TWI617092B

TWI617092B - 天線單元及天線系統

Info

Publication number: TWI617092B
Application number: TW105111886A
Authority: TW
Inventors: 吳建逸; 吳朝旭; 李亞峻; 黃士耿; 張家齊
Original assignee: 和碩聯合科技股份有限公司
Priority date: 2016-04-15
Filing date: 2016-04-15
Publication date: 2018-03-01
Also published as: TW201737556A; EP3232508B1; US10361475B2; US20170301978A1; EP3232508A1

Abstract

本揭露文件係揭露一種天線單元。天線單元具有第一金屬部、連接於第一金屬部之一側之第二金屬部、連接於第一金屬部且位於相對於第二金屬部的另一側之第三金屬部、設置於第二金屬部之饋入點、以及第一接地端和第二接地端，其中饋入點、第一接地端和第二接地端係呈直線排列，且第一金屬部的形狀相對於饋入點、第一接地端和第二接地端為鏡像對稱。

Description

天線單元及天線系統

本揭露文件係關於一種天線，特別係關於一種多頻天線。

無線寬頻路由器(router)、無線接取器(AP)等產品在現代已十分普及，而傳統無線區域網路或使用802.11a/b/g/n協定橋接點天線多以外露式之偶極(Dipole)天線結構為主，如習知具有多迴圈之多輸入多輸出(multi-input multi-output；MIMO)天線模組，以WIFI 2.4G天線及WIFI 5G天線交錯配置。其中一種常見的天線輻射場型為全向性(Omni-Directional)，當多組天線以陣列方式配置時，多組天線之間的輻射場型彼此可能互相干擾。

在本揭露文件之一技術態樣中提出一種天線單元，天線單元包括第一金屬部、第二金屬部、第三金屬部、饋入點、第一接地端以及第二接地端。第二金屬部連接於第一金屬部之一側。第三金屬部連接於第一金屬部且位於相對於第二金屬部的另一側。饋入點設置於第二金屬部。饋入點、第一接地端和第二接地端係呈直線排列，而第一金屬部的形狀相對於饋入點、第一接地端和第二接地端為鏡像對稱。

在本揭露文件之一技術態樣中提出一種天線系統，天線系統包含天線陣列，天線陣列包含複數個天線單元。每一天線單元各自具有指向性天線場型。天線單元環繞一中心點設置且使指向性天線場型分別由中心點朝外延伸。每一天線單元各自包含第一金屬部、第二金屬部、第三金屬部、饋入點、第一接地端、第二接地端。第二金屬部連接於第一金屬部之一側。第三金屬部連接於第一金屬部且位於相對於第二金屬部的另一側。饋入點設置於第二金屬部。饋入點、第一接地端和第二接地端係呈直線排列，而第一金屬部的形狀相對於饋入點、第一接地端和第二接地端為鏡像對稱。

100、300、400、A1~A6‧‧‧天線單元

110、310、410‧‧‧金屬部件

120、320、420‧‧‧槽道

130、430‧‧‧第一基板

140、440‧‧‧第二基板

150、450‧‧‧第三基板

160、460‧‧‧同軸傳輸線

170、470‧‧‧接地面

600‧‧‧天線系統

610‧‧‧基底

W1‧‧‧槽道寬度

R1、R2‧‧‧半徑

M1‧‧‧第一金屬部

M2‧‧‧第二金屬部

M3‧‧‧第三金屬部

M4‧‧‧第四金屬部

F1‧‧‧饋入點

S1‧‧‧第一接地端

S2‧‧‧第二接地端

S3‧‧‧第三接地端

L1‧‧‧直線

D1、D2‧‧‧排列方式

第1圖為本揭露文件之一實施例之天線單元上視圖。

第2圖為本揭露文件之一實施例之天線單元側視圖。

第3圖為本揭露文件之一實施例之天線單元上視圖。

第4圖為本揭露文件之一實施例之天線單元上視圖。

第5圖為本揭露文件之一實施例之天線單元側視圖。

第6A圖為本揭露文件之一實施例之天線系統架構上視圖。

第6B圖為本揭露文件之一實施例之天線系統架構示意圖。

第7圖繪示本揭露文件之一實施例之天線系統的天線排列方式。

下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，但所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用來限定本發明，而結構操作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發明揭示內容所涵蓋的範圍。此外，附圖僅僅用以示意性地加以說明，并未依照其真實尺寸進行繪製。

