TWI783595B - 貼片天線 - Google Patents

Abstract

一種貼片天線，包括：介質基板，由軟質材料包覆高介電係數材料形成，具有相對之第一表面及第二表面，及數個環設在該第一表面及第二表面之間的側表面；輻射金屬臂，位於至少第一表面，具有特定形狀的金屬薄層；接地金屬板，設置於第二表面的金屬薄片；以及寄生金屬臂，由該第二表面的接地金屬，經過至少該側表面之一向第一表面延伸，形成特定形狀，接近但不連接該輻射金屬臂。本發明之貼片天線型於天線輻射面之中設置封閉槽孔及寄生金屬臂提升天線可工作頻寬，並具有高指向性

Description

貼片天線

本發明涉及貼片天線技術領域，具體涉及一種軟質材料包覆高介電係數材料的貼片天線。

現今Sub-6G頻帶貼片天線主要是以FR4板材來進行設計，因頻段較低，天線尺寸偏大，並且本身材料不具透明性和可繞性，使的應用範圍有所限制。Sub-6G頻帶中貼片天線(Patch Antenna)亦可使用FPC PI(Polyamide)設計，則因受限於基板厚度不足使天線性能不佳。

貼片天線目前使用FR4或是FPC來設計，饋入方式多使用鑽孔式饋入以獲得良好的頻率匹配。其他類型之天線形態則反而會因為周圍金屬環境和接地型式等而受限，指向性效率也較貼片天線差。

申請號CN202011363160.4的中國發明專利中公開了一種微帶天線及終端設備，該微帶天線在傳統的U型金屬貼片的基礎上，在U型金屬貼片的第一豎直部31和第二豎直部32分別開設通孔34，延長了電流的流經路徑，使得天線的諧振頻率降低，從而提高了天線的帶寬。另外，由於只是在第一豎直部31和第二豎直部32上分別開設通孔34，故不需要增加金屬貼片的長度和寬度，重量更輕，更容易滿足結構緊湊的要求。

上述專利延長了電流的流經路徑，使得天線的諧振頻率降低，而無法解決PCB基材設計貼片天線尺寸過大，應用性不佳，軟板FPC基材的貼片天線因厚度太薄的限制無法使用在Sub-6G頻段，同時使用貼片天線也會有頻寬較差的現象，若是不使用貼片天線則無法達到較高的指向性增益的問題，因此本文提出一種貼片天線。

使用LCP材料包覆玻璃形成一貼片型式天線，藉由玻璃的高介電係數(K值>6)可使貼片天線尺寸縮減，同時玻璃可提供足夠的厚度來使天線具備較佳的性能，仍可維持貼片天線高指向性的特性，藉此使天線有更廣泛的應用範圍，在貼片天線上使用微帶線槽孔饋入以克服玻璃無法鑽孔饋入的問題，並獲得良好的饋入匹配

