TWI811113B - 超寬頻天線 - Google Patents
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Abstract
本申請公開一種超寬頻天線，包括：介質基板、輻射接地板、金屬貼片與環形金屬接地板。介質基板包括彼此相對的第一表面與第二表面，且設置有環繞邊緣的複數個導電孔與沿第一方向排列的複數個短路孔；輻射接地板設置於第一表面並連接該些短路孔與該些導電孔；金屬貼片設置於第二表面並連接該些短路孔，以形成背靠背連接的寄生輻射貼片與平面倒F型天線（PIFA）輻射貼片；環形金屬接地板設置於第二表面且連接該些導電孔，環形金屬接地板環繞金屬貼片且與金屬貼片隔離。寄生輻射貼片與PIFA輻射貼片產生不同諧振頻率點，以展寬頻寬。
Description
本申請涉及天線技術領域，特別涉及一種超寬頻天線。
超寬頻技術（Ultra Wide Band，UWB）是一種無線載波通訊技術，主要應用於10米左右的短距離高速資料通訊，利用奈秒至微秒級的非正弦波窄脈衝傳輸資料，透過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號。
目前超寬帶天線多採用單輻射貼片設計（即單貼片天線），其中，輻射貼片位於介質基板上方，天線參考地位於所述介質基板的底面。然而，單貼片天線因受限於其物理特性，存在頻寬較窄的問題。因此，相關業者提出透過漸變的饋線或改變貼片的形狀來增加天線的駐波比頻寬，但存在拓展頻寬有限、貼片透過開縫改變形狀造成增益降低、對於特定方向上的定位性能較差，且外形複雜導致加工不穩定性的問題。
本申請實施例提供一種超寬頻天線，可解決現有技術中的問題。
為了解決上述技術問題，本申請是這樣實現的：
本申請提供了一種超寬頻天線，包括：介質基板、輻射接地板、金屬貼片與環形金屬接地板。介質基板包括彼此相對的第一表面與第二表面，介質基板設置有連通第一表面與第二表面的複數個導電孔與複數個短路孔，該些導電孔環繞設置於介質基板的邊緣，該些短路孔沿第一方向排列設置於介質基板；輻射接地板設置於第一表面，並連接該些短路孔與該些導電孔；金屬貼片設置於第二表面並連接該些短路孔，以形成沿第二方向排列且背靠背連接的寄生輻射貼片與平面倒F型天線（planar inverted-F antenna，PIFA）輻射貼片，第二方向與第一方向垂直，PIFA輻射貼片設置有饋電點；環形金屬接地板設置於第二表面且連接該些導電孔，環形金屬接地板環繞金屬貼片且與金屬貼片彼此隔離。其中，寄生輻射貼片與PIFA輻射貼片產生不同的諧振頻率點，以展寬頻寬。
在本申請實施例中，透過複數個短路孔連接輻射接地板與金屬貼片形成背靠背連接的寄生輻射貼片與PIFA輻射貼片，使得超寬頻天線在不增加原有單輻射貼片的尺寸、不增加介質基板層數的情況下產生兩個諧振頻率點，實現雙頻率諧振，以拓寬頻寬，結構簡單易實現。另外，透過環形金屬接地板環繞輻射貼片，增加寄生輻射貼片與PIFA輻射貼片分別與天線參考地之間的耦合，可使寄生輻射貼片與PIFA輻射貼片所產生的諧振頻率點降低，減小超寬頻天線的尺寸，同時提升超寬頻天線的頻寬。
以下將配合相關圖式來說明本發明的實施例。在這些圖式中，相同的標號表示相同或類似的組件或方法流程。
必須瞭解的是，使用在本說明書中的「包含」、「包括 」等詞，是用於表示存在特定的技術特徵、數值、方法步驟、作業處理、元件和/或組件，但並不排除可加上更多的技術特徵、數值、方法步驟、作業處理、元件、組件，或以上的任意組合。
必須瞭解的是，當組件描述為「連接 」或「耦接 」至另一組件時，可以是直接連結、或耦接至其他組件，可能出現中間組件。相反地，當組件描述為「直接連接 」或「直接耦接 」至另一組件時，其中不存在任何中間組件。
