CN1412889A - 宽带圆极化平板天线 - Google Patents

Abstract

一种宽带圆极化平板天线，此宽带圆极化平板天线至少包括：具有L形外观的接地面，且此接地面是由垂直接地面和水平接地面构成；辐射金属片；位于与辐射金属片同一平面的馈入探针，用以穿过垂直接地面与辐射金属片连接；以及介于水平接地面和辐射金属片之间的基底。由于本发明的宽带圆极化平板天线的馈入探针位于与辐射金属片同一水平面，且并不穿过基底而直接将讯号馈入至辐射金属片，因此可大幅减少电感效应的产生及容易得到天线的阻抗匹配，所以具有高天线增益、宽广的操作带宽及良好的辐射场型，再加上本发明的宽带圆极化平板天线的结构简单，因此在实作上成本低廉，具有极高的产业应用价值。

Description

宽带圆极化平板天线

技术领域

本发明有关于一种宽带(Broadband)圆极化(Circularly Polarized)平板天线，特别是有关于具有与辐射金属片位于同一平面(Coplanar)的馈入探针(Probe Feed)的一种宽带圆极化平板天线，可以减低使用厚空气介质致使馈入探针较长所造成的电感效应，而得到宽带且高增益的圆极化辐射天线。

背景技术

随着通讯科技的精进，通讯技术在科技产品的应用上日益增加，使得相关的通讯产品也日趋多样化，在通讯产品中位居传送与接收信号的天线，其设计与研究更为重要。天线是用于辐射或接收电磁波的一种组件，一般可从操作频率、辐射场型(Radiation Pattern)、反射损失(Reflected Loss)及天线增益(Antenna Gain)等参数来获知天线的特性，另外就圆极化天线而言，一般是以轴比带宽来显示其操作范围。

在无线通讯的领域中，许多天线的设计都朝向具备宽带及圆极化的特性，宽带可增加传输容量及传输速度，而圆极化可改良环境因素造成的多路径反射干扰，因此同时具备低成本、高增益、宽带及圆极化特性的天线将广泛应用于微波通信上。

请参考图1，其为普通的具有厚空气基底矩形平板天线的结构立体图。在图1中，普通具有厚空气基底矩形平板天线(以下简称参考天线)的馈入线20自接地面10，穿过辐射金属片25和接地面10之间的基底(如空气)15，与辐射金属片25连接，且馈入信号至辐射金属片25。

为了要获得高增益高宽带的天线，一般可增加基底15的厚度，以降低天线的品质因素，增加天线的辐射效率及操作带宽。请参考图2，其为普通参考天线(中心频率设计于1800MHz)的反射损失的实验数据图。在图2中以虚线70作为本发明一实施例的参考点，虚线70所示的反射损失约为-14dB，此为一般业界所参考的标准。曲线50是表示当基底的厚度约为3mm时，普通参考天线经测量所得的阻抗带宽；曲线55是表示当基底的厚度约为6mm时，普通参考天线经测量所得的阻抗带宽；曲线60是表示当基底的厚度约为9mm时，普通参考天线经测量所得的阻抗带宽；曲线65是表示当基底的厚度约为13mm时，普通参考天线经测量所得的阻抗带宽。

虽然增加基底15的厚度可以有效增加天线的阻抗带宽，但从图2中可看出当基底15的厚度约为6mm时，普通参考天线的反射损失，比基底15的厚度为9mm和13mm时都要低，这是由于当基底15的厚度增加时，同时也需要较长的馈入探针20来传递信号至辐射金属片25，因为馈入探针20穿过基底15与辐射金属片25连接，所以当馈入探针20越长，馈入探针20所造成的电感效应就越大，因而增加了天线阻抗中的电抗成份，使得天线的阻抗匹配降低，减少了天线的辐射效率。

另一方面，在实现圆极化辐射的设计上，目前已知的设计大致上可分为单馈入与双馈入两种，但由于普通单馈入的圆极化天线，其3-dB圆极化波轴比带宽一般不容易超过3％，也就是表示其操作带宽狭窄，因此在应用上有许多限制。而应用双馈入所设计的圆极化天线，能够得到良好的3-dB圆极化波轴比带宽，也就是表示其操作带宽较宽广，不过由于必须搭配适当的馈入网络，因此增加天线设计的成本，同时馈入网络会增加功率的消耗，造成天线增益的下降，所以有必要提出一种设计简单，低成本，且具有高增益的圆极化天线，以改善上述问题。

发明内容

鉴于上述的发明背景中，由于普通参考天线的馈入探针，于基底产生的电感效应影响了天线的阻抗匹配，且许多单馈入圆极化天线的操作带宽狭窄，而双馈入圆极化天线又因馈入网络的设计复杂，且增加了天线的功率消耗，故普通圆极化平板天线皆未能同时具有低成本、高天线增益、宽广的操作频率及良好的辐射场型，致使在应用上受到许多限制。

