TWI553962B - 多模態單極天線 - Google Patents

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TWI553962B TW103145319A TW103145319A TWI553962B TW I553962 B TWI553962 B TW I553962B TW 103145319 A TW103145319 A TW 103145319A TW 103145319 A TW103145319 A TW 103145319A TW I553962 B TWI553962 B TW I553962B
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陳文山
邱春霖
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南臺科技大學
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多模態單極天線
本發明係有關於一種多模態單極天線，尤其是指一種符合WLAN 2.45GHz、5.2GHz、5.8GHz多頻帶與WiMAX 2.5GHz、5.25GHz應用之天線，主要係藉由簡單的平面印刷式設計與被動元件特性路徑，有效適用於小型化之無線裝置，以達到良好增益與輻射場型之特性者。
按，隨著通訊技術的快速發展，以及電子產品的日益普及，無線訊號傳輸已經發展出許多通訊協定與技術，而人們對於無線通訊的需求更是與日俱增，無不希望所使用的手持式行動裝置，例如：PDA、智慧型手機或平板電腦等，能夠收發處於不同頻帶的訊號，以具備更強大的通訊功能；一般而言，在手持式行動裝置內通常設置有雙頻或三頻天線，以有效實現收發不同頻帶訊號的功能，而天線的形式千變萬化，大抵可以區分為四類，一是現狀天線(wire antennas)，常見的有單極天線(monopole)、偶極天線(dipole)，以及迴路天線(loop)等；二是槽孔天線(aperture antennas)，常見的有號角天線(horn)與開槽天線(slot)等；三是印刷電路板天線(printed antennas)，例如為微帶天線(micro-strip)與印刷偶極天線(printed dipole)等；最後是反射面天線(reflector antennas)；此外，現今的手持式行動裝置上所使用的通訊頻帶係有低頻的LTE700MHz、 GSM850/900MHz，以及高頻的DCS1800MHz、PCS1900MHz和LTE2300/2500MHz等；然而，上述習知的天線僅可用於兩個或三個頻帶內實現訊號之收發，而無法涵蓋其他常用頻帶。
再者，現今雖有研發出許多運用於多頻段之單極天線，而為了滿足多頻段的需求，單頻天線在設計上通常會增加彎折與浮接金屬架構等方式完成，以縮小天線之尺寸與增加天線上的電流路徑；然而，在天線技術上使用彎折設計雖可增加電流路徑，亦能達到微小化的需求，卻對天線的增益與浮設場型造成不小的影響，天線的輻射場型和增益會因為彎折數量的增加而迫使改變，無法達到較佳的全向性輻射場型與增益；因此，如何有效藉由簡單的多頻段天線設計與架構，達到較佳的輻射場型與增益，仍是無線通訊等開發業者與相關學術單位之研究人員需持續克服與解決之課題。
今，發明人即是鑑於現有之天線在實際實施上仍具有諸多缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富之專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。
本發明主要目的為提供一種多模態單極天線，尤其是指一種符合WLAN 2.45GHz、5.2GHz、5.8GHz多頻帶與WiMAX 2.5GHz、5.25GHz應用之天線，主要係藉由簡單的平面印刷式設計與被動元件特性路徑，有效適用於小型化之無線裝置，以達到良好增益與輻射場型之特性。
為了達到上述實施目的，本發明人提出一種多模態單極天線，係至少包括有一介質基板、一接地面、一饋入端點，以及一金屬迴圈輻射部；介質基板係具有一第一表面；接地面係設置於第一表面上，以作為信號接地用，其中接地面係延伸設有一呈L狀之第一延伸部，於第一延伸部再接設有一呈L狀之第二延伸部，於第二 延伸部之縱向上段係接設有一呈L狀之第三延伸部，於第三延伸部再接設有一橫向凸部，且接地面於對應第一延伸部之另一側係凹設有一開縫槽；饋入端點係設置於第一表面並連接於接地面對應之開縫槽處；金屬迴圈輻射部係連接饋入端點，其中金屬迴圈輻射部係設置有一呈ㄇ狀之第四延伸部，於第四延伸部遠離第一延伸部之端點係延伸有一呈ㄇ狀之第五延伸部。
