TWI442630B - Array antenna - Google Patents

Description

陣列天線

本發明係關於一種陣列天線，特別係指具有雙饋入點之雙極化陣列天線結構。

陣列天線係以許多相同的單個天線按一定規律排列順序所組成，單個天線的輻射場形圖不易控制，增益不高，其它重要參數往往也不能滿足高規格使用需求，所以在某些傳輸品質要求高的產品中即需使用陣列天線加以改善，陣列天線的各組成天線單元有一定的排列規則和訊號饋入傳導方式，藉以達成要求的效果，天線單元數越多，增益越高，尺寸相對較大。

傳統雙極化陣列天線設計方式請參閱第1圖，為美國專利第5923296號專利“Dual polarized microstrip patch antenna array for PCS base stations”之立體俯視圖。其係於印刷電路板1表面配置互相垂直之極化平板銅元件3、5組成的輻射導體陣列，經此構成兩組互相垂直極化之陣列天線結構，然而此配置方式將導致天線尺寸大幅增加至一般陣列天線體積的數倍大，且兩組天線結構並不互相對稱，造成輻射場型差異大，且其天線之間容易互相產生干擾。

本發明之目的係提供一種陣列天線，利用每一輻射導體相對應的第一側邊與第二側邊延伸形成不互相干擾之傳輸網路區，將複數輻射導體之饋入點設置於相對應位置，使對應之兩輻射導體間產生180度之相位差，藉以降低陣列天線之交叉極化量，並提高天線增益。

本發明之另一目的係提供一種陣列天線，將第一傳輸網路及第二傳輸網路配置於不同之傳輸網路區，藉以有效隔絕傳輸網路訊號之間的干擾現象，簡化傳輸網路設計複雜度及路徑長度，提升輻射訊號傳導效率。

為達成上述目的，本發明係為一種陣列天線之輻射導體配置，包括：複數輻射導體、第一傳輸網路及第二傳輸網路；將複數輻射導體以對稱陣列形式配置，每一輻射導體形成相對應的一第一側邊及一第二側邊，其中複數輻射導體之第一側邊延伸形成一第一傳輸網路區，而複數輻射導體之第二側邊則延伸形成一第二傳輸網路區；第一傳輸網路分佈於第一傳輸網路區，其連接於各輻射導體之饋入方向皆位於第一側邊，並具有一第一饋入點；第二傳輸網路分佈於第二傳輸網路區，其連接於各輻射導體之饋入方向皆位於第二側邊，並具有一第二饋入點。

本發明主要將第一傳輸網路及第二傳輸網路饋入訊號端設置於輻射導體之不同方向側邊，經此使對稱配置之複數輻射導體結構得以激發兩組互相垂直之陣列天線訊號，並將每一輻射導體相對應的第一側邊與第二側邊延伸線圍繞形成不互相交叉重疊之傳輸網路區，同時將每一輻射導體之饋入點設置於相對應位置，使兩對應之輻射導體間產生180度之相位差，由於複數輻射導體為陣列對稱形式，其激發之基頻模態電流為相反方向，經此相位差調整後，恰可使兩對稱輻射導體之基頻模態輻射訊號轉換為相同方向，使整體天線系統增益具加乘效果；另針對與基頻模態垂直的交叉極化電流而言，其兩對稱輻射導體之激發電流方向為相同方向，經此相位差調整後，恰可使兩輻射導體互相抑制輻射訊號，從而有效降低交叉極化量，另外還可提高天線增益。

另外由於第一傳輸網路及第二傳輸網路配置於不同區域之傳輸網路區，經此隔絕傳輸網路訊號傳遞時的干擾現象，降低傳輸網路設計複雜度，提升輻射訊號傳導效率，此外經由縮短傳輸網路路徑長度，亦可使整體陣列天線體積大幅縮減。

為使貴審查人員進一步了解本發明之詳細內容，茲列舉下列較佳實施例說明如後。

請共同參閱第2圖及第3圖，為本發明第一實施例之正面及反面俯視圖。陣列天線之輻射導體配置包括：複數輻射導體21、第一傳輸網路22及第二傳輸網路23；每一輻射導體21形成相對應的一第一側邊211及一第二側邊212，其中複數輻射導體21之第一側邊211延伸形成一第一傳輸網路區24(請參閱第4圖)，而複數輻射導體21之第二側邊212則延伸形成一第二傳輸網路區25(請參閱第4圖)，而第一傳輸網路24及第二傳輸網路25並不互相交叉重疊。

將複數輻射導體21以對稱陣列形式配置於一基板2，基板2底面利用非金屬支撐柱4組立於金屬承載體6頂面，利用金屬承載體6作為天線系統之接地面，第一傳輸網路22分佈於第一傳輸網路區24，並設置一第一饋入點221，其連接於各輻射導體21之饋入方向皆位於第一側邊211，並於連接每一輻射導體21之連接處形成一夾角，其角度範圍介於30至60度之間，另具有一第一饋入線26，包含：第一中心導線261及第一外層導線262，將第一中心導線261連接於第一饋入點221，第一外層導線262則連接於天線系統之接地面。

