具L形带阻滤波器的微带天线

摘要

一微带天线包含一L形接合部、一微带天线列及一L形带阻滤波器。该L形接合部包含一第一端与一第二端，其第二端用来收发一信号。该微带天线列包含至少一矩形微带天线单元与一微带线。该矩形微带天线单元耦接于该微带线。该微带线耦接于该L形接合部的第一端。该L形带阻滤波器设于该L形接合部与该矩形微带天线之间，L形带阻滤波器并没有与矩形微带天线单元或L形接合部相连接。而L形带阻滤波器的长度、宽度、位置可经适度设计以调整至特定的带阻频率，并与L形接合部耦合程度达到最佳化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微带天线，尤其涉及一种具有L形带阻滤波器的微带天线。

背景技术

早在1953年，利用微带线作为产生辐射的微带天线设计的概念就已经被提出，但由于较缺乏完善的理论分析与应用设计，故当时并未被广泛应用。后来由于印刷电路板与微波集成技术的发展，加上各种微波低损耗介质材料的出现，一些不同且实用的微带天线和微带阵列天线才陆续地被设计出来。这些微带天线设计都具有共同的一些优点，如平面结构、质量轻、体积小、制造容易且成本低，与单石微波集成电路整合在一起可轻易的附着于任意表面。而近年来随着全球电信业务的蓬勃发展，个人移动通信也即将迈入一个新的纪元。因此，可预期微带天线在实际应用上，占有非常重要的地位。

而由于现今个人移动通信的使用者一般都要求体积小、轻便，这使得微带天线的设计，被限制在有限的空间中，从而增加微带天线设计的困难度。因此，微带天线设计的好坏，对于个人移动通信通讯质量的好坏及生产成本，具有相当程度的影响。

在美国专利U.S.No.4,180,817(Serially Connected MicrostripAntenna Array)中，即已提出以串联式架构和混合串并联架构实现微带天线设计的概念。然而此串联式架构和混合串并连式馈入架构会形成较长的电流路径而产生寄生的低频共振模态，为了抑制此低频共振模态，额外的带阻滤波器是必须的，以改善天线特性。美国专利U.S.No.6,856,290(ReducedSize TM Cylindrical Shaped Microstrip Antenna Array Having a GPS BandStop Filter)，U.S.No.7,009,564(TM microstrip antenna)，U.S.No.7,109,929(TM microstrip antenna)，U.S.No.7,138,949(GPS microstripantenna)中，即持续提出以不同微带线设计实现在微带天线阵列设计中加入要抑制频带的带阻滤波器结构，以改善天线特性。

发明内容

本发明的一实施例提供一种具L形带阻滤波器的微带天线。该微带天线包含一第一L形接合部，包含一第一端与一第二端，该第一L形接合部的第二端用来收发一信号；一第一组微带天线列，其包含至少一第一矩形微带天线单元与一第一微带线，该第一矩形微带天线单元耦接于该第一微带线，该第一微带线耦接于该第一L形接合部的第一端；及一第一L形带阻滤波器，其沿着该第一矩形微带天线单元的一垂直角设置，且与该第一矩形微带天线单元的该垂直角之间具有一间距，并与该第一L形接合部之间具有一间距，该第一矩形微带天线单元的该垂直角为该第一矩形微带天线单元的最接近该第一L形接合部的垂直角。

本发明的另一实施例提供一种具L形带阻滤波器的微带天线。该微带天线包含一第一T形接合部，包含一第一端、一第二端与一第三端，该第一T形接合部的第三端用以收发一信号；一第一组微带天线列，其包含至少一第一矩形微带天线单元与一第一微带线，该第一矩形微带天线单元耦接于该第一微带线，该第一微带线耦接于该第一T形接合部的第一端；一第二组微带天线列，其包含至少一第二矩形微带天线单元与一第二微带线，该第二矩形微带天线单元耦接于该第二微带线，该第二微带线耦接于该第一T形接合部的第二端；一第一L形带阻滤波器，其沿着该第一矩形微带天线单元的一垂直角设置，且与该第一矩形微带天线单元的该垂直角之间具有一间距，并与该第一T形接合部之间具有一间距，该第一矩形微带天线单元的该垂直角为该第一矩形微带天线单元的最接近该第一T形接合部的垂直角；及一第二L形带阻滤波器，其沿着该第二矩形微带天线单元的一垂直角设置，且与该第二矩形微带天线单元的该垂直角之间具有一间距，并与该第一T形接合部之间具有一间距，该第二矩形微带天线单元的该垂直角为该第二矩形微带天线单元的最接近该第一T形接合部的垂直角。

