TW518802B

TW518802B - Broadband circularly polarized panel antenna

Info

Publication number: TW518802B
Application number: TW090124456A
Authority: TW
Inventors: Jin-Lu Weng; Fa-Shian Jang; Tzung-Wen Chiou
Original assignee: Accton Technology Corp; Jin-Lu Weng
Priority date: 2001-10-03
Filing date: 2001-10-03
Publication date: 2003-01-21
Also published as: US6606061B2; US20030063031A1

Description

518802 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明説明（）發明領域：本發明係有關於一種寬頻（Broadband)圓極化 (Circularly p〇iarized)平板天線，特別是有關於具有與輻射金屬片位於同一平面（Cop lanar)的饋入探針（pr〇be Feed)之一種寬頻圓極化平板天線，可以減低使用厚空氣介質致使饋入探針較長所造成的電感效應，而得到寬頻且高增益的圓極化輻射天線。發明背景：隨著通訊科技的精進，通訊技術在科技產品的應用上曰益增加，使得相關的通訊產品也日趨多樣化，於通訊產品中位居傳送與接收訊號的天線，其設計與研究更為重要。天線係用以輻射或接收電磁波的一種元件，一般可從操作頻率、輻射場型（Radiation Pattern)、反射損失 (Reflected Loss)及天線增益（Antenna Gain)等參數來獲知天線的特性，另外就圓極化天線而言，一般係以軸比頻寬來顯示其操作範圍。在無線通訊的領域中，許多天線的設計都朝向具備寬頻及圓極化的特性，寬頻可增加傳輸容量及傳輸速度，而 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) έ·. 訂· 線本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 518802 五、發明説明（）圓極化可改良·環境因素诰 .^ 一常1"成的多路徑反射干擾，因此同時具備低成本、而增益、寶瓶用於微波通信上。 ’及圓極化特性的天線將廣泛應請參考第1圖，其所给一 * 板天線之結構立體®1 =知具厚空氣基底矩形平形平板天線(以下簡稱參考第天二中館習知具厚空氣基底矩 ^穿過轄射金屬片25和接線Γ面饋Γ〇線20係'自接地面氣)15,與輻射金屬片25連接之間的基底(如空 25。且饋入訊號至輻射金屬片為了要獲得高增益高寬頻的天線，-般可增加基底15 的厚度1降低天線的品質因素，增加天線的輕射效率及操作頻寬。請參考第2圖，其所緣示為習知參頻率設料義ΜΗζ)的反射損失之實驗數據圖。於第\圖中以虛線7G作為本發明之—實施例的參考點，虛線7 =的反射損失約為-⑽’此為_般業界所參考的標準。曲線5〇是表示當基底的厚度約為3_時，習知參經濟部智慧財產局量測所得的阻抗頻寬；曲線5…示當基底的厚"為 6賴時，習知參考天線經量測所得的阻抗頻寬；曲又線6〇是表示當基底的厚度約為9mm時，習知參考天線經量測所 :的阻抗頻寬；…5是表示當基底的厚度約為13_ 時’習知參考天線經量測所得的阻抗頻寬。 518802 A7 B7 五、發明説明（雖然增加基底15的厚度可以有效增加天線的阻抗頻寬’但從第2圖中可看出當基底15的厚度約為6mm時，習知參考天線的反射損失，比基底15的厚度為9mm和 13mm時都要低，這是由於當基底15的厚度增加時，同時也需要較長的饋入探針20來傳遞訊號至輻射金屬片25，因為饋入探針20係穿過基底15與輻射金屬片25連接，所以當饋入探針2〇越長，饋入探針20所造成的電感效應就越大’因而增加了天線阻抗中的電抗成份’使得天線的阻抗匹配降低，減少了天線的輻射效率。 f請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁}

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製另一方面，在達成圓極化輻射的設計上設計大致上可分為單饋入與雙饋入兩種，但入的圓極化天線，其3-dB圓極化波軸比頻寬過3 %，亦即表示其操作頻寬狹窄，因此在應制。而應用雙饋入所設計的圓極化天線，能 3-dB圓極化波軸比頻寬，亦即表示其操作頻過由於必須搭配適當的饋入網路，因此增加本，同時饋入網路會增加功率的消耗，造成降，所以有必要提出一種設計簡單，低成本益的圓極化天線，以改善上述問題。發明目的及概述：，目前已知的由於習知單绩一般不容易超用上有許多限夠得到良好的寬較寬廣，不天線設計的成天線增益的下，且具有高增訂線本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐) 518802 A7

