TW201814968A - 頻率可重組之圓極化天線 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種頻率可重組之圓極化天線，包含金屬共振腔、天線基板以及天線輻射板。金屬共振腔具有開口。天線基板設置於金屬共振腔之開口。天線輻射板設置於天線基板上，其中天線輻射板包含複數個開槽孔以及複數個金屬條組，其中每兩相鄰之開槽孔之間具有多個金屬條組之一者。

Description

頻率可重組之圓極化天線

本發明是有關於一種圓極化天線，且特別是有關於一種頻率可重組之圓極化天線。

物聯網(Internet of Things，IoT)是目前很重要且蓬勃發展的一個產業，微軟創辦人比爾蓋茲在1955年出版的書「未來之路」中首次提及物聯網的構想，遺失的相機可以自動發送所在位置給失主。在2005年由國際電信聯盟正式提出物聯網的概念，物聯網是一個廣大的物物相連的應用領域。物聯網可以分為三個階層：感知層、網路層與應用層，其中無線辨識(Radio Frequency Identification，RFID)系統便是感知層中一個重要的元件。

RFID系統的元件包含標籤與讀卡機，標籤主要貼於物體或貨物上，讀卡機則是將物體或貨物上的標籤中的資料讀入，轉成資訊後傳送至電腦或網路雲端，並和資料庫結合來執行管控，例如管控物品流向、貨物盤點或是電子錢包扣款等應用。因為透過RFID系統來實現作業自動化是便 利且低成本的方式，因此RFID系統廣泛地使用在倉儲業與物流業等需要大量貨物盤點的領域上。

RFID系統從125KHz到5.8GHz的頻段皆有其應用，低頻的RFID通常採用線圈感應方式，高頻的RFID則通常採用電容式電場效應，需要一個天線用以輻射並抓取電磁波能量。而關於天線的設計，因世界各國的法規頻段不相同，一般採用全頻域的寬頻天線設計，以降低天線生產量與庫存量，但寬頻天線設計通常會造成天線體積龐大，且容易接收到不需要的頻段的雜訊，因此需要使用額外的高性能濾波器來濾除這些雜訊。

以中國民國專利公告號M429184為例，其提供一種在不影響天線輻射效能情況下可有效縮小天線尺寸的圓極化天線，此天線是利用一個功率分配器來設計，因此具有圓極化軸比頻寬大之優點。上述專利雖能有效縮小天線尺寸，但此天線為雙面輻射，若環境周圍有許多金屬將會使天線效能及工作能力改變，甚至無法正常工作。

中國民國專利公告號518800為一可調整頻率的圓極化天線，能夠透過改變槽孔寬度來調整工作頻率。但無法快速且方便地達到頻率調整的功能，且因為對於天線體積的精準度與天線的擺放位置相當敏感，因此在量產上將會是一個挑戰。

中華民國專利公告號I518989的圓極化天線是一個小型化天線，其在環境周圍有許多金屬亦不會使天線效能受到影響。此天線可簡單地透過修改結構參數，以調整天 線特性。但此天線一旦生產完畢後，天線工作頻率即固定，若要使此天線工作在不同頻率需要重新修改設計後再進行生產，因此在生產及庫存上將會是一個挑戰。

本發明之目的是在提供一種頻率可重組之圓極化天線，利用金屬共振腔及其上的天線輻射板來達成圓極化天線，且因天線輻射板的四周被金屬共振腔的金屬包圍，因此對於使用環境的容忍力佳。在生產完畢後，更可經由改變複數個金屬條組的連接型式來重組圓極化天線的工作頻率，且所述改變對於天線的圓極化特性不影響或影響甚小。

本發明提出一種頻率可重組之圓極化天線，包含金屬共振腔、天線基板、天線輻射板以及複數個金屬條組。金屬共振腔具有開口。天線基板設置於金屬共振腔之開口。天線輻射板設置於天線基板上，其中天線輻射板包含複數個開槽孔以及複數個金屬條組，其中每兩相鄰之開槽孔之間具有多個金屬條組之一者。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、200‧‧‧頻率可重組之圓極化天線

