TWM428596U - Dual beam array antenna - Google Patents
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Description
M428596 五、新型說明： 【新型所屬之技術領域】 作成本 本創作係關於一種雙波束陣列天線，特別指一種天線属 於結構簡單’陣列為周期性結構，因此對於做出大型的陣列 天線相對容易且此種平面式結構較不占空間，可大幅降低製 【先前技術】 因應現今無線通訊的蓬勃發展，對於這方面的需求也與 日俱增，對於身分辨識，乃至於貨物身分辨識方面的應用如 雨後春筍般冒出…於用於手持式裝置讀取器天線的結 構，要求輕巧所以對於尺寸斤斤計較，相反地對固定式的 RFH)讀取器，丨寸相對於手持式並非第—考量，對於執行 的要求權衡之下選擇陣列結構，由於陣列的波束較窄，使得 讀取率的提升，物品定位在大空間雜I環境下會有較好的表 現。.-般而言讀取距離大約i到2米間，τ a g間靠太近的話， 谷易k成干擾，以致於讀取錯誤，對於相對大的UHp陣列天 線而言，«在距離讀取器！到2米的距離剛好落在近場區 塊’有別於-般傳統的遠場區域，管有在消除MuiUpath效 應造成讀取錯誤上以及成本上的優點，複雜的相位陣列天線 減緩了發展的速度’近場聚焦陣列不需額外的電子控制晶 片，可以增強在某-範圍(聚焦點)的電場強度，可應用在高 3 M428596 非接觸式監控， 燒偵測生醫系統方面 監控上。 體溫周遭環境溫度的 的方式設計 土傳統以多條傳㈣來連接各料元，但由於傳輸線彼此 “互相影響’再者’電波走在傳輸線的損耗不小， 右是在大尺寸天線下，路徑長’能量損粍很大，故改以另外 【新型内容】 有鑑於上述習知技術之問題，本創作之目的係針對貼片 式陣列天^結構進行分析與探討，並設計线用於雙頻段即 ^GHz以及ughz之RFm讀取器端天線’本設計擁有 許多優點’包括低成本’高增益，平面式結構，以及重量輕 專特點。 由於近年來微帶天線發展的技術成熟，很多取代以往笨 重天線的研究漸漸明朗。本創作天線屬於結構簡單，陣列為 周期性結構，因j匕對於做出大型的陣列天線相對容易且此種 平面式結構較不占空間，可大幅降低製作成本。 有鑑於功率分配器（p〇wer Divider)有良好的隔離度，威 厅'生功率为配器輸出端間隔離度佳，利用來做功率分配有不 錯效果，當能量由Port 1輸入p〇rt2，port3可得等分且相位 可作調整，進而採取探針饋入的方式搭載功率分配器以完成 整個結構。本天線要求圓極化效果需求，以循序旋轉技術製 M428596 造相位差加強圓極化效果。 本創作之另一目的，係提出一種雙波束陣列天線，包含： 一陣列天線，係由微帶式貼片天線組成；以及一饋入網路， 係採用探針饋入式，以避免傳輸線之損耗、傳輸線之間影響 以及良好之隔離度。 在本創作雙波束陣列天線，其中該陣列天線，係呈現圓 極化；該饋入網路，係採用威京生功率分配器為饋入之傳輸； 該陣列天線更包含一雙頻陣列；雙頻陣列，係採多層堆疊結 構，並操作於1.2GHz以及2.4GHz。 而本創作之原理’在貼片式天線中’貼片式天線有很多 優點諸如：低成本，輕薄、易於製作。簡單的貼片天線以近 半波長長寬大小來設計，以下小節將對天線簡介。 貼片天踝結構通常為
&少叫圓取’早元大小為長寬大巧 半波長設計。為了使天線產生圓極化，本創作將矩形—對對 角邊緣切角’使得單端饋人天線產生兩個正交相差9〇度的 模態H現組態可調整式結構’必須訴諸於陣列結構。 微帶式傳輸線模型係說明波在傳輪線上傳播的現象微 帶線是廣為使㈣傳輸線之―，因為平面結構，最大的優點 在於可用㈣曝光钮刻法製造，易製作，成本低，容易與其 他微波電路連接整合。 由於部分場力線在介質 電係數會介於 部分存在空氣中所以等效介 5 M428596 1〈 e eff〈 e r _ εΓ + 1 εΓ- i ι ε eff 2-+ ~5----
2 yjl + 12 d/W 對於天線的共振頻率是與方形長寬相關，主模TM0l0考 慮邊際效應後的式子，可表為 迚=0.412 ° eff+3)(^+〇,264) 11 (eeff-〇.258)(^+〇.8) W代表微帶線寬，h代表基板厚度
L =L+2AL eff L=A/2為不考慮邊際效應下主模ΤΜ〇ι〇 在TM〇10模式下’微帶天線共振頻率與長度相關 (fr)010 = r~ --= = ---° 2 〇€〇 2W^ >。表表真空中光速，以上並未考慮邊緣效應，故修正 式為 (frc)010 1 1 2Leff>/^e>/ //〇e〇 2(L + 2ΔΙ〇ν^Γ>/ " 〇e( q 1
