TWI891525B - 磁電偶極天線陣列 - Google Patents

Abstract

一種磁電偶極天線陣列，包含一基板及至少一天線單元。該基板具有相反的一上表面及一下表面。該至少一天線單元包含一電偶極元件、一磁偶極元件、一第一饋入探針、一第二饋入探針及一帶狀線。該電偶極元件設置於該基板的該上表面。該磁偶極元件設置於該基板中且位於該上表面與該下表面之間，並且與該電偶極元件電連接。該第一饋入探針設置於該基板的該上表面用以垂直極化。該第二饋入探針設置於該基板的該上表面與該下表面之間用以水平極化。該帶狀線設置於該第一饋入探針與第二饋入探針之間用以電容耦合。

Description

磁電偶極天線陣列

本發明是有關於一種磁電偶極天線陣列，尤其是指一種包含用以電容耦合之一帶狀線的磁電偶極天線陣列。

參閱圖1，中國專利公開號CN114614273A揭露一種四端口饋電的單層磁電偶極子陣列天線。該單層磁電偶極子陣列天線包括四個磁電偶極子單元81、82、83、84。每個磁電偶極子單元81、82、83、84上分別設有一個饋電端口91、92、93、94，且該等四個磁電偶極子單元81、82、83、84彼此之間通過微帶線7連接。每一磁電偶極子單元81、82、83、84包括十字饋電的磁電偶極子、介質基板、四個方形偶極子、以及同軸探針。該等四個方形偶極子貼合在該介質基板的上表面。該磁電偶極子設置在該等方形偶極子中間，該等方形偶極子在X、Y方向上均設有一排孔洞。該同軸探針設置在該介質基板內。

因此，本發明之目的，在於提供一種磁電偶極天線陣列。該磁電偶極天線陣列包含一基板及至少一天線單元。該基板具有相反的一上表面及一下表面。該至少一天線單元包含一電偶極元件、一磁偶極元件、一第一饋入探針、一第二饋入探針及一帶狀線。該電偶極元件設置於該基板的該上表面。該磁偶極元件設置於該基板中且位於該上表面與該下表面之間，並且與該電偶極元件電連接。該第一饋入探針設置於該基板的該上表面用以垂直極化。該第二饋入探針設置於該基板的該上表面與該下表面之間用以水平極化。該帶狀線設置於該第一饋入探針與第二饋入探針之間用以電容耦合。

在本發明的一些實施態樣中，該磁電偶極天線陣列還包含四個L型寄生共振器，設置於該基板的該上表面與該下表面之間，與該帶狀線設置於同一平面，並且圍繞該帶狀線。

在本發明的一些實施態樣中，該電偶極元件包含四個導電矩形貼片，該等導電矩形貼片中的第一對導電矩形貼片係沿著一平行該上表面的第一方向排列且互相間隔，該等導電矩形貼片中的第二對導電矩形貼片係沿著該第一方向排列且互相間隔，該第一對導電矩形貼片與該第二對導電矩形貼片於一第二方向上彼此間隔，該第二方向係平行該上表面且垂直該第一方向，該第一饋入探針位於該第一對導電矩形貼片與該第二對導電矩形貼片之間。

在本發明的一些實施態樣中，該磁偶極元件包含四個導電柱，該等導電柱分別對應於該等導電矩形貼片，垂直於該導電矩形貼片，並且朝向相反於該基板的該上表面之方向延伸。

在本發明的一些實施態樣中，該磁電偶極天線陣列，還包含一接地層，設置於該基板的該上表面與該下表面之間，其中對於該等導電矩形貼片中的每一者，該導電柱電連接於該導電矩形貼片與該接地層之間。

在本發明的一些實施態樣中，該第二饋入探針設置於該基板的該上表面與該接地層之間。

在本發明的一些實施態樣中，對於該等導電柱中之每一者，該導電柱設置於該等導電矩形貼片中該對應之一者的一個角落，該角落接近等導電矩形貼片的一幾何中心。

在本發明的一些實施態樣中，該第一饋入探針的一幾何中心、該帶狀線的一幾何中心、該第二饋入探針的一幾何中心、以及該等導電矩形貼片的一幾何中心皆位於一假想線上；及該假想線垂直於該基板的該上表面。

