝置5，可通過調整饋線11的饋入耦合方式、接地線16的接地方式、天線單元10的拓撲結構與尺寸大小、以及饋線11與接地線16與天線單元10的可短接點位置來進行調諧，從而使天線形成多模工作。
請參閱圖3-圖9，圖3是導電薄片上形成互補式開口諧振環圖案，圖4是導電薄片上形成互補式螺旋線圖案，圖5是導電薄片形成開口螺旋環圖案，圖6是導電薄片上形成雙開口螺旋環圖案，圖7是導電薄片上形成互補式彎折線圖案；圖8是導電薄片上形成軸非對稱的複合圖案，圖9是導電薄片上形成軸對稱的複合圖案。
槽拓撲圖案12a為軸對稱圖案，包括圖3所示互補式開口諧振環圖案、圖5所示開口螺旋環圖案、圖6所示開口螺旋環圖案及圖9是導電薄片上形成軸對稱的複合圖案；槽拓撲圖案12a為軸非對稱圖案，包括但不限於圖3所示互補式螺旋線圖案、圖7所示互補式彎折線圖案及圖8所示軸非對稱的複合圖案。
上述槽拓撲圖案12a還可以通過如圖10與圖11所示衍生方式以形成更多的衍生圖案，其中圖10為幾何形狀衍生方式示意圖，幾何形狀衍生是指在本發明中導電薄片13a中的形狀不僅僅局限於長方形，也可以為任意平面幾何圖形，如圓形、三角形、多邊形等；圖11為擴展衍生方式示意圖；擴展衍生是指在不改變原有導電薄片13a本質特性前提下，可以任意鏤 刻掉部分導電片從而擴展衍生出對稱或者不對稱的圖案來。
由天線原理可知，電長度是描述電磁波波形變化頻繁程度的物理量，電長度=物理長度/波長。當天線工作於低頻時，低頻對應的電磁波波長較長，在需要保持電長度不變的前提下，增長物理長度就是必要的選擇。然而增大物理長度必然不能滿足天線小型化的要求。根據公式f=1/(2π√LC)可知，增大分佈電容能有效降低天線工作頻率使得在不增加物理長度的前提下就可保持電長度不變。這樣就可以在極小的空間內設計出工作在極低工作頻率下的天線。
本發明的介質基板100的材質可選用陶瓷、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料；其中高分子材料優選聚四氟乙烯、F4B或FR4。在本發明中，關於天線的加工製造，只要滿足本發明的設計原理，可以採用各種製造方式。最普通的方法是使用各類印刷電路板(PCB)的製造方法，金屬化的通孔，雙面覆銅的PCB製造均可滿足本發明的加工要求。除此加工方式，還可以根據實際的需要引入其它加工手段，比如RFID(RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別技術，俗稱電子標簽)中所使用的導電銀漿油墨加工方式、各類可形變器件的柔性PCB加工、鐵片天線的加工方式以及鐵片與PCB組合的加工方式。其中，鐵片與PCB組合加工方式是指利用PCB的精確加工來完成芯片微結構部分的加工，用鐵片來完成其它輔助部分。
儘管上文藉由較佳實施例揭示了本發明，但並不意圖限制本發明。本領域熟知此項技藝者可在不脫離本發明的精神及範 圍的情況下進行一些潤飾及變化。因而，本發明的保護範圍落入所附的申請專利範圍內。
5‧‧‧天線裝置
7‧‧‧功分器
8‧‧‧陣列式天線
9‧‧‧反射單元
10‧‧‧天線單元
11‧‧‧饋線
12a‧‧‧槽拓撲圖案
13a‧‧‧導電薄片
14‧‧‧導電饋點
15a‧‧‧接地單元
16‧‧‧接地線
100‧‧‧介質基板
101‧‧‧第一表面
圖1是本發明中一實施例的天線裝置的平面示意圖；圖2是圖1所示天線裝置中一天線單元的平面示意圖；圖3是導電薄片上形成互補式開口諧振環圖案的示意圖；圖4是導電薄片上形成互補式螺旋線圖案；圖5是是導電薄片形成開口螺旋環圖案；圖6是導電薄片上形成雙開口螺旋環圖案；圖7是導電薄片上形成互補式彎折線圖案；圖8是導電薄片上形成軸非對稱的複合圖案；圖9是導電薄片上形成軸對稱的複合圖案；圖10是導電薄片上形成的拓撲結構幾何形狀衍生圖案；圖11是導電薄片上形成的拓撲結構擴展衍生圖案。