V 2LVi^^ β 〇e〇 ^2L^/e^ q (fr)oio 這邊的q值指的是邊緣效應指數（長度缩短指數）當基 板厚度增加，邊際效應更明顯使得邊緣分得越開，共振頻率 M428596 變低（頻偏）。 圓極化有幾項重要特性：在收發端不用因極化問題考慮 擺放之方式、不存在線性極化波會產生極化面旋轉的問題。 而線性極化為電場單一方向分佈之特性，圓極化則是電場平 均分配為水平與垂直兩個分量，與線性極化相比，其電場能 量大小減少一半，故圓極化天線比線性極化天線少了 3dB的 輕射效率。天線輻射方向必擺放於Z軸方向，且統一定義 乂-2平面為電場平面作_1)131^，(^=〇。），丫_2平面為磁場平面 (H-plane，f=90。），以方便討論 方形貼片傳統輻射若沒有修正以線性極化為主，圓極化 以及橢圓極化（較差的圓極化）透過適當的安排以及微調可達 成，兩個正交的線極化藉由90度相位差激發為簡單的方 式，採激發兩相鄰的方形邊緣，或由9〇度相位差的功率分 配器。 天線產生圓極化效果有很多做法，基本傳統作法為利用 半功率分配器產生90。相位差為饋入網路，另一方式也就是 本論文採用的將矩形貼片天線對角邊緣切角，使得單端饋入 天線產生兩個正交相差九十度的模態。由邊緣的中心饋入， 此組態將會由切角激發出正交的兩共振頻率，此兩個正交模 態，fi與f2 7 M428596 度 Δρ為切掉的面積’P為patch的面積 c與^卩的關係如下： c為切角的長 (P = Lq Up = 2x(〇.5c2) = C2 平面波之極化： 均勻平面波的極化（p〇larization)，是描述空間中某一定 點’其電場強度向量之時變特性，極化形式分別有：線性極 化、圓極化以及橢圓極化（不完美的圓極化），線極化又可分 為垂直極化與水平極化；圓極化可分為左旋與右旋極化，利 用兩線性極化適當控制其振幅相角，可組合出圓極化波。 若一平面波，電場向量只有一個固定方向，稱為線性極 化波。現在假設一平面波同時含有x方向的線性極化波，電 場振幅為E,，以及y方向的線性極化波，振幅為E2，兩者方 向皆往+Z方向傳播，則此平面波的總電場&可表為： E = (E^e^ ^ ιχ 4- Ε2θ^ 若上式兩個電場的相位差為零或的整數倍，其△ <;0 = Φ i-φ 2 = 0或土η〆’就組合出線性極化波。以△ φ =〇為例，.令 Ρ 1 = 2 = 0此情況下電場時變表達式為： E(z,t) = xEiCosCojt- kz) + yE2cos (ωί - kz) 觀察空間中某一點電場方向隨時間變化情形，令z = 0 得： E(0,t) = (xE! + yE2)cos (cjt) M428596 此即線性極化波（Linearly polarized wave)。 由控制式 + 一jkz 的相位差為± 7Γ /2的整數倍，即 匕 φ = φ i - φ 2 = ±1今 以下令相位差為7Γ /2，Ζ = 0，可得 E(0, t) = xExcos t +1·) + yE2cos(x〇t) = xEx -l· yEy 由上式可得 < =cos ( ω t + f ) = — sin ω t 以及
I COS 6；t M= (—sin ωΐ)2 + (cos ωί)2 = i
當式E! = E2時，E(0，t)頂端將以逆時鐘方向晝出一圓形軌 跡，此即為右手圓極化。若El^E2,此為不完美圓極化將以 逆時鐘方向畫出一橢圓形軌跡，為右手橢圓極化。 接著考慮 ’相位差為-7Γ /2，Z=0，可得式： E(0,t) = JCE1COS^6；t Εχ 可 =cos ot -1)- _ I) + ?E2cos(wt) sin ωΐ =xEx + yEy 9 M428596 ·—= COS 6Jt E2 + . = (Sill 0>t)2 + (cos Cijt)2 = 1 當EpE2時，向量E(0，t)頂端將順時鐘方向畫出一圓形 轨跡，即為左手圓極化。若E!妾E2，將以順時鐘方向畫出一 橢圓軌跡’為左手橢圓極化。
