TWI678026B - 天線結構 - Google Patents
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Abstract
一種天線結構,包括:一第一導體層、一第二導體層、一彎折導體層,以及一第一同軸電纜線。該第二導體層具有一第一開孔,其中該第一導體層和該第二導體層之間形成一空腔。該彎折導體層係耦接於該第一導體層和該第二導體層之間,其中該彎折導體層係用於將該空腔分隔為一第一部份和一第二部份。該第一同軸電纜線具有一第一中心導線和一第一導體外殼,其中該第一中心導線係穿過該第一開孔並耦接至該第一導體層上之一第一饋入點,而該第一導體外殼係耦接至該第二導體層。
Description
本發明係關於一種天線結構(Antenna Structure),特別係關於一種寬頻帶(Wideband)、高輻射效率(High Radiation Efficiency)之天線結構。
隨著行動通訊技術的發達,行動裝置在近年日益普遍,常見的例如:手提式電腦、行動電話、多媒體播放器以及其他混合功能的攜帶型電子裝置。為了滿足人們的需求,行動裝置通常具有無線通訊的功能。有些涵蓋長距離的無線通訊範圍,例如:行動電話使用2G、3G、LTE(Long Term Evolution)系統及其所使用700MHz、850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz、2100MHz、2300MHz以及2500MHz的頻帶進行通訊,而有些則涵蓋短距離的無線通訊範圍,例如:Wi-Fi、Bluetooth系統使用2.4GHz、5.2GHz和5.8GHz的頻帶進行通訊。
舉例言之,無線網路基地台(Wireless Access Point)是使行動裝置於室內能高速上網之必要元件。然而,由於室內環境充滿了信號反射和多重路徑衰減(Multipath Fading),無線網路基地台必須能同時處理來自各方向和各種極化之信號。因此,如何於無線網路基地台之有限空間中設計出一種寬頻帶、全向性(Omnidirectional)之天線,已成為現今設計者之一大挑
戰。
在較佳實施例中,本發明提供一種天線結構,包括:一第一導體層;一第二導體層,具有一第一開孔,其中該第一導體層和該第二導體層之間形成一空腔;一彎折導體層,耦接於該第一導體層和該第二導體層之間,其中該彎折導體層係用於將該空腔分隔為一第一部份和一第二部份;以及一第一同軸電纜線,包括一第一中心導線和一第一導體外殼,其中該第一中心導線係穿過該第一開孔並耦接至該第一導體層上之一第一饋入點,而該第一導體外殼係耦接至該第二導體層。
在一些實施例中,該第一導體層之中心點、該第二導體層之中心點,以及該彎折導體層之折線皆排列於同一直線上。
在一些實施例中,該第一同軸電纜線係至少部份平行於該第二導體層。
在一些實施例中,該彎折導體層具有介於10度至350度之間之一第一夾角。
在一些實施例中,該第一饋入點係位於該第一夾角之一角平分面上。
在一些實施例中,該天線結構係涵蓋介於5150MHz至5850MHz之間之一操作頻帶。
在一些實施例中,該第一導體層和該第二導體層之間距係介於該操作頻帶之中心頻率之1/54倍至1/9倍波長之間。
在一些實施例中,該第一導體層呈現一第一圓形。
在一些實施例中,該第二導體層呈現一第二圓形。
在一些實施例中,該第二圓形之半徑係等於該第一圓形之半徑。
在一些實施例中,該第一饋入點和該第一導體層之中心點之間距係介於該第一圓形之該半徑之1/2倍至1倍之間。
在一些實施例中,該第一圓形之該半徑和該第二圓形之該半徑皆介於該操作頻帶之中心頻率之3/20倍至7/20倍波長之間。
在一些實施例中,該第二導體層更具有一第二開孔,而該天線結構更包括:一第二同軸電纜線,包括一第二中心導線和一第二導體外殼,其中該第二中心導線係穿過該第二開孔並耦接至該第一導體層上之一第二饋入點,而該第二導體外殼係耦接至該第二導體層。
在一些實施例中,該第一饋入點和該第二饋入點係分別位於該彎折導體層之相異二側。
在一些實施例中,該彎折導體層更具有一第二夾角,而該第二饋入點係位於該第二夾角之一角平分面上。
在一些實施例中,該第一夾角和該第二夾角之總和為360度。
在一些實施例中,該第二饋入點和該第一導體層
之中心點之間距係介於該第一圓形之該半徑之1/2倍至1倍之間。
在一些實施例中,該第二導體層呈現一正方形。
在一些實施例中,該正方形之每邊長至少為該第一圓形之半徑之2倍以上。
在一些實施例中,該天線結構更包括:一反射導體層,鄰近於該第二導體層,其中該第二導體層係介於該第一導體層和該反射導體層之間,該反射導體層呈現一正方形且該正方形之每邊長至少為該第一圓形之該半徑之2倍以上。
100、500、600、700‧‧‧天線結構
110‧‧‧第一導體層
120、520、620‧‧‧第二導體層
125、525、625‧‧‧第一開孔
130‧‧‧彎折導體層
140‧‧‧空腔
141‧‧‧空腔之第一部份
142‧‧‧空腔之第二部份
150‧‧‧第一同軸電纜線
151‧‧‧第一中心導線
152‧‧‧第一導體外殼
161、162‧‧‧角平分面
191‧‧‧第一信號源
192‧‧‧第二信號源
526‧‧‧第二開孔
560‧‧‧第二同軸電纜線
561‧‧‧第二中心導線
562‧‧‧第二導體外殼
