TWI429138B - 平面雙向輻射天線 - Google Patents

Description

平面雙向輻射天線

本發明是有關於一種天線，且特別是有關於一種平面雙向輻射天線。

天線是許多無線通訊系統不可或缺的必備元件，且其更是攸關於系統之整體性能的主要構成要件。一般來說，天線依照方向性可區分為無向性(isotropic)天線、全向性(omni-directional)天線與指向性天線。其中，指向性(directive)天線是針對特定方向的電磁波能量進行傳送與收發，因此可以廣泛定地應用在以定向性(fixed direction)為主的無線通訊系統內。

具有雙向輻射功能的天線主要是用於同時有三個固定點進行通訊的目地，故其指向性(directivity)需高。而一般雙向輻射的天線或裝置往往是應用兩個天線單元(即輻射體)，如兩個平板天線(patch antennas)，或是利用槽孔天線(slot antennas)進行雙向的輻射。然而此類傳統的方式不但會增加產品的複雜度、成本與體積，更無法達成對稱(symmetric)的雙向輻射效果(例如因為饋入結構的擺設位置)，或是無法具有高的指向性(例如因為patch antenna的系統接地面之面積不夠大)。有鑑於此，本發明運用單一的平面天線設計，而達成製作簡單、成本低、體積小、對稱的雙向輻射與具高指向性的效果。

此外，利用本發明所提出的雙向輻射天線所組成的天線陣列，在全空間(full-space)的掃描上，可運用電子信號調制而合成(synthesize)所需輻射場形，故可免除傳統旋轉天線陣列所需的機械裝置，且可達成即時(real-time)且無時隙(time lag)的掃描。

本發明提供一種平面雙向輻射天線，具備雙向的輻射場型，可降低電子系統的硬體架構。

本發明提出一種平面雙向輻射天線，包括一基板、一第一反射件、一天線本體、一第二反射件以及一第三反射件。基板包括一第一表面與一第二表面。第一反射件設置在基板的第一表面，且第一反射件的一頂邊係向內凹陷，以於第一表面形成一第一凹槽。天線本體設置於基板，並位在第一凹槽內，且天線本體與第一反射件分別對稱於一預設方向。第二反射件設置在基板的第二表面，且第二反射件係向內凹，以於第二表面形成一第二凹槽，其中第一凹槽與第二凹槽於一垂直投影面上具有一相互對應之配置。第三反射件設置於基板，並沿著預設方向相對於天線本體，且第三反射件於垂直投影面上覆蓋第一凹槽的開口，以致使平面雙向輻射天線產生兩波束，其中兩波束相對於基板具有第一夾角，即達到雙向輻射(bidirectional radiation)的效果。

在本發明之一實施例中，上述之天線本體包括一第一驅動件與一第二驅動件。第一驅動件設置於基板的第一表面，並具有一第一臂與一第二臂。第二驅動件設置於基板的第二表面，並具有一第一臂與一第二臂。其中，第二驅動件係從第二反射件延伸而出，第一驅動件與第二驅動件的第一臂於垂直投影面上相互重疊，且第一驅動件與第二驅動件的第二臂對稱於預設方向。

在本發明之一實施例中，上述之第一反射件包括一第一延伸部與一第二延伸部。第一延伸部設置在基板的第一表面，並排列在第一驅動件之第一臂的一側。第二延伸部設置在基板的第一表面，並排列在第一驅動件之第一臂的另一側。此外，第一延伸部與第二延伸部的端部於垂直投影面上與第二凹槽的底邊相互。

基於上述，本發明是利用第一反射件與第二反射件將由天線本體所輻射而朝向凹槽之底部的電磁能量反射回凹槽的開口，並利用第三反射件將反射至凹槽之開口的電磁能量再次反射回去。如此一來，由天線本體所輻射出的電磁能量將從垂直於基板的方向洩漏出來，進而致使平面雙向輻射天線朝著基板的上方與下方同時產生兩輻射波束。是故，平面雙向輻射天線輻射所具備的雙向輻射場型，將有助於降低電子系統的硬體架構，進而有助於電子系統之微型化的發展。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1繪示為依據本發明一實施例之平面雙向輻射天線的結構示意圖，圖2繪示為依據本發明一實施例之平面雙向輻射天線的透視圖，請同時參照圖1與圖2，平面雙向輻射天線100包括一基板110、一第一反射件140、一天線本體130、一第二反射件120與一第三反射件150。在實體配置上，基板110包括一第一表面111與一第二表面112。其中，第一反射件140設置在基板110的第一表面111，第二反射件120設置在基板110的第二表面112。此外，相對於天線本體130而言，第一反射件140與第二反射件120皆具有向內凹之弧狀設計，並分別於第一表面111與第二表面112形成一凹槽101。

