TWI518989B

TWI518989B - 圓極化天線

Info

Publication number: TWI518989B
Application number: TW102116559A
Authority: TW
Inventors: 陳松琳; 林長春; 蘇欣龍; 洪偉哲
Original assignee: 中國鋼鐵股份有限公司
Priority date: 2013-05-09
Filing date: 2013-05-09
Publication date: 2016-01-21
Also published as: TW201444179A

Description

圓極化天線

本發明是有關於一種圓極化天線，且特別是有關於一種小型的圓極化天線。

近年來隨著無線辨識(Radio Frequency Identification，RFID)系統的發展迅速，RFID被認為是本世紀十大重要技術之一。應用RFID系統可將物質世界與資訊世界結合，使得人們能即時掌握物品的流向、來源履歷或是其他與物品相關的資訊，對於無論製造業者、物流業者、農牧管理者、或消費者等各式各樣不同的現代生活面向均有相當大的幫助。

RFID系統主要由標籤及讀卡機所構成，標籤主要貼於物體或貨物上，讀卡機則是將貨物上的標籤中的資料讀入，並和電腦與資料庫結合而執行管控，例如管控物品流向、盤點物品或是扣款等應用。RFID系統的各種應用在日常生活中也已隨處可見，例如捷運公司所使用的悠遊卡、與信用卡整合的VISA WAVE、寵物晶片、商店或是圖書館裡的防盜晶片、家裡或是大樓的門禁卡等。且RFID已制定全球統一的ISO規範，更有助於RFID的發展。

在頻段上，RFID系統從125KHz到5.8GHz的頻段皆有其應用。低頻的RFID通常採用線圈感應方式，以達成能量轉換及資訊的讀取，其讀取資料速度較慢，可讀取距離也較近，但對環境適應較好；高頻的RFID則通常採用電容式電場效應，需要一個天線用以輻射並抓取電磁波能量，以達到資訊讀取，其讀取資料速度較快，可讀取距離較遠，但較容易受環境影響。

在應用上，由於RFID讀卡機是將貨物上的標籤上的資料讀入，為了讓使用者便於攜帶使用，重量輕、體積小的電子產品成為目前的趨勢及市場主流，因此當應用圓極化天線於RFID讀卡機上時，天線的尺寸成為設計的重要考量之一。

一般圓形極化天線的設計概念為利用兩個位置相互垂直的模態以衍生出圓形極化的輻射特性。其中最簡單基本的結構為，單點饋入於一個近似於方形的微帶天線，在饋入點位於對角線上時，可同時激發出兩個互相垂直且強度相同的模態，藉由輻射金屬面邊長的不相等而使得兩模態相位差達到90°，因此得到一圓極化波的輻射。也有使用正方形金屬片截去一對對角，使得兩個對角線不等長，並於中心線上選擇適當的饋入點，則可同時激發出以正負45°角共振的兩個等振幅且相位差90°的共振模態以形成圓極化波輻射。除了利用單點饋入的方式，另外也有使用雙饋入的方式來達成圓極化天線的結構設計，例如利用一威爾金森(Wilkinson)功率分配器來提供兩個饋入點處具有90°相位差且大小相等的激發電流，且兩個饋入點分別位於互相垂直的兩個方向，如此一來亦可以達成圓極化輻射。

以中華民國專利M429184為例，其提供一種在不影響天線輻射效能情況下可有效縮小天線尺寸的圓極化天線，此天線是利用其功率分配器來設計，因此具有圓極化軸比頻寬大的優點，但上述專利雖能有效縮小天線尺寸，但尺寸仍稍嫌略大，又上述專利為雙面輻射，若處於弱勢環境而周圍有許多金屬則將使天線效能及工作能力改變，甚至無法正常工作。