請參閱圖1，其為依據本申請的超寬頻天線的第一實施例爆炸圖。如圖1所示，超寬頻天線100包括：介質基板110、輻射接地板120、金屬貼片130與環形金屬接地板140。
在本實施例中，介質基板110包括彼此相對的第一表面112與第二表面114，介質基板110設置有連通第一表面112與第二表面114的複數個導電孔50與複數個短路孔60，複數個導電孔50環繞設置於介質基板110的邊緣，複數個短路孔60沿第一方向F排列設置於介質基板110。其中，介質基板110可為可撓性基板或硬質基板；可撓性基板的材質可包括但不限於聚醯亞胺（polyimide，PI）、聚碳酸酯（polycarbonate，PC）、聚酯纖維（polyester，PET）、環烯烴共聚物（cyclic olefin copolymer，COC）或其組合，硬質基板的材質可包括但不限於玻璃、石英、晶圓、陶瓷或其組合，但本實施例並非用以限定本申請；導電孔50與短路孔60的材質可為導電金屬（例如：銅、銀、鋁、鋅、金、或其合金）；導電孔50的數量可為但不限於20個，短路孔60的數量可為但不限於8個，但本實施例並非用以限定本申請，導電孔50與短路孔60的實際數量可依據實際需求進行調整。
在本實施例中，輻射接地板120設置於第一表面112，並連接複數個短路孔60與複數個導電孔50。其中，輻射接地板120的材質可為導電金屬，所述導電金屬使用化學電鍍或採用導電金屬粉噴塗工藝的方式覆蓋於介質基板110的第一表面112，以形成輻射接地板120。在一實施例中，為了給加工介質基板110的表面上鍍銅時留一點餘量，介質基板110的第一表面112的面積可略大於輻射接地板120的面積。
在本實施例中，金屬貼片130設置於第二表面114並連接複數個短路孔60，以形成沿第二方向S排列且背靠背連接的寄生輻射貼片132與PIFA輻射貼片134，第二方向S與第一方向F垂直，PIFA輻射貼片134設置有饋電點70。其中，金屬貼片130可為但不限於矩形的板片（金屬貼片130的形狀可依據實際需求進行調整），金屬貼片130的材質可為導電金屬，所述導電金屬使用壓合或噴塗工藝覆蓋於介質基板110的第二表面114，以形成金屬貼片130；詳細地，金屬貼片130透過與接地的複數個短路孔60連接可等效為位於複數個短路孔60的左右兩側且背靠背連接的寄生輻射貼片132與PIFA輻射貼片134（即可視為雙天線背靠背的組合）；寄生輻射貼片132從PIFA輻射貼片134耦合能量，寄生輻射貼片132與PIFA輻射貼片134產生不同的諧振頻率點，以展寬頻帶頻寬。
更詳細地說，當複數個短路孔60與金屬貼片130的連接位置位於金屬貼片130沿第二方向S的中心線位置時，PIFA輻射貼片134、輻射接地板120與複數個短路孔60等效組成四分之一波長諧振的PIFA天線（PIFA輻射貼片134連接複數個短路孔60的一端是電場最弱的一端，另一端是電場最強的一端）；寄生輻射貼片132、輻射接地板120與複數個短路孔60也等效組成四分之一波長諧振的接地寄生天線（由於寄生輻射貼片132沒有設置饋電點，其上的電場為感應電場，所述感應電場與PIFA輻射貼片134上的電場等幅但方向相反）；由於寄生輻射貼片132與PIFA輻射貼片134所產生的諧振頻率點與其面積尺寸有關，因此，可透過改變複數個短路孔60與金屬貼片130的連接位置（即改變位於複數個短路孔60的左右兩側的寄生輻射貼片132與PIFA輻射貼片134的面積尺寸）來改變寄生輻射貼片132與PIFA輻射貼片134所產生的諧振頻率點（即讓寄生輻射貼片132與PIFA輻射貼片134產生不同的諧振頻率點），且寄生輻射貼片132與PIFA輻射貼片134之間的面積尺寸差異的大小決定兩個諧振頻率點之間的距離，進而拓展超寬頻天線100的頻寬。另外，由於PIFA輻射貼片134沿第二方向S的長度可為金屬貼片130沿第二方向S的長度的一半，因此，可達到縮小天線尺寸的目的。
