天线装置的制作方法

本发明涉及一种天线装置，尤其是涉及一种可操作于双频，且可于高频频带大致呈指向性并于低频频带大致呈全向性的天线装置。

背景技术：

随着通讯技术的演进，许多无线通讯系统已支援双频操作。为了达成双频操作，现有技术分别制作所适用的高、低频天线，再以双工器结合为天线装置。然而，当有微型化需求时，这类天线装置经微型化后将大幅降低其增益值，衍生出可靠性问题。

此外，部分应用中天线装置需适时调整天线角度或指向位置，在调整过程中可能造成信号死角。例如，家用连网设备(Indoor Customer Premises Equipments)是用来提供室内无线通讯服务，由于室内常因隔间、家具等影响无线电波的传递，因此现有技术已发展出可自动调整天线角度或指向位置的天线装置，由此家用连网设备可根据室内用户的分布情形，适当调整无线信号收发情形。然而，当家用连网设备调整天线装置的发射角度或指向位置时，可能在过程中造成短暂信号死角，若恰有用户落于信号死角，或天线装置的调整速度较慢时，将影响使用情形，造成不便。

因此，如何改善双频天线经微型化后的增益值，以及如何避免可调角度或位置的天线装置在调整过程中的信号死角，已成为本领域重要课题之一。

技术实现要素：

因此，本发明的主要目的在于提供一种天线装置，以改善现有技术的缺点。

为达上述目的，本发明实施例揭露一种天线装置，包含有一双频交叉偶极天线，包含有四辐射体，每一辐射体由一中心轴向一平面延伸，并包含一第一辐射部及一第二辐射部以分别收发一第一频带及一第二频带的无线信号，且每一辐射体所在平面与相邻辐射体所在平面大致呈90度；以及一反 射板，设置于该双频交叉偶极天线的一侧；其中，将该反射板沿该中心轴投影于一参考面的一第一投影结果大致呈一正方形，将该双频交叉偶极天线沿该中心轴投影于该参考面的一第二投影结果大致对应于该正方形的二对角线，该参考面垂直于该中心轴；其中，该第一频带的一中心频率高于该第二频带的一中心频率，该第一投影结果的该正方形的一对角线长度大于该第一频带所对应的信号波长的0.6倍并小于该第二频带所对应的信号波长的0.35倍，且该反射板与该四辐射体的任一第一辐射部的最近距离介于该第一频带所对应的信号波长的0.15倍与0.25倍之间，使该双频交叉偶极天线于该第一频带大致呈指向性并于该第二频带大致呈全向性。

