CN101232121B - 圆形极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明系关于一圆形极化天线，其包含：一辐射导体、一铜柱、一馈入网络、一耦合导线、一接地面、一第一延伸导线、一第二延伸导线、一介质基板及一馈入导线。藉由耦合导线与第一延伸导线及第二延伸导线耦合，以激发出一线性极化的辐射特性；而藉由辐射导体与铜柱连接的结构，激发出另一线性极化的辐射特性，透过上述的方式产生两个极化方向相互垂直的线性极化的辐射特性，其后再透过馈入网络将两个线性天线整合在一起，并藉由调整馈入网络，使天线具有良好的圆形极化的特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种圆形极化天线(circular polarization antenna)，特别是应用于无线通讯产品上之天线，亦包括全球卫星定位系统(GPS)。
背景技术
随着近年来无线通讯的快速发展，天线在各项无线通讯产品中的需求上也逐渐提高，其中全球卫星定位系统(GPS)的应用也渐渐由原本的军方专用开放至到民间也可以来做使用，而卫星的微波讯号在传递时必须能够顺利的通过大气层中的电离层，此时只有圆形极化特性的讯号可以不受大气中电离层的影响，顺利的传递讯号，此外圆形极化能有效提升一般线性天线对于多重路径干扰的抑制能力，因此圆形极化天线也被应用于一般的无线通讯设备中，而如何达成符合实际通讯设备的圆形极化天线之设计与研究，近年来也日渐重要。
目前应用于圆形极化无线通讯设备中，通常采用方形截角辐射金属片透过单点讯号馈入的方式，及透过馈入网络将讯号分成两个讯号点使辐射金属片激发出圆形极化的天线设计，习知的圆形极化天线设计如“截角平板圆形极化天线”(参考图1)，其揭示一种应用于圆形极化天线，其天线主要辐射金属片部分，截去一组位于辐射金属板对角线上的边角11，藉由馈入点10可激发出两个不同长度的电流路径p1、p2，进而在同一个辐射金属片面上激发出两个相互垂直的模态，以达成圆形极化的效果。又如“单层圆形极化天线”(参考图2)，其亦揭示一种使用单层介质在圆形极化的应用，其天线主要辐射金属片20由馈入点21将讯号馈入，再经由馈入网络22将讯号分送至两个位置相互垂直的馈入端23，此馈入方式可以直接的产生两个工作模态，以激发出圆形极化的天线特性。
上述的两种天线设计虽可达成圆形极化的效果，但其圆形极化的主要辐射方向皆为垂直于该天线之接地面的方向，由于一般手持式无线通讯设备使用时，经常为直立状态，即系统接地面为垂直地面并指向天空方向，因此若要将其应用内藏于一般手持式无线通讯设备中(例如手机、PDA)，则该天线所产生的圆形极化辐射方向应为平行于系统接地面之方向较为适合，上述两种设计在使用上较不符合所需求的辐射方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有平行系统接地面方向圆形极化辐射的天线创新设计。
为解决上述天线辐射方向性的问题，本发明中提出一种圆形极化天线的创新设计，其天线的设计主要可以分成三个部分，第一部份为利用一辐射导体、一铜柱及一介质基板所构成的天线结构，产生一线性极化的辐射场型，第二部分则是利用一耦合导体与一第一延伸导线及一第二延伸导线相互耦合，激发出另一线性极化的辐射场型，第三部分为一馈入网络，藉由该馈入网络将两个极化方向相互垂直的线性极化辐射作整合，使天线可以在平行接地面方向得到很好的圆形极化特性。
如上所述，本发明的圆形极化天线包含：一介质基板，该介质基板具有一第一表面及一第二表面；一馈入网络，位于该介质基板之该第一表面，其包含：一中心导线、一较短支路导线、一较长支路导线、一馈入点、一第一讯号点及一第二讯号点，该中心导线具有一起始端及一末端，该馈入点位于该中心导线之起始端，该较短支路导线，其一端点与该中心导线之末端连接，另一端与该第一讯号点连接，一较长支路导线，其一端点与该中心导线之末端连接，另一端与该第二讯号点连接，藉由该馈入网络得以将讯号由该馈入点传送至该第一讯号点及该第二讯号点，且该两支路导线的长度差异，可用以产生一电流之相位落差于该两讯号点；一耦合导线，位于该介质基板之该第一表面，该耦合导线以