本发明还提供一种具L形带阻滤波器的微带天线。该微带天线包含M阶T形接合部，每个T形接合部包含一第一端、一第二端与一第三端，第K阶T形接合部的数量为2K个，每个第K阶T形接合部的第三端耦接于对应的第(K-1)阶T形接合部的第一端或第二端，第0阶T形接合部的第三端用以收发一信号；2M个第一微带天线列，每一第一微带天线列包含N个第一矩形微带天线单元与N个第一微带线，每一第一矩形微带天线单元连接于一第一微带线，且该N个第一微带线中的一第一微带线耦接于对应的第M阶T形接合部的第一端；2M个第二微带天线列，每一第二微带天线列包含N个第二矩形微带天线单元与N个第二微带线，每一第二矩形微带天线单元连接于一第二微带线，且该N个第二微带线中的一第二微带线耦接于对应的第M阶T形接合部的第二端；2M个第一L形带阻滤波器，每一第一L形带阻滤波器沿着一第一矩形微带天线单元的一垂直角设置，且与该第一矩形微带天线单元的该垂直角之间具有一间距，并与该对应的第M阶T形接合部的第一端之间具有一间距，该第一矩形微带天线单元的该垂直角为该第一矩形微带天线单元的最接近该对应的第M阶T形接合部的垂直角；及2M个第二L形带阻滤波器，每一第二L形带阻滤波器沿着一第二矩形微带天线单元的一垂直角设置，且与该第二矩形微带天线单元的该垂直角之间具有一间距，并与该对应的第M阶T形接合部的第二端之间具有一间距，该第二矩形微带天线单元的该垂直角为该第二矩形微带天线单元的最接近该对应的第M阶T形接合部的垂直角。

附图说明

图1为根据本发明的第一实施例的具L形带阻滤波器的微带天线的示意图。

图2为根据本发明的第二实施例的具L形带阻滤波器的微带天线的示意图。

图3为根据本发明的第三实施例的具L形带阻滤波器的微带天线的示意图。

图4为根据本发明的第四实施例的具L形带阻滤波器的微带天线的示意图。

图5为根据本发明的第五实施例的具L形带阻滤波器的微带天线的示意图。

图6为本发明的一具体实施例的示意图。

图7为图6微带天线在5.8兆赫测量的辐射场型的示意图。

图8为图6微带天线的测量反射损失的比较图。

附图符号说明

100 200 300 400 500 600          微带天线

611 612 120 220 320 340          微带天线列

611 1612 16113 6123              矩形微带天线单元

122 222 322 342                  矩形微带天线单元

6112 6122 6114 6124              微带线

121 221 321 341                  微带线

6137 6138 130 230 331 332        L型带阻滤波器

6131 6134                        直部

6132 6135 6141 6146 6143 6144    三角部

6133 6136 6142 6145              横部

110 210                          L形接合部

614 310 20 30 50                 T形接合部

具体实施方式

请参考图1。图1为根据本发明的第一实施例的具L形带阻滤波器的微带天线100的示意图。如图所示，微带天线100包含一L形接合部110、一微带天线列120及一L形带阻滤波器(band-stop filter)130。L形接合部110包含一第一端与一第二端，其第一端与微带天线列120耦接，其第二端用来收发一信号。微带天线列120包含至少一矩形微带天线单元122与一微带线121(如图所示，可以包含多个矩形微带天线单元串联)。微带线121耦接于L形接合部的第一端与矩形微带天线单元122之间。L形带阻滤波器130沿着矩形微带天线单元122最靠近L形接合部110的垂直角设置，且与矩形微带天线单元122具有一间距，并与L形接合部110之间具有一间距。换言之，L形带阻滤波器130并没有与矩形微带天线单元122或L形接合部110相连接。

