TWI565138B

TWI565138B - Crossed bipolar antenna structure

Info

Publication number: TWI565138B
Application number: TW104134329A
Authority: TW
Inventors: xi-zeng Zhou; Sheng-Ru Zhou; zhi-yin Jiang; Yao-Jiu Chen
Priority date: 2015-10-20
Filing date: 2015-10-20
Publication date: 2017-01-01
Also published as: TW201715792A

Description

交叉雙極化天線結構

本發明係有關一種交叉雙極化天線結構，特別是指一種能夠以貼片天線的形式實現交叉雙極化天線的結構，以設計具有一個接地面及反射面，使其能量向上打，達到一個具有似於全向性輻射的效果之交叉雙極化天線結構。

雙極化天線（cross dipole 天線）是一種新型天線技術，組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天線，同時工作在收發雙工模式下，每個小區僅需一副雙極化天線。當全向小區分裂成三小區時，最多僅增加一副天線（原全向小區在雙工模式爲2副天線）。

而雙極化天線中，±45°的極化正交性可以保證+45°和-45°兩副天線之間的隔離度滿足互調對天線間隔離度要求（≥30dB），雙極化天線之間的空間間隔僅需20~30cm，因此移動基站可以不必興建鐵塔，只需要架一根直徑20cm的鐵柱，將雙極化天線按相應覆蓋方向固定在鐵柱上即可。特別在選址時，若使用傳統單極化天線，必須考慮天線的架設安裝問題，往往由于天線架設安裝條件（需要興建鐵塔擴大天線平台）不具備而放棄了最佳站址。如果使用雙極化天線，由于雙極化天線對架設安裝要求不高，不需要花費建塔的費用，如此將能夠節省建築成本，同時使基站布局更加合理。

另外，由於雙極化天線允許系統采用極化分集接收技術，其原理是利用±45°極化方向之間的不相關性，兩者之間的不相關性程度決定了分集接收的好壞。由于±45°爲正交極化，因此可以有效保證分集接收，其極化分集增益約爲5dB，比單極化天線通常采用的空間分集提高約2dB。

由此可知，雙極化天線與傳統單極化天線比較起來，具有更多的優點，但由於目前雙極化天線一般用於基地台天線的單一單元，但若是要將其應用於5G通信（第五代行動通信的頻段）時，目前習用的雙極化天線之結構則仍是太大，故並不適用於5G通信之用。

因此，若能夠設計出一交叉雙極化天線結構，與習用的雙極化天線結構比較起來，由於使用以貼片天線的形式實現交叉雙極化天線的結構，故整體結構尺寸較小，並能夠維持原有的效果，以有效的應用於5G通信，如此應為一最佳解決方案。

本發明係關於一種交叉雙極化天線結構，係能夠以貼片天線的形式實現交叉雙極化天線的結構，並於下層處設計有一個接地面及反射面，使其能量向上打，達到一個具有似於全向性輻射的效果之交叉雙極化天線結構。

