TWI533513B - 平板雙極化天線 - Google Patents

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TWI533513B
TWI533513B TW103107259A TW103107259A TWI533513B TW I533513 B TWI533513 B TW I533513B TW 103107259 A TW103107259 A TW 103107259A TW 103107259 A TW103107259 A TW 103107259A TW I533513 B TWI533513 B TW I533513B
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詹長庚
徐杰聖
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啟碁科技股份有限公司
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    • H01Q9/0435Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna radiating a circular polarised wave using two feed points
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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。此外,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。
此外,長期演進無線通訊系統共採用44個頻段,涵蓋的頻率從最低的698MHz,到最高的3800MHz。由於頻段的分散和雜亂,即使在同一國家或地區,系統業者仍可能同時使用多個頻段。在此情形下,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,以解決習知天線頻寬不足的缺點。
本發明揭露一種平板雙極化天線,用來收發至少一無線電訊號,包含有一饋入傳輸線層,包含有一第一饋入傳輸線及一第二饋入傳輸線;一第一介質層,形成於該饋入傳輸線層之上;一接地金屬板,具有一第一槽孔及一第二槽孔,該第一槽孔與該第一饋入傳輸線產生耦合作用,該第二槽孔與該第二饋入傳輸線產生耦合作用,以增加該平板雙極化天線之頻寬;一第二介質層,形成於該接地金屬板之上;以及一第一微帶金屬片,形成於該第二介質層之上,該第一微帶金屬片之形狀大致呈一十字形。
10、20、40、60、64、68、70、74‧‧‧平板雙極化天線
100、200‧‧‧饋入傳輸線層
102a、102b、102c‧‧‧饋入傳輸段
110、130、150‧‧‧介質層
120、420‧‧‧接地金屬板
122、422a、422b、622a、622b、662a、662b、692a、692b、722a、722b、762a、762b‧‧‧槽孔
140、160‧‧‧微帶金屬片
1400、1401、1402、1403、1404‧‧‧區塊
Z‧‧‧垂直投影方向
D_45、D_135‧‧‧方向
202a、202b、602a、602b、642a、642b、682a、682b、702a、702b、742a、742b‧‧‧饋入傳輸線
2022a、2024a、2022b、2024b、4222a~4226a、4222b~4226b、6022a、6024a、6022b、6024b、6222a~6226a、6222b~6226b、6422a、6424a、6422b、6424b、6622a~6626a、6622b~6626b、6822a、6824a、6822b、6824b、6922a~6926a、6922b~6926b、7022a、7022b、7024a、7024b、7222a~7226a、7222b~7226b、7422a~7426a、7422b~7426b、7620a~7628a、7620b~7628b‧‧‧分段
θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6‧‧‧夾角
第1A圖為本發明實施例一平板雙極化天線之上視示意圖。
