TWI732531B

TWI732531B - 非對稱共平面波導饋入多頻寬頻天線

Info

Publication number: TWI732531B
Application number: TW109113206A
Authority: TW
Inventors: 陳一鋒; 彭嘉美; 陳家慶
Original assignee: 驊陞科技股份有限公司
Priority date: 2020-04-20
Filing date: 2020-04-20
Publication date: 2021-07-01
Also published as: TW202141855A

Abstract

本發明為有關一種非對稱共平面波導饋入多頻寬頻天線，包括：偶極天線具有一第一部分及一第二部分；該第一部分具有一第一低頻輻射區及該第一低頻輻射區一側延伸有一訊號線，該訊號線二側以正交方向延伸有一中頻輻射區及一中高頻輻射區，且該中頻輻射區及該中高頻輻射區經一彎折皆朝向第一方向做一延伸，該中頻輻射區之面積不等於該中高頻輻射區，而該訊號線末端具有供一預設線纜連接之一饋入區；該第二部分係為共平面波導結構，其具有供該預設線纜連接之一接地區，該接地區經由一接地線連接於一第二低頻輻射區，該接地區與該接地線之間二側以正交方向延伸有一第一阻抗匹配區與一第二阻抗匹配區，且該第一阻抗匹配區與該第二阻抗匹配區各向第一方向及第二方向做一延伸，藉由前述構成以達到單一饋入、多頻及寛頻且符合Wi-Fi 6E頻段之無線天線。

Description

非對稱共平面波導饋入多頻寬頻天線

本發明係提供一種非對稱共平面波導饋入多頻寬頻天線，尤指一種偶極天線之第一部分具有一第一低頻輻射區及該第一低頻輻射區一側延伸有一訊號線，該訊號線二側以正交方向延伸有一中頻輻射區及一中高頻輻射區，該中頻輻射區之面積不等於該中高頻輻射區，藉由前述構成以達到單一饋入、多頻及寛頻且符合Wi-Fi 6E頻段之無線天線，同時無線天線具有構造簡單及效能良好的優點。

按，無線通訊技術於現今社會便利生活中佔有不可或缺的一環，有了有線及無線區域網路的綜合佈設，而行動電子裝置(Mobile Device)亦必須對應設置有無線天線進行訊號之接收及發射，行動電子裝置方能透過無線區域網路進行網際網路的使用及傳送資料。

WiFi 6係指目前最新的WiFi規格，其又稱為IEEE 802.11ax，而為Wi-Fi Alliance組織於2019年9月所制定，正式規格發佈，產品陸續推出市面。技術上，支援從1GHz至6GHz的所有ISM頻段，ISM頻段(IndustrialScientific Medical Band)，顧名思義分別是工業的(Industrial)、科學的(Scientifi c)和醫學的(Medical)，而ISM頻段就是各國挪出某一特定頻段開放給工業，科學和醫學機構使用。其包括目前最廣為Wifi使用的2.4GHz和5GHz頻段，相較於802.11ac具有四倍吞吐量及延遲下降75%，而使用至6GHz頻段的802.11ax則稱為Wi-Fi 6E，其理論速度有約有10Gbps。而實際下載速度可至700Mbps，對於無線網路無論在速度上及安全性皆有高度提升，故相關於Wi-Fi 6E的電子產品正如火如荼研發中。

上述符合Wi-Fi 6E規格之電子產品之無線天線通常屬於單一個體或與其他不同功能天線做整合，且習知無線天線多半僅有15%左右之頻寛利用率，其體積通常較大龐大而影響行動電子裝置之電路佈局。另一方面習知無線天線之操作頻寬無法達到多頻及寬頻的功能，在不佔據電子產品內部太多空間的前題下，如何提供更理想多頻及寬頻天線成為從事此行業者所亟欲努力的目標。

故，發明人有鑑於上述之問題與缺失，乃蒐集相關資料，經由多方評估及考量，始設計出此種非對稱共平面波導饋入多頻寬頻天線之發明誕生。

本發明之主要目的在於提供一種非對稱共平面波導饋入多頻寬頻天線，包括：一印刷電路板，其一表面形成一偶極天線，該偶極天線具有一第一部分及一第二部分，該第一部分與該第二部分之間具有一間隙；該第一部分具有一第一低頻輻射區及該第一低頻輻射區一側延伸有一訊號線，該訊號線二側以正交方向延伸有一中頻輻射區及一中高頻輻射區，且該中頻輻射區及該中高頻輻射區經一彎折皆朝向第一方向做一延伸，該中頻輻射區之面積不等於該中高頻輻射區，而該訊號線末端具有供一預設線纜連接之一饋入區；該第二部分係為共平面波導結構，其具有供該預設線纜連接之一接地區，該接地區經由一接地線連接於一第二低頻輻射區，該接地區與該接地線之間二側以正交方向延伸有一第一阻抗匹配區與一第二阻抗匹配區，且該第一阻抗匹配區與該第二阻抗匹配區各向第一方向及第二方向做一延伸，藉由前述構成以達到單一饋入、多頻及寛頻且符合Wi-Fi 6E頻段之無線天線，同時無線天線具有構造簡單及效能良好的優點。

