TWI383539B - 共平面天線單元及共平面天線 - Google Patents

Description

共平面天線單元及共平面天線

本發明是有關於一種共平面天線單元及共平面天線，特別是有關於一種洩漏波天線之共平面天線單元及共平面天線。

洩漏波天線對於無線系統的發展有著重要的貢獻，而一個能整合複合左右手材料(composite right/left-handed material)的無線通信之天線更是近年來熱門的研究項目之一。因此，複合左右手架構能便是此類熱門應用的最佳技術之一。目前已知洩漏波天線(leaky-wave antenna)之設計方法大致可分為下列幾種：

1.利用週期性結構；藉由週期性的影響所產生之空間諧波所造成。如：介電格柵、金屬板格柵以及在金屬片的槽狀格柵。

2.利用開放式波導；係操作於高階模態使其達到洩漏波天線的功用，如：溝紙式波導、非放射性介質波導以及微帶線。

3.結合後設材料(meta-material)使得在一般模態下也具有輻射區及導波區，當操作頻率在輻射區時，即為洩漏波天線。

已知的技術雖然可以達到洩漏波天線的目的，但是為了使在結構中的大部分能量洩漏至空間中，以達到高增益及天線效率。為了達到此目標，而其現有利用週期性結構、開放式波導或後設材料的洩漏波天線之長度，則需夠長才能將在上述架構中之大部分傳遞能量洩漏至空間中，因應目前縮小化的主流且對於整合通訊系統的需求，所以洩漏波天線之體積縮小化是很重要的一種趨勢。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種共平面天線單元及共平面天線，設計出一個縮小化的複合左右手洩漏波天線。對通訊系統而言，使其天線可易於整合於無線通訊之應用中，用來提升現今的無線通訊產業對於整合型通訊系統技術的發展，也為未來的通訊科技帶來進步。

根據本發明之其中一目的，提出一種共平面天線單元，其包含：基板、輻射平面、第一接地面、第二接地面和金屬片。輻射平面設置於基板之一側，其包含饋入平面和輸出平面。饋入平面用以接收饋入訊號，且饋入訊號於饋入平面產生輻射訊號。輸出平面與饋入平面具有間隔，輻射訊號耦合至輸出平面，使輸出平面輸出輻射訊號，且輸出平面具有第一延伸部和第二延伸部。第一接地面設置於基板之一側，且位於輻射平面之一側，第一接地面具有第一鏤空部，且第一延伸部設置於第一鏤空部中，第一延伸部之一端連接第一接地面。第二接地面設置於基板之一側，且位於輻射平面之另一側，第二接地面對應第一鏤空部位置處具有第二鏤空部，第二延伸部設置於第二鏤空部中，第二延伸部之一端連接第二接地面。金屬片設置於基板之另一側，且對應輻射平面設置金屬片。

其中，輻射平面與金屬片形成電容結構。電容結構係提供等效左手電容。

其中，輻射平面、基板和金屬片形成金屬-絕緣-金屬(Metal-Insulator-Metal,MIM)電容結構。

其中，與複數個共平面天線單元以串聯方式相互連接。

其中，共平面天線單元具有平衡頻率，平衡頻率由第一延伸部、第二延伸部或金屬片之尺寸所決定。

其中，饋入平面和金屬片係包含一穿孔(via)。

其中，金屬片形狀為方形、三角形、圓形、五邊形或六邊形。

其中，第一延伸部或第二延伸部之等效電路為電感，此電感為左手電感。

根據本發明之另一目的，提出一種共平面天線，其包含複數個共平面天線單元，每一共平面天線單元相互串接，每一共平面天線單元包含：基板、輻射平面、第一接地面、第二接地面和金屬片。輻射平面設置於基板之一側，其包含饋入平面和輸出平面。饋入平面用以接收饋入訊號，且饋入訊號於饋入平面產生輻射訊號。輸出平面與饋入平面具有間隔，輻射訊號耦合至輸出平面，使輸出平面以輸出輻射訊號，且輸出平面具有第一延伸部和第二延伸部。第一接地面設置於基板之一側，且位於輻射平面之一側，第一接地面具有第一鏤空部，且第一延伸部設置於第一鏤空部中，第一延伸部之一端連接第一接地面。第二接地面設置於基板之一側，且位於輻射平面之另一側，第二接地面對應第一鏤空部位置處具有第二鏤空部，第二延伸部設置於第二鏤空部中，第二延伸部之一端連接第二接地面。金屬片設置於基板之另一側，且對應輻射平面設置金屬片。