針對現有技術的不足，本發明公開了一種貼片天線，用於解決上述存在的問題。本發明公開一種貼片天線，包括：

一介質基板，由軟質材料包覆高介電係數材料形成，包含相對之第一表面與第二表面，及複數個側表面環設於該第一表面及第二表面之間；

輻射金屬臂，設置在至少該第一表面上，具有特定形狀的金屬薄層；

接地金屬板，設置在該第二表面上的金屬薄片薄膜；

及寄生金屬臂，由該第二表面上的接地金屬，經過至少一該側表面向第一表面延伸，形成特定形狀，且與該輻射金屬臂接近但並不連接。

所述金屬薄層可選用銅層、鋁層或銀層。

其中所述軟質材料可選用為LCP材料。

其中所述LCP材料可設置一層或多層。

其中所述高介電係數材料可選用為玻璃材質。

其中所述玻璃材質的介電係數K>6。

其中所述介質基板在運行貼片天線時，使用槽孔饋入方式或LCP多層饋入方式。

其中所述輻射金屬臂可由在第一表面的金屬薄層，通過光刻等工藝製作出特定形狀以及封閉性的槽孔。

其中所述封閉性的槽孔可為ㄇ字型槽孔，該槽孔需開在所述輻射金屬臂內。

其中所述介質基板底部的第二表面之接地金屬板延伸寄生金屬臂並與所述輻射金屬臂接近但不連接。

其中所述輻射體的金屬薄層光刻的ㄇ字型槽孔總長度約一個波的長度，其單位為mm。

其中所述寄生金屬臂在該第一表面上往該側面延伸總長度與該高介電係數下的1/4波長相等。

其中所述輻射金屬臂上設有天線饋入區域。

其中所述輻射金屬臂上更設有至少一饋入槽孔。

所述饋入槽孔位於輻射體的金屬薄層與寄生金屬臂之間。

本發明之LCP包覆玻璃材質之天線，使用貼片天線型式設計，其中運用微帶線使用槽孔饋入方式亦可運用LCP多層饋入方式，可克服玻璃材質 無法使用一般鑽孔饋入的頻率匹配問題。並於貼片天線輻射面之中設計ㄇ形槽孔以及側邊寄生金屬臂提升天線可工作頻寬。所設計的玻璃貼片天線具有更小型化，具有足夠的可工作頻寬，具有高指向性與更多的可工作頻寬，並可設計於Sub-6G多種頻帶之上，其中5GHz天線增益可達到3.4dBi，頻寬比為18%。

1:輻射金屬臂

2:ㄇ字型槽孔

3:饋入槽孔

4:寄生金屬臂

5:玻璃

6:接地金屬板

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式說明如下：

〔圖1〕是本發明之一實施例的一種貼片天線的結構圖；

〔圖2〕是本發明之一實施例天線饋入區域圖；

〔圖3〕是天線返回損耗頻率回應圖；

〔圖4〕是習知技術貼片天線模擬回應圖；

〔圖5〕是天線增益3D輻射圖。

請查閱圖1及圖2，本發明提供一種貼片天線的實施例，包括：一介質基板，由軟質材料包覆高介電係數材料形成，具有一第一表面，相對的第二表面及數個側表面環設於該第一表面及第二表面之間。一輻射金屬臂1設置於至少該第一表面，通過光刻或化學蝕刻等工藝製作具有特定形狀的金屬薄層。一接地金屬板6，設置於該第二表面。一寄生金屬臂4，由該接地金屬板6延伸，經過至少該側表面之一至該第一表面，形成特定形狀，與該輻射金屬臂1接近但不連接。

在本實施例中，LCP材料具有低損耗與低吸水的良好特性並具備良好的可繞性，因此提供天線較穩定的可彎折應用，是高頻天線良好的材料選擇。

在本實施例中，介質基板在運行貼片天線時，使用槽孔饋入方式或LCP多層饋入方式。

在本實施例中，該軟質材料選用LCP材料，並設置一層或多層的LCP材料，該高介電係數材料選用玻璃材質，其中所述玻璃5材質的介電係數K>6。

在本實施例中，該寄生金屬臂4在該第一表面上往該側面延伸總長度與該高介電係數下的1/4波長相等。

在本實施例中，該輻射金屬臂1上設有天線饋入區域，即輻射金屬臂1上更設有至少一饋入槽孔3，該饋入槽孔3位於輻射體的金屬薄層與寄生金屬臂之間。

在本實施例中，介質基板的厚度遠小於波長，基板的第二表面(底部)與接地金屬板6相接，第一表面(正面)則通過光刻工藝製作具有特定形狀的金屬薄層作為輻射金屬臂1。輻射金屬臂1的形狀根據要求可進行多種變化，且由該接地金屬板6延伸，經過至少該側表面之一至該第一表面，形成特定形狀，與該輻射金屬臂1接近但不連接。

在其他實施例中，輻射金屬臂1的形狀可以是規則的矩形、多邊形或不規則的橢圓形、環形或者扇形等，其最大輻射方向一般都在測射方向，即垂直於基片的方向上。而成形方式不限於光刻，也可以是氣態或電漿等幹式或濕式蝕刻加工方法。

