TW200830632A - Circular polarized antenna - Google Patents

Description

200830632 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種圓極化天線，特別是指一種具有 耦合元件之圓極化天線。 【先前技術】 隨著智慧型手機市佔率逐漸增加，GPS(全球定位系統） 或導航的功能成為目前智慧型手機不可或缺的重要功能之 一。使用GPS功能時須搭配圓極化天線，才能有效率地接 收衛星訊號’然而目前電子產品之設計概念普遍強調整合 性的功能，因此在設計圓極化天線時，往往需考慮目前整 合性之問題，而使得隱藏式或内建式的天線設計成為設計 天線時重要的考量之一。 在一般圓極化平面天線的設計中，可分為單饋入方式 與雙饋入方式兩種。 單饋入方式的圓極化天線設計，可利用截角、挖槽孔 或植入窄槽線等微擾方式，使得原本正交的模態激發出兩 個等振幅且相位差90度的相鄰垂直模態。然而利用單饋入 方式設計圓極化天線時，其操作頻寬非常狹窄，一般不超 過其線性極化輕射頻寬的三分之一。而雙饋入方式的圓極 化天線設計，其中兩個饋入點處具有9〇度相差，且由一個 Wilkinson功率分配器或支路耦合器（branch_line c〇upler)提 供大小相等的激發電流。同時，兩個饋入點分別位於互相 ΐ直的方向。此種雙饋入方式的圓極化天線具有頻寬較單 饋入方式大的優點，然而其外觀物理結構亦較為複雜許多 200830632 由此可知，雙饋入的設計方式著重於功率分配的匹配 網路設計，雖然設計方式較為簡單，但卻需要兩層以上之 基板配合，因此會使天線過於笨重；而採用單饋入設計雖 然只需單層基板即可，但是由於要具有圓極化效果的設計 ，往往設計限制條件好，且並^容易調整天線圓極化特 性及阻抗匹配’大多是透過微擾方式調整出圓極化效果， 以及配合適當的饋入位置調整阻抗匹配，所以設計困難。

此外，目前3C電子產品皆要求輕薄短小，且要能夠與 產品機構做結合，因此天線就必須具備高相容性的能力， 才能與其他機構結合’而就產品之通訊使用情況來看，最 基本的要求就是通訊品質必須良好，相無線通訊產品基 本上必須滿足上述兩項要求，若此種產品使用傳統的微帶 天線來叹„十冑有良好的收訊品質但其尺寸大小並不符 合產品要求，因此本發明提出了 —個創新的具有搞合元件 之圓極化天線，利用m板作為天線之介質基底，以 有效縮小天線尺寸，並提高天線與無線通訊產品之相容性 ’再透過—開路微帶傳輸線當作饋人機制，更可加兹天線 與無線通訊產品結合之便利性。 【發明内容】 種輕薄短小、性能 因此，本發明之目的，係在提供一 優越且相容性高之圓極化天線。 於是，本發明 射單元。該饋入單 之圓極化天線，包括一饋入單元及一輻 元包含具有相反之一第_面及一第二面 6 200830632 之一基板，设於該第一面之一接地面，及設於該第二面之 一饋入元件。該輻射單元設在該饋入單元上，其包含具有 相反之一第三面及一第四面之一天線基板，該天線基板放 置在該基板之第二面上並以第三面與該饋入元件接觸，該 第四面上設有一封閉路徑金屬平面及一被該封閉路徑金屬 平面包圍的箱合金屬平面。 較佳地，該接地面可以是一矩形、圓形、三角形或與 該基板近似形狀的金屬平面。 〃