本發明之次要目的在於該中頻輻射區之面積大於該中高頻輻射區，且該中頻輻射區靠近該饋入區側係由寛漸窄斜伸至該中高頻輻射區靠近該饋入區側。

本發明之另一目的在於該第一阻抗匹配區之面積係大於或等於該第二阻抗匹配區。

本發明之再一目的在於該間隙位於該饋入區、該接地區、該第一阻抗匹配區與該第二阻抗匹配區之相對二內側所圍設的空間中，而該第一阻抗匹配區與該中高頻輻射區位於相對於該訊號線與該接地線之一側，且該第二阻抗匹配區與該中頻輻射區位於相對於該訊號線與該接地線之另一側。

1:印刷電路板

10:間隙

11:偶極天線

12:第一部分

121:第一低頻輻射區

122:訊號線

123:中頻輻射區

124:中高頻輻射區

125:饋入區

13:第二部分

131:接地區

132:接地線

133:第二低頻輻射區

134:第一阻抗匹配區

135:第二阻抗匹配區

L1:訊號線長度

L2:接地線長度

L3:第一阻抗匹配區與第二阻抗匹配區之相對二外側長度

[第1圖]係為本發明於印刷電路板設置偶極天線的構造圖。

[第2圖]係為本發明天線之阻抗匹配圖。

[第3圖]係為本發明於2400MHz頻段之天線電流分佈與輻射場型圖。

[第4圖]係為本發明於2450MHz頻段之天線電流分佈與輻射場型圖。

[第5圖]係為本發明於2500MHz頻段之天線電流分佈與輻射場型圖。

[第6圖]係為本發明於5150MHz頻段之天線電流分佈與輻射場型圖。

[第7圖]係為本發明於5470MHz頻段之天線電流分佈與輻射場型圖。

[第8圖]係為本發明於5925MHz頻段之天線電流分佈與輻射場型圖。

[第9圖]係為本發明於6725MHz頻段之天線電流分佈與輻射場型圖。

[第10圖]係為本發明於7125MHz頻段之天線電流分佈與輻射場型圖。

為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及其構造，茲繪圖就本發明之較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全瞭解。

請參閱第1圖所示，係為本發明於印刷電路板設置偶極天線的構造圖，由圖中可清楚看出，本發明之非對稱共平面波導饋入多頻寬頻天線之細部構造及連接關係如下：

一印刷電路板1，其一表面形成一偶極天線11，該偶極天線11具有一第一部分12及一第二部分13，該第一部分12與該第二部分13之間具有一間隙10。

該第一部分12具有一第一低頻輻射區121及該第一低頻輻射區121一側延伸有一訊號線122，該訊號線122二側以正交方向延伸有一中頻輻射區123及一中高頻輻射區124，且該中頻輻射區123及該中高頻輻射區124經一彎折皆朝向第一方向做一延伸，該中頻輻射區123之面積不等於該中高頻輻射區124，而該訊號線122末端具有供一預設線纜(圖中未示)連接之一饋入區125。

本發明天線饋入區125之饋入結構，是採用非對稱的共平面波導饋入法(Co-Planar Waveguide)，調整訊號線突出於平面波導結構的長度，以修正高頻段天線諧振的頻率，並改善天線之諧振頻段的阻抗匹配。

該第二部分13係為共平面波導結構，其具有供該預設線纜連接之一接地區131，該接地區131經由一接地線132連接於一第二低頻輻射區133，該接地區131與該接地線132之間二側以正交方向延伸有一第一阻抗匹配區134與一第二阻抗匹配區135，且該第一阻抗匹配區134與該第二阻抗匹配區135各向第一方向及第二方向做一延伸，而於本發明之較佳實施例中，該第一方向與該第二方向相差180度角。

該中頻輻射區123之面積大於該中高頻輻射區124，且該中頻輻射區123靠近該饋入區125側係由寛漸窄斜伸至該中高頻輻射區124靠近該饋入區125側。

該第一阻抗匹配區134之面積係大於或等於該第二阻抗匹配區135。

該間隙10位於該饋入區125、該接地區131、該第一阻抗匹配區134與該第二阻抗匹配區135之相對二內側所圍設的空間中，而該第一阻抗匹配區134與該中高頻輻射區124位於相對於該訊號線122與該接地線132之一側，且該第二阻抗匹配區135與該中頻輻射區123位於相對於該訊號線122與該接地線132之另一側。

該訊號線長度L1係為中心頻率1/4波長，且該接地線長度L2係為中心頻率1/4波長。該第一阻抗匹配區與該第二阻抗匹配區之相對二外側長度L3係為中心頻率1/4波長。綜合上述而言，本發明的天線型式是屬於印刷電路板式之非對稱共平面波導之非對稱陣列偶極天線，為達到雙頻或寬頻之諧振，位於印刷電路板1正面(Top-Side)之長度接近中心頻率(或低頻工作頻段)的1/4波長(λ)，以接地線132形成的共平面波導結構，其縱向長度與橫向長度均接近中心頻率(或低頻工作頻段)的1/4波長(λ)，再者，該訊號線122左右二側所使用波長(λ)是以相對應的高頻段之中心頻率來計算。

