TWI836991B

TWI836991B - 天線結構及天線陣列

Info

Publication number: TWI836991B
Application number: TW112117891A
Authority: TW
Inventors: 黃金鼎; 王俊凱; 洪壐剴; 許治慧
Original assignee: 和碩聯合科技股份有限公司
Priority date: 2023-05-15
Filing date: 2023-05-15
Publication date: 2024-03-21

Abstract

一種天線結構，包括一第一接地層、一微帶線組、一第一導體層、一第一輻射體以及一第二輻射體。微帶線組位於第一接地層上方，且包括垂直配置的一第一微帶線及一第二微帶線。第一微帶線包括一第一饋入端，第二微帶線包括一第二饋入端。第一導體層位於微帶線組上方，且包括垂直配置的一第一槽縫與一第二槽縫。第一槽縫與第二槽縫分別對應於第一微帶線及第二微帶線。第一槽縫的主要延伸方向垂直於第一微帶線的延伸方向，第二槽縫的主要延伸方向垂直於第二微帶線的延伸方向。第一輻射體位於第一槽縫與第二槽縫上方。第二輻射體位於第一輻射體上方。

Description

天線結構及天線陣列

本發明是有關於一種天線結構及天線陣列，且特別是有關於一種具有圓極化天線架構的天線結構及天線陣列。

隨著科技發展，使用者對於通訊傳輸的性能要求隨之提升。圓極化天線由於在電磁波的傳遞與接收的過程較不受外在環境干擾，且其接收性能也較不受收發天線的安裝方位所限制，故目前圓極化天線的應用越來越廣泛。要如何設計可產生良好的圓極化操作模態的天線，是本領域技術人員致力研究的目標之一。

本發明提供一種天線結構，其可產生左旋圓極化操作模態及右旋圓極化操作模態，且兩操作模態皆具有良好的表現。

本發明的一種天線結構，包括一第一接地層、一微帶線組、一第一導體層、一第一輻射體以及一第二輻射體。微帶線組位於第一接地層的上方，且包括垂直配置的一第一微帶線及一第二微帶線，其中第一微帶線包括一第一饋入端，第二微帶線包括一第二饋入端。第一導體層位於微帶線組的上方，且包括垂直配置的一第一槽縫與一第二槽縫，其中第一槽縫與第二槽縫分別對應於第一微帶線及第二微帶線，第一槽縫的主要延伸方向垂直於第一微帶線的延伸方向，第二槽縫的主要延伸方向垂直於第二微帶線的延伸方向。第一輻射體位於第一槽縫與第二槽縫的上方。第二輻射體位於第一輻射體的上方。當第一饋入端被饋入一第一相位的訊號，第二饋入端被饋入一第二相位的訊號，且第一相位與第二相位的相位差為90度時，第一電磁能量經由第一微帶線與第二微帶線分別耦合至第一槽縫與第二槽縫，再至第一輻射體而產生一左旋圓極化操作模態的一第一頻段。當第一饋入端被饋入第二相位的訊號，第二饋入端被饋入第一相位的訊號時，第二電磁能量經由第一微帶線與第二微帶線分別耦合至第一槽縫與第二槽縫，再至第二輻射體而產生一右旋圓極化操作模態的一第二頻段。

在本發明的一實施例中，上述的第一輻射體與第二輻射體為兩圓形，第一輻射體的直徑為第一頻段的二分之一波長，第二輻射體的直徑為第二頻段的二分之一波長。

在本發明的一實施例中，上述的第一輻射體與第二輻射體的每一者為圓形、橢圓形或多邊形，第二輻射體的尺寸大於第一輻射體的尺寸。

在本發明的一實施例中，上述的第一槽縫與第二槽縫的每一者包括一主槽縫及從主槽縫的相對兩端延伸出的兩分支槽縫，各分支槽縫呈一V型，V型的尖端連接於主槽縫。

在本發明的一實施例中，上述的第一槽縫與第二槽縫的每一者的周長為第一頻段或第二頻段的二分之一波長的整數倍。

在本發明的一實施例中，上述的天線結構更包括一第二導體層，與微帶線組共平面，第二導體層包括一第一中空區，微帶線組位於第一中空區，第一中空區的周長為第一頻段或第二頻段的二分之一波長的整數倍。

