TWI473347B - 平板雙極化天線 - Google Patents

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Description

平板雙極化天線
本發明係指一種平板雙極化天線，尤指一種寬頻、可有效縮小天線尺寸、符合極化傾斜45度之需求、可產生線性極化的電磁波，並提供兩個對稱的饋入點，以產生正交雙極化天線場型之平板雙極化天線。
具有無線通訊功能的電子產品，如筆記型電腦、個人數位助理(Personal Digital Assistant)等，係透過天線來發射或接收無線電波，以傳遞或交換無線電訊號，進而存取無線網路。因此，為了讓使用者能更方便地存取無線通訊網路，理想天線的頻寬應在許可範圍內儘可能地增加，而尺寸則應儘量減小，以配合電子產品體積縮小之趨勢。除此之外，隨著無線通訊技術不斷演進，電子產品所配置的天線數量可能增加。舉例來說，長期演進(Long Term Evolution，LTE)無線通訊系統及無線區域網路標準IEEE 802.11n支援多輸入多輸出(Multi-input Multi-output，MIMO)通訊技術，亦即相關電子產品可透過多重(或多組)天線同步收發無線訊號，以在不增加頻寬或總發射功率耗損(Transmit Power Expenditure)的情況下，大幅地增加系統的資料吞吐量(Throughput)及傳送距離，進而有效提升無線通訊系統之頻譜效率及傳輸速率，改善通訊品質。此外，多輸入多輸出通訊技術可搭配空間分工(Spatial Multiplexing)、波束成型(Beam forming)、空間分集(Spatial Diversity)、預編碼(Precoding)等技術，進一步減少訊號干擾及增加通道容量。
由上述可知，要實現多輸入多輸出功能中空間多工、多樣技術，先決條件必需搭配多組天線，以將空間分成許多通道，進而提供多個天線場型。因此，如何設計符合傳輸需求的天線，同時兼顧尺寸及功能，已成為業界所努力的目標之一。
因此，本發明主要提供一種平板雙極化天線。
本發明揭露一種平板雙極化天線，用來收發無線電訊號，包含有一接地金屬板；一第一介質板，形成於該接地金屬板之上；以及一第一微帶金屬片，形成於該第一介質板之上，該第一微帶金屬片之形狀大體上呈十字形。
針對二入二出之長期演進無線通訊系統，其透過兩個天線波束進行無線訊號收發，且天線極化被傾斜45度來使用。因此，兩個互為正交的雙極化天線在傾斜45度之後，一個極化變成45度傾斜而另一個極化變成135度傾斜。這天線在滿足系統電子特性的條件下，必需在外觀尺寸上儘量的小。在此情形下，可以平板微帶天線結構為基礎，設計一極化傾斜45度之多層平板雙極化微帶天線。
請參考第1A圖，第1A圖為一雙極化微帶天線10之示意圖。雙極化微帶天線10包含有一接地金屬板100、一介質板102及一微帶金屬片104，其為一正方形三層架構。接地金屬板100用來提供接地，微帶金屬片104為主要輻射體，而介質板102則介於接地金屬板100與微帶金屬片104之間。由於微帶金屬片104為正方形，因此垂直極化的共振係沿著垂直邊界的方向D_V，水平極化的共振則沿著水平邊界的方向D_H，而垂直極化及水平極化的饋入點分別為FP_V、FP_H。在此情形下，最簡易使雙極化微帶天線10之極化傾斜45度和135度的方法，就是將天線本體旋轉45度，即如第1B圖所示。此時，水平極化和垂直極化分別變成為一個傾斜45度而另一個傾斜135度，天線外觀由正方形變成菱形，天線的共振方向依然沿著邊界的方向，即D_45、D_135，而垂直極化及水平極化饋入點的相對位置維持固定，即FP_45、FP_135。
為了讓天線的尺寸縮小，若能將雙極化微帶天線10的共振方向改變為沿著正方形的對角線，則雙極化微帶天線10的大小可以縮小為原來的0.7倍。再加上極化傾斜45度的需求，理論上，只需對雙極化微帶天線10饋入點位置旋轉45度，即為第1C圖中FP_R、FP_L。然而，45度旋轉饋入點後的天線變成圓極化天線，一個成為右旋天線而另一個成為左旋天線，且天線共振方向依然沿著邊界的方向，即D_V、D_H，且天線的大小不會減小。換言之，將饋入點旋轉45度後的極化結果不符合需求，且天線大小不會減小。
為了解決上述問題，本發明進一步提供一平板雙極化天線20，如第2A圖所示。平板雙極化天線20包含有一接地金屬板200、一介質板202及一微帶金屬片204。平板雙極化天線20之架構與雙極化微帶天線10相似，同為三層結構，接地金屬板200用來提供接地，微帶金屬片204為主要輻射體，而介質板202則介於接地金屬板200與微帶金屬片204之間。不同的是，微帶金屬片204之形狀大體上呈十字形，藉此，可產生線性極化而不會產生圓極化的電磁波，同時可有效減小天線尺寸。
