專利名稱：一種超寬頻短路偶極天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種偶極天線，特別是關(guān)于一種可應(yīng)用于無線通信頻帶的超 寬頻短路偶極天線。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今無線通信頻語上已布滿著許多商業(yè)無線通信系統(tǒng)應(yīng)用頻帶，如 AMPS (Advanced Mobile Phone System, 824 ~ 894 MHz)、 GSM (Global System for Mobile Communication, 880 — 960 MHz)、 DCS (Digital Communication System, 1710— 1880 MHz)、 PCS (Personal Communication Services, 1850 ~ 19卯MHz)、 UMTS (Universal Mobile Telecommunication System, 1920 — 2170 MHz)、 WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave access, 2500 ~ 2690 MHz， 3400 ~ 3700 MHz, 5250 ~ 5850 MHz)等。因此配備較好的汽車、公共汽 車等各種交通工具配備有整合多種商業(yè)無線通信應(yīng)用服務(wù)的功能已成為必然的趨勢。而若要達成此一目的，單一交通工具除了必須設(shè)計多通信模塊外， 更必須配置著多天線系統(tǒng)。而多天線系統(tǒng)往往意味著必須同時具備多條同軸 信號傳輸線、多天線制作成本、多天線擺放空間的浪費以及多電磁干擾等種 種問題需要解決。對于上述這些多天線系統(tǒng)所面臨的問題，中國臺灣專利第574771號已 公開一種"多頻段單一輸入復(fù)合式繞線天線"，是利用具有多個諧振路徑的 天線來達到多系統(tǒng)無線通信需求；然而天線的整體結(jié)構(gòu)便相形復(fù)雜且大幅增 加尺寸。美國專利第4,843,403號"寬頻截角天線(Broad-band Notch Antenna)",其亦公開一種寬頻類似偶極天線的天線結(jié)構(gòu)，但若要設(shè)計成操作 在較低頻帶時，其天線尺寸同樣過大，在實際應(yīng)用上較不適合貼置于車窗上 或隱藏于汽車保險杠之中，并且難以完全于諧振頻帶內(nèi)均達成良好的阻抗匹 配。此外，美國專利第6,975,281號"縮小尺寸的介質(zhì)負載螺旋天線(Reduced Size Dielectric Loaded Spiral Antenna)",其公開一種傳統(tǒng)超寬頻螺旋天線，以 利用負載多層介質(zhì)的方式來減少天線尺寸的設(shè)計。然而螺旋天線除了結(jié)構(gòu)復(fù)雜以外，其在信號饋入部分更需要額外使用一平衡轉(zhuǎn)換器(Balun)來達成優(yōu)選 的阻抗匹配；再加上額外負載的多層介質(zhì)，這些均提高了天線的制作成本。 因此，如何因應(yīng)多系統(tǒng)無線通信的需求且突破上述該些天線設(shè)計于實際 應(yīng)用時所遭遇到的瓶頸，實為目前業(yè)界欲積極解決的i果題。發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本發(fā)明的目的就是提供一種創(chuàng)新的超寬頻短路偶極天線設(shè) 計，其不僅可于無線通信頻帶產(chǎn)生一涵蓋820-7350 MHz(頻率比值約為9:1) 的超寬頻阻抗頻寬，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、可與平面物體結(jié)合、制作容易且制 作成本低的優(yōu)點，因此相當適合安裝于室內(nèi)、室外或交通工具上來作為無線 通信頻帶的信號接收天線。