在本實施例中，環形金屬接地板140設置於第二表面114且連接複數個導電孔50，環形金屬接地板140環繞金屬貼片130且與金屬貼片130彼此隔離。環形金屬接地板140透過複數個導電孔50與輻射接地板120相連，形成接地環，使得環形金屬接地板140與輻射接地板120共同作為超寬頻天線100的參考地，增加了超寬頻天線100與參考地之間的耦合，可降低寄生輻射貼片132與PIFA輻射貼片134所產生的諧振頻率點，減小超寬頻天線100的尺寸，同時提升超寬頻天線100的頻寬。
在本實施例中，超寬頻天線100還可包括饋電焊盤150，饋電焊盤150與輻射接地板120位於同一平面（即饋電焊盤150設置於第一表面112），輻射接地板120環繞饋電焊盤150且與饋電焊盤150彼此隔離；介質基板110還可包括饋電孔116，饋電焊盤150透過饋電孔116連接PIFA輻射貼片134的饋電點70。因此，超寬頻天線100作為一個天線模組，可透過饋電焊盤150直接與系統的信號輸出線端相連接，或者饋電焊盤150透過一段獨立的傳輸線的板對板連接器與系統主板相連。當超寬頻天線100作為發射天線時，系統主板的發射晶片可產生與超寬頻天線100的諧振頻率相同且具有一定幅度的頻率信號，經傳輸線輸入到饋電焊盤150，經過饋電孔116輸入到PIFA輻射貼片134，使得寄生輻射貼片132與PIFA輻射貼片134產生等幅反向的電場，垂直於金屬貼片130上方遠場區電場同向疊加，形成有效的輻射，將系統主板產生的頻率信號發射出去。當超寬頻天線100作為接收天線時，來自於自由空間中的其他天線產生的輻射電場在超寬頻天線100上產生感應電場，感應電場產生感應電流，當其他天線產生的輻射電場信號頻率與超寬頻天線100的諧振頻率相同時，電流最大，再經饋電孔116、饋電焊盤150、所述獨立的傳輸線最終輸入到系統主板的接收晶片中。
在一實施例中，請參閱圖2至圖5，圖2為依據本申請的超寬頻天線的第二實施例爆炸圖，圖3為圖2的超寬頻天線的組合示意圖，圖4為圖3的超寬頻天線的俯視圖，圖5為圖3的超寬頻天線的仰視圖。如圖2至圖5所示，超寬頻天線200除了包括介質基板110、輻射接地板120、金屬貼片130、環形金屬接地板140與饋電焊盤150以外，還可包括微帶饋線260，微帶饋線260與饋電點70設置於PIFA輻射貼片134的內部，並透過U型縫隙80與PIFA輻射貼片134三面隔離，饋電點70位於U型縫隙80的內側，微帶饋線260連接饋電點70與PIFA輻射貼片134。當超寬頻天線200作為發射天線時，饋電焊盤150將與寄生輻射貼片132與PIFA輻射貼片134的諧振頻率相同且具有一定幅度的信號透過饋電孔116、饋電點70與所微帶饋線260饋入PIFA輻射貼片134，以使寄生輻射貼片132與PIFA輻射貼片134產生等幅反向的電場，以將所述信號發射出去；當超寬頻天線200作為接收天線時，寄生輻射貼片132與PIFA輻射貼片134透過與其諧振頻率相同且具有一定幅度的信號產生感應電場，感應電場產生感應電流，再經饋電孔116與饋電焊盤150輸入與超寬頻天線200相連接的系統。在這個實施例中，增加了PIFA輻射貼片134內的微帶饋線260與U型縫隙80，減小PIFA輻射貼片134的面積，增加PIFA輻射貼片134的感性，使PIFA輻射貼片134的諧振頻率降低。另外，可透過調節微帶饋線260的長度來改變位於複數個短路孔60的右側的PIFA輻射貼片134的諧振頻率點。
其中，圖1的超寬頻天線100相對於圖2的超寬頻天線200，因不具有微帶饋線260，使得PIFA輻射貼片134的面積最完整，效率最好，避免了微帶饋線260對超寬頻天線200的影響。