因此，本發明之目的是在提供一種圓極化天線，利用一金屬共振腔及其上的一天線輻射板達成圓極化天線，並可經由適當的設計來調整圓極化天線的各項特性，其結構尺寸較先前技術更小型，且結構簡單，又因天線輻射部的四周被金屬共振腔的金屬包圍，因此對於使用環境的容忍力佳。

依據本發明之一實施例，此圓極化天線包含金屬共振腔及天線輻射板。金屬共振腔具有開口，且金屬共振腔包含底板以及至少一側壁，側壁設置於底板上以形成金屬共振腔的開口。天線輻射板設置於金屬共振腔的開口，其中天線輻射板具有N個中央貫穿孔及複數個開槽孔。上述開槽孔係環繞上述中央貫穿孔，上述中央貫穿孔係互相對稱地排列，且N為大於3之偶數。上述圓極化天線更可包含一訊號饋入組件，其中訊號饋入組件之兩接點係分別電性連接至金屬共振腔和天線輻射板之一訊號饋入區域，而訊號饋入區域可位於兩相鄰之上述開槽孔之間。其中天線輻射板可為一金屬板，而上述圓極化天線更可包含一天線基板，用以承載天線輻射板，且天線基板為介電物質。其中上述圓極化天線更可包含一共振基板，設置於金屬共振腔內，金屬共振腔並覆蓋共振基板，其中共振基板為介電物質。天線輻射板、上述開槽孔及上述中央貫穿孔可為規則幾何形，其中天線輻射板可為方形，上述開槽孔可為方形或半圓形，上述中央貫穿孔可為圓弧形。

100‧‧‧金屬共振腔

120‧‧‧底板

130‧‧‧側壁

200‧‧‧天線輻射板

211‧‧‧第一開槽孔

212‧‧‧第二開槽孔

213‧‧‧第三開槽孔

214‧‧‧第四開槽孔

221‧‧‧第一中央貫穿孔

222‧‧‧第二中央貫穿孔

223‧‧‧第三中央貫穿孔

224‧‧‧第四中央貫穿孔

230‧‧‧訊號饋入區域

300‧‧‧訊號饋入組件

400‧‧‧天線基板

500‧‧‧訊號接頭

600‧‧‧共振基板

h₁‧‧‧金屬共振腔高度

r₁‧‧‧第一開槽孔半徑

r₂‧‧‧第二開槽孔半徑

r₃‧‧‧第三開槽孔半徑

r₄‧‧‧中央貫穿孔外半徑

r₅‧‧‧中央貫穿孔內半徑

L₁‧‧‧天線輻射板長度

L₂‧‧‧第四開槽孔長度

L₃‧‧‧金屬共振腔長度

W₁‧‧‧天線輻射板寬度

W₂‧‧‧第四開槽孔寬度

W₃‧‧‧金屬共振腔寬度

第1A圖係繪示依照本發明一實施例的圓極化天線的上視圖。

第1B圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線的剖視圖。

第1C圖係繪示依照本發明另一實施例的圓極化天線的剖視圖。

第2A圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線的反射係數(S11)對頻率響應圖。

第2B圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線的軸比圖。

第3A圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線，於不同的第一開槽孔半徑時的反射係數(S11)對頻率響應圖。

第3B圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線，於不同的第一開槽孔半徑時的軸比圖。

第4A圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線，於不同的第二開槽孔半徑時的反射係數(S11)對頻率響應圖。

第4B圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線，於不同的第二開槽孔半徑時的軸比圖。

第5A圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線，於不同的第三開槽孔半徑時的反射係數(S11)對頻率響應圖。

第5B圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線，於不同的第三開槽孔半徑時的軸比圖。

第6A圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線，於不同的第四開槽孔長度時的反射係數(S11)對頻率響應圖。

第6B圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線，於不同的第四開槽孔長度時的軸比圖。

第7A圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線，於不同的第四開槽孔寬度時的反射係數(S11)對頻率響應圖。

第7B圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線，於不同的第四開槽孔寬度時的軸比圖。

第8A圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線，於不同的中央貫穿孔外半徑及中央貫穿孔內半徑時的反射係數(S11)對頻率響應圖。

