TWI240456B - Receiving antenna for satellite digital audio radio service - Google Patents

Description

1240456 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種應用於數位音頻廣播系統之接收天 線’特別為一種可同時接收衛星信號與衛星信號透過地面站 的放大信號之接收天線。 【先前技術】 以目前傳統廣播系統而言，常常會受到地形，距離與建 築物的影響，而大大的降低整體的品質。但是若能使用衛星 =做為發射站，再配合地面傳統的地面台，則整體的信號品 質將會被提升。而習用之接收天線若是在都市或是偏僻的山 區，都可能影響廣播品質。 我國專利公告第567645號所述之一種天線系統，包括： (a)—高阻抗表面，對一既定頻率具有相對高阻抗，並且 對比上述既定頻率高以及低的頻率具有相對低阻抗； (b)複數延長天線，設置於上述高阻抗表面，且上述延肩 天線之軸線係鄰近於上述高阻抗表面，並且上述延長天線^ 別具有一授給端，上述授給端係接近上述高阻抗表面之中央 部位，而甚於接近上述高阻抗表面的周邊部位，上述延長天 線並分別具有一末端鄰近於上述高阻抗表面之周邊部位； ⑷上述延長天線分別連接有—阻抗匹配突端，以一第一 端連接於上述授給端，上述阻抗匹配突端在上㈣—端 ，具有-末端，上述阻抗匹配的上述末端係比上述第一端更 郇近於上述高阻抗表面的中央部位；以及 述天(:二線轉合裝置，搞合於上述延長天線之授給端，上 置㈣上述天㈣統所接收之環狀極化電磁 1240456 訊號傳遞至—第—輸出端，並且將上述天線系統所接收之垂 直極化電磁訊號傳遞至一第二輸出端。 上述引證案雖致力於改良天線系統本身之結構性能，但 仍有未盡理想之處： 1·引證案使用一延長天線，不能達到尺寸縮小之目的。 2·由於不能達到尺寸縮小之㈣，故該引證案未來較無 應用於廣播電影、衛星電話或導航系統之潛力。 由此可見，上述習用物品仍有改良空間，本案發明人鑑 於上述習用所未提出之部分亟思加以？文良創新，並經多年苦 匕孤叫潛心研究後，終於成功研發完成本件應用於 廣播系統之接收天線。 【發明内容】 本叙明之目的之一在於提供一種應用於數位音頻廣播 系統之接收天線，可同時接收衛星信號與衛星信號透過地面 站的放大信號。 本發明之目的之二在於提供一種應用於數位音頻廣播 系統之接收天線，可克服地形、地物及距離的影響，而提升 k號口口質’並縮小尺寸。 本叙明之目的之二在於提供一種可運用於汽車上之接 收天線、廣播電影、衛星電話或導航系統。 可達成上述發明目的之一種應用於衛星數位音頻廣播 系統之接收天線，其包括：一第一極化天線，其基板具有至 少一對稱金屬軌跡，以供接收衛星信號；一第二極化天線， 1240456 包含至少一基板，每一基板之兩侧各別具有一金屬執跡，以 八接收衛生彳§號透過地面基地台發射的放大信號；一接地 面係為一第二基板，供該第一極化天線與該第二極化天線 a用，將该第一極化天線與該第二極化天線之基板設置於該 接地面上，並使用微帶線饋入。 【實施方式】 本發明使用天線量測系統有頻域近場量測系統，近場之 微波暗室長寬高大小分別為9公尺、4.4公尺、3.8公尺，測 試頻率範圍從5〇MHz到40GHz，而模擬軟體方面分別使用 Ansoft HFSS與IE3D去作模擬與分析。 ※實施例一 衛星數位音頻廣播系統（SDARS)接收天線的特性就是能 接收衛星信號與由地面基地台發射的放大信號，而衛星發射 的信號是左手圓形極化波，地面基地台發射信號是線性垂直 極化波，因此必須分為兩部分做設計。 請參閱圖一，為衛星數位音頻廣播系統接收天線之立體 圖，其包括：一第一極化天線，其可為，但不限於是左手圓 形極化天線1，以供接收衛星信號；一第二極化天線，其可 為，但不限於是線性垂直極化天線2，以供接收衛星信號透 過地面基地台發射的放大信號；一接地面，係設置於一第三 基板3，供該第一極化天線與該第二極化天線共用；將該第 1240456 一極化天線與該第二極化天線之基板設置於該接地面上。在 線性垂直極化天線2的設計必須考慮與左手圓形極化天線 1 (LHCP)使用同一個接地面（ground plane)，所以在設計此天 線時必須考慮天線尺寸與放置位置，避免影響到左手圓形極 化天線1 (LHCP)放置位置。然而由於線性含直極化天線2的 輕射場型為無方向性場型，所以使用螺旋單偶極（spiral monopole)天線22來將天線尺寸縮小，但是天線尺寸縮小也 會導致天線有效面積減少和輻射效率降低，因此使用四個螺 旋單偶極天線陣列來做效率的補償，而饋入線使用簡單的微 带線（microstrip line)來做饋入。 請參閱圖二，為單偶極螺旋天線構造圖，本實施例使用 FR4印刷電純21作為製造基板的材料，其介電係數為 4_4、厚度為〇.8mm、損耗常數〇〇22，作為 模擬之參數。因為單偶極天線22需要四分之一波長的長度， 如果以本天線中心頻率2.326GHz來設計四分之—的波長 長度要32.2mm，目此把單偶極天線繞成螺旋型式並藉此身 縮小天線尺寸。 請參閱圖三，是在中心頻率所繞出來的單偶極螺旋天销 的尺寸。單位娜；W1 = 1、D卜14、D2=ig d3 = 8、d4=8 D5=6 、 D6=6 、 D7=4 、 D8=4 、 D9=2 、 〇ι㈣總長度爲 Dl+D2+D3 + ".+D1〇 = 65mm 約等於二分之波長。 1240456 ^請參閱圖四，係為四合一功率合成器（Power combiner)， > /接地面同在該第三基板3上，主要是將四個螺旋單偶 極天線22陣列在_起，所以輸人信制達每—個天線必須 同振幅與同相位，而設計的尺寸單位：隱；a卜卜心8，、 Sl-30 ’ s2:42，s3 = 4.6，S4=3.2。 °月參閱圖五，為模擬出的平板式雙偶極天線尺寸，單 位.mm ’ Ll：=17·5，L2=：19.4，L3=36，L4=11.5，L5 = 18.4， W1 1 ’ W2=2，W3=4.5，gap=4。而 L3+2L4 = 59 約 〇·45Λ接 近 〇·5/1。，Ζ/l 三/三 〇·25Α 0 25/ί = 18 1 ~~ > 3 g(在中心頻率時，υ·25人-，且奶 有達到使用傳輸線分析的條件。其中人是電磁波走過空氣中 且在中心頻率時的波長；夾為電磁波走過介質板且在中心頻 率時的波長。且該平板式雙偶極天線係使用兩個平板式雙偶 極天線11來做交錯放置，再使用傳輸線延遲達到兩個天線 激發相位相差90°，藉此來達到左手圓形極化的效果。本天線 也使用FR4印刷電路板（圖中未示）作為製造基板的材料， 此介電係數為4.4、厚度為〇.8mm、損耗常數（i〇ss—tangent) 為0·022，並利用這些條件來設定成iE3D模擬之參數。 