TWI617097B

TWI617097B - S-ring resonant monopole antenna

Info

Publication number: TWI617097B
Application number: TW105114421A
Authority: TW
Inventors: Li-Ying-Ji Zhao
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2018-03-01
Also published as: TW201740617A

Abstract

本發明提出一種多頻帶(本模擬實施例操作在2.45GHz、5.20GHz和5.80GHz頻帶，其尺寸為15*30mm)且適用於各種無線通訊裝置之小型天線架構。本發明所提出天線架構，是採用一個單饋入分叉S環形單極天線以達到整個天線架構(包含單極天線、環形、S形、倒L形微帶線地線)縮小化之目的，並且依據本發明所提出的平面式之小型裂口環形共振(SRR)原理之單極天線設計方法，可以利用便宜的電路板來製作實現，而且模擬實施量測後之頻寬與增益相較於大尺寸天線毫不遜色。

Description

S環形共振單極天線

本發明係一種關於天線架構，尤其是以一種採用微帶線饋線平面式之小型裂口環形共振(SRR)單極天線架構原理，實踐單饋入分叉之S環形單極天線。

目前已知作法包括使用屬於環形鑲崁金屬負載子(metallic loadings)之裂口環形天線(SRA)設計(使用三環形疊構雙饋入單極天線)或是單(或雙)饋入分叉環狀疊構單極天線設計，卻不是裂口環形共振(SRR)單極天線設計；另外一種，補償性裂口環形共振(CSRR)PATCH天線設計，因為它是一種補償性，也是一種PATCH天線，所以與本發明S環形裂口環形共振單極天線設計具有極大差異；唯有本發明才能達到可塑性高、體積小、效能佳且頻帶寬之裂口環形共振單極天線設計。

本發明主要目的是提出適用多頻段，如本模擬實施例，可用於2.45GHz、5.20GHz、5.80GHz附近的微波頻段、但其效能極佳的小型天線架構。

本發明目的之一，是提出一種只需要利用便宜電路基板即可實現小型天線，而不需要用到三維結構方式，也不需要進行鑽孔等機械加工，或是低溫共燒複雜製程之技術。

進行上述之目的，本發明採用是微帶線饋線單極裂口環形共振天線之平面天線架構。此一架構可以經由單純實施於一般FR4電路基板，採用單極裂口環形共振天線，致使本發明的天線總長度約可縮小到約為波長的二分之一，經模擬實施例量測後，依據本發明的小尺寸天線仍然可以達到大尺寸天線之效能。

第1a圖係依據本發明之較佳模擬實施例以中心頻率為2.5GHz，而其-10dB頻寬約為340MHz(12~13%)，第1b、1c圖則是同一模擬實施例在2.5GHz，經由模擬量測Y-Z、以及X-Z平面之輻射場型圖。經由第1b圖(2.5GHz ψ=0°)可以看出，本模擬實施例在H平面(意即X-Z平面)輻射場型圖相當均勻，其最大增益約為4.12dBi。

第1a圖係依據本發明之較佳模擬實施例以中心頻率為5.16GHz，而其-10dB頻寬約為1020MHz(19~20%)，第1d、1e圖則是同一模擬實施例在5.16GHz，經由模擬量測Y-Z、以及X-Z平面之輻射場型圖。經由第1d圖(5.16GHz ψ=0°)可以看出，本模擬實施例在H平面(意即X-Z平面)輻射場型圖尚屬均勻，其最大增益約為2.80dBi。

第1a圖係依據本發明之較佳模擬實施例以中心頻率為5.76GHz，而其-10dB頻寬約為1020MHz(19~20%)，第1f、1g圖則是同一模擬實施例在5.76GHz，經由模擬量測Y-Z、以及X-Z平面之輻射場型圖。經由第1f圖(5.76GHz ψ=0°)可以看出，本模擬實施例在H平面(意即X-Z平面)輻射場型圖尚屬均勻，其最大增益約為2.76dBi。

本發明配合所附圖示、模擬實施例之詳細說明及申請專利範圍，將上述及本發明之其他目的與優點詳述於後。然而，當可了解所附圖示純係為解說本發明之精神而設，不當視為本發明範疇之定義。有關本發明範疇之定義，請參照所附之申請專利範圍。

