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TWI863405B - 天線陣列與雙饋入圓極化寬頻天線 - Google Patents

天線陣列與雙饋入圓極化寬頻天線 Download PDF

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TWI863405B
TWI863405B TW112124877A TW112124877A TWI863405B TW I863405 B TWI863405 B TW I863405B TW 112124877 A TW112124877 A TW 112124877A TW 112124877 A TW112124877 A TW 112124877A TW I863405 B TWI863405 B TW I863405B
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陳躍仁
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Abstract

一種天線陣列與雙饋入圓極化寬頻天線，主要技術是基板模組包括寄生元件與輻射體，寄生元件與輻射體的中心點沿第一方向投影於同一點，第三基板單元堆疊於基板模組之下，且具有第一槽孔與第二槽孔，第四基板單元堆疊於第三基板單元之下，且具有第一饋入線與第二饋入線，當操作於發射模式時，信號由第一饋入線與第二饋入線電磁感應到第一槽孔與第二槽孔，再電磁感應到輻射體，再電磁感應到寄生元件發送輸出電磁波，寄生元件與輻射體的耦合效應拓展頻寬，達到整合成發射頻帶與接收頻帶於同一個天線的目的。

Description

天線陣列與雙饋入圓極化寬頻天線
本發明是有關於一種天線技術，特別是指一種天線陣列與雙饋入圓極化寬頻天線。
現有KU頻段低軌道衛星系統的天線設計中，用以接收的頻帶是10.7GHz~12.7GHz，而用以發射的頻帶是14.0GHz~14.5GHz，現有的天線設計上是將接收用的天線與發射用的天線分開設計，將導致兩個不同尺寸的天線設備，若是使用射頻功率透過導通孔直接饋入至輻射體的設計，但此種設計方式較無法達到寬頻的效果，且二個天線設備增加開模成本，因此，如何整合成一個天線且頻帶可以涵蓋發射頻帶與接收頻帶，是目前研究方向。
因此，本發明的一目的，即在提供一種拓展頻寬，達到整合成發射頻帶與接收頻帶於同一個天線的天線陣列與雙饋入圓 極化寬頻天線。
於是，天線陣列包含一第一天線單元、第二天線單元、第三天線單元、第四天線單元。
第二天線單元相較於該第一天線單元以逆時針方向旋轉90度且與該第一天線單元皆設置於一X軸方向。
第三天線單元相較於該第二天線單元以逆時針方向旋轉90度且與該第二天線單元皆設置於一Y軸方向。
第四天線單元相較於該第三天線單元以逆時針方向旋轉90度且與該第三天線單元皆設置於一X軸方向。
該第一天線單元該至第四天線單元包括一雙饋入圓極化寬頻天線。
於是，該雙饋入圓極化寬頻天線包括一基板模組、一第三基板單元與一第四基板單元。
基板模組包括一寄生元件與一設置於該寄生元件的之下且距離該寄生元件一第一厚度的輻射體，且該寄生元件的中心點與該輻射體的中心點沿一第一方向投影於同一點。
第三基板單元堆疊於該基板模組之下，且具有距離該輻射體一第二厚度的一第一槽孔與一第二槽孔。
第四基板單元堆疊於該第三基板單元之下，且具有一第一饋入線與一第二饋入線，其中，該第一饋入線距離該第一槽孔一 第三厚度，該第二饋入線距離該第二槽孔該第三厚度。
當操作於一發射模式時，信號由該第一饋入線與該第二饋入線分別電磁感應到該第一槽孔與該第二槽孔，再由該第一槽孔與該第二槽孔電磁感應到該輻射體，再由該輻射體電磁感應到該寄生元件，由該寄生元件發送一輸出電磁波。當操作於一接收模式時，一來自外部環境的輸入電磁波由該寄生元件所接收，且電磁感應到該輻射體，再由該輻射體電磁感應到該第一槽孔與該第二槽孔，再分別電磁感應到該第一饋入線與該第二饋入線。
本發明的功效在於：利用寄生元件與輻射體的耦合效應拓展頻寬，達到整合成發射頻帶與接收頻帶於同一個天線的目的。
1:基板模組
10:第一基板
101:第一面
102:第二面
11:寄生元件
12:第一黏合層
20:第二基板
201:第一面
202:第二面
21:輻射體
22:第二黏合層
3:第三基板單元
30:第三基板
301:第一面
302:第二面
31:第一槽孔
32:第二槽孔
33:第三黏合層
4:第四基板單元
40:第四基板
401:第一面
