TWI547014B - 平板雙極化天線及複合天線 - Google Patents

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TWI547014B
TWI547014B TW103126252A TW103126252A TWI547014B TW I547014 B TWI547014 B TW I547014B TW 103126252 A TW103126252 A TW 103126252A TW 103126252 A TW103126252 A TW 103126252A TW I547014 B TWI547014 B TW I547014B
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Description

平板雙極化天線及複合天線
本發明係指一種平板雙極化天線及複合天線，尤指一種具寬頻、較寬波束、高天線增益、高同極化對正交極化(Co/Cx)值、較小天線尺寸且可產生傾斜45度正交雙極化天線場型之平板雙極化天線及複合天線。
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，以解決習知天線波束寬較窄的缺點。
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，包含有一第一微帶金屬片；一接地金屬板，包含有一第一圖案槽孔與一第二圖案槽孔，其中，該第一圖案槽孔之一形狀係由相隔一角度之一第一長方形與一第二長方形組成，該第一長方形與該第二長方形於一頂點重合，且該第一圖案槽孔與該第二圖案槽孔相互對稱於該第一微帶金屬片之一中心軸；以及一第一介質層，形成於該第一微帶金屬片與該接地金屬板之間。
本發明另揭露一種複合天線，用來收發至少一無線電訊號，包含有一第一平板雙極化天線層，包含有複數個第一微帶金屬片；一接地金屬板，包含有複數個矩形區塊，每一矩形區塊對應該複數個第一微帶金屬片之一第一微帶金屬片設置，每一矩形區塊包含有一第一圖案槽孔與一第二圖案槽孔，其中，該第一圖案槽孔之一形狀係由相隔一角度之一第一長方形與一第二長方形組成，該第一長方形與該第二長方形於一頂點重合，且該第一圖案槽孔與該第二圖案槽孔相互對稱於對應的該第一微帶金屬片之一中心軸；以及一第一介質層，形成於該第一平板雙極化天線層與該接地金屬板之間。
10‧‧‧平板雙極化天線
20‧‧‧迴力鏢形狀
30、40、61~66、70‧‧‧複合天線
100、300‧‧‧饋入傳輸線層
102a、102b、FTL_1a、FTL_1b、FTL_2a、FTL_2b‧‧‧饋入傳輸線
110、130、150、310、330、350‧‧‧介質層
120、320、420、720‧‧‧接地金屬板
122a、122b、SL_1a、SL_1b、SL_2a、SL_2b‧‧‧槽孔
124a、124b、PSL_1a、PSL_1b、PSL_2a、PSL_2b、PSL_5a、PSL_5b、PSL_6a、PSL_6b‧‧‧圖案槽孔
140、160、UPP_1、UPP_2、DPP_1、DPP_2‧‧‧微帶金屬片
200a、200b、210a、210b‧‧‧長方形
340、360‧‧‧平板雙極化天線層
L‧‧‧總長度
L1、L7‧‧‧長度
W1、W7‧‧‧寬度
L2‧‧‧邊長
W2‧‧‧邊寬
axis_y‧‧‧對稱軸線
P1‧‧‧頂點
θ1、θ2‧‧‧角度
SC1、SC2、SC3、SC4、SC5、SC6‧‧‧矩形區塊
CL_1、CL_2‧‧‧中心軸
D‧‧‧距離
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圖為平板雙極化天線沿第1A圖之剖線A-A’之截面示意圖。
第2圖為本發明實施例一迴力鏢形狀之示意圖。
第3圖為本發明實施例一複合天線之上視示意圖。
第4A圖為本發明實施例一複合天線之上視示意圖。
