TWI496350B - Circular polarized antenna - Google Patents

Description

圓極化天線

本發明是有關於一種天線，特別是指一種單饋入寬頻圓極化天線。

隨著無線射頻技術(RFID)於物流應用的逐漸普及，收發貨物不再需要繁複的人力清點統計，並且以RFID技術盤點貨物以及統計庫存也得以更快速且正確，而大大的降低庫存過高或不足的控管風險，但此一優勢必須建立在良好無誤的射頻訊號收發及辨識基礎。在貨物盤點的應用上，圓極化天線相較於線性極化天線更能克服多重路徑差等非理想環境因素的干擾，所以更適合作為RFID技術的應用。

一般平面的圓極化天線設計可以分為單饋入及雙饋入兩種方式，該單饋入的方式如論文“Circularly polarized microstrip antenna with a tuning stub,”Electron. Lett.,vol. 34,pp. 831-832,April 30,1998.中所提及的於一單層介質基板設計之天線的輻射金屬片內挖槽縫或是另外加入單個金屬微擾片即可達成圓極化的設計，但該種設計方式卻有3dB軸比(axial ratio)頻寬偏窄(小於線性輻射頻寬的三分之一)的缺點；並且，由於該種天線的金屬微擾片或槽縫的數目都僅為單個，且該種天線的頻寬偏窄，所以只要對該微擾片或槽縫微調都會造成圓極化輻射頻帶範圍的大幅變動，進而增加設計時的困難度以及降低量產時的穩定度及良率。

所以為了進一步解決上述的缺點，一種如中華民國專利第200926521公開號的雙饋入圓極化天線於是被提出，該種設計雖能解決圓極化頻寬不足的問題，且較大的頻寬特性對於天線結構上些微的變異所造成的頻帶偏移或頻寬變化之變動的百分比就較低，而增加實際應用的穩定度及量產的良率，但該種雙饋入圓極化天線卻會因其使用的威金森功率分配器(Wilkinson power divider)或支路耦合器(branch-line coupler)等電路造成額外的功率損耗、設計的複雜度及量產成本。

因此，本發明之目的，即在提供一種可以提供較大頻寬且無需額外電路的圓極化天線設計。

於是，本發明圓極化天線，包含一接地部、一主輻射片、二微擾片及一用以傳遞訊號的饋入單元。

該主輻射片間隔地重疊於該接地部之上。該等微擾片相間隔地從該主輻射片的一週緣凸出且沿著一條將該主輻射片區分為兩實質地相對稱結構的一第一直線排列。該饋入單元包括一第一電位部及一第二電位部，該第一電位部電連接於該接地部，該第二電位部電連接於該主輻射片。藉由該等微擾片的配置，該輻射單元可共振出兩極化方向實質地垂直的共振模態，且再經由調整該等微擾片的長度使該等共振模態的相位實質地相差九十度，即可達到圓極化操作。

本發明之功效即在提供一種寬頻且為單饋入式的圓極化天線，在不額外增加電路設計的情形下仍可具有寬頻及量產穩定度的特性。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖1至圖4，是本發明圓極化天線的一較佳實施例，該實施例之圓極化天線應用在920 MHz之操作頻率，包含一接地部1、一主輻射片2、二微擾片3、一第一匹配凸部4、一第二匹配凸部5，及一用以傳遞訊號的饋入單元6。

該接地部1為金屬材質並形成於一第一基板7的一表面71，該主輻射片2為金屬材質並形成於一第二基板8的一表面81，且該第二基板8間隔地重疊於該第一基板7之上。在本實施例中該第一基板7及該第二基板8是一種玻璃纖維板(FR4)，但實際應用時也可以是別種可支撐該主輻射片2及該接地部1的其他非導體材質，或是並無該第一基板7及第二基板8而以其他方式固定該主輻射片2及該接地部1。該主輻射片2的形狀除了圖1所示的圓形，也可以是如圖2所示的圓環形、圖3所示的方形或圖4所示的方環形。

該等微擾片3相間隔地從該主輻射片2的一週緣21凸出且沿著一條將該主輻射片2區分為兩實質地相對稱結構的一第一直線L1排列。

該第一匹配凸部4及該第二匹配凸部5用以調整阻抗匹配，且該第一匹配凸部4與該第二匹配凸部5分別自該主輻射片2的週緣21沿著另一條將該主輻射片2區分為另外兩個相對稱結構的第二直線L2排列。

該饋入單元6包括一第一電位部61及一第二電位部62，該第一電位部61電連接於該接地部1，該第二電位部62經由該第一匹配凸部4電連接於該主輻射片2。

在本實施例的說明中該饋入單元6包括一五十歐姆SMA接頭6’，該第一電位部61具有該SMA接頭6’的屏蔽層611，該第二電位部62具有該SMA接頭6’的探針621。該SMA接頭6’的探針621與該接地部1不接觸地經由該第一匹配凸部4電連接於該主輻射片2。