如上所述的多模態單極天線，其中多模態單極天線所佔之面積係為45×5mm2。
如上所述的多模態單極天線，其中介質基板係為FR4環氧玻璃纖維基板。
如上所述的多模態單極天線，其中FR4環氧玻璃纖維基板之厚度係為1.6mm，介電常數(relative permittivity)係為4.4，耗損正切(loss tangent)係為0.0245。
如上所述的多模態單極天線，其中接地面所佔之面積係為35×5mm2。
如上所述的多模態單極天線，其中金屬迴圈輻射部係以印刷或蝕刻方式等其中之一種方式形成於第一表面上。
如上所述的多模態單極天線，其中金屬迴圈輻射部所佔之面積係為10×5mm2。
藉此，本發明之多模態單極天線係藉由簡單的平面印刷式天線之設計，有效降低製作成本的耗費與減低製程之難度，可適用於各種小尺寸的小型化行動裝置上，以達到良好的增益與輻射場型之特性；此外，本發明之多模態單極天線係藉由僅45×5mm2之整體天線面積，有效符合小型化無線行動裝置之需求，且本發明之多模態單極天線擁有被動元件特性之路徑，因此不需在天線端運用任何主動與被動式元件，即可達到優良特性之表現；最後，本發明之多 模態單極天線係藉由FR4環氧玻璃纖維基板的設計，並採用接地面共振出一低頻模態，並以接地面延伸路徑之設計以增加低頻模態來調整低頻與地面諧振的阻抗匹配，以符合無線區域網路IEEE 802.11 a/b/g與WiMAX 2.5GHz、5.25GHz所需操作之頻帶，具有架構簡單，以及容易製作之優點，可有效應用於USB dongle或其他微型無線通訊之行動裝置上。
(1)‧‧‧介質基板
(11)‧‧‧第一表面
(2)‧‧‧接地面
(21)‧‧‧第一延伸部
(22)‧‧‧第二延伸部
(23)‧‧‧第三延伸部
(24)‧‧‧橫向凸部
(25)‧‧‧開縫槽
(3)‧‧‧饋入端點
(4)‧‧‧金屬迴圈輻射部
(41)‧‧‧第四延伸部
(42)‧‧‧第五延伸部
(211)‧‧‧第一直向段
(212)‧‧‧第一橫向段
(221)‧‧‧第二直向段
(222)‧‧‧第二橫向段
(231)‧‧‧第三橫向段
(232)‧‧‧第三直向段
(411)‧‧‧第四直向段
(412)‧‧‧第四橫向段
(413)‧‧‧第五直向段
(421)‧‧‧第六直向段
(422)‧‧‧第五橫向段
(423)‧‧‧第七直向段
第一圖：本發明多模態單極天線其一較佳實施例之天線架構示意圖
第二圖：本發明多模態單極天線其一較佳實施例之返回損失/頻率響應圖
第三圖：本發明多模態單極天線其一較佳實施例之阻抗/頻率響應圖
第四圖：本發明多模態單極天線其一較佳實施例之縮短接地面長度之返回損失/頻率響應圖
第五圖：本發明多模態單極天線其一較佳實施例之縮短接地面長度之阻抗/頻率響應圖
第六圖：本發明多模態單極天線其一較佳實施例之未配置第五延伸部之返回損失/頻率響應圖
第七圖：本發明多模態單極天線其一較佳實施例之未配置第五延伸部之阻抗/頻率響應圖
第八圖：本發明多模態單極天線其一較佳實施例之未配置第四延伸部之返回損失/頻率響應圖
第九圖：本發明多模態單極天線其一較佳實施例之未配置第四延伸部之阻抗/頻率響應圖
第十圖：本發明多模態單極天線其一較佳實施例之未配置第 三延伸部與橫向凸部之返回損失/頻率響應圖
第十一圖：本發明多模態單極天線其一較佳實施例之未配置第三延伸部與橫向凸部之阻抗/頻率響應圖
第十二圖：本發明多模態單極天線其一較佳實施例之未配置第一延伸部與第二延伸部之返回損失/頻率響應圖
第十三圖：本發明多模態單極天線其一較佳實施例之未配置第一延伸部與第二延伸部之阻抗/頻率響應圖
本發明之目的及其結構設計功能上的優點，將依據以下圖面所示之較佳實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。
首先，請參閱第一圖所示，為本發明多模態單極天線其一較佳實施例之天線架構示意圖，其中本發明之多模態單極天線所佔之面積係為45×5mm2，至少包括有：一介質基板(1)，係具有一第一表面(11)，其中介質基板(1)係為FR4環氧玻璃纖維基板，而FR4環氧玻璃纖維基板之厚度係為1.6mm，介電常數係為4.4，且耗損正切係為0.0245；一接地面(2)，係設置於第一表面(11)上，以作為信號接地用，其中接地面(2)係延伸設有一第一延伸部(21)，於第一延伸部(21)再接設有一第二延伸部(22)，於第二延伸部(22)之縱向上段係接設有一第三延伸部(23)，於第三延伸部(23)再接設有一橫向凸部(24)，且接地面(2)於對應第一延伸部(21)之另一側係凹設有一開縫槽(25)；在本發明其一較佳實施例中，接地面(2)所佔之面積係為35×5mm2；一饋入端點(3)，係設置於第一表面(11)並連接於接地面(2)對應之開縫槽(25)處；以及 一金屬迴圈輻射部(4)，係連接饋入端點(3)，其中金屬迴圈輻射部(4)係設置有一第四延伸部(41)，於第四延伸部(41)遠離第一延伸部(21)之端點係延伸有一第五延伸部(42)；在本發明其一較佳實施例中，金屬迴圈輻射部(4)係以印刷或蝕刻方式等其中之一種方式形成於第一表面(11)上，而金屬迴圈輻射部(4)所佔之面積係為10×5mm2。
