TWI538299B - Broadband circularly polarized monopole antenna - Google Patents

Description

寬頻圓極化單極天線

本發明是有關於一種天線，特別是指一種寬頻圓極化單極天線。

為了減少極化不匹配及抑制多重路徑干擾的狀況，以達成接收信號的穩定性，圓極化操作天線是較佳的候選者。另外，為了能包含全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)以及國際航海衛星(International Maritime Satellite,INMARSAT)分佈在1164~1661MHz的頻帶，更是需要(相對於中心頻率的)圓極化頻寬高達35%以上的天線設計。

參閱圖1，是一種習知的圓極化天線1，該圓極化天線1整體的實際長度依前述的計算方式約在四分之一波長，並採用共面波導饋入(CPW-Fed)方式，使C形的單極微帶線11共振出一個操作在1.8 GHz附近的頻帶，再以一條倒L形的金屬微帶12與C形的微帶線11間隙耦合，產生圓極化操作特性。

該圓極化天線1的缺點在於：3dB軸比頻寬只有5%，不適用於同時涵蓋前述該等通訊系統，並且，增益只有1.4 dBic。

因此，本發明之目的，即在提供一種圓極化頻寬可達35%以上的寬頻圓極化單極天線。

於是，本發明寬頻圓極化單極天線，包含一圓極化輻射元件及一饋入元件。

該圓極化輻射元件包括一主體輻射部及一微擾輻射部，該主體輻射部具有一周緣，該微擾輻射部自該周緣向外凸伸。

該饋入元件耦合地與該圓極化輻射元件交換一射頻訊號，並包括一接地單元及一訊號饋線。

該訊號饋線與該接地單元相間隔設置，且具有一間隔地鄰近該接地單元的饋電段，及一彎自該饋電段，並與該微擾輻射部相重疊以產生電磁能量耦合的耦合段。

並且，從該主體輻射部的一法線方向看去，該微擾輻射部及該耦合段是介於該主體輻射部及該接地單元之間。

該饋入元件與該圓極化輻射元件交換該射頻訊號時，該圓極化輻射元件同時產生的兩個線性極化方向分別為一第一極化方向，及一實質地垂直於該第一極化方向的第二極化方向，以共同合成一圓極化模態。

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兩個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖2及圖3，本發明寬頻圓極化單極天線之第一較佳實施例包含一基板2、一圓極化輻射元件3及一饋入元件 4。

該基板2具有一第一表面21，及一相反於該第一表面21的第二表面22，且該圓極化輻射元件3位於該基板2的第一表面21，該饋入元件4是共面波導饋入的型式且位於該基板2的第二表面22。

該圓極化輻射元件3包括一主體輻射部31及一微擾輻射部32。該主體輻射部31為一實心圓形導體片並具有一周緣311，該微擾輻射部32自該周緣311向外並沿著一第一極化方向x凸伸。

該饋入元件4耦合地與該圓極化輻射元件3交換一射頻訊號，並包括一接地單元41及一訊號饋線42。

在本較佳實施例中，該饋入元件4是採用五十歐姆之共面波導饋入的方式，該接地單元41具有一第一接地部411及一第二接地部412。

該訊號饋線42與該接地單元41相間隔設置，並位於該第一接地部411及該第二接地部412之間，且具有一鄰近該接地單元41的饋電段421，及一彎自該饋電段421的耦合段422。

該饋電段421沿著該第一極化方向x延伸。該耦合段422沿著一實質地垂直於該第一極化方向x的第二極化方向y延伸，並與該微擾輻射部32相重疊以產生電磁能量耦合。並且，從該主體輻射部31的一法線方向看去，該微擾輻射部32及該耦合段422是介於該主體輻射部31及該接地單元41之間，且該耦合段422具有一沿著該第二極化方向 y延伸的耦合邊緣4221，該耦合邊緣4221與該主體輻射部31的周緣311各自於該主體輻射部31的法線方向上的兩投影相切。

該饋入元件4與該圓極化輻射元件3交換該射頻訊號時，該圓極化輻射元件3同時產生的兩個線性極化方向分別為該第一極化方向x及該第二極化方向y，以共同合成一圓極化模態。

參閱表1並配合圖2及圖3，是該第一較佳實施例分別以表1中的各項參數設計時的阻抗頻寬及圓極化頻寬，且標記Ant.1是指該第一較佳實施例採用與Ant.1同一列的該等參數設計，Ant.2是指該第一較佳實施例採用與Ant.2同一列的該等參數設計。