第1B圖為第1A圖之平板雙極化天線之截面示意圖。
第2圖為本發明實施例一平板雙極化天線之上視示意圖。
第3圖為第2圖之平板雙極化天線之天線共振模擬結果示意圖。
第4A圖為本發明實施例一平板雙極化天線之上視示意圖。
第4B圖為第4A圖之平板雙極化天線之截面示意圖。
第4C圖為第4A圖之平板雙極化天線之等視角示意圖。
第5A圖為第4A圖之平板雙極化天線之天線共振模擬結果示意圖。
第5B~5E圖為第4A圖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圖分別為本發明實施例一平板雙極化天線之上視示意圖。
第6B圖分別為本發明實施例一平板雙極化天線之上視示意圖。
第6C圖分別為本發明實施例一平板雙極化天線之上視示意圖。
第7A圖分別為本發明實施例一平板雙極化天線之上視示意圖。
第7B圖分別為本發明實施例一平板雙極化天線之上視示意圖。
為了改善習知技術的缺點,本案申請人於中華民國專利申請號100105757揭露了一種平板雙極化天線,其係將雙極化微帶天線饋入點位置旋轉45度,以使習知之水平及垂直極化方向分別轉換為傾斜45度及傾斜135度之極化方向,以滿足極化傾斜45度的需求,並且,雙極化微帶天線的共振方向改為沿著正方形之接地金屬板的對角線,而能縮小天線的尺寸為習知技術的0.7倍。此外,微帶金屬片之形狀大致為十字形,以產生線性極化並避免產生圓極化的電磁波,同時亦可有效減小天線尺寸。其中,饋入傳輸線將訊號輸入十字形之微帶金屬片的饋入點,而兩個饋入點係對稱,以產生正交的雙極化天線場型。更進一步地,為了滿足長期演進無線通訊系統之頻段要求(如Band40與Band41),本發明進一步提供了平板雙極化天線,其中,平板雙極化天線之饋入傳輸線未直接連接至微帶金屬片之饋入點,而是藉由接地金屬板的槽孔來饋入無線電訊號,以增加天線頻寬。
請參考第1A、1B圖,第1A圖為本發明實施例一平板雙極化天線10之上視示意圖,第1B圖為平板雙極化天線10沿第1A圖之剖線A-A’之截面示意圖。平板雙極化天線10可用來收發寬頻或多個頻段之無線電訊號,如長期演進無線通訊系統中Band40與41之訊號(其頻段大致介於2.3GHz~2.4GHz及2.496GHz~2.690GHz)。如第1A、1B圖所示,雙極化微帶天線10大致為一七層架構,包含有一饋入傳輸線層100、介質層110、130、150、一接地金屬板120及微帶金屬片140、160。饋入傳輸線層100包含有饋入傳輸段102a、102b,饋入傳輸段102a、102b之形狀大致符合一十字形;其中,饋入傳輸段102a、102b分別用以饋入兩種極化之無線電訊號。接地金屬板120用來提供接地,其具有十字形之一槽孔122,因此,無線電訊號可由饋入傳 輸線層100耦合至槽孔122,並藉由槽孔122產生共振,再耦合至微帶金屬片140。微帶金屬片140為主要輻射體,其形狀大致呈十字形,因此可分為區塊1400~1404;其中,饋入傳輸段102a與槽孔122於垂直投影方向Z垂直交叉於區塊1401,饋入傳輸段102b與槽孔122於垂直投影方向Z垂直交叉於區塊1402。微帶金屬片160則用來增加天線共振的頻寬,並藉由介質層150而不與微帶金屬片140接觸。此外,介質板110介於饋入傳輸線層100與接地金屬板120之間,而介質板130介於接地金屬板120與微帶金屬片140之間。較佳地,平板雙極化天線10具有一對稱結構,以產生正交之雙極化天線場型。
平板雙極化天線10之操作方式可進一步參考中華民國專利申請 號100105757,簡言之,微帶金屬片140為主要輻射體,當無線電訊號耦合至十字形之微帶金屬片140後,微帶金屬片140的共振方向沿著接地金屬板120之對角線,即第1A圖之D_45、D_135所示之方向,而能產生正交的雙極化天線場型。其中,由於平板雙極化天線10之接地金屬板120及介質板110、130大致維持正方形,但微帶金屬片140則呈十字形,因而可使共振方向沿著對角線,以有效減小天線尺寸。再者,藉由對稱之饋入傳輸線層100、槽孔122及微帶金屬片140,可產生正交的雙極化天線場型。並且,微帶金屬片140係經由接地金屬板120之槽孔122而耦合饋入傳輸線層100,因此可增加天線頻寬。