可達成上述交叉雙極化天線結構，係包含：一第一基板，係具有一第一表面及一第二表面；一第二基板，係具有一第一表面及一第二表面，而該第二基板之第一表面係與該第一基板之第二表面相貼合；一第三基板，係具有一第一表面及一第二表面，而該第三基板之第一表面係與該第二基板之第二表面相貼合；一反射面板，係貼於該第三基板之第二表面上；一第一幅射面元件，係設置於該第一基板之第一表面上，而該第一幅射面元件係具有一第一端部及一第二端部；一第一負端元件，係相對於該第一幅射面元件之第二端部之位置、設置於該第一基板之第二表面上，而該第一負端元件上係具有一開孔；一第二幅射面元件，係設置於該第二基板之第一表面上，而該第二幅射面元件係具有一第一端部及一第二端部；一第二負端元件，係相對於該第二幅射面元件之第二端部之位置、設置於該第二基板之第二表面上，而該第二負端元件上係具有一開孔；一第一傳輸線，係包含有一第一中空柱體，而該第一中空柱體中係具有一第一傳輸線本體，該第一傳輸線本體係能夠穿出該第一中空柱體，而該第一中空柱體能夠穿過該反射面板、第三基板、第二基板、第一負端元件之開孔、並頂持於該第一基板之第二表面上，且由該第一中空柱體內部穿出之第一傳輸線本體則能夠穿過該第一基板、並與該第一幅射面元件之第二端相接觸；一第一支撐柱，係能夠穿過該反射面板、第三基板、第二基板，並相對於該第一幅射面元件之第一端部之位置、頂持於該第一基板之第二表面上；一第二傳輸線，係包含有一第二中空柱體，而該第二中空柱體中係具有一第二傳輸線本體，該第二傳輸線本體係能夠穿出該第二中空柱體，而該第二中空柱體能夠穿過該反射面板、第三基板、第二負端元件之開孔、並頂持於該第二基板之第二表面上，且由該第二中空柱體內部穿出之第二傳輸線本體則能夠穿過該第二基板、並與該第二幅射面元件之第二端相接觸；一第二支撐柱，係能夠穿過該反射面板、第三基板，並相對於該第二幅射面元件之第一端部之位置、頂持於該第二基板之第二表面上。

更具體的說，所述第一幅射面元件與該第二幅射面元件之位置係相差90度角。

更具體的說，所述第一基板、第二基板、反射面板、第一幅射面元件、第一負端元件、第二幅射面元件、第二負端元件、第一傳輸線、第一支撐柱、第二傳輸線及第二支撐柱係為金屬材質所製成。

更具體的說，所述金屬材質係為銅。

更具體的說，所述第三基板係為一陶瓷板。

更具體的說，所述第一負端元件係不會與該第一傳輸線之第一傳輸線本體相接觸。

更具體的說，所述第二負端元件係不會與該第二傳輸線之第二傳輸線本體相接觸。

更具體的說，所述第一幅射面元件之第一端部係為一箭頭狀。

更具體的說，所述第二幅射面元件之第一端部係為一箭頭狀。

更具體的說，所述第一幅射面元件、第一負端元件、第二幅射面元件及第二負端元件係為貼片式元件。

有關於本發明其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

請參閱第1A~1D圖，為本發明交叉雙極化天線結構之第一實施之分解結構示意圖、部份結構組合示意圖及整體結構組合示意圖，由圖中可知，該交叉雙極化天線結構1係包含第一基板11、一第二基板12、一第三基板13、一反射面板14、一第一幅射面元件151、一第一負端元件161、一第二幅射面元件152、一第二負端元件162、一第一傳輸線171、一第一支撐柱181、一第二傳輸線172、一第二支撐柱182，其中該第一基板11、該第二基板12、該第三基板13及該反射面板14係分別相互疊合為一整體；

其中，該第一基板11之第一表面上係設置該第一幅射面元件151，該第一幅射面元件151係為一貼片式元件（本實施例中為銅片，但其他金屬性材質亦可用於實施），而該第一幅射面元件151係具有一第一端部及一第二端部（本實施例中第一幅射面元件151之第一端部係為箭頭狀，箭頭狀另一端則是第二端部，但除了箭頭狀形狀之構造外，其他形狀之構造亦可用於實施）；另外，相對於該第一幅射面元件151之第二端部之位置、於該第一基板11之第二表面上設置該第一負端元件161，而該第一負端元件161上係具有一開孔1611；

其中，該第二基板12之第一表面上係設置該第二幅射面元件152，該第二幅射面元件152係為一貼片式元件（本實施例中為銅片，但其他金屬性材質亦可用於實施），而該第二幅射面元件152係具有一第一端部及一第二端部（本實施例中第二幅射面元件152之第一端部係為箭頭狀，箭頭狀另一端則是第二端部，但除了箭頭狀形狀之構造外，其他形狀之構造亦可用於實施）；另外，相對於該第二幅射面元件152之第二端部之位置、於該第二基板12之第二表面上設置該第二負端元件162，而該第二負端元件162上係具有一開孔1621。

