TWI740551B

TWI740551B - 基板合成波導饋入背腔雙極化貼片天線

Info

Publication number: TWI740551B
Application number: TW109121297A
Authority: TW
Inventors: 唐震寰; 邱至偉; 劉乃禎
Original assignee: 國立陽明交通大學
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2020-06-23
Publication date: 2021-09-21
Also published as: US11145983B1; TW202201854A

Abstract

一種基板合成波導饋入背腔雙極化貼片天線，包括第一絕緣基板，其具有相反的第一面及第二面以及貫穿第一面及第二面且相間隔的複數導電貫孔，該等導電貫孔排列形成一共振腔以及與共振腔連接的第一饋入埠及第二饋入埠；佈設於第一面的第一金屬層，佈設於第二面的第二金屬層，且第二金屬層上形成一個位於共振腔正上方的十字形槽孔；層疊於第二金屬層上並具有相反的第三面及第四面的第二絕緣基板，且第三面朝向第二金屬層；四個輻射貼片單元，其相間隔且對稱地設在第二絕緣基板的第四面上，且位置對應於十字形槽孔所劃分出的四個相間隔的區域。

Description

基板合成波導饋入背腔雙極化貼片天線

本發明是有關於一種雙極化貼片天線，特別是指一種基板合成波導饋入背腔雙極化貼片天線。

由於雙極化天線技術的高度發展，使得在毫米波段甚至更高頻段實現共用同一個輻射面的高增益雙極化天線成為可能，例如大陸專利申請公布號CN108550981A揭露的一種雙極化縫隙天線及饋電網路，其架構從上層到下層分別為天線輻射體(縫隙天線)、水平極化饋電結構以及垂直極化饋電結構，亦即，不同極化饋入埠位在不同層基板，藉此實現雙極化天線的操作。但是，由於不同極化饋入埠設計在不同層基板，導致雙極化天線的饋入網路至少需使用兩層基板，除了增加材料成本並使得饋入結構複雜而不易整合。此外，縫隙天線因其槽孔長度受到約為半波長的限制，以致縫隙天線偏離設計頻率時不易輻射且可操作的頻帶較窄。

因此，本發明之一目的，即在提供一種至少能解決上述問題的基板合成波導饋入背腔雙極化貼片天線。

此外，本發明之另一目的在於提供一種雙饋入埠具有高隔離度而能降低饋入損耗的基板合成波導饋入背腔雙極化貼片天線。

於是，本發明基板合成波導饋入背腔雙極化貼片天線，包括：一第一絕緣基板、一第一金屬層、一第二金屬層、一第二絕緣基板以及四個輻射貼片單元，其中，該第一絕緣基板具有相反的一第一面及一第二面，以及貫穿該第一面及該第二面且相間隔的複數導電貫孔，該等導電貫孔排列形成一共振腔以及與該共振腔連接的一第一饋入埠及一第二饋入埠，且該第一饋入埠垂直於該第二饋入埠；該第一金屬層佈設於該第一絕緣基板的該第一面；該第二金屬層佈設於該第一絕緣基板的該第二面，且其上形成一個位於該共振腔正上方的十字形槽孔；該第二絕緣基板層疊於該第二金屬層上並具有相反的一第三面及一第四面，且該第三面朝向該第二金屬層；該四個輻射貼片單元相間隔且對稱地設在該第二絕緣基板的該第四面上，且位置對應於該十字形槽孔所劃分出的四個相間隔的區域。

在本發明的一些實施態樣中，該第一金屬層接受射頻訊號饋入並經由形成於該第一絕緣基板的該第一饋入埠及該第二饋入埠饋入射頻訊號至該共振腔，且該十字形槽孔將饋入該共振腔的射頻訊號耦合至位於其上方的該等輻射貼片單元，使射頻訊號經由該等輻射貼片單元輻射出去。

