CN101005156A

CN101005156A - 高增益宽频带的平板天线

Info

Publication number: CN101005156A
Application number: CN 200610005483
Authority: CN
Inventors: 哀敬原; 邱利吉
Original assignee: Universal Scientific Industrial Co Ltd
Current assignee: HUANHONG ELECTRONIC (KUNSHAN) CO., LTD.
Priority date: 2006-01-16
Filing date: 2006-01-16
Publication date: 2007-07-25
Anticipated expiration: 2026-01-16
Also published as: CN101005156B

Abstract

本发明涉及一种高增益宽频带的平板天线，用以解决传统天线结构上无法运用于高增益宽频带的问题，本发明的平板天线包括微波基板，具有第一表面及第二表面；第一对称型辐射单元，配置于该第一表面上，且该第一对称型辐射单元具有第一辐射部与第二辐射部；第二对称型辐射单元，配置于该第二表面上，且该第二对称型辐射单元具有第三辐射部与第四辐射部；及至少一个连接单元，连接该微波基板及反射板。其中该第一辐射部、该第二辐射部、第三辐射部及第四辐射部的末端采用步阶结构的设计方法。通过本发明的平板天线结构设计，能实现高增益宽频带的目的。

Description

高增益宽频带的平板天线

技术领域

本发明涉及一种平板天线结构，尤其涉及一种高增益宽频带的平板天线。

背景技术

近年来随着无线通讯的蓬勃发展，人们对于无线通讯的频宽需求以及数据传输率也与日剧增。以无线局域网络(Wi-Fi)而言，其数据传输率由原先的2MB，11MB，一直提升到现今的54MB，但是其传送距离仅局限于一、两百米内，当传送距离提升到数公里时，Wi-Fi即无法达到此要求，因此，促使新的通信技术WiMAX得以开始发展。WiMAX主要是规范广域网络的通讯，其传输的范围可达50公里，符合IEEE 802.16标准。无线局域网络的通讯距离大都在一百到两百米以内，属于短距离的传输方式，而WiMAX则可以提供数公里，甚至是几十公里的通讯范围的数据传输。通过室外的固定天线稳定地收送无线电波，所以WiMAX的无线电波可以传送较远的距离，而IEEE 802.11无线局域网络方面则只能依靠自身搭配的收送天线作信号的传送。

上述无论是使用IEEE 802.11a/g或WiMAX的规范，当通过IEEE802.11a/g或WiMAX进行信息传输时，天线就成为无线通讯领域中重要的组件之一，目前天线的制作以印刷电路板方式比较受到制造厂商的青睐，其具有制造容易与成本低廉等优点。

目前已有许多专利文献公开对于双频天线结构的改良相关技术，如台湾专利公告号第553507号“宽带的双频偶极天线结构”，其公开一种双频偶极天线结构，使该双频偶极天线得以覆盖2.4～2.5GHz频带与5.0GHz频带，甚至于5.0～6.0GHz全频带的宽频带，具有两个不同频带的辐射收发效果，使用者得以携带随身使用的通讯设备到不同频带的地区使用，无须更换通讯设备，确实具有使用的机动性及便利性。该双频偶极天线的结构示意图请参考图1所示，包括具有相同形状的天线的信号端1与接地端2，该信号端1与接地端2共同设置于PCB基板3上，以同轴馈线4分别连接信号端1与接地端2，构成宽带的双频偶极天线结构，其中该信号端11与接地端12都为U型弯折状。

另外，台湾专利公告号第M253918号“平面双频天线”，其公开一种双频天线结构，使其可同时操作于两个不同频段，且每一频段都具有良好的辐射场型，让天线在两个频段都能维持高增益的良好效能。

