TWI583053B - 天線及複合天線 - Google Patents

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Description

天線及複合天線
本發明係指一種天線及複合天線,尤指一種可涵蓋多個頻段、尺寸較小且可設置於一圓柱天線罩中之天線及複合天線。
具有無線通訊功能的電子產品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。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,或可透過具有數個天線的一複合天線收發無線訊號,其中,複合天線可依據訊號傳送和接收的方向,啟動對應的天線,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。在此情況下,複合天線中的天線較佳地為指向性天線,也就是說,天線場型大致朝一特定方向。
此外,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。而由於設計上常將複合天線設置於一圓柱天線罩(radome)中,因此限制複合天線中天線的尺寸。然而,長期演進(Long Term Evolution,LTE)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。其中,band13的頻段(746 MHz至787 MHz)為長期演進無線通訊系統較低頻的頻段,因此會使應用於band13之複合天線的整體尺寸跟著增加。若複合天線可設置的空間較為受限,將無法滿足低頻及多頻段的傳輸需求,甚至可能造成天線間干擾,因而影響天線的正常運作。
因此,如何在有限體積下,提供適用於低頻應用之天線,且可涵蓋多個頻段,也就成為業界所努力的目標之一。
因此,本發明主要提供一種小尺寸的天線及複合天線,以兼顧低頻及多頻段的傳輸需求。
本發明揭露一種天線,用來收發無線電訊號,包含有一反射體,包含有一中心反射元件;至少一輻射部,設置於該中心反射元件上;一反射板,設置於該至少一輻射部上,該反射板之一形狀具有對稱性;其中,該反射體及該至少一輻射部未電性連接。
本發明另揭露一種複合天線,用來收發無線電訊號,包含複數個天線,該複數個天線中的每一天線包含有一反射體,包含有一中心反射元件;至少一輻射部,設置於該中心反射元件上;一反射板,設置於該至少一輻射部上,該反射板之一形狀具有對稱性;其中,該反射體及該至少一輻射部未電性連接。
請參考第1A及1B圖,第1A圖為本發明實施例一天線10之示意圖,第1B圖為天線10之側視示意圖。天線10包含有一反射體100、輻射部120、140及一支撐件180。反射體100包含有一中心反射元件102及周邊反射元件104a〜104d,用來反射電磁波以增加天線10的增益值。周邊反射元件104a〜104d大致呈等腰梯形,並對稱環繞中心反射元件102設置,以形成具對稱性的一錐台(frustum)結構。輻射部120、140藉由支撐件180而設置於中心反射元件102上,且不與反射體100電性連接。輻射部120包含有具對稱性的金屬片120a、120b,以形成極化傾斜135度之一偶極天線。金屬片120a、120b分別包含有主區塊122a、122b、第一支臂區塊124a、124b及饋入點126a、126b。饋入點126a、126b分別位於主區塊122a、122b上,且藉由與饋入點126a、126b連接的一傳輸線(圖未示)來饋入訊號。第一支臂區塊124a、124b之端點分別連接於主區塊122a、122b之端點,但與主區塊122a、122b不共面(not coplanar)而朝向反射體100延伸。類似地,輻射部140包含有具對稱性的金屬片140a、140b,以形成極化傾斜45度之一偶極天線。金屬片140a、140b分別包含有主區塊142a、142b、第一支臂區塊144a、144b及饋入點146a、146b。饋入點146a、146b分別位於主區塊142a、142b上,且藉由與饋入點146a、146b連接的另一傳輸線(圖未示)來饋入訊號。第一支臂區塊144a、144b之端點分別連接於主區塊142a、142b之端點,但與主區塊142a、142b不共面而朝向反射體100延伸。
簡言之,當主區塊122a、122b之總長度DP_L及主區塊142a、142b之總長度DP_L小於二分之一的操作波長時,可藉由第一支臂區塊124a、124b、144a、144b,以增加輻射部120、140的有效長度,而能改善返回損耗(return loss,S11值)。如此一來,可縮小天線10尺寸而同時滿足低頻的傳輸需求,且改善天線10的共振效果。
