TWI548145B

TWI548145B - 全向式天線

Info

Publication number: TWI548145B
Application number: TW102126887A
Authority: TW
Inventors: 鄭世杰; 羅國彰
Original assignee: 智易科技股份有限公司
Priority date: 2013-01-07
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2016-09-01
Also published as: US20140191918A1; CN103915678B; CN103915678A; TW201429053A; US9190728B2; EP2752942A1; EP2752942B1

Description

全向式天線

本發明關於一種全向式天線，特別是指在一個接地平面上設有相互對應的天線構件而達成全向式輻射目的的天線。

天線為各式電子裝置用以傳輸或接收射頻(RF)訊號的重要元件，天線可以轉換電功率為無線電波而傳遞於空氣中，反之，也可將空中傳遞的電磁波轉換為電子訊號。當傳遞或接收射頻訊號時，裝置內連接天線的無線電接收器或是發射器也就因此可以將電磁波的能量被轉換為通訊裝置內電路可以處理的訊號。

選擇或是設計天線時，將可以根據天線在特定應用上所需的特性與效能，天線的效能總是相關技術人員所追求的重要特徵之一。

天線的形式之一如一種可以對全天空不特定方向輻射訊號的全向式天線(omnidirectional antenna)，也有一種僅處理特定方向或由特定來源傳遞的電磁波的指向式天線(directional antenna)。不論何種天線，天線主體可能包括有反射與指向的元件，或是相關可以導引電磁波的任何平面。

為提供一種全向式天線，包括單頻或是雙頻的天線，此天線提供在一個接地平面上設有相互對應的天線構件，其中基板之周圍設有多個天線構件，各天線構件的主體包括一形成於天線構件上半部的長條形式的輻射部，延伸自倒F形式的結構，包括有形成於輻射部中段之一向下突出的饋入部，更包括有形成於天線構件下半部的連接部，為天線構件連接基板的結構，並與輻射部相接，另有連接部上形成有至少兩個向上突出的接地部，透過連接埠共同與接地的基板相接，結構上，饋入部延伸至兩個接地部之間。

根據實施例，上述天線構件中的輻射部、饋入部、連接部與至少兩個接地部實質上共平面，更可包括用以調整阻抗匹配的一或多個匹配件。而此天線構件實質上垂直基板。

此全向式天線可以同時處理兩個不同頻段的電磁波訊號，因此多個天線構件中包括有兩種形式的天線構件，分別處理兩個頻段電磁波的接收與發射。特別的是，多個天線構件兩兩對向設置於基板之對邊，且能互為反射體。

根據再一實施例，全向式天線包括一接地的基板，以及多個運作於第一頻段附近的天線構件，如2.4GHz，以及多個運作於第二頻段附近的天線構件，如5GHz，這些運作於第二頻段附近的天線構件交替且設置於多個運作於第一頻段附近的天線構件之間，使得兩兩對向設置，能互為反射體。

根據又一實施例，全向式天線包括一接地的基板，天線構件係自基板的邊緣延伸設立，以及至少一運作於第一頻段附近的天線構件，如2.4GHz，以及至少一運作於第二頻段附近的天線構件，如5GHz，這些運作於第二頻段附近的天線構件交替且設置於多個運作於第一頻段附近的天線構件之間，其中該基板的形狀可以是對稱的四邊形、六邊形或八邊形等，使得天線構件兩兩對向設置，能互為反射體。

為了能更進一步瞭解本發明為達成既定目的所採取之技術、方法及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明、圖式，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得以深入且具體之瞭解，然而所附圖式與附件僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

