TWI416796B - 雙頻印刷式八木天線 - Google Patents

Description

雙頻印刷式八木天線

本發明係指一種雙頻印刷式八木天線，尤指一種具高指向性輻射場型之雙頻印刷式八木天線。

在現代化資訊社會中，各種無線通訊網路已經成為社會大眾交換語音或文字訊息、數據、資料、影音檔案的最重要途徑之一。存取這些以無線電磁波攜載資訊的無線通訊網路需要利用天線，因此，天線的研發成為現代資訊廠商的重點之一。為了實現更小體積、方便使用者隨身攜帶的無線通訊裝置，例如手機、個人數位助理器(PDA)、無線USB傳輸器(Wireless USB Dongle)，天線的體積也應該要能盡量縮減，以將天線整合入可攜式的通訊裝置中。

由於印刷式天線具有重量輕、體積小，且可與各種電路高度相容等優勢，因此，近年來已被廣泛地應用在各種無線通訊產品上。一般來說，為了減少接收或發射訊號的死角，無線通訊產品中的印刷式天線大多以「全向性」天線實現，例如印刷式偶極天線(Dipole antenna)。在水平面上，全向性天線的訊號是以三百六十度輻射，短距離內訊號的變化小，因此適合實際的應用。然而，隨著天線陣列或智慧型天線技術的導入，單一天線往往需要具有高增益及高指向性的天線輻射場型。在此情形下，習知技術提出一種印刷式八木天線(printed Yagi Antenna)，其利用八木天線高指向性的特性，提高在使用頻段上的天線增益，使通訊品質進一步達到改善的效果。

請參考第1圖，第1圖係一習知八木天線10之示意圖。八木天線10具有八木天線之一最基本架構，其由一驅動器(Driver)11、一反射器(Reflector)12及一引向器(Director)13等三個元件組成。驅動器11通常以一偶極天線實現，用來根據饋入的時變電流產生共振，以產生輻射電場。反射器12與引向器13則是由金屬片或金屬板形成，其可透過電磁耦合分別激發出與驅動器11反相及同相的輻射電場。如此一來，反射器12及引向器13可將偶極天線產生之輻射場型往特定方向反射或牽引，而提高天線的增益。當然，反射器及引向器等寄生元件數量可根據實際天線增益的需求進行調整，其係本領域具通常知識者所知，於此不多加贅述。

然而，習知印刷式八木天線為一單頻天線，其無法滿足目前無線通訊產品多頻帶的需求，因此有改進的必要。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種雙頻印刷式八木天線。

本發明揭露一種雙頻印刷式八木天線，其包含有一基板、一第一驅動器、一第一引向器、一第二驅動器、一反射器及一傳輸線。該第一驅動器形成於該基板上，用來產生一第一頻帶之輻射場型。一第一引向器形成於該基板上該第一驅動器沿一第一方向之一側，用來將該第一頻帶之輻射場型往該第一方向牽引。該第二驅動器形成於該基板上該第一驅動器及該第一引向器之間，用來產生一第二頻帶之輻射場型。其中，該第二驅動器與該第一引向器之一間距使該第一引向器形成該第二頻帶之一開路元件。該反射器形成於該基板上該第一驅動器與該第一方向反向之另一側，用來將該第一頻帶之輻射場型及該第二頻帶之輻射場型往該第一方向反射。該傳輸線沿該第一方向形成於該基板上，依序耦接於該反射器、該第一驅動器及該第二驅動器。