签於上述之發明背景中田於習知參考天線的饋入掠針，於基底產生的電感效應影響了天、線的阻抗匹配，且許多單饋入圓極化天線的操作頻寬狹窄，而雙饋入圓極化天線又因饋人網路的設計複雜，且增加了天線的功率消耗，故習知圓極化平板天線皆未能同時具有低成本、高天線增益、寬廣的操作頻率及良好的輻射場型，致使在應用上受到許多限制。本發月的主要目的為提供了一種寬頻圓極化平板線，藉由位於與輻射金屬片同一平面的饋入探針，直接訊號饋入至輻射金屬片’可降低因饋入探針而產生的電效應，增加天線的阻抗頻寬，且經由實驗數據可得知本明之寬頻圓極化平板天線’具有低成本、高天線增益、廣的操作頻率及良好的輻射場型，解決了習知圓：：平天線的缺點，因而應用範圍寬廣。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁}

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製根據以上所述之目的’本發明提供了一種寬頻圓極化平板天線，此寬頻圓極化平板天線至少包括：具有L型外觀的接地面；輻射金屬片；位於與輻射金屬片同一平面的饋入探針，用以連接垂直接地面和輻射金屬片；以及基底。本發明之寬頻圓極化平板天線係藉位於與輻射金屬片同一水平面的饋入探針，直接將訊號饋入至輻射金屬片，而此本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210x297公箸) 518802 A7 B7 五、發明說明（ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 饋入探針並不穿過基底，因此可使基底中的電感效應降至最低’因而容易得到良好阻抗匹配’使得天線的阻抗頻寬增加’且本發明之寬頻圓極化平板天線具有高天線增益、寬廣的操作頻寬及良好的輻射場型，再加上結構簡單所以實作上成本低廉，具有高產業應用價值。固式簡單說明：本發明的較佳實施例將於往後之說明文字中輔以下列圖形做更詳細的闡述，其中：第1圖係繪示習知具厚空氣基底矩形平板天線之結構立體圖。第2圖係繪示習知參考天線（中心頻率設計於1 800MHz) 的反射損失之實驗數據圖。第3圖係繪示本發明之一實施例的寬頻圓極化平板天線之結構立體圖。第4圖係繪示本發明之一實施例的輻射金屬片之上視圖。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製第5圖係繪示根據第3圖的本發明之一實施例的史密斯阻抗圖之實驗數據圖。第6圖係繪示根據第3圖之本發明之一實施例的反射損失之實驗數據圖。本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 518802 A7 B7 五、發明説明（）第7圖係繪示根據第3圖之本發明之一實施例的圓極化輻射軸比之實驗數據圖。第8圖係繪示根據第3圖之本發明之一實施例的天線增益之實驗數據圖。第9圖係繪示根據第3圖之本發明之一實施例的X-Z 平面之輻射場型的實驗數據圖。第1 0圖係繪示根據第3圖之本發明之一實施例的Y-Z 平面之輻射場型的實驗數據圖。第1 1圖至第1 4圖係繪示本發明之其他實施例的輻射金屬片之上視圖。圖號對照說明： (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 10 接地面 15 基底 20 饋入探針 25 輻射金屬片 50 曲線 55 曲線 60 曲線 65 曲線 70 虛線 100 垂直接地金屬面 1 10 水平接地金屬面 120 基底 130 饋入探針 140 輻射金屬片 150 對角截角長度 160 長度 170 厚度 200 曲線 210 虛線圓 212 交點 %- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐) 518802 A 7 ______ B7 五、發明説明（） 214 交點 250 虛線 252 交點 254 交點 260 曲線 270 曲線 300 虛線 3 10 曲線 312 交點 314 交點 400 金屬片 410 金屬片 420 金屬片 430 金屬片發明詳細說明：本發明之寬頻圓極化平板天線具有簡單的結構，且有別於傳統圓極化平板天線的訊號饋入方式，請參考第3 圖’其所繪示為本發明之一實施例的寬頻圓極化平板天線之結構立體圖。於第3圖中，本發明之寬頻圓極化平板天線的接地面’疋猎由垂直接地金屬面100和水平接地金屬面11 0構成具有L型外觀的結構，其中此實施例之垂直接地金屬面100的尺寸約為200x23mm2，水平接地金屬面110 的尺寸約為200x100mm2。此外，基底120則是厚度為18mm 的空氣介質。饋入探針130的長度為3.5mm，輻射金屬片 ...............裝......…訂.........^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 涇齊郎智迗时產局員工消費合作钍印製片，屬圖。