5‧‧‧天線裝置
7‧‧‧功分器
8‧‧‧陣列式天線
9‧‧‧反射單元
10‧‧‧天線單元

Claims (14)

  1. 一種天線裝置，其中，所述天線裝置包括：一陣列式天線，包括多個天線單元；所述每一天線單元包括鏤刻有一槽拓撲圖案的導電薄片、導電饋點及饋線；一功分器，用於將基帶信號劃分多路加權值的信號，然後將各路加權值的信號通過各個導電饋點分別傳送給所述呈陣列排布的各個天線單元；一反射單元，用於反射所述多個天線單元的向後輻射電磁波；及一介質基板，由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料中的任意一種製得，所述每個天線單元還包括接地單元，所述多個天線單元呈陣列式附著於介質基板上一表面上；其中，所述饋線的饋入方式為電容性耦合或電感性耦合。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之天線裝置，其中，所述槽拓撲圖案為軸對稱圖案。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述之天線裝置，其中，所述槽拓撲圖案為互補式開口諧振環圖案、開口螺旋環圖案或是通過上述幾種結構的其中一種結構衍生、其中多種結構複合或其中一種結構組陣得到的軸對稱複合圖案。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述之天線裝置，其中，所述槽拓撲圖案為軸非對稱圖案。
  5. 根據申請專利範圍第4項所述之天線裝置，其中，所 述槽拓撲圖案為互補式螺旋線圖案、互補式彎折線圖案或是通過上述幾種結構的其中一種結構衍生、其中多種結構複合或其中一種結構組陣得到的軸非對稱圖案。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述之天線裝置，其中，所述高分子材料優選聚四氟乙烯、F4B或FR4。
  7. 一種天線裝置，其中，所述天線裝置包括：一陣列式天線，包括多個天線單元；所述每一天線單元包括鏤刻有一槽拓撲圖案的導電薄片、導電饋點及饋線；一功分器，用於將基帶信號劃分多路加權值的信號，然後將各路加權值的信號通過各個導電饋點分別傳送給所述呈陣列排布的各個天線單元；所述天線裝置還包括一設置在所述天線單元背面的金屬板，用於反射所述多個天線單元的向後輻射電磁波。
  8. 根據申請專利範圍第7項所述之天線裝置，其中，所述陣列式天線還包括一絕緣的介質基板，所述每個天線單元還包括接地單元，所述多個天線單元呈陣列式附著於介質基板上一表面上。
  9. 根據申請專利範圍第8項所述之天線裝置，其中，所述介質基板由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料中的任意一種製得。
  10. 根據申請專利範圍第9項所述之天線裝置，其中，所述高分子材料為聚四氟乙烯、F4B或FR4。
  11. 根據申請專利範圍第8項所述之天線裝置，其中，所述槽拓撲圖案為軸對稱圖案。
  12. 根據申請專利範圍第11項所述之天線裝置，其中，所述槽拓撲圖案為互補式開口諧振環圖案、開口螺旋環圖案或是通過上述幾種結構的其中一種結構衍生、其中多種結構複合或其中一種結構組陣得到的軸對稱複合圖案。
  13. 根據申請專利範圍第8項所述之天線裝置，其中，所述槽拓撲圖案為軸非對稱圖案。
  14. 根據申請專利範圍第13項所述之天線裝置，其中，所述槽拓撲圖案為互補式螺旋線圖案、互補式彎折線圖案或是通過上述幾種結構的其中一種結構衍生、其中多種結構複合或其中一種結構組陣得到的軸非對稱圖案。
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