TWI559614B - Dual - frequency directional antenna device and its array - Google Patents

Description

雙頻指向性天線裝置及其陣列

本發明係一種雙頻指向性天線裝置，尤指一種透過高低頻輻射路徑之偶極天線做為訊號驅動器，在搭配接地面以及高低頻之輻射方向耦合器結構達到雙頻操作以及指向性之天線裝置及其陣列。

近年來，無線區域網路(Wireless Local Area Network,WLAN)儼然已成為大眾普遍依賴之行動上網解決方案，由於具安裝架設容易及成本低廉等優勢，使得無線區域網路不僅僅只是滿足家庭或社區內部網路需求，其建置區域也漸漸朝向公眾Wi-Fi熱區(Hot Zone)發展，如機場、大型賣場或商圈、運動場等。因此，對於定點式上網行為來說，WLAN服務確實可以達到目前行動網路訊務分流之成效。

無線區域網路技術演進從早期以IEEE802.11b/g(2.4~2.483GHz)與IEEE802.11a(5.15~5.825GHz)為其主流標準現今已朝向新一代技術標準802.11n，該標準主要是利用多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技術來提升系統的頻譜效率及傳輸速率，改善其通訊品質。由於公眾區域2.4GHz頻段使用紛亂，頻率規劃難度頗高，而5GHz頻段能大幅增加頻率規劃彈性，並降低可能發生頻譜干擾問題。有鑑於此，新世代無線網路接取設備皆已內建2.4GHz與5GHz頻帶共存通訊晶片模組，因此，在天線應用上也必須要同時滿足收發兩個操作頻 帶之設計。

目前常見的無線網路接取設備所連接之天線屬偶極天線(Dipole Antenna)型式居多，該天線在水平面具有全向性輻射場型(Omni-directional Radiation Pattern)特性，因此，若應用在寬廣及開放環境之中央位置時，較不容易因為通訊死角而影響使用者上網服務品質。然而此類天線增益值不高，收訊距離短，甚至在安裝於牆面或金屬面上時，此類天線會有一半的場型被遮蔽，導致能量的浪費與干擾。

因此，對於這些特定安裝場景或是高容量/高密度特定區域之網路佈建而言，指向性天線(Directional Antenna)需求也因應而生，常見應用於WLAN之指向性天線種類如平板型天線(Patch Antenna)或八木天線(Yagi-Uda Antenna)等，但平板型天線仍有場型波束寬不足及窄頻等缺憾，而八木天線是利用偶極天線做為訊號驅動器(Driver)，搭配反射器(Reflector)與指向器(Director)之設計產生具指向性場型之功效，在設計上可透過指向器的數量及反射器架構來調整天線增益及波束寬特性，甚至在驅動器設計上亦容易達到寬頻或多頻特性。例如：中華民國專利第M370198號所揭露之「寬頻微帶Yagi天線」係描述一種寬頻微帶Yagi天線設計，藉由補償式折曲匹配設計達到寬頻響應，但目前仍僅存在單頻段操作且體積過大之缺點；中華民國專利第M456593號所揭露之「具指向性天線裝置」，係描述一種利用不同等效長度之天線輻射體即可作為其他相鄰天線輻射體之導向器或反射器以提高天線指向性，但此天線裝置仍以不同頻段對應自身饋入端設計而成，非單一饋入端產生雙頻共振之設計，針對低頻段的指向器設計是藉由高頻段天線排列波長為基準，因此，對於低頻段指向性仍較為不顯著； 中華民國專利第I416796號所揭露之「雙頻印刷式八木天線」係描述一種利用雙頻偶極天線做為訊號激發源，透過指向器與反射器達到場型往特定方向輻射之功效，並藉由調整低頻指向器與高頻驅動器間之距離，使得高頻輻射場型不受其影響，但此天線裝置仍僅針對低頻指向性有其增強之效果，若同時加入高頻指向器將會受到低頻指向器遮蔽使得高頻輻射場型成效不彰。

上述所提及之習知技術目前仍針對提升某一特定頻段之指向性為主，據此，如何提供一種同時兼顧高低頻操作以及具備指向性場型之天線裝置乃本領域亟需解決之技術問題。

為解決上述之問題，本發明之目的在於提出一種雙頻指向性天線裝置，利用高低頻輻射路徑之偶極天線做為訊號驅動器，再搭配接地面、第一及第二輻射方向耦合器結構達到具指向性輻射場型之設計功效。