环绕的方式作延伸，其一端与该第二讯号点连接，另一端则为开路状态，讯号可由该第二讯号点输入该耦合导线；一接地面，该接地面的外围有一双延伸导线，一第一延伸导线及一第二延伸导线，且该接地面、第一及第二延伸导线皆位于该介质基板之该第二表面，该第一延伸导线靠近该接地面，且沿着该接地面边缘作延伸，该第一延伸导线之一端点与该接地面连结，另一端点则为开路状态，该第二延伸导线位于与该第一延伸导线相互对称于该耦合导线的位置，藉由该耦合导线与该第一延伸导线及第二延伸导线耦合，以激发出一具有线性极化之辐射特性，其极化方向为平行该接地面之方向；一辐射导体，位于该介质基板之该第一表面上方；一铜柱，该铜柱其一端点与该辐射导体连接，另一端点则与该第一讯号点连接，藉此可将该第一讯号点之讯号输入该铜柱及该辐射导体，以激发出另一具有线性极化之辐射特性，且其极化方向为垂直该接地面之方向；藉由上述结构可使该天线产生两互相垂直极化之辐射，且其合成最大辐射方向为+y方向，透过该馈入网络将前述两个线性极化的辐射特性作适当的功率及相位之调整，本发明的天线在平行于该接地面方向具有良好的圆形极化辐射特性。
附图说明
图1为习知圆形极化天线一实施例结构图。
图2为习知圆形极化天线一实施例结构图。
图3为本发明圆形极化天线第一实施例结构图。
图4为本发明圆形极化天线第一实施例之返回损失实验结果。
图5为本发明圆形极化天线第一实施例之辐射场型实验结果。
图6为本发明圆形极化天线第一实施例之圆极化轴比实验结果。
图7为本发明圆形极化天线第二实施例结构图。
具体实施方式
图3所示为本发明的圆形极化天线的第一实施例，其包含：一介质基板30，该介质基板30具有一第一表面301及一第二表面302，该介质基板30可为微波介质材料；一馈入网络31，位于该介质基板30之该第一表面301，其包含：一中心导线311，该中心导线311具有一起始端及一末端，一馈入点312，位于该中心导线311之起始端，一第一讯号点31a，一较短支路导线314，其一端点与该中心导线311之末端连接，另一端与该第一讯号点31a连接，一第二讯号点31b，一较长支路导线316，其一端点与该中心导线311之末端连接，另一端与该第二讯号点31b连接，其中该中心导线311、较短支路导线314和较长支路导线316为高频讯号传输线，藉由该馈入网络31得以将高频讯号由该馈入点312传送至该第一讯号点31a及该第二讯号点31b，该较长支路导线316与较短支路导线314长度上的差异用以产生一电流之相位落差；一耦合导线32，位于该介质基板30之该第一表面301，该耦合导线32以环绕的方式作延伸，其一端与该第二讯号点31b连接，另一端则为开路状态，讯号可由该第二讯号点31b输入该耦合导线32；一接地面33，位于该介质基板30之第二表面302，且该馈入网络31位于该接地面33范围内，一第一延伸导线34，位于该介质基板30之该第二表面302，该第一延伸导线34靠近该接地面33，且沿着该接地面33边缘作延伸，该第一延伸导线34，其一端点与该接地面33连结，另一端点则为开路状态，一第二延伸导线35，位于该介质基板30之该第二表面302，该第二延伸导线35位于与该第一延伸导线34相互对称于该耦合导线32的位置，且该第二延伸导线35，其一端点与该接地面33连结，另一端点则为开路状态，且该耦合导线32位于该第一延伸导线34及该第二延伸导线35与该接地面33之连接点附近，藉由该耦合导线32将能量耦合至该第一延伸导线34及第二延伸导线35，以激发出一极化方向为平行该接地面33之线性极化之辐射特性；一辐射导体36，位于该介质基板30之该第一表面301上方，该辐射导体36之形状可为方形或圆形；一铜柱37，该铜柱37，其一端点与该辐射导体36连接，另一端点则与该第一讯号点31a连接，藉此可将该第一讯号点31a之讯号输入该铜柱37及该辐射导体36，以激发出另一具有极化方向为垂直该接地面之线性极化辐射特性；透过该馈入网络31将前述两个互相垂直线性极化的辐射特性作适当的功率及相位之调整，使本发明之天线在平行于该接地面33方向具有良好的圆形极化辐射特性。
