TWI420738B - 雙極化天線結構、天線罩及其設計方法 - Google Patents

Description

雙極化天線結構、天線罩及其設計方法

本發明係有關於一種雙極化天線結構、天線罩及其設計方法，尤指一種可增加天線的增益者。

無線通訊系統必備的元件為前端電路天線，其特性攸關整個系統的訊號品質。一般而言，接收到的訊號強度由下列公式決定：

其中，P_R 為接收端的接收功率、P_t 為發射端的發射功率、G_t 為發射天線的天線增益、G_r 為接收天線的天線增益、e_t 為發射天線的天線效率、e_r 為接收天線的天線效率、D_t 為發射天線的天線指向性、D_r 為接收天線的天線指向性、λ為操作頻率波長、r為兩天線之間的距離。由上述公式可知，要提高無線通訊系統信號功率P_R ，必須要提昇天線的增益(G_t 或G_r )或者提高天線指向性(D_t 或D_r )，進而增加無線通訊的品質。目前，提高天線增益的技術為使用天線陣列，天線陣列是藉由天線元件數目的增加，提高天線的指向性進而提昇了天線增益。然而，上述的技術在實際應用時會遭遇到的缺點有：1.饋入網路訊號損失大增、2.饋入網路設計複雜、3.天線整體體積變大；而上述的三大缺點將使得天線增益無法有效增加，基地台線路維護困難並且成本昂貴，以及所設計的天線由於體積過大因而不適合應用在小型基台上。

傳統增加天線的增益及其更具指向性的作法為陣列天線。利用超頻材料設計之金屬天線罩，將該金屬天線罩設計成折射率趨近於零，可以提高天線指向性或者是提高天線增益。之前使用超頻材料設計之金屬天線罩，可以達到增加天線指向性並減少波束寬或者是提高天線增益的效果，但由於天線罩只能增加單一極化方向的指向性或增益，所以無法用於雙極化的天線，使得應用在天線時會受到天線種類的限制。此外，若使用前案之天線罩應用在單極化之天線上時，也必須考慮天線極化與天線罩極化的方向，若極化方向沒有對齊的話會使得指向性或增益的增加量下降。

一般Fabry Perot天線可得到高增益的效果，其包含金屬全反射面(接地面)及半穿透面。惟Fabry Perot結構之天線罩的高度約需波長的0.25至0.5倍，使得天線由於體積過大，而仍無法將天線大小有效降低；且金屬全反射面為必要元件，使得其應用受限。

美國專利US 6,885,355揭露各種形狀的金屬圖形，惟其係用於空間濾波器罩設計以濾除特定頻段之外之訊號，且操作於約1/2及1/4之波長。故該等金屬圖形係用於濾波，而非作為增加天線效能之用。

因此，如何研發出一種雙極化天線罩，其可增加天線的增益，且有效降低天線及天線罩整體厚度，將是本發明所欲積極探討之處。

本發明提出一種雙極化天線結構、天線罩及其設計方法，其主要特性為可增加天線的增益，且降低天線結構之整體高度。

本發明揭示一種雙極化天線罩，其包含複數層介質基板，各該介質基板表面包含以陣列形式排列之複數個金屬圖形，且該複數個金屬圖形以垂直於該介質基板之軸心旋轉九十度後之圖形不變。

本發明揭示一種雙極化天線結構，其包含一天線及前述天線罩。其中該天線及天線罩之距離小於等於操作頻率對應波長的0.1倍。

本發明揭示一種雙極化天線結構之設計方法，其包含：進行天線罩之金屬圖形之折射率分析、穿透特性分析及阻抗特性分析；根據上述分析決定該金屬圖形；以及將該金屬圖形以陣列排列形成於複數層介質基板上。

為充分瞭解本發明之特徵及功效，茲藉由下述具體之實施範例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：

圖1繪示本發明一實施範例之雙極性天線結構1之側剖圖。雙極化天線結構1包含天線2、至少一介質基板層4及一天線罩3。其中該天線2與天線罩3之距離小於等於操作頻率對應波長的0.1倍。

本發明之天線罩沒有Fabry Perot天線必須包含接地面之限制，因此以下係以應用於偶極天線為例進行說明。天線2係偶極天線(dipole antenna)，其包含二設於基板13表面之輻射導體17及與該輻射導體17耦接之天線饋入端18。介質基板層4設於該天線2之上，本實施範例為空氣間隙。天線罩3設於該介質基板層4之上，且包含複數層介質基板31、32及33。介質基板31與介質基板32間有間隙341，介質基板32與介質基板33間有間隙342。間隙341及間隙342可為真空、空氣或其他介電材質。各介質基板31、32或33係由複數個陣元介質基板5構成，且陣元介質基板5表面包含金屬曲折圖形6。舉例來說，間隙341以及間隙342較佳之厚度係為1.6mm，如以3.5GHz為中心頻率點之波長作均值化(normalize)為例，其距離較佳係1.6/85波長，其間隙材質係空氣，但廣義而言並無特殊限制，包含真空在內，使用者可以本身需要使用最適當的材質，以獲得最佳之介電係數、導磁係數及導電係數，使天線的收發效能更好。