詳細而言,為提高正交極化隔離度(Co/Cx),天線10的幾何形狀須具有對稱性。因此,如第1B圖所示,反射體100、主區塊122a、122b、142a、142b的形狀分別相對反射體100沿Z方向延伸的一中心軸CEN1對稱,並且,若輻射部140與中心反射元件102之間相隔高度DP_H,則輻射部120與中心反射元件102亦大致相距高度DP_H,但輻射部140與輻射部120仍相隔一高度差,其值大致小於高度DP_H的十分之一,以避免短路。同理,主區塊122a、122b之間及主區塊142a、142b之間均具有總長度DP_L,且第一支臂區塊124a、124b、144a、144b具有長度BN_L1。再者,天線10可設置於一圓柱天線罩(radome)RAD中,其中,周邊反射元件104b、104d可延伸而交叉出圓柱天線罩RAD沿Y方向延伸的一中心軸CEN2,且圓柱天線罩RAD的半徑R1小於四分之一的操作波長,以縮小圓柱天線罩RAD的尺寸。也就是說,天線10在半徑R1的限制下,輻射部140與中心反射元件102之間的高度DP_H小於四分之一的操作波長,且主區塊142a、142b之總長度DP_L小於二分之一的操作波長。若增加高度DP_H則須減少總長度DP_L,若增加總長度DP_L則須減少高度DP_H。在此情況下,若欲改善返回損耗,則可調整高度DP_H至適當值,並藉由第一支臂區塊124a、124b、144a、144b來增加輻射部120、140的有效長度。
舉例來說,請參考表一及第2A至2C圖。第2A至2C圖分別為天線10於高度DP_H為75 mm、82 mm、86 mm時之天線共振模擬結果示意圖,其中,第2A圖中另繪示出不具有第一支臂區塊124a、124b、144a、144b的一對照組天線之天線共振模擬結果,以作為比較的基準;此外,細長虛線、粗長虛線分別代表天線10的輻射部120、對照組天線的一輻射部之天線共振模擬結果,細短虛線、粗短虛線分別代表天線10的輻射部140、對照組天線的另一輻射部之天線共振模擬結果;並且,由於天線隔離度小於-60dB,因此未繪示於第2A至2C圖中。表一分別為第2A至2C圖中之天線10、對照組天線的尺寸及返回損耗最大值,其中,半徑R1為99 mm,天線10之周邊反射元件104a〜104d的底邊長W為140 mm,且對照組天線之輻射部具有總長度DP_L且與中心反射元件相距高度DP_H。由第2A至2C圖及表一可知,藉由第一支臂區塊124a、124b、144a、144b,天線10的返回損耗可改善至-6.97 dB。 (表一)
再者,藉由調整輻射部,可進一步改善返回損耗。請參考第3圖,第3圖為一天線30之上視示意圖。天線30之架構類似於天線10,故相同元件沿用相同符號表示。其中,由於反射體100為錐台結構,反射體100在中心反射元件102處相距天線30之輻射部320、340較遠,在周邊反射元件104a〜104d處則相距輻射部320、340較近,因此,輻射部320之主區塊322a、322b及輻射部340之主區塊342a、342b分別形成一主教帽狀偶極天線(bishop hat dipole),以使輻射部主區塊322a、322b、342a、342b的幾何中心(如質心)往中心軸CEN1配置,而能增加輻射部320、340至反射體100的有效距離。此外,天線30的幾何形狀對稱於對稱軸SYM1、SYM2,而主區塊322a、322b沿對稱軸SYM2於長度BS_L1處具有最大的寬度BS_W,主區塊342a、342b沿對稱軸SYM1於長度BS_L1處具有最大的寬度BS_W。當長度BS_L1的值降低而使寬度BS_W的位置往中心軸CEN1配置時,返回損耗亦減低。藉由調整寬度BS_W、長度BS_L1之間的比例及寬度BS_W相對寬度DP_W的比例,可進一步將主區塊322a、322b、342a、342b的幾何中心向中心軸CEN1配置。
舉例來說,請參考表二及第4圖。第4圖為天線30於寬度BS_W為25.5 mm時之天線共振模擬結果示意圖,其中,長虛線代表天線30的輻射部320之天線共振模擬結果,短虛線代表天線30的輻射部340之天線共振模擬結果;此外,由於天線隔離度小於-60dB,因此未繪示於第4圖中。表二分別為第2B圖中之天線10、第4圖中之天線30的尺寸及返回損耗最大值,其中,第4圖中之天線30的總長度DP_L、高度DP_H均與第2B圖中之天線10相同,而第2A至2C圖中之天線10的寬度DP_W均與第4圖中之天線30相同。由第4圖及表二可知,藉由調整寬度BS_W相對長度BS_L1的比例及寬度BS_W相對寬度DP_W的比例,天線30的返回損耗可改善至-8.27 dB。值得注意的是,在擴展寬度BS_W以改善返回損耗的同時,較佳地維持主區塊322a、322b、342a、342b(在沿z軸上的投影)不重疊,以避免影響隔離度(isolation)。 (表二)