图4为本发明圆形极化天线之第一实施例的返回损失实验结果；图中曲线为该天线之操作模态，由实验结果可得到此一实施例之操作模态中心频率为1551MHz，阻抗频宽于2∶1VSWR(电压驻波比)定义下，可达到275MHz，可满足全球卫星定位系统之频带需求。
图5为本发明圆形极化天线之第一实施例于1575MHz辐射场型实验结果；由实验结果可得到于此天线中，右手圆极化(RHCP)为该天线的主要极化，且由同中所标示之x-y平面及y-z平面场型结果中可看出，其最大辐射方向为朝向平行系统接地面之+y方向。
图6为本发明圆形极化天线之第一实施例于x-y平面之圆形极化轴比实验结果；由实验结果可得到此第一实施例之圆形极化模态中心频率为1582MHz，圆形极化轴比频宽于3dB定义下，可达到70MHz，可满足全球卫星定位系统之频带需求。
图7所示为本发明之圆形极化天线之一实施例2，其包含：一介质基板70，该介质基板70具有一第一表面701及一第二表面702，该介质基板70可为微波介质材料；一馈入网络71，位于该介质基板70之该第一表面701，该馈入网络71为威金森功率分配器设计方式，其包含：一中心导线711，该中心导线711具有一起始端及一末端，一馈入点712，位于该中心导线711之起始端，一第一讯号点71a，一较短支路导线714，其一端点与该中心导线711之末端连接，另一端与该第一讯号点71a连接，一第二讯号点71b，一较长支路导线716，其一端点与该中心导线711之末端连接，另一端与该第二讯号点71b连接，一隔离电阻717，位于该较短支路导线714与该较长支路导线716最接近之位置，且该隔离电阻717两端分别与该较短支路导线714及该较长支路导线716连接，其中该中心导线711、较短支路导线714和较长支路导线716为高频讯号传输线，藉由该馈入网络71得以将高频讯号由该馈入点712传送至该第一讯号点71a及该第二讯号点71b，该较长支路导线716与较短支路导线714长度上的差异用以产生一电流之相位落差；一耦合导线72，位于该介质基板70之该第一表面701，该耦合导线72以环绕的方式作延伸，其一端与该第二讯号点71b连接，另一端则为开路状态，讯号可由该第二讯号点71b输入该耦合导线72；一接地面73，位于该该介质基板70之第二表面702，且该馈入网络71位于该接地面73范围内，一第一延伸导线74，位于该介质基板70之该第二表面702，该第一延伸导线74靠近该接地面73，且沿着该接地面73边缘作延伸，该第一延伸导线74，其一端点与该接地面73连结，另一端点则为开路状态，一第二延伸导线75，位于该介质基板70之该第二表面702，该第二延伸导线75位于与该第一延伸导线74相互对称于该耦合导线72的位置，且该第二延伸导线75，其一端点与该接地面73连结，另一端点则为开路状态，且该耦合导线72位于该第一延伸导线74及该第二延伸导线75与该接地面73之连接点附近，藉由该耦合导线72将能量耦合至该第一延伸导线34及第二延伸导线75，以激发出一极化方向为平行该接地面73之线性极化之辐射特性；一辐射导体76，位于该介质基板70之该第一表面701上方，该辐射导体76之形状可为方形或圆形；一铜柱77，该铜柱77其一端点与该辐射导体76连接，另一端点则与该第一讯号点71a连接，藉此可将该第一讯号点71a之讯号输入该铜柱77及该辐射导体76，以激发出另一具有极化方向为垂直该接地面之线性极化辐射特性；透过该馈入网络71将前述两个互相垂直线性极化的辐射特性作适当的功率及相位之调整，使本发明之天线在平行于该接地面73方向具有良好的圆形极化辐射特性。
在本发明说明中所述之实施例仅为说明本发明之原理及其功效，而非限制本发明。因此，熟悉此技术的人士可在不违背本发明的精神对上述实施例进行修改及变化。本发明的权利范围应如后述之权利要求书范围所列。
Claims (18)
1.一种圆形极化天线，其特征在于所述圆形极化天线包含：
一介质基板，具有一第一表面及一第二表面；
一馈入网络，位于所述介质基板的第一表面，其包含：
一中心导线，所述的中心导线具起始端及一末端；
一馈入点，位于所述中心导线的起始端；
一第一讯号点；
一较短支路导线，其一端点与所述中心导线的末端连接，另一端点与所述第一讯号点连接；
一第二讯号点；
一较长支路导线，其一端点与所述中心导线的末端连接，另一端点与所述第二讯号点连接；
