TWI462394B

TWI462394B - 多迴圈天線系統及具有該多迴圈天線系統的電子裝置

Info

Publication number: TWI462394B
Application number: TW099130035A
Authority: TW
Inventors: Cheng Tse Lee; Saou Wen Su
Original assignee: Lite On Electronics Guangzhou; Lite On Technology Corp
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2010-09-06
Publication date: 2014-11-21
Also published as: TW201212387A

Description

多迴圈天線系統及具有該多迴圈天線系統的電子裝置

本發明是有關於一種天線系統，特別是指一種高增益且高指向性的多迴圈天線系統。

習知應用於無線網路橋接器(access point，AP)中的天線結構多以倒F形天線(Planar Inverted F Antenna，PIFA)與單極天線居多，例如：中華民國專利第M377714號所揭露的「多輸入多輸出之雙頻單極天線(monopole antenna)裝置」，其中將三個單極天線以金屬切割或沖壓方式製作在天線接地面上，並裝設於橋接器內，以形成可應用於多輸入多輸出(MIMO)技術的天線系統。

但是，該天線結構雖然可內藏在裝置中，但由於天線為立體結構，會佔據較大的空間，使得無線網路橋接器中可使用的空間受限。且習知的天線結構在2.4 GHz或是5 GHz操作頻帶中之最大增益通常僅能為3~5 dBi，且天線輻射場型的指向性較低，並不滿足橋接器天線所需的高增益且高指向性輻射場型之特性。

因此，本發明之目的，即在提供一種可達到雙頻操作且具有高指向性(directivity)及高增益的多迴圈天線系統。

本發明之另一目的，即在提供一種結構簡單、尺寸小、低姿勢(low-profile)、製作容易、成本低，且可應用在小型室外用無線網路橋接器(access point，AP)之內藏式雙頻多迴圈天線系統。

於是，本發明多迴圈天線系統，包含一天線模組及一系統模組。天線模組包括一天線基板及多數個迴圈天線，天線基板包括一第一表面和一相反於該第一表面的第二表面；該等迴圈天線佈設於天線基板的第一表面或第二表面上，各迴圈天線包括有一可提供一第一操作頻帶的第一輻射體，及一可提供一第二操作頻帶的第二輻射體，該第一輻射體具有位於其兩端的一饋入端及一接地端，且饋入端與接地端相鄰且相間隔，使第一輻射體形成一迴圈，而第二輻射體具有位於其兩端的一第一端及一第二端，第一端與饋入端連接，第二端與接地端連接，使第二輻射體形成另一迴圈，各個迴圈天線的幾何中心與該等迴圈天線共同界定出的幾何中心的距離相同，且任二相鄰迴圈天線之間的最短距離相同；系統模組包括至少一相向於天線基板的第二表面的接地面，提供系統電路板上射頻電路使用，且系統模組與天線基板之第二表面平行相間隔一距離，並用以反射該等迴圈天線的輻射。如此對稱式結構(symmetrical structure)的天線，能使天線之間保有相同的隔離度(isolation)，且讓每一個迴圈天線在空間中具有更對稱的訊號覆蓋空間。

較佳地，各該迴圈天線的第二輻射體位於其第一輻射體所形成的迴圈中。

較佳地，任二相鄰迴圈天線的幾何中心分別與該等迴圈天線共同界定出的幾何中心之間的連線所夾角度相同。

較佳地，天線基板還包括一位於該等迴圈天線共同界定出的幾何中心的穿孔，用以供多數個訊號傳輸線通過。

較佳地，天線基板的面積小於或等於系統模組的面積，以確保系統模組能完全反射每個迴圈天線的輻射。

本發明之功效一在於，在天線基板上佈設多數個全波長迴圈天線，全波長天線為平衡式天線(balanced antenna)，具有高增益天線特性，天線與天線之間的隔離度(isolation)亦可保持最小，且透過系統模組上的至少一系統接地面來反射迴圈天線的輻射，可使天線模組的輻射場型具有高指向性及高天線增益的特性，可提升通訊涵蓋範圍。