在本發明的一實施例中，上述的第一接地層、第二導體層及第一導體層透過一內圈導通孔組導通於彼此，內圈導通孔組位於第一中空區的外圍，且環繞第一槽縫與第二槽縫。

在本發明的一實施例中，上述的第一接地層、第二導體層及第一導體層透過一外圈導通孔組導通於彼此，外圈導通孔組位於第一接地層、第二導體層及第一導體層的邊緣。

在本發明的一實施例中，上述的第一接地層、第二導體層及第一導體層的每一者的邊長小於第一頻段的二分之一波長。

在本發明的一實施例中，上述的天線結構更包括一第三導體層，位於第二導體層與第一導體層之間，第三導體層包括對應於第一中空區的一第二中空區，第二中空區的周長為第一頻段或第二頻段的二分之一波長的整數倍。

在本發明的一實施例中，上述的第一中空區與第二中空區的每一者包括垂直的一第一部分與一第二部分而為T型，第一微帶線位於第一中空區的第一部分，第二微帶線位於第一中空區的第二部分，第一微帶線的延伸方向垂直於第一部分的延伸方向，第二微帶線的延伸方向垂直於第二部分的延伸方向。

在本發明的一實施例中，上述的天線結構更包括一第二接地層，第一接地層位於第二接地層與微帶線組之間。

在本發明的一實施例中，上述的第一頻段介於14GHz至14.5GHz之間，第二頻段介於10.7GHz至12.7GHz之間。

本發明提供一種天線陣列，具有上述的天線結構，陣列地排列。

基於上述，本發明的天線結構的第一槽縫與第二槽縫對應於第一微帶線及第二微帶線，第一槽縫的主要延伸方向垂直於第一微帶線的延伸方向，第二槽縫的主要延伸方向垂直於第二微帶線的延伸方向。當第一饋入端及第二饋入端分別被饋入第一相位及第二相位的訊號，且第一相位與第二相位的相位差為90度時，第一電磁能量經由第一微帶線與第二微帶線分別耦合至第一槽縫與第二槽縫，再至該第一輻射體而產生左旋圓極化操作模態的第一頻段。當該第一饋入端及第二饋入端分別被饋入第二相位及第一相位的訊號時，第二電磁能量經由第一微帶線與第二微帶線分別耦合至第一槽縫與第二槽縫，再至第二輻射體而產生右旋圓極化操作模態的第二頻段。透過這樣的設計，本發明的天線結構為可以提供良好的圓極化表現，而可應用於低軌衛星通訊。

圖1是依照本發明的一實施例的一種天線結構的外觀示意圖。圖2是圖1的天線結構的***示意圖。需說明的是，為使圖面簡潔，圖2並未繪示絕緣層190。另外，在圖1中，第一輻射體140位於最上面一層的絕緣層190與從上往下第二層的絕緣層190之間。此處所指的上面為圖1圖面的上方。

請參考圖1及圖2，本實施例的天線結構100包括一第一接地層110、一微帶線組120(圖2)及一第一導體層130。微帶線組120的材質例如為金屬，且位於第一接地層110上方。第一導體層130位於微帶線組120的上方。

具體而言，本實施例的天線結構100更包括與微帶線組120共平面的一第二導體層160，且第二導體層160包括一第一中空區161。微帶線組120位於第一中空區161。換句話說，本實施例的第二導體層160位於第一導體層130與第一接地層110之間，且微帶線組120位於第二導體層160的第一中空區161內。

在本實施例中，微帶線組120包括垂直配置的一第一微帶線121及一第二微帶線122。第一微帶線121包括一第一饋入端1211，且第二微帶線122包括一第二饋入端1221。

此外，第一導體層130包括垂直配置的一第一槽縫131及一第二槽縫132。第一槽縫131與第二槽縫132分別對應於第一微帶線121及第二微帶線122。第一槽縫131的主要延伸方向垂直於第一微帶線121的延伸方向，且第二槽縫132的主要延伸方向垂直於第二微帶線122的延伸方向。

