TW202013818A - 應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板 - Google Patents

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Abstract

一種應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，包括：電路板、第一外罩及第二外罩。電路板由絕緣層及設於兩側面各具有複數個裸空狀雙耦合元件的第一金屬層及第二金屬層所組成，且以該第一金屬層及該第二金屬層作為兩個反射介面端點，形成共振腔。該第一外罩及第二外罩分別設於該第一金屬層及第二金屬層的表面上。該選頻次反射板反射低頻率訊號，被反射的訊號將被低頻率接收器所接收，而高頻率訊號在穿透該選頻次反射板的雙耦合元件時，能使設計之目標訊號從入射端耦合至透射端，達到高穿透特性。

Description

應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板
本發明係有關一種選頻次反射板，尤指一種應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板。
目前市面上用於接收衛星傳輸的電視節目的衛星電視的天線系統大都由一拋物面主反射器(Parabolic main reflector)、一低頻率接收器(Modified LNB)、一高頻率收發器(Modified TRIA)及一選頻次反射板( Frequency Selective Surface of Sub-Reflector，FSS-SR)組成，且將該選頻次反射板結合在該低頻率接收器及該高頻率收發器之間。
當接收衛星電視訊號時，天線系統的拋物面主反射器會將該電視訊號反射到頻率選擇面上，該選頻次反射板會讓衛星電視訊號的高頻率訊號(K/ka-band feed)聚焦到高頻率收發器上接收，再通過電纜傳送到解碼器。而被選頻次反射板反射的低頻率訊號(Ku-band feed)則會聚焦到低頻率接收器上接收。
在天線系統在接收衛星電視訊號時，該選頻次反射板被當作是一個濾波器使用，讓衛星電視訊號的高頻率訊號穿透，低頻率訊號被反射。而現有的選頻次反射板係包括有一聚苯乙烯(PS）層，於該聚苯乙烯層的兩側面上各具有一網格狀的金屬層(Copper Layer)，再於二金屬層的表面上各設有一環氧玻璃布層壓板(FR4)。
由於上述該選頻次反射板所使用的介電材質及金屬層的圖案設計，以及現有的金屬層所使用的銅箔表面粗糙，平整度不足，易造成能量損耗提高，而影響高頻率訊號的穿透性。
因此，本發明之主要目的，在於本發明使用介電常數小，並且損耗正切值較小的介電物質，因此提高電磁波在選頻次反射板中的穿透速率、降低電磁能量的損耗、也使共振頻寬頻由窄變寬(Narrow to Broad band)。本發明同時搭配雙耦合元件的圖案設計，並以二金屬層作為兩個反射介面端點，使其成為一共振腔，以提升達到高穿透的特性，才能將訊號有效地從入射端方向耦合至透射端方向。另外本發明選擇適用於高頻並且表面較為平整等級的銅箔當作金屬層，使能量損耗率降得更低，以及加外罩防止生鏽。
為達上述之目的，本發明提供一種應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，該選頻次反射板可結合於天線系統上，位於高頻率收發器及低頻率接收器之間，該選頻次反射板包括：一電路板、一第一外罩及一第二外罩。該電路板由一絕緣層及設於該絕緣層兩側面各具複數個裸空狀雙耦合元件的第一金屬層及第二金屬層所組成，且以該第一金屬層及該第二金屬層作為兩個反射介面端點，形成共振腔。該第一外罩設於該電路板的第一金屬層的表面上。該第二外罩設於該電路板的第二金屬層上。該選頻次反射板反射低頻率訊號將被該低頻率接收器所接收，而高頻率訊號在穿透該選頻次反射板的雙耦合元件時，能使設計之目標訊號從入射端方向耦合至透射端方向，達到高穿透特性。
本發明之一實施例中，該雙耦合元件為同心雙環。
本發明之一實施例中，該同心雙環包含有一內環及一外環。
本發明之一實施例中，該外環縫隙的間距為0.2mm-0.6mm，半徑為0.9mm-1.5mm；該內環縫隙的間距為0.1mm-0.5mm，半徑為0.1mm-0.6 mm。
本發明之一實施例中，該同心雙環為圓形、方形、三角形或多角形。
本發明之一實施例中，以複數根的筆直元件以縱向及橫向交錯的排列成雙耦合元件。
本發明之一實施例中，以三支腳的各一端連結在一起，以連結成三腳的雙耦合元件，每一支腳之間的夾角為120度。
本發明之一實施例中，以三個錨的各一端連結在一起，以連結成三錨箭頭向外圖案的雙耦合元件，且每一個錨之間的夾角為120度。