本发明的主要目的为提供了一种宽带圆极化平板天线，通过位于与辐射金属片同一平面的馈入探针，直接将信号馈入至辐射金属片，可降低因馈入探针而产生的电感效应，增加天线的阻抗带宽，且经由实验数据可得知本发明的宽带圆极化平板天线，具有低成本、高天线增益、宽广的操作频率及良好的辐射场型，解决了普通圆极化平板天线的缺点，因而应用范围宽广。

根据以上所述目的，本发明提供了一种宽带圆极化平板天线，此宽带圆极化平板天线至少包括：具有L形外观的接地面；辐射金属片；位于与辐射金属片同一平面的馈入探针，用于连接垂直接地面和辐射金属片；以及基底。本发明的宽带圆极化平板天线是通过位于与辐射金属片同一水平面的馈入探针，直接将信号馈入至辐射金属片，而此馈入探针并不穿过基底，因此可使基底中的电感效应降至最低，因而容易得到良好阻抗匹配，使得天线的阻抗带宽增加，且本发明的宽带圆极化平板天线具有高天线增益、宽广的操作带宽及良好的辐射场型，再加上结构简单所以成本低廉，具有良好的产业应用价值。

本发明的优点在于提供了一种宽带圆极化平板天线，通过与辐射金属片同一平面的馈入探针，跟L形接地面的垂直接地金属面连接，直接馈入信号至辐射金属片，如此可减少馈入探针的长度，因而大幅降低电感效应，使得辐射金属片的辐射效率提高。此外经由实验数据可得知本发明的宽带圆极化平板天线具有高3-dB圆极化轴比带宽和天线增益，以及良好的阻抗带宽和圆极化辐射场型，再加上本发明的宽带圆极化平板天线结构简单，在实施上极为容易而成本低廉，故应用广泛，具有极高的产业应用价值。

附图说明

图1为普通具有厚空气基底矩形平板天线的结构立体图；

图2为普通参考天线(中心频率设计于1800MHz)的反射损失的实验数据图；

图3为本发明一实施例的宽带圆极化平板天线的结构立体图；

图4为本发明一实施例的辐射金属片俯视图；

图5为根据图3的本发明一实施例的史密斯阻抗图的实验数据图；

图6为根据图3的本发明一实施例的反射损失的实验数据图；

图7为根据图3的本发明一实施例的圆极化辐射轴比的实验数据图；

图8为根据图3的本发明一实施例的天线增益的实验数据图；

图9为根据图3的本发明一实施例的X-Z平面的辐射场型的实验数据图；

图10为根据图3的本发明一实施例的Y-Z平面的辐射场型的实验数据图；

图11至图14为本发明其它实施例的辐射金属片的俯视图。

10   接地面             15    基底

20   馈入探针           25    辐射金属片

50   曲线               55    曲线

60   曲线               65    曲线

70   虚线               100   垂直接地金属面

110  水平接地金属面     120   基底

130  馈入探针           140   辐射金属片

150  对角截角长度       160   长度

170  厚度         200  曲线

210  虚线圆       212  交点

214  交点         250  虚线

252  交点         254  交点

260  曲线         270  曲线

300  虚线         310  曲线

312  交点         314  交点

400  金属片       410  金属片

420  金属片       430  金属片

具体实施方式

本发明的宽带圆极化平板天线具有简单的结构，且有别于传统圆极化平板天线的信号馈入方式，请参考图3，其为本发明一实施例的宽带圆极化平板天线的结构立体图。在图3中，本发明的宽带圆极化平板天线的接地面，是通过垂直接地金属面100和水平接地金属面110构成具有L形外观的结构，其中此实施例的垂直接地金属面100的尺寸约为200×23mm²，水平接地金属面110的尺寸约为200×100mm²。此外，基底120则是厚度为18mm的空气介质。馈入探针130的长度为3.5mm，辐射金属片140的尺寸则为43×43mm²的方形金属片，且辐射金属片140的对角截角长度150约为3.1mm，另请参考图4，其为本发明一实施例的辐射金属片的俯视图。

图3的馈入探针130与辐射金属片140位于同一平面，而有别于传统的馈入探针自接地面穿过基底与辐射金属片连接的方式。由于传统的圆极化平板天线的馈入方式，馈入探针需自接地面穿过基底与辐射金属片连接，因而馈入探针的长度随着基底的厚度增加而增加，从而增加天线输入阻抗中的电抗部份，影响天线的阻抗匹配，降低天线的操作带宽。在本发明的宽带圆极化平板天线中，馈入探针130与辐射金属片140位于同一平面，没有垂直通过基底120而直接与辐射金属片140连接，因此可大大减少馈入探针130的长度，比起基底的厚度要小得多，使得电感效应降低，天线的阻抗匹配度提高，且容易达到不同设计所需的要求。

