CN105406190B

CN105406190B - 平板双极化天线及复合天线

Info

Publication number: CN105406190B
Application number: CN201410383723.4A
Authority: CN
Inventors: 徐杰圣; 詹长庚
Original assignee: Wistron Neweb Corp
Current assignee: Wistron Neweb Corp
Priority date: 2014-08-06
Filing date: 2014-08-06
Publication date: 2018-03-30
Anticipated expiration: 2034-08-06
Also published as: CN105406190A

Abstract

一种平板双极化天线及复合天线。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：一第一微带金属片；一接地金属板，该接地金属板包括一第一图案槽孔与一第二图案槽孔，其中，该第一图案槽孔的一形状由相隔一角度的一第一长方形与一第二长方形组成，该第一长方形与该第二长方形在一顶点重合，且该第一图案槽孔与该第二图案槽孔相互对称于该第一微带金属片的一中心轴；以及一第一介质层，该第一介质层形成于该第一微带金属片与该接地金属板之间。本发明能够增加波束宽并且确保同极化对正交极化值。

Description

平板双极化天线及复合天线

技术领域

本发明涉及一种平板双极化天线及复合天线，尤指一种具有宽带、较宽波束、高天线增益、高同极化对正交极化值(Co/Cx)、较小天线尺寸且可产生倾斜45度正交双极化天线场型的平板双极化天线及复合天线。

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(PersonalDigital Assistant)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存取无线通信网络，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(Long Term 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复用(SpatialMultiplexing)、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通道流量。

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及复合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，以解决公知天线波束宽(beamwidth，BW)较窄的缺点。

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括：一第一微带金属片；一接地金属板，该接地金属板包括一第一图案槽孔与一第二图案槽孔，其中，该第一图案槽孔的一形状由相隔一角度的一第一长方形与一第二长方形组成，该第一长方形与该第二长方形在一顶点重合，且该第一图案槽孔与该第二图案槽孔相互对称于该第一微带金属片的一中心轴；以及一第一介质层，该第一介质层形成于该第一微带金属片与该接地金属板之间。

本发明还公开一种复合天线，该复合天线用来收发至少一无线电信号，该复合天线包括：一第一平板双极化天线层，该第一平板双极化天线层包括多个第一微带金属片；一接地金属板，该接地金属板包括多个矩形区块，每一矩形区块对应该多个第一微带金属片的一第一微带金属片设置，每一矩形区块包括一第一图案槽孔与一第二图案槽孔，其中，该第一图案槽孔的一形状由相隔一角度的一第一长方形与一第二长方形组成，该第一长方形与该第二长方形在一顶点重合，且该第一图案槽孔与该第二图案槽孔相互对称于对应的该第一微带金属片的一中心轴；以及一第一介质层，该第一介质层形成于该第一平板双极化天线层与该接地金属板之间。

本发明藉由调整微带金属片对应接地金属板的区块的长宽比例，来增加波束宽。并且，接地金属板包含有图案槽孔，以平衡区块长宽比例不同引发的不对称性，而能确保同极化对正交极化值。

