TWI752805B

TWI752805B - 零階共振天線

Info

Publication number: TWI752805B
Application number: TW110102628A
Authority: TW
Inventors: 蘇欣龍; 沈宗昱
Original assignee: 國立屏東大學
Priority date: 2021-01-25
Filing date: 2021-01-25
Publication date: 2022-01-11
Also published as: TW202230884A

Abstract

一種零階共振電路，透過複數個天線單元設置於基座的兩側，並搭配複數個接頭和複數個傳輸線來耦接複數個天線單元，完成複合式左右手傳輸線的電路配置，使本發明為零階共振天線，而無共振模態問題，進而降低天線的尺寸，且無需使用集總電路即完成天線的功能。

Description

零階共振天線

本發明為一種利用複數個天線單元和基座的配置來降低天線尺寸之零階共振天線。

隨著第四代行動通訊的發展成熟，第五代行動通訊(5th generation mobile networks, 5G)也已經準備商業化，第五代行動通訊與第四代行動通訊最大的差異點在於有更快的傳輸速率與更低的延遲性，為了滿足5G的需求，天線通常設置為多輸入多輸出(Multi-input Multi-output, MIMO )天線。目前5G天線大部分設置於手機的側邊或手機上，其頻段大多以sub-6 GHz(即為6GHz以下的頻段)。

Z. Ren, A.Zhao和S.Wu 發表於2019 13th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Krakow, Poland, pp. 1-4之 Dual-Band MIMO Antenna System for 5G Mobile Terminals 論文中，利用側邊向內面的耦合式饋入將能量耦合至外面的F型短路接地結構來進行模態的共振，其涵蓋頻寬為3.3-3.6GHz、4.8-5GHz的頻段；但是，由於需考慮模態共振，使天線的整體尺寸難以縮小，造成在手機設計上需留相當的空間給天線。

綜觀前所述，本發明之發明者思索並設計一種零階共振天線，以期針對習知技術之缺失加以改善，進而增進產業上之實施利用。

有鑑於上述習知之問題，本發明的目的在於提供一種零階共振天線，用以解決習知技術中所面臨之問題。

基於上述目的，本發明提供一種零階共振天線，其包括本體、複數個天線單元以及複數個接頭。本體包括基座和二側板，二側板設置於基座的二側邊，各側板具有第一面和第二面。複數個天線單元設置於二側板，各天線單元於第一面的截面形狀為長方形，各天線單元於第二面的截面形狀為蛇形。複數個接頭分別設置於基座下，各接頭透過傳輸線耦接各天線單元。

可選地，各天線單元分離設置而使各天線單元之間具有間隔，各間隔彼此相異。

可選地，複數個天線單元彼此相對設置。

可選地，各天線單元於第一面具有第一饋入點和第一貫孔點，各天線單元於第二面具有第二饋入點、第二貫孔點以及短路點。

可選地，第一饋入點和第二饋入點分別設置於對應的側板和基座之邊界，各接頭透過傳輸線耦接第一饋入點和第二饋入點。

可選地，第一貫孔點和第二貫孔點設置於側板遠離基座之一側。

可選地，第一貫孔點連接第二貫孔點。

可選地，各天線單元透過第一貫孔點和第二貫孔點的連接而使其第一面和第二面電性連接。

承上所述，本發明之零階共振天線，透過複數個天線單元設置於基座的兩側，並搭配複數個接頭和複數個傳輸線來耦接複數個天線單元，完成複合式左右手傳輸線的電路配置，使本發明為零階共振天線，而無共振模態問題，進而降低天線的尺寸，且無需使用集總電路即完成天線的功能。

本發明之優點、特徵以及達到之技術方法將參照例示性實施例及所附圖式進行更詳細地描述而更容易理解，且本發明可以不同形式來實現，故不應被理解僅限於此處所陳述的實施例，相反地，對所屬技術領域具有通常知識者而言，所提供的實施例將使本揭露更加透徹與全面且完整地傳達本發明的範疇，且本發明將僅為所附加的申請專利範圍所定義。

