TWI388084B - 寬頻平面天線 - Google Patents

Description

寬頻平面天線

本發明係關於一種寬頻天線；具體而言，本發明係關於一種供無線通訊網路訊號傳輸使用之寬頻平面天線。

隨著實體網際網路的普遍，人類漸漸將注意力轉移到無線、遠距、寬頻的方式取代實體寬頻的佈線，加速寬頻使用戶的普及率。因此業界不斷推出更先進的無線通訊網路技術及標準。例如，國際電機工程師學會(IEEE)於802.11所定義的WiFi無線網路標準及最近802.16所訂定之全球互通微波存取(WiMAX)標準。尤其以WiMAX而言，其傳輸距離已可由以公尺計算增加到數十公里，且具無線寬頻之特性，可大幅改善過往技術的缺點。

為配合無線通訊網路技術之提升，作為無線訊號收發用之天線亦需因應改良，方能配合新的技術使用。圖1所示為美國專利US6861986所揭示之傳統雙頻天線。此雙頻天線包含有第一輻射體31及第二輻射體32，兩者均連接於接地面4。訊號經由饋入點61以直接饋入方式饋入，以激發第一輻射體31產生高頻模態，其操作中心頻率落在5.25GHz。訊號直接饋入並可激發第二輻射體32產生低頻模態，其操作中心頻率落在2.45GHz。此外，第二輻射體32之長度約為其操作頻率之1/4波長。

由於此天線採用直接饋入方式饋入訊號，低頻模態之頻寬約在200MHz，未能符合WIMAX之寬頻需求。此外，為配合低頻模態之操作頻率，第二輻射體32之長度無法縮減，因此將無法因應各式電子裝置小型化之需求。

本發明之一目的在於提供一種寬頻平面天線，能藉由減少物料卻能達成同樣功能之設計，大幅壓低生產耗費。

本發明之另一目的在於提供一種寬頻平面天線，其係藉由直接饋入及偶合饋入方式形成三種不同頻帶，以符合不同頻率的需求。

本發明之另一目的在於提供一種寬頻平面天線，針對特定頻帶減少反射波，進而增加電磁波發送功率的目的，亦可因此較一般通用頻帶天線省電。

本發明之寬頻平面天線，包含基板、第一輻射體、第二輻射體、第三輻射體、接地部以及訊號源。基板具有相對之一第一表面及一第二表面，換言之，第一表面與第二表面位於不同的基板表面。本發明之第一輻射體設置於第一表面上。第二輻射體與第一輻射體連接於連接處，且第二輻射體設置於第一表面或第二表面其中之一；換言之，第二輻射體可與第一輻射體設置於同一基板表面或不同之基板表面。

本發明之第三輻射體設置於第一表面或第二表面其中之一；換言之，第三輻射體可依設計需求或場型變化，而調整其設置於第一表面或第二表面。

本發明之接地部與第三輻射體相接，接地部包含第一接地部及第二接地部。其中，第三輻射體具有短邊及長邊，短邊與接地部連接，短邊與長邊相互連接且延伸方向相互垂直，長邊朝第一輻射體延伸，第二輻射體設置於第三輻射體與接地部之間。

本發明之訊號源饋入高頻訊號包含正訊號及負訊號。其中，正訊號經連接處直接饋入分別激發第一輻射體及第二輻射體形成第一頻段模態及第二頻段模態，而負訊號與接地部耦接進而偶合饋入激發第三輻射體形成第三頻段模態。

本發明之目的在於提供一種寬頻平面天線及其製造方法，能藉由縮小尺寸及薄型化的設計，大幅壓低生產耗費，並針對特定頻帶設計輻射體的方向，以減少反射波並增加電磁波功率，故較為省電。在較佳實施例中，本發明之寬頻平面天線具有應用於多樣化電子裝置之無線訊號傳輸功能。電子裝置較佳包含筆記型電腦、桌上型電腦、主機板、行動電話、個人數位助理、全球位置測定系統、電子遊戲機等。其所收發之無線訊號則應用於包含各式無線區域網路(WLAN)、全球互通微波存取技術(WIMAX)、其他無線通訊方式。