770‧‧‧反射導體層
CP1、CP2、CP3‧‧‧中心點
D1、r1、r2‧‧‧間距
FB1‧‧‧操作頻帶
FP1‧‧‧第一饋入點
FP2‧‧‧第二饋入點
L1、L2‧‧‧邊長
R1、R2‧‧‧半徑
VP‧‧‧折線
X‧‧‧X軸
Y‧‧‧Y軸
Z‧‧‧Z軸
θ1‧‧‧第一夾角
θ2‧‧‧第二夾角
第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之側視圖。
第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之俯視圖。
第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之電壓駐波比圖
第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之輻射效率圖
第4A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構於一平面上所量測之天線增益圖。
第4B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構於另一平面上所量測之天線增益圖。
第4C圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構於另一
平面上所量測之天線增益圖。
第5A圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線結構之側視圖。
第5B圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線結構之俯視圖。
第6A圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線結構之側視圖。
第6B圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線結構之俯視圖。
第7A圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線結構之側視圖。
第7B圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線結構之俯視圖。
為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂,下文特舉出本發明之具體實施例,並配合所附圖式,作詳細說明如下。
在說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。本領域技術人員應可理解,硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式,而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及申請專利範圍當中所提及的「包含」及「包括」一詞為開放式的用語,故應解釋成「包含但不僅限定於」。「大致」一詞則是指在可接受的誤
差範圍內,本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題,達到所述基本之技術效果。此外,「耦接」一詞在本說明書中包含任何直接及間接的電性連接手段。因此,若文中描述一第一裝置耦接至一第二裝置,則代表該第一裝置可直接電性連接至該第二裝置,或經由其它裝置或連接手段而間接地電性連接至該第二裝置。
第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構(Antenna Structure)100之側視圖。第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之俯視圖。請一併參考第1A、1B圖。天線結構100可應用於一無線網路基地台(Wireless Access Point)當中。在第1A、1B圖之實施例中,天線結構100包括:一第一導體層(Conductive Layer)110、一第二導體層120、一彎折導體層(Bending Conductive Layer)130,以及一第一同軸電纜線(Coaxial Cable)150。天線結構100之前述元件可用金屬材質製成,例如:銅、銀、鋁、鐵,或是其合金。在一些實施例中,每一導體層係各自以一薄形金屬片來實施之。
第一導體層110和第二導體層120可以彼此分離且互相平行。例如,第一導體層110可以大致呈現一第一圓形,而第二導體層120亦可大致呈現一第二圓形,其中此第一圓形和第二圓形可具有相同或不同尺寸。第二導體層120具有一第一開孔(Opening)125,其可具有任意之形狀和尺寸。例如,第一開孔125可大致呈現一圓形、一三角形,或是一四邊形,但亦不僅限於此。第一導體層110和第二導體層120之間形成一空腔(Cavity)140,其可作為天線結構100之一共振腔。
