TWI645619B - 適用於全頻段之圓極化天線結構 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種全頻段之圓極化天線結構，其主要包含一金屬共振腔體及一天線輻射板，該天線輻射板包含一介質基板及一輻射金屬層，其中該輻射金屬層設有一個或以上之環狀槽孔，該環狀槽孔將該輻射金屬層分割成數個區域。該環狀槽孔內排列設有數個導通選擇段，其分別被選擇設定為一通路狀態或一斷路狀態，以調整該圓極化天線結構之天線頻率。因此，該圓極化天線結構可以有效縮小體積，並且有利於天線的製造。

Description

適用於全頻段之圓極化天線結構

本發明係關於一種圓極化天線結構，特別是關於一種小型的適用於全頻段之圓極化天線結構。

無線射頻辨識(RFID,Radio Frequency Identification)技術在倉儲業和物流業或者是其他有大量貨物需要盤點的領域上具有很好的便利性和效率。然而，世界各國的RFID的法規頻段各不相同，因此設計及製作一種可以符合全世界規範的操作頻段(860MHz-960MHz)的讀卡機天線有其必要性。

再者，傳統圓極化平面天線大致可分為單饋入式和雙饋入式兩種，其中單饋入式圓極化天線可使天線的腔體振出兩個相互正交的模態，使這兩個模態之間有90度的相位差，而產生圓極化效果。因此，要設計出一種可以涵蓋RFID全頻段的圓極化天線，單饋入式圓極化天線可以是一種較好的選項。

然而，習用的單饋入式圓極化天線無法調整其工作頻率，而且為了要涵蓋RFID全頻段，一般會設計使用寬頻天線，其在接收時為了過濾不需要的頻段雜訊，還需要設置一個高選擇性濾波器，這樣會造成天線的設計較為複雜困難，並且使天線的體積過於龐大。因此，圓極化天線必 須針對不同工作頻率的需求來設計及修改，不利於天線的製造。

為了改進上述的缺點，有必要提供一種改良的體積小且頻率可調整的圓極化天線結構，以解決習用技術所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種全頻段之圓極化天線結構，其主要藉由在一輻射金屬層設有一個或以上之環狀槽孔，且該環狀槽孔內排列設有數個導通選擇段，該些導通選擇段分別被選擇設定為一通路狀態或一斷路狀態，以調整該圓極化天線結構之天線頻率。

本發明之另一目的在於提供一種全頻段之圓極化天線結構，其對於濾波器的依賴度可以較小，甚至可以省略濾波器，因此有利於近一步縮小天線體積。

為達上述之目的，本發明提供一種適用於全頻段之圓極化天線結構，其包含：一金屬共振腔體，具有一腔室及一開口，該腔室底部設有一饋入組件；及一天線輻射板，包含一介質基板及一輻射金屬層，該介質基板設於該金屬共振腔體之開口內，該輻射金屬層設於該介質基板上，該輻射金屬層之一外周緣上凹設有數個圓極化缺口；其中該輻射金屬層設有一個或以上之環狀槽孔，該環狀槽孔將該輻射金屬層分割成數個區域，且該環狀槽孔內排列設有數個導通選擇段，該輻射金屬層的該些區域藉由該些導通選擇段相互連接，該些導通選擇段分別被選擇設定為一通路狀態或一斷路狀態，以調整該圓極化天線結構之一適用頻段。

在本發明一實施例中，該些導通選擇段為數個金屬導片。

在本發明一實施例中，該些金屬導片中的至少一個具有一預 切斷口，以預先設定具有該預切斷口之導通選擇段為該斷路狀態。

在本發明一實施例中，該些導通選擇段為數個電子元件。

在本發明一實施例中，所述之適用於全頻段之圓極化天線結構，另包含一控制電路，用以分別電性連接該些電子元件為通路或斷路，進而分別控制該些導通選擇段為該通路狀態或斷路狀態。

