CN103915677A - 宽带双极化天线 - Google Patents

Abstract

一种宽带双极化天线。该宽带双极化天线用来收发无线电信号，该宽带双极化天线包括：一第一金属反射板，该第一金属反射板用来反射无线电信号，以增加该宽带双极化天线的增益值；一第一辐射金属部，该第一辐射金属部位于该第一金属反射板之上，与该第一金属反射板间形成有一第一间隙；一第二辐射金属部，该第二辐射金属部位于该第一辐射金属部之上，与该第一辐射金属部间形成有一第二间隙；以及一支撑件，该支撑件用来支撑该第一金属反射板、该第一辐射金属部及该第二辐射金属部，使该第一金属反射板、该第一辐射金属部及该第二辐射金属部间不互相电性连结。本发明可改善天线场型、隔离度及工作带宽。

Description

宽带双极化天线

技术领域

本发明涉及一种宽带双极化天线，尤指一种可改善天线场型、隔离度及工作带宽的宽带双极化天线。

背景技术

具有无线通信功能的电子产品通过天线来发射或接收无线电波，以传递或交换无线电信号，进而访问无线网络。因此，为了让使用者能更方便地访问无线通信网络，理想天线的带宽应在许可范围内尽可能地增加，而尺寸则应尽量减小，以配合电子产品体积缩小的趋势。除此之外，随着无线通信技术不断演进，电子产品所配置的天线数量可能增加。举例来说，长期演进（Long Term Evolution，LTE）无线通信系统支持多输入多输出（Multi-inputMulti-output，MIMO）通信技术，亦即相关电子产品可通过多重（或多组）天线同步收发无线信号，以在不增加带宽或总发射功率耗损（Transmit Power Expenditure）的情况下，大幅地增加系统的数据吞吐量（Throughput）及传送距离，进而有效提升无线通信系统的频谱效率及传输速率，改善通信质量。另一方面，长期演进无线通信系统所采用的工作频带更为宽广，增加许多天线设计上的难度。

详细来说，长期演进无线通信系统共采用44个频段，涵盖的频率从最低的698MHz，到最高的3800MHz。由于频段的分散和杂乱，即使在同一国家或地区，系统业者仍可能同时使用多个频段。在此情形下，公知的双极化天线的架构尚无法同时包含这些频段，使长期演进无线通信系统的收发机难以收发多种频段的信号。

由上述可知，在长期演进无线通信系统中，双极化天线的带宽需要尽可能的增加，使收发机能处理多种频段的无线电信号。有鉴于此，公知技术实有改进的必要。

因此，需要提供一种宽带双极化天线来解决上述问题。

发明内容

因此，本发明主要提供一种宽带双极化天线，其可弯折并具有金属反射板以改善天线场型、隔离度及工作带宽。

本发明公开一种宽带双极化天线，该宽带双极化天线用来收发无线电信号，该宽带双极化天线包含：一第一金属反射板，该第一金属反射板用来反射无线电信号，以增加该宽带双极化天线的增益值；一第一辐射金属部，该第一辐射金属部位于该第一金属反射板之上，与该第一金属反射板间形成有一第一间隙；一第二辐射金属部，该第二辐射金属部位于该第一辐射金属部之上，与该第一辐射金属部间形成有一第二间隙；以及一支撑件，该支撑件用来支撑该第一金属反射板、该第一辐射金属部及该第二辐射金属部，使该第一金属反射板、该第一辐射金属部及该第二辐射金属部间不互相电性连结。

