CN204029975U - 双馈入双极化的高方向性阵列天线系统 - Google Patents

双馈入双极化的高方向性阵列天线系统 Download PDF

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Abstract

一种双馈入双极化的高方向性阵列天线系统，包括基板、第一至第三阵列辐射群组及第一与第二馈入网络。第一馈入网络电性连接于第一及第二阵列辐射群组，并且用于将第一信号馈入至第一及第二阵列辐射群组。第二馈入网络电性连接于第二及第三阵列辐射群组，并且用于将第二信号馈入至第二及第三阵列辐射群组。第一馈入网络电性连接至第一及第二阵列辐射群组的馈入方向与第二馈入网络电性连接至第二及第三阵列辐射群组的馈入方向相互垂直，以提供两组正交的馈入信号，使得双馈入双极化的高方向性阵列天线系统具有高隔离度、双极化及高增益等特性。

Description

双馈入双极化的高方向性阵列天线系统
技术领域
本实用新型涉及一种阵列天线系统，尤指一种双馈入双极化的高方向性阵列天线系统。
背景技术
随着无线通信技术的演进，具有无线通信功能的电子产品也越来越普及，无线通信技术主要是透过天线以电磁波的方式收发信号，因此天线的设计在很大程度上影响电子产品的通讯质量与传输速率。
现有所使用内藏于桥接点(Access Point，AP)的天线以倒F形天线(Inverted F Antenna，IFA)、单极天线或偶极天线居多。然而，上述这些天线并不适合用于户外环境(outdoor environment)，而仅适合用于室内环境(indoorenvironment)。
针对应用于户外环境的桥接点，其天线需要有高方向性、高增益与较窄的波束宽(narrow beamwidth)，以将天线所激发的电磁能量集中于特定方向，而达到远距离传输。上述天线目前多以平板天线(patch antenna)、格状天线(grid antenna)与碟形天线(disk antenna)来实现，其中格状天线与碟形天线的制造成本较高。
一般来说，无线通信的电子产品大都朝向轻薄的设计趋势，为了达到越来越大的传输量需求，进而有多输入多输出(Multi-input Multi-output，MIMO)天线系统的应用。当要传输一份数据流(data stream)时，数据流可以被分为多笔数据，经由支持MIMO功能的电路系统，再搭配多输入多输出天线系统，多笔数据将可以同时被传输。因此，多输入多输出天线系统可以提升数据的传输率。
目前有户外的桥接点采用双馈入双传输数据路径的多输入多输出系统，以将其数据传输率提升为其原来采用单馈入天线系统时的数据传输率的两倍以上。然而，因产品尺寸空间有限以及在不大量增加成本与设计复杂度的考虑下，并不容易设计出一个能达到阻抗匹配、高隔离度及高天线增益的双馈入天线系统。
实用新型内容
针对上述问题，本实用新型提出一种双馈入双极化的高方向性阵列天线系统。所述双馈入双极化的高方向性阵列天线系统为多输入多输出天线系统，其本身具有高天线增益及低信号间的相互干扰。
本实用新型实施例提供一种双馈入双极化的高方向性阵列天线系统，包括基板、第一阵列辐射群组、第二阵列辐射群组、第三阵列辐射群组、第一馈入网络、第二馈入网络，以及一信号反射板。基板具有第一长边以及第一短边。第一阵列辐射群组，具有以平行第一长边的阵列形式排列的N个第一辐射单元，其中N个第一辐射单元设置于基板上且其形状大小均相同。第二阵列辐射群组具有以平行第一长边的阵列形式排列的N个第二辐射单元，其中N个第二辐射单元设置于基板上且其形状大小均相同，并且第二阵列辐射群组与第一阵列辐射群组间具有第一间距。第三阵列辐射群组具有以平行第一长边的阵列形式排列的N个第三辐射单元，其中N个第三辐射单元设置于基板上且其形状大小均相同，并且第三阵列辐射群组与第二阵列辐射群组间具有第二间距。第一馈入网络设置于基板上且电性连接于第一阵列辐射群组及第二阵列辐射群组。第一馈入网络具有第一馈入埠，且用于将第一信号馈入至第一阵列辐射群组及第二阵列辐射群组。第二馈入网络设置于基板上且电性连接于第二阵列辐射群组及第三阵列辐射群组。第二馈入网络具有第二馈入埠及信号相位调整部，且用于将第二信号馈入至第二阵列辐射群组及第三阵列辐射群组。第一馈入网络电性连接至第一辐射单元与第二辐射单元的馈入方向与第二馈入网络电性连接至第二辐射单元与第三辐射单元的馈入方向相互垂直。第一阵列辐射群组、第二阵列辐射群组与第一馈入网络用于提供第一操作频带，第二阵列辐射群组、第三阵列辐射群组与第二馈入网络用于提供第二操作频带，且N为大于等于2的正整数。信号反射板，位于基板的下方，与基板相互平行且与基板之间具有一第三间距。
