CN101071900B

CN101071900B - 圆形极化天线

Info

Publication number: CN101071900B
Application number: CN200610079958XA
Authority: CN
Inventors: 张知难; 林俊鸣
Original assignee: Datong University; Tatung Co Ltd
Current assignee: Datong University; Tatung Co Ltd
Priority date: 2006-05-10
Filing date: 2006-05-10
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2026-05-10
Also published as: CN101071900A

Abstract

本发明是关于一种圆形极化天线，尤指一种可发射及接收一圆形极化讯号并具有较小尺寸的圆形极化天线。其包括：一具有一上表面及一下表面的基板；一讯号分配单元；一天线本体，用以发射及接收此圆形极化讯号；以及复数个支撑单元，此等支撑单元支撑此天线本体于此基板的上方，且使此天线本体与此基板的上表面之间维持一特定距离。其中，此基板的上表面设有复数个沟槽，每一此等沟槽的一端互相重合而形成一中央区域；此基板的下表面设有一耦合单元，此耦合单元的中心对应于此中央区域，且此耦合单元电连接于此讯号分配单元。

Description

圆形极化天线

技术领域

本发明是关于一种圆形极化天线，尤指一种可发射及接收一圆形极化讯号，且具有较小尺寸的圆形极化天线。

背景技术

在某些电子装置中，如射频辨识系统(RFID)的读取装置(reader)，其所使用的天线模块必须能发射及接收一圆形极化讯号，以确保此电子装置可在任何位置正常地运作。此外，由于这些天线模块常常需要具有可移植性，以让使用者可以随身携带具有这些天线模块的电子装置，这些天线模块的尺寸也有所限制，且尺寸越小越好。

目前，由于公知圆形极化天线多半利用直线状的耦合线将电讯号耦合至其天线单元，以将此电讯号转换为圆形极化讯号并发射至外界，公知圆形极化天线所使用的基板必须具有一定的尺寸，以便将此耦合线容纳于其表面。此外，由于公知圆形极化天线的天线单元(如微带天线单元)的边长需约为其所发射或接收的圆形极化讯号的波长的二分之一，所以当其所发射的圆形极化讯号的频率为915MHZ(射频辨识系统的工作频率)，其天线单元的边长于自由空间便需为164mm。如果要缩小其尺寸，通常的解决方法是在天线单元表面挖槽或是将天线单元的形状加以变化，以增加电流路径。但是，这些方法均需要在天线单元的表面(辐射面)上进行较复杂的处理(挖槽或改变其形状)。因此，公知圆形极化天线的结构均较为复杂，并无法达成设计简单的要求。

因此，业界需要一种可进一步缩小尺寸，但维持天线本体面结构简单，例如其可为正方形或圆形的基础型状，却具有相同功能的圆形极化天线，以应用于各种可携式电子装置的天线模块内。

发明内容

本发明的目的在于提供一种圆形极化天线，其体积更小、更适合于随身携带。

为实现上述目的，本发明提供的圆形极化天线，用以发射及接收一圆形极化讯号，包括：

一具有一上表面及一下表面的基板；

一讯号分配单元；

一天线本体，用以发射及接收该圆形极化讯号；以及

复数个支撑单元，该等支撑单元支撑该天线本体于该基板的上方，且使该天线本体与该基板的上表面之间维持一特定距离；

其中，该基板的上表面设有复数个沟槽，每一该等沟槽的一端互相重合而形成一中央区域；该基板的下表面设有一耦合单元，该耦合单元的中心对应于该中央区域，且该耦合单元电连接于该讯号分配单元。