應當理解的是，儘管術語「第一」、「第二」等在本發明中可用於描述各種元件、部件、區域、層及/或部分，但是這些元件、部件、區域、層及/或部分不應受這些術語的限制。這些術語僅用於將一個元件、部件、區域、層及/或部分與另一個元件、部件、區域、層及/或部分區分開。因此，下文討論的「第一元件」、「第一部件」、「第一區域」、「第一層」及/或「第一部分」可以被稱為「第二元件」、「第二部件」、「第二區域」、「第二層」及/或「第二部分」，而不悖離本發明的精神和教示。

另外，術語「包括」及/或「包含」指所述特徵、區域、整體、步驟、操作、元件及/或部件的存在，但不排除一個或多個其他特徵、區域、整體、步驟、操作、元件、部件及/或其組合的存在或添加。

除非另有定義，本發明所使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有與本發明所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。將進一步理解的是，諸如在通常使用的字典中定義的那些術語應當被解釋為具有與它們在相關技術和本發明的上下文中的含義一致的定義，並且將不被解釋為理想化或過度正式的意義，除非本文中明確地這樣定義。

請參閱第1A圖和第1B圖，其為本發明之零階共振天線的配置圖以及本發明之複數個天線單元的配置圖。如第1A圖和第1B圖所示，本發明之零階共振天線，其包括本體10、複數個天線單元Ant1~Ant12以及複數個接頭20。本體10包括基座11和兩個側板12，兩個側板12設置於基座11的兩側邊而為相對設置，各側板12具有第一面S1和第二面S2；舉例來說，基座11為65mm*145mm的長方形結構，兩個側板12分別設置於基座11的長邊。複數個天線單元Ant1~Ant12設置於兩個側板12且彼此相對設置(例如六個天線單元Ant1~Ant6設置於兩個側板12之其一，六個天線單元Ant6~Ant12設置於另一個側板12)，各天線單元Ant1~Ant12為分離設置而使各天線單元Ant1~Ant12之間具有間隔，各間隔彼此相異，各天線單元Ant1~Ant12於第一面S1的結構為兩個長方形結構(其截面為長方形)，各天線單元Ant1~Ant12於第二面S2的結構為蛇形結構(其截面為蛇形)；舉例來說，天線單元Ant1和Ant2之間隔為11.5mm，天線單元Ant2和Ant3之間隔為25.5mm，天線單元Ant3和Ant4之間隔為15mm，天線單元Ant4和Ant5之間隔為30.5mm，天線單元Ant5和Ant6之間隔為9.5mm，天線單元Ant7和Ant8之間隔為11.5mm，天線單元Ant8和Ant9之間隔為25.5mm，天線單元Ant9和Ant10之間隔為15mm，天線單元Ant10和Ant11之間隔為30.5mm，天線單元Ant11和Ant12之間隔為9.5mm。複數個接頭20分別設置於基座11下，各接頭20透過傳輸線21耦接各天線單元Ant1~Ant12。

其中，複數個接頭20和複數條傳輸線21為對應複數個天線單元Ant1~Ant12而設置，複數個接頭20和複數條傳輸線21可根據複數個天線單元Ant1~Ant12的實際配置的數量而有所調整，於此並未限定複數個天線單元Ant1~Ant12、複數個接頭20和複數條傳輸線21的數量。

請參閱第2A圖和第2B圖，本發明之天線單元於第一面和第二面的截面圖以及本發明之天線單元的等效電路圖。如第2A圖和第2B圖所示，舉例來說，天線單元Ant1的大小為6.5mm*4.5mm及其於第一面S1的結構為兩個長方形結構，兩個長方形結構之間的間隔GAP1為0.3mm，天線單元Ant1於第二面S2的結構為蛇形結構，蛇行結構的間隔GAP2為0.5mm。天線單元Ant1於第一面S1具有第一饋入點FP1和第一貫孔點CP1，天線單元Ant1於第二面S2具有第二饋入點FP2、第二貫孔點CP2以及短路點SP(接地用)，第一饋入點FP1和第二饋入點FP2分別設置於側板12和基座11之邊界，各接頭20透過傳輸線21耦接第一饋入點FP1和第二饋入點FP2，亦即，可從接頭20施加電流於天線單元Ant1以檢測S參數或反射損失；第一貫孔點CP1和第二貫孔點CP2設置於側板12遠離基座11之一側，第一貫孔點CP1連接第二貫孔點CP2，天線單元Ant1透過第一貫孔點CP1和第二貫孔點CP2的連接而使天線單元Ant1的第一面S1和第二面S2電性連接。其餘天線單元Ant2~Ant12乃與天線單元Ant1相同配置，於此不加以重複敘述。

