CN101425621A - 天线结构及其天线罩 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天线结构及其天线罩。天线结构，包含辐射元件以及天线罩。天线罩具有至少一层介电材料，该介电材料的上表面具有多个S形金属图形，下表面具有相对应于S形金属图形的多个反S形金属图形。其中，S形金属图形与相对应的反S形金属图形互相耦合以集中辐射元件所发出的辐射波束。本发明除了可集中天线结构的辐射波束的束径宽以增加天线结构的增益外，更可以大幅减少天线结构的体积。

Description

天线结构及其天线罩
技术领域
本发明有关于一种天线结构及其天线罩，且特别是有关于一种具有高增益结构的天线结构及其天线罩。
背景技术
近年来，由于无线通讯技术高速发展，无线局域网络(Wireless LAN)或是个人无线网络(Wireless PAN)已深入办公室或家庭之中。然而，将各无线网络所串联起来的仍以有线网络为主，如数字用户回路(Digital SubscriberLine，DSL)等。为了将大都会间的网络加以无线化，并以更低的成本布建城乡之间的骨干(backbone)网络设施，于是提出IEEE 802.16a的全球互通微波存取协议(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX)，其传输速度为70Mbps，将比现有T1网络的1.544Mbps快约45倍以上，其布建成本也较T1低廉。
由于骨干网络基地台的布建，通常以长距离及点对点的方式构成，因此必须以高指向性天线为主，以提升等效等向性辐射功率(EffectiveIsotropically Radiated Power，EIRP)，利用更低的功率达成远距离传输的目的，同时较集中的辐射波束也可以避免对邻近区域造成干扰。传统高指向性天线分为碟型天线以及阵列天线两大类别。碟型天线虽然具有极高的指向性增益，但本身占有极大的体积，不仅架设困难也易受外界气候的影响。
阵列天线则随着所需天线指向性增益的增加，其阵元数以倍数成长，天线面积大为增加，材料成本也大幅提升。同时，构成天线阵列重要元件之一的馈入网络急剧复杂化。馈入网络除了负责将每一个天线阵元的能量收集至输出端之外，也须确保输出端至每一个天线阵元间的相位无偏差。因此将造成相位准确性以及传输能量消耗的问题，进而导致天线增益无法随阵元数增加而增加。
于2002年，G.Tayeb等人提出“超颖材料小型高增益天线”(Compactdirective antennas using metamaterials，12th International Symposiumon Antennas，Nice，12-14 Nov.2002)，揭露一种具有多层金属网栅的超颖材料天线罩设计，利用电磁能隙技术，于14GHz的操作频段下，大幅降低微带天线的半功率束径宽(仅约为10度左右)，因此具有极高的指向性增益。然而，基于c＝f×λ的公式，当应用于操作频段为3.5GHz～5GHz的WiMAX系统时，由于频率大幅降低，故波长大幅增加，因此天线罩相对应地将需要相当的厚度，天线整体体积增加。同时，此多层金属网栅是作用于天线辐射场的远场(far-field)，整个天线结构变大，使得实用性受到了限制。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种具天线罩的天线结构、其提高增益的方法及天线罩，利用具有金属图形的介电材料，可同时将材质为超颖材料的天线罩置放于天线结构的辐射场的近场，除了可集中天线结构的辐射波束的束径宽以增加天线结构的增益外，更可以大幅减少天线结构的体积。
本发明的另一实施范例提出一种天线结构，包括辐射元件以及天线罩。天线罩具有至少一层介电材料，介电材料的上表面具有多个S形金属图形，下表面具有相对应于S形金属图形的多个反S形金属图形。其中，S形金属图形与相对应的反S形金属图形互相耦合以集中辐射元件所发出的辐射波束。
本发明的另一实施范例又提出一种天线结构，包括辐射元件以及天线罩。天线罩具有至少一层介电材料，至少一层介电材料的上表面具有多个金属图形，下表面具有相对应于金属图形的多个反向金属图形。其中，金属图形的间距介于辐射元件的共振频率的波长的0.002倍至0.2倍之间，反向金属图形的间距介于辐射元件的共振频率的波长的0.002倍至0.2倍之间。其中，金属图形与相对应的反向金属图形互相耦合以集中辐射元件所发出的辐射波束。
