TW202243326A - 天線模組 - Google Patents

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Abstract

一種天線模組，設置於基板，且基板包含相對的第一表面和第二表面。天線模組包括微帶線、第一輻射體、接地輻射體及接地面。微帶線、第一輻射體及接地輻射體設置於基板之第一表面。微帶線包括相對的第一端與第二端，第一端包含第一訊號饋入點。第一輻射體連接於微帶線的第二端。接地輻射體環繞微帶線及第一輻射體。接地輻射體包括一第一缺口及對應第一缺口處的相對兩接地點，微帶線的第一端位於該第一缺口，且各接地點與第一訊號饋入點之間存在間隙。接地面設置於基板之第二表面。接地輻射體連接至接地面。

Description

天線模組
本揭示是有關於一種天線模組，且特別是有關於一種毫米波天線模組。
第五代行動通訊(5G)的毫米波n257的應用頻帶26.5~29.5GHz，為28GHz毫米波，而n260的應用頻帶37~40GHz，為39GHz毫米波。目前，毫米波天線要如何設計出雙極化天線的特性是目前研究的方向。
本揭示提供一種天線模組，其具有雙極化天線的特性。
本揭示的一種天線模組，設置於一基板，且基板包含相對的一第一表面和一第二表面，天線模組包括一微帶線、一第一輻射體、一接地輻射體及一接地面。微帶線設置於基板之第一表面，且包括相對的一第一端與一第二端，其中第一端為一第一訊號饋入點。第一輻射體設置於基板之第一表面，且連接於微帶線的第二端。接地輻射體設置於基板之第一表面，且環繞微帶線及第一輻射體，接地輻射體包括一第一缺口及對應第一缺口處的相對兩接地點，微帶線的第一端位於第一缺口，且各接地點與第一訊號饋入點之間存在一間隙。接地面設置於基板之第二表面，接地輻射體連接至接地面。
基於上述，本揭示的天線模組的微帶線包括第一訊號饋入點，第一輻射體連接於微帶線的第二端。接地輻射體環繞微帶線及第一輻射體，接地輻射體的兩接地點對應第一缺口，微帶線的第一端位於第一缺口，且各接地點與第一訊號饋入點之間存在間隙。微帶線、第一輻射體、接地輻射體設置於基板之第一表面，接地面設置於基板之第二表面，接地輻射體連接至接地面。藉由上述設計，本揭示的天線模組可具有雙極化天線的特性。
圖1是依照本揭示的一實施例的一種天線模組的俯視示意圖。請參閱圖1，本實施例的天線模組100包括一微帶線110、一第一輻射體120、一接地輻射體130及位於下方的一接地面140。在本實施例中，天線模組100為毫米波天線，可耦合出例如是24GHz、28GHz或/且39GHz的頻段。
微帶線110(位置A1~A3)包括相對的一第一端112與一第二端114，第一端112為一第一訊號饋入點(位置A1)。微帶線110的寬度W1介於天線模組100所耦合出的頻段的0.04倍波長至0.06倍波長之間。在本實施例中，天線模組100所耦合出的頻段以24GHz為例，微帶線110的寬度W1約是0.54公厘。
第一輻射體120連接於微帶線110的第二端114。在本實施例中，第一輻射體120呈一菱形。在其他實施例中，第一輻射體120也可以是其他對稱的形狀，例如是圓形或是梯形等，不以此為限制。
第一輻射體120的邊長L1為天線模組100所耦合出的頻段的1/4倍波長。在本實施例中，天線模組100所耦合出的頻段以24GHz為例，第一輻射體120的邊長L1約為2.97公厘。菱形的中心O至左、右、或上端點之間的距離L2約為2.1公厘。
此外，第一輻射體120包括一凹陷部122，微帶線110的第二端114連接凹陷部122。凹陷部122的寬度大於微帶線110的第二端114的寬度。微帶線110的第二端114位於凹陷部122。兩槽縫124形成在微帶線110的相對兩側與第一輻射體120的凹陷部122的內緣之間。
