CN101483279A - 利用pifa天线制造圆形极化波的天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的天线系统，应用于信息传输领域，其两支实质上互相垂直的PIFA天线的馈入点相对，且两PIFA天线的末端互相连接，另将一相位转换器耦接于此二PIFA天线中的一天线以使彼此相位相差90度，以制造出圆形极化波。

Description

利用PIFA天线制造圆形极化波的天线系统

技术领域

本发明揭露一种天线系统，尤指一种可以运用线性极化天线PIFA制造圆形极化波的天线系统。

背景技术

当今社会的科技一日千里，信息蓬勃发达，大量充斥的信息的传递，均靠当今通讯技术的进步。而简单地来说，通讯系统可以分成三个部分，即是信息的传送端、接收端，以及其间信息传递的路径。而信息传递的路径要透过何种媒介来担任呢？以现今最流行的无线通讯而言，传递信息的媒介是电磁波，而负责接收及传递电磁波的重要装置就是天线。天线的好坏，直接影响数据传输及接收的质量，因此在设计时不可不慎。在手持的通讯装置的设计愈趋轻薄短小的今天，天线的机构也进一步的缩小，目前天线在手持的通讯装置中有几个常见的做法：

1.印刷式微带(微型)天线：可利用PCB的制程来生产，因此可以和系统机构更进一步的整合，或可称为”印刷式天线”。

2.额外附加的微型天线：如平板式天线(Patch Antenna)、平面倒F型天线(Planner Inverted F Antenna，PIFA)天线、表面黏着天线(Surface Mountable Antenna)等等，其中较引人注目的PIFA天线，具有一短路结构，可使天线的谐振长度由λ/2变成λ/4，使天线的尺寸进一步缩小。

3.芯片型天线：如由陶瓷材料所制成的积层陶瓷芯片型天线(Multi-layer Ceramic Base Chip)、平板型金属芯片天线(PlanarMetal-plate Chip)等等，其中陶瓷材料因其介电常数较大，介电损失较小，适合高频通讯，而且天线本体体积亦较小。

若依据天线所传输或接收的波类型划分，则天线可分为线性极化天线以及圆形极化天线、椭圆形极化天线等等。线性极化天线顾名思义，其传输或接收的电磁波为线性极化波，如上述PIFA天线即为一线性极化天线，而圆形极化天线顾名思义，其传输或接收的电磁波为圆形极化波，如上述Patch天线即为一圆形极化天线。椭圆形极化天线顾名思义，其传输或接收的电磁波为椭圆形极化波。一般而言，手持装置若其讯号的发射是透过平面基地台，则大都使用线性极化波，如GSM等，因为平面之间讯号传输的障碍较多，若采用圆形极化波传输，遇到障碍物时，很容易造成讯号的衰减；但GPS的讯号传递中继站为卫星系统，由卫星所传输的讯号与地面接收器之间障碍少，故可采用圆形极化波。请参照图1，图1为传统技术的圆形极化天线的Patch天线的辐射场型的示意图。

线性极化天线的电路设计较简单，天线费用低，指向性高，但缺点也是因为指向性高，使得天线在接收数据时，需朝一特定方向接收线性极化波，因此定位所需的时间较长，定位较缓慢。圆形计划天线的电路设计较复杂，天线的费用较高，但指向性较低，因此定位所需的时间很短，定位迅速，定位误差较少，而且可以对抗多重路径(multipath)。比较起来，线性极化天线对抗多重路径的能力弱，在高楼林立的环境下，多重路径干扰严重的环境下，所接收到讯号噪声就很多。此两者各有其优缺点，如何将此二天线的优点结合，以制造一更完美的天线，实为当今天线设计的一大课题。

发明内容

本发明目的在于提供一种将线性极化天线与圆形极化天线优点结合的天线系统，即利用PIFA(Planner Inverted F Antenna)天线制造圆形极化波的天线系统，其包含一第一PIFA天线，一第二PIFA天线，一功率分配器，一相位转换器，以及一阻抗匹配网络。

