TW201328026A - 圓極化天線 - Google Patents

Abstract

一種圓極化天線，包括一基板，一饋入件、一接地面、一調節支段，以及一腔室結構；該基板具有一第一表面和一第二表面，該饋入件係設置於該第一表面，該接地面係設置於該第二表面，且該接地面具具有一孔洞；該調節支段係設置於該第二表面，且該調節支段連接於該孔洞之一邊緣，該腔室結構係連接於該接地面，且該腔室結構用以反射一電磁波。本發明提供之圓極化天線具有更高之天線增益或更大之天線頻寬。

Description

圓極化天線

本發明係關於一種圓極化天線(Circular Polarization Antenna)，特別係關於具有高天線增益(Antenna Gain)的圓極化天線。

在無線資料傳輸中，天線在傳送和接收電磁波中扮演著重要的角色。通常情況下，天線應提供在方位角方向(Azimuth Direction)為全方向(Omni-Directional)的輻射場型(Radiation Pattern)，並提供在正上方的一個零點(Null)場型。因此，棒形天線(Rod-like Antenna)，例如偶極天線(Dipole Antenna)，通常適合接收和傳送垂直極化波(vertically polarized wave)，因此而廣泛地應用於現今的通訊裝置當中。

在無線通訊系統中，資料信號可能被許多的周遭物體反射，因此，這些反射波(Reflected Waves)和原來的資料信號將產生建設性或破壞性之混合。即使偶極天線可用於接收和傳送垂直極化波，但是來自周遭環境的多路徑干擾(Multi-Path Interference)、繞射(Diffraction)或是反射，都可能於長程通訊中改變傳送垂直極化波的相位。更嚴重的情況下，資料信號可能由垂直極化波轉變為水平極化波，而無法被偶極天線接收，造成資料遺失。有鑑於此，必須設計一種新天線，以處理垂直極化波與水平極化波。

有鑑於此，本發明提供一種圓極化天線。

本發明提供一種圓極化天線，包括：一基板，具有一第一表面和一第二表面；一饋入件，設置於該第一表面；一接地面，設置於該第二表面，並具有一孔洞；一調節支段，設置於該第二表面，並連接於該孔洞之一邊緣；以及一腔室結構，連接於該接地面，並用以反射一電磁波。

另外，本發明提供一種圓極化天線，包括：一第一天線元件，包括：一基板，具有一第一表面和一第二表面；一饋入件，設置於該第一表面；一接地面，設置於該第二表面，並具有一孔洞；一第一調節支段，設置於該第二表面，並連接於該孔洞之一邊緣；以及一第二調節支段，設置於該第二表面，並連接於該孔洞之該邊緣。

本發明提供之圓極化天線具有更高之天線增益或更大之天線頻寬。

第1A圖係顯示根據本發明一實施例之圓極化天線100之立體圖。第1B圖係顯示根據本發明該實施例之圓極化天線100沿著一直線LL1之剖面圖。第1C圖係顯示根據本發明該實施例之圓極化天線100沿著另一直線LL2之剖面圖。如第1A圖、第1B圖及第1C圖所示，圓極化天線100可包括：一基板110、一接地面120、一饋入件(Feeding Element)130、一調節支段(Tuning Stub)140以及一腔室結構(Cavity Sturcture)170。基板110可以是一FR4基板，其介 電常數(Dielectric Constant)等於4.3，而基板厚度為0.6mm。接地面120、饋入件130，以及調節支段140可以由金屬製成，例如銀或銅。

基板110具有兩個表面E1、E2，其中表面E1與表面E2係相對面。饋入件130係設置於表面E1，其中饋入件130的一端可以電性連接到一信號源190以接收輸入信號。接地面120係設置於表面E2，並且接地面120具有一孔洞125。孔洞125可以是一圓形、一矩形，或是其他形狀。調節支段140係設置於表面E2，並電性連接到孔洞125之邊緣。在一實施例中，饋入件130和調節支段140兩者都大致上為一直條形，而孔洞125為一圓形，其中調節支段140和孔洞125的圓周(Periphery)垂直。在其他的實施例中，饋入件130可以為T字形或是錐面形(Taper-Shaped)。