請參考第2圖，第2圖為本發明一雙頻印刷式八木天線20之實施例示意圖。雙頻印刷式八木天線20包含有一基板21、一低頻驅動器22、一低頻引向器23、一高頻驅動器24、一反射器25及一傳輸線26。低頻驅動器22形成於基板21上，用來產生一低頻帶之輻射場型。低頻引向器23形成於基板21上低頻驅動器22之一側，用來牽引低頻帶之輻射場型往＋Y軸方向輻射。高頻驅動器24形成於基板21上低頻驅動器22及低頻引向器23之間，用來產生一高頻帶之輻射場型。對於高頻驅動器24所產生之高頻訊號來說，高頻驅動器24與低頻引向器23之一間距將使低頻引向器23形同一開路元件。反射器25形成於基板21上低頻驅動器22之另一側，用來將低頻帶之輻射場型及高頻帶之輻射場型往＋Y軸方向反射。傳輸線26沿Y軸方向形成於基板21上，依序耦接於反射器25、低頻驅動器22及高頻驅動器24，用來將饋入訊號傳輸至低頻驅動器22及高頻驅動器24。另外，雙頻印刷式八木天線20更包含有一高頻匹配器27，形成於基板21上高頻驅動器24之附近，用來作為高頻驅動器之一電抗性負載，以增加高頻帶訊號之頻寬。

在本發明實施例中，基板21可利用一FR4雙層玻璃纖維板實現，其具有上下兩層金屬層。低頻驅動器22及高頻驅動器24分別由平行X軸方向之一偶極天線實現。每一偶極天線包含有兩枝輻射臂，分別形成於基板21之上層與下層。反射器25係以一金屬片實現，形成於基板21之下層，並耦接於一系統地端，而低頻引向器23及高頻匹配器27則形成於基板21之上層。傳輸線係以一微帶線實現，其與反射器25耦接之一端形成天線之一訊號饋入端FEED。關於雙頻印刷式八木天線20的詳細結構，請參考第3圖至第5圖。第3圖為雙頻印刷式八木天線20之立體圖，第4圖為雙頻印刷式八木天線20之上層金屬佈局圖，而第5圖則為雙頻印刷式八木天線20之下層金屬佈局圖。

關於印刷式八木天線之各部分詳細功能，請繼續參考以下說明。在本發明實施例中，低頻驅動器22及高頻驅動器24分別由平行於X軸方向之偶極天線實現，用來產生高頻帶與低頻帶的天線輻射場型。在不考慮反射器25與低頻引向器23時，偶極天線所產生之天線輻射場型為全向性。一般來說，偶極天線之輻射臂長度約為天線輻射頻率相對應波長之四分之一，而低頻驅動器22與反射器25之距離大約為0.1～0.25倍的低頻帶波長。

低頻引向器23主要是將低頻驅動器22所產生之輻射場型往＋Y軸方向牽引，以使低頻帶之輻射場型產生更強的指向性。一般來說，低頻引向器23與低頻驅動器22之間的距離在設計上約為0.1~0.25倍的低頻帶波長。請參考第6圖，第6圖為低頻引向器23被低頻驅動器22之時變電流所激發之電流分布示意圖。如第6圖所示，低頻驅動器22之時變電流與低頻引向器23上之電流為同方向，因此，低頻引向器23對低頻驅動器22來說是一個良好的引向器，而可使低頻帶之輻射場場型往＋Y軸方向去輻射。除此之外，本發明實施例另適當調整低頻引向器23與高頻驅動器間之距離，使低頻引向器23對於高頻驅動器24所產生之高頻訊號來說形同一開路元件。如此一來，低頻引向器23將不會影響到高頻驅動器24所產生之輻射場型。

請注意，在本發明實施例中，高頻驅動器24對低頻驅動器22來說不產生引向器之功用，主要是因為高頻驅動器24與低頻驅動器22之距離太近，而引向器一般要距離驅動器0.1~0.25倍的波長才會有比較顯著的功能。

反射器25主要具有下列兩項功能：(1)作為整個天線的地端及(2)反射低頻驅動器22與高頻驅動器24所產生之輻射場型，使天線的輻射場型可以擁有指向性的效果。請參考第7圖及第8圖，第7圖及第8圖為反射器25分別被低頻驅動器22及高頻驅動器24之時變電流所激發之電流分布示意圖。如第7圖所示，對於低頻帶來說，天線的地電流方向完全與低頻驅動器22上之時變電流反向。而如第8圖所示，對於高頻帶來說，天線的地電流方向與高頻驅動器24上的時變電流也是反方向。也就是說，在本發明實施例中，反射器25可以同時作為高頻驅動器與低頻驅動器之一反射板，而使高頻帶與低頻帶的天線輻射場場型可以往＋Y軸方向去輻射。