附图说明

图1A为本发明实施例的一平板双极化天线的俯视示意图。

图1B为平板双极化天线沿图1A的剖线A-A'的截面示意图。

图2为本发明实施例的一回力镖形状的示意图。

图3为本发明实施例的一复合天线的俯视示意图。

图4A为本发明实施例的一复合天线的俯视示意图。

图4B为图4A所示的复合天线的等视角示意图。

图5A为图4A所示的复合天线的天线共振仿真结果示意图。

图5B～图5E为图4A所示的复合天线的天线场型特性仿真结果示意图。

图6A为本发明实施例的一复合天线的俯视示意图。

图6B为本发明实施例的一复合天线的俯视示意图。

图6C为本发明实施例的一复合天线的俯视示意图。

图6D为本发明实施例的一复合天线的俯视示意图。

图6E为本发明实施例的一复合天线的俯视示意图。

图6F为本发明实施例的一复合天线的俯视示意图。

图7为本发明实施例的一复合天线的俯视示意图。

主要组件符号说明：

10 平板双极化天线

20 回力镖形状

30、40、61～66、70 复合天线

100、300 馈入传输线层

102a、102b、FTL_1a、FTL_1b、馈入传输线

FTL_2a、FTL_2b

110、130、150、310、330、350 介质层

120、320、420、720 接地金属板

122a、122b、SL_1a、SL_1b、SL_2a、槽孔

SL_2b

124a、124b、PSL_1a、PSL_1b、图案槽孔

PSL_2a、PSL_2b、PSL_5a、PSL_5b、

PSL_6a、PSL_6b

140、160、UPP_1、UPP_2、DPP_1、微带金属片

DPP_2

200a、200b、210a、210b 长方形

340、360 平板双极化天线层

L 总长度

L1、L7 长度

W1、W7 宽度

L2 边长

W2 边宽

axis_y 对称轴线

P1 顶点

θ₁、θ₂ 角度

SC1、SC2、SC3、SC4、SC5、SC6 矩形区块

CL_1、CL_2 中心轴

D 距离

S11、S22、S12 S参数

具体实施方式

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的俯视示意图，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带(Band)40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，平板双极化天线10大致为一七层架构且相对对称轴线axis_y具有一轴对称结构，包含有一馈入传输线层100、介质层110、130、150、一接地金属板120及微带金属片140、160。微带金属片140为主要辐射体，其形状大致呈十字形，以产生线性极化并避免产生圆极化的电磁波。微带金属片160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直接接触。较佳地，微带金属片140的中心与微带金属片160的中心对齐至微带金属片140的一中心轴CL_1，且中心轴CL_1垂直于对称轴线axis_y设置。馈入传输线层100包含有馈入传输线102a、102b，其对称于对称轴线axis_y设置且相互正交，以馈入两种无线电信号(如不同极化方向)。接地金属板120用来提供接地，并包含有槽孔122a、122b及图案槽孔124a、124b。槽孔122a、122b分别与馈入传输线102a、102b正交且对称于对称轴线axis_y，以产生正交的双极化天线场型。

简单来说，接地金属板120沿对称轴线axis_y的长度L1大于接地金属板120沿X方向的宽度W1，因此可增加波束宽(3dB)。并且，接地金属板120的图案槽孔124a、124b可平衡长度L1与宽度W1的不对称性，以改善同极化对正交极化值。

详细而言，为了增加水平切面(XZ平面)中的波束宽，需缩短接地金属板120沿X方向的宽度W1，以使水平方向的辐射场型更为发散，因此，适当设计平板双极化天线10后，接地金属板120沿对称轴线axis_y的长度L1大于接地金属板120沿X方向的宽度W1。由于长度L1与宽度W1不相等将使得垂直方向与水平方向的共振长度不同，因此可通过图案槽孔124a、124b来平衡长度L1大于宽度W1带来的不对称性。其中，图案槽孔124a、124b大致具有一回力镖(Boomerang)形状20。请参考图2，图2为本发明实施例的一回力镖形状20的示意图。回力镖形状20由形状尺寸相同的长方形210a、210b组成，而长方形210a、210b有重合的一顶点P1。更进一步来看，长方形210a、210b可视为原先并排的长方形200a、200b以顶点P1为一旋转支点，并自对称轴线axis_y分别向外旋转角度θ₁、θ₂而形成。较佳地，角度θ₁、θ₂为20°，但不限于此。如图1A及图2所示，回力镖形状20相对于对称轴线axis_y对称，且图案槽孔124a、124b相对微带金属片140的中心轴CL_1对称。此外，由于介质层110、130使馈入传输线层100、接地金属板120及平板双极化天线层140彼此隔离，因此，无线电信号由馈入传输线(如102a)耦合至槽孔(如122a)，并藉由槽孔(如122a)产生共振，再耦合至微带金属片140，以增加天线带宽。并且，十字形的微带金属片140的共振方向相对接地金属板120倾斜，以有效减小天线尺寸，并同时符合极化倾斜45度的需求。

