TWI248231B - Planar monopole antenna - Google Patents

Description

1248231 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 一 本發明有關於天線(antenna)，尤有關於一種平面單極 (planar monopole)天線。 【先前技術】 隨著數位影音技術的推陳出新以及行動通訊產品功能 的多樣化，無線通訊資料傳輸量以及傳輸速率亦隨之增

• 加。因此，在美國電機電子工程師協會所規範之IEEE 802· 15 WPAN (Wireless Personal Area Network)無線個 人區域網路規範中，即包括超寬頻(ultra-wideband)以及 高資料量、高傳送速率的無線頻帶，與未來前瞻技術接軌 並滿足人類的需求。而在超寬頻天線設計的理念中，能夠 獲得符合頻率比約超過1 : 7· 5之操作頻寬(bandwidth)， 是一種相當有價值的設計。而目前相關可達成寬頻操作的 • 天線中，多以單極天線、對數週期天線或者多路徑 (multi-path)之天線設計來達成，但皆未能符合超寬頻之 . 操作且還具體積龐大的缺點。 在1982年，Royce(美國專利文獻第4, 466, 003號)揭 示一種習知的單極天線，由許多根不同長度的金屬棒組合 而成，可以產生多種共振頻率（resonant frequency)，但 6 1248231 是其缺點為尺寸過大且結構複雜。此外，在1996年， Johnson(美國專利文獻第5, 828, 340號)提出一種寬頻單極 天線，但是其增加的頻寬無法滿足現今的需求。 第一圖為一習知的寬頻單極天線的結構圖，此寬頻單 極天線100係利用一單饋入金屬片（feeding strip)130連 接至一輻射金屬片（radiating metal plate)120，且該饋 入金屬片130之一端透過一接地面(ground plate)110上 之一貫孔140連接至一訊號源(圖中未顯示）。此種寬頻單 極天線的缺點是頻寬不足（一般操作頻寬低於2 GHz)，並 且’在操作頻帶内，天線輕射場型（radiati〇n pattern) 之交叉極化(cross polarization)量過大。 【發明内容】 本發明克服上述習知寬頻早極天線的缺點。本發明主 要目的為提供一種平面單極天線，可以改善前述習知單極 天線規寒不足之缺點，以達成天線超寬頻之需求。 此平面單極天線，包含一接地面、一輻射金屬片以及 一片多支路饋入金屬片。接地面，具有一貫孔。輻射金屬 片，位於接地面之上方，具有多個連接點。多支路鎮入金 屬片位於接地面及輻射金屬片之間，與輻射金屬片之間透 7 1248231 過此多個連接點來連接，多支路饋入金屬片具有一饋入 點，與接地面之間則透過此饋入點嵌入貫孔並電氣連接至 一訊號源。 其中，此多支路饋入金屬片包含多個支路金屬臂、一 連接金屬臂與一饋入金屬臂。各支路金屬臂備有一第一端 與一第一端，各支路金屬臂的第一端連接至輻射金屬片之 鲁相對應的連接點。連接金屬臂備有二端，其中有二個支路 金屬臂之第二端分別連接到連接金屬臂的二端，其餘各支 路金屬臂的二端分別連接至輻射金屬片與連接金屬臂，並 分開設置於二個支路金屬臂之間。饋入金屬臂備有二端， 其中一端嵌入此貫孔並電氣連接至此訊號源，饋入金屬臂 之另一端則連接至連接金屬臂之中心位置。 φ 本發明所提出的平面單極天線，使用一片多支路鎮入 金屬片饋入之平面單極天線，其操作頻寬可達到頻率比大 - 於1 u之超寬頻操作，且在操作頻帶内，天線輻射場型 . 之父叉極化位準小於約-15 dB，使得天線之垂直極化純度 提南。同時，本發明天線結構簡單，製作容易，輻射金屬 片及多支路饋入金屬片可以由一單一金屬片沖壓或切割製 作而成，或者利用印刷或蝕刻技術形成於同一介質基板 上。綜上所述，本發明之超寬頻操作機制明確簡潔，可以 8 改善前述習用天線頻寬不足之缺點，達成天線超寬頻之需 求，同時天線製作成本亦大幅降低。 茲配合下列圖示、實施例之詳細說明及申請專利範 圍，將上述及本發明之其他目的與優點詳述於後。 【實施方式】 第二A圖為本發明之平面單極天線結構示意圖。參考 第二A圖，此平面單極天線2〇〇，包含一接地面no、一輻 射金屬片120以及一片多支路饋入金屬片23〇。接地面11〇 具有一貫140。輻射金屬片120位於接地面no之上方， 具有多個連接點221〜22N。多支路饋入金屬片230位於接 地面110及輻射金屬片12〇之間，與輻射金屬片12〇之間 透過此多個連接點221〜22N來連接。多支路館入金屬片230 具有一饋入點24卜與接地面11〇之間則透過此饋入點241 嵌入貫孔140並電氣連接至一訊號源(圖中未顯示）。 第二B圖為本發明之多支路饋入金屬片結構示意圖。 參考第一B圖，多支路饋入金屬片230包含多個支路金屬 臂231〜23N、一連接金屬臂243與一饋入金屬臂242。各支 路金屬臂備有一第一端23Na與一第二端23Nb，各支路金屬 臂的第一端23Na連接至輻射金屬片12〇之相對應的連接點 1248231 22N。連接金屬臂243備有二端，其中有二個支路金屬臂 231、23N之第二端231b、23Nb分別連接到連接金屬臂243 的二端，其餘各支路金屬臂232〜23(N-1)的二端分別連接至 輻射金屬片120與連接金屬臂243,並分開設置於二個支路 金屬臂231、23N之間。饋入金屬臂242備有二端，其中一 端嵌入貫孔140並電氣連接至訊號源（未顯示），饋入金屬 臂242之另一端則連接至連接金屬臂243之中心位置。 其中，輻射金屬片120的形狀可以是正方形或矩形。 多支路饋入金屬片230與其所包含多個支路金屬臂 231〜23ϋ之間約略成90度。支路金屬臂232〜23(N-1)的二 端分別連接至輻射金屬片120與連接金屬臂243,並以等距 離、平行、分開的方式設置於二個支路金屬臂231、23N之 間0

