TWI685146B - 高阻抗結構與基於高阻抗結構的天線裝置 - Google Patents

Abstract

一種高阻抗結構，包含：底面與高阻抗表面。底面係金屬導體面用以作為接地面。高阻抗表面以板厚距離相對於底面，高阻抗表面包含以週期性排列為M*N矩陣的M*N個矩形金屬結構，矩形金屬結構之相鄰二者彼此隔開不接觸，每個矩形金屬結構具有開槽孔以使每個矩形金屬結構具有開口方向相反之兩組U型結構。其中，M、N為大於1的正整數。

Description

高阻抗結構與基於高阻抗結構的天 線裝置

本揭露實施例是有關於一種高阻抗結構，且特別是有關於一種高阻抗結構與基於高阻抗結構的天線裝置。

由於天線與金屬之間的近場耦合，在無線傳輸系統中金屬牆面對於天線效能影響甚大，一般而言，解決方式可以增加天線與金屬牆面的距離或是在天線與金屬面之間加入高阻抗物質使金屬對天線的影響降低。但是，增加天線與金屬牆面的距離會增加天線高度，使得天線突出影響美觀，而高阻抗物質則存在價格昂貴的缺點。

另外，雖然過去已有提出一些在天線的輻射貼片附近引入高阻抗表面來改線天線效能的相關結構，然而，這些高阻抗表面之結構在製作上過於複雜，且習知的高阻抗結構通常使用在相鄰的結構交錯上的方式，在製程上須使用多層板之製作會導致成本增加，且其在高度上所佔的空間甚多。

本揭露之目的在於提出一種高阻抗結構以及基於高阻抗結構的天線裝置，可以降低金屬牆面對天線的影響，且能夠縮短天線與金屬牆面之間的距離，大幅縮小天線高度。

根據本揭露之上述目的，提出一種高阻抗結構，包含：底面與高阻抗表面(High Impedance Surface，HIS)。底面係金屬導體面用以作為接地面。高阻抗表面以板厚距離相對於底面，高阻抗表面包含以週期性排列為M*N矩陣的M*N個矩形金屬結構，矩形金屬結構之相鄰二者彼此隔開不接觸，每個矩形金屬結構具有開槽孔以使每個矩形金屬結構具有開口方向相反之兩組U型結構。其中，M、N為大於1的正整數。

在一些實施例中，其中每個開槽孔用以將每個矩形金屬結構切斷，其中係透過調整每個矩形金屬結構之兩組U型結構的間距來調整高阻抗結構之電容值。

在一些實施例中，其中每個U型結構之突出處藉由金屬銅柱電性連接至接地面以增加高阻抗結構之電感量，其中透過調整每個金屬銅柱的尺寸來調整高阻抗結構之電感量。

在一些實施例中，其中係透過等比例地調整每個矩形金屬結構之尺寸來調整高阻抗結構於所需頻段的反射相位。

在一些實施例中，其中高阻抗結構於所需頻段 的反射相位係設計在45°~135°之間。

根據本揭露之上述目的，另提出一種基於高阻抗結構的天線裝置，包含：天線與高阻抗結構，高阻抗結構以間隔距離設置於天線下方，高阻抗結構包含：底面與高阻抗表面。底面係金屬導體面用以作為接地面。高阻抗表面以板厚距離相對於底面，高阻抗表面包含以週期性排列為M*N矩陣的M*N個矩形金屬結構，矩形金屬結構之相鄰二者彼此隔開不接觸，每個矩形金屬結構具有開槽孔以使每個矩形金屬結構具有開口方向相反之兩組U型結構。其中，M、N為大於1的正整數。

在一些實施例中，其中每個開槽孔用以將每個矩形金屬結構切斷，其中係透過調整每個矩形金屬結構之兩組U型結構的間距來調整高阻抗結構之電容值。

在一些實施例中，其中每個U型結構之突出處藉由金屬銅柱電性連接至接地面以增加高阻抗結構之電感量，其中透過調整每個金屬銅柱的尺寸來調整高阻抗結構之電感量。

在一些實施例中，其中係透過等比例地調整每個矩形金屬結構之尺寸來調整高阻抗結構於所需頻段的反射相位。

在一些實施例中，其中高阻抗結構於所需頻段的反射相位係設計在45°~135°之間。

在一些實施例中，其中透過變更設置於天線與高阻抗結構之間的材料來調整間隔距離。

為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10‧‧‧基於高阻抗結構的天線裝置系統

100‧‧‧高阻抗結構

110‧‧‧底面

120‧‧‧高阻抗表面

122‧‧‧矩形金屬結構

124‧‧‧開槽孔

126a、126b‧‧‧U型結構

128‧‧‧金屬銅柱

200‧‧‧天線

210‧‧‧導體部

220‧‧‧晶片

300‧‧‧材料

d‧‧‧板厚距離

L‧‧‧間隔距離

從以下結合所附圖式所做的詳細描述，可對本揭露之態樣有更佳的了解。需注意的是，根據業界的標準實務，各特徵並未依比例繪示。事實上，為了使討論更為清楚，各特徵的尺寸都可任意地增加或減少。