所述的圆形极化天线，其中该耦合单元包括一耦合部及一连接部，该连接部分别电连接于该讯号分配单元及该耦合部。

所述的圆形极化天线，其中该耦合单元的耦合部为一具有一开口的环状耦合部。

所述的圆形极化天线，其中该基板为FR-4材质的微波基板。

所述的圆形极化天线，其中该讯号分配单元为一同轴电缆接头。

所述的圆形极化天线，其中该讯号分配单元电连接于一同轴电缆。

所述的圆形极化天线，其中该等沟槽的数目介于4至36之间。

所述的圆形极化天线，其中每一该等沟槽的宽度均相同。

所述的圆形极化天线，其中每一该等沟槽的宽度与该耦合单元的耦合部的宽度相同。

所述的圆形极化天线，其中每一该等沟槽的末端为哑铃形。

所述的圆形极化天线，其中该天线本体为铜板。

所述的圆形极化天线，其中该基板正方形板。

所述的圆形极化天线，其中该天线本体为正方形板。

所述的圆形极化天线，其中该天线本体为截角的正方形板。

所述的圆形极化天线，其中该天线本体为多边形板。

所述的圆形极化天线，其中该等支撑单元由绝缘材质构成。

所述的圆形极化天线，其中该圆形极化讯号的频率范围介于900MHz及930MHz之间。

所述的圆形极化天线，其中该圆形极化讯号的频率范围介于400MHz及600MHz之间。

所述的圆形极化天线，其中该天线本体的边长介于该圆形极化讯号的波长的四分之一及四分之三之间。

换言之，本发明是用以发射及接收一圆形极化讯号，包括：一具有一上表面及一下表面的基板；一讯号分配单元；一天线本体，用以发射及接收此圆形极化讯号；以及复数个支撑单元，此等支撑单元支撑此天线本体于此基板的上方，且使此天线本体与此基板的上表面之间维持一特定距离；其中，此基板的上表面设有复数个沟槽，每一此等沟槽的一端互相重合而形成一中央区域；此基板的下表面设有一耦合单元，此耦合单元的中心系对应于此中央区域，且此耦合单元系电连接于此讯号分配单元。

因此，在相同的工作频率范围(如射频辨识系统的工作频率范围，约介于902MHZ至928MHZ之间)的情况下，本发明的圆形极化天线可利用在其基板的上表面与下表面分别设置沟槽及改变耦合单元大小尺寸的方式，缩小其天线本体及基板的尺寸大小，但仍保持与公知圆形极化天线相同的功能水准，如相当的折返损耗(return loss)与工作频宽。因此，一具有本发明的圆形极化天线的天线模块(如射频辨识系统的天线模块)的尺寸可进一步缩小，且天线本体面仅为简单的形状，使具有此天线模块的电子装置(如射频辨识系统的读取器)的体积更小、更适合于随身携带的应用。

本发明的圆形极化天线的耦合单元可包括任何类型的耦合部，其较佳为一具有一开口的环状耦合部或一具有一开口且边数小于36的等边多边形。本发明的圆形极化天线的基板可由任何材质的印刷电路板构成，其较佳为FR-4材质的微波基板、Duroid材质的微波基板或Teflon材质的微波基板。本发明的圆形极化天线可使用任何类型的讯号分配单元，其较佳为一同轴电缆接头。本发明的圆形极化天线的讯号分配单元可电连接于任何种类的讯号线，其较佳为一同轴电缆(coaxial cable)或一铜绞线。本发明的圆形极化天线的基板的上表面可设有任何数目的沟槽，其数目较佳介于4至36之间。形成于本发明的圆形极化天线的基板上表面的沟槽可具有任何大小的宽度，每一沟槽较佳均具有相同的宽度。形成于本发明的圆形极化天线的基板下表面的耦合单元可具有任何大小的宽度，其宽度较佳与形成于本发明的圆形极化天线的基板上表面的沟槽的宽度相同。形成于本发明的圆形极化天线的基板上表面的沟槽可具有任何类型的末端，每一沟槽较佳均具有一横槽或一哑铃部于其末端。本发明的圆形极化天线的天线本体可由任何种类的金属构成，其较佳由铜含量百分的98以上的铜合金构成。本发明的圆形极化天线可使用任何形状的基板，其较佳为正方形板、长方形板或圆形板。本发明的圆形极化天线可使用任何形状的天线本体，其较佳为正方形板、长方形板、截角的正方形板、截角的长方形板、多边形板或圆形板。本发明的圆形极化天线可使用任何材质的支撑单元，其较佳为塑料或任何具绝缘功能的材质。本发明的圆形极化天线可发射及接收任何频率范围的圆形极化讯号，其频率范围较佳介于900MHz及930MHz之间或400MHz及600MHz之间。本发明的圆形极化天线可使用一具有任何边长的天线本体，其边长较佳介于圆形极化讯号的波长的四分之一及四分之三之间，其边长最佳为圆形极化讯号的波长的二分之一。

