TWI453990B - 雙極化雙饋入之平面天線結構 - Google Patents

Description

雙極化雙饋入之平面天線結構

本發明係關於一種天線結構，特別關於一種平面天線結構。

近年來，直播衛星事業蓬勃發展，全球每年發射十顆以上商用直播衛星，節目頻道不斷增加，使用者快速成長至超過十億以上，因此對衛星地面接收系統的品質與功能更加重視。一般衛星接收天線多採用碟形天線設計，而其降頻器之饋入(LNB feed)則採用傳統號角天線(horn antenna)。為了減小體積，此饋入天線可採用平面電路板製作平面天線，其優點為成本低廉、重量輕、適合大量生產且易於與後級電路整合等等。

請參照圖1所示，其係一種習知之平面天線結構示意圖。一種習知之平面天線結構1包含一基板11，一貼片13、一饋入端14、一金屬接地層15以及一微帶16。

其中，貼片13係為一矩形金屬貼片(patch)，可藉由印刷電路製程形成至基板11之上表面，基板11之下表面則具有一金屬接地層15。其中貼片13與饋入端14係利用微帶16電性連結，使能量饋入貼片13，接著適當調整微帶16之長度與寬度來達到平面天線結構1之阻抗匹配。

平面天線結構1可藉由調整貼片13之尺寸形狀以操作於任一頻段，並利用饋入端14饋入，在貼片13與金屬接地層15之間激勵起電磁場以向外輻射。

然而在毫米波中，單一天線之增益(gain)可能不足，故使用天線陣列(antenna array)的方式，利用多個天線結構組合以達到所需的增益。請參照圖2所示，其係另一種習知之平面天線結構示意圖。平面天線結構1a包含四個相同的貼片13，並利用微帶16將該等貼片13電性連結至饋入端14，使能量可以分別饋入該等貼片13，並調整微帶16之長度與寬度來達到平面天線結構2之阻抗匹配。

習知之平面天線結構為單一極化(polarization)天線，每次只能接收單一方向之訊號，故在應用上成為一種限制。因此，如何提供頻率再利用以及多極化方向以增加使用的多樣性，實為現今的重要課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種雙極化雙饋入之平面天線，增加使用的多樣性。

為達上述目的，依據本發明一種雙極化雙饋入之平面天線結構，包含一第一基板、一第二基板以及一空氣層，第一基板包含至少一第一微帶以及至少一貼片，第一微帶與貼片電性連接；第二基板設置於第一基板之一側，第二基板包含一共用接地金屬層、一槽孔、一第一饋入端、一第二饋入端以及一第二微帶，槽孔與貼片對應設置；空氣層夾置於第一基板與第二基板之間，其中第一微帶經由一導線而與第一饋入端電性連結，貼片經由槽孔耦合至第二微帶，且第二微帶與第二饋入端電性連結。

在本發明之一實施例中，第一微帶以及貼片係位於第一基板之同一表面或不同表面。

在本發明之一實施例中，貼片之形狀為圓形、橢圓形、或矩形。

在本發明之一實施例中，第一微帶為一懸吊式微帶。

在本發明之一實施例中，第二基板具有相對而設的一第一表面與一第二表面，第一表面係直接面對第一基板。

在本發明之一實施例中，其中共用接地金屬層及槽孔係位於第一表面，第二微帶係位於第二表面。

在本發明之一實施例中，天線結構更具有至少一間隔件，固定第一基板與第二基板之間的間距。

在本發明之一實施例中，貼片之數量係與槽孔之數量相同。

在本發明之一實施例中，天線結構更具有至少一相移電路，電性連接於第一饋入端及第二饋入端。

在本發明之一實施例中，平面天線係為一衛星天線。

在本發明之一實施例中，第一饋入端與第二饋入端之操作頻段實質上為12.1 GHz。

承上所述，因依本發明之雙極化雙饋入之平面天線結構，在二基板之間夾置空氣層，可提供更多頻寬、波束、或阻抗匹配等設計彈性。此外，本發明利用第一微帶與導線電性連結第一饋入端，以提供第一極化方向；利用槽孔耦合的方式將貼片的能量由槽孔耦合到與第二饋入端電性連結的第二微帶，以提供第二極化方向。再者，利用共用接地金屬層將兩饋入端分開，可增加兩饋入端隔離度(isolation)，在應用上，可降低天線與後級電路之間電磁互相干擾的作用。與習知相比，本發明利用雙饋入的方式激發兩種極化方向，進而增加應用上的多樣性。