402:第二面
41:第一饋入線
42:第二饋入線
T1:第一天線單元
T2:第二天線單元
T3:第三天線單元
T4:第四天線單元
Z:第一方向
X:第二方向
Y:第三方向
O:點
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明雙饋入圓極化寬頻天線的實施例的一結構側視圖；圖2是本發明雙饋入圓極化寬頻天線的的一疊構圖；圖3是雙饋入圓極化寬頻天線的一結構上視圖；圖4是第一槽孔與第二槽孔的結構上視圖； 圖5是雙饋入圓極化寬頻天線的S參數圖；圖6是雙饋入圓極化寬頻天線的天線增益圖；圖7是雙饋入圓極化寬頻天線的軸比圖；圖8是雙饋入圓極化寬頻天線的輻射方向圖；圖9是本發明天線陣列的一實施例的一結構上視圖；圖10是具有2×2個天線單元的天線陣列的S參數圖；圖11是天線陣列的天線增益圖；圖12是天線陣列的軸比圖；及圖13是天線陣列的輻射方向圖。
在本發明被詳細描述前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1的一結構側視圖與圖2的一疊構圖，為本發明雙饋入圓極化寬頻天線的一實施例，包含一基板模組1、一第二黏合層22、一第三基板單元3、一第三黏合層33、一第四基板單元4。
基板模組1包括一第一基板10、一第一黏合層12、一第二基板20、一寄生元件11與一設置於該寄生元件11的之下且距離該寄生元件11一第一厚度的輻射體21，且該寄生元件11與該輻射體21是圓形，該寄生元件11的中心點與該輻射體21的中心點沿一 第一方向(Z軸)投影於同一點O，參閱圖3是雙饋入圓極化寬頻天線的結構上視圖，其中輻射體21的直徑設計為λ/2，參數λ是第一基板10的介電中心頻率的倒數，在本實施例中，寄生元件11的半徑設計是2.2mm，輻射體21的半徑設計是2.8mm。該第一基板10具有一設置該寄生元件11的第一面101與一第二面102，其中，第一基板10的厚度是1.2mm，介電係數ε=3.55。該第二基板20具有一連接該第一基板10的第二面102的第一面201與一設置該輻射體21的第二面202，其中，第二基板20的厚度是1.2mm，介電係數ε=3.55。該第一黏合層12用以黏合該第一基板10的第二面102與該第二基板20的第一面201，第一黏合層12的厚度是0.05mm，介電係數ε=3.5，其中，本實施例的第一態樣的該第一基板10的第一面101與該第二基板20的第二面202之間的距離(=2.45mm)接近該第一厚度(=2.4mm)，但不限於此，本實施例的第二態樣也可以直接使用具有厚度=2.4mm的一塊基板取代第一基板10與第二基板20以二塊基板黏合的實施態樣。
第三基板單元3堆疊於該基板模組1之下，且具有一第三基板30、距離該輻射體21一第二厚度的一第一槽孔31與一第二槽孔32。該第三基板30具有一第一面301與一設置該第一槽孔31與該第二槽孔32的第二面302，該第三基板30的厚度是1mm，介電係數ε=3。由於輻射體21很薄，該第二黏合層22用以黏合該第三基板 單元3與該基板模組1的第二基板20與輻射體21，該第二黏合層22的厚度是0.05mm，介電係數ε=3.5，其中，該第三基板30的第一面301與該第二面302之間的距離(1mm)接近該第二厚度(1.05mm)。該第一槽孔31是兩端沿一第二方向(X軸)延伸的水平啞鈴型槽孔，且材質是金屬層，該第二槽孔32是兩端沿一第三方向(Y軸)延伸的垂直啞鈴型槽孔，且材質是金屬層。參閱圖4是第一槽孔31與第二槽孔32的結構上視圖，說明第一槽孔31與第二槽孔32的參數設計。
第四基板單元4堆疊於該第三基板單元3之下，且具有一第四基板40、一第一饋入線41與一第二饋入線42，其中，該第一饋入線41距離該第一槽孔31一第三厚度，該第二饋入線42距離該第二槽孔32該第三厚度。該第四基板40具有一第一面401與一設置該第一饋入線41與該第二饋入線42的第二面402。該第三黏合層33用以黏合該第三基板單元3與該第四基板單元4，該第三黏合層33的厚度是0.05mm，介電係數ε=3.5，該第四基板40的厚度是0.15mm，介電係數ε=3，其中，該第四基板40的第一面401與該第二面402之間的距離(=0.15mm)接近該第三厚度(=0.2mm)。該第一饋入線41是一沿第二方向(X軸)延伸的垂直微帶線(microstrip line)，該第二饋入線42一沿第三方向(Y軸)延伸的水平微帶線，其中，第一饋入線41與該第二饋入線42的長度是4mm、 寬度是0.35mm。