一般來說，介質基板層4(本實施範例為一層，但不限於此)的作用在使該天線2及該天線罩3之間產生一距離，藉此使用者可調整該距離，使天線的收發效能更好。介質基板層4之材質除空氣外，但廣義而言並無特殊限制，包含真空在內，使用者可以本身需要使用最適當的材質，以獲得最佳之介電係數、導磁係數及導電係數，使天線的收發效能更好。根據本實施範例，該天線2與該天線罩3之距離係4mm，如以3.5GHz為中心頻率點之波長作均值化(normalize)為例，其距離係4/85波長，或是其距離範圍小於0.1波長。同樣地，以上有關介質基板層4的材質或厚度的描述僅是舉例，使用者可依操作頻率的不同使用不同的材質及厚度做設計，使天線的收發效能更好。

以介質基板31為例，圖2繪示複數個陣元介質基板5組合之介質基板31之正面示圖。介質基板32及33亦可採用相同結構。根據一實施範例，介質基板31、介質基板32以及介質基板33均係由3×3組共9個該些陣元介質基板5所組成。申言之，複數個金屬圖形6係以m×n之陣列形式排列，其中m、n為正整數。實際上該些陣元介質基板5的數量並無特別限制，而該些陣元介質基板5的尺寸為相同且該些陣元介質基板5的材質亦無特殊限制，使用者可以本身需要使用最適當的材質，以獲得最佳之介電係數、導磁係數及導電係數，使天線的收發效能更好。依本實施範例來說，各陣元介質基板5的長寬均為23mm，而厚度一般來說係介於0.3mm至2mm之間，在此實施範例為0.8mm，如以3.5GHz為中心頻率點之波長作均值化(normalize)為例，各陣元介質基板5的長寬係均為23/85波長，而厚度係0.8/85波長，而以上有關陣元介質基板5的長寬及厚度的描述，使用者可依操作頻率的不同使用不同的長寬及厚度做設計，使天線的收發效能更好。

介質基板31、32及33上藉由印刷或蝕刻形成之金屬曲折圖形6沿x和y方向以整體而言係呈對稱，因此沿垂直於該些介質基板31、32、33之軸心旋轉九十度後與原金屬曲折圖形6之排列相同。易言之，各該介質基板31、32或33表面包含以陣列形式排列之複數個金屬曲折圖形6，且該複數個金屬曲折圖形6以垂直於該介質基板31、32或33之軸心旋轉九十度後之圖形不變。據此，本發明之天線結構具雙極化特性。

圖3詳細說明單一陣元介質基板5上之金屬曲折圖形6之構成。根據本實施範例，該金屬曲折圖形6包含第一金屬臂7、第二金屬臂8、第一寄生金屬臂9、第二寄生金屬臂10、第三寄生金屬臂11及第四寄生金屬臂12。第一金屬臂7與第二金屬臂8互相交疊垂直設置。第一寄生金屬臂9鋪設於該第一金屬臂7之一端，並與該第二金屬臂8平行。第二寄生金屬臂10鋪設於該第一金屬臂7之另一端，並與該第二金屬臂8平行。第三寄生金屬臂11鋪設於該第二金屬臂8之一端，並與該第一金屬臂7平行。第四寄生金屬臂12鋪設於該第二金屬臂8之另一端，並與該第一金屬臂7平行。申言之，本實施範例之金屬曲折圖形6係二I字之垂直交叉圖形。以上所述之金屬曲折圖形6，其尺寸大小亦無特殊限制，只要不超過該些陣元介質基板5的尺寸，使用者可依需求自行調整。類似圖2所示之對稱結構，該金屬曲折圖形6以其垂直於該些陣元介質基板5之軸心旋轉九十度後，會與原金屬曲折圖形6相同，就實際情況來說，當該些介質基板5之材料為FR4(具有介電常數約4.4)時，該第一金屬臂7及該第二金屬臂8之長度係20mm，其寬度較佳係2.5mm，而該第一寄生金屬臂9、該第二寄生金屬臂10、該第三寄生金屬臂11以及該第四寄生金屬臂12之長度為19mm，其寬度較佳係2.5mm，而該金屬曲折圖形6之間的間距係1mm。如以3.5GHz為中心頻率點之波長作均值化(normalize)為例，該第一金屬臂7及該第二金屬臂8之長度較佳係20/85波長，其寬度係2.5/85波長，而該第一寄生金屬臂9、該第二寄生金屬臂10、該第三寄生金屬臂11以及該第四寄生金屬臂12之長度為19/85波長，其寬度係2.5/85波長，而該金屬曲折圖形6之間的間距係1/85波長。同樣地，以上有關金屬曲折圖形6的各項元件尺寸的描述僅是舉例，使用者可依操作頻率的不同使用不同的長寬及間距做設計，使天線的收發效能更好。進一步言之，介質基板5係作為金屬曲折圖形6之載體，而金屬曲折圖形6乃實際運作之構件。介質基板5亦可整合成一整片之基板結構，實際上若金屬曲折圖形6於空間中可利用其他方式而具有相同之立體構成，介質基板5可被省略或取代。

