TW201911649A - 超天線 - Google Patents

Abstract

描述一種便宜的小型可印刷超天線系統。除了小於現有天線之外，所述超天線相較於現有天線的改善之處在於其藉由為全向的且具有更廣泛之增益功能及更佳之效率。一些實施例包含具有環形狀之主要元件及兩個由所述主要元件圍封之寄生元件。每個寄生元件可塑形為具有開口之環。所述兩個寄生元件之所述開口可分別定位成鄰近於所述主要元件之相對側。

Description

超天線

本發明係關於天線設計。更具體而言，本發明涉及小而便宜的全向可印刷超天線，其具有較寬之阻抗頻寬及接近恆定之增益。

無線通信為移動計算技術之關鍵組分。網路應用，如網頁瀏覽、流媒體及資料消耗之其他形式正日益轉向移動裝置。另外，物聯網（Internet of Things；IoT）之持續發展進一步刺激對更先進無線通信技術之需求。 在各種無線通信技術之間，天線設計仍為極其重要之部分。用於移動裝置之許多天線係基於偶極天線或平面倒F天線（planar inverted-F；PIFA）設計，所述設計遭受許多缺點。一般而言，尤其在基於正交幅度調變（quadrature amplitude modulation；QAM）（其中幅度為信號之關鍵部分）之數位通信中，偶極天線常常需要天線之尺寸為對應於傳輸頻率之波長之約一半。這類天線可能過大而無法在無效能損害下用於許多應用。此外，基於偶極之天線通常具有較窄之阻抗頻寬，例如目標頻率之約10%之頻寬。因此，此等天線並非容易地適用於寬頻寬應用且常常在用於不同環境時遭受效能下降。另外，習知天線可能不具有預期用途之理想方向性。

本文中所描述之一個實施例提供一種天線。此天線包括具有環形狀之主要元件及兩個由主要元件圍封之寄生元件。每個寄生元件塑形為具有開口之環。兩個寄生元件之開口分別定位成鄰近於主要元件之相對側。

在此實施例之變型中，主要元件具有基本上矩形形狀。

在此實施例之變型中，主要元件之長邊基本上等於所需傳輸波長之四分之一。

在此實施例之變型中，主要元件之短邊基本上等於所需傳輸波長之八分之一。

在此實施例之變型中，主要元件包括充當饋電點之開口。主要元件之開口安置在約主要元件之長邊之中點處。

在此實施例之變型中，天線之標稱阻抗為約100歐姆。

在此實施例之變型中，主要元件及寄生元件包括印刷在表面上之導電墨水。

在此實施例之變型中，主要元件及寄生元件包括沈積在基板上之金屬跡線。

在此實施例之變型中，主要元件被組態成直接由微分RF信號驅動。

呈現以下描述以使本領域中熟悉此項技術者能夠製備且使用實施例，且在特定應用以及其要求之背景下提供以下描述。本領域中熟悉此項技術者將易於清楚對所揭示之實施例之各種修改，且在不脫離本發明之精神及範圍之情況下，本文中本所定義之一般原理可應用於其他實施例及應用。因此，本發明不限於所展示之實施例，而應符合與本文本所揭示揭示之原理以及特徵一致之最寬範圍。概述

本發明之實施例藉由提供小而便宜之天線系統解決與基於偶極之天線之大尺寸、窄頻寬及定向性相關的問題，所述天線系統可用導電墨水印刷在基板上。除了小於習知天線之外，所揭示揭示之天線系統可為全向的，具有較寬之增益窗口及較佳之效率，且因此在不同操作環境中為穩固的。所揭示揭示之天線系統可包含主天線元件及電感耦合至主天線元件之共振器。主天線元件可包含位於平面上之導電電路（其可為跡線）。共振器可包含位於同一平面上且圍封在主天線元件之導電電路內之兩個非交叉共振元件。因為本發明天線系統利用類似於用於超材料之彼等原理之原理，所以此天線系統亦可被稱作「超天線」。

本發明超天線系統可實現較寬頻寬，用微分RF信號直接饋送，且藉由包含兩元件電感耦合共振器促進顯著減小之尺寸。具體而言，現有偶極或環路天線通常具有共振頻率波長約一半之高度（假設天線豎直安置）。相比之下，所揭示之超天線系統可具有共振波長約四分之一之高度。因此，超天線為可比偶極天線之尺寸之約一半。

