TWI612726B - 具有近接耦合式環狀矩形貼片的天線系統 - Google Patents

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Abstract

提供的是天線和包括該天線之天線系統的範例性實施例。於範例性實施例，天線一般而言包括具有環狀矩形的輻射貼片元件。天線接地平面與輻射貼片元件隔開。饋給元件經由近接耦合而電耦合於輻射貼片元件。天線也包括至少二個短路元件，其將輻射貼片元件電耦合於天線接地平面。

Description

具有近接耦合式環狀矩形貼片的天線系統
本揭示大致關於具有近接耦合式環狀矩形貼片的天線系統。
本節提供關於本揭示的背景資訊，其未必是先前技藝。
天線系統設計已經隨著新科技的巨幅進展而突然變得複雜。引入新的長期演化/第四代(LTE/4G)頻帶已經導致需要更寬廣的頻寬以用於行動通訊站，並且市場正預期天線會更小、輪廓更低而有較好的功效。設計低輪廓天線的挑戰在於儘管有低輪廓要求而要如何使之具有全向性輻射圖案的垂直極化。已經常常選擇習用的平面倒F型天線，因為其小尺寸和低輪廓應用。但是習用的平面倒F型天線在所需的形式因素下卻苦於具有窄頻寬。
本節提供本揭示的綜覽，並且不是其完整範圍或其全部特色的廣泛揭示。
根據多樣的方面，揭示的是天線的範例性實施例。於範例性實施例，天線包括具有環狀矩形的輻射貼片元件。天線接地平面與輻射貼片元件隔開。饋給元件電耦合於輻射貼片元件。天線也包括至少二個短路元件，其將輻射貼片元件電耦合於天線接地平面。
可進一步應用的領域將從在此提供的敘述而變得明顯。【發明內容】中的敘述和特定範例打算只是為了示範而不打算限制本揭示的範圍。
100‧‧‧天線
102‧‧‧輻射貼片元件
104‧‧‧天線接地平面
106‧‧‧饋給點
108‧‧‧饋給元件
110‧‧‧短路元件
112‧‧‧垂直發送線
114‧‧‧水平饋給貼片
116‧‧‧同軸探針
118‧‧‧印刷電路板
120‧‧‧延伸接地平面
122‧‧‧L形狹縫
124‧‧‧主動全球定位衛星(GPS)天線
126‧‧‧隔離器
128‧‧‧短路元件貼片
1300‧‧‧天線
1302‧‧‧輻射貼片元件
1304‧‧‧天線接地平面
1306‧‧‧饋給點
1308‧‧‧饋給元件
1310‧‧‧短路元件
1312‧‧‧垂直發送線
1314‧‧‧水平饋給貼片
1316‧‧‧同軸探針
1318‧‧‧印刷電路板
1320‧‧‧延伸接地平面
1322‧‧‧漸縮L形狹縫
1328‧‧‧短路元件貼片
1330‧‧‧長的開放端狹縫
2200‧‧‧天線
2202‧‧‧輻射貼片元件
2204‧‧‧天線接地平面
2206‧‧‧饋給點
2208‧‧‧饋給元件
2209‧‧‧高頻帶元件
2210、2211‧‧‧短路元件
2212‧‧‧垂直發送線
2213‧‧‧三角形部分
2214‧‧‧水平饋給貼片
2215‧‧‧水平部分
2216‧‧‧同軸纜線
2218‧‧‧印刷電路板
2220‧‧‧延伸接地平面
2222‧‧‧漸縮L形或三角形狹縫
2223‧‧‧介電基板
2225‧‧‧導電材料
2228‧‧‧短路元件貼片
2229‧‧‧印刷電路板
2230‧‧‧長的開放端狹縫
2240‧‧‧向上突出部分
2242‧‧‧垂直發送線的下部
2244‧‧‧延伸接地平面的下部
2246‧‧‧向上突出部分
2248‧‧‧短路元件貼片的下部
2250、2254、2258‧‧‧區域
2262‧‧‧特色
2269‧‧‧安裝件
在此所述的圖式只是為了示範所選擇的實施例而非所有可能的實施例，並且不打算限制本揭示的範圍。
圖1是根據範例性實施例之天線系統或總成的立體圖；圖2是圖1所示之天線系統繞著垂直軸旋轉的俯視圖，並且示範水平饋給貼片、環狀矩形輻射貼片、L形狹縫、主動全球定位衛星(global positioning satellite，GPS)天線和格網式天線之間比較緊密的間隔；圖3是圖1所示之部分天線系統的立體圖；圖4是圖3所示之天線系統繞著垂直軸旋轉的立體圖；圖5是圖1所示之部分天線總成的立體圖；圖6是圖1所示之天線系統繞著垂直軸旋轉的立體圖；圖7是範例性線圖，其示範由圖1~6之範例性天線系統所測量的電壓駐波比例(voltage standing wave ratio，VSWR)對頻率；圖8a和8b是範例性線圖，其示範圖1~6之範例性天線系統在沒有隔離器(圖8a)和有隔離器(圖8b)下所測量而單位為分貝(dB)的隔離對頻率；圖9示範圖1~6所示之天線系統在698百萬赫茲、824百萬赫茲、894百萬赫茲、960百萬赫茲、1710百萬赫茲、1880百萬赫茲、1990百萬赫茲、2170百萬赫茲頻率下的輻射圖案(方位角平面和Φ 0°平面)； 