第8B圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線，於不同的中央貫穿孔外半徑及中央貫穿孔內半徑時的軸比圖。

第9A圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線，於X-Y平面的場型模擬圖。

第9B圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線，於X-Z平面的場型模擬圖。

第9C圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線，於Y-Z平面的場型模擬圖。

第10圖係繪示依照本發明又一實施例的圓極化天線的上視圖。

以下將詳細說明，依照本發明之實施方式的圓極化天線採用平板(Patch)天線為架構，並在天線四周以開槽孔的方式來改變電流路徑，以調整圓極化天線的頻段，達成預設的目標頻段，其中開槽孔係指位於物體邊緣上的貫穿孔。

又依照本發明之實施方式可採取單饋入的方式，其訊號饋入區域由天線輻射板的對角線來饋入，達到激發圓極化天線所需的兩個垂直模態。使得依照本發明之圓極化天線，不但體積小，且對使用環境的容忍力佳，更可讓使用者簡單地自行調整圓極化天線的各項特性，滿足各種不同的天線需求。

請參照第1A圖及第1B圖，第1A圖係繪示依照本發明一實施例之圓極化天線的上視圖，而第1B圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線於訊號饋入區域230的剖視圖。圓極化天線可包含金屬共振腔100、天線輻射板200、訊號饋入組件300及天線基板400，其中金屬共振腔100具有開口，金屬共振腔100包含一底板120及至少一側壁130，側壁130設置於底板120上以形成開口，天線輻射板200為一金屬板，天線輻射板200設置於金屬共振腔100之開口，其中天線輻射板200具有四中央貫穿孔與四開槽孔，四中央貫穿孔包含一第一中央貫穿孔221、一第二中央貫穿孔222、一第三中央貫穿孔223及一第四中央貫穿孔224。四開槽孔包含一第一開槽孔211、一第二開槽孔212、一第三開槽孔213及一第四開槽孔214，上述四開槽孔係環繞上述四中央貫穿孔，其中四中央貫穿孔係互相對稱地排列，且N為大於3之偶數。訊號饋入組件300之兩接點分別電性連接至金屬共振腔100和天線輻射板200。天線基板400用以承載天線輻射板200，且天線基板400為介電物質，例如印刷電路板(printed circuit board)等。

更詳細地說，訊號饋入組件300電性連接至天線輻射板200之訊號饋入區域230。訊號饋入區域230位於天線輻射部200的對角線上。在本實施例中，訊號饋入區域230位於兩相鄰開槽孔之間，例如第三開槽孔213與第四開槽孔214之間。然而，本發明之實施例並不限於此。訊號饋入組件300可透過一訊號接頭500的接地端而接至金屬共振腔100的底板120，其中訊號接頭500可為一SMA接頭連接一同軸電纜，金屬共振腔100的底板120相對訊號饋入組件300可具有一貫孔(未圖示)，則SMA接頭可穿設於貫孔而連接訊號饋入組件300並饋入訊號。訊號饋入組件300可為一長條形金屬，但不限於此，訊號饋入組件300亦可為一L型、十字形或X形的金屬。

X軸、Y軸、Z軸分別為圓極化天線在空間(X-Y-Z座標系)中的三個方向，後續說明會指出依照此實施例的圓極化天線的輻射場形為朝X軸方向輻射。其中上述中央貫穿孔的數量不限為4個，亦可為8個，或大於等於4的偶數個，只要排列使中央貫穿孔於天線輻射板上左右對稱於Z軸即可。上述開槽孔的數量亦不限為四個，開槽孔只要環繞中央貫穿孔排列並可達到所需求的天線特性即可。