圖2a及圖2b所示為本發明寬頻平面天線之實施例示意圖。如圖2a及圖2b所示，寬頻平面天線100包含基板200、第一輻射體300、第二輻射體400、第三輻射體500、接地部600、訊號源700。基板200較佳以PET等塑料或其他具介電性之材質製成，例如印刷電路板(PCB)、可撓性電路板(FPC)等，均可應用作為基板200。在較佳實施例中，基板200之厚度小於1mm，但不以此為限。基板200具有相對之第一表面210及第二表面220；圖2a所示即為第一表面210之實施例，而圖2b則為相應之第二表面220配置實施例。

如圖2a所示，第一輻射體300係設置於基板200之第一表面210上。在較佳實施例中，第一輻射體300為設置於第一表面210上之金屬線或具其他幾合形狀之金屬微帶。第一輻射體300較佳係以印刷之方式形成於第一表面210上，然而在不同實施例中，亦可以其他方式形成第一輻射體300。此外，如圖4a及圖4b所示之實施例中，第一輻射體300之面積及形狀可依阻抗匹配之需求加以調整。

第二輻射體400與第一輻射體300相接於連接處800，第二輻射體400較佳係設置於基板200之第一表面210；然而在其它實施例中，第二輻射體400亦可設置於第二表面220上；換言之，第一輻射體300與第二輻射體400可設置於相對不同表面上；在此實施例中，連接處800可貫通基板200而連接分別設置於第一表面210及第二表面220之第一輻射體300及第二輻射體400。本發明之第二輻射體400較佳為以印刷形成之金屬線或金屬微帶。如圖4a及圖4b所示之實施例中，第二輻射體400之面積及形狀亦可依阻抗匹配之需求加以調整。

在圖2a及圖2b所示之實施例中，第二輻射體400係設置於第一表面210上，因此與第一輻射體300位於相同表面上，且為同一金屬微帶之相對兩端；然而，當第二輻射體400與第一輻射體300分別位於不同平面時，兩者間之間距亦可由基板200之厚度加以提供；而當第二輻射體400設置於第二表面220時，其投影範圍不重疊於第一輻射體300。在圖2a及圖2b所示之實施例中，第二輻射體400朝遠離第一輻射體300方向延伸。然而在如圖7a及7b所示之其它實施例中，第二輻射體400亦可與第一輻射體300朝同方向延伸。

第三輻射體500可設置於基板200之第一表面210或第二表面220上，且較佳為印刷形成之金屬線或金屬微帶。第三輻射體500之面積及形狀亦可依阻抗匹配之需求加以調整。在圖2a及圖2b所示之實施例中，第三輻射體500係設置於第二表面220上，並朝第一輻射體300方向延伸，且其與第一輻射體300及第二輻射體400分別位於相對之不同表面上。在圖2a及圖2b所示之實施例中，第三輻射體500包含長邊510及短邊530，而短邊530與長邊510連接且延伸方向相互垂直；換言之，短邊530與長邊510以直角形式向外延伸。第三輻射體500藉由短邊530與接地部600相接；此處所言之相接方式包含耦接、焊接、金屬印刷。第三輻射體500較佳朝遠離接地部600方向延伸。在此實施例中，第三輻射體500之短邊530也可用往復曲折之類鋸齒形式分佈於基板200上，如圖9a及圖9b之短邊530所示。藉由此設計，得以在不增加空間需求下增加第三輻射體500之路徑長度，進而增加或改變第三頻段模態之分佈頻帶範圍。由於第三輻射體500可為往復曲折之設計，因此可在更下小之天線尺寸下得到與較大尺寸天線相同之頻帶分佈範圍。

本發明之接地部600包含第一接地部610及第二接地部630。在圖2a及圖2b所示之實施例中，第三輻射體500是與第二接地部630連接，因此第二接地部630與第三輻射體500皆設置於第二表面220。由於短邊530與第二接地部630連接，且短邊530與長邊510以直角形式向外延伸。是故，長邊510則朝第一輻射體300延伸。在此實施例中，第一接地部610及第二接地部630分別係設置於第一表面210及第二表面220上，且由金屬片所形成之接地面，其中兩者可連接而形成接地部600，但亦可不連接，即第一接地部610及第二接地部630是獨立不互相連通；換言之，第二接地部630與第一接地部610相互連通，且分別設置於基板200之不同表面。然而在其它實施例中，第二接地部630與第一接地部610可共同設置於同一表面並相互連通。進一步來說，第二接地部630與第一接地部610不互相連通，且分別設置於基板200之不同表面時的天線效能有最佳效果。