舉例說明表1，該第一較佳實施例以Ant.1同列的該等參數設計時，以3 dB軸比定義出的圓極化頻寬是從2000 MHz到2890 MHz，中心頻率是2445 MHz，換算到的圓極化頻寬百分比為36.1%。從表1的實測結果顯示該第一較佳實施例確實可達到35%以上的圓極化頻寬。

參考圖2至圖4，本發明寬頻圓極化單極天線之第二較佳實施例相較該第一較佳實施例更包含一反射元件5。

該反射元件5由導體製成並包括一底壁面51，及一自該底壁面51彎折延伸而出的環壁面52，該底壁面51及該環壁面52共同界定出一具有一沿該主體輻射部31的法線方向開口的容室53，該底壁面51與該饋入元件4彼此面對面。

該主體輻射部31到該底壁面51的一反射距離實質地等於該環壁面52垂直於該底壁面51的一壁高，且該壁高實質地為該寬頻圓極化單極天線所涵蓋的一圓極化頻帶的一中心頻率所對應的一個四分之一自由空間波長。該底壁面51實質地為一正方形，且該正方形的一個邊長實質地為該壁高的四倍。

該反射元件5的功用在於將該主體輻射部31及該饋入元件4朝-z方向及x-y平面方向所輻射出的電磁波朝z方向集中，使得該第二較佳實施例於z方向可以得到更大的輻射增益，並且經由實際量測，該第二較佳實施例的單向(z方向)輻射增益高達6.5 dBic至9 dBic，而移除該反射 元件5後的雙向(z方向及-z方向)輻射增益為1至2.5 dBic，差異超過3 dB的原因在於該反射元件5可以使輻射波束的朝z方向的指向性顯著增加，而更適合需高指向性特性的應用。

參閱表2並配合圖2至圖4，是該第二較佳實施例分別以表2中的各項參數設計時的阻抗頻寬及圓極化頻寬，且標記Ant.3是指該第二較佳實施例採用與Ant.3同一列的該等參數設計，且該反射元件5的該底壁面51的一個邊長R是215毫米(實質地為中心頻率1413 MHz的一個自由空間波長)，該壁高H是50毫米(實質地為中心頻率1413 MHz的0.24個自由空間波長)。

從表2的實測結果顯示該第二較佳實施例確實可達到超過35%以上的圓極化頻寬。

參考圖5，是該第二較佳實施例及其移除該反射元件5 後的兩返回損失曲線比較圖，其可證明以返回損失大於10 dB定義天線的阻抗頻寬，即使該第二較佳實施例包含該反射元件5也不會造成阻抗頻寬的縮減。

參考圖6，是該第二較佳實施例及其移除該反射元件5後的兩軸比曲線比較圖，其可證明基於3 dB軸比的定義，該第二較佳實施例的圓極化頻寬也同樣地不會因為該反射元件5而縮減。

參考圖7及圖8，是該第二較佳實施例的輻射場型圖，且圖7是在1300 MHz的頻率時量得的輻射場型，圖8是在1550 MHz的頻率時量得的輻射場型。圖7及圖8皆顯示：該反射元件5可以抑制背向(-z方向)輻射達20 dB，因此能大幅提升單向(z方向)輻射增益。

綜上所述，該第一較佳實施例及該第二較佳實施例具有以下優點：

(1).該微擾輻射部32與該耦合段422以電磁能量耦合的方式交換該射頻訊號，且該耦合段422是介於該主體輻射部31及該接地單元41之間，而使得該等較佳實施例可以達到超過35%的圓極化頻寬。

(2).該反射元件5可以在實質地不影響圓極化頻寬的條件下增加單向輻射增益。

(3).該訊號饋線42上傳遞的電流極化方向為該第一極化方向X及該第二極化方向y，分別與該圓極化輻射元件3的兩個線性極化方向相同，這使得該訊號饋線42及該圓極化輻射元件3兩者所輻射出的圓極化波可以相加且不會互 相干擾，而得到高於35%的圓極化頻寬。