101‧‧‧第一輻射部

102‧‧‧第一饋入部

103,104‧‧‧第一接地部

201‧‧‧第二輻射部

202‧‧‧第二饋入部

203,204‧‧‧第二接地部

301‧‧‧第三輻射部

302‧‧‧第三饋入部

303,304‧‧‧第三接地部

305‧‧‧第一匹配件

306‧‧‧第二匹配件

401‧‧‧第四輻射部

402‧‧‧第四饋入部

403,404‧‧‧第四接地部

405‧‧‧基板

501‧‧‧第一天線構件

502‧‧‧第二天線構件

503‧‧‧第三天線構件

504‧‧‧第四天線構件

505‧‧‧第五天線構件

506‧‧‧第六天線構件

50‧‧‧基板

701,702,801,802,803,901,902,903,904,11,12,13,14,15,16,17,18‧‧‧天線構件

70,80‧‧‧基板

804‧‧‧反射板

110‧‧‧基板

11’,12’,13’,14’,15’,16’‧‧‧天線構件

120‧‧‧基板

11”,12”,13”,14”,15”,16”,17”,18”‧‧‧天線構件

圖1示意顯示本發明全向式天線的天線構件實施例之一；圖2示意顯示本發明全向式天線的天線構件實施例之二；圖3示意顯示本發明全向式天線的天線構件實施例之三；圖4顯示天線構件與基板部連接的裝置示意圖之一；圖5顯示天線構件與基板部連接的裝置示意圖之二；圖6顯示本發明全向式天線的裝置立體示意圖；圖7顯示本發明全向式天線的裝置實施例示意圖之一；圖8顯示本發明全向式天線的裝置實施例示意圖之二；圖9顯示本發明全向式天線的裝置實施例示意圖之三；圖10顯示本發明全向式天線的裝置實施例示意圖之四；圖11顯示本發明全向式天線裝置第二實施例示意圖；圖12顯示本發明全向式天線裝置第三實施例示意圖；圖13至圖24顯示本發明全向式天線在各頻段的反射係數圖。

為了提出一種全向式天線，本發明揭露書揭示一種組合有多個天線體的天線結構，並共用一個接地的平面基板，透過一體成形的製程製作，達到小型化、低成本與全向式天線的目的。

根據實施例，此全向式天線具有至少一種圖樣設計的天線構件，多個天線構件位置以對向設置為主，因此除了自身輻射特定頻段的射頻訊號之外，更可互為反射體，達到均向輻射的目的，可適用於無線網路(WiFi^TM)等非指向式需求的通訊系統的裝置上。

圖1示意顯示本發明全向式天線的天線構件實施例之一，其中所示之天線構件為全向式天線輻射與反射的主要構件之一的基本形式，此天線構件的主體為實質上倒F形式的金屬構件，上半部的結構包括有一個延伸自倒F形式的結構的長條形式的第一輻射部101作為輻射電磁波的共振體，於第一輻射部101的中間段向下突出的第一饋入部102，此第一饋入部102為一突出的結構，可為長條性或是不限特定形狀，電性連接天線所服務的內部電路，作為接收訊號的接點。

在圖中顯示的天線構件的下半部則設有一長條略長於前述第一輻射部101的連接部，連接部形成係與第一輻射部101相接，與整體全向式天線的基板部份(未顯示於此圖中)連接。在此連接部的中間段形成有突出的至少兩個接地端，如圖顯示的兩個第一接地部103,104，第一接地部103,104並不限於特定形狀，此例為長條形狀，特別是這兩個第一接地部103,104分設於相對的兩側，並共同經連接部連接整體天線的基板而共同接地，其結構突出於前述第一饋入部102的兩側，換句話說，此第一饋入部102形成於兩個第一接地部103,104的中間部份。此圖所示的實施例顯示第一輻射部101、第一饋入部102、第一接地部103,104與其底部的連接部為實質上共平面。

根據本發明全向式天線的實施方式，圖1顯示的天線構件可以作為此全向式天線處理約5GHz頻段的射頻訊號的元件。

相對於圖1所顯示本發明全向式天線的天線構件，圖2接著示意顯示全向式天線的另一天線構件實施例，實施例顯示可以作為處理約2.4GHz頻段的射頻訊號的天線構件。

圖2所示之天線構件同樣為全向式天線的主要構件的形式之一，此天線構件上半部同樣呈現一個近似倒F形式的金屬構件，包括有由主體延伸出來的第二輻射部201，作為輻射電磁波的共振體，與前述第一輻射部101有些差異，此第二輻射部201延伸到尾端有一向下垂直延伸一小段的長條形式的結構，第二輻射部201的中間段突出一個第二饋入部202，可為長條形式，或並不限制其形狀，藉此電性連接此全向式天線所服務的內部電路，作為接收訊號的接點。