一耦合导线，位于所述介质基板的第一表面，所述耦合导线以环绕答案方式作延伸，其一端与所述第二讯号点连接，另一端侧为开路状态；
一接地面，位于所述介质基板的第二表面；
一第一延伸导线，位于所述介质基板的第二表面，所述第一延伸导线靠近接地面，并沿着所述接地面边缘作延伸，所述第一延伸导线具有两端点，其一端点与所述接地面连结，另一端点则为开路状态；
一第二延伸导线，位于所述介质基板的第二表面，所述第二延伸导线与所述第一延伸导线相互对称于所述耦合导线，所述第二延伸导线具有两端点，其一端点与所述接地面连结，另一端点则为开路状态；
一辐射导体，位于所述介质基板的第一表面的上方；及
一铜柱，所述铜柱具有两端点，其一端点与所述辐射导体连接，另一端点则与所述第一讯号点连接。
2.如权利要求1所述的圆形极化天线，其特征在于所述辐射导体形状可为方形。
3.如权利要求1所述的圆形极化天线，其特征在于所述辐射导体形状可为圆形。
4.如权利要求1所述的圆形极化天线，其特征在于所述中心导线、较短支路导线和较长支路导线系为高频讯号传输线。
5.如权利要求1所述的圆形极化天线，其特征在于所述馈入网络位于所述接地面范围之内。
6.如权利要求1所述的圆形极化天线，其特征在于高频讯号籍由所述馈入点透过所述馈入网络将讯号分送至所述第一讯号点及第二讯号点。
7.如权利要求1所述的圆形极化天线，其特征在于所述馈入网络中较长支路导线及较短支路导线，其长度答案差异用以产生一电流的相位落差。
8.如权利要求1所述的圆形极化天线，其特征在于所述耦合导线位于所述第一及第二延伸导线与所述接地面之连接点附近。
9.如权利要求1所述的圆形极化天线，其特征在于所述介质基底可为微波介质。
10.一种圆形极化天线，其特征在于所述圆形极化天线包含：
一介质基板，具有一第一表面及一第二表面；
一馈入网络，位于所述介质基板的第一表面，其包含：
一中心导线，所述的中心导线具起始端及一末端；
一馈入点，位于所述中心导线的起始端；
一第一讯号点；
一较短支路导线，其一端点与所述中心导线的末端连接，另一端点与所述第一讯号点连接；
一第二讯号点；
一较长支路导线，其一端点与所述中心导线的末端连接，另一端点与所述第二讯号点连接；
一阻隔电阻，位于所述较短支路导线和所述较长支路导线最接近之位置，且所述隔离电阻两端分别与所述较短支路导线及所述较长支路导线连接。
一耦合导线，位于所述介质基板的第一表面，所述耦合导线以环绕答案方式作延伸，其一端与所述第二讯号点连接，另一端侧为开路状态；
一接地面，位于所述介质基板的第二表面；
一第一延伸导线，位于所述介质基板的第二表面，所述第一延伸导线靠近接地面，并沿着所述接地面边缘作延伸，所述第一延伸导线具有两端点，其一端点与所述接地面连结，另一端点则为开路状态；
一第二延伸导线，位于所述介质基板的第二表面，所述第二延伸导线与所述第一延伸导线相互对称于所述耦合导线，所述第二延伸导线具有两端点，其一端点与所述接地面连结，另一端点则为开路状态；
一辐射导体，位于所述介质基板的第一表面的上方；及
一铜柱，所述铜柱具有两端点，其一端点与所述辐射导体连接，另一端点则与所述第一讯号点连接。
11.如权利要求1所述的圆形极化天线，其特征在于所述辐射导体形状可为方形。
12.如权利要求1所述的圆形极化天线，其特征在于所述辐射导体形状可为圆形。
13.如权利要求1所述的圆形极化天线，其特征在于所述中心导线、较短支路导线和较长支路导线系为高频讯号传输线。
14.如权利要求1所述的圆形极化天线，其特征在于所述馈入网络位于所述接地面范围之内。
15.如权利要求1所述的圆形极化天线，其特征在于高频讯号籍由所述馈入点透过所述馈入网络将讯号分送至所述第一讯号点及第二讯号点。
16.如权利要求1所述的圆形极化天线，其特征在于所述馈入网络中较长支路导线及较短支路导线，其长度答案差异用以产生一电流的相位落差。
17.如权利要求1所述的圆形极化天线，其特征在于所述耦合导线位于所述第一及第二延伸导线与所述接地面之连接点附近。
18.如权利要求1所述的圆形极化天线，其特征在于所述介质基底可为微波介质。
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