本發明之一實施例中，以兩個I形的中央處交錯連結，以形成一耶路撒冷圖案的雙耦合元件。
本發明之一實施例中，以四個L的一端連結在一起，以連結成正方形的螺旋體圖案的雙耦合元件。
本發明之一實施例中，該雙耦合元件為十字形迴圈。
本發明之一實施例中，該雙耦合元件為三支腳迴圈，每一支腳迴圈之間的夾角為120度。
本發明之一實施例中，該雙耦合元件為圓形的迴圈。
本發明之一實施例中，該雙耦合元件為方形的迴圈。
本發明之一實施例中，該雙耦合元件為六角形的迴圈。
本發明之一實施例中，該絕緣層為介電常數小，損耗正切值小的介電物質。
本發明之一實施例中，該絕緣層為環氧樹脂和玻璃纖維布所合成的複合材料。
本發明之一實施例中，該複合材料的介電常數值約為3.5-4.0，介電損耗值約為0.005-0.007。
本發明之一實施例中，該複合材料的介電常數值約為4.3-4.8，介電損耗值約為0.016-0.02。
本發明之一實施例中，該第一金屬層及該第二金屬層的金屬為銅箔 。
本發明之一實施例中，該銅箔為高頻並且表面較為平整等級的銅箔 ，Rz = 2.0±0.5μm。
本發明之一實施例中，該電路板的高度為0.5mm-2.0mm。
本發明之一實施例中，該第一外罩及該第二外罩的厚度0.5mm-2.0mm。
本發明之一實施例中，該第一金屬層及該第二金屬層的該些雙耦合元件的結構週期排列方式使用六方最密堆積。
本發明之一實施例中，該六方最密堆積為六角柱排列或蜂窩型。
本發明之一實施例中，該晶格常數P間距約在3mm-5mm。
本發明之一實施例中，該該第一外罩及該第二外罩使用的材質為介電常數接近於1。
茲有關本發明之技術內容及詳細描述，現在配合圖式說明如下：
本發明之選頻次反射板的結構外觀立體及分解示意圖，圖1及圖2所示：本發明之選頻次反射板100，包括：一電路板10、一第一外罩20及一第二外罩30。
該電路板10，係由一絕緣層12及設於該絕緣層12兩側面的一第一金屬層14及一第二金屬層16組成。其中，該絕緣層12的厚度決定共振的Q值(穿透與反射的比值)高低，此厚度越厚Q值將越好，但缺點是頻寬將變窄、穿透的耗損增加，因此本發明是使用厚度適當的絕緣層12，達到適當的穿透與反射的比值，因此Q值會較低。一般有介電損耗(或稱損耗正切(loss tangent，Df))的介電材料其介電常數(dielectric constant，Dk)會隨電磁波頻率的增加而減少，損耗正切值越大，則介電常數隨工作頻率變高會越穩定；且介電常數越大則電磁波在介質中傳遞速度越慢。因此本發明為了提高電磁波在選頻次反射板中的穿透速率，同時也要能降低電磁能量的損耗，須使用介電常數較小，並且損耗正切值較小的介電物質。同時也使用成本較低，且經過改良適用於高頻使用等級的FR-4複合材料，該複合材料為環氧樹脂和玻璃纖維布所合成其Dk 值約為3.5-4.0，Df 值約為0.005-0.007；而一般等級FR-4 複合材料的Dk值約為4.3-4.8，Df值約為0.016-0.02。
該第一金屬層14及該第二金屬層16上經乾式或濕式蝕刻形成各具有複數個裸空狀(無金屬)的雙耦合元件142及162。該第一金屬層14及該第二金屬層16的金屬為銅箔(copper foil)，在電磁波穿透選頻次反射板的能量損耗(insertion loss)除了與電磁波頻率有關外，還會受到銅箔表面粗糙度影響，表面越平整，能量損耗率越低。為了減少電磁波的損耗，本發明選擇適用於高頻並且表面較為平整等級(Rz = 2.0±0.5μm)的銅箔。該第一金屬層14及該第二金屬層16作為兩個反射介面端點，使其成為一共振腔。在本圖式中，該電路板10的高度(h)為0.5mm-2.0mm。
該第一外罩20設於該電路板10的第一金屬層14的表面上，該第二外罩30設於該電路板10的第二金屬層16上。以該第一外罩20及該第二外罩30達到防止生鏽、抗天候的目的，且選用的材料以介電常數較低(介電常數接近於1，類似空氣等等)，因而不太影響電磁特性。在本圖式中，該第一外罩20及該第二外罩30的厚度0.5mm-2mm。
藉由上述該電路板10、該第一外罩20及該第二外罩30組成一高通的濾波分頻器，高頻率通過、低頻率反射的選頻次反射板。
圖3，係本發明之圖2的電路板的第一金屬層及第二金屬層的局部放大結構示意圖。圖4係圖3的(同心雙環)雙耦合元件之等效電路示意圖。如圖所示：本發明的第一金屬層14及該第二金屬層16上各具有複數個裸空狀的(同心雙環)雙耦合元件142及162。由於該第一金屬層14及該第二金屬層16的雙耦合元件142及162相同，在此特舉該第一金屬層14的雙耦合元件142作說明。
