TWI525897B - 整合太陽能電池板與天線之圓極化綠能天線 - Google Patents

Description

整合太陽能電池板與天線之圓極化綠能天線

本發明是有關於一種綠能天線，且特別是有關於一種整合太陽能電池板與天線的圓極化綠能天線。

太陽能具有取之不盡、用之不竭和其為潔淨能源等優點，因此可進行光電轉化的太陽能板已被廣泛使用，例如應用在衛星通訊、中繼站、家用發電系統和道路照明設施等。另一方面，隨著無線通訊的蓬勃發展及使用需求，基地台天線的設置密度已於近十幾年來快速增加。然而，若需要設置大量太陽能板與天線，可能會遭遇設置空間不足、外觀凌亂、太陽能板因受天線遮蔽、以及天線發射的訊號受到太陽能板干擾等問題。因此，如何提供一種結合太陽能板與天線的裝置，以有效解決上述問題，已為相關產業所致力的目標。

本發明的目的是在於提供一種圓極化綠能天線，可同時使用於光電轉換和無線訊號傳輸。此外，本發明的圓極化綠能天線更可將輻射電磁波轉換為圓極化波、提供高增益的表現和增加其圓極化頻寬。

依據本發明之上述目的，提出一種圓極化綠能天線，此圓極化綠能天線包含太陽能電池板和天線模組。太陽能電池板用以接收光能且將光能轉換為電能。太陽能電池板具有多個太陽能電池單元，此些太陽能電池單元形成具多行和多列之一陣列。太陽能電池板包含背板、半導體層、上電極層和下電極層。背板具有第一側及相對於第一側之第二側。半導體層用以進行光能和電能的轉換，此半導體層具有第一側及相對於第一側之第二側。上電極層及下電極層分別設置於半導體層之第一側上及半導體層之第二側與背板之第一側之間。上電極層和下電極層共同傳導於半導體層所產生之電能。天線模組位於相對背板之第二側。天線模組與太陽能電池板之間形成一空間。天線模組包含接地板、微波基板和微帶金屬片。微波基板設置於接地板上，且微帶金屬片設置於微波基板上。訊號由微帶金屬片的饋入點輸入，使天線模組產生輻射電磁波。太陽能電池板用於將輻射電磁波轉換為圓極化波。微帶金屬片之中心點與饋入點由虛擬直線連接，且於垂直太陽能電池板的平面方向上，此虛擬直線與陣列之列方向所形成之夾角係介於0度與180度之間。

依據本發明之一實施例，在上述此些太陽能電池單元中的每一個太陽能電池單元中，上述上電極層包含柵狀電極和匯流導線，柵狀電極設置於上述半導體層的第一側上，且匯流導線連接此柵狀電極。

