CN104900993A

CN104900993A - 平板双极化天线

Info

Publication number: CN104900993A
Application number: CN201410081541.1A
Authority: CN
Inventors: 詹长庚; 徐杰圣
Original assignee: Wistron Neweb Corp
Current assignee: Wistron Neweb Corp
Priority date: 2014-03-06
Filing date: 2014-03-06
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2034-03-06
Also published as: CN104900993B

Abstract

一种平板双极化天线。该平板双极化天线用来收发至少一无线电信号，该平板双极化天线包括：一馈入传输线层，包括一第一馈入传输线及一第二馈入传输线；一第一介质层，形成于该馈入传输线层之上；一接地金属板，具有一第一槽孔及一第二槽孔，该第一槽孔与该第一馈入传输线产生耦合作用，该第二槽孔与该第二馈入传输线产生耦合作用，以增加该平板双极化天线的带宽；一第二介质层，形成于该接地金属板之上；以及一第一微带金属片，形成于该第二介质层之上，该第一微带金属片的形状大致呈一十字形。本发明可有效减小天线尺寸，并可产生线性极化的电磁波及正交的双极化天线场型，还可增加天线带宽及提高平板双极化天线的隔离度。

Description

平板双极化天线

技术领域

本发明涉及一种平板双极化天线，尤指一种宽带、可有效缩小天线尺寸、符合极化倾斜45度的需求、可产生线性极化的电磁波，并提供两个对称的馈入点，以产生正交双极化天线场型的平板双极化天线。

背景技术

具有无线通信功能的电子产品，如笔记本型计算机、个人数字助理（Personal DigitalAssistant）等，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。此外，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（LongTerm Evolution，LTE）无线通信系统支持多输入多输出（Multi-input Multi-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。此外，多输入多输出通信技术可搭配空间分工（Spatial Multiplexing）、波束成型（Beam forming）、空间分集（Spatial Diversity）、预编码（Precoding）等技术，进一步减少信号干扰及增加信道容量。

此外，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，如何设计符合传输需求的天线，同时兼顾尺寸及功能，已成为业界所努力的目标之一。

因此，需要提供一种平板双极化天线来满足上述需求。

发明内容

因此，本发明主要提供一种平板双极化天线，以解决公知的天线带宽不足的缺点。

本发明公开一种平板双极化天线，该平板双极化天线用来收发至少一无线电信号，该平板双极化天线包含：一馈入传输线层，该馈入传输线层包含一第一馈入传输线及一第二馈入传输线；一第一介质层，该第一介质层形成于该馈入传输线层之上；一接地金属板，该接地金属板具有一第一槽孔及一第二槽孔，该第一槽孔与该第一馈入传输线产生耦合作用，该第二槽孔与该第二馈入传输线产生耦合作用，以增加该平板双极化天线的带宽；一第二介质层，该第二介质层形成于该接地金属板之上；以及一第一微带金属片，该第一微带金属片形成于该第二介质层之上，该第一微带金属片的形状大致呈一十字形。

本发明利用大致呈十字形的微带金属片，使共振方向改变为沿着正方形的接地金属板的对角线，以有效减小天线尺寸，同时符合极化倾斜45度的需求，以产生线性极化的电磁波，并提供对称的馈入传输线、槽孔及微带金属片，以产生正交的双极化天线场型；并且，微带金属片藉由接地金属板的槽孔而耦合馈入传输线，因此可增加天线带宽，其中，两种极化对应的槽孔及馈入传输线不互相接触，以提高平板双极化天线的隔离度。