该第一PIFA天线包含一第一馈入点，该第二PIFA天线包含一第二馈入点，该第二PIFA天线与该第一PIFA天线实质上互相垂直，该第一PIFA天线的该第一馈入点与该第二PIFA天线的该第二馈入点相对，并且两天线的末端彼此互相连接。该功率分配器耦接于该第一PIFA天线的第一馈入点及该第二PIFA天线的第二馈入点，用来平均分配馈入该第一PIFA天线及该第二PIFA天线的电场的功率。该相位转换器耦接于该第二PIFA天线及该功率分配器之间，用来使该二PIFA天线的相位相差90度。该阻抗匹配网络耦接于该功率分配器，用来校正该第一PIFA天线及该第二PIFA天线的中心频率偏移。

本发明的天线系统利用原本是线性极化天线的PIFA天线，改变其馈入的方式使其产生的电场场型同时具有圆形极化波和线性极化波的特点。因此本发明的天线系统不仅具备线性极化天线费用低廉、容易生产、设计简单的特点，更具备了圆形极化天线抵抗多重路径、快速定位的优势。

附图说明

图1为传统技术的圆形极化天线的Patch天线的辐射场型的示意图。

图2为显示形成右旋的圆形极化波的电场示意图。

图3为本发明的GPS天线系统的位置摆放示意图。

图4为本发明的GPS天线系统的部分接线示意图。

图5为图3GPS天线系统的结构方块图。

图6为根据图3GPS天线系统的两天线因为耦接T型功率分配器使得两天线阻抗并联而导致中心频率偏移的结果示意图。

图7为图3GPS天线系统使用T型网络的接线图。

图8为图3GPS天线系统使用桥接T型网络的接线图。

图9为图3GPS天线系统的场型分布图。

图10为图3GPS天线系统的场型仿真示意图。

图11为图3GPS天线系统放置于XY平面，两天线的电场相位相差90度，在垂直XY平面(E-theta)所测量到的场型图。

图12为本发明的另一天线系统的方块结构图。

具体实施方式

本发明是透过两支实质上互相垂直的具线性极化特征的PIFA天线，且两PIFA天线的馈入点相对、两天线的末端互相连接，再加上一电感使得此二天线彼此相位相差90度，以制造出圆形极化波的一天线系统。

形成一圆形极化波的条件有：1.两电场(Ex，Ey)方向互相正交。2.电场方量大小相等且彼此的相位差为90度。若欲形成一右旋的圆形极化波，则条件要再加上：3.水平电场Ex比垂直电场Ey超前π/2(圆形极化波前进方向为+Z方向)。若欲形成一左旋的圆形极化波，则条件要再加上：3.水平电场Ex比垂直电场Ey落后π/2(圆形极化波前进方向为+Z方向)。以一右旋的圆形极化波为例，其电场可以以下列的式子表示：

Ex0＝Ey0＝E0

其中Ex0，Ey0分别为电场Ex，Ey的方量大小；

    

分别为电场Ex，Ey的相位。

请参考图2。图2显示一形成右旋的圆形极化波的电场示意图。因本实施例为一应用于GPS的天线实施例，故采取右旋的圆形极化波(将一电感置于一第二PIFA天线的第二馈入点与一T型功率分配器之间)，但是并不表示本实施例的天线系统仅适用于右旋的圆形极化波，在其它实施例中，若采取左旋的圆形极化波的天线系统(将一电感置于一第一PIFA天线的第一馈入点与一T型功率分配器之间)，例如军方所属的通讯系统，属于本技术领域的一般技术人员在参考本发明后所能轻易想到的，也应属于本发明的范畴。