依據本發明之又一實施例，更包含多個金屬條，設 置於背板之第二側上，於垂直太陽能電池板的平面方向上，此些金屬條之長度方向係與此些匯流導線之長度方向垂直。

依據本發明之又一實施例，上述此些太陽能電池單元中的每一個太陽能電池單元沿垂直太陽能電池板之平面方向上之投影分別與此些金屬條中之至少一金屬條重疊。

依據本發明之又一實施例，上述此些太陽能電池單元中的每一個太陽能電池單元沿垂直太陽能電池板之平面方向上之投影分別與此些金屬條中之二金屬條重疊。

依據本發明之又一實施例，上述夾角為45度或135度。

依據本發明之又一實施例，上述空間之高度係與輻射電磁波之波長相關，且高度經調整使上述空間形成一法布里-珀羅共振腔(Fabry-Perot cavity)。

依據本發明之又一實施例，上述輻射電磁波為線性極化波。

依據本發明之又一實施例，上述此些行與此些列的數目為相等。

依據本發明之又一實施例，上述微波基板為FR-4基板或FR-5基板。

100、600‧‧‧圓極化綠能天線

110‧‧‧太陽能電池板

111‧‧‧半導體層

112‧‧‧上電極層

112A‧‧‧柵狀電極

112B‧‧‧匯流導線

113‧‧‧下電極層

114‧‧‧背板

115‧‧‧覆蓋層

120‧‧‧天線模組

121‧‧‧微帶金屬片

122‧‧‧微波基板

123‧‧‧接地板

601‧‧‧金屬條

C‧‧‧中心點

D‧‧‧間距

E_X、E_Y‧‧‧電場分量

E_θ‧‧‧垂直極化分量

E_Φ‧‧‧水平極化分量

H‧‧‧高度

L‧‧‧虛擬直線

P‧‧‧饋入點

P_X、P_Y‧‧‧相角

SC‧‧‧太陽能電池單元

W‧‧‧寬度

X、Y、Z‧‧‧方向

φ、Φ‧‧‧夾角

θ‧‧‧仰角

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1A圖係繪示依據本發明實施例圓極化綠能天線之 俯視圖；第1B圖係繪示依據本發明實施例圓極化綠能天線之側視圖；第2圖係繪示第1A圖圓極化綠能天線的軸比值之示意圖；第3A圖係繪示第1A圖圓極化綠能天線的遠場電場振幅之示意圖；第3B圖係繪示第1A圖圓極化綠能天線的遠場電場相位之示意圖；第4圖係繪示第1A圖圓極化綠能天線和天線模組的實際增益之示意圖；第5A-5B圖係繪示第1A圖圓極化綠能天線的遠場輻射場型之示意圖；第6A圖係繪示依據本發明又一實施例圓極化綠能天線之俯視圖；以及第6B圖係繪示依據本發明又一實施例圓極化綠能天線之側視圖。

以下仔細討論本發明的實施例。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

請參照第1A和1B圖，其係分別繪示本發明實施例圓極化綠能天線100之俯視圖和側視圖。圓極化綠能天 線100為整合太陽能電池與天線的裝置，其包含太陽能電池板110和天線模組120。圓極化綠能天線100可應用在無線傳輸設備上，例如人造衛星、基地台或中繼站，但不限於此。太陽能電池板110用以接收光能，且將接收到的光能轉換為電能。太陽能電池板110具有多個太陽能電池單元SC，且此些太陽能電池單元SC形成具多行和多列的陣列。在本發明中，陣列的列方向定義為方向X，陣列的行方向定義為方向Y，且垂直太陽能電池板110的平面方向定義為方向Z。太陽能電池板110包含半導體層111、上電極層112、下電極層113、背板114和覆蓋層115。半導體層111為太陽能電池板110進行將光能轉換為電能的場所，其包含可產生光電效應的半導體材料，例如P-N型半導體。半導體層111可以是由單晶矽(mono-silicon)、多晶矽(poly-silicon)或非晶矽(amorphous silicon)等材料所製成。上電極層112和下電極層113分別設置於半導體層111的相異兩側，以共同傳導於半導體層111所產生的電能。在每一個太陽能電池單元SC中，上電極層112包含柵狀電極(grid electrode)112A和匯流導線112B。柵狀電極112A設置於半導體層111的相對下電極層113之一側，且匯流導線112B連接柵狀電極112A。下電極層113和上電極層112可電性連接一負載，以傳導於半導體層111所產生之電能。

背板114和覆蓋層115係用以保護半導體層111、上電極層112和下電極層113等結構。背板114設置於下 電極層113的相對半導體層111之一側。背板114可由例如單層或多層結構組成，以用來支撐和固定太陽能電池板110。覆蓋層115設置於上電極層112的相對半導體層111之一側。覆蓋層115的材質可選用玻璃，以提高其光穿透率，進而使半導體層111接收較多光能進而產生較多電能。

此外，太陽能電池板110的外緣部份更可連接外框(圖未繪示)，以用來加強太陽能電池板110的結構強度。背板114、覆蓋層115和外框(圖未繪示)可避免半導體層111、上電極層112和下電極層113受外在環境侵蝕或受外力破壞。