为了抑制因馈入线(L形接合部110、微带线121)与矩形微带天线单元122在低频形成较长的电流路径而产生寄生的共振模态，因此在L形接合部结构中加入一L形带阻滤波器130，其长度D为要抑制频率的半波长或其整数倍，此设计并不会影响L形接合部输出/馈入端与天线间的阻抗匹配，也不扰乱原天线阵列的辐射特性。而且此L形带阻滤波器130可以整合在天线的整体结构中，不需增加额外的布线面积。若设计时调整了馈入线的长短，串联的矩形微形天线单元产生的寄生低频共振亦会偏移。此时，L形带阻滤波器130的长度D还需调整以改变所抑制的频率。同时，L形带阻滤波器130的宽度、位置可经适度设计以与L形接合部耦合程度达到最佳化。

请参考图2。图2为根据本发明的第二实施例的具L形带阻滤波器的微带天线200的示意图。如图所示，微带天线200除包含一L形接合部110、一微带天线列120及一L形带阻滤波器130(如同图1的部分)之外，还包含了一L形接合部210、一微带天线列220及一L形带阻滤波器230，及一T形接合部20。T形接合部20包含一第一端、一第二端与一第三端，其第一端与L形接合部110耦接、其第二端与L形接合部210耦接，其第三端用来收发一信号，如同图1的部分组件于此不再赘述，L形接合部110的第二端耦接于T形接合部20的第一端；L形接合部210包含一第一端与一第二端，其第一端与微带天线列220耦接，其第二端耦接于T形接合部20的第二端。微带天线列220包含至少一矩形微带天线单元222与一微带线221(如图所示，可以包含多个矩形微带天线单元串联)。微带线221耦接于L形接合部的第一端与矩形微带天线单元222之间。L形带阻滤波器230沿着矩形微带天线单元222最靠近L形接合部210的垂直角设置，且与矩形微带天线单元222具有一间距，并与L形接合部210之间具有一间距。

为了抑制因馈入线(T形接合部20、L形接合部210、微带线221)与矩形微带天线单元222在低频形成较长的电流路径而产生寄生的共振模态，因此在L形接合部结构中加入一L形带阻滤波器230，其长度D为要抑制频率的半波长或其整数倍，此设计并不会影响T形接合部输出/馈入端与天线间的阻抗匹配，也不扰乱原天线阵列的辐射特性。而且此L形带阻滤波器230可以整合在天线的整体结构中，不需增加额外的布线面积。若设计时调整了馈入线的长短，串联的矩形微形天线单元产生的寄生低频共振也会偏移。此时，L形带阻滤波器230的长度D还需调整来改变所抑制的频率。

请参考图3。图3为根据本发明的第三实施例的具L形带阻滤波器的微带天线300的示意图。如图所示，微带天线300除包含一L形接合部110、一微带天线列120及一L形带阻滤波器130(如同图1的部分)之外，还包含了一T形接合部310、二微带天线列320、340及二L形带阻滤波器331、332，及一T形接合部30。T形接合部30包含一第一端、一第二端与一第三端，其第一端与L形接合部110耦接、其第二端与T形接合部310的第三端耦接，其第三端用来收发一信号。如同图1的部分组件，在此不再赘述；T形接合部310包含一第一端、一第二端与一第三端，其第一端与微带天线列320耦接、其第二端与微带天线列340耦接，其第三端耦接于T形接合部30的第二端。微带天线列320包含至少一矩形微带天线单元322与一微带线321(如图所示，可以包含多个矩形微带天线单元串联)。微带线321耦接于T形接合部的第一端与矩形微带天线单元322之间。微带天线列340包含至少一矩形微带天线单元342与一微带线341(如图所示，可以包含多个矩形微带天线单元串联)。微带线341耦接于T形接合部的第二端与矩形微带天线单元342之间。L形带阻滤波器331沿着矩形微带天线单元322最靠近T形接合部310的垂直角设置，且与矩形微带天线单元322具有一间距，并与T形接合部310之间具有一间距。L形带阻滤波器332沿着矩形微带天线单元342最靠近T形接合部310的垂直角设置，且与矩形微带天线单元342具有一间距，并与T形接合部310之间具有一间距。

