CN100356630C - 微带式双频号角天线 - Google Patents
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Abstract
一种微带式双频号角天线，包括有一布设有无线电子产品所需的控制线路及所需安装的其他零件的印刷电路板；一以金属微带的型式制作在所述印刷电路板的一表面上的号角天线，该号角天线的一侧端缘设有一呈号角状的开口，该开口的两侧边缘形成一夹角，在该夹角的基部接续有一长条状的开口；一以金属微带的型式制作在所述印刷电路板的与上述表面相对的另一表面上，作为电波讯号的馈入传输线的金属微带线，该金属微带线的一端与所述印刷电路板另一表面上所印制的控制线路相连接，另一端延伸至对应于长条状开口的一侧缘位置，并以90度弯折，跨越对应于长条状开口的位置后，再以90度弯折，约略对称地延伸至对应于长条状开口的一侧缘位置的相对侧。
Description
技术领域
本发明涉及一种微带天线，更具体地说，涉及一种利用印刷电路的制作技术制作而成的双频微带天线，该双频微带天线呈号角形状(在本发明的以下描述中，将其称为号角天线)，使其高低双频带都拥有足够的有效频宽，以有效提升安装有该双频微带天线的无线电子产品的***效能。
背景技术
近年来，由于移动通讯产品的市场需求大增，使得无线局域网(WLAN)的发展更为快速，在众多无线局域网的标准中，最引人注目者的是IEEE802.11无线局域网协定，IEEE 802.11协定制定于1997年，该协定不仅提供了无线局域网在通讯上许多前所未有的功能，而且还提供了可使各种不同厂家生产的无线产品得以相互沟通的解决方案，该协定的制定无疑为无线局域网的发展开启了一个新的里程碑，此外，该协定还确定了以核心装置执行单晶片的解决方案，有效降低了采用无线技术所需的成本，使得无线局域网得以广泛应用于各种无线移动通讯产品中。
IEEE802.11协定在1997年的版本中，主要是对网路的实体层(phyical)及媒体存取控制层(Media Access Control，简称MAC)进行规范，以使各厂家所生产的无线产品，不仅可在同一实体层上相互沟通，而其逻辑链接控制层(Logical Link Control，简称LLC)也是一致的，即媒体存取控制层(MAC)以下对网路应用(Network Application)是透明的。在2000年8月期间，IEEE为使802.11协定成为IEEE/ANSI及ISO/IEC间的一联合标准，对其作了进一步的修订，其修订内容除了包括用一个内置简易网路管理协定(Simple NetworkManagement Protocol，简称SNMP)的管理资讯站(Management InformationBase，简称MIB)，来取代原来内置OSI协定的MIB外，另增加了二项新的内容：
(1)IEEE 802.11a协定：该协定扩展了标准的实体层，规定该层使用5GHz的频带，该协定采用正交分频调制资料，传输速率范围为6Mbps-54Mbps，以满足目前室内及室外无线通讯的应用。
(2)IEEE 802.11b协定：该协定是802.11协定的另一个扩展，它规定实体层采用2.4GHz频带，调制方法采用补偿码键盘控制(CKK)，CKK来源于直接序列扩频技术，多速率的媒体存取控制(MAC)用于确保当工作站间的距离过长或干扰太大时，传输速率能够从11Mbps自动降到5.5Mbps，或者根据直接序列扩频技术调整到2Mbps及1Mbps。
根据IEEE 802.11a及802.11b无线局域网协定的规定，在扩展的标准实体层中，其工作频带必须分别设置在5GHz与2.4GHz，故当一无线电子产品欲同时使用该二种无线局域网协定时，基于频带上的要求，就必须安装多个天线，然而，此举不仅增加了零件的成本、安装程序，更需在无线电子产品上腾出较多的空间，以安装该等天线，这将导致无线电子产品的体积无法轻易缩小，以符合轻薄短小的设计趋势。
因此，近年来，许多无线通讯产品的设计与制造者，在研发所谓的双频电子产品时，均欲开发出一种能提供二个工作频带的双频天线，以便在将双频天线使用于无线通讯产品上时，可有效减少天线的数量及其所占用的空间，而且目前市面上所看到的双频天线，无论是晶片型天线(Chip Antenna)，还是利用印刷技术制作的微带天线(Printed Antenna)，在工作频带5GHz上的表现，都不够理想，另外，虽有部分天线符合特性上的要求，但天线的尺寸却过于庞大，造成安装空间的无谓浪费。此外，由于该等双频天线均为需另行加工制作的独立元件，并以零组件的型式额外安装在无线通讯产品上，故显然需要增加额外的制作、加工及组装成本，不仅不符合成本效益，也不符合自动化生产的要求。