天線模組120位於太陽能電池板110外且與背板114相對。天線模組120包含微帶金屬片121、微波基板122和接地板123。微波基板122設置於接地板123上，且微帶金屬片121設置於微波基板122上。微帶金屬片121具有饋入點P。當一訊號由饋入點P輸入時，天線模組120產生輻射電磁波。微帶金屬片121設置於相對太陽能電池板110的中心部份，即微帶金屬片121的中心點C對準太陽能電池板110的正中央。將連接中心點C與饋入點P的直線定義為虛擬直線L。於方向Z上，此虛擬直線L與方向X形成介於0度與180度之間的夾角φ。在圓極化綠能天線100中，接地板123與太陽能電池板110之間形成具高度H的空間。

微波基板122的材質可為例如FR-4材料等級或FR-5材料等級的基板，但不限於此。接地板123為金屬材 質，且其平面尺寸與太陽能電池板110的平面尺寸相等。此外，天線模組120亦可替換為其他特性相近的天線。

頻率選擇表面(frequency selective surfaces；FSS)為在二維空間中由多個貼片依週期性排列而形成的結構。在第1A圖中，太陽能電池板110具有依週期分佈排列的太陽能電池單元SC。因此，太陽能電池板110作為圓極化綠能天線100的頻率選擇表面，用以過濾由天線模組120所發射出的輻射電磁波，且將輻射電磁波轉換為圓極化波。

此外，高度H可經調整使天線模組120與太陽能電池板110之間的空間形成法布里-珀羅共振腔(Fabry-Perot cavity)。為了有效增加在天線模組120的操作頻率上的增益效果，高度H可設定為約等於天線模組120於操作頻率上所發出輻射電磁波波長的一半。然而，因太陽能電池板110在方向X和方向Y的結構不相同，造成本發明圓極化綠能天線100在方向X和方向Y的共振高度具有差異，因此高度H可再經由微調以達到更加的增益效果。

在一些實施例中，圓極化綠能天線100的長度和寬度均為256毫米，太陽能電池板110包含由6x6個太陽能電池單元SC組成的陣列，微帶金屬片121為方形且其長度為27毫米，中心點C與饋入點P的距離為5毫米，天線模組120所發射出的輻射電磁波為中心頻率為2.45GHz的線性極化波，且微波基板122的厚度和介電常數分別為3.2毫米和4.4法拉/公尺。

請參照第2圖，其係繪示依據上述實施例的圓極化 綠能天線100在高度H為67.6毫米下夾角φ為0度、22.5度、45度和90度的軸比值(axial ratio)之示意圖。軸比值定義為電磁波穿越太陽能電池板110後平行匯流導線112B的電場分量振幅E_∥和垂直匯流導線112B的電場分量振幅E_⊥的比值，其係以對數值表示。當軸比值小於3dB時，代表電場分量振幅E_∥的和電場分量振幅E_⊥相近，達到較佳的圓極化效果。由第2圖可知，在2.36GHz至2.52GHz的頻帶範圍中，僅夾角φ為45度時的最低軸比值小於3dB。 因此，夾角φ為45度的圓極化效果較佳。圓極化頻寬定義為軸比值在3dB以下的頻率範圍。在第2圖中，夾角φ為45度時的圓極化頻寬約為75MHz(2.405GHz~2.480GHz)。

此外，請參照表1，其係為依據上述實施例的圓極化綠能天線100在夾角φ為45度下高度H分別為65毫米、67.6毫米和75毫米時的阻抗頻寬、圓極化頻寬和最大實際增益。阻抗頻寬為天線的返回損失(return loss)小於10dB的頻寬。最大實際增益為在圓極化頻寬內的增益最大值。

由表1可知，藉由調整太陽能電池板110與接地板123之間的高度H，可得到不同的阻抗頻寬、圓極化頻寬與最大實際增益。因此，可根據不同需求來調整高度H，使通過太陽能電池板110後的圓極化波頻率範圍位於欲操作的頻段內。

