CN101483278A - 组合式阵列天线 - Google Patents

Abstract

一种组合式阵列天线，包括：接地面、一对第一辐射导体、第一传输部、第一支撑柱、一对第二辐射导体、第二传输部及第二支撑柱；接地面具有上表面及下表面，通过第一及第二阵列形式辐射导体交叉垂直配置方式，以降低天线模块配置尺寸，并将各别辐射导体的馈入传输部设置于接地面不同表面上，从而同时有效隔绝传输部之间的干扰现象，另外在各别辐射导体的传输部适当位置处设置馈入线，从而使辐射导体的两辐射导体间产生180度的相位差，以降低阵列天线的交叉极化量，并提高天线增益。

Description

组合式阵列天线

技术领域

本发明为一种组合式阵列天线，特别是指多组阵列天线具有共同接地面的整合式阵列天线模块。

背景技术

阵列天线是由许多相同的单个天线(例如对称天线)按一定规律排列组成的天线系统，单个天线的辐射场形图不易控制，增益不高，其它重要参数往往也不能满足高规格使用需求，所以在某些传输质量要求高的产品中即需使用阵列天线加以改善。阵列天线的各组成天线单元有一定的排列规则和馈电方式，从而获得所要求的效果。阵列天线的天线单元数越多，增益就越高，因此尺寸相对较大。

传统阵列天线技术中是将相同单个天线辐射导体并列形成阵列结构，彼此之间的距离为无线电讯号波长的0.5～0.9，由上往下俯视，阵列天线所形成的辐射能量会分布成8字形。在与天线辐射导体联机垂直的两个方向上，用户会在相同的时间点接收到来自两个天线的讯号，因此这两个讯号的相位是一样的，而无线电波的传递距离亦最远，当两个同相位的讯号结合成单一讯号后，强度会改变为单一讯号的两倍，即讯号具有3dB的增益提升。

而传统阵列天线设计中，若要形成具有两种极化的双极化阵列天线时，一般主要涵盖两种设计方式，第一种方式例如：美国专利第5923296号专利所公开的双极化微带平板阵列天线立体示意图，其是于印刷电路板1表面配置互相垂直的极化平板铜组件3、5组成的辐射导体阵列，从而构成两组互相垂直极化的阵列天线结构，但是此配置方式将导致天线尺寸大幅增加至一般阵列天线体积的两倍大，且两组天线结构并不互相对称，造成辐射场型差异大，且其天线之间容易互相产生干扰。

第二种方式例如：美国专利第6985123号专利所公开的双极化阵列天线平面示意图，其利用单一组天线组件15’组成的辐射导体结构，通过互相垂直的两组馈入传输讯号13’，使同一组天线辐射导体结构能激发两组互相垂直的阵列天线讯号，然而此方式的馈入传输线网络设计十分复杂，容易造成讯号大幅衰减并增加传输线讯号互相干扰现象发生，且该天线制造难度及生产成本较高，导致生产良率降低，并且由于两组阵列天线讯号是激发在同一组天线辐射导体表面，使天线之间的干扰现象极为明显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种组合式阵列天线，以解决公知技术中存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供的组合式阵列天线，包括：