請參閱第1圖，其繪示根據本揭示文件一實施例中天線單元100的示意圖。如圖所示，天線單元100包括金屬部件110及第一基板130。於一實施態樣中，天線單元100採用平板天線設計。於部份實施例中，第一基板130可為塑料元件。

如第1圖所示，金屬部件110可分為第一金屬部M1、第二金屬部M2及第三金屬部M3。金屬部件110的主要本體為第一金屬部M1，於此實施例中，第一金屬部M1本身為具有對稱性之結構。於第1圖的例子中，第一金屬部M1由半徑R1之一半圓以及半徑R2之另一半圓兩者組合而成，於此例中，半徑R1相異於半徑R2，使第一金屬部M1形成如第1圖所示的對稱形狀。但本揭示文件並不此為限，於其他實施例中，半徑R1亦可相等於半徑R2，則第一金屬部M1大致為圓型。

第二金屬部M2和第三金屬部M3分別為連接於第一金屬部M1兩側的凸出部分。具體而言，第二金屬部M2連接於第一金屬部M1之一側(於此例中為在第1圖中的第一金屬部M1左下方)。而第三金屬部M3則連接於第一金屬部M1的另一側(於此例中為在第1圖中的第一金屬部M1右上方)，且第三金屬部M3的位置相對於第二金屬部M2。

第二金屬部M2設有饋入點F1。第一金屬部M1設有第一接地端S1。第二接地端S2設置於第三金屬部M3或於第一金屬部M1且鄰近第三金屬部M3之位置。應注意的是，饋入點F1、第一接地端S1和第二接地端S2係設於直線L1上，而金屬部件110(也就是第一金屬部M1、第二金屬部M2與第三金屬部M3)的形狀係相對於此直線L1為鏡像對稱。

請一併參閱第2圖，其繪示第1圖中所示之天線單元100的側視圖。如第2圖所示，天線單元100更包含第二基板140及第三基板150。第一基板130用以承載天線單元100本體的金屬部件110，第三基板150下方則連接至接地面170，實際應用中接地面170可以是另一片金屬導板，用以與天線單元100的金屬部件110形成耦合共振，此為平板天線的通訊的基本原理，在此不另贅述。第二基板140設置於第一基板130與第三基板150之間，作為間隔金屬部件110與接地面170的介質基板。

同軸傳輸線160具有訊號正端及訊號負端，饋入點F1電性耦接同軸傳輸線160之訊號正端以接收訊號，而第一接地端S1和第二接地端S2電性耦接至接地面170以與同軸傳輸線160之訊號負端連接。

第一基板130、第二基板140及第三基板150皆可為塑料元件。於第2圖之實施例中，以各自獨立的三片基板組合而成，方便由不同的製程分別製造並加以組裝，但本揭示文件並不以此為限。此外，因天線單元100具有第一基板130、第二基板140及第三基板150，此等基板厚度將造成天線之電感性較高，故可於饋入點F1周圍一間距處置入具有寬度W1之槽道120，可藉由調整槽道120之間距改變電容性來調整天線的阻抗匹配。

於另一實施例中，第一基板130、第二基板140及第三基板150亦可由一體成形的單一介電基板所形成(圖中未示)，並使金屬部件110與接地面170分別設置於單一介電基板的兩側。