在本發明的一些實施態樣中，該第一饋入探針與該帶狀線分別在同一平面上之投影互相垂直；該第一饋入探針與該第二饋入探針分別在同一平面上之投影互相垂直；及該帶狀線與該第二饋入探針分別在同一平面上之投影互相重疊。

在本發明的一些實施態樣中，該磁電偶極天線陣列，還包含一第一饋入線、一第二饋入線、一第一導電連接線及一第二導電連接線。該第一饋入線設置於該基板的該下表面。該第二饋入線設置於該基板的該下表面。該第一導電連接線電連接該第一饋入探針與該第一饋入線。該第二導電連接線電連接該第二饋入探針與該第二饋入線。

在本發明的一些實施態樣中，該第一饋入線與該第二饋入線中的每一者係一微帶線。

在本發明的一些實施態樣中，該至少一天線單元包含多個天線單元，該等天線單元排列成一天線陣列；及該天線陣列具有M個行及N個列，其中M與N中的每一者皆係一正整數。

在本發明的一些實施態樣中，該磁電偶極天線陣列，還包含，對於該等天線單元中的每一者，四個L型寄生共振器，設置於該基板的該上表面與該下表面之間，與該天線單元的該帶狀線設置於同一平面，並且圍繞該帶狀線。

在本發明的一些實施態樣中，該磁電偶極天線陣列還包含多個蜿蜒型寄生共振器，設置於該基板的該上表面，其中該等天線單元中的每相鄰兩者之間設置有該等蜿蜒型寄生共振器的其中一者。

在本發明的一些實施態樣中，該磁電偶極天線陣列用以運作於一特定工作頻率。該等天線單元中之每一相鄰二者分別的二幾何中心相距一特定距離；及該特定距離係該特定工作頻率下之電磁波波長之一半。

本發明之功效在於：該磁電偶極天線陣列包括多個設置於該基板上且排列成該天線陣列的該等天線單元。該等天線單元中的每一者包括該電偶極元件、該磁偶極元件、該第一饋入探針、該第二饋入探針，以及設置於該第一饋入探針與第二饋入探針之間用以電容耦合的該帶狀線。如此一來，該磁電偶極天線陣列的阻抗頻寬(impedance bandwidth)、阻抗匹配(impedance matching)及天線隔離度(antenna isolation)可以被改善。此外，為了抑制該磁電偶極天線陣列的等天線單元之間的互耦合(mutual coupling)效應並且提高天線增益，對於該等天線單元中的每一者，該等L型寄生共振器被設置以圍繞該帶狀線，而且該等天線單元中的每相鄰兩者之間設置有該等蜿蜒型寄生共振器的其中一者。

在本發明被詳細描述之前，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。

在本發明被詳細描述之前應當注意：在未特別定義的情況下，本專利說明書中所述的「電連接」是用來描述電腦硬體（例如電子系統、設備、裝置、單元、元件）之間的「耦接」關係，且泛指複數電腦硬體之間透過導體/半導體材料彼此實體相連而實現的「有線電連接」，以及利用無線通訊技術（例如但不限於無線網路、藍芽及電磁感應等）而實現無線資料傳輸的「無線電連接」。另一方面，在未特別定義的情況下，本專利說明書中所述的「電連接」也泛指複數電腦硬體之間彼此直接耦接而實現的「直接電連接」，以及複數電腦硬體之間是透過其他電腦硬體間接耦接而實現的「間接電連接」。

參閱圖2至圖5，本發明一磁電偶極天線陣列的一實施例用以運作於一特定工作頻率。該特定工作頻率的範圍係從17.7 GHz到20.2 GHz，而中心頻率為19 GHz。在以下描述中，該特定工作頻率的範圍也稱為一工作頻段。