以下將參照相關圖式，說明依據本發明較佳實施例之一種雙極化雙饋入之平面天線結構，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

請同時參照圖3A及圖3B所示，其分別為本發明第一實施例之雙極化雙饋入之平面天線結構的示意圖及分解圖，雙極化雙饋入之平面天線結構2包含一第一基板21、一第二基板22以及一空氣層23。

第一基板21包含一第一微帶211以及至少一貼片212，第一微帶211與貼片212電性連接，其中貼片212之形狀可為圓形、橢圓形或矩形，於此，第一基板21係為一印刷電路板並以具有一貼片212為例，貼片212係為一矩形貼片，可藉由印刷電路製程形成至第一基板21表面。此外，第一微帶211以及貼片212可位於第一基板21之同一表面或不同表面，於此，係以位於同一表面且位於第一基板21之上表面為例，而當第一微帶211與貼片212位於第一基板21之不同表面時，則可利用穿孔(via)進行電性連接，且可以是第一微帶211或貼片212位於第一基板21的上表面，另一個則位於下表面。

第二基板22設置於第一基板21之一側，第二基板22包含一共用接地金屬層221、一槽孔222、一第一饋入端223、一第二饋入端224以及一第二微帶225。於此，第二基板22係為一印刷電路板，其具有相對而設的一第一表面22a與一第二表面22b，第一表面22a係直接面對第一基板21，且共用接地金屬層221及槽孔222係位於第一表面22a，第二微帶225係位於第二表面22b。

空氣層23夾置於第一基板21與第二基板22之間，第一微帶211經由一導線24，穿過空氣層23而與第一饋入端223電性連結。此外，槽孔222與貼片212係對應設置，且貼片212之數量係與槽孔222之數量相同，因此貼片212可經由槽孔222將接收的能量耦合至第二微帶225，第二微帶225與第二饋入端224電性連結。藉由存在於第一基板21與第二基板22之間的空氣層23，使第一基板21之第一微帶211成為一懸吊式微帶(suspension microstrip)，可增加天線結構的增益與頻寬。

本實施例之雙極化雙饋入之平面天線結構2更包含至少一間隔件26，固定並形成第一基板21與第二基板22之間的間距，於此，以具有四個間隔件26為例，分別位於矩形的第一基板21及第二基板22的四個角落，而間隔件26可為塑膠螺柱。其中，間距越大表示夾置之空氣層23越大，藉由間距的改變可增加在設計時調整頻寬、波束(beam)或是阻抗匹配之彈性。

需注意的是，熟悉天線技術領域者皆知道天線之操作頻段與其尺寸有關，且尺寸可依所需要之操作頻段作調整，例如依據各頻段之共振路徑長度係為操作頻段之導波波長的四分之一或二分之一之原則來調整天線之尺寸。換言之，當天線尺寸改變時，其操作頻段即會隨之改變，反之亦然。而於本實施例中，貼片212的長度大約為雙極化雙饋入之平面天線結構2操作頻段的二分之一導波波長。

本實施例中，接收到的電磁波訊號於貼片212的X方向上之振盪電流，經由第一微帶211流入導線24，而導線24再經由第二基板22上之一孔徑25而與第二表面22b之一饋入線226電性連結，進而與第一饋入端223電性連結，提供第一極化方向。另一方面，接收的電磁波訊號於貼片212的Y方向上之振盪電流，經由共用接地金屬層221之槽孔222將能量耦合至位於第二表面22b的第二微帶225，接著流入第二饋入端224，提供第二極化方向，且第一極化方向與第二極化方向係實質上相互垂直。其中，第一饋入端223與第二饋入端224通常皆為50歐姆饋入端，以便進入後級之降頻電路。值得注意的是，以共用接地金屬層221分開兩種饋入，除了增加第一饋入端223及第二饋入端224之隔離度，亦可降低天線與後級電路間互相電磁干擾的作用。

