TWM507585U - 雙圓極化多波束陣列天線 - Google Patents

Description

雙圓極化多波束陣列天線

本創作係有關於一種圓極化陣列天線裝置，尤指一種透過相鄰天線互為耦合之雙圓極化多波束陣列天線。

目前現有之行動通訊裝置為設計及成本之考量，其天線多採用線性極化天線，如單極天線(monopole antenna)及倒F天線(inverse F antenna)等。而線性極化天線最佳接收之極化場型有特定之限制。因此，基地台之天線為確保行動通訊裝置能在各個角度皆能有效的接收訊號，其輻射之場型多採用圓極化之方式，尤其在衛星通訊中。而目前較為習知之圓極化方式係於單一天線之特定饋入點輸入正交之訊號，以使輸出之輻射場形成圓極化，惟習知之技術需再製作產生正交訊號之電路做為天線饋入訊號之用，而若欲組成陣列天線以取得較大的輻射範圍時，其饋入電路之複雜度與成本亦隨之增加。因此，提供有效、簡潔的圓極化方式來呈現多波束技術來產生多重覆蓋及多衛星接收為本領域亟需解決之技術問題。

為解決上述之技術問題，本創作之一目的係提供一種透過相鄰天線互為耦合形成圓極化之陣列天線，並透過波束成形電路設計來產生多個相互垂直正交的方向波束，以提供多個通訊通道。

為達上述之目的，本創作係提供一種雙圓極化多波束陣列天線。其包含電路板、複數個多環天線、以及功率放大器。

前述之電路板更包含了佈局面、接地面，以及設於佈局面以及接地面之間的介質基底。

前述之多環天線係設於接地面上，且各個多環天線又包含相鄰設置之複數個環形天線，各個環形天線包含開環輻射子以及直立部，其直立部之一端電性連接開環輻射子之一端，直立部之另一端為饋入端，而饋入端與接地面絕緣連接並接著貫穿介質層以和佈局面電性連接，而多環天線更設為一二維天線陣列，各相鄰之多環天線相隔一間距，各多環天線之饋入端鄰近設置，而各多環天線之饋入端相對於其中心點之設置方向與相鄰的各多環天線之饋入端相對於其中心點之設置方向為正交。

前述之功率分配器係設於佈局面上，且包含一輸入端以及複數個輸出端，輸入端接收一輸入訊號，而複數個輸出端用以分配輸出輸入訊號，且各輸出端被選擇地電性連接各多環天線的其中之一饋入端，以設定輸出之輻射場型及輻射方向。

由於習知之圓極化天線之每一天線單元皆需具有一正交訊號產生電路，使得欲構成天線陣列時，其成本與複雜度也隨之增加，反觀本創作係透過擺置相鄰之天線單元之饋入端位置，即能利用天線間之相互耦合作用得到圓極化之輻射場型，以形成多重覆蓋、多衛星接收以及多個通訊通道之技術功效。