該第一低頻輻射區121外觀係呈一等腰梯型，且該第二低頻輻射區133外觀係呈一『凹』字型。

該第一阻抗匹配區134連接於該第二阻抗匹配區135之外觀係近似於一『H』字型。

該中頻輻射區123連接於該中高頻輻射區124之外觀係近似於一『U』字型。

請參閱第2圖所示，係為本發明天線之阻抗匹配圖，其中測試頻段為自2400MHz至7125MHz，根據該線性圖做出複數參考點取樣，如下表所示：

由上述表格中可瞭解本發明之天線於低頻至高頻操作2400MHz至7125MHz之區間頻段中，其回波損耗約介於-12.618dB至-31.099dB，符合阻抗匹配的標準。

請參閱第3至10圖所示，各為本發明於2400MHz頻段之天線電流分佈與輻射場型圖、於2450MHz頻段之天線電流分佈與輻射場型圖、於2500MHz頻段之天線電流分佈與輻射場型圖、於5150MHz頻段之天線電流分佈與輻射場型圖、於5470MHz頻段之天線電流分佈與輻射場型圖、於5925MHz頻段之天線電流分佈與輻射場型圖、於6725MHz頻段之天線電流分佈與輻射場型圖及於7125MHz頻段之天線電流分佈與輻射場型圖，其中於該些圖式左上方圖形表示X-Y軸平面之電磁波輻射於0°至360°角度之功率強度(dB)，而X-Y軸平面之功率強度轉換成3D立體圖形即如左下方所示，該3D立體圖形極為接近一圓球體形狀，表示於本發明非對稱共平面波導饋入多頻寬頻天線的電磁波信號極為穩定而無任何缺角處(缺角處表示電磁波無法輻射區域，即代表電磁波信號不良處)。同樣地，於中間下方圖形所代表X-Z軸平面之3D立體圖形亦接近一圓球體形狀，亦表示電磁波信號穩定性，以及於右下方圖形所代表Y-Z軸平面之3D立體圖形亦接近一圓球體形狀，而由第3至7圖整體測試圖形觀之，本發明於2400MHz、2450MHz、2500MHz、5150MHz、5470MHz、5925MHz、6725MHz及7125MHz之多頻段中皆具有良好天線輻射場型。

除了上述所列出的頻段之外，本發明偶極天線11係為一偶極非對稱陣列天線，其應用於WiFi 6E之頻段，而WiFi 6E之低頻操作頻段範圍係自2400MHz至2500MHz；且WiFi 6E之中頻操作頻段範圍係自5150MHz至5900MHz；且WiFi 6E之中高頻操作頻段範圍係自5150MHz至7125MHz，無論在低、中、高頻之任一頻段中皆具有良好之效能。

本發明之非對稱共平面波導饋入多頻寬頻天線的天線增益及效能做取樣測試，數據如下表所示：

由上述表格中可瞭解於本發明之無線天線於低頻至高頻操作2400MHz至7125MHz之區間頻段中，其峰值增益(dBi)、3D增益(dBi)及3D輻射效能(%)皆符合多頻及寛頻且符合Wi-Fi 6E頻段之無線天線。

藉由上述第1至10圖之揭露，即可瞭解本發明為一種非對稱共平面波導饋入多頻寬頻天線，包括：一印刷電路板，其一表面形成一偶極天線，該偶極天線具有一第一部分及一第二部分，該第一部分與該第二部分之間具有一間隙；該第一部分具有一第一低頻輻射區及該第一低頻輻射區一側延伸有一訊號線，該訊號線二側以正交方向延伸有一中頻輻射區及一中高頻輻射區，且該中頻輻射區及該中高頻輻射區經一彎折皆朝向第一方向做一延伸，該中頻輻射區之面積不等於該中高頻輻射區，而該訊號線末端具有供一預設線纜連接之一饋入區；該第二部分係為共平面波導結構，其具有供該預設線纜連接之一接地區，該接地區經由一接地線連接於一第二低頻輻射區，該接地區與該接地線之間二側以正交方向延伸有一第一阻抗匹配區與一第二阻抗匹配區，且該第一阻抗匹配區與該第二阻抗匹配區各向第一方向及第二方向做一延伸，藉由前述構成以達到單一饋入、多頻及寛頻且符合Wi-Fi 6E頻段之無線天線，同時無線天線具有構造簡單及效能良好的優點。本發明天線應用於符合Wi-Fi 6E ISM之各式無線通訊電子產品中，皆具有良好實用性，故提出專利申請以尋求專利權之保護。

上述僅為本發明之較佳實施例而已，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之簡易修飾及等效結構變化，均應同理包含於本發明之專利範圍內，合予陳明。

綜上所述，本發明上述非對稱共平面波導饋入多頻寬頻天線於使用時，為確實能達到其功效及目的，故本發明誠為一實用性優異之發明，為符合發明專利之申請要件，爰依法提出申請，盼審委早日賜准本案，以保障發明人之辛苦發明，倘若鈞局審委有任何稽疑，請不吝來函指示，發明人定當竭力配合，實感德便。