在本實施例中，輻射金屬臂1可由在第一表面的金屬薄層，通過光刻等工藝製作出特定形狀以及封閉性的槽孔。

在本實施例中，輻射金屬臂1內具有一封閉性的槽孔。該封閉性的槽孔為ㄇ字型槽孔2(或倒U字型槽孔)，該槽孔需開在所述輻射金屬臂內，在其他實施例中，該封閉性槽孔形狀並不限定於ㄇ字型，也可以是其他形狀，例如彎月形或尖塔形，惟該槽孔需開在所述輻射金屬臂1之內。

在其他實施例中，該輻射體的金屬薄層光刻的ㄇ字型槽孔總長度約一個波的長度，其單位為mm。

在本實施例中，設置於介質基板底部第二表面的接地金屬板6延伸出兩寄生金屬臂4並與所述輻射金屬臂1接近但不連接。

本發明之輻射金屬臂1內的封閉型槽孔，以中央線計算，總長度大致與波長相等，而寄生金屬長度大致為四分之一波長。以頻率5.5GHz為例，波長約21.00mm，所以槽孔長度約21.50~22.50mm，寄生金屬臂4長度約4.85~5.65mm都能獲得較佳的表現。

本實施例中，選擇金屬臂1內的封閉型槽孔長度為22mm，寄生金屬臂4長度為5.28mm，進行輻射時可在5.76頻率下獲得最佳表現，因此還可籍以本實施例反向匹配較佳的天線頻率。具體可使用一微帶線自天線側邊進行饋入，整體天線之饋入點可視實際應用進行調整，微帶線饋入天線輻射金屬區域會使用一饋入槽孔3設計方便調整天線整體匹配條件，製造出天線適當的工作條件與良好的輻射條件。

在本實施例中，如圖1所示。以中心頻率5.5GHz為例，饋入槽孔3位於輻射體的金屬薄層與寄生金屬臂4之間。饋入槽孔3的深度為3-5mm，寬度為0.4-0.6mm，可以在該頻率獲得較佳的頻率回應。

在本實施例中，於天線輻射臂內挖有一ㄇ字型槽孔2(亦可以是倒U字型槽孔)，藉由此一槽孔共振路徑，可在欲工作頻率範圍內達到頻寬優化的結果，同時在第二表面接地金屬板6延伸兩金屬寄生支路4與輻射金屬臂1接近但不連接，此寄生支路亦可對頻寬產生優化的效果。

在本實施例中，如圖2所示，接地金屬板6上設有天線饋入區域。該金屬薄層選用為銅層、鋁層或銀層，然而在其他實施例中也可以是其他導電材質。

在本實施例中，為改善貼片天線頻寬較小的天線特性，以中心頻率5.5GHz為例，該ㄇ字型槽孔2中央線總長約19.90mm，寄生金屬臂4長度約4.95mm，參考圖3所示，S11=-6dB之頻寬為98MHz，參考圖4為習知技術貼片天線的模擬回應圖，S11=-6dB之頻寬為51MHz。此例中具備ㄇ字型槽孔2與寄生金屬臂4可使頻寬增加約92%。

在本實施例中，天線模擬回應圖如圖3，以此例運用該型式天線於中心頻率5.5GHz其返回損耗為-16dB，S11=-6dB之頻寬比為18%，天線整體尺寸為15 * 15 * 2mm。單體天線的3D輻射場型，天線增益可達到3.4dBi，如圖5所示。同樣之天線設計可運用於更多Sub-6G頻帶之上。

在本實施例中，使用LCP材料將天線包覆玻璃5(高介電透明材料K值大於6)做一貼片天線設計，其中第一表面為輻射金屬臂1，另一第二表 面為可接地之接地金屬板6，且由該接地金屬板6延伸，經過至少該側表面之一至該第一表面，形成特定形狀，與該輻射金屬臂1接近但不連接。

本實施例饋入機制使用微帶線側邊饋入，微帶線饋入區域使用一槽孔以獲得良好的饋入匹配，微帶線長度不限可做延伸以方便裝置饋入為主。

更進一步的實施時，饋入區域亦可使用LCP多層結構於不同層別設立饋入微帶線的饋入方式。也可使用LCP多層板在不同層別設計不同金屬形式，以達到相似效果。

在其他實施例中，接地金屬板6延伸出寄生金屬臂4，該寄生金屬臂4會接近於饋入區域，同時與饋入區域端產生耦合的效果，該寄生金屬臂4需連接或非常靠近於接地金屬板6。根據高頻回應公式可知當電容值越高，阻抗值越低，當電容值高到一定程度，阻抗接近0可視作短路。