槽縫124用來調整28GHz的阻抗匹配。由圖1可見，槽縫124的長度最小可以長度L3計算，最大則會接近長度L3和L4的總和。因此，槽縫124的長度介於天線模組100所耦合出的頻段的0.05倍波長至0.14倍波長之間。在本實施例中，天線模組100所耦合出的頻段以24GHz為例，位置A4至槽縫124底部的長度L3為0.75公厘，位置A2至位置A4的長度L4約為0.75公厘。槽縫124的寬度則為0.1公厘至0.3公厘。
一接地輻射體130(位置G1、G2、G3、G3、G2、G1)環繞微帶線110及第一輻射體120。菱形的第一輻射體120在遠離微帶線110的三個端點(上端點、左端點、右端點)中的每一者與接地輻射體130之間最小的距離L5大於等於天線模組100所耦合出的頻段的1/8倍波長。若將多個天線模組100排列成陣列(如圖4)時，最小距離L5可確保相鄰的兩天線模組100之間具有足夠的隔離度。在本實施例中，天線模組100所耦合出的頻段以24GHz為例，距離L5約為1.5公厘。
接地輻射體130環繞出包括一第一缺口132的一中空矩形。第一輻射體120在X方向上的最大長度L6約為8公厘，第一輻射體120在Y方向上的最大長度L7約為8.8公厘。接地輻射體130的寬度W2介於頻段的0.05倍波長至0.08倍波長之間。在本實施例中，天線模組100所耦合出的頻段以24GHz為例，接地輻射體130的寬度W2為0.8公厘。
第一輻射體120位於接地輻射體130內，且菱形的第一輻射體120與中空矩形的接地輻射體130具有相同的中心O。中心O至接地輻射體130在位置G2、G3段的最短距離L8約為3.6公厘。
此外，接地輻射體130在對應第一缺口132處包含相對的兩接地點(位置G1)，第一缺口132位於兩接地點(位置G1)之間。微帶線110的第一端112，也就是第一訊號饋入點(位置A1)，位於第一缺口132。換句話說，兩接地點(位置G1)位於第一訊號饋入點(位置A1)的相對兩側。在本實施例中，接地點(位置G1)與第一訊號饋入點(位置A1)之間存在一間隙S1。間隙S1的寬度介於0.1公厘至0.3公厘之間。
另外，第一輻射體120與接地點(位置G1)的最短距離L9(位置A4至G1的距離)介於天線模組100所耦合出的頻段的0.12倍波長至0.14倍波長之間。在本實施例中，天線模組100所耦合出的頻段以24GHz為例，最短距離L9約為1.45公厘。
在本實施例中，微帶線110、第一輻射體120及接地輻射體130共平面，成為共平面波導天線結構。接地面140位於微帶線110、第一輻射體120及接地輻射體130的下方。在本實施例中，接地面140在X方向上的最大長度L10約為9公厘，第一輻射體120在Y方向上的最大長度L11約為10公厘，但不以此為限制。由圖1可見，微帶線110、第一輻射體120及接地輻射體130對接地面140所在的平面的投影重疊於接地面140。
此外，接地輻射體130可透過多個導通件150連接至接地面140，構成一差動(Differential)式迴路下地結構。在本實施例中，這些導通件150被設置在位置G1、G2、G3處。
圖2是圖1的側視示意圖。請參閱圖2，天線模組100可設置在一雙層電路板10上，雙層電路板10的長、寬、厚約為10公厘、9公厘及0.315公厘。雙層電路板10包括一基板12，微帶線110、第一輻射體120及接地輻射體130可用銅層製作，且設置在基板12的第一表面14，厚度T1為0.04318公厘。接地面140可用銅層製作，且設置在基板12的第二表面16，厚度T2為0.01778公厘。基板12的厚度T3介於0.2公厘至0.3公厘之間。
圖3是圖1的天線模組在Z方向上的場型圖。請參閱圖3，實線代表XZ平面的輻射場型，虛線代表YZ平面的輻射場型。由圖3可見，天線模組100在XZ平面與YZ平面的輻射場型皆有集中於Z軸方向的能量表現，而具有雙極化天線的特性。在一實施例中，若第一輻射體120的形狀對菱形的左右兩端點截角，可達到圓極化天線的效果。