金 4 圖射第視韓考上且參之，請片片另屬屬，金金nm射形lm輕方 3 的的為例 m2約施 mjo 實 3 5 4 1 一 3 度之長明為角發則截本寸角為尺對示的的繪 ο ο 所 1414其本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 518802 A7 五、發明説明（係位於同一基底與輻射線之饋入方片連接，因，從而增加匹配，降低天線中，饋沒有垂直通此可大大減得多，使得易達到不同 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第3圖之饋入探針13〇與輻射金屬片i 4〇平面，而有別於傳統的饋入探針自接地面穿過金屬片連接的方式。由於傳統的圓極化平板天式饋入探針需自接地面穿過基底與輻射金屬而饋入探針的長度隨著基底的厚度增加而增加天線輸入阻抗中的電抗部份，影響天線的阻抗天線的操作頻寬。於本發明之寬頻圓極化平板入探針130與輻射金屬片140位於同一平面，過基底120而直接與輻射金屬片14〇連接，因少饋入探針130的長度，比起基底的厚度要小電感效應降低，天線的阻抗匹配度提高，且容設計所需之要求。請參考第5圖，其所繪示為根據第3圖的本發明之一實施例的史密斯（Smith)阻抗圖之實驗數據圖。第5圖之曲線200表示本發明之一實施例的所涵蓋之阻抗，曲線與虛線圓21〇之交點212為本發明之一實施例操作於約 2270MHz時之阻抗，曲線200與虛線圓21〇之交點214為本發明之一實施例操作於約3010MHz時之阻抗。請參考第6圖，其所繪示為根據第3圖之本發明之一實施例的反射損失之實驗數據圖。於第6圖中以虛線25C 作為本發明之一實施例的參考點，虛線2 5 〇所示的反射損本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 518802 A7 五、發明説明（）失約U4dB’此為_般業界所參考的標準。曲線26〇是表不本發明之-實施例經實際量測所得的數據，而曲線”0 f請先閲讀背面之注意事項再埤寫本頁} 是表示利用電磁模擬軟體HFSS對本發明之一實施例進行模擬所得的數據’從第6圖可看出曲線26〇和曲線27〇所呈現之數據十分接近。由第6圖中可得知，當以虛線25〇(即約·14dB)作為本發明之一實施例的參考點時，曲線26〇與虛線25〇相交之父點252和交點254,分別位於約227〇MHz和約3〇1〇MHz。當本發明之一實施例操作於約227〇MHz至約3010MHz的頻帶時，具有低反射損失，特別是當本發明之一實施例操作於約2390MHz時，反射損失約_26dB。而當本發明之一實施例操作於約2800MHz時，反射損失亦低至約_25dB，且從第5圖和第6圖中可得知本發明之寬頻圓極化平板天線具有大約30%的阻抗頻寬（以1 : 1.5VSWR定義），可見本發明之一實施例具有寬廣的操作頻寬的優點。 £波r巾字基5_11肖奢^乍土.^沒請參考於第7圖，其所繪示為根據第3圖之本發明之一實施例的圓極化輻射軸比之實驗數據圖。第7圖中虛線 300係表示3dB參考基準，曲線310與虛線300相交之交點3 1 2和交點3 1 4，分別位於約2 4 0 0 Μ Η z和約2 6 6 0 Μ Η z。由第7圖中可看出，當本發明之一實施例以約2500MHz作為中心操作頻率時，3-dB 圓極化軸比頻寬約可高達本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 518802 五、發明説明（ i〇.4〇/〇(3-dBmmimttm%=—ΜξΙ~^~χι〇〇%>，比習知單饋入圓極化輻射平板天線的3-dB圓極化軸比頻寬（約3%或更低）高出許多。請參考第8圖，其所繪示為根據第3圖之本發明之一實施例的天線增益之實驗數據圖。由第8圖可得知，本發明之一實施例操作於約2380MHz至約2660MHz時，天線增益均在8.5dBi以上，具有良好的增益。請同時參考第3圖、第9圖和第10圖，其中第9圖為根據第3圖之本發明之一實施例操作於245〇MHz時的平面之輻射場型的實驗數據圖。第1〇圖為根據第3圖之本發明之一實施例操作於2450ΜΗζ時的γ-ζ平面之輻射場型的實驗數據圖。由第9圖和第10圖可看出，本發明之一實施例無論是在Χ-Ζ平面或γ-ζ平面，皆具有良好的圓極化輻射場型，十分適合於無線通訊室内基地台及無線區域網路系統的使用，因此具有極高之產業應用價值。第11圖至第14圖為本發明之其他實施例的輻射金屬片之上視圖。帛u®所示為一截去部份邊緣的圓形金屬片 4〇〇;第12圖所示為一截角的三角形金屬片41〇;第13圖所示為一近似正方形之金屬片42〇;第14圖所示為—近似本紙張尺度適用中國國家標準- ...............¥·. (請先閲讀背面之注意事項再場寫本頁) · 線 518802 A7 B7 五、發明説明（正五邊形的金屬片430 本發明之優點在於提供了一種寬頻圓極化平板天線，藉與轄射金屬片同一平面的饋入探針，跟L型接地面之垂直接地金属面連接，直接饋入訊號至輻射金屬片，如此可減少饋入探針的長度，因而大幅降低電感效應，使得輻射金屬片的輻射效率提高。此外經由實驗數據可得知本發明之寬頻圓極化平板天線具有高3-dB圓極化軸比頻寬和天線增益’以及良好的阻抗頻寬和圓極化輻射場型，再加上本發明之寬頻圓極化平板天線結構簡單，於實施上極為容易而成本低廉，故應用廣泛，具有極高之產業應用價值。如熟悉此技術之人員所暸解的，以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍内。 (請先閲讀背面之注意事項再場寫本頁) 裝