上述天線輻射板200、開槽孔211~214及中央貫穿孔221~224各可為規則幾何形。例如天線輻射部200可為方形、圓形、橢圓形、三角形或多邊形，各開槽孔211~214分別可為方形、圓形、橢圓形、三角形、半圓形、形或多邊形，各中央貫穿孔221~224分別可為弧形、方形、圓形、橢圓形、三角形或多邊形。而依照如第1A圖及第1B圖的實施例，天線輻射板200採用方形，其中天線輻射板200具有一天線輻射板長度L₁及一天線輻射板寬度W₂。第一開槽孔211、第二開槽孔212及第三開槽孔213採用半圓形，第四開槽孔214採用方形，其中第一開槽孔211具有一第一開槽孔半徑r₁，第二開槽孔212具有一第二開槽孔半徑r₂，第三開槽孔213具有一第三開槽孔半徑r₃，第四開槽孔214具有一第四開槽孔長度L₂及一第四開槽孔寬度W₂。第一中央貫穿孔221、第二中央貫穿孔222、第三中央貫穿孔223及第四中央貫穿孔224採用圓弧形，其中第一中央貫穿孔221、第二中央貫穿孔222、第三中央貫穿孔223及第四中央貫穿孔224係形成具有一中央貫穿孔外半徑r₄的圓形區域及一具有一中央貫穿孔內半徑r₅的圓形區域。上述金屬共振腔100可為一立體方型，金屬共振腔100具有一金屬共振腔長度L₃、一金屬共振腔寬度W₃及一金屬共振腔高度h₁。

其中依照本發明之圓極化天線，也可不具有天線基板400。具有天線基板400可使得整體圓極化天線的頻率達到更低，因此使得圓極化天線的尺寸可達到更小型，然而天線基板400並非必要。

請參照第1C圖，其繪示依照本發明另一實施例的圓極化天線的剖視圖。除上述外，依照本發明之圓極化天線可更包含一共振基板600，共振基板600設置於金屬共振腔100的內層，金屬共振腔100並覆蓋共振基板600，其中共振基板600為介電物質，例如印刷電路板(Printed circuit board)等。具有共振基板600可使得金屬共振腔100於製造過程中更容易彎折塑型，然而共振基板600並非必要。

依照如第1A圖及第1B圖的實施例，圓極化天線在頻段912MHz、925MHz及944MHz皆有良好的圓極化效果。

請參照第2A圖，第2A圖繪示依照第1A圖的圓極化天線的反射係數(S11)對頻率響應圖，可看出依照第1A圖的圓極化天線的工作頻段為900MHz~957MHz，在此工作頻段內的反射損失(Return loss)皆小於10dB，具有良好的天線輻射效能。

請參照第2B圖，第2B圖繪示依照第1A圖的圓極化天線的軸比圖。可看出依照第1A圖的圓極化天線的軸比頻段為918MHz~930MHz，在此軸比頻段內的軸比皆小於3dB，具有良好的天線圓極化輻射效果。

又依照本發明的圓極化天線，更可藉由調整開槽孔211~214及中央貫穿孔221~224的各項結構參數，來調整圓極化天線的各種特性。如下表1為第1A圖的圓極化天線的各項結構參數：

接著分析圓極化天線的各項結構數值對於圓極化天線特性的影響，以提供使用者或設計者能簡單地自行調整圓極化天線的各項特性。其中由於天線可供配置的空間有限，依照第1A圖的實施例係採用圓形開槽孔來增加此圓極化天線的電流路徑，藉此降低其工作頻率以達到預期中的目標頻段。因此首先探討半圓形的3個開槽孔(第一開槽孔211、第二開槽孔212及第三開槽孔213)之半徑(第一開槽孔半徑r₁、第二開槽孔半徑r₂及第三開槽孔半徑r₃)對天線頻率的影響。