該磁電偶極天線陣列包括一基板1及多個天線單元2。該等天線單元2排列成一天線陣列以加強該磁電偶極天線陣列的增益(gain)。詳細地說，該天線陣列具有M個行及N個列(即，具有M×N個天線單元2)，其中M與N中的每一者皆係一正整數。在本實施例中，M等於二，且N等於二，但並不以此為限。該等天線單元2中，相鄰二天線單元2的幾何中心相距一特定距離，且該特定距離係該特定工作頻率下之電磁波波長的一半。如此一來，根據天線陣列理論，該磁電偶極天線陣列的輻射方向圖(radiation pattern)中會有最小旁波束(minimum side lobe)，且從輻射方向圖中的主波束(main lobe)來看，該磁電偶極天線陣列會有相對較佳的指向性。

該基板1具有相反的一上表面11及一下表面12。

該等天線單元2中之每一者皆包括一電偶極元件21、一磁偶極元件22、一第一饋入探針231、一第二饋入探針241、一第一饋入線232、一第二饋入線242、一第一導電連接線233、一第二導電連接線243、一帶狀線25 及一接地層26。

該接地層26設置於該基板1的該上表面11與該下表面12之間。

該電偶極元件21設置於該基板1的該上表面11。該磁偶極元件22設置於該基板1中且位於該上表面11與該下表面12之間，並且與該電偶極元件21電連接。

該第一饋入探針231設置於該基板1的該上表面11。該第一饋入線232設置於該基板1的該下表面12。第一導電連接線233電連接該第一饋入探針231與該第一饋入線232。

該第二饋入探針241設置於該基板1的該上表面11與該下表面12之間。該第二饋入線242設置於該基板1的該下表面12。該第二導電連接線243電連接該第二饋入探針241與該第二饋入線242。在本實施例中，該第一饋入探針231用以垂直極化，且該第二饋入探針241用以水平極化，因此該磁電偶極天線陣列具有圓極化之效果。

在本實施例中，該第一饋入線232與該第二饋入線242皆為微帶線，但不以此為限。

該帶狀線25設置於該第一饋入探針231與第二饋入探針241之間，用以產生電容耦合效應。

詳細地說，該電偶極元件21包含四個導電矩形貼片211。該等導電矩形貼片211中的第一對導電矩形貼片係沿著一平行該上表面11的第一方向排列且互相間隔，該等導電矩形貼片211中的第二對導電矩形貼片係沿著該第一方向排列且互相間隔，且該第一對導電矩形貼片與該第二對導電矩形貼片於一第二方向上彼此間隔，其中該第二方向係平行該上表面且垂直該第一方向。也就是說，該等導電矩形貼片211彼此互相間格且排列成為一2×2的陣列。須注意的是，上述第一方向與第二方向僅作為單獨一個天線單元2中之參考方向，且對於相鄰的兩個天線單元2，其中一者所參考之第一方向係與另一者所參考之第一方向互相垂直。該磁偶極元件22包含四組導電柱，且該等四組導電柱分別對應於該等導電矩形貼片211。在本實施例中，該等四組導電柱中的每一者包含三個導電柱221，其垂直於該等導電矩形貼片211中的該對應之一者，並且朝向一相反於該基板1的該上表面11之方向延伸。值得一提的是，該等四組導電柱中的每一者所包含的導電柱221之數量，並不以此處所揭露者為限。對於該等導電矩形貼片211中的每一者，該等三個導電柱221電連接於該導電矩形貼片211與該接地層26之間。對於該等四組導電柱中之每一者，該等三個導電柱221是設置於該等導電矩形貼片211中該對應之一者的一個角落，其中該角落接近等導電矩形貼片211的一幾何中心。