較佳地，該饋入元件為一長條形金屬平面或其他近似 形狀。 較佳地，該饋入元件為一 L形、十字形或χ形金屬平 面或其近似形狀。 較佳地，該饋入元件可以共平面波導饋入、槽 饋入或槽線饋入方式實現。 較佳地，該基板可為玻璃纖維基板或是其他可用 質材料。 較佳地，該基板為矩形、圓盤形或其他相似形狀。 較佳地，該天線基板為-圓盤形、矩形或其他相似形 玻璃纖維基板或其 較佳地，該天線基板為陶瓷基板 他可用之材質。 較佳地，該封閉路徑金屬平面為圓環 角環形、橢圓環形或其他相似之形狀。 二 較k地，该麵合金屬平面為扇形、方形、矩开》一 y 二角 7 200830632 形、半圓形或其他相似之形狀。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清 楚的呈現。 參見圖1及圖2，是本發明圓極化天線的一較佳實施例 ，本實施例之圓極化天線i應用在2700 MHz之操作頻率， 其包括一饋入單元10及一輻射單元2〇。 饋入單元10包含一基板n、一接地面12及一饋入元 件13。基板11具有相反的一第一面lu及一第二面112, 在本實施例中，基板11是一矩形的玻璃纖維板（FR句，其尺 寸為30 X 30 mm2，接地面12設於基板n的第一面lu， 饋入線13設於基板η的第二面112。接地面u是一矩形 金屬平面’其尺寸為30 X 30 mm2，饋入元件（miCr〇 strip， 微帶傳輸線）13為一長條形金屬平面，其由基板n的一側 邊直向延伸至接近基板U中央，且在饋入元件13靠近基板 11側邊的一端設有一饋入點131，用以傳遞訊號。饋入元件 13的尺寸為長13 · 5 mm、寬3 ixim。 值得一提的是，本實施例之基板n並不以矩形為限， 它也可以是圓盤形或其他相似形狀，且其板材除了玻璃纖 維板（FR4)外，也可以使用其它可用的介質材料。而接地面 11亦不以矩形為限，它也可以是圓形、三角形或與基板u 近似形狀的金屬平面。另外，饋入元件13亦不以長條形為 限，饋入兀件13也可以是L形、十字形或x形金屬平面或 8 200830632 其近似形狀。 再者，本實施例之饋入元件13除了以微帶線實現外， 亦可用其他饋入元件實現，例如共平面波導饋入（CPW)、槽 孔耦合饋入（slot feed)或槽線饋入（sl〇t line)等方式。 輻射單元20設在饋入單元1〇上，其包含一天線基板 21、一封閉路徑金屬平面22及一耦合金屬平面23。天線基

板21具有相反的一第三面211及一第四面212，在本實施 例中，天線基板21是一圓盤形的陶瓷基板，其尺寸為半徑 7.4 mm、高度3.3 mm。天線基板21設置在基板n的第二 面112上中央位置處，使第三面211與第二面112上的饋入 兀件13接觸並部分重疊，即饋入元件13的一端延伸至天 線基板21的第三面211接近中心處。 此外天線基板21並不以圓盤形為限，它也可以是矩 形或f他相似形狀，且天線基板21除了使用陶瓷基板，也 可以是玻璃纖維基板或其他可用之材質。 封閉路徑金屬平面22在本實施例中，是一設在天線 的第四面212上的圓環形金屬平面，做為天線主要 ^ 其外徑為7 mm、内徑為6 mm。耦合金屬平面 疋扇肜金屬平面，其設在封閉路徑金屬平面22中，被 閉路徑金屬平面22包圍，主要是做為天線之耗合元件， 合金屬平面23的尺寸為邊長5 mm、夾角90度。 …而路徑金屬平s 22並不以圓環形為又限，它也可 形、方環形、三角環形、橢圓環形或其他相似之 y、、"。且耦合金屬平面23除了扇形外，也可以是方形 9 200830632 ' 矩开^、二角形、半圓形或其他相似之形狀。 • 參見圖3至® 8 ’為本實施例圓極化天線1之實作量測 結果，由圖3之反射損失結果可得到天線的阻抗頻宽i 電壓駐波比阻抗頻寬之定義）為65 MHz(以γ轴i〇dB為標 準橫切過去，對應曲線所得之頻寬為2675〜274q顧^ 2740-2675=65 MHz)。 圖4所示為本實施例圓極化天線之史密斯圖的實驗結 果，圖5及圖6為在天線中心操作頻率（27〇7顧2，即 • (2675+274〇)/2=2707 MHz)輻射場型量測結果，在漣波約在 〇〜3 cm的情況下，圓極化天線i接收的半功率波束角度可 達1〇〇度，圖7則為操作頻帶内之圓極化天線軸比的實驗 結果，本實施例之圓極化天線！在操作頻帶内的軸比都在3 dB以下，且最佳可達〇.遍，目8則為操作頻帶内之圓極 化天線1的增益實驗量測結果，本實施例之圓極化天線在 操作頻帶内的增益在2.5〜3.5 dBi之間，增益變化量約為j dBi 〇 • 由上述說明可知，本發明之圓極化天線1的結構十分 簡單，其饋入機制由一正方形的玻璃纖維板當作基板j j， 並於此基板11上建構一微帶傳輸線（即饋入元件13)，透過 微帶傳輸線傳送電場能量，於傳輸線末端會產生向上之電 場輻射，利用此一電磁耦合方式當作天線的饋入，經由適 當調整微帶傳輸線長度與寬度，可使圓極化天線丨輕易達 到阻抗匹配。而天線主體（即輻射單元20)的部份，主要是利 用一圓盤型陶瓷基板（即天線基板21)當作天線的介質基底， 10 200830632 再於陶究基板之表面（第四面212)上佈設—環型金屬片（即封 閉路徑金屬平面22)，之後於環形金屬結構内，建構一個扇 形金屬片（即輕合金屬平面23)當作耗合元件，將以上所提: 天線主體（輻射單元20)放置於微帶傳輸線上，利用天線主體 上之扇形金屬片的轉合效應，改變微帶傳輸線所輻射電場 之方向，令電場產生偏轉的效應，而達到圓極化的效果。 而且藉由改變扇形金屬片（耦合金屬平面23)之設置方向 ’輕易地改變天線圓極化波的特性，亦即當將扇型金屬片 設置於環型金屬片（封閉路徑金屬平面22)内之左上位置時， 可得一右旋圓極化波（RHCP)，反之若將扇型金屬片設置於 環形金屬片内之右上位置時’可得一左旋圓極化波(LHcp) 〇 由於此圓極化天線1具有結構簡單、尺寸短小、饋入 方式彈性大，且饋入單元與輻射單元之間並無需實際連接 ，只需直接貼合，因此十分適合應用於行動通訊設備之天 線設計上，具有極高之產業價值。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利 範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1為本發明圓極化天線之一較佳實施例之立體結構 圖。 圖2為本實施例圓極化天線之平面圖； 11 200830632 圖3為本實施例圓極化天線的反射損失實測數據圖； 圖4為本實施例圓極化天線的實驗結果史密斯圖； 圖5為本實施例圓極化天線在χ_ζ平面的輻射場型實 驗結果； 圖6為本實施例圓極化天線在γ_ζ平面的輻射場型實 驗結果； 圖7為本實施例圓極化天線在操作頻帶内之天線軸比 實驗結果；及 圖8為本實施例圓極化天線在操作頻帶内之天線增益 實驗結果。

