雙頻短路平板天線的製作方法

2023-05-08 22:35:51 1

專利名稱：雙頻短路平板天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種可變頻操作的短路平板天線，尤其是涉及一種能夠在兩個頻段進行變頻的短路平板天線。
背景技術：
近年來由於通訊業的發達，各種無線電器產品如雨後春筍般的被製造出來。為了使電腦、印表機、數位相機等這些具有無線通訊裝置的電氣、電子產品之間互相進行通訊，或者使無線產品能控制冰箱、電視、空調器等等其他電子、電氣產品，提出了藍牙計劃。由於藍牙計劃所使用的頻段是ISM頻帶的2.4GHz頻段，當每個無線電器都配備有藍牙系統時，單一頻段的ISM頻帶在頻道容量以及傳輸速率上勢必不敷使用。相同的情況也將發生在其他使用ISM 2.4GHz的無線通訊系統中，如WLAN及HomeRF。因此若能將兩個頻段整合設計在同一天線，便可使得整個無線通訊產品的體積縮小並能節省產品的製造成本，故雙頻天線極具有市場的發展性。此外，由於各類的無線電器產品有朝體積小發展的趨勢，因此若能設計出輕薄短小的天線才能使得無線通訊產品具有較佳的市場競爭力。
在已知的雙頻倒F形平面天線設計中，例如，2001年3月5日，MOTL第28卷第5冊第293-298頁的「New slot configurations for dual-band planarinverted-F antenna」，通過在輻射金屬片上植入U形槽或是L形縫以達到雙頻操作的目的。然而，此類設計的頻寬無法同時滿足雙頻段所需的頻寬。此外，還有如美國專利第5764190那樣用電容式饋入或利用電容性效應的方式來設計倒F形天線。但是此類天線會造成設計上的複雜與成本的增加。

發明內容
鑑於現有技術的情況，本發明的目的是提供一種雙頻短路平板天線，不僅能夠同時滿足雙頻段所需的頻寬，而且結構簡單、成本低。
為了實現本發明的上述目的，提供了一種雙頻短路平板天線，包括一個基底，在所述基底的一個表面上形成有一個金屬接地片，在所述基底的與形成有接地金屬片表面相對的另一個表面上形成有一個主輻射金屬片和一個寄生金屬片，在所述主輻射金屬片上形成有一個饋電點，一個饋線與所述饋電點連接，在所述主輻射金屬片上還形成有一個第一接地端，在所述寄生金屬片上形成有一個第二接地端，一個第一短路金屬元件穿過所述基底將所述第一接地端與所述接地金屬片短路連接，一個第二短路金屬元件穿過所述基底將所述第二接地端與所述接地金屬片短路連接，使得所述寄生金屬片在一個第一頻段時能夠通過能量耦合的方式在所述主輻射金屬片的激勵下產生具有第一頻段的輻射；並使得所述主輻射金屬片在一個不同於所述第一頻段的第二頻段時能夠產生具有第二頻段的輻射。
優選地，所述主輻射金屬片的第二頻段輻射與所述寄生金屬片的第一頻段輻射分別是諧振在四分之一波長的諧振模態輻射。
具有短路金屬棒的平板天線，由於平板天線本身很小，因而能達到天線體積小的目的。再加上操作長度為1/4波長，所以具有面積小的優點。另外，在本發明天線中，利用短路的主輻射金屬片諧振出一1/4波長的模態，再利用耦合能量的方式使寄生短路金屬片的1/4波長模態也被激發，而此被激發的兩個模態能夠提供雙頻操作。此種方式的寄生金屬片與已知的短路平板天線設計中，利用寄生短路金屬片來增加單一操作頻段的頻寬的方法截然不同。由於本發明的天線不僅體積小，而且能夠同時涵蓋兩個操作頻段所須求的頻寬，再加上設計結構簡單、製作成本低廉，因此極具有產業的應用價值。