請參閱圖6與圖7，圖6為傳統單貼片天線的散射參數變化曲線圖，圖7為圖3的超寬頻天線的一實施例散射參數變化曲線圖，其中，橫軸為頻率（單位：吉赫茲（GHz）），縱軸為散射參數（單位：分貝（dB）），傳統單貼片天線與超寬頻天線200的外形尺寸相同。如圖6與圖7所示，可知超寬頻天線200相比傳統單貼片天線可將散射參數頻寬在-3dB時擴展30%左右，散射參數頻寬在-6dB時擴展近一倍。
請參閱圖8與圖9，圖8為圖3的超寬頻天線在8GHz處的三維模擬輻射方向圖，圖9為圖3的超寬頻天線在8GHz處的二維模擬輻射方向圖，其中，圖9的實線為超寬頻天線200在Phi＝0°平面上的輻射方向圖，圖9的虛線為超寬頻天線200在Phi＝90°平面上的輻射方向圖。如圖8與圖9所示，可知超寬頻天線200的方向性較好，能夠滿足通訊的基本需求。
在一實施例中，請參閱圖10，其為依據本申請的超寬頻天線的第三實施例爆炸圖。如圖10所示，超寬頻天線300與超寬頻天線200之間的差異在於：寄生輻射貼片132沿第一方向F的兩側邊沿分別開設有一字型槽90。透過一字型槽90的設置，可延長電流從寄生輻射貼片132流入複數個短路孔60的路徑長度，達到降低寄生輻射貼片132的諧振頻率的目的。
在一實施例中，請參閱圖11與圖12，圖11與圖12分別為依據本申請的超寬頻天線的第四實施例與第五實施例爆炸圖。如圖11與圖12所示，透過縫隙（U型縫隙92或十字縫隙94）的設置，可延長電流從寄生輻射貼片132流入複數個短路孔60的路徑長度，達到降低寄生輻射貼片132的諧振頻率的目的。另外，所述縫隙的設置也可使超寬頻天線400與超寬頻天線500的尺寸減小，達到小型化的目的。在其他實施例中，所述縫隙可為任何其他形狀的縫隙。
在一實施例中，請參閱圖13，其為依據本申請的超寬頻天線的第六實施例爆炸圖。如圖13所示，超寬頻天線600與超寬頻天線200之間的差異在於：複數個短路孔60沿第一方向F錯位偏移設置。透過複數個短路孔60錯位偏移的設置，可改變電流從寄生輻射貼片132的一側流入複數個短路孔60的路徑長度（即改變寄生輻射貼片132的諧振頻率），同時避免了因複數個短路孔60集中所導致介質基板110發生斷裂的風險，提升產品良率。
在一實施例中，請參閱圖14，其為依據本申請的超寬頻天線的第七實施例爆炸圖。如圖14所示，超寬頻天線700包括介質基板110、輻射接地板120、金屬貼片130與環形金屬接地板140，環形金屬接地板140包括間斷配置的複數個接地段142，複數個接地段142連接複數個導電孔50；超寬頻天線700還包括設置於第二表面114的微帶饋線760，微帶饋線760設置於複數個接地段142中的兩個接地段142之間且與所述兩個接地段142隔離，微帶饋線760連接PIFA輻射貼片134。需注意的是，微帶饋線760不連接任一個導電孔50。因此，超寬頻天線700可以很容易的應用到普通雙面板中，結構更簡單。透過間斷配置的複數個接地段142與微帶饋線760的設置，PIFA輻射貼片134直接可由設置於第二表面114的微帶饋線760進行饋電，且減小超寬頻天線700的耦合，增大超寬頻天線700的尺寸，增加輻射效率。在另一實施例中，環形金屬接地板140可為C型接地環，C型接地環連接複數個導電孔50，微帶饋線760設置於C型接地環的開口處且與所述C型接地環隔離（即環形金屬接地板140只對微帶饋線760的兩側進行間斷）。