圖4繪示本實施範例之天線折返損耗對頻率響應模擬示意圖，其中顯示於頻率約3.5GHz左右有相當低的折返損耗。

圖5為本實施範例增加增益的雙極化天線罩，由模擬軟體模擬求解所得之輻射場形特性圖，在中心頻率3.5GHz附近可以得到5.3dBi之增益特性，相較於原先的偶極天線多出了3.5dB。

圖6係本實施範例增加增益的雙極化天線罩，由模擬軟體求解所得之正上方增益對頻率的關係圖，以及未加天線罩的偶極天線之正上方增益對頻率的關係圖。由圖6可知，天線罩在約3.5GHz之操作頻段可以有效增加增益。

此外，除了圖3所示之二I字型垂直交叉之圖形外，金屬曲折圖形6亦可如圖7所示。類似圖3，第一金屬臂7與第二金屬臂8互相交疊垂直設置，寄生金屬臂9和10平行於第二金屬臂8，寄生金屬臂11和12平行於第一金屬臂7。不同之處在於寄生金屬臂9和10連接第一金屬臂7端部的兩側並非對稱，而為一邊較長、一邊較短之結構。然而，該金屬曲折圖形6以其垂直於該些陣元介質基板5之軸心旋轉九十度後，仍與原金屬曲折圖形6相同，而仍維持雙極化天線的特性。

本發明之天線罩亦可應用於片狀天線(patch antenna)，如以下之實施範例說明。

圖8繪示另一實施範例之雙極化天線結構10，其結構除天線2採用片狀天線(patch antenna)外，其餘與圖1所示相同。天線2係包含：一基板13、一設於該基板13表面之輻射導體14、一與該第一輻射導體14耦接之天線饋入端15、一與該天線饋入端15耦接之接地端16。

圖9繪示本實施範例之天線折返損耗對頻率響應模擬關係圖，其中顯示於頻率約3.5GHz左右有相當低的折返損耗。

圖10為本實施範例的輻射場型特性圖。在中心頻率3.5GHz附近具有有效增加增益的特性。

圖11係本實施範例之增加增益的雙極化天線罩，由模擬軟體求解所得之正上方增益對頻率的關係圖，以及未加天線罩的片狀天線之正上方增益對頻率的關係圖。由圖11可知，天線罩在約3.5GHz之操作頻段可以有效增加增益。

參照圖12，上述雙極化天線結構可按以下步驟進行：首先進行天線罩之金屬曲折圖形之折射率分析、穿透特性分析、阻抗特性分析。利用上述分析資料決定介質基板上之金屬曲折圖形及最佳天線罩高度，將複數個該金屬曲折圖形以陣列排列形成於天線罩之複數層介質基板上，而完成整體天線結構之設計。之後進行增益、折返損失及輻射場形的模擬之驗證。

由上述實施範例可證明本發明之雙極化天線結構1及10對於兩個不同的極化方向都能夠同時增加其指向性或增益，能夠應用在雙極化天線上，使得兩個極化方向的指向性或增益能夠增加；而應用在單極化天線上時，能夠不用考慮單極化天線的極化方向與天線罩的極化方向對準的問題而增加其增益。因此本發明對於增加天線的收發效能將有顯著的效果。

由以上所述可以清楚地明瞭，本發明係提供一種雙極化天線罩，藉由金屬曲折圖形、介質基板層及該些陣元介質基板構成之天線罩，可以增加天線的指向性或是增益。

以上已將本發明專利申請案做一詳細說明，惟以上所述者，僅為本發明專利申請案之較佳實施範例而已，當不能限定本發明專利申請案實施之範圍。即凡依本發明專利申請案申請範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明專利申請案之專利涵蓋範圍內。