不失一般性地，以下分別以N=2、N=3為第一與第二 實施例，詳細說明本發明的結構。 第三A圖說明本發明之第一實施例(N=2)的結構示意 圖。參考第三A圖，平面單極天線3⑻包括一接地面u〇、 一輻射金屬片120以及一雙支路饋入金屬片33〇。輻射金屬 片120，位於接地面11〇的上方，且具有二個連接點22卜 10 1248231 222。雙支路饋入金屬片330，位於接地面u〇及輻射金屬 片120之間，與輻射金屬片120之間透過二個連接點221、 222來連接。雙支路饋入金屬片330具有一饋入點241，與 接地面110之間則透過饋入點241嵌入貫孔140並電氣連 接至一訊號源(圖中未顯示）。 第三B圖為本發明之雙支路饋入金屬片結構示意圖。 參考第三B圖，雙支路饋入金屬片330包含二個支路金屬 臂231、232、連接金屬臂243與饋入金屬臂242。支路金 屬臂231備有一第一端231a與一第二端231b，大致垂直於 接地面110,支路金屬臂231的第一端231a連接至輻射金 屬片120之連接點221。支路金屬臂232備有一第一端232a 與一第二端232b，大致垂直於接地面11〇,支路金屬臂232 的第一端232a連接至輻射金屬片120之連接點222。連接 金屬臂243大致平行於接地面no，具有二端，其中一端連 接支路金屬臂231的第二端231b，另一端連接至支路金屬 臂232的第二端232b。饋入金屬臂242大致垂直於接地面 110，饋入點241位於饋入金屬臂242之一端，且位於接地 面上之貫孔140處，電氣連接至一訊號源(圖中未顯示），而 饋入金屬臂242之另一端則連接至連接金屬臂243之中心 位置。 第四圖、第五圖與第六圖為本發明之第一實施例分別 11 1248231 於2 GHz、6 GHz與l〇 GHz的天線輻射場型量測結果。其 中，所得到輛射場型均為一良好的單極天線的輻射場型， 且天線之輻射場型之交叉極化位準(最強交叉極化量與最 強主極化量(co-p〇larization)之比值)皆不大於-15 dB。 第七圖為本發明之第一實施例於其操作頻帶中，天線 增益實驗量測結果。參考第七圖，縱軸表示天線增益，橫 軸表示操作頻率，由所得實驗結果，操作頻帶内的天線增 益約為 4·0-7.1 dBi。 第人A圖說明本發明之第二實施例的結構示意 圖。參考第八A圖，本發明之平面單極天線800包含一接 地面110, 一輻射金屬片12〇以及一片三支路饋入金屬片 830。本發明之第二實施例的結構與第一實施例類似，除 了，輕射金屬片120係具有三個連接點221、222、223，三 支路饋入金屬片830即透過此三個連接點221、222、223 來連接至輻射金屬片120。其餘相同的結構不再贅述。 第八B圖為本發明之三支路饋入金屬片結構示意圖。 二支路饋入金屬片830的結構也與雙支路饋入金屬片33〇 類似，除了三支路鎮入金屬片830包含三個支路金屬臂。 12 1248231 參考第八B圖，三支路饋入金屬片830包含三個支路金屬 臂231、232、233、連接金屬臂243與饋入金屬臂242。支 路金屬臂231的第一端23la、支路金屬臂232的第一端232a 與支路金屬臂233的第一端233a分別經由三個連接點 221、222、223連接至輻射金屬片Π0。連接金屬臂243大 致平行於接地面110,具有二端，其中一端連接至支路金屬 臂231的第二端231b，另一端連接至支路金屬臂233的第 二端233b，支路金屬臂232的第二端232b則連接至連接金 屬臂243之中心位置。三個支路金屬臂23卜232、233彼 此約略成平行，支路金屬臂232大約位於支路金屬臂231、 233的中：間，與二者等距。 須注意的是，本發明可以藉由調整輻射金屬片12〇之 邊長L，來控制天線的最低操作頻率，而邊長L大致為最 # 低頻率之1/6波長。另外，參考第二B圖，藉由調整二個 支路金屬臂231、23N之間的寬度t、連接金屬臂243的高 - 度d以及連接點221至連接金屬臂243底部之高度h，可以 — 在操作頻率範圍内得到良好阻抗匹配。 第九圖分別比較本發明之具有三支路饋入金屬片與雙 支路饋入金屬片之平面單極天線，以及習知的具有單饋入 金屬片之平面單極天線所量測的返回損失值。