第二傳輸網路23分佈於第二傳輸網路區25，同樣亦設置一第二饋入點231，其連接於各輻射導體21之饋入方向皆位於第二側邊212，並於連接每一輻射導體21之連接處形成一夾角，其角度範圍介於30至60度之間，另具有一第二饋入線27，包含：第二中心導線271及第二外層導線272，將第二中心導線271連接於第二饋入點231，第二外層導線272則連接於天線系統之接地面。

本實施例之基板2為矩形，長度約為180mm，寬度約為150mm，金屬承載體6亦為矩形，長度約為200mm，寬度約為160mm，支撐柱4選用非金屬材質，形狀為圓柱體，直徑約為3mm，高度約為6mm，複數輻射導體21皆為正方形，長度約為45mm，第一傳輸網路22路徑總長度約為410mm，第二傳輸網路23路徑總長度約為550mm。

請參閱第4圖，為本發明第一實施例之傳輸網路及傳輸網路區俯視圖。由於第一傳輸網路22及第二傳輸網路23配置於不同區域之第一傳輸網路區24及第二傳輸網路區25，其較為鄰近之區域並不互相交叉重疊，因此得以隔絕傳輸網路訊號傳遞時的干擾現象，同時改善習知技藝中傳輸網路過於複雜之缺失，另外整體陣列天線體積亦可大幅縮減。

請參閱第5圖，為本發明第一實施例之側視圖。將複數輻射導體21配置於基板2後，利用非金屬材質之支撐柱4組立於金屬承載體6頂面，金屬承載體6即為天線系統之接地面，因此第一饋入線26及第二饋入線27各別之中心導線分別連接於各別之饋入點，而各別之外層導線則同時都連接於天線系統之接地面。

請參閱第6圖，為本發明第一實施例之第一傳輸網路返迴損失(Return loss)量測數據示意圖。其中橫軸表示頻率，縱軸表示dB值，經由圖形曲線顯示第一傳輸網路之天線系統操作頻寬S1在定義為Return loss大於10dB之情況時，操作頻率範圍涵蓋2.4GHz至2.7GHz，此頻帶頻寬範圍將可涵蓋Wimax系統頻寬。

請參閱第7圖，為本發明第一實施例之第二傳輸網路返迴損失(Return loss)量測數據示意圖。其中橫軸表示頻率，縱軸表示dB值，經由圖形曲線顯示第二傳輸網路之天線系統操作頻寬S2在定義為Return loss大於10dB之情況時，操作頻率範圍涵蓋2.4GHz至2.8GHz，此頻帶頻寬範圍同樣涵蓋Wimax系統頻寬，顯示本發明之天線系統操作頻寬均已達設計所需之操作頻寬通訊標準。

請參閱第8圖，為本發明第一實施例之第一傳輸網路輻射場型量測數據示意圖。其定義為天線系統輻射場型中心頻率在2500MHz至2700MHz時所呈現之輻射場型圖，經由量測數據顯示，平均最大增益值(Peak Gain)均達12.18dBi以上。

請參閱第9圖，為本發明第一實施例之第二傳輸網路輻射 場型量測數據示意圖。其定義為天線系統輻射場型中心頻率在2500MHz至2700MHz時所呈現之輻射場型圖，經由量測數據顯示，平均最大增益值(Peak Gain)均達11.68dBi以上，較習知技藝所量測之數據相較已大幅提高，顯示本發明之配置確實能降低天線輻射場型遭受干擾現象，進而達成高增益之目的。

請參閱第10圖，為本發明第二實施例之正面俯視圖。本實施例之組成結構與第一實施例雷同，其不同處在於輻射導體21由2乘2陣列之4片導體形式變換為2乘3陣列之6片導體形式，其第一傳輸網路22及第二傳輸網路23配置方式亦相同，且其第一傳輸網路區24及第二傳輸網路區25同樣可分佈於不同區域，顯示本發明之設計不論陣列導體配置形式為何，熟習此技藝之人皆可依相同原理輕易設計不互相交叉重疊之傳輸網路，避免傳輸網路干擾現象。

請參閱第11圖，為本發明第二實施例應用於無線傳輸裝置之立體俯視圖。當本發明設計之陣列天線產品整合於無線傳輸裝置8時，利用第一饋入線26及第二饋入線27提供天線高頻訊號饋入，經由第一傳輸網路22之第一饋入點221及第二傳輸網路23之第二饋入點231傳遞訊號至每一輻射導體21，經此進行無線訊號收發及傳送。

本發明已符合專利要件，實際具有新穎性、進步性與產業應用價值之特點，然其實施例並非用以侷限本發明之範圍，任何熟悉此項技藝者所作之各種更動與潤飾，在不脫離本發明之精神和定義下，均在本發明權利範圍內。

