TWI521798B - Broadband bow tie antenna - Google Patents

Description

寬頻領結型天線

本發明係一種寬頻領結型天線，尤指一種利用導向器以及反射器改善寬頻特性之寬頻領結型天線。

現今之無線通訊裝置為因應多媒體寬頻通訊的需求，涵蓋了不同頻段的通訊技術，諸如：第2、3、4代行動通訊協定(2G/3G/4G)、無線保真協定(Wi-Fi)、全球定位系統(Global Position System，簡稱：GPS)等，而每一頻段皆需設置對應的收發天線來進行收發作業。為因應無線通訊裝置更緊緻的尺寸需求，提供涵蓋大部分通訊技術頻寬之單一天線係為此技術問題重要的解決方案之一。

目前常見的寬頻天線，如領結天線(bowtie antenna)、單極天線(monopole antenna)、螺旋天線(spiral antenna)以及雙錐形天線(Biconical Antenna)等均屬於全向性的天線，且其增益較低。另外，此類型天線由於其輻射方向為全向性，因此，當天線安裝在介電質材料附近時，天線在沒有接地平面的保護條件下，介電質材料會大大影響天線輻射特性，使得天線失去原先設定之輻射需求。

為克服前述全向性天線之缺失，習知技術又提出具有指向性之寬頻天線，如對數週期天線(log periodic antenna)、韋瓦第天線(vivaldi antenna)等。然而前述天線僅具有單極化之輻射場型，因此只能拘限於接收 特定輻射方向的極化電磁波。

綜上所述，提供具有寬頻操作且能收發雙極化輻射場型之天線乃本領域亟需解決之技術問題。

為解決前揭習知技術之技術問題，本發明之一目的係提供一種寬頻之領結天線，以解決於現有天線頻寬不足之問題。

為達上述之目的，本發明提供一種寬頻領結天線。寬頻領結型天線更包含導向單元、輻射單元、反射單元。導向單元更包含導向基板，以及設於導向基板一面上之導向貼片。輻射單元則與導向單元相鄰設置，且輻射單元更包含輻射基板以及第一領結輻射子，而第一領結輻射子係設置於輻射基板之一面上並與前述之導向貼片耦合，第一領結輻射子更包含二個單邊輻射部，該二單邊輻射部係對稱設置，而各個單邊輻射部之寬度係自各單邊輻射部之饋入端沿各單邊輻射部之底端方向增加。反射單元與輻射單元相鄰設置，而反射單元更包含反射基板以及設置於反射基板一面上之環形反射片。環形反射片與第一領結輻射子耦合設置。而輻射單元更設於導向單元以及反射單元之間。

有別於傳統八木天線之導向單元僅能對單一極化輻射波提昇其指向性，上述之導向貼片對水平以及垂直極化之輻射波皆具有提昇指向性之作用，而環形反射片則能提昇輻射單元產生之低頻輻射波之指向性。相較於習知之天線，本發明之寬頻領結型天線除具有良好之增益，並透過環形反射片之配置來縮減反射單元與輻射單元之距離，以能在兼顧增益表現下提供更緊緻的天線尺寸。