此外，所揭示之天線系統可在大得多之頻寬內提供平坦增益輪廓（共振頻率之約40%）。系統可在不同環境中運行且可包容較寬之阻抗變化。另外，此超天線系統可用微分RF信號直接饋送，此避免對平衡-不平衡變壓器之需要。因此需要較少之組件，其降低生產成本。

所揭示超天線之小尺寸、變通性及低成本使其對於移動應用，尤其IoT而言為極佳的。具體而言，超天線系統非常適合用於多輸入多輸出（MIMO）裝置。舉例而言，對於如路由器之Wi-Fi裝置，超天線使其在小路由器內包含多個高效能天線技術上及經濟上可行，從而提供多個無線通道。超天線可使用習知製程製造（例如藉由蝕刻沈積於膜或基板上之Cu），此可產生可焊接組件之撓性電路。超天線亦可印刷在基板（如聚萘二甲酸乙二醇酯或PEN）上，作為電路之部分或作為可連接於其他裝置之獨立單元。

此等期望特性歸因於超天線之獨特設計。如下文將描述，所揭示之天線系統以兩元件共振器機制為特徵，其中兩個寄生元件與主天線元件相互作用且彼此相互作用。此多元件共振系統可表現為緊密耦合之陣列之家族。超天線系統之設計

圖1展示根據本發明之一個實施例之超天線系統的例示性幾何形狀。在此實例中，超天線系統100包含主天線元件104及兩個寄生元件106及108。主天線元件104可為環形天線，其藉由饋電電路102饋送微分RF信號。寄生元件106及108並列安置在與主天線元件104相同之平面中且由主天線元件104圍封。寄生元件106及108可被相同或基本上相同地塑形。在一個實施例中，寄生元件106及108中之每一個塑形為如分別具有開口112及114之環（例如呈類似於字母「C」之形狀）。此外，開口112及114可定位在主天線元件104內之相對側（亦即接近沿著主天線元件104之較長側之兩個末端）。寄生元件106及108彼此絕緣且與主天線元件104絕緣，且安置地充分接近於主天線元件104，使得在運行期間可在其中感應交流電。

在一個實施例中，主天線元件104可具有矩形或基本上矩形形狀，其中其較長邊基本上等於（例如在±10%內）或略微長於（例如不超過110%）所需傳輸波長之四分之一，且其較短邊基本上等於（例如±10%內）、略微長於（例如不超過110%）、或略微短於（例如不小於90%）所需波長之八分之一。對於許多應用而言，豎直極化輻射為期望的（因為大多數傳輸及接收天線豎直安置）。假設超天線豎直安置（例如沿著豎直保持之典型智能型手機之長度），則超天線之高度約為所需傳輸波長之四分之一，且寬度約為此波長之八分之一。相比之下，習知之豎直安置之偶極天線在豎直方向上將需要波長之一半。超天線之空間節約可為顯著的。

此外，假設超天線100對於大多數應用而言豎直安置，則寄生元件106及108兩個可為水平取向之矩形導電路徑。寄生元件106之底邊緣可安置地略微高於主天線元件104之水平中間平面110，且寄生元件108可略微安置地略微低於中間平面110。寄生元件106及108兩者可由主天線元件104完全圍封。寄生元件106可在其頂側中間具有開口112；類似地，寄生元件108可在底側上具有尺寸大致相同之開口114，使得寄生元件106及108圍繞主天線元件104之中間平面110為鏡像。

另外，開口103安置在接近主天線元件104之較長邊中之一個的中心。開口103可充當微分饋電點且耦合至饋電電路102，其可將微分RF信號饋給至超天線103。在一個實施例中，開口103在超天線中產生100歐姆標稱阻抗。此標稱阻抗可藉由修改超天線100之幾何形狀（例如改變開口103之尺寸，及/或改變超天線100之長度/寬度）來調節（例如調節至75歐姆或300歐姆）從而符合不同應用之要求。

在一些實施例中，可改變開口112及114之尺寸，及使寄生元件106與108與主要元件104分離之空間。這類結構變化允許超天線具有不同阻抗。具體而言，超天線可針對共振頻率、頻寬及/或定向性優化以用於給定應用。

若超天線100使用傳導跡線（例如在膜上蝕刻或印刷之導電材料）實施，則這類跡線之寬度可採取各種值。舉例而言，用於主天線元件104及寄生元件106與108兩者之導電跡線之寬度可在0.1 mm至10 mm之範圍內。其他範圍亦為可能的。