其中，輻射平面與金屬片形成電容結構。電容結構係提供等效左手電容。

其中，輻射平面、基板和金屬片形成金屬-絕緣-金屬(Metal-Insulator-Metal,MIM)電容結構。

其中，與複數個共平面天線單元以串聯方式相互連接。

其中，共平面天線單元具有平衡頻率，平衡頻率由第一延伸部、第二延伸部或金屬片之尺寸所決定。

其中，饋入平面和金屬片係包含一穿孔(via)。

其中，金屬片形狀為方形、三角形、圓形、五邊形或六邊形。

其中，第一延伸部或第二延伸部之等效電路為電感，此電感為左手電感。

其中，串接數目大於或等於四個共平面天線單元。

其中，串接數目為5個共平面天線單元時，則共平面天線之洩漏能量係為90%。

其中，串接數目係為5個共平面天線單元時，則共平面天線之平衡頻率係為3.5GHz。

根據本發明之又一目的，提出一種共平面天線單元和共平面天線，設計出縮小化洩漏波天線達成易於整合無線通訊之應用，來解決傳統與現今一維複合左右手洩漏波天線需要冗長的結構來輻射能量之問題。複合左右手洩漏波天線之縮小化的設計概念也可推廣至其他通信規格頻率。縮小化滿足無線通訊系統以及未來整合於通訊系統的要求。

承上所述，依本發明之共平面天線單元及共平面天線，其可具有一或多個下述優點：

(1)此共平面天線單元及共平面天線具有掃頻特性，且會從後向(backward)至垂向(broadside)再到前面(forward)做連續性的掃描，並且擁有兩個主波束方向。

(2)此共平面天線單元及共平面天線利用後設材料(meta-material)的金屬-絕緣體-金屬電容與接地傳輸線，來分別設計左手材料中的串聯電容及並聯電感。

(3)此共平面天線單元及共平面天線透過共平面波導及在相同面積下可得到較大電容值的金屬-絕緣體-金屬電容，以解決傳統低洩漏常數的問題。

(4)此共平面天線單元及共平面天線利用共平面波導另一層達到金屬-絕緣體-金屬電容的效果，不需要額外多加基板，以達到低姿態(low profile)。

請參閱第1圖，其係為本發明之共平面天線單元之側視圖。圖中，共平面天線單元1包含基板11、輻射平面12、第一接地面13、第二接地面14和金屬片15。輻射平面12、第一接地面13和第二接地面14係設置於基板11之一側，而金屬片15係設置於基板之另一側，且對應輻射平面12的位置。

請參閱第2圖，其係為本發明之共平面天線單元之俯視圖。請參閱第3圖，其係為本發明之共平面天線單元之仰視圖。圖中，輻射平面12具有饋入平面121和輸出平面122。饋入平面121用以接收饋入訊號，且饋入訊號於饋入平面121產生輻射訊號。當饋入訊號於饋入平面121累積一定的輻射能量時，即在邊緣產生輻射訊號。輸出平面13與饋入平面具有間隔d，因此輻射訊號藉由耦合方式耦合至輸出平面122，藉此，輸出平面122即可輸出輻射訊號。輸出平面具有第一延伸部1221和第二延伸部1222。第一接地面13設置於輻射平面12之一側，且第一接地面13具有第一鏤空部131。第二接地面14設置於輻射平面12之另一側，且第二接地面對應第一鏤空部131具有第二鏤空部141。第一延伸部1221設置於第一鏤空部131中，且第一延伸部1221之一端連接第一接地面13，第二延伸部1222設置於第二鏤空部141中，且第二延伸部1222之一端連接第二接地面14。

