CN103187616A - 圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种圆极化天线，包括：基底，具有第一表面和第二表面；馈电元件，设置于该第一表面；接地面，设置于该第二表面，且该接地面具有孔洞；调谐短线，设置于该第二表面，且该调谐短线连接于该孔洞的边缘；以及腔室结构，连接于该接地面，且该腔室结构用于反射电磁波。本发明提供的圆极化天线具有更高的天线增益或更大的天线带宽。

Description

圆极化天线
技术领域
本发明有关于一种圆极化天线(Circular Polarization Antenna)，特别有关于具有高天线增益(Antenna Gain)的圆极化天线。
背景技术
在无线数据传输中，天线在传送和接收电磁波中扮演着重要的角色。通常情况下，天线应提供在方位角方向(Azimuth Direction)为全方向(Omni-Directional)的辐射图型(Radiation Pattern)，并提供在正上方的一个零点(Null)图型。因此，棒形天线(Rod-like Antenna)，例如偶极天线(Dipole Antenna)，通常适合接收和传送垂直极化波(vertically polarized wave)，因此而广泛地应用于现今的通信装置当中。
在无线通信系统中，数据信号可能被许多的周围物体反射，因此，这些反射波(Reflected Waves)和原来的数据信号将产生建设性或破坏性的混合。即使偶极天线可用于接收和传送垂直极化波，但是来自周遭环境的多路径干扰(Multi-Path Interference)、绕射(Diffraction)或是反射，都可能在长程通信中改变传送垂直极化波的相位。更严重的情况下，数据信号可能由垂直极化波转变为水平极化波，而无法被偶极天线接收，造成数据遗失。有鉴于此，必须设计一种新天线，以处理垂直极化波与水平极化波。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种圆极化天线。
本发明提供一种圆极化天线，包括：基底，具有第一表面和第二表面；馈电元件，设置于该第一表面；接地面，设置于该第二表面，且该接地面具有孔洞；调谐短线，设置于该第二表面，且该调谐短线连接于该孔洞的边缘；以及腔室结构，连接于该接地面，且该腔室结构用于反射电磁波。
本发明还提供一种圆极化天线，包括：第一天线元件，该第一天线元件包括：基底，具有第一表面和第二表面；馈电元件，设置于该第一表面；接地面，设置于该第二表面，且该接地面具有孔洞；第一调谐短线，设置于该第二表面，且该第一调谐短线连接于该孔洞的边缘；以及第二调谐短线，设置于该第二表面，且该第二调谐短线连接于该孔洞的该边缘。
本发明提供的圆极化天线具有更高的天线增益或更大的天线带宽。
附图说明
图1A为显示根据本发明一个实施例的圆极化天线的立体图；
图1B为根据本发明该实施例的圆极化天线沿着一条直线的剖面图；
图1C为根据本发明该实施例的圆极化天线沿着另一直线的剖面图；
图2为根据本发明一个实施例的接合于接地面的腔室结构的剖面图；
图3A为根据本发明一个实施例的接合于接地面的腔室结构的立体图；
图3B为根据本发明的该实施例的接合于接地面的腔室结构沿着一条直线的剖面图；
图4A为根据本发明一个实施例的接合于接地面的腔室结构的剖面图；
图4B为根据本发明该实施例的接合于接地面的腔室结构的俯视图；
图5为根据本发明一个实施例的圆极化天线的轴比示意图；
图6为根据本发明另一个实施例的圆极化天线的立体图；
图7为根据本发明一个实施例的圆极化天线的轴比示意图；
图8A为根据本发明一个实施例的圆极化天线的立体图；
图8B为根据本发明另一个实施例的圆极化天线的立体图；
图9为根据本发明一个实施例的圆极化天线的俯视图；
图10为根据本发明一个实施例的圆极化天线的轴比示意图；
图11A为根据本发明一个实施例的接地面的示意图；
图11B为根据本发明一个实施例的接地面的示意图；
图11C为根据本发明一个实施例的接地面的示意图；
图11D为根据本发明一个实施例的接地面的示意图；
图11E为根据本发明一个实施例的接地面的示意图；
图11F为根据本发明一个实施例的接地面的示意图；
图11G为根据本发明一个实施例的接地面的示意图。
具体实施方式