在運行期間，主天線元件104中之開口103充當微分RF信號之入口，其中輸入功率之一半以零相角饋送至開口103之一個分支中且輸入功率之另一半以180°相角饋送至開口103之另一分支。信號電流中之一個朝外流動至主天線元件104之環路之一個側面中，而另一信號電流自環路之另一側向內流動。主天線元件104之導電路徑極為接近寄生元件106與108之側面路徑，進而感應兩者中之電流。此感應電流在元件106與108兩者中產生共振，這繼而產生呈環形圖案之高度豎直極化之全向輻射，其中增益超過具有兩倍長度之偶極。

超天線系統不限於圖1中所示之幾何形狀，且可具有包含主天線元件及電感耦合至主天線元件之共振器之組態。圖2A說明根據本發明之一個實施例之共振超天線系統的另一例示性幾何形狀。在一些實施例中，主天線元件可含有斷口202及204，其可與導電共振器中之斷口112及114排成一行。因此，主天線元件不必形成閉合電路，或可為線或偶極天線元件。

包含主天線元件及導電共振器之超天線之形狀不必限於矩形。圖2B說明根據本發明之一個實施例之共振超天線系統的另一例示性幾何形狀。在此實例中，超天線之主要元件可為曲面或圓環210、方形或另一形狀，或可為三維的。在一些實施例中，共振器極其接近以電感耦合至主要元件104，但不由元件104圍封。舉例而言，在主要元件為偶極而非矩形之一些實施例中，共振器可包括配置於偶極周圍之若干元件。超天線系統之運行

圖3說明根據本發明之一個實施例之超天線系統中的瞬時電流。如所展示，電源302可在所需載波頻率下驅動超天線。如此實例中所展示，來自電源302之電流可饋給至主天線元件304中。取決於驅動信號之瞬時極性，電流可圍繞主要元件304順時針或逆時針進行。因為寄生元件306及308非常接近於主要元件304，所以主要元件304中之AC電流可感應寄生元件306及308中之瞬時電流。基於楞次定律（Lenz's law），感應電流將抵抗由主要元件304中之電流引起之磁通量變化。具體而言，兩個寄生元件中之兩種電流可沿同一方向（亦即順時針或逆時針兩種）行進，其由主要元件304中之電流變化決定。

如同在習知偶極或環形天線中，主要元件304中之電流可形成駐波。此駐波在對應於主要元件304之周長之波長下共振，如先前所論述。因此，寄生元件306與308中之感應電流亦形成駐波。寄生元件306與308進而表現地如振盪電路元件，將電能儲存在超天線之主迴路304之附近內且以電磁輻射形式發射所儲存之能量。此等共振機制如同在緊密耦合之陣列中一樣強化信號傳輸，從而提供具有較高效率及較佳、較寬增益，具有小尺寸之超天線。另外，在一些實施例中，與習知偶極天線相比，系統可在無獨立之平衡-不平衡變壓器下運行。此係因為主天線元件形成閉合電路迴路，使得平衡-不平衡變壓器之等效物包含於天線內。超天線之特徵及效能

圖4A呈現根據本發明之一個實施例，說明例示性超天線輻射方向圖之二維圖式。如所展示，超天線可發射呈環形圖案之豎直極化之全向輻射。圖4B呈現根據本發明之一個實施例，說明例示性超天線輻射方向圖之三維透視圖。如所展示，環形輻射方向圖410可具有圍繞穿過超天線之豎直軸線（亦即平行於主要元件之高度之軸線）之圓柱形對稱性。 此對稱性對於傳輸與接收兩者而言導致系統之高度各向同性或全向可操作性。此外，超天線可極為接近地平面運行，且仍維持此全向圖案。與並未提供各向同性輻射方向圖之現有系統（例如用於移動電話之典型天線）相比，此各向同性為所揭示系統之另一優勢且因此可在某些方向上提供次佳增益。

所揭示之系統具有平坦廣泛之增益函數，使其能夠在直至峰值頻率（亦即增益最大化所處於之頻率）之約40%之頻寬範圍內運行。平坦增益可歸因於系統之阻抗頻寬及其極寬之輻射方向圖頻寬兩者。在數位通信系統中，在較寬頻率範圍內更加平坦及恆定之增益輪廓通常產生較佳之誤碼率（bit error rate；BER）效能。圖5說明根據本發明之一個實施例，覆蓋若干譜帶之例示性回波損耗光譜。在此實例中，阻抗頻寬針對在約2.6 GHz下達至峰值之回波損耗函數具有約600 MHz之寬度。此外，峰值回波損耗低於-25 dB，對應於僅約0.3%反射。所揭示之超天線之寬阻抗頻寬可用於雙頻段運行。