此外,可藉由增加反射板,以進一步改善返回損耗。請參考第5圖,第5圖為本發明實施例一天線50之示意圖。天線50之架構類似於天線30,故相同元件沿用相同符號表示。其中,天線50另包含有一反射板560,以增加天線有效的幅射面積,而能改善天線10的共振效果。反射板560藉由支撐件180而設置於輻射部340上,其與中心反射元件102之間相隔高度RF_H,且不與反射體100、輻射部320、340電性連接。為了避免影響正交極化隔離度,反射板560的形狀具有對稱性,而可為圓形或頂點數為4的倍數之正多邊形,同時,如第5圖所示,反射板560(於xy平面上的投影)分別相對對稱軸SYM1、SYM2、x軸、y軸對稱,且中心軸CEN1通過反射板560之中心點CEN3。再者,由於天線30設置於半徑R1小於四分之一的操作波長的圓柱天線罩RAD中,因此,高度RF_H小於四分之一的操作波長,且中心點CEN3至反射板560之頂點的長度RF_R亦受到限制。
舉例來說,請參考表三及第6圖。第6圖為天線50於寬度BS_W為25.5 mm時之天線共振模擬結果示意圖,其中,長虛線代表天線50的輻射部320之天線共振模擬結果,短虛線代表天線50的輻射部340之天線共振模擬結果;此外,由於天線隔離度小於-60dB,因此未繪示於第6圖中。表三分別為第6圖中之天線50的尺寸及返回損耗最大值,其中,天線50的總長度DP_L為85 mm,長度RF_R為29 mm,高度DP_H為82 mm,高度RF_H為85.5 mm,寬度DP_W為5.15 mm。將表三、第6圖與表二、第2B、4圖比較可知,藉由增加反射板560,天線50的返回損耗可改善至-9.38 dB。 (表三)
更進一步地,可藉由適當設計反射體,以進一步改善返回損耗。請參考第7A至7C圖,第7A圖為本發明實施例一天線70之示意圖,第7B圖為天線70之上視示意圖,第7C圖為沿第7B圖之剖線A-A’之截面示意圖。天線70之架構類似於天線50,故相同元件沿用相同符號表示。其中,天線70的反射體700的周邊反射元件704a〜704d分別包含有金屬底板MB_a〜MB_d、連通柱V_a〜V_d、介質層DL_a〜DL_d及金屬塊板MF_a〜MF_d。金屬底板MB_a〜MB_d大致為等腰梯形,並對稱環繞中心反射元件102設置,以形成具對稱性的一錐台結構。金屬塊板MF_a〜MF_d為金屬底板MB_a〜MB_d之相似圖形,並分別藉由連通柱V_a〜V_d而連接至金屬底板MB_a〜MB_d,以形成一蕈狀(mushroom-type)結構而能提供磁導體(Magnetic Conductor)反射效果。介質層DL_a〜DL_d則分別環繞連通柱V_a〜V_d設置,以使金屬塊板MF_a〜MF_d不直接與金屬底板MB_a〜MB_d電性連接。介質層可為各種電性隔離材料,如空氣、陶瓷(ceramic)、塑膠或微波基板等材料,其中,藉由適當提高介質層DL_a〜DL_d的介電係數(permittivity),可縮小天線70之尺寸而同時滿足低頻的傳輸需求。
詳細而言,儘管習知的人工磁導體(Artificial Magnetic Conductor,AMC)因具有週期結構而可改變電磁波反射相位,但是習知的人工磁導體為平面結構。相較之下,本發明的金屬塊板MF_a〜MF_d週期排列於彼此不平行的金屬底板MB_a〜MB_d上,因而改變反射體700的錐台結構,並且,反射體700可對應不同之頻率而提供介於-180度與180度之間的反射相位,因此,即使輻射部320、340與反射體700之距離較近,電磁波與其經反射體700的反射波仍能在空間中同相位而建設性加乘。如此一來,可降低輻射部320、340與反射體700之間的距離要求,而能進一步縮小天線70尺寸而同時滿足低頻的傳輸需求。舉例來說,請參考第8A、8B圖,第8A、8B圖為天線70的反射體700於連通柱V_a〜V_d的高度T_MR為17.6 mm、22 mm之頻率與反射相位之關係曲線的示意圖。其中,金屬塊板MF_a〜MF_d四邊投影至金屬底板MB_a〜MB_d後,分別與金屬底板MB_a〜MB_d邊緣相隔距離BT1、BT、BT2,連通柱V_a〜V_d與中心反射元件102相隔距離PST_O,且距離BT1、BT、BT2、PST_O分別為12.375 mm、18.4 mm、10 mm、51.5 mm,介電常數(dielectric constant)為10。如第8A、8B圖所示,對應不同之頻率,反射體700可提供介於-180度與180度之間的反射相位,當調整反射體700的結構尺寸時,針對特定的頻率,可改變對應的反射相位值。一般來說,和具有單純金屬板反射體的天線相比較,當反射體700的反射相位介於-180和0度之間時,可以降低天線的高度,而縮小天線70的尺寸。並且,當反射體700的反射相位越接近0度時,天線的高度越低,且天線70的尺寸越小。因此,可利用反射體700可提供各種不同反射相位值的特性來縮小天線的尺寸。針對天線系統的最低頻率,適當地調整反射體700的結構尺寸,讓此頻率的反射相位越接近0度,就有可能將天線70的尺寸縮的越小。