接地面，具有上表面及下表面，并以接地面界定出第一轴及与第一轴垂直的第二轴；

一对第一辐射导体，设于接地面上表面上方；

第一传输部，桥接于该对第一辐射导体且平行于第一轴；

至少二个第一支撑柱，分别配置于对应的第一辐射导体与接地面上表面之间；

一对第二辐射导体，设于接地面上表面上方；

第二传输部，设于接地面下表面且平行于第二轴；以及

至少二个第二支撑柱，分别配置于对应的第二辐射导体与接地面上表面之间。

所述的组合式阵列天线，其中，该第一及第二支撑柱为绝缘材质。

所述的组合式阵列天线，其中，该第一辐射导体及第二辐射导体为互相垂直。

所述的组合式阵列天线，其中，该第一及第二传输部为直线状。

所述的组合式阵列天线，其中，该第一及第二传输部为蜿蜒状。

所述的组合式阵列天线，其中，该第二传输部是以直接馈入方式传递讯号至第二辐射导体。

所述的组合式阵列天线，其中，该第一传输部适当位置处连接第一馈入线，从而使第一辐射导体的两辐射导体产生180度的相位差。

所述的组合式阵列天线，其中，该第二传输部适当位置处连接第二馈入线，从而使第二辐射导体的两辐射导体产生180度的相位差。

本发明提供的组合式阵列天线，还包括：

接地面，具有上表面及下表面，并设有至少二个贯穿上表面和下表面的槽孔，接地面界定出第一轴及与第一轴垂直的第二轴；

一对第一辐射导体，设于接地面上表面上方；

第一传输部，桥接于该对第一辐射导体且平行于第一轴；

至少二个第一支撑柱，分别配置于对应的第一辐射导体与接地面上表面之间；

一对第二辐射导体，设于接地面上表面上方，该槽孔位于相对应的第二辐射导体的接地面处；

第二传输部，设于接地面下表面且平行于第二轴；以及

至少二个第二支撑柱，分别配置于对应的第二辐射导体与接地面上表面之间。

所述的组合式阵列天线，其中，该第一及第二支撑柱为绝缘材质。

所述的组合式阵列天线，其中，该槽孔为H形。

所述的组合式阵列天线，其中，该槽孔为矩形。

所述的组合式阵列天线，其中，该第一辐射导体及第二辐射导体为互相垂直。

所述的组合式阵列天线，其中，该第一及第二传输部为直线状。

所述的组合式阵列天线，其中，该第一及第二传输部为蜿蜒状。

所述的组合式阵列天线，其中，该第二传输部是以槽孔耦合方式传递讯号至第二辐射导体。

所述的组合式阵列天线，其中，该第一传输部适当位置处连接第一馈入线，从而使第一辐射导体的两辐射导体产生180度的相位差。

所述的组合式阵列天线，其中，该第二传输部适当位置处连接第二馈入线，从而使第二辐射导体的两辐射导体产生180度的相位差。

本发明的效果是：

1)通过第一及第二阵列形式辐射导体交叉垂直配置方式，从而降低天线模块配置尺寸，使其轻易容置于各种电子装置内部，同时降低组装难度及制造成本。

2)将第一及第二辐射导体各别的传输部设置于接地面的不同表面，藉以有效隔绝传输部之间的干扰现象，并降低传输部的网络设计复杂度，提升讯号辐射传导效率。

3)将第一及第二辐射导体各别的传输部适当位置处设置对应的馈入线，从而使阵列状辐射导体的两辐射导体间产生180度的相位差，以降低阵列天线的交叉极化量，并提高天线增益。

附图说明

图1为显示传统双极化微带平板阵列天线的立体图。

图2为显示传统双极化阵列天线的俯视图。

图3为本发明第一实施例的上表面立体图。

图4为本发明第一实施例的下表面立体图。

图5为显示图3所示的俯视图。

图6为显示图5中A-A线所示的侧视图。

图7为本发明第二实施例的上表面立体图。

图8为本发明第二实施例的下表面立体图。

图9为显示图3所示的第一天线系统返回损失(Return loss)量测数据示意图。

图10为显示图3所示的第二天线系统返回损失(Return loss)量测数据示意图。

图11为显示图3所示的第一天线系统辐射场型量测数据示意图。

图12为显示图3所示的第二天线系统辐射场型量测数据示意图。

图13为本发明第一实施例的隔离度(Isolation)量测数据示意图。

附图中主要组件符号说明：

1     印刷电路板

3、5  极化平板铜组件

13’  馈入传输讯号

15’  天线组件

31    接地面

311   上表面

312   下表面

313   槽孔

314   穿孔

32    第一辐射导体

33    第一传输部

34    第二支撑柱

35    第二辐射导体

36    第二传输部

37    第二支撑柱

38    第一馈入线

381   中心导体

382   内绝缘层

383   外层导体

384   外绝缘层

39    第二馈入线

391   中心导体

392   内绝缘层

393   外层导体

394   外绝缘层

I-I   第一轴

II-II 第二轴

具体实施方式

本发明的组合式阵列天线，包括：接地面、一对第一辐射导体、第一传输部、第一支撑柱、一对第二辐射导体、第二传输部及第二支撑柱；其中该接地面具有上表面及下表面，利用接地面界定出第一轴及与第一轴互相垂直的第二轴；第一辐射导体置于接地面上表面上方，第一传输部桥接于第一辐射导体且平行于第一轴，第一支撑柱分别置于相对应的第一辐射导体与接地面上表面之间；第二辐射导体置于接地面上表面上方，第二传输部置于接地面下表面且平行于第二轴，第二支撑柱分别置于相对应的第二辐射导体与接地面上表面之间。