请参考图5，其为根据图3的本发明一实施例的史密斯(Smith)阻抗图的实验数据图。图5的曲线200表示本发明一实施例的所涵盖的阻抗，曲线200与虚线圆210的交点212为本发明一实施例操作于约2270MHz时的阻抗，曲线200与虚线圆210的交点214为本发明一实施例操作于约3010MHz时的阻抗。

请参考图6，其为根据图3的本发明一实施例的反射损失的实验数据图。在图6中以虚线250作为本发明一实施例的参考点，虚线250所示的反射损失约为-14dB，此为一般业界所参考的标准。曲线260是表示本发明一实施例经实际测量所得的数据，而曲线270是表示利用电磁仿真软件HFSS对本发明一实施例进行仿真所得的数据，从图6可看出曲线260和曲线270所呈现的数据十分接近。

由图6中可得知，当以虚线250(即约-14dB)作为本发明一实施例的参考点时，曲线260与虚线250相交的交点252和交点254，分别位于约2270MHz和约3010MHz。当本发明一实施例操作于约2270MHz至约3010MHz的频带时，具有低反射损失，特别是当本发明一实施例操作于约2390MHz时，反射损失约-26dB。而当本发明一实施例操作于约2800MHz时，反射损失也低至约-25dB，且从图5和图6中可得知本发明的宽带圆极化平板天线具有大约30％的阻抗带宽(以1∶1.5VSWR定义)，可见本发明一实施例具有宽广的操作带宽的优点。

请参考于图7，其为根据图3的本发明一实施例的圆极化辐射轴比的实验数据图。图7中虚线300表示3dB参考基准，曲线310与虚线300相交的交点312和交点314，分别位于约2400MHz和约2660MHz。由图7中可看出，当本发明一实施例以约2500MHz作为中心操作频率时，3-dB圆极化轴比带宽约可高达10.4％〔3-dB圆极化轴比带宽＝(2660MHz-2400MHz)/2500MHz×100％〕，比普通单馈入圆极化辐射平板天线的3-dB圆极化轴比带宽(约3％或更低)高出许多。

请参考图8，其为根据图3的本发明一实施例的天线增益的实验数据图。由图8可得知，本发明一实施例操作于约2380MHz至约2660MHz时，天线增益均在8.5dBi以上，具有良好的增益。

请同时参考图3、图9和图10，其中图9为根据图3的本发明一实施例操作于2450MHz时的X-Z平面的辐射场型的实验数据图。图10为根据图3的本发明一实施例操作于2450MHz时的Y-Z平面的辐射场型的实验数据图。由图9和图10可看出，本发明一实施例无论是在X-Z平面或Y-Z平面，都具有良好的圆极化辐射场型，十分适合于无线通讯室内基地台及无线局域网络系统的使用，因此具有极高的产业应用价值。

图11至图14为本发明的其它实施例的辐射金属片的俯视图。图11所示为一截去部份边缘的圆形金属片400；图12所示为一截角的三角形金属片410；图13所示为一近似正方形的金属片420；图14所示为一近似正五边形的金属片430。

Claims (8)

1、一种宽带圆极化平板天线，至少包括：一接地面，一辐射金属片，一馈入探针，一基底，其特征是，

所述该接地面具有一L形外观，且是由一垂直接地面和一水平接地面构成；

所述馈入探针与该辐射金属片位于一同一平面，且具有一馈入探针长度；

所述基底介于该水平接地面和该辐射金属片之间，且具有一基底厚度。

2、如权利要求1所述的宽带圆极化平板天线，其特征是，上述垂直接地面为一垂直接地金属片。

3、如权利要求1所述的宽带圆极化平板天线，其特征是，上述水平接地面为一水平接地金属片。

4、如权利要求1所述的宽带圆极化平板天线，其特征是，上述基底为一空气。

5、如权利要求1所述的宽带圆极化平板天线，其特征是，上述基底为介电常数接近空气的一介质。

6、如权利要求1所述的宽带圆极化平板天线，其特征是，上述辐射金属片选自于由具有对角截角的一正方形金属片、具有截去部份边缘的一圆形金属片、具有至少一截角的一三角形金属片、一近似正方形的金属片、一近似正五边形的金属片和一可产生圆极化辐射的金属片所组成的一族群之一。

7、如权利要求1所述的宽带圆极化平板天线，其特征是，上述辐射金属片具有产生圆极化辐射的功能。

8、如权利要求1所述的宽带圆极化平板天线，其特征是，上述馈入探针用以穿过该垂直接地面与该辐射金属片连接，且该馈入探针长度小于该基底厚度。

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