彎折導體層130係直接耦接於第一導體層110和第二導體層120之間,其中彎折導體層130係用於將空腔140分隔為一第一部份141和一第二部份142,使得空腔140之第一部份141和第二部份142可分別位於彎折導體層130之相異二側。在一些實施例中,第一導體層110之中心點CP1(亦即,第一圓形之圓心)、第二導體層120之中心點CP2(亦即,第二圓形之圓心),以及彎折導體層130之折線(Bending Line)VP(亦即,其轉折處)三者皆排列於同一直線上,其中此直線可視為天線結構100之一對稱中心軸。另外,彎折導體層130更可延伸至第一導體層110之邊緣處(亦即,第一圓形之圓周)和第二導體層120之邊緣處(亦即,第二圓形之圓周),以完全分離空腔140之第一部份141與第二部份142。
第一同軸電纜線150包括一第一中心導線(Central Conductive Line)151和一第一導體外殼(Conductive Shielding)152,其中第一中心導線151係穿過第一開孔125並耦接至第一導體層110上之一第一饋入點(Feeding Point)FP1,而第一導體外殼152係耦接至第二導體層120。一第一信號源(Signal Source)191可用於激發天線結構100。例如,第一信號源191可為一射頻(Radio Frequency,RF)模組,其中第一信號源191之正極(Positive Electrode)可耦接至第一中心導線151,而第一信號源191之負極(Negative Electrode)可耦接至第一導體外殼152。在一些實施例中,彎折導體層130具有關於其折線VP之一第一夾角(Angle)θ1,其中第一饋入點FP1係大致位於第一夾角θ1之一角平分面(Bisector Plane)161上。在一些實施例
中,第一同軸電纜線150係至少部份鄰近並平行於第二導體層120(或第一同軸電纜線150具有至少一直角彎折部份)。必須注意的是,本說明書中所謂「鄰近」或「相鄰」一詞可指對應之二元件間距小於一既定距離(例如:5mm或更短),亦可包括對應之二元件彼此直接接觸之情況(亦即,前述間距縮短至0)。
第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)圖。根據第2圖之量測結果,天線結構100可涵蓋介於5150MHz至5850MHz之間之一操作頻帶(Operation Frequency Band)FB1,而操作頻帶FB1之相對頻寬(Relative Bandwidth)可達約13.95%。必須注意的是,傳統空腔型天線(Cavity Antenna)之相對頻寬通常僅約2.5%至5%。因此,所提之天線結構100可改良相對頻寬達約179%,並至少可支援WLAN(Wireless Local Area Network)5GHz之寬頻操作。
第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之輻射效率(Radiation Efficiency)圖。根據第3圖之量測結果,天線結構100於前述操作頻帶FB1內之輻射效率可達至少75%以上,而於其中心頻率處之輻射效率更可達約84.9%,此已可滿足一般行動通訊裝置之實際應用需求。
第4A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100於XZ平面上所量測之天線增益(Antenna Gain)圖。第4B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100於YZ平面上所量測之天線增益圖。第4C圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100於XY平面上所量測之天線增益圖。根據第4A、
4B、4C圖之量測結果,在前述操作頻帶FB1內,天線結構100可具有近似全向性(Omnidirectional)之輻射場型,其中此輻射場型之漣波(Ripple)皆小於6dB。
在一些實施例中,天線結構100之操作原理可如下例所述。天線結構100可歸類為一空腔共振型天線。在本發明中,彎折導體層130更將第一導體層110和第二導體層120之間之空腔140分割為第一部份141和第二部份142。根據實際量測結果,空腔140之第一部份141和第二部份142內可形成反向電場,並分別對應於二個不同頻率之諧振點。因為這些諧振點可以互相耦合,故能大幅增加天線結構100之操作頻寬(Operation Bandwidth)。詳細而言,若將第一導體層110或第二導體層120設計為圓形,則可改善天線結構100之全向性;若將第一饋入點FP1設計為位於彎折導體層130之第一夾角θ1之角平分面161上,則可使空腔140之第一部份141和第二部份142內之電場分佈更均勻,以提升天線結構100之頻寬;而若將第一同軸電纜線150設計為至少部份鄰近並平行於第二導體層120,則可有效避免第一同軸電纜線150對天線結構100之輻射場型產生負面影響,並可省下應用於第一同軸電纜線150之傳統扼流元件(Choke Element)之成本。以上詳細設計之內容為本發明之選用特徵(Optional Feature),在另一些實施例中亦可將之移除。
在一些實施例中,天線結構100之元件尺寸可如下例所述。彎折導體層130之第一夾角θ1可約介於10度至350度之間。第二導體層120之第二圓形之半徑R2可等於第一導體層110之第一圓形之半徑R1,其中第一圓形之半徑R1和第二圓形之半