其中，第一延伸部(21)由接地面(2)往上縱向延伸一第一直向段(211)，再由第一直向段(211)終端轉折橫向延伸一第一橫向段(212)形成。
其中，第二延伸部(22)由第一延伸部(21)的第一橫向段(212)終端接設一往該接地面(2)方向延伸的第二直向段(221)，接著連接第二直向段(221)終端轉折往第一直向段(211)橫向延伸第二橫向段(222)形成。
其中，第三延伸部(23)主要於第二延伸部(22)的第二直向段(221)上且遠離接地面(2)的一端上連接一往第一直向段(211)方向延伸之第三橫向段(231)，並在第三橫向段(231)終端轉折往該接地面(2)的方向縱向延伸有第三直向段(232)；橫向凸部(24)係自第三直向段(233)終端往遠離該第一直向段(211)方向凸出。
其中，第四延伸部(41)係由接地面(2)往上縱向延伸一第四直向段(411)，在第四直向段(411)終端往第一直向段(211)方向轉折橫向延伸一第四橫向段(412)、接著再由第四橫向段(412)終端往該接地面(2)方向縱向延伸一第五直向段(413)形成。
其中，第五延伸部(42)係由該第四直向段(411)終端往該第二直向段(221)的方向延伸一第六直向段(421)、並於該第六直向段(421)終端往該第一直向段(211)方向轉折橫向延伸一第五橫向段(422)、最後再由該第五橫向段(422)終端往該接地面(2)方向縱向延 伸一第七直向段(422)。
此外，請參閱第二、三圖所示，為本發明多模態單極天線其一較佳實施例之返回損失/頻率響應圖，以及阻抗/頻率響應圖，由第二圖之S參數圖與第三圖之Z參數圖之實際量測以及利用Ansoft的高頻電磁模擬軟體(HFSS，High Frequency Structure Sumulator)模擬分析所得到的結果可得知，本發明之多模態單極天線係符合WLAN 2.45GHz、5.2GHz、5.8GHz，以及WiMAX 2.5GHz、5.25GHz頻帶之頻寬要求，並且實作結果與模擬結果在模態的表面上相當接近。
再者，請再參閱第四、五圖所示，為本發明多模態單極天線其一較佳實施例之縮短接地面長度之返回損失/頻率響應圖，以及阻抗/頻率響應圖，其中『提出架構』係為本發明其一較佳實施例之架構，而其餘兩者係為接地面(2)之長度縮減5公厘(mm)與10公厘之所得之架構，由第四、五兩圖中的結果得知，本發明之多模態單極天線在返回損失的第二模態是由地面路徑共振來達到頻寬的需求。
此外，請再參閱第六、七圖所示，為本發明多模態單極天線其一較佳實施例之未配置第五延伸部之返回損失/頻率響應圖，以及阻抗/頻率響應圖，其中『提出架構』係為本發明其一較佳實施例之架構，而另一為無配置第五延伸部(42)之架構，由兩圖之比較結果得知，無配置金屬迴圈輻射部(4)之第五延伸部(42)的情況下，對低頻的第一個模態有影響，而在高頻模態影響作為匹配用；再者，請一併參閱第八、九圖所示，為本發明多模態單極天線其一較佳實施例之未配置第四延伸部(41)之返回損失/頻率響應圖，以及阻抗/頻率響應圖，由兩圖之比較得知，無配置金屬迴圈輻射部(4)之第四延伸部(41)的情況下，對整體模態影響為匹配用。
此外，請再參閱第十、十一圖所示，為本發明多模態單極天線其一較佳實施例之未配置第三延伸部與橫向凸部之返回損失/頻率響應圖，以及阻抗/頻率響應圖，其中『提出架構』係為本發明其一較佳實施例之架構，而另一為無配置第三延伸部(23)與橫向凸部(24)之架構，由兩圖之比較得知，無配置接地面(2)之第三延伸部(23)與橫向凸部(24)的情況下，可以發現低頻的第一個模態與高頻的第一個模態接往更高頻移動，故可確定其路徑為共振低頻模態，而高頻的部分則為此路徑的高階模態；再者，請再一併參閱第十二、十三圖所示，為本發明多模態單極天線其一較佳實施例之未配置第一延伸部與第二延伸部之返回損失/頻率響應圖，以及阻抗/頻率響應圖，其中『提出架構』係為本發明其一較佳實施例之架構，而另一為無配置第一延伸部(21)與第二延伸部(22)之架構，由兩圖之比較得知，無配置接地面(2)之第一延伸部(21)與第二延伸部(22)的情況下，對其低頻模態匹配有影響，而高頻影響較大。
由上述之實施說明可知，本發明多模態單極天線與現有技術相較之下，本發明具有以下優點：
1.本發明之多模態單極天線係藉由簡單的平面印刷式天線之設計，有效降低製作成本的耗費與減低製程之難度，可適用於各種小尺寸的小型化行動裝置上，以達到良好的增益與輻射場型之特性。