为了抑制因馈入线(T形接合部30、T形接合部310、微带线321、341)与矩形微带天线单元322、342在低频形成较长的电流路径而产生寄生的共振模态，因此在T形接合部结构中加入二L形带阻滤波器331与332，其长度D为要抑制频率的半波长或其整数倍，此设计并不会影响T形接合部输出/馈入端与天线间的阻抗匹配，也不扰乱原天线阵列的辐射特性。而且此L形带阻滤波器331与332可以整合在天线的整体结构中，不需增加额外的布线面积。若设计时调整了馈入线的长短，也会使串联的矩形微形天线单元产生的寄生低频共振偏移。此时，L形带阻滤波器331与332的长度D还需调整来改变所抑制的频率。

请参考图4。图4为根据本发明的第四实施例的具L形带阻滤波器的微带天线400的示意图。如图所示，微带天线400包含一T形接合部310、二微带天线列320、340及二L形带阻滤波器331、332。T形接合部310包含一第一端、一第二端与一第三端，其第一端与微带天线列320耦接、其第二端与微带天线列340耦接，其第三端用来收发一信号。微带天线列320包含至少一矩形微带天线单元322与一微带线321(如图所示，可以包含多个矩形微带天线单元串联)。微带线321耦接于T形接合部310的第一端与矩形微带天线单元322之间。微带天线列340包含至少一矩形微带天线单元342与一微带线341(如图所示，可以包含多个矩形微带天线单元串联)。微带线341耦接于T形接合部310的第二端与矩形微带天线单元342之间。L形带阻滤波器331沿着矩形微带天线单元322最靠近T形接合部310的垂直角设置，且与矩形微带天线单元322具有一间距，并与T形接合部310之间具有一间距。L形带阻滤波器332沿着矩形微带天线单元342最靠近T形接合部310的垂直角设置，且与矩形微带天线单元342具有一间距，并与T形接合部310之间具有一间距。

为了抑制因馈入线(T形接合部310、微带线321、341)与矩形微带天线单元322、342在低频形成较长的电流路径而产生寄生的共振模态，因此在T形接合部结构中加入二L形带阻滤波器331与332，其长度D为要抑制频率的半波长或其整数倍，此设计并不会影响T形接合部输出/馈入端与天线间的阻抗匹配，也不扰乱原天线阵列的辐射特性。而且此L形带阻滤波器331与332可以整合在天线的整体结构中，不需增加额外的布线面积。若设计时调整了馈入线的长短，会使串联的矩形微形天线单元产生的寄生低频共振也会偏移。此时，L形带阻滤波器331与332的长度D还需调整来改变所抑制的频率。

请参考图5。图5为根据本发明的第五实施例的具L形带阻滤波器的微带天线500的示意图。如图所示，微带天线500包含两条微带天线400经由T形接合部50耦接在一起，经由同一输出/馈入端来收发信号。对于微带天线400的相关描述如同前述，在此不再赘述。此一实施例为说明本发明的微带天线不仅可有多个串联的矩形微带天线单元，也可并联多个微带天线列，形成微带天线阵列，而再加入本发明所提供的L形带阻滤波器，便能有效地消除不必要的噪声。

