双频耦合馈入天线以及使用该天线的可调式波束模组的制作方法
【专利摘要】一种双频耦合馈入天线，包含基板。基板的第二表面具有不互为电性连接的上、下部双偶极辐射导体、接地线和接地反射导体。基板的第一表面具有耦合导体、信号线、馈入匹配导体。耦合导体相对于双偶极辐射导体的上部平行延伸。接地反射导体位于双偶极辐射导体的一侧。馈入匹配导体置于信号传输线的路径上。
【专利说明】双频耦合馈入天线以及使用该天线的可调式波束模组
【技术领域】
[0001]本发明是有关于一种天线结构以及使用该天线的可调式波束模组。
【背景技术】
[0002]目前在高阶无线区域网络分享器(基站)的发展上，逐渐有收发天线波束切换的需求，以应付高性能的信息传输。在发射天线与接收天线的设计布置上大多采用0° /90°，即相对于地面水平/垂直的双极化方式，以使发射天线与接收天线获得较佳的隔离度进而得到良好的通信品质。
[0003]但是这些收发天线多为偶极架构，当作水平极化(0° )天线的一方，其水平辐射的涵盖范围通常较小，容易有发射及接收涵盖范围不均等的缺点。
[0004]如何改善上述天线设计布置的缺点，为业界当今的课题。
发明內容
[0005]根据一实施方式，提供一种双频耦合馈入天线。该双频耦合馈入天线具有基板，而此基板具有彼此相对的第一表面与第二表面。在第二表面上具有第一与第二双偶极辐射导体、接地反射导体以及第一接地线，在第一表面上具有信号线、耦合导体以及馈入匹配导体。第一与第二双偶极辐射导体分別沿一预定方向的正、反方向延伸；第一与第二双偶极辐射导体分別更包括彼此大致平行的长条部与短条部，第一与该第二双偶极辐射导体彼此不电性连接。接地反射导体配设在位于该第一与该第二双偶极辐射导体的一侧边。第一接地线连接接地反射导体和第二双偶极辐射导体。此外，信号线用以传送信号。耦合导体与信号线耦接，并且配设成相对于第一双偶极辐射导体平行延伸，用以将信号耦合至第一双偶极辐射导体。馈入匹配导体配置在信号线的配设路径上。
[0006]根据另一实施方式，提供一种交叉极化天线，其包括接收用双频耦合馈入天线以及发射用双频耦合馈入天线。发射用双频耦合馈入天线与该接收用双频耦合馈入天线交叉配置。
[0007]根据另一实施方式，提供一种可调式波束模组，其包括多个交叉极化天线、切换模组以及控制信号单元。各交叉极化天线分別具有发射单元与接收单元。切换模组耦接至上述多个交叉极化天线，用以切换上述多个交叉极化天线中的发射单元，以及切换上述多个交叉极化天线中的该些接收单元。控制信号单元耦接至切换模组与系统端。系统端通过控制信号单元来进行上述发射单元和接收单元的切换。此处的发射单元和接收单元可以采用上面所述的双频耦合馈入天线。
[0008]基于上述范例，双频耦合馈入天线和应用该天线的可调式波束模组可以达到收发天线波束切换的需求以应付高性能的信息传输。此外，本实施例也可使发射天线与接收天线获得较佳的隔离度进而得到良好的通信品质。此外，在此架构下，水平辐射的涵盖范围可以变大，增加发射及接收涵盖范围等的效益。
[0009]为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1A绘示本实施范例的双频稱合馈入天线立体示意图。
[0011]图1B绘示本实施范例的双频耦合馈入天线一基板表面的配置示意图。
[0012]图1C绘不本实施范例的双频f禹合馈入天线基板另一表面的配置不意图。
[0013]图2A至2D绘示各种双偶极辐射导体的图案范例。
[0014]图3绘示图1C的另一种实施范例。
[0015]图4绘示利用两个双频稱合馈入天线组成X型交叉极化天线实施例。
[0016]图5绘示本实施范例的双频稱合馈入天线反射耗損频率响应图。
[0017]图6绘示本实施范例的双频稱合馈入天线隔离度频率响应图。
[0018]图7A、7B绘示双频下辐射场型示意图。
[0019]图8A至8C为本实施范例的一个应用例，图8B为图8A的开关模组的一个实施方式的示意图，图8C为实验用实作示意图。
[0020]其中，附图标记:
[0021]100:双频稱合馈入天线
[0022]110:基板
[0023]112:第一表面
[0024]114:第二表面
[0025]120:信号线
[0026]122:馈入匹配导体
[0027]124:耦合导体
[0028]130:接地反射导体
[0029]132:接地线
[0030]134:双偶极辐射导体(上半部)
[0031]136:双偶极辐射导体(下半部)
[0032]140:信号源
[0033]202,204,206:X型交叉极化天线
[0034]210:切换开关模组
[0035]212,214:第一、第二切换开关
[0036]220:控制信号单元
具体实施例
[0037]图1A绘示本实施范例的双频稱合馈入天线立体示意图，图1B绘示本实施范例的双频耦合馈入天线一基板表面的配置示意图，图1C绘示本实施范例的双频耦合馈入天线基板另一表面的配置示意图。
