CN104993222A - 混合式辐射体组件的天线数组 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种天线数组，尤指一种混合式辐射体组件的天线数组。其在结构上系包含了由偶极辐射体与折迭偶极辐射体所组成的金属辐射体，并透过并联金属辐射体而达成阻抗匹配的目的；同时，系利用在特定天线操作频段内输入阻抗为电容性的偶极辐射体受到在前述天线操作频段内输入阻抗为电感性的折迭偶极辐射体补偿其电容效应，使本发明的混合式辐射体组件的天线数组能在特定天线操作频段之下，发挥高效率、高指向性的优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种天线数组，尤指一种具有并联结构达成阻抗匹配，并使用折迭偶极辐射体的电感效应补偿偶极辐射体的电容效应而让共振点位在特定天线操作频率的混合式辐射体组件的天线数组。
背景技术
无线通信技术的快速发展，使天线设计潮流趋向微型化以及传输***多频带等使用需求，因此需透过整合多个天线于同一天线模块的中，藉以达成日趋严格的设计标准。
一般数组天线系以许多相同的单个天线按一定规律排列顺序所组成，单个天线的辐射场型图不易控制，增益不高，其它重要参数往往也不能满足现今产业界高规格的使用需求，所以在某些传输质量要求较高的产品中就需使用数组天线加以改善。数组天线当中的各个组成天线单元有一定的排列规则和讯号馈入传导方式，藉以达成要求的效果，天线单元数越多，增益越高，尺寸相对较大。而另一个在开发时要考虑的问题则是满足阻抗匹配，匹配度不佳会影响传输接收***的敏感度及***的真确度。对高功率或高敏感度传输***而言，长期处在阻抗不匹配的狀况下，系会进一步影响***的稳定性。
本发明即是基于数组天线的概念改良，开发出一种结合多种辐射体的混合式辐射体组件的天线数组，以利用不同辐射体的新颖结合而获得互补的效果，满足高效能、低成本的产业需求，同时也在尺寸控制上，力求符合微型化的电子产品开发趋势。
发明内容
本发明的主要目的，是提供一种混合式辐射体组件的天线数组，其具有相互并联的金属辐射体结构，以在单一金属辐射体结构阻抗较高时，降低混合式辐射体组件的天线数组的整体阻抗，以仍能达成阻抗匹配，符合产业界的标准以确保其应用价值。
本发明的另一目的，是提供一种混合式辐射体组件的天线数组，其在金属辐射体结构中，有折迭偶极辐射体与偶极辐射体，在天线操作频段内，折迭偶极辐射体作为电感性组件，以补偿偶极辐射体的电容效应，使天线数组的共振频率大体上能被调整并落于2.4GHz的频率。
本发明的再一目的，是提供一种混合式辐射体组件的天线数组，其在2.4GHz的频率有高指向性以及高效率，适合应用于现有无线通信产品。
本发明的更一目的，是提供一种混合式辐射体组件的天线数组，其可进一步与低通滤波器相连接，得仅允许低频讯号(例如前述的2.4GHz)通过，避免高频讯号通过而成为其他***的噪声(例如操作频率范围涵盖3GHz的WiMax，或者是5GHz的WLAN)，或是倍频谐振的干扰。
本发明的又一目的，是提供一种混合式辐射体组件的天线阵，其可仅设置于微波基板的单面，在制程的简化上有所帮助。
本发明提供了一种混合式辐射体组件的天线数组，其基本且必要的结构是包含一高频讯号馈入传输线，该高频讯号馈入传输线的两端分别与一个金属辐射体相连接，该些金属辐射体并联，该高频讯号馈入传输线的中点是具有一讯号馈入点及一讯号接地点，该些金属辐射体系左右对称于该讯号馈入点及该讯号接地点，且每一该金属辐射体系包含：一偶极辐射体，其输入阻抗于一天线操作频段内为电容性，且其包含一第一偶极辐射臂以及一第二偶极辐射臂，该高频讯号馈入传输线连接于该第一偶极辐射臂的一第一接点以及该第二偶极辐射臂的一第二接点；以及一折迭偶极辐射体，其输入阻抗于该天线操作频段内为电感性，且其两端的一第三接点以及一第四接点分别接于该高频讯号馈入传输线并形成一循环，并用以补偿该偶极辐射体的电容效应；其中，该混合式辐射体组件的天线数组的下方设置一金属反射板。
