TW201411935A - 陣列天線及其圓極化天線 - Google Patents

Abstract

一種陣列天線，其包括若干按照一定規律排列的圓極化天線，前述圓極化天線包括一平面狀接地層、與接地層相平行的一輻射單元及安裝在接地層上的訊號傳輸線。前述接地層上設有一安裝孔，訊號傳輸線包括電性絕緣地經過安裝孔並沿大致垂直於接地層方向延伸的中心導線以及電性連接至接地層的接地導線，輻射單元面向接地層設有供中心導線耦合的饋入點，前述陣列天線上的若干圓極化天線共用同一接地層。

Description

陣列天線及其圓極化天線

本發明涉及一種圓極化天線和具有該圓極化天線的陣列天線，特別是涉及一種用於傳輸毫米波的圓極化天線和具有該圓極化天線的指向性陣列天線。

隨著資料交換速率需求的不斷提升，特別是全高清視頻傳輸需求的出現，基於釐米波的無線傳輸技術已逐漸不能滿足需求。從21世紀初開始，無線通訊領域對基於毫米波，特別是60GHz頻段毫米波無線通訊技術的研究取得了顯著的進步，相對於IEEE 802.11 a/b/g/n使用的2.4GHz頻段和5GHz頻段而言，60GHz頻段擁有更多的可用帶寬。

請參閱2010年11月9日公告的美國專利第US 7,830,312號，該專利揭示了一種應用在60GHz 頻段的毫米波天線，前述毫米波天線包括平行設置的第一襯底及第二襯底，第一襯底及第二襯底上分別設有陣列天線。為了使分別位於第一襯底及第二襯底上的陣列天線之間耦合在一起，該毫米波天線採用了若干由金屬材料構成的通孔連接在兩者之間，這種組裝方法首先要求將第一襯底及第二襯底上的若干陣列天線與若干通孔分別對齊，這種通過金屬線路實現不同平面之間訊號傳輸的陣列天線組裝過程較為複雜。

本創作之主要目的在於提供一種結構簡單的陣列天線。

為達成上述目的，本發明可採用如下技術方案：提供一種陣列天線，其包括一平面狀接地層、與接地層相平行的一訊號輻射體及安裝在接地層上的訊號傳輸線。前述接地層上設有一安裝孔，訊號傳輸線包括經過該安裝孔的中心導線及電性連接至接地層的接地導線，中心導線沿大致垂直於接地層的方向朝訊號輻射體延伸。前述訊號輻射體包括若干間隔設置並平行於接地層的輻射單元，前述輻射單元朝接地層垂直延伸設有與中心導線耦合的輻射柱，該輻射柱與中心導線在空間內利用波導傳輸高頻訊號。

前述陣列天線因具有簡單的結構而易於組裝，且在較大的帶寬反範圍內具有衰減量小的優點。

本創作之主要目的還在於提供一種結構簡單的圓極化天線。

為達成上述目的，本發明可採用如下技術方案：提供一圓極化天線，其包括一平面狀接地層、與接地層相平行的一輻射單元及安裝在接地層上的訊號傳輸線。前述接地層上設有一安裝孔，訊號傳輸線包括電性絕緣地經過安裝孔並沿大致垂直於接地層方向延伸的中心導線以及電性連接至接地層的接地導線，其中，輻射單元面向接地層設有供中心導線耦合的饋入點。

前述圓極化天線天線結構簡單，衰減量小。

本發明所揭示之圓極化天線及其陣列天線工作於極高頻無線網路用以收發60GHz頻段對應的毫米波訊號。請參閱第一圖，所示為符合本發明的圓極化天線100包括一由片狀金屬構成的平面狀接地層40、與接地層40相平行的一輻射單元30及安裝在接地層40上的訊號傳輸線5。

前述接地層40上設有安裝孔401，訊號傳輸線5包括經過該安裝孔401的中心導線51、電性連接至接地層40的接地導線52、位於接地導線52與中心導線51之間的第一絕緣層53及包覆在接地導線52外的第二絕緣層50，中心導線51沿大致垂直於接地層40的方向朝輻射單元30延伸。