綜上所述，在本申請實施例中，透過複數個短路孔連接輻射接地板與金屬貼片形成背靠背連接的寄生輻射貼片與PIFA輻射貼片，使得超寬頻天線在不增加原有單輻射貼片的尺寸、不增加介質基板層數的情況下產生兩個諧振頻率點，實現雙頻率諧振，以拓寬頻寬，結構簡單易實現。另外，透過環形金屬接地板環繞輻射貼片，增加寄生輻射貼片與PIFA輻射貼片分別與天線參考地之間的耦合，可使寄生輻射貼片與PIFA輻射貼片所產生的諧振頻率點降低，減小超寬頻天線的尺寸，同時提升超寬頻天線的頻寬。此外，超寬頻天線除了可透過設置於第一表面的饋電焊盤進行饋電，還可透過設置於第二表面的微帶饋線進行饋電。再者，透過改變複數個短路孔的設置位置與寄生輻射貼片的形狀（例如：開設一字型槽、U型縫隙、十字縫隙或其他形狀的縫隙），即可對寄生輻射貼片或/與PIFA輻射貼片進行頻率調節，以拓展超寬頻天線的頻寬。
雖然在本申請的圖式中包含了以上描述的組件，但不排除在不違反發明的精神下，使用更多其他的附加組件，已達成更佳的技術效果。
雖然本發明使用以上實施例進行說明，但需要注意的是，這些描述並非用於限縮本發明。相反地，此發明涵蓋了所屬技術領域中的技術人員顯而易見的修改與相似設置。所以，申請專利範圍須以最寬廣的方式解釋來包含所有顯而易見的修改與相似設置。
50:導電孔
60:短路孔
70:饋電點
80,92:U型縫隙
90:一字型槽
94:十字縫隙
100,200,300,400,500,600,700:超寬頻天線
110:介質基板
112:第一表面
114:第二表面
116:饋電孔
120:輻射接地板
130:金屬貼片
132:寄生輻射貼片
134:PIFA輻射貼片
140:環形金屬接地板
142:接地段
150:饋電焊盤
260,760:微帶饋線
F:第一方向
S:第二方向
此處所說明的圖式用來提供對本申請的進一步理解，構成本申請的一部分，本申請的示意性實施例及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。在圖式中：
圖1為依據本申請的超寬頻天線的第一實施例爆炸圖；
圖2為依據本申請的超寬頻天線的第二實施例爆炸圖；
圖3為圖2的超寬頻天線的組合示意圖；
圖4為圖3的超寬頻天線的俯視圖；
圖5為圖3的超寬頻天線的仰視圖；
圖6為傳統單貼片天線的散射參數變化曲線圖；
圖7為圖3的超寬頻天線的一實施例散射參數變化曲線圖；
圖8為圖3的超寬頻天線在8GHz處的三維模擬輻射方向圖；
圖9為圖3的超寬頻天線在8GHz處的二維模擬輻射方向圖；
圖10為依據本申請的超寬頻天線的第三實施例爆炸圖；
圖11為依據本申請的超寬頻天線的第四實施例爆炸圖；
圖12為依據本申請的超寬頻天線的第五實施例爆炸圖；
圖13為依據本申請的超寬頻天線的第六實施例爆炸圖；以及
圖14為依據本申請的超寬頻天線的第七實施例爆炸圖。
50:導電孔
60:短路孔
70:饋電點
100:超寬頻天線
110:介質基板
112:第一表面
114:第二表面
116:饋電孔
120:輻射接地板
130:金屬貼片
132:寄生輻射貼片
134:PIFA輻射貼片
140:環形金屬接地板
150:饋電焊盤
F:第一方向
S:第二方向
Claims (10)
- 一種超寬頻天線，包括： 一介質基板，包括彼此相對的一第一表面與一第二表面，該介質基板設置有連通該第一表面與該第二表面的複數個導電孔與複數個短路孔，該些導電孔環繞設置於該介質基板的邊緣，該些短路孔沿一第一方向排列設置於該介質基板； 一輻射接地板，設置於該第一表面，並連接該些短路孔與該些導電孔； 一金屬貼片，設置於該第二表面並連接該些短路孔，以形成沿一第二方向排列且背靠背連接的一寄生輻射貼片與一平面倒F型天線（planar inverted-F antenna，PIFA）輻射貼片，該第二方向與該第一方向垂直，該PIFA輻射貼片設置有一饋電點；以及 一環形金屬接地板，設置於該第二表面且連接該些導電孔，該環形金屬接地板環繞該金屬貼片且與該金屬貼片彼此隔離； 其中，該寄生輻射貼片與該PIFA輻射貼片產生不同的諧振頻率點，以展寬頻寬。