图1A为显示根据本发明一个实施例的圆极化天线100的立体图。图1B为根据本发明该实施例的圆极化天线100沿着直线LL1的剖面图。图1C为根据本发明该实施例的圆极化天线100沿着另一直线LL2的剖面图。如图1A、图1B及图1C所示，圆极化天线100可包括：基底110、接地面120、馈电元件(FeedingElement)130、调谐短线(Tuning Stub)140以及腔室结构(Cavity Sturcture)170。基底110可以是FR4基底，其介电常数(Dielectric Constant)等于4.3，而基底厚度为0.6mm。接地面120、馈电元件130，以及调谐短线140可由金属制成，例如银或铜。
基底110具有两个表面E1、E2，其中表面E1与表面E2为相对面。馈电元件130设置于表面E1，其中馈电元件130的一端可以电性连接至信号源190以接收输入信号。接地面120设置于表面E2，且接地面120具有一个孔洞125。孔洞125可以是圆形、矩形或其他形状。调谐短线140设置于表面E2，并电性连接至孔洞125的边缘。在一个实施例中，馈电元件130和调谐短线140两者都大致为直条形，而孔洞125为圆形，其中调谐短线140和孔洞125的圆周（Periphery）垂直。在其他实施例中，馈电元件130可以为T字形或是锥面形(Taper-Shaped)。
腔室结构170电性连接至接地面120，并用于反射电磁波。在一个实施例中，腔室结构170大致上为无上盖的空心圆柱体，并接合在接地面120上(例如可以沿着虚线172的轨迹接合)。圆极化天线100可以同时产生一个左旋圆极化波(Left-hand Circularly Polarized Wave)和一个右旋圆极化波(Right-hand CircularlyPolarized Wave)。在一些实施例中，左旋圆极化波向上方传播，而右旋圆极化波向下方传播。因此，腔室结构170可用于大致上覆盖住接地面120上的孔洞125，反射不同方向的电磁波以提高天线增益。腔室结构170通常设计为具有等于四分之一波长(λ/4)的高度，其中该四分之一波长可以根据圆极化天线的中心操作频率进行调整。本发明另提供各种不同的腔室结构，将于之后进行说明。
图2为根据本发明一个实施例的接合于接地面120的腔室结构270的剖面图。如图2所示，腔室结构270为空心金属外壳，用于覆盖接地面120的孔洞125。在一些实施例中，该空心金属外壳内部填充满介质275，例如FR4介质或是空气。该空心金属外壳通常设计为具有等于四分之一波长(λ/4)的高度，其中该四分之一波长可以根据圆极化天线的中心操作频率进行调整。
图3A为根据本发明一个实施例的接合于接地面120的腔室结构370的立体图。图3B为根据本发明的该实施例的接合于接地面120的腔室结构370沿着直线LL1的剖面图。如图3A及图3B所示，腔室结构370包括：腔室基底372、腔室接地面374，以及多个通孔(Via)376。腔室基底372具有两个表面，其中的一个表面接合于接地面120。腔室接地面374设置于腔室基底372的另一个表面E3。多个通孔376穿过腔室基底372，并大致上环绕孔洞125。多个通孔376更电性连接于接地面120和腔室接地面374之间。腔室基底372可以是FR4基底，其介电常数等于4.3，而基底厚度为四分之一波长(λ/4)，其中该四分之一波长可以根据圆极化天线的中心操作频率进行调整。腔室接地面374和多个通孔376可以由金属制成，例如银或铜。在一个实施例中，多个通孔376间隔一个既定距离D1进行排列，并沿着圆形的轨迹进行排列。在本发明的较佳实施例中，既定距离D1小于0.6mm，以减少电磁波外漏(Leakage Wave)。
图4A为根据本发明一个实施例的接合于接地面120的腔室结构470的剖面图。图4B为根据本发明该实施例的接合于接地面120的腔室结构470的俯视图。如图4A所示，腔室结构470包括腔室结构370，此外更包括另一个腔室基底410、另一个腔室接地面420以及另外多个通孔450。值得注意的是，在本实施例中，腔室接地面374具有一个孔洞430，其与接地面120的孔洞125相同。如图4B所示，多个通孔450可以和前述的多个通孔376交错排列。腔室基底410可以是FR4基底，其介电常数等于4.3。腔室接地面420和多个通孔450可以由金属制成，例如银或铜。而腔室结构470通常设计成总高度为四分之一波长(λ/4)，其中该四分之一波长可以根据圆极化天线的中心操作频率进行调整。
