TWI389389B - 圓極化平板天線 - Google Patents

Description

圓極化平板天線

本發明是有關於一種圓極化平板天線，特別是有關於一種可控制天線左右旋圓極化之設計機制。

在行動通訊與無線網路技術不斷提昇的今日，開發新功能的應用與提供更多的加值服務給使用者，以刺激使用者的需求，是帶動產業的蓬勃發展與獲利的不二法門；而結合全球定位系統(Global Positioning System；GPS)的應用則可望隨著行動通訊的發展與各種不同終端裝置的整合，繼藍芽之後成為另一個殺手級的應用。為因應電子產品輕薄短小與內藏的需求趨勢，除了GPS產品本身須具有的圓極化效果之外，天線產品尺寸更是影響電子終端裝置整體的重要關鍵。

目前用於GPS圓極化平板天線的基板多以具有高介電常數之微波介電陶瓷天線達成縮小化之目的，同時，為了元件在電路板上表面黏著的需求，其電訊號饋入的主要方式以側邊饋入與傳輸線耦合為最常見。其中，第一種先前技術為台灣專利公告第I171997號，其為一既有之側邊饋入的陶瓷圓極化平板天線，包含一輻射電極、一天線接地面以及一側邊饋入，此種形式的天線設計最為常見，唯此設計受限於天線本身的側邊饋入電極與周邊環境的干擾，導致阻抗容易變異，不但會影響製作穩定性也不利於量產以及組裝；而第二種先前技術為台灣專利公開第200830632號，其為一既有之傳輸線耦合的陶瓷圓極化平板天線，其包含一輻射電極、一天線接地面以及一傳輸線耦合電極對，此設計易因上、下電極準位誤差過於敏感，導致阻抗容易變異，另外在輻射效能的表現上也因為天線本身為迴圈式的輻射面積，導致天線增益較一般傳統陶瓷平板天線低約3~5dBi。

為了解決前述既有之導致阻抗容易變異與天線增益過低的問題，本發明之圓極化平板天線採用一多彎折金屬微帶線的設計，以俾利阻抗匹配的調整與極化方式的控制，並保留傳統陶瓷圓極化平板天線的設計結構，達到縮小化及改善增益之目的。

本發明之一目的係在提供一種圓極化平板天線，藉以在輻射效能的改善與降低阻抗變異的情況下，達成有效縮小尺寸的圓極化平板天線。

本發明之另一目的係在提供一種圓極化平板天線，以藉由圓極化設計與高可調適阻抗之薄型化微縮天線設計，來產生兩個振幅大小相等、相位相差90度之共振模態，以達成圓極化與阻抗匹配調適之天線設計機制。

配合前述的技術問題及發明目的，在一實施例中，此種圓極化平板天線包含一微波介質基板、一天線接地面、一輻射金屬片、一金屬微帶線、一系統接地單元以及一訊號饋入組件。微波介質基板實質為矩形結構。輻射金屬片係設置於微波介質基板之上表面。天線接地面係設置於微波介質基板之下表面，且包含一接地金屬片以及一淨空區間，而此淨空區間係設置於接地金屬片之近角落區間。金屬微帶線係包含三段彎折金屬線段並且相互電氣連接，此些彎折金屬線段分別為一第一金屬線段、一第二金屬線段以及一第三金屬線段，其中第一金屬線段係設置於微波介質基板之上表面之近角落區間，且不與該輻射金屬片電氣連接；第二金屬線段係設置於天線接地面之淨空區間內，且不與天線接地面電氣連接；第三金屬線段係設置於微波介質基板側邊之近角落區間，並與第一金屬線段以及第二金屬線段相互電氣連接。系統接地單元係設置於一介質基材上。訊號饋入組件之一端係與金屬微帶線電氣連接，而其另一端係與系統接地面電氣連接。

因此，本發明之實施例可在輻射效能的改善與降低阻抗變異的情況下，達成有效縮小尺寸的圓極化平板天線。本實施例之圓極化平板天線具有如下的優點：

1.本實施例之圓極化平板天線的整體厚度僅約2.5mm。相較於習知之圓極化平板天線的厚度需約4mm，可以減少約1.5mm的元件高度，故有利整體終端產品的薄型化需求。

2.本實施例之金屬微帶線的幾何形狀可以有效控制極化形式，可以在相同的訊號饋入位置分別達成右旋圓極化與左旋圓極化的設計。在本實施例中，在訊號饋入位置維持不變的情形下，當金屬微帶線之第一金屬線段與第三金屬線段之交角呈90度時可達成右旋圓極化之效果，當金屬微帶線之第一金屬線段與第三金屬線段之交角呈平行重疊時可達成左旋圓極化之效果調整本實施例之厚度值，在實際應用上無須再進行電路板的重新配置，因此大為增加使用的便利性。