請參照第3A圖及第3B圖，第3A圖繪示依照第1A圖的圓極化天線，於不同的第一開槽孔半徑r₁時的反射係數(S11)對頻率響應圖，第3B圖繪示依照第1A圖的圓極化天線，於不同的第一開槽孔半徑r₁時的軸比圖。顯示當改變使第一開槽孔半徑r₁越來越長時，由於第一開槽孔211的半徑變大其電流路徑更長所以使工作頻段下降，意即當第一開槽孔半徑r₁越來越長時，圓極化天線的低頻的工作頻段會往更低頻飄移，而高頻的工作頻段則影響並不大。所以第一開槽孔211主要影響低頻的工作頻段。隨著第一開槽孔211的第一開槽孔半徑r₁越來越長，圓極化天線的軸比也越來越差，同時由於低頻的共振頻率越往低頻飄移，因此其軸比頻段也越往低頻飄移。

請參照第4A圖及第4B圖，第4A圖繪示依照第1A圖的圓極化天線，於不同的第二開槽孔半徑r₂時的反射係數(S11)對頻率響應圖，第4B圖繪示依照第1A圖的圓極化天線，於不同的第二開槽孔半徑r₂徑時的軸比圖。顯示當改變使第二開槽孔212的第二開槽孔半徑r₂越來越短時，圓極化天線的高頻的頻段會越往高頻飄移，但第二開槽孔半徑r₂對於低頻的頻段影響並不大，因此第二開槽孔半徑r₂為高頻工作頻段的主要參數之一，又第二開槽孔半徑r₂對於圓極化天線的軸比之頻段影響並不大。

請參照第5A圖及第5B圖，第5A圖繪示依照第1A圖的圓極化天線，於不同的第三開槽孔半徑r₃時的反射係數(S11)對頻率響應圖，第5B圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線，於不同的第三開槽孔半徑r₃時的軸比圖。顯示當改變使第三開槽孔半徑r₃越來越短時，圓極化天線的低頻頻段會越往低頻飄移而高頻頻段會越往高頻飄移，同時低頻段的阻抗匹配也會越來越差，但高頻頻段的阻抗匹配則會越來越好，而軸比則越來越差，且其軸比之頻段會越往高頻飄移。

綜合上述，如欲調整低頻的頻段時，可藉由調整第一開槽孔211的第一開槽孔半徑r₁的長度來達成；而欲調整高頻的頻段時，則可藉由調整第二開槽孔212的第二開槽孔半徑r₂的長度來達成。

接著探討第四開槽孔214的第四開槽孔長度L₂及第四開槽孔寬度W₂對圓極化天線的特性的影響。

請參照第6A圖及第6B圖，第6A圖繪示依照第1A圖的圓極化天線，於不同的第四開槽孔長度L₂時的反射係數(S11)對頻率響應圖，第6B圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線，於不同的第四開槽孔長度時的軸比圖。顯示當改變使第四開槽孔214的第四開槽孔長度L₂的長度越來越短時，圓極化天線的高頻頻段會越往低頻飄移，而阻抗匹配會越來越好，同時軸比之頻段會越往低頻飄移，且軸比會越來越好。

請參照第7A圖及第7B圖，第7A圖繪示依照第 1A圖的圓極化天線，於不同的第四開槽孔寬度W₂時的反射係數(S11)對頻率響應圖，第7B圖繪示依照第1A圖的圓極化天線，於不同的第四開槽孔寬度W₂時的軸比圖。顯示當改變使第四開槽孔214的第四開槽孔寬度W₂的長度越來越長時，圓極化天線的阻抗匹配會越來越差，且軸比之頻段會越往低頻飄移。

接續探討中央貫穿孔221~224對圓極化天線的特性的影響。請參照第8A圖及第8B圖，第8A圖繪示依照第1A圖的圓極化天線，於不同的中央貫穿孔外半徑r₄及中央貫穿孔內半徑r₅時的反射係數(S11)對頻率響應圖，第8B圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線，於不同的中央貫穿孔外半徑r₄及中央貫穿孔內半徑r₅時的軸比圖。顯示當改變使中央貫穿孔221~224越來越小時，圓極化天線的阻抗匹配也會越來越好，但低頻的頻段與高頻的頻段都會越往高頻飄移。而中央貫穿孔221~224則對圓極化天線的軸比沒有太大影響，但隨著改變使中央貫穿孔221~224越來越小時，圓極化天線的軸比之頻段會越往高頻飄移。