在一个实施例中，圆极化天线100的元件尺寸可以如下所述：接地面120的孔洞125为圆形孔洞，圆形半径为1.3mm；调谐短线140为直条形，长度为0.75mm，而宽度为0.1mm；而腔室结构170的高度为0.6mm。值得注意的是，可以自由调整以上所有尺寸，以使圆极化天线能涵盖所需的频段。
图5为根据本发明一个实施例的圆极化天线100的轴比(Axial Ratio，AR)示意图。纵轴代表圆极化天线的轴比(单位：dB)，而横轴代表操作频率(单位：GHz)。馈电元件130、调谐短线140以及接地面120围绕孔洞125的一部分共同受激励(Excited)产生频带FB1。在一个实施例中，频带FB1约介于69GHz和73GHz之间，其中圆极化天线100在频带FB1内的轴比皆小于5dB。值得注意的是，频带FB1可以根据不同的元件尺寸进行范围调整。
图6为根据本发明另一个实施例的圆极化天线600的立体图。圆极化天线600可以包括一或多个天线元件。在本实施例中，圆极化天线600仅由一个天线元件610组成。天线元件610与前述的圆极化天线100相似，两者间唯一的不同是，天线元件610包括了两个调谐短线635和650。调谐短线635和650设置于基底110的表面E2，且电性连接到接地面120的孔洞125的边缘，其中调谐短线635和650具有不同的连接位置。在一个实施例中，馈电元件130和调谐短线635和650皆大致上为直条形，而孔洞125为圆形，其中调谐短线635、650垂直于孔洞125的圆周。调谐短线635和调谐短线650之间的夹角θ1小于45度。调谐短线635或调谐短线650其中之一(例如图6中与馈电元件130较接近的调谐短线635)与馈电元件130之间的夹角θ2小于90度。在其他实施例中，馈电元件130可以为T字形或是锥面形。值得注意的是，在一些实施例中，腔室结构170也可以从天线元件610中移除。
在一个实施例中，天线元件610的元件尺寸可以如下所述：接地面120的孔洞125为圆形孔洞，圆形半径为1.3mm；调谐短线635和650分别为直条形，长度皆为0.75mm，且宽度皆为0.1mm；而腔室结构170的高度为0.6mm。值得注意的是，可以自由地调整所有尺寸，以使圆极化天线能涵盖所需之频段。
图7为根据本发明一个实施例的圆极化天线600的轴比示意图。纵轴代表圆极化天线的轴比(单位：dB)，而横轴代表操作频率(单位：GHz)。在图7中有一条虚线和一条实线。该实线对应于具有两个调谐短线的圆极化天线600，而虚线对应于仅有一个调谐短线的圆极化天线100。对比单个调谐短线，两个调谐短线使圆极化天线600拥有更大的带宽。馈电元件130、调谐短线635和650，以及接地面120围绕孔洞125的一部分共同受激励而产生频带FB2。在一个实施例中，频带FB2约介于58GHz和71GHz之间，其中圆极化天线600在频带FB2内之轴比皆小于5dB。值得注意的是，频带FB2可以根据不同的元件尺寸进行范围调整。
图8A为根据本发明一个实施例的圆极化天线810的立体图。圆极化天线810包括两个天线元件610、620。天线元件620与天线元件610相同。天线元件610、620排列形成一个顺序旋转阵列(Sequential Rotation Array)。换句话说，天线元件610、620具有不同的输入信号相位。如图8A所示，天线元件610的馈电元件为通过信号路径PA1电性耦接至信号源190，但是天线元件620的馈电元件通过另一个信号路径PA2电性耦接至信号源190。由于信号路径PA2比信号路径PA1更长，天线元件620的输入信号将比天线元件610的输入信号延迟(Lag)一个既定相位角(predetermined angle)，该相位角可以是90度。顺序旋转阵列的设计可以增加圆极化天线的带宽并提高天线增益。
图8B为根据本发明另一个实施例的圆极化天线820的立体图。圆极化天线820包括四个天线元件610、620、630及640。天线元件620、630及640皆与天线元件610相同。天线元件610、620、630及640排列形成一个顺序旋转阵列。如图8B所示，天线元件610、620、630及640的四个馈电元件分别通过四个信号路径PA1、PA2、PA3、PA4电性耦接至信号源190。在一个实施例中，天线元件610、620、630及640的输入信号相位分别为0度、90度、180度及270度。顺序旋转阵列的设计可以增加圆极化天线的带宽并提高天线增益。