另外，台湾专利公告号第M265778号“多频印刷式偶极天线”，其公开一种多频印刷式偶极天线，通过U形偶极天线可达到实现其宽带的效果，并利用电容改善第二偶极天线的阻抗匹配。该多频印刷式偶极天线的平面图请参考图2，包括纵长的绝缘基板5，第一对偶极振子61a、61b，第二对偶极振子62a、62b，第三对偶极振子63a、63b，第一对连接部64a、64b，第二对连接部65a、65b，连接片66，馈线7以及电容8。

目前天线结构的改良大部份都解决如何在IEEE 802.11a/b/g的操作频带范围内获得良好的辐射效率与天线增益，然而，上述公知的三件专利均无法满足WiMAX技术所需的宽频带(3.3～3.8GHz)、高增益的电气需求，并且，此三件专利的天线增益仅有1.8～2dBi不等。因此，如何能提供一种符合IEEE802.11/a/b/g及WiMAX频率的高增益宽频带的平板天线，成为研发人员急欲解决的问题。

发明内容

鉴于以上的问题，本发明的目的在于提供一种高增益宽频带的平板天线，利用对称型辐射单元辐射及反射板的设置，以制作出高增益宽频带的平板天线。

因此，为达上述目的，本发明所公开的高增益宽频带的平板天线，包括微波基板，具有第一表面及第二表面；第一对称型辐射单元，配置于该第一表面上，且该第一对称型辐射单元具有第一辐射部与第二辐射部；第二对称型辐射单元，配置于该第二表面上，且该第二对称型辐射单元具有第三辐射部与第四辐射部；及至少一个连接单元，连接该微波基板及反射板。其中该第一辐射部、该第二辐射部、该第三辐射部或该第四辐射部的末端呈步阶状结构。

根据所述的高增益宽频带的平板天线，还包括第一馈入网络单元，配置于该第一表面上，用以平均分配相应的馈入功率至该第一辐射部与该第二辐射部。

根据所述的高增益宽频带的平板天线，其中该第一馈入网络单元呈T字形结构。

根据所述的高增益宽频带的平板天线，还包括馈入区，配置于该第一表面上，用以连接传输线及该第一馈入网络单元。

根据所述的高增益宽频带的平板天线，还包括第二馈入网络单元，配置于该第二表面上，用以平均分配相应的馈入功率至该第三辐射部与该第四辐射部。

根据所述的高增益宽频带的平板天线，其中该第二馈入网络单元呈T字形结构。

根据所述的高增益宽频带的平板天线，其中该步阶状结构为一阶、二阶、圆弧的其中之一或组合。

根据所述的高增益宽频带的平板天线，其中该第一辐射部、该第二辐射部、该第三辐射部或该第四辐射部的末端步阶状结构的长度为0.05个操作波长至0.1个操作波长之间。

根据所述的高增益宽频带的平板天线，其中该第一辐射部、该第二辐射部、该第三辐射部或该第四辐射部的末端步阶状结构的长度为1至5厘米。

根据所述的高增益宽频带的平板天线，其中该微波基板至该反射板的距离为5至7厘米。

根据所述的高增益宽频带的平板天线，其中该第一辐射部或该第二辐射部的宽度为0.05个操作波长至0.1个操作波长之间。

根据所述的高增益宽频带的平板天线，其中该第一辐射部或该第二辐射部的宽度为5至9厘米。

根据所述的高增益宽频带的平板天线，其中该第三辐射部或该第四辐射部的宽度为0.05个操作波长至0.1个操作波长之间。

根据所述的高增益宽频带的平板天线，其中该第三辐射部或该第四辐射部的宽度为5至9厘米。

通过这种高增益宽频带的平板天线的该对称型辐射单元及反射板的设计，使得此平板天线能够具有6～8dBi的高增益值，同时获得平板天线的操作频段为500MHz，因为该第一辐射部、第二辐射部、第三辐射部或第四辐射部的末端部分采用步阶式设计，所以能够提升平板天线的阻抗频宽。