在圖2所顯示天線構件的下半部設有一長條略長或等長於前述第二輻射部201的連接部，同樣與整體全向式天線的基板部份(未顯示於此圖中)連接。在此構件之連接部的中間段形成有突出的兩個長條形式的第二接地部203,204，這兩個第二接地部203,204分設於相對的兩側，並共同經連接部連接整體天線的基板而共同接地，其結構與圖1顯示的構件近似，突出於前述第二饋入部202的兩側，也就是第二饋入部202形成於兩個第二接地部203,204的中間部份。實施例顯示第二輻射部201、第二饋入部202、第二接地部203,204與其底部的連接部為實質上共平面。

前述圖1與圖2顯示了本發明全向式天線的主要構件的實施態樣，可分別處理不同頻段的電磁波訊號，圖中顯示的圖樣為示意圖，其中構件細節結構(如長度、各部寬度、各部之間相對長短、各部件間隔等)可一根據實際需求調整，如圖3所示之另一天線構件的實施例。

此構件顯示有一自近似倒F形式主體延伸的第三輻射部301，作為輻射電磁波的共振體，此第三輻射部301延伸到尾端有一向下垂直延伸一小段的長條形式的結構，第三輻射部301的中間段突出一個長條形式的第三饋入部302，第三饋入部302電性連接此全向式天線所服務的內部電路，作為接收訊號的接點。

此例顯示的天線構件下半部有一長條略短於上半部第三輻射部301的連接部，同樣與整體全向式天線的基板部份(未顯示於此圖中)連接。在此構件之連接部上形成有突出的兩個長條形式的第三接地部303,304，這兩個第三接地部303,304分設於相對的兩側，共同經連接部連接整體天線的基板而共同接地，其結構上述實施例近似，突出於前述第三饋入部302的兩側，也就是第三饋入部302形成於兩個第三接地部303,304的中間部份。

圖3所示之實施例更於天線構件下半度連接天線基板(未顯示)的連接部向一端(此例為向左)延伸一段距離後形成有用於匹配所要處理的訊號頻段用的第一匹配件305，作為調節輸入阻抗(input impedance)而使得整體天線的響應(response)可以符合所要服務的射頻頻段；此天線構件之另一側(此例為右側)亦可設有另一第二匹配件306。根據實際需要，基材之一邊或多邊可設有一或多個匹配件。

實施例顯示第三輻射部301、第三饋入部302、第三接地部303,304、連接部與兩側的匹配件305,306為實質上共平面。

圖4顯示有一天線構件與接地的基板部連接的裝置示意圖，其中顯示有一種型態的天線構件，如圖1所示的實施例，圖4顯示的天線構件形成於整體四邊形天線結構的一側，與基板405可為一體式的金屬片結構，比如可經過鑄模一次形成，但實際實施亦不排除為分別製作再行組合。

天線構件包括有延伸自倒F天線形式的第四輻射部401作為輻射訊號的部件，中間段設有作為與內部電路傳輸訊號的第四饋入部402，天線構件的下半部形成有突出的兩個第四接地部403,404，天線構件與接地的基板405電性連接，特別是第四接地部403,404與基板405連接而共同接地。同樣地，第四輻射部401、第四饋入部402、第四接地部403,404與連接基板405的部位為實質上共平面，並與基板405為一體成形。

圖5示意顯示的天線結構為實質上同一個平面的金屬片結構，其中顯示為多個天線構件(第一天線構件501、第二天線構件502、第三天線構件503、第四天線構件504、第五天線構件505與第六天線構件506)與接地的基板50的連接關係，此例有6個天線構件分設於四邊形基板50的四邊，各邊有一或兩個不同形式的構件，分別可以處理不同頻段的射頻訊號。虛線部份示意顯示可以彎折的部位，比如可以垂直折起如圖6顯示的本發明全向式天線的實施例立體示意圖。