透過模擬可進一步判斷天線70之不同頻率之天線輻射場型是否符合系統需求。請參考表四及第9A、9B圖。第9A、9B圖分別為天線70於高度DP_H為82 mm、66.4 mm時之天線共振模擬結果示意圖,其中,長虛線代表天線70的輻射部320之天線共振模擬結果,短虛線代表天線70的輻射部340之天線共振模擬結果,實線代表天線70的輻射部320、340之天線隔離度模擬結果。表四分別為第9A、9B圖中之天線70的尺寸及返回損耗最大值,其中,距離BT1、BT、BT2、PST_O分別為12.3 mm、18.4 mm、11.9 mm、51.5 mm,高度T_MR為17.5 mm,介電常數(dielectric constant)為10。由表四及第8A、8B圖可知,輻射部320、340的返回損耗可改善至-11.9 dB,而能滿足返回損耗小於-10 dB的要求。 (表四)
此外,請參考表五至表九及第10及11圖。表五、表六分別為第9B圖中之天線70的輻射部320於H截面、V截面之場型特性表,表七、表八分別為第9B圖中之天線70的輻射部340於H截面、V截面之場型特性表,表九為第9B圖中之天線70之天線特性表。第10圖為第9B圖中之天線70的輻射部320對應頻率777 MHz之天線場型特性模擬結果示意圖,第11圖為第9B圖中之天線70的輻射部340對應頻率777 MHz之天線場型特性模擬結果示意圖,其中,粗實線代表天線70之同極化在0度角(水平)切面之輻射場型,粗虛線代表天線70之同極化在90度角(垂直)切面之輻射場型,細實線代表天線70之正交極化在0度角(水平)切面之輻射場型,細虛線代表天線70之正交極化在90度角(垂直)切面之輻射場型。由第9B圖可知,在Band13的頻段(746 MHz至787 MHz)中,天線70的返回損耗至少-10.3 dB,最大增益值至少5.96 dBi,正交極化隔離度至少43.5 dB,可滿足Band13的要求。 (表五) (表六) (表七) (表八) (表九)
值得注意的是,如第8A、8B圖所示,反射體700的反射相位於較高的頻段內呈現劇烈的變化,而且也能夠提供介於 -180度與180度之間的反射相位值,因此,利用反射體700的此項特性,而能將天線結構延伸於多頻段天線的應用。
請參考第12A至12C圖,第12A圖為本發明實施例一天線80之示意圖,第12B圖為天線80之側視示意圖,第12C圖為天線80的輻射部820、840之示意圖。天線80之架構類似於天線70,故相同元件沿用相同符號表示。其中,輻射部820包含有具對稱性的金屬片820a、820b,以形成極化傾斜135度之一偶極天線。金屬片820a、820b分別包含有主區塊322a、322b、第一支臂區塊124a、124b、第二支臂區塊828a、828b及饋入點126a、126b。如第12B及12C圖所示,第一支臂區塊124a、124b之端點(如第一支臂區塊124a之點B)分別連接於主區塊322a、322b之端點(如主區塊322a之點B),以使共振時的正負極性距離較遠,而具有較佳的輻射效果。第二支臂區塊828a、828b之端點(如第二支臂區塊828a之點D)也連接至主區塊322a、322b(如主區塊322a之點D),但第二支臂區塊828a、828b之端點與第一支臂區塊124a、124b之端點相隔一距離D1。類似地,輻射部840包含有具對稱性的金屬片840a、840b,以形成極化傾斜45度之一偶極天線。金屬片840a、840b分別包含有主區塊342a、342b、第一支臂區塊144a、144b、第二支臂區塊848a、848b及饋入點146a、146b。第一支臂區塊144a、144b之端點分別連接於主區塊342a、342b之端點,第二支臂區塊848a、848b之端點連接至主區塊342a、342b,但其端點與第一支臂區塊144a、144b之端點相隔距離D1。其中,第一支臂區塊124a、124b、144a、144b及第二支臂區塊828a、828b、848a、848b均與主區塊322a、322b、342a、342b不共面(not coplanar),而分別朝向反射體700延伸。