1‧‧‧印刷電路板

3、5‧‧‧極化平板銅元件

2‧‧‧基板

4‧‧‧支撐柱

6‧‧‧金屬承載體

8‧‧‧無線傳輸裝置

21‧‧‧複數輻射導體

211‧‧‧第一側邊

212‧‧‧第二側邊

22‧‧‧第一傳輸網路

221‧‧‧第一饋入點

23‧‧‧第二傳輸網路

231‧‧‧第二饋入點

24‧‧‧第一傳輸網路區

25‧‧‧第二傳輸網路區

26‧‧‧第一饋入線

261‧‧‧第一中心導線

262‧‧‧第一外層導線

27‧‧‧第二饋入線

271‧‧‧第二中心導線

272‧‧‧第二外層導線

第1圖為美國專利第5923296號雙極化微帶平板陣列天線之立體俯視圖。

第2圖為本發明第一實施例之正面俯視圖。

第3圖為本發明第一實施例之反面俯視圖。

第4圖為本發明第一實施例之傳輸網路及傳輸網路區俯視圖。

第5圖為本發明第一實施例之側視圖。

第6圖為本發明第一實施例之第一傳輸網路返迴損失(Return loss)量測數據示意圖。

第7圖為本發明第一實施例之第二傳輸網路返迴損失(Return loss)量測數據示意圖。

第8圖為本發明第一實施例之第一傳輸網路輻射場型量測數據示意圖。

第9圖為本發明第一實施例之第二傳輸網路輻射場型量測數據示意圖。

第10圖為本發明第二實施例之正面俯視圖。

第11圖為本發明第二實施例應用於無線傳輸裝置之立體俯視圖。

2‧‧‧基板

6‧‧‧金屬承載體

21‧‧‧複數輻射導體

211‧‧‧第一側邊

212‧‧‧第二側邊

22‧‧‧第一傳輸網路

221‧‧‧第一饋入點

23‧‧‧第二傳輸網路

231‧‧‧第二饋入點

26‧‧‧第一饋入線

27‧‧‧第二饋入線

Claims (10)

1. 一種陣列天線之輻射導體配置，包括：複數輻射導體，係以相對稱形式配置，其每一輻射導體形成相對應的一第一側邊及一第二側邊，該複數輻射導體之第一側邊延伸形成一第一傳輸網路區，而該複數輻射導體之第二側邊則延伸形成一第二傳輸網路區，其中該第一側邊係為對稱排列之輻射導體之內側邊，該第二側邊係為對稱排列之輻射導體之外側邊；第一傳輸網路，分佈於該第一傳輸網路區，且其連接於各輻射導體之饋入方向皆位於第一側邊，並具有一第一饋入點；以及第二傳輸網路，分佈於該第二傳輸網路區，且其連接於各輻射導體之饋入方向皆位於第二側邊，並具有一第二饋入點。
2. 如申請專利範圍第1項所述之陣列天線，其另具有第一饋入線，包含：第一中心導線，連接於該第一饋入點；以及第一外層導線，連接於天線系統之接地面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之陣列天線，其另具有第二饋入線，包含：第二中心導線，連接於該第二饋入點；以及第二外層導線，連接於天線系統之接地面。
4. 如申請專利範圍第1項所述之陣列天線，其中該第一傳輸網路連接於每一輻射導體之夾角介於30至60度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之陣列天線，其中該第二傳輸網路連接於每一輻射導體之夾角介於30至60度。
6. 如申請專利範圍第1項所述之陣列天線，其中該第一傳輸網路及第二傳輸網路不互相交叉重疊。
7. 如申請專利範圍第1項所述之陣列天線，其中該第一饋入點設置於左右兩行對應之輻射導體間之相對應位置，使左右兩行對應之輻射導體間產生180度相位差。
8. 如申請專利範圍第1項所述之陣列天線，其中該第二饋入點設置於左右兩行對應之輻射導體間之相對應位置，使左右兩行對應之輻射導體間產生180度相位差。
9. 如申請專利範圍第1項所述之陣列天線，其中該第一饋入點設置於左右兩行對應之輻射導體間之相對應位置，使左右兩行對應之輻射導體間產生180度相位差，由於複數輻射導體為陣列對稱形式，其激發之基頻模態電流為相反方向，經相位差調整後，使對稱複數輻射導體之基頻模態輻射訊號轉換成為相同方向。
10. 如申請專利範圍第1項所述之陣列天線，其中該第二饋入點設置於左右兩行對應之輻射導體間之相對應位置，使左右兩行對應之輻射導體間產生180度相位差，由於複數輻射導體為陣列對稱形式，其激發之基頻模態電流為相反方向，經相位差調整後，使對稱複數輻射導體之基頻模態輻射訊號轉換成為相同方向。