TWM560708U - 雙極化天線結構 - Google Patents

Abstract

一種雙極化天線結構包括基底層與輻射層。輻射層包含輻射單元陣列，其包含輻射單元、第一與第二總饋入點。輻射單元具有相對的第一側與第二側及相對的第三側與第四側，其中一輻射單元的第一側與另一輻射單元的第二側各具有一第一訊號饋入點，該些輻射單元的第四側各具有第二訊號饋入點。第一與第二總饋入點分別饋入第一與第二饋入訊號。第一總饋入點分別電性連接第一訊號饋入點，第二總饋入點分別電性連接第二訊號饋入點。

Description

雙極化天線結構

本新型係關於一種天線結構，特別是一種雙極化天線結構。

隨著無線通訊的蓬勃發展，各種應用於多頻傳輸的產品與技術也孕育而生，其中天線係為無線傳輸中用以發送和接收電磁波能量的重要元件之一。現今各種產品所應用之天線，其設計方法與使用材質均不相同。因此，選用適當的天線，可有助於提昇無線傳輸之特性，並且同時降低產品之生產成本。

天線可分為全向性(Omni－directional)天線和指向性(directional)天線。全向性天線的特性是輻射能量到一平面上所有的方向。指向性天線則是將能量集中輻射於某一個特定的角度範圍。因此，相對於全向性天線，指向性天線於此特定的範圍中，有較大的天線增益(Antenna Gain)。並且，為了滿足電子產品越來越小型化的趨勢，具有結構緊湊與節省空間等優點的雙極化天線的設計逐漸受到重視。

為了增加雙極化天線的天線增益，常見的作法是以採用陣列的設計，但由於訊號饋入點的位置時常會讓輻射單元之間的輻射場型(radiation pattern)產生相互抵消的問題，進而影響應有的天線性能表現。因此，天線的設計仍有進一步發展的空間。

本新型在於提供一種雙極化天線結構，藉以解決先前技術中天線輻射場型相互抵消而影響性能的問題。

本新型所揭露的雙極化天線結構，包括一基底層與一輻射層。輻射層位於該基底層上方。該輻射層包含至少一輻射單元陣列。該至少一輻射單元陣列包含至少二輻射單元、一第一總饋入點與一第二總饋入點。每一該輻射單元具有彼此相對的一第一側與一第二側以及彼此相對的一第三側與一第四側，其中一該輻射單元的該第一側與另一該輻射單元的該第二側彼此相鄰或相背對，且各具有一第一訊號饋入點，該些輻射單元的該些第四側各具有一第二訊號饋入點。該第一總饋入點與該第二總饋入點分別用以饋入一第一饋入訊號與一第二饋入訊號。其中，該第一總饋入點分別電性連接該些輻射單元的該些第一訊號饋入點，該第二總饋入點分別電性連接該些輻射單元的該些第二訊號饋入點，該第一總饋入點與該些輻射單元的該些第一訊號饋入點的傳輸距離差為D1，且D1大於0。

藉此，可確保相鄰之輻射單元可接收相位相同或較接近的饋入訊號，因而不會產生前述場型相互抵消的問題。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本新型之精神與原理，並且提供本新型之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本新型之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本新型之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本新型相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本新型之觀點，但非以任何觀點限制本新型之範疇。

請參照圖1~2，圖1係為根據本新型之一實施例所繪示之雙極化天線結構的上視圖，而圖2係為圖1之雙極化天線結構的側剖圖。

本實施例提出一種雙極化天線結構1a，為一個指向性天線結構，包含一基底層10與一輻射層20a。輻射層20a位於基底層10上方。基底層10與輻射層20a均是由金屬材質所構成。

於本實施例中，輻射層20a包含一輻射單元陣列200a。輻射單元陣列200a包含一第一總饋入點201、一第二總饋入點202、一輻射單元210a與一輻射單元210b。其中，這些輻射單元210a與210b的結構實質上相同，但其與前述第一總饋入點201與第二總饋入點202之間的連接關係不同。此外，該些輻射單元210a與210b彼此相鄰設，且分別經由支撐柱體(未標號)固定於基底層10上。

進一步來說，於本實施例中，輻射單元210a與輻射單元210b的形狀為正四邊形，且各具有彼此相對的一第一側211與一第二側212以及彼此相對的一第三側213與一第四側214。但提醒的是，本新型並非以前述輻射單元的形狀為限，例如於其他實施例中，輻射單元也可以為矩形或多邊形等其他幾何形。