附图说明

图1为本发明实施例一天线装置的示意图；

图2A至图2C为图1的天线装置的零件示意图；

图3A、图3B分别为图1的天线装置操作于不同频带的S参数示意图；

图3C、图3D、图3E、图3F分别为图1的天线装置操作于不同频带的场型模拟结果的示意图；

图4为图1的天线装置的电流分布示意图；

图5A为本发明实施例一天线装置的示意图；

图5B为图5A的天线装置的电流分布示意图；

图6A、图6B分别为图5A的天线装置操作于不同频带的S参数示意图；

图6C、图6D、图6E、图6F分别为图5A的天线装置操作于不同频带的场型模拟结果的示意图；

图7A为本发明实施例一天线装置的示意图；

图7B至图7E为图7A的天线装置的零件示意图；

图8A、图8B分别为图7A的天线装置操作于不同频带的S参数示意图；

图8C、图8D、图8E、图8F分别为图7A的天线装置操作于不同频带的场型模拟结果的示意图；

图9A～图9H、图10A、图10B分别为本发明不同实施例的天线装置的示意图。

符号说明

具体实施方式

请参考图1及图2A至图2C，图1为本发明实施例一天线装置10的示意图，而图2A至图2C为天线装置10的零件示意图。天线装置10包含有一双频交叉偶极天线100及一反射板102，其可操作于双频(如第一、第二频带，且第一频带的中心频率高于第二频带的中心频率)，且可于高频频带(如第一频带)大致呈指向性并于低频频带(如第二频带)大致呈全向性。双频交叉偶极天线100的架构，顾名思义，是由两偶极天线以交叉方式设置。详细来说，双频交叉偶极天线100包含有辐射体RT1～RT4，每一辐射体是由一中心轴CL向一平面延伸，且相邻辐射体所在平面大致呈90度，即辐射体RT1与辐射体RT2、RT4垂直，辐射体RT2与辐射体RT1、RT3垂直，并以此类推；因此，辐射体RT1、RT3形成一第一偶极天线，而辐射体RT2、RT4形成一第二偶极天线，且两偶极天线分别呈(+45°)及(-45°)极化，故为相互正交，可提升隔离度。更进一步地，辐射体RT1～RT4分别包含两辐射部RT1_1、RT1_2、RT2_1、RT2_2、RT3_1、RT3_2、RT4_1、RT4_2，且通过长度差异，辐射部RT1_1、RT2_1、RT3_1、RT4_1可收发高频频带的无线信号，其形状类似于梯形或领结状，而辐射部RT1_2、RT2_2、RT3_2、RT4_2 则用以收发低频频带的无线信号，其大致呈条状并包含两(90度)弯折。此外，在此例中，辐射体RT1、RT3设置于一基板104的A面(为求明确，另一面标示为B面)，而辐射体RT2、RT4设置于一基板106的C面(为求明确，另一面标示为D面)，但不限于此，凡可由中心轴CL向相互垂直的四个方向延伸出双频偶极天线都可适用于本发明；换言之，只要能适当固定辐射体RT1～RT4的相对位置，辐射体RT1～RT4可以任何方式实现，而不限于形成于基板104、106上。同时，基板104、106上形成有槽孔1040、1060，此为组装所需，可适应性调整，而不限于此。另外，辐射体RT1～RT4在馈入点的形状略有不同，如图2A的区域FA及图2B的区域FB所示，其同样为组装考虑，而不限于此，辐射体RT1～RT4的形状也可完全相同或不同，都属本发明的范畴。例如，只要辐射部RT1_1、RT2_1、RT3_1、RT4_1的电流路径可满足待收发信号的四分之一波长即可，其形状不限于梯形或领结状；同理，辐射部RT1_2、RT2_2、RT3_2、RT4_2的电流路径应满足待收发信号的四分之一波长即可，其形状不限于两弯折的条状。

另一方面，反射板102为金属材质制成，其设置于双频交叉偶极天线100的一侧，且在此例中，反射板102为正方形，且基板104、106与反射板102垂直并大致与反射板102的对角线重叠。换言之，若将反射板102视为一参考面，则将双频交叉偶极天线100沿中心轴CL投影于反射板102上的投影结果大致落于或对应于反射板102的对角线。

为了使双频交叉偶极天线100于高频频带大致呈指向性并于低频频带大致呈全向性，本发明实施例通过控制反射板102的大小及相对于双频交叉偶极天线100的位置。更明确来说，反射板102的对角线长度L需大于高频频带所对应的信号波长的0.6倍并小于低频频带所对应的信号波长的0.35倍，且反射板102与辐射体RT1～RT4的高频辐射部RT1_1、RT2_1、RT3_1、RT4_1的最近距离H需介于高频频带所对应的信号波长的0.15倍与0.25倍之间。如此一来，双频交叉偶极天线100可于高频频带大致呈指向性并于低频频带大致呈全向性，相关模拟结果可进一步证明。