1‧‧‧電路板

11‧‧‧接地面

13‧‧‧佈局面

15‧‧‧介質基底

2‧‧‧中心間距

3‧‧‧多環天線

301‧‧‧第一多環天線

302‧‧‧第二多環天線

303‧‧‧第三多環天線

304‧‧‧第四多環天線

305‧‧‧第五多環天線

306‧‧‧第六多環天線

307‧‧‧第七多環天線

308‧‧‧第八多環天線

31‧‧‧環形天線

31A‧‧‧第一環形天線

31B‧‧‧第二環形天線

31C‧‧‧第三環形天線

31D‧‧‧第四環形天線

31E‧‧‧第五環形天線

31F‧‧‧第六環形天線

31G‧‧‧第六環形天線

311‧‧‧開環輻射子

313‧‧‧直立部

315‧‧‧饋入端

5‧‧‧功率分配器

51‧‧‧輸入端

53‧‧‧輸出端

55‧‧‧相位調整電路

第1圖係為本創作之雙圓極化多波束陣列天線剖面圖。

第2圖係為本創作之雙圓極化多波束陣列天線上視圖。

第3圖係為本創作之雙圓極化多波束陣列天線下視圖。

第4圖係為本創作之多環天線示意圖。

第5A圖係為本創作之第一實施例之功率分配器電路圖。

第5B圖係為本創作之第一實施例之3D輻射場形示意圖。

第5C圖係為本創作之第一實施例之X-Z平面輻射場型示意圖。

第5D圖係為本創作之第一實施例之Y-Z平面輻射場型示意圖。

第5E圖係為本創作之第一實施例之X-Z平面軸比示意圖。

第5F圖係為本創作之第一實施例之Y-Z平面軸比示意圖。

第5G圖係為本創作之第一實施例之天線S11參數量測圖。

第5H圖係為本創作之第一實施例之天線3D輻射場型量測圖。

第5I圖係為本創作之第一實施例之天線YZ平面輻射場型量測圖。

第5J圖係為本創作之第一實施例之天線YZ平面軸比量測圖。

第6圖係為本創作之第二實施例之功率分配器電路圖。

第7圖係為本創作之第三實施例之功率分配器電路圖。

第8A圖係為本創作之第四實施例之功率分配器電路圖。

第8B圖係為本創作之第四實施例之3D輻射場形示意圖。

第8C圖係為本創作之第四實施例之X-Z平面輻射場型示意圖。

第8D圖係為本創作之第四實施例之Y-Z平面輻射場型示意圖。

第8E圖係為本創作之第四實施例之X-Z平面軸比示意圖。

第8F圖係為本創作之第四實施例之Y-Z平面軸比示意圖。

第8G圖係為本創作之第四實施例之天線S11參數量測圖。

第8H圖係為本創作之第四實施例之天線3D輻射場型量測圖。

第8I圖係為本創作之第四實施例之天線YZ平面輻射場型量測圖。

第8J圖係為本創作之第四實施例之天線VZ平面軸比量測圖。

第9圖係為本創作之第五實施例之功率分配器電路圖。

第10圖係為本創作之第六實施例之功率分配器電路圖。

以下將描述具體之實施例以說明本創作之實施態樣，惟其並非用以限制本創作所欲保護之範疇。

以下係揭露本創作之雙圓極化多波束陣列天線，請參閱第1圖、第2圖、第3圖及第4圖。雙圓極化多波束陣列天線包含電路板1、複數個多環天線3、及功率分配器5。

電路板1包含佈局面13、接地面11及介質基底15，其介質基底15係設於佈局面13與接地面11之間。

複數個多環天線3係設於接地面11上，且係由銅金屬所製作。而各多環天線3又包含相鄰設置的複數個環形天線31，各環形天線31又包含開環輻射子311和直立部313，而各直立部313的一端電性連接各開環輻射子311之一端，各直立部313之另一端係為饋入端315，饋入端315與接地面11絕緣連接並貫穿介質基底15以和佈局面13電性連接，複數個多環天線3可設為一二維天線陣列，各相鄰之多環天線3相隔一間距2，各多環天線3之饋入端315相鄰設置，而各多環天線3之複數個饋入端315相對於其中心點之設置方向與相鄰之各多環天線3之複數個饋入端315相對於其中心點之設置方向呈正交。

功率分配器5設於佈局面13上，其功率分配器5包含輸入端51以及複數個輸出端53。輸入端51接收一輸入訊號，複數個輸出端53則係分 配輸出前述之輸入訊號，且各輸出端53被選擇的電性連接各多個環天線3之複數個饋入端315的其中之一。

為設計左旋圓極化以及右旋圓極化方向之天線輻射場型以及特定之輻射方向，各開環輻射子311之繞射方向與相鄰之各開環輻射子311之繞射方向相反設置。

請參閱第1圖，為得特定之天線陣列場型，多環天線3間之中心間距2可設為天線操作頻率波長的0.5~1倍。舉例而言，本創作之天線係操作於2.4GHz至2.5GHz。而電磁理論之波長公式為真空中波之傳輸速率(3×10⁸ m)除以操作頻率(本創作之操作頻率範圍為2.4GHz至2.5GHz)，亦即其操作頻率波長為120mm至125mm，本創作係採120mm，並得以決定中心間距2為60mm。