如第12C圖所示,相對於主區塊(如主區塊322a之點O至點B)與第一支臂區塊(如第一支臂區塊124a之點B至點A)形成之電流路徑ODBA,主區塊(如主區塊322a之點O至點D)與第二支臂區塊(如第二支臂區塊828a之點D至點C)形成之電流路徑ODC較短。因此,僅有第一支臂區塊124a、124b、144a、144b能共振於較低頻之第一共振頻率,而第二支臂區塊828a、828b、848a、848b則無法共振於第一共振頻率,且第二支臂區塊828a、828b、848a、848b不會影響第一共振頻率的共振情形。此外,儘管第一支臂區塊124a、124b、144a、144b與第二支臂區塊828a、828b、848a、848b均能共振於較高頻之第二共振頻率,但第一支臂區塊124a、124b、144a、144b是以高階之模態共振於第二共振頻率,而第二支臂區塊828a、828b、848a、848b則是以低階之模態共振於第二共振頻率。基於低階之模態的阻抗值小於高階之模態的阻抗值,第二共振頻率傾向形成於主區塊與第二支臂區塊形成之電流路徑(電流路徑ODC)。換言之,主區塊與第一支臂區塊形成之電流路徑(電流路徑ODBA)對應第一共振頻率,而主區塊與第二支臂區塊形成之電流路徑(電流路徑ODC)對應第二共振頻率。採用雙支臂的結構,其優點是讓支臂之間的相互影響最小,以提升在多頻天線設計時結構參數調整的自由度。
透過模擬可進一步判斷天線80之不同頻率之天線輻射場型是否符合系統需求。請參考第13、14圖及表十、表十一。第13圖為天線80之天線共振模擬結果示意圖,其中,天線80之半徑R1為99 mm,周邊反射元件104a〜104d的底邊長W為140 mm,距離T_MR為11.9 mm,介電常數(dielectric constant)為10,並且,長虛線代表天線80的輻射部820之天線共振模擬結果,短虛線代表天線80的輻射部840之天線共振模擬結果,實線代表天線80的輻射部820、840之天線隔離度模擬結果。由第13圖可知,在Band13(746 MHz至756MHz以及777MHz至787 MHz)和Band4(1710 MHz至1755 MHz以及2110 MHz至2155 MHz)的頻段內,輻射部820、840的隔離度至少53.2 dB,返回損耗則可改善至至少-8.3 dB。第14圖為天線80的輻射部840對應頻率777 MHz之天線場型特性模擬結果示意圖,其中,粗實線代表天線80之同極化在0度角(水平)切面之輻射場型,粗虛線代表天線80之同極化在90度角(垂直)切面之輻射場型,細實線代表天線80之正交極化在0度角(水平)切面之輻射場型,細虛線代表天線80之正交極化在90度角(垂直)切面之輻射場型。由第14圖可知,在777MHz時,天線80的前後場型比(F/B)至少7.5 dB,最大增益值至少5.67 dBi,正交極化隔離度至少51.1 dB。由於天線80的輻射部820或操作於其他頻率時也有類似上述的天線輻射場型,因此不另贅述。表十、表十一分別為天線80的輻射部820、840之場型特性表。由表十、表十一可知,在Band13和Band4的頻段中,天線的前後場型比(F/B)至少6.8 dB,最大增益值至少5.35 dBi,正交極化隔離度至少13.6 dB。 (表十) (表十一)
天線10、30、50、70、80為本發明之實施例,本領域具通常知識者當可據以做不同的變化及修飾。舉例來說,周邊反射元件的介質層可僅設置於每一金屬塊板下,或完整覆蓋於金屬底板上,而每一金屬底板上可有一相似的金屬塊板或多個週期排列之金屬塊板。此外,天線80之第一支臂區塊124a、124b、144a、144b之端點(如第一支臂區塊124a之點B)連接於主區塊322a、322b、342a、342b之端點(如主區塊322a之點B),但本發明不限於此,第一支臂區塊亦可連接於主區塊之中心點或主區塊的其他位置(如主區塊322a之點D)。並且,天線80之第一支臂區塊124a、124b、144a、144b及第二支臂區塊828a、828b、848a、848b可垂直主區塊322a、322b、342a、342b,或分別與主區塊322a、322b、342a、342b相隔一夾角,而能保持與主區塊322a、322b、342a、342b不共面。在第12B及12C圖中,天線80之第一支臂區塊124a、124b、144a、144b及第二支臂區塊828a、828b、848a、848b彼此平行,但本發明不限於此,第一支臂區塊及第二支臂區塊亦可分別與主區塊相隔不同夾角而不平行。再者,天線80之第一支臂區塊124a、124b、144a、144b及第二支臂區塊828a、828b、848a、848b與主區塊322a、322b、342a、342b不共面,然而,本發明不以此為限,亦可使第一支臂區塊或第二支臂區塊與主區塊共面,但如此較不利於天線之尺寸最小化。此外,在第12B及12C圖中,第二支臂區塊828a、828b之長度BN_L2小於第一支臂區塊124a、124b之長度BN_L1,但不以此為限,而可視不同設計考量而適當變化。