在本發明的一些實施態樣中，該十字形槽孔具有正交的一第一槽孔及一第二槽孔，該第一槽孔平行於該第一饋入埠，且該第二槽孔平行於該第二饋入埠。

在本發明的一些實施態樣中，該第一槽孔與該第二槽孔的長度相同，且兩者的長度大於射頻訊號的半波長。

在本發明的一些實施態樣中，該共振腔概呈正方形，且該共振腔的大小能決定天線的操作頻率為

；

；其中L _cav是該共振腔的實際邊長，L _eff是該共振腔的有效邊長，d是該導電貫孔的直徑，p是相鄰兩個導電貫孔之間的距離，h ₁是該第一絕緣基板的厚度，ε是該第一絕緣基板的介電常數，μ是該第一絕緣基板的導磁係數，m是水平電場變化的次數，n是垂直電場變化的次數，且

<3，

<

。此外，在設計共振腔時就會決定哪一種或哪幾種模態的電磁波可以存在共振腔中，因此m與n是在設計過程中，依照上述頻率公式與相關設計需求而決定的參數。

在本發明的一些實施態樣中，各該輻射貼片單元是一正方形金屬板，且其邊長

，其中ε _r是該第二絕緣基板的介電常數，λ ₀是射頻訊號在空氣中的波長。

在本發明的一些實施態樣中，各該輻射貼片單元是由N平方個矩形金屬板組成，其中N≧2且N為正整數。

在本發明的一些實施態樣中，該第一饋入埠與該第二饋入埠相鄰，且連接兩者的轉角處的複數個導電貫孔形成朝該共振腔內縮的一緊縮結構。

在本發明的一些實施態樣中，該第一絕緣基板的該第一面還設有與該第一金屬層連接的一微帶線，且射頻訊號是藉由該微帶線饋入該第一金屬層。

本發明之功效在於：藉由形成在該第一絕緣基板上的該第一饋入埠132及該第二饋入埠饋入射頻訊號至該共振腔，並利用形成在第二金屬層上的該十字形槽孔將射頻訊號耦合到位於其上方的四個輻射貼片單元，實現雙極化天線的架構；且將雙饋入埠整合在同一基板，除了減少材料成本並使得饋入結構易於與饋入網路整合；並且藉由在該第一饋入埠與該第二饋入埠之間形成向該共振腔內縮的該緊縮結構，能有效增加雙埠的隔離度而降低饋入損耗，而且藉由四個輻射貼片單元形成的寄生電容能有效提升天線的操作頻寬。

1:第一絕緣基板

11:第一面

12:第二面

13:導電貫孔

131:共振腔

132:第一饋入埠

133:第二饋入埠

134:緊縮結構

2:第一金屬層

3:第二金屬層

31:十字形槽孔

311:第一槽孔

312:第二槽孔

313:區域

4:第二絕緣基板

41:第三面

42:第四面

5:輻射貼片單元

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明基板合成波導饋入背腔雙極化貼片天線的一實施例的組成元件的示意圖；圖2顯示本實施例的第一絕緣基板上形成一共振腔以及與共振腔連接的兩個饋入埠的示意圖；圖3顯示本實施例的第二金屬層上形成十字形槽孔的示意圖；圖4顯示本實施例的第二絕緣基板的第四面上佈設四個輻射貼片單元的示意圖；圖5及圖6顯示本實施例的第一饋入埠和第二饋入埠具有良好的隔離度；圖7顯示本實施例操作在28GHz時量測到的隔離度及反射係數數據；圖8及圖9顯示本實施例的四個輻射貼片單元上的表面電流分佈狀況；圖10是本實施例量測由第一饋入埠饋入的射頻訊號在E平面的的輻射場型圖；及圖11是本實施例量測由第一饋入埠饋入的射頻訊號在H平面的的輻射場型圖。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，本發明基板合成波導饋入背腔雙極化貼片天線的一實施例主要包括一第一絕緣基板1、一第一金屬層2、一第二金屬層3、一第二絕緣基板4以及四個輻射貼片單元5；其中，該第一絕緣基板1具有相反的一第一面11及一第二面12，以及貫穿該第一面11及該第二面12且相間隔的複數個導電貫孔13，該等導電貫孔13排列形成一共振腔131以及與該共振腔131連接的一第一饋入埠132及一第二饋入埠133，且該第一饋入埠132垂直於該第二饋入埠133。其中，各該導電貫孔13可以是實心的金屬鉚釘、導電銅柱或是藉由在通孔(via)內壁面塗佈導電材料而構成的一導電通道。且如圖2所示，該共振腔131概呈正方形，且該共振腔131的大小能決定天線的一操作頻率f _mnp，如下列公式所示。