2.本發明之多模態單極天線係藉由僅45×5mm2之整體天線面積，有效符合小型化無線行動裝置之需求，且本發明之多模態單極天線擁有被動元件特性之路徑，因此不需在天線端運用任何主動與被動式元件，即可達到優良特性之表現。
3.本發明之多模態單極天線係藉由FR4環氧玻璃纖維基板的設計，並採用接地面共振出一低頻模態，並以接地面延伸路徑之 設計以增加低頻模態來調整低頻與地面諧振的阻抗匹配，以符合無線區域網路IEEE 802.11 a/b/g與WiMAX 2.5GHz、5.25GHz所需操作之頻帶，具有架構簡單，以及容易製作之優點，可有效應用於USB dongle或其他微型無線通訊之行動裝置上。
綜上所述，本發明多模態單極天線，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。
(1)‧‧‧介質基板
(11)‧‧‧第一表面
(2)‧‧‧接地面
(21)‧‧‧第一延伸部
(22)‧‧‧第二延伸部
(23)‧‧‧第三延伸部
(24)‧‧‧橫向凸部
(25)‧‧‧開縫槽
(3)‧‧‧饋入端點
(4)‧‧‧金屬迴圈輻射部
(41)‧‧‧第四延伸部
(42)‧‧‧第五延伸部

Claims (10)

  1. 一種多模態單極天線，係至少包括有：一介質基板，係具有一第一表面；一接地面，係設置於該第一表面上，以作為信號接地用，其中由該接地面往上縱向延伸一第一直向段、並在該第一直向段終端轉折橫向延伸一第一橫向段之第一延伸部，於該第一延伸部的第一橫向段終端再接設一往該接地面方向延伸的第二直向段、連接該第二直向段終端轉折往該第一直向段橫向延伸的第二橫向段而之第二延伸部，於該第二延伸部的第二直向段且遠離該接地面的一端上連接有一往該第一直向段方向延伸之第三橫向段、連接該第三橫向段終端轉折往該接地面的方向縱向延伸的第三直向段的第三延伸部，於該第三延伸部的該第三直向段終端再橫向接設一往遠離該第一直向段方向凸出連接的橫向凸部，該接地面的旁側尤其是指相對於設有該第一延伸部該側的另一側係凹設有一開口朝外的開縫槽；一饋入端點，係設置於該第一表面並連接於該接地面，而與該第一延伸部相對設置，且位於開縫槽的上方處；以及一金屬迴圈輻射部，係連接該饋入端點，其中該金屬迴圈輻射部包括一第四延伸部與一第五延伸部，該第四延伸部係往 上縱向延伸一第四直向段、在該第四直向段終端往該第一直向段方向轉折橫向延伸一第四橫向段、接著再由該第四橫向段終端往該接地面方向縱向延伸一第五直向段形成，該第五延伸部係由該第四直向段終端往該第二直向段延伸一第六直向段、並於該第六直向段終端往該第一直向段方向轉折橫向延伸一第五橫向段、最後再由該第五橫向段終端往該接地面方向縱向延伸一第七直向段形成。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之多模態單極天線，其中該多模態單極天線所佔之面積係為45×5mm2。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之多模態單極天線，其中該介質基板係為FR4環氧玻璃纖維基板。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之多模態單極天線，其中該FR4環氧玻璃纖維基板之厚度係為1.6mm，介電常數係為4.4，耗損正切係為0.0245。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之多模態單極天線，其中該接地面之尺寸係為35×5mm2。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之多模態單極天線，其中該金屬迴圈輻射部係以印刷或蝕刻方式其中之一方式形成於該第一表面上。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之多模態單極天線，其中該金屬迴圈輻射部所佔之面積係為10×5mm2。
  8. 如申請專利範圍第1至7項中任意一項所述之多模態單極天線，其中該第二直向段、該第四直向段及該第六直向段與該第一直向段、該第三直向段、該第五直向段及該第七直向段彼此平行。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之多模態單極天線，其中該第一橫向段、該第二橫向段、該第三橫向段、該第四橫向段及該第五橫向段彼此平行。
  10. 如申請專利範圍第1至7項中任意一項所述之多模態單極天線，其中該第一橫向段、該第二橫向段、該第三橫向段、該第四橫向段及該第五橫向段彼此平行。
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