在此全向式天線的結構中，接地的平面基板50周圍設有多個運作於第一頻段(可表示2.4GHz)附近的天線構件，以及多個運作於第二頻段(可表示5GHz)附近的天線構件，在設計上，運作於第二頻段附近的天線構件交替設置於運作於第一頻段附近的天線構件之間，即如圖5所示，使得運作於第一頻段附近的天線構件之對向為運作於第二頻段附近的天線構件，且互為反射體。在此例中，各對向設置的天線構件(501,505)(502,504)(503,506)互為反射體。

根據實施例，各個天線構件的基本形式的特徵為在近似倒F天線延伸有輻射部，輻射部之中段形成有饋入部，與基板50連接的下半部位形成有一對突出的接地部，分別形成於饋入部的兩側，共同接地。

全向式天線主要包括分別形成於各邊的兩種形式的天線構件，分別如圖1與圖2，或是圖3所示，可以處理不同頻段(至少兩個)的射頻訊號。比如圖中顯示的天線構件501,503,505為同一種形式，比如用以處理5GHz附近頻段(但並不以此為限)的射頻訊號；天線構件502,504,506為同一種形式的天線，如圖2顯示的態樣，可以處理2.4GHz頻段(但並不以此為限)附近的射頻訊號。更可利用形成匹配元件作為匹配特定頻段訊號的目的。

經過組合上述兩種形式的天線構件後，本發明所提出的多邊形(特別是偶數邊形，如四邊形)平面基板的全向式天線成為一種偶極天線(dipolar antenna)，此種天線形式如圖顯示同一種形式的天線構件501,503,505為分處於不同邊長而正交設置的天線構件，能夠彼此耦合。

根據實施例，圖5顯示整個未折起天線構件的整體天線結構符合特定兩個頻段的訊號而可具有寬約86釐米(mm)、長約86釐米，以及高度(金屬片厚度)約0.8釐米的尺寸。此全向式天線並不以此處所載符合特定規格的尺寸為限。

經折起後各天線構件的全向式天線可參閱圖6顯示的實施例立體圖。此例顯示有實質上垂直於平面的基材50的各天線構件501,502,503,504,505,506，豎立起的角度可以依照實際需要調整，各天線構件501,502,503,504,505,506的位置亦可根據需求修改。由圖可以明顯看出，這些天線構件501,502,503,504,505,506係兩兩相對，而面對面的天線形式不一定相同。經折起天線構件501,502,503,504,505,506後的整個天線結構具有寬度約70釐米、長度約70釐米與高度(厚度)約9釐米的尺寸。此全向式天線並不以此處所載符合特定規格的尺寸為限。

根據發明揭露書所載的特徵，圖6顯示設於周圍而兩兩相對的天線構件501,502,503,504,505,506除了用以輻射或接收對應特定頻段的射頻訊號外，更作為一個服務對面天線構件輻射訊號的反射體(reflector)。比如天線構件501與對面的天線構件505互為反射體，也就是天線構件501可用於反射自天線構件505所輻射出的電磁波，因此電磁波可以涵蓋更廣的範圍；同理，天線構件505除了輻射所服務的頻段的電磁波以外，更作為天線構件501所輻射電磁波的反射體。相應地，天線構件502除了自身輻射的電磁波外，更作為天線構件504的反射體；天線構件503,506輻射電磁波時，也互為反射體。

經前述在多邊形基板(特別是偶數邊，如四邊)形成的多個天線構件之間的交互作用，使得此天線成為可以對接近360度空間輻射訊號的全向式天線。

以下列舉幾個本發明全向式天線的實施例。

如圖7所示之示意圖，本發明全向式天線可以由一個平面接地的基板70與2個設於對邊的天線構件形成，此例中天線構件701, 702為相同形式與相互耦合的天線構件，以面對面形成於基板70的兩側，可以為輻射特定頻段(如5GHz)電磁波的單頻天線，更互相成為對方的反射體，藉此讓電磁波可以輻射至更為廣泛的空間中，甚至接近360度的空間。如圖顯示的樣態，天線構件701可以對外輻射訊號，如圖之左方，而向圖之右方輻射的訊號射向天線構件702再被反射，依此輻射範圍更為廣闊；同理，天線構件702除了對圖之右方輻射訊號，向左方的輻射訊號會被天線構件701反射，產生更為寬廣的輻射範圍。此例為單極天線。