天線本體130包括一第一驅動件131與一第二驅動件132。其中，第一驅動件131設置在基板110的第一表面111，且第二驅動件132設置在基板110的第二表面112。在實際應用上，天線本體130可以例如是偶極天線(dipole antenna)，因此第一驅動件131與第二驅動件132的形狀分別呈現L形，並各自具有雙臂，例如：第一驅動件131具有第一臂131a與第二臂131b，且第二驅動件132具有第一臂132a與第二臂132b。

就天線本體130的整體架構來說，第二驅動件132係從第二反射件120延伸而出，因此第二反射件120相當於天線本體130的接地面(亦可看成等效的系統接地面)。此外，第一驅動件131的第一臂131a與第二驅動件132的第一臂132a於垂直投影面上相互重疊，且第一驅動件131的第二臂131b與第二驅動件132的第二臂132b對稱於一預設方向DR。

第一反射件140包括一第一延伸部141與一第二延伸部142。其中，第一延伸部141與第二延伸部142皆設置在基板110的第一表面111。此外，第一延伸部141排列在第一驅動件131之第一臂131a的一側，且第二延伸部142排列在第一驅動件131之第一臂131a的另一側。值得注意的是，在第一延伸部141與第二延伸部142中分別具有一端部，其係靠近第一表面111之凹槽101的底邊處，該兩端部於垂直投影面上係對應於第二表面112上之凹槽101的底邊，彼此間之位置關係於垂直投影面上可配置成相互平行、完全重疊或是部份重疊。更明確地，於實際操作上可分成三種相互對應之配置方式：(1)垂直投影面上，第一表面111上之凹槽101的底邊係可完全對齊重疊於第二表面112上之凹槽101的底邊；(2)垂直投影面上，第一表面111上之凹槽101的底邊係超出於第二表面112上之凹槽101的底邊；(3)垂直投影面上，第一表面111上之凹槽101的底邊係內縮於第二表面112上之凹槽101的底邊。舉例來說，在本實施例中，如圖2之透視圖所示，第一延伸部141與第二延伸部142的兩端部(亦即第一表面111上之凹槽101的底邊)於垂直投影面上係與第二表面112上之凹槽101的底邊完全重疊，因此第一延伸部141與第二延伸部142皆呈內凹之弧狀。

第三反射件150包括一第一覆蓋部151與一第二覆蓋部152。其中，第一覆蓋部151設置在基板110的第一表面111，並相對於第一驅動件131的第二臂131b。第二覆蓋部152設置在基板110的第二表面112，並相對於第二驅動件132的第二臂132b。此外，第一覆蓋部151電性連接第一反射件140的第一延伸部141，且第二覆蓋部152電性連接第二反射件120。

就平面雙向輻射天線100的整體架構來看，如圖2所示，天線本體130與第一反射件140分別對稱於預設方向DR，且天線本體130是設置在凹槽101內。此外，在本實施例中，凹槽101的底邊呈現一拋物線狀，而天線本體130即位在拋物線的焦點附近。再者，第一反射件140於垂直投影面上環繞凹槽101的底邊，而第三反射件150則於垂直投影面上覆蓋凹槽101的開口。藉此，第一反射件140、第二反射件120與第三反射件150於垂直投影面上將包圍整個天線本體130。