附图说明

图1A为本发明实施例的一平板双极化天线的上视示意图。

图1B为图1A的平板双极化天线的截面示意图。

图2为本发明实施例的一平板双极化天线的上视示意图。

图3为图2的平板双极化天线的天线共振仿真结果示意图。

图4A为本发明实施例的一平板双极化天线的上视示意图。

图4B为图4A的平板双极化天线的截面示意图。

图4C为图4A的平板双极化天线的等视角示意图。

图5A为图4A的平板双极化天线的天线共振仿真结果示意图。

图5B～图5E为图4A的平板双极化天线应用于长期演进无线通信系统时的天线场型特性仿真结果示意图。

图6A分别为本发明实施例的一平板双极化天线的上视示意图。

图6B分别为本发明实施例的一平板双极化天线的上视示意图。

图6C分别为本发明实施例的一平板双极化天线的上视示意图。

图7A分别为本发明实施例的一平板双极化天线的上视示意图。

图7B分别为本发明实施例的一平板双极化天线的上视示意图。

主要组件符号说明：

10、20、40、60、64、68、70、74 平板双极化天线

100、200 馈入传输线层

102a、102b 馈入传输段

110、130、150 介质层

120、420 接地金属板

122、422a、422b、622a、622b、662a、662b、692a、692b、槽孔

722a、722b、762a、762b

140、160 微带金属片

1400、1401、1402、1403、1404 区块

Z 垂直投影方向

D_45、D_135 方向

202a、202b、602a、602b、642a、642b、682a、682b、702a、馈入传输线

702b、742a、742b

2022a、2024a、2022b、2024b、4222a～4226a、4222b～4226b、分段

6022a、6024a、6022b、6024b、6222a～6226a、6222b～6226b、

6422a、6424a、6422b、6424b、6622a～6626a、6622b～6626b、

6822a、6824a、6822b、6824b、6922a～6926a、6922b～6926b、

7022a、7022b、7024a、7024b、7222a～7226a、7222b～7226b、

7422a～7426a、7422b～7426b、7620a～7628a、7620b～7628b

θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅、θ₆ 夹角

具体实施方式

为了改善公知技术的缺点，本案申请人在专利申请号为100105757的中国台湾专利申请中公开了一种平板双极化天线，其将双极化微带天线馈入点位置旋转45度，以使公知的水平及垂直极化方向分别转换为倾斜45度及倾斜135度的极化方向，以满足极化倾斜45度的需求，并且，双极化微带天线的共振方向改为沿着正方形的接地金属板的对角线，而能缩小天线的尺寸为公知技术的0.7倍。此外，微带金属片的形状大致为十字形，以产生线性极化并避免产生圆极化的电磁波，同时亦可有效减小天线尺寸。其中，馈入传输线将信号输入十字形的微带金属片的馈入点，而两个馈入点对称，以产生正交的双极化天线场型。更进一步地，为了满足长期演进无线通信系统的频段要求（如Band40与Band41），本发明进一步提供了平板双极化天线，其中，平板双极化天线的馈入传输线未直接连接至微带金属片的馈入点，而是藉由接地金属板的槽孔来馈入无线电信号，以增加天线带宽。

请参考图1A、图1B，图1A为本发明实施例的一平板双极化天线10的上视示意图，图1B为平板双极化天线10沿图1A的剖线A-A'的截面示意图。平板双极化天线10可用来收发宽带或多个频段的无线电信号，如长期演进无线通信系统中Band40与41的信号（其频段大致介于2.3GHz～2.4GHz及2.496GHz～2.690GHz）。如图1A、图1B所示，双极化微带天线10大致为一七层架构，包含有一馈入传输线层100、介质层110、130、150、一接地金属板120以及微带金属片140、160。馈入传输线层100包含有馈入传输段102a、102b，馈入传输段102a、102b的形状大致符合一十字形；其中，馈入传输段102a、102b分别用以馈入两种极化的无线电信号。接地金属板120用来提供接地，其具有十字形的一槽孔122，因此，无线电信号可由馈入传输线层100耦合至槽孔122，并藉由槽孔122产生共振，再耦合至微带金属片140。微带金属片140为主要辐射体，其形状大致呈十字形，因此可分为区块1400～1404；其中，馈入传输段102a与槽孔122在垂直投影方向Z垂直交叉于区块1401，馈入传输段102b与槽孔122在垂直投影方向Z垂直交叉于区块1402。微带金属片160则用来增加天线共振的带宽，并藉由介质层150而不与微带金属片140接触。此外，介质板110介于馈入传输线层100与接地金属板120之间，而介质板130介于接地金属板120与微带金属片140之间。较佳地，平板双极化天线10具有一对称结构，以产生正交的双极化天线场型。

平板双极化天线10的操作方式可进一步参考专利申请号为100105757的中国台湾专利申请，简言之，微带金属片140为主要辐射体，当无线电信号耦合至十字形的微带金属片140后，微带金属片140的共振方向沿着接地金属板120的对角线，即图1A的D_45、D_135所示的方向，而能产生正交的双极化天线场型。其中，由于平板双极化天线10的接地金属板120及介质板110、130大致维持正方形，但微带金属片140则呈十字形，因而可使共振方向沿着对角线，以有效减小天线尺寸。再者，藉由对称的馈入传输线层100、槽孔122及微带金属片140，可产生正交的双极化天线场型。并且，微带金属片140经由接地金属板120的槽孔122而耦合馈入传输线层100，因此可增加天线带宽。

