TWI338975B - Circularly-polarized dielectric resonator antenna - Google Patents

Description

1338975 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係一種天線，特別係關於一種圓形極化介電質共振界 天線(Dielectric ResonatorAntenna，DRA)，可適用於衛星通H 球互通微波存取（WiMAX)及無線通訊等網路相關產品。 【先前技術】 。一般常用天線之極化可分為線性極化及圓形極化兩類，利用 • 81形極化電磁波傳輸時較不會受電離層的影響，造成線性極化的 方向改變，因而賴於衛星等無線通訊系統，成為 用設計之趨勢重點。 既 而介電質共振器天線通常操作於ΤΕιη模態，該模態具有寬波 束，線性極化轄射場型，頻寬約5_8%，並具有低損耗、高輪射效 率等優點，一般圓形極化之介電質共振器天線可利用一傾斜的^ 隙以激發兩電場互相正交之模態，吨射卿極化波；或在該天 線之介電質共振器表面貼上金屬片，擾動原電場分佈，產生兩互 相垂直的電場’而產生圓形極化；或可利用環形、u形的孔隙以激 發介電質共振器之圓形極化電磁波，惟其軸向比(axial ratl〇)小於3 dB之頻寬僅約為3% ’比起-般雜極化的介電質这 到嫩頻寬而言’相對少了很大的頻寬。介電質共^^^ 性極化的頻寬主要妓天線之介電係數以及其形狀所影響，一般 若使用較低介電係數(如e r$10)之材料即可提高頻寬至^%。又 而已知的介電質共振器天線中，如美國專利第6147647號 1 「Circularly polarized dielectric resonator antenna」、美國專利第 6995713號「Dielectric resonator wideband antenna」、以及美國專利 第7196663號「Dielectric resonator type antennas」都揭露了 一種矩 形介電質共振器天線’但皆未能同時達成圓形極化盘頻寬的提 昇’因此若能針對此進行改良，將對無線通訊領域帶來極大的影 5 1338975 響 【發明内容】 ㈣，本發明之目的在提供—種寬頻之圓形極化介 电貝共搌态天線。 為達上述目的，本發明之圓形極化介電質共振器天線包括： :基板(substrate)，該基板包含一第一表面及一第二表面；一威金 森功率分配器(Wilkinson power divider)，形成於該基板之第一表 面；一相位偏移器(phase shifter)，亦形成於該第一表面，其中該相 位偏移器具有一主線(main micr〇strip Hne)、_參考線㈣議⑵ m_stnp lme)、一第一微帶線(first micr〇strip iine)與一第二微帶線 (second miCrostriP line)，該主線與該參考線之輸入^係分&連二該 ^森功率分配器之兩輸出璋’而該第一微帶線與該第二微帶線 2別連接該主線與該參考線之輸出槔；一接地層㈣如叫㈣， 形成於该第二表面，具有一第一鏤空部與一第二鏤空部；以及， 一介電質共振結構(dielectric resonator)，設於該接地層上方，包含 一介電質本體與-空腔(carved well) ’且該空腔設於該本體中^ 3 其中，該天線可更包括一訊號輸入/輸出裝置，係設置於該美 板—側邊以輸入/輸出訊號；該威金森功率分配器包含兩輸出 $出埠係分別連接該相位偏移器之主線與參考線的輸二，而 =接合該威金森神分配ϋ與該她偏移^，賴_彡極化介 電貝共振器天線於饋入訊號時將產生兩個振幅相同，相位差9〇〇之 TEiu模態；而該相位偏移器之第一微帶線與該第二微帶線之哎置 位置係分別延伸對應經過該接地層之第一鏤空部鱼第二鏤_$中 :處；而該接地層係為-導電材質，如銅，其中該第一鎮^障 f二鏤空部之軸線係互相正交；而該介電質共振結構係設置於哼 接地層上，並對應於該第一鏤空部與第二鏤空部上方，豆中 ，質本體為一方形結構，而該空腔亦呈現方形或矩形，^該^ 處共振結構之介電質範圍係介於10至1〇〇之間。 人 1338975 =上所述，本發縣於矩形介電質共振結構之本體中彼入一 成結構的不連續，促使空腔内之電場被增強，而增 降，品㈣子’以增力，寬，並_該威金森功率 二配位偏移器接合，產生兩個振幅相同，相位差9〇。之訊 ^4主Ϊ過孔隙_合方式，饋域介料共振結構，產生圓形極化 之特性。 【實施方式】 以下配合@示對本發赌進—步的說明後當更能明瞭。 請同時參考第一及第二圖，係分別說明本發明圓形極化介電 貝共振器天線之立體圖及拆解示意圖。 該圓形極化介電質共振器天線丨包括： 一基板11，包含一第一表面1U及一第二表面112，材質之介 電係數可為2〜13的印刷電路板’―般常用如介電係數44的fr4玻 璃纖維板； -威金森功率分㈣12，形成於絲⑴，該威金森功 $配512具有-輸人料二輸出埠⑵、122，藉域咸金森功 準/刀配器12可產生兩個振幅相同，相位差9〇。骑. 功率::巧2移ΪΓ亦形成於該第一表面U1，並連接該威金森 功率分配态12，該相位偏移器13具有一主線131、一參考線132、 一第一微帶線133與一第二微帶線134，而該主線131與該朱 13 2之輸入埠係分別連接該威金森功率分配器丨2之二輸出埠 (121、122)，而該第一微帶線133與該第二微帶線134係二 接該主線131與該參考線132之輸出埠，其中該主線131之輸 ^ 更並聯一四分之一波長的開路微帶線1311與一四分之一波县处 路微帶線1312，並在輸料處亦並聯—四分之—波長的開= 線1313與-四分之一波長的閉路微帶線1314，而閉路部二: 穿孔通道（via)接至一接地層μ ; '、g由 -接地層14形成於該第二表面112上，為—金屬層，該接地層 7 1338975 14更包含一第一鏤空部141與一第二鏤空部142，該第一鏤空部141 與該第二鏤空部142之形狀皆為一長矩形，且該第一鏤空部141之 軸線與該第二鏤空部142之軸線為正交；以及 一介電質共振結構15，係配置於該接地層14上方，包含一介 電質本體151與一空腔152，該介電質本體15ι為一方形結構，且該 介電質本體151之配置位置係疊於該接地層14之第一鏤空部141及 第二鏤空部142的上方，而該空腔152係設置於該本體151内，其形 狀呈現方形或矩形，而於實施例中，該空腔152係呈現矩形，並貫 穿該本體151，使該介電質共振結構15呈現一環狀矩形。 其中，該圓形極化介電質共振器天線丨可更包括一訊號輸入/ 輸出裝置16，係設置於該基板丨丨之一側邊，用以提供訊號輸入及 輸出； 而該相位偏移器13之第一微帶線133與第二微帶線134之配置位 置，需使該第一微帶線133與該第二微帶線134分別延伸對應經過 該第一鏤空部141與第二鏤空部142之中心處；接著，該介電質共 振結構15之材質具有高介電係數及低損耗的特性，其介電係數可 介=1〇〜1〇〇之間，其損耗正切(i〇sstangent)一般約小於〇 〇〇5，以產 生高輻射效率，當電力線通過該空腔152時，又因該介電質共振結 構15之介電係數大於空氣的介電係數（ε T = 1 )，而使電場增強 數倍，使電磁波輻射更有效率，並降低品質因子Q，增加訊號傳輸 的頻寬。 另外，威金森功率分配器12之微帶線寬度之設計，與跨接電 阻值之，擇’係使得此威金森功率分配器12的兩個輸出端匹配， 饋入，號無反射。且’相位偏移器之微帶線寬度與長度的設計， 係使仔在操作鮮下’主線與參考線具有9G。的相位差，與相同的 振幅，並有最小的返回損耗。 而"亥介電質共振器天線1的各部位尺寸如下所述，該本體151 長度為a、寬度為15以及高度為d ;該空腔152的寬度為s，該基板u 與接地層14皆分別具有長度Wx錢寬度Wy;該相位偏移器13具有 8

