專利名稱：雙極化天線結(jié)構(gòu)、天線罩及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙極化天線結(jié)構(gòu)、天線罩及其設(shè)計方法，尤其是涉及一種可增加 天線的增益者。
背景技術(shù)：
無線通訊系統(tǒng)必備的元件為前端電路天線，其特性攸關(guān)整個系統(tǒng)的信號品質(zhì)。一 般而言，接收到的信號強度由下列公式?jīng)Q定
義2PR 二 Pt x eter x DtDr x其中，PE為接收端的接收功率、Pt為發(fā)射端的發(fā)射功率、Gt為發(fā)射天線的天線增益、 Gr為接收天線的天線增益、et為發(fā)射天線的天線效率、^為接收天線的天線效率、Dt為發(fā)射天 線的天線指向性、比為接收天線的天線指向性、\為操作頻率波長、r為兩天線之間的距離。 由上述公式可知，要提高無線通訊系統(tǒng)信號功率PK，必須要提升天線的增益(Gt或G》或者提 高天線指向性(Dt或化)，進(jìn)而增加無線通訊的品質(zhì)。目前，提高天線增益的技術(shù)為使用天線 陣列，天線陣列是通過天線元件數(shù)目的增加，提高天線的指向性進(jìn)而提升了天線增益。然而， 上述的技術(shù)在實際應(yīng)用時會遭遇到的缺點有1.饋入網(wǎng)絡(luò)信號損失大增、2.饋入網(wǎng)絡(luò)設(shè)計復(fù) 雜、3.天線整體體積變大；而上述的三大缺點將使得天線增益無法有效增加，基地臺線路維 護(hù)困難并且成本昂貴，以及所設(shè)計的天線由于體積過大因而不適合應(yīng)用在小型基臺上。傳統(tǒng)增加天線的增益及其更具指向性的作法為陣列天線。利用超頻材料設(shè)計的金 屬天線罩，將該金屬天線罩設(shè)計成折射率趨近于零，可以提高天線指向性或者是提高天線 增益。之前使用超頻材料設(shè)計的金屬天線罩，可以達(dá)到增加天線指向性并減少波束寬或者 是提高天線增益的效果，但由于天線罩只能增加單一極化方向的指向性或增益，所以無法 用于雙極化的天線，使得應(yīng)用在天線時會受到天線種類的限制。此外，若使用前案的天線罩 應(yīng)用在單極化的天線上時，也必須考慮天線極化與天線罩極化的方向，若極化方向沒有對 齊的話會使得指向性或增益的增加量下降。一般Fabry Perot天線可得到高增益的效果，其包含金屬全反射面(接地面)及 半穿透面。Fabry Perot結(jié)構(gòu)的天線罩的高度約需波長的0. 25至0. 5倍，使得天線由于體 積過大，而仍無法將天線大小有效降低；且金屬全反射面為必要元件，使得其應(yīng)用受限。美國專利US 6，885，355揭露各種形狀的金屬圖形，其是用于空間濾波器罩設(shè)計 以濾除特定頻段之外的信號，且操作于約1/2及1/4的波長。故該等金屬圖形用于濾波，而 非作為增加天線效能之用。因此，如何研發(fā)出一種雙極化天線罩，其可增加天線的增益，且有效降低天線及天 線罩整體厚度，將是本發(fā)明所欲積極探討之處。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種雙極化天線結(jié)構(gòu)、天線罩及其設(shè)計方法，其主要特性
3為可增加天線的增益，且降低天線結(jié)構(gòu)的整體高度。本發(fā)明揭示一種雙極化天線罩，其包含多層介質(zhì)基板，各該介質(zhì)基板表面包含以 陣列形式排列的多個金屬圖形，且該多個金屬圖形以垂直于該介質(zhì)基板的軸心旋轉(zhuǎn)九十度 后的圖形不變。本發(fā)明揭示一種雙極化天線結(jié)構(gòu)，其包含一天線及前述天線罩。其中該天線及天 線罩的距離小于等于操作頻率對應(yīng)波長的0. 1倍。本發(fā)明揭示一種雙極化天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其包含進(jìn)行天線罩的金屬圖形的 折射率分析、穿透特性分析及阻抗特性分析；根據(jù)上述分析決定該金屬圖形；以及將該金 屬圖形以陣列排列形成于多層介質(zhì)基板上。