綜上所述，上述的該等較佳實施例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‧‧‧圓極化天線

11‧‧‧C形的微帶線

12‧‧‧L形的金屬微帶

2‧‧‧基板

21‧‧‧第一表面

22‧‧‧第二表面

3‧‧‧圓極化輻射元件

31‧‧‧主體輻射部

311‧‧‧周緣

32‧‧‧微擾輻射部

4‧‧‧饋入元件

41‧‧‧接地單元

411‧‧‧第一接地部

412‧‧‧第二接地部

42‧‧‧訊號饋線

421‧‧‧饋電段

422‧‧‧耦合段

4221‧‧‧耦合邊緣

5‧‧‧反射元件

51‧‧‧底壁面

52‧‧‧環壁面

53‧‧‧容室

圖1是一種習知的圓極化天線的示意圖；圖2是本發明寬頻圓極化單極天線之第一較佳實施例的其中一面的示意圖；圖3是該第一較佳實施例的另一面的示意圖；圖4是本發明寬頻圓極化單極天線之第二較佳實施例的一立體圖；圖5是該第二較佳實施例及其移除一反射元件後的兩返回損失曲線的比較圖；圖6是該第二較佳實施例及其移除該反射元件後的兩軸比曲線的比較圖；圖7是該第二較佳實施例操作於1300 MHz時的輻射場型圖；及圖8是該第二較佳實施例操作於1550 MHz時的輻射場型圖。

2‧‧‧基板

3‧‧‧圓極化輻射元件

4‧‧‧饋入元件

5‧‧‧反射元件

51‧‧‧底壁面

52‧‧‧環壁面

53‧‧‧容室

Claims (10)

1. 一種寬頻圓極化單極天線，包含：一圓極化輻射元件，包括一主體輻射部及一微擾輻射部，該主體輻射部具有一周緣，該微擾輻射部自該周緣向外凸伸；及一饋入元件，耦合地與該圓極化輻射元件交換一射頻訊號，並包括：一接地單元；及一訊號饋線，與該接地單元相間隔設置，且具有一間隔地鄰近該接地單元的饋電段，及一彎自該饋電段，並與該微擾輻射部相重疊以產生電磁能量耦合的耦合段；並且，從該主體輻射部的一法線方向看去，該耦合段及該微擾輻射部是介於該主體輻射部及該接地單元之間；該饋入元件與該圓極化輻射元件交換該射頻訊號時，該圓極化輻射元件同時產生的兩個線性極化方向分別為該第一極化方向，及一實質地垂直於該第一極化方向的第二極化方向。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之寬頻圓極化單極天線，其中，該饋電段沿著該第一極化方向延伸，該耦合段沿著該第二極化方向延伸。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之寬頻圓極化單極天線，其中，該主體輻射部為一實心圓形導體片。
4. 根據申請專利範圍第3項所述之寬頻圓極化單極天線，其中，該第一極化方向是穿過該主體輻射部的一圓心，且該微擾輻射部是沿著該第一極化方向凸伸。
5. 根據申請專利範圍第1項所述之寬頻圓極化單極天線，還包含一基板，具有一第一表面，及一相反於該第一表面的第二表面，且該圓極化輻射元件位於該基板的第一表面，該饋入元件是共面波導饋入的型式且位於該基板的第二表面。
6. 根據申請專利範圍第1項所述之寬頻圓極化單極天線，其中，該耦合段具有一沿著該第二極化方向延伸的耦合邊緣，且該耦合邊緣與該主體輻射部的周緣於該主體輻射部的該法線方向上的兩投影相切。
7. 根據申請專利範圍第1項至第6項的其中任一項所述之寬頻圓極化單極天線，還包含：一反射元件，由導體製成並包括一底壁面，及一自該底壁面彎折延伸而出的環壁面，該底壁面及該環壁面共同界定出一具有一沿該主體輻射部的法線方向開口的容室，該底壁面與該饋入元件彼此面對面。
8. 根據申請專利範圍第7項所述之寬頻圓極化單極天線，其中，該主體輻射部到該底壁面的一反射距離實質地等於該環壁面垂直於該底壁面的一壁高。
9. 根據申請專利範圍第8項所述之寬頻圓極化單極天線，其中，該底壁面的該環形周緣實質地為一正方形，且該環形周緣的邊長實質地為該壁高的四倍。
10. 根據申請專利範圍第9項所述之寬頻圓極化單極天線，其中，該壁高實質地為該寬頻圓極化單極天線所涵蓋的一圓極化頻帶的一中心頻率所對應的一個四分之一自由空間波長。