110‧‧‧金屬共振腔

112‧‧‧固定結構

114‧‧‧訊號接頭

120‧‧‧天線基板

130‧‧‧天線輻射板

130a‧‧‧輻射部

130b‧‧‧饋入部

132‧‧‧開槽孔

134‧‧‧饋入槽孔

136‧‧‧固定槽孔

140、240‧‧‧金屬條組

142、242‧‧‧金屬條

144‧‧‧金屬連接體

244‧‧‧粗調金屬連接體

246‧‧‧細調金屬連接體

150‧‧‧訊號饋入組件

152‧‧‧訊號部

154‧‧‧接地部

A-A’、B-B’‧‧‧切線

C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8‧‧‧曲線

SC‧‧‧固定件

當結合附圖閱讀時，根據下面詳細的描述可以更好地理解本揭露的態樣。應該強調的是，根據工業中的標準作法，各種特徵並沒有按比例繪示。實際上，為了清楚的 討論，各種特徵可以被任意增大或縮小。

[圖1]係繪示依照本發明之第一實施例的頻率可重組之圓極化天線的上視圖。

[圖2]係繪示依照本發明之第一實施例之沿著圖1之切線A-A’的頻率可重組之圓極化天線的剖視圖。

[圖3A]-[圖3D]係繪示依照本發明之第一實施例的具有不同金屬條連接型式之頻率可重組之圓極化天線的上視圖。

[圖4]係繪示依照本發明之第一實施例的頻率可重組之圓極化天線，於圖3A-圖3D的不同的金屬條之連接型式時的反射係數對頻率響應圖。

[圖5]係繪示依照本發明之第一實施例的頻率可重組之圓極化天線，於圖3A-圖3D的不同的金屬條之連接型式時的軸比圖。

[圖6]係繪示依照本發明之第一實施例之沿著圖1之切線B-B’的頻率可重組之圓極化天線的剖視圖。

[圖7]係繪示依照本發明之第二實施例的頻率可重組之圓極化天線的上視圖。

[圖8A]-[圖8C]係繪示依照本發明之第二實施例的具有不同金屬條連接型式之頻率可重組之圓極化天線的上視圖。

請參照圖1，圖1係繪示依照本發明之第一實施例的頻率可重組之圓極化天線100的上視圖。頻率可重組之圓極化天線100包含金屬共振腔110、天線基板120以及天線輻射板130。金屬共振腔110具有開口，而天線基板120則設置於此開口。天線輻射板130設置於天線基板120上且包含複數個開槽口132以及複數個金屬條組140。每兩相鄰之開槽孔132之間具有多個金屬條組140之一者。在本實施例中，天線基板120為FR4基板，天線輻射板130為金屬板，但本發明之實施例並不受限於此。

在本實施例中，開槽孔132係分別位於天線輻射板130的四個邊且互相對稱地排列。然而，本發明之實施例並不受限於此。在本發明之其他實施例中，開槽孔132只要環繞天線輻射板130中央排列並可達到所需求的天線特性即可。

請參照圖2，圖2係繪示依照本發明之第一實施例之沿著圖1之切線A-A’的頻率可重組之圓極化天線100的剖視圖。頻率可重組之圓極化天線100更包含訊號饋入組件150，其中訊號饋入組件150包含訊號部152與接地部154。訊號部152電性連接至天線輻射板130，接地部154電性連接至金屬共振腔110。

請再參照圖2，金屬共振腔110的外表面可設置有訊號接頭114。訊號接頭114的訊號端電性連接至訊號饋入組件150的訊號部152，訊號接頭114的接地端電性連接至金屬共振腔110。

請再參照圖1與圖2，天線輻射板130更具有饋入槽孔134，其係位於天線輻射板130的對角線上。饋入槽孔134將天線輻射板130分隔為彼此電性隔離的輻射部130a和饋入部130b。饋入部130b經由訊號饋入組件150的訊號部152電性連接至訊號接頭114的訊號端，訊號接頭114接收饋入訊號至饋入部130b，並接著採用電容耦合之方式將饋入訊號耦合至輻射部130a，藉此來激發頻率可重組之圓極化天線100。在本實施例中，訊號接頭114為SMA接頭，其連接一同軸電纜來接收饋入訊號，但本發明之實施例並不受限於此。