本发明实施例主要是将第一辐射导体置于接地面上表面，其为阵列状的辐射导体，并与接地面间隔一间隙，第一传输部桥接于辐射导体之间，第一馈入线连接于第一传输部适当位置处以形成第一馈入端，讯号由该第一馈入端输入并均匀分送至第一辐射导体，另外该馈入端位置选择置于使第一辐射导体的两辐射导体产生180度相位差的位置，由于该第一辐射导体为阵列对称形式，其激发的基频模态电流为相反方向，经此相位差调整后，恰可使两辐射导体的基频模态辐射讯号为相同方向，从而使第一辐射导体构成的第一天线系统增益具加乘效果；另针对与基频模态垂直的交叉极化电流而言，其两辐射导体的激发电流方向为相同方向，经此相位差调整后，恰可使两辐射导体互相抑制辐射讯号，从而有效降低交叉极化量，且提高天线增益。

第二辐射导体亦位于接地面上表面，并为阵列对称状的辐射导体，且与第一辐射导体互相垂直，第二传输部置于接地面下表面，其两端部分别通过穿孔连接至第二辐射导体，第二馈入线连接于第二传输部适当位置处以形成第二馈入端，讯号由该馈入端馈入并由该槽孔将讯号以电性耦合方式均匀输入至第二辐射导体，另外该馈入端位置选择设置于可使第二辐射导体的两辐射导体产生180度的相位差，其欲达成的目的与上述第一辐射导体构成的第一天线系统效果相同，从而使第二辐射导体构成的第二天线系统增益同样具加乘效果。

本发明第二实施例的组成结构与第一实施例雷同，其不同处在于，其接地面设置至少二个贯穿上表面及下表面的槽孔，该槽孔位于相对应的第二辐射导体与接地面之间的接地面处，第二传输部通过该槽孔以槽孔耦合方式传递讯号至第二辐射导体，其欲达成的目的与上述第一实施例的第一及第二天线系统效果相同。

为能进一步了解本发明的详细内容，列举下列较佳实施例并结合附图说明如后。

请参阅图3及图4，为本发明第一实施例的上表面及下表面立体图。包括：接地面31、一对第一辐射导体32、第一传输部33、第一支撑柱34、一对第二辐射导体35、第二传输部36及第二支撑柱37。

其中该接地面31具有上表面311及下表面312，利用接地面31界定出第一轴I-I及与第一轴I-I互相垂直的第二轴II-II；第一辐射导体32置于接地面31上表面311上方，第一传输部33桥接于第一辐射导体32且平行于第一轴I-I，第一支撑柱34分别置于相对应的第一辐射导体32与接地面31上表面311之间；第二辐射导体35同样设置于接地面31上表面311上方，第二传输部36则置于接地面31下表面312且平行于第二轴II-II，第二传输部36穿过该穿孔314后直接连接至第二辐射导体35，第二支撑柱37分别置于相对应的第二辐射导体35与接地面31上表面311之间。

本实施例的接地面31选用印刷电路板材质；第一辐射导体32通过第一支撑柱34固定于接地面31上表面311，该第一支撑柱34选用具绝缘特性的材质，并使第一辐射导体32与接地面31形成一间隙，第一辐射导体32为两对称配置的阵列状辐射导体组成，第一传输部33桥接于第一辐射导体32的两辐射导体之间，并平行于接地面31第一轴I-I，因此第一辐射导体32与接地面31第一轴I-I亦互相平行，第一馈入线38依序包括中心导体381、内绝缘层382、外层导体383及外绝缘层384，在接地面31挖设穿孔314，使该第一馈入线38的中心导体381穿设穿孔314并连接于第一传输部33适当位置处以形成讯号馈入端，讯号由该馈入端输入并均匀分送至第一辐射导体32的两辐射导体，该馈入端位置选择设置于可使第一辐射导体32的两辐射导体产生180度相位差的位置，由于其两辐射导体为对称阵列形式，其激发的基频模态电流为相反方向，经此相位差调整后，恰可使两辐射导体的基频模态辐射讯号转换为相同方向，从而使第一辐射导体32构成的第一天线系统增益具备加乘效果，另外针对与基频模态垂直的交叉极化电流而言，该两辐射导体的激发电流方向为相同方向，经此相位差调整后，恰可使两辐射导体互相抑制同向的辐射讯号，从而有效降低交叉极化量，且提高天线增益。

第二辐射导体35亦为两对称阵列状的辐射导体组成，利用第二支撑柱37固定于接地面31上表面311，并与接地面31距离一间隙，第二传输部36则置于接地面31下表面312，由于第二传输部36平行于第二轴II-II，因此第二辐射导体35与接地面31第二轴II-II亦互相平行，利用接地面31界定出第一轴I-I与第二轴II-II互相垂直，因此第一辐射导体32与第二辐射导体35亦互相垂直，另外，第二馈入线39同样依序包括中心导体391、内绝缘层392、外层导体393及外绝缘层394，将馈入线的中心导体391连接于第二传输部36适当位置处以形成讯号馈入端，使讯号由该馈入端馈入第二传输部36后以直接馈入方式均匀输入至第二辐射导体35的两辐射导体，该馈入端位置同样选择设置于可使第二辐射导体35的两辐射导体产生180度相位差的位置，其欲达成的目的与上述第一辐射导体32构成的第一天线系统效果相同，从而使第二辐射导体35构成的第二天线系统增益同样具备加乘效果。

