可增加頻寬的微帶天線的製作方法
2023-07-26 07:08:16
專利名稱：可增加頻寬的微帶天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微帶天線，更具體地說，涉及一種可利用印刷電路板的製作技術，將金屬微帶及接地板直接製作在一電路板上，以有效降低微帶線在饋入電波訊號時所產生的電感效應，並可增加頻寬的微帶天線。
背景技術：
在目前被廣泛使用的無線電子產品中，天線是一種極為重要且不可缺少的元件，其主要功能是將電子產品中所產生的微波訊號輻射到空氣中，或是將空氣中的微波訊號接收進入到電子產品的系統中，因此，該等電子產品中所使用的天線品質如何，或天線特性是否匹配，均將對所發出或所接收到的微波訊號產生極大的影響，並將影響到該等電子產品中射頻電路及數字電路的設計效能。故，該等無線電子產品的設計及製造廠家，在設計天線或將天線安裝至產品上時，必須格外注意天線的輻射效能，以免對產品系統產生影響。
在該等電子產品中，較常被應用的天線，根據結構及特性的不同，大致可區分成下列三種(1)微帶天線(patch antenna)，如圖1所示，該微帶天線10的最常見設計是以陶瓷材料(ceramic material)作為基材(substrate)，並利用事先做好的模具，通過成型機製造出一陶瓷板，再經燒結後，獲得基板11，在該基板11的上、下表面分別利用網版印刷及蝕刻方式印製一呈方形或矩形的輻射金屬片(patch)12及一接地金屬面(ground plane)13，並利用一饋入針(feed pin)14在依序貫穿輻射金屬片(patch)12及基板11後，與一電波訊號饋入線15(如一同軸電纜線)相連接，從而在輻射金屬片12與接地金屬面13之間形成共振腔，產生高頻電磁場，並通過輻射金屬片12的四周與該接地金屬面13間的縫隙向外輻射出去。由於，這種微帶天線10具有體積小、結構堅固的特性，再加上陶瓷的高介電係數及低溫度係數，對於溫度的穩定性極高，且具有功率損失低等優點，可適用於不同的氣候環境。現今使用在全球定位系統或GSM行動電話等商品中的陶瓷基板微帶天線(ceramic patch antenna)，就是這種微帶天線10的一具體實施例。然而由於這種微帶天線10的製程較為繁雜，導致其成本高居不下，且用一般同軸電纜線作為電波訊號的饋入線15，不僅在安裝上較費時費工，同時還因需設置一支饋入針14，並通過焊接方式將其固定在輻射金屬片12及基板11上，因此，極易因焊接點不一致而造成天線品質不穩定。
(2)以微帶天線作為饋入線的微帶天線，如圖2所示，這種微帶天線20是以一般電路板作為基板21，並利用網板印刷及蝕刻技術，在基板21的上、下表面分別印製一呈方形或矩形的輻射金屬片(patch)22及一接地金屬面(ground plane)23，該輻射金屬片22在其一側緣鄰近中央位置處延伸有一微帶線24，該微帶線24延伸至基板21的邊緣，以作為微帶天線20的電波訊號饋入線，在輻射金屬片22上鄰近與微帶線24相連接的位置處沿微帶線24的兩側，分別開設有一縫隙221，通過該縫隙221使其上所通過的電流路徑W被迂迴化，進而使電流路徑W變長，以實現微帶天線20小型化的目的。然而，在輻射金屬片22上沿微帶線24兩側開設縫隙24的作法，會因其上電流需迂迴通過兩縫隙221側邊的二金屬片222，從而產生很強的電感效應，嚴重影響到微帶天線20的增益及頻寬，並使其頻寬無法增加。
(3)以共面波導(coplanar wave guide)方式饋入的微帶天線，如圖3所示，微帶天線30也是以一般電路作為基板31，並利用網版印刷及蝕刻技術，在基板31的上下表面分別印製一呈方形或矩形的輻射金屬片(patch)32及一接地金屬面(ground plane)33，同時，在該接地金屬面33上預留一空間331，在該空間331內印製一微帶線34，並使微帶線34的一端可以共面波導方式，以將電波訊號饋入至輻射金屬片32，這種天線由於其架構複雜，設計不易，故製作程序複雜，成本較高。