藉由該等微擾片3的配置，使該第一直線L1與該第二直線L2概呈正四十五度的夾角θ，則該圓極化天線可共振出兩極化方向實質地垂直的共振模態，且再經由調整該等微擾片3的長度使該等共振模態的相位實質地相差九十度，即可達到圓極化操作。此外，該圖1的設計為右旋圓極化(RHCP)天線，但也可以依相同的設計概念將右旋圓極化(RHCP)改成左旋圓極化(LHCP)，其中僅需改變該第一直線L1與該第二直線L2的夾角θ為負四十五度即可。

參閱圖5至圖8，是圖1之圓極化天線的模擬結果。

參閱圖5，是該圓極化天線的反射損失圖。該天線的阻抗頻寬以反射損失10 dB定義時，該圓極化天線的阻抗頻寬為50 MHz(890~940 MHz)。

參閱圖6，是該圓極化天線的史密斯圖(smith chart)。由圖中的一個尖點A可以知道該圓極化天線確實產生兩個頻率相鄰的共振模態。

參閱圖7，是該圓極化天線於操作頻帶內的軸比值。該軸比頻寬以3dB定義時的頻寬為21 MHz(907~928 MHz)。所以本實施例的圓極化頻寬(21 MHz)相較於線性輻射頻寬(50 MHz)可達百分之四十二，相較習知單饋入單微擾片之圓極化天線的3dB軸比頻寬僅為線性輻射頻寬的三分之一為寬。

參閱圖8，該圓極化天線於接地部1面積為100×100 mm² 時，該操作頻帶內之輻射增益(gain)均高於8 dBi。

綜上所述，本實施例包含兩微擾片3的單饋入圓極化天線相較於習知單微擾片的單饋入設計具有較寬的圓極化軸比頻寬，並能降低其結構變化時所造成的頻帶偏移百分比，相較於雙饋入天線可免除功率分配器所造成的路徑損失而提高輻射增益並降低設計複雜度與量產成本，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1．．．接地部

2．．．主輻射片

21．．．週緣

3．．．微擾片

4．．．第一匹配凸部

5．．．第二匹配凸部

6．．．饋入單元

6’．．．SMA接頭

61．．．第一電位部

611．．．屏蔽層

62．．．第二電位部

621．．．探針

7．．．第一基板

71．．．表面

8．．．第二基板

81．．．表面

θ．．．夾角

L1．．．第一直線

L2．．．第二直線

圖1是本發明圓極化天線之一較佳實施例的立體圖，說明一主輻射片為圓形；

圖2是該較佳實施例的平面圖，說明該主輻射片為圓環形；

圖3是該較佳實施例的平面圖，說明該主輻射片為方形；

圖4是該較佳實施例的平面圖，說明該主輻射片為方環形；

圖5是該較佳實施例模擬的反射損失圖；

圖6是該較佳實施例模擬的史密斯圖；

圖7是該較佳實施例在一頻帶內模擬的軸比值的變化圖；及

圖8是該較佳實施例在該頻帶內模擬的天線增益變化圖。

1．．．接地部

2．．．主輻射片

21．．．週緣

3．．．微擾片

4．．．第一匹配凸部

5．．．第二匹配凸部

6．．．饋入單元

6’．．．SMA接頭

61．．．第一電位部

611．．．屏蔽層

62．．．第二電位部

621．．．探針

7．．．第一基板

71．．．表面

8．．．第二基板

81．．．表面

θ．．．夾角

L1．．．第一直線

L2．．．第二直線

Claims (5)

1. 一種圓極化天線，包含：一接地部；一主輻射片，間隔地重疊於該接地部之上；及二微擾片，相間隔地從該主輻射片的一週緣凸出且沿著一條將該主輻射片區分為兩實質地相對稱結構的一第一直線排列；一用以傳遞訊號的饋入單元，包括一第一電位部及一第二電位部，該第一電位部電連接於該接地部，該第二電位部電連接於該主輻射片，藉由該等微擾片的配置，該輻射單元可共振出兩極化方向實質地垂直的共振模態，且再經由調整該等微擾片的長度使該等共振模態的相位實質地相差九十度，即可達到圓極化操作；及一用以調整阻抗匹配的第一匹配凸部，該饋入單元的第二電位部經由該第一匹配凸部電連接到該主輻射片。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之圓極化天線，其中，該主輻射片為圓形或圓環形。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之圓極化天線，其中，該主輻射片為方形或方環形。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之圓極化天線還包括另一自該主輻射片的週緣向外延伸的第二匹配凸部，該第一匹配凸部與該第二匹配凸部分別自該主輻射片的週緣沿 著另一條將該主輻射片區分為另外兩個相對稱結構的第二直線排列。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之圓極化天線，其中，該饋入單元包括一五十歐姆SMA接頭，該第二電位部具有該接頭的探針，該第一電位部具有該接頭的屏蔽層。