請回到圖1，在本實施例中，每一金屬條組140包含複數個金屬條142以及複數個金屬連接體144。金屬連接體144係位於金屬條142之間，以電性連接金屬條142。在本發明之其他實施例中，每一金屬條組包含複數個金屬條及複數個開關。開關位於金屬條之間，以根據外部提供的控制訊號來電性連接或電性隔離金屬條。在本發明之其他實施例中，此開關可為二極體開關，但本發明之實施例並不受限於此。

由於本實施例之金屬條組140具有金屬連接體144，使用者可透過移除金屬連接體144來電性隔離金屬條組140中的金屬條142，進而調整頻率可重組之圓極化天線100的工作頻率範圍。以下將列舉幾種連接金屬條連接型式來說明工作頻率範圍的變化。

請參照圖3A-3D，其係繪示依照本發明之第一 實施例的具有不同金屬條142連接型式之頻率可重組之圓極化天線100的上視圖。如圖3A所示，在圖3A之例示中，各金屬條組140的金屬連接體144均被移除，各金屬條142未相互連接。如圖3B所示，在圖3B之例示中，各金屬條組140中的第一個金屬條142透過金屬連接體144相互連接。如圖3C所示，在圖3C之例示中，各金屬條組140中的前兩個金屬條142透過金屬連接體144相互連接。如圖3D所示，在圖3D之例示中，各金屬條組140中的金屬條142皆被金屬連接體144所連接。

請參照圖4，係繪示依照本發明之第一實施例的頻率可重組之圓極化天線100，於圖3A-3D的不同的金屬條142之連接型式時的反射係數對頻率響應圖。圖4中的曲線C1表示頻率可重組之圓極化天線100依據圖3A的金屬條142之連接型式時的反射係數對頻率響應圖；圖4中的曲線C2表示頻率可重組之圓極化天線100依據圖3B的金屬條142之連接型式時的反射係數對頻率響應圖；圖4中的曲線C3表示頻率可重組之圓極化天線100依據圖3C的金屬條142之連接型式時的反射係數對頻率響應圖；圖4中的曲線C4表示頻率可重組之圓極化天線100依據圖3D的金屬條142之連接型式時的反射係數對頻率響應圖。由圖4可知，當金屬條組140的各金屬條142其間相互連接的越多時，因為電流路徑變長，所以頻率可重組之圓極化天線的工作頻段往低頻飄移，且在各自的工作頻段內其反射損失(Return loss)皆小於10dB，具有良好的天線輻射效能。

請參照圖5，係繪示依照本發明之第一實施例的頻率可重組之圓極化天線100，於圖3A-3D的不同的金屬條142之連接型式時的軸比圖。圖5中的曲線C5表示頻率可重組之圓極化天線100依據圖3A的金屬條142之連接型式時的軸比圖；圖5中的曲線C6表示頻率可重組之圓極化天線100依據圖3B的金屬條142之連接型式時的軸比圖；圖5中的曲線C7表示頻率可重組之圓極化天線100依據圖3C的金屬條142之連接型式時的軸比圖；圖5中的曲線C8表示頻率可重組之圓極化天線100依據圖3D的金屬條142之連接型式時的軸比圖。由圖5可知，當金屬條組140的各金屬條142其間相互連接的越多時，因為電流路徑變長，頻率可重組之圓極化天線的軸比頻段往低頻飄移，且在各自的工作頻段內其軸比皆小於3dB，具有良好的天線圓極化輻射效能。

由上述說明可知，本發明之第一實施例的頻率可重組之圓極化天線100可透過移除金屬條組140中的金屬連接體144來改變工作頻率範圍，故使用者可藉由適當地移除金屬連接體144來將頻率可重組之圓極化天線100的工作頻率範圍調整至想要的目標頻率範圍。以下將介紹如何將頻率可重組之圓極化天線100的工作頻率範圍調整至想要的目標頻率範圍。

請回到圖3A-3D，在第一實施例中，金屬連接體144的移除可被用以調整頻率可重組之圓極化天線100的頻率。如圖3D所示，當使用者進行頻率調整時，可先移除最靠外部的四個金屬連接體144，以使頻率可重組之圓極化 天線100的工作頻率範圍往目標頻率範圍接近，如圖3C所示。接著，若頻率可重組之圓極化天線100的工作頻率範圍與目標頻率範圍仍具有很大的差距，則繼續移除較靠內部的四個金屬連接體144，以調整頻率可重組之圓極化天線100的工作頻率範圍，如圖3B所示。同樣地，若頻率可重組之圓極化天線100的工作頻率範圍與目標頻率範圍仍具有很大的差距，則繼續移除最靠內部的四個金屬連接體144，以調整頻率可重組之圓極化天線100的工作頻率範圍，如圖3A所示。如此便可使得頻率可重組之圓極化天線100的工作頻率範圍與目標頻率範圍接近趨於一致。

