TWM497352U - 多頻段倒鉤形微帶天線 - Google Patents

Description

多頻段倒鉤形微帶天線

本創作係應用於超寬頻(Ultra Wideband,UWB)及多頻段無線行動通訊系統之天線。

近年來隨著科技的進步，無線通訊技術發展迅速，且隨著平板式電腦與智慧型手機的普及化，人們對於無線通訊產品的依賴越來越重，要求也越來越高。因此傳統的微波頻段(30MHz-30GHz)之行動通訊設備，例如行動電話、筆記型電腦、數位電視及車用導航等也漸漸逐一被整合，單一操作頻段的天線已無法滿足人們的需求，除了將所有的通訊功能整合之外，通訊產品也必須考慮到產品體積及製造成本的問題。而天線是無線通訊產品中不可或缺的重要元件之一，所有需要發送、接收訊號的通訊產品，必定需要天線來完成訊號的發送與接收工作，因此如何將天線整合多頻段需求，並且要能達到體積小、成本低及效率穩定等效益，勢必為目前及未來的無線通訊技術領域中最重要的議題。

如第1圖所示，其係一種習知應用於行動裝置的小型多頻段天線，該天線架構頂層分別為雙鉤形輻射貼片10、饋入微帶線12，底層為矩形接地面11、及矩形槽口13，印製在厚度1.6mm之FR4基板14上。

該天線頂層為雙倒P形輻射貼片10所組成，其具有兩 種不同長度的圓形路徑，可輕易增加天線的電流路徑，使其具有小型化。然後經由調整雙倒P形輻射貼片10與饋入微帶線12的間距，能夠細微的控制共振頻率的位置。這兩個特殊形狀的耦合特性可激發三種不同的共振模態。另外，底層為矩形接地面11於饋入微帶線12中間挖出一矩形槽孔13，可增強天線的阻抗匹配。在反射損失(Return Loss)S₁₁<-10dB或電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)等於2的情況下，該天線的模擬與實測的反射損失量測圖以第2圖表示。從第2圖中可知，此天線架構能操作於UMTS、WLAN 2.4/5.2/5.8GHz、LTE2500及ITS(5795-6400MHz)等無線通訊頻段。

習知上述天線架構及特性後，本創作則提出一款具有能在無線通訊系統10個頻段中操作的多頻段倒鉤形微帶天線。其架構是將倒鉤形輻射貼片、雙對稱直角三角形接地面及饋入漸變形微帶線等組合印製在FR4基板。阻抗頻寬為875MHz-11.31GHz，此天線確實符合多頻段及寬頻段之需求，可應用於GSM 900、GPS、DCS、PCS、UMTS、LTE2300/2500、Bluetooth、WLAN2.4/5.2/5.8GHz及WiMAX等10個頻段無線通訊系統中。

10‧‧‧雙鉤形輻射貼片

11‧‧‧矩形接地面

12‧‧‧饋入微帶線

13‧‧‧矩形槽孔

14‧‧‧FR4基板

20‧‧‧雙對稱直角三角接地面

21‧‧‧漸變形饋入微帶線

22‧‧‧倒鉤形輻射貼片

23‧‧‧三角形槽口

24‧‧‧FR4基板

第1圖係習知應用於行動裝置小型多頻段天線架構圖(a)天線正視圖(b)天線底視圖(c)天線側視圖。

第2圖係習知應用於行動裝置小型多頻段天線模擬與實測反射損失量測圖。

第3圖係本創作天線架構圖(a)天線正視圖(b)天線側視圖。

第4圖係本創作天線尺寸符號架構圖。

第5圖係本創作天線尺寸符號架構圖。

第6圖係本創作天線尺寸符號架構圖。

第7圖係本創作天線反射損失量測圖。

第8(a)圖係本創作天線輻射場型量測圖920MHz。

第8(b)圖係本創作天線輻射場型量測圖1.5GHz。

第8(c)圖係本創作天線輻射場型量測圖1.8GHz。

第8(d)圖係本創作天線輻射場型量測圖1.9GHz。

第8(e)圖係本創作天線輻射場型量測圖2GHz。

第8(f)圖係本創作天線輻射場型量測圖2.3GHz。

第8(g)圖係本創作天線輻射場型量測圖2.4GHz。

第8(h)圖係本創作天線輻射場型量測圖2.6GHz。

第8(i)圖係本創作天線輻射場型量測圖3.5GHz。

第8(j)圖係本創作天線輻射場型量測圖5.2GHz。

第8(k)圖係本創作天線輻射場型量測圖5.8GHz。

第8(l)圖係本創作天線輻射場型量測圖7GHz。

第9圖係本創作天線最大增益量測圖。

請參閱第3圖、第4圖、第5圖及第6圖，本創作是一款多頻段倒鉤形微帶天線，其架構分別為雙對稱直角三角形接地面20、漸變形饋入微帶線21、倒鉤形輻射貼面22及三角形槽孔23，天線印製在FR4基板24上，整體尺寸為L×W×h=40×30×0.8mm³。

此天線雙對稱直角三角形接地面20則由兩個對稱直角三角形組成，該形狀能提供阻抗頻寬的寬度之特性，其長度為L₃及寬度為W₁，饋入微帶線21設計成漸變形，頂部至底部分別為寬度W₆及W₇，其長度為L₅，微帶線總長度為L₄，接地面與微帶線之間的間距以g來表示。倒鉤形輻射貼片22可分為兩部分，右側直角三角形貼片由長度為L₂及寬度為W₂之組合，左側三角形槽孔23貼片由長度為L₁及寬度為W₃表示。

為了良好的阻抗頻寬及效率，將微帶線設計成漸變形饋入微帶線21，並利用其雙對稱直角三角形接地面20之間的間距實現電流耦合以增加電流強度及訊號振盪深度，此外，本創作為使天線能共振於低頻中，將其設計成斜邊的方式使電流路徑於有限的基板空間能大幅增加，並於左側輻射貼片崁入一三角形槽孔23形成迴路以達到低頻段之特性，最後使用共面波導饋入(Coplanar Waveguide Fed,CPW)的形式呈現本創作之天線。

本創作之天線架構與尺寸皆經由最佳化設計，可實現超寬頻及多頻段操作之需求，該天線總尺寸大小以表1示之。

第7圖示出此天線反射損失量測圖，本創作天線經由實際製作後，利用向量網路分析儀(Vector Network Analyzer)8720ES進行量測，在S₁₁<-10dB情況下，由第7圖顯示本天線具有一個完整且極寬闊的阻抗頻寬為875MHz-11.31GHz，頻寬比為171%，其操作頻段確實不僅可完整涵蓋GSM900、GPS、DCS、PCS、UMTS、Bluetooth、LTE2300/2500、WiMAX(3300-3800GHz)及WLAN 2.4/5.2/5.8GHz等10個無線通訊系統，並同時符合超寬頻之需求(3.1-10.6GHz)。

第8(a)圖-第8(l)圖則顯示本天線輻射場型量測圖，量測頻率分別為920MHz、1.5GHz、1.8GHz、1.9GHz、2GHz、2.3GHz、2.4、2.6GHz、3.5GHz、5.2GHz、5.8GHz及7GHz，實線為共極化(Co-polarization)，虛線則為交叉極化(Cross-polarization)。

第9圖顯示天線各頻率點增益量測圖，量測頻率點分別為920MHz、1.5GHz、1.8GHz、1.9GHz、2GHz、2.3GHz、2.6GHz、3.5GHz、5.2GHz、5.8GHz、6GHz、7GHz、8GHz、9GHz及10GHz，該天線因擁有極寬闊的阻抗頻寬導致天線整體增益值略為較低，由圖中得知天線最大增益於2.4GHz可達1.03dBi，另外為滿足各頻段操作之穩定增益之需求，此天線最大與最小增益值差距為0.58dBi，整體變化於1dB內。其具有相當穩定之特性，本創作天線各頻率點詳細增益值以表2所示。

20‧‧‧雙對稱直角三角形接地面

21‧‧‧漸變形饋入微帶線

22‧‧‧倒鉤形輻射貼片

23‧‧‧三角形槽孔(triangular slot)

24‧‧‧基板

Claims (5)

1. 一種具有具有超寬頻及多功能倒鉤形微帶天線，包括：一基板；一個倒鉤形輻射貼片可分為右側直角三角形貼片與左側具有槽孔之三角形貼片兩部分，並以斜邊方式設於該基板，其可使天線操作頻段滿足GSM、GPS、DCS、PCS及UMTS行動通訊之效果；一漸變形饋入微帶線，設於該基板底部中間，其可大幅增加高頻部分阻抗頻寬之效果；一三角形槽孔，設於倒鉤形左側三角形貼片挖出一槽孔，此架構可形成一迴路增加其電流路徑並共振於低頻，確實滿足GSM之效果；一雙對稱三角形接地面，設於漸變形饋入微帶線兩側，此架構能使整體天線擁有寬的阻抗頻寬之效果，並且接地面與微帶線之間距g可實現電流耦合以增加電流強度及訊號振盪深度之效果。
2. 如請求項1所述之具有超寬頻及多功能倒鉤形微帶天線，其中倒鉤形輻射貼片由兩個部分所組成，一為右側直角三角形，其長度為L₂=19mm及寬度為W₂=7.5mm，二為左側具三角形槽孔之三角形貼片，其長度為W₄=2mm及W₃=2.2mm，可使頻率共振於高頻涵蓋GPS、DCS、PCS、UMTS之效果。
3. 如請求項1所述之具有超寬頻及多功能倒鉤形微帶天線，其中微帶線局部以漸變形作為設計直接饋入至倒鉤形輻射貼片，長度為L₅=18mm，而頂部與底部漸變形寬度分別為 W₆=2mm及W₇=4mm，微帶線總長度為L₄=29.5mm，此架構確實能於高頻中提升其阻抗頻寬之效果。
4. 如請求項1所述之具有超寬頻及多功能倒鉤形微帶天線，其中於倒鉤形輻射貼片左側三角形貼片崁入一三角形槽孔，其寬度分別為W₃=2.2mm及W₄=2mm，此架構能形成一迴路，並增加其電流路徑共振於低頻且確實涵蓋GSM 900之效果。
5. 如請求項1所述之具有超寬頻及多功能倒鉤形微帶天線，其中接地面由兩個雙對稱直角三角形所組成，其長度為L₃=26mm，寬度為W₁=11mm，此架構確實能使天線形成一寬的阻抗頻寬以涵蓋WiMAX及WLAN2.4/5.2/5.8GHz並滿足UWB之效果。