於本創作中，為達特定之陣列天線場型，其二維天線陣列之階數係為2×4階之陣列天線。

在功率分配器5之各輸出端係包含相位調整電路55，以調整每一輸出端之相位，據以合成並輸出各類輻射場型。

於本創作中，其功率分配器5為一威京森功率分配器(Wilkinson power divider)。

於本創作中，電路板1之介質基底15係為一玻璃纖維材質(FR4)，且其厚度為1mm。

請共同參考第4圖，為設定本創作之天線之輻射方向，其環形天線31之開環輻射子311之圓周長係介於波長至波長之間。本創作之天線在操作頻率波長為120mm條件下，設定圓周長為136.59mm，而各開環 輻射子311之間距為1mm、各直立部313之間距為0.5mm。第一環形天線31A之直立部313為28mm、第二環形天線31B之直立部313為27mm、第三環形天線31C之直立部313為26mm、第四環形天線31D之直立部313為25mm、第五環形天線31E之直立部313為24mm、第六環形天線31F之直立部313為23mm以及初始環形天線31G之直立部313為29mm。

請共同參考本創作第1圖至第4圖，本創作之第一實施例為設定輸出輻射場型為右旋圓極化，輻射方向為θ=0°、φ=0°，並採用多環天線3之第一環形天線31A為饋入天線，並為達上述之目的，一併調整各多環天線3饋入訊號相位如下表所示：

本創作係透過調整功率分配器之相位調整電路以調整各多環天線3饋入訊號相位。請接著參閱第5A圖，第5A圖係為符合上表規格之功率分配器5及經過設計調整之相位調整電路55。

請接著參閱第5B圖至第5F圖，其係為本實施例之電磁模擬結果圖，分別為本實施例之3D輻射場型圖、X-Z平面輻射場型圖、Y-Z平面輻射場型圖、X-Z平面軸比圖以及Y-Z平面軸比圖。

請再參閱第5G圖到5J圖，係為本實施例之實際量測資料，各圖式分別為天線S11參數量測圖、天線3D輻射場型量測圖、天線Y-Z平面輻射場型圖以及天線Y-Z平軸比量測圖。

由第5G圖可知，本實施例之天線於2.5GHz之S1l為-13.41dB，符合天線操作之規格(天線S11參數需小於-10dB).

請再參閱下表，下表係為整理自第5H圖至5J圖之實際量測數據

由軸距比之數據可得知，本實施例之天線確可產生圓極化之輻射場型。

請共同參考本創作第1圖至第4圖，本創作之第二實施例為設定輸出輻射場型為左旋圓極化，輻射方向為θ=0°、φ=0°，並採用多環天線3之第二環形天線31B為饋入天線，為達上述之目的，茲以調整各多環天線3饋入訊號相位如下：

本創作係透過調整功率分配器5之相位調整電路55以達成各 多環天線3饋入訊號相位之調整。請接著參閱第6圖，第6圖係為符合上表規格之功率分配器及其相位調整電路。

經由電磁模擬可確認本實施例之雙圓極化多波束陣列天線，在φ=0°時，其X-Z平面軸距比為0.61dB；在φ=90°時，其Y-Z平面軸距比為0.61dB，此數據符合圓極化天線之特徵。

請共同參考本案第1圖至第4圖，本創作之第三實施例為設定輸出輻射場型為右旋圓極化，輻射方向為θ=10°、φ=0°，係採多環天線3之第三環形天線31C為饋入天線。為達上述之目的，茲以調整各多環天線3饋入訊號相位如下：

本創作係透過調整功率分配器5之相位調整電路55以達成各多環天線3饋入訊號相位之調整。請接著參閱第7圖，第7圖係為符合上表規格之功率分配器5及其相位調整電路55。

經由電磁模擬可確認本實施例之雙圓極化多波束陣列天線，在φ=0°時，其X-Z平面軸距比為1.99dB；在φ=90°時，其Y-Z平面軸距比為2.56dB，此數據符合圓極化天線之特徵。

請共同參考本案第1圖至第4圖，本創作之第四實施例為設定輸出輻射場型為左旋圓極化，輻射方向為θ=10°、φ=0°，故係採多環天線3之第四環形天線31D為饋入天線，為達上述之目的，茲以調整各多環天 線饋入訊號相位如下：

本創作係透過調整功率分配器5之相位調整電路55以達成各多環天線3饋入訊號相位之調整。請接著參閱第8圖，第8圖係為符合上表規格之功率分配器5及其相位調整電路55。

請接著參閱第8B圖至第8F圖，前述之圖式為本實施例之電磁模擬結果圖，其係分別為本實施例之3D輻射場型圖、X-Z平面輻射場型圖、Y-Z平面輻射場型圖、X-Z平面軸比圖以及Y-Z平面軸比圖。