本发明结合分离第一辐射金属部及第二辐射金属部、弯折第一辐射金属部及第二辐射金属部、增加第一金属反射板及第二金属反射板的特性，以改善天线场型、隔离度及工作带宽。

附图说明

图1A为本发明实施例的一宽带双极化天线的示意图。

图1B为图1A中的宽带双极化天线的侧视图。

图2为图1A中的宽带双极化天线的天线共振及隔离度测试结果图。

图3A为本发明实施例的一宽带双极化天线的示意图。

图3B为图3A中的宽带双极化天线的侧视图。

图4为图3A中的宽带双极化天线的天线共振及隔离度测试结果图。

图5A为本发明实施例的一宽带双极化天线的示意图。

图5B为图5A中的宽带双极化天线的侧视图。

图6A为本发明实施例的一宽带双极化天线的示意图。

图6B为图6A中的宽带双极化天线的侧视图。

图7A为本发明实施例的一宽带双极化天线的示意图。

图7B为图7A中的宽带双极化天线的侧视图。

图8为本发明实施例的一宽带双极化天线的示意图。

图9为图8中的宽带双极化天线的天线共振及隔离度测试结果图。

图10为本发明实施例的宽带双极化天线的示意图。

主要组件符号说明：

10、20、30、40、50、60、70          宽带双极化天线

100、200、400、500、600             第一金属反射板

640、740                            第二金属反射板

102、202、302、502、602、702        第一辐射金属部

104、204、304、404、504、604、704   第二辐射金属部

106、206、306、506                  第一三角形金属片

108、208、308、508                  第二三角形金属片

110、210、410                       第三三角形金属片

112、212、412                       第四三角形金属片

114、214                            支撑件

M1                               第一中线

M2                               第二中线

G1                               第一间隙

G2                               第二间隙

B1、B2、B3、B4                   底边

P1、P2、P3、P4                   对角顶点

PL1                              第一平面

PL2                              第二平面

PL3                              第三平面

PL4                              第四平面

具体实施方式

请同时参考图1A及图1B，图1A为本发明实施例的一宽带双极化天线10的示意图，图1B为图1A中的宽带双极化天线10的侧视图。宽带双极化天线10包含有一第一金属反射板100、一第一辐射金属部102、一第二辐射金属部104以及一支撑件114。第一金属反射板100的形状大致为正方形，也可为其他的对称形状，如正圆形，正八面形，正十六面形等，用来反射无线电信号，以增加宽带双极化天线10的增益值。第一辐射金属部102位于第一金属反射板100之上，并与第一金属反射板100间相距一第一间隙G1，第一辐射金属部102包含有一第一三角形金属片106及一第二三角形金属片108。第一三角形金属片106的底边及第二三角形金属片108的底边互相平行，使第一辐射金属部102一菱形。第二辐射金属部104位于第一辐射金属部102之上，并与第一辐射金属部102相距一第二间隙G2，第二辐射金属部104包含有一第三三角形金属片110及一第四三角形金属片112，第三三角形金属片110的底边及第四三角形金属片112的底边互相平行，使第二辐射金属部104呈一菱形。在本实施例中，第一、第二、第三以及第四三角形金属片106、108、110以及112为等腰三角形金属片，但不以此为限。其中，第一辐射金属部102的一第一中线M1与第二辐射金属部104的一第二中线M2大致90度（deg）。支撑件114与第一金属反射板100大致垂直，用来支撑第一金属反射板100、第一辐射金属部102及第二辐射金属部104，使第一金属反射板100、第一辐射金属部102及第二辐射金属部104间不互相电性连结。

简言之，本发明通过第一辐射金属部102及第二辐射金属部104进行无线信号收发，且极化方向被倾斜45度来使用。因此，第一中线M1及第二中线M2在第一金属反射板100的投影大致与第一金属反射板100的对角线重合，即第一辐射金属部102极化变成45度倾斜，而第二辐射金属部104变成135度倾斜。

需注意的是，宽带双极化天线10为本发明的一实施例，本领域的普通技术人员可根据不同应用，而适度调整。举例来说，第一金属反射板100的边长可根据系统所需而调整，非一定值。另一方面，第一间隙G1相关于宽带双极化天线10所工作的频率。一般来说，在第一间隙G1大约等于无线电信号的约1/4波长时，宽带双极化天线10能达到最高的增益值。因此，若宽带双极化天线10用于收发长期演进无线通信系统中Band38/40/42的无线电信号，则第一间隙G1可大致等于20公厘（毫米）；然而，不限于此，本领域的普通技术人员应当可以根据不同天线的工作频段，调整第一间隙G1的大小。此外，第二间隙G2可用来提高第一辐射金属部102与第二辐射金属部104的隔离度，避免倾斜45度与倾斜135度的天线互相影响；举例来说，第二间隙G2可大致等于5公厘，但不限于此。当然，为了得到更高的隔离度，可适度增加第二间隙G2（即第一辐射金属部102与第二辐射金属部104的距离），但增加第二间隙G2可能造成宽带双极化天线的其他特性（如增益值、场型等）产生变化，故本领域的普通技术人员应当根据不同应用需求，适当调整第二间隙G2的大小。最后，支撑件114由一绝缘材料所制造，如木头、玻璃、橡胶等，且不限于此，只要使第一金属反射板100、第一辐射金属部102及第二辐射金属部104间不互相电性连结即可。