當操作於一發射模式時，信號由該第一饋入線41與該第二饋入線42分別電磁感應到該第一槽孔31與該第二槽孔32，再由該第一槽孔31與該第二槽孔32電磁感應到該輻射體21，再由該輻射體21電磁感應到該寄生元件11，由該寄生元件11發送一輸出電磁波。
當操作於一接收模式時，一來自外部環境的輸入電磁波由該寄生元件11所接收，且電磁感應到該輻射體21，再由該輻射體21電磁感應到該第一槽孔31與該第二槽孔32，再分別電磁感應到該第一饋入線41與該第二饋入線42。
參閱圖5是S參數圖，說明對應第一饋入線41的S11(垂直饋入點的輸入反射係數)、對應第二饋入線42的S22(水平饋入點的輸出反射系數)、S12(定義S11與S22兩個點之間的隔離度，隔離度特性量測目的用於判斷收發訊號時，天線間互相影響，業界隔離度標準通常約-20~-30dB)，其中，X軸標示兩種頻段TX(14~14.5GHz)與RX(10.7~12.7GHz)，Y軸的單位是dB。圖6是天線增益圖，用以說明兩種頻段TX(14~14.5GHz)與RX(10.7~12.7GHz)的增益。圖7是軸比(Axial ratio)圖，其中垂直饋入相位設為90度，水平饋入相位設為0度，軸比的定義是橢圓長軸與短軸之比，橢圓極化當軸比為無窮大時，即為線極化，軸比 為1時，即為圓極化。當空間中兩個正交向量有相同振幅大小並相差90度相位時，此時的極化狀態即為圓極化。圖8是天線的輻射方向圖(Radiation Pattern)，輻射方向圖也稱為天線方向圖(antenna pattern)、遠場輻射圖(far-field pattern)。它是描述天線或其它信號源發出無線電波的強度與方向(角度)之間依賴關係的圖形，用以說明當頻率分別在10.75GHz、11.75GHz、12.75GHz、14GHz、14.5GHz的情形。
參閱圖9，為本發明天線陣列的一實施例，包含M×N個天線單元，M≧1，N≧1，在此以2×2個天線單元為例，分別是第一天線單元T1、第二天線單元T2、第三天線單元T3、第四天線單元T4，其中，第一天線單元T1至第四天線單元T4皆是一雙饋入圓極化寬頻天線，第二天線單元T2相較於第一天線單元T1以逆時針方向旋轉90度且與第一天線單元T1皆設置於一X軸方向，第三天線單元T3相較於第二天線單元T2以逆時針方向旋轉90度(也就是第三天線單元T3相較於第一天線單元T1依Z軸為中心依序旋轉180度)且與第二天線單元T2皆設置於一Y軸方向，第四天線單元T4相較於第三天線單元T3以逆時針方向旋轉90度(也就是第四天線單元T4相較於第一天線單元T1依Z軸為中心依序旋轉270度)且與第三天線單元T3皆設置於一X軸方向。
如圖10所示是具有2×2個天線單元的天線陣列的S參數 圖，說明S11(定義是以第一天線單元T1的第一饋入線41的輸入反射係數)、對應S22(定義是以第一天線單元T1的第二饋入線42的輸出反射係數)、S12(定義第一天線單元T1的第一饋入線41與第一天線單元T1的第二饋入線42兩個點之間的隔離度)，其中，X軸標示兩種頻段TX(14~14.5GHz)與RX(10.7~12.7GHz)，Y軸的單位是dB。
圖11是天線增益圖，用以說明兩種頻段TX(14~14.5GHz)與RX(10.7~12.7GHz)的增益。圖12是軸比(Axial ratio)圖，其中垂直饋入相位設為90度，水平饋入相位設為0度。圖13是天線的輻射方向圖(Radiation Pattern)，用以說明當頻率分別在10.75GHz、11.75GHz、12.75GHz、14GHz、14.5GHz的情形。
綜上所述，上述實施例具有以下優點：一、利用寄生元件11與輻射體21的耦合效應拓展頻寬，達到整合成發射頻帶與接收頻帶於同一個天線的目的。二、在第四基板40設計第一饋入線41與第二饋入線42的雙饋入方式可以實現圓極化的特性，且利用天線陣列設計使得軸比可以達到0.02dB(參閱圖12在10.7GHz~14.5GHz的頻帶)。三、透過第一基板10到第四基板40的多層結構與第一饋入線41與第二饋入線42耦合的設計更有利於達到超寬頻。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
1:基板模組
10:第一基板
101:第一面
102:第二面
11:寄生元件
12:第一黏合層
20:第二基板
201:第一面
202:第二面
21:輻射體
22:第二黏合層
3:第三基板單元
30:第三基板
301:第一面
302:第二面
31:第一槽孔
32:第二槽孔
33:第三黏合層
4:第四基板單元
40:第四基板
401:第一面
402:第二面
41:第一饋入線
42:第二饋入線
Z:第一方向
Y:第三方向

