TWM428595U - Dual-band reflective array antenna - Google Patents

Description

M428595 五、新型說明： 【新型所屬之技術領域】 本創作係、關於-種雙頻反射陣列天線，特別指__種對於 一些需要長距離的通訊應用，以衛星通訊來說，高增益的天 線是不可或缺的，本創作反㈣敍線具備高增益與結構簡 易之優點，因此也被廣泛的使用。 •【先前技術】 隨者無線通訊需求之無窮無盡其發展也變得越來越多 元化，資料量的增加使得對頻寬的需求肖日俱增，面對不同 銥％不同需求其天線在設計上的要求也越來越以符合所需 之應用。 由於衛星通訊都是屬於遠距離傳輸，就需要高增益且波 束集中之天線，碟型天線是常見於衛星通訊所使用之天線， _碟型天線常使用號角天線當作其饋人端，但其造價昂貴是其 缺點，無線通訊的應用中，娜系統是近年來越二:嗎 目的項目，由於其能節省人力及資源之浪費的優點，高速公 路的收費系統都即將被RHD系統取代。 【新型内容】 有鐘於上述習知技術之問題，本創作之目的係針對反射 陣列天線通常是由一平面或微曲面之反射面和饋入天線的 3 M428595 照射所組成*在反射之IL· JC. I -fc-Λ I I A. 耵之十面上，設計出各類輻射單元，例如 開路波導管、微帶型貼片天線、偶極天線和環型天線等， 且不需要任何造成功率分配的傳輸線，藉由饋入天線的照 射’激發這些經過設計較射單㈣可產生輻射場；而這些 反射陣列單兀5又计的原理，由饋入天線到各個陣列單元的路 徑並不相同，所以藉由設計這些陣列單元的相位延遲，對這 些不同的路徑做—個補償的動作，此操作概念類似於將饋人 天線放置於碟面之聚焦點以反射出一相同相位之電磁波，因 此，反射陣列也可稱為，，平面反射器”。 反射面上的微帶型天線單元以及牽涉到相位路徑的緣 故，反射陣列有頻寬窄的特性，當我們應用不尸、是單一頻率 時，我們無法設計出-足夠寬頻的結構，在本創作將介紹能 設計出能同時操作在不同頻段的反射陣列。 若是使用單層結構來做雙頻反射陣列，反射單元在選擇 上使用寬度較細的像是圓形或方形的迴路天線或是交又偶 極天線，在排列上會較有運用的2間。在此介紹兩種結構， 一是由雙重方形的迴路天線，—個大的方形迴路天線内部包