[圖1]係根據本揭露的實施例之高阻抗結構的俯視立體圖。

[圖2]係根據本揭露的實施例之矩形金屬結構之其中一者的側視立體圖。

[圖3]係根據本揭露的實施例之基於高阻抗結構的天線裝置系統的俯視立體圖。

[圖4]係根據本揭露的實施例之基於高阻抗結構的天線裝置系統的側視圖。

[圖5]係根據本揭露的實施例之高阻抗結構於不同頻段的反射相位特性圖。

[圖6]係根據本揭露的實施例之天線於不同頻段的反射損失特性圖。

以下仔細討論本發明的實施例。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的概念，其可實施於各式各 樣的特定內容中。所討論、揭示之實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

圖1係根據本揭露的實施例之高阻抗結構100的俯視立體圖。高阻抗結構100包含底面110與高阻抗表面(High Impedance Surface，HIS)120。其中，高阻抗結構100的底面110係完整的金屬導體面用以作為完整的接地面。高阻抗結構100的高阻抗表面120以板厚距離d相對於高阻抗結構100的底面110。

高阻抗結構100的高阻抗表面120包含以週期性排列為M*N矩陣的M*N個矩形金屬結構122，其中，M、N為大於1的正整數。在如圖1的實施例中，M=4，N=3，然而，本揭露不限於此，使用者可依實際設計需求來調整M與N的數值。

如圖1所示，高阻抗結構100的高阻抗表面120的矩形金屬結構122之相鄰二者彼此隔開不接觸，且每個矩形金屬結構122更具有開槽孔124用以將每個矩形金屬結構122切斷，開槽孔124用以使每個矩形金屬結構122具有開口方向相反之兩組U型結構126a與126b。在如圖1的實施例中，矩形金屬結構122之一者的U型結構126a與126b兩兩對稱地設置於矩形金屬結構122之該者之連結開槽孔124的兩個邊。

值得一提的是，高阻抗結構100的底面110與高阻抗表面120之間的材料可使用FR4基板、陶瓷基板等等合適的板材材料來製成。

圖2係根據本揭露的實施例之矩形金屬結構122之其中一者的側視立體圖。每個U型結構126a與126b之突出處藉由金屬銅柱128電性連接至作為接地面的底面110以增加高阻抗結構100之電感量。在本揭露的實施例中，金屬銅柱128例如為圓柱形金屬銅柱。

圖3係根據本揭露的實施例之基於高阻抗結構100的天線裝置系統10的俯視立體圖。圖4係根據本揭露的實施例之基於高阻抗結構100的天線裝置系統10的側視圖。基於高阻抗結構100的天線裝置系統10包含天線200與高阻抗結構100。在如圖3與圖4的實施例中，天線200為偶極天線(Dipole antenna)，其包含阻抗匹配之導體部210與晶片220，其中晶片220電性耦合至導體部210，但本揭露不限於此，天線200也可以是例如平板天線、微帶天線等。其中，關於基於高阻抗結構100的天線裝置系統10的高阻抗結構100的組成已於上述之關於圖1的說明中敘述過，在此不再重複說明之。

值得一提的是，高阻抗結構100的矩形金屬結構122的數量越多，則高阻抗結構100的效果也越顯著，換句話說，高阻抗結構100的矩形金屬結構122的數量越多，則高阻抗表面120的效果越接近於完美高阻抗表面，因此本揭露能夠使用極少金屬來實現類似完美高阻抗表面的特性。然而，就實際特性來說，距離天線200越遠，高阻抗結構100的矩形金屬結構122對其產生的效應也會越小，因此，在實際的應用中，矩形金屬結構122於天線200之延伸 方向的數量只要能夠完整覆蓋天線200(如圖3所示)即為可接受。

如圖4所示，高阻抗結構100以間隔距離L設置於天線200下方。天線200與高阻抗結構100之間設有材料300，其中材料300可使用FR4基板、鐵氟龍等等合適的板材材料來製成，又或者天線200與高阻抗結構100之間不設置材料，即材料300為空氣。

值得一提的是，高阻抗結構100的高阻抗表面120乃是朝向天線200，而高阻抗結構100的底面110作為接地面貼附於金屬牆面(圖未示)上。

在本揭露的實施例中，使用者可透過調整每個矩形金屬結構122之兩組U型結構的間距126a與126b來調整高阻抗結構100之電容值。在本揭露的實施例中，使用者可透過調整每個矩形金屬結構122之金屬銅柱128的柱徑和/或長度來調整高阻抗結構100之電感量。

在本揭露的實施例中，使用者可透過等比例地放大或縮小每個矩形金屬結構122之尺寸來調整高阻抗結構100於所需頻段的反射相位。在本揭露的實施例中，高阻抗結構100於所需頻段的反射相位需設計在90°並允許±45°的誤差，即45°~135°之間。在如圖5所示的實施例中，高阻抗結構100於所需頻段，約為2400~2485MHz，的反射相位係設計在45°~135°之間(如圖5中特別以方框標示者)。