相似地，如图1A、图1B及图1C所示的圆极化天线100也可以具有更多相同的天线元件以排列形成一个顺序旋转阵列。
图9为根据本发明一个实施例的圆极化天线900的俯视图。如图9所示，圆极化天线900包括四个天线元件910、920、930及940，天线元件910、920、930及940排列形成顺序旋转阵列。在一个实施例中，天线元件910、920、930及940的输入信号相位分别为0度、90度、180度及270度。天线元件910、920、930及940皆分别具有两个调谐短线，以及如图3A和图3B所示的腔室结构370（图未示）。此外，天线元件910、920、930及940也分别具有锥面形的馈电元件。
图10为根据本发明一个实施例的圆极化天线900的轴比示意图。纵轴代表圆极化天线的轴比(单位：dB)，而横轴代表操作频率(单位：GHz)。包括四个天线元件的圆极化天线900受激励而产生阵列频带FB3。在一个实施例中，阵列频带FB3约介于55GHz和70GHz之间，其中圆极化天线900在阵列频带FB3内的轴比皆小于5dB。值得注意的是，阵列频带FB3可以根据不同的元件尺寸进行范围调整。
本发明的接地面可以具有不同形状的孔洞，且具有一或多个调谐短线，这些实施例将在之后进行说明。
图11A为根据本发明一个实施例的接地面1110的示意图。如图11A所示，接地面1110具有圆形的孔洞，并有三个调谐短线电性连接到接地面1110的孔洞边缘。
图11B为根据本发明一个实施例的接地面1120的示意图。如图11B所示，接地面1120具有矩形的孔洞，并有两个调谐短线电性连接到接地面1120的孔洞边缘。
图11C为根据本发明一个实施例的接地面1130的示意图。如图11C所示，接地面1130具有矩形的孔洞，并有三个调谐短线电性连接到接地面1130的孔洞边缘。
图11D为根据本发明一个实施例的接地面1140的示意图。如图11D所示，接地面1140具有矩形的孔洞，并有两个调谐短线电性连接到接地面1140的孔洞边缘。值得注意的是，和图11B相比，接地面1140的孔洞已旋转一个角度。
图11E为根据本发明一个实施例的接地面1150的示意图。如图11E所示，接地面1150具有正八边形的孔洞，并有两个调谐短线电性连接到接地面1150的孔洞边缘。
图11F为根据本发明一个实施例的接地面1160的示意图。如图11F所示，接地面1160具有椭圆形的孔洞，并有两个调谐短线电性连接到接地面1160的孔洞边缘。
图11G为根据本发明一个实施例的接地面1170的示意图。如图11G所示，接地面1170具有椭圆形的孔洞，并有两个调谐短线电性连接到接地面1170的孔洞边缘。值得注意的是，和图11F相比，接地面1170的孔洞已旋转一个角度。
应理解，所属领域的技术人员可对接地面的孔洞形状更改为其他形状，或将与孔洞连接的调谐短线数目调整为其他数目，类似的修改皆在本发明保护范围之内。
本发明的圆极化天线具有更高的天线增益以及更大的天线带宽。这些圆极化天线可适用于各种提供高速传送的移动装置。
本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用于限定本发明的范围，任何所属领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更改与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims (31)

1.一种圆极化天线，包括：
基底，具有第一表面和第二表面；
馈电元件，设置于该第一表面；
接地面，设置于该第二表面，且该接地面具有孔洞；
调谐短线，设置于该第二表面，且该调谐短线连接于该孔洞的边缘；以及
腔室结构，连接于该接地面，且该腔室结构用于反射电磁波。
2.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，该孔洞为圆形。
3.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，该馈电元件为直条形。