這類平坦增益函數使天線有效應對具有不同阻抗之不同環境，例如以用於接近地平面或印刷電路板運行，或安裝在不同類型或厚度之牆壁上。圖6A說明根據本發明之一個實施例，安裝在牆壁上時超天線系統之運行。如所展示，超天線602可為裝置（例如智能家電）之一部分，安裝在由適當厚度之乾式牆製成之牆壁604上。

圖6B說明根據本發明之一個實施例，在具有不同厚度及材料之牆壁環境中運行時超天線系統之穩固性。如所展示，超天線610可安裝在牆壁612上、或接近牆壁612運行，所述牆壁可能顯著厚於牆壁604，且可能由如煤渣砌塊之更緻密材料製成。由於超天線之較寬增益頻寬，系統可附近牆壁604或612有效運行。例示性應用

圖7A說明根據本發明之一個實施例利用共振超天線系統之例示性裝置。舉例而言，個人計算裝置702可包含與Wi-Fi網路或與其他裝置連通之超天線系統704。同樣地，智能家電或IoT裝置706可使用超天線708與網路或其他裝置連通。使用者可藉由經由天線704及708直接通信或經由網路來使用攜帶型電腦702控制智能恆溫器706。

圖7B說明根據本發明之一個實施例利用超天線之多輸入多輸出（MIMO）系統。在此實例中，Wi-Fi路由器或MIMO裝置710可含有超天線712A、712B及712C以使用多徑傳播傳輸多個資料流。所揭示之超天線尤其適用於MIMO應用，因為其小尺寸允許多個天線輕易裝入如路由器710之裝置，從而提供多個通信通道。

在一些實施例中，所揭示之超天線系統可用於相控陣以用於需要堅固定向性之應用，如雷達。使用相控陣中之超天線涉及將信號傳送至一組按預定模式配置之超天線，其中移相器將相位後移引入超天線之間。圖7C說明根據本發明之一個實施例，在相控陣系統內使用超天線。在此實例中，相控陣包含六個超天線且使用相長及相消干涉在期望方向上引導信號傳輸。超天線之小形狀因子允許相控陣裝入緊湊型移動裝置。此外，系統之寬操作頻寬及極為接近其他元件運行之能力較適用於相控陣。在一些實施例中，系統可使用近孔口饋電點代替直接饋電點以驅動超天線，這可進一步提高系統之效能。

圖8說明根據本發明之一個實施例，例示性網路內超天線系統之運行。如所展示，無線路由器802可耦合至互聯網804及網路806，其可包含Wi-Fi、區域網路（local-area network；LAN）、蜂巢式廣域網路（wide-area network；WAN）、射頻識別（Radio-frequency identification；RFID）或其他通信技術。無線路由器802可包含用於MIMO傳輸之多個超天線，如圖7B中所示。多個裝置可參與網路804，如電腦808及移動裝置810，以及IoT裝置或智能電器，如智能恆溫器812，及智能照明系統814。

此等裝置可與路由器802連通或經由網路806連通，或可直接使用藉由所揭示之超天線系統傳輸及接收之無線信號彼此通信（例如機器對機器（machine-to-machine；M2M）或其他通信協定）。舉例而言，移動裝置810可將來自使用者之指令發送至智能家電812，例如以調節恆溫器之設定。同樣地，當使用者進入建築物且開啟燈光時，智能照明系統814及智能恆溫器812可通信，例如以執行預先存在之規則從而自動開啟加熱及冷卻系統。超天線之較寬頻寬能夠使其尤其有效地應對不同環境，如具有不同厚度及材料之牆壁。因此，可能天花板或靠牆安裝之照明系統814及恆溫器812仍然可根據所揭示之系統及方法可靠有效地彼此通信。

本文中所描述之方法及系統亦可整合至硬體模組或設備中。此等模組或設備可包含（但不限於）積體電路特殊應用積體電路（application-specific integrated circuit；ASIC）芯片、場可程式化閘陣列（field-programmable gate array；FPGA）、芯片上系統（system on a chip；SoC）及/或現在已知或後續研發之其他電路裝置。當啟動硬體模組或設備時，此等硬體模組或設備執行其內部所包含之電路功能。