接地面31选用的印刷电路板长度约为80mm，宽度约为73mm；第一辐射导体32及第二辐射导体35的辐射导体皆为矩形，其尺寸完全相同，长度约为30mm，宽度约为21mm；本实施例的第一传输部333为直线状，长度约为19mm，宽度约为3mm；第二传输部36选用微带传输线(Micro-strip Transmission Line)形式，长度约为60mm，宽度约为1mm。

本实施例主要是于第一辐射导体32及第二辐射导体35各别的传输部网络设计上，采用微带传输线直接馈入方式，且该两传输部网络分别位于接地面31的不同表面，由接地面31有效隔绝两传输部之间的干扰现象，同时降低两传输部网络的能量损耗及设计复杂度，从而提高讯号辐射传导效率；另外通过第一辐射导体32及第二辐射导体35相互垂直的配置方式，从而降低多组阵列天线配置尺寸，大幅缩减天线配置空间，使其轻易容置于各种电子装置内部，同时降低组装难度及制造成本；此外将第一辐射导体32及第二辐射导体35各别的第一传输部33及第二传输部36适当位置处设置馈入端，从而使第一辐射导体32及第二辐射导体35各别的对称阵列辐射导体产生180度的相位差，以降低辐射导体的交叉极化量，并提高各别天线系统的增益。

图5为显示图3所示的俯视图。如上列第一实施例所述，在接地面31挖设穿孔314，使第一馈入线38穿设穿孔314并连接于上表面311的第一传输部333适当位置处，通过两天线的馈入线设置于同一表面的方式，增加焊接程序便利性，同时降低制造难度。

图6为显示图5中A-A线所示的侧视图。其第一辐射导体32及第二辐射导体35经由第一支撑柱34及第二支撑柱37固定于接地面31上表面311，该支撑柱选用绝缘材质，避免影响天线辐射讯号的传导，且其辐射导体与接地面31之间形成间隙，经由空隙内部的空气介质增加辐射传导能量的累积。

请参阅图7及图8，为本发明第二实施例的上表面及下表面立体图。本实施例与上述第一实施例大致相同，其差异处在于该第一辐射导体32的第一传输部33设置为蜿蜒状；而其接地面31设置至少二个贯穿上表面311及下表面312的槽孔313，该槽孔313位于相对应的第二辐射导体35与接地面31之间的接地面31处，第二传输部36通过该槽孔313以槽孔耦合方式传递讯号至第二辐射导体，经此配置，使第一辐射导体32构成的第一天线系统及第二辐射导体35构成的第二天线系统增益同时具有加乘效果，有效降低交叉极化量并提高天线增益。且其达成目的与上述第一实施例的效果相同。

图9为显示图3所示的第一天线系统回波损失(Return loss)量测数据示意图。其中该横轴表示频率，纵轴表示dB值，经由图形曲线显示第一辐射导体构成的第一天线系统操作频宽S1在定义为Return loss大于10dB的情况时，操作频率范围涵盖3.3GHz至3.8GHz，此频带频宽范围将可涵盖Wimax 3.5GHz的系统频宽。

图10为显示图3所示的第二天线系统回波损失(Return loss)量测数据示意图。其中该横轴表示频率，纵轴表示dB值，经由图形曲线显示第二辐射导体构成的第二天线系统操作频宽S2在定义为Return loss大于10dB的情况时，操作频率范围涵盖3.3GHz至3.8GHz，此频带频宽范围同样涵盖Wimax 3.5GHz的系统频宽，显示本发明的第一天线系统及第二天线系统操作频宽均已达设计所需的操作频宽通讯标准。

图11为显示图3所示的第一天线系统辐射场型量测数据示意图。其定义为第一辐射导体构成的第一天线系统辐射场型中心频率在3.5GHz时所呈现的辐射场型图，经由量测数据显示，其测得的最大增益值(Peak Gain)可达9.00dBi，与公知技术所量测的数据相较已大幅提高，显示经由本发明的配置，不仅可降低天线辐射场型遭受干扰现象，且亦确实达成高增益的目的。