第4B圖為第4A圖所示的複合天線之等視角示意圖。
第5A圖為第4A圖所示的複合天線之天線共振模擬結果示意圖。
第5B~5E圖為第4A圖所示的複合天線之天線場型特性模擬結果示意圖。
第6A圖為本發明實施例一複合天線之上視示意圖。
第6B圖為本發明實施例一複合天線之上視示意圖。
第6C圖為本發明實施例一複合天線之上視示意圖。
第6D圖為本發明實施例一複合天線之上視示意圖。
第6E圖為本發明實施例一複合天線之上視示意圖。
第6F圖為本發明實施例一複合天線之上視示意圖。
第7圖為本發明實施例一複合天線之上視示意圖。
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Band 40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，平板雙極化天線10大致為一七層架構且相對對稱軸線axis_y具有一軸對稱結構，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。微帶金屬片140為主要輻射體，其形狀大致呈十字形，以產生線性極化並避免產生圓極化的電磁波。微帶金屬片160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直接接觸。較佳地，微帶金屬片140之中心與微帶金屬片160之中心對齊至微帶金屬片140之一中心軸CL_1，且中心軸CL_1垂直於對稱軸線axis_y設置。饋入傳輸線層100包含有饋入傳輸線102a、102b，其對稱於對稱軸線axis_y設置且相互正交，以饋入兩種無線電訊號(如不同極化方向)。接地金屬板120用來提供接地，並包含有槽孔122a、122b及圖案槽孔124a、124b。槽孔122a、122b分別與饋入 傳輸線102a、102b正交且對稱於對稱軸線axis_y，以產生正交之雙極化天線場型。
簡單來說，接地金屬板120沿對稱軸線axis_y之長度L1大於接地金屬板120沿x方向之寬度W1，因此可增加波束寬(3dB beamwidth)。並且，接地金屬板120的圖案槽孔124a、124b可平衡長度L1與寬度W1的不對稱性，以改善同極化對正交極化(Co/Cx)值。
詳細而言，為了增加水平切面(xz平面)中的波束寬，需縮短接地金屬板120沿x方向之寬度W1，以使水平方向的輻射場形更為發散，因此，適當設計平板雙極化天線10後，接地金屬板120沿對稱軸線axis_y之長度L1大於接地金屬板120沿x方向之寬度W1。由於長度L1與寬度W1不相等將使得垂直方向與水平方向的共振長度不同，因此可透過圖案槽孔124a、124b來平衡長度L1大於寬度W1帶來的不對稱性。其中，圖案槽孔124a、124b大致具有一迴力鏢(Boomerang)形狀20。請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一迴力鏢形狀20之示意圖。迴力鏢形狀20係由形狀尺寸相同之長方形210a、210b組成，而長方形210a、210b有重合之一頂點P1。更進一步來看，長方形210a、210b可視為原先並排的長方形200a、200b以頂點P1為一旋轉支點，並自對稱軸線axis_y分別向外旋轉角度θ 1、θ 2而形成。較佳地，角度θ 1、θ 2為20°，但不限於此。如第1A圖及第2圖所示，迴力鏢形狀20相對於對稱軸線axis_y對稱，且圖案槽孔124a、124b相對微帶金屬片140之中心軸CL_1對稱。此外，由於介質層110、130使饋入傳輸線層100、接地金屬板120及平板雙極化天線層140彼此隔離，因此，無線電訊號係由饋入傳輸線(如102a)耦合至槽孔(如122a)，並藉由槽孔(如122a)產生共振，再耦合至微帶金屬片140，以增加天線頻寬。並且，十字形之微帶金屬片140之共振方向相對接地金屬板120傾斜，以有效減小天線尺寸，並同時符合極化傾斜45度的需求。