传统上，一实体形状呈号角状的天线，即无线通讯产品的设计及制造者所熟悉的传统天线10，如图1所示，该天线10一般被称为号角天线，其电波讯号通过同轴电缆线11馈入，由于该种天线10具有频宽较宽，天线增益较高，且极化方向较为明显等诸多优点，故经常被使用于实验室中，作为测量一般天线的场型或增益的标准天线，然而，由于该种天线10的尺寸过于庞大，且价格昂贵，故这种传统的号角天线并不适宜且不可能被应用于一般无线通讯的产品上。
并且，也曾有许多业者，针对该传统号角天线10，利用印刷电路板的制造技术，将其等效的微带形状制作在电路板9上，如图2所示，并通过不同传输线的馈入设计，模拟该种传统号角天线10的特性，制作出许多不同款式的微带型号角天线20，该种微带型号角天线20虽仍保留了图1中所示传统号角天线10的部分特性，但其特性将因所使用的传输线21或所匹配的架构22，而有所不同，且该等微带型号角天线20一般均为单频带设计，而无法使用于需要两个工作频带的无线通讯产品上。
至于，目前市面上最常见的双频天线，如图3所示的晶片型天线30(ChipAntenna)，其架构是在陶瓷基板31上印刷所需形状的微带天线32，再将该晶片型天线30安装至一电路板9上，利用其上的微带线3 3作为电波的馈入传输线，一般而言，该晶片型天线30在高频处的有效频宽较为狭窄，无法满足无线电子产品***所要求的工作频带宽度，且该等晶片型天线30的天线增益不高，也为其共同的缺点。此外，在将其安装至无线电子产品上时，还需增加额外的零件、加工及组装成本，因此，在无线电子产品上使用该等晶片型天线30，并非一理想的选择。
有鉴于前述传统晶片型双频天线具有频宽较窄，天线增益不高，且制作及安装成本较高的缺点，本发明中的创作人根据其多年来从事天线制造的技术经验，及所累积的专业知识，针对上述缺失，经潜心研究各种解决方案，并经不断研究、实验与改良，终于开发设计出一种微带式双频号角天线，该号角天线可直接利用印刷电路的制作技术，在制作一无线电子产品的印刷电路板时，一并将号角天线制作在印刷电路板的一表面上，以大辐减少制作成本，且使该号角天线能在两个频带上都拥有足够的有效频宽，以有效提升无线电子产品的***效能。
发明内容
本发明中微带式双频号角天线的主要目的是为了解决现有晶片型双频天线具有频宽较窄，天线增益不高，且制作及安装成本较高的问题。
本发明中的微带式双频号角天线包括：
一印刷电路板，在该印刷电路板上布设有一无线电子产品所需的控制线路及所需安装的其他零件；
一号角天线，该号角天线以金属微带的型式制作在所述印刷电路板的一表面上，该号角天线的一侧端缘设有一呈号角状的开口，该开口的两侧边缘形成一夹角，在该夹角的基部接续有一长条状的开口；
一金属微带线，该金属微带线以金属微带的型式制作在所述印刷电路板的与上述表面相对的另一表面上，作为电波讯号的馈入传输线，其一端与所述印刷电路板的所述另一表面上所印制的控制线路相连接，另一端延伸至对应于长条状开口的一侧缘位置，并以90度弯折，跨越对应于长条状开口的位置后，再以90度弯折，约略对称地延伸至对应于长条状开口的该一侧缘位置的相对侧。
本发明中的微带式双频号角天线以电波耦合的方式，利用印刷电路板上另一表面所制作的一微带线，作为其馈入传输线，并藉由调整号角天线的号角长度，来控制两个频带的位置，或藉由调整号角夹角的大小，以控制天线增益，或藉由调整其与微带线间的耦合面积，以控制其高低频带间的匹配，从而设计出一结构简单，易于制作，可降低生产成本，并可满足产品规格需求的微带式双频号角天线。
另外，本发明中的双频号角天线通过在号角开口缘增设有一可用于调整频带的另一微带线，通过调整该另一微带线的大小，来有效控制频带，使其高频带能得到更佳的匹配值。
附图说明
下面将结合附图对本发明中的具体实施例作进一步详细说明。
图1是传统号角天线的立体外观示意图；
图2是传统微带型号角天线的立体外观示意图；
图3是传统晶片型双频天线的立体外观示意图；
图4是本发明中微带式双频号角天线的平面示意图；
图5是图4中所示微带式双频号角天线沿X-X线的剖视示意图；
图6是本发明一较佳实施例中微带式双频号角天线的平面示意图；