此外，微帶天線的設計及製造廠家，為了增加傳統微帶天線的頻寬，一般都是通過改變其架構，使微帶天線本身能共振出兩種以上的不同模態，以在相鄰的頻帶上創造出更多頻寬，但是這種作法不僅在設計上十分困難，即使設計完成，也可能因遷就現實的需要，而將其設計成尺寸更大的微帶天線，違反了輕、薄、短、小的設計趨勢。
有鑑於此，本發明中的創作者為了增加傳統微帶天線的頻寬，憑藉其多年從事相關行業的經驗與實踐，並經潛心研究與開發，終創造出一種可增加頻寬的微帶天線。
發明內容
為此，本發明中可增加頻寬的微帶天線主要是為了解決現有微帶天線所存在的上述缺陷。
本發明中可增加頻寬的微帶天線，包括一介電質基板；一金屬接地板，該金屬接地板以金屬微帶的型式製作在所述介電質基板的一側面上；一輻射金屬片，該輻射金屬片以金屬微帶的型式製作在所述介電質基板的另一側面上，其大小為小於所述介電質基板，且在其一側緣鄰近中央的位置處延伸設有一微帶線，該微帶線沿所述介電質基板的邊緣方向延伸，以作為微帶天線的電波訊號饋入線；其中在所述輻射金屬片鄰近與該微帶線相連接的位置處，沿該微帶線的單一側邊開設有一縫隙，通過該單一縫隙使微帶天線上所通過的電流路徑，僅有單邊被迂迴化。
最好，所述沿微帶線單一側邊所開設的縫隙設計成向該縫隙開口端呈漸擴的形狀，以有效控制電流通過該單邊縫隙一側金屬片的路徑，使其偏離與微帶線上的電流路徑。
另外，所述漸擴形狀可以是階梯狀的漸擴形狀，也可以弧狀的漸擴形狀。
本發明中可增加頻寬的微帶天線是利用沿微帶線單一側邊金屬片上所形成的縫隙，而大幅度降低微帶線在饋入電波訊號時所產生的電感效應，從而有效增加其頻寬，並通過簡單且易於製作的結構設計，來有效降低設計及生產成本。
另外，本發明中可增加頻的微帶天線通過改變微帶線單一側邊與輻射金屬片之間所形成的縫隙形狀與大小，來進一步改善微帶天線的匹配效果。
下面將結合附圖對本發明中的具體實施例作進一步詳細說明。
圖1是傳統微帶天線的立體外觀示意圖；圖2是傳統微帶線作為饋入線的微帶天線的立體外觀示意圖；圖3是傳統微帶線作為耦合饋入線的微帶天線的立體外觀示意圖；圖4是本發明中微帶天線較佳實施例一的平面示意圖；圖5是圖4中所示微帶天線的側視示意圖；圖6是本發明中微帶天線另一較佳實施例的立體外觀示意圖；圖7是本發明中微帶天線又一較佳實施例的立體外觀示意圖；圖8是圖4中所示微帶天線對應的實測數據示意圖；圖9是圖6中所示微帶天線對應的實測數據示意圖；圖10是圖7中所示微帶天線對應的實測數據示意圖；圖11是圖2中所示傳統微帶天線對應的實測數據示意圖。
具體實施例方式
如圖4和圖5所示，本發明中可增加頻寬的微帶天線是利用印刷電路的製作技術，即在製作微帶天線40時，直接將一輻射金屬片41及一金屬接地板42分別印製在一介電質基板43的兩側面上，其中，輻射金屬片41的大小為小於介電質基板43，且在該輻射金屬片41一側緣鄰近中央的位置處延伸設有一微帶線44，該微帶線44沿介電質基板43的邊緣方向延伸，作為微帶天線40的電波訊號饋入線。
在本發明的較佳實施例一中，如圖4和圖5所示，需特別注意的重要特徵是輻射金屬片41在鄰近與微帶線44相連接的位置處利用蝕刻技術，沿微帶線44的單一側邊開設有一縫隙411，藉助於該單一縫隙411使微帶天線40上所通過的電流路徑W，僅有單邊被迂迴化，利用該設計方式，不僅仍可使電流路徑W變長，以實現微帶天線40小型化的目的，同時，由於電流路徑W僅有單邊被迂迴化，因此，電流僅在迂迴通過單邊縫隙411一側的金屬片412時產生電感效應，至於縫隙411另側金屬片413上所通過的電流，則不會產生較強的電感效應，如此，可增加該微帶天線40的增益與頻寬。
本發明中微帶天線40的製作方式是在製作印刷電路板時，直接將輻射金屬片41、金屬接地板42、微帶線44及縫隙411等特徵一併製作在印刷電路板上，這樣不僅結構簡單，易於製作，且所製作出的微帶天線40也擁有較大的有效頻寬。此外，本發明在製作微帶天線40時也可依實際需求，通過調整縫隙411的形狀及大小來控制電流通過單邊縫隙411一側金屬片412時的路徑W，進而控制所產生的電感效應，以增加微帶天線40的增益及頻寬，使其符合產品的規格需求。