根據(jù)本發(fā)明的目的，提出一種超寬頻短路偶極天線，包括一同軸傳輸線 以及二個形狀大致相同的第 一與第二開口環(huán)形輻射金屬片。該同軸傳輸線具 有一中心導(dǎo)線以及一外層接地導(dǎo)體。該二個形狀大致相同的第一與第二開口 環(huán)形輻射金屬片，大致對稱配置在該天線的兩側(cè)，形成該天線的兩臂，且該 第 一與第二開口環(huán)形輻射金屬片彼此電性連接，并均具有一信號饋入點電性連接至該同軸傳輸線的中心導(dǎo)體或外層接地導(dǎo)體。根據(jù)本發(fā)明的目的，提出一種超寬頻短路偶極天線，包括介質(zhì)基板、二 輻射金屬片、至少一導(dǎo)體元件以及同軸傳輸線。二輻射金屬片的形狀實質(zhì)上 相同，各輻射金屬片具有一信號饋入點及一開口。 二輻射金屬片對稱地配置 在介質(zhì)基板上，使得二開口方向相反且二信號饋入點相鄰地位于二開口之 間。導(dǎo)體元件則電性連接于二輻射金屬片之間，同軸傳輸線用以耦接二信號 饋入點。本發(fā)明的實驗結(jié)果顯示，本發(fā)明天線可于無線通信頻帶產(chǎn)生一頻率比值 約為9:1的超寬頻阻抗頻寬，且天線輻射場型與天線增益可符合無線通信頻 帶信號接收的實際應(yīng)用。在本項設(shè)計中，我們除了借由使用二個簡單開口環(huán) 形輻射金屬片來構(gòu)成偶極天線的兩臂，達成延長天線諧振電流路徑而使天線 尺寸縮小的目的之外，更借由使用一個或多個簡單短路金屬細片電性連接該 兩個簡單開口環(huán)形輻射金屬片所組成的偶極天線，來調(diào)整天線的阻抗匹配， 使得本發(fā)明天線得以于無線通信頻帶達成一超寬頻阻抗頻寬。而在實際應(yīng)用 時同軸傳輸線可置放于該二個開口環(huán)形輻射金屬片所環(huán)繞的無金屬片區(qū)域以及其開口之中，進而避免同軸傳輸線影響天線輻射特性。由于本發(fā)明天線 具有結(jié)構(gòu)簡單、可與平面物體結(jié)合、制作容易且制作成本低的優(yōu)點，因此相 當適合安裝于室內(nèi)、室外或交通工具內(nèi)作為無線通信頻帶的信號接收天線。 為讓本發(fā)明的上述目的、特征、和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉一優(yōu)選實施例，并配合附圖，作詳細說明如下


圖1所示為依照本發(fā)明第一實施例的超寬頻短路偶極天線的結(jié)構(gòu)圖。 圖2所示為第一實施例的超寬頻短路偶極天線1的返回損失(returnloss)測量圖。圖3至圖5分別示出第一實施例的超寬頻短路偶極天線1在1000 MHz、 4000 MHz與6000 MHz的輻射場型圖。圖6所示為第一實施例的超寬頻短路偶極天線l在其操作頻帶內(nèi)的天線增益圖。圖7所示為依照本發(fā)明第二實施例的超寬頻短路偶極天線的結(jié)構(gòu)圖。 圖8所示為依照本發(fā)明第三實施例的超寬頻短路偶極天線的結(jié)構(gòu)圖。 圖9所示為第三實施例的超寬頻短路偶極天線3的返回損失測量圖。 主要元件符號說明I, 2,3:超寬頻短路偶極天線II, 71,81:第一開口環(huán)形輻射金屬片 12,72,82:第二開口環(huán)形輻射金屬片 U2，122,712，722，812，822:開口III, 121，711，721，811，821:信號々貴入點 113,114,123，124，713,714，723,724,813,814:短路點 13,73,83:同軸傳輸線131,731,831:同軸傳輸線的中心導(dǎo)體 132,732,832:同軸傳輸線的外層接地導(dǎo)體 14,15,74,75,84:短路金屬細片 70:介質(zhì)基版具體實施方式