圖1A為根據本發明一個實施例的天線的立體示意圖；圖1B為圖1A所示天線的俯視圖；圖2為圖1A所示天線的反射損失測量結果；圖3A和圖3B分別為圖1A所示天線的於2.4GHz及5.8GHz兩個操作頻率的輻射場型測量結果；圖4A和圖4B為圖1A所示天線於2.4GHz及5.8GHz兩個ISM頻帶操作頻段內天線增益的測量結果；圖5A-5E為本發明天線其他實施例的結構示意圖。
其中，各附圖標記的意義是1根據本發明一個實施例的雙頻短路平板天線11主輻射金屬片(driven patch)12寄生金屬片(parasitic patch)13基底14同軸饋線15短路金屬棒16短路金屬棒17接地金屬片111饋電點112主輻射金屬片的接地端121寄生金屬片的接地端5雙頻短路平板天線的其他實施例51主輻射金屬片52寄生金屬片53基底54同軸饋線55短路金屬棒56短路金屬棒57接地金屬片511饋電點512主輻射金屬片的接地端513金屬片上的狹縫521寄生金屬片的接地端522金屬片上的槽
具體實施例方式
如圖1A所示，根據本發明一個實施例的雙頻平板天線1包括主輻射金屬片11、寄生金屬片12、基底13、饋線14、第一短路金屬棒15與第二短路金屬棒16、以及信號接地金屬片17。
接地金屬片17用以與信號接地端相接。短路金屬棒15與16作為短路金屬元件的一種形式，當然也可以用其他形狀的短路金屬元件來代替(如下文所述)。短路金屬棒15與16分別把主輻射金屬片11與寄生金屬片12連接至信號接地端。饋線14為同軸饋線，貫穿接地金屬片17而與主輻射金屬片11連接，用以傳遞信號。饋線也不僅僅限於同軸饋線，其他饋線形式，如微帶饋線和共平面波導等。基底13介於主輻射金屬片11或寄生金屬片12與金屬接地片17之間，作為電磁波傳播介質用，或者在其上面印製並支撐主輻射金屬片11或寄生金屬片12，其材質可為微波基底或直接使用空氣，也可為空氣以及任意微波基底的組合。
根據本發明的寄生金屬片在一個第一頻段上能夠通過能量耦合的方式在主輻射金屬片的激勵下產生具有第一頻段的輻射；而主輻射金屬片在一個不同於所述第一頻段的第二頻段上能夠產生具有第二頻段的輻射。在本實施例中，第一頻段為2.4GHz頻段，第二頻段為5.8GHz頻段。當然，根據本發明的教導，本領域技術人員完全可以設計出在其他頻段工作的雙頻短路平板天線。
在本實施例中，主輻射金屬片11的尺寸比寄生金屬片的尺寸小。由於主輻射金屬片與寄生金屬片均諧振於1/4波長的諧振模態，因此，主輻射金屬片11能夠向天線提供在高頻操作時所需的頻寬，而寄生金屬片12能夠向天線提供在低頻操作時所需的頻寬。當然，如果主輻射金屬片的尺寸比寄生金屬片的尺寸小，則主輻射金屬片能夠向天線提供在低頻操作時所需的頻寬，而寄生金屬片能夠向天線提供在高頻操作時所需的頻寬。
圖1B所示為輻射金屬片俯視圖，其中包括一饋電點111及第一接地端112與第二接地端121。饋電點111連接至饋線14，接地端112與121均連接至接地金屬片17，分別用以將主輻射金屬片11與寄生輻射金屬片12短路連接至接地金屬片17。其中，短路金屬棒15與16分別能使主輻射金屬片11與寄生輻射金屬片12的第一操作模態均諧振在1/4波長，因而使得本發明天線的尺寸能夠達到縮小的效果。
對於2.4GHz的操作頻段而言，在根據本發明實施例的天線中，短路寄生金屬片12在主輻射金屬片11以電磁波能量耦合的方式激勵下，產生一頻寬足夠供2.4GHz頻段(2400～2500MHz)使用的模態。對於5.8GHz的操作頻段，根據本發明實施例的天線利用短路的主輻射金屬片11產生一個頻寬足夠的模態供該頻段(5725～5850MHz)使用。