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，为提高天线增益，可进一步利用平板双极化天线10组成阵列天线。请参考图3，图3为本发明实施例的一复合天线30的俯视示意图。类似于平板双极化天线10，复合天线30也大致为七层架构，包含有一馈入传输线层300、三层介质层(图未示)、一接地金属板320及平板双极化天线层340、360。不同之处在于，平板双极化天线层340包含有十字形的微带金属片DPP_1、DPP_2。馈入传输线层300的馈入传输线FTL_1a、FTL_1b、FTL_2a、FTL_2b分别对应微带金属片DPP_1、DPP_2设置，以馈入(两种极化的)无线电信号。平板双极化天线层360的微带金属片UPP_1、UPP_2亦分别对应微带金属片DPP_1、DPP_2设置，而接地金属板320可分为矩形区块SC1、SC2，且矩形区块SC1、SC2上的槽孔SL_1a、SL_1b及SL_2a、SL_2b则分别对应馈入传输线FTL_1a、FTL_1b、FTL_2a、FTL_2b设置。

详细而言，由于长期演进无线通信系统的基站大致位于地表附近，并且基于基站和接收者的距离，较佳地应将复合天线30的辐射能量集中于垂直切面(YZ平面)中相对水平线(z轴)上正负10度的仰角范围内，因此可藉由上下垂直排列微带金属片DPP_1、DPP_2来形成1x2阵列天线，以达到系统需求的天线增益值。并且，藉由使矩形区块SC1、SC2沿对称轴线axis_y的长度L1大于矩形区块SC1、SC2沿X方向的宽度W1，可增加水平切面(XZ平面)中的波束宽。表一为复合天线30的天线特性表，由表一可知，复合天线30仍可大致满足长期演进无线通信系统对最大增益值、前后场型比(F/B)的要求，并且，当接地金属板320的宽度W1由100mm缩减为70mm时，水平方向的波束宽可增加至69.5°-73.0°。

表一

为进一步提高复合天线30的同极化对正交极化值，可适当调整接地金属板320的结构。请参考图4A、图4B，图4A为本发明实施例的一复合天线40的俯视示意图，图4B为复合天线40的等视角示意图。复合天线40包含有馈入传输线层300、介质层310、330、350、一接地金属板420及平板双极化天线层340、360。换言之，复合天线40的架构大致与复合天线30相似，故相同组件以相同符号表示，以求简洁。不同的是，接地金属板420的矩形区块SC3、SC4还分别包含有图案槽孔PSL_1a、PSL_1b及PSL_2a、PSL_2b，以平衡长度L1大于宽度W1带来的不对称性。图案槽孔PSL_1a、PSL_1b及PSL_2a、PSL_2b分别具有图2所示的回力镖形状20，且分别相对微带金属片DPP_1、DPP_2的中心轴CL_1、CL_2对称。

换句话说，复合天线40藉由阵列天线结构而能增加天线增益值，并藉由缩短矩形区块SC3、SC4的宽度W1，以增加波束宽。而为了平衡长度L1与宽度W1的不对称性，矩形区块SC3、SC4还分别包含有图案槽孔PSL_1a、PSL_1b及PSL_2a、PSL_2b，以改善同极化对正交极化值。