第一實施例請參照圖1，其所示為依照本發(fā)明第一實施例的超寬頻短路偶極天線的結(jié)構(gòu)圖。超寬頻短路偶極天線1包括 一同軸傳輸線13以及二個形狀大致 相同的第一與第二開口環(huán)形輻射金屬片11及12。同軸傳輸線13具有一中心 導(dǎo)線131以及一外層接地導(dǎo)體132。第一與第二開口環(huán)形輻射金屬片11及 12分別具有信號饋入點111及121與開口 112及113，且大致對稱地配置在 超寬頻短路偶極天線1的兩側(cè)，形成超寬頻短路偶極天線1的兩臂。如圖l所示，第一與第二開口環(huán)形輻射金屬片11及12的對稱配置方式 使得兩開口 112及122方向相反且信號饋入點111及121相鄰地位于兩開口 112及122之間。同軸傳輸線13的中心導(dǎo)線131及外層接地導(dǎo)體132則分別 耦接信號饋入點111及121。此外，在本實施例中，使用兩個短路金屬細片 14及15作為導(dǎo)體元件來電性連接于兩開口環(huán)形輻射金屬片11及12之間， 其材質(zhì)則可別于輻射金屬片或與輻射金屬片以前述切割金屬片的制作方式 一體成形。在圖1中，兩個短路金屬細片14及15并分別位于信號饋入點111 及121的兩側(cè)，如短路金屬細片14電性連接第一開口環(huán)形輻射金屬片11的 短路點113及第二開口環(huán)形輻射金屬片12的短路點123，而短路金屬細片 15則電性連接第一開口環(huán)形輻射金屬片11的短路點114及第二開口環(huán)形輻 射金屬片12的短路點124。借此來增加天線的電感性，以抵消第一與第二開 口環(huán)形輻射金屬片11及12相鄰邊之間的電容效應(yīng)進而調(diào)整超寬頻短路偶極 天線1的阻抗匹配，使得超寬頻短路偶極天線1得以達成一超寬頻阻抗頻寬。兩開口 112及113的設(shè)計可延長第一與第二開口環(huán)形輻射金屬片11、 12 上的天線諧振電流路徑而加以縮小天線尺寸。再者，在實際應(yīng)用時，同軸傳 輸線13也可置放于開口 112或113中(在圖1中為開口 122)，或者超寬頻 短路偶極天線1中其他無金屬片區(qū)域，借此避免同軸傳輸線13影響天線輻 射特性的情況發(fā)生。以下再詳細說明本實施例的超寬頻短路偶極天線1的尺 寸設(shè)計，及其天線特性。請參照圖2,其所示為第一實施例的超寬頻短路偶極天線1的返回損失 (returnloss)測量圖。本實施例選擇下列尺寸進行實驗測量超寬頻短路偶極天線1的總寬度約為170mm (如圖1中兩短路金屬細 片14及15的間距)、總長度約為109mm。信號饋入點111 ( 121)沿著第一 (第二)開口環(huán)形輻射金屬片11 (12)左右任一側(cè)路徑至開口 112 (122)的總^各徑長度約為125mm, JU言號々赍入點111及121的間3巨約為2mm。兩 短路金屬細片14及15的長度約為30 mm、寬度約為2 mm,如前述對稱配 置在信號饋入點111及121的右側(cè)與左側(cè)。右側(cè)的短路點113及123以及左 側(cè)的短路點114及124均距離信號饋入點111及121約85 mm。此外，自信號饋入點111及121至右側(cè)的短路點113及123 (或至左側(cè) 的短路點114及124),之間的部分為一寬度變化介于10-35 mm的漸寬結(jié) 構(gòu)。而第一 (第二)開口環(huán)形輻射金屬片11 ( 12)的右側(cè)與左側(cè)至開口轉(zhuǎn)彎 處至開口 112 (122)之間的部分為一寬度為20 mm的等寬結(jié)構(gòu)(如圖1的 虛框范圍所示)。在圖2中，縱軸表示天線返回損失值，橫軸表示天線操作頻率。由返回 損失的測量結(jié)果可以觀察到，采用上述尺寸設(shè)計的超寬頻短路偶極天線1在 2.5:1 VSWR( Voltage Standing Wave Ratio,駐波比)的返回損失定義(約7.35 dB)下，其操作頻帶可涵蓋約820-7350 MHz的超寬頻頻寬(頻率比值約為 9:1)，且返回損失位準能夠滿足移動通信信號接收的實際應(yīng)用需求。請參照圖3至圖5,其分別示出第一實施例的超寬頻短路偶極天線1在 1000 MHz、 4000MHz與6000 MHz的輻射場型圖。