訂線空农Γ ί】时infrwnrr.肖旁^乍：ii中|^ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公楚)

Claims

518802 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 h 一種寬頻圓極化平板天線，至少包括·· 一接地面，其中該接地面具有一 L型外觀，且是由一垂直接地面和一水平接地面構成；一輻射金屬片，且該輻射金屬片可產生圓極化輻射；一饋入探針，與該輻射金屬片位於一同一平面，該饋入探針用以穿過該垂直接地面與該輻射金屬片連接且該饋入探針具有一饋入探針長度；以及一基底，介於該水平接地面和該輻射金屬片之間，且具有一基底厚度。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之寬頻圓極化平板天線’其中上述之垂直接地面為一垂直接地金屬片。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之寬頻圓極化平板天線’其中上述之水平接地面為一水平接地金屬片。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之寬頻圓極化平板天線’其中上述之基底為一空氣。 5.如申請專利範圍第1項所述之寬頻圓極化平板天線’其中上述之基底為介電常數接近空氣之一介質。 13 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 -訂· % 518802 8 8 8 8 ABCD j 申請專利範圍 6·如申請專利範圍第i 線，其中上述之輻射金屬片屬片。項所述之寬頻圓極化平板天為具有對角截角之一正方形金 7 ·如申请專利範圍第1 項所述之寬頻圓極化平板天線，其中上述之輻射金屬片A 乃為具有截去部份邊緣之一圓形金屬片。 8 ·如申請專利範圍第】TS ^丄 1項所述之寬頻圓極化平板天線，其中上述之輻射金屬片，乃馮具有至少一截角之一三角形金屬片。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 9 ·如申請專利範圍第1植^_ 1項所述之寬頻圓極化平板天線，其中上述之輻射金屬片两Α的开》狀為近似正方形。 10.如申請專利範圍第1^ t 弟1項所述之寬頻圓極化平板天線，其中上述之輻射金屬片的形狀為近似正五邊形。 1 1 ·如申請專利範圍第]造张、+、々营此乐1項所述之寬頻圓極化平板天線，其中上述之饋入探針長度小於該基底厚度。 1 2 · —種寬頻圓極化平板天線，至少包括： 14 518802 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍一 L型接地面；一輕射金屬片，且該輻射金屬片可產生圓極化輻射；一饋入探針’該饋入探針與該輻射金屬片位於—同一平面’且具有一饋入探針長度；以及一天線基底，介於該L型接地面和該輻射金屬片之間’且具有一基底厚度。 13.如申請專利範圍第ι2項所述之寬頻圓極化平板天線’其中上述之L型接地面至少包括一垂直接地面和一水平接地面。 1 4，如申請專利範圍第1 3項所述之寬頻圓極化平板天線’其中上述之饋入探針用以穿過該垂直接地面與該輕射金屬片連接，且該饋入探針長度小於該基底厚度。裝· · (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 訂天板平化。極片圓屬頻金寬地之接述平所水項一 3 為 1X 面第地圍接範平利水專之請述申上如中 15其鱗· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製天板平化。極片圓屬頻金寬地之接述直所垂項一 3 為面第地圍接範直利垂專之請述申上如中 16其天接板數平常化電極介圓和頻氣寬空之一述由所於項自 2 選係第底圍基範線利天專之請述申上如中 17其 5 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公楚) 518802 ABCD 六、申請專利範圍近空氣之一介質所組成之一族群。 18·如申請專利範圍第12項所述之寬頻圓極化平板天線，其中上述之輻射金屬片係選自於由具有對角截角之一正方形金屬片、具有截去部份邊緣之一圓形金屬片、具有至少一截角之一三角形金屬片、一近似正方形之金屬片和一近似正五邊形之金屬片所組成之一族群。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐)