專利名稱：雙頻單極天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種雙頻天線，且特別是有關(guān)于一種雙頻單極天線。
背景技術(shù)：
近年來隨著通訊業(yè)的蓬勃發(fā)展，各式的無線產(chǎn)品也如雨后春筍般地出現(xiàn)。以當(dāng)前極為熱門的無線區(qū)域網(wǎng)路(Wireless local area network)為例，其相關(guān)產(chǎn)品就具有相當(dāng)高的市場(chǎng)價(jià)值，廣為業(yè)界所矚目。在無線系統(tǒng)中，天線設(shè)計(jì)是相當(dāng)關(guān)鍵的一環(huán)，目前適用于無線區(qū)域網(wǎng)路的通訊產(chǎn)品，多采用長(zhǎng)直形導(dǎo)體的單極天線(monopole antenna)設(shè)計(jì)；由于此等天線設(shè)計(jì)于雙頻操作時(shí)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積較大，因此實(shí)用價(jià)值有限。再者，此等天線設(shè)計(jì)通常需要外加匹配電路才能達(dá)成良好匹配，使得制作成本較高。
另一方面，由于較高頻的無線信號(hào)(如5.2GHz)傳播時(shí)容易受地形地物等環(huán)境因素影響而迅速衰減，因此高頻信號(hào)的傳輸距離與信號(hào)品質(zhì)將大受影響。故在無線通訊系統(tǒng)的應(yīng)用中，除了考慮天線是否能提供雙頻操作的便利性之外，更應(yīng)該注意天線增益在高頻時(shí)是否能予以提升，使整個(gè)通訊系統(tǒng)在高頻操作時(shí)依然能提供良好的信號(hào)品質(zhì)，這是目前亟待努力的方向。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的就是在提供一種雙頻單極天線，以降低制作成本。
本發(fā)明的另一目的就是在提供一種雙頻單極天線，使其具有雙頻操作及高天線增益的特點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的目的，提出一種雙頻單極天線，此裝置的簡(jiǎn)述如下雙頻單極天線可采用微波基板加以制作，并利用印刷或蝕刻等技術(shù)將輻射元件成形于微波基板的表面。輻射元件可由中央輻射體及數(shù)個(gè)輻射臂組合而成，中央輻射體用以產(chǎn)生一諧振模態(tài)，輻射臂則用以產(chǎn)生另一諧振模態(tài)，使雙頻單極天線可操作于兩個(gè)不同的頻率。在實(shí)際應(yīng)用上，可將每一輻射臂對(duì)稱設(shè)置且夾靠于中央輻射體相對(duì)應(yīng)的兩側(cè)邊，并借由輻射臂與中央輻射體之間的電磁耦合效應(yīng)使諧振模態(tài)的阻抗匹配良好。此外，設(shè)置多數(shù)個(gè)輻射臂可強(qiáng)化天線的輻射場(chǎng)型，達(dá)到提高天線增益的目的。
為讓本發(fā)明的上述目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉一較佳實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下。


圖1所示為依照本發(fā)明一較佳實(shí)施例所提供的一種雙頻單極天線示意圖。
圖2所示為圖1中輻射元件的組成示意圖。
圖3所示為圖1中雙頻單極天線的返回?fù)p失(return loss)測(cè)量結(jié)果。
圖4所示為圖1中雙頻單極天線操作于2.4GHz頻帶的天線增益測(cè)量結(jié)果。
圖5所示為圖1中雙頻單極天線操作于5.2GHz頻帶的天線增益測(cè)量結(jié)果。
圖6所示為圖1的輻射元件的一種變形。
圖7所示為圖1的輻射元件的另一種變形。標(biāo)號(hào)說明10微波基板11雙頻單極天線21，22，23諧振模態(tài)110中央輻射體133，135輻射臂150微帶線610中央輻射體
710中央輻射體713，715輻射臂Gnd接地面具體實(shí)施方式