本发明的另一实施范例再提出一种天线罩，包括至少一层介电材料、多个S形金属图形以及多个反S形金属图形。S形金属图形印刷或蚀刻于至少一层介电材料的上表面。反S形金属图形相对应于S形金属图形，并印刷或蚀刻于至少一层介电材料的下表面。其中，S形金属图形与相对应的反S形金属图形互相耦合以集中一辐射元件所发出的辐射波束。
本发明的另一实施范例另提出一种天线罩，包括至少一层介电材料、多个金属图形以及多个反金属图形。金属图形是印刷或蚀刻于至少一层介电材料的上表面。反金属图形，相对应于金属图形，并印刷或蚀刻于至少一层介电材料的下表面。其中，金属图形的间距介于一辐射元件的共振频率的波长的0.002倍至0.2倍之间，反向金属图形的间距介于此辐射元件的共振频率的波长的0.002倍至0.2倍之间。金属图形与相对应的反向金属图形互相耦合以集中辐射元件所发出的辐射波束。
本发明的另一实施范例再提出一种提高天线结构增益的方法，应用于天线结构，方法包括，首先，提供一辐射元件。接着，置放天线罩于辐射元件之上以集中辐射元件所发出的辐射波束。其中，天线罩具有至少一层介电材料，至少一层介电材料的上表面印刷或蚀刻有多个S形金属图形，至少一层介电材料的下表面印刷或蚀刻有相对应于S形金属图形的多个反S形金属图形。S形金属图形与相对应的反S形金属图形互相耦合以集中辐射元件所发出的辐射波束。
就低形貌(low profile)考虑，辐射元件或可使用一平面反置F天线(planar inverted-F antenna；PIFA)。就制作上考虑，天线罩或可包含由玻璃纤维(例如FR4)制作的三层介电材料，且该三层介电材料的厚度比介于1：1.3：1至1：1.7：1。另外，辐射元件或可为一槽孔天线(slot antenna)以供双侧辐射的应用。
根据上述方案，本发明相对于现有结构的效果是显著的：本发明上述实施范例所揭露的天线结构、天线罩及提高天线结构增益的方法，是于介电材料上印刷或蚀刻互相耦合的金属图形，并将天线罩置放于天线结构的辐射场的近场，以集中天线结构所发出的辐射波束的束径宽，进而增加天线结构的增益。其中，金属图形具有结构简单的特点，可采用现有的印刷电路板工艺制作，大幅降低生产成本。此外，由于天线罩是置放于天线结构的近场处，使得整个天线结构的体积能够变得更小，提高实用性。
附图说明
图1为依照本发明实施范例的天线结构的示意图。
图2A为依照本发明实施范例的天线结构的单一阵元的正面金属图形的示意图。
图2B为依照本发明实施范例的天线结构的单一阵元的背面金属图形的示意图。
图3A为依照本发明实施范例的天线结构的俯视图。
图3B为依照本发明实施范例的天线结构的单一层阵元的上表面及下表面的示意图。
图4为依照本发明实施范例的天线结构的增益频率响应示意图。
图5为依照本发明实施范例的天线结构的辐射场型示意图。
图6为依照本发明一实施范例的天线结构的示意图。
图7及8为依照图6实施范例的天线结构的功效示意图。
图9为加入参考坐标的本发明实施范例的天线结构示意图。
图10为图9的天线结构的辐射场形示意图。
图11至13为本发明其它实施范例的天线结构示意图。
图14为加入参考坐标的本发明一实施范例的天线结构示意图。
图15为本发明一实施范例的天线结构的增益频率关系曲线示意图。
图16A、16B及16C为图14的天线结构的辐射场形示意图。
主要元件符号说明
100、101、102：天线结构
110：辐射元件
111：辐射主体
112：介质元件
113：天线馈入端
114：接地端
116：槽孔图案
120：天线罩
121～123：介电材料
130：阵元
212～128：S形金属图形
222～228：反S形金属图形
131：上表面
133：下表面
135：信号馈入端
136：短路构件
137：辐射导体
138：接地平面
139：上表面
140：下表面
350：共振腔
42：单一微带天线的增益频率响应曲线
44：本发明的天线罩加微带天线的增益频率响应曲线
51：单一微带天线的辐射特性
52：本发明的天线罩加微带天线的辐射特性
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施范例(非限制)，并配合所附图式，作详细说明如下：
本发明提供一种具天线罩的天线结构及其提高增益的方法，利用具有金属图形的介电材料，同时将天线罩置放于天线结构的辐射场的近场，以集中天线结构所发出的辐射波束的束径宽，增加天线结构的增益。