值得一提的是，為了使頻率可重組之圓極化天線100保持圓極化輻射效果，金屬條組140的調整必須對稱。例如，當使用者欲進行工作頻段調整時，金屬條組140中的金屬連接體144必須被對稱地移除。

另外，本發明實施例之開槽孔132、金屬條組140、金屬條142及金屬連接體144的數量並不受限於上述之第一實施例。在本發明之其他實施例中，可根據使用者的實際需求來改變開槽孔132、金屬條組140、金屬條142及金屬連接體144的數量。

請參照圖1和圖6，圖6係繪示依照本發明之第一實施例之沿著圖1之切線B-B’的頻率可重組之圓極化天線的剖視圖。在本實施例中，天線基板120和天線輻射板130更具有固定槽孔136，以供固定件SC將天線基板120固定於金屬共振腔110上。在本實施例中，固定件SC為螺絲，其係 貫穿天線輻射板130與天線基板120的固定槽孔136，並鎖固於金屬共振腔110之固定結構112中。由於固定槽孔136為漸縮之槽孔，當固定件SC鎖固於固定結構112時，固定件SC並不會與天線輻射板130接觸，以避免影響天線輻射板130。

藉由將天線基板120鎖固於金屬共振腔110上，可避免天線輻射板130隨著時間的累積而產生位移，從而導致天線特性被改變。

上述天線輻射板130、開槽孔132、饋入槽孔134及固定槽孔136的形狀亦不受限於上述的第一實施例，在本發明之其他實施例中，其可為規則幾何形。例如天線輻射板130可為方形、圓形、橢圓形、三角形或多邊形，開槽孔132、饋入槽孔134及固定槽孔136各可為方形、圓形、橢圓形、三角形、半圓形或多邊形。在如圖1之第一實施例中，天線輻射板130為規則幾何形，開槽孔132、饋入槽孔134及固定槽孔136皆為圓形。

請參照圖7，圖7係繪示依照本發明之第二實施例的頻率可重組之圓極化天線200的上視圖。頻率可重組之圓極化天線200係類似於頻率可重組之圓極化天線100，但不同之處在於頻率可重組之圓極化天線200具有多個金屬條組240，每一金屬條組240包含複數個金屬條242、複數個粗調金屬連接體244以及複數個細調金屬連接體246。粗調金屬連接體244係位於金屬條242之間，細調金屬連接體246係位於金屬條242內，分別用以電性連接金屬條242。 在本發明之其他實施例中，每一金屬條組包含複數個金屬條及複數個開關。開關位於金屬條之間與金屬條內，以根據外部提供的控制訊號來電性連接或電性隔離金屬條。在本發明之其他實施例中，此開關可為二極體開關，但本發明之實施例並不受限於此。

另外，本發明實施例之金屬條組240、金屬條242、粗調金屬連接體244以及細調金屬連接體246的數量並不受限於上述第二實施例。在本發明之其他實施例中，可根據使用者的實際需求來改變金屬條組240、金屬條242、粗調金屬連接體244以及細調金屬連接體246的數量。

在本發明之第二實施例中，使用者可透過移除粗調金屬連接體244或細調金屬連接體246來電性隔離金屬條組240中的金屬條242，進而更精細地調整頻率可重組之圓極化天線200的工作頻率範圍。以下將介紹如何將頻率可重組之圓極化天線200的工作頻率範圍更精細地調整至想要的目標頻率範圍。