該雙耦合元件142為同心雙環(但不限於此)包含有一內環142a及一外環142b，該同心雙環為圓形、方形、三角形或多角形。以該些的雙耦合元件142組成高通的濾波分頻器，高頻率通過、低頻率為反射。要達到高穿透的特性需要有共振模態的存在，才能將訊號從入射端方向耦合至透射端方向，本發明需要兩個穿透頻段的範圍K-band在19.7 -20.2GHz，Ka-band在29.5-30GHz。因此雙圈的作用為使兩個圈都有對應的共振K-band在19.7-20.2GHz對應於外環142b的共振，Ka-band在29.5-30GHz對應於內環142a的共振，低頻波段沒有共振模態則為低穿透(高反射)，如此一來即可得到一高穿透且寬頻的高通濾波分頻器。由於天線系統盤面為橢圓形(由入射波角度看則截面呈現圓形)，因此選用環形結構比起其他方形、十字形的結構來說，在各個反射波角度來看都是對稱的，因而效率最好。
電磁波入射到選頻次反射板所表現出來的物理現象，可用一般傳輸線的理論來做近似。選頻次反射板金屬面上週期性陣列的縫隙(slot)單元為帶通(band pass)特性(低頻反射、高頻透射)，可用電容元件C和電感元件L的並聯來作等效；貼片(patch)單元為帶阻(band stop)特性(高頻反射、低頻透射)，可用電容元件C和電感元件L的串聯來作等效。因此本發明所欲設計雙頻帶通(dual-band band pass)特性的選頻次反射板，選擇每個單元為兩個不同尺寸大小的縫隙結構來做設計，可用圖4所示的電容和電感並聯再串聯電感和電容並聯的元件來作為相對應的等效電路。本發明所設計的為雙耦合元件縫隙(concentric doubled-ring slot)，好處是電磁波穿透和反射的特性較不易隨入射角和極化方向的改變而改變。選頻次反射板的共振頻率與週期性單元尺寸大小有關，該內環縫隙T1及該外環縫隙T2的半徑R1、R2越小，其電容C也越小，共振頻率也越高。根據我們的雙耦合元件縫隙尺寸設計，該外環縫隙T2所產生一個較低的共振頻率，該內環縫隙T1產生一個較高的共振頻率。此外，該外環縫隙T2和該內環縫隙T1之間會有耦合M作用，可做為不同帶通頻段選頻次反射板 的應用。在本圖式中，該外環縫隙T2的間距為0.2mm-0.6mm，半徑R2為0.9mm-1.5mm；該內環縫隙T1的間距為0.1mm-0.5mm，半徑R1為0.1mm-0.6 mm。
請參閱圖5，係圖2的電路板的第一金屬層或第二金屬層的另一局部放大結構示意圖。如圖所示：本發明在該第一金屬層14及該第二金屬層16的雙耦合元件142及162的結構週期排列方式使用六方最密堆積(Hexagonal)、如六角柱排列或蜂窩型，這種排列的好處是無論何種角度的入射都能看到均勻的截面積，單位面積下有最多最緊密的週期性結構(週期結構越多顯現的特性越好)。
由於本發明的選頻次反射板 最高工作頻率約在30GHz，因此除了外環縫隙T2的間距為0.2mm-0.6mm，半徑R2為0.9mm-1.5mm；該內環縫隙T1的間距為0.1mm-0.5mm，半徑R1為0.1mm-0.6 mm之外，該選頻次反射板的晶格常數(lattice parameter)間距P 在本發明所設計的值約在3mm-5mm，可符合避免產生天線場型柵瓣的條件。且該電路板10的高度(h)為0.5mm-2.0mm。
請參閱圖6a-6e，係本創作之中央處(Center connected)或一端(N-Poles)連結形成各式的雙耦合元件圖案的示意圖。如圖所示﹕在本創作之圖6a所揭露的是一種以複數根的筆直元件(straight element)以縱向及橫向交錯的排列圖案的雙耦合元件，使訊號從入射端方向耦合至透射端方向，以達到高穿透特性。
圖6b所揭露的是一種利用三支腳的各一端連結在一起，以連結成三腳(three legs element)圖案的雙耦合元件，每一支腳之間的夾角為120度，使訊號從入射端方向耦合至透射端方向，以達到高穿透特性。
圖6c所揭露的是一種利用三個錨(Anchor element)的各一端連結在一起，以連結成三個錨的箭頭向外圖案的雙耦合元件，且每一個錨之間的夾角為120度，使訊號從入射端方向耦合至透射端方向，以達到高穿透特性。
圖6d所揭露的是一種利用兩個I形的英文字母的中央處交錯連結，以形成一耶路撒冷(Jerusalem crosses)圖案的雙耦合元件，使訊號從入射端方向耦合至透射端方向，以達到高穿透特性。
圖6e所揭露的是一種利用4個L形的英文字母的一端連結在一起，以形成正方形的螺旋體(Square spirals)圖案的雙耦合元件，使訊號從入射端方向耦合至透射端方向，以達到高穿透特性。
請參閱圖7a-7e，係本創作之利用迴圈樣態(Loop Types)所形成的雙耦合元件圖案的示意圖。如圖所示﹕在本創作中圖7a所揭露的是一種利用十字形迴圈(Cross loop)圖案形成的雙耦合元件，使訊號從入射端方向耦合至透射端方向，以達到高穿透特性。