僅出於說明以及描述之目之已呈現各種實施例之前文描述。此等描述並不意圖為詳盡之或將本發明限制於所揭示之形式中。因此，許多修改以及變化對於此項技術之自業者來說將是顯而易見之。另外，以上揭示內容並不意圖限制本發明。

100‧‧‧超天線系統

102‧‧‧饋電電路

103‧‧‧開口/超電線

104‧‧‧主天線元件

106‧‧‧寄生元件

108‧‧‧寄生元件

110‧‧‧中間平面

112‧‧‧開口/斷口

114‧‧‧開口/斷口

202‧‧‧斷口

204‧‧‧斷口

210‧‧‧圓環

302‧‧‧電源

302‧‧‧主天線元件

304‧‧‧主迴路

410‧‧‧環形輻射方向圖

602‧‧‧超天線

604‧‧‧牆壁

612‧‧‧牆壁

702‧‧‧個人計算裝置/攜帶型電腦

704‧‧‧超天線系統/天線

706‧‧‧智能家電或IoT裝置/智能恆溫器

708‧‧‧天線

710‧‧‧路由器

802‧‧‧無線路由器

804‧‧‧網際網路

806‧‧‧網路

808‧‧‧電腦

810‧‧‧移動裝置

812‧‧‧智能恆溫器/智能家電

814‧‧‧智能照明系統

712A‧‧‧超天線

712B‧‧‧超天線

712C‧‧‧超天線

圖1展示根據本發明之一個實施例之超天線系統的例示性幾何形狀。 圖2A說明根據本發明之一個實施例之共振超天線系統的另一例示性幾何形狀。 圖2B說明根據本發明之一個實施例之共振超天線系統的另一例示性幾何形狀。 圖3說明根據本發明之一個實施例之超天線系統中的瞬時電流。 圖4A呈現根據本發明之一個實施例，說明例示性超天線輻射方向圖之二維圖式。 圖4B呈現根據本發明之一個實施例，說明例示性超天線輻射方向圖之三維透視圖。 圖5說明根據本發明之一個實施例，覆蓋若干譜帶之例示性回波損耗光譜。 圖6A說明根據本發明之一個實施例，安裝在牆壁上時超天線系統之運行。 圖6B說明根據本發明之一個實施例，在具有不同厚度及材料之牆壁環境中運行時超天線系統之穩固性。 圖7A說明根據本發明之一個實施例利用超天線系統之例示性裝置。 圖7B說明根據本發明之一個實施例利用超天線之多輸入多輸出（multiple-input and multiple-output；MIMO）系統。 圖7C說明根據本發明之一個實施例，在相控陣系統內使用超天線。 圖8說明根據本發明之一個實施例，例示性網路內超天線系統之運行。 在圖式中，相同參考標號指代相同圖式元件。

Claims (10)

1. 一種天線，包括： 具有環形狀之主要元件；及 兩個由所述主要元件圍封之寄生元件，其中各寄生元件塑形為具有開口之環，且其中所述兩個寄生元件之所述開口分別定位成鄰近於所述主要元件之相對側。
2. 如申請專利範圍第1項所述的天線，其中所述主要元件具有基本上矩形形狀。
3. 如申請專利範圍第2項所述的天線，其中所述主要元件之長邊基本上等於所需傳輸波長之四分之一。
4. 如申請專利範圍第2項所述的天線，其中所述主要元件之短邊基本上等於所需傳輸波長之八分之一。
5. 如申請專利範圍第1項所述的共振天線，其中所述主要元件及所述寄生元件包括印刷在表面上之導電墨水。
6. 如申請專利範圍第1項所述的共振天線，其中所述主要元件及所述寄生元件包括沈積在基板上之金屬跡線。
7. 一種天線系統，包括耦合至天線之平衡傳輸線，其中所述天線包括： 具有環形狀之主要元件；及 兩個由所述主要元件圍封之寄生元件，其中各寄生元件塑形為具有開口之環，且其中所述兩個寄生元件之所述開口分別定位成鄰近於所述主要元件之相對側。
8. 如申請專利範圍第7項所述的天線系統，其中所述主要元件具有基本上矩形形狀。
9. 如申請專利範圍第8項所述的天線系統，其中所述主要元件之長邊基本上等於所需傳輸波長之四分之一。
10. 如申請專利範圍第8項所述的天線系統，其中所述主要元件之短邊基本上等於所需傳輸波長之八分之一。