在排列上，如圖所示，輻射單元210a的第二側212與輻射單元210b的第二側212為彼此相鄰且相面對，換句話說，輻射單元210a的第一側211與輻射單元210b的第一側211為彼此相背對。並且，輻射單元210a的第一側211與輻射單元210b的第一側211各具有一第一訊號饋入點2111，而輻射單元210a與輻射單元210b的第四側214位於輻射單元陣列200a同一側，且各具有一第二訊號饋入點2141。

於本實施例中，輻射單元210a與輻射單元210b的訊號饋入點與其幾何中心的夾角實質上呈直角。具體來說，如以輻射單元210a來看，其幾何中心C分別與第一訊號饋入點2111與第二訊號饋入點2141連成一第一假想線L1與一第二假想線L2，而該第一假想線L1與該第二假想線L2形成一直角。相同地，在輻射單元210b上，訊號饋入點與其幾何中心的夾角實質上也呈直角，故容此不再贅述。

更進一步來看，第一總饋入點201分別經由一第一線路221與一第二線路222電性連接輻射單元210a的第一訊號饋入點2111與輻射單元210b的第一訊號饋入點2111，而第二總饋入點202分別經由一第三線路223與一第四線路224電性連接輻射單元210a與輻射單元210b的第二訊號饋入點2141，其中，第三線路223與第四線路224至少部分重疊。

第一總饋入點201與第二總饋入點202分別可用以從外部饋入第一饋入訊號與第二饋入訊號。因此，可理解地，第一總饋入點201可經由前述第一線路221與第二線路222將第一饋入訊號分別從輻射單元210a之第一側211與輻射單元210a之第一側211的第一訊號饋入點2111饋入輻射單元210a與輻射單元210b，以及第二總饋入點202可經由前述第三線路223與第四線路224將第二饋入訊號分別從第二訊號饋入點2141饋入輻射單元210a與輻射單元210b。且可理解的是，前述的線路的長度即是訊號從總饋入點傳遞到輻射單元的傳輸距離。

並且，由前述可知，由於輻射單元210a與輻射單元210b的訊號饋入點與其幾何中心的夾角實質上呈直角，因而第一饋入訊號與第二饋入訊號會以相正交的方式進入輻射單元210a與輻射單元210b以產生共振。另提醒的是，第一饋入訊號與第二饋入訊號的波長可以相同也可以相異，本新型並非以此為限。

此外，為了確保饋入輻射單元210a與輻射單元210b的訊號的共振性。輻射單元210a與輻射單元210b的第一側211與第二側212 的距離建議可約為第一饋入訊號的半波長，而第三側213與第四側214的距離建議可約為第二饋入訊號的半波長。

就整體來看，輻射層20a的輻射單元陣列200a大致上呈對稱的配置，如圖所示，輻射單元陣列200a具有一對稱中心線S，其輻射單元210a與輻射單元210b以該對稱中心線S對稱配置，而第三線路223、第四線路224也以該對稱中心線S對稱配置。

但值得注意的是，第一線路221、第二線路222及第一總饋入點201並非對稱配置，即第一總饋入點201的位置並非位於輻射單元陣列200a的對稱中心線S上，而是以偏置的方式設置。

原因在於，由於第一訊號饋入點2111位於輻射單元210a彼此相背對的第一側211，因此，第一饋入訊號會以相反方向饋入輻射單元210a與輻射單元210b。在此情況下，假若第一總饋入點201位於對稱中心線S上而讓第一線路221與第二線路222的長度相同，第一饋入訊號會同時進入輻射單元210a與輻射單元210b，造成輻射單元210a與輻射單元210b上第一饋入訊號的波形相位差呈180度，而導致輻射單元210a與輻射單元210b的場型產生干擾甚至相抵消的問題。因此，在設定上，第一總饋入點201的位置需滿足特定條件，以讓第一線路221與第二線路222具有特定的長度差，進而降低輻射單元210a與輻射單元210b之間波形干擾的機率。

具體來說，於本實施例中，第一線路221與第二線路222具有長度差D1，也可以說，第一總饋入點201至輻射單元210a的第一訊號饋入點2111與輻射單元210b的第一訊號饋入點2111的傳輸距離差為D1，且D1大於0。