请参考图3、图4，以及图5。图3为本发明之一GPS天线系统8的具体实施例的两天线位置摆放示意图，图4为GPS天线系统8的部分接线图，图5为GPS天线系统8的方块图。GPS天线系统8包含一第一PIFA天线10(中心频率1.575GHz)，一第二PIFA天线12(中心频率1.575GHz)，一T型功率分配器14，一电感16，以及一π型阻抗匹配网络18。第一PIFA天线10包含一第一馈入点；第二PIFA天线12包含一第二馈入点，第二PIFA天线12与第一PIFA天线10实质上互相垂直，第一PIFA天线10的第一馈入点与第二PIFA天线12的第二馈入点相对，并且两天线的末端彼此互相连接。请注意：第二PIFA天线12与第一PIFA天线10实质上互相垂直，但若实施上摆放的位置产生稍许偏移，而导致两天线垂直角度并非正好90度，而有稍许几度的角度误差时，此时所形成的圆形极化波并非正圆形，而会约略变成椭圆形，但在本实施例中此情形也可适用。T型功率分配器14耦接于第一PIFA天线10的第一馈入点及第二PIFA天线12的第二馈入点(耦接的意思包含T型功率分配器14直接或间接与第一PIFA天线10的第一馈入点及第二PIFA天线12的第二馈入点相连接)，用来平均分配馈入第一PIFA天线10及第二PIFA天线12的电场的功率。图3中可看出电流由第一PIFA天线10的末端流入第一馈入点及接地点，以及由第二PIFA天线12的末端流入第二馈入点及接地点，再加上电感16耦接于第二PIFA天线12及T型功率分配器14之间，才能形成第二PIFA天线12的相位落后第一PIFA天线10的相位90度。而π型阻抗匹配网络18耦接于功率分配器14，用来校正第一PIFA天线10及第二PIFA天线12的中心频率偏移。

本实施例中采用一T型功率分配器14来平均分配馈入第一PIFA天线10及第二PIFA天线12的电场的功率，但是并不表示本实施例所应用的功率分配器仅限于T型功率分配器，其它能达到同样结果的功率分配器，属于本技术领域的一般技术人员在参考本篇发明后所能轻易思及者，也应属于本发明的范畴。本实施例中采用一电感16耦接于第二PIFA天线12，来使二PIFA天线10、12的相位相差90度，本发明的另一实施例另采用一可取代电感16的微带线的等效电感的设计，以GPS系统而言，其讯号传输的波长为4.7cm左右，若要以微带线绕成等效电感，则微带线的长度要绕成波长的二分之一，即约2.35cm。本发明中提到采用一电感16或微带线来使二PIFA天线10、12的相位相差90度，并不表示本发明的天线系统仅适用于以电感或微带线来调整该二PIFA天线的相位差，其它能达到同样结果的相位转换器，属于本技术领域的普通技术人员在参考本篇发明后所能轻易思及者，也应属于本发明的范畴。

当应用T型功率分配器14于两天线10、12上时，因为两天线为并联，因此当两天线的讯号结合后，阻抗会变成原天线阻抗(50Ω)的二分之一(25Ω)，但是后端RF芯片的输入仍需要50Ω，因此天线中心频率会因为阻抗不匹配的问题，而产生偏移，需要再利用一π型阻抗匹配网络18将天线的中心频率调回原1.575GHz。图6即为根据本实施例，两天线的中心频率因为耦接T型功率分配器使得两天线阻抗并联而导致的偏移的结果示意图。

π型阻抗匹配网络18中包含二并联等效电阻R1，R2及一串联等效电阻R3(π型阻抗匹配网络的接线图请参照图5)。本实施例中采用一π型阻抗匹配网络18来校正二PIFA天线10及12的中心频率偏移，但是并不表示本实施例所应用的阻抗匹配网络仅限于π型阻抗匹配网络，其它能达到同样结果的阻抗匹配网络，属于本技术领域普通技术人员在参考本篇发明后所能轻易思及者，也应属于本发明的范畴。请参考图7，图7为本发明另一实施例运用一T型阻抗匹配网络20的接线图。在图7中，T型阻抗匹配网络20包含二串联等效电阻R4，R5及一并联等效电阻R6。图8为本发明的另一实施例运用一桥接T型网络22的接线图。在图8中，桥接T型网络22包含二串联等效阻抗Z1，Z2及一并联等效电阻R7，再桥接一等效电阻R8。

