CN1881681B - 垂直互补式碎形天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直互补式碎形天线，包括有一第一碎形结构与一第二碎形结构，其中第一碎形结构以一基本图案为基准进行堆叠后形成，而第二碎形结构是相应于第一碎形结构，使得第一碎形结构与一第二碎形结构形成互补而相互搭配。本发明所公开的天线，可以有效增加天线的频宽。
Description
技术领域
本发明涉及一种天线，特别是一种在垂直方向上具有一互补式接地结构的碎形天线。
背景技术
近年来无线通信技术和半导体制作技术的快速发展，使得无线通信已成为生活必需。无线通信都是由发射/接收机及天线所组成，其中天线是负责电路与空气中电磁能量的转换，为通信***中重要的零件之一。由于电子产品的缩小化及多频宽的需求，使得天线设计朝向缩小化、结构简单化及多频或宽频的技术方向发展。
目前仍然有相当多是针对微带天线和阵列天线所作的研究，尤其是微带天线，为积极研发的技术。一般说来，微带天线有制作容易、外型轻薄、低剖面等优点，不过低辐射效率和窄频特性是主要的缺点。
另一种正在发展中的天线为碎形结构天线(fractal antenna)。碎形结构和电磁波理论结合，成功的将碎形理论应用在电磁波辐射、传播和散射场的问题上。由于碎形天线的自我相似特性，使得天线具有无限频宽的特性，因此利用碎形特性的天线设计与开发逐渐受到瞩目。
目前在碎形结构的应用上分为两种，一种是直接利用现有的碎形结构。另一种则是根据碎形自我相似法设计碎形结构。将具有阵列特性的碎形天线应用到微带天线上，可利用碎形天线的多重频带和高天线增益的特性来改善一般微带天线的缺点。
相关的先前技术，例如Ban-Leong Ooi，“A Modified Contour IntegralAnalysis for Sierpinski Fractal Carpet Antennas With and Without ElectromagneticBand Gap Ground Plane”，IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS ANDPROPAGATION，VOL.52，NO.5，2004年5月.所公开的碎形天线，其主要原理是改变接地的孔洞以控制辐射效率。
而美国第6127977号专利所公开的碎形天线其是利用两层的碎形结构来增加频宽及辐射效率。美国第6642898号专利所公开的碎形天线是将槽孔设计改用线型碎形结构。美国第6476766号专利所公开的碎形天线是利用上层的槽孔结构与下层交错以设计较紧密的碎形天线。
缩小天线体积一直是努力的目标，然而，在天线小型化的设计中，没有考虑接地设计的天线体积较大，考虑接地设计的天线虽然天线体积较小可是接地占用了许多体积与面积。由于碎形天线是相当引人注意的新式天线，一般都认为碎形天线的一些特性对于天线的尺寸、频宽和辐射场型可以有明显的改善，然而一般实用上为了良好的辐射效率通常不会在碎形天线下方加接地，相关现有技术并未对具有接地的碎形天线提出任何解决方案。
发明内容
鉴于以上的问题，本发明公开一种垂直互补式碎形天线，以解决现有技术所存在的问题或缺点。
根据本发明的实施方式所公开的垂直互补式碎形天线包括有一信号层，由导体材料形成，具有一第一碎形结构，其中第一碎形结构是以一基本图案为基准进行堆叠(stacked)后形成，堆叠的次数大于等于1；以及一接地层，由导体材料形成，具有一相应于第一碎形结构的一第二碎形结构。根据本发明所公开的一种垂直互补式碎形天线，包括有：一第一碎形结构，以一基本图案为基准进行堆叠后形成，堆叠的次数不小于1；以及一第二碎形结构，互补于所述第一碎形结构，其空洞面积不小于所述第一碎形结构的面积，其中在天线共振频率上电流为零之处，所述第一碎形结构的面积与所述第二碎形结构的空洞面积分别为所述第一碎形结构与所述第二碎形结构的原尺寸的二分之一。