如此一來，由天線本體130所輻射出而朝向凹槽101之底部的電磁能量，將會先被第一反射件140與第二反射件120反射，進而將輻射向凹槽101之底部的電磁能量導向至凹槽101的開口。然而，由於凹槽101的開口又被第三反射件150所覆蓋，因此原先導向至凹槽101之開口的電磁能量將受到阻擋而再次地被反射回來。據此，天線本體130將無法朝著平行於基板110的任一方向幅射出電磁能量，故如圖3A之基板110的立體示意圖所示，天線本體130的電磁能量將從垂直於基板110的方向(也就是+z軸與-z軸)洩漏出來，進而導致平面雙向輻射天線100朝著基板110的上方(例如：+z軸)與下方(例如：-z軸)產生兩波束。於上述之實施例，其係為第一表面111上之凹槽101的底邊完全對齊重疊於第二表面112上之凹槽101的底邊(如圖2及圖3A所示之配置方式)，理想狀況下，兩波束相對於x-y平面之夾角為90度。更進一步地，可藉由調整第一表面111上之凹槽101底邊與第二表面112上之凹槽101底邊彼此間之相對位置(如上所述，凸出或內縮之相對位置關係)，而改變兩波束相對於x-y平面之夾角大小，其可能的應用領域如下詳述。

值得注意的是，由於平面雙向輻射天線100具有雙向(bidirectional)的輻射場型，故在實際應用上，平面雙向輻射天線100將可降低電子系統的面積與體積，例如：車輛防撞系統(vehicular anti-collision system)、微波中繼站(microwave relay station)、智慧型天線系統(smart antenna system)、以及雷達系統(RADAR system)等。

舉例來說，一般的微波中繼站至少必須架設兩個天線，其中一天線是用以接收上一中繼站的無線訊號，而另一天線則用以傳送無線訊號給下一中繼站。然而，當本實施例之平面雙向輻射天線100應用至微波中繼站時，由於平面雙向輻射天線100可產生雙向的輻射場型，故微波中繼站只需架設一個此型天線即可達成傳統原有的收發特性，進而有效地簡化微波中繼站的硬體架構。

此外，在隧道空間的應用上，由於隧道內不易收到GPS訊號或其他無線訊號，故可在隧道內之適當處配置本實施例之平面雙向輻射天線100，故可將隧道外藉由GPS信號中繼器(relay)或放大器(amplifier)所傳遞之GPS訊號，直接透過本發明之平面雙向輻射天線所幅射出之訊號方向(+z及-z方向)朝向隧道的兩端口傳送GPS訊號，以達成隧道訊號增益(tunnel booster)的功能，其中+z及-z之方向同時可視為隧道內車輛之行駛方向。藉此，無論從隧道哪一端口進入的車輛都可都接收到GPS訊號。換言之，本實施例之平面雙向輻射天線100也有助於簡化GPS信號轉繼與放大站的硬體架構。於本實施例中，第一表面111上之凹槽101的底邊可完全對齊重疊於第二表面112上之凹槽101的底邊，理想狀況下，兩波束之方向(+z及-z)相對於x-y平面之夾角θ₁ 為90度(如圖3A所示)。更進一步地參考圖3B所示，可藉由調整第一表面111上之凹槽101底邊與第二表面112上之凹槽101底邊彼此間之相對位置，而改變原先波束之輻射方向(+z或-z)，該波束相對於x-y平面之夾角為θ₂ 或θ₃ ，其中θ₂ 小於θ₁ ，而θ₃ 大於θ₁ 。以圖3B之例子來說：若第一表面111上之凹槽101底邊，在垂直投影面上凸出於第二表面112上之凹槽101底邊，故可使該波束之輻射路徑(+z’)更接近於行駛在隧道中的車輛，以改善車輛接收GPS訊號之功效。本領域中熟悉此項技藝者當然可依上述之調整方式，將第一表面111上之凹槽101底邊內縮於第二表面112上之凹槽101底邊，故可產生出一與+z’對稱於+y方向的輻射波束(-z”)，至於需要哪一特定方向的輻射波束，則可視實際狀 況而定。

相同地，本領域中熟悉此項技藝者亦可依上述之調整方式，將第三反射件之擺設方式作適度性地改變，其中第三反射件可包含第一覆蓋部151、第二覆蓋部152、第三覆蓋部410與第四覆蓋部420，同樣可改變上述任一波束之輻射方向，其中該波束相對於x-y平面之夾角施小於θ₁ 。若將該等凹槽與該等覆蓋部之間的相對位置一起做適度性的改變，便可同時具有雙向輻射之效果。詳細之實施狀況，則可參考上述如何調整凹槽相對位置之方式，在此則不再詳述。