其中，該第一傳輸線171係包含有一第一中空柱體1711，而該第一中空柱體1711內部係具有一第一傳輸線本體1712，而該第一傳輸線本體1712前端係穿出該第一中空柱體1711頂端，該第一中空柱體1711能夠陸續穿過該反射面板14、第三基板13、第二基板12、第一負端元件161之開孔1611（除了第一負端元件161之開孔1611之外，該反射面板14、第三基板13、第二基板12上亦相對應設有對應該第一中空柱體1711之柱體管徑的孔洞，以使該第一中空柱體1711能夠穿過），且於該第一中空柱體1711頂端頂持於該第一基板11之第二表面上時，該第一中空柱體1711內部所穿出之第一傳輸線本體1712則能夠穿過該第一基板11（該第一基板11上係相對應設有對應該第一傳輸線本體1712之直徑的孔洞，以使該第一傳輸線本體1712能夠穿過）、並與該第一幅射面元件151之第二端部相接觸；其中該第一幅射面元件151則為一正端，而相對於該第一幅射面元件151，該第一負端元件161則為一負端；

而該第一支撐柱181係能夠穿過該反射面板14、第三基板13、第二基板12（該反射面板14、第三基板13、第二基板12上係相對應設有對應該第一支撐柱181之柱體管徑的孔洞，以使該第一支撐柱181能夠穿過），而該第一支撐柱181相對於該第一幅射面元件151之第一端部之位置處、使該第一支撐柱181之頂部能夠頂持於該第一基板11之第二表面上，用以支撐於該第一幅射面元件151之第一端部之位置處。

其中，該第二傳輸線172係包含有一第二中空柱體1721，而該第二中空柱體1721內部係具有一第二傳輸線本體1722，而該第二傳輸線本體1722前端係穿出該第二中空柱體1721頂端，該第二中空柱體1721能夠陸續穿過該反射面板14、第三基板13、第二負端元件162之開孔1621（除了第二負端元件162之開孔1621之外，該反射面板14、第三基板13上、亦相對應設有對應該第二中空柱體1721之柱體管徑的孔洞，以使該第二中空柱體1721能夠穿過），且於該第二中空柱體1721頂端頂持於該第三基板13之第二表面上時，該第二中空柱體1721內部所穿出之第二傳輸線本體1722則能夠穿過該第二基板12（該第二基板12上係相對應設有對應該第二傳輸線本體1722之直徑的孔洞，以使該第二傳輸線本體1722能夠穿過）、並與該第二幅射面元件152之第二端部相接觸；其中該第二幅射面元件152則為一正端，而相對於該第二幅射面元件152，該第二負端元件162則為一負端；

而該第二支撐柱182係能夠穿過該反射面板14、第三基板13（該反射面板14、第三基板13上係相對應設有對應該第二支撐柱182之柱體管徑的孔洞，以使該第二支撐柱182能夠穿過），而該第二支撐柱182相對於該第二幅射面元件152之第一端部之位置處、使該第二支撐柱182之頂部能夠頂持於該第二基板12之第二表面上，用以支撐於該第二幅射面元件152之第一端部之位置處。

另外，於本實施例中，該第一基板11、第二基板12、反射面板14、第一幅射面元件151、第一負端元件161、第二幅射面元件152、第二負端元件162、第一傳輸線171、第一支撐柱181、第二傳輸線172及第二支撐柱182係為銅材質所製成，但亦能夠使用其他金屬材質進行實施。

另外，於本實施例中，該第三基板13係一Rogers板（陶瓷板），而本實施例中係使用Rogers RO4003的板材進行實施，但不限於僅能夠使用該種板材進行實施。

而當將單一個交叉雙極化天線結構使用全波模擬軟體，加上所需要應用的頻段的能量，使天線進行輻射，去取得如第2A圖~第2D圖之檢視天線的參數及效果，如第2A圖所示，於3D輻射功率場型（3D Pattern）中可知，由於我們所使用的結構是 cross dipole，它的輻射場行會形成一個圓環狀（甜甜圈），因此我們把天線設計於平面上，也就是說使用貼片式天線（PATCH）的形式實現 cross dipole的結構，藉由貼片式天線最下層設計出一成ground當成一個接地面及反射面（於本實施例中，其中第一中空柱體1711與第二中空柱體1721之底端則是做為一接地面，而該反射面板14則是做為一反射面），因此使其能量向上打時，則達到一個具有似於全向性輻射的效果；