具體地說，圖3是圖2的天線結構的微帶線組的外觀示意圖。具體而言，請參考圖3，本實施例的第一槽縫131與第二槽縫132的每一者包括一主槽縫1311、1321及從主槽縫1311、1321的相對兩端延伸出的兩分支槽縫1312、1322。各分支槽縫1312、1322呈一V型，且V型的尖端連接於主槽縫1311、1321。

第一槽縫131的主槽縫1311(圖3)的主要延伸方向(Y軸方向)垂直於第一微帶線121(圖2)的延伸方向(X軸方向)。第二槽縫132的主槽縫1321(圖3)的主要延伸方向(X軸方向)垂直於第二微帶線122(圖2)的延伸方向(Y軸方向)。

此外，本實施例的天線結構100包括一第一輻射體140(圖2)及一第二輻射體150。第一輻射體140位於第一槽縫131與第二槽縫132的上方，且第二輻射體150位於第一輻射體140的上方。

當第一饋入端1211被饋入一第一相位的訊號，第二饋入端1221被饋入一第二相位的訊號，且第一相位與第二相位的相位差為90度時，第一電磁能量經由第一微帶線121與第二微帶線122分別耦合至第一槽縫131與第二槽縫132，再至第一輻射體140而產生一左旋圓極化操作模態的一第一頻段。第一相位例如是相位零度，第二相位例如是相位九十度。第一頻段例如介於14GHz至14.5GHz之間，且為發射訊號(Tx)。

另外，當第一饋入端1211被饋入第二相位的訊號，第二饋入端1221被饋入第一相位的訊號時，第二電磁能量經由第一微帶線121與第二微帶線122分別耦合至第一槽縫131與第二槽縫132，再至第二輻射體150而產生一右旋圓極化操作模態的一第二頻段。第二頻段例如介於10.7GHz至12.7GHz之間，且為接收訊號(Rx)。

透過上述的設計，本實施例的天線結構100可以產生左旋圓極化操作模態的第一頻段及右旋圓極化操作模態的第二頻段。此外，第一頻段及第二頻段都介於低軌衛星通訊規格的頻段內。因此，本實施例的天線結構100為可應用於低軌衛星的圓極化天線。

需注意的是，請參考圖2，第一輻射體140的直徑D1為第一頻段的二分之一波長，第二輻射體150的直徑D2為第二頻段的二分之一波長，且第二輻射體150的尺寸大於第一輻射體140的尺寸。亦即，第二輻射體150的直徑D2大於第一輻射體140的直徑D1。透過這樣的設計，本實施例的天線結構100得以激發第一頻段及第二頻段。

本實施例的第一輻射體140與第二輻射體150的外觀例如為兩圓形，經模擬，第一輻射體140及第二輻射體150的外觀設計成圓形時，其表現的天線效率最佳，但在其他實施例中，第一輻射體140與第二輻射體150的每一者也可以為橢圓形或多邊形等形狀。本發明並不以此為限。

此外，本實施例的第一接地層110、第二導體層160及第一導體層130的每一者的邊長需小於第一頻段的二分之一波長。具體而言，第一接地層110、第二導體層160及第一導體層130各自的邊長需小於天線結構100操作模態最高頻率的二分之一波長，有助於本實施例的天線結構100激發第一頻段及第二頻段。

本實施例的第一槽縫131與第二槽縫132的每一者的周長為第一頻段或第二頻段的二分之一波長的整數倍，且第二導體層160的第一中空區161(圖2)的周長為第一頻段或第二頻段的二分之一波長的整數倍。透過這樣的設計，可使天線結構100的效率達到最佳。此外，分支槽縫1312、1322與對應的主槽縫1311、1321的延伸方向之間的夾角例如為45度，而可得到較佳的軸比特性。而主槽縫1311、1321及分支槽縫1312、1322的長度及寬度則可依阻抗需求進行調整。

請繼續參考圖2，在本實施例中，第一接地層110、第二導體層160及第一導體層130透過一內圈導通孔組180及一外圈導通孔組185導通於彼此。內圈導通孔組180位於第一中空區161的外圍，且環繞第一槽縫131與第二槽縫132。外圈導通孔組185位於第一接地層110、第二導體層160及第一導體層130的邊緣。