於實施應用中，若天線單元100為頻率2.4GHz和5GHz的雙頻天線為例，第一基板130、第二基板140、第三基板150之長寬尺寸大約為35mm*35mm，而厚度依序大約為0.8mm、3.4mm、0.8mm，亦即將天線總厚度設定在5mm，於此應用例中，半徑R1大約為10mm，而半徑R2大約為13mm，當第二接地端S2耦接至接地面170時，天線單元100在頻率5GHz處會產生共振，而第二接地端S2與第一接地端S1同時耦接至接地面170時，天線單元100在頻率2.4GHz和5GHz處皆會產生共振，具有雙頻天線共振的效果。應注意，上述各部件之規格僅為本揭露文件之一實施例子，並非用以限定本發明。上述提到天線單元100的頻率2.4GHz是指在2.4GHz附近的頻帶範圍，實際應用中可大約2.401GHz至大約2.487GHz之間；上述提到天線單元100的頻率5GHz是指在5GHz附近的頻帶範圍，實際應用中可大約4.980GHz至大約5.828GHz之間。

承上述實施例，共振頻率2.4GHz大致是取決於金屬部件110之面積，而共振頻率5GHz大致是取決於金屬部件110沿著直線L1上之長度(即第一金屬部M1、第二金屬部M2、第三金屬部M3沿著直線L1上的總長度)。改變第一接地端S1沿著直線L1在半徑R1之半圓及第二金屬部M2上的位置，可調整共振頻率2.4GHz及其阻抗。而改變第二接地端S2沿著直線L1在半徑R2之半圓及第三金屬部M3上的位置，可調整共振頻率5GHz及其阻抗。

承上述實施例，其中第一金屬部M1並不限定為類圓形或半圓之組合，其亦可為任一以直線L1為中心線之具對稱性的幾何形狀。舉例來說，第一金屬部M1可例如為兩個三角形之組合，請一併參閱第3圖，其繪示根據本揭示文件另一實施例中一種天線單元300的示意圖。

第3圖中，天線單元300包含金屬部件310及承載基板(圖中未示)。金屬部件310設置於承載基板上，承載基板另一側設置有接地面(圖中未示)以及埋設於承載基板中的同軸傳輸線(圖中未示)，上述設置相似並可參考前述第1圖及第2圖的實施例內容，於此不另贅述。天線單元300的金屬部件310包括第一金屬部M1、第二金屬部M2、第三金屬部M3。第二金屬部M2設有饋入點F1。第一金屬部M1設有第一接地端S1。第二接地端S2設置於第三金屬部M3或於第一金屬部M1且鄰近第三金屬部M3之位置。體入點F1周圍設置有槽道320。饋入點F1、第一接地端S1和第二接地端S2係設於直線L1上，而金屬部件310的形狀係相對於此直線L1為鏡像對稱。於此實施例中，共振頻率2.4GHz大致是取決於金屬部件310之面積，而共振頻率5GHz大致是取決於金屬部件310沿著直線L1上之長度(即第一金屬部M1、第二金屬部M2、第三金屬部M3沿著直線L1上的總長度)。

也就是說，天線單元的金屬部件並不限於包含兩個半圓所組成的第一金屬部M1(如第1圖所示)，也可以是，包含由兩個三角型所組成的第一金屬部M1(如第3圖所示)，或是可以包含具對稱性的其他幾何形狀的第一金屬部。

於本揭露文件之又一實施例中，天線單元更可具有第四金屬部，如第4圖所示，其繪示本揭露文件之一實施例之天線單元400之上視圖。天線單元400包括金屬部件410及第一基板430，其中第一基板430可為塑料元件。此外，金屬部件410可分為第一金屬部M1、第二金屬部M2、第三金屬部M3及第四金屬部M4。具體而言，第二金屬部 M2連接於第一金屬部M1之一側，而第三金屬部M3則連接於第一金屬部M1且位於相對於第二金屬部M2的另一側，第四金屬部M4與第三金屬部M3相隔一間隙設置，此間隙可例如為0.5mm~1mm。