為達上述目的，本發明係提供一種雙頻指向性天線裝置，天線裝置包含：介電基板、第一輻射元件、第二輻射元件、第一輻射方向耦合器、第二輻射方向耦合器、以及饋入端。第一輻射元件設置於介電基板其中一面，第一輻射元件用以之操作頻率係定義為第一頻率。第二輻射元件係設置於介電基板其中一面，第二輻射元件之操作頻率係定義為第二頻率。第一輻射方向耦合器，設置於介電基板其中一面以及第一輻元件之輻射方向上，以提升輻射時之指向性。第二輻射方向耦合器設置於介電基板其中一面以及第二輻元件之輻射方向上以提升輻射時之指向性。輸入端係饋入連接第一輻射元件以及第二輻射元件。該天線裝置並沿第一輻射元件 以及第二輻射元件之輻射方向依序設置第二輻射方向耦合器以及第一輻射方向耦合器。

為達上述目的，本發明係提供一種雙頻指向性天線陣列。該天線陣列包含複數個前述之天線裝置以及一功率分配器。該功率分配器包含一功率輸入端以及複數個功率輸出端，並經由前述之功率輸出端係分別連接各該雙頻指向性天線裝置之饋入端，以形成此天線陣列。

綜上所述，本發明天線裝置及其陣列設有第一輻射方向耦合器以及第二輻射方向耦合器以配置其操作頻段以及指向性，可同時滿足雙頻操作以及指向性之要求，而得以解決先前技術不足之處。

1‧‧‧第一實施例之雙頻指向性天線裝置

2‧‧‧第二實施例之雙頻指向性天線裝置

3‧‧‧第三實施例之雙頻指向性天線陣列

4‧‧‧第四實施例之雙頻指向性天線陣列

11‧‧‧介電基板

12‧‧‧第一輻射元件

121‧‧‧第一上表面輻射體

122‧‧‧第一下表面輻射體

13‧‧‧第二輻射元件

131‧‧‧第二上表面輻射體

132‧‧‧第二下表面輻射體

14‧‧‧第二輻射方向耦合器

15‧‧‧第一輻射方向耦合器

151‧‧‧感應元件組

152‧‧‧片狀金屬導體組

153‧‧‧間斷式指向器

16‧‧‧阻抗轉換器

161‧‧‧上表面阻抗轉換器

162‧‧‧下表面阻抗轉換器

17‧‧‧接地面

18‧‧‧微帶傳輸線

19‧‧‧饋入端

20‧‧‧一分四功率分配器

21‧‧‧1×4線型陣列天線組

22‧‧‧一分二功率分配器

23‧‧‧2×2方型陣列天線組

第1圖為第一實施例之雙頻指向性天線裝置示意圖。

第1A圖為第一實施例之雙頻指向性天線裝置饋入部以及輻射部之分解圖。

第1B圖為第一實施例之雙頻指向性天線裝置反射損失與頻率響應圖。

第1C圖為第一實施例之雙頻指向性天線裝置X-Z平面輻射場型圖。

第2圖為第二實施例之雙頻指向性天線裝置示意圖。

第2A圖為第二實施例之雙頻指向性天線裝置反射損失與頻率響應圖。

第2B圖為第二實施例之雙頻指向性天線裝置X-Z平面輻射場型圖。

第3圖為第三實施例之雙頻指向性天線陣列示意圖。

第3A圖為第三實施例之雙頻指向性天線陣列X-Z平面輻射場型圖。

第4圖為第四實施例之雙頻指向性天線陣列示意圖。

第4A圖為第四實施例之雙頻指向性天線陣列X-Z平面輻射場型圖。

以下將描述具體之實施例以說明本發明之實施態樣，惟其並非用以限制本發明所欲保護之範疇。

請參閱第1圖所示，為本發明第一實施例之雙頻指向性天線裝置示意圖，第1A圖為雙頻指向性天線裝置饋入部以及輻射部之分解圖。雙頻指向性天線裝置包含介電基板11、第一輻射元件12、第二輻射元件13、第二輻射方向耦合器14、第一輻射方向耦合器15、阻抗轉換器16、及接地面17。