为说明本发明的功效，更进一步地，可经模拟分析而得宽带双极化天线10的天线特性测试结果。请参考图2，图2为宽带双极化天线10的天线共振及隔离度测试结果图，其中横轴表示频率，纵轴表示散射参数。图2的测试条件如下：第一间隙G1等于20公厘，第二间隙G2等于5公厘，第一金属反射板100的边长等于160公厘。此外，图2上方的虚线与实线分别为第一辐射金属部102及第二辐射金属部104的共振曲线，而下方的点线为第一辐射金属部102及第二辐射金属部104间的隔离度曲线。由图2可知，以-10dB为标准，宽带双极化天线10的共振带宽可同时包括Band38/40/42，且有很好的隔离度（至少可达-61dB）。另一方面，请同时参考表一、表二、表三以及表四，表一与表二分别为第一辐射金属部102在水平面及垂直面的场型测试统计表，表三与表四分别为第二辐射金属部104在水平面及垂直面的场型测试统计表。由表一及表二可知，第一辐射金属部102的最大增益值在8.50dBi至9.40dBi间，在高频与低频间并无太大变化。相反地，由表三及表四可知，第二辐射金属部104的最大增益值在低频（2300MHz）时为9.38dBi，在高频（3600MHz）时为7.82dBi。上述现象由于第一间隙G1是为配合长期演进无线通信系统Band38/40/42所设计，使反射后的无线电信号与原无线电信号能具有相同相位，使得天线具有较大的增益值。在本发明实施例的宽带双极化天线10中，为了让宽带双极化天线10有宽带的共振特性，必须减小第一辐射金属部102与第二辐射金属部104之间的互相影响而将第一辐射金属部102与第二辐射金属部104之间的距离加大，第一金属反射板100与第二辐射金属部104的距离增加了约5公厘，无线电信号的反射路径变长，在低频增加距离的效应较不明显，但在高频频段，增加距离的效应较明显，故第二辐射金属部104的最大增益值在高频时掉落较多，因此第一辐射金属部102比第二辐射金属部104具有较高的最大增益值，且有良好的隔离度。

表一

表二

表三

表四

在图1A、图1B中，宽带双极化天线10的第一辐射金属部102与第二辐射金属部104相互平行，亦即第一辐射金属部102的第一三角形金属片106及第二三角形金属片108位于一第一平面，而第二辐射金属部104的第三三角形金属片110及第四三角形金属片112位于一第二平面，且第一平面与第二平面平行。然而，此为本发明可行的实施例之一，不限于此。

举例来说，请同时参考图3A及图3B，图3A为本发明实施例的一宽带双极化天线20的示意图，图3B为图3A的宽带双极化天线20的侧视图。宽带双极化天线20包含有一第一金属反射板200、一第一辐射金属部202、一第二辐射金属部204以及一支撑件214。第一辐射金属部202包含有一第一三角形金属片206及一第二三角形金属片208，而第二辐射金属部204包含有一第三三角形金属片210及一第四三角形金属片212。在本实施例中，第一、第二、第三以及第四三角形金属片206、208、210及212为等腰三角形，但不以此为限。比较图1A、图1B与图3A、图3B可知，宽带双极化天线20与宽带双极化天线10的结构类似，运作原理亦雷同，最主要差异在于宽带双极化天线20的第二辐射金属部204由中央支撑件214处向外倾斜；换言之，第一辐射金属部202与第二辐射金属部204并非完全平行，且第二辐射金属部204的第三三角形金属片210及第四三角形金属片212亦非在同一平面延伸。详细来说，如图3B所示，第三三角形金属210的一底边B3与第四三角形金属片212的一底边B4可视为位于一第一平面PL1或在第一平面PL1上延伸，而底边B3所对应的一对角顶点P3与底边B4所对应的一对角顶点P4则位于一第二平面PL2，第一平面PL1与第二平面PL2非相同平面，而具有一间距，如1公厘。此外，第二辐射金属部204与第一金属反射板200的距离则可根据应用所需而调整，例如可大致等于24.7公厘。