举例来说，以美规长期演进(Long Term Evolution，LTE)通讯系统为例，其已规范多个操作频带，其中Band4频带为1710MHz～1755MHz及2110MHz～2155MHz，而Band13频带为777MHz～787MHz及746MHz～756MHz。在此情形下，可适当调整辐射部RT1_1、RT2_1、RT3_1、RT4_1 的长度以收发Band4的信号，并调整辐射部RT1_2、RT2_2、RT3_2、RT4_2的长度以收发Band13的信号，同时将反射板102的对角线长度L设计为1710MHz所对应的波长的0.6倍(约75mm)至787MHz所对应的波长的0.35倍(约94mm)之间，并将反射板102与辐射部RT1_1、RT2_1、RT3_1、RT4_1的最小距离设计为1710MHz所对应的波长的0.15倍(约18.75mm)至0.25倍(约31.25mm)之间，则可使双频交叉偶极天线100操作于Band4时呈指向性，而于Band13时呈全向性，相关模拟结果可参考图3A至图3F。图3A、图3B分别为天线装置10操作于Band13及Band4的S参数示意图，其中实线表示(由辐射体RT1、RT3所形成之)第一偶极天线的反射损失(即S11)模拟结果，虚线表示(由辐射体RT2、RT4所形成之)第二偶极天线的反射损失(即S22)模拟结果，而点线则表示第一偶极天线相对第二偶极天线的传输系数(即S21，表示隔离度)模拟结果。由图3A及图3B可知，天线装置10可正确操作于Band13及Band4，且第一偶极天线及第二偶极天线间的隔离度可达30dB以上，故可正确运作。

进一步地，图3C、图3D分别为第一偶极天线操作于Band13及Band4的场型模拟结果，而图3E、图3F分别为第二偶极天线操作于Band13及Band4的场型模拟结果。在图3C中，实线表示第一偶极天线操作于Band13中750MHz的场型，而三角线表示第一偶极天线操作于Band13中780MHz的场型；在图3D中，实线表示第一偶极天线操作于Band4中1740MHz的同极化(Co-polarization)场型，三角线表示第一偶极天线操作于Band4中2140MHz的同极化场型，虚线表示第一偶极天线操作于Band4中1740MHz的异极化(Cross-polarization)场型，方块线表示第一偶极天线操作于Band4中2140MHz的异极化场型。同理，在图3E中，实线表示第二偶极天线操作于Band13中750MHz的场型，而三角线表示第二偶极天线操作于Band13中780MHz的场型；在图3F中，虚线表示第二偶极天线操作于Band4中1740MHz的同极化场型，方块线表示第二偶极天线操作于Band4中2140MHz的同极化场型，实线表示第二偶极天线操作于Band4中1740MHz的异极化场型，三角线表示第二偶极天线操作于Band4中2140MHz的异极化场型。

由图3C至图3F可知，第一、第二偶极天线操作于Band13时大致呈全向性，而于Band4时明显呈指向性。由此可知，通过适当调整反射板102的尺寸及位置，天线装置10不仅可于高、低频频带正常操作，且可于高频频 带(如Band4)大致呈指向性并于低频频带(如Band13)大致呈全向性。如此一来，本发明实施例不需双工器，即可实现操作于高、低频的天线装置；更重要的是，针对需适时调整天线角度或指向位置的应用，如家用连网设备，若采用本发明实施例的天线装置10，在调整天线角度或指向位置时，由于天线装置10可于低频频带维持全向性，故可降低或避免信号死角的产生，可用于维持无线传输功能，避免影响使用情形。