L 1338975 寬度Wm，並與威金森功率分配器12銜接，而該相位偏移器i3之第 微π線133與5亥第二微帶線134係分別延伸超出該第一鏤空部 141及第二鏤空部鏤空部142長度Ls，而該第一鎮空部⑷及 空部鏤空部142之尺寸皆為長度Law及寬度Wa。 另外需要注：|的是，本發騎揭露之介共振器天線ι 的-些性施，皆可以透過相關元件的調整來加以控制；例如：⑴可 透過微調，|電質共振結構15的位置以匹配其輸入阻抗；⑵透過調 I本體151的尺寸，g卩可調整天線的頻率；⑺透過調整空腔的長、 寬=寸及其設置位置，即相賴天_共振解，並增加輕射 頻見。 接著，以下係揭示本發明的較佳實施例之一，其中該介電質 共振結構之本體151與空腔152的尺寸參數為a=22細，b^2譲 d=4mm，s=6mm，該第一鏤空部141及第二鏤空部142的長寬皆為 mmm#La=9麵；該基板U以及接地層12的長度與寬度為 X~80二01與^^= 55 mm，該基板11厚度為t=1.6 mm，介電係數為 4.4 ’而6亥介電質共振結構丨5之介電係數q為2〇 ;接著該威金森 功率分配器之輸出端之長寬各為9.5 mm及3 mm，而於相位偏移器 13中，忒主線之長寬各為2〇mm&2 3 mm，該參考線之長寬各為27 mm，該第一微帶線之長寬各為丨1 mm&2 3爪爪，以及該第 一微帶線之長寬各為13 5 mm及3 mm。再者，該第一微帶線丨刃、 第二微帶線134超出該第一鏤空部⑷、第二鏤空部142的長 Ls=3 mm ° 第二圖係說明本發明實施例之訊號傳輸返回損耗(如抓〇 loss);利用本發明實施例模擬及實際測量後可得如圖中所示之訊號 傳輸返回損耗，其中虛線係代表模擬訊號之傳輸返回損耗A，而實 線為實際測量訊號之傳輸返回損耗B，由圖中可知，當返回損耗低 於10 dB時，其阻抗頻寬約27%，即訊號傳輸頻寬 GHz〜5.85 GHz時具有較低的返回損耗。 、 接者參考第四圖，係說明本發明實施例之天線轄射效能圖； 1338975 ”中實線為實際測量之轴向比（AR) ’虛線係代表模擬之轴向比， 折線及點折線分別為量測及模擬之天線指向性。由圖中可知，當 軸向比$小於3.5-dB，且返回損耗小於1〇犯時’其頻寬為 4.4GHZ〜5.3GHZ，^4.4GHz〜5,3GHW__.8〜4dBi。. 再參考第五八至五(：圖，係說明本發明實施例之轄射場型圖； 第五A至第JLC®依序分職表本發明實施 4丰 、4·9 GHz及5.2 GHz時德射場型，其中實線為ίίί 手圓形極化D，虛線為量測右手圓形極化。 惟’社職者’僅為本發明創作之触實關*已，並非 細。即驗糊物_制所做的 &化與修飾，^為本創作專利範圍所涵蓋。 【圖式簡單說明】 形極化介電f共振11天線之立_ ; -圖係代表核_雜化介電f共 第三圖係錄本發日雜化介電f =以圖， 輸返回耗翻； “、振&天線貫_的訊號傳 鬌 代表本發關雜化介電料㈣场實施例之 【主要元件符號說明】 1介電質共振器天線 11基板 U1第一表面 112第二表面 12威金森功率分配器 1338975 121、122輸出埠 13相位偏移器 131主線 1311開路微帶線 1312閉路微帶線 1313開路微帶線 1314閉路微帶線 132參考線 133第一微帶線 134第二微帶線 14接地層 141第一鏤空部 142第二鏤空部 15介電質共振結構 151介電質本體 152空腔 16輸入/輸出裝置 A模擬訊號傳輸返回耗損 B實際測量訊號傳輸返回耗損 C實際測量軸向比 D實際測量左手圓形極化 11

