TWI785658B - 組合式天線單元及其陣列天線 - Google Patents

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Abstract

一種複合式天線單元及其陣列天線，本發明之天線以貼片天線和 槽孔天線組合的三層架構。第一層為共振條件為二分之一波長的貼片天線，第二層是共振條件為二分之一波長的槽孔天線，第三層是傳輸線與饋入點位置。整個複合式天線單元耦合達成共振條件，訊號由該傳輸線饋入，耦合饋入至該槽孔天線，該槽孔天線訊號再耦合一次到貼片天線。天線具有良好的天線增益表現，相較於單一貼片天線或是單一槽孔天線，大幅提升天線頻寬。

Description

複合式天線單元及其陣列天線
本發明是有關於一種無線通訊技領域，具體而言，特別是有關於一種頻寬覆蓋範圍廣的複合式天線單元及其陣列天線。
隨著移動通訊技術的發展，手機、PAD、筆記型電腦等逐漸成為生活中不可或缺的電子產品，並且該類電子產品都更新為增加天線系統使其具有通訊功能的電子通訊產品。而隨著所要求的傳輸速度與容量大幅的增加，訊號傳輸所使用的頻率也愈來愈高。在傳輸速度及傳輸量越大的裝置或技術，其使用的頻率都已落於GHz的頻段也就是毫米波的區域，因此毫米波將是下一代的主要通訊技術亦即現稱的5G系統
5G作為全球業界的研發焦點，其中，毫米波天線因具有的高載頻、大頻寬特性是實現5G超高資料傳輸速率的主要保障。在毫米波天線的設計上需要高指向與高增益特性，但目前的技術中，單一貼片天線(patch antenna)或是單一槽孔天線(slot antenna)都有頻寬較窄的問題。
另一般傳統的FR4(Flame Retardant 4)基板使用的頻率為10GHz以下，在高頻天線設計上由於損耗過大並不適用，
本發明的目的在於提供一種頻寬覆蓋範圍廣以改善頻寬窄的問題，使用貼片天線(patch antenna)和槽孔天線(slot antenna)組合式架構改善單一貼片天線(patch antenna)或是單一槽孔天線(slot antenna)頻寬過於狹小的問題。
本發明的另一目的在於提供一種應用LCP(液晶高分子)材料為基板的貼片天線(patch antenna)和槽孔天線(slot antenna)組合式架構的1X4陣列天線，LCP(液晶高分子)材料具有低損耗、低吸水率以及具有可塑性的特點，在設計天線提供良好的特性。
本發明提供一種複合式天線單元，其包括：一第一基板具有一上表面及一相反於該上表面的下表面；一貼片天線設置於該第一基板的上表面，且該貼片天線的共振條件為二分之一波長；一第二基板具有一上表面及一相反於該上表面的下表面，且具有做為饋入點的一盲孔；一槽孔天線由設置於該第二基板的上表面及該第一基板的下表面之間的金屬層具有一狹縫所形成，且該槽孔天線的共振條件為二分之一波長；一傳輸線設置於該第二基板的下表面，且該傳輸線對應前述盲孔，用以耦合饋入至該槽孔天線；整個複合式天線單元使用耦合的形式達成共振條件，訊號由該傳輸線饋入，藉由耦合饋入的形式到該槽孔天線，該槽孔天線訊號再耦合一次到貼片天線。
所述槽孔天線之狹縫與所述傳輸線方向大致為互相垂直。
該貼片天線也可由二個二分之一波長共振條件的貼片天線單元與一段連結貼片天線單元的線段所組成，其中所述線段的位置與該槽孔天線的狹縫的一端邊緣對齊。
所述貼片天線單元可為方形、矩形、圓形、橢圓形、三角形、扇形、環型或環扇形中一種的相似幾何形狀的貼片天線。
該傳輸線饋入與該槽孔天線耦合的位置是距離該狹縫中心0.26波長的位置。
該第一基板與第二基板為液晶高分子材料基板。
本發明也提供一種複合式陣列天線，其包括前述的複合式天線單元實現的1×4陣列天線。所述1×4陣列天線係整體厚度400um，操作頻帶為27.4GHz至30GHz。
所述1×4陣列天線包括一饋入網路，該饋入網路是一個一分四的饋入網路，且與所述傳輸線同一層。