需注意的是，天线装置10为本发明的实施例，本领域具通常知识者当可据以做不同的修饰，而不限于此。举例来说，如前所述，双频交叉偶极天线100中辐射体RT1～RT4的形状、组装方式等都可适当调整，而不限于图1及图2A至图2C所示。例如，由图3C、图3E可知，双频交叉偶极天线100在低频处的增益偏移约为5.2dB，其主要原因是第一偶极天线及第二偶极天线分别倾斜45°，因此场型在左右边缘处能量会稍微降低。此外，由图3D、图3F可知，第一偶极天线及第二偶极天线在1710MHz至1755MHz的范围(即Band 4的上链路频段)内，天线增益约6.9dBi，但在2110MHz至2155MHz的范围(即Band 4的下链路频段)内，天线最高增益(Peak Gain)却偏低，其正前方的增益仅约2.5dBi，其主要原因在于部分电流流向低频辐射部(即RT1_2、RT2_2、RT3_2、RT4_2)，因而造成增益下降。请参考图4，图4为图1的天线装置10操作于2140MHz时的电流分布示意图。为求简洁，图4省略了天线装置10的元件符号，其可参考图1及图2A至图2C。如图4的区域40、42所示，当操作于高频频带时，天线装置10的低频辐射部(比对图1及图2A至图2C，即辐射部RT1_2、RT3_2)上横向上的电流非常大，导致高频场型往两侧分散，造成增益下降。

为了改善天线装置10的高频增益，请参考图5A，图5A为本发明实施例一天线装置50的示意图。天线装置50由天线装置10衍生，故相同元件沿用相同符号表示。天线装置50与天线装置10主要不同处在于天线装置50将天线装置10的辐射体RT1～RT4置换为辐射体RT1’～RT4’，而成为一双频交叉偶极天线500。除此之外，天线装置50同样可操作于双频(如第一、第二频带)，且可于高频频带(如第一频带)大致呈指向性并于低频频带(如第二频带)大致呈全向性。辐射体RT1’～RT4’可有效降低操作于高频时低频辐射部的横向电流，请继续参考图5B，图5B为天线装置50操作于2140MHz时的电流分布示意图。由图5B可知，辐射体RT1’～RT4’的低频 辐射部几无横向电流，故可改善高频增益。详细来说，辐射体RT1’～RT4’的长度仍符合辐射体RT1～RT4的要求，主要差异在于低频辐射部的弯折方式(如区域52、54所示)，及部分分段(如502、504、506、508)具宽度变化，而使横向区域(如52、54)几无横向电流，因而可加强高频增益。

请继续参考图6A至图6E，图6A、图6B分别为天线装置50操作于Band13及Band4的S参数示意图，其中实线表示(由辐射体RT1’、RT3’所形成之)第一偶极天线的反射损失(即S11)模拟结果，虚线表示(由辐射体RT2’、RT4’所形成之)第二偶极天线的反射损失(即S22)模拟结果，而点线则表示第一偶极天线相对第二偶极天线的传输系数(即S21，表示隔离度)模拟结果(图6A的S21超出可表示范围而未示)。图6C、图6D分别为第一偶极天线操作于Band13及Band4的场型模拟结果；其中，在图6C中，实线表示第一偶极天线操作于Band13中750MHz的场型，而三角线表示第一偶极天线操作于Band13中780MHz的场型；在图6D中，实线表示第一偶极天线操作于Band4中1740MHz的同极化(Co-polarization)场型，三角线表示第一偶极天线操作于Band4中2140MHz的同极化场型，虚线表示第一偶极天线操作于Band4中1740MHz的异极化(Cross-polarization)场型，方块线表示第一偶极天线操作于Band4中2140MHz的异极化场型。图6E、图6F分别为第二偶极天线操作于Band13及Band4的场型模拟结果，其中，在图6E中，实线表示第二偶极天线操作于Band13中750MHz的场型，而三角线表示第二偶极天线操作于Band13中780MHz的场型；在图6F中，虚线表示第二偶极天线操作于Band4中1740MHz的同极化场型，方块线表示第二偶极天线操作于Band4中2140MHz的同极化场型，实线表示第二偶极天线操作于Band4中1740MHz的异极化场型，三角线表示第二偶极天线操作于Band4中2140MHz的异极化场型。