腔室結構170係電性連接到接地面120，並用以反射電磁波。在一實施例中，腔室結構170大致上為無上蓋之一空心圓柱體，並接合在接地面120上(例如可以沿著虛線172的軌跡接合上)。圓極化天線100可以同時產生一左旋圓極化波(Left-hand Circularly Polarized Wave)和一右旋圓極化波(Right-hand Circularly Polarized Wave)。在一些實施例中，左旋圓極化波係向上方傳播，而右旋圓極化波係向下方傳播。因此，腔室結構170可用以大致上覆蓋住接地面120上的孔洞125，反射不同方向的電磁波以提高天線增益。腔室結構170通常設計為具有等於四分之一波長(λ/4)的高度，其中該四分之一波長可以根據圓極化天線的中心 操作頻率進行調整。本發明另提供各種不同的腔室結構，將於之後進行說明。

第2圖係顯示根據本發明一實施例之接合於接地面120之一腔室結構270之剖面圖。如第2圖所示，腔室結構270係一空心金屬外殼，用以覆蓋接地面120之孔洞125。在一些實施例中，該空心金屬外殼係填充滿一介質275於內，例如：FR4介質或是空氣。該空心金屬外殼通常設計為具有等於四分之一波長(λ/4)的高度，其中該四分之一波長可以根據圓極化天線的中心操作頻率進行調整。

第3A圖係顯示根據本發明一實施例之接合於接地面120之一腔室結構370之立體圖。第3B圖係顯示根據本發明該實施例之接合於接地面120之腔室結構370沿著一直線LL1之剖面圖。如第3A圖及第3B圖所示，腔室結構370包括：一腔室基板372、一腔室接地面374，以及複數個穿透件(Via)376。腔室基板372具有兩個表面，其中之一接合於接地面120。腔室接地面374係設置於腔室基板372的另一表面E3。複數個穿透件376係穿過腔室基板372，並大致上環繞孔洞125。複數個穿透件376更電性連接於接地面120和腔室接地面374之間。腔室基板372可以是一FR4基板，其介電常數等於4.3，而基板厚度為四分之一波長(λ/4)，其中該四分之一波長可以根據圓極化天線的中心操作頻率進行調整。腔室接地面374和複數個穿透件376可以用金屬製成，例如：銀或銅。在一實施例中，複數個穿透件376係間隔一既定距離D1排列，並沿著一圓形的軌跡排列。在本發明較佳實施例中，既定距離D1係 小於0.6mm，以減少電磁波外漏(Leakage Wave)。

第4A圖係顯示根據本發明一實施例之接合於接地面120之腔室結構470之剖面圖。第4B圖係顯示根據本發明該實施例之接合於接地面120之腔室結構470之俯視圖。如第4A圖所示，腔室結構470包括腔室結構370，此外更包括另一腔室基板410、另一腔室接地面420，以及另外複數個穿透件450。值得注意的是，在本實施例中，腔室接地面374具有一孔洞430，其與接地面120的孔洞125相同。如第4B圖所示，複數個穿透件450可以和前述之複數個穿透件376交錯排列。腔室基板410可以是一FR4基板，其介電常數等於4.3。腔室接地面420和複數個穿透件450可以用金屬製成，例如：銀或銅。而腔室結構470通常設計成結構總高度為四分之一波長(λ/4)，其中該四分之一波長可以根據圓極化天線的中心操作頻率進行調整。

在一實施例中，圓極化天線100的元件尺寸可以如下所述：接地面120的孔洞125為一圓形孔洞，圓形半徑為1.3mm；調節支段140係一直條形，長度為0.75mm，而寬度為0.1mm；而腔室結構170之高度為0.6mm。值得注意的是，以上所有尺寸都可以自由地調整，以使圓極化天線能涵蓋所需之頻段。