此外，在車輛防撞系統的應用上，平面雙向輻射天線100可同時檢測行進中的車輛與前後雙方車輛之間的車距，進而有效降低車輛防撞系統的硬體架構。除此之外，在陣列天線的應用上，例如雷達系統，由於平面雙向輻射天線100可同時朝正反兩方向進行掃描，故只需藉由電子訊號所致的合成波束，雷達系統便無需架設旋轉天線陣列的機械裝置就可達到全域(full-space)與即時(real-time)掃描的目的，並據此降低雷達系統的硬體架構。更進一步地，若從軍事防禦的角度來看，雷達系統愈隱密、愈不容易被發現愈好，也就是雷達系統的設置地點，相對於地平面而言可能會比較低，或被外在環境所遮蔽，故在雷達訊號偵測效果上勢必會受到影響，但若將上述改變波束輻射方向的方法應用於雷達系統中，便可藉由不同之輻射角度，有效地提升雷達系統之準確率。相似地，對於智慧型天線系統而言，平面雙向輻射天線100之雙向掃描的特性將可降低天線單元的數量，進而有助於智慧型天線系統之微型化與低價化的實現。

值得一提的是，平面雙向輻射天線100主要是藉由第三反射件150將朝著凹槽101之開口輻射的電磁能量反射回去。其中，第三反射件150中的第一覆蓋部151主要是用以反射第一驅動件131朝著凹槽101之開口所輻射出的能量，而第二覆蓋部152則主要是反射第二驅動件132朝著凹槽101之開口所輻射出的能量。因此，在實際應用上，第一覆蓋部151與第二覆蓋部152的長度分別大於第一驅動件131的第二臂131b與第二驅動件132的第二臂132b。

除此之外，在實際應用上，也可額外設置覆蓋部來加強第三反射件150阻擋電磁能量的能力。舉例來說，圖4繪示為依據本發明另一實施例之平面雙向輻射天線的結構示意圖，將圖1與圖2所示之實施例相較之下，圖4實施例所示之第三反射件150’更包括一第三覆蓋部410與一第四覆蓋部420。如圖4所示，第三覆蓋部410設置在基板110的第一表面111，並於垂直投影面上與第二覆蓋部152相互重疊。此外，第四覆蓋部420設置在基板110的第二表面112，並於垂直投影面上與第一覆蓋部151相互重疊。

如此一來，第一表面111上的第一驅動件131將受到第一覆蓋部151、第三覆蓋部410以及第一反射件140的包圍，而第二表面112上的第二驅動件132將受到第二覆蓋部152、第四覆蓋部420以及第二反射件120的包圍。藉此，第一反射件140、第二反射件120與第三反射件150將更進一步地增加平面雙向輻射天線400於垂直基板110方向上的指向性。值得注意的是，在實際應用上，同時設置第三覆蓋部410與第四覆蓋部420，或是第三覆蓋部410與第四覆蓋部420擇一設置，都可以達到加強阻擋電磁能量的功能，因此本領域具有通常知識者可依設計所需任意更改第三反射件150’的配置架構。

再者，平面雙向輻射天線100還可搭配導孔(via)以利用其金屬特性之便來提昇反射件的特性。舉例來說，圖5繪示為依據本發明再一實施例之平面雙向輻射天線的透視圖，相較於圖1與圖2所示之實施例，圖5實施例所示之平面雙向輻射天線500更包括多個第一導孔，例如：第一導孔511~516，以及多個第二導孔，例如：第二導孔521~522。其中，第一導孔511~513貫穿第二反射件120、基板110與第一延伸部141，且第一導孔514~516貫穿第二反射件120、基板110與第二延伸部142。藉此，第一反射件140將可透過第一導孔511~516來與第二反射件120電性相連。此外，第二導孔521~522貫穿第一覆蓋部151、基板110與第二覆蓋部152，以致使第一覆蓋部151與第二覆蓋部152電性相連。如此一來，隨著反射件之特性的提升，將可相對地提高平面雙向輻射天線500於垂直基板110方向上的指向性。此外，在利用導孔提昇反射件之特性的同時，也可如圖4所示，額外設置覆蓋部來加強第三反射件150’阻擋電磁能量的能力。