Claims (1)

1338975 十、申請專利範圍： 1· 一種圓形極化介電質共振器天線，包括： 一基板，包含一第一表面及一第二表面； 一威金森功率分配器，形成於該第一表面； -相位偏，器’形成於第—表面，該相位偏移器具有_主線、—參 考，、-第-微帶線與一第二微帶線，該主線與該參考線係分別連 接遠威金森功率分配器之兩輸出埠，而該第一微帶線與該第 線係分別連接該主線與該參考線； Λ =地層’形成於該第二表面，包含一第—鏤空部與—第二鎮空部； -介電質共振結構’該介共振結構設於該接地層上方人一 本體與一空腔，且該空腔設於該本體中。 3 2 H 2!!犯圍第1項所述之圓形極化介電質共振器天線，其中气天 線更匕括-峨輸人/輸出裝置，設置於該基板n 3- 4· 5‘ 共振器天線，其中齡 6. 專利範15第1項所述之_極化介電質持，甘 "電，共振結構之介電質範圍係介於10至1〇〇之間γ、·’、、中該 7‘如申請專概項所叙卿極化㈣ a ° 線與該第二微帶線係分 二泉键其中該 第二鏤空部之中心處。 了您、，二過5亥第一鏤空部與 8如t專利範圍第1項所述之圓形極化介電質轉哭石妗* 一鎮空部與第二鎮空部之軸線係為正交、振為天線，其中該第 9.如申請專·圍第丨項 形極化介電質共振器天線之返回損失於;。=== 1338975 4.43至5.85 GHz。