在圖2a及圖2b所示之實施例中，第三輻射體500與第一接地部610於第一表面210上之投影圍成一半開放區域900，且第二輻射體400至少部分伸入此半開放區域900中；換言之第二輻射體400設置於第三輻射體500與接地部600之間。此實施例中之半開放區域900係形成為長條形區域，第二輻射體400則沿此長條形區域平行延伸。此外，第一輻射體300則由連接處800朝相反於半開放區域900之開口方向延伸；換言之，第二輻射體400朝遠離第一輻射體300方向延伸，反之亦同。基於空間利用之考量，第一輻射體300伸出半開放區域900之一端形成為迴繞部310，使其反折朝向第一接地部610延伸；換言之，第一輻射體300自連接處800朝遠離第二輻射體400方向延伸，並形成迴繞部310反折朝向接地部600延伸。然而在不同實施例中，亦可使第一輻射體300直接向外伸出而不反折。此外，在其它實施例中，第一輻射體300之迴繞部310的延伸端部反折可與長邊510相對(圖未顯示)。

在圖2a及圖2b所示之實施例中，半開放區域900是由接地部600、短邊530與長邊510形成，其中短邊530與長邊510共同形成一倒L形與接地部600連接，藉由此一倒L形設計，可使寬頻天線之體積縮小，節省空間上之需求；然而在不同實施例中，第三輻射體500亦可採倒F形、S形或其他幾合形狀之設計。

訊號源700係將訊號饋入寬頻平面天線100，以激發第一輻射體300及第二輻射體400並產生無線訊號收發之模態。如圖2a及圖2b所示，由於本發明寬頻平面天線之訊號饋入方式係採用直接饋入。訊號源700饋入高頻訊號包含正訊號及負訊號，其中正訊號經連接處800直接饋入分別激發第一輻射體300及第二輻射體400形成第一頻段模態730及第二頻段模態750，而負訊號與接地部600耦接進而偶合饋入激發第三輻射體500形成第三頻段模態770。具體而言，訊號源700之正訊號連接連接處800，而負訊號耦接第一接地部610，第二接地部630與第一接地部610互相連通。第二輻射體400設置於長邊510、短邊530及接地部600之第一接地部610所圍繞之半開放區域900內，且訊號源700正訊號饋入處(也就是連接處800)是位於半開放區域900之範圍外；然而在其它實施例中，亦可因應不同的設計需求及場型變化而進行調整。

圖3a所示為本發明寬頻天線電壓駐波比(VSWR)之實施例示意圖。在此實施例中，如圖3a所示，第一頻段模態730係為一次高頻之模態，其分佈之頻帶範圍較佳包含3.3GHz至3.8GHz間之範圍。而第二頻段模態750係為最高頻之模態，其分佈之頻帶範圍較佳包含5.15GHz至5.85GHz間之範圍。以此實施例而言，第一頻段模態730及第二頻段模態750分佈頻帶範圍內之電壓駐波比均可控制於2以下。如圖3a所示之實施例中，第三頻段模態770係為低頻之模態，其分佈之頻帶範圍較佳包含2.3GHz至2.7GHz間之範圍。以此實施例而言，第三頻段模態770分佈頻帶範圍內之電壓駐波比均可控制於2以下。上述之頻帶範圍僅為第三頻段模態770頻帶範圍之一部分；由於第三頻段模態770採偶合饋入方式，如圖3a所示，實際之頻帶範圍係超過上述之範圍，因此第一頻段模態730與第三頻段模態770實際分佈頻帶有部分重疊，但第一頻段模態730與第二頻段模態750不重疊。此外，在此實施例中，第一頻段模態730與第三頻段模態770分佈之頻帶範圍部分重疊，以形成更寬廣之頻帶分佈範圍。換言之，如圖3a所示，由於第一頻段模態730與第三頻段模態770分佈之頻帶範圍部分重疊，得以消除各模態之間可能產生之波峰，並控制電壓駐波比在2以下，因此可統整視為頻帶範圍為包含第一頻段模態730及第三頻段模態770之一寬頻模態。

如圖3a所示之實施例中，第一頻段模態730為3.3GHz至3.8GHz間之範圍，第一頻段模態730之場型如圖3b所示之3G Bands。第二頻段模態750為5.15GHz至5.85GHz，第二頻段模態750之場型如圖3b所示之5G Bands。第三頻段模態770為2.3GHz至2.7GHz間之範圍，第三頻段模態770之場型如圖3b所示之2G Bands。上述場型特徵在於東、南、西、北四方位皆無空場效應(場型中凹陷下去，輻射功率極小之處)。

在圖5a及5b所示之實施例中，第三輻射體500之長邊510延伸端部515反折朝向短邊530延伸。此實施例中，第一輻射體300、第二輻射體400、第三輻射體500及接地部600皆位於第一表面210。換言之，第二表面220並無設置任何印刷形成之金屬線或金屬微帶。由於延伸端部515之反折，及輻射體設置於相同表面，可使此實施例之場形無空場效應並維持50%左右之功率。此實施例中，第三輻射體500之短邊530與第二接地部630連接，且第二接地部630與第一接地部610皆形成一設置於第一表面210之金屬片，而使第二接地部630與第一接地部610形成不可分之接地部600。此實施例中，第二輻射體400亦朝遠離第一輻射體300方向平行延伸入半開放區域900。換言之，第一輻射體300及第二輻射體400之游離端相互遠離延伸，且第二輻射體400設置於長邊510、短邊530及接地部600所圍繞之半開放區域900內。然而，若於圖8a及8b所示之實施例中，第一輻射體300及第二輻射體400之游離端亦可向相同方向延伸。如圖5a及5b所示之實施例中，第一輻射體300、第二輻射體400及第三輻射體500較佳為印刷形成之金屬線或金屬微帶。且第一輻射體300、第二輻射體400及第三輻射體500之面積及形狀亦可依阻抗匹配之需求加以調整。在此實施例中，第三輻射體500之短邊530也可用往復曲折之形式分佈於基板200上，如圖9a及圖9b之短邊530所示。

如圖6a所示之圖5a及圖5b實施例之寬頻天線電壓駐波比(VSWR)示意圖。此實施例中，第三頻段模態770係為低頻之模態，其分佈之頻帶範圍包含2.3GHz至2.7GHz間之範圍。以此實施例而言，第三頻段模態770分佈頻帶範圍內之電壓駐波比均可控制於2以下。上述之頻帶範圍僅為第三頻段模態770頻帶範圍之一部分；由於第三頻段模態770採偶合饋入方式，如圖6a所示，實際之頻帶範圍係超過上述之範圍，因此第一頻段模態730與第三頻段模態770實際分佈頻帶有部分重疊。換言之，如圖6a所示，由於第一頻段模態730與第三頻段模態770分佈之頻帶範圍部分重疊，得以消除各模態之間可能產生之波峰，並控制電壓駐波比在2以下，因此可統整視為頻帶範圍為包含第一頻段模態730及第三頻段模態770之一寬頻模態。

如圖6a及圖6b所示之實施例中，第一頻段模態730為3.3GHz至3.8GHz間之範圍，第一頻段模態730之場型為3G Bands。第二頻段模態750為5.15GHz至5.85GHz，第二頻段模態750之場型為5G Bands。第三頻段模態770為2.3GHz至2.7GHz間之範圍，第三頻段模態770之場型為2G Bands。上述場型特徵在於東、南、西、北四方位皆無空場效應(場型中凹陷下去，輻射功率極小之處)。

本發明已由上述相關實施例加以描述，然而上述實施例僅為實施本發明之範例。必需指出的是，已揭露之實施例並未限制本發明之範圍。相反地，包含於申請專利範圍之精神及範圍之修改及均等設置均包含於本發明之範圍內。

