TW200803052A - Triple-band single dipole antenna of small coplanar waveguide feed-in type - Google Patents

Description

200803052 八、 本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： * . 九、 發明說明： . 【發明所屬之技術領域】 ♦ 本發明所屬之技術領域係關於一種小型共面波導饋入式三 頻操作之單偶極天線設計。其中涉及藉由在一微波基板之 單層導體面上嵌入不同形狀之開迴路槽孔，使·形成一個含 有兩個不對稱接地面之共面波導饋入單元連結一嵌有槽孔 之方形貼片輻射元之天線結構，藉由貼片輻射元上槽孔的 形狀、大小的調整及利用上述貼片輻射元與兩非對稱接地 面相互間之電磁耦奋效應，可產生尺寸極小並適合在 2· 27〜2· 62 GHz，5· 11 〜5· 54 GHz 及 6· 45〜7· 64 GHz 三個頻 段操作之天線特性，此天線並可提供無線區域網路2 4 GHz/5· 25 GHz頻段操作及c頻段行動通訊之應用需求。 【先前技術】 近年來由於無線通訊技術的迅速發展及人們對於相關產品功 能及打動化的姜求越來越高，各種具便利性的無線通訊產品便相 繼推出並且不朗改進。而無魏訊產品之-項重要共通特點在 於裝置間白使用無線方式來傳輸各式資料，因此，天、線元件的使 用便顯得必需且重要。而裝設於這些裝置上之天線除必須具有輕 便短小、易於攜代及低功率消耗等特點外，其對應的操作頻率寬 200803052 度亦必須足夠方能發揮效用。除此，考量成本及實用性，使用不 ， . 同頻4又之無線通訊裝置的整合亦成為目前發展之主要趨勢之—。 然而，整合不同的無線通訊模組到同一個裝置中，天線的使用便 產生困難。因馬’就無線通訊系統的整合而言，若能敦計一個平 面式、小尺寸、低成本、可同時適用多頻段操作並具良好輻射特 性(如極性、增益及輻射場型等）的單體且易與系統電路結合之天 線結構’則對無線通訊裝置的簡化、成本的降低及市場的接受度 I將有大大助益。 就天線設計技巧言，目前有關於小尺寸、高頻寬及多頻操作 可應用於無線通訊裝置的天線設計大都是利用印刷電路方式來施 行’主要是因為印刷天線具輕、薄與積體電路電路相容性良好及 當將材料及形狀作適當的安排與設計時，可輕易獲得不同之諧振 頻率及足夠之操作頻寬等優點。習知對於激發天線多個諧振模態 的方法主要為在平面輻射體上刻槽孔（sl〇t)或利用多個單極 (monopole)、偶極(dipole)微帶線來產生對應各個頻段的四分之 一或二分之一波長電流路徑，亦或利用堆疊(stack)方式、雙觸動 (double-tuned)或使用螺旋或Vivaldi天線等技巧；而縮小天線 尺寸常見使用的設計技巧有：使用高介電常數的基板、於輻射主 體元件與接地面間加入適當之電阻/電抗性負載、在輻射主體元件 邊緣加上一短路針來調整邊界條件使天線之共振小於波導之半波 長、改變輻射主體元件形狀以增加電性長度(electrical length) 200803052 : - · 或結合以上條件；而增加天線頻寬的常用技巧則有使用較厚及低 "電系數的基板、槽孔麵合(S〗〇t C〇Up〗ing)饋入方式、多層堆疊 架構及微帶饋入線或共面波導饋入線阻抗匹配等方法。 V惟’整合應用上述習用之天線設計技巧以設計出一個尺寸 小、頻寬大及多頻段諧振的天線並不容易。因此，目前市面上習 知之天線產品設計常因結構複雜而增加了製造成本及與系統電路 ⑩結合之困難度，或因多頻操作時頻寬或增益不足而降低傳輸效 盈’及因天線尺寸過大降低了通訊裝置的行動性，進而降低產品 的商業價值。 因此，在本案中我們針對天線結構的佈局技術加以研究發 明’提出了一種尺寸極小、頻寬大且可提供三頻段操作之使 用共面波導饋入技術的槽孔式方形貼片單偶極天線設計， 它不僅可提供鱗區_路2.4/525 GH^c頻段行動通訊之應 修用需求’同時因天線只印製在微波基板之單層導體面上使本發 明具有尺寸甚小、祕系崎路結合、平面低❹及結構簡 單之特點，極具有商業應用之價值。 200803052 【發明内容】 本發明之目的係提供一‘種小型利用共面波導饋入、具三頻， 操作功能之單偶極天線的創新設計，經由結構上之微調可輕 易地得到三個不同諧振頻段與各頻段所對應的寬頻帶效 果，並可提供無線區域網路2.4/5.25 GHz雙頻段及C頻段行動通 訊應用需求。本發明天線包括：一微波基板Η，具有一上層 導體表面111 ; 一印製於微波基板上層導體表面^^的共 面波導傳輸單元12，共面波導的兩接地面則分別以一細槽 線122之寬度的距離非對稱的安排在中央折彎型微帶線123 的的兩邊，左邊為一方型接地面121，右邊為一倒L型接 地面124(包含一垂直接地段1241及一水平接地段1242), 此種接地面的安排與習知之共面波導傳輪單元使用兩相同 接地面的安排不同，為一創新設計。