第(2b)圖。

10‧‧‧電路基板

20‧‧‧單極天線

22‧‧‧單極天線饋入端

24‧‧‧單極天線基座端

30‧‧‧環形

40‧‧‧S形

50‧‧‧倒L形微帶線地線

52‧‧‧倒L形微帶線接地線饋入端

54‧‧‧倒L形微帶線地線延伸端

Lm1~2‧‧‧單極天線各段長度

d1~d3‧‧‧單極天線寬度

Lr1‧‧‧環形外環直徑長度

Wc‧‧‧環形寬度

d4‧‧‧環形裂口寬度

d5‧‧‧環形尾端寬度

Lr2‧‧‧S形外環直徑長度

Ws‧‧‧S形寬度

d6‧‧‧S形裂口寬度

d7‧‧‧環形上裂口寬度

d8‧‧‧環形下裂口寬度

d9‧‧‧環形與S形間隙寬度

Lo1~2‧‧‧倒L形微帶線地線各段長度

Wo‧‧‧倒L形微帶線地線寬度

第1a圖係依據本發明之較佳模擬實施例之S11反射係數之頻率響應圖。

第1b圖係第1a圖同一模擬實施例在2.5GHz實施之X-Z平面之輻射場型。

第1c圖係第1a圖同一模擬實施例在2.5GHz實施之Y-Z平面之輻射場型。

第1d圖係第1a圖同一模擬實施例在5.16GHz實施之X-Z平面之輻射場型。

第1e圖係第1a圖同一模擬實施例在5.16GHz實施之Y-Z平面之輻射場型。

第1f圖係第1a圖同一模擬實施例在5.76GHz實施之X-Z平面之輻射場型。

第1g圖係第1a圖同一模擬實施例在5.76GHz實施之Y-Z平面之輻射場型。

第2a圖係依據本發明之較佳模擬實施之示意圖。

第2b圖係依據本發明之較佳模擬實施之單極天線、環形、S形和倒L形微帶線地線之詳細示意圖。

本發明是採用一種由微帶線激發的平面式單極天線。這種以微帶線饋入方式的平面單極天線具有重量輕、尺寸小、製作單純、以及容易貼附整合的優點。

首先請參考第2a圖，該圖係本發明之較佳實施之單極天線之示意圖。本模擬實施例係於一FR4電路基板(板厚1.6mm)之電路基板10饋入點延伸之單極天線20。單極天線20具有一端單極天線饋入端22與另一端單極天線基座端24之架構，這種架構可以使得單極天線20的總長度小於天線所設計頻段之中心波長的四分之一。在以2.45GHz的單極天線20的總長度可以小於30mm，和以5.8GHz的單極天線20的總長度可以小於13mm。而為了進一步縮小天線的尺寸，本模擬實施例將單極天線20固定一個基座增加饋入面積如第2a圖所示基座形狀。單極天線20延伸連接環形30，其環形30以留有間隙方式繼續包覆具有兩裂口之雙半圓S形40，另一方位之電路基板10接地線延伸之倒L形微帶線地線50具有一端由倒L形微帶線接地線饋入端52與另一端倒L形微帶線地線延伸端54，再延伸進入環形30之裂口連接S形40，這種架構可以使得環形30之單一裂口，分離成為具有兩個獨立裂口。

接著請再參考第2b圖，在本模擬實施例裡，單極天線各段長度，Lm1=11mm、Lm2=6mm，基座寬度d1=3.4mm、d2=3mm和d3=1.6mm。請注意到，本發明單極天線20基座並非固定尺寸形狀(非限於直角矩形)，而且用於調整高低頻頻帶與天線效能。本模擬實施例在電路基板連接單極天線20基座之環形30，在本模擬實施例裡，環形30各段長度，環形外環直徑長度Lr1=12mm，環形寬度Wc=0.3mm，環形裂口總寬度d4=3.45mm，由倒L形微帶線地線50所隔開，上環形裂口寬度d7=1.40mm，下環形裂口寬度d8=1.75mm，環形尾端寬度d5=0.68mm，S形40各段長度，S形外環直徑長度Lr2=10.8mm，S形寬度Ws=0.3mm，S形各裂口寬度d6=0.3mm，環形與S形間隙寬度d9=0.3mm，倒L形微帶線地線50各段長度，Lo1=12.15mm、 Lo2=1.7mm，倒L形微帶線地線寬度Wo=0.3mm。請注意到，本發明環形30並非固定尺寸形狀(非限於環形)，本模擬實施例S形是雙半圓形內環，中間橫貫中隔線形，形成兩個對稱腔，S形40具有一對半圓形內環封閉帶，並非固定尺寸形狀(非限於半圓形，可以是兩對稱矩形、梯形、橢圓形等)，在彼此對面端各有一個裂口；利用兩個內外環間隙d9，和倒L形微帶線地線50橫貫環形30與S形40相連形成上下環形裂口各寬度d7和d8，並與S形各半圓裂口形成雙裂口共振結構，並且產生電磁極矩(單裂口電荷會產生電偶極矩反而消弱電磁極矩)。