請(qǐng)參照?qǐng)D1，其所示為依照本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例所提供的一種雙頻單極天線示意圖。雙頻單極天線11可利用微波基板10加以制作，其中輻射元件100可借由蝕刻或印刷等技術(shù)形成于微波基板10的表面，用以產(chǎn)生兩個(gè)不同的諧振模態(tài)，使天線能操作于兩個(gè)不同的頻率。在信號(hào)傳輸方面，若設(shè)計(jì)時(shí)采用微帶線(microstrip line)作為傳輸線(transmission line)，則可于微波基板10的正面設(shè)置與輻射元件100相連的微帶線150，而在微波基板10的背面設(shè)置與微帶線150相對(duì)應(yīng)的接地面Gnd。當(dāng)然亦可利用其他類型的傳輸線連接至輻射元件100以傳輸天線信號(hào)，例如共平面波導(dǎo)(coplanarwaveguide，CPW)或同軸電纜(coaxial cable)等，為業(yè)內(nèi)人士可推知。
接著請(qǐng)參照?qǐng)D2，其所示為輻射元件100的組成。輻射元件100可包括中央輻射體110及輻射臂133，135，中央輻射體110用以產(chǎn)生第一操作頻率的諧振模態(tài)，而輻射臂133，135用以產(chǎn)生第二操作頻率的諧振模態(tài)。設(shè)計(jì)時(shí)，可以讓中央輻射體110的長(zhǎng)度大于輻射臂133，135的長(zhǎng)度，使中央輻射體110諧振在較低的頻率。以無線區(qū)域網(wǎng)路的應(yīng)用為例，由于天線必須具有2.4GHz及5.2GHz兩個(gè)操作頻率，故可令中央輻射體110的長(zhǎng)度約為2.4GHz的1/4波長(zhǎng)，而輻射臂133，135的長(zhǎng)度各約為5.2GHz的1/4波長(zhǎng)。需要注意的是，輻射臂133與輻射臂135是對(duì)稱設(shè)置，且具有一特定角度的折彎，使兩輻射臂能夾靠于中央輻射體110相對(duì)應(yīng)的兩側(cè)邊，以產(chǎn)生電磁耦合效應(yīng)。以圖2為例，中央輻射體110為矩形結(jié)構(gòu)，故輻射臂133與輻射臂135需要約90度的折彎，使輻射臂133與輻射臂135分別夾靠于中央輻射體110的左側(cè)與右側(cè)。因輻射臂133，135與中央輻射體110的距離相當(dāng)接近(但不可直接接觸)，故輻射元件100被激發(fā)時(shí)，輻射臂133，135與中央輻射體110之間便可形成電磁耦合效應(yīng)，使諧振模態(tài)的阻抗匹配的更加完美。
借由電磁耦合效應(yīng)使阻抗匹配良好是十分重要的條件。由于中央輻射體110與輻射臂133，135是共用相同的信號(hào)饋入點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須使中央輻射體110與輻射臂133，135同時(shí)達(dá)到良好的阻抗匹配，天線才具有雙頻操作的特點(diǎn)；為使中央輻射體110與輻射臂133，135均匹配良好，電磁耦合是必要的條件之一。換句話說，若輻射臂133，135與中央輻射體110的距離大至能量無法耦合，便不能使中央輻射體110與輻射臂133，135同時(shí)達(dá)到阻抗匹配良好。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，若電磁耦合效應(yīng)不存在，則中央輻射體110阻抗匹配時(shí)輻射臂133，135的阻抗匹配特性變差，使得第一諧振模態(tài)的操作頻寬變小。或輻射臂133，135阻抗匹配時(shí)中央輻射體110的阻抗匹配特性較差，使得第二諧振模態(tài)的操作頻寬減小。如此一來，天線就無法同時(shí)操作在兩個(gè)阻抗匹配良好的諧振模態(tài)。
另一方面，為使天線具有高增益(gain)的操作特性，設(shè)置多數(shù)個(gè)(兩個(gè)或以上)輻射臂是必要的。輻射臂133與輻射臂135可對(duì)稱設(shè)置且朝相同的方向(以圖2為例即y方向)延伸，使輻射場(chǎng)型在方位角平面均接近全向性(omnidirectional)。由于本發(fā)明不需加入額外的匹配電路即可得到良好的阻抗匹配，因此能以低廉的制作成本制作出雙頻天線。