有关本发明的特征与实际操作，现结合附图对最佳实施例详细说明如下。

附图说明

图1为公知技术的双频偶极天线的结构示意图；

图2为公知技术的多频印刷式偶极天线的平面图；

图3为本发明第一实施例的第一表面正视图；

图4为本发明第一实施例的第二表面正视图；

图5为本发明宽频带平板天线的侧视图；

图6A为本发明第一实施例的第一辐射部、第二辐射部、第三辐射部或第四辐射部末端的步阶结构示意图；

图6B为本发明第二实施例的第一辐射部、第二辐射部、第三辐射部或第四辐射部末端的步阶设计示意图；

图6C为本发明第三实施例的第一辐射部、第二辐射部、第三辐射部或第四辐射部末端的步阶设计示意图；

图6D为本发明第四实施例的第一辐射部、第二辐射部、第三辐射部或第四辐射部末端的步阶设计示意图；

图7A为本发明所提供的E-极化辐射场形图；及

图7B为本发明所提供的H-极化辐射场形图。

其中，附图标记说明如下：

信号端1

第一信号端11

第一接地端12

与接地端2

基板3

同轴馈线4

绝缘基板5

第一对偶极振子61a、61b

第二对偶极振子62a、62b

第三对偶极振子63a、63b

第一对连接部64a、64b

第二对连接部65a、65b

连接片66

馈线7

电容8

微波基板90

第一馈入网络单元92

侧臂920、922、1100、1102

馈入区92a

第一对称型辐射单元94

第一辐射部940

第二辐射部942

第一表面100

第二表面102

第二馈入网络单元110

第二对称型辐射单元112

第三辐射部1120

第四辐射部1122

连接单元114

反射板116

具体实施方式

本发明提供的高增益宽频带平板天线的微波基板具有第一表面及第二表面，其第一表面及第二表面的正视图分别如图3及图4所示。

请参考图3，为本发明第一实施例的第一表面正视图，在微波基板90的第一表面100上设有电路层的微带线路图形，该第一表面100包含第一馈入网络单元92、第一对称型辐射单元94及馈入区92a，其中该第一对称型辐射单元94还包括有第一辐射部940及第二辐射部942。

该第一馈入网络单元92的两个侧臂920、922分别连接该第一辐射部940及该第二辐射部942，通过传输线(未示出)连接该第一馈入网络单元92与该馈入区92a，以构成完整的宽频带平板天线图形。该第一馈入网络单元92呈T字形的结构，利用该传输线通过该馈入区92a将射频信号馈入该第一馈入网络单元92内，通过该第一馈入网络单元92平均分配相应的馈入功率至该第一辐射部940及第二辐射部942。

上述所提及第一实施例的该传输线可为外接式天线，该微波基板90的材质可为玻璃纤维、介电质或类似材质，该第一辐射部940及该第二辐射部942末端于一长度内呈步阶状结构，其步阶状结构的实施方式请参考图6A至图6D所示。

请参考图4，为本发明第一实施例的第二表面正视图，在微波基板90的第二表面102上设有接地层的微带线路图形，该第二表面102包含第二馈入网络单元110及第二对称型辐射单元112，其中该第二对称型辐射单元112还包括有第三辐射部1120及第四辐射部1122。

该第二馈入网络单元110的两侧臂1100、1102分别连接该第三辐射部1120及该第四辐射部1122，该第二馈入网络单元110呈T字形的结构。

上述所提及第二实施例的该微波基板90的材质可为玻璃纤维、介电质或类似材质，该第三辐射部1120及该第四辐射部1122的末端于一长度内呈步阶状结构，其步阶状结构实施方式请参考图6A至图6D所示。

请同时参考图3及图4，第二表面102的接地层微带线路图形与第一表面100的电路层微带线路图形对称，且第一对称型辐射单元94的第一辐射部940、第二辐射部942与第二对称型辐射单元112的第三辐射部1120、第四辐射部1122的延伸方向相反。