更进一步地，经模拟分析，可得宽带双极化天线20的天线特性测试结果。请参考图4，图4为宽带双极化天线20的天线共振及隔离度测试结果图。图4的测试条件如下：第一平面PL1与第二平面PL2间的距离等于1公厘，第二辐射金属部204与第一金属反射板200的距离等于24.7公厘。此外，图4上方的虚线与实线分别为第一辐射金属部202及第二辐射金属部204的共振曲线，而下方的点线为第一辐射金属部202及第二辐射金属部204间的隔离度曲线。由图4可知，以-10dB为标准，宽带双极化天线20的共振带宽可同时包括Band38/40/42，且有很好的隔离度（至少可达-61.7dB）。另一方面，请同时参考表五、表六、表七以及表八，表五与表六分别为第一辐射金属部202在水平面及垂直面的场型测试统计表，表七与表八分别为第二辐射金属部204在水平面及垂直面的场型测试统计表。由表五及表六可知，第一辐射金属部202的最大增益值在8.55dBi至9.41dBi间，在高频与低频间并无太大变化。另一方面，由表七与表八可知，第二辐射金属部204的最大增益值在低频（2300MHz）时为9.36dBi，在高频（3600MHz）时为7.96dBi。

比较宽带双极化天线20与宽带双极化天线10的测试结果可知，第二辐射金属部204在高频的最大增益值比第二辐射金属部104在高频的最大增益值增加了0.14dB，其余最大增益值则无太大变化，故将第二辐射金属部204朝第一金属反射板200弯折，可确实增加场型值，以适用于不同应用。

表五

表六

表七

表八

值得注意的是，图3A及图3B的宽带双极化天线20为本发明的实施例，本领域的普通技术人员应当可以据以作不同的修饰，而不限于此。举例来说，根据不同工作频段及天线特性需求，第一平面PL1与第二平面PL2间的距离及第二辐射金属部204与第一金属反射板200的距离不限于1公厘及24.7公厘，而可为其他数值。

图3A、图3B的宽带双极化天线20可视为图1A、图1B的宽带双极化天线10的衍生变化，主要是将第二辐射金属部104由内向外倾斜。仿此模式，本领域的普通技术人员应当可以根据不同需求适当调整宽带双极化天线10、20中各组件间的相对关系（如平行与否）、倾斜角度、翻转角度等，而不限于此。举例来说，请同时参考图5A及图5B，图5A为本发明实施例的一宽带双极化天线30的示意图，图5B为图5A中的宽带双极化天线30的侧视图。宽带双极化天线30与宽带双极化天线20的组件与构造大致相同，故省略大部分符号，仅标示出描述所需的组件，其余部分可参考图3A及图3B，以求简洁。比较图3B及图5B可知，宽带双极化天线30与宽带双极化天线20的不同之处在于宽带双极化天线30的一第一辐射金属部302朝向一第二辐射金属部304弯折。详细来说，第一辐射金属部302包含有一第一三角形金属片306及一第二三角形金属片308。在本实施例中，该些三角形金属片为等腰三角形金属片，但不以此为限。其中第一三角形金属片306的一底边B1与一第二三角形金属片308的一底边B2可视为位于一第三平面PL3或在第三平面PL3上延伸，底边B1所对应的一对角顶点P1与底边B2所对应的一对角顶点P2位于一第四平面PL4，而第三平面PL3与第四平面PL4非相同平面，而具有一间距，如1公厘。