需注意的是，图1A、图1B的平板双极化天线10为本发明的实施例，本领域中的普通技术人员应当可据以作不同的修饰，而不限于此。举例来说，为进一步提高平板双极化天线10的隔离度（Isolation），可适当调整馈入传输线层的结构。请参考图2，图2为本发明实施例的一平板双极化天线20的上视示意图。平板双极化天线20的架构大致与平板双微带天线10相似，故相同组件以相同符号表示，以求简洁。不同的是，平板双极化天线20的一馈入传输线层200包含馈入传输线202a、202b，且馈入传输线202a、202b之间的间距与介质层材料相关。馈入传输线202a包含有分段2022a、2024a，分段2022a、2024a之间有一90度夹角θ1，且馈入传输线202a的分段2022a与槽孔122在垂直投影方向Z垂直交叉于区块1401，以提高45度极化倾斜和135度极化倾斜之间的隔离度。同样地，馈入传输线202b包含有分段2022b、2024b，分段2022b、2024b之间有一90度夹角θ2，且馈入传输线202b的分段2022b与槽孔122在垂直投影方向Z垂直交叉于区块1402，以提高45度极化倾斜和135度极化倾斜之间的隔离度。图3为平板双极化天线20的天线共振仿真结果示意图，其中，虚线代表平板双极化天线20的45度极化倾斜的天线共振仿真结果，点线代表平板双极化天线20的135度极化倾斜的天线共振仿真结果，以及实线代表平板双极化天线20的45度极化倾斜与135度极化倾斜的天线隔离度仿真结果。如图3所示，平板双极化天线20中从2.3GHz到2.7GHz的45度极化倾斜和135度极化倾斜天线之间的隔离度大约介于9～15dB之间。

值得注意的是，本实施例藉由槽孔122的共振，而使馈入至馈入传输线层200的两种极化的无线电信号最终可耦合至微带金属片140，若槽孔122呈十字形，对于任一极化的无线电信号，微带金属片140的耦合长度会减半，并且，槽孔122上同时产生两种极化的共振，耦合至微带金属片140后会同时产生两种极化的无线电信号，因而影响两极化之间的隔离度。

为进一步提高平板双极化天线的隔离度，可适当调整槽孔的结构。请参考图4A～图4C，图4A为本发明实施例的一平板双极化天线40的上视示意图，图4B为平板双极化天线40沿图4A的剖线B-B'的截面示意图，图4C为平板双极化天线40的等视角示意图。如图4A～图4C图所示，平板双极化天线40的架构大致与平板双微带天线10、20相似，故相同组件沿用相同符号表示。不同的是，平板双极化天线40的接地金属板420具有槽孔422a、422b，且槽孔422a、422b之间的间距与介质层材料相关。槽孔422a包含有分段4222a～4226a，分段4222a、4224a之间及分段4224a、4226a之间分别形成夹角θ₃、θ₄，且馈入传输线202a的分段2022a与槽孔422a的分段4224a在垂直投影方向Z垂直交叉于区块1401。同样地，槽孔422b包含有分段4222b～4226b，分段4222b、4224b之间及分段4224b、4226b之间分别形成有一夹角θ₅、θ₆，且馈入传输线202b的分段2022b与槽孔422b的分段4224b在垂直投影方向Z垂直交叉于区块1402。由于平板双极化天线40具有一对称结构，因此夹角θ₃～θ₆大小相同。

简单来说，在本实施例中，馈入传输线202a、202b各自折弯而不会互相交叉连接，且槽孔422a、422b也各自分段折弯而避开互相交叉连接，因此可提高平板双极化天线40的隔离度。并且，由于馈入传输线202a、202b及槽孔422a、422b分段折弯后仍保有对称性，因此能确保任一组馈入传输线及槽孔（如馈入传输线202a及槽孔422a）与微带金属片140耦合的过程，能最小化另一极化的无线电信号的产生（如馈入传输线202b及槽孔422b处）。此外，十字形的微带金属片140、160可使平板双极化天线40产生线性极化，而避免产生圆形极化的无线电信号，因此，两个极化的馈入之间具有良好的隔离度。