附图说明

图1为本发明第一较佳实施例的圆形极化天线的立体示意图。

图2A及图2B为本发明第一较佳实施例的圆形极化天线的基板的立体示意图。

图3为显示形成于本发明第一较佳实施例的圆形极化天线的基板下表面的环状耦合线的直径与本发明第一较佳实施例的圆形极化天线的共振频率关系的示意图。

图4A为显示本发明第一较佳实施例的圆形极化天线所发射的圆形极化讯号的轴化率(axial ratio)的软件仿真结果与实际量测结果的示意图。

图4B为显示本发明第一较佳实施例的圆形极化天线的增益(gain)的软件仿真结果与实际量测结果的示意图。

图5A为本发明第二较佳实施例的圆形极化天线的基板上表面的示意图，其中沟槽数目为16。

图5B为本发明第三较佳实施例的圆形极化天线的基板上表面的示意图，其中沟槽数目为36。

图6A为显示当不同数目的沟槽(4、8、12、16及36)形成于本发明的圆形极化天线的基板的上表面时，本发明的圆形极化天线的折返损失(returnloss)随着工作频率变化关系的示意图。

图6B为显示当不同数目的沟槽(4、8及36)形成于本发明的圆形极化天线的基板上表面时，本发明的圆形极化天线所发射的圆形极化讯号的极化率(axial ratio)随工作频率变化关系的示意图。

图7为本发明第四较佳实施例的圆形极化天线的立体示意图。

图8A为本发明第四较佳实施例的圆形极化天线的基板上表面的示意图，其中每一沟槽的末端均具有一横槽。

图8B为本发明第三较佳实施例的圆形极化天线的基板上表面的示意图，其中每一沟槽的末端均具有一哑铃部。

图9为显示本发明第四较佳实施例的圆形极化天线所发射的圆形极化讯号的「轴化率」与天线本身的「增益」分别随着频率变化而改变的示意图。

具体实施方式

图1为本发明第一较佳实施例的圆形极化天线的立体示意图，其中圆形极化天线1包括基板21及天线本体22。此外，基板21由厚度0.8mm的FR-4材质的微波基板构成，而天线本体22则由含铜量98％以上的铜合金构成。如图1所示，天线本体22结合于一支撑结构24，而支撑结构24再被第一支撑棒231、第二支撑棒232、第三支撑棒233及第四支撑棒234支撑。如此，天线本体22便与基板21的上表面211保持一特定距离，由此距离调整可使天线增益提高及获得较佳的圆型极化特性。

由于此一特定距离的长短系与圆形极化天线1的设计频率(designfrequency)有密切的关系，所以当本发明的圆形极化天线欲改变其设计频率(即发射及接收的圆形极化讯号的频率)时，前述的第一支撑棒231、第二支撑棒232、第三支撑棒233及第四支撑棒234便需进行调整，以使天线本体22与基板21的上表面211之间保持另一不同大小的距离。

图2A及图2B为本发明第一较佳实施例的圆形极化天线的基板的立体示意图，其中图2A为显示基板21的上表面211的情况，图2B则显示基板21的下表面212的情况。如图2A所示，基板21的上表面211设有8个长条状沟槽213，每一沟槽213的一端均重合于中央区域214。另一方面，如图2B所示，基板21的下表面212设有环状耦合线215及直线耦合线216，其中环状耦合线215并非完全封闭，其具有开口217于其边缘。此外，环状耦合线215的中心对应基板21上表面211的中央区域214，且环状耦合线215由直线耦合线216而电连接于同轴电缆接头25。