请参考图6。图6为本发明的一具体实施例的示意图。如图所示，单频微带天线600包含一微带天线列611、一微带天线列612、L形带阻滤波器对613及一T形接合部614。微带天线列611包含二矩形微带天线单元6111、6113、微带线6112、6114。矩形微带天线单元6111、6113的长度为12.5厘米、宽度也为12.5厘米(在本实施例中，其设计为正方形，但仍可设计为长方形，根据使用者的设计需求)。微带线6112的长度为4厘米，宽度为0.7厘米，连接于矩形微带天线单元6111与矩形微带天线单元6113之间。微带线6114的长度为1.5厘米，宽度为0.7厘米，连接于矩形微带天线单元6113。微带天线列612包含二矩形微带天线单元6121、6123与二微带线6122、6124。矩形微带天线单元6121、6123的长度为12.5厘米、宽度也为12.5厘米(在本实施例中，其设计为正方形，但仍可设计为长方形，根据使用者的设计需求)。微带线6122的长度为4厘米，宽度为0.7厘米，连接于矩形微带天线单元6121与矩形微带天线单元6123之间。微带线6124的长度为1.5厘米，宽度为0.7厘米，连接于矩形微带天线单元6123。矩形微带天线单元6111与微带天线单元6121的距离为4厘米；矩形微带天线单元6113与矩形微带天线单元6123的距离为4厘米。L形带阻滤波器6137包含一第一直部6131、一第三等腰三角部6132及一第三横部6133。该第一直部的宽度为0.3厘米，长度为8.2厘米；该第三等腰三角部6132连接于该第一直部6131与该第三横部6133之间，该第三等腰三角部的底为0.3厘米，高为0.3厘米；第三横部6133的宽度为0.3厘米，长度为7.15厘米，该第三横部6133与该微带线6114的距离为0.3厘米。该第三横部6133与T形接合部614的第一横部6142的距离为0.3厘米。L形带阻滤波器6138包含一第二直部6134、一第四等腰三角部6135及一第四横部6136。该第二直部的宽度为0.3厘米，长度为8.2厘米；该第四等腰三角部6135连接于该第二直部6134与该第四横部6136之间，该第四等腰三角部的底为0.3厘米，高为0.3厘米；第四横部6136的宽度为0.3厘米，长度为7.15厘米，该第四横部6136与该第四微带线6124的距离为0.3厘米。该第四横部6136与T形接合部614的第二横部6145的距离为0.3厘米。T形接合部614包含一第一等腰三角部6141、一第一横部6142、一第一直角三角部6143、一第二直角三角部6144、一第二横部6145一第二等腰三角部6146及一主干部6147。第一等腰三角部6141连接于该第二微带线6114，第一等腰三角部6141的底为0.7厘米，高为0.7厘米；第一横部6142连接于该第一等腰三角部6141，该第一横部6142的宽度为0.7厘米，长度为6.4厘米；第一直角三角部6143连接于该第一横部6142，该第一直角三角部6143的底为0.7厘米，高为1.5厘米；第二直角三角部6144，连接于该第二横部6145，该第二直角三角部6144的底为0.7厘米，高为1.5厘米；第二横部6145连接于该第二等腰三角部6146，该第二横部6145的宽度为0.7厘米，长度为6.4厘米；第二等腰三角部6146连接于微带线6124，该第二等腰三角部6146的底为0.7厘米，高为0.7厘米；主干部6147连接于该第一直角三角部6143与该第二直角三角部6144，该主干部6147的宽度为3厘米，长度为2.9厘米，主干部6147用来收发该信号。

本发明的具L形带阻滤波器的微带天线的具体实施例600的阵列结构为二组二阶串联馈入微带天线，由四个共振频率都为5.8兆赫(GHz)的矩形微带天线单元6111、6113、6121、6123组成。每两个串联矩形微带天线单元中间以一段100欧姆(ohm，Ω)微带线6112、6122相连接，微带天线列611(二阶串联馈入微带天线)、612(二阶串联馈入微带天线)的输入阻抗为100欧姆。矩形微带天线单元6111、6113、6121、6123可设计为长方形，在此为了将设计简单化，都使用方形。此阵列由最下方的50欧姆的主干部6147馈入，再经由T形接合部614做为功率分配器，分别将信号馈入微带天线列611、612。此种混合串并连式馈入结构，造成每个次微带天线馈入为零度相位差(in phase)，使得阵列因子(Array Factor)会在θ＝ψ＝0°的方向上产生建设性干涉，与单一微带天线最大增益方向相同，进而提高整体的天线增益。相较于一般并联式阵列的微带天线，此混合式的馈入可得到较全向性的场形，整体电路布线面积也较小。馈入连接线的长短会影响(1)寄生的低频共振、(2)天线的场形。四个矩形微带天线单元上下移动会影响上下天线组件的馈入相位(此具体实施例设计为0度相差)，对此阵列的场形会有较大的影响。而馈入线左右偏移主要影响天线输入阻抗与匹配特性。另外，馈入线的转角结构设计可为切角可避免电荷在此累积而产生的辐射，或不匹配的效应。