圖1為本發(fā)明的雙極化天線的一實施范例的側(cè)剖圖；圖2為本發(fā)明的一實施范例的介質(zhì)基板示意圖；圖4為本發(fā)明的雙極化天線的折返損失對頻率響應(yīng)模擬示意圖；圖5為本發(fā)明的一實施范例的輻射場型特性圖；圖6為具有本發(fā)明一實施范例的天線罩的天線結(jié)構(gòu)的正上方增益與一般未具有 本發(fā)明天線罩的天線結(jié)構(gòu)的正上方增益對頻率模擬關(guān)系圖；圖7為本發(fā)明的另一實施范例的單一陣元介質(zhì)基板示意圖；圖8為本發(fā)明的另一實施范例的側(cè)剖圖；圖9為本發(fā)明的另一實施范例的天線折返損失對頻率響應(yīng)模擬關(guān)系圖；圖10為本發(fā)明的另一實施范例的輻射場型特性圖；圖11為本發(fā)明另一實施范例的具有本發(fā)明天線罩的天線結(jié)構(gòu)的正上方增益與一 般未具有本發(fā)明天線罩的天線結(jié)構(gòu)的正上方增益對頻率模擬結(jié)果圖；圖12為本發(fā)明的雙極化天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法示意圖。主要元件符號說明1雙極化天線結(jié)構(gòu)2 天線3天線罩31介質(zhì)基板32介質(zhì)基板33介質(zhì)基板341 間隙342 間隙4介質(zhì)基板層5陣元介質(zhì)基板6金屬曲折圖形7第一金屬臂8第二金屬臂
9第一寄生金屬臂10第二寄生金屬臂11第三寄生金屬臂12第四寄生金屬臂13 基板14輻射導(dǎo)體15天線饋入端16接地端17輻射導(dǎo)體18天線饋入端
具體實施例方式為充分了解本發(fā)明的特征及功效，茲通過下述具體的實施范例，并配合所附的附 圖，對本發(fā)明做一詳細(xì)說明，說明如后圖1繪示本發(fā)明一實施范例的雙極性天線結(jié)構(gòu)1的側(cè)剖圖。雙極化天線結(jié)構(gòu)1包 含天線2、至少一介質(zhì)基板層4及一天線罩3。其中該天線2與天線罩3的距離小于等于操 作頻率對應(yīng)波長的0. 1倍。本發(fā)明的天線罩沒有Fabry Perot天線必須包含接地面的限制，因此以下以應(yīng)用 于偶極天線為例進(jìn)行說明。天線2是偶極天線(dipole antenna)，其包含兩個設(shè)于基板13 表面的輻射導(dǎo)體17及與該輻射導(dǎo)體17耦接的天線饋入端18。介質(zhì)基板層4設(shè)于該天線2 之上，本實施范例為空氣間隙。天線罩3設(shè)于該介質(zhì)基板層4之上，且包含多層介質(zhì)基板31、 32及33。介質(zhì)基板31與介質(zhì)基板32間有間隙341，介質(zhì)基板32與介質(zhì)基板33間有間隙 342。間隙341及間隙342可為真空、空氣或其他介電材質(zhì)。各介質(zhì)基板31、32或33是由多 個陣元介質(zhì)基板5構(gòu)成，且陣元介質(zhì)基板5表面包含金屬曲折圖形6。舉例來說，間隙341以 及間隙342較佳的厚度為1. 6mm，如以3. 5GHz為中心頻率點的波長作均值化(normalize) 為例，其距離較佳是1.6/85波長，其間隙材質(zhì)是空氣，但廣義而言并無特殊限制，包含真空 在內(nèi)，使用者可以本身需要使用最適當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)，以獲得最佳的介電系數(shù)、導(dǎo)磁系數(shù)及導(dǎo)電系 數(shù)，使天線的收發(fā)效能更好。一般來說，介質(zhì)基板層4 (本實施范例為一層，但不限于此)的作用在使該天線2 及該天線罩3之間產(chǎn)生一距離，由此使用者可調(diào)整該距離，使天線的收發(fā)效能更好。介質(zhì)基 板層4的材質(zhì)除空氣外，但廣義而言并無特殊限制，包含真空在內(nèi)，使用者可以本身需要使 用最適當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)，以獲得最佳的介電系數(shù)、導(dǎo)磁系數(shù)及導(dǎo)電系數(shù)，使天線的收發(fā)效能更好。 根據(jù)本實施范例，該天線2與該天線罩3的距離是4mm，如以3. 5GHz為中心頻率點的波長作 均值化(normalize)為例，其距離是4/85波長，或是其距離范圍小于0. 1波長。同樣地，以 上有關(guān)介質(zhì)基板層4的材質(zhì)或厚度的描述僅是舉例，使用者可依操作頻率的不同使用不同 的材質(zhì)及厚度做設(shè)計，使天線的收發(fā)效能更好。以介質(zhì)基板31為例，圖2繪示多個陣元介質(zhì)基板5組合的介質(zhì)基板31的正面示圖。