圖4是將圖1的天線模組排成陣列的俯視示意圖。請參閱圖4，在本實施例中，將兩個圖1的天線模組100排成1x2陣列，兩天線模組100的兩中心O之間的距離L12介於天線模組100所耦合出的頻段的0.5倍波長至0.75倍波長。在本實施例中，天線模組100所耦合出的頻段以24GHz為例，距離L12約為8公厘。
圖5是圖4的陣列形式的天線模組在Z方向上的場型圖。請參閱圖5，實線代表XZ平面的輻射場型，虛線代表YZ平面的輻射場型。在本實施例中，由於接地輻射體130、導通件150、接地面140組成差動式迴路下地結構，YZ平面的輻射場型具有旁波束和背向輻射較小，及主波束集中於Z軸方向的特性。
另外，經模擬，如圖1所示的單一個天線模組100的尖峰增益(Peak Gain)約為6.5dBi，如圖4所示的1x2陣列的這些天線模組100的尖峰增益(Peak Gain)約為9.2dBi。若是這些天線模組100以1x4陣列排列，尖峰增益(Peak Gain)約為12.2dBi。也就是說，無論是單一個天線模組100或是以陣列的形式排列的天線模組100均可具有良好的表現。
此外，在1x2陣列的這些天線模組100與1x4陣列的這些天線模組100中，差動式迴路下地結構可使兩相鄰的天線模組100之間的隔離度都在-25dB以下的表現，具有良好陣列天線的特性。
圖6是依照本揭示的另一實施例的一種天線模組的俯視示意圖。請參閱圖6，圖1的天線模組100與圖6的天線模組100a的主要差異在於，在本實施例中，天線模組100a更包括一第二輻射體160、一第三輻射體170及兩連接輻射體180。在本實施例中，第二輻射體160、第三輻射體170及各連接輻射體180的寬度相同，且小於接地輻射體130a的寬度。在本實施例中，第二輻射體160的形狀為環狀，第三輻射體170的形狀為條狀。
接地輻射體130a更包括遠離第一缺口132的一第二缺口134。第二輻射體160(位置B1(+)、B2、B2、B1(-))設置在基板12之第一表面14(圖2)且位於第二缺口134。第二輻射體160包括兩第二訊號饋入點(位置B1(+)、B1(-))，也就是一端為正端，一端為負端。第二輻射體160的長度約為天線模組100a所耦合出的頻段的1/2倍波長。在本實施例中，天線模組100a所耦合出的頻段以24GHz為例，兩位置B2之間的距離L13約為3.6公厘。第二輻射體160的長度約接近距離L13的兩倍。
第三輻射體170(位置C1、C2)設置在基板12之第一表面14(圖2)且位在第二輻射體160相反於第一輻射體120之一側。第三輻射體170的長度L14約為頻段的1/4倍波長。在本實施例中，天線模組100a所耦合出的頻段以24GHz為例，第三輻射體170的長度L14約為2.88公厘。
在本實施例中，天線模組100a的接地輻射體130a分別呈一個L型和一個鏡射的L型，對稱地位於微帶線110與第一輻射體120旁，且暴露出第一輻射體120的上側。兩連接輻射體180位於第二缺口132且位於第二輻射體160的兩側，以將第二輻射體160的兩端連接至接地輻射體130a。
各連接輻射體180的長度約為天線模組100a所耦合出的頻段的1.5倍波長至2倍波長之間。在本實施例中，天線模組100a所耦合出的頻段以24GHz為例，位置B2、B3之間的距離L15約為0.7公厘，位置B3、B4之間的距離L16約為1.44公厘，位置B4、B5之間的距離L17約為1.32公厘，位置B5、G3之間的距離L18約為1.47公厘。連接輻射體180的長度約為距離L15~L18的總和。
接地輻射體130a、第二輻射體160及兩連接輻射體180共同環繞第一輻射體120。兩連接輻射體180具有多個彎折，而使第二輻射體160及兩連接輻射體180共同形成一凹口182，第三輻射體170位於凹口182內。由圖6可見，第二輻射體160與第三輻射體170對接地面140所在的平面的投影位於接地面140之外。