如圖3至圖5所示，超 寬頻短路偶極天線1能夠滿足移動通信信號接收的實際應(yīng)用場型需求，且隨 著操作頻率升高，其輻射場型旁波瓣數(shù)逐漸增加的特性與傳統(tǒng)偶極天線相 同。請參照圖6,其所示為第一實施例的超寬頻短路偶極天線1于其操作頻 帶內(nèi)的天線增益圖。在圖6中，縱軸表示天線增益，橫軸表示天線操作頻率。 如圖6所示，在500 ~ 7500 MHz之間的天線增益約介于2.5 ~ 5.5 dBi之間，其滿足移動通信信號接收的實際應(yīng)用增益需求。 第二實施例請參照圖7，其所示為依照本發(fā)明第二實施例的超寬頻短路偶極天線的 結(jié)構(gòu)圖。與第一實施例不同之處在于，第二實施例的超寬頻短路偶極天線2 其第 一與第二開口環(huán)形輻射金屬片71及72是以蝕刻或印刷方式形成在介質(zhì) 基板70上；此外，并^L制造考慮或?qū)嶋H應(yīng)用而調(diào)整兩開口環(huán)形輻射金屬片 71及72的外形(天線整體呈一矩形，別于第一實施例的兩側(cè)弧度設(shè)計)與 開口 712及722的內(nèi)緣形狀。借由開口 712及722與短路金屬細片74及75 的設(shè)計，同樣能延長天線諧振電流路徑而達成天線尺寸縮小的目的，且能增加天線的電感性以抵消兩開口環(huán)形輻射金屬片71及72相鄰邊之間的電容效 應(yīng)，進而調(diào)整天線的阻抗匹配。因此超寬頻短路偶極天線2也能具有如第一 實施例所述的阻抗頻寬與輻射特性。 第三實施例請參照圖8，其所示為依照本發(fā)明第三實施例的超寬頻短路偶極天線的 結(jié)構(gòu)圖。相較于圖1,超寬頻短路偶極天線3僅使用單一短路金屬細片84 來調(diào)整天線的阻抗匹配外，其他結(jié)構(gòu)皆與第一實施例相同。因此，超寬頻短 路偶極天線3也能具有如第一實施例的阻抗頻寬與輻射特性。請參照圖9，其所示為第三實施例的超寬頻短路偶極天線3的返回損失 測量圖。在圖9中，縱軸表示天線返回損失值，橫軸表示天線操作頻率。由 返回損失的測量結(jié)果可以觀察到，超寬頻短路偶極天線3除了在1.5 GHz附 近的返回損失值稍高于2.5:1 VSWR下的返回損失標準以夕卜，在其他約800 ~ 7500 MHz頻帶區(qū)間內(nèi)的返回損失值均能滿足2.5:l VSWR下的返回損失標 準，因此亦能夠滿足移動通信信號接收的實際應(yīng)用需求。綜合上述的說明，本發(fā)明的超寬頻短路偶極天線使用二個簡單開口環(huán)形 輻射金屬片來構(gòu)成偶極天線的兩臂，達成延長天線諧振電流路徑而使天線尺 寸縮小，且因此于實際應(yīng)用時同軸傳輸線可置放于任一開口環(huán)形輻射金屬片 所環(huán)繞的無金屬片區(qū)域以及其開口中，而避免同軸傳輸線影響天線輻射特 性。此外，本發(fā)明的超寬頻短路偶極天線更使用一個或多個簡單短路金屬細 片來電性連接該兩個開口環(huán)形輻射金屬片以調(diào)整天線的阻抗匹配，并使得超 寬頻短路偶極天線得以于無線通信頻帶達成頻率比值大于9:1的超寬頻阻抗 頻寬。當然，所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者亦可以明了，短路金屬細片的 數(shù)量及連接位置可適當變化以取得所需的阻抗匹配?；蛘撸缜笆鰣D1的兩 開口環(huán)形輻射金屬片11及12的相鄰邊的漸寬結(jié)構(gòu)(或相鄰邊所形成的夾角) 也能作變化來調(diào)整天線阻抗匹配，改變等寬結(jié)構(gòu)的長度則能進一步調(diào)整天線 最低諧振頻率而達到尺寸縮小化的目的。如此一來，本發(fā)明的超寬頻短路偶 極天線結(jié)構(gòu)簡單、可與平面物體結(jié)合、具隱藏與節(jié)省空間的優(yōu)點、制作容易 且制作成本低，因此相當適合安裝于室內(nèi)、室外或交通工具內(nèi)作為無線通信 頻帶的信號接收天線，功能明確。因此本發(fā)明天線甚具高度產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價值， 足以符合發(fā)明的范疇。綜上所述，雖然本發(fā)明已以一優(yōu)選實施例公開如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作各 種的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當視權(quán)利要求書所界定者為準。