介質(zhì)基板32及33也可采用相同結(jié)構(gòu)。根據(jù)一實施范例，介質(zhì)基板31、介質(zhì)基板32以 及介質(zhì)基板33均是由3X3組共9個該些陣元介質(zhì)基板5所組成。申言之，多個金屬圖形6是以mXn的陣列形式排列，其中m、n為正整數(shù)。實際上該些陣元介質(zhì)基板5的數(shù)量并無特 別限制，而該些陣元介質(zhì)基板5的尺寸為相同且該些陣元介質(zhì)基板5的材質(zhì)也無特殊限制， 使用者可以本身需要使用最適當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)，以獲得最佳的介電系數(shù)、導(dǎo)磁系數(shù)及導(dǎo)電系數(shù)，使 天線的收發(fā)效能更好。依本實施范例來說，各陣元介質(zhì)基板5的長寬均為23mm，而厚度一般 來說介于0. 3mm至2mm之間，在此實施范例為0. 8mm，如以3. 5GHz為中心頻率點的波長作均 值化(normalize)為例，各陣元介質(zhì)基板5的長寬均為23/85波長，而厚度是0. 8/85波長， 而以上有關(guān)陣元介質(zhì)基板5的長寬及厚度的描述，使用者可依操作頻率的不同使用不同的 長寬及厚度做設(shè)計，使天線的收發(fā)效能更好。介質(zhì)基板31、32及33上通過印刷或蝕刻形成的金屬曲折圖形6沿χ和y方向以整 體而言呈對稱，因此沿垂直于該些介質(zhì)基板31、32、33的軸心旋轉(zhuǎn)九十度后與原金屬曲折 圖形6的排列相同。易言之，各該介質(zhì)基板31、32或33表 面包含以陣列形式排列的多個金 屬曲折圖形6，且該多個金屬曲折圖形6以垂直于該介質(zhì)基板31、32或33的軸心旋轉(zhuǎn)九十 度后的圖形不變。據(jù)此，本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)具雙極化特性。圖3詳細(xì)說明單一陣元介質(zhì)基板5上的金屬曲折圖形6的構(gòu)成。根據(jù)本實施范 例，該金屬曲折圖形6包含第一金屬臂7、第二金屬臂8、第一寄生金屬臂9、第二寄生金屬臂 10、第三寄生金屬臂11及第四寄生金屬臂12。第一金屬臂7與第二金屬臂8互相交疊垂直 設(shè)置。第一寄生金屬臂9鋪設(shè)于該第一金屬臂7的一端，并與該第二金屬臂8平行。第二 寄生金屬臂10鋪設(shè)于該第一金屬臂7的另一端，并與該第二金屬臂8平行。第三寄生金屬 臂11鋪設(shè)于該第二金屬臂8的一端，并與該第一金屬臂7平行。第四寄生金屬臂12鋪設(shè) 于該第二金屬臂8的另一端，并與該第一金屬臂7平行。申言之，本實施范例的金屬曲折圖 形6是兩個I字的垂直交叉圖形。以上所述的金屬曲折圖形6，其尺寸大小也無特殊限制， 只要不超過該些陣元介質(zhì)基板5的尺寸，使用者可依需求自行調(diào)整。類似圖2所示的對稱 結(jié)構(gòu)，該金屬曲折圖形6以其垂直于該些陣元介質(zhì)基板5的軸心旋轉(zhuǎn)九十度后，會與原金屬 曲折圖形6相同，就實際情況來說，當(dāng)該些介質(zhì)基板5的材料為FR4(具有介電常數(shù)約4. 4) 時，該第一金屬臂7及該第二金屬臂8的長度是20mm，其寬度較佳是2. 5mm，而該第一寄生 金屬臂9、該第二寄生金屬臂10、該第三寄生金屬臂11以及該第四寄生金屬臂12的長度為 19mm，其寬度較佳是2. 5mm，而該金屬曲折圖形6之間的間距是1mm。如以3. 5GHz為中心頻 率點的波長作均值化(normalize)為例，該第一金屬臂7及該第二金屬臂8的長度較佳是 20/85波長，其寬度是2. 5/85波長，而該第一寄生金屬臂9、該第二寄生金屬臂10、該第三寄 生金屬臂11以及該第四寄生金屬臂12的長度為19/85波長，其寬度是2. 5/85波長，而該 金屬曲折圖形6之間的間距是1/85波長。同樣地，以上有關(guān)金屬曲折圖形6的各項元件尺 寸的描述僅是舉例，使用者可依操作頻率的不同使用不同的長寬及間距做設(shè)計，使天線的 收發(fā)效能更好。進(jìn)一步言之，介質(zhì)基板5作為金屬曲折圖形6的載體，而金屬曲折圖形6是 實際運作的構(gòu)件。介質(zhì)基板5也可整合成一整片的基板結(jié)構(gòu)，實際上若金屬曲折圖形6于 空間中可利用其他方式而具有相同的立體構(gòu)成，介質(zhì)基板5可被省略或取代。圖4繪示本實施范例的天線折返損耗對頻率響應(yīng)模擬示意圖，其中顯示于頻率約 3. 