該第一饋入探針231位於該第一對導電矩形貼片211與該第二對導電矩形貼片211之間，並且沿著該第一方向延伸。該第二饋入探針241設置於該基板1的該上表面11與該接地層26之間。該第一饋入探針231的一幾何中心、該帶狀線25的一幾何中心、該第二饋入探針241的一幾何中心、以及該等導電矩形貼片211的一幾何中心皆位於一假想線(圖未示)上，其中該假想線垂直於該基板1的該上表面11。該第一饋入探針231與該帶狀線25分別在同一平面上之投影互相垂直。該第一饋入探針231與該第二饋入探針241分別在同一平面上之投影互相垂直。該帶狀線25與該第二饋入探針241分別在同一平面上之投影互相重疊。該等天線單元2中的相鄰二者之方向相差90度(見圖4)；也就是說，對於該等天線單元2中的相鄰二者，其中一者之該第一饋入探針231係與另一者之該第一饋入探針231垂直。需要注意的是，在本實施例中，該第一饋入探針231、該第二饋入探針241及該帶狀線25的形狀、尺寸可以彼此相異，且不以本說明書所揭露者為限。

此外，為了抑制該磁電偶極天線陣列的該等天線單元2之間的互耦合(mutual coupling)效應並且提高天線增益，對於該等天線單元2中的每一者，該磁電偶極天線陣列還包括四個L型寄生共振器(L-shaped parasitic resonator) 27，該等L型寄生共振器27設置於該基板1的該上表面11與該下表面12之間，與該天線單元2的該帶狀線25設置於同一平面，並且圍繞該帶狀線25。

再者，該磁電偶極天線陣列還包括多個蜿蜒型寄生共振器(meander parasitic resonator)28，設置於該基板1的該上表面11，其中該等天線單元2中的每相鄰兩者之間設置有該等蜿蜒型寄生共振器28的其中一者。

參閱表1，該磁電偶極天線陣列從該基板1的該上表面11至該下表面12可以被依序劃分為M1層、H1層、PP1層、M2層、H2層、PP2層、M3層、H3層、PP3層、H4層、PP4層、M4層、H5層及M5層。表1提供了該磁電偶極天線陣列的前述該等層之每一層的材料、厚度及介電常數(dielectric constant, Dk)。值得一提的是，H1層、H2層、H3層、H4層及H5層的材料是一種作為基板的絕緣體，而PP1層、PP2層、PP3層及PP4層的材料”NP-533B”是一種用於黏合基板的黏合劑。該等導電矩形貼片211、該等第一饋入探針231與該等蜿蜒型寄生共振器28屬於M1層。該等帶狀線25與該等L型寄生共振器27屬於M2層。該等第二饋入探針241屬於M3層。該接地層26屬於M4層。該等第一饋入線232與該等第二饋入線242屬於M5層。

名稱	材料	厚度(mil)	Dk
M1	銅(copper)	1.38 (35µm)
H1	NP-536HC	20	3.66
PP1	NP-535B	3.94 (100µm)	3.5
M2	銅	1.38 (35µm)
H2	NP-536HC	10	3.66
PP2	NP-535B	3.94 (100µm)	3.5
M3	銅	1.38 (35µm)
H3	NP-536HC	30	3.66
PP3	NP-535B	3.94 (100µm)	3.5
H4	NP-536HC	10	3.66
PP4	NP-535B	3.94 (100µm)	3.5
M4	銅	1.38 (35µm)
H5	NP-536HC	20	3.66
M5	銅	1.38 (35µm)

參閱圖6，一個電腦模擬的結果顯示，在該工作頻段內(也就是在17.7 GHz到20.2 GHz的頻率範圍內)，該磁電偶極天線陣列的增益大約落在10.6 dBi到11.1 dBi的範圍內。

在一個電腦模擬中，該磁電偶極天線陣列的該等第一饋入線232與該等第二饋入線242分別被指定為如圖7所示的輸出入埠”port 1”、”port 2”、”port 3”、”port 4”、”port 5”、”port 6”、”port 7”與”port 8”。圖8到圖10共同呈現了相關於該磁電偶極天線陣列的S參數，其中參數S(i,j)是以輸出入埠”port i”作為輸出埠、且輸出入埠”port j”作為輸入埠模擬所得到之結果，其中i為正整數，j為正整數。圖8中的參數S(1,1), S(2,2), S(3,3), S(4,4), S(5,5), S(6,6), S(7,7), S(8,8)代表反射係數。圖9中的參數S(4,1), S(5,1), S(8,1)代表相同極化下的穿透係數。圖10中的參數S(2,1), S(3,1), S(6,1), S(7, 1)代表不同極化下的穿透係數。在該工作頻段內，圖9中的參數S(4,1), S(5,1), S(8,1)皆低於-15dB，而圖10中的參數S(2,1), S(3,1), S(6,1), S(7, 1)皆低於-20dB。也就是說，該電腦模擬的結果顯示該磁電偶極天線陣列的等天線單元2之間的互耦合效應可以被有效地抑制。進一步地，圖8中的參數S(1,1), S(2,2), S(3,3), S(4,4), S(5,5), S(6,6), S(7,7), S(8,8) 在該工作頻段內皆低於-10dB。