最後，高頻匹配器27用來提供一電容性阻抗，以匹配傳輸線26產生之電感性負載，而增加高頻的反射係數頻寬且對低頻的頻寬影響不大。對於高頻驅動器24產生之高頻訊號來說，高頻匹配器27亦不具有引向器的效果，主要是因為其與高頻驅動器距離太近的關係。引向器一般要距離驅動器0.1~0.25倍的波長才會有比較顯著的功能。因此，在本發明實施例中，高頻匹配器27為一個提升高頻帶頻寬的阻抗匹配器。

簡言之，本發明實施例利用天線的地端同時作為低頻驅動器22及高頻驅動器24的反射板，並設計低頻引向器23及高頻驅動器24的擺放位置，使低頻引向器23對低頻輻射場型有向前推拉的作用但對高頻輻射場型卻不造成影響。如此一來，本發明實施例不需要額外的機構或裝置來改變天線的輻射場型，即可在同一平面實現高指向性的雙頻八木天線。

當然，上述雙頻印刷式八木天線架構可應用於任意的雙頻系統之下，例如應用於一IEEE 802.11之雙頻無線區域網路系統。在本發明實施例中，雙頻印刷式八木天線20係以單端饋入(Single feed)方式將訊號饋入至訊號饋入端FEED，而在其他實施例中，亦可採用類似傳統八木天線之差動饋入(differential feed)方式，但需要在結構上增加一平衡-非平衡轉換器(Balun)。上述相關變化係本領域具通常知識者所熟知，於此不多加贅述。

在本發明實施例中，雙頻印刷式八木天線20之整體尺寸大小約為50mm×50mm×1.6mm，而低頻驅動器及高頻驅動器則分別用來產生對應於IEEE 802.11b/g及IEEE 802.11a之操作頻率。在此情形下，雙頻印刷式八木天線20之模擬結果分別如第9圖至第11圖所示。第9圖為雙頻印刷式八木天線20之反射係數圖，第10A圖到第10C圖為雙頻印刷式八木天線20之低頻帶天線增益圖，而第11A圖到第11C圖則為雙頻印刷式八木天線20之高頻帶天線增益圖。如第9圖所示，若以-10dB為基準，雙頻印刷式八木天線20之低頻頻寬約落在2.39GHZ～2.51GHz之間，而高頻頻寬則落在4.79GHz～6.46GHz之間。由此可知，高頻匹配器27可有效增加雙頻印刷式八木天線20之高頻帶頻寬。

如第10圖及第11圖所示，不論是高頻還是低頻，天線輻射場型皆具有優異的指向性。然而，由於雙頻印刷式八木天線20在低頻部分比高頻部分多了一個引向器，因此低頻部份的天線增益比高頻部分的天線增益具有更好的表現。此外，雖然低頻引向器23比高頻驅動器24來的長，只要選對適當的位置，低頻引向器23對高頻驅動器24所產生之高頻訊號來說形同開路。

綜上所述，本發明提供一種雙頻印刷式八木天線，其不需要額外的機構或裝置來改變天線的輻射場型，而可在高頻與低頻皆擁有高指向性的天線輻射場場型。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10．．．八木天線