第5圖係顯示根據本發明一實施例之圓極化天線100之軸比(Axial Ratio，AR)之示意圖。縱軸代表圓極化天線之軸比(單位：dB)，而橫軸代表操作頻率(單位：GHz)。饋入件130、調節支段140以及接地面120圍繞孔洞125之一部分係共同受激發(Excited)產生一頻帶FB1。在一實施 例中，頻帶FB1約介於69GHz和73GHz之間，其中圓極化天線100於頻帶FB1內之軸比皆小於5dB。值得注意的是，頻帶FB1可以根據不同的元件尺寸進行範圍調整。

第6圖係顯示根據本發明另一實施例之圓極化天線600之立體圖。圓極化天線600可以包括一或複數個天線元件。在本實施例中，圓極化天線600僅由一個天線元件610所組成。天線元件610係與前述之圓極化天線100相似，兩者間唯一的不同是，天線元件610包括了兩個調節支段635和650。調節支段635和650係設置於基板110之表面E2，且電性連接到接地面120的孔洞125之邊緣，其中調節支段635和650具有不同之連接位置。在一實施例中，饋入件130和調節支段635和650皆大致上為直條形，而孔洞125為一圓形，其中調節支段635、650係垂直於孔洞125之圓周。調節支段635和調節支段650之間的一夾角θ1係小於45度。調節支段635或調節支段650兩者之一(例如第6圖中與饋入件130較接近之調節支段635)與饋入件130之間的一夾角θ2係小於90度。在其他實施例中，饋入件130可以為T字形或是錐面形。值得注意的是，在一些實施例中，腔室結構170亦可以由天線元件610之中移除。

在一實施例中，天線元件610的元件尺寸可以如下所述：接地面120的孔洞125為一圓形孔洞，圓形半徑為1.3mm；調節支段635和650分別為一直條形，長度皆為0.75mm，而寬度皆為0.1mm；而腔室結構170之高度為0.6mm。值得注意的是，以上所有尺寸都可以自由地調整， 以使圓極化天線能涵蓋所需之頻段。

第7圖係顯示根據本發明一實施例之圓極化天線600之軸比之示意圖。縱軸代表圓極化天線之軸比(單位：dB)，而橫軸代表操作頻率(單位：GHz)。在第7圖中有一虛線和一實線。該實線對應於具有兩個調節支段的圓極化天線600，而該虛線對應於僅有一個調節支段的圓極化天線100。對比單一調節支段，兩個調節支段使得圓極化天線600擁有更大的頻寬。饋入件130、調節支段635和650，以及接地面120圍繞孔洞125之一部分係共同受激發產生一頻帶FB2。在一實施例中，頻帶FB2約介於58GHz和71GHz之間，其中圓極化天線600於頻帶FB2內之軸比皆小於5dB。值得注意的是，頻帶FB2可以根據不同的元件尺寸進行範圍調整。

第8A圖係顯示根據本發明一實施例之圓極化天線810之立體圖。圓極化天線810包括兩個天線元件610、620。天線元件620與天線元件610相同。天線元件610、620係佈置形成一循序旋轉陣列(Sequential Rotation Array)。換言之，天線元件610、620具有不同之輸入信號相位。如第8A圖所示，天線元件610之饋入件係經由一信號路徑PA1電性耦接到信號源190，但是天線元件620之饋入件係經由另一信號路徑PA2電性耦接到信號源190。由於信號路徑PA2係較信號路徑PA1更長，天線元件620之輸入信號將比天線元件610之輸入信號延遲(Lag)一既定相位角(predetermined angle)，該相位角可以是90度。循序旋轉陣列的設計可以增加圓極化天線之頻寬並提高天線增益。