1‧‧‧導向單元

11‧‧‧導向基板

13‧‧‧導向貼片

3‧‧‧輻射單元

31‧‧‧輻射基板

33‧‧‧第一領結輻射子

35‧‧‧第二領結輻射子

37‧‧‧單邊輻射部

39‧‧‧邊側輻射片

5‧‧‧反射單元

51‧‧‧反射基板

53‧‧‧環形反射片

第1圖係為本發明之寬頻領結型天線結構圖。

第2圖係為本發明之寬頻領結型天線之導向單元結構圖。

第3圖係為本發明之寬頻領結型天線之輻射單元結構圖。

第4圖係為本發明之寬頻領結型天線之反射單元結構圖。

第5圖係為本發明之寬頻領結型天線之增益/頻率比較圖。

第6圖係為本發明之寬頻領結型天線之前後比/頻率比較圖。

第7A圖係為本發明之寬頻領結型天線於低頻之電流分佈圖。

第7B圖係為本發明之寬頻領結型天線於中頻之電流分佈圖。

第7C圖係為本發明之寬頻領結型天線於高頻之電流分佈圖。

第8A圖係為本發明之寬頻領結型天線S參數圖。

第8B圖係為本發明之寬頻領結型天線水平極化與垂直極化之增益圖。

第8C圖係為本發明之寬頻領結型天線二維輻射圖。

第8D圖係為本發明之寬頻領結型天線前後比圖。

以下將描述具體之實施例以說明本發明之實施態樣，惟其並非用以限制本發明所欲保護之範疇。

請參閱第1圖，其係為本發明之寬頻領結天線。寬頻領結天線包含一導向單元1、輻射單元3以及反射單元5。導向單元1係用來提昇寬頻領結天線之指向性，而導向單元1更包含一導向基板11、一導向貼片13，導向貼片13設於導向基板11之一面上。輻射單元3係與導向單元1相鄰設 置。輻射單元3更包含：一輻射基板31以及一第一領結輻射子33，第一領結輻射子33設於輻射基板31之一面上，而第一領結輻射子33更與導向貼片13耦合，第一領結輻射子33更包含二個單邊輻射部37，此二單邊輻射部37係係以其饋入端為中心對稱設置，而各單邊輻射部37之寬度係自各單邊輻射部37之饋入端沿各單邊輻射部37之底端方向增加，並透過設定單邊輻射部37之尺寸來調寬頻領結天線之阻抗匹配以及輻射效率。反射單元5與輻射單元3相鄰設置，且輻射單元3更設於導向單元1與反射單元5之間，反射單元5更包含一反射基板51、一環形反射片53，其環型反射片係設於反射基板51之一面上，而環形反射片53更與第一領結輻射子33耦合。

前述之導向貼片13、第一領結輻射子33以及環形反射片53之材質係為良導體材質，例如銅、鋁等材質。而導向基板11、輻射基板31以及反射基板51之材質則為介電板材質，例如陶瓷、電木、保麗龍等材質。

請共同參閱第2圖，其為寬頻領結型天線之導向單元1，導向貼片13之形狀係為矩形、圓形、三角形其中之一或擇二以上之組合。導向貼片13之形狀設定為矩形時，得以在輻射單元3提供水平極化或垂直極化輻射波時皆具有導引之作用，有別於傳統八木天線之導向單元1僅能提供單一極化之導向功能。

請共同參閱第1及3圖，其為寬頻天線之輻射單元3。寬頻領結型天線更依據輻射之極化需求(如單極化、雙極化、圓極化等)，被選擇的包含一第二領結輻射子35。第二領結輻射子35與第一領結輻射子33實質相同，第二領結輻射子35更與導向貼片13以及環形反射片53耦合。而第二領結輻射子35之平行中軸線方向與第一領結輻射子33之平行中軸線方向呈一 夾角，並且依極化之需求調整夾角之角度值：如30度、60度、90度(正交)等角度。其第一領結輻射子33之平行中軸線係平行於輻射基板31，貫穿其二個單邊輻射部37之中線；而第二領結輻射子35之平行中軸線亦平行於輻射基板31，貫穿其二個單邊輻射部37之中線。且第二領結輻射子35與第一領結輻射子33之垂直軸線係亦依據極化之需求進行鄰近設置或者是重疊設置，第一領結輻射子33之垂直軸線係垂直於輻射基板31，且位於其二單邊輻射部37中間，第二領輻射子35之垂直軸線係垂直於輻射基板31，且位於其二單邊輻射部中間。各個單邊輻射部37更包含二個邊側輻射片39，各個邊側輻射片39之一邊側係貼設於各單邊輻射部37之底端邊側，各個邊側輻射片39係分別鄰近設置於各單邊輻射部37二底端點其中之一。而二邊側輻射片39之形狀係為三角形。

若設定輻射單元3同時包含第一領結輻射子33以及第二領結輻射子35，並使第一領結輻射子33之平行中軸線方向以及第二領結輻射子35之平行中軸線方向之夾角呈正交，以及讓第一領結輻射子33之垂直中軸線與第二領結輻射子35之垂直中軸線重疊設置，並分別於第一領結輻射子33以及第二領結輻射子35之饋入端輸入訊號，即能產生雙極化之輻射波。

請接著參閱第4圖，其為寬頻領結型天線之反射單元5。反射單元5之環形反射片53之形狀係為方環、圓環、三角環其中之一或擇二以上之組合。

請參閱第5圖，其為考量反射單元5與導引單元對寬頻領結型天線增益(dBi)之影響。而各曲線所代表之組合狀況如下表所示：

由第5圖可知，當寬頻領結型天線僅有輻射單元3時，其天線整體之增益為2-3dBi，並可得知反射單元5以及導向單元1分別對寬頻領結型天線之低頻與高頻增益之影響情形。而透過曲線A以及曲線B則可得知，導向貼片13之尺寸係用以決定高頻部分之增益。

請共參閱第6圖，其為考量反射單元5與導引單元對寬頻領結型天線前後比(Front to back ratio，簡稱F/B)。前後比之定義為主波辦與背波辦之場強度比值。由曲線A、B可知，當寬頻領結天線同時包含輻射單元3、反射單元5以及導向單元1時，可有效的提昇高頻部分(2.5GHz~2.7GHz)之前後比值。