含四個小的單元’以及每個單元都有能控制相位延遲的線Y 另-種是微帶天線與交又偶極天線所組成，此種結構不同於 上一種的地方在於它相位延遲的控制是由單元大小不同造 成不同的相位’此外，這兩種結構將使得其中—個操作頻率 約為另一個的倍數。 M428595 若是使用雙層結構來做雙頻反射陣列，會牽涉到此兩頻 段是高頻段放在上層還是低頻段放在上層，而這兩種作法皆 可以。 擺在上層的父又偶極天線是屬於低頻段的，值得注意的 是如果要把低頻段擺在上層，就不能選擇實心或寬度太大的 天線單元’因為會擋住高頻段所需傳遞的電磁波。 雙層結構達到雙頻效果所描述的方式將高頻段天線放 在上層，低頻段的放在下層，其中每個單元都有一個控制相 位延遲的線，是為了將反射單元的大小控制在固定大小，由 於低頻段的單元勢必比較大，所以可當成數個高頻段單元， 右是使用單元大小不同，造成不同相位的方法可能會出現低 頻段單元不符合高頻段單元之情況出現。 在本創作令雙頻反射陣列天線之整體架構、饋入天線的 設計以及反射天線之設計，從整個天線架構圖描述，明確的 知道饋入天線、反射面還有聚焦區域的位置關係，然而要使 反射陣列達到近場聚焦的效果，我們利用反射天線單元大小 不同造成不同相位延遲的效果，使得在目標聚焦區域接近同 相位，對於不同頻段的設計上，反射天線單元與饋入天線有 個各自的對應的組合。 在饋入天線的選擇上使用微帶型天線，由於他擁有較大 的半功率頻寬，如此一來就可以將饋入天線放置更靠近反射 天線，就可縮小天線的空間，由於是要做雙頻的設計，將兩 5 M428595 個分別操作在915^4112與2.4GHz的微帶貼片天線堆疊再一 起，中間相聚35mm的空氣厚度，以減少相互耦合的效應， 板材為FR4(介電系數=4.4,損耗正切為〇〇2)，厚度是 1.6mm，在上層的是操作在2 4GHz的天線邊長是 64.6mm、65mm，金屬面長寬為25 3mm、26 4mm，在下層 的是操作在915MHz的天線，邊長是15Gmm、15〇mm，金屬 面長寬為69mm、68.5mm，為了使天線都產生圓極化的效 果，將金屬面的矩形切去一對對角，使得天線產生相差9〇 度的模態，而產生左圓極化，915MHz的微帶天線，實作量 测出來可看出此天線操作頻率約在92〇MHz，而在 反射係數的值為-23dB，頻寬為33MHz，設計在24GHz的 微帶天線’實作量測出來可看出此天線操作頻率約在 2.4GHz ’反射係數的值為·2〇(1Β，頻寬為刚MHz。 由於微帶天線製作上的優勢’所以常被用於反射陣列的 單元’做雙頻反射陣列的時候，有兩種排列方式，分別是把 相對低頻的放在下層、相對高頻的放在上層，以及把相對低 頻的放在上層、相對高頻的放在下層，依據選擇不同的反射 天線種類’有它適用的方式，在此選擇低頻放在上層且使用 交又偶極天線、高頻放在下層錢用方形迴路天線，材料都 是使用Fr4(介電係數=4.4、損耗正切=〇 〇2、厚度16随、大 小為62.5mm)，在這兩層pr4夕女玉八、& 巧Γ4之間有兩公分空氣厚度，上層 的交叉偶極天線可利用其大小不同的變化找出對應的相位 M428595 變化值，在設計時有刻意讓上層天線在變化時不會遮到下層 方形迴路天線，下層的的方形迴路天線（内外層比例為134 倍）亦是如此，放置方式可從正視圖了解，一個交又偶極天線 與四個方形迴路天線搭配，此二種反射單元都已成功被運用 在單頻操作是反射陣列天線上，2 4GHz的迴路天線排列相距 半波長，而為了排列成週期變化，915MHz交叉偶極天線就 鲁八能配σ，排列相距接近半波長，在觀察相位變化時，每個 單元都成比例放大，模擬的方式是利用HFSS週期性結構射 入個平面波，反射得到的相位係數，不同的曲線代表著另 一個頻段天線的大小變化對它相位變化的影響而不同的 915MHz大小變化就得到了不同曲線，大小變化對 2.4GHz天線影響很小，因此就以此變化結果來設計反射天線 〇σ 一 早兀。 •【實施方式】 凊參閱圖一以及圖二所示，係為本創作雙頻反射陣列天 線之雙頻反射天線i面圖以及雙頻反射天線結構圖，其中微 帶天線製作上的優勢，所以常被用於反射陣列的單元，反射 陣列在做雙頻的時候，有兩種排列方式，分別是把相對低頻 的放在下層、相對高頻的放在上層，以及把相對低頻的放在 上層相對高頻的放在下層，依據選擇不同的反射天線種 類，有它適用的方式，在此選擇低頻放在上層且使用交叉偶 7 M428595 極天線200、高頻放在下層且使用方形迴路天線2〇1，材料 都是使用Fr4,介電係數=4.4、損耗正切=〇 〇2、厚度i 6mm、 大小為62.5mm，在這兩層Fr4之間有兩公分空氣厚度上層 的交叉偶極天線200可利用其大小不同的變化找出對應的相 位變化值，在設計時有刻意讓上層天線在變化時不會遮到下 層方形迴路天線201’下層的的方形迴路天線2〇1，内外層 比例為1.34倍，亦是如此，放置方式可從正視圖了解，一個 交又偶極天線100與四個方形迴路天線1〇1搭配此二種反 射單元都已成功被運用在單頻操作是反射陣列天線上。 請參閱圖三以及®四所示’係為本創作雙頻反射陣列天 線之反射陣列天線基本架構剖面圖以及側視圖，反射陣列天 線通常是由-平面或微曲面之反射面3〇〇和饋入天線的照射 所組成的’在反射之平面300上，可設計出各類輻射單元 301 ’如開路波導管、微帶型貼片天線、偶極天線和環型天 線等’且不需要任何造成功率分配的傳輸線，藉由饋入天線 的照射’激發這些經過設計的反射單元就可產生輻射場；而 由這些反射陣列單元設計的原理得知，由於饋人天線到各個 陣列單元的路徑並不相同’所以我們藉由設計這些陣列單元 的相位延遲，可對這些不同的路徑做—個補償的動作，此操 作概念類似於將饋人天線放置於碟面之聚焦點以反射出一、 相同相位之電磁波，因此，反射陣列也可稱為，，平面反射器”。 請參閱圖iim料’料本創作雙減射陣列天 M428595 線之雙重方形迴路圖以及微帶天線與交叉偶極天線圖，使用 單層結構來做雙頻反射陣列，反射單元在選擇上使用寬度較 細的像是圓形或方形的迴路天線500或是交又偶極天線 600，在排列上會較有運用的空間；在此介紹兩種結構一 疋由雙重方形的迴路天線組成，一個大的方形迴路天線 内部包含四個小的單元’以及每個單元都有能控制相位延遲 的線。另一種是微帶天線600與交又偶極天線6〇1所組成， 此種結構不同於上一種的地方在於它相位延遲的控制是由 單元大小不同造成不同的相位’此外’這兩種結構將使得其 中一個操作頻率約為另一個的倍數。 符不創作雙頻反射陣列天線 5穿茶閲圖七所示 天線正面結構圖’其中包含饋入天線7〇1，許多大小不一的 單元’是為了控制不同相位，求出每個單元7〇〇所在位 置所需相位，若把從饋入天線701到反射平面702中心再到 聚焦點這段距離當作基準距離，那個我們可以得知在反射平 面702上的各單元700跟基準距離比起來多走了多少距離， 就可:算出各個反射單元雇所需要多少的相位延遲量。 請參閱附件一所示，係為本創作雙頻反射陣列天線之反 射陣列天線为析圖’其中Fi為第i個天線單元的反射相位， 為自由工間中的波數，Ri為饋入天線相位中心到第i個單 元天線的距離，fi為陣列中心到第i個單元天線的向量… 為反射面主波束的單位向量。此Μ的值與反射面大小是相 9 M428595 依的，若反射面相當大時，反射面上不同的天線單元所產生 的Fi將大於2p，若Fi介於[〇,2p]，其中式子可改寫成如下 所示：