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，為提高天線增益，可進一步利用平板雙極化天線10組成陣列天線。請參考第3圖，第3圖為本發明實施例一複合天線30之上視示意圖。類似於平板雙極化天線10，複合天線30也大致為七層架構，包含有一饋入傳輸線層300、三層介質層(圖未示)、一接地金屬板320及平板雙極化天線層340、360。不同之處在於，平板雙極化天線層340包含有十字形之微帶金屬片DPP_1、DPP_2。饋入傳輸線層300的饋入傳輸線FTL_1a、FTL__1b、FTL_2a、FTL_2b分別對應微帶金屬片DPP_1、DPP_2設置，以饋入(兩種極化之)無線電訊號。平板雙極化天線層360的微帶金屬片UPP_1、UPP_2亦分別對應微帶金屬片DPP_1、DPP_2設置，而接地金屬板320可分為矩形區塊SC1、SC2，且矩形區塊SC1、SC2上的槽孔SL_1a、SL_1b及SL_2a、SL_2b則分別對應饋入傳輸線FTL_1a、FTL_1b、FTL_2a、FTL_2b設置。
詳細而言，由於長期演進無線通訊系統的基地站大致位於地表附近，並且基於基地站和接收者的距離，較佳地應將複合天線30之輻射能量集中於垂直切面(yz平面)中相對水平線(z軸)上正負10度的仰角範圍內，因此可藉由上下垂直排列微帶金屬片DPP_1、DPP_2來形成1x2陣列天線，以達到系統需求之天線增益值。並且，藉由使矩形區塊SC1、SC2沿對稱軸線axis_y之長度L1大於矩形區塊SC1、SC2沿x方向之寬度W1，可增加水平切面(xz平面)中的波束寬。表一為複合天線30之天線特性表，由表一可知，複合天線30仍可大致滿足長期演進無線通訊系統對最大增益值、前後場型比(F/B)之要求，並且，當接地金屬板320的寬度W1由100mm縮減為70mm時，水平方向的波束寬可增加至69.5°-73.0°。
為進一步提高複合天線30之同極化對止交極化(Co/Cx)值，可適當調整接地金屬板320之結構。請參考第4A、4B圖，第4A圖為本發明實施例一複合天線40之上視示意圖，第4B圖為複合天線40之等視角示意圖。複合天線40包含有饋入傳輸線層300、介質層310、330、350、一接地金屬板420及平板雙極化天線層340、360。換言之，複合天線40之架構大致與複合天線30相似，故相同元件以相同符號表示，以求簡潔。不同的是，接地金屬板420之矩形區塊SC3、SC4另分別包含有圖案槽孔PSL_1a、PSL_1b及PSL_2a、PSL_2b，以平衡長度L1大於寬度W1帶來的不對稱性。圖案槽孔PSL_1a、PSL_1b及PSL_2a、PSL_2b分別具有第2圖所示的迴力鏢形狀20，且分別相對微帶金屬片DPP_1、DPP_2之中心軸CL_1、CL_2對稱。
換句話說，複合天線40藉由陣列天線結構而能增加天線增益值，並藉由縮短矩形區塊SC3、SC4之寬度W1，以增加波束寬。而為了平衡長度L1與寬度W1的不對稱性，矩形區塊SC3、SC4另分別包含有圖案槽孔PSL_1a、PSL_1b及PSL_2a、PSL_2b，以改善同極化對正交極化(Co/Cx)值。
透過模擬及量測可進一步判斷複合天線40是否符合系統需求。詳細來說，請參考第5A圖。第5A圖為複合天線40之天線共振模擬結果示意圖，其中，點線代表複合天線40之45度極化傾斜之天線共振模擬結果，實線代表複合天線40之135度極化傾斜之天線共振模擬結果，虛線代表複合天線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，複合天線40在Band 40與41的45度極化傾斜和135度極化傾斜天線的返回損耗(S11值)均在-11.8dB以下，並且，45度極化傾斜和135度極化傾斜之間的隔離度都至少在22.5dB以上。