波束角大小是依據貫際應用之要求有所不同而因地制 宜，由於天線輻射能量是為一定量值，故波束寬越寬，天線 增益就越小，一般而言觀察波束寬是定義_3dB波束寬或 -10dB波束寬。-3dB波束寬又稱半功率波束寬（Half p〇wer Band Width) ’定義為輻射場型中主波束最大增益再往下3dB 之波束寬度。而高的旁波瓣或背波瓣，如此波辦都是我們不 想要的歸類為雜訊。 反射損耗是天線設計的極重要的基本參數，用來了解能 量是否有順利傳遞進而使能量輻射，或是因為阻抗匹配不良 等因素，造成大部分訊號反射回來，與入射訊號干涉形成駐 波’故有時以駐波比表示。 "又汁陣列天線系統在硬體方面之主要組成架構包括了 以多個輕射單元㈣ating ele_)所組合而成之高增益指 向性天線。陣列結構一個很大的優點有利於藉由相位調整實 現組態可調式結構，可㈣㈣要的場形，可惜陣列天線的 頻寬通常較窄，大概為百分之三至百分之七左右。頻寬表達 會換為百分比來顯示與操作頻率f。之比例 1〇〇χ^ίο/〇 ro ϊ陣列天線基本原理可得 要貫行陣列天線時 論是在頻率、整體大 間距、排列方向等都會影響到 的特性’所以在設計時，各種因素都要考量。本論 文在研討後’進而選用平面式貼片天線做為陣列單元，進而 延展到陣列結構，為了達到雙頻操作的目的將㈣段天線堆 疊。最常見的-個方式為掃描主波束到想要的方向，此外， 相列天線亦可提供形塑波束，藉㈣當的調㈣人相位差。 另外’在饋人線的安排方面㈣擇威京生功率分配器來 U為饋人網路，威京生功率分配器擁有隔離度好'傳輸線間 的效應谷易掌握的特性。 為了達到要求單—原件常常不敷使用，微帶天線常常會 _做成陣列形式’饋人方式分為很多種如串聯績人，平行饋入 凋路等。其中平行饋入陣列是很常用而且多變化的，利用相 χ及振幅大小的控制可以達到你的需求，如掃描相列天 線’或多波束陣列’或者可塑形波束陣列。平行饋入方式可 提供功率分酉己2"(η = 2、4、6、…）看有幾個分枝決定此外， 振巾田可用放大H或衰減器調整。考慮到這些和其他效應在設 。十中疋重要的。例如耦合效應以及内部反射。 對於设計過微帶天線的經驗告訴我們’饋線輻射以及不 11 M428596 論是串列饋入抑或平行饋入都造成嚴重問題在於旁波束效 應’以上問題可訴諸於隔離度好的饋入網路，可用探針饋入 方式達成，就是本研究所採取的方式。先前教科書上討論的 陣列並未考慮耦合效應，但是在貼片天線則需要審慎處理， 這些效應會影響整體表現。 另外匹配電路方面主要有兩種方式：漸進式或者四分之 波長阻抗轉換達成阻抗不連續的匹配。 【實施方式】 請同時參閱圖二、圖三、圖四以及圖七所示，係為本創 作雙波束陣列天線之貼片式天線循序旋轉技術示意圖、饋入 點相對位置圖、堆疊2.4GHz與1.2GHz patch之示意圖以及 雙頻陣列天線結構圖，其中一陣列天線，係由微帶式貼片天 線200組成，以及一饋入網路，係採用探針饋入式’以避免 傳輸線之損耗、傳輸線之間影響以及良好之隔離度，其中饋 入網路為了觀察在1.2GHz貼片天線上打洞3〇〇的影響，洞 3〇〇的大小為直徑4mm，模擬結果可得知在天線上打洞3〇〇 不至於造成很大影響，洞3〇〇的大小相對其波長很小。再疊 上2.4GHz的貼片天線；堆疊2.4GHz 2x2補丁（patch) 401與 1.2GHz patch 400。 結合的模擬結果所示’ 1.2GHz patch 400尺寸較大可以 容納2.4GHz 2x2 patch 401共4個單元的patch陣列，所以 12 M428596 發想1.2GHz可當成2.4GHz的參考接地面，如此達成雙頻操 作；本結構是為多層堆疊之結構，堆疊後發現，丨2GHz的操 作頻率略往低頻偏移。3D增益場形peak gain在1 2GHz有 9dB而2.4GHz有3dB ’兩頻段的pattern與獨立的接地面情 況相近，這也代表堆疊後影響不會太大；堆疊後針對探針饋 入點3〇1位置做調整後，2.4GHz的反射損耗有更好的表現約 在-25dB左右，頻寬保持在ι〇〇ΜΗζ左右。此結構視為整個 陣列結構的一組子陣列，可由此結構延伸推廣到陣列結構（16 組）。分別包含8X8 2.4GHz 64個單元與4x4 ! 2(JHz 16個單 元的雙頻陣列天線700。 請參閱圖-所示，為本創作雙波束陣列天線之切角式圓 極化貼片天線圖，天線產生㈣化效果有很多做法，基本傳 統作法為利料功率分配器產生9G。相位差騎人網路，另 一方式就是本創作採用的將切角式圓極化貼片天線謂使 得單端饋人天線產生兩個正交相差九十度的模態。由邊緣的 中心饋入，此組態將會由切角激發出正交的兩共振頻率，此 兩個正交模態，L與fa關係如下： Γία = ί0(1-^Ρ} (~ f〇 △P為切掉的面積，P為 c與△P的關係如下：