前述輻射單元30大致成片狀的圓形並在其周邊設有一對凹口302，該凹口302沿輻射單元30的中心對稱設置。輻射單元30偏離其中心朝接地層40垂直延伸設有輻射柱311。高頻信號直接從輻射柱311上的任意位置作為饋入點輸入，中心導線51與輻射柱311中間不需要波導。中心導線51與輻射柱311均係由柱狀金屬構成，是以，中心導線51的末端直接與輻射單元30電性接觸以替代輻射柱311也能形成圓極化天線(未圖示)。

第二圖係圓極化天線100在主波束方向上的軸化比率與操作頻率之間關係的模擬曲線圖，從第二圖中可以看出，單一的輻射單元30在約為59.35 GHz 至60.70 GHz之間的頻段內，其主波束方向上的軸化比率低於2 dB，換言之，本發明所揭示之單一的輻射單元30結合接地層40構成圓極化天線之軸化比率的2 dB頻寬約為1.35 GHz。

第三圖係圓極化天線100之峰值增益（Peak Gain）在50 GHz至70 GHz頻段內的模擬曲線圖，其中測試曲線801為理論峰值增益，測試曲線802 係為計算反射損失後的峰值增益，從第三圖中可以看出，符合本發明的輻射單元30在增益為10以上具有較寬的頻寬。

第四圖係圓極化天線100之輻射場型模擬曲線，其中測試曲線803為水平面上的輻射場型圖，測試曲線804係豎直方向上的輻射場型圖，可見，符合本發明的輻射單元30在整個空間上均具有較好的輻射效果。第五圖係圓極化天線100在60 GHz頻段左右的史密斯圖(Smith Chart)，第六圖係圓極化天線100在50 GHz至70 GHz 頻段的回波損耗與頻率的關係曲線模擬圖，從第六圖可見，該圓極化天線100對應天線之回波損耗小於-10 Db的頻寬大約從57.7 GHz到67.8 GHz。

請一併參閱第七圖至第十圖，所示為符合本發明所提供之第一實施方式的陣列天線1000，前述陣列天線1000包括一接地層40、與接地層40相平行的一訊號輻射體200及安裝在接地層40上的訊號傳輸線5。為了獲得較好的收發效果，本方式中，接地層40係來自一接地輻射體400。

前述接地輻射體400包括前述接地層40以及自接地層40整個周邊朝訊號輻射體200延伸的環狀側緣42，環狀側緣42內部形成一空腔60，接地輻射體400還包括填充在空腔60內的絕緣材料41。絕緣材料41朝訊號輻射體200開設有若干固持孔410，然，絕緣材料41作為一種波導載體並非係本發明的必要特徵，在其他實施方式中本發明還可選擇性地使用空氣作為波導。

訊號輻射體200包括間隔設置在以中心導線51為軸心的第一圓周(未圖示)上的六個輻射單元30，以及設置在接地層40與輻射單元30之間的一反射層20，前述反射層20上對應輻射單元30設有若干通孔201，前述輻射單元30朝接地層40延伸設有穿過通孔201的輻射柱301，輻射柱301被設置成在空間上與中心導線51平行耦合。反射層20與前述接地層40及其環狀側緣42構成一大致封閉的空間以減少高頻訊號的散逸損失，有益於輻射柱301及中心導線51之間的訊號傳輸。優選地，該等六個輻射單元30的輻射柱301將前述第一圓周等分為六份。

請參閱第十一圖，所示為陣列天線1000在主波束方向上的軸化比率與天線操作頻率之間關係的模擬曲線圖，從第十一圖中可以看出，陣列天線1000在約為59.20 GHz 至60.85 GHz之間的頻段內，其主波束方向上的軸化比率低於2 dB。結合第二圖可以看出，將六個輻射單元30陣列所得的陣列天線1000之軸化比率的2 dB頻寬相對於圓極化天線100增加了0.3 GHz。該改善從第十二圖可以更為明顯的看出，第十二圖係符合本發明的陣列天線1000之峰值增益（Peak Gain）在50 GHz至70 GHz頻段內的仿真圖，其中測試曲線805為理論峰值增益，測試曲線806表示包括反射損失在內的增益值，明顯地，第一實施方式之增益為10的頻寬幾乎佔據了除66 GHz至67 GHz頻段以外的整個50 GHz至70 GHz頻段。