4.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，该调谐短线为直条形。
5.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，该接地面的一部分、该馈电元件以及该调谐短线共同受激励产生一个频带。
6.如权利要求5所述的圆极化天线，其特征在于，该频带介于69GHz和73GHz之间。
7.如权利要求5所述的圆极化天线，其特征在于，该圆极化天线在该频带中的轴比小于5dB。
8.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，该腔室结构为覆盖该孔洞的空心金属外壳。
9.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，该腔室结构包括：
腔室基底；
腔室接地面，设置于该腔室基底的一个表面；以及
多个通孔，穿过该腔室基底，并环绕该孔洞，且连接于该接地面和该腔室接地面之间。
10.如权利要求9所述的圆极化天线，其特征在于，该多个通孔为间隔一个既定距离进行排列。
11.如权利要求10所述的圆极化天线，其特征在于，该既定距离小于0.6mm。
12.一种圆极化天线，包括：
第一天线元件，该第一天线元件包括：基底，具有第一表面和第二表面；馈电元件，设置于该第一表面；接地面，设置于该第二表面，且该接地面具有孔洞；第一调谐短线，设置于该第二表面，且该第一调谐短线连接于该孔洞的边缘；以及第二调谐短线，设置于该第二表面，且该第二调谐短线连接于该孔洞的该边缘。
13.如权利要求12所述的圆极化天线，其特征在于，该孔洞为圆形。
14.如权利要求12所述的圆极化天线，其特征在于，该馈电元件为直条形。
15.如权利要求12所述的圆极化天线，其特征在于，该第一调谐短线和该第二调谐短线为直条形。
16.如权利要求12所述的圆极化天线，其特征在于，该接地面的一部分、该馈电元件、该第一调谐短线以及该第二调谐短线共同受激励产生一个频带。
17.如权利要求16所述的圆极化天线，其特征在于，该频带介于58GHz和71GHz之间。
18.如权利要求16所述的圆极化天线，其特征在于，该圆极化天线在该频带中的轴比小于5dB。
19.如权利要求12所述的圆极化天线，其特征在于，该第一天线元件更包括：
腔室结构，连接于该接地面，且该腔室结构用于反射电磁波。
20.如权利要求19所述的圆极化天线，其特征在于，该腔室结构为覆盖该孔洞的空心金属外壳。
21.如权利要求19所述的圆极化天线，其特征在于，该腔室结构包括：
腔室基底；
腔室接地面，设置于该腔室基底的一个表面；以及
多个通孔，穿过该腔室基底，并环绕该孔洞，且连接于该接地面和该腔室接地面之间。
22.如权利要求21所述的圆极化天线，其特征在于，该多个通孔为间隔一个既定距离进行排列。
23.如权利要求22所述的圆极化天线，其特征在于，该既定距离小于0.6mm。
24.如权利要求12所述的圆极化天线，其特征在于，该第一调谐短线和该第二调谐短线之间的第一夹角小于45度。
25.如权利要求12所述的圆极化天线，其特征在于，该第一调谐短线或该第二调谐短线与该馈电元件之间的第二夹角小于90度。
26.如权利要求12所述的圆极化天线，其特征在于，该圆极化天线更包括：
第二天线元件，与该第一天线元件相同。
27.如权利要求26所述的圆极化天线，其特征在于，该第一天线元件和该第二天线元件排列形成顺序旋转阵列。
28.如权利要求26所述的圆极化天线，其特征在于，该圆极化天线更包括：
第三天线元件，与该第一天线元件相同；以及
第四天线元件，与该第一天线元件相同。
29.如权利要求28所述的圆极化天线，其特征在于，该第一天线元件、该第二天线元件、该第三天线元件，以及该第四天线元件排列形成顺序旋转阵列。
30.如权利要求29所述的圆极化天线，其特征在于，该顺序旋转阵列受激励产生一个阵列频带，该阵列频带介于55GHz和70GHz之间。
31.如权利要求30所述的圆极化天线，其特征在于，该圆极化天线在该阵列频带中的轴比小于5dB。
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