本發明之功效二在於，多迴圈天線系統中各個迴圈天線的幾何中心與該等迴圈天線共同界定的幾何中心之間的距離相同，以及任二相鄰迴圈天線的最短距離相同，使各個迴圈天線之間具有較佳的隔離度及相同的輻射場型與訊號覆蓋範圍。

本發明之功效三在於，迴圈天線係使用印刷式電路板製作，製作簡單且成本低，並具有低姿勢的外型與平面式(planar)的結構，非常適合應用在小型室外用的無線網路橋接器上。

本發明之功效四在於，各個迴圈天線的開口方向(饋入位置)相對於該等迴天線共同界定的幾何中心作45度(或135度)之旋轉設置，天線輻射場型於垂向輻射方向(即正Z軸)能具有雙極化輻射特性。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之三個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，為本發明多迴圈天線系統100的第一較佳實施例，該多迴圈天線系統100為可操作在雙頻無線區域網路WLAN(2400-2484/5150-5825MHz)的多迴圈天線系統100，在本實施例中，多迴圈天線系統100包含一天線模組10及一與天線模組10平行間隔設置的系統模組20。

天線模組10包括一天線基板(substrate)1及多數個迴圈天線2(本實施例以三個為例)。天線基板1(或稱介質基板)係為圓形或是任意的多邊形，且係由絕緣材質(例如：玻璃纖維，FR4)所製成。其中，該天線基板1具有一第一表面11、一相反於該第一表面11的第二表面12及一可供多數個訊號傳輸線5通過的穿孔13。值得注意的是，天線基板1的穿孔13係設置該等迴圈天線2共同所界定出的幾何中心的位置，以簡短訊號傳輸線5的長度及避免訊號傳輸線5壓到迴圈天線2，而導致天線特性受到影響。

配合參閱圖2，該等迴圈天線2皆為全波長共振的金屬製迴圈天線(one-wavelength loop antenna)2，且佈設於天線基板1的該第一表面11上，各該迴圈天線2包括一可提供一第一操作頻帶的第一輻射體3，及一可提供一第二操作頻帶的第二輻射體4。第一輻射體3具有位於其兩端的一饋入端(feed point)31及一接地端(ground point)32，且饋入端31與接地端32相鄰且相間隔，使第一輻射體3形成一圓形迴圈；第二輻射體4具有位於其兩端的一第一端41及一第二端42，且第一端41連接饋入端31，第二端42連接接地端32，使第二輻射體4部分形成一圓形迴圈。

在本實施例中，第二輻射體4具有一輻射段40，及分別由該輻射段40的兩端平行延伸的一第一延伸段410與一第二延伸段420，第一延伸段410的末端係為第二輻射體4的第一端41，第二延伸段420的末端係為第二輻射體4的第二端42，且輻射段40形成一圓形迴圈。此外，各個迴圈天線2的第二輻射體4會位於第一輻射體3所形成的迴圈中，且第一延伸段410及第二延伸段420界定出一開口430。

配合參閱圖3，本實施例之迴圈天線2係沿著圓形天線基板1的圓周分佈，且每個迴圈天線2的幾何中心與三個迴圈天線2共同所界定出的幾何中心(即A點)的距離相同，即La=Lb=Lc，且任兩相鄰的迴圈天線2之間的最短距離皆相同，即L1=L2=L3，任兩相鄰的迴圈天線2的幾何中心分別與三個迴圈天線2共同所界定出的幾何中心(A點)之間的連線所夾角度亦相同，即θ₁ =θ₂ =θ₃ ，也就是夾120度。如此對稱式結構(symmetrical structure)的天線，，能使天線之間保有相同的隔離度(isolation)，且讓每一個迴圈天線2在空間中具有更對稱的訊號覆蓋空間。