请参照图1，为依照本发明实施范例的天线结构的示意图。天线结构100包括辐射元件110以及天线罩120。辐射元件110包括辐射主体111、介质元件112以及天线馈入端113，辐射主体111位于介质元件112上，利用天线馈入端113馈入信号。辐射元件110可为各种形式的天线，并不限定于特定型式的天线。
天线罩120的材质例如为超颖材料(metamaterails)，其具有至少一层介电材料，本实施范例是以三层介电材料为例做说明，分别为介电材料121、介电材料122及介电材料123，然并不限定于三层介电材料。介电材料121～123的上表面具有多个S形金属图形212～218，下表面具有相对应于S形金属图形212～218的多个反S形金属图形222～228。天线罩120也可以视为由多个阵元130所组成。请参照图2A，为依照本发明实施范例的天线结构的单一阵元的正面金属图形的示意图。阵元130包括介电材料121，其上表面131具有S形金属图形212。请参照图2B，为依照本发明实施范例的天线结构的单一阵元的背面金属图形的示意图。阵元130包括介电材料121，其下面表133具有反S形金属图形222。
天线罩120中，S形金属图形212～218的间距介于辐射元件110的共振频率的波长的0.002倍至0.2倍之间。反S形金属图形222～228的间距介于辐射元件110的共振频率的波长的0.002倍至0.2倍之间。S形金属图形212～218与反S形金属图形222～228是印刷或蚀刻于介电材料121上，结构简单，可采用现有的印刷电路板工艺(PCB)制作，大幅降低生产成本。
请参照图3A，为依照本发明实施范例的天线结构的俯视图。天线结构100于本实施范例中以10×10个阵元组成为例，但并不限缩于此。于本实施范例中，是以频率位于6.5GHz时为例，此时，辐射元件110的大小约为13mm×10mm(约为0.2倍波长)，天线馈入端113位于辐射元件110上。此外，阵元130的大小约为5.5mm(约为0.11倍波长)×3mm(约为0.06倍波长)，故当天线结构100具有10×10个阵元时，接地端114的大小约为55mm(约为1.1倍波长)×30mm(约为0.5倍波长)。请参照图3B，为依照本发明实施范例的天线结构的单一层阵元的上表面及下表面的示意图。天线结构100的单一层阵元的上表面具有多个S形金属图形，下表面具有多个反S形金属图形。
本发明所提供的提高天线结构增益的方法，是附加天线罩120于辐射元件110以集中辐射元件110所发射的辐射波束。其中，天线罩120置放于辐射元件110所建立的电磁场的近场位置，利用S形金属图形212～218与相对应的反S形金属图形222～228上下互相耦合，以集中辐射元件110所发出的辐射波束，使得辐射波束的束径宽减少，天线结构110的增益得以增加。请参照图4，为依照本发明实施范例的天线结构的增益频率响应示意图。此图中辐射元件110是以微带天线为例，42为单一微带天线的增益频率响应曲线，44为本发明的天线罩加微带天线的增益频率响应曲线。由图4可知，单一微带天线于6.4GHz具有最大增益5.07dBi，而本发明的天线罩加微带天线于5.8GHz具有最大增益8.61dBi，增加约3.54dB的增益值。请参照图5，为依照本发明实施范例的天线结构的辐射场型示意图。图5中所提供的辐射场型是由图1中的天线结构100为基准量测而得，51为单一微带天线的辐射特性，52为本发明的天线罩加微带天线的辐射特性。由图5中可知，加上金属天线罩之后，本实施范例于x-z平面产生集中辐射的场型，相当适合于指向性天线的实际应用。
上述本发明所揭露的天线结构100，其介电材料121～123上的金属图形并不限于S形金属图形与反S形金属图形，凡间距介于辐射元件110的共振频率的波长的0.002倍至0.2倍之间的金属图形，且上下表面的金属图形能够互相耦合者，皆可应用于本发明所揭露的天线结构100。此外，天线结构100中，其中介电材料121～123的介电常数可不相等，导磁系数也可不相等。举例来说，介电材料121和介电材料123的导磁系数彼此相等，但不相等于介电材料122的导磁系数，或者介电材料121～123的导磁系数三者各不相等。介电材料121～123的介电常数也同样。但当介电材料121～123的介电常数及导磁系数不相等时，S形金属图形与反S形金属图形的间距需要做些微的调整，但仍介于辐射元件110的共振频率的波长的0.002倍至0.2倍之间。