輻射平面12設置於基板11之一側，而金屬片15設置於基板11之另一側時，且基板11之材料為介電材料時，可發現此結構為金屬-絕緣層-金屬結構，因此在等效電路上亦可稱為MIM(Metal-Insulator-Metal)電容。在一實施例中，可選用RogersRT/Duriod5880基板，此基板介電係數為2.2，其損耗正切(loss tangent)為0.0009，表示損耗相當低。

在饋入平面121和金屬片15上設置有穿孔16，其穿孔相互對應，因此饋入訊號可藉由穿孔16傳送至金屬片15。在此實施例中，其穿孔有四個，但不以此為限，穿孔的數目和穿孔的大小亦影響平衡頻率。輻射平面12和金屬片15在等效電路上為一電容結構。當輻射平面12和金屬片15選用後設材料(meta-material)時，此電容結構具有左手性質，可稱為一左手電容。

在輸出平面122上，其具有第一延伸部1221和第二延伸部1222，其等效電路為一電感，因此藉由調整第一延伸部1221和第二延伸部1222的尺寸，可改變共平面天線單元1的特性，當選用輸出平面122之材料為後設材料時，其電感具有左手性質，因此在等效電路上可為一左受電感。

共平面天線單元1具有一平衡頻率，其平衡頻率由第一延伸部1221、第二延伸部1222或金屬片15之尺寸決定。如第2圖所示之第一延伸部1221和第二延伸部1222的寬度Ws，同理，其鏤空部的大小亦受到第一延伸部1221和第二延伸部1222的長寬度而受影響，因此改變鏤空部的大小(Ls、Ws)亦可決定平衡頻率。對於金屬片的尺寸而言，亦可改變其長寬值(例如：d₁ ，d，Lc)和幾何形狀，亦可改變其平衡頻率。金屬片15的形狀可為方形、三角形、圓形、五邊形或六邊形，但不以此為限，可為任意之幾何形狀。

請參閱第4圖，其係為本發明之共平面天線之俯視圖。請參閱第5圖，其係為本發明之共平面天線之仰視圖。圖中，共平面天線4可包含5個共平面天線單元，每一共平面單元係透過串接方式相連接，共平面天線單元之敘述，可參閱前面說明，在此不再贅述。在此共平面天線中，可進一步包含SMA(Sub Miniature version A)接頭，使第一個共平面天線單元透過SMA接頭以接收饋入訊號，並透過SMA接頭使最後一個共平面單元輸出輻射訊號。

請參閱第6圖，其係為本發明之洩漏常數對應不同數目之共平面天線單元示意圖。圖中，當平衡頻率為3.5GHz，且設定條件為末端之剩餘能量與輸出端之能量相比要小於0.1，且不會過小的情況下，可發現串聯數目為大於或等於4個共平面天線單元時，洩漏常數才會趨於收斂。因此4個或5個串接而成的共平面天線將會是較佳的選擇。

請參閱第7圖，其係為本發明之反射損耗(return loss)與頻率響應關係圖。圖中，包含兩條曲線，一條為模擬值，另一條為實際測量值，當操作頻率為約為3.5GHz時，可發現其反射損失約為-26dB。當操作頻率約為3.9GHz時，其反射損失約為-29dB。

請參閱第8圖，其係為本發明之共平面天線於X-Z平面之遠場輻射場型模擬圖。其操作頻率分別為2.75GHz、3.5GHz及3.9GHz。當操作頻率為2.75GHz時是工作在左手洩漏波區，其模擬的主波束方向在24度及155度，增益值分別為4.5dBi及4.8dBi。當操作頻率在3.5GHz時是工作在平衡頻率點之洩漏波區，其模擬的主波束方向在-1度及179度，增益值分別為4.9dBi及5.6dBi。操作頻率在3.9GHz時是工作在右手之洩漏波區，其主波束方向在-39度及-142度，模擬增益值分別為7dBi及7.1dBi。