為了滿足多頻段或寬頻的傳輸需求,可進一步調整天線80之輻射部820、840。請參考第15圖,第15圖為本發明實施例一天線90的輻射部920、940之示意圖。輻射部920、940可取代第12A圖中的天線80之輻射部820、840,並且,輻射部920、940之架構類似於輻射部820、840,故相同元件沿用相同符號表示。輻射部820、840與輻射部920、940不同之處在於,輻射部920包含有具對稱性的金屬片920a、920b,而金屬片920a、920b分別另包含有第三支臂區塊929a、929b。如第15圖所示,第三支臂區塊929a、929b連接至主區塊322a、322b,但第三支臂區塊929a、929b之端點E、G與第二支臂區塊828a、828b之端點F、H分別相隔一距離D2。類似地,輻射部940包含有具對稱性的金屬片940a、940b,而金屬片940a、940b另分別包含有第三支臂區塊949a、949b。第三支臂區塊949a、949b連接至主區塊342a、342b,但第三支臂區塊949a、949b之端點I、K與第二支臂區塊848a、848b之端點J、L相隔距離D2。藉由第三支臂區塊929a、929b、949a、949b,可增加天線90適用的頻段,例如涵蓋Band4(1710 MHz至1755 MHz以及2110 MHz至2155 MHz)的頻段。
透過模擬可進一步判斷天線90之不同頻率之天線輻射場型是否符合系統需求。請參考第16、17圖及表十二、表十三。第16圖為天線90之天線共振模擬結果示意圖,其中,天線90之半徑R1為99 mm,周邊反射元件104a〜104d的底邊長W為140 mm,距離T_MR分別為11.9 mm,介電常數(dielectric constant)為10,並且,長虛線代表天線90的輻射部920之天線共振模擬結果,短虛線代表天線90的輻射部940之天線共振模擬結果,實線代表天線90的輻射部920、940之天線隔離度模擬結果。由第16圖可知,在Band13(746 MHz至756MHz以及777MHz至787 MHz)和Band4(1710 MHz至1755 MHz以及2110 MHz至2155 MHz)的頻段內,輻射部920、940的隔離度至少41.7 dB,返回損耗則可改善至至少-8.4 dB。第17圖為天線90的輻射部940對應頻率777 MHz之天線場型特性模擬結果示意圖,其中,粗實線代表天線90之同極化在0度角(水平)切面之輻射場型,粗虛線代表天線90之同極化在90度角(垂直)切面之輻射場型,細實線代表天線90之正交極化在0度角(水平)切面之輻射場型,細虛線代表天線90之正交極化在90度角(垂直)切面之輻射場型。由第17圖可知,在777MHz時,天線90的前後場型比(F/B)至少7.6 dB,最大增益值至少5.62 dBi,正交極化隔離度至少51.0 dB。由於天線90的輻射部920或操作於其他頻率時也有類似上述的天線輻射場型,因此不另贅述。表十二、表十三分別為天線90的輻射部920、940之場型特性表。由表十二、表十三可知,在Band13和Band4的頻段中,天線的前後場型比(F/B)至少6.9 dB,最大增益值至少5.41 dBi,正交極化隔離度至少12.3dB。 (表二) (表十三)
另一方面,適度修改天線10、30、50、70、80、90後,可進一步衍生出雙極化波束交換天線組。請參考第18圖,第18圖為本發明實施例一複合天線18之示意圖。複合天線18係由天線ANT_1~ANT_4所組成,其中,天線ANT_1~ANT_4具有相同之結構,且其基本概念係與第1A、1B圖之天線10、第3圖之天線30、第5圖之天線50、第7A至7C圖之天線70相似,因此,第18圖僅繪示天線ANT_1之結構。如第18圖所示,天線ANT_1包含有一反射體700、輻射部320、340、一反射板560及一支撐件180。天線ANT_1~ANT_4經組合後使複合天線18在水平面(即xz平面)上構成一環型對稱結構,並設置於圓柱天線罩RAD中。需注意的是,在複合天線18中,天線ANT_1~ANT_4之反射體的周邊反射元件係電性連接在一起,即共地。在此情形下,可適度調整天線ANT_1~ANT_4之反射體,以節省製造成本,例如,第18圖中的天線ANT_2、ANT_4之中心反射元件僅與天線ANT_1、ANT_3之周邊反射元件相接,而未包含兩側翼之周邊反射元件。然而,本發明不限於此,舉例來說,天線ANT_1~ANT_4之結構亦可略為不同。由於實際運作上,複合天線18可僅開啟(turn on)天線ANT_1~ANT_4中的一個天線,而其他的天線則為關閉(turn off),因此複合天線18的天線場型特性模擬結果與一個天線的天線場型特性模擬結果(如第10、11圖)相同。當天線ANT_1~ANT_4依序開啟時,複合天線18的天線場型特性模擬結果為天線ANT_1~ANT_4的天線場型特性模擬結果交互覆蓋而成。並且,天線ANT_1~ANT_4中的相鄰兩天線可進一步形成合併波束(combined-beam),而提高覆蓋場型的均勻度。