100．．．寬頻平面天線

200．．．基板

210．．．第一表面

220．．．第二表面

300．．．第一輻射體

310．．．迴繞部

400．．．第二輻射體

500．．．第三輻射體

510．．．長邊

515．．．延伸端部

530．．．短邊

600．．．接地部

610．．．第一接地部

630．．．第二接地部

700．．．訊號源

730．．．第一頻段模態

750．．．第二頻段模態

770．．．第三頻段模態

800．．．連接處

900．．．半開放區域

圖1為傳統雙頻天線之示意圖

圖2a為本發明天線之實施例第一表面示意圖

圖2b為圖2a所示實施例之第二表面示意圖

圖3a為圖2a所示實施例之天線電壓駐波比(VSWR)示意圖

圖3b為圖2a所示實施例之場型示意圖

圖4a為本發明天線之另一實施例第一表面示意圖

圖4b為圖4a所示實施例之第二表面示意圖

圖5a為本發明天線之其他實施例第一表面示意圖

圖5b為圖5a所示實施例之第二表面示意圖

圖6a為圖5a所示實施例之天線電壓駐波比(VSWR)示意圖

圖6b為圖5a所示實施例之場型示意圖

圖7a為本發明天線之變化實施例第一表面示意圖

圖7b為圖7a所示實施例之第二表面示意圖

圖8a為本發明天線之變化實施例第一表面示意圖

圖8b為圖8a所示實施例之第二表面示意圖

圖9a為本發明天線之變化實施例第一表面示意圖

圖9b為圖9a所示實施例之第二表面示意圖

100．．．寬頻平面天線

200．．．基板

210．．．第一表面

300．．．第一輻射體

310．．．迴繞部

400．．．第二輻射體

500．．．第三輻射體

510．．．長邊

530．．．短邊

600．．．接地部

610．．．第一接地部

630．．．第二接地部

700．．．訊號源

800．．．連接處

900．．．半開放區域

Claims (15)

1. 一種寬頻平面天線，包含：一基板，具有相對之一第一表面及一第二表面；一第一輻射體，設置於該第一表面上；一第二輻射體，與該第一輻射體連接於一連接處，且該第二輻射體設置於該第一表面或該第二表面其中之一；一第三輻射體，設置於該第一表面或該第二表面其中之一；一接地部，與該第三輻射體相接，其中該接地部包含一第一接地部及一第二接地部，該第三輻射體具有一短邊及一長邊，該短邊與該接地部連接，該短邊與該長邊連接且延伸方向相互垂直，該長邊朝該第一輻射體延伸，該第二輻射體設置於該第三輻射體與該接地部之間；以及一訊號源，饋入一高頻訊號包含一正訊號及一負訊號；其中，該正訊號經該連接處直接饋入分別激發該第一輻射體及該第二輻射體形成一第一頻段模態及一第二頻段模態，而該負訊號與該接地部耦接進而偶合饋入激發該第三輻射體形成一第三頻段模態；其中該第一輻射體自該連接處朝遠離該第二輻射體方向延伸，並形成一迴繞部反折朝向該接地部延伸。
2. 如請求項1所述之天線，其中該第二輻射體朝遠離該第一輻射體方向延伸。
3. 如請求項1所述之天線，其中該第三輻射體朝遠離該接地部方向延伸。
4. 如請求項1所述之天線，其中該第二接地部與該第一接地部相 互連通，且分別設置於該基板之不同表面。
5. 如請求項1所述之天線，其中該第一頻段模態與該第三頻段模態分佈之頻帶部分重疊，該第一頻段模態與該第二頻段模態不重疊。
6. 如請求項1所述之天線，其中該連接處可貫通該基板而連接分別設置於該第一表面及該第二表面之該第一輻射體及該第二輻射體。
7. 如請求項1所述之天線，其中該長邊之一端部反折朝向該短邊延伸。
8. 如請求項1所述之天線，其中該第一輻射體之一延伸端部反折與該長邊相對。
9. 如請求項1所述之天線，其中該短邊以往復曲折之形式分佈於該基板上。
10. 如請求項1所述之天線，其中該第三輻射體設置於該第二表面，並朝該第一輻射體方向延伸，該第一輻射體及該第二輻射體設置於該第一表面。
11. 如請求項10所述之天線，其中該訊號源之該正訊號連接該連接處，而該負訊號耦接該第一接地部，該第二接地部與該第一接地部互相連通，且該第二輻射體設置於該長邊、該短邊及該接地部所圍繞之一半開放區域內。
12. 如請求項1所述之天線，其中該第一接地部、該第二接地部、該第一輻射體及該第二輻射體設置於該第一表面，該第一輻射體及該第二輻射體之游離端相互遠離延伸，該第二接地部與該第一接地部互相連通，且該第二輻射體設置於該長邊、該短邊及該接 地部所圍繞之一半開放區域內。
13. 如請求項12所述之天線，其中該長邊之一端部反折朝向該短邊延伸。。
14. 如請求項1所述之天線，其中該第三頻段模態之頻帶範圍包含2.3 GHz至2.7 GHz之間；該第一頻段模態之頻帶範圍包含3.3 GHz至3.8 GHz之間；該第二頻段模態之頻帶範圍包含5.15 GHz至5.85 GHz之間。
15. 如請求項1所述之天線，其中該第二接地部與該第一接地部間接連接，且分別設置於該基板之不同表面。