请参考图5，为本发明的宽频带平板天线的侧视图，包括有微波基板90，于该微波基板90的任一表面设置至少一个连接单元114，且在该些连接单元上设置反射板116，使得该反射板116与该微波基板90具有一适当距离，在符合通讯频段为3.3～3.8GHz的实际应用下可为5至7厘米，其中该反射板116的材质为金属，而该些连接单元114的材质可为塑料，虽然该反射板116可设置于该微波基板90的任一表面，但在此以设置于第二表面为一实施例作为说明，而反射板116设置的用意在于挡住宽频带平板天线所反射的能量，可将第二表面辐射的能量往第一表面引导。

另外，为了提升宽频带平板天线的阻抗频宽，本发明提出在第一辐射部940、第二辐射部942、第三辐射部1120或第四辐射部1122的末端大约有0.05个操作波长至0.1个操作波长的长度，在符合通讯频段为3.3～3.8GHz的实际应用下可为1至5厘米，且在该长度范围内呈现出步阶式的结构，其步阶式结构可为多样化的形式，如可为一阶、二阶、圆弧…等等的结构。

请参考图6A至图6D所示，为了便于图示的简化，在图6A至图6D中仅标示第一辐射部的标号及第三辐射部的标号，图6A为第一辐射部940、第二辐射部942、第三辐射部1120或第四辐射部1122的一端为一阶结构的设计，且另一端为平面，图6B为第一辐射部940、第二辐射部942、第三辐射部1120或第四辐射部1122的一端为二阶结构的设计且另一端为平面，图6C为第一辐射部940、第二辐射部942、第三辐射部1120或第四辐射部1122的一端为一阶及圆弧结构的设计，且另一端为平面，以及图6D为第一辐射部940、第二辐射部942、第三辐射部1120或第四辐射部1122的一端为一阶结构且另一端为喷嘴形结构的设计。

虽然本实施例及附图公开了本发明的第一辐射部940、第二辐射部942、第三辐射部1120或第四辐射部1122一端大约有1至5厘米的长度，所采用的是步阶式的结构设计，然而在实际实施时并不受本实施例及附图的限制，凡是本领域的技术人员在该距离范围内所得到的功效实质上等同于本发明时，所作的任何结构变化都在本发明专利保护范围内。

本发明还提供了实际测量的辐射场形图，分别以频率3.3GHz、3.5GHz及3.8GHz作一比较测试，请参考图7A及图7B，其中图7A为E-极化的辐射场形图以及图7B为H-极化的辐射场形图，由图7A及图7B可知，下半部图示比上半部图示小，这是因为反射板的设计为将此天线的背面辐射能量往前导引的缘故所造成的。

依据WiMAX技术于天线部份的需求定义，其天线电气规格必须符合(1)天线操作频段为3.3～3.8GHz，(2)天线增益为6dBi，(3)天线操作频宽为500MHz。然而，前述已公开的三件专利的天线设计都无法满足上述WiMAX对于天线电气规格的需求。本发明的宽频带平板天线结构是一个包含有第一辐射部及第二辐射部的阵列天线结构，第一辐射部或第二辐射部等同于传统天线结构，因此第一辐射部及第二辐射部各具有2dBi的天线增益，而第一辐射部与第二辐射部之间的距离约为0.7操作波长至0.9λ操作波长之间，并且，本发明的微波基板具有第一表面及第二表面，在第一表面及第二表面各别设置有第一辐射部、第二辐射部、第三辐射部及第四辐射部，并且第一表面的第一对称型辐射单元及第二表面的第二对称型辐射单元的延伸方向相反，且宽频带平板天线图形对称，亦即本发明也采用阵列方式设计，如此在天线增益上可再增加2～2.5dBi的辐射能量。

另外，本发明在微波基板的任一表面设置多个连接单元，且在这些连接单元上设置有反射板，反射板的设置可将背面辐射的能量往正面引导，如此可为天线增益再提升2～3dBi的能量，如此本发明的宽频带平板天线结构的增益可达到大约6～8dBi的能量。然而，因为反射板的尺寸大小和天线主体之间的距离都会影响到天线的增益大小，其反射板的长度必须大于或等于天线整体长度。