需注意的是,第1A、1B圖之平板雙極化天線10係為本發明之實 施例,本領域具通常知識者當可據以做不同之修飾,而不限於此。舉例來說,為進一步提高平板雙極化天線10之隔離度(Isolation),可適當調整饋入傳輸線層之結構。請參考第2圖,第2圖為本發明實施例一平板雙極化天線20之上視示意圖。平板雙極化天線20之架構大致與平板雙微帶天線10相似,故相同元件以相同符號表示,以求簡潔。不同的是,平板雙極化天線20之一饋入傳輸線層200包含饋入傳輸線202a、202b,且饋入傳輸線202a、202b之間 的間距與介質層材料相關。饋入傳輸線202a包含有分段2022a、2024a,分段2022a、2024a之間有一90度夾角θ1,且饋入傳輸線202a之分段2022a與槽孔122於垂直投影方向Z垂直交叉於區塊1401,以提高45度極化傾斜和135度極化傾斜之間的隔離度。同樣地,饋入傳輸線202b包含有分段2022b、2024b,分段2022b、2024b之間有一90度夾角θ2,且饋入傳輸線202b之分段2022b與槽孔122於垂直投影方向Z垂直交叉於區塊1402,以提高45度極化傾斜和135度極化傾斜之間的隔離度。第3圖為平板雙極化天線20之天線共振模擬結果示意圖,其中,虛線代表平板雙極化天線20之45度極化傾斜之天線共振模擬結果,點線代表平板雙極化天線20之135度極化傾斜之天線共振模擬結果,以及實線代表平板雙極化天線20之45度極化傾斜與135度極化傾斜之天線隔離度模擬結果。如第3圖所示,平板雙極化天線20中從2.3GHz到2.7GHz的45度極化傾斜和135度極化傾斜天線之間的隔離度大約介於9~15dB之間。
值得注意的是,本實施例係藉由槽孔122之共振,而使饋入至饋 入傳輸線層200之兩種極化的無線電訊號最終可耦合至微帶金屬片140,若槽孔122呈十字形,對於任一極化之無線電訊號,微帶金屬片140的耦合長度會減半,並且,槽孔122上同時產生兩種極化的共振,耦合至微帶金屬片140後會同時產生兩種極化的無線電訊號,因而影響兩極化之間的隔離度。
為進一步提高平板雙極化天線之隔離度,可適當調整槽孔之結構。 請參考第4A~4C圖,第4A圖為本發明實施例一平板雙極化天線40之上視示意圖,第4B圖為平板雙極化天線40沿第4A圖之剖線B-B’的截面示意圖,第4C圖為平板雙極化天線40之等視角示意圖。如第4A~4C圖所示,平板雙極化天線40之架構大致與平板雙微帶天線10、20相似,故相同元件沿用相同符號表示。不同的是,平板雙極化天線40之接地金屬板420具有槽孔422a、422b,且槽孔422a、422b之間的間距與介質層材料相關。槽孔422a包含有分段4222a~4226a,分段4222a、4224a之間及分段4224a、4226a之 間分別形成夾角θ3、θ4,且饋入傳輸線202a之分段2022a與槽孔422a之分段4224a於垂直投影方向Z垂直交叉於區塊1401。同樣地,槽孔422b包含有分段4222b~4226b,分段4222b、4224b之間及分段4224b、4226b之間分別形成有一夾角θ5、θ6,且饋入傳輸線202b之分段2022b與槽孔422b之分段4224b於垂直投影方向Z垂直交叉於區塊1402。由於平板雙極化天線40具有一對稱結構,因此夾角θ36大小相同。
簡單來說,在本實施例中,饋入傳輸線202a、202b各自折彎而不 會互相交叉連接,且槽孔422a、422b也各自分段折彎而避開互相交叉連接,因此可提高平板雙極化天線40之隔離度。並且,由於饋入傳輸線202a、202b及槽孔422a、422b分段折彎後仍保有對稱性,因此能確保任一組饋入傳輸線及槽孔(如饋入傳輸線202a及槽孔422a)與微帶金屬片140耦合的過程,能最小化另一極化之無線電訊號的產生(如饋入傳輸線202b及槽孔422b處)。 此外,十字形的微帶金屬片140、160可使平板雙極化天線40產生線性極化,而避免產生圓形極化的無線電訊號,因此,兩個極化的饋入之間具有良好的隔離度。