兩個長方形結構提供串聯電感L _R，兩個長方形結構之間的間隔GAP1提供串聯電容C _L，蛇形結構提供並聯電感L _L，蛇形結構的間隔GAP2提供並聯電容C _R，透過第一貫孔點CP1和第二貫孔點CP2的連接，使串聯電感L _R、串聯電容C _L、並聯電感L _L及並聯電容C _R形成複合式左右手傳輸線之電路。其餘天線單元Ant2~Ant12乃與天線單元Ant1具有相同的等效電路，於此不加以重複敘述。

請參閱第3A圖和第3B圖，其為本發明之天線單元的第一面在不同間隔時的反射損失圖以及本發明之天線單元的第一面在不同間隔時的輸入阻抗圖。如第3A圖和第3B圖所示，於間隔GAP1=0.1mm(此為兩個長方形結構的間距)時，本發明在間隔GAP1=0.1mm時於反射損失上的頻寬比間隔GAP1=0.3mm和GAP1=0.5mm時於反射損失上的的頻寬大，此時的輸入阻抗值大於間隔GAP1=0.3mm和GAP1=0.5mm時的輸入阻抗而導致匹配較差；於間隔GAP1=0.5mm時，本發明在間隔GAP1=0.5mm時於反射損失上的頻寬比間隔GAP1=0.1mm和GAP1=0.3mm時於反射損失上的頻寬窄，此時的輸入阻抗值小於間隔GAP1=0.3mm和GAP1=0.5mm時的輸入阻抗。從前述得知，間隔GAP1越窄時，所產生的電容值越大且共振模態的中心頻率點往低頻移動；間隔GAP1越寬時，所產生的電容值越小且共振模態的中心頻率點往高頻移動。最後，選擇0.3mm作為間隔GAP1的數值。

請參閱第4圖，其為本發明之天線單元的第二面在不同長度的反射損失圖。如第4圖所示，於長度l _f=1mm(此為蛇形結構的長度)時，本發明於長度l _f=1mm時共振模態的中心頻率比長度l _f=1.4mm和長度l _f=1.8mm時的共振模態的中心頻率高，且匹配較佳，主要原因是電流路徑較短且第二面S2的蛇形結構所產生的並聯電感L _L和並聯電容C _R的數值隨著結構變化而改變其大小；於長度l _f=1.8mm時，其共振模態的中心頻率比長度l _f=1mm和長度l _f=1.4mm時的共振模態的中心頻率低，且匹配較差。從前述得知，長度l _f的調整能夠對並聯電感L _L和並聯電容C _R產生影響，最後選擇1.4mm作為長度l _f的數值。

請參閱第5A圖和第5B圖，其為本發明之天線單元的第一面在不同寬度時的反射損失圖和本發明之天線單元的第一面在不同寬度時的輸入阻抗圖。如第5A圖和第5B圖所示，於寬度l _b=0.6mm(此為長方形結構的寬度)時，本發明在寬度l _b=0.6mm時於反射損失上的頻寬比寬度l _b=1mm和寬度l _b=1.4mm時於反射損失上的頻寬窄且匹配差，主要原因是長方形結構所提供的串聯電感L _R因寬度l _b減少而導致輸入阻抗值下降，本發明在寬度l _b=0.6mm時於輸入阻抗比寬度l _b=1mm和寬度l _b=1.4mm時的輸入阻抗小；於寬度l _b=1.4mm時，本發明在寬度l _b=1.4mm時於反射損失上的頻寬比寬度l _b=1mm和寬度l _b=0.6mm時於反射損失上的頻寬大且匹配較佳。最後，選擇1mm作為寬度l _b的數值。