根據本發明實施例的天線的實際測量結果分別於圖2至圖4中進行了說明。在天線尺寸只有5×20×9mm3下，2.4GHz的操作頻段利用寄生金屬片12產生一頻寬為132MHz(2383-2515MHz)[1∶2.5 VSWR阻抗頻寬的定義]的模態，如圖2所示。而在5.8GHz的操作頻段中，根據本發明實施例的天線利用激發主輻射金屬片11得到695MHz(5370-6065MHz)[1∶2 VSWR阻抗頻寬的定義]的頻寬。上述二模態均為諧振在1/4波長時所產生的諧振模態。
圖3A和圖3B分別畫出操作在2.45GHz與5.8GHz兩個諧振頻率時的x-z與y-z平面的輻射場型測量結果，而在2.4GHz與5.8GHz這二個操作頻段中的天線增益與頻率的關係分別如圖4A與圖4B所示。
圖5所示為根據本發明的天線輻射金屬片的其他實施例結構圖。在圖5A至圖5E中，主輻射金屬片均標示為51，寄生金屬片均標示為52，主輻射金屬片的接地端均標示為512，寄生金屬片的接地端均標示為521，而饋電點均標示為511。饋電點可以在頻率較低的金屬片上，如圖5A所示。此外，亦可在主輻射金屬片或寄生金屬片上蝕刻槽用以調整頻率，如圖5A的槽513與522。此外，短路金屬棒亦可使用短路金屬片或螺旋狀的金屬元件等取代，用以調整阻抗匹配與微調諧振頻率，如圖5E的短路金屬片55與56。
綜合以上所述，根據本發明的天線可以使得天線能夠提供雙頻操作，同時擁有足夠的操作頻寬，並且可以提高產品的優良率。此外由於根據本發明的天線體積小、設計結構簡單，適合於大量生產，成本低廉且不易損壞，因此根據本發明的天線在實用上具有極高的產業與應用價值。
權利要求
1.一種雙頻短路平板天線，包括一個基底，在所述基底的一個表面上形成有一個金屬接地片，在所述基底的與形成有接地金屬片表面相對的另一個表面上形成有一個主輻射金屬片和一個寄生金屬片，在所述主輻射金屬片上形成有一個饋電點，一個饋線與所述饋電點連接，其特徵在於，在所述主輻射金屬片上還形成有一個第一接地端，在所述寄生金屬片上形成有一個第二接地端，一個第一短路金屬元件穿過所述基底將所述第一接地端與所述接地金屬片短路連接，一個第二短路金屬元件穿過所述基底將所述第二接地端與所述接地金屬片短路連接，使得所述寄生金屬片在一個第一頻段上能夠通過能量耦合的方式在所述主輻射金屬片的激勵下產生具有第一頻段的輻射；並使得所述主輻射金屬片在一個不同於所述第一頻段的第二頻段上能夠產生具有第二頻段的輻射。
2.如權利要求1所述的雙頻短路平板天線，其特徵在於，所述主輻射金屬片的第二頻段輻射與所述寄生金屬片的第一頻段輻射分別是諧振在四分之一波長的諧振模態輻射。
3.如權利要求2所述的雙頻短路平板天線，其特徵在於，在所述主輻射金屬片上設有多個槽。
4.如權利要求3所述的雙頻短路平板天線，其特徵在於，在所述寄生金屬片上設有多個槽。
5.如權利要求2所述的雙頻短路平板天線，其特徵在於，所述基底為微波基底。
6.如權利要求1或5所述的雙頻短路平板天線，其特徵在於，所述基底為空氣。
7.如權利要求1所述的雙頻短路平板天線，其特徵在於，所述饋線的一端與所述金屬接地片相接而另一端將能量耦接至所述主輻射金屬片，所述饋線為饋線組同軸饋線、微帶線或共平面波導中的一種。
8.如權利要求1所述的雙頻短路平板天線，其特徵在於，所述第一短路金屬棒與所述第二短路金屬棒的形狀為形狀組直線狀、螺旋狀或片狀中的一種。
全文摘要
本發明提供了一種可雙頻操作的短路平板天線，其輻射金屬片由主輻射金屬片與一寄生金屬片兩個元件所組成，兩個短路金屬元件分別將主輻射金屬片與寄生金屬片接地，分別提供諧振在1/4波長的諧振模態，而達成雙頻操作。本發明的天線不僅能夠同時滿足雙頻段所需的頻寬，而且結構簡單、成本低。
文檔編號H01Q1/38GK1428892SQ01144029
公開日2003年7月9日 申請日期2001年12月27日 優先權日2001年12月27日
發明者方士庭, 葉世晃, 翁金輅 申請人:財團法人工業技術研究院