另外，表二為複合天線40之天線特性表，第5B~5E圖為複合天線40應用於長期演進無線通訊系統而分別操作於2.3GHz、2.4GHz、2.496GHz、2.69GHz時之天線場型特性模擬結果示意圖，其中，實線代表複合天線40之同極化在水平切面(Phi=0度角)之輻射場型，點線代表複合天線40之同極化在垂直切面(Phi=90度角)之輻射場型，長虛線代表複合天線40之正交極化在水平切面(Phi=0度角)之輻射場型，短虛線代表複合天線40之正交極化在垂直切面(Phi=90度角)之輻射場型。由表二及第5B~5E圖可知，複合天線40不但在水平方向具有較寬之波束寬，並且，可滿足長期演進無線通訊系統對最大增益值、前後場型比(F/B)之要求，而且同極化對正交極化(Co/Cx)值至少大於16.3dB。
值得注意的是，平板雙極化天線10及複合天線30、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，饋入傳輸線102a、102b、FTL_1a、FTL_1b、FTL_2a、FTL_2b與槽孔122a、122b、SL_1a、SL_1b、SL_2a、SL_2b之分段折彎情形可視不同設計考量而適當變化，如調整角度而形成鈍角或銳角，或調整各分段之間的長度比例關係以及寬度比例關係，或調整分段的形狀與分段段數。此外，「大致呈十字形」係指 微帶金屬片140、160、UPP_1、UPP_2、DPP_1、DPP_2之外觀係由兩個長方形微帶金屬片重疊且交錯所組成，但不限於此，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。介質層110、130、150、310、330、350可為各種電性隔離材料，如空氣，並且，微帶金屬片160、平板雙極化天線層360及介質層150、350可視頻寬要求而選擇性設置。此外，複合天線30、40為1x2陣列天線，但不限於此，亦可為1x3、2x4或mxn陣列天線。
另一方面，第2、4A、4B圖所示之迴力鏢形狀20之長方形200a之邊長L2為25mm，邊寬W2為2.5mm，迴力鏢形狀20之頂點P1相距中心軸(如CL_1或CL_2)之距離D為47.449mm，但本發明不以此為限，而可視不同系統需求適當調整。舉例來說，請參考第6A至6F圖及表三，第6A至6F圖為本發明實施例複合天線61~66之上視示意圖，表三為複合天線61~66之天線特性表。如表三所示，藉由適當調整複合天線61~66的圖案槽孔之尺寸，可調整天線特性，其中，同極化對正交極化(Co/Cx)值均大於15.8dB。
此外，若欲減少水平切面(xz平面)中的波束寬，則可加長接地金屬板沿x方向之寬度。請參考第7圖，第7圖為本發明實施例一複合天線70之上視示意圖。複合天線70之架構大致與複合天線40相似，故相同元件以相同符號表示，以求簡潔。不同的是，接地金屬板720沿x方向之寬度W7經適當設計而加長，以使水平方向的輻射場形更為集中，因此，接地金屬板720之矩形區塊SC5、SC6沿對稱軸線axis_y之長度L7小於矩形區塊SC5、SC6沿x方向之寬度W7。並且，接地金屬板720之矩形區塊SC5、SC6另分別包含有圖案槽孔PSL_5a、PSL_5b及PSL_6a、PSL_6b，以平衡長度L7小於寬度W7帶來的不對稱性。
綜上所述，本發明藉由調整微帶金屬片對應接地金屬板之區塊的 長寬比例，來增加波束寬。並且，接地金屬板包含有圖案槽孔，以平衡區塊長寬比例不同引發的不對稱性，而能確保同極化對正交極化(Co/Cx)值。
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‧‧‧饋入傳輸線
120‧‧‧接地金屬板
122a、122b‧‧‧槽孔
124a、124b‧‧‧圖案槽孔
140、160‧‧‧微帶金屬片
L1‧‧‧長度
W1‧‧‧寬度
axis_y‧‧‧對稱軸線
P1‧‧‧頂點
CL_1‧‧‧中心軸
D‧‧‧距離

Claims (14)