其中L _cdv是該共振腔131實際的單邊邊長，L _eff是該共振腔132的有效邊長，d是該導電貫孔13的直徑，p是相鄰兩個導電貫孔13之間的距離，h ₁是該第一絕緣基板1的厚度，ε是該第一絕緣基板1的介電常數，μ是該第一絕緣基板的導磁係數，m是水平電場變化的次數，n是垂直電場變化的次數，且

<3，

<

。

再者，如圖2所示，該第一饋入埠132與該第二饋入埠133相鄰，且連接兩者的轉角處的複數個導電貫孔13(本實施例以3個導電貫孔13為例)形成朝該共振腔131內縮的一概呈弧形的緊縮結構134，該緊縮結構134能增強該第一饋入埠132與該第二饋入埠133之間的隔離度，使饋入該第一饋入埠132的射頻訊號不致進入該第二饋入埠133而干擾饋入該第二饋入埠133的射頻訊號，並使饋入該第二饋入埠133的射頻訊號不致進入該第一饋入埠132而干擾饋入該第一饋入埠132的射頻訊號，藉此降低饋入損耗。

該第一金屬層2佈設於該第一絕緣基板1的該第一面11，且該第一金屬層2可以是但不限於銅箔；該第二金屬層3佈設於該第一絕緣基板1的該第二面12，且其上形成一個位於該共振腔131正上方(正中心上方)的十字形槽孔31；且如圖1及圖3所示，在本實施例中，該十字形槽孔31具有正交的一第一槽孔311及一第二槽孔312，該第一槽孔311平行於該第一饋入埠132，該第二槽孔312平行於該第二饋入埠133，並且該第一槽孔311與該第二槽孔312的長度相同，且兩者的長度大於具有上述操作頻率f _mnp的射頻訊號的半波長。

值得一提的是，該第一絕緣基板1、該第一金屬層2及該第二金屬層3在實做上可使用一雙層印刷電路板來實現，亦即在該雙層印刷電路板上打出複數個形成該共振腔131、該第一饋入埠132及該第二饋入埠133形狀的貫穿孔，再於各該貫穿孔中埋入上述實心的金屬鉚釘、導電銅柱、導電銅壁或是形成一導電通道，然後再將出現在雙層印刷電路板之上、下銅箔(即該第一金屬層2及該第二金屬層3)上的各該貫穿孔的孔洞以膠狀材料(如銅膏、樹脂等)填平，即形成如圖1所示的該共振腔131、該第一饋入埠132及該第二饋入埠133，因此圖1中的該第一金屬層2及該第二金屬層3上不會呈現該些孔洞。且該雙層印刷電路板上使用的該第一絕緣基板1是一與銅箔疊合(黏合)的例如以無鹵材料IT-88GMW製作的絕緣膠片(Prepreg)。

該第二絕緣基板4層疊於該第二金屬層3上，並具有相反的一第三面41及一第四面42，且該第三面41朝向該第二金屬層3；該第二絕緣基板4可以是但不限於一黏合在該第二金屬層3上的一例如以無鹵材料IT-88GMW製成的絕緣薄板(laminate)。

且如圖1、圖3及圖4所示，該四個輻射貼片單元5相間隔且對稱地設在該第二絕緣基板4的該第四面42上，且位置對應於該十字形槽孔31所劃分出來的四個相間隔的區域313；在本實施例中，各該輻射貼片單元5是一正方形金屬板，例如銅箔，且其單邊長