更具體來說，該傳輸距離差D1與第一饋入訊號的波長λ₁需滿足以下條件式：條件式1：D1=(n+1/2)×λ₁×(1±0.04)，其中n為大於等於0 的整數。

藉此，第一線路221與第二線路222不等長，且其長度差會約略等於第一饋入訊號的半波長的奇整數倍。其中，從實驗數據顯示，實際上第一線路221與第二線路222的長度差D1與第一饋入訊號的半波長的奇整數倍之間可存有±4%的容許值。在此配置下，即使第一饋入訊號以相反的方向饋入相鄰的輻射單元210a與輻射單元210b，但進入輻射單元210a與輻射單元210b的第一饋入訊號仍可保持相同或較接近的相位，而可避免相鄰的輻射單元之間產生場型相互干擾或抵消的問題。

且可理解的是，只要是以相反方向將訊號饋入兩相鄰輻射單元的線路長度差(或傳輸距離差)滿足前述條件式1，均屬於本新型之範疇。例如於其他實施例中，第二線路也可較第一線路長，但兩線路之間的差仍滿足前述條件式1。

另外，對於第二總饋入點202來說，由於第二訊號饋入點2141均位於輻射單元210a與輻射單元210b的第四側214，因而，第二饋入訊號會以相同方向饋入輻射單元210a與輻射單元210b。但為了確保輻射單元的天線增益，電性連接第二總饋入點202與第四側214的第三線路223與第四線路224的長度差(即第二總饋入點202至輻射單元210a與輻射單元210b的第二訊號饋入點2141的傳輸距離差)建議滿足特定條件。

詳細來說，於本實施例中，設定第三線路223與第四線路224具有長度差D2，也可以說，第二總饋入點202至輻射單元210a與輻射單元210b的第二訊號饋入點2141的傳輸距離差為D2，第二饋入訊號的波長為λ₂，而D2與λ₂滿足以下條件式2：條件式2：D2=m×λ₂×(1±0.04)，其中m為大於等於0的整數。

藉此，第三線路223與第四線路224的長度差會約略等於第二饋入訊號的波長或其整數倍。其中，從實驗數據顯示，實際上第三線 路223與第四線路224的長度差D2與第二饋入訊號的波長的整數倍之間可存有±4%的容許值。在此配置下，當第二饋入訊號經由第二總饋入點202饋入輻射單元陣列200a，進入輻射單元210a與輻射單元210b的第二饋入訊號可保持相同或較接近的相位，可避免相鄰的輻射單元之間產生場型相互干擾或抵消的問題。

於本實施例的情況，由於輻射單元陣列200a中第三線路223與第四線路224是以對稱中心線S對稱配置，所以第三線路223與第四線路224長度大致上相等，即D2實質上等於0。但本新型之雙極化天線結構中的輻射單元陣列也可呈非對稱配置，例如於其他實施例中，第三線路也可較第四線路長，但第三線路與第四線路之間的長度差(即第二總饋入點與輻射單元的該些第二訊號饋入點的傳輸距離差)仍滿足前述條件式2。

然而，本新型並非以前述雙極化天線結構1a中的輻射單元陣列200a為限。例如請參閱圖3，係為根據本新型之另一實施例所繪示之雙極化天線結構的上視圖。

如圖3所示，本實施例提出一種雙極化天線結構1b，與前述實施例不同之處在於，雙極化天線結構1b的一輻射層20b包含一輻射單元陣列200b還包含另外兩個與前述輻射單元210a與輻射單元210b結構相同的一輻射單元210c與一輻射單元210d。在排列上，如以圖面視角來看，輻射單元210a與輻射單元210b並排於第一列，而輻射單元210c與輻射單元210d並排於第二列。簡言之，輻射單元陣列200a的四個輻射單元210a~210d共同排列成一個2×2的陣列。

於本實施例中，第一總饋入點201分別經由一第五線路225與一第六線路226電性連接輻射單元210c的第一訊號饋入點2111與輻射單元210d的第一訊號饋入點2111，其中，第五線路225與第一線路221至少部分重疊，而第六線路226與第二線路222至少部分重疊；第二總饋入點202分別經由一第七線路227與一第八線路228電性連接輻射單元 210c與輻射單元210d的第二訊號饋入點2141，其中，第七線路227與第八線路228至少部分重疊。