  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：一第一微帶金屬片；一接地金屬板，包含有一第一圖案槽孔與一第二圖案槽孔，其中，該第一圖案槽孔之一形狀係由相隔一角度之一第一長方形與一第二長方形組成，該第一長方形與該第二長方形於一頂點重合，且該第一圖案槽孔與該第二圖案槽孔相互對稱於該第一微帶金屬片之一中心軸；以及一第一介質層，形成於該第一微帶金屬片與該接地金屬板之間。
  2. 如請求項1所述之平板雙極化天線，其中該接地金屬板沿一對稱軸線之一長度與該接地金屬板之一寬度不相等，以調整波束寬，並且，該對稱軸線垂直於該中心軸。
  3. 如請求項2所述之平板雙極化天線，其中該第一圖案槽孔與該第二圖案槽孔分別對稱於該對稱軸線。
  4. 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之形狀呈一十字形。
  5. 如請求項2所述之平板雙極化天線，另包含有：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，該第一饋入傳輸線與該第二饋入傳輸線對稱於該對稱軸線；以及一第二介質層，形成於該饋入傳輸線層與該接地金屬板之間。
  6. 如請求項5所述之平板雙極化天線，其中該接地金屬板包含有一第一槽孔及一第二槽孔，該第一槽孔與該第二槽孔對稱於該對稱軸線，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。
  7. 如請求項1所述之平板雙極化天線，另包含有一第二微帶金屬片，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。
  8. 一種複合天線，用來收發至少一無線電訊號，包含有：一第一平板雙極化天線層，包含有複數個第一微帶金屬片；一接地金屬板，包含有複數個矩形區塊，每一矩形區塊對應該複數個第一微帶金屬片之一第一微帶金屬片設置，每一矩形區塊包含有一第一圖案槽孔與一第二圖案槽孔，其中，該第一圖案槽孔之一形狀係由相隔一角度之一第一長方形與一第二長方形組成，該第一長方形與該第二長方形於一頂點重合，且該第一圖案槽孔與該第二圖案槽孔相互對稱於對應的該第一微帶金屬片之一中心軸；以及一第一介質層，形成於該第一平板雙極化天線層與該接地金屬板之間。
  9. 如請求項8所述之複合天線，其中每一矩形區塊沿一對稱軸線之一長度與該矩形區塊之一寬度不相等，以調整波束寬，並且，該對稱軸線垂直於該矩形區塊對應的該第一微帶金屬片之該中心軸。
  10. 如請求項8所述之複合天線，其中該複數個第一圖案槽孔與該複數個第二圖案槽孔分別對稱於該對稱軸線。
  11. 如請求項8所述之複合天線，其中該複數個第一微帶金屬片之形狀呈一十字形。
  12. 如請求項9所述之複合天線，另包含有：一饋入傳輸線層，包含有複數個第一饋入傳輸線及複數個第二饋入傳輸線，每一第一饋入傳輸線與每一第二饋入傳輸線分別對應該複數個第一微帶金屬片之一第一微帶金屬片設置，該第一饋入傳輸線與該第二饋入傳輸線對稱於該對稱軸線；以及一第二介質層，形成於該饋入傳輸線層與該接地金屬板之間。
  13. 如請求項12所述之複合天線，其中該接地金屬板包含有複數個第一槽孔及複數個第二槽孔，每一第一槽孔與每一第二槽孔分別對應該複數個第一微帶金屬片之一第一微帶金屬片設置，該複數個第一槽孔與該複數個 第二槽孔分別對稱於該對稱軸線，每一第一槽孔與對應的該第一饋入傳輸線產生耦合作用，每一第二槽孔與對應的該第二饋入傳輸線產生耦合作用，以增加該複合天線之頻寬。
  14. 如請求項8所述之複合天線，另包含有一第二平板雙極化天線層，該第二平板雙極化天線層包含有複數個第二微帶金屬片，該複數個第二微帶金屬片分別對應形成於該複數個第一微帶金屬片之上，且未接觸該複數個第一微帶金屬片。
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