综上所述，本实用新型实施例的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统主要可分为三组阵列天线，即上述第一至第三阵列辐射群组，且采用两个馈入网络的设计，以向同时激发的辐射单元提供不同两组正交的信号，以避免两组馈入信号的相互干扰。据此，本实用新型的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统具有高隔离度、双极化及高增益等特性。
附图说明
图1为本实用新型实施例的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统的立体示意图。
图2为本实用新型实施例的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统的侧视图。
图3为本实用新型实施例的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统的俯视图。
图4为本实用新型另一实施例的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统的立体示意图。
图5为本实用新型实施例的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统于中心频率为5500MHz的第一操作频带的水平与垂直场型图。
图6为本实用新型实施例的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统于中心频率为5500MHz的第二操作频带的水平与垂直场型图。
图7为本实用新型实施例的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统的反射系数(S11、S22)及隔离度(S21)的量测曲线图。
其中，附图标记说明如下：
1、4：双馈入双极化的高方向性阵列天线系统
101：基板
101a：第一长边
101b：第一短边
102、402：第一阵列辐射群组
102a～102d、402a～402d：第一辐射单元
103、403：第二阵列辐射群组
103a～103d、403a～403d：第二辐射单元
104、404：第三阵列辐射群组
104a～104d、404a～404d：第三辐射单元
105：第一馈入网络
105a：第一馈入埠
106：第二馈入网络
106a：第二馈入埠
106b：信号相位调整部
107：信号反射板
107a～107e：固定部
108：第一信号输入源
109：第二信号输入源
b1：第一间距
b2：第二间距
b3：第三间距
具体实施方式
以下在实施方式中详细叙述本实用新型的详细特征及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本实用新型的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、申请专利范围及图式，任何本领域技术人员可轻易地理解本实用新型相关的目的及优点。以下的实施例是对本实用新型的观点所做的进一步详细说明，但并不限定本实用新型的专利保护范围。
请参见图1～图3，双馈入双极化的高方向性阵列天线系统1包括基板101、第一阵列辐射群组102、第二阵列辐射群组103、第三阵列辐射群组104、第一馈入网络105以及第二馈入网络106。
基板101为具有第一长边101a以及第一短边101b的矩形的印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)。基板101可以是环氧玻璃布层压板(FR4)或Rogers公司所生产的聚酰亚胺基板，然而，本实用新型并不限制基板101的形状、大小与材质。
第一阵列辐射群组102主要由N个尺寸大小相同的第一辐射单元102a～102d所组成，N个第一辐射单元102a～102d以平行第一长边101a(亦即，第一辐射单元102a～102d的中心所形成的连线平行于第一长边101a)的阵列形式排列设置于基板101上，形成一1xN的阵列辐射单元。在本实用新型实施例中，N个第一辐射单元102a～102d是以两两相邻排列设置于基板101上，第一辐射单元102a～102d彼此以等距离间隔。