值得一提的是，在一些實施態樣中，該磁電偶極天線陣列可能被實施以只包含該等L型寄生共振器27或只包含該等蜿蜒型寄生共振器28。換句話說，該磁電偶極天線陣列可能被實施以不同時包含該等L型寄生共振器27與該等蜿蜒型寄生共振器28。舉例來說，圖11展示了前述該磁電偶極天線陣列的該實施例的一個變型，其中該磁電偶極天線陣列包含了該等蜿蜒型寄生共振器28但不包含該等L型寄生共振器27。

綜上所述，本發明所揭露的該磁電偶極天線陣列包括多個設置於該基板1上且排列成該天線陣列的該等天線單元2。該等天線單元2中的每一者包括該電偶極元件21、該磁偶極元件22、該第一饋入探針231、該第二饋入探針241，以及設置於該第一饋入探針231與第二饋入探針241之間用以電容耦合的該帶狀線25。根據上述實施例所揭露之配置，該磁電偶極天線陣列的阻抗頻寬(impedance bandwidth)、阻抗匹配(impedance matching)及天線隔離度(antenna isolation)皆能獲得改善。此外，為了抑制該磁電偶極天線陣列的等天線單元2之間的互耦合效應並且提高天線增益，對於該等天線單元2中的每一者，該等L型寄生共振器27被設置以圍繞該帶狀線25，而且該等天線單元2中的每相鄰兩者之間設置有該等蜿蜒型寄生共振器28的其中一者。由此可知，確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1:基板 11:上表面 12:下表面 2:天線單元 21:電偶極元件 211:導電矩形貼片 22:磁偶極元件 221:導電柱 231:第一饋入探針 232:第一饋入線 233:第一導電連接線 241:第二饋入探針 242:第二饋入線 243:第二導電連接線 25:帶狀線 26:接地層 27:L型寄生共振器 28:蜿蜒型寄生共振器

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一示意圖，說明先前技術中的一種四端口饋電的單層磁電偶極子陣列天線； 圖2是一立體圖，說明本發明一磁電偶極天線陣列之一天線單元的一實施例； 圖3是該磁電偶極天線陣列的該實施例之一側視圖； 圖4是該磁電偶極天線陣列的該實施例之一上視圖； 圖5是該磁電偶極天線陣列的該實施例之一分解圖； 圖6是一示意圖，說明本發明該磁電偶極天線陣列在不同頻率下的增益； 圖7是一示意圖，說明本發明該磁電偶極天線陣列的多個輸出入埠； 圖8至10是曲線圖，共同說明本發明該磁電偶極天線陣列的S參數(S parameter)；及 圖11是一上視圖，說明本發明該磁電偶極天線陣列的另一實施例。

1:基板

11:上表面

12:下表面

2:天線單元

21:電偶極元件

211:導電矩形貼片

22:磁偶極元件

221:導電柱

231:第一饋入探針

232:第一饋入線

233:第一導電連接線

241:第二饋入探針

242:第二饋入線

243:第二導電連接線

25:帶狀線

26:接地層

27:L型寄生共振器

28:蜿蜒型寄生共振器

Claims (15)