5GHz左右有相當(dāng)?shù)偷恼鄯祿p耗。圖5為本實施范例增加增益的雙極化天線罩，由模擬軟件模擬求解所得的輻射場 形特性圖，在中心頻率3. 5GHz附近可以得到5. 3dBi的增益特性，相比較于原先的偶極天線多出了 3. 5dB。圖6是本實施范例增加增益的雙極化天線罩，由模擬軟件求解所得的正上方增益對頻率的關(guān)系圖，以及未加天線罩的偶極天線的正上方增益對頻率的關(guān)系圖。由圖6可知， 天線罩在約3. 5GHz的操作頻段可以有效增加增益。此外，除了圖3所示的兩個I字型垂直交叉的圖形外，金屬曲折圖形6也可如圖7 所示。類似圖3，第一金屬臂7與第二金屬臂8互相交疊垂直設(shè)置，寄生金屬臂9和10平 行于第二金屬臂8，寄生金屬臂11和12平行于第一金屬臂7。不同之處在于寄生金屬臂9 和10連接第一金屬臂7端部的兩側(cè)并非對稱，而為一邊較長、一邊較短的結(jié)構(gòu)。然而，該金 屬曲折圖形6以其垂直于該些陣元介質(zhì)基板5的軸心旋轉(zhuǎn)九十度后，仍與原金屬曲折圖形 6相同，而仍維持雙極化天線的特性。本發(fā)明的天線罩也可應(yīng)用于片狀天線(patch antenna)，如以下的實施范例說明。圖8繪示另一實施范例的雙極化天線結(jié)構(gòu)10，其結(jié)構(gòu)除天線2采用片狀天線 (patch antenna)外，其余與圖1所示相同。天線2包含一基板13、一設(shè)于該基板13表面 的輻射導(dǎo)體14、一與該第一輻射導(dǎo)體14耦接的天線饋入端15、一與該天線饋入端15耦接 的接地端16。圖9繪示本實施范例的天線折返損耗對頻率響應(yīng)模擬關(guān)系圖，其中顯示于頻率約 3. 5GHz左右有相當(dāng)?shù)偷恼鄯祿p耗。圖10為本實施范例的輻射場型特性圖。在中心頻率3. 5GHz附近具有有效增加增 益的特性。圖11是本實施范例的增加增益的雙極化天線罩，由模擬軟件求解所得的正上方 增益對頻率的關(guān)系圖，以及未加天線罩的片狀天線的正上方增益對頻率的關(guān)系圖。由圖11 可知，天線罩在約3. 5GHz的操作頻段可以有效增加增益。參照圖12，上述雙極化天線結(jié)構(gòu)可按以下步驟進(jìn)行首先進(jìn)行天線罩的金屬曲折 圖形的折射率分析、穿透特性分析、阻抗特性分析。利用上述分析資料決定介質(zhì)基板上的金 屬曲折圖形及最佳天線罩高度，將多個該金屬曲折圖形以陣列排列形成于天線罩的多層介 質(zhì)基板上，而完成整體天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計。之后進(jìn)行增益、折返損失及輻射場形的模擬的驗 證。由上述實施范例可證明本發(fā)明的雙極化天線結(jié)構(gòu)1及10對于兩個不同的極化方 向都能夠同時增加其指向性或增益，能夠應(yīng)用在雙極化天線上，使得兩個極化方向的指向 性或增益能夠增加；而應(yīng)用在單極化天線上時，能夠不用考慮單極化天線的極化方向與天 線罩的極化方向?qū)?zhǔn)的問題而增加其增益。因此本發(fā)明對于增加天線的收發(fā)效能將有顯著 的效果。由以上所述可以清楚地明了，本發(fā)明提供一種雙極化天線罩，通過金屬曲折圖形、 介質(zhì)基板層及該些陣元介質(zhì)基板構(gòu)成的天線罩，可以增加天線的指向性或是增益。以上已將本發(fā)明專利申請案做一詳細(xì)說明，但以上所述者，僅為本發(fā)明專利申請 案的較佳實施范例而已，當(dāng)不能限定本發(fā)明專利申請案實施的范圍。即凡依本發(fā)明專利申 請案申請范圍所作的均等變化與修飾等，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明專利申請案的專利涵蓋范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種雙極化天線罩，包含多層介質(zhì)基板，各該介質(zhì)基板表面包含以陣列形式排列的多個金屬圖形，且該多個金屬圖形以垂直于該介質(zhì)基板的軸心旋轉(zhuǎn)九十度后的圖形不變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極化天線罩，其中該金屬圖形包含兩個I字互相垂直交叉 的圖形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極化天線罩，其中該金屬圖形是金屬曲折圖形，包含第一金屬臂；第二金屬臂，其與該第一金屬臂互相交疊垂直設(shè)置； 