而反射損失（Return loss）檢測結果如第2B圖所示，其中反射損失當一個高頻訊號傳導至導體，因為阻抗不完全匹配而導致部分能量反射回來，而本天線的應用頻段於38G，所以我們希望可以於38G產生共振的效果，由第2B圖中可以發現，本實施例之天線結構，其反射損失要小於天線設計所要求的規則-10dB，並且共振頻率的 3D Pattern則能夠達到其預期效果；

而天線間之隔離度（Isolation）檢測結果如第2C圖所示，其中本實施例之天線設計係有兩個饋入的能量源，為了希望兩個源之間不會相互干擾，因此就在能量的饋入源上使用第一傳輸線171及第二傳輸線172（也就是所謂的CABLE），因為第一傳輸線171及第二傳輸線172的外圈（第一中空柱體1711與第二中空柱體1721）係為銅線所形成的銅柱，所以第一傳輸線本體1712及第二傳輸線本體1722能傳輸的能量不容易洩露出去，由第2C圖明顯可知，本實施例中所取得之隔離度（Isolation）係具有非常優秀的數據表現；

而極化差（Cross Level）檢測結果如第2D圖所示，其中極化差也就是所謂電磁波傳播的方式，由於本實施例之天線結構所達成之傳播的方式是以水平傳播或者垂直傳播，簡單來說水平及垂直相交的部分只有一個點，所以極化差則如第2D圖所示；

綜合第2A~2D圖所示，本實施例之交叉雙極化天線結構經過檢測，以業界標準-10dB來說，本實施例之天線結構皆能夠達到標準，且加上本發明係使用貼片式天線，因此能夠縮小整體結構之體積與大小，並保持一定的效果，由此可知，本實施例之交叉雙極化天線結構係較一般的雙極化天線結構較由其進步性。

而能夠將單一交叉雙極化天線結構進行串接，如第3圖所示，則將八個交叉雙極化天線結構1進行串接為一陣列天線，而將八個交叉雙極化天線結構1進行串接為一陣列天線目的是因為單一天線（交叉雙極化天線結構1）時，其增益值不高，把同樣的天線擺在一起，其增益值就會增高，簡單來說，就是一個水管流出的水量很少，但如果把多個水管放在一起，他的出水量就會變多；而除了上述用途之外，因為天線輻射時是將電磁波的相位達到一致時，及會產生輻射之效果，而如果要讓天線的波束產生掃描之效果，就必須依靠給予各天線單元不一樣的相位，只得天線等相位的位置移動，致使天線的主波束可以隨意掃動；

之後，再使用全波模擬軟體，加上所需要應用的頻段的能量，使串接之陣列天線進行輻射，去取得如第4A圖~第4D圖之檢視天線的參數及效果，如第4A圖所示，於3D輻射功率場型（3D Pattern）中可知，因為天線單一的場形式為一個往正Z方向輻射出一個漂亮的圓，但是因為陣列天線的特性，能量會從擺放的方向擠回來，所以在其中一個切面會有一個細長的波束，而與其垂直於90度的切面視角上會有一個很寬的波束；

而反射損失（Return loss）檢測結果如第4B圖所示，其中反射損失當一個高頻訊號傳導至導體，因為阻抗不完全匹配而導致部分能量反射回來，而本天線的應用頻段於38G，所以我們希望可以於38G產生共振的效果，由第4B圖中可以發現，本實施例八個交叉雙極化天線結構1串接的陣列天線，其反射損失要小於天線設計所要求的規則-10dB，並且共振頻率的 3D Pattern則能夠達到其預期效果；