第二阵列辐射群组103主要由N个尺寸大小相同的第二辐射单元103a～103d所组成，N个第二辐射单元103a～103d以平行第一长边101a(亦即，第二辐射单元103a～103d的中心所形成的连线平行于第一长边101a)的阵列形式排列设置于基板101上，形成一1xN的阵列辐射单元，并且第二阵列辐射群组103与第一阵列辐射群组102之间具有第一间距b1。在本实用新型实施例中，N个第二辐射单元103a～103d是以两两相邻排列设置于基板101上，且第二辐射单元103a～103d彼此以等距离间隔。
第三阵列辐射群组104主要由N个尺寸大小相同的第三辐射单元104a～104d所组成，N个第三辐射单元104a～104d以平行第一长边101a(亦即，第三辐射单元104a～104d的中心所形成的连线平行于第一长边101a)的阵列形式排列设置于基板101上，形成一1xN的阵列辐射单元，并且第三阵列辐射群组104与第二阵列辐射群组103之间具有第二间距b2，其中第一间距b1不一定要等于第二间距b2。在本实用新型实施例中，N个第三辐射单元104a～104d是以两两相邻排列设置于基板101上，且第三辐射单元104a～104d彼此以等距离间隔。
在本实用新型实施例中，第一阵列辐射群组102、第二阵列辐射群组103以及第三阵列辐射群组104具有相同数量的辐射单元，且N为4。值得一提的是，本实用新型并不局限N的数值，N实质上可以大于或者等于2。
第一馈入网络105设置于基板101上，并且具有第一馈入埠105a。第一馈入网络105电性连接于第一阵列辐射群组102及第二阵列辐射群组103，并且透过第一馈入埠105a用于将第一信号馈入至第一阵列辐射群组102及第二阵列辐射群组103。
第二馈入网络106设置于基板101上电性连接于第二阵列辐射群组103及第三阵列辐射群组104，并且具有第二馈入埠106a与信号相位调整部106b，其中信号相位调整部106b的一端电性连接第二馈入埠106a，且信号相位调整部106b的另一端电性连接第三阵列辐射群组104的多个第三辐射单元104a～104d。信号相位调整部106b用以调整第二信号的相位，其中经过相位调整后的第二信号与原第二信号之间具有180度的信号相位差。第二馈入网络106透过第二馈入埠106a用于将第二信号馈入至第二阵列辐射群组103及第三阵列辐射群组104。由此可知，第一馈入网络105与第二馈入网络106分别将第一信号与第二信号馈入其共同电性连接的第二辐射单元103a～103d。
第一馈入网络105电性连接至第一辐射单元102a～102d及第二辐射单元103a～103d的馈入方向与第二馈入网络106电性连接至第二辐射单元103a～103d及第三辐射单元104a～104d的馈入方向相互垂直。因此，当第一辐射单元102a～102d及第二辐射单元103a～103d收到第一信号后，其会激发出第一极化方向的电磁波。当第二辐射单元103a～103d及第三辐射单元104a～104d收到第二信号后，其会激发出第二极化方向的电磁波。第一极化方向与第二极化方向彼此正交，因此第二辐射单元103a～103d可以同时接收第一信号与第二信号，且所激发出的电磁波并不太会互相影响。
第一阵列辐射群组102、第二阵列辐射群组103以及第一馈入网络105用于提供第一操作频带，而第二阵列辐射群组103、第三阵列辐射群组104以及第二馈入网络106用于提供第二操作频带。因为第一馈入网络105电性连接于第一辐射单元与第二辐射单元的馈入方向与第二馈入网络106电性连接至第二辐射单元与第三辐射单元的馈入方向相互垂直，因此第一操作频带的电磁波与第二操作频带的电磁波具有正交的极化方向，且其中心频率可以相近，而能使双馈入双极化的高方向性阵列天线系统1具有宽频操作的特性。
在此实施例中，第一馈入网络105设置于第一阵列辐射群组102与第二阵列辐射群组103之间，且第二馈入网络106则设置于第二阵列辐射群组103与第三阵列辐射群组104之间，但本实用新型并不限定于此。除此之外，第一辐射单元102a～102d、第二辐射单元103a～103d与第三辐射单元104a～104d中的形状均统一为正方形、矩形、菱形、圆形或椭圆形，但本实用新型并不局限于此。
请同时参见图1与图2，信号反射板107位于基板101下方且与基板101相互平行。信号反射板107与基板101之间具有一第三间距b3。信号反射板107上具有复数个固定部107a～107e，以用于将基板101固定于信号反射板107上方。信号反射板107可使得双馈入双极化的高方向性阵列天线系统1激发所产生的电磁能量，能集中至特定方向，进而产生具有高方向性及高增益的特性，以有效增加双馈入双极化的高方向性阵列天线系统1的信号传输距离。另外，在本实用新型实施例中，信号反射板107可以是马口铁、不锈钢或铝的金属板，然而，本实用新型并不局限于此。