請參閱第十三圖，所示為符合本發明的第二實施方式的仰視圖，係在第一實施方式的基礎上增加十二個輻射單元23形成在陣列天線1000的外圍以獲得陣列天線2000，輻射單元23設置在以中心導線51為圓心的第二圓周上(未圖示)，輻射單元23的輻射柱231將前述第二圓周十二等分。前述輻射單元23與前述輻射單元30形狀大小相同，惟，所延伸出之輻射柱231長度稍大於輻射柱301的長度，長度關係可直接參閱第二十五圖。輻射單元23具有與輻射單元30的凹口302相同大小的對稱設置的一對凹口232，前述凹口302與凹口232的開口方向一致。

第十四圖所示為符合本發明的第三實施方式的仰視圖，該實施方式所揭示的陣列天線2001係在第二實施方式的基礎上將凹口232的指向調整為與凹口302垂直，其餘特徵與第二實施方式中的陣列天線2000相同。

第十五圖係本發明第二實施方式所揭示的陣列天線2000及第三實施方式所揭示的陣列天線2001的軸化比率與天線操作頻率之間關係的模擬曲線對比圖，其中測試曲線901係對應第二實施方式之陣列天線2000，測試曲線902對應第三實施方式之陣列天線2001，籍此可以看出，第三實施方式在軸化比率小於2 dB的頻寬上優於第二實施方式。第十六圖係第二實施方式與第三實施方式在57 GHz至63 GHz頻段內的增益曲線模擬圖，其中測試曲線903係第二實施方式的增益隨頻率變化圖，測試曲線904係第三實施方式的增益隨頻率變化圖。

第十七圖所示為符合本發明的第四實施方式的仰視圖，在第二實施方式的基礎上增加十八個輻射單元33形成在第二實施方式的外圍以形成陣列天線3000，輻射單元33設置在以中心導線51為圓心的第三圓周上(未圖示)，輻射單元33同樣設有偏離中心的輻射柱331並將前述第三圓周十八等分。前述輻射單元33與前述輻射單元30及輻射單元23的形狀大小相同，惟，所延伸出之輻射柱331長度稍大於輻射柱231的長度，該處可直接參閱第二十五圖。輻射單元33具有與輻射單元30的凹口302相同大小且對稱設置的一對凹口332，前述陣列天線3000上的凹口332與凹口232及凹口302的開口方向一致。

第十八圖所示係符合本發明第四實施方式的陣列天線3000的軸化比率與操作頻率之間的關係曲線模擬圖，第十九圖係本發明第四實施方式之峰值增益在57 GHz至63 GHz頻段內隨頻率變化的仿真圖，可見第四實施方式在57 GHz至63 GHz頻段上的增益可以達到16以上。

請參閱第二十圖，所示為符合本發明第五實施方式的陣列天線3001，係從第四實施方式中，調整第二圓周上的輻射單元23之凹口232的指向至與凹口302及凹口332的指向垂直所得。與陣列天線3000相比，第五實施方式係將位於中間第二圓周上之輻射單元23的凹口232繞輻射柱231旋轉即可實現，惟，籍此調整，可獲得更為理想的陣列天線。第二十一圖所示係第五實施方式所描述的陣列天線3001之軸化比率隨頻率變化的模擬曲線圖，將第二十一圖與第十八圖比較可明顯看出，經過凹口232指向改變之後的陣列天線軸化比率可以在在57 GHz至63 GHz頻段內整體降低到4dB以下。第二十二圖係第五實施方式之峰值增益在57 GHz至63 GHz頻段內隨頻率變化的仿真圖，可見第五實施方式在57 GHz至63 GHz頻段上的增益可以進一步提高到22以上。