請接著參閱第7A圖，其為寬頻領結型天線於低頻部分(0.698GHz~0.96GHz)之電流分布圖，由環形反射片53上的電流分佈可得 知，環形反射片53係為低頻輻射波部分提供反射作業。請接著參閱第7B圖，其為寬頻領結型天線於在中頻(1.71GHz~2.45GHz)之電流分佈圖，由導向貼片13上的電流分佈可得知，中頻部分之輻射特性係由導向貼片13所決定。請接著參閱第7C圖，其為寬頻領結型天線於在高頻(2.5GHz~2.7GHz)之電流分佈圖，由導向貼片13以及環形反射片53其均勻之電流分佈可得知，高頻部分之輻射特性係由導向貼片13以及環形反射片53所決定。

請接著參閱第8A圖，其為寬頻領結型天線之S參數圖。而在長期演進技術(Long Term Evolution，簡稱：LTE)操作頻段(698MHz~960MHz，1710MHz~2700MHz)內，第一領結輻射子33之反射損耗參數(S11，方形節點曲線)及第二領結輻射子35之反射損耗參數(S22，圓形節點曲線)皆小於-10dB，而第一領結輻射子33以及第二領結輻射子35間之隔離度(isolation)參數(S21，上三角形節點曲線)為：低頻(0.698GHz~0.960GHz)小於-15dB，中頻(1.71GHz~2.45GHz)小於-11dB，高頻(2.5GHz~2.7GHz)小於-20dB，前述之S參數皆符合天線操作之規範。

請接著參閱第8B圖，其為寬頻領結型天線之水平極化與垂直極化之增益圖，其中上三角節點曲線代表水平極化，而下三角節點曲線代表垂直極化。由圖式可知，寬頻領結型天線在指定之頻段內皆在6dBi以上。

請接著參閱第8C圖，其為本發明之寬頻領結型天線之二維輻射圖(設定頻率為698MHz)。方形節點曲線係為XZ-平面之輻射場型、圓形節點曲線係為YZ-平面之輻射場型，請接著參閱第8D圖，其為本發明之寬頻領結型天線之前後比圖，其前後比值在低頻段(0.698GHz~0.96GHz)與高頻段(2.5GHz~2.7GHz)部分皆在7dB以上。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

1‧‧‧導向單元

11‧‧‧導向基板

13‧‧‧導向貼片

3‧‧‧輻射單元

31‧‧‧輻射基板

33‧‧‧第一領結輻射子

35‧‧‧第二領結輻射子

37‧‧‧單邊輻射部

39‧‧‧邊側輻射片

5‧‧‧反射單元

51‧‧‧反射基板

53‧‧‧環形反射片

Claims (6)

1. 一種寬頻領結型天線，包含：一導向單元，該導向單元更包含：一導向基板；一導向貼片，該導向貼片設於該導向基板之一面上；一輻射單元，該輻射單元與該導向單元相鄰設置，該輻射單元更包含：一輻射基板；一第一領結輻射子，設於該輻射基板之一面上，該第一領結輻射子更與該導向貼片耦合，該第一領結輻射子更包含二單邊輻射部，該二單邊輻射部係對稱設置，各該單邊輻射部之寬度係自各該單邊輻射部之饋入端沿各該單邊輻射部之底端方向增加；一反射單元，該反射單元與該輻射單元相鄰設置，該輻射單元更設於該導向單元與該反射單元之間，該反射單元更包含：一反射基板；一環形反射片，該環型反射片係設於該反射基板之一面上，該環形反射片更與該第一領結輻射子耦合；一第二領結輻射子，該第二領結輻射子與該第一領結輻射子實質相同，該第二領結輻射子更與該導向貼片以及該環形反射片耦合。
2. 如請求項1所述之天線，其中該導向貼片之形狀係為方形、圓形、三角形其中之一或擇二以上之組合。
3. 如請求項1所述之天線，其中該環形反射片之形狀係為方環、圓環、三角環其中之一或擇二以上之組合。
4. 如請求項1所述之天線，各該單邊輻射部更包含二邊側輻射片，各該邊側輻射片之一邊側係貼設於各該單邊輻射部之底端邊側，各該邊側輻射片係分別鄰近設置於各該單邊輻射部二底端點其中之一。
5. 如請求項4所述之天線，其中該二邊側輻射片之形狀係為三角形。
6. 如請求項1所述之天線，其中該第二領結輻射子之平行中軸線方向與該第一領結輻射子之平行中軸線方向呈正交設置，且該第二領結輻射子之垂直中軸線與該第一領結輻射子之垂直中軸線係重疊設置。