其中第一輻射元件12包括有第一上表面輻射體121與第一下表面輻射體122，第二輻射元件13包括有第二上表面輻射體131與第二下表面輻射體132。於本實施中，第一輻射元件12工作於低頻帶(2.27GHz~2.61GHz)，而第二輻射元件13工作於高頻帶(5.12GHz~5.92GHz)，其中第一輻射元件12與第二輻射元件13屬二分之一波長偶極天線架構，並藉由調整第一輻射元件12與第二輻射元件13之間耦合間距調整頻寬響應。

第一輻射方向耦合器15與第二輻射方向耦合器14係沿第一輻射元件12與第二輻射元件13輻射方向依序設置，且彼此間具有一耦合間距，兩者係作為提升輻射時之指向性，其中第二輻射方向耦合器14之長度約小於第二輻射元件13輻射段之長度，而第一輻射方向耦合器15包括有感應元件組151及片狀金屬導體組152；其中感應元件組151為兩組倒L型導體所組成，且在Y軸方向(平行輻射方向)之總長度約為低頻訊號四分之一波 長，因此，具有提升低頻指向性之效果，而片狀金屬導體組152放置於低頻感應元件組151之一側，且彼此間有一耦合間距；透過彼此間互耦效應可使高頻訊號與較為接近自身電氣長度之指向器能有較佳之耦合特性，以降低高頻段之天線場型受到低頻感應元件151遮蔽影響，因低頻指向器長度對高頻訊號來說可視為一反射面，在此情況之下容易影響高頻段天線增益值，因此，加入較短長度之耦合元件來增加高頻段指向器數量，可對於高頻段輻射場型進行優化調整。

阻抗轉換器16包括有上表面阻抗轉換器161與下表面阻抗轉換器162，其中上表面阻抗轉換器161之一端連接第一上表面輻射體121與第二上表面輻射體131，另一端則連接微帶傳輸線18，而下表面阻抗轉換器162從接地面17以漸進式寬度變化連接至第一下表面輻射體122與第二下表面輻射體132上，搭配上表面阻抗轉換器161線寬變化達到調整高低頻段阻抗匹配之功效。

前述之介電基板11之介電常數可選定介於2~30之間，並可依實際需要而任意選定為介電材料或絕緣材料，例如PCB電路板玻璃纖維材質、陶瓷材質或陶瓷-高分子複合材質等。基材上之導體，包括第一輻射元件12、第二輻射元件13、第二輻射方向耦合器14、第一輻射方向耦合器15、阻抗轉換器16及接地面17等，其材質為金屬、合金或其他導電材質，例如常用的金屬銅或銀等，並可透過曝光、顯影、蝕刻、電鍍、網版印刷、雷雕及燒結等各種組合方式成型於介電基板11上。饋入端19上可直接與高頻連接器或高頻同軸線連接。

請參閱第1B圖，其為第一實施例之雙頻指向性天線裝置之 反射損失與頻率響應圖，該圖之橫軸為頻率(單位：GHz)，縱軸為反射損失(單位：dB)，其結果顯示在低頻帶工作頻寬在-10dB下可達340MHz(2.27GHz~2.61GHz)，而在高頻帶工作頻寬在-10dB下可達800MHz(5.12GHz~5.92GHz)，皆可滿足無線區域網路IEEE802.11a/b/g頻帶規範。

請接著參閱第1C圖，其為第一實施例之雙頻指向性天線裝置X-Z平面輻射場型圖，該圖橫軸為天線增益(單位：dB)，其掃描角度範圍從0度到360度，其結果顯示在2.45GHz頻率下其增益值約為5.94dB，半功率波束寬約為120度，而在5.5GHz頻率下其增益值約為6.56dB，半功率波束寬約為90度。由圖式可發現本發明之天線裝置在兩個操作頻率下皆具有指向性輻射場型以及良好前後比效益。

請參閱第2圖，為本發明第二實施例之雙頻指向性天線裝置示意圖。第二實施例與第一實施例相似，惟其差異在於第二實施例之第一輻射方向耦合器15為兩組間斷式指向器153所組成。該間斷式指向器153之總長度約為低頻訊號四分之一波長，且每組間斷式指向器153有兩段約高頻四分之一波長的子間斷式指向器所組成，因此，除了第二輻射方向耦合器14可增加高頻指向性場型外，間斷式指向器153亦可看做四個高頻指向器所組成，使得高頻段場型之指向性將會隨著指向器數量增加而遞增。