双馈入双极化的高方向性阵列天线系统1还包括有第一信号输入源108和第二信号输入源109，其中第一信号输入源108一端电性连接于第一馈入埠105a，第一信号输入源108另一端电性连接于信号反射板107，第二信号输入源109一端电性连接于第二馈入埠106a，第二信号输入源109另一端电性连接于信号反射板107。
另外，每一阵列辐射群组102、103、104间的辐射单元102a～102d、103a～103d、104a～104d尺寸不一定为相同，亦即第一辐射单元102a～102d尺寸不一定等于第二辐射单元103a～103d或第三辐射单元104a～104d。上述设计的主要目的在于，能通过调整辐射单元尺寸，使双馈入双极化的高方向性阵列天线系统1在激发时，可产生复数个相邻的天线共振模态，进而结合成一个较宽的操作带宽。
详细地说，第一馈入网络105与第二馈入网络106的传输线的线段长度及宽度可以被调整，以调整基板101上金属表面电流相位，使得各组辐射单元(第一辐射单元102a～102d为一组，第二辐射单元103a～103d为另一组，第三辐射单元104a～104d又为另一组)上的表面电流的相位相同，进而各组辐射单元所产生的辐射能量在空间中，产生建设性干涉，以进而产生高方向性的天线辐射场型，以致于达到集中辐射能量的目的。
另外，在本实用新型实施例中第一操作频带与第二操作频带涵盖5GHz频段。第一间距b1与第二间距b2的长度大约为操作频带中心频率所对应的波长的0.2倍至0.5倍之间，而各阵列辐射群组102、103或者104中的每一辐射单元的间距(例如，辐射单元102a与102b的间距、辐射单元102b与102c的间距、辐射单元102c与102d的间距)亦为操作频带中心频率所对应的波长的0.2倍至0.5倍之间。每一辐射单元的周长则约为操作频带中心频率所对应的波长的2倍。第三间距b3的长度则小于第一操作频带与第二操作频带之中较低频率所对应的波长的六分之一。
请参见图4，图4为本实用新型另一实施例的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统的立体示意图。双馈入双极化的高方向性阵列天线系统4与图1的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统1的差别在于，图4中第一辐射单元402a～402d、第二辐射单元403a～403d以及第三辐射单元404a～404d形状为圆形，图1中第一辐射单元102a～102d、第二辐射单元103a～103d以及第三辐射单元104a～104d形状为方形。
请参照图5～图7，图5为本实用新型实施例的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统于中心频率为5500MHz的第一操作频带的水平与垂直场型图，图6为本实用新型实施例的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统于中心频率为5500MHz的第二操作频带的水平与垂直场型图，而图7为本实用新型实施例的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统的反射系数(S11、S22)及耦合度(S21)的量测值的曲线图。由图5与图6可以得知，本实用新型实施例的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统具有高方向性，而由图7可以得知，在电压驻波比为1.9：1时，中心频率为5500MHz的第一操作频带与第二操作频带的反射系数(S11、S22)低于-10dB，且中心频率为5500MHz的第一操作频带与第二操作频带的隔离度耦合度(S21)极低(亦即，具有高隔离度)。
综上所述，本实用新型实施例的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统可分成三组阵列天线，且采用两组馈入网络的设计，以激发阵列天线产生不同极化方向的电磁波，以避免两组馈入信号的相互干扰，因此本实用新型实施例的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统具有高隔离度、双极化及高增益等特性。