詳細而言，第一接地層110、第二導體層160及第一導體層130上可以在內圈導通孔組180與外圈導通孔組185之間的挖空處設置基頻(base band, BB)電路及射頻(radio frequency, RF)電路，而另外接電路線連接至第一饋入端1211及第二饋入端1221。內圈導通孔組180可以避免基頻電路及射頻電路產生之訊號干擾第一微帶線121、第二微帶線122與第一槽縫131、第二槽縫132之間的耦合效果。外圈導通孔組185則可以避免來自於其他天線結構100的訊號或其他電子產品訊號的干擾。

本實施例的天線結構100更包括一第二接地層115。第一接地層110位於第二接地層115與微帶線組120之間。第二接地層115同樣設有外圈導通孔組185，以避免來自於其他天線結構100的訊號或其他電子產品訊號的干擾。

圖4是圖2的天線結構的第一中空區的外觀示意圖。圖5是圖2的天線結構的第二中空區的外觀示意圖。請參考圖2、圖4及圖5，本實施例的天線結構100更包括一第三導體層170，位於第二導體層160與第一導體層130之間。第三導體層170包括對應於第一中空區161的一第二中空區171，且第二中空區171的周長也為第一頻段或該第二頻段的二分之一波長的整數倍。

進一步而言，第一中空區161與第二中空區171的每一者包括相互垂直的一第一部分1611、1711與一第二部分1612、1712而為T型。第一微帶線121位於第一中空區161的第一部分1611，且第二微帶線122位於第一中空區161的第二部分1612。第一微帶線121的延伸方向(X軸方向)垂直於第一部分1611、1711的延伸方向(Y軸方向)，且第二微帶線122的延伸方向(Y軸方向)垂直於第二部分1612、1712的延伸方向。

需補充說明的是，本實施例的第一中空區161與第二中空區171呈現如T型的外觀，而可具有較佳的天線效果，但在其他實施例中也可以呈現如長方形或正方形的外觀。本發明並不以此為限。另外，第三導體層170也設有內圈導通孔組180及外圈導通孔組185，以避免基頻電路及射頻電路產生之訊號及其他天線訊號的干擾。

此外，請回到圖1，第二接地層115、第一接地層110、第二導體層160、第三導體層170、第一導體層130、第一輻射體140及第二輻射體150之間均設有絕緣層190，層與層之間可以設置通過絕緣層190的電路而互相電連接。絕緣層190例如是低介電系數的基板。透過將基頻電路及射頻電路與絕緣層190的整合，可以節省製造本實施例天線結構100的成本。

如圖1所示，最上面兩層的絕緣層190厚度相較於其他的絕緣層190更厚，而使第一輻射體140(未繪示於圖1，位於最上面一層的絕緣層190與從上往下第二層的絕緣層190之間)及第二輻射體150、第一輻射體140及第一導體層130隔較開。這樣的設計有助於天線結構100的效率有較佳的表現。

圖6是圖1的天線結構的頻率與S參數的關係圖。請參考圖6，本實施例的天線結構100激發的第一頻段(14GHz至14.5GHz)與第二頻段(10.7GHz至12.7GHz)的S11參數皆小於-5dB。亦即，本實施例的天線結構100所激發的第一頻段及第二頻段皆具有良好的表現。

圖7是圖1的天線結構的頻率與軸比的關係圖。請參考圖7，本實施例的天線結構100激發的第一頻段(14GHz至14.5GHz)與第二頻段(10.7GHz至12.7GHz)所對應的軸比皆小於3dB。亦即，本實施例的天線結構100所激發的第一頻段及第二頻段的電磁波場型具有圓極化的特徵。

圖8A及圖8B分別是圖1的天線結構在操作頻率在11.7GHz及14.2GHz下的XZ平面角度與天線增益的關係圖。請參考圖8A，在操作頻率為11.7GHz之下(第二頻段範圍內)，最大增益為4.52 dBi，3db波束寬度為88.5度。請參考圖8B，在操作頻率為14.2GHz之下(第一頻段範圍內)，最大增益為6.45 dBi，3db波束寬度為80.7度。亦即，本實施例的天線結構100在激發第一頻段及第二頻段時具有良好的表現。