也就是说，本发明第一较佳实施例的圆形极化天线是由调整形成于其基板下表面的环状耦合线直径大小的方法，即图2B所示的环状耦合线215的直径，控制其所能发射及接收的圆形极化讯号的频率范围，即其共振频率(resonant frequency)的范围，但天线本体21则维持简单的形状。

如图3所示，在天线本体尺寸相同的情况下，当设于本发明第一较佳实施例的圆形极化天线的基板下表面的环状耦合线的直径为138mm时，本发明第一较佳实施例的圆形极化天线的共振频率约为500MHZ，此频率可用于数字电视的接收，显著低于约略具有相同尺寸基板的公知圆形极化天线的共振频率(约915MHZ)。此外，从图3亦可看出，当环状耦合线的直径越小时，本发明第一较佳实施例的圆形极化天线的共振频率则朝向高频率范围移动。因此，由于前述的环状耦合线的缘故，本发明第一较佳实施例的圆形极化天线与具有相同范围的共振频率的公知圆形极化天线相比，其基板的尺寸较小，且可配合使用尺寸较小的天线本体。意即，本发明第一较佳实施例的圆形极化天线的整体尺寸可更进一步地缩小。

在实际运作时，本发明第一较佳实施例的圆形极化天线仅需用长宽均为130mm的基板(FR-4材质的微波基板)及长宽均为108mm的天线本体(铜板)便可发射及接收频率范围介于902MHZ及928MHZ之间的圆形极化讯号，其天线本体的尺寸显著地小于公知圆形极化天线所使用的天线本体的尺寸(长宽均为164mm)。此外，本发明第一较佳实施例的圆形极化天线的基板与天线本体之间仅需保持11.4mm的共振距离。此外，如图2A所示，基板21的上表面形成有八个宽度为4mm的长条状沟槽213，它们的一端均重合于中央区域214。另一方面，如图2B所示，基板21的下表面212另形成一宽度为4mm，直径为72mm的环状耦合线215与宽度为4mm的直线耦合线216，而环状耦合线215并藉由直线耦合线216而电连接于同轴电缆接头25。

所以，当本发明第一较佳实施例的圆形极化天线处于其「发射状态」时，同轴电缆接头25从与其电连接的同轴电缆(图中未示)接收一电讯号并将此电讯号经由与其电连接的直线耦合线216传送至具有一开口的环形耦合线215。接着，环形耦合线215及设于基板上表面的沟槽213将此电讯号转换为一圆形极化讯号，而被发射至外界。而当本发明第一较佳实施例的圆形极化天线处于其「接收状态」时，环形耦合线215及设于基板上表面的沟槽213将接收的圆形极化讯号转换为一电讯号，此电讯号接着经由直线耦合线216及同轴电缆接头25而传递至一同轴电缆(图中未示)，以执行后续的讯号处理程序。

图4A为本发明第一较佳实施例的圆形极化天线所发射的圆形极化讯号的轴化率(axial ratio)的软件仿真结果与实际量测结果，两者分别以三角块及正方块显示。从图4A中可看出，虽然本发明第一较佳实施例的圆形极化天线实际所能发射的圆形极化讯号的中心频率(center frequency)略低于软件仿真结果所预测的结果，其中心频率从原本接近0.95GHZ(950MHZ)的理论预测值降到接近0.91GHZ(910MHZ)，本发明第一较佳实施例的圆形极化天线的阻抗频宽(impedance bandwidth)(小于-10dB的频宽)约为126MHZ及3dB轴化率约为2.5％，其符合大部分圆形极化天线应用场合的规格要求。

图4B为本发明第一较佳实施例的圆形极化天线的增益(gain)的软件仿真结果与实际量测结果，两者分别以三角块及正方块显示。从图4B中可以看出，软件仿真所预测的增益值大于实际量测所得的增益值。此一结果的原因是当软件仿真时，软件是假设无损耗的基板所致。