，其中ε _r是該第二絕緣基板3的介電常數，λ ₀是射頻訊號在空氣中的波長。由此可知，當邊長L₂越短，射頻訊號的波長越短(即頻率越高)，反之，當邊長L₂越長，射頻訊號的波長越長(即頻率越低)，因此，各該輻射貼片單元5的尺寸大小也會影響天線的操作頻率。此外，兩兩輻射貼片單元5之間存在寄生電容，且寄生電容的大小，即兩兩輻射貼片單元5之間的間距W_d會影響天線的操作頻寬，因此，可以藉由適當地調整間距W_d來增加天線的操作頻寬。

此外，值得一提的是，每一個輻射貼片單元5也可以由N(N≧2)平方個(例如2X2、3X3、4X4等)小型化的輻射貼片，例如矩形金屬板取代，而同樣可以達到輻射或接收射頻訊號的目的。而且，該第一絕緣基板1的該第一面11上還可設置一與該第一金屬層2連接的微帶線(圖未示)，使射頻訊號藉由該微帶線饋入該第一金屬層2。

因此，當本實施例操作在28GHz頻率(即輻射或接收28GHz的射頻訊號)時，本實施例之相關部件的尺寸參數如下表所示。

藉此，參見圖5及圖6之量測結果顯示，當射頻訊號從該第一金屬層2饋入該第一饋入埠132時，射頻訊號只會進到該共振腔131而不會進入該第二饋入埠133；同理，當射頻訊號從該第一金屬層2饋入該第二饋入埠133時，射頻訊號只會進到該共振腔131而不會進入該第一饋入埠132，表示本實施例之該第一饋入埠132與該第二饋入埠133之間確實具有良好的隔離度，且如圖7之測量結果可以看出在27.5~28.35GHz頻帶內隔離度(S11參數)低於-20dB。

而當進入共振腔131的射頻訊號透過該十字形槽孔31耦合至該等輻射貼片單元5時，該等輻射貼片單元5不論是耦合來自該第一饋入埠132饋入的射頻訊號或是耦合來自該第二饋入埠133饋入的射頻訊號，如圖8和圖9所示，在該等輻射貼片單元5表面皆呈現均勻的電流分佈，表示射頻訊號確實能夠透過該十字形槽孔31良好地耦合至該等輻射貼片單元5。且由於第一饋入埠132與第二饋入埠133結構對稱，故以下只針對從第一饋入埠132饋入射頻訊號時天線的輻射效果進行說明。因此，由圖10呈現之由第一饋入埠132饋入的射頻訊號的E平面輻射場型以及圖11呈現之由第一饋入埠132饋入的射頻訊號的H平面輻射場型看來，本實施例之天線具有良好的指向性，且其在頻帶內的增益大於6dBi。且由圖7顯示之天線的反射係數(s11參數)可以看出本實施例在27.5~28.35GHz頻帶內的反射係數遠低於-10dB，表示本實施例之天線具有良好的輻射效能。

綜上所述，上述實施例藉由形成在單層基板(第一絕緣基板1上的合成波導(第一饋入埠132、第二饋入埠133)饋入射頻訊號至該共振腔131，並且利用形成在第二金屬層3上的該十字形槽孔31將射頻訊號耦合到位於其上方的貼片天線(四個輻射貼片單元5)，實現雙極化天線的架構；且上述實施例將習知的雙基板合成波導饋入埠整合在同一基板，除了減少材料成本並使得饋入結構易於與饋入網路(例如微帶線)整合，有效改善以往基板合成波導雙極化天線的饋入結構需要使用多層基板且饋入結構較單層基板複雜而不易整合的問題，並且藉由在第一饋入埠132與第二饋入埠133之間形成向該共振腔131內縮的緊縮結構134，能有效增加雙埠的隔離度而降低饋入損耗，而且本實施例的貼片天線(四個輻射貼片單元5)能藉由寄生電容有效改善天線的操作頻寬，故確實能達成本發明之功效與目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。