藉由以上較佳具體模擬實施例之詳細敘述與表達，係希望能夠更清楚描述本創作之特徵與精神，並非僅以上述所揭露的較佳具體模擬實施來對本創作之範疇而加以限制，相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具備相等性之安排於本創作所欲申請專利範疇內。

Claims

一種小型平面式單極天線架構，係位於電路基板上，用微帶線以收發微波頻段訊號，架構單極天線，環形，倒L形微帶線地線和S形至少包含：一單極天線，又稱極身，係包含一單極天線饋入端，一單極天線基座端；其中，單極天線饋入端，位於電路基板，相對於接地面相反面，具有一第一長度、一第一寬度，係由導體所構成，其前端，單極天線饋入端，具有一第一位置，係電流饋入，相對後端，具有一第二位置；其中，單極天線基座端，位於電路基板，相對於極身相同面，具有一第二長度、一第二寬度，係由導體所構成，其前端，與單極天線極身第二位置相連，蓄電流，相對後端，單極天線基座端，具有一第三位置；一環形，位於電路基板，相對於極身相同面，環形外部直徑具有一第三長度、環形線路寬度具有一第三寬度，係由導體所構成，其前端，與基座第三位置相連，係環形左右旋分叉弧形線路起點，誘導環形左右旋分叉弧形建立電流線路，相對後端，環形裂口，具有一第四位置；一倒L形微帶線地線，係包含一倒L形微帶線地線饋入端，一倒L形微帶線地線延伸端，兩者垂直並相連；其中，倒L形微帶線地線饋入端，位於電路基板，相對於極身相同面，倒L形微帶線地線饋入端具有一第四長度、一第四寬度，係由導體所構成，其前端，倒L形微帶線地線饋入端，具有一第五位置，係地線饋入點，由饋入點取得接地，相對後端，具有一第六位置；其中，倒L形微帶線地線延伸端，位於電路基板，相對於極身相同面，倒L形微帶線地線延伸端具有一第五長度、一第五寬度，係由導體所構成，其前端，垂直與倒L形微帶線地線饋入端第六位置相連，建立地線線路，相對後端，倒L形微帶線地線延伸端，具有一第七位置；一S形，位於電路基板，相對於極身相同面，S形外部直徑具有一第六長度、S形線路寬度具有一第六寬度，中間共用線通過圓心，係由導體所構成，其前端，與該倒L形微帶線地線延伸端第七位置相連，相對後兩端，S形對稱雙半圓形各有裂口，S形上半圓裂口接近環形裂口，具有一第八位置，另外S形下半圓裂口，具有一第九位置，該兩裂口位於S形兩半圓身相互對稱位置，S形懸浮被包覆在該環形內。
如申請專利範圍第1項所述之小型平面式單極天線架構，其中，該環形包覆S形，中間留有一很小間隙，其外環結構具有至少一個裂口。
如申請專利範圍第1項所述之小型平面式單極天線架構，其中，該S形具有二個相等相連半圓內環封閉帶結構(非限於半圓形，可以是兩對稱矩形、梯形、橢圓形等)，在彼此對面端各具有一個裂口。
如申請專利範圍第1項所述之小型平面式單極天線架構，其中，該S形對稱雙半圓形，中間分隔一共用線，形成兩個共振腔體，銜著倒L形接地，形成被懸浮於環形內S形隔離器，適合多輸入多輸出天線，該環形線路建立等效電感特性，環形包覆S形，中間留有一很小間隙，環形環身內面為耦合面，則為一個分佈式電容，係為電容負載機構。
如申請專利範圍第1項所述之小型平面式單極天線架構，其中，該倒L形微帶線地線延伸至S形，倒L形微帶線地線分隔環形裂口成上下兩裂口，金屬環可視為電感，裂口產生電容，金屬環電感和裂口電容組成共振電路，提供具有強力電磁極矩的S形對稱雙裂口共振結構。
如申請專利範圍第1項所述之小型平面式單極天線架構，其中，從極身基座延伸，環形與S形(對稱雙半圓形)雙裂口共振，細縮長度的環形左右旋分叉弧形線路，窄細縮小化長度為頻率調整高低頻帶，細縮面積的環形低頻弧形線路尾端，窄細縮小化面積為頻率調整頻寬效能。