圖10是根據另一範例性實施例之天線系統或總成的立體圖；圖11是圖10之天線系統繞著垂直軸旋轉的俯視圖，並且示範水平饋給貼片、環狀輻射貼片、漸縮L形狹縫；圖12是圖10所示之部分天線系統的立體圖；圖13是圖12所示之部分天線系統繞著垂直軸旋轉的立體圖，並且示範二個短路元件和開放端狹縫；圖14是範例性線圖，其示範由圖10~13之範例性天線系統所測量的VSWR對頻率；圖15示範圖10~13所示之天線系統在698百萬赫茲、824百萬赫茲、894百萬赫茲、960百萬赫茲、1710百萬赫茲、1880百萬赫茲、1990百萬赫茲、2170百萬赫茲頻率下的輻射圖案(方位角平面和Φ 0°平面)；圖16是根據另一範例性實施例之天線系統或總成的立體圖，並且也示範饋給元件、貼片、短路元件、接地平面或元件的範例；圖17是圖16所示之天線系統的立體圖，並且也示範根據範例性實施例的範例性基底(譬如塑膠基板……)；圖18是圖16之天線系統的俯視圖；圖19包括圖16所示之饋給元件的前和後立體圖；圖20包括圖19所示之饋給元件的前和後視圖；圖21是圖16所示之短路元件的立體圖；圖22示範圖21所示的短路元件；圖23是圖16所示之接地平面或元件的立體圖； 圖24示範圖23所示的接地平面或元件；圖25是範例性線圖，其示範由圖16~18之範例性天線系統所測量的VSWR對頻率；以及圖26到35分別示範圖16~18所示之天線系統在698百萬赫茲、824百萬赫茲、894百萬赫茲、960百萬赫茲、1710百萬赫茲、1880百萬赫茲、1990百萬赫茲、2170百萬赫茲、2500百萬赫茲、2700百萬赫茲頻率下的輻射圖案(方位角平面和Φ 0°平面)。
現在將參考伴隨的圖式以更完整描述範例性實施例。
發明人在此已經體認到習用的PIFA天線需要有良好和/或改善的頻寬(譬如從約698百萬赫茲到約960百萬赫茲、從約1710百萬赫茲到約2170或2700百萬赫茲……)而具有低輪廓要求、減少和/或免除對較大接地平面的電流接觸需求、良好和/或改善的垂直極化輻射圖案、主動全球定位衛星(GPS)天線和格網式輻射器之間有良好和/或改善的隔離而二者放得很靠近……。據此，在此揭示的是天線和包括該天線之天線系統的範例性實施例(譬如100(圖1~6)、1300(圖10~13)、2200(圖16~18)……)，其包括一或更多個上述的特色。
於某些範例性實施例，天線可以是二埠車輛天線，並且可以包括格網式輻射器、主動GPS天線、隔離器。天線可以具有寬廣的頻寬，其涵蓋約698百萬赫茲到約960百萬赫茲和/或約1710百萬赫茲到約2170百萬赫茲的頻率範圍。天線可以安裝在接地平面(譬如車輛、機器的金屬頂篷……)上。接地平面的直徑可以是至少30公分。因此，天線可以視為依賴 接地的(譬如具有較小的直徑、具有較低的輪廓特色……)。天線的輻射元件(譬如輻射器……)可以不需要對車輛或其他表面之接地平面的電流接觸，並且可以視為具有近接耦合，而在輻射元件和接地平面之間有適合的絕緣高度。
於某些範例性實施例，天線可以包括格網式輻射器，其具有寬廣的頻寬而可操作在約698百萬赫茲到約960百萬赫茲和/或約1710百萬赫茲到約2170或2700百萬赫茲的頻率範圍。天線可以具有全向性輻射圖案、具有跨越操作頻率而在水平面的優勢垂直極化、較低輪廓和較小直徑的天線總成。天線可以安裝在接地平面(譬如機器的金屬頂篷……)上，並且可以用直徑約30公分或更大的接地平面而表現良好。天線可以是依賴接地的，而具有小直徑和低輪廓的形式因素。天線可以包括輻射元件，其不須要與機器的接地平面做電流接觸，並且可以視為具有近接耦合，而在輻射元件和接地平面之間有適合的絕緣高度(譬如距離……)。
現在參見圖式，圖1和2示範實現本揭示一或更多個方面之天線系統或總成的範例性實施例。尤其，天線系統包括天線100，其可操作於從約698百萬赫茲到約960百萬赫茲和從約1710百萬赫茲到約2170百萬赫茲的頻率。舉例而言，天線100可以操作在從約698百萬赫茲到約960百萬赫茲的第一頻率範圍裡和從約1710百萬赫茲到約2170百萬赫茲的第二頻率範圍裡。或者舉例而言，天線100可以操作成跨越從約698百萬赫茲到約2170百萬赫茲的單一寬頻範圍。
天線100包括輻射貼片元件102、與輻射貼片元件102隔開的天線接地平面104、將輻射貼片元件102電耦合(譬如經由近接耦合或直接 電流耦合)於饋給點106的饋給元件108、將輻射貼片元件102電耦合(譬如經由直接電流耦合……)於天線接地平面104的二個短路元件110。天線系統可以稱為二埠天線。
於本範例，輻射貼片元件102(或更廣而言為輻射表面或輻射器)實質定位在天線接地平面104的中央。此種組態可以允許天線100對於在一或更多個頻帶(譬如從698百萬赫茲到960百萬赫茲、從1710百萬赫茲到2170百萬赫茲……)裡的頻率而言具有想要的輻射圖案，並且提供全向性特徵……。替代而言，輻射貼片元件102可以相對於天線接地平面104而定位在另一適合的位置(譬如偏離中央……)，如果想要的話。
輻射貼片元件102可以具有環狀矩形，使得輻射貼片元件具有實質矩形的外周，而具有開放的內部(譬如環形……)。內周也可以是實質矩形。雖然圖1和2示範輻射貼片元件102的範例性形狀，但是其他實施例可以包括具有不同形狀的輻射貼片元件102。