在宽带双极化天线20、30中，第一至第四三角形金属片由支撑件向外倾斜，以调整这些三角形金属片至第一金属反射板的距离，换言之，每个三角形金属片呈一平整斜面。然而，调整三角形金属片至第一反射板的距离的方法并不限于此。举例来说，请同时参考图6A及图6B，图6A为本发明实施例的一宽带双极化天线40的示意图，图6B为图6A中的宽带双极化天线40的侧视图。宽带双极化天线40与宽带双极化天线20的组件与构造大致相同，故省略大部分符号，仅标示出描述所需的组件，其余部分可参考图3A及图3B，以求简洁。比较图6B及图3B可知，宽带双极化天线40与宽带双极化天线20的不同之处在于宽带双极化天线40的一第二辐射金属部404以一特定弧度向下弯曲。详细来说，第二辐射金属部404包含有一第三三角形金属片410及一第四三角形金属片412。在本实施例中，该些三角形金属片为等腰三角形金属片，但不以此为限。其中第三三角形金属片410及第四三角形金属片412分别包含有弧形弯折，并朝向一第一金属反射板400弯曲，如图6B所示，其同样可达到减少第二辐射金属部404与第一金属反射板400的目的，使第二辐射金属部404的场型值上升。此外，请同时参考图7A及图7B，图7A为本发明实施例的一宽带双极化天线50的示意图，图7B为图7A中的宽带双极化天线50的侧视图。宽带双极化天线50与宽带双极化天线40的组件与构造大致相同，故省略大部分符号，仅标示出描述所需的组件，其余部分可参考图6A及图6B。比较图7B及图6B可知，宽带双极化天线50与宽带双极化天线40的不同之处在于宽带双极化天线50的一第一辐射金属部502以一特定弧度向上弯曲。详细来说，第一辐射金属部502包含有一第一三角形金属片506及一第二三角形金属片508。在本实施例中，该些三角形金属片为等腰三角形金属片，但不以此为限。其中第一三角形金属片506及第二三角形金属片508分别包含有弧形弯折，并朝向一第二辐射金属部504弯曲，如图7B，其同样可达到增加第一辐射金属部502与一第一金属反射板500的目的，使第一辐射金属部502的场型值下降，进而平衡场型值。

值得注意的是，在上述实施例中，金属反射板用来增加天线的增益值，其数量不限于1。举例来说，请参考图8，图8为本发明实施例的一宽带双极化天线60的示意图。宽带双极化天线60与宽带双极化天线10的组件与构造大致相同，故省略大部分符号，仅标示出描述所需的组件，其余部分可参考图1A、图1B。比较图8及图1A、图1B可知，宽带双极化天线60与宽带双极化天线10的不同之处在于宽带双极化天线60还包含有一第二金属反射板640。经模拟分析后，可得宽带双极化天线60的天线特性测试结果。请参考图9，图9为宽带双极化天线60的天线共振及隔离度测试结果图。图9的测试条件如下：第二金属反射板640与一第一金属反射板600的距离等于47.7公厘。此外，图9上方的虚线与实线分别为一第一辐射金属部602及一第二辐射金属部604的共振曲线，而下方的点线为第一辐射金属部602及第二辐射金属部604间的隔离度曲线。以-10dB为标准，宽带双极化天线60的共振带宽可同时包括Band38/40/42，且有很好的隔离度（隔离度至少可达51.8dB）。进一步比较图9及图2可知，宽带双极化天线60的共振带宽比宽带双极化天线10更宽。另一方面，请同时参考表九、表十、表十一以及表十二，表九与表十分别为宽带双极化天线60的第一辐射金属部602在水平面及垂直面的场型测试统计表，表十一与表十二分别为宽带双极化天线60的第二辐射金属部604在水平面及垂直面的场型测试统计表。由表九、表十、表十一以及表十二可知，第一辐射金属部602与第二辐射金属部604在同一带宽的场型值大致相同，故宽带双极化天线60可达平衡场型值的目的。此外，当频率上升时，宽带双极化天线60的最大增益值也随着增加，故更能满足实际应用的需求（在实际环境中，无线电信号的自由空间损失会随频率上升而增加）。

表九

表十

表十一

表十二

值得注意的是，本发明通过分离第一辐射金属部及第二辐射金属部，使第一辐射金属部及第二辐射金属部不互相电性连结，以增加隔离度；弯折第一辐射金属部及第二辐射金属部，以平衡场型值；增加第一金属反射板及第二金属反射板，以增加增益值及宽带双极化天线的带宽。本领域的普通技术人员应当可以根据不同天线所需，适当组合不同实施例。举例来说，请参考图10，图10为本发明实施例的一宽带双极化天线70的示意图。宽带双极化天线70与宽带双极化天线50的组件与构造大致相同，故省略大部分符号，仅标示出描述所需的组件，其余部分可参考图7A及图7B。宽带双极化天线70为宽带双极化天线50还加上一第二金属反射板740，以增加一第一辐射金属部702及一第二辐射金属部704的增益值。