图7是本发明另一较佳实施例中微带式双频号角天线的平面示意图；
图8是图6中所示微带式双频号角天线的实测数据示意图；
图9是图7中所示微带式双频号角天线的实测数据示意图。
具体实施方式
如图4、图5和图6所示，本发明中微带式双频号角天线40是利用印刷电路的制作技术，在制作一无线电子产品的印刷电路板9时，直接以金属微带的型式，将号角天线40一并制作在该印刷电路板9一表面的适当位置上，在该号角天线40的一侧端缘设有一呈号角状的开口41，该号角状开口41的两侧边缘411形成一角度为α的夹角，其两侧边缘411的长度分别为L3，在夹角α的基部接续有一长条状的开口42，该长条状开口42的长度为L2，该长条状开口42与该号角状开口41形成本发明中所称的号角，其长度为L2+L3。在印刷电路板9上对应于该长条状开口42的另一表面，印刷制作有一金属微带线43，该微带线43作为电波讯号的馈入传输线，其一端与印刷电路板9与上述表面相对的另一表面上所印制的控制线路(图中未示出)连接，另一端则延伸至对应于长条状开口42的一侧缘位置，并以90度弯折，跨越对应于长条状开口42的位置后，再以90度弯折，约略对称地延伸至对应于长条状开口42的该一侧缘位置的相对侧。如此，微带线43即可将控制线路所产生的电波讯号，经由长条状开口42位置，耦合至号角天线40上，以增加讯号馈入的效果。
通过本发明的设计方式，不仅可藉由金属微带线43取代传统同轴电缆馈入电波的作法，并可在制作印刷电路板9时，直接将号角天线40、控制电路及微带线43，以金属微带的型式，一并制作在印刷电路板9上，因此不仅结构简单，易于制作，而且可有效降低生产成本，使制作出的号角天线，可在两个频带上都拥有足够的有效频宽，从而有效地提升了无线电子产品的***效能。此外，根据本发明，在制作号角天线40时，也可依实际需求，藉由调整号角天线40的号角长度，来控制两个频带的位置，或藉由调整号角夹角α的大小，来控制天线增益，或藉由调整长条状开口42与微带线43间的耦合面积，以控制其高低频带间的匹配，令所设计出的号角天线40能满足产品的规格需求。
在本发明的一较佳实施例中，如图6所示，将该号角天线40的微带线43的输入阻抗值，固定设为50欧姆，并将该微带线43的宽度设定为W1，当该微带线43的另一端延伸至对应于长条状开口42的一侧缘位置，并以90度弯折时，其宽度变为W2，在跨越长条状开口42的对应位置，再以90度弯折后，该微带线4 3对称地延伸至对应于长条状开口4 2的另一侧缘位置时，其宽度变为W3，该等微带线43的宽度W1、W2及W3，在符合下列条件时，其耦合效应为最佳：
(1)宽度W2介于一倍至三倍的宽度W1间，即1*W1＜W2＜3*W1；
(2)宽度W3介于宽度W1及宽度W2间，即W1≤W3≤W2。
至于，在设计双频号角天线40时，长条状开口42的宽度W4介于一倍至二倍的微带线4 3宽度W1间，即1*W1＜W4＜2*W1，该双频天线的号角长度L2+L3，则被设计成约等于其低频共振频率的等效波长的四分之一(1/4)长度，且L2与L 3间的比例介于0.7与1.3间，即0.7＜L2/L3＜1.3，该双频天线的号角角度α则介于10至60度间，即10＜α＜60。
根据前述号角天线40的设计条件，微带线43在对称地延伸至对应于长条状开口42的该一侧缘位置的相对侧，且其宽度变为W3时，其长度L1应尽可能地维持在零点六倍至一点四倍的长度L2间，即0.6*L2＜L1＜1.4*L2，如此，微带线43在电波讯号耦合馈入至号角天线40上时，将会产生较佳的讯号馈入效果。
在本发明的另一较佳实施例中，如图7所示，在前述较佳实施例中的号角天线40的号角状开口41缘处设有另一微带线44，所述另一微带线44由所述号角状开口4 1的开口缘的一侧向所述开口缘的另一侧方向延伸，以藉由调整另一微带线4 4的大小，即其长度L5及宽度L6，以控制其高频带的匹配，令其能获得更好的匹配值。该另一微带线44的长度L5以小于0.8倍的号角天线40的号角状开口4 1的两侧边缘的开口缘之间的距离L4，即0＜L5/L4＜0.8，为最佳。
本发明根据前述最佳实施例的设计条件，分别将号角天线40实际制作至二不同的印刷电路板9上，再利用检测频率及阻抗仪器，对其进行检测后，其检测结果将如图8和图9所示，其中图8中所示的为号角状开口41缘未设计有另一微带线44的号角天线40的检测结果，由图8中所示可知该号角天线40在频带分别为5GHz与2.4GHz附近有良好的频率响应，故当一电子产品欲同时使用二种无线局域网协定时，即可利用本发明，将该号角天线40直接印制在印刷电路板9的一侧，在其另一侧制作微带线43及控制线路，从而轻易地制作出一结构简单，且同时拥有两个足够频宽的号角天线40，从而有效地提升了无线电子产品的***效能。