第8B圖係顯示根據本發明另一實施例之圓極化天線820之立體圖。圓極化天線820包括四個天線元件610、620、630及640。天線元件620、630及640皆與天線元件610相同。天線元件610、620、630及640係佈置形成一循序旋轉陣列。如第8B圖所示，天線元件610、620、630及640之四個饋入件係分別經由四個信號路徑PA1、PA2、PA3、PA4電性耦接到信號源190。在一實施例中，天線元件610、620、630及640之輸入信號相位分別為0度、90度、180度及270度。循序旋轉陣列的設計可以增加圓極化天線之頻寬並提高天線增益。

相似地，如第1A圖、第1B圖及第1C圖所示之圓極化天線100亦可以具有更多相同的天線元件以佈置形成一循序旋轉陣列。

第9圖係顯示根據本發明一實施例之圓極化天線900之俯視圖。如第9圖所示，圓極化天線900包括四個天線元件910、920、930及940，天線元件910、920、930及940佈置形成一循序旋轉陣列。在一實施例中，天線元件910、920、930及940之輸入信號相位分別為0度、90度、180度及270度。天線元件910、920、930及940皆分別具有兩個調節支段，以及如第3A圖和第3B圖所示之腔室結構370(圖未示)。此外，天線元件910、920、930及940亦分別具有錐面形之一饋入件。

第10圖係顯示根據本發明一實施例之圓極化天線900之軸比之示意圖。縱軸代表圓極化天線之軸比(單位：dB)，而橫軸代表操作頻率(單位：GHz)。包括四個天線元件的圓 極化天線900係受激發產生一陣列頻帶FB3。在一實施例中，陣列頻帶FB3約介於55GHz和70GHz之間，其中圓極化天線900於陣列頻帶FB3內之軸比皆小於5dB。值得注意的是，陣列頻帶FB3可以根據不同的元件尺寸進行範圍調整。

本發明之接地面可以具有不同形狀之孔洞，且具有一或複數個調節支段，這些實施例將在之後進行說明。

第11A圖係顯示根據本發明一實施例之接地面1110之示意圖。如第11A圖所示，接地面1110具有一圓形之孔洞，並有三個調節支段係電性連接到接地面1110之孔洞之邊緣。

第11B圖係顯示根據本發明一實施例之接地面1120之示意圖。如第11B圖所示，接地面1120具有一矩形之孔洞，並有兩個調節支段係電性連接到接地面1120之孔洞之邊緣。

第11C圖係顯示根據本發明一實施例之接地面1130之示意圖。如第11C圖所示，接地面1130具有一矩形之孔洞，並有三個調節支段係電性連接到接地面1130之孔洞之邊緣。

第11D圖係顯示根據本發明一實施例之接地面1140之示意圖。如第11D圖所示，接地面1140具有一矩形之孔洞，並有兩個調節支段係電性連接到接地面1140之孔洞之邊緣。值得注意的是，和第11B圖相比，接地面1140之孔洞係已旋轉一角度。

第11E圖係顯示根據本發明一實施例之接地面1150 之示意圖。如第11E圖所示，接地面1150具有一正八邊形之孔洞，並有兩個調節支段係電性連接到接地面1150之孔洞之邊緣。

第11F圖係顯示根據本發明一實施例之接地面1160之示意圖。如第11F圖所示，接地面1160具有一橢圓形之孔洞，並有兩個調節支段係電性連接到接地面1160之孔洞之邊緣。

第11G圖係顯示根據本發明一實施例之接地面1170之示意圖。如第11G圖所示，接地面1170具有一橢圓形之孔洞，並有兩個調節支段係電性連接到接地面1170之孔洞之邊緣。值得注意的是，和第11F圖相比，接地面1170之孔洞係已旋轉一角度。

本發明之圓極化天線具有更高之天線增益以及更大之天線頻寬。這些圓極化天線可適用於各種提供高速傳輸之行動裝置。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、600、810、820、900‧‧‧圓極化天線