根据本发明所公开的一种垂直互补式碎形天线，其中所述第二碎形结构以所述第一碎形结构为基准，将一导体材料对应于所述第一碎形结构的部分蚀刻后形成。
根据本发明所公开的一种垂直互补式碎形天线，其中所述第二碎形结构的空洞面积不大于所述第一碎形结构的面积的二倍。
根据本发明所公开的一种垂直互补式碎形天线，其中还包括有一介质，设置于所述第一碎形结构与所述第二碎形结构之间，其中所述介质是为一绝缘基板或空气。
根据本发明所公开的一种垂直互补式碎形天线，其中所述第一碎形结构形成于所述绝缘基板的一表面，所述第二碎形结构形成于所述绝缘基板的另一表面或所述绝缘基板之中。
根据本发明所公开的一种垂直互补式碎形天线，其中还包括有至少一个的槽孔。
根据本发明所公开的一种垂直互补式碎形天线，包括：一信号层，由导体材料形成，具有所述的第一碎形结构；以及一接地层，由导体材料形成，具有一互补于所述第一碎形结构的所述第二碎形结构。
根据本发明所公开的一种垂直互补式碎形天线，包括：一绝缘基板；多个信号层，由导体材料形成，每一信号层具有一第一碎形结构，其中所述第一碎形结构是以一基本图案为基准进行堆叠后形成，堆叠的次数不小于1；以及多个接地层，由导体材料形成，每一接地层具有一互补于所述第一碎形结构的一第二碎形结构，其空洞面积不小于所述第一碎形结构的面积，其中一组天线的信号层与接地层与另一组天线的信号层与接地层相对邻接，或者一组天线的信号层与接地层与另一组天线的信号层与接地层相对两两交错间隔。
根据本发明的实施方式，为了缩小天线体积且整合接地的目的，采用垂直互补式天线结构。在早期因为天线结构简单所以垂直互补式天线接地的辐射效果有限，但在本发明所公开的垂直互补式天线是结合微带式碎形天线的优点，在天线上层为碎形天线，下层的互补式碎形接地，不但可以增加辐射，还可以减少天线整体体积，而且天线辐射对后端隔离度较佳。
以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何熟悉本领域的技术人员了解本发明的技术内容并加以实施，且根据本说明书所公开的内容、权利要求及附图，任何熟悉本领域的技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。
以上的关于本发明内容的说明及以下的实施方式的说明是用以示范与解释本发明的原理，并且提供本发明的碎形更进一步的解释。
附图说明
图1为本发明所公开的垂直互补式天线的实施方式。
图2为本发明所公开的垂直互补式天线的第一碎形结构的实施方式。
图3为本发明所公开的垂直互补式天线的第二碎形结构的实施方式。
图4为本发明所公开的垂直互补式天线的第二实施方式。
图5为本发明所公开的垂直互补式天线的第三实施方式。
图6为本发明所公开的垂直互补式天线的第四实施方式。
图7为本发明所公开的垂直互补式天线的第五实施方式。
图8A～8B为本发明所公开的垂直互补式天线的第六实施方式。
图9A～9B为本发明所公开的垂直互补式天线的第七实施方式。
图10为本发明所公开的垂直互补式天线的仿真结果。
其中，附图标记
10 信号层
11 第一碎形结构
12 信号层
13 信号层
14 信号层
15 信号层
20 接地层
21 第二碎形结构
22 接地层
23 接地层
24 接地层
25 接地层
30 导线
40 绝缘基板
41 绝缘基板
42 绝缘基板
51 槽孔
52 槽孔
61 第一碎形结构
62 第二碎形结构
具体实施方式
为了对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，现结合实施方式详细说明如下。
请参考图1，为本发明所公开的垂直互补式碎形天线，主要是由一信号层10与接地层20组成，信号层10通过一导线30与一信号源连接。信号层10与接地层20具有一介质，在此实施方式中是为一绝缘基板40，信号层10形成于绝缘基板的一表面，接地层20形成于绝缘基板的另一表面。在另一实施方式中，介质可为空气。
信号层10是利用导体材料形成，具有一第一碎形结构11，是由一基本结构进行多次堆叠，堆叠次数N≥1而形成，如图2所示，其是利用蚀刻方式，将除了第一碎形结构11的图案蚀刻而形成。