Fi = k〇(Rr fs· r〇) - 2pN 其中當Fi大於360度時，ν=1，2,3·...，因此找出陣列天 線的Fi將可使得天線在主波束方向上獲得最大能量。 上列詳細說明係針對本創作之一可行實施例之具體說 明，惟該實施例並非用以限制本創作之專利範圍，凡未脫離 創作技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之 專利範圍中。 【圖式簡單說明】 。月參閱以下有關本創作一較佳實施例之詳細說明及其 付寸 jgj ’將可進一步瞭解本創作之技術内容及其目的功效；有 關5亥實施例之附圖為： 圖一為本創作雙頻反射陣列天線之雙頻反射天線正面 圖； 圖一為本創作雙頻反射陣列天線之雙頻反射天線結構 圖； 圖三為本創作雙頻反射陣列天線之反射陣列天線基本 架構剖面圖； 圖四為本創作雙頻反射陣列天線之反射陣列天線基本 M428595 架構側視圖； 圖五為本創作雙頻反射陣列天線之雙重方形迴路圖； 圖六為本創作雙頻反射陣列天線之微帶天線與交叉偶 極天線圖； . ..' 圖七為本創作雙頻反射陣列天線之反射天線正面結構 ~ . * .. 圖》 Λ'; 【附件簡單說明】 附件一為本創作雙頻反射陣列天線之反射陣列天線分 析圖。 【主要元件符號說明】 100交又偶極天線 101方形迴路天線 200交又偶極天線 201方形迴路天線 300反射面 301輻射單元 500方形迴路天線 600微帶天線 6〇1交叉偶極天線 700天線單元 701饋入天線 7〇2反射單元 11

Claims (1)

1. M428595 、申請專利範圍： 1. 一種雙頻反射陣列天線，其中包含： 一反射面，係為平面或微曲面； .一饋入天線，係為微帶型貼片天線，其照射於該反射面 .2·如申請專利範圍第J項所述之雙頻反射陣列天線，其中該 反射陣列另係為平面反射器。 •3.如申請專利範圍第i項所述之雙頻反射陣列天線，其中該 雙頻反射陣列天線，係將該微帶型貼片天線藉由堆疊之^ 式達到雙頻之目的。 ，其中該 之目的。 ，其中該 4·如申請專利範圍第i項所述之雙頻反射陣列天線 雙頻反射陣列天線，係另藉由單層結構達成雙頻 5.:如申請專利範圍第1項所述之雙頻反射陣列天線 饋入天線係具有圓極化以及高指向性。 12