而天線間之隔離度（Isolation）檢測結果如第4C圖所示，其中本實施例之陣列天線之單一交叉雙極化天線結構1係有兩個饋入的能量源，為了希望兩個源之間不會相互干擾，因此就在能量的饋入源上使用第一傳輸線171及第二傳輸線172（也就是所謂的CABLE），因為第一傳輸線171及第二傳輸線172的外圈（第一中空柱體1711與第二中空柱體1721）係為銅線所形成的銅柱，所以第一傳輸線本體1712及第二傳輸線本體1722能傳輸的能量不容易洩露出去，由第2C圖明顯可知，本實施例中所取得之隔離度（Isolation）係具有非常優秀的數據表現；

而極化差（Cross Level）檢測結果如第4D圖所示，其中極化差也就是所謂電磁波傳播的方式，由於本實施例之陣列天線所達成之傳播的方式是以水平傳播或者垂直傳播，簡單來說水平及垂直相交的部分只有一個點，所以極化差則如第4D圖所示；

綜合第4A~4D圖所示，本實施例將八個交叉雙極化天線結構1進行串接為一陣列天線，而與其就有的陣列天線來做比較時，此天線可以提供兩種極化，也就是兩種頻道，而且此種天線因為平面式的天線，所以若是需要時，同平面上可以放上許多不同的共振點的同頻率天線，其相互場型之影響會比起一般立體結構式更小，此為本實施與一般陣列天線之最大差異點。

本發明所提供之交叉雙極化天線結構，與其他習用技術相互比較時，其優點如下： 1. 本發明由於使用以貼片天線的形式實現交叉雙極化天線的結構，故整體結構尺寸較小，並能夠維持原有的效果，以有效的應用於5G通信。 2. 本發明將多個單一天線結構串接為一陣列天線時，將能夠提供兩種極化，也就是兩種頻道，而且此種陣列天線因為平面式的天線，所以若是需要時，同平面上可以放上許多不同的共振點的同頻率天線，其相互場型之影響會比起一般立體結構式更小。

本發明已透過上述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此一技術領域具有通常知識者，在瞭解本發明前述的技術特徵及實施例，並在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之請求項所界定者為準。

1‧‧‧交叉雙極化天線結構
11‧‧‧第一基板
12‧‧‧第二基板
13‧‧‧第三基板
14‧‧‧反射面板
151‧‧‧第一幅射面元件
152‧‧‧第二幅射面元件
161‧‧‧第一負端元件
1611‧‧‧開孔
162‧‧‧第二負端元件
1621‧‧‧開孔
171‧‧‧第一傳輸線
1711‧‧‧第一中空柱體
1712‧‧‧第一傳輸線本體
172‧‧‧第二傳輸線
1721‧‧‧第二中空柱體
1722‧‧‧第二傳輸線本體
181‧‧‧第一支撐柱
182‧‧‧第二支撐柱

[第1A圖] 係本發明交叉雙極化天線結構之第一實施之分解結構示意圖。 [第1B圖]係本發明交叉雙極化天線結構之第一實施之部份結構組合示意圖。 [第1C圖]係本發明交叉雙極化天線結構之第一實施之部份結構組合示意圖。 [第1D圖]係本發明交叉雙極化天線結構之第一實施之整體結構組合示意圖。 [第2A圖]係本發明交叉雙極化天線結構之第一實施之3D輻射功率場型檢測結果示意圖。 [第2B圖]係本發明交叉雙極化天線結構之第一實施之反射損失檢測結果示意圖。 [第2C圖]係本發明交叉雙極化天線結構之第一實施之天線間之隔離度檢測結果示意圖。 [第2D圖]係本發明交叉雙極化天線結構之第一實施之極化差檢測結果示意圖。 [第3圖]係本發明交叉雙極化天線結構之第二實施之結構示意圖。 [第4A圖]係本發明交叉雙極化天線結構之第二實施之3D輻射功率場型檢測結果示意圖。 [第4B圖]係本發明交叉雙極化天線結構之第二實施之反射損失檢測結果示意圖。 [第4C圖]係本發明交叉雙極化天線結構之第二實施之天線間之隔離度檢測結果示意圖。 [第4D圖]係本發明交叉雙極化天線結構之第二實施之極化差檢測結果示意圖。