在本揭露的實施例中，調整天線200的阻抗以 與高阻抗結構100匹配，完成阻抗匹配後，天線200於所需頻段的反射損失(Return loss)係設計在-10B以下。在如圖6所示的實施例中，天線200於所需頻段，約為2400~2485MHz，的反射損失係設計在-10dB以下(如圖6中特別以方框標示者)。

在本揭露的實施例中，使用者可透過變更設置於天線200與高阻抗結構100之間的材料300來調整間隔距離L。具體而言，由於變更材料300相當於改變了材料300的介電常數，如此使得天線200與高阻抗結構100的交互特性發生變化，從而使得間隔距離L需要跟著調整，以維持天線裝置的特性。

應注意的是，由於本揭露使用高阻抗結構100，因此可大幅減少間隔距離L，亦即使得天線200的高度大幅降低。同時，本揭露使用包含矩形金屬結構122的高阻抗結構100，其於所需頻段的反射相位係設計在45°~135°之間來藉由反射背向輻射而形成建設性干涉，使天線的輻射場型呈現指向性，增加天線的增益(Gain)，且增加半功率波束寬(Half Power Beam Width，HPBW)。

綜合上述，本揭露提出一種高阻抗結構以及基於高阻抗結構的天線裝置，可以降低金屬牆面對天線的影響，且能夠縮短天線與金屬牆面之間的距離，大幅縮小天線高度，同時增加天線的增益與半功率波束寬。

以上概述了數個實施例的特徵，因此熟習此技藝者可以更了解本揭露的態樣。熟習此技藝者應了解到，其 可輕易地把本揭露當作基礎來設計或修改其他的製程與結構，藉此實現和在此所介紹的這些實施例相同的目標及/或達到相同的優點。熟習此技藝者也應可明白，這些等效的建構並未脫離本揭露的精神與範圍，並且他們可以在不脫離本揭露精神與範圍的前提下做各種的改變、替換與變動。

100‧‧‧高阻抗結構

110‧‧‧底面

120‧‧‧高阻抗表面

122‧‧‧矩形金屬結構

124‧‧‧開槽孔

126a、126b‧‧‧U型結構

d‧‧‧板厚距離

Claims (11)

1. 一種高阻抗結構，包含：一底面，係一金屬導體面用以作為一接地面；以及一高阻抗表面(High Impedance Surface，HIS)，以一板厚距離相對於該底面，該高阻抗表面包含以週期性排列為M*N矩陣的M*N個矩形金屬結構，該些矩形金屬結構之相鄰二者彼此隔開不接觸，每一該些矩形金屬結構具有一開槽孔以使每一該些矩形金屬結構具有開口方向相反之兩組U型結構；其中，M、N為大於1的正整數。
2. 如申請專利範圍第1項所述之高阻抗結構，其中每一該些開槽孔用以將每一該些矩形金屬結構切斷，其中係透過調整每一該些矩形金屬結構之兩組U型結構的間距來調整該高阻抗結構之電容值。
3. 如申請專利範圍第1項所述之高阻抗結構，其中每一該些U型結構之突出處藉由一金屬銅柱電性連接至該接地面以增加該高阻抗結構之電感量，其中透過調整每一該些金屬銅柱的尺寸來調整該高阻抗結構之電感量。
4. 如申請專利範圍第1項所述之高阻抗結構，其中係透過等比例地調整每一該些矩形金屬結構之尺 寸來調整該高阻抗結構於所需頻段的反射相位。
5. 如申請專利範圍第4項所述之高阻抗結構，其中該高阻抗結構於所需頻段的反射相位係設計在45°~135°之間。
6. 一種基於高阻抗結構的天線裝置，包含：一天線；以及一高阻抗結構，以一間隔距離設置於該天線下方，該高阻抗結構包含：一底面，係一金屬導體面用以作為接地面；以及一高阻抗表面，以一板厚距離相對於該底面，該高阻抗表面包含以週期性排列為M*N矩陣的M*N個矩形金屬結構，該些矩形金屬結構之相鄰二者彼此隔開不接觸，每一該些矩形金屬結構具有一開槽孔以使每一該些矩形金屬結構具有開口方向相反之兩組U型結構；其中，M、N為大於1的正整數。
7. 如申請專利範圍第6項所述之天線裝置，其中每一該些開槽孔用以將每一該些矩形金屬結構切斷，其中係透過調整每一該些矩形金屬結構之兩組U型結構的間距來調整該高阻抗結構之電容值。
8. 如申請專利範圍第6項所述之天線裝置，其中每一該些U型結構之突出處藉由一金屬銅柱電性連接至該接地面以增加該高阻抗結構之電感量，其中透過調整每一該些金屬銅柱的尺寸來調整該高阻抗結構之電感量。
9. 如申請專利範圍第6項所述之天線裝置，其中係透過等比例地調整每一該些矩形金屬結構之尺寸來調整該高阻抗結構於所需頻段的反射相位。
10. 如申請專利範圍第9項所述之天線裝置，其中該高阻抗結構於所需頻段的反射相位係設計在45°~135°之間。
11. 如申請專利範圍第6項所述之天線裝置，其中透過變更設置於該天線與該高阻抗結構之間的材料來調整該間隔距離。

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