- 如請求項1所述的超寬頻天線，其中，該超寬頻天線還包括一饋電焊盤，該饋電焊盤與該輻射接地板位於同一平面，該輻射接地板環繞該饋電焊盤且與該饋電焊盤彼此隔離；該介質基板還包括一饋電孔，該饋電焊盤透過該饋電孔連接該饋電點。
- 如請求項2所述的超寬頻天線，其中，該超寬頻天線還包括一微帶饋線，該微帶饋線與該饋電點設置於該PIFA輻射貼片的內部，並透過一U型縫隙與該PIFA輻射貼片三面隔離，該饋電點位於該U型縫隙的內側，該微帶饋線連接該饋電點與該PIFA輻射貼片。
- 如請求項1所述的超寬頻天線，其中，該寄生輻射貼片沿該第一方向的兩側邊沿分別開設有一一字型槽。
- 如請求項1所述的超寬頻天線，其中，該寄生輻射貼片開設有一U型縫隙、一十字縫隙或其他形狀的縫隙。
- 如請求項1所述的超寬頻天線，其中，該些短路孔與該金屬貼片的連接位置位於該金屬貼片沿該第二方向的一中心線位置。
- 如請求項1所述的超寬頻天線，其中，該環形金屬接地板包括間斷配置的複數個接地段，該些接地段連接該些導電孔；該超寬頻天線還包括設置於該第二表面的一微帶饋線，該微帶饋線設置於該些接地段中的兩個接地段之間且與該兩個接地段隔離，該微帶饋線連接該PIFA輻射貼片。
- 如請求項1所述的超寬頻天線，其中，該些短路孔沿該第一方向錯位偏移設置。
- 如請求項1所述的超寬頻天線，其中，該介質基板的該第一表面的面積略大於該輻射接地板的一面積。
- 如請求項1所述的超寬頻天線，其中，該寄生輻射貼片與該PIFA輻射貼片之間的一面積尺寸差異的大小決定該不同的諧振頻率點之間的一距離。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210252293.7A CN114512810A (zh) | 2022-03-15 | 2022-03-15 | 超宽频天线 |
| CN202210252293.7 | 2022-03-15 |
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|---|---|
| TW202304060A TW202304060A (zh) | 2023-01-16 |
| TWI811113B true TWI811113B (zh) | 2023-08-01 |
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ID=81553776
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW111135564A TWI811113B (zh) | 2022-03-15 | 2022-09-20 | 超寬頻天線 |
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| Country | Link |
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| CN (1) | CN114512810A (zh) |
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-
2022
- 2022-03-15 CN CN202210252293.7A patent/CN114512810A/zh active Pending
- 2022-09-20 TW TW111135564A patent/TWI811113B/zh active
Patent Citations (5)
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