綜觀以上所述，為使天線具有雙頻操作及高增益的特點(diǎn)，必須同時(shí)具備兩個(gè)條件其一，必須設(shè)置多數(shù)個(gè)輻射臂，以強(qiáng)化輻射場(chǎng)強(qiáng)度；其二，這些輻射臂必須與中央輻射體之間存在電磁耦合效應(yīng)。
圖3為雙頻單極天線11的返回?fù)p失(return loss)測(cè)量結(jié)果。微波基板10的相對(duì)介電系數(shù)約為4.4，厚度約為0.4mm，長(zhǎng)度約為57mm。中央輻射體110的長(zhǎng)度約為25mm，被激發(fā)時(shí)可產(chǎn)生諧振模態(tài)21及諧振模態(tài)23，諧振模態(tài)21所對(duì)應(yīng)的操作頻率約為2.4GHz，諧振模態(tài)23為諧振模態(tài)21的二倍頻模態(tài)。另一方面，輻射臂133與輻射臂135的長(zhǎng)度約為13mm，被激發(fā)時(shí)可產(chǎn)生諧振模態(tài)22，所對(duì)應(yīng)的操作頻率約為5.2GHz。在頻寬方面，以電壓駐波比(voltage standing wave ratio，VSWR)等于1.5或14dB返回?fù)p失阻抗頻寬的定義，操作于2.4GHz時(shí)頻寬為112MHz，操作于5.2GHz的頻寬為310MHz，分別滿足無線區(qū)域網(wǎng)路系統(tǒng)于2.4GHz(2.4～2.484GHz)及5.2GHz(5.15～5.35GHz)的操作頻寬要求。
圖4為雙頻單極天線11操作于2.4GHz頻帶的天線增益測(cè)量結(jié)果，顯示出天線增益最高可達(dá)2.1dBi。圖5為雙頻單極天線11操作于5.2GHz頻帶的天線增益測(cè)量結(jié)果，顯示出天線增益最高可達(dá)5.7dBi。由圖4及圖5可以看出，本發(fā)明所提出的雙頻單極天線除具備雙頻操作的特點(diǎn)外，高頻操作時(shí)更具有高增益的特性。
當(dāng)然，只要中央輻射體與輻射臂的相對(duì)關(guān)系滿足上文所提及的條件，中央輻射體及輻射臂的外觀有些許變形是被允許的。例如圖6的中央輻射體610的寬度呈線性(1inear)遞增，圖7的中央輻射體710的寬度呈步階式(step)遞增，輻射臂713，715的寬度呈線性遞增，均不影響本發(fā)明的可實(shí)施性。抑或是輻射臂713，715的寬度亦呈步階式遞增，或于中央輻射體及輻射臂的邊緣或內(nèi)部設(shè)置開槽(slot)或切口(slit)以縮小產(chǎn)品尺寸，都是可行的方案，仍不脫離本發(fā)明的精神。
本發(fā)明上述實(shí)施例所披露的雙頻單極天線，于達(dá)成2.4GHz及5.2GHz的雙頻帶操作下，天線寬度僅約為12mm，與一般長(zhǎng)直形導(dǎo)體的單極天線接近，非常適合提供相關(guān)無線區(qū)域網(wǎng)路系統(tǒng)的雙頻帶操作。此外，本發(fā)明天線于方位角平面上的輻射場(chǎng)型非常接近于全方向性，且天線的兩個(gè)操作頻帶內(nèi)均有良好的天線增益表現(xiàn)，低頻與高頻的天線增益分別約為2.1dBi與5.7dBi，非常適合應(yīng)用于現(xiàn)今的無線區(qū)域網(wǎng)路系統(tǒng)的基地臺(tái)(base station oraccess point)上。
單極天線通常被使用在體積小的無線通訊產(chǎn)品上，由于單極天線利用四分之一操作波長(zhǎng)來諧振的原理，比起偶極(dipole)天線所使用的二分之一波長(zhǎng)的諧振長(zhǎng)度減少一半，故單極天線被廣泛地應(yīng)用在輕薄短小的無線通訊產(chǎn)品上。
在過去傳統(tǒng)的技術(shù)里，單極天線是以絕緣的介質(zhì)材料來包覆長(zhǎng)直形的金屬導(dǎo)體所形成，故在外觀上多為長(zhǎng)直的柱狀體，除了體積較大之外，制造成本也較為昂貴。本發(fā)明中除了提出一種制作成本十分低廉的平面單極天線外，并提供雙頻帶操作以及維持天線長(zhǎng)度在四分之一波長(zhǎng)不變的情形下，使天線可以擁有高增益特性的設(shè)計(jì)，來改進(jìn)傳統(tǒng)柱狀偶極天線設(shè)計(jì)在雙頻帶操作的不實(shí)用特性以及需要使用增加天線長(zhǎng)度的方式來提升天線增益等的諸多缺點(diǎn)。