詳細來說，在平板雙極化天線20中，接地金屬板200及介質板202維持正方形，但微帶金屬片204則呈十字形，如此可使共振方向沿著對角線，即D_45、D135所示之方向，且天線的大小變成原來(第1A圖之雙極化微帶天線10)的0.7倍而縮小。再者，如第2A圖之饋入點FP_45、FP_135所示，十字形之微帶金屬片204可提供兩個對稱的饋入點，而產生正交的雙極化天線場型。
簡單來說，本發明係利用大體呈十字形之微帶金屬片204，使共振方向改變為沿著正方形的對角線，以將天線大小縮小為原來的0.7倍，同時符合極化傾斜45度的需求，以產生線性極化的電磁波，並提供兩個對稱的饋入點，以產生正交的雙極化天線場型。
需注意的是，在本發明中，所謂「大體呈十字形」係指微帶金屬片204之外觀係由兩個長方形微帶金屬片重疊且交錯所組成。然而，不限於此，任何可「大體呈十字形」之微帶金屬片皆可適用本發明。例如，如第2B圖所示，微帶金屬片204另延伸出正方形側板206；如第2C圖所示，微帶金屬片204另延伸出鋸齒狀側板208；如第2D圖所示，微帶金屬片204另延伸出弧形側板210；如第2E圖所示，微帶金屬片204被置換為邊緣為圓弧狀之一微帶金屬片212；以及，如第2F圖所示，微帶金屬片204被置換為葉片形之一微帶金屬片214。第2B圖至第2F圖皆符合本發明之「大體呈十字形」之特徵，但不限於此，本領域具通常知識者當可據以做不同之修飾。
另一方面，平板雙極化天線20相對於共振頻率的共振頻寬約3%。對於長期演進無線通訊系統之應用而言，天線的共振頻率中心在766.5MHz，頻寬為41MHz，所以相對於共振頻率中心的共振頻寬約5.3%。因此，如第3A圖所示，本發明可進一步地於平板雙極化天線20之微帶金屬片204上，另增加一微帶金屬片300，用以增加天線共振的頻寬。微帶金屬片300不與微帶金屬片204接觸，其形狀不限於第3A圖所示之正方形，亦可如同微帶金屬片204一樣，大體呈十字形。例如，在第3B圖中，微帶金屬片300被置換為一大體呈十字形之微帶金屬片302。另外，微帶金屬片204為主要輻射體，故新增之微帶金屬片300或302不與其接觸，而要維持微帶金屬片300或302不接觸微帶金屬片204的方法有許多種；例如，在第3C及3D圖中，係以四個柱狀體BAR所形成之支撐件固定微帶金屬片300或302，使其維持不接觸微帶金屬片204。另外，如第3E及3F圖所示，微帶金屬片302的四邊增加了彎折而成為微帶金屬片304、306，其係利用增加的彎折，使其接觸介質板202但不接觸微帶金屬片204。除此之外，如第3G及3H圖所示，可進一步利用介質層308或310，維持微帶金屬片306(或300、302、304等)與不接觸微帶金屬片204。
需注意的是，第3A圖至第3H圖係說明本發明可行之變化方式，但不限於此，其它依循本發明之概念且符合系統需求之變化皆可應用於本發明中。而要判斷是否符合系統需求，可透過模擬及量測。舉例來說，第4圖為第3G圖之平板雙極化天線20應用於長期演進無線通訊系統時之天線共振(電壓駐波比)模擬結果示意圖。在第4圖中，45度極化傾斜和135度極化傾斜之天線共振模擬結果分別為虛線及實線曲線，可知從746MHz到787MHz的S11值都在-10dB以下，共振頻寬相當寬，且45度極化傾斜和135度極化傾斜天線之間的隔離度都至少20dB以上。另外，第5圖為第3G圖之平板雙極化天線20應用於長期演進無線通訊系統時之天線場型特性模擬結果示意圖。由第5圖可知，最大增益值約6.6dBi，前後場型比(F/B)至少12dB，同極化(Common Polarization)對正交極化(Cross Polarization)比值Co/Cx至少22dB。因此，由第4圖及第5圖可以證明本發明之平板雙極化天線20能滿足長期演進無線通訊系統的需求。
更進一步地，關於平板雙極化天線20之測試結果，若以第3G圖之實施例為測試標的，可得：第6A圖之45度極化傾斜之天線共振測試結果圖，第6B圖之135度極化傾斜之天線共振測試結果圖，第7圖之45度極化傾斜與135度極化傾斜之天線隔離度測試結果圖，第8A圖之45度極化傾斜天線於垂直面的同極化場型測試結果圖，第8B圖之45度極化傾斜天線於垂直面的正交極化場型測試結果圖，第8C圖之45度極化傾斜天線於垂直面之場型測試統計表，第9A圖之45度極化傾斜天線於水平面的同極化場型測試結果圖，第9B圖之45度極化傾斜天線於水平面的正交極化場型測試結果圖，第9C圖之45度極化傾斜天線於水平面之場型測試統計表，第10A圖之135度極化傾斜天線於垂直面的同極化場型測試結果圖，第10B圖之135度極化傾斜天線於垂直面的正交極化場型測試結果圖，第10C圖之135度極化傾斜天線於垂直面之場型測試統計表，第11A圖之135度極化傾斜天線於水平面的同極化場型測試結果圖，第11B圖之135度極化傾斜天線於水平面的正交極化場型測試結果圖，第11C圖之135度極化傾斜天線於水平面之場型測試統計表。