第二十三圖揭示符合本發明第六實施方式之陣列天線4000，陣列天線4000係在第四實施方式的基礎上再增加二十四個輻射單元43，輻射單元43設置在以中心導線51為圓心的第四圓周上(未圖示)，輻射單元43設有偏離中心的輻射柱431並將前述第四圓周等分為二十四份。前述輻射單元43與前述輻射單元30的形狀大小相同，惟，所延伸出之輻射柱431長度稍大於輻射柱231的長度。請參閱第二十五圖，為更清楚的體現出陣列天線5000的內部結構，此處有意將環狀側緣42消除，惟，需知符合本發明的各實施例中，空腔60以周邊封閉為佳。前述輻射單元43具有與輻射單元30上凹口302相同大小且對稱設置的一對凹口432，前述凹口432的指向平行於凹口332、凹口232及凹口302的指向。

第二十四圖揭示符合本發明第七實施方式之陣列天線5000，係由第六實施方式改良所得，將第六實施方式中第四圓周上的輻射單元43繞輻射柱431旋轉至凹口432的開口方向垂直於凹口332的開口方向，又，將第二圓周上的輻射單元23繞輻射柱231旋轉至凹口232的開口方向垂直於凹口302的開口方向，其中凹口302的開口方向係與凹口332的開口方向平行。

第二十六圖係本發明第六實施方式及第七實施方式的軸化比率與天線操作頻率之間關係的模擬曲線圖，其中測試曲線905係對應陣列天線4000，測試曲線906對應陣列天線5000，從該圖中可以看出，陣列天線5000在軸化比率小於2 dB的頻寬上優於陣列天線4000。第二十七圖係第六實施方式及第七實施方式在57 GHz至63 GHz頻段內的增益曲線模擬圖，其中測試曲線907係陣列天線4000的增益隨頻率變化圖，測試曲線908係陣列天線5000之增益隨頻率變化圖，由圖可見，第七實施方式之陣列天線5000在57 GHz至63 GHz頻段內增益值均大於23優於第六實施方式之陣列天線4000。

自以上實施方式之測試結果可以預見，陣列的輻射單元越多，天線的效果越好。相比習知技術，本發明所揭示之陣列天線結構簡單，衰減量小。在極高頻無線網路中，具有較好的增益效果及較理想的帶寬。

綜上前述，本發明確已符合發明專利之要件，爰依法提出專利申請。惟，以上前述者僅係本發明之較佳實施方式，本發明之範圍並不以上述實施方式爲限，舉凡熟習本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