接地层20同样利用导体材料形成，具有相对应于信号层10的第一碎形结构11的第二碎形结构21，如图3所示，第二碎形结构21是以第一碎形结构11为基准，将接地层20对应于第一碎形结构11的部分蚀刻后形成。在此实施方式中，第二碎形结构21与第一碎形结构11为相似型。在另一实施方式中，第二碎形结构21与第一碎形结构11同样为相似型，但第二碎形结构21蚀刻出的空洞面积较第一碎形结构11大，举例来说，第二碎形结构21的空洞面积较第一碎形结构11大一至两倍。
在图1-图3中的实施方式，其碎形结构仅为示意及说明，并不是用来限定碎形天线的样式，除了主要结构与堆叠因子以外，也不限定于堆叠次数，包括了常见的结构有：(1)Koch，(2)Minkowski，(3)Cantor，(4)torn square，(5)Mandelbrot，(6)Caley tree，(7)monkey’s swing，(8)Sierpinski gasket，(9)Julia等。
请参考图4，为本发明所公开的第二实施方式。为了使接地层或是信号层为了与后方的电路有一良好的隔离度，在天线结构外设置槽孔51、52，以防止电磁干扰(EMI)。图中所示是以接地层作为说明，事实上，也可在信号层设置。
请参考图5，为本发明所公开的第三实施方式，与图1不同之处在于接地层20的设置与信号馈入的方式。在此实施方式中，是将接地层20设置于绝缘基板40之中，而将导线30设置于绝缘基板40的另一表面。
请参考图6，为本发明所公开的天线结构的第四实施方式，是以阵列式结构方式设置，以此方式设置的天线，可以增加天线增益。在图6中，一组天线的信号层与接地层与另一组天线的信号层与接地层相对邻接，即在绝缘基板41的两表面形成两天线的信号层12、13，在基板中形成两天线的接地层22、23。
请参考图7，为本发明所公开的天线结构的第五实施方式，是以垂直阵列式结构方式设置，以此方式设置的天线，可以增加天线增益。在图7中，一组天线的信号层与接地层与另一组天线的信号层与接地层相对两两交错间隔，即在绝缘基板42的一表面形成信号层14是，在绝缘基板42之中对应于信号层14形成接地层24，在绝缘基板42之中形成信号层15，在绝缘基板42的另一表面对应于信号层15形成接地层25。
请参考图8A-8B，为本发明所公开的天线结构的第六实施方式，同样由碎形结构组成，其中设置在信号层的第一碎形结构61的形状如图8A所示，设置在接地层的第二碎形结构62的形状如图8B所示。在此实施方式中，第二碎形结构62与第一碎形结构61为相似型。在另一实施方式中，第二碎形结构62与第一碎形结构61同样为相似型，但第二碎形结构62蚀刻出的空洞面积较第一碎形结构61大，举例来说，第二碎形结构62的空洞面积较第一碎形结构61大一至两倍。
请参考图9A-9B，为本发明所公开的天线结构的第七实施方式，其是由碎形结构组成阵列天线。在图9A-9B中是以图8A-8B中的天线结构作为实施方式，当然也可运用图1-7中所示的实施方式或其它的碎形形状组成阵列天线。
在以上的实施方式中，可在天线共振频率上电流为零的地方将信号层与接地层相接天线的面积缩小一半，以减少天线所占的面积。
关于本发明所公开的垂直互补式天线的技术效果请参考图10，采用的基板厚度为20mil(千分之一英寸)，DK(dielectric constant，介质常数)＝3，DF(dissipation factor，散失因素)＝0.02，分别以有第二碎形结构的互补式结构与无互补式结构(仅有第一碎形结构)来比较天线频宽效应。图中具有圆点的曲线是为互补式结构，另一不具有圆点的曲线是为非互补式结构。
观察天线的共振频率(S11)可以发现本发明所公开的互补式天线的频宽确实比一般碎形天线还宽，特别是在高频部分，仅具有第一碎形结构的一般天线的频宽约为7.3GHz～8.4GHz(频宽～1.1GHz)，而具有第一碎形结构及第二碎形结构的互补式碎形天线的频宽约为6.8GHz～9.8GHz(频宽～3.0GHz)，所以互补式结构确实改善了天线的频宽。