Claims (9)

  1. 一種雙饋入圓極化寬頻天線，包含：一基板模組，包括一寄生元件與一設置於該寄生元件的之下且距離該寄生元件一第一厚度的輻射體，且該寄生元件的中心點與該輻射體的中心點沿一第一方向投影於同一點；一第三基板單元，堆疊於該基板模組之下，且具有距離該輻射體一第二厚度的一第一槽孔與一第二槽孔，該第三基板單元具有一第三基板，該第三基板具有一第一面與一設置該第一槽孔與該第二槽孔的第二面，其中，該第三基板的第一面與該第二面之間的距離接近該第二厚度；及一第四基板單元，堆疊於該第三基板單元之下，且具有一第一饋入線與一第二饋入線，其中，該第一饋入線距離該第一槽孔一第三厚度，該第二饋入線距離該第二槽孔該第三厚度；當操作於一發射模式時，信號由該第一饋入線與該第二饋入線分別電磁感應到該第一槽孔與該第二槽孔，再由該第一槽孔與該第二槽孔電磁感應到該輻射體，再由該輻射體電磁感應到該寄生元件，由該寄生元件發送一輸出電磁波；當操作於一接收模式時，一來自外部環境的輸入電磁波由該寄生元件所接收，且電磁感應到該輻射體，再由該輻射體電磁感應到該第一槽孔與該第二槽孔，再分別電 磁感應到該第一饋入線與該第二饋入線。
  2. 如請求項1所述的雙饋入圓極化寬頻天線，其中，該基板模組還包括一第一基板與一第二基板，該第一基板具有一設置該寄生元件的第一面與一第二面，該第二基板具有一連接該第一基板的第二面的第一面與一設置該輻射體的第二面。
  3. 如請求項2所述的雙饋入圓極化寬頻天線，其中，該基板模組還包括一第一黏合層，該第一黏合層用以黏合該第一基板與該第二基板，其中，該第一基板的第一面與該第二基板的第二面之間的距離接近該第一厚度。
  4. 如請求項1所述的雙饋入圓極化寬頻天線，其中，該第四基板單元具有一第四基板，該第四基板具有一第一面與一設置該第一饋入線與該第二饋入線的第二面，其中，該第四基板的第一面與該第二面之間的距離接近該第三厚度。
  5. 如請求項1所述的雙饋入圓極化寬頻天線，還包括一第二黏合層，該第二黏合層用以黏合該第三基板單元與該基板模組。
  6. 如請求項1所述的雙饋入圓極化寬頻天線，還包括一第三黏合層，該第三黏合層用以黏合該第三基板單元與該第四基板單元。
  7. 如請求項1所述的雙饋入圓極化寬頻天線，其中，該寄生元件與該輻射體是圓形。
  8. 如請求項1所述的雙饋入圓極化寬頻天線，其中，該第一 槽孔是兩端沿一第二方向延伸的水平啞鈴型槽孔，該第二槽孔是兩端沿一第三方向延伸的垂直啞鈴型槽孔，該第一饋入線是一沿第二方向延伸的垂直微帶線，該第二饋入線是一沿第三方向延伸的水平微帶線。
  9. 一種天線陣列，包含：一第一天線單元；一第二天線單元，相較於該第一天線單元以逆時針方向旋轉90度且與該第一天線單元皆設置於一X軸方向；一第三天線單元，相較於該第二天線單元以逆時針方向旋轉90度且與該第二天線單元皆設置於一Y軸方向；一第四天線單元，相較於該第三天線單元以逆時針方向旋轉90度且與該第三天線單元皆設置於該X軸方向；該第一天線單元該至第四天線單元的每一包括請求項1~8的雙饋入圓極化寬頻天線。
TW112124877A 2023-07-04 2023-07-04 天線陣列與雙饋入圓極化寬頻天線 TWI863405B (zh)

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