第二金屬部M2設有饋入點F1；第一金屬部M1設有第一接地端S1；第二接地端S2設置於第三金屬部M3或於第一金屬部M1且鄰近第三金屬部M3之位置；而第四金屬部M4設有第三接地端S3；饋入點F1周圍設置有槽道420。應注意的是，饋入點F1、第一接地端S1、第二接地端S2和第三接地端S3係設於直線L1上，而金屬部件410的形狀係相對於此直線L1為鏡像對稱。

第四金屬部M4及第三接地端S3之設置可增加天線的阻抗頻寬，並改善天線效率及最大增益，更特別的是，可使2.4GHz的輻射場型轉換成前向性輻射，且同時維持5GHz的前向性輻射。

參照圖式第5圖，其繪示天線單元400之側視圖。天線單元400更具有第二基板440及第三基板450，第二基板440及第三基板450皆可為塑料元件，其中第一基板430、第二基板440、第三基板450可為一個基板整體之三部分、或為三個獨立基板。於第三基板450下方附接有一接地面470。同軸傳輸線460具有訊號正端及訊號負端，饋入點F1電性耦接同軸傳輸線460之訊號正端以接收訊號，而第一接地端S1、第二接地端S2和第三接地端S3電性耦接至接地面470以與同軸傳輸線460之訊號負端連接。

於一或多個實施方式中，設第一基板430、第二基板440、第三基板450之長寬大約為35mm*35mm，而厚度依序約為0.8mm、6.4mm、0.8mm，亦即將天線總厚度設定在8mm。其中，因天線單元厚度增加，金屬部件之面積可縮小。此外，設第四金屬部M4與與第三金屬部M3之間的間隙距離g1、g2分別為0.7mm及0.5mm。

當第二接地端S2與第一接地端S1同時耦接至接地面170、而第三接地端S3並未接地時，天線單元100在2.4GHz和5GHz頻率處會同時產生共振，其中2.4GHz為全向性輻射，而5GHz為前向性輻射。當第一接地端S1、第二接地端S2、第三接地端S3皆耦接至接地面170時，2.4GHz及5GHz皆為前向性輻射。應注意，上述各部件之規格僅為本揭露文件之一實施例子，並非用以限定本發明。

於本揭露文件之一實施態樣中，一天線系統被揭露。其中該天線系統包括天線陣列，此天線陣列由複數個如前述實施例所列之雙頻天線單元所構成，例如天線單元100、天線單元300、天線單元400、及其他任何不超出本發明創作精神之天線設計。

參閱第6A、6B圖，第6A、6B圖分別繪示本揭露文件之一實施例之天線系統600之上視圖及結構圖。於此實施例中，天線系統600包括基底610，基底610用以裝設天線單元A1~A6等六支天線，其中第6A圖為天線系統600之上視圖。應注意的是，此僅為本揭露文件之一實施例子，天線系統600亦可包括較少或較多支天線單元，基底610也不必要為第6A圖與第6B圖中所示之六邊形形狀。

天線單元A1~A6之金屬部件係面向外部，並個別兼顧約60度的輻射角度。因使用平板天線設計，各天線單元背向輻射小，故天線系統600之背向輻射可減小，進而降低各支天線單元之間的互相干擾。

參照第7圖，其繪示本揭露文件之天線系統600中的天線的排列方式。將天線系統600中之天線單元A1~A6分別以圖7所列之排列方式D1或排列方式D2進行擺設，亦即，使各相鄰天線單元的極化方向相差90度。其中排列方式D1及排列方式D2僅為本揭露文件之部分實施例子。

在排列方式D1，任兩個相鄰天線單元的極化方向相差90度，天線單元A1與天線單元A2的極化方向相差90度，天線單元A2與天線單元A3極化方向亦相差90度，天線單元A3與天線單元A4極化方向亦相差90度，依此類推。

舉例來說，天線單元A1、A3、A5歸為一組並均具有相同的極化方向(例如水平極化方向)，天線單元A2、A4、A6歸為另一組並均具有另一組相同的極化方向(例如垂直極化方向)。天線單元A1、A3、A5可以分別負責約120度的輻射角度且為水平極化方向的無線收發訊號，而天線單元A2、A4、A6可以分別負責約120度的輻射角度且為垂直極化方向的無線收發訊號。