1‧‧‧交叉雙極化天線結構

11‧‧‧第一基板

12‧‧‧第二基板

13‧‧‧第三基板

14‧‧‧反射面板

151‧‧‧第一幅射面元件

152‧‧‧第二幅射面元件

161‧‧‧第一負端元件

1611‧‧‧開孔

1712‧‧‧第一傳輸線本體

Claims

一種交叉雙極化天線結構，係包含：一第一基板，係具有一第一表面及一第二表面；一第二基板，係具有一第一表面及一第二表面，而該第二基板之第一表面係與該第一基板之第二表面相貼合；一第三基板，係具有一第一表面及一第二表面，而該第三基板之第一表面係與該第二基板之第二表面相貼合；一反射面板，係貼於該第三基板之第二表面上；一第一幅射面元件，係設置於該第一基板之第一表面上，而該第一幅射面元件係具有一第一端部及一第二端部；一第一負端元件，係相對於該第一幅射面元件之第二端部之位置、設置於該第一基板之第二表面上，而該第一負端元件上係具有一開孔；一第二幅射面元件，係設置於該第二基板之第一表面上，而該第二幅射面元件係具有一第一端部及一第二端部；一第二負端元件，係相對於該第二幅射面元件之第二端部之位置、設置於該第二基板之第二表面上，而該第二負端元件上係具有一開孔；一第一傳輸線，係包含有一第一中空柱體，而該第一中空柱體中係具有一第一傳輸線本體，該第一傳輸線本體係能夠穿出該第一中空柱體，而該第一中空柱體能夠穿過該反射面板、第三基板、第二基板、第一負端元件之開孔、並頂持於該第一基板之第二表面上，且由該第一中空柱體內部穿出之第一傳輸線本體則能夠穿過該第一基板、並與該第一幅射面元件之第二端相接觸；一第一支撐柱，係能夠穿過該反射面板、第三基板、第二基板，並相對於該第一幅射面元件之第一端部之位置、頂持於該第一基板之第二表面上；一第二傳輸線，係包含有一第二中空柱體，而該第二中空柱體中係具有一第二傳輸線本體，該第二傳輸線本體係能夠穿出該第二中空柱體，而該第二中空柱體能夠穿過該反射面板、第三基板、第二負端元件之開孔、並頂持於該第二基板之第二表面上，且由該第二中空柱體內部穿出之第二傳輸線本體則能夠穿過該第二基板、並與該第二幅射面元件之第二端相接觸；一第二支撐柱，係能夠穿過該反射面板、第三基板，並相對於該第二幅射面元件之第一端部之位置、頂持於該第二基板之第二表面上。
如請求項1所述之交叉雙極化天線結構，其中該第一幅射面元件與該第二幅射面元件之位置係相差90度角。
如請求項1所述之交叉雙極化天線結構，其中該第一基板、第二基板、反射面板、第一幅射面元件、第一負端元件、第二幅射面元件、第二負端元件、第一傳輸線、第一支撐柱、第二傳輸線及第二支撐柱係為金屬材質所製成。
如請求項3所述之交叉雙極化天線結構，其中該金屬材質係為銅。
如請求項1所述之交叉雙極化天線結構，其中該第三基板係為一陶瓷板。
如請求項1所述之交叉雙極化天線結構，其中該第一負端元件係不會與該第一傳輸線之第一傳輸線本體相接觸。
如請求項1所述之交叉雙極化天線結構，其中該第二負端元件係不會與該第二傳輸線之第二傳輸線本體相接觸。
如請求項1所述之交叉雙極化天線結構，其中該第一幅射面元件之第一端部係為一箭頭狀。
如請求項1所述之交叉雙極化天線結構，其中該第二幅射面元件之第一端部係為一箭頭狀。
如請求項1所述之交叉雙極化天線結構，其中該第一幅射面元件、第一負端元件、第二幅射面元件及第二負端元件係為貼片式元件。