圖7b所揭露的是一種利用三支腳迴圈(Three legged loop)圖案形成雙耦合元件，且每一支腳迴圈之間的夾角為120度，使訊號從入射端方向耦合至透射端方向，以達到高穿透特性。
圖7c所揭露的是一種圓形的迴圈(Circular loop)圖案形成雙耦合元件，使訊號從入射端方向耦合至透射端方向，以達到高穿透特性。
圖7d所揭露的是一種方形的迴圈(Square loop)圖案形成雙耦合元件，使訊號從入射端方向耦合至透射端方向，以達到高穿透特性。
圖7e所揭露的是一種六角形的迴圈(Hexagonal loop)圖案形成的雙耦合元件，使訊號從入射端方向耦合至透射端方向，以達到高穿透特性。
請參閱圖8，係本發明之選頻次反射板的使用狀態示意圖。如圖所示：在本發明之選頻次反射板100係以安裝於天線系統上。該天線系統包括有一拋物面主反射器(Parabolic main reflector)200、一低頻率接收器(Modified LNB)300及一高頻率收發器(Modified Tria)400。將該選頻次反射板100結合在該低頻率接收器300及該高頻率收發器400之間，並對應該拋物面主反射器200。其中，該低頻率接收器300為Ku波段訊號的饋入(additional Ku-band feed)，該高頻率收發器400為K/ka波段訊號的饋入(K/ka-band feed(TRIA))。
當天線系統在接收衛星電視訊號時，該電視入射波經該拋物面主反射器200反射於該選頻次反射板100上，被該選頻次反射板100反射的低頻率訊號(Ku-band)將被該低頻率接收器300所接收，而高頻率訊號(K/Ka-bane)在穿透該選頻次反射板100的雙耦合元件142及162，使訊號從入射端方向耦合至透射端方向，以達到高穿透特性。
進一步，在於本發明之第一外罩20及第二外罩30在不影響該電路板10的電磁波特性的條件下，達到防止生鏽、抗天候的目的。因此該第一外罩20及第二外罩30使用的材料選用介電常數接近於1，類似空氣，耗損較小，因而不太影響電磁特性例如珍珠棉、舒美布或低密度聚乙烯發泡材等材料。該第一外罩20及第二外罩30的厚度各為0.5mm-2mm。
惟以上所述僅為本發明之較佳實施例，非意欲侷限本發明的專利保護範圍，故舉凡運用本發明說明書或圖式內容所為的等效變化，均同理皆包含於本發明的權利保護範圍內，合予陳明。
100:選頻次反射板
10:電路板
12:絕緣層
14:第一金屬層
16:第二金屬層
142、162:雙耦合元件
142a:內環
142b:外環
20:第一外罩
30:第二外罩
R1、R2:半徑
T1:內環縫隙
T2:外環縫隙
M:耦合
P:晶格常數
h:高度
200:拋物面主反射器
300:低頻率接收器
400:高頻率收發器
圖1，係本發明之選頻次反射板的結構外觀立體示意圖；
圖2，係本發明之選頻次反射板的結構分解示意圖；
圖3，係圖2的電路板的第一金屬層或第二金屬層的局部放大結構示意圖；
圖4，係圖3的(同心雙環)雙耦合元件之等效電路示意圖；
圖5，係圖2的電路板的第一金屬層或第二金屬層的另一局部放大結構示意圖；
圖6a-6e，係本創作之利用中央處(Center connected)或一端(N-Poles)聯結形成各式的雙耦合元件圖案的示意圖﹔
圖7a-7e，係本創作之利用迴圈樣態(Loop Types)所形成的雙耦合元件圖案的示意圖﹔
圖8，係本發明之選頻次反射板的使用狀態示意圖。
100:選頻次反射板
10:電路板
12:絕緣層
14:第一金屬層
16:第二金屬層
142、162:雙耦合元件
20:第一外罩
30:第二外罩

Claims (26)

  1. 一種應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，係結合於天線系統上，且位於高頻率收發器及低頻率接收器之間的選頻次反射板，該選頻次反射板包括： 一電路板，係由一絕緣層及設於該絕緣層兩側面的一第一金屬層及一第二金屬層所組成；其中，該第一金屬層及該第二金屬層各具有複數個裸空狀的雙耦合元件； 一第一外罩，係設於該電路板的第一金屬層的表面上；及 一第二外罩，係設於該電路板的第二金屬層上； 其中，以該第一金屬層及該第二金屬層用於作為兩個反射介面端點，使其成為共振腔，該選頻次反射板反射低頻率訊號，被反射的訊號將被該低頻率接收器所接收，而高頻率訊號在穿透該選頻次反射板的該些雙耦合元件，使頻率訊號從入射端方向耦合至透射端方向，達到高穿透特性。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，該雙耦合元件為同心雙環。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，該同心雙環包含有一內環及一外環。