特別說明的是，第二輻射體4係位於第一輻射體3所形成的迴圈中，如此利用第一輻射體3內部的空間設置第二輻射體4，因此可以在不額外增加空間的條件下，達成雙迴圈雙頻天線設計。且在本實施例中，第一輻射體3的幾何中心位置與第二輻射體4的輻射段40的幾何中心位置不同，且兩者的幾何中心的連線係平行於第一延伸段410及第二延伸段420的延伸方向，使得第一輻射體3與第二輻射體4係以兩者的幾何中心連線左右對稱。

此外，每個迴圈天線2中，第一延伸段410及第二延伸段420的延伸方向(即開口430方向)係與三個迴圈天線2共同界定出的幾何中心(A點)和各個迴圈天線2的幾何中心連線(即La、Lb及Lc)夾α角，其較佳為45度，即迴圈天線2的饋入位置相對於三個迴圈天線2共同界定出的幾何中心位置作45度(或135度)之旋轉設置，使得天線輻射場型於垂向輻射方向(即Z軸)能具有雙極化輻射特性。

當然，第一延伸段410及第二延伸段420所界定之開口430的方向也可以朝向該等迴圈天線2共同界定出的幾何中心，即第一延伸段410及第二延伸段420的延伸方向平行於三個迴圈天線2共同界定出的幾何中心(A點)與各個迴圈天線2的幾何中心連線，如圖4(圖中省略訊號傳輸線5)所示，其旋轉角度並不設限。此外，第一輻射體3及第二輻射體4的輻射段40所形成的迴圈也不以圓形為限，兩者可以皆為矩形迴圈(如圖5所示，其中省略訊號傳輸線5)，或是第一輻射體3為圓形迴圈，輻射段40為矩形迴圈等，同樣可以達到本發明共振出雙頻的功效。

參閱圖1，系統模組20係為一系統電路板，其可為圓形或是任意的多邊形，系統模組20具有至少一相向於天線基板1之第二表面12的接地面201(例如：金屬面)，該接地面201除了作為系統電路板上射頻電路之系統接地面外，亦可視為一反射板(reflector)，用以反射該等迴圈天線2的輻射，藉此不但可使天線模組10具有高度的指向性(directivity)外，也可以提升天線模組10在單一方向(即天線基板1的第一表面11的法線方向)的天線增益。其中，系統模組20可為多層結構，最上層是薄的金屬層，下層則是介質基板，或者可以是包含更多層的電路層。又，接地面(又可做為一反射面)201與第二表面12間存在一間距，作為系統模組20上電子元件(圖未示)擺設之有效空間利用。此外，本實施例之天線基板1的面積小於或等於系統模組20的面積，以確保系統模組20能完全反射每個迴圈天線2的輻射。

參閱圖6，本實施例之多迴圈天線系統100係裝設於如室外的無線網路橋接器(access point，AP)或是無線寬頻路由器(router)等電子裝置200的一殼體210中，且藉由小型同軸線(mini-coaxial cable)作為訊號傳輸線5，將訊號饋入迴圈天線2的饋入端31，使得多迴圈天線系統100可配合不同應用的系統模組20(即系統電路板)，提高多迴圈天線系統100使用上的彈性。當然，訊號傳輸線5的種類並不因本實施例而受限制。

參閱圖7至圖9，為本實施例之多迴圈天線系統100的實際尺寸示意圖，其中圖7為單一迴圈天線2的平面展開圖；圖8為多迴圈天線系統100的俯視圖；圖9為天線基板1與系統模組20之間的側視圖，各圖中數字的單位為公厘(mm)，可參閱圖中各項數據以得知本實施例的實際規格尺寸，但不以本實施例為限。

在本實施例中，第一輻射體3與第二輻射體4可分別共振出2.4GHz及5GHz的頻率，且天線基板1與系統模組20的接地面201之間的間距需大於5公厘(mm)，以供更多種類的電子元件置放於系統模組(系統電路板)20上，而本實施例之間距為8.4公厘(mm)將獲得較佳的天線增益。