通过调整这些连接单元的高度造成反射板与天线主体之间距离不同，可以调整平板天线的阻抗匹配。在本发明中，可通过调整第一辐射部、第二辐射部、第三辐射部或第四辐射部的宽度，使其加宽或加粗以增加更多的天线表面电流及增加其辐射效率，在实施其宽度时可加宽为0.05个操作波长至0.1个操作波长(大约为5～9厘米)作为一实施例，特别的是，本发明在第一辐射部、第二辐射部第三辐射部及第四辐射部的末端采用步阶式的结构设计，如此的设计可提升宽频带平板天线的阻抗频宽。

通过实验证明，本发明的宽频带平板天线具有操作频段为3.3～3.8GHz、频宽百分比为14％以上、天线电压驻波比在操作频段内低于1.5、天线增益为大于6dBi以及天线增益平坦度(Gain Flatness)在操作频带内在3dBi之内的特性。

虽然本发明以前述较佳实施例公开如上，但是并非用以限制本发明。凡是在不脱离本发明的权利要求书所公开的范围和精神的情况下，所做的更改与修饰，均属本发明的专利保护范围之内。

Claims

1.一种高增益宽频带的平板天线，其包括：

微波基板，具有第一表面及第二表面；

第一对称型辐射单元，配置于该第一表面上，且该第一对称型辐射单元具有第一辐射部与第二辐射部；

第二对称型辐射单元，配置于该第二表面上，且该第二对称型辐射单元具有第三辐射部与第四辐射部；

反射板；及

至少一个连接单元，设置于该微波基板及该反射板之间；

其中该第一辐射部、该第二辐射部、该第三辐射部或该第四辐射部的末端呈步阶状结构。

2.如权利要求1所述的高增益宽频带的平板天线，还包括第一馈入网络单元，配置于该第一表面上，用以平均分配相应的馈入功率至该第一辐射部与该第二辐射部。

3.如权利要求2所述的高增益宽频带的平板天线，其中该第一馈入网络单元呈T字形结构。

4.如权利要求2所述的高增益宽频带的平板天线，还包括馈入区，配置于该第一表面上，用以连接传输线及该第一馈入网络单元。

5.如权利要求1或2所述的高增益宽频带的平板天线，还包括第二馈入网络单元，配置于该第二表面上，用以平均分配相应的馈入功率至该第三辐射部与该第四辐射部。

6.如权利要求5所述的高增益宽频带的平板天线，其中该第二馈入网络单元呈T字形结构。

7.如权利要求1所述的高增益宽频带的平板天线，其中该步阶状结构为一阶、二阶、圆弧的其中之一或组合。

8.如权利要求1所述的高增益宽频带的平板天线，其中该第一辐射部、该第二辐射部、该第三辐射部或该第四辐射部的末端步阶状结构的长度为0.05个操作波长至0.1个操作波长之间。

9.如权利要求1所述的高增益宽频带的平板天线，其中该第一辐射部、该第二辐射部、该第三辐射部或该第四辐射部的末端步阶状结构的长度为1全5厘米。

10.如权利要求1所述的高增益宽频带的平板天线，其中该微波基板至该反射板的距离为5至7厘米。

11.如权利要求1所述的高增益宽频带的平板天线，其中该第一辐射部或该第二辐射部的宽度为0.05个操作波长至0.1个操作波长之间。

12.如权利要求1所述的高增益宽频带的平板天线，其中该第一辐射部或该第二辐射部的宽度为5至9厘米。

13.如权利要求1所述的高增益宽频带的平板天线，其中该第三辐射部或该第四辐射部的宽度为0.05个操作波长至0.1个操作波长之间。

14.如权利要求1所述的高增益宽频带的平板天线，其中该第三辐射部或该第四辐射部的宽度为5至9厘米。