透過模擬及量測可進一步判斷平板雙極化天線40是否符合系統 需求。詳細來說,請參考第5A圖。第5A圖為平板雙極化天線40之天線共振模擬結果示意圖,其中,虛線代表平板雙極化天線40之45度極化傾斜之天線共振模擬結果,點線代表平板雙極化天線40之135度極化傾斜之天線共振模擬結果,實線代表平板雙極化天線40之45度極化傾斜與135度極化傾斜之天線隔離度模擬結果。如第5A圖所示,在2.3GHz至2.69GHz的頻段中,平板雙極化天線40中45度極化傾斜和135度極化傾斜天線的返回損耗(S11值)均在-10.3dB以下,因而有較寬之共振頻寬。並且,2.25GHz至2.75GHz的頻段之返回損耗均在-10dB以下,因此頻寬約為19.3%。同時,45度極化傾斜和135度極化傾斜之間的隔離度都至少在24.2dB以上。另外,表一為平板雙極化天線40之天線特性表,第5B~5E圖為平板雙極化天線40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。由表一及第5B~5E圖可知,平板雙極化天線40應用於長期演進無線通訊系統時可達最大增益值約8.05~8.42dBi,前後場型比(F/B)至少9dB,同極化(Common Polarization)對正交極化(Cross Polarization)差值Co/Cx至少17dB,能充分滿足長期演進無線通訊系統的Band40與41之要求(即,F/B高於8dB,Co/Cx高於16dB)。
值得注意的是,平板雙極化天線10、20、40係為本發明之實施例, 本領域具通常知識者當可據以做不同之變化。舉例來說,接地金屬板120之形狀大致為正方形,也可為其他的對稱形狀,如正圓形,正八面形,正十六面形…等。介質層可為各種電性隔離材料,如空氣。饋入傳輸線與槽孔之分段折彎情形可視不同設計考量而適當變化。請參考第6A~6C圖,第6A~6C圖分別為本發明實施例平板雙極化天線60、64、68之上視示意圖。平板雙極化天線60、64、68之架構類似於平板雙極化天線40,故相同元件沿用相同符號表示。其中,如第6A圖所示,在平板雙極化天線60中,一饋入傳輸線602a之分段6022a、6024a之間的夾角為銳角,另一饋入傳輸線602b之分段6022b、6024b之間的夾角為銳角,一槽孔622a之分段6222a、6224a之間及分段6224a、6226a之間的夾角為銳角,且另一槽孔622b之分段6222b、6224b 之間及分段6224b、6226b之間的夾角為銳角。如第6B圖所示,在平板雙極化天線64中,一饋入傳輸線642a之一分段6422a之長度大於一分段6424a之長度,一饋入傳輸線642b之一分段6422b之長度大於一分段6424b之長度,一槽孔662a之分段6622a、6626a之長度大於分段6624a之長度,且一槽孔662b之分段6622b、6626b之長度大於一分段6624b之長度。如第6C圖所示,在平板雙極化天線68中,一饋入傳輸線682a之一分段6822a之寬度大於一分段6824a之寬度,一饋入傳輸線682b之一分段6822b之寬度大於一分段6824b之寬度,一槽孔692a之分段6922a、6926a之寬度小於一分段6924a之寬度,且一槽孔692b之分段6922b、6926b之寬度小於一分段6924b之寬度。 然而,本發明不限於此,亦可視系統需求而適當調整角度而形成鈍角或調整各分段之間的長度比例關係以及寬度比例關係。
另一方面,饋入傳輸線與槽孔之形狀與分段數可視不同設計考量 而適當變化。請參考第7A、7B圖,第7A、7B圖分別為本發明實施例平板雙極化天線70、74之上視示意圖。平板雙極化天線70、74之架構類似於平板雙極化天線40,故相同元件沿用相同符號表示。其中,如第7A圖所示,在平板雙極化天線70中,饋入傳輸線702a、702b、槽孔722a、722b之邊緣為圓弧狀。如第7B圖所示,在平板雙極化天線74中,一饋入傳輸線742a彎折成分段7422a~7426a,另一饋入傳輸線742b彎折成分段7422b~7426b,一槽孔762a彎折成分段7620a~7628a,且饋入傳輸線742a之分段7422a與槽孔762a之分段7624a於垂直投影方向Z垂直交叉於區塊1401,另一槽孔762b彎折成分段7620b~7628b,且饋入傳輸線742b之分段7422b與槽孔762b之分段7624b於垂直投影方向Z垂直交叉於區塊1402。然而,本發明不限於此,亦可視系統需求而適當調整形狀與分段段數。
需注意的是,如中華民國專利申請號100105757所述,在本發明中,所謂「大致呈十字形」係指微帶金屬片140、160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「大致呈十字形」 之微帶金屬片皆可適用本發明。例如,微帶金屬片可另延伸出正方形側板、鋸齒狀側板或弧形側板,或者,微帶金屬片之邊緣為圓弧狀,皆符合本發明之「大致呈十字形」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。