將用以形成所述槽孔天線的金屬層作為參考地，藉由該第二基板形成複數個通孔由前述金屬層導通到饋入網路層，該饋入網路的同一層設有一金屬面，做為參考地的延伸部分。
本發明的優點在於，在天線單元架構上使用貼片天線(patch antenna)和槽孔天線(slot antenna)組合式的架構，貼片天線和槽孔天線的共振條件為二分之一波長共振，使用貼片天線和槽孔天線複合式架構可以改善單一貼片天線或是單一槽孔天線頻寬過於狹小的問題。天線具有良好的天線增益，相較於單一貼片天線或是單一槽孔天線，天線頻寬有大幅的提升。
本發明也提出使用貼片天線和槽孔天線組合設計一組1X4的27.4~30GHz陣列天線，頻帶分別是貼片天線、槽孔天線以及貼片天線與槽孔天線耦合之路徑所提供，使得頻寬可以增加，補足單一貼片天線和單 一槽孔天線頻寬不足的缺點。天線基板材料選用液晶高分子(LCP)，藉由LCP材料特性具有低損耗以及低吸水率，提供天線良好的設計特性。天線的中心頻率為28.69GHz，頻寬8.78%並具有良好的返回損耗，陣列天線的增益可以達到10.7dBi。
100:複合式天線單元
110:貼片天線
111、112:貼片天線單元
113:線段
120:第一基板
121:上表面
122:下表面
130:槽孔天線
131:金屬層
132:狹縫
140:第二基板
141:上表面
142:下表面
143:盲孔
150:傳輸線
201:第一個模態
202:第二個模態
203:第三個模態
300:複合式陣列天線
310:饋路網路
320:通孔
330:金屬面
圖1是本發明複合式天線單元的立體結構分解示意圖。
圖2是本發明複合式天線單元的組合結構與疊構圖。
圖3是貼片天線、槽孔天線以及本發明的複合式天線單元的S參數比較圖。
圖4是本發明的複合式天線單元的三個模態的電流分佈圖。
圖5是本發明的複合式天線單元的組合結構實部阻抗圖。
圖6是本發明的天線單元以陣列方式之組合結構與疊構圖。
圖7是本發明的天線單元以陣列方式之頻率響應圖。
圖8是本發明的天線單元以陣列方式之三個模態的天線增益3D場型輻射圖。
本發明實施例配合圖式詳細說明如下，所附圖式為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本發明之基本結構，因此在該等圖式中僅標示與本發明有關之元件，且所顯示之元件並非以實施時之數目、形狀、尺寸比 例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態有可能更為複雜。
以下各實施例的說明是參考附加的圖式，用以例示本發明可據以實施的特定實施例。本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」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申請，而非用以限制本申請。另外，在說明書中，除非明確地描述為相反的，否則詞語“包括”將被理解為意指包括所述元件，但是不排除任何其它元件。
參閱圖1，本發明複合式天線單元的立體結構分解示意圖，及圖2本發明複合式天線單元的去除基板的組合結構與疊構圖。本發明揭露一種複合式天線單元100，其包括：一第一基板120具有一上表面121及一相對於該上表面121的下表面122；一貼片天線110設置於該第一基板120的上表面121，且該貼片天線110的共振條件為二分之一波長；一第二基板140具有一上表面141及一相對於該上表面141的下表面142，且具有做為饋入點的一盲孔143；一槽孔天線130係由設置於該第二基板140的上表面141及該第一基板120的下表面121之間的金屬層131具有一狹縫132所形成，且該槽孔天線130的共振條件為二分之一波長；一傳輸線150設置於該第二基板140的下表面142，且該傳輸線150對應前述盲孔143，用以耦合饋入至該槽孔天線130；該狹縫132與該傳輸線150彼此大致互相垂直。整個複合式天線單元100使用耦合的形式達成共振條件，訊號由該傳輸線150饋入，藉由耦合的形式到該槽孔天線130，該槽孔天線130訊號再耦合一次到貼片天線110。