附图说明
图1：为本发明一较佳实施例的结构示意图；
图2：为本发明一较佳实施例的部分结构示意图，用以表示金属辐射体的结构；
图3：为本发明一较佳实施例的结构侧视示意图，用以表示微波基板与金属反射板的相对位置；
图4：为本发明一较佳实施例的虚部输入阻抗曲线图；
图5A：为本发明一较佳实施例的E平面辐射场型图；
图5B：为本发明一较佳实施例的H平面辐射场型图；
图6：为本发明一较佳实施例的返回损失图；
图7A：为本发明另一较佳实施例的结构示意图，用以表示设置有低通滤波器；
图7B：为本发明另一较佳实施例的返回损失图，用以表示设置有低通滤波器的测试结果；
图中：1、高频讯号馈入传输线；1A、第一传输线；1B、第二传输线；10、讯号馈入点；11、讯号接地点；21、偶极辐射体；21A、第一偶极辐射臂；210A、第一接点；21B、第二偶极辐射臂；210B、第二接点；22、折迭偶极辐射体；22A、第三接点；22B、第四接点；3、微波基板；4、金属反射板；D、间隔；S、第一接点与第三接点。
具体实施方式
为使本发明的特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，谨佐以较佳的实施例及配合详细的说明，说明如后：
首先请一并参考图1以及图2，本发明于一较佳实施例所揭示的混合式辐射体组件的天线数组在结构上系包含了一高频讯号馈入传输线1以及一对金属辐射体2，该高频讯号馈入传输线1的两端分别与一个金属辐射体2相连接，使该些金属辐射体2并联。本发明在此较佳实施例中，高频讯号馈入传输线1系包含了第一传输线1A以及第二传输线1B，两者平行设置，且第一传输线1A以及第二传输线1B的中点分别具有讯号馈入点10以及讯号接地点11。讯号馈入点10可与馈入线(图未示)的中心讯号导线相连接而馈入高频讯号，讯号接地点11则是与馈入线的外层接地导线连接。该些金属辐射体2除了连接于高频讯号馈入传输线1的两端，同时以讯号馈入点10以及讯号接地点11为对称中心而为左右对称的设置。
单个金属辐射体2本身则包含了一组偶极辐射体21以及一个折迭偶极辐射体22，两者皆有与高频讯号馈入传输线1相连接。
偶极辐射体21包含第一偶极辐射臂21A以及第二偶极辐射臂21B，此两个辐射臂的长度系为相同，并是以高频讯号馈入传输线1为中心而上下对称。偶极辐射体21与高频讯号馈入传输线1的连接系透过第一偶极辐射臂21A的一端的第一接点210A以及第二偶极辐射臂21B的一端的第二接点210B。本发明于此较佳实施例中的偶极辐射体21的长度大体上为1.25个操作波长(1.25λ)，此长度较一般的半波长偶极天线(0.5λ)为长，具有较大的增益效果，能量较为集中。
折迭偶极辐射体22与偶极辐射体21并无直接连接，其两端的第三接点22A以及第四接点22B系分别与高频讯号馈入传输线1的第一传输线1A以及第二传输线1B的端点相连接，且折迭偶极辐射体22本身系经蜿蜒而为一循环形式。本发明于此较佳实施例中的折迭偶极辐射体22的长度为0.9~1个操作波长(0.9~1λ)。一接点210A与第三接点22A的距离S系以小于0.25个操作波长(0.25λ)为佳。
在本发明的混合式辐射体组件的天线数组中，偶极辐射体21的输入阻抗于一天线操作频段内为电容性(如第4图的曲线(1)所示，其虚部输入阻抗<0)，此天线操作频段系以2.4GHz为中心频率，系为全球共通使用的无线传输频段，诸如无线区域网(IEEE 802.11b/IEEE 802.11g)、蓝芽、ZigBee等技术，均可于此频率进行传输讯号。因此，为了补偿偶极辐射体21的电容效应，本发明使用输入阻抗于此天线操作频段内为电感性的折迭偶极辐射体22作为电感组件，如第4图的曲线(2)所示，其虚部输入阻抗>0。折迭偶极辐射体22的优点系在于其本身也是金属体而可作为天线的一部分发送讯号，得增加带宽而有双重效益存在。