一实施范例中，图1的介电材料121、122和123或可使用Roger 5880基板，但成本高且不易形成一层板。因此，较便宜的玻璃纤维(如FR4)或可加以使用以降低成本。另外，该辐射元件110或可使用一如图6所示的平面反置F天线(Planar Inverted-F Antenna；PIFA)以得到一低形貌的天线结构101。该PIFA可由一金属板直接压制形成，因此PIFA相较于贴片天线(PatchAntenna)其制造上具低成本效益，且其重量较轻。该PIFA天线110设置于天线罩120下，且包含一信号馈入端135、一短路构件136、一辐射导体137及一接地平面138。该天线罩120包含三层介电材料121、122及123，其可由玻璃纤维(如FR4)形成。S形金属图形212与反S形金属图形222形成于介电材料121和123的上下表面以形成一阵列元件130。该天线罩120或可由多个阵列元件130组成。一实施范例中，三层介电材料121、122和123的厚度比约1：1.5：1。应用上，根据实际调整的厚度比可介于1：1.3：1至1：1.7：1。因不同介电材料的不同介电常数将影响到金属图形的电气特性，为了使用玻璃纤维(例如FR4)作为介电材料，介电材料的厚度可如上述进行调整而具有相同的电气特性。
图7为相应于PIFA及具有天线罩的PIFA的频率的返回损失(ReturnLoss)。可见到的是，本实施范例中，具有天线罩的PIFA相较于PIFA具有较小的返回损失。
图8为天线增益及频率间的关系示意图。于约3.5GHz，PIFA有4.4dBi的天线增益，而具有天线罩的PIFA有7.2dBi的天线增益。对于具天线罩的PIFA有增加约2.8dBi的天线增益。因此，具天线罩的PIFA相较于PIFA有较高的天线增益。
图9为具参考坐标的天线结构101示意图；图10为PIFA及具天线罩的PIFA(天线结构101)于x-z平面及y-z平面的电磁辐射场形示意图。具天线罩的PIFA相较于PIFA不论是于x-z平面或y-z平面有较高的指向性。
由于接地平面138的限制，PIFA为一侧辐射。因此PIFA不适于关于无线通讯的强波(Repeat of line-of-sight)或中继站(Relay Station)的应用。
本发明也提供一双侧辐射的天线结构。图11中，一天线结构102包含一辐射元件110及一天线罩120，该辐射元件110和天线罩120间之间隔约3.5mm。本实施范例中，该天线结构102的长度约100mm、宽度约86mm。该辐射元件110使用一包含槽孔图案116的槽孔天线，其为低形貌、宽带及双侧辐射，以得到两侧辐射的能力。该天线罩120包含三层介电材料121、122及123，且该介电材料121和123的上表面139和下表面140设有S形金属图案及反S形金属图案。根据模拟结果，该天线罩120可增加天线指向增益约4.6dBi。
图12为一双侧辐射的天线结构示意图。一天线结构包含一辐射元件110及位于该辐射元件110两侧的两个天线罩120。根据模拟结果，该天线罩120可增加天线指向增益约2.5dBi。
图13中，一天线结构包含一辐射元件110(例如一槽孔天线)、一天线罩120及一共振腔350。一槽孔图案116形成于该辐射元件110。该共振腔350设置于该槽孔天线110下方以减少背侧方向增益，以此得到单一指向天线的特定辐射图案。
一般而言，该介电材料121、122或123的介电常数介于1和100之间，而其导磁系数介于1和100之间。
图14为图11的天线结构102的三维图形示意图。该槽孔天线110包含一槽孔图案116。本实施范例中，该槽孔图案116为I形或H形，该槽孔图案116的中央连接一信号馈入端例如一微带线(microstrip)。该天线罩120设置于该槽孔天线110的近场(near-field zone)。该槽孔天线110或可形成于金属导波管的表面、半导体基板、或一同轴电缆的外金属层，其为一泄漏同轴电缆(Leaky Coaxial Cable；LCX)。
图15中，一无天线罩的槽孔天线于两侧的增益约6dBi。若该槽孔天线于两侧设有两天线罩(双侧增强)，该天线增益于2.5GHz可增加至8.5dBi。虽然具有一侧天线罩的天线(单侧增强)的增益可增加4.6dBi，其增益仅见于一侧。因此，具双侧天线罩的槽孔天线非常适合于使用于中继站。
图16A、16B及16C分别为槽孔天线示意图、单侧增强天线及双侧增强天线于最大增益频率的辐射场形，其中显示双侧增强天线的两侧于x-z或y-z平面有高的指向性。