在本發明一實施例中，該些電子元件為一高頻二極體。

在本發明一實施例中，該輻射金屬層為方形、圓形或三角形。

在本發明一實施例中，該環狀槽孔為方形、圓形或三角形。

在本發明一實施例中，該圓極化缺口為方形、半圓形、弧形或三角形。

在本發明一實施例中，該饋入組件使該金屬共振腔體與該輻射金屬層形成電容耦合。

100‧‧‧圓極化天線結構

10‧‧‧金屬共振腔體

12‧‧‧開口

20‧‧‧天線輻射板

22‧‧‧介質基板

24‧‧‧輻射金屬層

26‧‧‧圓極化缺口

28‧‧‧環狀槽孔

30‧‧‧饋入組件

40‧‧‧導通選擇段

40a‧‧‧金屬導片

40b‧‧‧電子元件

42‧‧‧預切斷口

第1圖：本發明第一實施例的圓極化天線結構之立體示意圖。

第2圖：本發明第一實施例的圓極化天線結構之側剖視示意圖。

第3A圖：本發明第一實施例的圓極化天線結構之上視示意圖。

第3B圖：本發明第一實施例的圓極化天線結構之另一狀態之上視示意圖。

第4圖：本發明第一實施例的圓極化天線結構之反射損耗對頻率響應圖。

第5圖：本發明第二實施例的圓極化天線結構之軸比對頻率響應圖。

第6A圖：本發明第二實施例的圓極化天線結構之上視示意圖。

第6B圖：本發明第二實施例的圓極化天線結構之上視示意圖。

第7圖：本發明第二實施例的圓極化天線結構之反射損耗對頻率響應 圖。

第8圖：本發明第二實施例的圓極化天線結構之軸比對頻率響應圖。

第9圖：本發明第三實施例的圓極化天線結構之上視示意圖。

第10圖：本發明第四實施例的圓極化天線結構之上視示意圖。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

請參考第1圖及第2圖所示，第1圖是本發明第一實施例的圓極化天線結構之立體示意圖；及第2圖是本發明第一實施例的圓極化天線結構之側剖視示意圖。本發明第一實施例的一種適用於全頻段之圓極化天線結構100主要包含：一金屬共振腔體10及一天線輻射板20；該金屬共振腔體10的一頂面上設有一開口12；該天線輻射板20包含一介質基板22及一輻射金屬層24，其中該介質基板22設於該金屬共振腔體10之開口12內，該輻射金屬層24設於該介質基板22上，並且該輻射金屬層24之一外周緣上凹設有數個圓極化缺口26。

如第1圖及第2圖所示，在本發明中，該金屬共振腔體10之一腔室底部設有一饋入組件30，該饋入組件30例如採用RF接頭並連接一同軸電纜(未繪示)，使該金屬共振腔體10與該天線輻射板的輻射金屬層24形成電容耦合。另外，該金屬共振腔體10又連接於一饋入電源(未繪示)，也就是以該金屬共振腔體10當做接地面，因此可以縮小整體天線尺寸，及避免環境雜訊的影響。

再者，該輻射金屬層24，例如是以印製的方式形成於該介質基板22上，而該輻射金屬層24的形狀例如為方形、圓形或三角形，本發明並不加以具體限制。另外，該輻射金屬層24之外周緣上的數個圓極化缺口26例如為方形、半圓形、弧形或三角形，通過這樣的外形設計，可以使本發明的單饋入式的圓極化天線結構100的金屬共振腔體10振出兩個相互正交的模態，使這兩個模態之間有90度的相位差，因此產生圓極化的效果。

如第1圖及第2圖所示，該輻射金屬層24另設有一個方形的環狀槽孔28，該環狀槽孔28將該輻射金屬24層分割成內外兩個區域，且在該環狀槽孔28內，以圓形陣列的方式排列設置有四個導通選擇段40，該輻射金屬層24的內外兩個不同的區域藉由該些導通選擇段40相互連接。

在本發明中，該環狀槽孔28例如為方形、半圓形、弧形或三角形，其可以增加電流路徑及縮小整體天線體積；而該些導通選擇段40則用以調整該圓極化天線結構100之天線頻率，將於下文中再詳述。另外，雖然在本實施例中，該環狀槽孔28的數量為一個，而該導通選擇段40的數量為4個且以圓形陣列方式排列，但本發明並不加以限制，使用者可以實際需求來設計該環狀槽孔28及該導通選擇段40的數量及排列方式。

請參考第3A圖及第3B圖所示，第3A圖是本發明第一實施例的圓極化天線結構之上視示意圖；及第3B圖是本發明第一實施例的圓極化天線結構之另一狀態之上視示意圖。如第3A圖所示，在本實施例中，該些導通選擇段40為數個金屬導片40a，該些金屬導片40a連接該輻射金屬層24的被該環狀槽孔28分割的不同區域。另外，在本發明的後續圖示中，為清楚區分該輻射金屬24、該些導通選擇段40及該環狀槽孔28，因此特別以區域填充線的方式來表示該輻射金屬24及該些導通選擇段40，合先敘明。