綜合上述分析，顯示第一開槽孔211的第一開槽孔半徑r₁主要可影響圓極化天線的低頻工作頻段，而第二開槽孔212的第二開槽孔半徑r2為圓極化天線的高頻工作頻段的主要參數之一。因此在設計上需要調整圓極化天線的頻段時，調整低頻頻段只需藉由調整第一開槽孔半徑r₁即可達成，而調整高頻頻段則只需藉由調整第二開槽孔半徑r2即可達成，並且不會因此影響圓極化天線的阻抗匹配，使得設計者可方便地自由調整圓極化天線的頻段。而當在設計上需要調整圓極化天線的軸比使軸比頻段往低頻飄移時，可藉由調整第四開槽孔214的第四開槽孔長度L₂來達成，而當需要調整圓極化天線的軸比使軸比頻段往高頻飄移時，可藉由調整中央貫穿孔221~224的中央貫穿孔外半徑r₄及中央貫穿孔內半徑r₅來達成，由此可達到只調整圓極化天線的軸比之頻段，而不會影響到圓極化天線的軸比，使得設計者可方便地軸比頻段。綜合以上，應用本發明之圓極化天線不但可達成體積小型化，對使用環境的容忍力佳，更提供讓使用者或設計者可簡單地自行調整圓極化天線的各項特性，滿足各式各樣不同的天線特性需求。

請參照第9A、9B及9C圖，第9A圖繪示依照第 1A圖的圓極化天線，於925MHz的X-Y平面的場型模擬圖，第9B圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線，於925MHz的X-Z平面的場型模擬圖，第9C圖係繪示依照第1A圖的圓極化天線，於925MHz的Y-Z平面的場型模擬圖，並分別繪示有左旋圓極化場形(LHCP)及右旋圓極化場形(RHCP)。顯示依照第1A圖的圓極化天線為一指向性天線，其輻射場形朝X軸方向輻射，圓極化天線之最大增益為3.04dBi。

請參照第10圖，繪示依照本發明又一實施例的圓極化天線的上視圖，其中天線輻射板200的中央區域具有中央貫穿孔221~224，中央貫穿孔221~224各為扇形，其中中央貫穿孔221~224可看成由十字形的通道所劃分而互相分隔。又如前所述，中央貫穿孔的個數並不限於四，中央貫穿孔也可為六個、八個或更多，即通道不一定僅為十字形，也可為米字形或其他形狀，只要劃分使得各中央貫穿孔的設置對稱於如圖所示的Z軸與Y軸即可。

由上述本發明實施例可知，應用本發明之圓極化天線具有下列優點。

1.小型化：依據本發明之一實施例，藉由金屬共振腔不但可提供較大的電流路徑，可用於接地的金屬共振腔的底板的面積也較大，天線輻射板與金屬共振腔的底板的電容可增加，使得共振頻率可較低。應用本發明之圓極化天線的大小可達到81mm(長)×71mm(寬)×13mm(高)，利於應用於各種小型或隨身型的天線裝置，例如RFID讀卡機、GPS接收機、或點對點通訊等各種應用。

2.對使用環境的容忍力佳：藉由將天線輻射板設於金屬共振腔上，可有效避免周遭環境金屬物體的干擾或影響，特別利於應用在周遭環境複雜或有可能出現許多金屬的環境。

3.調整天線特性容易：應用本發明之圓極化天線可容易調整天線特性，使用者或設計者可針對欲改變的特性，例如低頻工作頻段、高頻工作頻段、軸比的低頻頻段、或軸比的高頻頻段等進行調整，而對於圓極化天線的其他特性不影響或影響甚小。

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，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此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。