请参考图9。图9为本实施例的GPS天线系统8的场型分布图。比较根据现有技术所画的Patch天线的辐射场型示意图的图1与图9可以看出，Patch天线的辐射能量是集中在辐射面的上方，因此设计时必须将辐射面往产品的上方设置，大大地增加了产品的厚度，及设计的不便。请参考图9及图10，图10为本实施例GPS天线系统8的场型仿真示意图。由此二图中可以看出本实施例的天线辐射场型近似一颗球体，因此设计时不需要将辐射面朝上，大大减少了产品的厚度，也不会造成设计的不便，增加摆放时的灵活性，不像一般的线性极化的GPS天线必须放在挡风玻璃上。

请参考图11。图11为本实施例GPS天线系统8放置于XY平面，两天线的电场相位相差90度的条件下(即一天线形成水平电场Ex、另一天线形成垂直电场Ey)，于天线暗波实验室中，在垂直XY平面(E-theta)上所测量到的电场的场型图。图10中方形格点所形成的曲线为一发射水平线性极化波的PIFA天线所形成的水平电场Ex的场型，三角形格点所形成的曲线为另一发射垂直线性极化波的PIFA天线所形成的垂直电场Ey的场型。由图中可以很明显地看出电场场型在0～90度，150～180度附近有相当好的圆形极化波；也就是说，在0～90度，150～180度附近，水平电场Ex和垂直电场Ey几乎相同，才能共振出很好的圆形极化波。(本实施例GPS天线系统8所运用的圆形极化波的主要范围落于+60度至-60度之间)。

请参考图12。图12为本发明另一实施例的天线系统，采取左旋的圆形极化波的方块结构图。其运作原理与上述实施例相同，因而在此不再赘述。

本发明的天线系统利用原本是线性极化天线的PIFA天线，改变其馈入的方式使其产生的电场场型同时具有圆形极化波和线性极化波的特点。利用PIFA天线的印刷制成方式以减少产品的厚度，并利用其具有圆形极化波的特点，增加产品使用时摆放位置的弹性。除此之外，本天线系统可使用电感以减少天线的体积，同时也能令二PIFA天线形成90度的相位差。因此本发明的天线系统不仅具备线性极化天线费用低廉、容易生产、设计简单的特点，更具备了圆形极化天线抵抗多重路径、快速定位的优势，实为一结合二天线优点不可多得的天线系统。

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作的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种利用PIFA(Planner Inverted F Antenna)天线制造圆形极化波的天线系统，包含有：

一第一PIFA天线，包含一第一馈入点；

一第二PIFA天线，包含一第二馈入点，该第二PIFA天线与该第一PIFA天线实质上互相垂直，该第一PIFA天线的该第一馈入点与该第二PIFA天线的该第二馈入点相对，并且两天线的末端彼此互相连接；

一功率分配器，耦接于该第一PIFA天线的第一馈入点及该第二PIFA天线的第二馈入点，用来平均分配馈入该第一PIFA天线及该第二PIFA天线的电场的功率；

一相位转换器，耦接于该第二PIFA天线及该功率分配器之间，用来使该二PIFA天线的相位相差90度；以及

一阻抗匹配网络，耦接于该功率分配器，用来校正该第一PIFA天线及该第二PIFA天线的中心频率偏移。

2.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于该相位转换器为一电感，用来使馈入该第二PIFA天线的电场相位落后于该第一PIFA天线的电场相位90度。

3.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于该相位转换器为一微带线，其长度为该二PIFA天线的共振波长的二分之一。

4.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于该功率分配器为一T型功率分配器。

5.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于该阻抗匹配网络为一π型阻抗匹配网络。

6.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于该阻抗匹配网络为一T型阻抗匹配网络。

7.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于该阻抗匹配网络为一桥接T型阻抗匹配网络。

8.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于该第一PIFA天线设置于一水平方向上，该第一PIFA天线的末端为该第一PIFA天线的左端，该第二PIFA天线设置于一垂直方向上，该第二PIFA天线的末端为该第二PIFA天线的上端。

9.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于该第二PIFA天线设置于一水平方向上，该第二PIFA天线的末端为该第二PIFA天线的左端，该第一PIFA天线设置于一垂直方向上，该第一PIFA天线的末端为该第一PIFA天线的上端。

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