通过仿真及量测可进一步判断复合天线40是否符合系统需求。详细来说，请参考图5A。图5A为复合天线40的天线共振仿真结果示意图，其中，点线代表复合天线40的45度极化倾斜的天线共振仿真结果，实线代表复合天线40的135度极化倾斜的天线共振仿真结果，虚线代表复合天线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，复合天线40在带40与41的45度极化倾斜和135度极化倾斜天线的返回损耗(S11值)均在-11.8dB以下，并且，45度极化倾斜和135度极化倾斜之间的隔离度都至少在22.5dB以上。如本领域技术人员所已知的，当馈入的电磁波在空间中遇到不连续时，部分能量会沿原路径反射回去。S11是指在空间中的同一点位置，其反射电磁波的强度对入射电磁波的强度的比值，即，S11＝反射电磁波的强度/入射电磁波的强度。另外，表二为复合天线40的天线特性表，图5B～图5E为复合天线40应用于长期演进无线通信系统而分别工作于2.3GHz、2.4GHz、2.496GHz、2.69GHz时的天线场型特性仿真结果示意图，其中，实线代表复合天线40的同极化在水平切面(ψ＝0度角)的辐射场型，点线代表复合天线40的同极化在垂直切面(ψ＝90度角)的辐射场型，长虚线代表复合天线40的正交极化在水平切面(ψ＝0度角)的辐射场型，短虚线代表复合天线40的正交极化在垂直切面(ψ＝90度角)的辐射场型。由表二及图5B～图5E可知，复合天线40不但在水平方向具有较宽的波束宽，并且，可满足长期演进无线通信系统对最大增益值、前后场型比的要求，而且同极化对正交极化值至少大于16.3dB。

表二

接地金属板总长度L(mm)	200
		接地金属板宽度W1(mm)	70
最大增益值(dBi)	10.6-11.1
		前后场型比(dB)	11.3-11.8
H截面的3dB波束宽	69.5°-74.0°
		H截面的同极化对正交极化值(dB)	16.3-17.3
V截面的同极化对正交极化值(dB)	18-29

值得注意的是，平板双极化天线10及复合天线30、40为本发明的实施例，本领域的普通技术人员应当可据以作不同的变化。举例来说，馈入传输线102a、102b、FTL_1a、FTL_1b、FTL_2a、FTL_2b与槽孔122a、122b、SL_1a、SL_1b、SL_2a、SL_2b的分段折弯情形可视不同设计考虑而适当变化，如调整角度而形成钝角或锐角，或调整各分段之间的长度比例关系以及宽度比例关系，或调整分段的形状与分段段数。此外，“大致呈十字形”是指微带金属片140、160、UPP_1、UPP_2、DPP_1、DPP_2的外观由两个长方形微带金属片重叠且交错所组成，但不限于此，例如，微带金属片可另延伸出正方形侧板、锯齿状侧板或弧形侧板，或者，微带金属片的边缘为圆弧状。介质层110、130、150、310、330、350可为各种电性隔离材料，如空气，并且，微带金属片160、平板双极化天线层360及介质层150、350可视带宽要求而选择性设置。此外，复合天线30、40为1x2阵列天线，但不限于此，亦可为1x3、2x4或mxn阵列天线。

另一方面，图2、图4A、图4B所示的回力镖形状20的长方形200a的边长L2为25mm，边宽W2为2.5mm，回力镖形状20的顶点P1相距中心轴(如CL_1或CL_2)的距离D为47.449mm，但本发明不以此为限，而可视不同系统需求适当调整。举例来说，请参考图6A至图6F及表三，图6A至图6F为本发明实施例的复合天线61～66的俯视示意图，表三为复合天线61～66的天线特性表。如表三所示，藉由适当调整复合天线61～66的图案槽孔的尺寸，可调整天线特性，其中，同极化对正交极化值均大于15.8dB。

表三

此外，若欲减少水平切面(XZ平面)中的波束宽，则可加长接地金属板沿X方向的宽度。请参考图7，图7为本发明实施例的一复合天线70的俯视示意图。复合天线70的架构大致与复合天线40相似，故相同组件以相同符号表示，以求简洁。不同的是，接地金属板720沿X方向的宽度W7经适当设计而加长，以使水平方向的辐射场型更为集中，因此，接地金属板720的矩形区块SC5、SC6沿对称轴线axis_y的长度L7小于矩形区块SC5、SC6沿X方向的宽度W7。并且，接地金属板720的矩形区块SC5、SC6还分别包含有图案槽孔PSL_5a、PSL_5b及PSL_6a、PSL_6b，以平衡长度L7小于宽度W7带来的不对称性。