徑R2皆可約介於天線結構100之操作頻帶FB1之中心頻率之3/20倍至7/20倍波長之間(3λ/20~7λ/20)。第一導體層110和第二導體層120之間距D1(亦即,彎折導體層130於Z軸上之高度)可約介於天線結構100之操作頻帶FB1之中心頻率之1/54倍至1/9倍波長之間(λ/54~λ/9)。第一饋入點FP1和第一導體層110之中心點CP1之間距r1可約介於第一圓形之半徑R1之1/2倍至1倍之間。以上尺寸範圍係根據多次實驗結果而得出,其有助於最佳化天線結構100之操作頻寬和阻抗匹配(Impedance Matching)。
第5A圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線結構500之側視圖。第5B圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線結構500之俯視圖。請一併參考第5A、5B圖。在第5A、5B圖之實施例中,天線結構500包括第一同軸電纜線150和一第二同軸電纜線560,而天線結構500之一第二導體層520同時具有一第一開孔525和一第二開孔526。第一開孔525和第二開孔526可具有任意之形狀和尺寸。例如,第一開孔525和第二開孔526之任一者可大致呈現一圓形、一三角形,或是一四邊形,但亦不僅限於此。如前所述,第一同軸電纜線150係透過第一開孔525耦接至第一饋入點FP1。詳細而言,第二同軸電纜線560包括一第二中心導線561和一第二導體外殼562,其中第二中心導線561係穿過第二開孔526並耦接至第一導體層110上之一第二饋入點FP2,而第二導體外殼562係耦接至第二導體層520。一第二信號源192更可用於激發天線結構500。例如,第二信號源192可為另一射頻模組,其中第二信號源192之正極可耦接至第二中心導線561,而第二信號源192之負極可耦接至第二導體
外殼562。在一些實施例中,第二同軸電纜線560亦至少部份鄰近並平行於第二導體層520(或第二同軸電纜線560具有至少一直角彎折部份)。詳細而言,第一饋入點FP1和第二饋入點FP2係分別位於彎折導體層130之相異二側,並分別鄰近於空腔140之第一部份141和第二部份142。彎折導體層130同時具有第一夾角θ1和一第二夾角θ2,其中第一夾角θ1和第二夾角θ2之總和可約為360度。第一饋入點FP1可大致位於第一夾角θ1之角平分面161上,而第二饋入點FP2可大致位於第二夾角θ2之一角平分面162上。第二饋入點FP2和第一導體層110之中心點CP1之間距r2可約介於第一導體層110之第一圓形之半徑R1之1/2倍至1倍之間。必須注意的是,此種雙饋入之設計可同時增強空腔140之第一部份141和第二部份142內之電場,從而可使天線結構500操作於多重頻帶。第5A、5B圖之天線結構500之其餘特徵皆與第1A、1B圖之天線結構100類似,故此二實施例均可達成相似之操作效果。
第6A圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線結構600之側視圖。第6B圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線結構600之俯視圖。請一併參考第6A、6B圖。在第6A、6B圖之實施例中,天線結構600之一第二導體層620大致呈現一正方形,而第二導體層620之面積可大於或等於第一導體層110之面積。例如,第二導體層620之正方形之每邊長L1可至少為第一導體層110之第一圓形之半徑R1之2倍以上。第一導體層110之中心點CP1(亦即,第一圓形之圓心)、第二導體層620之中心點CP2(亦即,正方形之中心),以及彎折導體層130之折線
VP三者皆可排列於同一直線上,其中此直線可視為天線結構600之一對稱中心軸。必須注意的是,此種較大尺寸之第二導體層620之設計可微調天線結構600之輻射場型,使得天線結構600能根據不同需求而具有指向性(Directional)之特性。然而,本發明並不僅限於此。在其他實施例中,第二導體層620亦可改為具有任何不同於第一導體層110之形狀,例如:一長方形、一正三角形、一正六邊形、一正八邊形,或是一等腰梯形。第6A、6B圖之天線結構600之其餘特徵皆與第1A、1B圖之天線結構100類似,故此二實施例均可達成相似之操作效果。
第7A圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線結構700之側視圖。第7B圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線結構700之俯視圖。請一併參考第7A、7B圖。在第7A、7B圖之實施例中,天線結構700更包括一反射導體層(Reflective Conductive Layer)770。反射導體層770係鄰近於第二導體層120,其中第二導體層120係介於第一導體層110和反射導體層770之間。反射導體層770可以大致呈現一正方形,而反射導體層770之面積可大於或等於第一導體層110和第二導體層120之每一者之面積。例如,反射導體層770之正方形之每邊長L2可至少為第一導體層110之第一圓形之半徑R1之2倍以上,或可至少為第二導體層120之第二圓形之半徑R2之2倍以上。第一導體層110之中心點CP1(亦即,第一圓形之圓心)、第二導體層120之中心點CP2(亦即,第二圓形之圓心)、彎折導體層130之折線VP,以及反射導體層770之中心點CP3四者皆可排列於同一直線上,其中此直線可視為天線結構700之一對稱中心軸。