權(quán)利要求
1. 一種超寬頻短路偶極天線，包括一同軸傳輸線，具有一中心導(dǎo)線以及一外層接地導(dǎo)體；以及二個形狀大致相同的第一與第二開口環(huán)形輻射金屬片，大致對稱配置在該天線的兩側(cè)，形成該天線的兩臂，且該第一及第二開口環(huán)形輻射金屬片彼此電性連接，并均具有一信號饋入點電性連接至該同軸傳輸線的該中心導(dǎo)體或該外層接地導(dǎo)體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬頻短路偶極天線，其中該第一與第二開口 環(huán)形輻射金屬片借由 一個短路金屬細片彼此電性連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬頻短路偶極天線，其中該第一與第二開口 環(huán)形輻射金屬片借由多個短路金屬細片彼此電性連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬頻短路偶極天線，其中該第一與第二開口 環(huán)形輻射金屬片由金屬片切割制作形成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬頻短路偶極天線，其中該第一與第二開口 環(huán)形輻射金屬片由蝕刻或印刷技術(shù)形成在一介質(zhì)基板上。
6. —種超寬頻短路偶極天線，包括 一介質(zhì)基板；形狀實質(zhì)上相同的二輻射金屬片，各該輻射金屬片具有一信號饋入點及 一開口，該二輻射金屬片對稱地配置在該介質(zhì)基板上，使得該二開口方向相 反且該二信號饋入點相鄰地位于該二開口之間；至少一導(dǎo)體元件，電性連接于該二輻射金屬片之間；以及一同軸傳輸線，用以耦接該二信號饋入點。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的超寬頻短路偶極天線，還包括多個該導(dǎo)體元 件，分別位于該二信號饋入點的兩側(cè)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的超寬頻短路偶極天線，其中該二輻射金屬片是 以蝕刻或印刷方式形成在該介質(zhì)基板上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的超寬頻短路偶極天線，其中該導(dǎo)體元件與該二 輻射金屬片一體成形。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的超寬頻短路偶極天線，其中該同軸傳輸線鋪 設(shè)在該二開口的其中一者內(nèi)。
全文摘要
一種超寬頻短路偶極天線，包括一同軸傳輸線以及二個形狀大致相同的第一與第二開口環(huán)形輻射金屬片。該同軸傳輸線，具有一中心導(dǎo)線以及一外層接地導(dǎo)體；該二個形狀大致相同的第一與第二開口環(huán)形輻射金屬片，大致對稱配置在該天線的兩側(cè)，形成該天線的兩臂，且該第一與第二開口環(huán)形輻射金屬片彼此電性連接，并均具有一信號饋入點電性連接至該同軸傳輸線的中心導(dǎo)體或外層接地導(dǎo)體。
文檔編號H01Q9/04GK101246988SQ200710005770
公開日2008年8月20日 申請日期2007年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月13日
發(fā)明者李偉宇, 翁金輅, 蘇紹文 申請人:中山大學(xué);光寶科技股份有限公司