進一步地，如第3B圖所示，該些導通選擇段40(金屬導片40a)可分別被選擇設定為一通路狀態或一斷路狀態，以調整該圓極化天線結構100之一適用頻段。也就是說，該些金屬導片40a中的至少一個具有一預切斷口42，以預先設定具有該預切斷口42之導通選擇段40為該斷路狀態，並通過該些導通選擇段40的通路狀態或斷路狀態的設定，預先調整該圓極化天線結構100之操作頻段，例如設定在860MHz至960MHz的範圍之間。

請參考第4圖及第5圖所示，第4圖是本發明第一實施例的圓極化天線結構之反射損耗對頻率響應圖，其顯示輻射金屬層分離狀態與連接狀態之比對；及第5圖是本發明第二實施例的圓極化天線結構之軸比對頻率響應圖，其顯示輻射金屬層分離狀態與連接狀態之比對。如第4圖所示，虛線為輻射金屬層分離時之天線反射損耗，而實線為輻射金屬層連接時之天線反射損耗，由圖中可以看出，因為金屬連接後，電流路徑變短，所以操作頻率往高頻移動。再如第5圖所示，虛線代表輻射金屬層分離時的軸比，而實線為輻射金屬層連接時的軸比，由圖中可以看出，兩者的軸比皆小於3dB，但輻射金屬層連接後，頻率確實往高頻移動。

如上所述，相較於習用的圓極化天線體積較大，且無法調整工作頻率，本發明提供一種全頻段之圓極化天線結構100，例如使用於無線射頻辨識(RFID,Radio Frequency Identification)的讀卡機天線，其主要包含一金屬共振腔體10及一天線輻射板20，該天線輻射板20包含一介質基板22及設於該介質基板上的一輻射金屬層24，其中該輻射金屬層24設有一個或以上之環狀槽孔28，該環狀槽孔28將該輻射金屬層24分割成數個區域，且該環狀槽孔28內排列設有數個導通選擇段40(金屬導片40a)，該輻射金屬層24的該些區域藉由該些導通選擇段40相互連接，該些導通選擇段40分別被選擇設定為一通路狀態或一斷路狀態，以調整該圓極化天線結構100之天線頻率可涵蓋RFID全頻段。

再者，本發明的適用於全頻段之圓極化天線結構100由於可調整到所需的頻率，因此對於濾波器的依賴度較小，因此有利於縮小天線體積，並且由於該圓極化天線結構100可預先製作完成，再針對不同工作頻率的需求來調整其適用之一頻段，因此有利於天線的製造。

請參考第6A圖及第6B圖所示，第6A圖是本發明第二實施例的圓極化天線結構之上視示意圖；及第6B圖是本發明第二實施例的圓極化天線結構之上視示意圖。本發明第二實施例的圓極化天線結構100a與本發明第一實施例的雙頻圓極化天線結構100大致相似，因此沿用相同的組件名稱，但二者的不同之處在於：在本實施例中，該輻射金屬層24設有兩個圓形的環狀槽孔28，該些環狀槽孔28將該輻射金屬24層分割成內外三個區域，且在該些環狀槽孔28內，以圓形陣列的方式排列各自設置有四個導通選擇段40，該些導通選擇段40為數個金屬導片40a，該輻射金屬層24的該些 區域藉由該些導通選擇段40相互連接。相同地，如第6B圖所示，該些導通選擇段40可分別被選擇設定為一通路狀態或一斷路狀態，以調整該圓極化天線結構之一適用頻段。

請參考第7圖及第8圖所示，第7圖是本發明第二實施例的圓極化天線結構之反射損耗對頻率響應圖，其顯示輻射金屬層分離狀態與連接狀態之比對；及第8圖是本發明第二實施例的圓極化天線結構之軸比對頻率響應圖，其顯示輻射金屬層分離狀態與連接狀態之比對。如第7圖及第8圖所示，虛線代表輻射金屬層為分離，而實線為輻射金屬層為連接，由圖中可以看出，使用該些導通選擇段40(金屬導片40a)將該些不同區域的輻射金屬層24連接後，因為電流路徑變短，所以操作頻率往高頻移動。且調整後天線的軸依然小於3dB。