圖9依照本發明的一實施例的一種天線陣列的外觀示意圖。請參考圖9，本實施例的天線陣列10由多個前述的天線結構100陣列地排列所組成。圖9所繪示的天線陣列10是由8x8的天線結構100組合而成，但在其他實施例中，也可以是由4x4的天線結構100、16x16的天線結構100或其他排列形式的天線結構100組成。本發明並不以此為限。

此外，雖然各個天線結構100在天線陣列10中彼此並排，但由於各個天線結構100均具有外圈導通孔組185，而可避免各個天線結構100之間的訊號干擾。

綜上所述，本發明的天線結構的第一槽縫與第二槽縫對應於第一微帶線及第二微帶線，第一槽縫的主要延伸方向垂直於第一微帶線的延伸方向，第二槽縫的主要延伸方向垂直於第二微帶線的延伸方向。當第一饋入端及第二饋入端分別被饋入第一相位及第二相位的訊號，且第一相位與第二相位的相位差為90度時，第一電磁能量經由第一微帶線與第二微帶線分別耦合至第一槽縫與第二槽縫，再至該第一輻射體而產生左旋圓極化操作模態的第一頻段。當該第一饋入端及第二饋入端分別被饋入第二相位及第一相位的訊號時，第二電磁能量經由第一微帶線與第二微帶線分別耦合至第一槽縫與第二槽縫，再至第二輻射體而產生右旋圓極化操作模態的第二頻段。

此外，第一輻射體的直徑為第一頻段的二分之一波長，第二輻射體的直徑為第二頻段的二分之一波長，且第二輻射體的尺寸大於第一輻射體的尺寸。第一接地層、第二導體層及第一導體層的每一者的邊長需小於第一頻段的二分之一波長。第一槽縫與第二槽縫的每一者的周長為第一頻段或第二頻段的二分之一波長的整數倍，且第二導體層的第一中空區的周長為第一頻段或第二頻段的二分之一波長的整數倍。透過這樣的設計，本發明的天線結構可以提供良好的圓極化表現，而可應用於低軌衛星通訊，且激發的第一頻段及第二頻段均具有良好的表現。

10:天線陣列 100:天線結構 110:第一接地層 115:第二接地層 120:微帶線組 121:第一微帶線 1211:第一饋入端 122:第二微帶線 1221:第二饋入端 130:第一導體層 131:第一槽縫 1311、1321:主槽縫 1312、1322:分支槽縫 132:第二槽縫 140:第一輻射體 150:第二輻射體 160:第二導體層 161:第一中空區 1611、1711:第一部分 1612、1712:第二部分 170:第三導體層 171:第二中空區 180:內圈導通孔組 185:外圈導通孔組 190:絕緣層 D1、D2:直徑 X-Y-Z:直角坐標

圖1是依照本發明的一實施例的一種天線結構的外觀示意圖。圖2是圖1的天線結構的***示意圖。圖3是圖2的天線結構的微帶線組的外觀示意圖。圖4是圖2的天線結構的第一中空區的外觀示意圖。圖5是圖2的天線結構的第二中空區的外觀示意圖。圖6是圖1的天線結構的頻率與S參數的關係圖。圖7是圖1的天線結構的頻率與軸比的關係圖。圖8A及圖8B分別是圖1的天線結構在操作頻率在11.7GHz及14.2GHz下的XZ平面角度與天線增益的關係圖。圖9依照本發明的一實施例的一種天線陣列的外觀示意圖。