請參閱圖六之左手圓形極化天線之反射損失頻率範圍 圖’反射損失（return-loss ;RL)RL<-l〇dB(SWR<2)頻率範圍 從2.2〇沿〜2.45〇112’阻抗頻寬約250]\41'12。而天線工作頻率 2.3 201^〜2.3 3 201^的111：皆小於-16(16。 1240456 睛芩閱圖七為左手圓形極化天線之天線增益與頻率變 化關係圖，在天線工作頻率範圍内模擬出的增益大約在 1.6dBi。左手圓形極化天線！是使用兩只平板式雙偶極天線 11，所以使用簡單的微带線饋入，使產生兩個振幅大小相同 的主要電流，這兩個主要電流在空間上相差90'相位也相差 90 ’來獲得圓形極化波。 ※實施例二 在線性極化的部分，量測線性垂直極化天線2的反射損 失，是使用向量網路分析儀HP8720來進行量測，其量測結 果如圖八，RL<-l〇dB(SWR<2)頻率範圍從 2.3GHz〜2.5GHz，阻抗頻寬約200MHz。而天線工作頻率範 圍2.3 2GHz〜2.3 3 2GHz的RL皆小於-l〇dB。量測天線場型的 量測頻率點都包含了工作頻率範圍，所以以下只針對在中心 頻率2.3 26GHz來做說明分析。如圖九所示，為天線同極化 等高線場型（contour pattern)能量分布圖，我們從此圖可以看 出能量呈環狀分布。而圖十為同極化E_plane( = 與 二 90〇 一）矩形場型（rectangular pattern)，可看出最大天線指向 性=3.07 dBi，半功率波束寬=1200。 如圖十一所示，為同極化E-plane(坤/ = 0°與冲/==90°)極化 場型（polar pattern)。而圖十二為同極化H-plane(认以如= 〇〇) 極化場型；由此圖可看出線性垂直極化天線的輻射場型是無 !24〇456 方向性的。如圖十三所示，為3D極化場型。 在圓形極化的部分，量測左手圓形極化天線（LHcp)的反 射損失，是使用向量網路分析儀HP872〇來進行量測，其量 測結果如圖十四，RL<-l〇dB(SWR<2)頻率範圍從 2.23GHz〜2.45GHz，阻抗頻寬約220MHz。而天線工作頻率 範圍2.32GHz〜2.332GHz的RL皆小於-l〇dB。以下亦針對在 中心頻率2.326GHz來做說明分析。 如圖十五所不，為天線同極化等高線場型φ pattern)能量分布圖，我們從此圖可以看出能量集中在中心的 地方。而圖十六為同極化垂直切面與水平切面（; ρ/2Ζ· = 〇0 與 H-cut，坤ζ 90 )矩形場型（rectangular pattern)，可看出最 大天線指向性=6.38 dBi，半功率波束寬= 98°。如圖十七所示， 為同極化垂直切面與水平切面的極化場型。如圖十八所示， 為三維（3D)極化場型。 其線性垂直極化天線在中心頻率（2.236GHz)，反射損失 鲁 約-11 ·3 dB(S WR<2)，天線場型為無方向場型，天線增益約 -0· 1 dBi。然而LHCP天線在中心頻率（2.326GHz)，反射損失 約-15.7，天線增益為3.14dBi，圓形極化的軸比（AR)為 1.42dB。分別再觀察這兩只天線所輻射場型的涵蓋角度不 同，因此這兩只天線組合成同時擁有左手圓形極化（LHcp) 與線性垂直極化天線（LP)的特性，分別可以接收衛星信號與 12 1240456 地面表為重要量測參考數據。 線性垂直極化天線 左手圓形極化天線