參閱圖10及圖11，為本實施例之迴圈天線2分別操作在2442MHz及5490MHz的2-D輻射場型量測結果圖，且迴圈天線2的開口430方向與三個迴圈天線2共同界定出的幾何中心和各個迴圈天線2的幾何中心連線所夾之α角為45度。由圖中可知，藉由天線模組10與系統模組20的相互配合，使得多迴圈天線系統100在正Z軸方向具有較高的天線增益，即高度的指向性，且天線輻射場型具有雙極化輻射特性，可適用於無線網路橋接器(AP)。

參閱圖12，為各個迴圈天線2的反射係數(Reflection Coefficient)量測數據圖，為了方便說明，配合參閱圖3，以下將三個迴圈天線2分別定義為一第一迴圈天線21、一第二迴圈天線22及一第三迴圈天線23。而在圖12中，S₁₁ 、S₂₂ 及S₃₃ 分別為第一迴圈天線21、第二迴圈天線22及第三迴圈天線23的反射係數。經實驗可得知，第一輻射體3提供的第一操作頻帶的中心頻率為2.4GHz，第二輻射體4提供的第二操作頻帶的中心頻率為5GHz，且兩者分別在2.4GHz及5GHz的反射係數皆小於負10-dB，符合2.4GHz及5GHz無線區域網路頻帶的規範，因此本實施例的確是可應用在無線區域網路中。

參閱圖13，為各個迴圈天線2之間的隔離度(Isolation)量測數據圖，其中S₂₁ 為第一迴圈天線21與第二迴圈天線22之間的隔離度；S₃₁ 為第一迴圈天線21與第三迴圈天線23之間的隔離度；S₃₂ 為第二迴圈天線22與第三迴圈天線23之間的隔離度。經實驗可得知，各個迴圈天線2之間的隔離度平均約在負15-dB以下，具有良好的隔離度。

圖14為本實施例之多迴圈天線系統100的輻射效率(radiation efficiency)/天線增益-頻率曲線圖。由圖可知，多迴圈天線系統100在2.4 GHz WLAN頻帶內的最大增益與輻射效率分別可達到7.6 dBi及76%，在5 GHz WLAN頻帶內的最大增益與輻射效率則分別可達到9 dBi及83%，具有高天線增益及良好的輻射特性。

參閱圖15，為本發明多迴圈天線系統100的第二較佳實施例，大致與第一較佳實施例相同，其不同之處在於該等迴圈天線2可分別佈設於天線基板1的不同表面。在本實施例中，第一迴圈天線21佈設於天線基板1的第一表面11，而第二迴圈天線22及第三迴圈天線23則佈設於天線基板1的第二表面12，如此同樣可以接收或發射雙頻的訊號，並達到高天線增益的特點。而圖15中同樣省略繪出訊號傳輸線5。

參閱圖16，為本發明多迴圈天線系統100的第三較佳實施例，大致與第一較佳實施例相同，其不同之處在於，在本實施例中，第二輻射體4僅具有一輻射段40，且該輻射段40的兩相反端即為第二輻射體4的第一端41及第二端42。換言之，本實施例之第二輻射體4相較於第一較佳實施例之第二輻射體4係省去第一延伸段410與第二延伸段420(如圖2)，並直接利用輻射段40的兩相反端連接第一輻射體3的饋入端31及接地端32，如此仍能達到本案接收或發射雙頻的訊號且具有高天線增益及高指向性的功效。而圖16中同樣省略繪出訊號傳輸線5。

綜上所述，本發明多迴圈天線系統100的功效如下：

1.　多迴圈天線系統100係應用多輸入多輸出(MIMO)技術，藉由在天線基板1上佈設多數個迴圈天線2，且第一輻射體3及第二輻射體4的長度各自為相對其操作中心頻率(2.4GHz及5GHz)的全波長，全波長天線為平衡式天線(balanced antenna)，具有高增益天線特性，天線與天線之間的隔離度(isolation)亦可保持最小。適當調整天線饋入間距(即饋入端31及接地端32之間距)以及第一輻射體3與第二輻射體4之間的距離，可有效控制迴圈天線2的阻抗特性，使其在2.4/5GHz無線區域網路頻帶內得到優良的阻抗匹配。

2.　多迴圈天線系統100中各個迴圈天線2的幾何中心與該等迴圈天線2共同界定的幾何中心之間的距離相同，以及任二相鄰迴圈天線2的最短距離相同，使各個迴圈天線2之間具有相同的隔離度(小於負15-dB)及對稱的輻射場型與訊號覆蓋範圍。

3.　天線模組10與系統模組20整合，並藉由該系統模組20上的至少一接地面來反射迴圈天線2的輻射，不但可使天線模組10具有高度的指向性(至少大於6 dBi)，也可以提升天線模組10在單一方向(正Z軸方向)的天線增益。

4.　各個迴圈天線2的開口方向(饋入位置)相對於該等迴圈天線2共同界定的幾何中心作45度(或135度)之旋轉設置，使得天線輻射場型於垂向輻射方向(即正Z軸)能具有雙極化輻射特性，故確實能達成本發明之目的。

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及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100‧‧‧多迴圈天線系統

200‧‧‧電子裝置200

210‧‧‧殼體

10‧‧‧天線模組

20‧‧‧系統模組

201‧‧‧接地面

1‧‧‧天線基板

11‧‧‧第一表面

12‧‧‧第二表面

13‧‧‧穿孔

2‧‧‧迴圈天線

21‧‧‧第一迴圈天線

22‧‧‧第二迴圈天線

23‧‧‧第三迴圈天線

3‧‧‧第一輻射體

31‧‧‧饋入端

32‧‧‧接地端

4‧‧‧第二輻射體

40‧‧‧輻射段

410‧‧‧第一延伸段

41‧‧‧第一端

420‧‧‧第二延伸段

42‧‧‧第二端

430‧‧‧開口

5‧‧‧訊號傳輸線

圖1是說明本發明多迴圈天線系統的第一較佳實施例；

圖2是說明第一較佳實施例中單一迴圈天線的平面展開圖；

圖3是說明第一較佳實施例中天線模組的平面展開圖，其中開口方向係相對於該等迴圈天線共同界定的幾何中心旋轉45度；

圖4是說明第一較佳實施例中天線模組的平面展開圖，其中開口方向係朝向該等迴圈天線共同界定的幾何中心；

圖5是說明第一較佳實施例中該等迴圈天線的另一種實施態樣；

圖6是說明內藏式多迴圈天線系統的電子裝置；

圖7是說明第一較佳實施例中單一迴圈天線之間的實際規格尺寸；

圖8是說明第一較佳實施例中各個迴圈天線之間的實際規格尺寸；

圖9是說明第一較佳實施例中天線基板與系統模組之間的實際規格尺寸；

圖10是說明第一較佳實施例中迴圈天線操作於2442MHz下X-Z平面及Y-Z平面的2-D輻射場型量測結果圖；

圖11是說明第一較佳實施例中迴圈天線操作於5490MHz下X-Z平面及Y-Z平面的2-D輻射場型量測結果圖；

圖12是說明第一較佳實施例中各個迴圈天線的反射係數量測數據圖；

圖13是說明第一較佳實施例中各個迴圈天線彼此之間的隔離度量測數據圖；

圖14是說明第一較佳實施例之多迴圈天線系統的輻射效率/天線增益-頻率曲線圖；

圖15是說明本發明多迴圈天線系統的第二較佳實施例；及

圖16是說明本發明多迴圈天線系統的第三較佳實施例。

100．．．多迴圈天線系統

10．．．天線模組

20．．．系統模組

1．．．天線基板

11．．．第一表面

12．．．第二表面

13．．．穿孔

2．．．迴圈天線

201．．．接地面

5．．．訊號傳輸線

Claims

一種多迴圈天線系統，包含：一天線模組，包括：一天線基板，包括一第一表面和一相反於該第一表面的第二表面；多數個迴圈天線，佈設於該天線基板的該第一表面或該第二表面上，各該迴圈天線包括有一可提供一第一操作頻帶的第一輻射體，及一可提供一第二操作頻帶的第二輻射體，該第一輻射體具有位於其兩端的一饋入端及一接地端，且該饋入端與該接地端相鄰且相間隔，使該第一輻射體形成一迴圈，該第二輻射體具有位於其兩端的一第一端及一第二端，該第一端與該饋入端連接，該第二端與該接地端連接，使該第二輻射體形成另一迴圈；其中各該迴圈天線的幾何中心與該等迴圈天線共同界定出的幾何中心的距離相同，且任二相鄰迴圈天線之間的最短距離相同；及一系統模組，包括至少一相向於該天線基板之該第二表面的接地面，且該系統模組與該天線基板之該第二表面平行相間隔一距離，用以反射該等迴圈天線的輻射；其中，各該迴圈天線的該第一輻射體的兩端共同界定出一開口，且各該迴圈天線的幾何中心和該開口之連線，與該等迴圈天線共同界定出的幾何中心和該迴圈天線的幾何中心之連線概夾45度或135度。
依據申請專利範圍第1項所述之多迴圈天線系統，其中，各該迴圈天線的第二輻射體位於其第一輻射體所形成的迴圈中。
依據申請專利範圍第2項所述之多迴圈天線系統，其中，該第二輻射體具有一輻射段，及分別由該輻射段的兩端延伸的一第一延伸段與一第二延伸段，該第一延伸段的末端係為該第二輻射體的第一端，該第二延伸段的末端係為該第二輻射體的第二端，且該輻射段形成一迴圈。
依據申請專利範圍第2項所述之多迴圈天線系統，其中，該第二輻射體具有一輻射段，且該輻射段的兩相反端係分別為該第二輻射體的第一端及第二端，該輻射段形成一迴圈。
依據申請專利範圍第3或4項所述之多迴圈天線系統，其中，任二相鄰迴圈天線的幾何中心分別與該等迴圈天線共同界定出的幾何中心之間的連線所夾角度相同。
依據申請專利範圍第1項所述之多迴圈天線系統，其中，該第一輻射體及第二輻射體至少其中之一係形成一矩形或圓形迴圈。
依據申請專利範圍第1項所述之多迴圈天線系統，其中，該天線基板還包括一位於該等迴圈天線共同界定出的幾何中心的穿孔，用以供多數個訊號傳輸線通過。
依據申請專利範圍第1項所述之多迴圈天線系統，其中，該天線基板的面積小於或等於該系統模組的面積。
一種具有多迴圈天線系統的電子裝置，包含：一殼體；一天線模組，裝設於該殼體中，該天線模組包括：一天線基板，包括一第一表面和一相反於該第一表面的第二表面；多數個迴圈天線，佈設於該天線基板的該第一表面或該第二表面上，各該迴圈天線包括有一可提供一第一操作頻帶的第一輻射體，及一可提供一第二操作頻帶的第二輻射體，該第一輻射體具有位於其兩端的一饋入端及一接地端，且該饋入端與該接地端相鄰且相間隔，使該第一輻射體形成一迴圈，該第二輻射體具有位於其兩端的一第一端及一第二端，該第一端與該饋入端連接，該第二端與該接地端連接，使該第二輻射體形成另一迴圈；其中各該迴圈天線的幾何中心與該等迴圈天線共同界定出的幾何中心的距離相同，且任二相鄰迴圈天線之間的最短距離相同；及一系統模組，裝設於該殼體中，該系統模組包括至少一相向於該天線基板之該第二表面的接地面，且該系統模組與該天線基板之該第二表面平行相間隔一距離，用以反射該等迴圈天線的輻射；其中，各該迴圈天線的該第一輻射體的兩端共同界定出一開口，且各該迴圈天線的幾何中心和該開口之連線，與該等迴圈天線共同界定出的幾何中心和該迴圈天線的幾何中心之連線概夾45度或135度。