以上所述仅为本实用新型的实施例，其并非用以局限本实用新型的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种双馈入双极化的高方向性阵列天线系统，其特征在于，该双馈入双极化的高方向性阵列天线系统包括：
一基板，具有一第一长边以及一第一短边；
一第一阵列辐射群组，具有设置于该基板上以平行该第一长边的阵列形式排列的N个第一辐射单元，该N个第一辐射单元的形状大小均相同；
一第二阵列辐射群组，具有设置于该基板上以平行该第一长边的阵列形式排列的N个第二辐射单元，该N个第二辐射单元的形状大小均相同，并且该第二阵列辐射群组与该第一阵列辐射群组间具有一第一间距；
一第三阵列辐射群组，具有设置于该基板上以平行该第一长边的阵列形式排列的N个第三辐射单元，该N个第三辐射单元的形状大小均相同，并且该第三阵列辐射群组与该第二阵列辐射群组间具有一第二间距；
一第一馈入网络，设置于该基板上，电性连接于该第一阵列辐射群组及该第二阵列辐射群组，具有一第一馈入埠，该第一馈入网络用于将一第一信号馈入至该第一阵列辐射群组及该第二阵列辐射群组；
一第二馈入网络，设置于该基板上，电性连接于该第二阵列辐射群组及该第三阵列辐射群组，具有一第二馈入埠及一信号相位调整部，该第二馈入网络用于将一第二信号馈入至该第二阵列辐射群组及该第三阵列辐射群组；以及
一信号反射板，位于该基板的下方，与该基板相互平行且具有一第三间距；
其中该第一馈入网络电性连接至该N个第一辐射单元与该N个第二辐射单元的馈入方向与该第二馈入网络电性连接至该N个第二辐射单元与该N个第三辐射单元的馈入方向相互垂直，该第一阵列辐射群组、该第二阵列辐射群组及该第一馈入网络用于提供一第一操作频带，该第二阵列辐射群组、该第三阵列辐射群组及该第二馈入网络用于提供一第二操作频带，且N为大于或者等于2的正整数。
2.如权利要求1所述的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统，其中该信号反射板上具有复数个固定部，用于固定该基板与该信号反射板。
3.如权利要求1所述的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统，还包括：
一第一信号输入源，其一端电性连接于该第一馈入埠，另一端电性连接于该信号反射板；以及
一第二信号输入源，其一端电性连接于该第二馈入埠，另一端电性连接于该信号反射板。
4.如权利要求3所述的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统，其中该信号相位调整部电性连接第三阵列辐射群组，该信号相位调整部用于调整该第二信号的相位，并将经相位调整后的该第二信号传输给该第三阵列辐射群组，其中经相位调整后的该第二信号与原该第二信号之间具有180度的信号相位差，且该第一信号输入源提供的该第一信号与该第二信号输入源提供的该第二信号具有相同的相位。
5.如权利要求1所述的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统，其中N为4。
6.如权利要求1所述的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统，其中该第一馈入网络位于该第一阵列辐射群组与该第二阵列辐射群组之间，该第二馈入网络则位于该第二阵列辐射群组与该第三阵列辐射群组之间。
7.如权利要求1所述的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统，其中该N个第一辐射单元、该N个第二辐射单元和该N个第三辐射单元的形状为方形、圆形、矩形或椭圆形。
8.如权利要求1所述的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统，其中该第一间距的长度介于该第一操作频带中心频率所对应的波长的0.2倍至0.5倍之间，该第二间距的长度介于该第二操作频带中心频率所对应的波长的0.2倍至0.5倍之间。
9.如权利要求1所述的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统，其中该第一操作频带与该第二操作频带涵盖5GHz频段。
10.如权利要求1所述的双馈入双极化的高方向性阵列天线系统，其中该第三间距的长度小于该第一操作频带与该第二操作频带之中较低频率所对应的波长的六分之一。
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