综上所述，本发明藉由调整微带金属片对应接地金属板的区块的长宽比例，来增加波束宽。并且，接地金属板包含有图案槽孔，以平衡区块长宽比例不同引发的不对称性，而能确保同极化对正交极化值。

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：

一第一微带金属片；

一接地金属板，该接地金属板包括一第一图案槽孔与一第二图案槽孔，其中，该第一图案槽孔的一形状由相隔一角度的一第一长方形与一第二长方形组成，该第一长方形与该第二长方形在一顶点重合，且该第一图案槽孔与该第二图案槽孔相互对称于该第一微带金属片的一中心轴；以及

一第一介质层，该第一介质层形成于该第一微带金属片与该接地金属板之间。

2.如权利要求1所述的平板双极化天线，其中该接地金属板沿一对称轴线的一长度与该接地金属板的一宽度不相等，以调整波束宽，并且，该对称轴线垂直于该中心轴。

3.如权利要求2所述的平板双极化天线，其中该第一图案槽孔与该第二图案槽孔分别对称于该对称轴线。

4.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的形状呈一十字形。

5.如权利要求2所述的平板双极化天线，还包括：

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，该第一馈入传输线与该第二馈入传输线对称于该对称轴线；以及

一第二介质层，该第二介质层形成于该馈入传输线层与该接地金属板之间。

6.如权利要求5所述的平板双极化天线，其中该接地金属板包括一第一槽孔及一第二槽孔，该第一槽孔与该第二槽孔对称于该对称轴线，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。

7.如权利要求1所述的平板双极化天线，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。

8.一种复合天线，该复合天线用来收发至少一无线电信号，该复合天线包括：

一第一平板双极化天线层，该第一平板双极化天线层包括多个第一微带金属片；

一接地金属板，该接地金属板包括多个矩形区块，每一矩形区块对应该多个第一微带金属片的一第一微带金属片设置，每一矩形区块包括一第一图案槽孔与一第二图案槽孔，其中，该第一图案槽孔的一形状由相隔一角度的一第一长方形与一第二长方形组成，该第一长方形与该第二长方形在一顶点重合，且该第一图案槽孔与该第二图案槽孔相互对称于对应的该第一微带金属片的一中心轴；以及

一第一介质层，该第一介质层形成于该第一平板双极化天线层与该接地金属板之间。

9.如权利要求8所述的复合天线，其中每一矩形区块沿一对称轴线的一长度与该矩形区块的一宽度不相等，以调整波束宽，并且，该对称轴线垂直于该矩形区块对应的该第一微带金属片的该中心轴。

10.如权利要求8所述的复合天线，其中该多个第一图案槽孔与该多个第二图案槽孔分别对称于该对称轴线。

11.如权利要求8所述的复合天线，其中该多个第一微带金属片的形状呈一十字形。

12.如权利要求9所述的复合天线，还包括：

一馈入传输线层，该馈入传输线层包括多个第一馈入传输线及多个第二馈入传输线，每一第一馈入传输线与每一第二馈入传输线分别对应该多个第一微带金属片的一第一微带金属片设置，该第一馈入传输线与该第二馈入传输线对称于该对称轴线；以及

13.如权利要求12所述的复合天线，其中该接地金属板包括多个第一槽孔及多个第二槽孔，每一第一槽孔与每一第二槽孔分别对应该多个第一微带金属片的一第一微带金属片设置，该多个第一槽孔与该多个第二槽孔分别对称于该对称轴线，每一第一槽孔与对应的该第一馈入传输线产生耦合作用，每一第二槽孔与对应的该第二馈入传输线产生耦合作用，以增加该复合天线的带宽。

14.如权利要求8所述的复合天线，还包括一第二平板双极化天线层，该第二平板双极化天线层包括多个第二微带金属片，该多个第二微带金属片分别对应形成于该多个第一微带金属片之上，且未接触该多个第一微带金属片。