請參照圖4所示，其為本發明第二實施例之雙極化雙饋入平面天線結構的分解圖，與第一實施例不同的是，雙極化雙饋入平面天線結構2a更包含一相移電路27，電性連接於第一饋入端223與第二饋入端224，於此相移電路27是以分支耦合器(branch line coupler)為例，其中相移電路27的饋入端27b通常連接50歐姆的負載，而當能量由饋入端27a饋入時，由於耦合器的各段271、272之電氣長度皆約為操作頻率之四分之一導波波長，因此第一饋入端223與第二饋入端224之相位差為90度，進而產生圓極化天線(circular polarization)，其優點為可全向性接收訊號。

如圖5A及圖5B所示，其為本發明第三實施例之雙極化雙饋入平面天線結構示意圖及分解圖。在毫米波中，單一天線結構之增益可能不足，為了達到所需的增益值，可利用複數個天線結構組合成一天線陣列。

本實施例中，以一2×2陣列之雙極化雙饋入平面天線結構3為例，除了形成陣列型式之外，與第一實施例不同的還有，雙極化雙饋入平面天線結構3之第一基板31更包含一阻抗轉換器318，阻抗轉換器318係與第一微帶311電性連接，而第二基板32亦包含一阻抗轉換器328，阻抗轉換器328係與第二微帶325電性相連。其中，阻抗轉換器318、328係用來做電路匹配，於此，阻抗轉換器318為漸近式(taper)四分之一波長阻抗轉換器，利用漸近式阻抗轉換器可減少阻抗轉換時產生的不連續效應。

本實施例中，平面天線結構3亦具有四個間隔件26為例，分別位於矩形的第一基板31及第二基板32的四個角落。接收的電磁波訊號於四個貼片312的X方向之振盪電流，經由四個第一微帶311，兩兩並聯後流至阻抗轉換器318，接著電磁波訊號經由兩個阻抗轉換器318之間的微帶316進入導線34，再經由第二基板32上之一孔徑35連至饋入線326再電性連結到第一饋入端323，提供第一極化方向。另外，接受的電磁波訊號於四個貼片312Y方向之振盪電流，經由共用接地金屬層321之槽孔322將能量耦合至第二微帶325，第二微帶325兩兩並聯後連接至阻抗轉換器328，接著流入第二饋入端324，提供第二極化方向，其中第一極化方向與第二極化方向係實質上相互垂直，第一饋入端323與第二饋入端324通常皆為50歐姆饋入端，以便進入後級之降頻電路。值得注意的是，以共用接地金屬層321分開兩種饋入，除了增加第一饋入端323及第二饋入端324之隔離度，亦可降低天線與後級電路間互相電磁干擾的作用。

請參照圖6A至圖6B所示，其為本發明第二實施例之雙極化雙饋入平面天線結構的反射係數量測圖，請同時參照圖5A，第一饋入端323與第二饋入端324的操作頻段皆落於12.1 GHz附近，為一衛星電視接收頻段，其中S11與S22分別為第一饋入端323和第二饋入端324的反射係數。如圖7A及圖7B所示，其為本發明第二實施例之雙極化雙饋入平面天線結構第一饋入端323與第二饋入端324的隔離度量測圖，操作頻段內之隔離度大約為35 dB，表示兩個饋入端之間電磁互相干擾的程度很低。

圖8與圖9為本發明第三實施例之雙極化雙饋入平面天線結構，操作於上述12.1 GHz頻段之輻射場型圖的量測結果，其中E-plane表示波行進之方向與電場形成之平面，H-plane表示波行進之方向與磁場形成之平面，圖8實線部分係第一饋入端323之輻射場型，虛線部分係交互極化(cross polarization)輻射場型(即由第二饋入端324所測得)。圖9實線部分則為第二饋入端324之輻射場型，虛線為第一饋入端323所測得的交互極化場型，交互極化效應在15 dB以下，由量測結果可知，操作於12.1 GHz時，兩個饋入端323、324測得的增益皆大於10 dBi且10 dB波束約為70度，與傳統應用於衛星電視降頻器饋入天線結果相同。