本具体实施例的具L形带阻滤波器的微带天线600的基板板材采用介电系数εr＝4.2，基板厚度1.6厘米，tanδ＝0.022，金属厚度为35微米(10-6公尺)，整体电路布线面积为34.1厘米×29厘米。天线接地尺寸设计为40厘米×40厘米(下缘与主干部6147切齐，左右对称)。基板背面的金属板可全为接地。

请参考图7。图7为本具体实施例的微带天线600在5.8兆赫测量的辐射场形的示意图。其中XZ与YZ平面都为广边辐射(broadside radiation)场型，且天线最大测量增益在5.8兆赫可达到9.92dBi(dB isotropic，天线绝对增益)。

请参考图8。图8为本具体实施例的微带天线600的测量反射损失的比较图。实线部分为加入L形带阻滤波器之后的情况；虚线则为未加入L形带阻滤波器的情况。在本发明的微带天线600未加入L形带阻滤波器时，串联式馈入会使中心频率较低的频段(5.15兆赫-5.28兆赫)产生共振。而L形带阻滤波器可以有效的抑制此低频共振，且不影响天线原本的共振频率。此天线测量反射损失小于-10dB频段约为5.7-5.95兆赫，且L形带阻滤波器对寄生的低频共振有良好的抑制。

相较于全串联或全并联的线性阵列结构，这种2×2平面阵列的辐射场形不仅能减少同轴馈入线长度，还能产生同样具有高增益辐射且更宽的波束宽度(beam width)。并且在馈入线混合了串联与并联结构，可使天线组件在更紧密的排列上还能达到同相位(in-phase)的要求。高质量因子的L形带阻滤波器整合不仅能在非操作频段范围中阻隔信号，且在天线结构中不会增加布线面积，也不影响天线在5.8兆赫时的辐射特性。

另外，本发明的具L形带阻滤波器的微带天线的收发频率，可介于5.7到5.95兆赫。

综合来看，本发明的具L形带阻滤波器的微带天线600，使用一天线阵列混合串并联式馈入架构，此阵列结构可为二组二阶串联馈入微带天线列，由四个共振频率都为要收发频率的矩形微带天线单元组成。每两个矩形微带天线单元中间以一段100Ω微带线相连接，此二阶串联馈入微带天线输入阻抗为100Ω；此处的阻抗设计为使整个天线阵列由信号馈入的输入端的输入阻抗维持在50Ω，以符合传统天线的规格需求。矩形微带天线单元可设计为长方形，在此为了将设计简单化，都使用方形。信号由50Ω微带线馈入，经由T形接合部做为功率分配器，分别将信号馈入二组二阶串联馈入微带天线列。此种混合串并联式馈入结构，可形成每个微带天线单元馈入为零度相位差(in phase)，使得阵列因子(Array Factor)会在θ＝ψ＝0°的方向上产生建设性干涉，与单一微带天线最大增益方向相同，进而提高整体的天线增益。相较于并联式阵列，此混合式的馈入可得到较全向性的场形，整体电路布线面积也较小。馈入连接线的长短会影响(1)寄生的低频共振(2)天线的场形。四个方形微带天线组件上下移动会影响上下天线单元的馈入相位(最佳设计为0度相差)，对此阵列的场形会有较大的影响。而馈入线左右偏移主要影响天线输入阻抗与匹配特性。另外，馈入线的转角结构设计为切角，可避免电荷在此累积而产生的辐射，或不匹配的效应。

另外，本发明的微带天线架构以一金属片实现，并附着于一介电质基板上，其金属接地板附着在此介电质基板的另一面上，此金属接地板尺寸需大于或等于本发明的微带天线架构，并以布局完全覆盖、对称布局为较佳的设计。此金属接地板设计尺寸越大于基板上的微带天线架构，则尺寸的变异对此天线的特性影响会越趋于不明显。基板背面的金属板可全为接地。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。