需注意的是，本发明的圆形极化天线的基板可具有任何数目的沟槽于其上表面，并不以图2A所示的8个沟槽为限。事实上，沟槽的数目亦可为12、16或36，甚至64，依据实际应用状况而定。

图5A是显示沟槽数目为16时，本发明第二较佳实施例的圆形极化天线的基板上表面的情况，其中16个沟槽51的一端均重合于中央区域52；图5B则显示沟槽数目为36时，本发明第三较佳实施例的圆形极化天线的基板上表面的情况，其中36个沟槽53的一端均重合于中央区域54。比较图5A及图5B便可以看出，当沟槽数目越多时(从16增加至36)，中央区域的面积也就越大(中央区域54的面积大于中央区域52的面积)。此外，这些形成于基板上表面的不同数目的沟槽对于本发明的圆形极化天线的本身特性(如折返损失)及其所发射的圆形极化讯号的特性(轴化率)均有所影响，此一部分将叙述于下。

图6A为显示当不同数目的沟槽(4、8、12、16及36)形成于本发明的圆形极化天线的基板的上表面时，本发明的圆形极化天线的折返损失(returnloss)随着工作频率变化的情形。图6B则显示当不同数目的沟槽(4、8及36)形成于本发明的圆形极化天线的基板上表面时，本发明的圆形极化天线所发射的圆形极化讯号的极化率(axial ratio)随工作频率变化的情形。

从图6A可看出，当沟槽的数目越多时，本发明的圆形极化天线的折返损失就越低，表示本发明的圆形极化天线能更有效率地将所收到的电讯号转换为圆形极化讯号。而从图6B可看出，不管沟槽的数目为何，本发明的圆形极化天线所发射的讯号均具有「圆形极化」的特性。因此，从图6A及图6B可得知，只要沟槽的数目大于8时，本发明的圆形极化天线便可具有足够的效能(足够小的折返损失与足够大的轴化率)供发射及接收圆形极化讯号所需，而不需要设置过多数目的沟槽(如36个沟槽)于本发明的圆形极化天线的基板的上表面。

图7为本发明第四较佳实施例的圆形极化天线的立体示意图，其中圆形极化天线7包括基板71及天线本体72。此外，基板71是由厚度0.8mm的FR-4材质的微波基板构成，且边缘设有一同轴电缆接头75。天线本体72则由含铜量98％以上的铜合金构成，且天线本体72的两相对的边角被截去。如图7所示，天线本体72结合于一支撑结构74，而支撑结构74再被第一支撑棒731、第二支撑棒732、第三支撑棒733及第四支撑棒734支撑。如此，天线本体72便与基板71的上表面711保持一特定距离，由此距离调整可使天线增益提高及获得较佳的圆型极化特性。

由于此一特定距离的长短系与圆形极化天线7的设计频率(designfrequency)有密切的关系，所以当本发明的圆形极化天线欲改变其设计频率(即发射及接收的圆形极化讯号的频率)时，前述的第一支撑棒731、第二支撑棒732、第三支撑棒733及第四支撑棒734便需进行调整，以使天线本体72与基板71的上表面711之间保持另一不同大小的距离。需注意的是，本发明第四较佳实施例的圆形极化天线的基板可具有任何形状的沟槽于其上表面，且这些沟槽的末端更可经过「端末处理」而具有不同的形状，如图8A及图8B所示。

图8A为显示形成于本发明第四较佳实施例的圆形极化天线的基板上表面的每一沟槽81均具有一横槽82于其末端，且每一沟槽81的另一端均重合于中央区域82。此外，图8B则显示形成于本发明第四较佳实施例的圆形极化天线的基板上表面的每一沟槽84均具有一哑铃部85于其末端，且每一沟槽84的另一端均重合于中央区域86。而这些经过「端末处理」的沟槽对于本发明第四较佳实施例的圆形极化天线的本身特性(如增益)及其所发射的圆形极化讯号的特性(轴化率)均有所影响，此一部分将叙述于下。