第一總饋入點201可經由前述第五線路225與第六線路226將第一饋入訊號分別饋入輻射單元210c與輻射單元210d，以及第二總饋入點202可經由前述第七線路227與第八線路228將第二饋入訊號分別饋入輻射單元210c與輻射單元210d。因此，同理地，第五線路225與第六線路226的長度差，以及第七線路227與第八線路228的長度差也需滿足特定條件。

具體來說，於本實施例中，第五線路225與第六線路226具有長度差D3，也可以說，第一總饋入點201至輻射單元210c的第一訊號饋入點2111與輻射單元210d的第一訊號饋入點2111的傳輸距離差為D3，其與第一饋入訊號的波長λ₁滿足以下條件式3：條件式3：D3=(q+1/2)×λ₁×(1±0.04)，其中q為大於等於0的整數。

而第七線路227與第八線路228具有長度差D4，也可以說，第二總饋入點202至輻射單元210c與輻射單元210d的第二訊號饋入點2141的傳輸距離差為D4，其與第二饋入訊號的波長λ₂滿足以下條件式4：條件式4：D4=r×λ₂×(1±0.04)，其中r為大於等於0的整數。

藉此，可避免同一列之輻射單元210c與輻射單元210d於水平方向及垂直方向(如以圖面視角來看)上產生場型彼此干擾甚或抵銷的問題發生。

另外，為了更進一步確保天線增益，於本實施例或其他實施例中，還需注意同一行中相鄰的輻射單元(即輻射單元210a與210c以及輻射單元210b與210d)的波形是否會產生干擾或抵消。具體來說，雖然第一饋入訊號與第二饋入訊號以相同饋入方向饋入輻射單元210a與210c(或輻射單元210b與210d)，但同前述條件式2與條件式4的說明，第一線路221 與第五線路225(或第二線路222與第六線路226)的長度差建議維持約等於第一饋入訊號的波長或其整數倍；以及第三線路223與第七線路227(或第四線路224與第八線路228)的長度差建議維持約等於第二饋入訊號的波長或其整數倍。

由此可知，本實施例之雙極化天線結構1b中四個輻射單元上的饋入訊號可藉由滿足前述條件式而降低彼此之間相互干擾的機率，進而有助於提升整體的輻射強度。

另外，本新型並非以前述雙極化天線結構為限。例如請參閱圖4~5，圖4係為根據本新型之又一實施例所繪示之雙極化天線結構的上視圖，而圖5係為圖4之雙極化天線結構的側剖圖。

如圖所示，本實施例提出一種雙極化天線結構1c，與前述實施例不同之處在於，雙極化天線結構1c包的一輻射層20c含四個前述的輻射單元陣列200b。在排列上，四個輻射單元陣列200b共同排列成一個2×2的陣列，每一個輻射單元陣列200b配置有一個第一總饋入點201與一個第二總饋入點202。於本實施例中，雙極化天線結構1c還包含一分波器30設置於基底層10上，分波器30經由連接線(未標號)電性連接該些輻射單元陣列200b的第一總饋入點201與第二總饋入點202，以分別對該些第一總饋入點201與第二總饋入點202饋入第一饋入訊號與第二饋入訊號。

由此可知，多個輻射單元陣列200b可一併成型於單片金屬板材上。藉此，有助於實現模組化，進而可降低生產與製造成本。

綜上所述，本新型提出的雙極化天線結構，於水平方向或垂直方向上，饋入訊號至輻射單元各側的傳輸距離差均滿足特定條件，因此，相鄰的該些輻射單元之間得以接收相位相同或較接近的饋入訊號，因而不會產生波形相互干擾或抵消的問題。

雖然本新型以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本新型。在不脫離本新型之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本新型 之專利保護範圍。關於本新型所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1a、1b、1c‧‧‧雙極化天線結構