此外,微帶金屬片160及介質層150可視頻寬要求而選擇性設置。 並且,維持微帶金屬片140、160不互相接觸的方法可適應性地調整;例如,可由四個柱狀體所形成之支撐件固定微帶金屬片140、160,使彼此不互相接觸。或者,微帶金屬片的四邊可分別增加彎折,並利用增加的彎折,使微帶金屬片160接觸介質板130但不接觸微帶金屬片140。除此之外,可另增加介質層以維持微帶金屬片160不接觸微帶金屬片140。
綜上所述,本發明係利用大致呈十字形之微帶金屬片,使共振方 向改變為沿著正方形之接地金屬板的對角線,以有效減小天線尺寸,同時符合極化傾斜45度的需求,以產生線性極化的電磁波,並提供對稱的饋入傳輸線、槽孔及微帶金屬片,以產生正交的雙極化天線場型。並且,微帶金屬片係藉由接地金屬板之槽孔而耦合饋入傳輸線,因此可增加天線頻寬,其中,兩種極化對應之槽孔及饋入傳輸線不互相接觸,以提高平板雙極化天線之隔離度。
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‧‧‧平板雙極化天線
100‧‧‧饋入傳輸線層
102a、102b、102c‧‧‧饋入傳輸段
110‧‧‧介質層
122‧‧‧槽孔
140、160‧‧‧微帶金屬片
1400、1401、1402、1403、1404‧‧‧區塊
Z‧‧‧垂直投影方向
D_45、D_135‧‧‧方向

Claims (11)

  1. 一種平板雙極化天線,用來收發至少一無線電訊號,包含有:一饋入傳輸線層,包含有一第一饋入傳輸線及一第二饋入傳輸線;一第一介質層,形成於該饋入傳輸線層之上;一接地金屬板,具有一第一槽孔及一第二槽孔,該第一槽孔與該第二槽孔為U字型結構,並且,該第一槽孔與該第一饋入傳輸線產生耦合作用,該第二槽孔與該第二饋入傳輸線產生耦合作用,以增加該平板雙極化天線之頻寬;一第二介質層,形成於該接地金屬板之上;以及一第一微帶金屬片,形成於該第二介質層之上,該第一微帶金屬片之形狀大致呈一十字形。
  2. 如請求項1所述之平板雙極化天線,其中該第一饋入傳輸線於一垂直投影方向與該第一槽孔重疊,且該第二饋入傳輸線於該垂直投影方向與該第二槽孔重疊。
  3. 如請求項1所述之平板雙極化天線,其中該第一微帶金屬片包含有一中心矩形區塊、一第一區塊、一第二區塊、一第三區塊以及一第四區塊,該第一區塊、該第二區塊、該第三區塊以及該第四區塊分別設置於該中心矩形區塊之四邊,以形成該十字形,該第一饋入傳輸線於一垂直投影方向與該第一槽孔重疊於該第一區塊,且該第二饋入傳輸線於該垂直投影方向與該第二槽孔重疊於該第二區塊。
  4. 如請求項3所述之平板雙極化天線,其中該第一槽孔的至少一分段與該第一區塊的一邊平行。
  5. 如請求項1所述之平板雙極化天線,其中該第一槽孔的至少一分段與該第一饋入傳輸線的至少一分段垂直。
  6. 如請求項1所述之平板雙極化天線,其中該第一饋入傳輸線包含有一第 一分段及一第二分段,該第二饋入傳輸線包含有一第三分段及一第四分段,該第一分段及該第二分段之間有一第一夾角,且該第三分段及該第四分段之間有一第二夾角。
  7. 如請求項1所述之平板雙極化天線,其中該第一饋入傳輸線與該第二饋入傳輸線互相對稱。
  8. 如請求項1所述之平板雙極化天線,其中該第一槽孔包含有一第一分段、一第二分段及一第三分段,該第二槽孔包含有一第四分段、一第五分段及一第六分段,該第一分段及該第二分段之間有一第一夾角,該第二分段及該第三分段之間有一第二夾角,該第四分段及該第五分段之間有一第三夾角,且該第五分段及該第六分段之間有一第四夾角。
  9. 如請求項1所述之平板雙極化天線,其中該第一槽孔與該第二槽孔互相對稱。
  10. 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。
  11. 如請求項10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二介質層之間,用來使該第二微帶金屬片不接觸該第一微帶金屬片。
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