請參照第3A和3B圖，其係分別繪示依據上述實施例的圓極化綠能天線100在高度H為67.6毫米和夾角φ為45度下的遠場電場振幅和相位之示意圖。由第3A圖可知，遠場電場於方向X和方向Y的電場分量E_X和E_Y在頻率為2.44GHz附近的振幅相近。此外，由第3B圖可知，在頻率為2.44GHz附近，遠場電場於方向X的電場分量E_X的相角P_X領先遠場電場於方向Y的電場分量E_Y附近的相角P_Y約90度。基於上述結果，可知本實施例在2.44GHz附近時可得到良好的右旋圓極化波(right-hand circular polarization；RHCP)。

此外，若將角度φ調整為135度，遠場電場於方向X的電場分量E_X會轉變為落後遠場電場於方向Y的電場分量E_Y附近的相角約90度，進而產生左旋圓極化波(left-hand circular polarization；LHCP)。

請參照第4圖，其係繪示使用在高度H為67.6毫米和夾角φ為45度下的綠能天線100和僅使用天線模組120的實際增益之示意圖。由第4圖可知，在此綠能天線 100的圓極化操作頻率範圍內(即2.405~2.480GHz)，綠能天線100的實際增益介於9.9~10.8dBi之間。相較之下，僅使用天線模組120的實際增益最大值為2.6dBi。因此，相較於僅使用天線模組120，使用本發明的綠能天線100可有效增加實際增益。

請參照第5A和5B圖，其係分別繪示依據上述實施例的圓極化綠能天線100在頻率為2.44GHz時X-Z與Y-Z平面上遠場輻射場型之示意圖。由第5A和5B圖可知，遠場電場的垂直極化分量E_θ和水平極化分量E_Φ的強度相近，且在仰角θ為0度時的輻射場值為最大。由上述結果可知，本發明的圓極化綠能天線100可產生良好的垂向輻射場型(broadside pattern)且可具有良好的圓極化輻射品質。

上述實施例可由本領域技術人員據以調整。例如，太陽能電池板110可變更為包含由8x8個太陽能電池單元SC組成的陣列，且其長度可變更為310毫米。此外，天線模組120的微帶金屬片121的長度、中心點C與饋入點P的距離與微波基板122的厚度和介電常數亦可根據不同操作頻率的需求調整。

請參照第6A和6B圖，其係分別繪示本發明又一實施例圓極化綠能天線600之俯視圖和側視圖。圓極化綠能天線600的目的是在於增加圓極化頻寬。圓極化綠能天線600與圓極化綠能天線100的結構主要差別在於圓極化綠能天線600中於背板114的相對下電極層113之一側上 設置有多個金屬條601。於方向Z上，金屬條601的長度方向與匯流導線112B的長度方向垂直。其餘相同元件已於前面段落說明，故在此不贅述。

每一太陽能電池單元SC沿垂直該太陽能電池板110之平面方向上的投影與至少一金屬條601重疊。第6A圖係以二金屬條601為例，但此並非用以限制本發明的範圍。

在一些實施例中，圓極化綠能天線600的長度和寬度均為256毫米，太陽能電池板110包含由6x6個太陽能電池單元SC組成的陣列，微帶金屬片121為方形且其長度為27毫米，中心點C與饋入點P的距離為5毫米，天線模組120所發射出的電磁波為中心頻率為2.45GHz的線性極化波，微波基板122的厚度和介電常數分別為3.2毫米和4.4法拉/公尺，每一太陽能電池單元置入二條寬度W皆為1.6毫米的金屬條601，且此二金屬條601的間距D為19.4毫米。

請參照表2，其係為依據上述實施例的圓極化綠能天線600在夾角φ為45度下高度H為67.6毫米時的阻抗頻寬、圓極化頻寬和最大實際增益。

比較表2和表1可知，圓極化綠能天線100和圓極化綠能天線600的最大實際增益相近，而圓極化綠能天線600的阻抗頻寬和圓極化頻寬明顯大於圓極化綠能天線100。因此，外加金屬條601的圓極化綠能天線600可有效增加其阻抗頻寬和圓極化頻寬。