綜上所述,本發明之天線係利用輻射部中不共面的主區塊與第一支臂區塊來增加輻射部的有效長度,藉由調整輻射部之寬度及長度之間的幾何比例來增加輻射部至反射體的有效距離,透過反射板來增加天線有效的幅射面積,並利用反射體中週期排列的金屬塊板來改變電磁波反射相位,而能改善天線特性,並縮小天線的尺寸而同時滿足低頻的傳輸需求。此外,本發明之天線因包含有第二支臂區塊或第三支臂區塊,其配合具有人工磁導體結構的反射體,可兼顧多頻段的傳輸需求。 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、30、50、70、80、90、ANT_1~ANT_4‧‧‧天線
18‧‧‧複合天線
100、700‧‧‧反射體
102‧‧‧中心反射元件
104a〜104d、704a〜704d‧‧‧周邊反射元件
120、140、320、340、820、840、920、940‧‧‧輻射部
120a、120b、140a、140b、320a、320b、340a、340b、820a、820b、840a、840b、920a、920b、940a、940b‧‧‧金屬片
122a、122b、142a、142b、322a、322b、342a、342b‧‧‧主區塊
124a、124b、144a、144b‧‧‧第一支臂區塊
126a、126b、146a、146b‧‧‧饋入點
180‧‧‧支撐件
560‧‧‧反射板
MB_a〜MB_d‧‧‧金屬底板
V_a〜V_d‧‧‧連通柱
DL_a〜DL_d‧‧‧介質層
MF_a〜MF_d‧‧‧金屬塊板
DP_L‧‧‧總長度
BN_L1、BN_L2、BS_L1、RF_R‧‧‧長度
W‧‧‧底邊長
DP_H、RF_H、T_MR‧‧‧高度
DP_W、BS_W‧‧‧寬度
BT、BT1、BT2、PST_O、D1、D2‧‧‧距離
R1‧‧‧半徑
SYM1、SYM2‧‧‧對稱軸
CEN1、CEN2‧‧‧中心軸
CEN3‧‧‧中心點
RAD‧‧‧圓柱天線罩
A、B、C、D、E、F、G、H、O、I、J、K、L、P1a、P2a、P3a、P4a、P1b、P2b‧‧‧點
828a、828b、848a、848b‧‧‧第二支臂區塊
929a、929b、949a、949b‧‧‧第三支臂區塊
第1A圖為本發明實施例一天線之示意圖。 第1B圖為第1A圖之天線之側視示意圖。 第2A至2C圖分別為第1A圖之天線於高度為75 mm、82 mm、86 mm時之天線共振模擬結果示意圖。 第3圖為本發明一實施例一天線之上視示意圖。 第4圖為第3圖之天線於寬度為25.5 mm時之天線共振模擬結果示意圖。 第5圖為本發明實施例一天線之示意圖。 第6圖為第5圖之天線於寬度BS_W為25.5 mm時之天線共振模擬結果示意圖。 第7A圖為本發明實施例一天線之示意圖。 第7B圖為第7A圖之天線之上視示意圖。 第7C圖為沿第7B圖之剖線A-A’之截面示意圖。 第8A、8B圖為第7A圖之天線的反射體於連通柱的高度為17.6 mm、22 mm之頻率與反射相位之關係曲線的示意圖。 第9A、9B圖分別為第7A圖之天線於高度為82 mm、66.4 mm時之天線共振模擬結果示意圖。 第10圖為第9B圖中之天線的一輻射部對應頻率777 MHz之天線場型特性模擬結果示意圖。 第11圖為第9B圖中之天線的另一輻射部對應頻率777 MHz之天線場型特性模擬結果示意圖。 第12A圖為本發明實施例一天線之示意圖。 第12B圖為第12A圖之天線之側視示意圖。 第12C圖為第12A圖之天線的輻射部之示意圖。 第13圖為第12A圖之天線之天線共振模擬結果示意圖。 第14圖為第12A圖之天線的輻射部對應頻率777 MHz之天線場型特性模擬結果示意圖。 第15圖為本發明實施例一天線的輻射部之示意圖。 第16圖為第15圖之天線之天線共振模擬結果示意圖。 第17圖為第15圖之輻射部對應頻率777 MHz之天線場型特性模擬結果示意圖。 第18圖為本發明實施例一複合天線之示意圖。
10‧‧‧天線
100‧‧‧反射體
102‧‧‧中心反射元件
104a~104d‧‧‧周邊反射元件
120、140‧‧‧輻射部