請參閱第2A圖，其為第二實施例之雙頻指向性天線裝置反射損失與頻率響應圖，其中橫軸為頻率(單位：GHz)，縱軸為反射損失(單位：dB)，其結果顯示在低頻帶工作頻寬在-10dB下可達330MHz(2.31GHz~2.64GHz)，而在高頻帶工作頻寬在-10dB下可大於 900MHz(5.07GHz~6GHz)，皆可滿足無線區域網路IEEE802.11a/b/g頻帶規範。

第2B圖為第二實施例之雙頻指向性天線裝置X-Z平面輻射場型圖，其中橫軸為天線增益(單位：dB)，其掃描角度範圍從0度到360度，其結果顯示在2.45GHz頻率下其增益值約為5.66dB，半功率波束寬約為132度，而在5.5GHz頻率下其增益值約為8.07dB，半功率波束寬約為66度，由此可得知本實施例之天線裝置在兩個操作頻率下皆具有指向性輻射場型與良好前後比表現。

請參閱第3圖所示，為本發明第三實施例之雙頻指向性天線陣列3示意圖，本實施例透過4組雙指向性天線裝置1構成1x4線型陣列天線組21，並成型於介電基板11上，並透過一分四功率分配器20達到同振幅大小及相位之射頻訊號輸出，在傳輸線阻抗設計上皆採用四分之一波長阻抗轉換器進行轉換。最後，在饋入端19上連接高頻連接器或高頻同軸線以完成高增益雙頻陣列天線裝置。

請接著參閱第3A圖，其為第三種雙頻指向性天線裝置之X-Z平面輻射場型圖，其中橫軸為天線增益(單位：dB)，其掃描角度範圍從0度到360度，其結果顯示在2.45GHz頻率下其增益值約為9.61dB，半功率波束寬約為105度，而在5.5GHz頻率下其增益值約為12.08dB，半功率波束寬約為85度，於圖式中可得知本案之雙頻指向性天線陣列3在兩個操作頻率下皆具有指向性輻射場型與良好前後比表現。

請參閱第4圖，其為本發明第四實施例之雙頻指向性天線陣列示意圖，本實施例係由4組雙頻指向天線本體1構成2x2方型陣列天線組 23，並成型於介電基板11上，其透過兩組一分二功率分波器22串聯組合以達到同振幅大小及相位之射頻訊號輸出，在傳輸線阻抗設計上皆採用四分之一波長阻抗轉換器進行轉換。最後，在饋入端19上連接高頻連接器或高頻同軸線以完成高增益雙頻陣列天線裝置，本發明之2x2方型陣列天線組採反向排列組合設計以達到雙向輻射場型之設計功效

。請參閱第4A圖，其為為第四實施例之雙頻指向性天線陣列4之X-Z平面輻射場型圖，場型圖之橫軸為天線增益(單位：dB)，其掃描角度範圍從0度到360度，其結果顯示在2.45GHz頻率下其增益值約為5.02dB，半功率波束寬約為105度，而在5.5GHz頻率下其增益值約為7.06dB，半功率波束寬約為50度，於場型圖可以得知本實施之雙頻指向性天線陣列4在兩個操作頻率下皆具有指向性輻射場型與良好前後比表現。

本發明所提供之一種雙頻指向性天線裝置設計，與其他習用技術相互比較時，更具備下列優點：

1.利用高低頻輻射路徑之偶極天線做為訊號驅動器，並搭配接地面及高第一輻射方向耦合器結構達到高低頻皆具指向性輻射場型之特性。

2.透過一片狀金屬導體緊鄰第一輻射方向耦合器，透過彼此間互耦效應可使高頻訊號與較為接近自身電氣長度之指向器能有較佳之耦合特性，以降低高頻段之天線場型受到低頻感應元件遮蔽影響，有效提升天線於高頻段之增益值。

3.透過一阻抗轉換器之優化設計可同時滿足高低頻帶天線頻寬響應與阻抗匹配特性。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