本發明操作頻率在2.75GHz、3.5GHz及3.9GHz時，在基板下方之主波束方向分別155度、179度及-142度，基板上方之主波束方向分別24度、-1度及-39度，這也是掃頻特性，這特性即是洩漏波天線所具有的獨特之特性，所以我們確定此天線即是洩漏波天線且是由複合左右手傳輸線之輻射特性所造成。其總共可掃描角度為63度；而在基板上方掃描之角度其總共可描掃角度為63度。

現今的一維複合左右手洩漏波天線長度仍與傳統洩漏波天線長度都需要4~5波長，皆因洩漏常數(leakage constant)較低的關係，而本發明即是針對此點進行設計長度較短之縮小化複合左右手洩漏波天線，即為本發明之共平面天線。之前的應用皆使用微帶線結構使得洩漏常數低，乃因只有一輻射面且大部分之能量儲存在介質不易洩漏至空間中的緣故。故本發明提出之共平面天線單元(unit cell)具有洩漏常數較高的特性。

共平面天線單元是使用共平面波導(coplanar waveguide,CPW)之傳輸結構及整體電氣長度較短的共平面天線單元來實現洩漏常數較高的特性。且因共平面天線單元之洩漏常數較高的原故，而等效電路中的串聯電阻及並聯電導均不可忽略。本發明所揭露的共平面天線以達到高洩漏常數為目標，透過共平面波導及MIM電容來改善傳統與現有一維複合左右手洩漏波天線之長度過長的缺點。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1．．．共平面天線單元

4．．．共平面天線

11．．．基板

12．．．輻射平面

121．．．饋入平面

122．．．輸出平面

1221．．．第一延伸部

1222．．．第二延伸部

13．．．第一接地面

131．．．第一鏤空部

14．．．第二接地面

141．．．第二鏤空部

15．．．金屬片

以及

16．．．穿孔

第1圖　係為本發明之共平面天線單元之側視圖；

第2圖　係為本發明之共平面天線單元之俯視圖；

第3圖　係為本發明之共平面天線單元之仰視圖；

第4圖　係為本發明之共平面天線之俯視圖；

第5圖　係為本發明之共平面天線之仰視圖；

第6圖　係為本發明之洩漏常數對應不同數目之共平面天線單元示意圖；

第7圖　係為本發明之反射損耗(return loss)與頻率響應關係圖；以及

第8圖　為本發明之共平面天線於X-Z平面之遠場輻射場型模擬圖。

1．．．共平面天線單元

121．．．饋入平面

122．．．輸出平面

1221．．．第一延伸部

1222．．．第二延伸部

13．．．第一接地面

131．．．第一鏤空部

14．．．第二接地面

141．．．第二鏤空部

以及

16．．．穿孔

Claims (22)