再如圖8顯示本發明全向式天線的裝置實施例示意圖。此圖顯示在接地基板80之三個側邊形成有天線構件801,802,803，這三個天線構件為相同形式的天線，可以分別對特定方向輻射(或接收)電磁波，如各負責輻射或接收接近120度空間的電磁波。結構上，天線構件801與803為對向設置，也互相耦合，可以互為反射體，可以達到如圖7的輻射範圍涵蓋效果。更於另一邊設有天線構件802，為了要輻射此天線構件802的輻射訊號，於天線構件802的對面設有一個僅用於反射電磁波的反射板804，此反射板如一個仿天線構件(dummy plate)，僅結構上設於天線構件802的對面，以達成全向式天線的效果。此例為單極天線。

圖9顯示為本發明全向式天線的裝置再一實施例的示意圖。此例顯示在基板平面的四邊設有多個天線構件901,902,903,904，其中天線構件901與903為相同形式而互相耦合、互為反射體的天線構件，作為輻射特定頻段電磁波的天線構件組，各天線構件可負責輻射或接收近180度空間的訊號；同樣地，天線構件902與904同時也為相同形式、互相耦合，且更互為反射體的天線構件，各自負責輻射或接收近180度空間的訊號，各自使得此天線結構可以達成全向式天線的效果，更為一種偶極天線。

另一實施例如圖10所示之全向式天線的裝置示意圖。此例中，一個平面基板的四邊分別設有平均分佈在周圍的天線構件11, 12,13,14,15,16,17,18，其中可包括至少兩種形式的天線構件，兩種形式的天線構件可交替設置於該基板之周圍。其中天線構件11,13,15,17為相同形式而處理相同頻段訊號的天線構件，這些相同形式的天線構件11,13,15,17相互耦合，且各自負責輻射與接收近90度空間的訊號；同理天線構件12,14,16,18為相同形式的天線構件，處理相同頻段訊號，互相耦合且各自負責輻射與接收近90度空間的訊號。此例天線為一種可以同時處理兩種頻段訊號的偶極天線。

圖式更顯示各對向的天線構件互為反射體的實施態樣，比如天線構件11與天線構件16相對設置，為不同形式的天線構件，天線構件11可用於反射自天線構件16輻射出的電磁波，同理天線構件16可用於反射自天線構件11輻射的訊號。同理，各對向設置的天線構件(12,15)(13,18)(14,17)同樣互為反射體。

除上述揭露書所載實施例，因為對向兩兩相對設置的天線構件的設計，因此本實施例之基板亦可為六邊形等偶數邊的形式，如圖11所示本發明全向式天線裝置第二實施例示意圖。

圖11顯示的六邊形基板110為一接地的天線元件，周圍設有對稱的六個天線構件11’,12’,13’,14’,15’,16’，各天線構件為基板110自邊緣延伸的結構，各個天線構件的形式可對應參考圖10所示實施例設於周圍的至少兩個形式的天線構件。

此圖例中，各個天線構件鄰接的天線構件與對向的天線構件為服務不同頻段的天線。比如，天線構件11’為設於六邊形基板110一邊的天線構件，為運作於第一頻段附近的天線構件，如2.4GHz；天線構件11’對向的一邊設置另一天線構件14’，可以為運作於第二頻段附近的天線構件，如5GHz。而鄰接天線構件11’的天線構件12’也為服務第二頻段的天線，這些運作於第二頻段附近的天線構件交替且設置於多個運作於第一頻段附近的天線構件之間。特別的是，天線構件兩兩對向設置，能互為反射體。