1. 一種磁電偶極天線陣列，包含： 一基板，具有相反的一上表面及一下表面；及 至少一天線單元，包含 一電偶極元件，設置於該基板的該上表面； 一磁偶極元件，設置於該基板中且位於該上表面與該下表面之間，並且與該電偶極元件電連接； 一第一饋入探針，設置於該基板的該上表面用以垂直極化； 一第二饋入探針，設置於該基板的該上表面與該下表面之間用以水平極化；及 一帶狀線，設置於該第一饋入探針與第二饋入探針之間用以電容耦合。
2. 如請求項1所述的磁電偶極天線陣列，還包含： 四個L型寄生共振器，設置於該基板的該上表面與該下表面之間，與該帶狀線設置於同一平面，並且圍繞該帶狀線。
3. 如請求項1所述的磁電偶極天線陣列，其中該電偶極元件包含四個導電矩形貼片，該等導電矩形貼片中的第一對導電矩形貼片係沿著一平行該上表面的第一方向排列且互相間隔，該等導電矩形貼片中的第二對導電矩形貼片係沿著該第一方向排列且互相間隔，該第一對導電矩形貼片與該第二對導電矩形貼片於一第二方向上彼此間隔，該第二方向係平行該上表面且垂直該第一方向，該第一饋入探針位於該第一對導電矩形貼片與該第二對導電矩形貼片之間。
4. 如請求項3所述的磁電偶極天線陣列，其中該磁偶極元件包含四個導電柱，該等導電柱分別對應於該等導電矩形貼片，垂直於該等導電矩形貼片，並且朝向相反於該基板的該上表面之方向延伸。
5. 如請求項4所述的磁電偶極天線陣列，還包含： 一接地層，設置於該基板的該上表面與該下表面之間， 其中對於該等導電矩形貼片中的每一者，該導電柱電連接於該導電矩形貼片與該接地層之間。
6. 如請求項5所述的磁電偶極天線陣列，其中該第二饋入探針設置於該基板的該上表面與該接地層之間。
7. 如請求項4所述的磁電偶極天線陣列，其中對於該等導電柱中之每一者，該導電柱設置於該等導電矩形貼片中該對應之一者的一個角落，該角落接近等導電矩形貼片的一幾何中心。
8. 如請求項3所述的磁電偶極天線陣列，其中： 該第一饋入探針的一幾何中心、該帶狀線的一幾何中心、該第二饋入探針的一幾何中心、以及該等導電矩形貼片的一幾何中心皆位於一假想線上；及 該假想線垂直於該基板的該上表面。
9. 如請求項8所述的磁電偶極天線陣列，其中： 該第一饋入探針與該帶狀線分別在同一平面上之投影互相垂直； 該第一饋入探針與該第二饋入探針分別在同一平面上之投影互相垂直；及 該帶狀線與該第二饋入探針分別在同一平面上之投影互相重疊。
10. 如請求項1所述的磁電偶極天線陣列，還包含： 一第一饋入線，設置於該基板的該下表面； 一第二饋入線，設置於該基板的該下表面； 一第一導電連接線，電連接該第一饋入探針與該第一饋入線；及 一第二導電連接線，電連接該第二饋入探針與該第二饋入線。
11. 如請求項10所述的磁電偶極天線陣列，其中該第一饋入線與該第二饋入線中的每一者係一微帶線。
12. 如請求項1所述的磁電偶極天線陣列，其中該至少一天線單元包含多個天線單元，該等天線單元排列成一天線陣列。
13. 如請求項12所述的磁電偶極天線陣列，還包含，對於該等天線單元中的每一者： 四個L型寄生共振器，設置於該基板的該上表面與該下表面之間，與該天線單元的該帶狀線設置於同一平面，並且圍繞該帶狀線。
14. 如請求項12所述的磁電偶極天線陣列，還包含： 多個蜿蜒型寄生共振器，設置於該基板的該上表面， 其中該等天線單元中的每相鄰兩者之間設置有該等蜿蜒型寄生共振器的其中一者。
15. 如請求項12所述的磁電偶極天線陣列，用以運作於一特定工作頻率，其中： 該等天線單元中之每一相鄰二者分別的二幾何中心相距一特定距離；及 該特定距離係該特定工作頻率下之電磁波波長之一半。