天線之擺設方式亦可為任何具有相同於本發明之功效的配置。上述擺設方式可使各天線單元分別具有不同的極化方向，因此使天線系統600具有收發各個極化方向訊號的功能。

本揭露文件係揭露一種天線單元，使用例如平板(Patch)天線架構以提升天線之指向性(Directivity)，並可同時降低各天線之間對彼此的干擾程度。具體而言，本揭露文件揭示之天線係可產生雙共振頻率之單一平板天線，具有體積小的特點，一般來說，此雙共振頻率分別為2.4GHz及5GHz頻率。其中，本揭露文件之天線所產生之5GHz共振頻率具有高指向性、效率佳、及背向輻射小的特性，而所產生之2.4GHz共振頻率則具有較好的全向性及廣泛的收訊範圍。

雖然本發明之實施例已揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當以後附之申請專利範圍所界定為準。

Claims

一種天線單元，包含：一第一金屬部；一第二金屬部，連接於該第一金屬部之一側；一第三金屬部，連接於該第一金屬部且位於相對於該第二金屬部的另一側；一饋入點，設置於該第二金屬部；一第一接地端；一第二接地端，其中該饋入點、該第一接地端和該第二接地端係呈直線排列，而該第一金屬部的形狀相對於該饋入點、該第一接地端和該第二接地端為鏡像對稱；一基板元件，包括一頂面及一底面，該第一金屬部、該第二金屬部及該第三金屬部係設置於該頂面上；以及一接地面，設置於該基板元件之該底面上，該第一接地端與該第二接地端分別電性耦接至該接地面。
如請求項1所述之天線單元，其中該第一接地端係設置於該第一金屬部，而該第二接地端係設置於該第三金屬部或於該第一金屬部且鄰近該第三金屬部。
如請求項1所述之天線單元，更包含：一第四金屬部，與該第三金屬部相隔一間隙設置；以及一第三接地端，設置於該第四金屬部。
如請求項1所述之天線單元，更包含：一槽道，環繞該饋入點設置，用以調整該天線單元之阻抗匹配。
如請求項1所述之天線單元，其中該天線單元於該體入點與該第一接地端之間產生一第一共振頻率，該第一共振頻率由該天線單元之面積決定，該天線單元於該饋入點與該第二接地端之間產生一第二共振頻率，該第二共振頻率由該天線單元之長度決定。
如請求項1所述之天線單元，其中該第一金屬部包含一第一半圓部份以及一第二半圓部份，該第一半圓部份、該第二半圓部份、該第二金屬部、及該第三金屬部係呈直線排列。
如請求項1所述之天線單元，其中該第一金屬部包含一第一三角型部份以及一第二三角型部份，該第一三角型部份、該第二三角型部份、該第二金屬部、及該第三金屬部係呈直線排列。
一種天線系統，包含：一天線陣列，包含複數個天線單元，該些天線單元各自具有一指向性天線場型，該些天線單元環繞一中心點設置且使該些指向性天線場型分別由該中心點朝外延伸，其中每一該些天線單元各自包含：一第一金屬部；一第二金屬部，連接於該第一金屬部之一側；一第三金屬部，連接於該第一金屬部且位於相對於該第二金屬部的另一側；一饋入點，設置於該第二金屬部；一第一接地端；一第二接地端，其中該體入點、該第一接地端和該第二接地端係呈直線排列，而該第一金屬部的形狀相對於該饋入點、該第一接地端和該第二接地端為鏡像對稱；一基板元件，包括一頂面及一底面，該第一金屬部、該第二金屬部及該第三金屬部係設置於該頂面上；以及一接地面，設置於該基板元件之該底面上，該第一接地端與該第二接地端分別電性耦接至該接地面。
如請求項8所述之天線系統，其中該複數個天線單元中任兩個相鄰天線單元的極化方向相差90度。