阻抗公式如下：

Zc=，f=頻率，

，C=電容值。

更進一步的實施時，可利用部分被動元件或金屬重疊方式使寄生金屬臂4與接地金屬板6產生一定大的電容效應，可以產生相似效果。

一般PCB基材設計貼片天線尺寸過大，應用性不佳，軟板FPC基材貼片天線因厚度太薄的限制無法使用在Sub-6G頻段，同時使用貼片天線也會有頻寬較差的現象，但若是不使用貼片天線則無法達到較高的指向性增益。

使用LCP材料包覆玻璃形成一貼片型式天線，藉由玻璃5的高介電係數(K值>6)可使貼片天線尺寸縮減，同時玻璃5可提供足夠的厚度來使天 線具備較佳的特性，仍可維持貼片天線高指向性的特性，藉此使天線有更廣泛的應用範圍，在貼片天線上使用微帶線槽孔饋入以克服玻璃無法灌孔饋入的問題，並獲得良好的饋入匹配。並於貼片天線輻射面之中設計ㄇ形槽孔以及側邊寄生金屬臂4提升天線可工作頻寬。

綜上，本申請LCP包覆玻璃材質之天線，使用貼片天線型式設計，其中運用微帶線使用槽孔饋入方式亦可運用LCP多層饋入方式，可克服玻璃材質無法使用一般鑽孔饋入的頻率匹配問題。並於貼片天線輻射面之中設計ㄇ形槽孔以及側邊寄生金屬臂4提升天線可工作頻寬。所設計之玻璃貼片天線具有更小型化，具有足夠的可工作頻寬，並且因為基材為玻璃可以廣泛的運用於各種產品應用。

本申請提出之天線架構貼片天線具有高指向性與更多的可工作頻寬，並可設計於Sub-6G多種頻帶之上，其中5GHz天線增益可達到3.4dBi，頻寬比為18%。

以上實施例僅用以說明本發明申請的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本申請進行了詳細的說明，本領域的一般技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本申請各實施例技術方案的精神和範圍。

1:輻射金屬臂

2:ㄇ字型槽孔

3:饋入槽孔

4:寄生金屬臂

5:玻璃

Claims (8)

1. 一種貼片天線，包括：一介質基板，包含相對之一第一表面與一第二表面，及複數個環設在該第一表面與該第二表面之間側表面，其中該介質基板由一軟質材料包覆一高介電係數材料而成；一輻射金屬臂，至少於該第一表面上，形成特定形狀的金屬薄層，所述輻射金屬臂內更包括至少一封閉的槽孔，所述之槽孔總長與該高介電係數下的一個波長相等；一接地金屬板，設置於該第二表面上的金屬薄片；一寄生金屬臂，由該第二表面上之接地金屬，經過至少一該側表面向該第一表面延伸，形成特定形狀，且與該輻射金屬臂接近但不連接。
2. 如申請專利範圍第1項所述的貼片天線，其中所述軟質材料為一層或多層LCP材料。
3. 如申請專利範圍第1項所述的貼片天線，其中所述高介電係數材料為介電係數K>6之玻璃材質。
4. 如申請專利範圍第1項所述的貼片天線，其中所述介質基板在運行貼片天線時，使用槽孔饋入方式或運用LCP多層饋入方式。
5. 如申請專利範圍第1項所述的貼片天線，其中所述寄生金屬臂在該第一表面上往該側面延伸總長度與該高介電係數下的1/4波長相等。
6. 如申請專利範圍第1項所述的貼片天線，其中所述第一表面，第二表面或側表面設有一天線饋入區域；該輻射金屬臂由該第一表面延伸與該天線饋入區域連接。
7. 如申請專利範圍第1項所述的貼片天線，其中所述金屬薄層材質為銅、鋁或銀。
8. 如申請專利範圍第1項所述的貼片天線，其中所述輻射金屬臂上更設有至少一饋入槽孔。

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