110‧‧‧基板

120、1110、1120、1130、1140、1150、1160、1170‧‧‧接地面

125‧‧‧孔洞

130‧‧‧饋入件

140、635、650‧‧‧調節支段

170、270、370、470‧‧‧腔室結構

172‧‧‧虛線

190‧‧‧信號源

275‧‧‧介質

372、410‧‧‧腔室基板

374、420‧‧‧腔室接地面

376、450‧‧‧穿透件

610、620、630、640、910、920、930、940‧‧‧天線元件

E1、E2、E3‧‧‧表面

FB1、FB2‧‧‧頻帶

FB3‧‧‧陣列頻帶

LL1、LL2‧‧‧直線

PA1、PA2、PA3、PA4‧‧‧信號路徑

θ1、θ2‧‧‧夾角

第1A圖係顯示根據本發明一實施例之圓極化天線之立體圖；第1B圖係顯示根據本發明該實施例之圓極化天線沿著一直線之剖面圖； 第1C圖係顯示根據本發明該實施例之圓極化天線沿著另一直線之剖面圖；第2圖係顯示根據本發明一實施例之接合於接地面之一腔室結構之剖面圖；第3A圖係顯示根據本發明一實施例之接合於接地面之一腔室結構之立體圖；第3B圖係顯示根據本發明該實施例之接合於接地面之腔室結構沿著一直線之剖面圖；第4A圖係顯示根據本發明一實施例之接合於接地面之腔室結構之剖面圖；第4B圖係顯示根據本發明該實施例之接合於接地面之腔室結構之俯視圖；第5圖係顯示根據本發明一實施例之圓極化天線之軸比之示意圖；第6圖係顯示根據本發明另一實施例之圓極化天線之立體圖；第7圖係顯示根據本發明一實施例之圓極化天線之軸比之示意圖；第8A圖係顯示根據本發明一實施例之圓極化天線之立體圖；第8B圖係顯示根據本發明另一實施例之圓極化天線之立體圖；第9圖係顯示根據本發明一實施例之圓極化天線之俯視圖；第10圖係顯示根據本發明一實施例之圓極化天線之 軸比之示意圖；第11A圖係顯示根據本發明一實施例之接地面之示意圖；第11B圖係顯示根據本發明一實施例之接地面之示意圖；第11C圖係顯示根據本發明一實施例之接地面之示意圖；第11D圖係顯示根據本發明一實施例之接地面之示意圖；第11E圖係顯示根據本發明一實施例之接地面之示意圖；第11F圖係顯示根據本發明一實施例之接地面之示意圖；第11G圖係顯示根據本發明一實施例之接地面之示意圖。

100‧‧‧圓極化天線

110‧‧‧基板

120‧‧‧接地面

125‧‧‧孔洞

130‧‧‧饋入件

140‧‧‧調節支段

170‧‧‧腔室結構

172‧‧‧虛線

190‧‧‧信號源

E1、E2‧‧‧表面

LL1、LL2‧‧‧直線

Claims (31)