請參照圖8A-8C，係繪示依照本發明之第二實施例的具有不同金屬條242連接型式之頻率可重組之圓極化天線200的上視圖。在本實施例中，粗調金屬連接體244的移除可被用以大幅地調整頻率可重組之圓極化天線200，細調金屬連接體246的移除可被用以小幅地調整頻率可重組之圓極化天線200的頻率。如圖8A所示，當使用者進行頻率調整時，可先移除最靠外部的四個粗調金屬連接體244，以使頻率可重組之圓極化天線200的工作頻率範圍大 幅地往目標頻率範圍接近，如圖8B所示。接著，若頻率可重組之圓極化天線200的工作頻率範圍與目標頻率範圍仍具有很大的差距，則繼續移除較靠內部的粗調金屬連接體244，以大幅度地調整頻率可重組之圓極化天線200的工作頻率範圍。反之，若頻率可重組之圓極化天線200的工作頻率範圍與目標頻率範圍之差距不大，使用者可接著移除細調金屬連接體246，以使頻率可重組之圓極化天線200的工作頻率範圍小幅地往目標頻率範圍接近，如圖8C所示。如此便可使得頻率可重組之圓極化天線200的工作頻率範圍與目標頻率範圍接近趨於一致。

值得一提的是，為了使頻率可重組之圓極化天線100保持圓極化輻射效果，金屬條組240的調整必須對稱。例如，當使用者欲進行大幅地頻率調整時，粗調金屬連接體244必須被對稱地移除。又例如，當使用者欲進行小幅地頻率調整時，細調金屬連接體246必須被對稱地移除。綜合上述說明，本發明實施例之頻率可重組之圓極化天線採用平板天線(Patch Antenna)為架構，並具有複數個金屬條組，透過改變金屬條組之連接型式來改變電流路徑，可調整頻率可重組之圓極化天線的工作頻段，來達到預設的目標頻段。其次，本發明實施例之頻率可重組之圓極化天線可包含固定件，以將天線基板固定於金屬共振腔上，進而避免頻率可重組之圓極化天線的特性改變。再者，本發明實施例之頻率可重組之圓極化天線可採取單饋入的方式，饋入訊號由天線輻射板的對角線上的饋入部饋入，並接著電容耦合至天線 輻射板的輻射部，達到激發頻率可重組之圓極化天線所需的兩個垂直模態，使得頻率可重組之圓極化天線對使用環境的容忍力佳，且可讓使用者簡單地自行調整頻率可重組之圓極化天線的工作頻段，滿足各種不同的天線需求。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，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。

Claims (10)

1. 一種頻率可重組之圓極化天線，其包含：一金屬共振腔，具有一開口；一天線基板，設置於該金屬共振腔之該開口；以及一天線輻射板，設置於該天線基板上，其中該天線輻射板包含複數個開槽孔以及複數個金屬條組，其中每兩相鄰之該些開槽孔之間具有該些金屬條組之一者。
2. 如申請專利範圍第1項所述之頻率可重組之圓極化天線，更包含一訊號饋入組件，該訊號饋入組件之兩接點係分別電性連接至該天線輻射板與該金屬共振腔。
3. 如申請專利範圍第1項所述之頻率可重組之圓極化天線，更包含一饋入槽孔，藉由該饋入槽孔與該訊號饋入組件以利用電容耦合的方式來激發該頻率可重組之圓極化天線。
4. 如申請專利範圍第1項所述之頻率可重組之圓極化天線，其中每一該些金屬條組包含複數個金屬條以及複數個金屬連接體，該些金屬連接體位於該些金屬條之間，以電性連接該些金屬條。
5. 如申請專利範圍第1項所述之頻率可重組 之圓極化天線，其中每一該些金屬條組包含複數個金屬條以及複數個開關，該些開關位於該些金屬條之間，以根據一控制訊號來電性連接該些金屬條之至少一者。
6. 如申請專利範圍第3項所述之頻率可重組之圓極化天線，其中該些開關為二極體開關。
7. 如申請專利範圍第1項所述之頻率可重組之圓極化天線，更包含一固定件，其中該固定件貫穿該天線輻射板與該天線基板，以將該天線基板固定於該金屬共振腔上。
8. 如申請專利範圍第1項所述之頻率可重組之圓極化天線，其中天線基板係由介電物質所製成。
9. 如申請專利範圍第1項所述之頻率可重組之圓極化天線，其中該天線輻射板為一金屬板。
10. 如申請專利範圍第1項所述之頻率可重組之圓極化天線，其中該天線輻射板、該些開槽孔及該饋入槽孔為規則幾何形。