通过仿真及量测可进一步判断平板双极化天线40是否符合系统需求。详细来说，请参考图5A。图5A为平板双极化天线40的天线共振仿真结果示意图，其中，虚线代表平板双极化天线40的45度极化倾斜的天线共振仿真结果，点线代表平板双极化天线40的135度极化倾斜的天线共振仿真结果，实线代表平板双极化天线40的45度极化倾斜与135度极化倾斜的天线隔离度仿真结果。如图5A所示，在2.3GHz至2.69GHz的频段中，平板双极化天线40中45度极化倾斜和135度极化倾斜天线的返回损耗（S11值）均在-10.3dB以下，因而有较宽的共振带宽。并且，2.25GHz至2.75GHz的频段的返回损耗均在-10dB以下，因此带宽约为19.3%。同时，45度极化倾斜和135度极化倾斜之间的隔离度都至少在24.2dB以上。另外，表一为平板双极化天线40的天线特性表，图5B～图5E为平板双极化天线40应用于长期演进无线通信系统时的天线场型特性仿真结果示意图。由表一及图5B～图5E可知，平板双极化天线40应用于长期演进无线通信系统时可达最大增益值约8.05～8.42dBi，前后场型比（F/B）至少9dB，同极化（Common Polarization）对正交极化（Cross Polarization）差值Co/Cx至少17dB，能充分满足长期演进无线通信系统的Band40与41的要求（即，F/B高于8dB，Co/Cx高于16dB）。

（表一）

频率	2.3～2.69GHz
		返回损耗	<-10.3dB
隔离度	>24.2dB
		最大增益值	8.05～8.42dBi
前后场型比	>9.0dB
		H截面的3dB波束宽	76°～83°
H截面的同极化对正交极化差值	>17dB
		V截面的同极化对正交极化差值	>23dB

值得注意的是，平板双极化天线10、20、40为本发明的实施例，本领域中的普通技术人员应当可据以作不同的变化。举例来说，接地金属板120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。介质层可为各种电性隔离材料，如空气。馈入传输线与槽孔的分段折弯情形可视不同设计考虑而适当变化。请参考图6A～图6C，图6A～图6C分别为本发明实施例的平板双极化天线60、64、68的上视示意图。平板双极化天线60、64、68的架构类似于平板双极化天线40，故相同组件沿用相同符号表示。其中，如图6A所示，在平板双极化天线60中，一馈入传输线602a的分段6022a、6024a之间的夹角为锐角，另一馈入传输线602b的分段6022b、6024b之间的夹角为锐角，一槽孔622a的分段6222a、6224a之间及分段6224a、6226a之间的夹角为锐角，且另一槽孔622b的分段6222b、6224b之间及分段6224b、6226b之间的夹角为锐角。如图6B所示，在平板双极化天线64中，一馈入传输线642a的一分段6422a的长度大于一分段6424a的长度，一馈入传输线642b的一分段6422b的长度大于一分段6424b的长度，一槽孔662a的分段6622a、6626a的长度大于分段6624a的长度，且一槽孔662b的分段6622b、6626b的长度大于一分段6624b的长度。如图6C所示，在平板双极化天线68中，一馈入传输线682a的一分段6822a的宽度大于一分段6824a的宽度，一馈入传输线682b的一分段6822b的宽度大于一分段6824b的宽度，一槽孔692a的分段6922a、6926a的宽度小于一分段6924a的宽度，且一槽孔692b的分段6922b、6926b的宽度小于一分段6924b的宽度。然而，本发明不限于此，亦可视系统需求而适当调整角度而形成钝角或调整各分段之间的长度比例关系以及宽度比例关系。

另一方面，馈入传输线与槽孔的形状与分段数可视不同设计考虑而适当变化。请参考图7A、图7B，图7A、图7B分别为本发明实施例的平板双极化天线70、74的上视示意图。平板双极化天线70、74的架构类似于平板双极化天线40，故相同组件沿用相同符号表示。其中，如图7A所示，在平板双极化天线70中，馈入传输线702a、702b、槽孔722a、722b的边缘为圆弧状。如图7B所示，在平板双极化天线74中，一馈入传输线742a弯折成分段7422a～7426a，另一馈入传输线742b弯折成分段7422b～7426b，一槽孔762a弯折成分段7620a～7628a，且馈入传输线742a的分段7422a与槽孔762a的分段7624a在垂直投影方向Z垂直交叉于区块1401，另一槽孔762b弯折成分段7620b～7628b，且馈入传输线742b的分段7422b与槽孔762b的分段7624b在垂直投影方向Z垂直交叉于区块1402。然而，本发明不限于此，亦可视系统需求而适当调整形状与分段段数。