1．．．雙極化天線結構

2．．．天線

3．．．天線罩

31．．．介質基板

32．．．介質基板

33．．．介質基板

341．．．間隙

342．．．間隙

4．．．介質基板層

5．．．陣元介質基板

6．．．金屬曲折圖形

7．．．第一金屬臂

8．．．第二金屬臂

9．．．第一寄生金屬臂

10．．．第二寄生金屬臂

11．．．第三寄生金屬臂

12．．．第四寄生金屬臂

13．．．基板

14．．．輻射導體

15．．．天線饋入端

16．．．接地端

17．．．輻射導體

18．．．天線饋入端

圖1為本發明之雙極化天線之一實施範例的側剖圖。

圖2為本發明之一實施範例之介質基板示意圖。

圖3為本發明之單一陣元介質基板之示意圖。

圖4為本發明之雙極化天線之折返損失對頻率響應模擬示意圖。

圖5為本發明之一實施範例的輻射場型特性圖。

圖6為具有本發明一實施範例之天線罩之天線結構的正上方增益與一般未具有本發明天線罩之天線結構的正上方增益對頻率模擬關係圖。

圖7為本發明之另一實施範例的單一陣元介質基板示意圖。

圖8為本發明之另一實施範例的側剖圖。

圖9為本發明之另一實施範例的天線折返損失對頻率響應模擬關係圖。

圖10為本發明之另一實施範例的輻射場型特性圖。

圖11為本發明另一實施範例之具有本發明天線罩之天線結構的正上方增益與一般未具有本發明天線罩之天線結構的正上方增益對頻率模擬結果圖。

圖12為本發明之雙極化天線結構的設計方法示意圖。

1．．．雙極化天線結構

2．．．天線

3．．．天線罩

4．．．介質基板層

5．．．陣元介質基板

6．．．金屬曲折圖形

13．．．基板

17．．．輻射導體

18．．．天線饋入端

31、32、33．．．介質基板

341、342．．．間隙

Claims (14)

1. 一種雙極化天線結構，包含：一雙極化天線；以及一天線罩包含複數層介質基板，各該介質基板表面包含以陣列形式排列之複數個金屬圖形，且該複數個金屬圖形以垂直於該介質基板之軸心旋轉九十度後之圖形不變，其中該雙極化天線及天線罩之距離小於等於操作頻率對應波長的0.1倍。
2. 根據請求項1所述之雙極化天線結構，其中該金屬圖形包含二I字互相垂直交叉之圖形。
3. 根據請求項1所述之雙極化天線結構，其中該金屬圖形係金屬曲折圖形，包含：一第一金屬臂；一第二金屬臂，其與該第一金屬臂互相交疊垂直設置；一第一寄生金屬臂，其鋪設於該第一金屬臂之一端，並與該第二金屬臂平行；一第二寄生金屬臂，其鋪設於該第一金屬臂之另一端，並與該第二金屬臂平行；一第三寄生金屬臂，其鋪設於該第二金屬臂之一端，並與該第一金屬臂平行；以及一第四寄生金屬臂，其鋪設於該第二金屬臂之另一端，並與該第一金屬臂平行。
4. 根據請求項1所述之雙極化天線結構，其中該複數個金屬圖形係以m×n 之陣列形式排列，其中m、n為正整數。
5. 根據請求項1所述之雙極化天線結構，其中各該介質基板係由複數個陣元介質基板構成，各該陣元介質基板之表面包含該金屬圖形。
6. 根據請求項5所述之雙極化天線結構，其中該金屬圖形以其垂直於該些陣元介質基板之軸心旋轉九十度後之圖形不變。
7. 根據請求項1所述之雙極化天線結構，其中該複數層介質基板之間包含間隙。
8. 根據請求項7所述之雙極化天線結構，其中該些介質基板間之該間隙係真空或空氣。
9. 根據請求項1所述之雙極化天線結構，其中該金屬圖形係以印刷或蝕刻方式形成。
10. 根據請求項1所述之雙極化天線結構，其中該雙極化天線係偶極天線或片狀天線。
11. 根據請求項1所述之雙極化天線結構，其中該雙極化天線及該天線罩間係包含一介質基板層。
12. 根據請求項11所述之雙極化天線結構，其中該介質基板層係真空或空氣。
13. 一種雙極化天線結構之設計方法，包含：進行一天線罩之金屬圖形之折射率分析；進行該天線罩之金屬圖形之穿透特性分析；進行該天線罩之金屬圖形之阻抗特性分析；根據上述分析決定該金屬圖形； 將複數個該金屬圖形以陣列排列形成於該天線罩之複數層介質基板上；以及驗證增益、折返損失及輻射場形，當該天線罩係建構供該雙極化天線時，其中該雙極化天線及天線罩之距離小於等於操作頻率對應波長的0.1倍。
14. 根據請求項13所述之雙極化天線結構之設計方法，其中該複數個金屬圖形以垂直於該介質基板之軸心旋轉九十度後之圖形不變。