請參考第9圖所示，第9圖是本發明第三實施例的圓極化天線結構之上視示意圖。本發明第三實施例的圓極化天線結構100b與本發明第一實施例的雙頻圓極化天線結構100大致相似，因此沿用相同的組件名稱，但二者的不同之處在於：在本實施例中，該些導通選擇段40是以數個電子元件40b來代替第一實施例中金屬導片40a，該些電子元件40b例如為主動或被動電子元件，較佳地為一高頻二極體(PIN二極體)。本實施例中的圓極化天線結構100b另包含一控制電路(未繪示)，其用以分別電性連接該些電子元件40b為通路或斷路，進而分別控制該些導通選擇段40為該通路狀態或斷路狀態。

因此，相較於本發明的第一實施例，本發明的第三實施例藉由控制導通選擇段40(電子元件40b)的開關，來達到在裝置運作期間主動控 制天線頻率的效果，且對於濾波器的依賴度可以較小，甚至可以省略濾波器，因此有利於進一步縮小天線體積，並且由於該圓極化天線結構100c可預先製作完成，因此也有利於天線的製造。

請參考第10圖所示，第10圖是本發明第四實施例的圓極化天線結構之上視示意圖。本發明第三實施例的圓極化天線結構100c與本發明第二實施例的雙頻圓極化天線結構100a大致相似，因此沿用相同的組件名稱，但二者的不同之處在於：在本實施例中，該些導通選擇段40是以數個電子元件40b來代替第一實施例中金屬導片40a，該些電子元件40b例如為主動或被動電子元件，較佳地為一高頻二極體(PIN二極體)。本實施例中的圓極化天線結構100b另包含一控制電路(未繪示)，其用以分別電性連接該些電子元件40b為通路或斷路，進而分別控制該些導通選擇段40為該通路狀態或斷路狀態。

因此，相較於本發明的第二實施例，本發明的第四實施例藉由控制該導通選擇段40(電子元件40b)的開關，來達到在裝置運作期間主動控制天線頻率的效果，且對於濾波器的依賴度可以較小，甚至可以省略濾波器，因此有利於近一步縮小天線體積，並且由於該圓極化天線結構100c可預先製作完成，因此也有利於天線的製造。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

1. 一種適用於全頻段之圓極化天線結構，其包含：一金屬共振腔體，具有一腔室及一開口，該腔室底部設有一饋入組件；及一天線輻射板，包含一介質基板及一輻射金屬層，該介質基板設於該金屬共振腔體之開口內，該輻射金屬層設於該介質基板上，該輻射金屬層之一外周緣上凹設有數個圓極化缺口；其中該輻射金屬層設有一個或以上之環狀槽孔，該環狀槽孔將該輻射金屬層分割成數個區域，且該環狀槽孔內排列設有數個導通選擇段，該輻射金屬層的該些區域藉由該些導通選擇段相互連接，該些導通選擇段分別被選擇設定為一通路狀態或一斷路狀態，以調整該圓極化天線結構之一適用頻段。
2. 如申請專利範圍第1項所述之適用於全頻段之圓極化天線結構，其中該些導通選擇段為數個金屬導片。
3. 如申請專利範圍第2項所述之適用於全頻段之圓極化天線結構，其中該些金屬導片中的至少一個具有一預切斷口，以預先設定具有該預切斷口之導通選擇段為該斷路狀態。
4. 如申請專利範圍第1項所述之適用於全頻段之圓極化天線結構，其中該些導通選擇段為數個電子元件。
5. 如申請專利範圍第4項所述之適用於全頻段之圓極化天線結構，另包含一控制電路，用以分別電性連接該些電子元件為通路或斷路，進而分別控制該些導通選擇段為該通路狀態或斷路狀態。
6. 如申請專利範圍第4項所述之適用於全頻段之圓極化天線結構，其中該些電子元件為一高頻二極體。
7. 如申請專利範圍第1項所述之適用於全頻段之圓極化天線結構，其中該輻射金屬層為方形、圓形或三角形。
8. 如申請專利範圍第1項所述之適用於全頻段之圓極化天線結構，其中該環狀槽孔為方形、圓形或三角形。
9. 如申請專利範圍第1項所述之適用於全頻段之圓極化天線結構，其中該圓極化缺口為方形、半圓形、弧形或三角形。
10. 如申請專利範圍第1項所述之適用於全頻段之圓極化天線結構，其中該饋入組件使該金屬共振腔體與該輻射金屬層形成電容耦合。