如图9所示，该图中所示的是号角状开口4 1缘设计有另一微带线44的号角天线40利用检测频率及阻抗仪器，对其进行检测后的检测结果，由图9中所示的可知，该号角天线40不仅在频带分别为5GHz与2.4GHz附近有良好的响应，而且由于另一微带线44的设计，更令其在高频部份，能获得更佳的匹配值。
据上所述，本发明可利用印刷电路的制作技术，在制作无线电子产品的印刷电路板9时，直接将号角天线40一并制作在印刷电路板9的一表面上，以大幅减小天线的制作成本，且使其在高低两个频带处都拥有足够的频宽，以有效提升无线电子产品的***效能。另，号角天线40的馈入传输线，也可利用印刷电路的制作技术，制作在印刷电路板9的另一表面，以省略传统的同轴电缆馈入线。此外，本发明在制作号角天线40时，尚可借由调整其号角长度、夹角大小、耦合面积及另一微带线44的大小，以有效控制两个频带的位置、天线增益及高低频带间的匹配，令所设计制作出的号角天线40，不仅结构简单，易于制作，且可降低生产成本，满足产品的规格需求。
上述虽然对本发明中的较佳实施例作了说明，但并不能作为本发明的保护范围，即对本领域的普通技术人员来说应该明白，在不脱离本发明的设计精神下可以对其作出等效的变化与修饰，因此，凡是在不脱离本发明的设计精神下所作出的等效变化与修饰，均应认为落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种微带式双频号角天线，包括：
一印刷电路板，在该印刷电路板上布设有一无线电子产品所需的控制线路及所需安装的其他零件；
一号角天线，该号角天线以金属微带的型式制作在所述印刷电路板的一表面上，该号角天线的一侧端缘设有一呈号角状的开口，该开口的两侧边缘形成一夹角，在该夹角的基部接续有一长条状的开口；
一金属微带线，该金属微带线以金属微带的型式制作在所述印刷电路板的与上述表面相对的另一表面上，作为电波讯号的馈入传输线，其一端与所述印刷电路板的所述另一表面上所印制的控制线路相连接，另一端延伸至对应于长条状开口的一侧缘位置，并以90度弯折，跨越对应于长条状开口的位置后，再以90度弯折，约略对称地延伸至对应于所述长条状开口的该一侧缘位置的相对侧；在所述号角状开口的开口缘处设有另一微带线，所述另一微带线由所述号角状开口的开口缘的一侧向所述开口缘的另一侧方向延伸。
2.根据权利要求1中所述的微带式双频号角天线，其特征在于：所述金属微带线的输入阻抗值，固定设为50欧姆。
3.根据权利要求2中所述的微带式双频号角天线，其特征在于：所述金属微带线的宽度设定为W1，当该金属微带线的另一端延伸至对应于长条状开口的一侧缘位置，并以90度弯折时，其宽度变为W2，在跨越该长条状开口的对应位置，再以90度弯折后，该金属微带线对称地延伸至对应于长条状开口的一侧缘位置的相对侧时，其宽度变为W3，所述金属微带线的宽度W1、W2及W3符合下列条件：
(1)宽度W2介于一倍至三倍的宽度W1间，即1*W1＜W2＜3*W1；
(2)宽度W3介于宽度W1及宽度W2间，即W1≤W3≤W2。
4.根据权利要求3中所述的微带式双频号角天线，其特征在于：所述长条状开口的宽度W4介于一倍至二倍的金属微带线宽度W1间，
即1*W1＜W4＜2*W1。
5.根据权利要求2中所述的微带式双频号角天线，其特征在于：所述长条状开口的长度为L2，该号角状开口两侧边缘的长度分别为L3，该号角天线的号角长度为L2+L3被设计成约等于其低频共振频率的等效波长的四分之一。
6.根据权利要求5中所述的微带式双频号角天线，其特征在于：所述号角长度L2与L3间的比例介于0.7与1.3间，即0.7＜L2/L3＜1.3。
7.根据权利要求2中所述的微带式双频号角天线，其特征在于：所述号角状开口两侧边缘形成一角度为α的夹角，该夹角介于10至60度间，即10°＜α＜60°。
8.根据权利要求1中所述的微带式双频号角天线，其特征在于：所述另一微带线的长度L5小于0.8倍的所述号角状开口的两侧边缘的开口缘之间的距离L4，
即0＜L5/L4＜0.8。
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