在本實施例的天線模組100a中，第二輻射體160透過兩連接輻射體180、接地輻射體130a、這些導通件150連接到接地面140，再加上第三輻射體170，共同構成一變形八木天線架構。換句話說，天線模組100a利用共平面波導的天線架構(微帶線110、第一輻射體120及接地輻射體130a所形成的架構)與所述變形八木天線架構構成一毫米波多極化雙天線架構。
圖7是圖6的天線模組在Y方向上的場型圖。實線代表XY平面的輻射場型，虛線代表ZY平面的輻射場型。圖8是圖6的天線模組在Z方向上的場型圖。實線代表XZ平面的輻射場型，虛線代表YZ平面的輻射場型。
請參閱圖6至圖8，在本實施例中，天線模組100a經由位置B3~B6的路徑連接到接地輻射體130a，再透過導通件150連接到接地面140，在圖7與圖8中可見，這樣的設置可使天線模組100a兼顧不同極化方向的收發能量，具有多極化的特點。
具體地說，由於共平面波導的天線架構(微帶線110、第一輻射體120及接地輻射體130a所形成的架構)在Z軸能兼顧XZ和YZ兩平面極化輻射的涵蓋範圍，變形八木天線架構(第二輻射體160、兩連接輻射體180、接地輻射體130a、第三輻射體170所形成的架構)在Y軸能兼顧ZY和XY兩平面極化輻射的涵蓋範圍，天線模組100a可藉於共平面波導的天線架構和變形八木天線架構共同達到MIMO多天線的特性，並可透過此多極化雙天線設計的架構，來增加或提升使用者的傳輸速率。此外，天線模組100a克服了習知架構中，不同極化方向的兩天線難以被設計在同一平面上的困難。
圖9是圖6的天線模組的頻率-返回損失的關係圖。請參閱圖9，天線模組100a在第一訊號饋入點(位置A1)與第二訊號饋入點(位置B1(+)、B1(-))的返回損失(Return Loss)在28GHz處，皆可在-10dB以下，而具有良好的表現。
圖10是圖6的天線模組的頻率-隔離度的關係圖。請參閱圖10，天線模組100a的第一訊號饋入點(位置A1)與第二訊號饋入點(位置B1(+)、B1(-))在28GHz處的隔離度約在-20dB，而具有良好的表現。
綜上所述，本揭示的天線模組的微帶線包括第一訊號饋入點，第一輻射體連接於微帶線的第二端。接地輻射體環繞微帶線及第一輻射體，接地輻射體的兩接地點對應第一缺口處，微帶線的第一端位於第一缺口，且各接地點與第一訊號饋入點之間存在間隙。微帶線、第一輻射體、接地輻射體設置於基板之第一表面，接地面設置於基板之第二表面。接地輻射體連接至接地面。藉由上述設計，本揭示的天線模組可具有雙極化天線的特性。
A1~A4、B1(+)、B1(-)、B2~B6、C1、C2、G1~G3:位置 O:中心 S1:間隙 L1:邊長 L2、L5、L8、L9、L12、L13、L15~L18:距離 L3、L4、L6、L7、L10、L11、L14:長度 T1、T2、T3:厚度 W1、W2:寬度 X、Y、Z:座標 10:雙層電路板 12:基板 14:第一表面 16:第二表面 100:天線模組 110:微帶線 112:第一端 114:第二端 120:第一輻射體 122:凹陷部 124:槽縫 130、130a:接地輻射體 132:第一缺口 134:第二缺口 140:接地面 150:導通件 160:第二輻射體 170:第三輻射體 180:連接輻射體 182:凹口
圖1是依照本揭示的一實施例的一種天線模組的俯視示意圖。 圖2是圖1的側視示意圖。 圖3是圖1的天線模組在Z方向上的場型圖。 圖4是將圖1的天線模組排成陣列的俯視示意圖。 圖5是圖4的陣列形式的天線模組在Z方向上的場型圖。 圖6是依照本揭示的另一實施例的一種天線模組的俯視示意圖。 圖7是圖6的天線模組在Y方向上的場型圖。 圖8是圖6的天線模組在Z方向上的場型圖。 圖9是圖6的天線模組的頻率-返回損失的關係圖。 圖10是圖6的天線模組的頻率-隔離度的關係圖。
A1~A4、G1~G3:位置
O:中心
S1:間隙
L1:邊長
L2、L5、L8、L9:距離
L3、L4、L6、L7、L10、L11:長度
W1、W2:寬度
X、Y、Z:座標
100:天線模組
110:微帶線