在本實施例中，該貼片天線110係由二個二分之一波長共振條件的貼片天線單元111與112與一段連結貼片天線單元111與112的線段113所組成，其中所述線段113的位置與該槽孔天線130的狹縫132的一端邊緣對齊。所述貼片天線單元111與112除了本實施例圖式中的矩形，也可以為方形、矩形、圓形、橢圓形、三角形、扇形、環型或環扇形中一種的相似幾何形狀的貼片天線。
在本實施例中，該傳輸線150饋入與該槽孔天線130耦合的位置是距離該狹縫132中心0.26波長的位置。
該第一基板120與第二基板140可以是一環氧樹脂基板、一聚氧二甲苯樹脂基板或一氟系樹脂基板或一液晶高分子材料基板。其中現有技術應用最佳基板材料為液晶高分子。液晶高分子材料具有低損耗、低吸水率以及具有可塑性的特點，是適合高頻天線設計的材料。
本實施例的複合式天線單元100以貼片天線110和槽孔天線130組合，其厚度為400um的三層架構。第一層為共振條件為二分之一波長的貼片天線110，第二層是共振條件為二分之一波長的槽孔天線130，第三層是傳輸線150。天線使用耦合的形式達成共振條件，訊號由第三層饋入，藉由耦合的形式到第二層，第二層訊號再耦合一次到第一層。
參閱圖3，由此頻率響應圖可以得知，在28GHz天線使用貼片天線110和槽孔天線130組合的複合式天線單元100設計時具有三個模態，相較於單一貼片天線的頻率響應(A)或是單一槽孔天線的頻率響應(B)的設計都只有一個頻率響應模態；而本發明將貼片天線110和槽孔天線130 組合當頻帶中的頻率響應模態(C)由一個變成三個時，頻寬會有顯著的提升。
參閱圖4，複合式天線單元100的三個模態可以用電流分佈圖判斷其共振位置，第一個模態201(如圖4(a)所示)為第一層的貼片天線110所提供(在頻率27.45GHz)，第二個模態202(如圖4(b)所示)為第二層的槽孔天線130所提供(在頻率28.80GHz)，第三個模態203(如圖4(c)所示)是第一層的貼片天線110的貼片天線單元111與第二層該槽孔天線130的狹縫132之間耦合路徑所提供(在頻率30.02GHz)。
參閱圖5，由此頻率響應圖可以得知，在在28GHz天線使用貼片天線110和槽孔天線130組合的複合式天線單元100的天線頻帶中實部阻抗大約都在50歐姆附近，說明天線阻抗與饋入阻抗具有良好的阻抗匹配，可減少天線在線路中能量的反射。
參閱圖6，為本發明複合式天線的另一實施例增加天線增益將天線以陣列的方式設計，本實施例的複合式陣列天線300包括前述的複合式天線單元100實現的1×4陣列天線。選用LCP材料實現的1×4陣列天線，所述1×4陣列天線係整體厚度400um，如前面該複合式天線單元100所述天線架構在第一層與第二層，第三層包括一饋路網路310，操作頻帶為27.4GHz至30GHz。
本實施例所述1×4陣列天線的饋入網路310是一個一分四的饋入網路310，且與所述傳輸線150同在第三層。
實施應用上，將用以形成所述槽孔天線130的金屬層131作為參考地(接地層)，所以藉由該第二基板140形成複數個通孔320由前述金屬層130導通到饋入網路310所在的第三層，在該第三層設有一金屬面330，該金屬面330做為 參考地的延伸部分。饋入方式由立體饋入轉變成平面饋入，饋入點可以根據饋入轉接頭的需求做不同的設計變更。
天線用1×4模式與一個饋入網路310相接，考量饋入點量測需求，須將饋入點和參考地設計在同一平面，將參考地藉由通孔320由第二層導通到第三層，並在第三層增加一塊與通孔相接的金屬面330，做為參考地的延伸部分，以符合實際天線量測平面饋入的需求。
本實施例的組合式陣列天線300之天線選用液晶高分子(LCP)材料為基板，LCP材料特性具有較低的損耗，也因為較低的吸水性板材不易形變。