圓極化綠能天線600亦可由本領域技術人員據以調整。例如，太陽能電池板110可變更為包含由8x8個太陽能電池單元SC組成的陣列，且其長度可變更為310毫米。此外，金屬條601的數量、二金屬條601的間距D、微帶金屬片121的長度、中心點C與饋入點P的距離、與微波基板的厚度和介電常數亦可根據不同操作頻率的需求調整。

綜合上述，本發明的圓極化綠能天線結合太陽能電池板和天線模組，可同時使用於光電轉換和無線訊號傳輸。此外，透過天線模組的設置和法布里-珀羅共振腔的高度調整，本發明的圓極化綠能天線更可將電磁波轉換為圓極化波，且可顯著增加天線模組的增益表現。另外，透過金屬條的設置，可再有效增加圓極化綠能天線的圓極化頻寬。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，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。

100‧‧‧圓極化綠能天線

110‧‧‧太陽能電池板

112B‧‧‧匯流導線

113‧‧‧下電極層

121‧‧‧微帶金屬片

C‧‧‧中心點

L‧‧‧虛擬直線

P‧‧‧饋入點

SC‧‧‧太陽能電池單元

X、Y‧‧‧方向

φ‧‧‧夾角

Claims (8)

1. 一種圓極化綠能天線，包含：一太陽能電池板，用以接收光能且將光能轉換為電能，該太陽能電池板具有複數個太陽能電池單元，該些太陽能電池單元形成具複數行和複數列之一陣列，且該太陽能電池板包含：一背板，具有一第一側及相對於該第一側之一第二側；一半導體層，用以進行光能和電能的轉換，該半導體層具有一第一側及相對於該第一側之一第二側；以及一上電極層及一下電極層，分別設置於該半導體層之該第一側上及該半導體層之該第二側與該背板之該第一側之間，該上電極層和該下電極層共同傳導於該半導體層所產生之電能，且在該些太陽能電池單元中之每一者中，該上電極層包含一柵狀電極和一匯流導線，該柵狀電極設置於該半導體層之該第一側上，且該匯流導線連接該柵狀電極；一天線模組，位於相對該背板之該第二側，該天線模組與該太陽能電池板之間形成一空間，該天線模組包含：一接地板；一微波基板，設置於該接地板上；以及一微帶金屬片，設置於該微波基板上，該微帶金屬片具有一饋入點，該饋入點輸入一訊號，使該天線 模組產生一輻射電磁波；以及複數個金屬條，設置於該背板之該第二側上，於垂直該太陽能電池板之平面方向上，該些金屬條之長度方向係與該些匯流導線之長度方向垂直；其中，該太陽能電池板用於將該輻射電磁波轉換為一圓極化波，該微帶金屬片之一中心點與該饋入點由一虛擬直線連接，且於垂直該太陽能電池板之平面方向上，該虛擬直線與該陣列之列方向所形成之夾角係介於0度與180度之間。
2. 如請求項1所述之圓極化綠能天線，其中該些太陽能電池單元中之每一者沿垂直該太陽能電池板之平面方向上之投影分別與該些金屬條中之至少一者重疊。
3. 如請求項2所述之圓極化綠能天線，其中該些太陽能電池單元中之每一者沿垂直該太陽能電池板之平面方向上之投影分別與該些金屬條中之二者重疊。
4. 如請求項1所述之圓極化綠能天線，其中該夾角為45度或135度。
5. 如請求項1所述之圓極化綠能天線，其中該空間之高度係與該輻射電磁波之波長相關，且該高度經調整使該空間形成一法布里-珀羅共振腔(Fabry-Perot cavity)。
6. 如請求項1所述之圓極化綠能天線，其中該輻射電磁波為一線性極化波。
7. 如請求項1所述之圓極化綠能天線，其中該些行與該些列的數目為相等。
8. 如請求項1所述之圓極化綠能天線，其中該微波基板為一FR-4基板或一FR-5基板。