112:第一端
114:第二端
120:第一輻射體
122:凹陷部
124:槽縫
130:接地輻射體
132:第一缺口
140:接地面
150:導通件

Claims (18)

  1. 一種天線模組，設置於一基板，且該基板包含相對的一第一表面和一第二表面，該天線模組包括： 一微帶線，設置於該基板之該第一表面，且包括相對的一第一端與一第二端，其中該第一端包含一第一訊號饋入點； 一第一輻射體，設置於該基板之該第一表面，且連接於該微帶線的該第二端； 一接地輻射體，設置於該基板之該第一表面，且環繞該微帶線及該第一輻射體，該接地輻射體包括一第一缺口及對應該第一缺口處的相對兩接地點，該微帶線的該第一端位於該第一缺口，且各該接地點與該第一訊號饋入點之間存在一間隙；以及 一接地面，設置於該基板之該第二表面，該接地輻射體連接至該接地面。
  2. 如請求項1所述的天線模組，其中該接地輻射體環繞出具有該第一缺口的一中空矩形，該第一輻射體呈一菱形且位於該中空矩形內。
  3. 如請求項2所述的天線模組，其中該天線模組耦合出一頻段，該菱形在遠離該微帶線的三個端點中的每一者與該接地輻射體之間最小的距離大於或等於該頻段的1/8倍波長。
  4. 如請求項1所述的天線模組，其中該天線模組耦合出一頻段，該微帶線的寬度介於該頻段的0.04倍波長至0.06倍波長之間。
  5. 如請求項1所述的天線模組，其中該第一輻射體包括一凹陷部，該微帶線的該第二端連接該凹陷部，該凹陷部的寬度大於該微帶線的該第二端的寬度，且該微帶線的第二端的相對兩側與該凹陷部的邊緣之間形成兩槽縫。
  6. 如請求項5所述的天線模組，其中該天線模組耦合出一頻段，各該槽縫的長度介於該頻段的0.05倍波長至0.14倍波長之間，且各該槽縫的寬度為0.1公厘至0.3公厘。
  7. 如請求項1所述的天線模組，其中該天線模組耦合出一頻段，該第一輻射體的邊長為該頻段的1/4倍波長。
  8. 如請求項1所述的天線模組，其中該天線模組耦合出一頻段，該第一輻射體與各該接地點的最短距離介於該頻段的0.12倍波長至0.14倍波長之間。
  9. 如請求項1所述的天線模組，其中該天線模組耦合出一頻段，該接地輻射體的寬度介於該頻段的0.05倍波長至0.08倍波長之間。
  10. 如請求項1所述的天線模組，其中該接地輻射體更包括遠離該第一缺口的一第二缺口，該天線模組更包括： 一第二輻射體，設置於該基板之該第一表面且位於該第二缺口，該第二輻射體包括兩第二訊號饋入點；以及 一第三輻射體，設置於該基板之該第一表面且位在該第二輻射體相反於該第一輻射體之一側。
  11. 如請求項10所述的天線模組，其中該天線模組耦合出一頻段，該第二輻射體的長度為該頻段的1/2倍波長。
  12. 如請求項10所述的天線模組，其中該天線模組耦合出一頻段，該第三輻射體的長度為該頻段的1/4倍波長。
  13. 如請求項10所述的天線模組，更包括： 兩連接輻射體，位於該第二缺口，並分別連接至該接地輻射體及該第二輻射體的兩端，該接地輻射體、該兩連接輻射體及該第二輻射體共同環繞該第一輻射體。
  14. 如請求項13所述的天線模組，其中該第二輻射體、該第三輻射體及各該連接輻射體的寬度相同，且小於各該接地輻射體的寬度。
  15. 如請求項13所述的天線模組，其中該兩連接輻射體具有多個彎折，而使該第二輻射體及該兩連接輻射體共同形成一凹口，該第三輻射體位於該凹口內。
  16. 如請求項13所述的天線模組，其中該天線模組耦合出一頻段，各該連接輻射體的長度為該頻段的1.5倍波長至2倍波長之間。
  17. 如請求項10所述的天線模組，其中該第二輻射體的形狀為環狀，該第三輻射體的形狀為條狀。
  18. 如請求項10所述的天線模組，其中該第二輻射體與該第三輻射體對該接地面所在的平面的投影位於該接地面之外。
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