1. 一種圓極化天線，包括：一基板，具有一第一表面和一第二表面；一饋入件，設置於該第一表面；一接地面，設置於該第二表面，且該接地面具有一孔洞；一調節支段，設置於該第二表面，且該調節支段連接於該孔洞之一邊緣；以及一腔室結構，連接於該接地面，且該腔室結構用以反射一電磁波。
2. 如申請專利範圍第1項所述之圓極化天線，其中該孔洞為一圓形。
3. 如申請專利範圍第1項所述之圓極化天線，其中該饋入件為一直條形。
4. 如申請專利範圍第1項所述之圓極化天線，其中該調節支段為一直條形。
5. 如申請專利範圍第1項所述之圓極化天線，其中該接地面之一部分、該饋入件以及該調節支段係共同受激發產生一頻帶。
6. 如申請專利範圍第5項所述之圓極化天線，其中該頻帶介於69GHz和73GHz之間。
7. 如申請專利範圍第5項所述之圓極化天線，其中該圓極化天線於該頻帶中之一軸比係小於5dB。
8. 如申請專利範圍第1項所述之圓極化天線，其中該腔室結構係覆蓋該孔洞之一空心金屬外殼。
9. 如申請專利範圍第1項所述之圓極化天線，其中該腔室結構包括：一腔室基板；一腔室接地面，設置於該腔室基板之一表面；以及複數個穿透件，穿過該腔室基板，並環繞該孔洞，且連接於該接地面和該腔室接地面之間。
10. 如申請專利範圍第9項所述之圓極化天線，其中該複數個穿透件係間隔一既定距離排列。
11. 如申請專利範圍第10項所述之圓極化天線，其中該既定距離係小於0.6mm。
12. 一種圓極化天線，包括：一第一天線元件，包括：一基板，具有一第一表面和一第二表面；一饋入件，設置於該第一表面；一接地面，設置於該第二表面，且該接地面具有一孔洞；一第一調節支段，設置於該第二表面，且該第一調節支段連接於該孔洞之一邊緣；以及一第二調節支段，設置於該第二表面，且該第二調節支段連接於該孔洞之該邊緣。
13. 如申請專利範圍第12項所述之圓極化天線，其中該孔洞為一圓形。
14. 如申請專利範圍第12項所述之圓極化天線，其中該饋入件為一直條形。
15. 如申請專利範圍第12項所述之圓極化天線，其中 該第一調節支段和該第二調節支段為一直條形。
16. 如申請專利範圍第12項所述之圓極化天線，其中該接地面之一部分、該饋入件、該第一調節支段以及該第二調節支段係共同受激發產生一頻帶。
17. 如申請專利範圍第16項所述之圓極化天線，其中該頻帶介於58GHz和71GHz之間。
18. 如申請專利範圍第16項所述之圓極化天線，其中該圓極化天線於該頻帶中之一軸比係小於5dB。
19. 如申請專利範圍第12項所述之圓極化天線，其中該第一天線元件更包括：一腔室結構，連接於該接地面，且該腔室結構用以反射一電磁波。
20. 如申請專利範圍第19項所述之圓極化天線，其中該腔室結構係覆蓋該孔洞之一空心金屬外殼。
21. 如申請專利範圍第19項所述之圓極化天線，其中該腔室結構包括：一腔室基板；一腔室接地面，設置於該腔室基板之一表面；以及複數個穿透件，穿過該腔室基板，並環繞該孔洞，且連接於該接地面和該腔室接地面之間。
22. 如申請專利範圍第21項所述之圓極化天線，其中該複數個穿透件係間隔一既定距離排列。
23. 如申請專利範圍第22項所述之圓極化天線，其中該既定距離係小於0.6mm。
24. 如申請專利範圍第12項所述之圓極化天線，其中 該第一調節支段和該第二調節支段之間的一第一夾角係小於45度。
25. 如申請專利範圍第12項所述之圓極化天線，其中該第一調節支段或該第二調節支段與該饋入件之間的一第二夾角係小於90度。
26. 如申請專利範圍第12項所述之圓極化天線，更包括：一第二天線元件，與該第一天線元件相同。
27. 如申請專利範圍第26項所述之圓極化天線，其中該第一天線元件和該第二天線元件係佈置形成一循序旋轉陣列。
28. 如申請專利範圍第26項所述之圓極化天線，更包括：一第三天線元件，與該第一天線元件相同；以及一第四天線元件，與該第一天線元件相同。
29. 如申請專利範圍第28項所述之圓極化天線，其中該第一天線元件、該第二天線元件、該第三天線元件，以及該第四天線元件係佈置形成一循序旋轉陣列。
30. 如申請專利範圍第29項所述之圓極化天線，其中該循序旋轉陣列係受激發產生一陣列頻帶，該陣列頻帶介於55GHz和70GHz之間。
31. 如申請專利範圍第30項所述之圓極化天線，其中該圓極化天線於該陣列頻帶中之一軸比係小於5dB。