在长期演进无线通信系统中，由于频段的分散和杂乱，公知的双极化天线的架构难以同时包含多种频段，使长期演进无线通信系统的收发机难以收发多种频段的信号。相比之下，本发明提供的宽带双极化天线可满足长期演进无线通信系统的需求，以收发多种频段的信号。

综上所述，本发明结合分离第一辐射金属部及第二辐射金属部、弯折第一辐射金属部及第二辐射金属部、增加第一金属反射板及第二金属反射板的特性，以改善天线场型、隔离度及工作带宽。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是根据本发明权利要求书的范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (16)

1.一种宽带双极化天线，该宽带双极化天线用来收发无线电信号，该宽带双极化天线包括：

一第一金属反射板，该第一金属反射板用来反射无线电信号，以增加该宽带双极化天线的增益值；

一第一辐射金属部，该第一辐射金属部位于该第一金属反射板之上，与该第一金属反射板间形成有一第一间隙；

一第二辐射金属部，该第二辐射金属部位于该第一辐射金属部之上，与该第一辐射金属部间形成有一第二间隙；以及

一支撑件，该支撑件用来支撑该第一金属反射板、该第一辐射金属部及该第二辐射金属部，使该第一金属反射板、该第一辐射金属部及该第二辐射金属部间不互相电性连结。

2.如权利要求1所述的宽带双极化天线，其中该第一辐射金属部的一第一中线与该第二辐射金属部的一第二中线呈一角度。

3.如权利要求2所述的宽带双极化天线，其中该角度大致为90度。

4.如权利要求1所述的宽带双极化天线，其中该第二间隙大于等于5毫米。

5.如权利要求1所述的宽带双极化天线，其中该第一辐射金属部包括：

一第一三角形金属片；以及

一第二三角形金属片。

6.如权利要求5所述的宽带双极化天线，其中该第一三角形金属片与该第二三角形金属片的形状是等腰三角形。

7.如权利要求5所述的宽带双极化天线，其中该第一三角形金属片的一第一底边与该第二三角形金属片的一第二底边位于一第一平面，该第一底边所对应的该第一三角形金属片的一第一对角顶点与该第二底边所对应的该第二三角形金属片的一第二对角顶点位于一第二平面，而该第一平面与该第二平面非相同平面。

8.如权利要求5所述的宽带双极化天线，其中该第一三角形金属片包括一第一弧形弯折而该第二三角形金属片包括一第二弧形弯折。

9.如权利要求8所述的宽带双极化天线，其中该宽带双极化天线的天线场型、隔离度及工作带宽相关于该第一弧形弯折及该第二弧形弯折的弧度。

10.如权利要求1所述的宽带双极化天线，其中该第二辐射金属部包括：

一第三三角形金属片；以及

一第四三角形金属片。

11.如权利要求10所述的宽带双极化天线，其中该第三三角形金属片与该第四三角形金属片的形状是等腰三角形。

12.如权利要求10所述的宽带双极化天线，其中该第三三角形金属片的一第三底边与该第四三角形金属片的一第四底边位于一第三平面，该第三底边所对应的该第三三角形金属片的一第三对角顶点与该第四底边所对应的该第四三角形金属片的一第四对角顶点位于一第四平面，而该第三平面与该第四平面非相同平面。

13.如权利要求10所述的宽带双极化天线，其中该第三三角形金属片包括一第三弧形弯折而该第四三角形金属片包括一第四弧形弯折。

14.如权利要求13所述的宽带双极化天线，其中该宽带双极化天线的天线场型、隔离度及工作带宽相关于该第三弧形弯折及该第四弧形弯折的弧度。

15.如权利要求1所述的宽带双极化天线，该宽带双极化天线还包括一第二金属反射板，该第二金属反射板位于该第二辐射金属部之上，与该第二辐射金属部间形成有一第三间隙，用来反射无线电信号，增加该宽带双极化天线的增益值。

16.如权利要求15所述的宽带双极化天线，其中该宽带双极化天线的天线场型、隔离度及工作带宽相关于该第一间隙、该第二间隙及该第三间隙。