共面波導的中央折彎 馨型微帶線123，由下而上包含下垂直微帶導線疫1231、水平微 帶導線段1232及上垂直微帶導線段1233。中央折彎型微帶線123 的底端13為天線信號饋入端。折彎型微帶線123的頂端則 連接至一左上邊緣嵌有槽孔（141)之方形貼片輻射元14， 用以傳輸訊號。本發明天線之嵌有槽孔的方形貼片輻射元 14為本天線輻射電磁波之主要部份。本發明天線之尺寸縮 小效果可耩由此共面波導傳輸單元所嵌入之折彎型開迴路 槽孔的折彎方式及在方形貼片輻射元嵌入槽孔來達成；而 200803052 天線的諧振點則可由此嵌入槽孔之方形貼片輻射元與共面 波導之接地面的結構安排及此兩者之相互電磁编合來調整 產生。 本發明天绛整個結構僅印製在一微波基板li的上層 導體表面111，天線可輕易地與系統之硬體電路結合。同 時天線之結構簡單、尺寸甚小，除了可解決習用單偶極天 線與系統電路不易整合連接的問題外，也降低了天線製作 _ 的困難度與成本，具有極高之產業應用價值。 200803052 【實施方式】 1本發明所述天線實際製作的實施例4’其佈局如第一圖，實施 例量測結果於圖二至圖六說明；其中天線基板(substrate) 11使用表 面導鹘外圍面積僅有9(寬）X 20(高)平方公釐、厚度1.6公釐、介 電係數4·4的FR4微波基材；50歐姆共面波導傳輸單元之中央折 •4型微帶線123，由下而上尺寸分別為·下垂直微帶導緣段 1231大小為2公釐(寬)χ5 5公釐(高）、水平微帶導線段1232為3 公釐(寬)χ1·5公釐(高）及上垂直微帶導線段1233為1· 5公釐(寬)χ 4公釐(鬲）;兩接地面與中央折彎型微帶線間之槽線122的寬 度為0· 5公釐；共面波導的中央折彎型微帶線左邊第一接地面 121的寬、高尺寸分別為4公釐及3 5公釐；中央折彎型微帶線 右邊第二接地面124的垂直接地段1241與水平接地段1242的寬χ 高尺寸分別為2公釐Χ7·5公釐及5公釐χ1·5公釐；中央折彎型微 帶線123頂端所連接之嵌有槽孔之方形貼片輻射元14其外 开尺寸為9公釐(〇χΐ2公釐(高），所喪入之長槽孔I"其水平寬 度為7公釐’垂直局度為〇 5公釐，槽孔由左方離貼#輻射元上 邊緣1· 5公釐處嵌入。第二圖為本發明天線實施例之反射損失 (re_ _量腦果，可峨察到此天線確實能產生三頻操作之 效能，其第一、第二及第三諧振頻帶的最佳諧振頻率分別落在2·43 GHz、5·23 GHz和7·14 GHz。在第-諧振頻帶部份，低於·_ 之阻抗分佈從2·27 GHz至2·62 GHz，操作頻寬達现廳，或對 200803052 應敢佳讀振頻率為14··4 %的頻寬百分比；在第二諸振頻帶部份， 低於-10dB之阻抗分稀則從5·11 GHz至5.54GHz，操作頻寬為430 # MHz，或對應最佳諧振頻率為8.2 %的頻寬百分比;而在第三譜振 r 頻段部份，低於_10dB之阻抗分佈可從6.45 GHz至7.64 GHz，操 作頻寬達1190 MHz，或對應最佳諧振頻率為16·7 %的頻寬百分 比。此天線設計所產生之可操作頻率範圍含蓋了無線區域網路2_ 4 GHz (2· 4〜2· 484 GHz)及 5. 25 GHz 頻段(5· 15〜5· 35 GHz)及 C 頻段 • 行動通訊(6·875〜7· 125 GHz)之應用需求。 第二圖、苐四圖及第五圖分別為第二圖佈局實施例在最佳諧 振頻率 2.43 GHz、5.23 GHz 及 7.14 GHz 處的輻射場型(Radiati〇n pattern)量測結果。其結果顯示在此三頻的操作頻帶内皆具有類似 之極化平面。第六圖則是第二圖佈局實施例在2 43 GHz、5 及7.14 GHz二個操作頻帶内的天線增益职叫的量測結 •果，其結果顯示在此三個諧振頻帶内之天線增益分別分佈在 16〜31 dBi，3.9〜5·9 dBi 及 5·9〜7·4 dBi 範圍。 由以上實聰絲示，本發明天線之三個可操作鮮皆涵蓋 足夠的頻寬，同時具有良好之輻射場型與天線增益，非常適合通 訊相關產業的實際應用，足符合發明創作之目標。 以上麟叙纽讎本拥之輕及其姐，而非限 制本凡其絲_本發騎揭狄精神獨城之修改及 變化’均應包含在後述之申請專利範圍内。 11 200803052 【圖式簡單說明】 第一圖係為本發明天線之實施例結構圖。 * 第二圖係為本發明天線實施例之反射損失量測結果。 第三圖係為本發明天線實施例操作於諧振頻率2·43 GHz的輻射場 型量測結果。 第四圖係為本發明天線實施例操作於諧振頻率5·23 GHz的輻射場 型量測結果。 _ 第五圖係為本發明天線實施例操作於諧振頻率7·14 GHz的輻射場 型量測結果。 第六圖係為本發明天線實施例操作於2·43 GHz、5.23 GHz及7.14 GHz頻帶之天線增益量測結果。