請繼讀參閱第8E圖，在φ=0°時，其軸距比為0.82dB；第8F圖在φ=90°時，其軸距比為2.11dB，此數據符合圓極化天線之特徵。

請再參閱第8G圖到8J圖，係分別為本實施例之量測資料，各圖式分別為天線S11參數量測圖、天線3D輻射場型量測圖、天線Y-Z平面輻射場型圖以及天線Y-Z平軸比量測圖。

請接著參閱第8G圖，在操作頻率2.5GHz，天線之S11參數為-13.45dB，符天線操作之規格(天線S11參數需小於-10dB)。

請再參閱下表，下表係為整理自第8H圖至8J圖之實際量測數據

由軸距比之數據可得知，本實施例之天線確可產生圓極化之輻射場型。

請共同參考本案第1圖至第4圖，本創作之第五實施例為設定輸出輻射場型為右旋圓極化，輻射方向為θ=10°、φ=180°，因此採多環天線3之第五環形天線31E為饋入天線，並為達上述之目的，一併調整各多環天線饋入訊號相位如下：

本創作係透過調整功率分配器5之相位調整電路55以達成各多環天線饋入訊號相位之調整。請接著參閱第9圖，第9圖係為符合上表規格之功率分配器5及其相位調整電路55。

經由電磁模擬可確認本實施例之雙圓極化多波束陣列天線在φ=0°時，其X-Z平面軸距比為2.34dB；在φ=90°時，其Y-Z平面軸距比為4.5dB，此數據符合圓極化天線之特徵。

請共同參考本案第1圖至第4圖，本創作之第六實施例為設定輸出輻射場型為左旋圓極化，輻射方向為θ=10°、φ=180°，故係採多環天線3之第六環形天線31F為饋入天線，為達上述之目的，茲以調整各多環天線3饋入訊號相位如下：

本創作係透過調整功率分配器5之相位調整電路55以達成各多環天線3饋入訊號相位之調整。請接著參閱第10圖，第10圖係為符合上表規格之功率分配器5及其相位調整電路55。

經由電磁模擬可確認本實施例之雙圓極化多波束陣列天線在φ=0°時，其X-Z平面軸距比為1.43dB；在φ=90°時，其Y-Z平面軸距比為2.19dB，此數據符合圓極化天線之特徵。

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。

1‧‧‧電路板

11‧‧‧接地面

13‧‧‧佈局面

15‧‧‧介質基底

2‧‧‧間距

3‧‧‧多環天線

Claims (7)

1. 一種雙圓極化多波束陣列天線，包含：一電路板，包含：一佈局面；一接地面；一介質基底，設於該佈局面與該接地面之間；複數個多環天線，設於該接地面上，各該多環天線包含相鄰設置之複數個環形天線，各該環形天線包含一開環輻射子及一直立部，各該直立部之一端電性連接各該開環輻射子之一端，各該直立部之另一端為一饋入端，該些饋入端與該接地面絕緣連接並貫穿該介質層以和該佈局面電性連接，該些多環天線設為一二維天線陣列，各該相鄰之多環天線相隔一間距，各該多環天線之該些饋入端鄰近設置，各該多環天線之該些饋入端相對於其中心點之設置方向與相鄰之各該多環天線之該些饋入端相對於其中心點之設置方向呈正交；以及一功率分配器，設於該佈局面上，包含：一輸入端，接收一輸入訊號；複數個輸出端，分配輸出該輸入訊號，各該輸出端被選擇地電性連接各該多環天線之該些饋入端其中之一。
2. 如請求項1之雙圓極化多波束陣列天線，其中各該開環輻射子之繞射方向與相鄰之各該開環輻射子之繞射方向相反。
3. 如請求項1之雙圓極化多波束陣列天線，其中該間距為一操作頻率之波長的0.5~1倍。
4. 如請求項1之雙圓極化多波束陣列天線，其中該二維天線陣列之階數為2×4階。
5. 如請求項1之雙圓極化多波束陣列天線，其中該功率分配器之各該輸出端包含一相位調整電路。
6. 如請求項1之雙圓極化多波束陣列天線，其中該功率分配器為一威京森功率分配器(Wilkinson power divider)。
7. 如請求項1之雙圓極化多波束陣列天線，其中該介質基體為一玻璃纖維材質。