图12为显示图3所示的第二天线系统辐射场型量测数据示意图。其定义为第二辐射导体构成的第二天线系统辐射场型中心频率在3.5GHz时所呈现的辐射场型图，经由量测数据显示，其测得的最大增益值(Peak Gain)可达9.50dBi，与公知技术相较该增益值已大幅提高，显示本发明利用交叉垂直配置的阵列状辐射导体形式，搭配传输馈入部位于不同表面的隔离方式，已确实达成天线系统高增益的目的。

图13为本发明第一实施例的隔离度(Isolation)量测数据示意图。其中该横轴表示频率，纵轴表示dB值，经由图形曲线显示本发明的组合式阵列天线系统，其操作频带在Wimax 3.5GHz的系统频宽(3.3GHz至3.8GHz)范围内，隔离度S3均小于25dB，显示本发明的设计结构确实能有效阻隔第一辐射导体及第二辐射导体之间的讯号干扰现象，确实具备良好隔离效率。

本发明利用互相垂直交叉设置的阵列状辐射导体，大幅缩减天线尺寸，同时配合设置于接地面不同表面的传输部馈入网络，从而有效改善天线设计结构复杂度，并利用接地面隔绝传输部彼此之间的干扰，达到最低损耗及最佳辐射传导效率的目的。

本发明描述的实施例并非用以局限本发明的范围，本领域技术人员所作的各种更动与润饰，在不脱离本发明的精神和定义下，均在本发明权利要求范围内。

Claims (18)

1、一种组合式阵列天线，包括：

接地面，具有上表面及下表面，并以接地面界定出第一轴及与第一轴垂直的第二轴；

一对第一辐射导体，设于接地面上表面上方；

第一传输部，桥接于该对第一辐射导体且平行于第一轴；

至少二个第一支撑柱，分别配置于对应的第一辐射导体与接地面上表面之间；

一对第二辐射导体，设于接地面上表面上方；

第二传输部，设于接地面下表面且平行于第二轴；以及

至少二个第二支撑柱，分别配置于对应的第二辐射导体与接地面上表面之间。

2、如权利要求1所述的组合式阵列天线，其中，该第一及第二支撑柱为绝缘材质。

3、如权利要求1所述的组合式阵列天线，其中，该第一辐射导体及第二辐射导体为互相垂直。

4、如权利要求1所述的组合式阵列天线，其中，该第一及第二传输部为直线状。

5、如权利要求1所述的组合式阵列天线，其中，该第一及第二传输部为蜿蜒状。

6、如权利要求1所述的组合式阵列天线，其中，该第二传输部是以直接馈入方式传递讯号至第二辐射导体。

7、如权利要求1所述的组合式阵列天线，其中，该第一传输部适当位置处连接第一馈入线，从而使第一辐射导体的两辐射导体产生180度的相位差。

8、如权利要求1所述的组合式阵列天线，其中，该第二传输部适当位置处连接第二馈入线，从而使第二辐射导体的两辐射导体产生180度的相位差。

9、一种组合式阵列天线，包括：

接地面，具有上表面及下表面，并设有至少二个贯穿上表面和下表面的槽孔，接地面界定出第一轴及与第一轴垂直的第二轴；

一对第一辐射导体，设于接地面上表面上方；

第一传输部，桥接于该对第一辐射导体且平行于第一轴；

至少二个第一支撑柱，分别配置于对应的第一辐射导体与接地面上表面之间；

一对第二辐射导体，设于接地面上表面上方，该槽孔位于相对应的第二辐射导体的接地面处；

第二传输部，设于接地面下表面且平行于第二轴；以及

至少二个第二支撑柱，分别配置于对应的第二辐射导体与接地面上表面之间。

10、如权利要求1所述的组合式阵列天线，其中，该第一及第二支撑柱为绝缘材质。

11、如权利要求1所述的组合式阵列天线，其中，该槽孔为H形。

12、如权利要求1所述的组合式阵列天线，其中，该槽孔为矩形。

13、如权利要求1所述的组合式阵列天线，其中，该第一辐射导体及第二辐射导体为互相垂直。

14、如权利要求1所述的组合式阵列天线，其中，该第一及第二传输部为直线状。

15、如权利要求1所述的组合式阵列天线，其中，该第一及第二传输部为蜿蜒状。

16、如权利要求1所述的组合式阵列天线，其中，该第二传输部是以槽孔耦合方式传递讯号至第二辐射导体。

17、如权利要求1所述的组合式阵列天线，其中，该第一传输部适当位置处连接第一馈入线，从而使第一辐射导体的两辐射导体产生180度的相位差。

18、如权利要求1所述的组合式阵列天线，其中，该第二传输部适当位置处连接第二馈入线，从而使第二辐射导体的两辐射导体产生180度的相位差。

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