Patch的面積^為切角的長度， 13 M428596 (p = L2q (Δρ = 2x(0.5c2) = c2 其中饋入網路部分’採用威京生功率分配器，若以操作 頻率皆在-15dB以下’是有很好的阻抗匹配，代表能量傳送， S2KS9卜分別代表功率的分配’幾乎都在_1〇dB〜_1〇 2仙左 右，能量幾乎等分’約為十分之一的能量傳送，有部分的損 耗，將會影響增益值，這在設計之初就預估會有的損耗。但 最重要要關心的是能量是否等分，如果參差不齊會影響到最 後的場形以及指向性。隔離度結果都相當理想，代表各個 之間不會有影響，不會有能量跑到其他port干擾。 請參閱圖五以及圖六所示，為本創作雙波束陣列天線之 加上同軸纜線示意圖以及加上同軸纜線側面圖，為考慮同轴 電纜線600的效應，加入鐵氟龍柱的影響，實作時會採取撥 開同軸電纜線600並將金屬網焊在1.2GHz貼片天線下方， 以利用1.2GHz patch天線作為2.4GHz的參考接地面。若為 加長同轴纜線600 20mm，在加長同軸纜線600後，1.2GUz 操作頻率往低頻移動，反觀對於2.4GHz而言並無顯著影響。 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 本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。 14 M428596 【圖式簡單說明】 請參閲以下有關本創作—赫社总^ ,丨 J作争乂 t «細*例之詳細說明及其附 圖，將可進一步瞭解本創作之姑撕# 到作之技術内谷及其目的功效；有關 該實施例之附圓為： 圖-為本創作雙波束陣列天線之切角式圓極化貼片天 線圖； 圖二為本創作雙波束陣列天線之貼片式天線循序旋轉 技術不意圖， 圖一為本们作雙波束陣列天線之饋入點相對位置圖； 圖四為本創作雙波束陣列天線之堆疊2.4GHz貞⑶沿 patch之示意圖； 圖五為雙波束陣列天線之加上同轴境線示意圖； 圖六為雙波束陣列天線之加上同軸纜線側面圓； 圖七為雙波束陣列天線之雙頻陣列天線結構圖。 【主要元件符號說明】 400 1.2GHz 補丁 401 2.4GHz 2x2 補丁 600同軸電纜線 700雙頻陣列天線 1〇〇切角式圓極化貼片 天線 200微帶式貼片天線 300洞 3〇1饋入點 15
Claims (1)
- M428596 六、申請專利範圍： 1 · 一種雙波束陣列天線，包含： 一陣列天線，係由微帶式貼片天線組成；以及 一饋入網路，係採用探針饋入式，以避免傳輪線之指 耗、傳輸線之間影響以及良好之隔離度。 2.如申请專利範圍第丨項所述之雙波束陣列天線其中該陣 列天線，係呈現圓極化。 1項所述之雙波束陣列天線，其中該饋2.4GHz。 3. 如申請專利範圍第i項 入網路，係採用威京生 4. 如申請專利範圍第1項 16
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW100224123U TWM428596U (en) | 2011-12-21 | 2011-12-21 | Dual beam array antenna |
Applications Claiming Priority (1)
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| TW100224123U TWM428596U (en) | 2011-12-21 | 2011-12-21 | Dual beam array antenna |
Publications (1)
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|---|---|
| TWM428596U true TWM428596U (en) | 2012-05-01 |
Family
ID=46549765
Family Applications (1)
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| TW100224123U TWM428596U (en) | 2011-12-21 | 2011-12-21 | Dual beam array antenna |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWM428596U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI866404B (zh) * | 2023-08-22 | 2024-12-11 | 詠業科技股份有限公司 | 圓極化陣列天線 |
-
2011
- 2011-12-21 TW TW100224123U patent/TWM428596U/zh not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI866404B (zh) * | 2023-08-22 | 2024-12-11 | 詠業科技股份有限公司 | 圓極化陣列天線 |
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