第一寄生金屬臂，其鋪設(shè)于該第一金屬臂的一端，并與該第二金屬臂平行； 第二寄生金屬臂，其鋪設(shè)于該第一金屬臂的另一端，并與該第二金屬臂平行； 第三寄生金屬臂，其鋪設(shè)于該第二金屬臂的一端，并與該第一金屬臂平行；以及 第四寄生金屬臂，其鋪設(shè)于該第二金屬臂的另一端，并與該第一金屬臂平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極化天線罩，其中該多個金屬圖形是以mXn的陣列形式排 列，其中m、n為正整數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極化天線罩，其中各該介質(zhì)基板由多個陣元介質(zhì)基板構(gòu) 成，各該陣元介質(zhì)基板的表面包含該金屬圖形。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙極化天線罩，其中該金屬圖形以其垂直于該多個陣元介質(zhì) 基板的軸心旋轉(zhuǎn)九十度后的圖形不變。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極化天線罩，其中該多層介質(zhì)基板之間包含間隙。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極化天線罩，其中該介質(zhì)基板是真空或空氣。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極化天線罩，其中該金屬圖形以印刷或蝕刻方式形成。
10.一種雙極化天線結(jié)構(gòu)，包含 天線；以及如權(quán)利要求1至9中任一者的天線罩；其中該天線及天線罩的距離小于等于操作頻率對應(yīng)波長的0. 1倍。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的雙極化天線結(jié)構(gòu)，其中該天線是偶極天線或片狀天線。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的雙極化天線結(jié)構(gòu)，其中該天線及該天線罩間包含一介質(zhì)基 板層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的雙極化天線結(jié)構(gòu)，其中該介質(zhì)基板層是真空或空氣。
14.一種雙極化天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，包含 進(jìn)行天線罩的金屬圖形的折射率分析； 進(jìn)行天線罩的金屬圖形的穿透特性分析； 進(jìn)行天線罩的金屬圖形的阻抗特性分析； 根據(jù)上述分析決定該金屬圖形；以及將多個該金屬圖形以陣列排列形成于天線罩的多層介質(zhì)基板上。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的雙極化天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，另包含進(jìn)行增益、折返損失 及輻射場形的模擬驗證的步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的雙極化天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其中該多個金屬圖形以垂直 于該介質(zhì)基板的軸心旋轉(zhuǎn)九十度后的圖形不變。
全文摘要
本發(fā)明公開一種雙極化天線結(jié)構(gòu)、天線罩及其設(shè)計方法，其中雙極化天線罩包含多層介質(zhì)基板，各該介質(zhì)基板表面包含以陣列形式排列的多個金屬圖形，且該多個金屬圖形以垂直于該介質(zhì)基板的軸心旋轉(zhuǎn)九十度后的圖形不變。
文檔編號H01Q15/02GK101826657SQ20091011918
公開日2010年9月8日 申請日期2009年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月6日
發(fā)明者吳俊熠, 林弘萱, 林根煌, 蘇欣龍, 黃宏祺 申請人:財團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院