請參閱第6A圖和第6B圖，其為本發明之天線單元的第一面在有無切割時的反射損失圖以及本發明之天線單元的第一面在有無切割時的輸入阻抗圖。如第6A圖和第6B圖所示，傳輸線21經過切割後，本發明之反射損失的頻寬在切割後比未切割時來得夠寬，輸入阻抗的實部在切割後比未切割時來得大，輸入阻抗的電容性在切割後比未切割時來得大。

需說明的是，S參數(scattering parameter)為散射參數。以雙埠網路為例，雙埠網路具有輸入端和輸出端，S11為量測輸入端的反射波和入射波的比值(亦即，輸入端的反射損失)，S21為量測輸出端的透射波和輸入端的入射波的比值(亦即，輸入端的插入損耗)，S12為量測輸入端的透射波和輸出端的入射波的比值(亦即，輸出端的插入損耗)，S22為量測輸出端的反射波和入射波的比值(亦即，輸出端的反射損失)。其餘的S參數可根據此原理類推，於此不再重複敘述。

請參閱第7A圖和第7B圖，其為本發明之零階共振天線於模擬時的S參數圖。如第7A圖和第7B圖所示，以-6dB為基準線，複數個天線單元Ant1~Ant12的頻寬為3.285 GHz -3.6GHz，複數個天線單元Ant1~Ant12的隔離度皆達到-10dB以下。

請參閱第8A圖和第8B圖為本發明之零階共振天線於實際測量時的S參數圖。如第8A圖和第8B圖所示，以-6dB為基準線，複數個天線單元Ant1~Ant12的頻寬為3.37 GHz -3.65GHz，複數個天線單元Ant1~Ant12的隔離度皆達到-10dB以下。

請參閱第9A圖和第9B圖，其為本發明之零階共振天線於實際測量時的效率圖。如第9A圖和第9B圖所示，複數個天線單元Ant1~Ant12的天線效率(antenna efficiency)在3.4GHz-3.6GHz時實際測量的範圍為38.87%-56.66%。

請參閱第10A圖和第10B圖，其為本發明之零階共振天線於模擬和實際測量時的峰值增益圖。如第10A圖和第10B圖所示，複數個天線單元Ant1~Ant12的效率在3.4GHz-3.6GHz時峰值增益(peak gain)的範圍為0.44dBi-3.03dBi。

觀前所述，本發明之零階共振天線，透過複數個天線單元Ant1~Ant12設置於基座11的兩側，並搭配複數個接頭20和複數個傳輸線21來耦接複數個天線單元Ant1~Ant12，完成複合式左右手傳輸線的電路配置，使本發明為零階共振天線，而無共振模態問題，進而降低天線的尺寸，且無需使用集總電路即完成天線的功能。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

10:本體

11:基座

12:側板

20:接頭

21:傳輸線

Ant1~Ant12:天線單元

CP1:第一貫孔點

CP2:第二貫孔點

C _L:串聯電容

C _R:並聯電容

FP1:第一饋入點

FP2:第二饋入點

GAP1、GAP2:間隔

l _f:長度

l _b:寬度

L _R:串聯電感

L _L:並聯電感

SP:短路點

S1:第一面

S2:第二面

第1A圖為本發明之零階共振天線的配置圖。第1B圖為本發明之複數個天線單元的配置圖。第2A圖為本發明之天線單元於第一面和第二面的截面圖。第2B圖為本發明之天線單元的等效電路圖。第3A圖為本發明之天線單元的第一面在不同間隔時的反射損失圖。第3B圖為本發明之天線單元的第一面在不同間隔時的輸入阻抗圖。第4圖為本發明之天線單元的第二面在不同長度的反射損失圖。第5A圖為本發明之天線單元的第一面在不同寬度時的反射損失圖。第5B圖為本發明之天線單元的第一面在不同寬度時的輸入阻抗圖。第6A圖為本發明之天線單元的第一面在有無切割時的反射損失圖。第6B圖為本發明之天線單元的第一面在有無切割時的輸入阻抗圖。第7A圖和第7B圖為本發明之零階共振天線於模擬時的S參數圖。第8A圖和第8B圖為本發明之零階共振天線於實際測量時的S參數圖。第9A圖和第9B圖為本發明之零階共振天線於模擬和實際測量時的效率圖。第10A圖和第10B圖為本發明之零階共振天線於模擬和實際測量時的峰值增益圖。