100．．．圓極化天線

200．．．訊號輻射體

20．．．反射層

201．．．通孔

30．．．輻射單元

400．．．接地輻射體

40．．．接地層

401．．．安裝孔

41．．．絕緣材料

410．．．固持孔

42．．．環狀側緣

5．．．訊號傳輸線

50．．．第二絕緣層

51．．．中心導線

52．．．接地導線

53．．．第一絕緣層

60．．．空腔

301,311,231,331,431．．．輻射柱

302,232,332,432．．．凹口

1000,2000,2001,3000,3001,4000,5000．．．陣列天線

801,802,803,804,805,806．．．測試曲線

901,902,903,904,905,906,907,908．．．測試曲線

第一圖係符合本發明圓極化天線的立體分解圖。

第二圖係第一圖所示之圓極化天線軸化比率隨操作頻率變化的測試圖。

第三圖係符合本發明之圓極化天線的峰值增益與操作頻率之間的關係示意圖。

第四圖係符合本發明之圓極化天線的輻射場型圖。

第五圖係符合本發明之圓極化天線的史密斯圖(Smith Chart)。

第六圖係符合本發明之圓極化天線回波損耗隨操作頻率變化的測試圖。

第七圖係符合本發明第一實施方式陣列天線的立體分解圖。

第八圖係第七圖所示第一實施方式陣列天線另一視角的立體分解圖。

第九圖係第七圖所示第一實施方式陣列天線的下視圖。

第十圖係第九圖所示第一實施方式陣列天線沿X-X方向的剖視圖。

第十一圖係第七圖所示之陣列天線軸化比率隨操作頻率變化的測試圖。

第十二圖係符合本發明之陣列天線的峰值增益與操作頻率之間的關係示意圖。

第十三圖係符合本發明第二實施方式陣列天線的下視圖。

第十四圖係符合本發明第三實施方式陣列天線的下視圖。

第十五圖係第十三圖所示與第十四圖所示之不同陣列天線軸化比率隨操作頻率變化的對比圖。

第十六圖係第十三圖所示與第十四圖所示之不同陣列天線的峰值增益隨操作頻率變化曲線對比圖。

第十七圖係符合本發明第四實施方式陣列天線的下視圖。

第十八圖係第十七圖所示陣列天線軸化比率隨操作頻率變化的測試圖。

第十九圖係第十七圖所示陣列天線的峰值增益隨操作頻率變化曲線測試圖。

第二十圖係符合本發明第五實施方式陣列天線的下視圖。

第二十一圖係第二十圖所示陣列天線軸化比率隨操作頻率變化的測試圖。

第二十二圖係第二十圖所示陣列天線的峰值增益隨操作頻率變化曲線圖。

第二十三圖係符合本發明第六實施方式陣列天線的下視圖。

第二十四圖係符合本發明第七實施方式陣列天線的下視圖。

第二十五圖係第二十三圖所示陣列天線的側視圖。

第二十六圖係第二十三圖所示與第二十四圖所示之不同陣列天線的軸化比率隨操作頻率變化的對比圖。

第二十七圖係第二十三圖所示與第二十四圖所示之不同陣列天線的峰值增益隨操作頻率變化曲線對比圖。

1000．．．陣列天線

5．．．訊號傳輸線

40．．．接地層

401．．．安裝孔

42．．．環狀側緣

60．．．空腔

41．．．絕緣材料

410．．．固持孔

20．．．反射層

201．．．通孔

30．．．輻射單元

301．．．輻射柱

Claims (10)

1. 一種陣列天線，其包括：
   一接地層，係平面狀並設有一安裝孔；
   一訊號輻射體，係與接地層平行設置；及
   一訊號傳輸線，包括中心導線及電性連接至接地層的接地導線；
   其中，前述中心導線經過前述安裝孔沿大致垂直於接地層方向朝訊號輻射體延伸，訊號輻射體包括若干間隔設置並平行於接地層的輻射單元，前述輻射單元朝接地層垂直延伸設有與中心導線耦合的輻射柱。
2. 如申請專利範圍第1項前述之陣列天線，其中前述訊號輻射體還包括設置在接地層與輻射單元之間的反射層，反射層上設有若干通孔可容納輻射柱通過。
3. 如申請專利範圍第2項前述之陣列天線，其中前述接地層與反射層的周邊圍設有將兩者相連的金屬側緣，接地層、反射層及金屬側緣三者大致構成一封閉的輻射空間。
4. 如申請專利範圍第1項前述之陣列天線，其中前述輻射單元大致成圓形並於該圓形的周邊設有一對對稱的凹口，前述若干輻射單元位於同一平面。
5. 如申請專利範圍第1項前述之陣列天線，其中前述輻射柱偏離輻射單元的中心並與中心導線平行。
6. 如申請專利範圍第1項前述之陣列天線，其中前述輻射柱設置在以中心導線為軸心的圓周上，與中心導線距離相同的若干輻射柱將其所在的圓周等分。
7. 如申請專利範圍第1項前述之陣列天線，其中與中心導線距離相同的輻射柱具有相同的長度。
8. 如申請專利範圍第7項前述之陣列天線，其中前述輻射柱的長度隨著離中心導線的距離增加而增加，惟，輻射柱的長度始終小於輻射單元與接地層之間的距離。
9. 一種圓極化天線，其包括：
   一接地層，係平面狀並設有一安裝孔；
   一輻射單元，係與接地層平行設置；及
   一訊號傳輸線，包括電性絕緣地經過安裝孔並沿大致垂直於接地層方向延伸的中心導線以及電性連接至接地層的接地導線，其中，輻射單元面向接地層設有供中心導線耦合的饋入點。
10. 如申請專利範圍第9項前述之圓極化天線，其中前述輻射單元大致成圓形並於該圓形的周邊設有一對對稱的凹口，前述輻射單元偏離其中心垂直延伸設有輻射柱，前述饋入點係位於輻射柱上。