需注意的是，如专利申请号为100105757的中国台湾专利申请中所述，在本发明中，所谓“大致呈十字形”是指微带金属片140、160的外观由两个长方形微带金属片重叠且交错所构成。然而，不限于此，任何可“大致呈十字形”的微带金属片皆可适用本发明。例如，微带金属片可还延伸出正方形侧板、锯齿状侧板或弧形侧板，或者，微带金属片的边缘为圆弧状，皆符合本发明的“大致呈十字形”的特征，但不限于此，本领域中的普通技术人员应当可据以作不同的修饰。

此外，微带金属片160及介质层150可视带宽要求而选择性设置。并且，维持微带金属片140、160不互相接触的方法可适应性地调整；例如，可由四个柱状体所形成的支撑件固定微带金属片140、160，使彼此不互相接触。或者，微带金属片的四边可分别增加弯折，并利用增加的弯折，使微带金属片160接触介质板130但不接触微带金属片140。除此之外，可另增加介质层以维持微带金属片160不接触微带金属片140。

综上所述，本发明利用大致呈十字形的微带金属片，使共振方向改变为沿着正方形的接地金属板的对角线，以有效减小天线尺寸，同时符合极化倾斜45度的需求，以产生线性极化的电磁波，并提供对称的馈入传输线、槽孔及微带金属片，以产生正交的双极化天线场型。并且，微带金属片藉由接地金属板的槽孔而耦合馈入传输线，因此可增加天线带宽，其中，两种极化对应的槽孔及馈入传输线不互相接触，以提高平板双极化天线的隔离度。

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等同变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种平板双极化天线，该平板双极化天线用来收发至少一无线电信号，该平板双极化天线包括：

一馈入传输线层，该馈入传输线层包括一第一馈入传输线及一第二馈入传输线；

一第一介质层，该第一介质层形成于该馈入传输线层之上；

一接地金属板，该接地金属板具有一第一槽孔及一第二槽孔，该第一槽孔与该第一馈入传输线产生耦合作用，该第二槽孔与该第二馈入传输线产生耦合作用，以增加该平板双极化天线的带宽；

一第二介质层，该第二介质层形成于该接地金属板之上；以及

一第一微带金属片，该第一微带金属片形成于该第二介质层之上，该第一微带金属片的形状大致呈一十字形。

2.如权利要求1所述的平板双极化天线，其中该第一馈入传输线在一垂直投影方向与该第一槽孔重叠，且该第二馈入传输线在该垂直投影方向与该第二槽孔重叠。

3.如权利要求1所述的平板双极化天线，其中该第一微带金属片包括一中心矩形区块、一第一区块、一第二区块、一第三区块以及一第四区块，该第一区块、该第二区块、该第三区块以及该第四区块分别设置于该中心矩形区块的四边，以形成该十字形，该第一馈入传输线在一垂直投影方向与该第一槽孔重叠于该第一区块，且该第二馈入传输线在该垂直投影方向与该第二槽孔重叠于该第二区块。

4.如权利要求3所述的平板双极化天线，其中该第一槽孔的至少一分段与该第一区块的一边平行。

5.如权利要求1所述的平板双极化天线，其中该第一槽孔的至少一分段与该第一馈入传输线的至少一分段垂直。

6.如权利要求1所述的平板双极化天线，其中该第一馈入传输线包括一第一分段及一第二分段，该第二馈入传输线包括一第三分段及一第四分段，该第一分段及该第二分段之间有一第一夹角，且该第三分段及该第四分段之间有一第二夹角。

7.如权利要求1所述的平板双极化天线，其中该第一馈入传输线与该第二馈入传输线互相对称。

8.如权利要求1所述的平板双极化天线，其中该第一槽孔包括一第一分段、一第二分段及一第三分段，该第二槽孔包括一第四分段、一第五分段及一第六分段，该第一分段及该第二分段之间有一第一夹角，该第二分段及该第三分段之间有一第二夹角，该第四分段及该第五分段之间有一第三夹角，且该第五分段及该第六分段之间有一第四夹角。

9.如权利要求1所述的平板双极化天线，其中该第一槽孔与该第二槽孔互相对称。

10.如权利要求1所述的平板双极化天线，该平板双极化天线还包括一第二微带金属片，该第二微带金属片形成于该第一微带金属片之上，且未接触该第一微带金属片。

11.如权利要求10所述的平板双极化天线，该平板双极化天线还包括一支撑件，该支撑件设置于该第二微带金属片与该第一微带金属片或该第二介质层之间，用来使该第二微带金属片不接触该第一微带金属片。