在圖12顯示的本發明全向式天線裝置第三實施例示意圖主體為基板120，周圍交替設有相鄰不同頻段的天線構件11”,12”,13”,14”,15”,16”,17”,18”，包括至少一運作於第一頻段附近的天線構件，如2.4GHz，以及至少一運作於第二頻段附近的天線構件，如5GHz。同樣地，各天線構件為基板120自邊緣延伸的結構，各個天線構件的形式可對應參考圖10所示實施例設於周圍的至少兩個形式的天線構件。

此例顯是鄰接的天線構件服務不同頻段的天線構件，但其對向(如天線構件11”的對向天線構件15”)的天線構件則服務相同頻段的訊號，兩兩對向設置的天線構件能互為反射體。

接著，經過反射係數的初步實驗，圖13至圖24顯示本發明全向式天線在各頻段的反射係數圖，可以顯示此全向式天線在至少兩個頻段的表現為佳，產生相對的應用。

在天線的領域中，常採用S11模擬數據來顯示天線的特性，特別是可以看出回波損耗特性(return loss)，比如採用一種網路分析儀(network analyzer)查其損耗值(dB值)與阻抗，回波損耗愈低表示天線反射愈小，顯示其輻射功率愈大。揭露書所呈現的圖式顯示各天線構件的反射波與入射波的比值，S11以dB值表示。

天線在各頻段表現的反射係數得出天線在特定頻段的損耗值是否符合一定的要求，表示該天線確實可以運作於該特定頻段。

圖13至圖15顯示本發明全向式天線(可參考圖5所述的實施例)的一種形式的天線構件組的反射係數特性，可以明顯看出此組天線構件都在2.4GHz頻段附近有更低的損耗值，有明顯的波谷，都在S11=-10dB以下，顯然這個天線構件組在此頻段有很高的輻射功率。

接著在更高頻的反射係數特性，如圖16至圖18，本發明所提出的全向式天線在5GHz頻段附近的損耗值雖並未有明顯突出的表現，但是損耗值都在S11=-8dB以下而能正確運作於5GHz頻段下。

由於本發明所提出的全向式天線若運作於雙頻段的要求下，至少設有兩種形式的天線構件，分別處理不同頻段的電磁波的接收與發射，在此設計之下，兩種形式的天線構件彼此之間將穿插著另一形式的天線構件，若以同時處理2.4GHz與5GHz頻段的射頻訊號為例，兩個2.4GHz頻段的天線構件之間將設有一個5GHz頻段的天線構件，反之亦然。

偶極天線的優點是可以同時處理不同的兩個頻段的訊號，在傳送和接收訊號時理應不會互相干擾，但是在一有限的空間內置入處理不同頻段的天線卻有可能彼此產生耦合現象，而有干擾，因此訊號隔離度(isolation)是一個需要考量的因素。

因此在不同的天線構件之間應需要有適當的隔離(isolation)，相關特性可參考圖19至圖24所示天線在隔離度模擬下的反射係數特性。

圖19至圖21顯示在2.4GHz頻段下各天線構件之間的插入損耗(dB值)，這個插入損耗即表示相鄰兩個天線之間的隔離度，圖式顯示在2.4GHz頻段附近的隔離度皆高於Isolation=-15dB，因此符合特定隔離度的要求，可以避免與其他頻段的訊號干擾。可參閱圖5顯示，兩種頻段的天線構件皆間隔另一形式的天線構件而設置。

接著請參閱圖22至圖24所是在5GHz頻段附近的天線反射係數特性，各圖顯示在5GHz頻段附近的插入損耗，也就是隔離度有一定的水準，雖不如2.4GHz頻段的天線之間的隔離度(以isolation=-15dB為準)，但仍顯然在此更高頻段附近有一定的隔離固，仍可以正常運作而避免過多干擾。

是以，本發明所移出的全向式天線採用了在一個多邊形基板的周圍設置有兩兩對應的天線結構，除了自身處理特定頻段訊號的工作外，更可作為互為反射體的結構，製作上可以一體成型的製程同時製作出此金屬片狀的天線結構，結構上可以達到小型化、薄型與低成本的要求，並透過對應設置服務一或兩個或以上頻段的射頻訊號，在配合實驗數據顯示能夠正確運作於特定頻段，達成一種單極或偶極的全向式天線。

以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，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。