11．．．驅動器

12．．．反射器

13．．．引向器

20．．．雙頻印刷式八木天線

21．．．基板

22．．．低頻驅動器

23．．．低頻引向器

24．．．高頻驅動器

25．．．反射器

26．．．傳輸線

27．．．高頻匹配器

FEED．．．訊號饋入端

第1圖係一習知八木天線之示意圖。

第2圖為本發明一雙頻印刷式八木天線之實施例示意圖。

第3圖為第2圖中之雙頻印刷式八木天線之立體圖。

第4圖為第2圖中之雙頻印刷式八木天線之上層金屬佈局圖。

第5圖為第2圖中之雙頻印刷式八木天線之下層金屬佈局圖。

第6圖為第2圖中之低頻引向器被低頻驅動器之時變電流所激發之電流分布示意圖。

第7圖為第2圖中之反射器被低頻驅動器之時變電流所激發之電流分布示意圖。

第8圖為第2圖中之反射器被高頻驅動器之時變電流所激發之電流分布示意圖。

第9圖為第2圖中之雙頻印刷式八木天線之反射係數圖。

第10A圖到第10C圖為第2圖中之雙頻印刷式八木天線之低頻帶天線增益圖。

第11A圖到第11C圖為第2圖中之雙頻印刷式八木天線之高頻帶天線增益圖。

20．．．雙頻印刷式八木天線

21．．．基板

22．．．低頻驅動器

23．．．低頻引向器

24．．．高頻驅動器

25．．．反射器

26．．．傳輸線

27．．．高頻匹配器

FEED．．．訊號饋入端

Claims (12)

1. 一種雙頻印刷式八木天線(printed Yagi-Uda antenna)，包含有：一基板；一第一驅動器，形成於該基板上，用來產生一第一頻帶之輻射場型；一第一引向器，形成於該基板上該第一驅動器沿一第一方向之一側，用來將該第一頻帶之輻射場型往該第一方向牽引；一第二驅動器，形成於該基板上該第一驅動器及該第一引向器之間，用來產生一第二頻帶之輻射場型，其中，該第二驅動器與該第一引向器之一間距使該第一引向器形成該第二頻帶之一開路元件；一反射器，形成於該基板上該第一驅動器與該第一方向反向之另一側，用來將該第一頻帶之輻射場型及該第二頻帶之輻射場型往該第一方向反射；以及一傳輸線，沿該第一方向形成於該基板上，依序耦接於該反射器、該第一驅動器及該第二驅動器；一匹配器，形成於該基板上該第二驅動器附近，用來作為一電抗性負載而增加該第二頻帶之頻寬；其中該基板具有一第一金屬層及一第二金屬層，該匹配器形成於該第一金屬層，而該反射器形成於該第二金屬層。
2. 如請求項1所述之雙頻印刷式八木天線，其中該第一驅動器係 垂直於該第一方向之一偶極天線，該偶極天線包含有一第一輻射臂及一第二輻射臂，分別形成於該第一金屬層及該第二金屬層。
3. 如請求項1所述之雙頻印刷式八木天線，其中該第二驅動器係垂直於該第一方向之一偶極天線，該偶極天線包含有一第一輻射臂及一第二輻射臂，分別形成於該第一金屬層及該第二金屬層。
4. 如請求項1所述之雙頻印刷式八木天線，其中該第一引向器形成於該第一金屬層。
5. 如請求項1所述之雙頻印刷式八木天線，其中該傳輸線係一微帶線。
6. 如請求項1所述之雙頻印刷式八木天線，其另包含有一訊號饋入端，形成於該傳輸線耦接於該反射器之一端。
7. 如請求項1所述之雙頻印刷式八木天線，其中該反射器耦接於該雙頻印刷式八木天線之一地端。
8. 如請求項1所述之雙頻印刷式八木天線，其中該第一驅動器與該第一引向器之一間距約為0.1至0.25倍對應於該第一頻帶之 波長。
9. 如請求項1所述之雙頻印刷式八木天線，其中該第一驅動器與該反射器之一間距約為0.1至0.25倍對應於該第一頻帶之波長。
10. 如請求項1所述之雙頻印刷式八木天線，其中該第一驅動器及該第二驅動器之長度分別對應該第一頻帶及該第二頻帶之波長的二分之一。
11. 如請求項1所述之雙頻印刷式八木天線，其中該基板為一FR4雙層玻璃纖維板。
12. 如請求項1所述之雙頻印刷式八木天線，其中該第一頻帶及該第二頻帶分別對應於IEEE 802.11b/g及IEEE 802.11a之操作頻率。