請參閱圖7，為本發明的1×4模式組合式陣列天線300的頻率響應圖，天線頻帶中有三個模態因此頻寬得以增加，如前文所述。天線的中心頻率為28.69GHz，頻寬為8.78%且具有良好的返回損耗，陣列天線增益可以達到10.7dBi，如圖8所示((a)27.68GHz，(b)28.89GHz、(a)29.66GHz)。
綜上所述，本發明在天線單元架構上使用貼片天線和槽孔天線組合式的架構，貼片天線和槽孔天線的共振條件為二分之一波長共振。本發明使用貼片天線和槽孔天線組合式架構改善單一貼片天線或是單一槽孔天線頻寬過於狹小的問題。天線具有良好的天線增益，相較於單一貼片天線或是單一槽孔天線，天線頻寬有大幅的提升。
本發明也提出使用貼片天線和槽孔天線組合設計一組1X4的27.4~30GHz陣列天線，頻帶分別是貼片天線、槽孔天線以及貼片天線與槽孔天線耦合之路徑所提供，使得頻寬可以增加，補足單一貼片天線和單一槽孔天線頻寬不足的缺點。天線以液晶高分子(LCP)材料基板，藉由LCP材料特性具有低損耗以及低吸水率，提供天線良好的設計特性。天線的中心頻率為28.69GHz， 頻寬8.78%並具有良好的返回損耗，陣列天線的增益可以達到10.7dBi。
雖然本發明以前述實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，所作更動與潤飾之等效替換，仍為本發明之專利保護範圍內。
100:複合式天線單元
110:貼片天線
111、112:貼片天線單元
113:線段
120:第一基板
121:上表面
122:下表面
130:槽孔天線
131:金屬層
132:狹縫
140:第二基板
141:上表面
142:下表面
143:盲孔
150:傳輸線

Claims (7)

  1. 一種複合式天線單元，包括：一第一基板，具有一上表面及一相反於該上表面的下表面；一貼片天線，設置於該第一基板的上表面，且該貼片天線的共振條件為二分之一波長；一第二基板，具有一上表面及一相反於該上表面的下表面，且具有做為饋入點的一盲孔；一槽孔天線，由設置於該第二基板的上表面及該第一基板的下表面之間的金屬層具有一狹縫所形成，且該槽孔天線的共振條件為二分之一波長；一傳輸線，設置於該第二基板的下表面，且該傳輸線對應耦合前述盲孔，借該傳輸線用以耦合訊號饋入至該槽孔天線，該傳輸線饋入與該槽孔天線耦合的位置是距離該狹縫中心0.26波長的位置；整個複合式天線單元使用耦合的形式達成共振條件，訊號由該傳輸線饋入，藉由耦合的形式到該槽孔天線，該槽孔天線訊號再耦合一次到貼片天線。
  2. 申請專利範圍第1項所述的複合式天線單元，其中所述槽孔天線之狹縫與所述傳輸線方向大致為互相垂直。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的複合式天線單元，其中，該貼片天線係由二個二分之一波長共振條件的貼片天線單元與一段連結貼片天線單元的線段所組成，其中所述線段的位置與該槽孔天線的狹縫的一端邊緣對齊。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的複合式天線單元，其中，所述貼片天線單元可為方形、矩形、圓形、橢圓形、三角形、扇形、環型或環扇形中一種的相似幾何形狀的貼片天線。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的複合式天線單元，其中，該第一基板與第二基板為液晶高分子材料基板。
  6. 一種複合式陣列天線，其包括請求項1-5任一項所述的複合式天線單元實現的1×4陣列天線，所述1×4陣列天線包括一饋入網路，該饋入網路是一個一分四的饋入網路，且與所述傳輸線同一層，將用以形成所述槽孔天線的金屬層作為參考地，藉由該第二基板形成複數個通孔由前述金屬層導通到饋入網路層，該饋入網路的同一層設有一金屬面，做為參考地的延伸部分。
  7. 申請專利範圍第6項所述的複合式陣列天線，其中，所述1×4陣列天線係整體厚度400um，操作頻帶為27.4GHz至30GHz。
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