由图6A及图6B可知，天线装置50可正确操作于Band13及Band4，其在低频处阻抗匹配约-7dB，且第一偶极天线及第二偶极天线间的隔离度可达30dB以上，在低频处更超过40dB，故可正确运作。由图6C至图6F可知，第一、第二偶极天线操作于Band13时大致呈全向性，而于Band4时明显呈指向性；同时，双频交叉偶极天线500在低频处的增益偏移约为5.5dB，而第一偶极天线及第二偶极天线在1710MHz至1755MHz的范围(即Band 4的上链路频段)内，天线增益约7dBi，且在2110MHz至2155MHz的范围(即 Band 4的下链路频段)内，天线最高增益(Peak Gain)可达5.7dBi。由此可知，天线装置50确实可改善天线装置10的高频天线增益。

由上述可知，通过改变辐射体的形状，天线装置50除可如同天线装置10的操作，更可提升高频天线增益，以提升天线效率。更进一步地，除了改变辐射体形状外，另可增加其它辅助元件，以符合不同系统所需。例如，天线装置50的天线增益在Band 4的下链路频段提升了约3dB，但其上、下链路频段的天线增益仍有差异。在此情形下，可在天线装置50增加指向器。

请参考图7A至图7E，图7A为本发明实施例一天线装置70的示意图，而图7B至图7E为天线装置70的零件示意图。天线装置70由图1的天线装置10及图5A的天线装置50所衍生，故相同元件沿用相同符号表示。天线装置70与天线装置50主要不同处在于天线装置70较天线装置50增加了指向器700、702、704、706。除此之外，天线装置70同样可操作于双频(如第一、第二频带)，且可于高频频带(如第一频带)大致呈指向性并于低频频带(如第二频带)大致呈全向性。

详细来说，指向器700、702、704、706分别设置于基板104的B面、基板106的D面、基板104的A面、基板106的C面，且分别靠近辐射体RT1’～RT4’的边缘。其中，需注意的是，图7C及图7E为基板104的B面及基板106的D面的正视图，可配合图7A而知指向器700、702相对于辐射体RT1’～RT2’的位置。换言之，指向器700与704设置于基板104的正反两面，而指向器702与706设置于基板106的正反两面，此为组装便利性，而不限于此，指向器700、704也可设置于基板104的同一面，或指向器702、706可设置于基板106的同一面，而其设置位置也可适当调整。此外，指向器700、702、704、706的长度约为高频(如前述实施例中的Band4)信号的半波长，且可适当调整，例如此例中，指向器700、702、704、706的长度大于高频路径长度。

请继续参考图8A至图8E，图8A、图8B分别为天线装置70操作于Band13及Band4的S参数示意图，其中实线表示(由辐射体RT1’、RT3’所形成之)第一偶极天线的反射损失(即S11)模拟结果，虚线表示(由辐射体RT2’、RT4’所形成之)第二偶极天线的反射损失(即S22)模拟结果，而点线则表示第一偶极天线相对第二偶极天线的传输系数(即S21，表示隔离度)模拟结果(图8A的S21超出可表示范围而未示)。图8C、图8D分别 为第一偶极天线操作于Band13及Band4的场型模拟结果；其中，在图8C中，实线表示第一偶极天线操作于Band13中750MHz的场型，而三角线表示第一偶极天线操作于Band13中780MHz的场型；在图8D中，实线表示第一偶极天线操作于Band4中1740MHz的同极化(Co-polarization)场型，三角线表示第一偶极天线操作于Band4中2140MHz的同极化场型，虚线表示第一偶极天线操作于Band4中1740MHz的异极化(Cross-polarization)场型，方块线表示第一偶极天线操作于Band4中2140MHz的异极化场型。图8E、图8F分别为第二偶极天线操作于Band13及Band4的场型模拟结果，其中，在图8E中，实线表示第二偶极天线操作于Band13中750MHz的场型，而三角线表示第二偶极天线操作于Band13中780MHz的场型；在图8F中，虚线表示第二偶极天线操作于Band4中1740MHz的同极化场型，方块线表示第二偶极天线操作于Band4中2140MHz的同极化场型，实线表示第二偶极天线操作于Band4中1740MHz的异极化场型，三角线表示第二偶极天线操作于Band4中2140MHz的异极化场型。