图9为显示本发明第四较佳实施例的圆形极化天线所发射的圆形极化讯号的「轴化率」与天线本身的「增益」分别随着频率变化而改变的示意图，其中连接各方形点的曲线系代表轴化率(axial ratio)，而连接各圆形点的曲线则代表增益(gain)。

从图9中可看出，虽然本发明第四较佳实施例的圆形极化天线所发射的圆形极化讯号的中心频率(center frequency)略高于较射频辨识系统的工作频率范围，但其所发射的圆形极化讯号的轴化率(axial ratio)的「3-dB频宽」却较本发明第一较佳实施例的圆形极化天线所发射的圆形极化讯号「3-dB频宽」为宽。此外，在射频辨识系统的工作频率范围内，本发明第四较佳实施例的圆形极化天线的增益(gain)的值均大于4dB。所以，本发明第四较佳实施例的圆形极化天线已符合大部分圆形极化天线应用场合的规格要求。

综上所述，在相同的工作频率范围(如射频辨识系统的工作频率范围，约介于902MHZ至928MHZ之间)的情况下，本发明的圆形极化天线可利用在其基板的上表面与下表面分别设置沟槽与耦合单元的方式，缩小其天线本体及基板的尺寸大小，但仍保持与公知圆形极化天线相同的功能水准，如相当的折返损耗(return loss)与工作频宽。因此，一具有本发明的圆形极化天线的天线模块(如射频辨识系统的天线模块)的尺寸可进一步缩小，使具有此天线模块的电子装置(如射频辨识系统的读取器)的体积更小、更适合于随身携带的应用。

上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以申请专利范围所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims

1.一种圆形极化天线，用以发射及接收一圆形极化讯号，包括：

一具有一上表面及一下表面的基板；

一讯号分配单元；

一天线本体，用以发射及接收该圆形极化讯号；以及

其中，该基板的上表面设有复数个沟槽，每一该等沟槽的一端互相重合而形成一中央区域；该基板的下表面设有一耦合单元，该耦合单元的中心对应于该中央区域，且该耦合单元电连接于该讯号分配单元；

该耦合单元包括一耦合部及一连接部，该耦合部为一具有一开口的环状耦合部，且该连接部分别电连接于该讯号分配单元及该耦合部。

2.如权利要求1所述的圆形极化天线，其中该基板为FR-4材质的微波基板。

3.如权利要求1所述的圆形极化天线，其中该讯号分配单元为一同轴电缆接头。

4.如权利要求1所述的圆形极化天线，其中该讯号分配单元电连接于一同轴电缆。

5.如权利要求1所述的圆形极化天线，其中该等沟槽的数目介于4至36之间。

6.如权利要求1所述的圆形极化天线，其中每一该等沟槽的宽度均相同。

7.如权利要求1所述的圆形极化天线，其中每一该等沟槽的宽度与该耦合单元的耦合部的宽度相同。

8.如权利要求1所述的圆形极化天线，其中每一该等沟槽的末端为哑铃形。

9.如权利要求1所述的圆形极化天线，其中该天线本体为铜板。

10.如权利要求1所述的圆形极化天线，其中该基板正方形板。

11.如权利要求1所述的圆形极化天线，其中该天线本体为正方形板。

12.如权利要求1所述的圆形极化天线，其中该天线本体为截角的正方形板。

13.如权利要求1所述的圆形极化天线，其中该天线本体为多边形板。

14.如权利要求1所述的圆形极化天线，其中该等支撑单元由绝缘材质构成。

15.如权利要求1所述的圆形极化天线，其中该圆形极化讯号的频率范围介于900MHz及930MHz之间。

16.如权利要求1所述的圆形极化天线，其中该圆形极化讯号的频率范围介于400MHz及600MHz之间。

17.如权利要求1所述的圆形极化天线，其中该天线本体的边长介于该圆形极化讯号的波长的四分之一及四分之三之间。