綜上所述，因依本發明之雙極化雙饋入之平面天線結構，在二基板之間夾置空氣層，可提供更多頻寬、波束、或阻抗匹配等設計彈性。此外，本發明利用第一微帶與導線電性連結第一饋入端，以提供一種極化方向；利用槽孔耦合的方式將貼片的能量由槽孔耦合到與第二饋入端電性連結的第二微帶，以提供另一種極化方向。再者，利用共用接地金屬層將兩饋入端分開，可增加兩饋入端隔離度(isolation)，在應用上，可降低天線與後級電路之間電磁互相干擾的作用。與習知相比，本發明利用雙饋入的方式激發兩種極化方向，進而增加應用上的多樣性。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1、1a、2、2a、3．．．平面天線結構

11．．．基板

13、212、312．．．貼片

14．．．饋入端

15．．．金屬接地層

16、316．．．微帶

21、31．．．第一基板

211、311．．．第一微帶

22、32．．．第二基板

22a、32a．．．第一表面

22b、32b．．．第二表面

221、321．．．共用接地金屬層

222、322．．．槽孔

223、323．．．第一饋入端

224、324．．．第二饋入端

225、325．．．第二微帶

226、326．．．饋入線

23、33．．．空氣層

24、34．．．導線

25、35．．．孔徑

26、36．．．間隔件

27．．．相移電路

27a、27b．．．相移電路饋入端

271、272．．．相移電路之一段

318、328．．．阻抗轉換器

圖1為一種習知之平面天線結構的示意圖；

圖2為另一種習知之平面天線結構示意圖；

圖3A為本發明第一實施例之雙極化雙饋入之平面天線結構的示意圖；

圖3B為本發明第一實施例之雙極化雙饋入之平面天線結構的分解圖；

圖4為本發明第二實施例之雙極化雙饋入平面天線結構的分解圖；

圖5A為本發明第三實施例之雙極化雙饋入平面天線結構的示意圖；

圖5B為本發明第三實施例之雙極化雙饋入平面天線結構的分解圖；

圖6A至圖6B為本發明第三實施例之雙極化雙饋入平面天線的反射係數量測圖；

圖7A至圖7B為本發明第三實施例之雙極化雙饋入平面天線第一饋入端與第二饋入端的隔離度量測圖；以及

圖8至圖9為本發明第三實施例之雙極化雙饋入平面天線操作於12.1 GHz之輻射場型圖。

3．．．平面天線結構

31．．．第一基板

311．．．第一微帶

312．．．貼片

316．．．微帶

318、328．．．阻抗轉換器

32．．．第二基板

32a．．．第一表面

32b．．．第二表面

321．．．共用接地金屬層

322．．．槽孔

323．．．第一饋入端

324．．．第二饋入端

325．．．第二微帶

326．．．饋入線

34．．．導線

35．．．孔徑

36．．．間隔件

Claims (6)

1. 一種雙極化雙饋入之平面天線結構，包含：一第一基板，包含至少一第一微帶以及至少一貼片；一第二基板，設置於該第一基板之一側，該第二基板包含一共用接地金屬層、一槽孔、一第一饋入端、一第二饋入端以及一第二微帶，該槽孔與該貼片對應設置；以及一空氣層，夾置於該第一基板與該第二基板之間，其中該第一微帶經由一導線而與該第一饋入端電性連結，該貼片藉由該槽孔耦合至該第二微帶，且該第二微帶與該第二饋入端電性連結，其中該第一微帶與該貼片相鄰設置，且該第一微帶的一端與該貼片電性連接，該第一微帶的另一端則與該導線電性連接，該導線穿過該空氣層而與該第一饋入端電性相連。
2. 如申請專利範圍第1項所述之平面天線結構，其中該第一微帶以及該貼片係位於該第一基板之同一表面或不同表面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之平面天線結構，其中該貼片之形狀為圓形、橢圓形、或矩形。
4. 如申請專利範圍第1項所述之平面天線結構，其中該第一微帶為一懸吊式微帶。
5. 如申請專利範圍第1項所述之平面天線結構，其中該第二基板具有相對而設的一第一表面與一第二表面， 該第一表面係直接面對該第一基板。
6. 如申請專利範圍第5項所述之平面天線結構，其中該共用接地金屬層係及該槽孔位於該第一表面，該第二微帶係位於該第二表面。