本發明具有如下優點：

1·本發明可適用於車頂上的安裝。 2.使用螺旋單偶極（spiral则卿心）天線來將天線尺寸縮小 上列洋細e兄明乃雀十對本發明 < 一可行實施例進行具體 說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫

離本發明技#精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案 之專利範圍中。 綜上所述，本案不僅於構造上確屬創新，並具備習用方 斤不及之上述多項功效，已充分符合新穎性及進步性之法 定’X月專利要件’爰依法提出申請，懇請#局核准本件發 明專利申請案，以勵發明，至感德便。 【圖式簡單說明】 月多閱以下有關本發明之附圖，將可進一步瞭解本發明 13 1240456 之技術内容及其目的功 刀效，有關该貫施例之附圖為： 圖一為本發明之外觀圖； 圖二為單偶極螺旋天線天線構造圖； 圖一為中〜頻率所繞出來的單偶極螺旋天線之尺寸圖； 圖四為四合一功率合成器構造圖； 圖五為模擬出之平板式雙偶極天線尺寸； 圖六為本發明之反射損失頻率變化範圍圖； 圖七為本發明之天線增益與頻率變化關係圖； 馨 圖八為線性垂直極化天線之反射損失量測結果； 圖九為線性垂直極化天線同極化等高線場型能量分布 圖； 圖十為線性垂直極化天線之同極化與 /^:=90°)矩形場型； 圖十一為線性垂直極化天線之同極化E_plane(p/z/ = 〇。與 _· = 90°)極化場型； _ 圖十二為線性垂直極化天線之同極化H-piane(汍eato = 0°) 極化場型； 圖十三為線性垂直極化天線之3D極化場型； 圖十四為左手圓形極化天線之反射損失量測結果； 圖十五為左手圓形極化天線之同極化等高線場型能量 分布圖； 14 1240456 圖十六為左手圓形極化天線之同極化垂直切面與水平 切面（V-cut;灿/zz〇°與H-cut;坤/ = 90°)矩形場型； 圖十七為左手圓形極化天線之同極化垂直切面與水平 切面的極化場型；及 圖十八為左手圓形極化天線之3D極化場型。 【主要部分代表符號】 1左手圓形極化天線 11平板式雙偶極天線 2線性垂直極化天線 21 FR4印刷電路板 22螺旋單偶極天線 3第三基板

Claims (1)

1. !24〇456 拾、申請專利範圍： h —種應用於衛星數位音頻廣播系統之接收天線，其包括： 一第一極化天線，包含一基板，該基板具有至少— 對稱金屬軌跡，以供接收衛星信號； 一第二極化天線，包含至少一基板，每一基板之兩 側各別具有一金屬執跡，以供接收衛星信號透過地面基地 台發射的放大信號； 一接地面，係配置於一第三基板上，供該第一極化 天線與該第二極化天線共用； 將δ玄弟一極化天線與該第二極化天線之基板設置於 該接地面上，並使用微帶線饋入。 2·如申請專利範圍第1項所述之應用於衛星數位音頻廣播 系統之接收天線’其中該第一極化天線係由二個平板式雙 偶極天線組成。 3·如申請專利範圍第1項所述之應用於衛星數位音頻廣播 系統之接收天線，其中該第一極化天線之對稱金屬執跡係 為倒L形及其鏡射形狀。 4_如申請專利範圍第3項所述之應用於衛星數位音頻廣播 系統之接收天線，其中該倒L形及其鏡射形狀之長邊係 與該第三基板接觸。 5 ·如申請專利範圍第1項所述之應用於衛星數位音頻廣播 系統之接收天線，其中該第二極化天線係為一螺旋單偶極 16 1240456 天線。 6·如申請專利範圍帛！項所述之應用於衛星數位音頻廣播 系統之接收天線，其中該第二極化天線之金屬軌跡係為螺 旋線形。 ’ 7·如申請專利範圍帛丨項所述之應用於衛星數位音頻廣播 系統之接收天線，其中該螺旋線形之一端係與該第三基板 接觸。 8.如申請專利範圍帛丨項所述之應用於衛星數位音頻廣播鲁 系統之接收天線，其中該第二極化天線可進一步使用螺旋 單偶極天線陣列。 9·如申請專利範圍第1項所述之應用於衛星數位音頻廣播 系統之接收天線，其中該第二極化天線之基板係為一具有 兩垂直交叉平板之結構。 10·如申請專利範圍第1項所述之應用於衛星數位音頻廣播 系統之接收天線，其中該第一與第二極化天線之基板均與 _ 該第三基板垂直。 17