輻射貼片元件102也在二個位置而短路於天線接地平面104(譬如經由短路元件110……)，如圖5所示。低頻帶中的共振頻率比例則受到短路元件110的短路位置和輻射貼片元件102的尺寸所影響。短路元件110的位置和輻射貼片元件102的尺寸乃優化在頻率698百萬赫茲的約最大四分之一波長，其影響第一共振頻率。
圖3和4示範部分的天線100，其移除了輻射貼片元件102以便進一步示範饋給元件108的細節。如圖3所示，饋給元件108包括垂直發送線112和水平饋給貼片114(未顯示於圖3)。水平饋給貼片114示範於圖2。饋給點106包括耦合於垂直發送線112的同軸探針116。這饋給組態 可以有效減少具有電容式貼片(其為水平饋給貼片114)之長探針的電感。
垂直發送線112耦合於(譬如界定在、整合於……)印刷電路板(printed circuit board，PCB)118。低頻帶中的共振頻率比例也受到垂直發送線112之位置的影響。垂直發送線112可以偏移到水平饋給貼片114的一端，以在共振頻率之間具有正確的分開而達到寬廣的頻寬特徵。垂直發送線PCB 118包括在垂直發送線PCB 118之背面上的延伸接地平面120。如圖4所示，延伸接地平面120可以延伸到垂直發送線PCB 118之高度的約一半。於其他實施例，延伸接地平面120可以延伸成大於或小於垂直發送線PCB 118的一半高度。這組態可以改善(譬如優化……)天線100在低頻帶(譬如698百萬赫茲到960百萬赫茲……)的二共振頻率之間的分開以達到較寬廣的頻寬特徵，並且進一步改善高頻帶(譬如1710百萬赫茲到2170百萬赫茲……)的阻抗匹配。
饋給元件108可以經由電容手段而將電磁波耦合於輻射貼片元件102。在饋給元件108和輻射貼片元件102之間可以有間隙，其可以調整(譬如優化……)以產生頻率比例而將天線100實質匹配於所想要的操作頻率範圍(譬如698百萬赫茲到960百萬赫茲、1710百萬赫茲到2170百萬赫茲……)。間隙可以載有(譬如填有、已分散其間……)介電材料、載有空氣……。於某些實施例，載有空氣可以提供較好的頻率匹配給天線100。
如圖2所示，界定於水平饋給貼片114中的二個L形狹縫122可以延伸用於高頻帶的電長度。沒有二個L形狹縫122，則水平饋給貼片114的電長度對於約1700百萬赫茲的頻率來說可以是太短。於其他實施例，狹縫122可以具有不同的形狀、位在水平饋給貼片114上的不同位 置……。可以據此調整水平饋給貼片114和輻射貼片元件102之間的間隙以匹配高頻帶。
如圖3所示，短路元件貼片128添加到第二短路元件110以達成較好的阻抗匹配。短路元件貼片128可以縮短訊號的電路徑並且改變在低頻帶之第一共振的天線阻抗。
如圖2所示，天線100可以包括主動GPS天線124，其可以定位成相鄰於或緊密隔開於被動輻射貼片元件102。天線100也包括隔離器126以改善主動GPS天線124和被動輻射貼片元件102之間的隔離。舉例而言，隔離器126可以在約1575百萬赫茲的頻率提供約-5分貝(dB)的改善。
圖7、8a、8b、9提供圖1~6所示之天線100的測量結果。僅為了示範而不是為了限制才提供圖7、8a、8b、9所示的這些結果。
更特定而言，圖7是範例性線圖，其示範天線100所測量的電壓駐波比例(VSWR)對頻率。一般而言，圖7顯示天線100對於操作頻寬(譬如約698百萬赫茲到約960百萬赫茲和約1710百萬赫茲到約2170百萬赫茲)可操作成具有比較好的VSWR。
圖8a示範沒有隔離器126之天線100所測量的主動GPS天線124和被動輻射貼片元件102之間而單位為分貝(dB)的隔離對頻率。為了比較，圖8b示範具有隔離器126之天線100所測量的主動GPS天線124和被動輻射貼片元件102之間而單位為分貝(dB)的隔離對頻率。一般而言，比較圖8a和8b則顯示當隔離器126包括在天線100中時可以實現改善隔離。舉例而言，對於1.575十億赫茲的頻率來說，相較於沒有隔離器的隔離是約-2.8分貝，具有隔離器的隔離是約-8分貝。
圖9示範天線100的多樣輻射圖案。更特定而言，圖9示範在698百萬赫茲、824百萬赫茲、960百萬赫茲、1710百萬赫茲、1880百萬赫茲、1990百萬赫茲、2170百萬赫茲頻率的輻射圖案之方位角平面(在左邊)和Φ 0°平面(在右邊)的共同極化分量和交越極化分量(虛線)。一般而言，圖9示範接近水平面的輻射圖案而可以識別為垂直極化天線。
圖10和11示範實現本揭示一或更多個方面之天線系統或總成1300的另一範例性實施例。尤其，天線系統包括天線1300，其可操作於從約698百萬赫茲到約960百萬赫茲和從約1710百萬赫茲到約2170百萬赫茲的頻率。舉例而言，天線1300可以操作在從約698百萬赫茲到約960百萬赫茲的第一頻率範圍裡和從約1710百萬赫茲到約2170百萬赫茲的第二頻率範圍裡。或者舉例而言，天線1300可以操作成跨越從約698百萬赫茲到約2170百萬赫茲的單一寬頻範圍。
天線1300包括輻射貼片元件1302、與輻射貼片元件1302隔開的天線接地平面1304、將輻射貼片元件1302電耦合(譬如經由近接耦合或直接電流耦合)於饋給點1306的饋給元件1308、將輻射貼片元件1302電耦合(譬如經由直接電流耦合……)於天線接地平面1304的二個短路元件1310。
於本範例，輻射貼片元件1302(或更廣而言為輻射表面或輻射器)實質定位在天線接地平面1304的中央。此種組態可以允許天線1300對於一或更多個頻帶(譬如從698百萬赫茲到960百萬赫茲、從1710百萬赫茲到2170百萬赫茲……)裡的頻率而言具有想要的輻射圖案，而提供全向性特徵……，如上所解釋。替代而言，輻射貼片元件1302可以相對於天線接地平面1304而定位在另一適合的位置(譬如偏離中央……)，如果想要的話。
輻射貼片元件1302可以具有環狀矩形，使得輻射貼片元件具有實質矩形的外周(譬如一或更多個邊緣可以具有如圖10和11的稍微彎曲形狀……)，而具有開放的內部(譬如環形……)。內周也可以是實質矩形。雖然圖10和11示範輻射貼片元件1302的範例性形狀，但是其他實施例可以包括具有不同形狀的輻射貼片元件1304。
輻射貼片元件1302也在二個位置而短路於天線接地平面1304(譬如經由短路元件1310……)，如圖10所示。低頻帶中的共振頻率比例受到短路元件1310的短路位置和輻射貼片元件1302的尺寸所影響。短路元件1310的位置和輻射貼片元件1302的尺寸優化在頻率698百萬赫茲的約最大四分之一波長，其影響第一共振頻率。
圖12和13示範部分的天線1300，其移除了輻射貼片元件1302以便進一步示範饋給元件1308的細節。如圖12所示，饋給元件1308包括垂直發送線1312和水平饋給貼片1314(未顯示於圖12)。水平饋給貼片1314示範於圖11。饋給點1306包括耦合於垂直發送線1312的同軸探針1316。這饋給組態可以有效減少具有電容式貼片(其為水平饋給貼片1314)之長探針的電感。
垂直發送線1312耦合於(譬如界定在、整合於……)印刷電路板(PCB)1318。低頻帶中的共振頻率比例也受到垂直發送線1312之位置的影響。垂直發送線1312可以偏移到水平饋給貼片1314的一端，以在共振頻率之間具有正確的分開而達到寬廣的頻寬特徵。垂直發送線PCB 1318包括在垂直發送線PCB 1318之背面上的延伸接地平面1320。如圖13所示，延伸接地平面1320可以延伸到垂直發送線PCB 1318之高度的約一半。於其他 實施例，延伸接地平面1320可以延伸到大於或小於垂直發送線PCB 1318的一半高度。這組態可以改善(譬如優化……)天線1300在低頻帶(譬如698百萬赫茲到960百萬赫茲……)的二共振頻率之間的分開以達到較寬廣的頻寬特徵，並且進一步改善高頻帶(譬如1710百萬赫茲到2170百萬赫茲……)的阻抗匹配。
饋給元件1308可以經由電容手段而將電磁波耦合於輻射貼片元件1302。在饋給元件1308和輻射貼片元件1302之間可以有間隙，其可以調整(譬如優化……)以產生頻率比例而將天線1300實質匹配於所想要的操作頻率範圍(譬如698百萬赫茲到960百萬赫茲、1710百萬赫茲到2170百萬赫茲……)。間隙可以載有(譬如填有、已分散其間……)介電材料、載有空氣……。於某些實施例，載有空氣可以提供較好的頻率匹配給天線1300。
如圖11所示，界定於水平饋給貼片1314中的二個漸縮L形狹縫1322可以延伸用於高頻帶的電長度。沒有二個漸縮L形狹縫1322，則水平饋給貼片1314的電長度對於約1700百萬赫茲的頻率來說可以是太短。於其他實施例，狹縫1322可以具有不同的形狀、位在水平饋給貼片1314的不同位置上……。可以據此調整水平饋給貼片1314和輻射貼片元件1302之間的間隙以匹配高頻帶。
如圖13所示，短路元件貼片1328添加到第二短路元件1310以達成較好的阻抗匹配。短路元件貼片1328可以縮短訊號的電路徑並且改變在低頻帶之第一共振的天線阻抗。
天線接地平面1304可以包括長的開放端狹縫1330以改善阻抗匹配而在VSWR上提供改善的邊界。在天線接地平面1304上也有小狹縫 以產生額外的短路元件，其可以從天線接地平面1304彎曲而不添加額外的天線零件，並且可以對於天線1300的射頻(radio frequency，RF)功效沒有任何效應。
圖14和15提供圖10~13所示之天線1300的測量結果。僅為了示範而不是為了限制才提供圖14和15所示的這些結果。
更特定而言，圖14是範例性線圖，其示範天線1300所測量的電壓駐波比例(VSWR)對頻率。一般而言，圖14顯示天線1300對於操作頻寬(譬如約698百萬赫茲到約960百萬赫茲和約1710百萬赫茲到約2170百萬赫茲)而言可操作成具有比較好的VSWR。
圖15示範天線1300的多樣輻射圖案。更特定而言，圖15示範在698百萬赫茲、824百萬赫茲、894百萬赫茲、960百萬赫茲、1710百萬赫茲、1880百萬赫茲、1990百萬赫茲、2170百萬赫茲頻率的輻射圖案之方位角平面(在左邊)和Φ 0°平面(在右邊)的共同極化分量和交越極化分量(虛線)。一般而言，圖15示範接近水平面的輻射圖案而可以識別為垂直極化天線。
圖16到18示範實現本揭示一或更多個方面之天線系統或總成的另一範例性實施例。於本範例性實施例，天線2200具有寬廣的頻寬，並且可操作在從約698百萬赫茲到約960百萬赫茲的第一頻率範圍裡和從約1710百萬赫茲到約2700百萬赫茲的第二頻率範圍裡。
如在此所揭示，天線2200包括饋給元件2208，其將輻射貼片元件2202電耦合(譬如經由近接耦合或直接電流耦合)於饋給點2206。天線2200也包括與輻射貼片元件2202隔開的天線接地平面2204，以及包括將 輻射貼片元件2202電耦合(譬如經由直接電流耦合……)於天線接地平面2204的二個短路元件2210、2211。
於本範例，輻射貼片元件2202(或更廣而言是輻射表面或輻射器)實質定位在天線接地平面2204的中央，如圖18所示。此種組態可以允許天線2200在一或更多個頻帶(譬如從698百萬赫茲到960百萬赫茲、從1710百萬赫茲到2700百萬赫茲……)裡的頻率具有想要的輻射圖案、提供全向性特徵……。替代而言，輻射貼片元件2202可以相對於天線接地平面2204而定位在另一適合的位置(譬如偏離中央……)，如果想要的話。
輻射貼片元件2202可以具有環狀矩形，使得輻射貼片元件2202具有實質矩形的外周。舉例而言，輻射貼片元件2202可以為實質矩形，而具有一或更多個稍微彎曲形狀的邊緣和開放的內部(譬如環形……)。如圖18所示，輻射貼片元件2202可以視為具有大致塑形成字母D的外周。輻射貼片元件2202的內周可以為實質矩形。雖然圖16到18示範輻射貼片元件2202的範例性形狀，但是其他實施例可以包括具有不同形狀的輻射貼片元件2202。
輻射貼片元件2202也在二個位置而短路於天線接地平面2204(譬如經由短路元件2210和2211……)，如圖16和17所示。低頻帶中的共振頻率比例受到短路元件2210、2211的短路位置和輻射貼片元件2202的尺寸所影響。短路元件2210、2211的位置和輻射貼片元件2202的尺寸優化在頻率698百萬赫茲的約最大四分之一波長，其影響第一共振頻率。
如圖19所示，饋給元件2208包括垂直發送線2212和水平饋給貼片2214。同軸纜線2216在或朝向垂直發送線2212的底部而耦合(譬 如軟焊……)於饋給點2206。這饋給組態可以有效減少具有電容式貼片(其為水平饋給貼片2214)之長探針的電感。
垂直發送線2212耦合於(譬如界定在、整合於……)印刷電路板(PCB)2218。低頻帶中的共振頻率比例也受到垂直發送線2212之位置的影響。垂直發送線2212可以偏移到水平饋給貼片2214的一端，以在共振頻率之間具有正確的分開而達到寬廣的頻寬特徵。垂直發送線PCB 2218包括在垂直發送線PCB 2218之背面上的延伸接地平面2220(譬如導線……)，如圖19所示。如圖20所示，延伸接地平面2220可以延伸到垂直發送線PCB 2218之高度的約一半或更大。於其他實施例，延伸接地平面2220可以延伸到小於垂直發送線PCB 2218的一半高度。這組態可以改善(譬如優化……)天線2200在低頻帶(譬如698百萬赫茲到960百萬赫茲……)的二共振頻率之間的分開以達到較寬廣的頻寬特徵，並且進一步改善高頻帶(譬如1710百萬赫茲到2700百萬赫茲……)的阻抗匹配。
饋給元件2208可以經由電容手段而將電磁波耦合於輻射貼片元件2202。在饋給元件2208的水平饋給貼片2214和輻射貼片元件2202之間可以有間隙，其可以調整(譬如優化……)以產生頻率比例而將天線2200實質匹配於所想要的操作頻率範圍(譬如698百萬赫茲到960百萬赫茲、1710百萬赫茲到2700百萬赫茲……)。間隙可以載有(譬如填有、已分散其間……)介電材料、載有空氣……。於某些實施例，載有空氣可以提供較好的頻率匹配給天線2200。
如圖18所示，二個漸縮L形或三角形狹縫2222是由水平饋給貼片2214所界定或界定其中。狹縫2222可以延伸用於高頻帶的電長度。 沒有狹縫2222，則水平饋給貼片2214的電長度對於約1700百萬赫茲的頻率來說可以是太短。於本範例性實施例，狹縫2222包括沿著介電基板2223而不存在導電材料的區域。如圖18所示，介電基板2223延伸跨越輻射貼片元件2202的開放內部，並且連接到輻射貼片元件2202的相對側。以本範例性方式，介電基板2223上的饋給貼片2214和其他導電材料2225(譬如導線……)可以藉由介電基板2223而支持或懸掛在輻射貼片元件2202的開放內部裡。於其他實施例，狹縫2222可以具有不同的形狀、位在水平饋給貼片2214上的不同位置……。可以據此調整水平饋給貼片2214和輻射貼片元件2202之間的間隙以匹配高頻帶。
天線2200包括額外的高頻帶元件2209以激發從2170百萬赫茲到2700百萬赫茲之第二頻率範圍的較高邊緣。高頻帶元件2209在約2700百萬赫茲可操作成近接短路單極。如圖19和20所示，高頻帶元件2209是額外的導線，其提供在饋給元件2208的印刷電路板(PCB)2218上。於本範例，高頻帶元件2209不電流接觸輻射貼片元件2202。於本範例，高頻帶元件2209包括第一和第二三角形部分2213，其連接到第一和第二水平部分2215的對應末端，後者乃沿著饋給元件2208之垂直發送線2212的相對側。
如圖21所示，短路元件貼片2228添加到第二短路元件2210以達成較好的阻抗匹配。短路元件貼片2228可以縮短訊號的電路徑並且改變在低頻帶之第一共振的天線阻抗。短路元件貼片2228可以包括導線，其提供在短路元件2210的印刷電路板(PCB)2229上。
天線接地平面2204可以包括長的開放端狹縫2230以改善阻抗匹配而在VSWR上提供改善的邊界。在天線接地平面2204上也有小的狹 縫以產生短路元件2211，其可以從天線接地平面2204彎曲而不添加額外的天線零件，並且可以對天線2200的射頻(RF)功效沒有任何效應。
如圖19和20所示，饋給元件2208包括向上突出部分2240，其可以經由焊料接合而軟焊到水平饋給貼片2214。垂直發送線2212的下部2242可以軟焊到同軸纜線2216。延伸接地平面2220的下部2244(譬如導線……)可以經由焊料接合而軟焊到天線接地平面2204。高頻帶元件2209和延伸接地平面2220可以藉由蝕刻PCB 2218而界定。舉例而言，高頻帶元件2209和延伸接地平面2220可以蝕刻在披覆了銅或其他適合材料(譬如每平方英尺披覆一盎司的銅(等於差不多35微米的厚度)……)的PCB 2218上。
如圖21和22所示，短路元件2210包括向上突出部分2246，其可以經由焊料接合而軟焊到輻射貼片元件2202。短路元件貼片2228的下部2248可以經由焊料接合而軟焊到天線接地平面2204。短路元件貼片2228可以藉由蝕刻PCB 2229而界定。舉例而言，短路元件貼片2228可以蝕刻在披覆了銅或其他適合材料(譬如每平方英尺披覆一盎司的銅(等於差不多35微米的厚度)……)的PCB 2229上。
圖24顯示區域2250、2254、2258，其可以經由焊料接合而軟焊到饋給元件2208的PCB 2218、天線接地平面2204的短路元件2211、短路元件2210的PCB 2229。更特定而言，饋給元件2208的饋給貼片2214和PCB 2218可以經由焊料接合而軟焊在部分2240(圖20)和2250(圖24)之間。天線接地平面2204的短路元件2211和輻射貼片元件2202可以經由焊料接合而軟焊在短路元件2211的上部(圖17)和部分2254(圖24)之間。短路元件2210和輻射貼片元件2202可以經由焊料接合而軟焊在部分2246(圖22) 和部分2258(圖24)之間。
如圖16所示，同軸纜線2216(譬如終結為SMA公連接器或RTNC公連接器的2英尺長同軸纜線……)電連接到饋給元件2208的饋給點2206。同軸纜線2216也可以接地成相鄰於或靠近饋給點2206。舉例而言，同軸纜線2216的內導體可以軟焊到垂直發送線2212的下部2242，而同軸纜線2216的外絞線可以軟焊到與接地平面2204一體成形或所界定(譬如壓印……)的特色2262(譬如纜線支架或接地點……)，如圖16所示。同軸纜線2216從饋給點2206接出來並且通過接地平面2204中的狹縫或開口2230。同軸纜線2216然後通過導電(譬如鋁、其他金屬……)安裝件2268。
圖25到35提供圖16~18所示之天線2200的測量結果。僅為了示範而不是為了限制才提供圖25和35所示的這些結果。
更特定而言，圖25是範例性線圖，其示範由圖16~18之範例性天線2200所測量的VSWR對頻率。一般而言，圖25顯示天線2200對於從約698百萬赫茲到約960百萬赫茲和從約1710百萬赫茲到約2700百萬赫茲的操作頻寬來說可操作成具有比較好的VSWR。
圖26到35示範天線2200之多樣的輻射圖案。更特定而言，圖26到35分別示範在698百萬赫茲、880百萬赫茲、960百萬赫茲、1710百萬赫茲、1950百萬赫茲、2170百萬赫茲、2700百萬赫茲頻率的輻射圖案之方位角平面(在左邊)和Φ 0°平面(在右邊)的共同極化分量和交越極化分量(虛線)。一般而言，圖26到35示範接近水平面的輻射圖案而可以識別為垂直極化天線。
在此揭示而包括輻射貼片元件、天線接地平面、饋給元件、 短路元件……的天線系統可以有任何適合的尺寸(譬如高度、直徑……)。天線系統之每個構件的尺寸可以基於特殊規格、想要的結果……來決定。舉例而言，在此揭示之饋給元件的高度可以決定成致使可以實質達成高頻帶中的阻抗匹配。
附帶而言，天線系統之每個構件的形狀可以是任何適合的形狀。舉例而言，輻射貼片元件、饋給元件、短路元件……可以是方形、橢圓形、五邊形……，此視形狀的可製造性、成本效益、特殊規格、想要的結果……而定。
此外，雖然在此揭示的天線系統顯示成包括一個天線、二個天線或四個天線，但是可以採用任意數目的天線，而不偏離本揭示。舉例而言，天線系統可以包括三個天線、五個或更多個天線……。
在此揭示之天線系統的範例性實施例可以適合廣泛的應用，譬如使用多於一個天線的應用，例如LTE/4G應用、車輛天線系統和/或基礎建設天線系統(譬如客戶場所設備(customer premises equipment，CPE))、終端站、中央站、建築內的天線系統……)。在此揭示的天線系統可以建構成使用作為全向性多重輸入多重輸出(multiple input multiple output，MIMO)或單一輸入單一輸出(single input single output，SISO)天線，雖然本揭示的諸多方面並不僅限於全向性天線和/或MIMO或SISO天線。在此揭示的天線系統可以實施在電子裝置裡，例如機器對機器(machine to machine，M2M)、車輛、建築內的單元……。於該情形，內部天線構件典型而言會是在電子裝置殼罩內部而由它所覆蓋。舉另一範例，天線系統可以改為容罩在雷達罩裡，其可以具有低輪廓。於後者的情形，內部天線構件會容罩在 雷達罩裡而由它所覆蓋。據此，在此揭示的天線系統不應受限於任何一種特殊的末端用途。
提供了範例性實施例，如此則本揭示將是徹底完全的，並且將完整傳達範圍給熟於此技藝者。列出了許多特定的細節，例如特定構件、裝置和方法的範例，以提供對本揭示之實施例的徹底理解。熟於此技藝者將明白不須採用特定的細節、範例性實施例可以採取許多不同的形式來實現、也不應解讀成限制本揭示的範圍。於某些範例性實施例，沒有詳述熟知的過程、熟知的裝置結構、熟知的科技。附帶而言，只是為了示範而提供本揭示之一或更多個範例性實施例所可以達成的優點和改善，並且不限制本揭示的範圍，因為在此揭示的範例性實施例可以提供上述優點和改善的全部或全無而仍落於本揭示的範圍裡。
在此揭示的特定數字維度和數值、特定材料和/或特定形狀本質上是範例性的並且不限制本揭示的範圍。對於給定參數而在此揭示的特殊數值和特殊數值範圍並不排除可以用於在此揭示之一或更多個範例的其他數值和數值範圍。再者，設想到對於在此所述之特定參數的任何二個特殊數值可以界定可以適合給定參數的數值範圍終點(亦即對於給定參數而揭示的第一數值和第二數值可以解讀成揭示了給定參數也或可採用在第一和第二數值之間的任何數值)。舉例而言，如果參數X在此舉例為具有數值A並且也舉例為具有數值Z，則設想到參數X可以具有從約A到約Z的數值範圍。類似而言，設想到對於參數而揭示了二或更多個數值範圍(不論此種範圍是套疊、重疊或明確區分的)則涵括了或可使用揭示的範圍終點而主張之數值範圍的所有可能組合。舉例而言，如果參數X在此舉例為具有1~10 或2~9或3~8的數值範圍，則也設想到參數X可以具有其他的數值範圍，包括1~9、1~8、1~3、1~2、2~10、2~8、2~3、3~10、3~9。
在此所用的辭彙只是為了描述特殊的範例性實施例，並且不打算是限制性的。如在此所用，單數形式「一」和「該」可以打算也包括複數形式，除非上下文明確另有所指。「包括」、「包含」、「含有」、「具有」等詞是涵括性的，因此指定存在了所述的特色、事物、步驟、操作、元件、和/或構件，但不排除存在或添加了一或更多個其他特色、事物、步驟、操作、元件、構件和/或其群組。在此所述的方法步驟、過程和操作不是要解讀成必然需要呈所討論或示範之特殊次序的功效，除非特定識別為該功效的次序。也要了解可以採用額外或替代的步驟。
當元件或層稱為是「在……上」、「接合於」、「連接到」或「耦合於」另一元件或層時，它可以直接在另一元件或層上、直接接合、連接或耦合於另一元件或層，或者可以存在中介元件或層。相對而言，當元件稱為是「直接在……上」、「直接接合於」、「直接連接到」或「直接耦合於」另一元件或層時，可以不存在中介元件或層。用於描述元件之間關係的其他語詞應以類似方式來解讀(譬如「……之間」對「直接在……之間，」、「相鄰於」對「直接相鄰於」……)。如在此所用，「和/或」一詞包括一或更多個所列關聯項目之任何和所有的組合。
「約」一詞當應用於數值時是指計算或測量允許數值有一些輕微的不精確(有些接近該精確數值；差不多或合理的靠近該數值；幾乎)。如果因為某種原因致使「約」所提供的不精確不是在此技藝中以這普通的意義來理解，則如在此所用的「約」是指至少可以由普通測量方法或使用此種 參數所引起的變化。舉例而言，可以在此使用「一般而言」、「約」、「實質」等用詞以意謂在製造容限裡。