10‧‧‧基底層

20a、20b、20c‧‧‧輻射層

30‧‧‧分波器

200a、200b‧‧‧輻射單元陣列

201‧‧‧第一總饋入點

202‧‧‧第二總饋入點

210a~210d‧‧‧輻射單元

211‧‧‧第一側

212‧‧‧第二側

213‧‧‧第三側

214‧‧‧第四側

221‧‧‧第一線路

222‧‧‧第二線路

223‧‧‧第三線路

224‧‧‧第四線路

225‧‧‧第五線路

226‧‧‧第六線路

227‧‧‧第七線路

228‧‧‧第八線路

2111‧‧‧第一訊號饋入點

2141‧‧‧第二訊號饋入點

C‧‧‧幾何中心

D1~D4‧‧‧傳輸距離差、長度差

L1‧‧‧第一假想線

L2‧‧‧第二假想線

m、n、p、q、r‧‧‧大於等於0的整數

S‧‧‧對稱中心線

λ₁、λ₂‧‧‧波長

圖1係為根據本新型之一實施例所繪示之雙極化天線結構的上視圖。 圖2係為圖1之雙極化天線結構的側剖圖。 圖3係為根據本新型之另一實施例所繪示之雙極化天線結構的上視圖。 圖4係為根據本新型之又一實施例所繪示之雙極化天線結構的上視圖。 圖5係為圖4之雙極化天線結構的側剖圖。

Claims (10)

1. 一種雙極化天線結構，包含：一基底層；以及一輻射層，位於該基底層上方，該輻射層包含至少一輻射單元陣列，該至少一輻射單元陣列包含至少二輻射單元、一第一總饋入點與一第二總饋入點，每一該輻射單元具有彼此相對的一第一側與一第二側以及彼此相對的一第三側與一第四側，該些輻射單元的該些第二側彼此相面對，而該些輻射單元的該些第一側各具有一第一訊號饋入點，該些輻射單元的該些第四側位於該至少一輻射單元陣列同一側且各具有一第二訊號饋入點，該第一總饋入點與該第二總饋入點分別用以饋入一第一饋入訊號與一第二饋入訊號；其中，該第一總饋入點分別電性連接該些輻射單元的該些第一訊號饋入點，該第二總饋入點分別電性連接該些輻射單元的該些第二訊號饋入點，該第一總饋入點與該些輻射單元的該些第一訊號饋入點的傳輸距離差為D1，且D1大於0。
2. 如請求項1所述之雙極化天線結構，其中該第一總饋入點與該些輻射單元的該些第一訊號饋入點的傳輸距離差為D1，該第一饋入訊號的波長為λ ₁，其滿足以下條件：D1=(n+1/2)×λ ₁×(1±0.04)，n為大於等於0的整數。
3. 如請求項1所述之雙極化天線結構，其中該些輻射單元的該些第一訊號饋入點朝相反方向饋入該第一饋入訊號，該些輻射單元的該些第二訊號饋入點朝同方向饋入該第二饋入訊號。
4. 如請求項1所述之雙極化天線結構，其中該第二總饋入點與該些輻射單元的該些第二訊號饋入點的傳輸距離差為D2，該第二饋入訊號的波長為λ ₂，其滿足以下條件：D2=m×λ ₂×(1±0.04)，m為大於等於0的整數。
5. 如請求項1所述之雙極化天線結構，其中於每一該輻射單元上，該輻射單元的一幾何中心分別與該第一訊號饋入點及該第二訊號饋入點連成一第一假想線與一第二假想線，且該第一假想線與該第二假想線形成一直角。
6. 如請求項1所述之雙極化天線結構，其中每一該輻射單元的形狀為一多邊形。
7. 如請求項1所述之雙極化天線結構，其中該基底層由金屬材質所構成。
8. 如請求項1所述之雙極化天線結構，其中於該至少一輻射單元陣列中，該至少二輻射單元的數量為四個，排列成2×2的陣列，該至少一輻射單元陣列具有一第一列與一第二列，該第一總饋入點與該第一列的該些輻射單元的該些第一訊號饋入點的傳輸距離差為D1，該第一總饋入點與該第二列中的該些輻射單元的該些第一訊號饋入點的傳輸距離差為D3，其滿足以下條件：D3=(q+1/2)×λ ₁×(1±0.04)，q為大於等於0的整數。
9. 如請求項8所述之雙極化天線結構，其中該第二總饋入點與該第一列的該些輻射單元的該些第二訊號饋入點的傳輸距離差為D2，該第二總饋入點與該第二列的該些輻射單元的該些第二訊號饋入點的傳輸距離差為D4，其滿足以下條件：D4=r×λ ₂×(1±0.04)，r為大於等於0的整數。
10. 如請求項9所述之雙極化天線結構，更包含一分波器，位於該基底層上，其中該至少一輻射單元陣列的數量為四個，排列成2×2的陣列，該分波器電性連接該些輻射單元陣列的該些第一總饋入點與該些第二總饋入點。