综上所述，虽然本发明已以实施范例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定的范围为准。

Claims (25)

1.一种天线结构，其特征在于，包括：
一平面反置F天线；以及
一天线罩，具有至少一层介电材料，该至少一层介电材料的上表面具有复数个S形金属图形，该至少一层介电材料的下表面具有相对应于该些S形金属图形的复数个反S形金属图形；
其中该S形金属图形分别与相对应的该反S形金属图形互相耦合，以集中该辐射元件所发出的辐射波束。
2.如权利要求1所述的天线结构，其特征在于，该S形金属图形的间距介于该辐射元件的共振频率的波长的0.002倍至0.2倍之间。
3.如权利要求1所述的天线结构，其特征在于，该反S形金属图形的间距介于该辐射元件的共振频率的波长的0.002倍至0.2倍之间。
4.如权利要求1所述的天线结构，其特征在于，该天线罩包含三层介电材料，该些层介电材料的导磁系数相同。
5.如权利要求4所述的天线结构，其特征在于，该三层介电材料由玻璃纤维制成。
6.如权利要求4所述的天线结构，其特征在于，该三层介电材料的厚度比介于1:1.3:1至1:1.7:1。
7.如权利要求1所述的天线结构，其特征在于，该平面反置F天线包含：
一辐射导体；
一馈入端，连接于该辐射导体；
一接地平面；以及
一短路构件，连接该辐射导体和接地平面。
8.一种天线结构，其特征在于，包括：
一辐射元件；以及
一天线罩，具有相同导磁系数的三层介电材料，该介电材料的上表面包含复数个S形金属图形，该介电材料的下表面包含相对应于该S形金属图形的复数个反S形金属图形；
其中该S形金属图形分别与相对应的该反S形金属图形互相耦合，以集中该辐射元件所发出的辐射波束。
9.如权利要求8所述的天线结构，其特征在于，该S形金属图形的间距介于该辐射元件的共振频率的波长的0.002倍至0.2倍之间。
10.如权利要求8所述的天线结构，其特征在于，该反S形金属图形的间距介于该辐射元件的共振频率的波长的0.002倍至0.2倍之间。
11.如权利要求8所述的天线结构，其特征在于，该三层介电材料由玻璃纤维制成。
12.如权利要求11所述的天线结构，其特征在于，该三层介电材料的厚度比介于1:1.3:1至1:1.7:1。
13.如权利要求8所述的天线结构，其特征在于，该辐射元件为平面反置F天线。
14.一种天线结构，其特征在于，包括：
一槽孔天线；以及
至少一天线罩，具有至少一层介电材料，该介电材料的上表面包含复数个S形金属图形，该介电材料的下表面包含相对应于该S形金属图形的复数个反S形金属图形；
其中该S形金属图形分别与相对应的该反S形金属图形互相耦合，以集中该辐射元件所发出的辐射波束。
15.如权利要求14所述的天线结构，其特征在于，该槽孔天线包含至少一槽孔。
16.如权利要求14所述的天线结构，其特征在于，该槽孔天线建构于金属导波管的表面、半导体基板、或同轴电缆的外金属层。
17.如权利要求14所述的天线结构，其特征在于，两天线罩设置于该槽孔天线的两侧。
18.如权利要求14所述的天线结构，其特征在于，该至少一层介电材料的介电常数介于1至100之间。
19.如权利要求14所述的天线结构，其特征在于，该至少一层介电材料的导磁系数介于1至100之间。
20.如权利要求14所述的天线结构，其特征在于，该天线罩设置于该槽孔天线的近场。
21.一种天线罩，其特征在于，包括：
三层介电材料，其具有相同的导磁系数；
复数个S形金属图形，形成于该介电材料的上表面；以及
复数个反S形金属图形，相对应于该些S形金属图形，并形成于该介电材料的下表面；
其中该S形金属图形分别与相对应的该反S形金属图形互相耦合，以集中一辐射元件所发出的辐射波束。
22.如权利要求21所述的天线罩，其特征在于，该天线罩由玻璃纤维组成。
23.如权利要求21所述的天线罩，其特征在于，该S形金属图形的间距介于该辐射元件的共振频率的波长的0.002倍至0.2倍之间。
24.如权利要求21所述的天线罩，其特征在于，该反S形金属图形的间距介于该辐射元件的共振频率的波长的0.002倍至0.2倍之间。
25.如权利要求24所述的天线罩，其特征在于，该三层介电材料的厚度比介于1:1.3:1至1:1.7:1。
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