本實驗選擇 13 1248231 τ列尺寸做測試··接地面11〇為一矩形其邊長約為i5〇 咖，輻射金屬片之邊長約為4G随。雙支路饋入金屬 " 丨33()與三支路饋入金屬# 83G的寬度均為2腿。支路金 • 屬# 231、232、233之長度約為1腿，連接金屬臂243及 饋入金屬臂242之長度分別為17 _及i酿。比較具有 二支補人金屬片之平面單極天線(t=15 _，mm，d 吐〇職）、具有雙支路饋入金屬片之平面單極天線㈣ • 咖，㈣·5麵，d=L0職)以及習知的具有單饋入金屬片 之平面單極元線(d=2.5 mm)的返回損失值。參考第九圖， 縱軸表示返回損失，橫轴表示操作鮮，在10 dB返回損 失的定秦下，具有三支路饋入金屬片之平面單極天線8〇〇 的操作頻率可涵蓋約L4至lL1 GHz之超寬頻區間，頻率 比(Ζί/Λ)約為1 ·· 8.32。具有雙支路饋入金屬片之平面單極 天線300的操作頻率可涵蓋約丨3至1〇丨GRz之超寬頻區 • 間，頻率比約為1 ·· 7·52。至於習知的具有單饋入金屬片之 平面單極天線100的操作頻率只有涵蓋約1 5至3 3 GHz 之寬頻區間，頻率比約為1 : 2.3。 根據本發明，多支路饋入金屬片230使得輻射金屬片 120上之垂直方向(垂直接地面u〇之方向)的表面電流更均 勻且更易於被激發，故將預期垂直方向表面電流較水平方 向(平行接地面110之方向)表面電流來得大，以致天線之垂 1248231 直極化純度更提高了許多，故交叉極化位準降低且小於約 -15 dB。根據本發明，三支路饋入金屬片83〇相較於雙支路 -· 饋入金屬片330,使得輻射金屬片120之垂直方向上有更均 • 勻的表面電流分佈，以及更高的天線之垂直極化純度。因 此，使得三支路饋入金屬片之平面單極天線80〇的操作頻 率範圍大於具有雙支路饋入金屬片之平面單極天線3〇〇，而 具有雙支路饋入金屬片之平面單極天線300的操作頻率範 馨圍大於具有單饋入金屬片之平面單極天線1〇〇。 另一方面，本發明之輻射金屬片120及多支路饋入金 屬片230·可以由一單一金屬片沖壓或切割製作而成，或者 利用印刷或蝕刻技術形成於同一介質基板上。綜上所述， 本發明天線結構簡單，製作容易，天線超寬頻操作機制明 確簡潔，可以改善前述習用天線頻寬不足之缺點，達成天 • 線超寬頻之需求，同時天線製作成本亦大幅降低。 惟，以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當 不能以此限定本發明實施之範圍。即大凡依本發明申請專 利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋 之犯圍内。 15 1248231 【圖式簡單說明】 第一圖為一習知的寬頻單極天線的結構圖。 第二A圖為本發明之平面單極天線結構示意圖。 第二B圖為本發明之多支路饋入金屬片結構示意圖。 第二A圖說明本發明之第一實施例的結構示意圖。 第二B圖為本發明之雙支路饋入金屬片結構示意圖。 第四圖為本發明之第一實施例於2 GHz的天線輻射場型量 測結果。 第五圖為本發明之第一實施例於6 GHz的天線輻射場型量 測結果。 第六圖，本發明之第一實施例於1〇 GHz的天線輻射場型 量測結来。 第七圖為本發明之第一實施例於其操作頻帶中，天線增益 實驗量測結果。 第八A圖說明本發明之第二實施例^=3)的結構示意圖。 第八B圖為本發明之三支路饋入金屬片結構示意圖。 第九圖分別比較本發明之具有三支路饋入金屬片與雙支路 饋入金屬片之平面單極天線，以及習知的具有單饋入金屬 片之平面單極天線所量測的返回損失值。 1248231 【主要元件符號說明】 圖號說明： 100寬頻單極天線 120輻射金屬片 140貫孔 200平面單極天線 221〜22N連接點 231〜23N支路金屬臂 23 lb、2321>-23Nb支路金屬臂 的第二端 242饋入金屬臂 300具有雙支路饋入金屬片之 平面單極天線 800具有三支路饋入金屬片 之平面單極天線 110接地面 130單饋入金屬片 230多支路饋入金屬片 231a、232a〜23Na支路金屬臂 的第一端 241饋入點 243連接金屬臂 330雙支路饋入金屬片 830三支路饋入金屬片 17