1‧‧‧第一實施例之雙頻指向性天線裝置

11‧‧‧介電基板

12‧‧‧第一輻射元件

13‧‧‧第二輻射元件

14‧‧‧第二輻射方向耦合器

15‧‧‧第一輻射方向耦合器

151‧‧‧感應元件組

152‧‧‧片狀金屬導體組

16‧‧‧阻抗轉換器

17‧‧‧接地面

18‧‧‧微帶傳輸線

19‧‧‧饋入端

Claims (17)

1. 一種雙頻指向性天線裝置，包含：一介電基板；一第一輻射元件，設置於該介電基板其中一面，該第一輻射元件之操作頻率定義為第一頻率；一第二輻射元件，設置於該介電基板其中一面，該第二輻射元件之操作頻率定義為第二頻率；一第一輻射方向耦合器，設置於該介電基板其中一面以及該第一輻射元件之輻射方向上，以提升輻射時之指向性；一第二輻射方向耦合器，設置於該介電基板其中一面以及該第二輻元件之輻射方向上，以提升輻射時之指向性，其中該第一輻射方向耦合器以及該第二輻射方向耦合器之間設有耦合間距；以及一饋入端，該饋入端係連接該第一輻射元件以及該第二輻射元件；其中，更沿該第一輻射元件以及該第二輻射元件之輻射方向依序設置該第二輻射方向耦合器以及該第一輻射方向耦合器。
2. 如請求項1所述之天線裝置，其中該第一頻率係低於該第二頻率。
3. 如請求項1所述之天線裝置，其中該第一輻射元件包含第一上表面輻射體及第一下表面輻射體，且分別設置於該介電基板之上下表面。
4. 如請求項1項所述之天線裝置，其中該第二輻射元件包含第二上表面輻射體及第二下表面輻射體，且分別設置於該介電基板之上下表面。
5. 如請求項1所述之天線裝置，其中該第一輻射方向耦合器包含：一倒L型感應元件組；以及 一片狀金屬導體組，鄰設該倒L型感應元件組一側，且彼此間設有一耦合間距。
6. 如請求項1所述之天線裝置，其中該第一輻射方向耦合器包含複數個子耦合器，各該子耦合器係包含：一倒L型感應元件組；以及一片狀金屬導體組，鄰設於該倒L型感應元件組一側，且彼此間設有一耦合間距；其中，該等子耦合器係沿該第一輻射元件之輻射方向對稱設置。
7. 如請求項5或6所述之天線裝置，其中該倒L型感應元件組其平行於該第一頻率之輻射方向之感應段之長度係近似於該第一頻率之四分之一波長。
8. 如請求項1所述之天線裝置，其中該第一方向耦合器包含複數個間斷式指向器，各該間斷式指向器係對稱於該輻射方向。
9. 如請求項8所述之天線裝置，其中各該間斷式指向器之長度係近似於該第一頻率之四分之一波長。
10. 如請求項9所述之天線裝置，其中各該間斷式指向器組更包含複數個子間斷指式向器，各該子間斷指式向器之長度係近似於該第二頻率之四分之一波長。
11. 如請求項10所述之天線裝置，其中該等間斷式指向器之數量為4，該等子間斷式指向器之數量為8。
12. 如請求項1所述之天線裝置，其中該第二輻射方向耦合器之長度略小於該第二輻射元件之輻射段長度。
13. 如請求項1所述之天線裝置，其中該第一輻射元件之輻射體係為L型輻射 體。
14. 如請求項1所述之天線裝置，其中該饋入端係透過一阻抗轉換器與該第一輻射元件以及該第二輻射元件連接，其中該阻抗轉換器包含：一第一表面阻抗轉換器，包含至少一傳輸線段；以及一第二表面阻抗轉換器，設置於該第一表面阻抗轉換器之相對面，該第二表面阻抗轉換器包含一接地參考面以及一寬度漸近傳輸線段，其中該寬度漸近傳輸線段係匹配該至少一傳輸線段。
15. 一種雙頻指向性天線陣列，包含：複數個如請求項1至14任一項所述之雙頻指向性天線裝置；以及一功率分配器，包含一功率輸入端以及複數個功率輸出端，該等功率輸出端係分別連接各該雙頻指向性天線裝置之饋入端。
16. 如請求項15所述之天線陣列，其中該等雙頻指向性天線裝置係呈線性排列。
17. 如請求項15所述之天線陣列，其中該等雙頻指向性天線裝置係劃分二群組，且該二群組具有相異之輻射方向。