1. 一種共平面天線單元，其包含：一基板；一輻射平面，係設置於該基板之一側，其包含：一饋入平面，係用以接收一饋入訊號，且該饋入訊號係於該饋入平面產生一輻射訊號；以及一輸出平面，係與該饋入平面具有一間隔，該輻射訊號耦合至該輸出平面，使該輸出平面輸出該輻射訊號，且該輸出平面具有一第一延伸部和一第二延伸部；一第一接地面，係設置於該基板之一側，且位於該輻射平面之一側，該第一接地面具有一第一鏤空部，且該第一延伸部設置於該第一鏤空部中，該第一延伸部之一端係連接該第一接地面；一第二接地面，係設置於該基板之一側，且位於該輻射平面之另一側，該第二接地面對應該第一鏤空部位置處係具有一第二鏤空部，該第二延伸部係設置於該第二鏤空部中，該第二延伸部之一端係連接該第二接地面；以及一金屬片，係設置於該基板之另一側，且對應該輻射平面設置該金屬片。
2. 如申請專利範圍第1項所述之共平面天線單元，其中該輻射平面與該金屬片形成一電容結構。
3. 如申請專利範圍第2項所述之共平面天線單元，其中該電容結構係提供一等效左手電容。
4. 如申請專利範圍第1項所述之共平面天線單元，其中該輻射平面、該基板和該金屬片形成一金屬-絕緣-金屬(Metal-Insulator-Metal,MIM)電容結構。
5. 如申請專利範圍第1項所述之共平面天線單元，其中與複數個該共平面天線單元以串聯方式相互連接。
6. 如申請專利範圍第1項所述之共平面天線單元，其中該共平面天線單元係具有一平衡頻率，該平衡頻率係為由該第一延伸部、該第二延伸部或該金屬片之尺寸所決定。
7. 如申請專利範圍第1項所述之共平面天線單元，其中該饋入平面和該金屬片係包含一穿孔(via)。
8. 如申請專利範圍第1項所述之共平面天線單元，其中該金屬片形狀係為方形、三角形、圓形、五邊形或六邊形。
9. 如申請專利範圍第1項所述之共平面天線單元，其中該第一延伸部或該第二延伸部之等效電路係為一電感。
10. 如申請專利範圍第9項所述之共平面天線單元，其中該電感係為一左手電感。
11. 一種共平面天線，係包含複數個共平面天線單元，每一該複數個共平面天線單元係相互串接，每一該共平面天線單元係包含：一基板；一輻射平面，係設置於該基板之一側，其包含：一饋入平面，係用以接收一饋入訊號，且該饋入訊號係於該饋入平面產生一輻射訊號；以及一輸出平面，係與該饋入平面具有一間隔，該輻射訊號耦合至該輸出平面，使該輸出平面輸出該輻射訊號，且該輸出平面具有一第一延伸部和一第二延伸部；一第一接地面，係設置於該基板之一側，且位於該輻射平面之一側，該第一接地面具有一第一鏤空部，且該第一延伸部設置於該第一鏤空部中，該第一延伸部之一端係連接該第一接地面；一第二接地面，係設置於該基板之一側，且位於該輻射平面之另一側，該第二接地面對應該第一鏤空部位置處係具有一第二鏤空部，該第二延伸部係設置於該第二鏤空部中，該第二延伸部之一端係連接該第二接地面；以及一金屬片，係設置於該基板之另一側，且對應該輻射平面設置該金屬片。
12. 如申請專利範圍第11項所述之共平面天線，其中該輻射平面與該金屬片形成一電容結構。
13. 如申請專利範圍第12項所述之共平面天線，其中該電容結構係提供一等效左手電容。
14. 如申請專利範圍第11項所述之共平面天線，其中該輻射平面、該基板和該金屬片形成一金屬-絕緣-金屬(Metal-Insulator-Metal,MIM)電容結構。
15. 如申請專利範圍第11項所述之共平面天線，其中該共平面天線係具有一平衡頻率，該平衡頻率係為由該第一延伸部、該第二延伸部或該金屬片之尺寸所決定。
16. 如申請專利範圍第11項所述之共平面天線，其中該饋入平面和該金屬片係包含一穿孔(via)。
17. 如申請專利範圍第11項所述之共平面天線，其中該金屬片形狀係為方形、三角形、圓形、五邊形或六邊形。
18. 如申請專利範圍第11項所述之共平面天線，其中該第一延伸部或該第二延伸部之等效電路係為一電感。
19. 如申請專利範圍第18項所述之共平面天線，其中該電感係為一左手電感。
20. 如申請專利範圍第11項所述之共平面天線，其中該串接數目係大於或等於四個該共平面天線單元。
21. 如申請專利範圍第11項所述之共平面天線，其中該串接數目係為5個該共平面天線單元時，則該共平面天線之洩漏能量係為90%。
22. 如申請專利範圍第11項所述之共平面天線，其中該串接數目係為5個該共平面天線單元時，則該共平面天線之平衡頻率係為3.5GHz。