12 200803052 【主要元件符號說明】 1 ··本發明之一種小型共面波導饋入式三頻單偽極天線一實施例 η :微波基板 111 :微赛基板上層導電表面/ 12 :共面波導傳輸單元 121 :共面波導的第一接地面 122 ··共面波導的槽線： _ 123 :共面波導的中央折彎型微帶線 1231 :共面波導的中央折彎型微帶線之下垂直段 1232 :共面波導的中央折彎型微帶線之水平段 1233 :共面波導的中央折彎型微帶線之上垂直段 124 :共面波導的第二接地面 1241 :共面波導的第二接地面之垂直接地段 1242 :共面波導的第二接地面之水平接地段 • 13 :健饋人端 \ -14:方形貼片輻射元 141 :嵌入貼片輻射元之槽孔 13

Claims (1)

1. 200803052 十、申請專利範圍： f ι·種小型共面波導饋入式三頻單偶極天線，包含·· 一微波基板，具有一上層導體表面； ，一輻射元件，印製於微波基板上層導體表面，是—個嵌 有槽孔之方形導體貼片，而貼片底部邊緣則作為此輕 射元件與共面波導饋入單元之連接端； 共面波導傳輸單元’印製於微波基板上層導發表面， 該共面波導的中央折彎型微帶線連接至該天線之輻射 ㈣底部邊緣’用以傳遞訊號，而共面波導的兩個接地 面分別為方型與倒L型並安排於中央折f型微帶線的 i右兩邊’且㈣不肖線射央微帶線與兩憾 地面分開。 2.、如中請專利範圍第丨項所述之_種小型共面波導饋入式 • 三頻單偶極天線，其中，該㈣槽孔之方形貼片輻射元的 結構安排及兩非對稱接地面間的電縣合效應，用以產 生該天線之三頻操作及尺寸縮小之效果。 •如申明專利乾圍第i項所述之一種小型共面波導饋入式 三頻單偶極天線，其m該方形貼片輻射元之槽孔其 尺寸及形狀可作各種組合以適應不同工作頻帶、頻寬及縮 小天線尺寸之需求。 〇 4·如申請專利範圍第丨項所述之一種小型共面波導饋入式 二頻單偶極天線，其中，該兩接地面的形狀及尺寸可作 14 200803052 各種組合，以適應不同工作頻帶、頻寬及縮小天線尺寸之需 求。 1 1 5·如申請專利範圍第1項所述之一種小型共面波導饋入式 二頻单偶極天線’其中，該共面波導傳輸單元的中央折彎型 微帶線與接地面間的槽線，可依需求設置成一種以上之不同寬 度，以適應不同工作頻帶、頻寬及縮小天線尺寸之需求。

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