綜上所述，雖然本發(fā)明已以一優(yōu)選實(shí)施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何業(yè)內(nèi)人士，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視后附的權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種雙頻單極天線，包括一微波基板；一輻射元件，形成于該微波基板的表面，用以產(chǎn)生一第一諧振模態(tài)及一第二諧振模態(tài)，使該雙頻單極天線具有一對(duì)應(yīng)于該第一諧振模態(tài)的第一操作頻率以及一對(duì)應(yīng)于該第二諧振模態(tài)的第二操作頻率，該輻射元件包括一中央輻射體，用以產(chǎn)生該第一諧振模態(tài)；及多個(gè)輻射臂，用以產(chǎn)生該第二諧振模態(tài)，該些輻射臂是對(duì)稱設(shè)置且夾靠于該中央輻射體相對(duì)應(yīng)的兩側(cè)邊，以令該些輻射臂與該中央輻射體間產(chǎn)生電磁耦合(electromagnetic coupling)效應(yīng)，其中該些輻射臂是朝相同的方向延伸；以及一傳輸線，耦接至該中央輻射體及該些輻射臂以傳輸天線信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的雙頻單極天線，其中該第一操作頻率低于該第二操作頻率。
3.如權(quán)利要求2所述的雙頻單極天線，其中該第一操作頻率約為2.4GHz，該第二操作頻率約為5.2GHz。
4.如權(quán)利要求1所述的雙頻單極天線，其中該中央輻射體的長(zhǎng)度約為該第一操作頻率所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的四分之一。
5.如權(quán)利要求1所述的雙頻單極天線，其中該些輻射臂的長(zhǎng)度約為該第二操作頻率所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的四分之一。
6.如權(quán)利要求1所述的雙頻單極天線，其中該傳輸線是微帶線(microstrip line)。
7.如權(quán)利要求1所述的雙頻單極天線，其中該傳輸線是同軸電纜(coaxial cable)。
8.如權(quán)利要求1所述的雙頻單極天線，其中該傳輸線是共平面波導(dǎo)(coplanar waveguide)。
9.如權(quán)利要求1所述的雙頻單極天線，其中該中央輻射體為矩形。
10.如權(quán)利要求1所述的雙頻單極天線，其中該中央輻射體的寬度呈步階式(step)遞增。
11.如權(quán)利要求1所述的雙頻單極天線，其中該中央輻射體的寬度呈線性(linear)遞增。
12.如權(quán)利要求1所述的雙頻單極天線，其中該些輻射臂的寬度固定。
13.如權(quán)利要求1所述的雙頻單極天線，其中該些輻射臂的寬度呈線性遞增。
全文摘要
一種雙頻單極天線，包括微波基板、輻射元件及傳輸線。輻射元件可由中央輻射體及數(shù)個(gè)輻射臂組合而成，中央輻射體用以產(chǎn)生一諧振模態(tài)，輻射臂則用以產(chǎn)生另一諧振模態(tài)，使雙頻單極天線可操作于兩個(gè)不同的頻率。在實(shí)際應(yīng)用上，可將每一輻射臂對(duì)稱設(shè)置且夾靠于中央輻射體相對(duì)應(yīng)的兩側(cè)邊，并借由輻射臂與中央輻射體之間的電磁耦合效應(yīng)使阻抗匹配良好。此外，設(shè)置多數(shù)個(gè)輻射臂可強(qiáng)化天線的輻射特性，達(dá)到提高天線增益的目的。
文檔編號(hào)H01Q13/08GK1474478SQ0212773
公開日2004年2月11日 申請(qǐng)日期2002年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月7日
發(fā)明者方士庭, 董浩鈞, 翁金輅 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院