更進一步來看，在上述各實施例中，凹槽101的底邊皆呈現一拋物線狀。然而，在實際應用上，凹槽101之底邊的形狀並不以此為限，其形狀也可為弧狀、波浪狀、或是折線狀。舉例來說，圖6繪示為依據本發明又一實施例之平面雙向輻射天線的透視圖，相較於圖1與圖2所示之實施例，兩者主要的差異在於，對於平面雙向輻射天線600來說，第一反射件140’中所形成的凹槽101’之底邊的形狀，以及第二反射件120’中所形成的凹槽101’之底邊的形狀。如圖6所示，相對應於第一反射件140’與第二反射件120’之內凹弧度的可適性調整，凹槽101’之底邊亦呈現折線狀。

另一方面，在上述各實施例中，第一反射件140之配置皆為一平面的佈局，但設計者可依設計所需作相對應的面積調整。舉例來說，圖7繪示為依據本發明又一實施例之平面雙向輻射天線的透視圖，相較於圖1與圖2所示之實施例，兩者主要的差異在於，第一反射件140”的佈局面積與形狀。在此，如圖7所示，第一反射件140”可看成平面金屬條(metal strips)而非原先的金屬面(plane)。藉此，平面雙向輻射天線700於基板110之第一表面111的佈局面積將可相應的縮減，進而有助於平面雙向輻射天線700之微型化的發展。

綜上所述，本發明是利用第一反射件、第二反射件、第三反射件於垂直投影面上包圍天線本體的方式，致使天線的電磁能量改從垂直於基板的方向而非平行於基板的方向洩漏出來。如此一來，平面雙向輻射天線將可朝著基板的上方與下方同時產生兩波束，進而形成雙向輻射的特性。相對地，在實際應用上，平面雙向輻射天線所具備的雙向輻射場型，將有助於降低電子系統的硬體架構，進而有助於電子系統之微型化的發展。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故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。

100、400、500、600、700．．．平面雙向輻射天線

110．．．基板

111．．．第一表面

112．．．第二表面

120、120’．．．第二反射件

101、101’．．．凹槽

130．．．天線本體

131．．．第一驅動件

131a．．．第一驅動件的第一臂

131b．．．第一驅動件的第二臂

132．．．第二驅動件

132a．．．第二驅動件的第一臂

132b．．．第二驅動件的第二臂

140、140’、140”．．．第一反射件

141、141’、141”．．．第一延伸部

142、142’、142”．．．第二延伸部

150、150’．．．第三反射件

151．．．第一覆蓋部

152．．．第二覆蓋部

DR．．．預設方向

410．．．第三覆蓋部

420．．．第四覆蓋部

511~516．．．第一導孔

521~522．．．第二導孔

圖1繪示為依據本發明一實施例之平面雙向輻射天線的結構示意圖。

圖2繪示為依據本發明一實施例之平面雙向輻射天線的透視圖。

圖3A繪示為依據本發明一實施例之基板的立體示意圖。

圖3B繪示為隧道中，依據本發明一實施例之基板的立體示意圖。

圖4繪示為依據本發明另一實施例之平面雙向輻射天線的結構示意圖。

圖5繪示為依據本發明再一實施例之平面雙向輻射天線的透視圖。

圖6繪示為依據本發明又一實施例之平面雙向輻射天線的透視圖。

圖7繪示為依據本發明又一實施例之平面雙向輻射天線的透視圖。

100．．．平面雙向輻射天線

110．．．基板

111．．．第一表面

112．．．第二表面

120．．．第二反射件

101．．．凹槽

130．．．天線本體

131．．．第一驅動件

131a．．．第一驅動件的第一臂

131b．．．第一驅動件的第二臂

132．．．第二驅動件

132a．．．第二驅動件的第一臂

132b．．．第二驅動件的第二臂

140．．．第一反射件

141．．．第一延伸部

142．．．第二延伸部

150．．．第三反射件

151．．．第一覆蓋部

152．．．第二覆蓋部

DR．．．預設方向

Claims (14)