3.本實施例之金屬微帶線的另一功效為阻抗匹配的調整，透過調整金屬微帶線的第一金屬線段、第二金屬線段以及第三金屬線段之幾何形狀、與輻射金屬片及天線接地面的間隙，可以有效調整電感性與電容性，同時，對於本實施例後續與前端主動電路結合時具有更佳的可調整性及適應性。

因此，本實施例之圓極化平板天線可提供圓極化設計與高可調適阻抗之薄型化微縮天線設計，特別是以藉由調整金屬微帶線之線路蜿蜒與輻射金屬片及天線接地面之間的電磁耦合效應，產生的兩個振幅大小相等、相位相差90度之共振模態所達成圓極化與阻抗匹配調適之天線設計機制。本實施例之圓極化平板天線保有傳統平板天線的高指向性輻射增益且具有結構簡單、尺寸短小、良好的軸比頻寬與圓極化增益等優點，因此十分適合應用於無線通訊系統之天線設計上，尤其適合輕薄短小之電子通訊產品，具有極高的產業價值。

以下將以圖示及詳細說明清楚說明本發明之精神，如熟悉此技術之人員在瞭解本發明之實施例後，當可由本發明所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本發明之精神與範圍。

有關本發明之實施例前述及其他技術內容、特點與功效，請參考第1圖並以較佳實施例詳細說明。在本發明之實施例中，圓極化平板天線係包含一微波介質基板10、一輻射金屬片11、一天線接地面12、一金屬微帶線13、一系統接地單元14以及一訊號饋入組件15。茲先將與本佳實施例相關的天線特性說明如下：請參考第3圖至第6圖，第3圖為本實施例圓極化平板天線的返回損失實測數據圖，其在10dB的阻抗頻寬約有8~10MHz；第4圖為本實施例圓極化平板天線的實驗結果史密斯圖，其中心頻率的阻抗接近50ohms；第5圖為本實施例圓極化平板天線在X-Z平面的輻射場型實驗結果，在天頂的方向具有良好的軸比表現與指向性；第6圖為本實施例圓極化平板天線在操作頻帶內之天線軸比實驗結果，其圓極化在3dB軸比頻寬定義下約有2~3MHz。

請參考第2圖，其為第1圖之圓極化平板天線之展開圖。微波介質基板10係包含至少一上表面101、一下表面102及一側邊103，本實施例係使用介電常數約60之微波介質陶瓷。微波介質基板10大致為一矩形結構且整體尺寸為15 x 15 2.5mm，微波介質基板10亦可為適合於高頻應用之介電性材料，例如：玻璃纖維、FR4、陶瓷以供承載輻射金屬片11和金屬微帶線13等組件。微波介質基板10之幾何形狀亦可為例如：圓形、方形、三角形或橢圓形。

輻射金屬片11係設置於微波介質基板10之上表面101。輻射金屬片11的尺寸大約為天線之操作頻率在微波介質基板10的二分之一波長，其幾何形狀大致可為一矩形。輻射金屬片11為導電金屬材質，且可藉由不同的製程方法形成，例如：厚膜網版印刷、顯影蝕刻及電漿沉積等方式。輻射金屬片11之幾何形狀亦可為圓形、方形、三角形或橢圓形。

天線接地面12係設置於微波介質基板之下表面102，且包含一接地金屬片121以及一淨空區間122，其幾何形狀大致可為一矩形，其中，淨空區間122係設置於接地金屬片121之近角落區間。天線金屬片121為導電金屬材質且天線接地面可以為圓形、方形、多邊形、三角形或橢圓形之金屬結構；淨空區間122為非導電區間，可大致為矩形、三角形或弧形。其相關之參考實施例請參考第7圖之圖式說明，第7圖為本發明之天線接地面、金屬微帶線及系統接地面相關參考實施例圖。