Claims (1)

1248231 十、申請專利範圍：

一種平面單極天線，包含： 一接地面，具有一貫孔；

一輻射金屬片，位於該接地面之上方，具有多個連接點； 一片多支路饋入金屬片，具有一饋入點，位於該接地面及 該輻射金屬片之間，與該輻射金屬片之間透過該多個連接 點來連接，與該接地面之間則透過該饋入點嵌入該貫孔並 電氣連接至一訊號源。 2·如申請專利範圍第1項所述之平面單極天線，其中該多支路 饋入金屬片包含： 多個支，金屬臂，各支路金屬臂備有一第一端與一第二 端，各支路金屬臂的該第一端連接至該輻射金屬片之相對 應的連接點； 一連接金屬臂，備有二端，其中有二個支路金屬臂之第二 端分別連接到該連接金屬臂的二端，其餘各支路金屬臂的 二端分別連接至該輻射金屬片與該連接金屬臂，並分開設 置於該二個支路金屬臂之間； 一饋入金屬臂，備有二端，其中一端嵌入該貫孔並電氣連 接至該訊號源，該饋入金屬臂之另一端則連接至該連接金 屬臂之中心位置。 3·如申晴專利範圍第1項所述之平面單極天線，其中該至少 二個連接點對稱位於該輻射金屬片中心位置之兩邊。