120a、120b、140a、140b‧‧‧金屬片
122a、122b、142a、142b‧‧‧主區塊
124a、124b、144a、144b‧‧‧第一支臂區塊
126a、126b、146a、146b‧‧‧饋入點
180‧‧‧支撐件

Claims (18)

  1. 一種天線,用來收發無線電訊號,包含有:一反射體,包含有:一中心反射元件;以及複數個周邊反射元件,環繞該中心反射元件設置,以形成一錐台(frustum)結構;以及至少一輻射部,設置於該中心反射元件上;其中,該反射體及該至少一輻射部未電性連接;其中該錐台結構具有對稱性,且該等複數個周邊反射元件的每一周邊反射元件包含有:一金屬底板;至少一金屬塊板;至少一連通柱,該至少一連通柱分別連接該至少一金屬塊板至該金屬底板之間,以形成一蕈狀(mushroom-type)結構而能提供磁導體反射效果;以及一介質層,環繞該至少一連通柱設置。
  2. 如請求項1所述之天線,另包含有一反射板,設置於該至少一輻射部上,該反射板之一形狀具有對稱性。
  3. 如請求項2所述之天線,其中該中心反射元件與該反射板之間的距離小於四分之一的操作波長。
  4. 如請求項2所述之天線,其中該反射板為一正多邊形或圓形,且該正多邊形之頂點數為4的倍數。
  5. 如請求項1所述之天線,其中該金屬底板為一梯形,且該至少一金屬 塊板為該金屬底板之相似圖形。
  6. 如請求項1所述之天線,其中該至少一輻射部包含有至少一金屬片,該至少一金屬片的每一金屬片包含有:一主區塊;以及一饋入點,該饋入點位於該主區塊上。
  7. 如請求項6所述之天線,其中該至少一金屬片中的一第一金屬片之該主區塊與該至少一金屬片中的一第二金屬片之該主區塊形成一主教帽狀偶極天線(bishop hat dipole),且該第一金屬片與該第二金屬片具有對稱性。
  8. 如請求項7所述之天線,其中該至少一金屬片的每一金屬片另包含有一第一支臂區塊,該第一支臂區塊連接該主區塊,且該第一支臂區塊與該主區塊不共面(not coplanar),其中該第一支臂區塊之一端點連接於該主區塊之一端點。
  9. 如請求項8所述之天線,其中該至少一金屬片的每一金屬片另包含有一第二支臂區塊,該第二支臂區塊與該主區塊不共面,該第二支臂區塊之一端點連接至該主區塊,且該第二支臂區塊之該端點與該主區塊之該端點相隔一距離。
  10. 一種複合天線,用來收發無線電訊號,包含複數個天線,該等複數個天線中的每一天線包含有:一反射體,包含有:一中心反射元件;以及複數個周邊反射元件,環繞該中心反射元件設置,以形成一錐台(frustum)結構;以及至少一輻射部,設置於該中心反射元件上;其中,該反射體及該至少一輻射部未電性連接; 其中該錐台結構具有對稱性,且該等複數個周邊反射元件的每一周邊反射元件包含有:一金屬底板;至少一金屬塊板;至少一連通柱,該至少一連通柱分別連接該至少一金屬塊板至該金屬底板之間,以形成一蕈狀(mushroom-type)結構而能提供磁導體反射效果;以及一介質層,環繞該至少一連通柱設置。
  11. 如請求項10所述之複合天線,該等複數個天線中的每一天線另包含有一反射板,設置於該至少一輻射部上,該反射板之一形狀具有對稱性。
  12. 如請求項11所述之複合天線,其中該中心反射元件與該反射板之間的距離小於四分之一的操作波長。
  13. 如請求項11所述之複合天線,其中該反射板為一正多邊形或圓形,且該正多邊形之頂點數為4的倍數。
  14. 如請求項10所述之複合天線,其中該金屬底板為一梯形,且該至少一金屬塊板為該金屬底板之相似圖形。
  15. 如請求項10所述之複合天線,其中該至少一輻射部包含有至少一金屬片,該至少一金屬片的每一金屬片包含有:一主區塊;以及一饋入點,該饋入點位於該主區塊上。
  16. 如請求項15所述之複合天線,其中該至少一金屬片中的一第一金屬片之該主區塊與該至少一金屬片中的一第二金屬片之該主區塊形成一主教帽狀偶極天線(bishop hat dipole),且該第一金屬片與該第二金屬片具有對稱性。
  17. 如請求項16所述之複合天線,其中該至少一金屬片的每一金屬片另包含有一第一支臂區塊,該第一支臂區塊連接該主區塊,且該第一支臂區塊與該主區塊不共面(not coplanar),其中該第一支臂區塊之一端點連接於該主區塊之一端點。
  18. 如請求項17所述之複合天線,其中該至少一金屬片的每一金屬片另包含有一第二支臂區塊,該第二支臂區塊與該主區塊不共面,該第二支臂區塊之一端點連接至該主區塊,且該第二支臂區塊之該端點與該主區塊之該端點相隔一距離。
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