由图8A及图8B可知，天线装置70可正确操作于Band13及Band4，且第一偶极天线及第二偶极天线间的隔离度可达30dB以上，在低频处更超过40dB，故可正确运作。由图8C至图8F可知，第一、第二偶极天线操作于Band13时大致呈全向性，而于Band4时明显呈指向性；更重要的是，第一偶极天线及第二偶极天线在1710MHz至1755MHz的范围(即Band 4的上链路频段)及2110MHz至2155MHz的范围(即Band 4的下链路频段)内，天线最高增益(Peak Gain)都可达7dBi以上。由此可知，相较于天线装置50，天线装置70确实可改善高频天线增益的差异。

天线装置50、70用以说明本发明实施例的天线装置10可通过改变辐射体形状或增加指向器而达成不同特性，然而，天线装置10、50、70都可达成双频操作，且可于高频频带大致呈指向性并于低频频带大致呈全向性。除此之外，本领域具通常知识者当可根据不同系统需求，适当调整前述实施例，而不限于此。举例来说，请参考图9A至图9H，图9A至图9H分别为本发明实施例天线装置900、902、904、906、908、910、912、914的示意图。天线装置900、902、904、906、908、910、912、914都由图7A的天线装置70所衍生，差异在于改变了天线装置70的反射板型式，为求简洁，并省略了大部分元件符号。由图9A至图9C可知，天线装置900的反射板四边折 起，天线装置902、904的反射板双边垂直折起，故天线装置900、902、904的反射板的截面包含至少一弯折。由图9D、图9E可知，天线装置906的反射板为弧形，天线装置908的反射板为弧形且双边折起，故天线装置906、908的反射板的截面包含至少一弧形段。由图9F、图9G、图9H可知，天线装置910的反射板形成一腔体，而双频交叉偶极天线大致设置于腔体中，天线装置912、914的反射板为双边倾斜折起。天线装置900、902、904、906、908、910、912、914都符合本发明的要求，换言之，只要天线装置的反射板沿中心轴(CL)投影于一参考面的投影结果大致呈正方形，且双频交叉偶极天线沿中心轴投影于该参考面的投影结果大致对应于正方形的二对角线，再控制正方形的对角线长度大于高频频带所对应的信号波长的0.6倍并小于低频频带所对应的信号波长的0.35倍，且反射板与任一高频辐射部的最近距离介于高频频带所对应的信号波长的0.15倍与0.25倍之间，即可符合本发明的要求；其中，上述参考面垂直于中心轴的一面，例如图1中反射板102所在平面即可视为参考面。

此外，图10A、图10B分别为本发明实施例天线装置11、12的示意图。天线装置11、12都由图7A的天线装置70所衍生，差异在于改变了天线装置70的指向器型式，为求简洁，并省略了大部分元件符号。由图10A可知，相较于天线装置70，天线装置11其中一指向器改为单一长条状，其由中心轴(CL)朝二侧延伸，而另外一组指向器则保持与天线装置70相同。而在图10B中，天线装置12的二指向器都改为由中心轴向两侧延伸的形式。天线装置11、12都可达成双频操作，且可于高频频带大致呈指向性并于低频频带大致呈全向性。

在现有技术中，通常需利用双工器结合高、低频天线，以实现操作于高、低频的天线装置。相较之下，本发明实施例不需双工器，即可实现操作于高、低频的天线装置；更重要的是，针对需适时调整天线角度或指向位置的应用，如家用连网设备，若采用本发明实施例的天线装置，在调整天线角度或指向位置时，由于天线装置可于低频频带维持全向性，故可降低或避免信号死角的产生，可用于维持无线传输功能，避免影响使用情形。

综上所述，本发明实施例的天线装置可操作于双频，且可于高频频带大致呈指向性并于低频频带大致呈全向性，由此可提升传输效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。