12 200830632 【主要元件符號說明】 1 圓極化天線 10饋入單元 11基板 12接地面 13饋入元件 111第一面 112第二面 13 1饋入點 20輻射單元 21天線基板 22封閉路徑金屬平面 23搞合金屬平面 211第三面 212第四面 13

Claims (1)

1. 200830632 十、申請專利範圍： _ 1. 一種圓極化天線，包括： 一饋入單元，包含具有相反之一第一面及一第二面之 一基板，設於該第一面之一接地面，及設於該第二面之一 饋入元件；及 * 一輻射單元，設在該饋入單元上，其包含具有相反之 • 一第三面及一第四面之一天線基板，該天線基板放置在該 基板之第二面上並以第三面與該饋入元件接觸，該第四面 Φ 上設有一封閉路徑金屬平面及一被該封閉路徑金屬平面包 圍的麵合金屬平面。 2 ·依申睛專利範圍第1項所述之圓極化天線，其中該接地 面可以是一矩形、圓形、三角形或與該基板近似形狀的 金屬平面。 3·依申請專利範圍第1項所述之圓極化天線，其中該饋入 元件為一長條形金屬平面。 4·依申請專利範圍第1項所述之圓極化天線，其中該饋入 _ %件為-L形、十字形或χ形金屬平面或其近似形狀。 5·依申凊專利範圍第1項所述之圓極化天線，其中該饋入 元件可以共平面波導饋入、槽孔耦合饋入或槽線饋入方 . 式實現。 T申明專利範圍第1項所述之圓極化天線，其中該基板 為破璃纖維基板或是其他可用之介質材料。 7·依申凊專利範圍第1項所述之圓極化天線，其中該基板 為矩形、圓盤形或其他相似形狀。 14 200830632 8·依申請專利範圍第1項所述之圓極化天線，其中該天線 基板為一圓盤形、矩形或其他相似形狀。 9.依申明專利範圍第1項所述之圓極化天線，其中該天線 基板為陶究基板、玻璃纖維基板或其他可用之材質。 其他相似之環形結構。 U·依申請專利範圍第1 • 金屬平面為扇形 依申明專利範圍第1項所述之圓極化天線，其中該封閉 路後金屬平面為圓環形、方環形、三角環形、橢圓環形或 似之形狀。 1項所述之圓極化天線，其中該_合 方形、矩形、三角形、半圓形或其他相 15