由以上的说明，本发明利用碎形天线多频带的特性，在平面的碎形天线垂直方向上设计一互补式接地结构，使得接地也可以当成辐射体，进而缩小天线整体占用的体积。
当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (19)
1.一种垂直互补式碎形天线，其特征在于，包括有：
一第一碎形结构，以一基本图案为基准进行堆叠后形成，堆叠的次数不小于1；以及
一第二碎形结构，互补于所述第一碎形结构，其空洞面积不小于所述第一碎形结构的面积，
其中在天线共振频率上电流为零之处，所述第一碎形结构的面积与所述第二碎形结构的空洞面积分别为所述第一碎形结构与所述第二碎形结构的原尺寸的二分之一。
2.如权利要求1所述的垂直互补式碎形天线，其特征在于：
其中所述第二碎形结构以所述第一碎形结构为基准，将一导体材料对应于所述第一碎形结构的部分蚀刻后形成。
3.如权利要求1所述的垂直互补式碎形天线，其特征在于：
其中所述第二碎形结构的空洞面积不大于所述第一碎形结构的面积的二倍。
4.如权利要求1所述的垂直互补式碎形天线，其特征在于：
其中还包括有一介质，设置于所述第一碎形结构与所述第二碎形结构之间。
5.如权利要求4所述的垂直互补式碎形天线，其特征在于：
其中所述介质是为一绝缘基板或空气。
6.如权利要求5所述的垂直互补式碎形天线，其特征在于：
其中所述第一碎形结构形成于所述绝缘基板的一表面，所述第二碎形结构形成于所述绝缘基板的另一表面或所述绝缘基板之中。
7.如权利要求1所述的垂直互补式碎形天线，其特征在于：
其中还包括有至少一个的槽孔。
8.如权利要求1所述的垂直互补式碎形天线，其特征在于，包括：
一信号层，由导体材料形成，具有所述的第一碎形结构；以及
一接地层，由导体材料形成，具有一互补于所述第一碎形结构的所述第二碎形结构。
9.如权利要求8所述的垂直互补式碎形天线，其特征在于：
其中所述第二碎形结构是以所述第一碎形结构为基准，将所述接地层对应于所述第一碎形结构的部分蚀刻后形成。
10.如权利要求8所述的垂直互补式碎形天线，其特征在于：
其中所述第二碎形结构的空洞面积不大于所述第一碎形结构的面积的二倍。
11.如权利要求8所述的垂直互补式碎形天线，其特征在于：
其中还包括有一介质，设置于所述信号层与所述接地层之间。
12.如权利要求11所述的垂直互补式碎形天线，其特征在于：
其中所述介质是为一绝缘基板或空气。
13.如权利要求12所述的垂直互补式碎形天线，其特征在于：
其中所述信号层是设置于所述绝缘基板的一表面，所述接地层是形成于所述绝缘基板的另一表面或所述绝缘基板之中。
14.如权利要求8所述的垂直互补式碎形天线，其特征在于：
其中所述信号层还包括有至少一个槽孔。
15.如权利要求8所述的垂直互补式碎形天线，其特征在于：
其中所述接地层还包括有至少一个槽孔。
16.一种垂直互补式碎形天线，其特征在于，包括有：
一绝缘基板；
多个信号层，由导体材料形成，每一信号层具有一第一碎形结构，其中所述第一碎形结构是以一基本图案为基准进行堆叠后形成，堆叠的次数不小于1；以及
多个接地层，由导体材料形成，每一接地层具有一互补于所述第一碎形结构的一第二碎形结构，其空洞面积不小于所述第一碎形结构的面积，
其中一组天线的信号层与接地层与另一组天线的信号层与接地层相对邻接，或者一组天线的信号层与接地层与另一组天线的信号层与接地层相对两两交错间隔。
17.如权利要求16所述的垂直互补式碎形天线，其特征在于：
其中所述第二碎形结构是以所述第一碎形结构为基准，将所述接地层对应于所述第一碎形结构的部分蚀刻后形成。
18.如权利要求16所述的垂直互补式碎形天线，其特征在于：
其中所述第二碎形结构的空洞面积不大于所述第一碎形结构的面积的二倍。
19.一种阵列天线，具有多个如权利要求1、8或16所述的垂直互补式碎形天线。
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