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，該外環縫隙的間距為0.2mm-0.6mm，半徑為0.9mm-1.5mm；該內環縫隙的間距為0.1mm-0.5mm，半徑為0.1mm-0.6 mm。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，該同心雙環為圓形、方形、三角形或多角形。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，以複數根的筆直元件以縱向及橫向交錯的方式排列成雙耦合元件。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，以三支腳的各一端連結在一起，以連結成三腳的雙耦合元件，每一支腳之間的夾角為120度。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，以三個錨的各一端連結在一起，以連結成三個錨的箭頭向外圖案的雙耦合元件，且每一個錨之間的夾角為120度 。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，以兩個I形的中央處交錯連結，以形成一耶路撒冷圖案的雙耦合元件。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，以四個L的一端連結在一起，以連結成正方形的螺旋體圖案的雙耦合元件。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，該雙耦合元件為十字形迴圈。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，該雙耦合元件為三支腳迴圈，每一支腳迴圈之間的夾角為120度。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，該雙耦合元件為圓形的迴圈。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，該雙耦合元件為方形的迴圈。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，該雙耦合元件為六角形的迴圈。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，該絕緣層為介電常數小，損耗正切值小的介電物質。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，該絕緣層為環氧樹脂和玻璃纖維布所合成的複合材料。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，該複合材料的介電常數值約為3.5-4.0，介電損耗值約為0.005-0.007。
  19. 如申請專利範圍第1項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，該第一金屬層及該第二金屬層的金屬為銅箔。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，該銅箔為高頻並且表面較為平整等級的銅箔 ，Rz = 2.0±0.5μm。
  21. 如申請專利範圍第1項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，該電路板的高度為0.5mm-2.0mm。
  22. 如申請專利範圍第1項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，該第一外罩及該第二外罩的厚度0.5mm-2mm。
  23. 如申請專利範圍第1項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，該第一金屬層及該第二金屬層的該些雙耦合元件的結構週期排列方式使用六方最密堆積。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，該六方最密堆積為六角柱排列或蜂窩型。
  25. 如申請專利範圍第24項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，該晶格常數P間距約在3mm-5mm。
  26. 如申請專利範圍第1項所述之應用於單偏移天線之寬頻多元件選頻次反射板，其中，該第一外罩及該第二外罩使用的材料為介電常數接近於1的材料。
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