雖然可以在此使用第一、第二、第三……等用語以描述多樣的元件、構件、區域、層和/或區段，但是這些元件、構件、區域、層和/或區段不應受限於這些用語。這些用語可以僅用於分辨某一元件、構件、區域、層或區段與另一區域、層或區段。例如「第一」、「第二」和其他數字用語當用於此時不暗示順序或次序，除非上下文明確指出。因此，下面討論的第一元件、構件、區域、層或區段或可稱為第二元件、構件、區域、層或區段，而不偏離範例性實施例的教導。
可以為了容易敘述而在此使用例如「內」、「外」、「底下」、「之下」、「下」、「之上」、「上」和類似的空間關係用語以描述圖中示範之某一元件或特色對別的(多個)元件或(多個)特色的關係。除了圖中所示的指向以外，空間關係用語還可以打算涵蓋裝置在使用或操作時的不同指向。舉例而言，如果圖中的裝置翻轉過來，則描述成在其他元件或特色「之下」或「底下」的元件則會指向成在其他元件或特色「之上」。因此，範例性用語「之下」可以涵蓋之上和之下二種指向。裝置可以做別的指向(旋轉90度或在其他指向)，並且據此解讀在此所用的空間關係描述詞。
已經為了示範和敘述而提供實施例的前面敘述。它不打算是窮盡的或限制本揭示。特殊實施例之個別的元件、所打算或所述的用途、或特色一般而言不限於該特殊實施例，而是在可適用時是可互換的並且可以用於所選擇的實施例，即使未特定顯示或描述。它們也可以採取許多方式來變化。此種變化不是要視為偏離本揭示，並且所有此種修改打算包括 在本揭示的範圍裡。
100‧‧‧天線
102‧‧‧輻射貼片元件
104‧‧‧天線接地平面
106‧‧‧饋給點
108‧‧‧饋給元件
110‧‧‧短路元件
114‧‧‧水平饋給貼片
116‧‧‧同軸探針
122‧‧‧L形狹縫
124‧‧‧主動全球定位衛星(GPS)天線
126‧‧‧隔離器

Claims (13)

  1. 一種天線，其包括：輻射貼片元件，其具有環狀矩形；天線接地平面，其與該輻射貼片元件隔開；饋給元件，其將該輻射貼片元件電耦合於饋給點，該饋給元件包括垂直發送線和水平饋給貼片；以及至少二個短路元件，其將該輻射貼片元件電耦合於該天線接地平面；其中該水平饋給貼片和該輻射貼片元件之間的間隙載有空氣和/或介電質基板。
  2. 如申請專利範圍第1項的天線，其中該天線至少可操作在從約698百萬赫茲到約960百萬赫茲的第一頻率範圍裡和從約1710百萬赫茲到約2170百萬赫茲的第二頻率範圍裡。
  3. 如申請專利範圍第1項的天線，其中該天線至少可操作在從約698百萬赫茲到約960百萬赫茲的第一頻率範圍裡和從約1710百萬赫茲到約2700百萬赫茲的第二頻率範圍裡。
  4. 如申請專利範圍第1項的天線，其中該饋給元件包括高頻帶元件，其在約2700百萬赫茲可操作成近接短路單極。
  5. 如申請專利範圍第1項的天線，其中該饋給元件包括高頻帶元件，其可操作成激發該第二頻率範圍的較高邊緣。
  6. 如申請專利範圍第4或5項的天線，其中：該饋給元件包括印刷電路板；以及該高頻帶元件包括在該饋給元件之該印刷電路板上的導線。
  7. 如申請專利範圍第1到5項中任一項的天線，其中該饋給元件經由近接耦合而電耦合於該輻射貼片元件。
  8. 如申請專利範圍第1到5項中任一項的天線，其中該垂直發送線的位置乃偏移朝向該饋給元件之該水平饋給貼片的一端。
  9. 如申請專利範圍第1到5項中任一項的天線，其中該饋給元件包括印刷電路板(PCB)，其具有在第一側上的該垂直發送線和在相對於該第一側之第二側上的延伸接地平面。
  10. 如申請專利範圍第1到5項中任一項的天線，其中：該等短路元件中的至少一者包括短路元件貼片，其建構成改善阻抗匹配；以及/或者該天線接地平面包括開放端狹縫，其建構成改善阻抗匹配。
  11. 一種天線，其包括：輻射貼片元件，其具有環狀矩形；天線接地平面，其與該輻射貼片元件隔開；饋給元件，其電耦合於該輻射貼片元件；以及至少二個短路元件，其將該輻射貼片元件電耦合於該天線接地平面；其中：該饋給元件包括垂直發送線及高頻帶元件；以及該高頻帶元件包括第一和第二三角形部分，其連接到第一和第二水平部分的對應末端，後者乃沿著該饋給元件之該垂直發送線的相對側。
  12. 一種天線，其包括：輻射貼片元件，其具有環狀矩形； 天線接地平面，其與該輻射貼片元件隔開；饋給元件，其將該輻射貼片元件電耦合於饋給點，該饋給元件包括垂直發送線和水平饋給貼片；以及至少二個短路元件，其將該輻射貼片元件電耦合於該天線接地平面；其中該饋給元件的該水平饋給貼片包括至少二個L形狹縫或至少二個漸縮L形狹縫，其建構成延伸該天線之高頻帶的電長度。
  13. 如申請專利範圍第12項的天線，其中該水平饋給貼片和該輻射貼片元件之間的間隙載有介電質和/或填充空氣的基板。
TW104142069A 2014-12-16 2015-12-15 具有近接耦合式環狀矩形貼片的天線系統 TWI612726B (zh)

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