1. 一種平面雙向輻射天線，包括：一基板，包括一第一表面與一第二表面；一第一反射件，設置在該基板的該第一表面，且該第一反射件係向內凹，以於該第一表面形成一第一凹槽；一天線本體，設置於該基板，並位在該第一凹槽內，且該天線本體與該第一反射件分別對稱於一預設方向；一第二反射件，設置在該基板的該第二表面，且該第二反射件係向內凹，以於該第二表面形成一第二凹槽，該第一凹槽與該第二凹槽於一垂直投影面上至少部分重疊；以及一第三反射件，設置於該基板，並沿著該預設方向相對於該天線本體，且該第三反射件於該垂直投影面上覆蓋該第一凹槽的開口，以致使該平面雙向輻射天線產生兩波束，其中該兩波束相對於該基板具有一第一夾角。
2. 如申請專利範圍第1項所述之平面雙向輻射天線，其中該第三反射件分別電性連接該第一反射件與該第二反射件。
3. 如申請專利範圍第1項所述之平面雙向輻射天線，其中該第一凹槽的底邊呈現一弧狀、拋物線狀或是折線狀。
4. 如申請專利範圍第1項所述之平面雙向輻射天線，其中該天線本體包括：一第一驅動件，設置於該基板的該第一表面，並具有 一第一臂與一第二臂；以及一第二驅動件，設置於該基板的該第二表面，並具有一第一臂與一第二臂，且該第二驅動件係從該第二反射件延伸而出，其中該第一與該第二驅動件的該等第一臂於該垂直投影面上相互重疊，且該第一與該第二驅動件的該等第二臂對稱於該預設方向。
5. 如申請專利範圍第4項所述之平面雙向輻射天線，其中該第一反射件包括：一第一延伸部，設置在該基板的該第一表面，並排列在該第一驅動件之該第一臂的一側；以及一第二延伸部，設置在該基板的該第一表面，並排列在該第一驅動件之該第一臂的另一側，其中，該第一延伸部與該第二延伸部的端部於該垂直投影面上與該第二凹槽的底邊相互對應。
6. 如申請專利範圍第5項所述之平面雙向輻射天線，更包括：多個第一導孔，貫穿該第二反射件、該基板與該第一延伸部，或是貫穿該第二反射件、該基板與該第二延伸部，以致使該第一反射件與該第二反射件電性相連。
7. 如申請專利範圍第4項所述之平面雙向輻射天線，其中該第三反射件包括：一第一覆蓋部，設置在該基板的該第一表面，並相對於該第一驅動件的該第二臂；以及一第二覆蓋部，設置在該基板的該第二表面，並相對 於該第二驅動件的該第二臂，其中，該第一覆蓋部與該第二覆蓋部分別電性連接該第一反射件與該第二反射件。
8. 如申請專利範圍第7項所述之平面雙向輻射天線，其中該第三反射件更包括：一第三覆蓋部，設置在該基板的該第一表面，並於該垂直投影面上與該第二覆蓋部至少部分重疊。
9. 如申請專利範圍第7項所述之平面雙向輻射天線，其中該第三反射件更包括：一第四覆蓋部，設置在該基板的該第二表面，並於該垂直投影面上與該第一覆蓋部至少部分重疊。
10. 如申請專利範圍第7項所述之平面雙向輻射天線，更包括：多個第二導孔，貫穿該第一覆蓋部、該基板與該第二覆蓋部，以致使該第一覆蓋部與該第二覆蓋部電性相連。
11. 如申請專利範圍第7項所述之平面雙向輻射天線，其中該第一覆蓋部與該第二覆蓋部的長度分別大於該第一與該第二驅動件之該等第二臂。
12. 如申請專利範圍第1項所述之平面雙向輻射天線，其中該第一凹槽的底邊於該垂直投影面上內縮於該第二凹槽的底邊。
13. 如申請專利範圍第1項所述之平面雙向輻射天線，其中該第一凹槽的底邊於該垂直投影面上凸出於該第二凹槽的底邊。
14. 如申請專利範圍第1項所述之平面雙向輻射天線，其中當該第一凹槽與該第二凹槽於該垂直投影面上完全重疊時，該第一夾角為90度，當該第一凹槽與該第二凹槽於該垂直投影面上部份重疊時，該第一夾角則小於90度或大於90度。