前述所提及的高频讯号馈入传输线1以及金属辐射体2可透过印刷的方式形成于一微波基板3的一面，而高频讯号馈入传输线1以及金属辐射体2系于印刷过程中一起成形。金属辐射体2的两面都可辐射出高频讯号，而为了使本发明的指向性提高，因此在微波基板3的下方设置一金属反射板4，以将朝向微波基板3下方辐射的能量被反射而朝向微波基板3的上方，使朝向微波基板3的上方辐射的能量较强，具有较好的指向性及讯号强度。
请参考图3，微波基板3与金属反射板4之间系存在间隔D，其高度系小于0.15个操作波长，较佳的范围则大体上为0.08个操作波长。本发明于此较佳实施例的微波基板3与金属反射板4之间隔D并非为0.25个操作波长(使辐射后经反射的讯号在回到微波基板3时为经过半个波长的距离而达到增益效果)的原因系在于，高频讯号馈入传输线1的长度大体上小于50mm而使在两个金属辐射体2相邻近(S较佳系小于0.25个操作波长)，以及微波基板3与金属反射板4的面积以及形状系大体上相同之影响下，两个混合式的金属辐射体2所发出的能量相互影响，而可在较小的间隔D反射就达成明显增强的效益，因此微波基板3与金属反射板4的距离可被缩减为小于0.15个操作波长，得被应用于具有较小体积、空间的电子产品当中。
请参考图4，其系本发明一较佳实施例的虚部输入阻抗曲线图；其中的曲线(1)为偶极辐射体21的虚部输入阻抗曲线，曲线(2)为折迭偶极辐射体22的虚部输入阻抗曲线，曲线(3)则为结合高频讯号馈入传输线1、偶极辐射体21与折迭偶极辐射体22的虚部输入阻抗曲线。如图所示，偶极辐射体21本身于2.4GHz天线操作频段系具有电容性(虚部输入阻抗<0)，折迭偶极辐射体22于2.4GHz天线操作频段则具有电感性(虚部输入阻抗>0)，两者在结合后并以高频讯号馈入传输线1相连接，共振点(虚部输入阻抗近乎为零)即被调整落在2.4GHz。
天线的输入阻抗是天线馈入端的输入电压与输入电流的比值，而天线与馈入线的連接，最佳情形是天线的输入阻抗是纯电阻且等于馈入线的特性阻抗，这时馈入线终端没有功率反射，馈入在线没有驻波。本发明于此较佳实施例中，其金属辐射体2的阻抗为100奥姆，而经前述的结构设置而并联后，可降为50奥姆而达成阻抗匹配，符合产业界考虑到能量传递与能量衰减的均衡性而通用标准，再配合2.4GHz的天线操作频段，因此本发明系完整符合现有产业标准的应用条件。图5A、5B分别为本发明的较佳实施例的E平面、H平面辐射场型图，其系揭示讯号功率衰减一半(3dB)的波束宽度于E平面、H平面分别约为50度、64度。
请参考图6所示的返回损失图， 如图所示，本发明于此较佳实施例除了会在2.4GHz的频率辐射讯号以外，在部分高于2.5GHz的频段也有辐射出讯号，如此可能会对其他***产生干扰，例如操作频率范围涵盖3GHz的WiMax，或者是5GHz的WLAN。因此请参考第7A图的另一较佳实施例，本发明可进一步使高频讯号馈入传输线1更可透过馈入线50而与一低通滤波器51相连接，低通滤波器51可过滤高频讯号，例如高于2.5GHz的讯号)，如此本发明的混合式辐射体组件的天线数组可避免辐射出高于预定操作频率的讯号，如第7B图所示的返回损失，本发明的混合式辐射体组件的天线数组在高于2.5GHz所辐射出的讯号的能量微量，相当于背景噪声，所以并不会干扰其他***的讯号接收。
综上所述，本发明详细揭示了一种混合式辐射体组件的天线数组，其系考虑到偶极辐射体的输入阻抗在特定的天线操作频段内为电容性，因此使用折迭偶极辐射体在此特定天线操作频段作为电感性组件，使偶极辐射体的电容效应得到补偿，促使此混合式辐射体组件的天线数组的操作频率得以符合产业应用的标准；而针对阻抗匹配的问题，则是使用并联的技术手段而使阻抗降低至预定值以达成匹配。另外，本发明也可视需求而将金属反射板与天线数组所在的微波基板间距缩减，以因应电子组件微型化的趋势潮流；又基于讯号干扰的问题，可轻易地利用增设低通滤波器的方式完成讯号过滤。本发明具有高效率、高指性向与高增益的优势，其结构特征也不会对产业界现有制程产生任何额外负担的成本，故在结合众多优点之下，本发明无疑为一种兼具实用与商业价值的混合式辐射体组件的天线数组。
惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，举凡依本发明申请专利范围所述的形状、构造、特征及精神所为之均等变化与修饰，均应包括于本发明的申请专利范围内。
Claims (9)
1.一种混合式辐射体组件的天线数组，其包含一高频讯号馈入传输线，该高频讯号馈入传输线的两端分别与一个金属辐射体相连接，该些金属辐射体并联，该高频讯号馈入传输线的中点具有一讯号馈入点及一讯号接地点，该些金属辐射体系左右对称于该讯号馈入点及该讯号接地点，且每一该金属辐射体系包含：
一偶极辐射体，其输入阻抗于一天线操作频段内为电容性，且其包含一第一偶极辐射臂以及一第二偶极辐射臂，该高频讯号馈入传输线相连接于该第一偶极辐射臂的一第一接点以及该第二偶极辐射臂的一第二接点；以及
一折迭偶极辐射体，其输入阻抗于该天线操作频段内为电感性，且其两端的一第三接点以及一第四接点分别接于该高频讯号馈入传输线并形成一循环，并用以补偿该偶极辐射体的电容效应；
其中，该混合式辐射体组件的天线数组的下方设置一金属反射板。
2.根据权利要求1所述的混合式辐射体组件的天线数组，其特征在于：其中该偶极辐射体的长度大体上为1.25个操作波长。
3.根据权利要求1所述的混合式辐射体组件的天线数组，其特征在于：其中该折迭偶极辐射体的长度为0.9～1个操作波长。
4.根据权利要求1所述的混合式辐射体组件的天线数组，其特征在于：其中该高频讯号馈入传输线以及该些金属辐射体系设置于一微波基板的一面。
5.根据权利要求4所述的混合式辐射体组件的天线数组，其特征在于：其中该微波基板与该金属反射板的距离小于0.15个操作波长。
6.根据权利要求4所述的混合式辐射体组件的天线数组，其特征在于：其中该微波基板与该金属反射板的面积以及形状大体上相同。
7.根据权利要求1所述的混合式辐射体组件的天线数组，其特征在于：其中该高频讯号馈入传输线更与一低通滤波器相连接。
8.根据权利要求1所述的混合式辐射体组件的天线数组，其特征在于：其中该第一偶极辐射臂以及该第二偶极辐射臂的长度系相同。
9.根据权利要求1所述的混合式辐射体组件的天线数组，其特征在于：其中该第一接点与第三接点的距离小于操作频率的1/4波长。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Address after: 264213 No. 9-10 Pudong Road, Weihai Economic and Technological Development Zone, Weihai City, Shandong Province Patentee after: Weihai city Hong Lin Electric Power Technology Limited by Share Ltd Address before: 264213 No. 9-10 Pudong Road, Weihai Economic and Technological Development Zone, Weihai City, Shandong Province Patentee before: Weihai Honglin Electronics Co., Ltd. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
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Granted publication date: 20171205 Effective date of abandoning: 20200304 |
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| AV01 | Patent right actively abandoned |
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