因此，在本發明的另一較佳實施例中，如圖6所示，可將前述較佳實施例中沿微帶線44單一側邊所開設的縫隙411，根據實際上對微帶天線40的增益及頻寬的規格要求，將縫隙411的形狀及大小設計成向該縫隙411開口端呈漸擴的形狀，以有效控制電流通過單邊縫隙411一側金屬片412的路徑W，使其偏離微帶線44上的電流路徑，以有效降低其間電感效應對電波饋入訊號的影響，使頻寬增加，從而得到更佳的匹配效果。
本發明還可根據前述二最佳實施例的設計條件，分別製作三個大小形狀相同的微帶天線40，如圖4、圖6和圖7所示，其中微帶天線40均是在微帶線44的單一側邊開設一縫隙411，其不同之處是圖4中所示的微帶天線40的縫隙411呈一長條形，圖6中所示的微帶天線40的縫隙411呈一二階的漸擴狀，而圖7中所示的微帶天線40的縫隙411則呈一三階的漸擴狀，該等微帶天線40經利用檢測頻率及阻抗儀器，對其進行檢測後，其檢測結果分別如圖8、圖9及圖10中所示，此時，若再利用檢測頻率及阻抗儀器，對一大小形狀相同的傳統微帶天線進行檢測，如圖2所示，進行檢測後，其檢測結果如圖11所示，由該等檢測結果可輕易得知，本發明中所設計的微帶天線40在-10dB位置作為比較基準(即標示Δ1及Δ2間)，與傳統微帶天線進行分析比對時，確實具有較大的頻寬，並獲得更佳的匹配值。
由所述可知，由於本發明的微帶天線40可有效增加頻寬，使微帶天線40在批量生產時，其有效頻寬可涵蓋產品本身所要求的頻帶規格，故有效地增加了批量生產時的規格容忍度。此外，通過改變單邊縫隙411的大小及形狀(可為其它弧形漸擴等形狀)，也可有效控制天線輻射的方向，將天線輻射系統所造成的影響降至最低，並使本發明所設計的微帶天線40的天線增益(antenna gain)，較一般傳統全向性天線更佳，如此，將可顯著改善對電波訊號的有效傳遞與接收距離。
另外，上述雖然對本發明中的較佳實施例作了說明，但並不能作為本發明的保護範圍，即對本領域的普通技術人員來說應該明白，在不脫離本發明的設計精神下可以對其作出等效的變化與修飾，因此，凡是在不脫離本發明的設計精神下所作出的等效變化與修飾，均應認為落入本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種可增加頻寬的微帶天線，包括一介電質基板；一金屬接地板，該金屬接地板以金屬微帶的型式製作在所述介電質基板的一側面上；一輻射金屬片，該輻射金屬片以金屬微帶的型式製作在所述介電質基板的另一側面上，其大小為小於所述介電質基板，且在其一側緣鄰近中央的位置處延伸設有一微帶線，該微帶線沿所述介電質基板的邊緣方向延伸，以作為微帶天線的電波訊號饋入線；其中在所述輻射金屬片鄰近與該微帶線相連接的位置處，沿該微帶線的單一側邊開設有一縫隙，通過該單一縫隙使微帶天線上所通過的電流路徑，僅有單邊被迂迴化。
2.根據權利要求1中所述的可增加頻寬的微帶天線，其特徵在於所述沿微帶線單一側邊所開設的縫隙設計成向該縫隙開口端呈漸擴的形狀，以有效控制電流通過該單邊縫隙一側金屬片的路徑，使其偏離與微帶線上的電流路徑。
3.根據權利要求2中所述的可增加頻寬的微帶天線，其特徵在於所述漸擴形狀為階梯狀的漸擴形狀。
4.根據權利要求2中所述的可增加頻寬的微帶天線，其特徵在於所述漸擴形狀為弧狀的漸擴形狀。
全文摘要
本發明公開了一種可增加頻寬的微帶天線，包括有一介電質基板；一以金屬微帶的型式製作在所述介電質基板的一側面上的金屬接地板；一以金屬微帶的型式製作在所述介電質基板的另一側面上的輻射金屬片，該輻射金屬片的大小為小於介電質基板，且在其一側緣鄰近中央的位置處延伸設有一微帶線，該微帶線沿介電質基板的邊緣方向延伸，以作為微帶天線的電波訊號饋入線；其中在輻射金屬片鄰近與該微帶線相連接的位置處，沿該微帶線的單一側邊開設有一縫隙，通過該單一縫隙使微帶天線上所通過的電流路徑，僅有單邊被迂迴化。該微帶天線利用沿微帶線單一側邊金屬片上所形成的縫隙，而大幅度降低微帶線在饋入電波訊號時所產生的電感效應，從而有效增加其頻寬。
文檔編號H01Q13/08GK1519986SQ0310084
公開日2004年8月11日 申請日期2003年1月22日 優先權日2003年1月22日
發明者葉明豪 申請人:友訊科技股份有限公司