金屬微帶線13係包含三段彎折金屬線段並且相互電氣連接，分別為一第一金屬線段131、一第二金屬線段132、以及一第三金屬線段133，其中第一金屬線段131係設置於微波介質基板10之上表面101之近角落區間且不與輻射金屬片11電氣連接；第二金屬線段132係設置於天線接地面12之淨空區間122內且不與天線接地面12電氣連接；第三金屬線段133係設置於微波介質基板之側邊103之近角落區間並與第一金屬線段131以及第二金屬線段132相互電氣連接。金屬微帶線13可為至少三個彎折之金屬線段所組成，其中金屬微帶線13可為直線或弧線之幾何形狀。該金屬微帶線13大致係由一細狹長之金屬片彎折而成。本實施例可藉由調整金屬微帶線13之線路蜿蜒與輻射金屬片11及天線接地面12之間的電磁耦合效應，以產生兩個振幅大小相等、相位相差90度之共振模態，來達成圓極化與阻抗匹配調適之天線設計機制。

系統接地單元(系統接地面)14的幾何形狀大致為一矩形，其材質為導電金屬材質，且可為圓形、方形、多邊形、三角形或橢圓形之金屬結構。

訊號饋入組件15係設置於金屬微帶線(13)與該系統接地單元14之間，且訊號饋入組件15之一端係與金屬微帶線13電氣連接，其另一端與系統接地單元14電氣連接。訊號饋入組件15可為同軸線、微帶線、共平面線以及SMA接頭等實施方式。

本發明所揭露如上之各實施例中，並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．微波介質基板

11．．．輻射金屬片

12．．．天線接地面

13．．．金屬微帶線

14．．．系統接地單元

15．．．訊號饋入組件

101．．．上表面

102．．．下表面

103．．．側邊

121．．．接地金屬片

122．．．淨空區間

131．．．第一金屬線段

132．．．第二金屬線段

133．．．第三金屬線段

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：

第1圖為本發明圓極化平板天線之一較佳實施例圖。

第2圖為第1圖之圓極化平板天線之展開圖。

第3圖為本實施例圓極化平板天線的返回損失實測數據圖。

第4圖為本實施例圓極化平板天線的實驗結果史密斯圖。

第5圖為本實施例圓極化平板天線在X-Z平面的輻射場型實驗結果。

第6圖為本實施例圓極化平板天線在操作頻帶內之天線軸比實驗結果

第7圖為本發明之天線接地面、金屬微帶線及系統接地面相關參考實施例圖。

10．．．微波介質基板

11．．．輻射金屬片

13．．．金屬微帶線

14．．．系統接地單元

15．．．訊號饋入組件

Claims (9)

1. 一種圓極化平板天線，包含：一微波介質基板，其中該微波介質基板係實質為一矩形結構；一輻射金屬片，設置於該微波介質基板之一上表面；一天線接地面，設置於該微波介質基板之一下表面，其中該天線接地面包含：一接地金屬片；以及一淨空區間，設置於該接地金屬片之一近角落區間；一金屬微帶線，包含：一第一金屬線段，設置於該微波介質基板之上表面之近角落區間且不與該輻射金屬片電氣連接；一第二金屬線段，設置於該天線接地面之該淨空區間內且不與該天線接地面電氣連接；以及一第三金屬線段，設置於該微波介質基板側邊之近角落區間並與該第一金屬線段以及該第二金屬線段相互電氣連接，其中該第一金屬線段、該第二金屬線段和該第三金屬線段為三段彎折金屬線段並且相互電氣連接；一系統接地單元，設置於一介質基材上；及一訊號饋入組件，其中該訊號饋入組件之一端係與該金屬微帶線電氣連接，該訊號饋入組件之另一端係與該系統接地面電氣連接。
2. 如依申請專利範圍第1項所述之圓極化平板天線，其中該微波介質基板的材質係玻璃纖維或陶瓷。
3. 如依申請專利範圍第1項所述之圓極化平板天線，其中該微波介質基板的形狀為圓形、方形、三角形或橢圓形。
4. 如申請專利範圍第1項所述之圓極化平板天線，其中該輻射金屬片為圓形、方形、三角形或橢圓形之金屬結構。
5. 如申請專利範圍第1項所述之圓極化平板天線，其中該天線接地面之金屬結為圓形、方形、三角形或橢圓形。
6. 如申請專利範圍第1項所述之圓極化平板天線，其中該天線接地面之該淨空區間可大致為矩形、三角形或弧形。
7. 如申請專利範圍第1項所述之圓極化平板天線，其中該天線接地面之該接地金屬片係實質為矩形、三角形或弧形。
8. 如申請專利範圍第1項所述之圓極化平板天線，其中該金屬微帶線係由至少三個彎折之金屬線段所組成，該 金屬微帶線之幾何形狀為直線或弧線。
9. 如申請專利範圍第1項所述之圓極化平板天線，其中該訊號饋入組件係由同軸線、微帶線、共平面線以及SMA接頭之實施方式所製成。