100:天線結構

110:第一接地層

115:第二接地層

120:微帶線組

121:第一微帶線

1211:第一饋入端

122:第二微帶線

1221:第二饋入端

130:第一導體層

131:第一槽縫

132:第二槽縫

140:第一輻射體

150:第二輻射體

160:第二導體層

161:第一中空區

170:第三導體層

171:第二中空區

180:內圈導通孔組

185:外圈導通孔組

D1、D2:直徑

X-Y-Z:直角坐標

Claims

一種天線結構，包括：一第一接地層；一微帶線組，位於該第一接地層的上方，且包括垂直配置的一第一微帶線及一第二微帶線，其中該第一微帶線包括一第一饋入端，該第二微帶線包括一第二饋入端；一第一導體層，位於該微帶線組的上方，且包括垂直配置的一第一槽縫與一第二槽縫，其中該第一槽縫與該第二槽縫分別對應於該第一微帶線及該第二微帶線，該第一槽縫的主要延伸方向垂直於該第一微帶線的延伸方向，該第二槽縫的主要延伸方向垂直於該第二微帶線的延伸方向；一第一輻射體，位於該第一槽縫與該第二槽縫的上方；以及一第二輻射體，位於該第一輻射體的上方，其中當該第一饋入端被饋入一第一相位的訊號，該第二饋入端被饋入一第二相位的訊號，且該第一相位與該第二相位的相位差為90度時，一第一電磁能量經由該第一微帶線與該第二微帶線分別耦合至該第一槽縫與該第二槽縫，再至該第一輻射體而產生一左旋圓極化操作模態的一第一頻段，當該第一饋入端被饋入該第二相位的訊號，該第二饋入端被饋入該第一相位的訊號時，一第二電磁能量經由該第一微帶線與該第二微帶線分別耦合至該第一槽縫與該第二槽縫，再至該第二輻射體而產生一右旋圓極化操作模態的一第二頻段。
如請求項1所述的天線結構，其中該第一輻射體與該第二輻射體為兩圓形，該第一輻射體的直徑為該第一頻段的二分之一波長，該第二輻射體的直徑為該第二頻段的二分之一波長。
如請求項1所述的天線結構，其中該第一輻射體與該第二輻射體的每一者為圓形、橢圓形或多邊形，該第二輻射體的尺寸大於該第一輻射體的尺寸。
如請求項1所述的天線結構，其中該第一槽縫與該第二槽縫的每一者包括一主槽縫及從該主槽縫的相對兩端延伸出的兩分支槽縫，各該分支槽縫呈一V型，該V型的尖端連接於該主槽縫。
如請求項1所述的天線結構，其中該第一槽縫與該第二槽縫的每一者的周長為該第一頻段或該第二頻段的二分之一波長的整數倍。
如請求項1所述的天線結構，更包括一第二導體層，與該微帶線組共平面，該第二導體層包括一第一中空區，該微帶線組位於該第一中空區，該第一中空區的周長為該第一頻段或該第二頻段的二分之一波長的整數倍。
如請求項6所述的天線結構，其中該第一接地層、該第二導體層及該第一導體層透過一內圈導通孔組導通於彼此，該內圈導通孔組位於該第一中空區的外圍，且環繞該第一槽縫與該第二槽縫。
如請求項6所述的天線結構，其中該第一接地層、該第二導體層及該第一導體層透過一外圈導通孔組導通於彼此，該外圈導通孔組位於該第一接地層、該第二導體層及該第一導體層的邊緣。
如請求項6所述的天線結構，其中該第一接地層、該第二導體層及該第一導體層的每一者的邊長小於該第一頻段的二分之一波長。
如請求項6所述的天線結構，更包括一第三導體層，位於該第二導體層與該第一導體層之間，該第三導體層包括對應於該第一中空區的一第二中空區，該第二中空區的周長為該第一頻段或該第二頻段的二分之一波長的整數倍。
如請求項10所述的天線結構，其中該第一中空區與該第二中空區的每一者包括垂直的一第一部分與一第二部分而為T型，該第一微帶線位於該第一中空區的該第一部分，該第二微帶線位於該第一中空區的該第二部分，該第一微帶線的延伸方向垂直於該第一部分的延伸方向，該第二微帶線的延伸方向垂直於該第二部分的延伸方向。
如請求項1所述的天線結構，更包括一第二接地層，該第一接地層位於該第二接地層與該微帶線組之間。
如請求項1所述的天線結構，其中該第一頻段介於14GHz至14.5GHz之間，該第二頻段介於10.7GHz至12.7GHz之間。
一種天線陣列，包括：多個如請求項1至13中任一項所述的天線結構，陣列地排列。