必須注意的是,此種較大尺寸之反射導體層770之設計可反射天線結構700之背向電磁波,以提高天線結構700之天線增益和指向性。然而,本發明並不僅限於此。在其他實施例中,反射導體層770亦可改為任意形狀,例如:一圓形、一長方形、一正三角形、一正六邊形、一正八邊形,或是一等腰梯形。第7A、7B圖之天線結構700之其餘特徵皆與第1A、1B圖之天線結構100類似,故此二實施例均可達成相似之操作效果。
本發明提供一種通訊裝置,其天線系統具有寬頻帶、高輻射效率等優勢。因此,本發明很適合應用於各種室內環境,以克服傳統因信號反射和多重路徑衰減造成通訊品質不佳之問題。
值得注意的是,以上所述之元件尺寸、元件形狀,以及頻率範圍皆非為本發明之限制條件。天線設計者可以根據不同需要調整這些設定值。本發明之天線結構並不僅限於第1-7圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-7圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之,並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之天線結構當中。
在本說明書以及申請專利範圍中的序數,例如「第一」、「第二」、「第三」等等,彼此之間並沒有順序上的先後關係,其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。
本發明雖以較佳實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明的範圍,任何熟習此項技藝者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可做些許的更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
Claims (18)
- 一種天線結構,包括:一第一導體層;一第二導體層,具有一第一開孔,其中該第一導體層和該第二導體層之間形成一空腔;一彎折導體層,耦接於該第一導體層和該第二導體層之間,其中該彎折導體層係用於將該空腔分隔為一第一部份和一第二部份;以及一第一同軸電纜線,包括一第一中心導線和一第一導體外殼,其中該第一中心導線係穿過該第一開孔並耦接至該第一導體層上之一第一饋入點,而該第一導體外殼係耦接至該第二導體層;其中該彎折導體層具有介於10度至350度之間之一第一夾角;其中該第一饋入點係位於該第一夾角之一角平分面上。
- 如申請專利範圍第1項所述之天線結構,其中該第一導體層之中心點、該第二導體層之中心點,以及該彎折導體層之折線皆排列於同一直線上。
- 如申請專利範圍第1項所述之天線結構,其中該第一同軸電纜線係至少部份平行於該第二導體層。
- 如申請專利範圍第1項所述之天線結構,其中該天線結構係涵蓋介於5150MHz至5850MHz之間之一操作頻帶。
- 如申請專利範圍第4項所述之天線結構,其中該第一導體層和該第二導體層之間距係介於該操作頻帶之中心頻率之1/54倍至1/9倍波長之間。
- 如申請專利範圍第4項所述之天線結構,其中該第一導體層呈現一第一圓形。
- 如申請專利範圍第6項所述之天線結構,其中該第二導體層呈現一第二圓形。
- 如申請專利範圍第7項所述之天線結構,其中該第二圓形之半徑係等於該第一圓形之半徑。
- 如申請專利範圍第8項所述之天線結構,其中該第一饋入點和該第一導體層之中心點之間距係介於該第一圓形之該半徑之1/2倍至1倍之間。
- 如申請專利範圍第8項所述之天線結構,其中該第一圓形之該半徑和該第二圓形之該半徑皆介於該操作頻帶之中心頻率之3/20倍至7/20倍波長之間。
- 如申請專利範圍第8項所述之天線結構,其中該第二導體層更具有一第二開孔,而該天線結構更包括:一第二同軸電纜線,包括一第二中心導線和一第二導體外殼,其中該第二中心導線係穿過該第二開孔並耦接至該第一導體層上之一第二饋入點,而該第二導體外殼係耦接至該第二導體層。
- 如申請專利範圍第11項所述之天線結構,其中該第一饋入點和該第二饋入點係分別位於該彎折導體層之相異二側。
- 如申請專利範圍第11項所述之天線結構,其中該彎折導體層更具有一第二夾角,而該第二饋入點係位於該第二夾角之一角平分面上。
- 如申請專利範圍第13項所述之天線結構,其中該第一夾角和該第二夾角之總和為360度。
- 如申請專利範圍第11項所述之天線結構,其中該第二饋入點和該第一導體層之中心點之間距係介於該第一圓形之該半徑之1/2倍至1倍之間。
- 如申請專利範圍第6項所述之天線結構,其中該第二導體層呈現一正方形。
- 如申請專利範圍第16項所述之天線結構,其中該正方形之每邊長至少為該第一圓形之半徑之2倍以上。
- 如申請專利範圍第8項所述之天線結構,更包括:一反射導體層,鄰近於該第二導體層,其中該第二導體層係介於該第一導體層和該反射導體層之間,該反射導體層呈現一正方形且該正方形之每邊長至少為該第一圓形之該半徑之2倍以上。
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