由上述測試結果可知，本發明之平板雙極化天線20確實能滿足長期演進無線通訊系統的需求。
綜上所述，本發明係利用大體呈十字形之微帶金屬片，使共振方向改變為沿著正方形的對角線，以將天線大小縮小為原來的0.7倍，同時符合極化傾斜45度的需求，以產生線性極化的電磁波，並提供兩個對稱的饋入點，以產生正交的雙極化天線場型。另外，本發明於十字形之微帶金屬片上增加額外的微帶金屬片，以進一步增加共振頻寬。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10．．．雙極化微帶天線
100、200．．．接地金屬板
102、202．．．介質板
104、204、212、214、300、302、304、306．．．微帶金屬片
D_V、D_H、D_45、D_135．．．方向
FP_V、FP_H、FP_45、FP_135、FP_R、FP_L．．．饋入點
20．．．平板雙極化天線
206、208、210．．．側板
BAR．．．柱狀體
第1A圖、第1B圖及第1C圖為一雙極化微帶天線之示意圖。
第2A圖為本發明實施例一平板雙極化天線之示意圖。
第2B圖至第2F圖及第3A圖至第3H圖為第2A圖之平板雙極化天線之不同實施例之示意圖。
第4圖為本發明之平板雙極化天線應用於長期演進無線通訊系統時之天線共振模擬結果示意圖。
第5圖為本發明之平板雙極化天線應用於長期演進無線通訊系統時之天線場型特性模擬結果示意圖。
第6A圖為本發明之平板雙極化天線之45度極化傾斜之天線共振測試結果圖。
第6B圖為本發明之平板雙極化天線之135度極化傾斜之天線共振測試結果圖。
第7圖為本發明之平板雙極化天線之45度極化傾斜與135度極化傾斜之天線隔離度測試結果圖。
第8A圖為本發明之平板雙極化天線之45度極化傾斜天線於垂直面的同極化場型測試結果圖。
第8B圖為本發明之平板雙極化天線之45度極化傾斜天線於垂直面的正交極化場型測試結果圖。
第8C圖為本發明之平板雙極化天線之45度極化傾斜天線於垂直面之場型測試統計表。
第9A圖為本發明之平板雙極化天線之45度極化傾斜天線於水平面的同極化場型測試結果圖。
第9B圖為本發明之平板雙極化天線之45度極化傾斜天線於水平面的正交極化場型測試結果圖。
第9C圖為本發明之平板雙極化天線之45度極化傾斜天線於水平面之場型測試統計表。
第10A圖為本發明之平板雙極化天線之135度極化傾斜天線於垂直面的同極化場型測試結果圖。
第10B圖為本發明之平板雙極化天線之135度極化傾斜天線於垂直面的正交極化場型測試結果圖。
第10C圖為本發明之平板雙極化天線之135度極化傾斜天線於垂直面之場型測試統計表。
第11A圖為本發明之平板雙極化天線之135度極化傾斜天線於水平面的同極化場型測試結果圖。
第11B圖為本發明之平板雙極化天線之135度極化傾斜天線於水平面的正交極化場型測試結果圖。
第11C圖為本發明之平板雙極化天線之135度極化傾斜天線於水平面之場型測試統計表。
200．．．接地金屬板
202．．．介質板
204．．．微帶金屬片
D_45、D_135．．．方向
FP_45、FP_135．．．饋入點
20．．．平板雙極化天線

Claims (6)

  1. 一種平板雙極化天線，用來收發無線電訊號，包含有：一接地金屬板；一第一介質板，形成於該接地金屬板之上；以及一第一微帶金屬片，形成於該第一介質板之上，該第一微帶金屬片之形狀大體上呈十字形且包含對稱之二饋入點；其中，該第一微帶金屬片之邊緣不平行於該接地金屬板之邊緣。
  2. 如請求項1所述之平板雙極化天線，其另包含一第二微帶金屬片，形成於該第一微帶金屬片之上，且未接觸該第一微帶金屬片。
  3. 如請求項2所述之平板雙極化天線，其另包含一支撐件，設置於該第二微帶金屬片與該第一微帶金屬片或該第一介質板之間，用來支撐該第二微帶金屬片使該第二微帶金屬片不接觸該第一微帶金屬片。
  4. 如請求項2所述之平板雙極化天線，其中該第二微帶金屬片包含至少一彎折，該至少一彎折用來支撐該第二微帶金屬片，使該第二微帶金屬片接觸該第一介質板但不接觸該第一微帶金屬片。
  5. 如請求項2所述之平板雙極化天線，其中該第二微帶金屬片之 形狀相關於該第一微帶金屬片之形狀。
  6. 如請求項2所述之平板雙極化天線，其另包含一第二介質板，形成於該第二微帶金屬片與該第一微帶金屬片之間，用來間隔該第二微帶金屬片與該第一微帶金屬片。
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