[0038]如图1A所示，本实施范例所描述的双频耦合馈入天线主要是在基板100的第一表面112和第二表面114配设天线图案，并利用直接耦合的方式来进行信号的传送与接收。图1A所示第二表面上的天线图案是以投影方式来表现，实际配置会在以下图1B、1C做更进一步的说明。本实施范例所描述的天线可以做为发射单元或接收单元，亦即该天线可以用来发射信号，或者是接收信号。
[0039]图1B与IC分別绘示本实施范例的双频耦合馈入天线基板的两表面上的图案配置示意图，图1B中的虚线为表示另一表面的图案配置，藉以了解上下表面(即上述第一与第二表面)之间图案的相对关系。
[0040]如图1B、1C所示，本实施范例的双频耦合馈入天线100是架构在一个基板110上，此基板具有彼此相对的第一表面112和第二表面114。此处彼此相对例如是矩形体基板中的上下两平行表面等。此处的基板110材质并没有特別限制，一般可做为印刷电路板的绝缘基板材料都可以被使用，如塑胶、陶瓷材质等等，熟悉此【技术领域】者，可以做类比的置换，而不必在此一一列举。
[0041]如图1B所示，在第一表面112上，具有信号线120、馈入匹配导体122以及耦合导体124。信号线120连接到信号源140，信号源140提供要被天线100发射出去信号。信号经由信号线120传送到耦合导体124，途中经过馈入匹配导体122。接着，信号在经由耦合导体124稱合到位于第二表面114上双偶极福射导体134、136。
[0042]在此，双偶极辐射导体134、136与耦合导体124是隔着绝缘性的基板110，以耦合的方式，将信号稱合到双偶极福射导体134、136。之后,再由双偶极福射导体134、136将信号福射出去。
[0043]上述是以做为发射单元来说明。如果当做接收单元，则信号路径为上述的反方向。信号源140则可替换成接收信号处理单元等。
[0044]在图1B中，馈入匹配导体122是设置于信号传输线的路径上，用微调频段与频宽。微调的方式是改变馈入匹配导体122宽度W以及位于信号线上的路径的位置P。
[0045]如图1C所示，在第二表面114上配置了接地反射导体130、第一双偶极辐射导体134、第二双偶极辐射导体136以及接地线132。此外，为了方便说明，以相对于图面方向，以下第一双偶极辐射导体134称为上部偶极辐射导体134，第二双偶极辐射导体136称为下部偶极辐射导体136。此上部和下部仅为方便说明，非用以限制双偶极辐射导体为相对“上”、“下”方式配置，在不同的图式配置下，也可以称为“左”或“右”等。
[0046]在本实施范例中，上部双偶极辐射导体134和下部双偶极辐射导体136是配设在第二表面114上，并且分別沿一预定方向的正、反方向延伸。在此实施范例中，所谓的延伸方向是指上部双偶极辐射导体134和下部双偶极辐射导体136在基板110上的配置方式。在此范例中，延伸方向是以基板110的长边方向做为解说的范例。当然，在实际应用上可以依据所需来调整，如基板的短边方向。又例如若基板是其它形状，也可以按照该形状来做适当的调整。此外，在此所谓的正、反方向是指上部双偶极辐射导体134順着上述预定方向延伸的方向以及下部双偶极辐射导体136順着上述预定方向延伸的方向是彼此相反，犹如坐标轴之+、一两个方向。
[0047]如图1C所示，上部双偶极辐射导体134更包括长条部134a和短条部134b，长条部134a和短条部134b为电性连接且朝同一方向延伸。下部双偶极辐射导体136更包括长条部136a和短条部136b，长条部136a和短条部136b为电性连接且朝同一方向延伸。此处长条部与短条部的长、短是指两者间的长短比较。
[0048]上述上部双偶极辐射导体134和下部双偶极辐射导体136近似对称的配置方式。此外，上下部之长条部134a、136a(长偶极)的总长度可用以控制较低的谐振频段，而短条部134b、136b (短偶极)的总长度可用以控制较高的谐振频段，藉此形成双频的功效。
[0049]图2A为双偶极辐射导体的示意图，上部双偶极辐射导体134与下部双偶极辐射导体136为彼此不电性连接，中间隔着一间隔G。此间隔G的距离可以依据应用上的实际需求来设计，并没有特別的限制。
[0050]如图2A所示，要达到双偶极辐射，一般来说双偶极辐射导体134、136的长条部134a、136a(两末端之间)的总长约为要传送接收信号频率的对应波长的一半左右λ 2/2。同理，双偶极辐射导体134、136的短条部134b、136b (两末端之间)的总长约为要传送接收信号频率的对应波长的一半左右λ 1/2。此外，双偶极辐射导体134、136的宽度可以依据实际应用来决定，并没有特別的限制。
[0051]在图2Α，双偶极辐射导体134、136单纯是以直线的方式做为一个范例。当然，在不影响本实施的情況下，可以做适当的变化，如图2Β所示的周期性锯齿图案、图2C所示的周期性弦波形图案、图2D所示的周期性斜波(三角波)形图案等，都可以适当地应用在本实施范例中。
[0052]此外，第二表面114上的接地反射导体130是设置于上部与下部双偶极辐射导体134、136的一侧，用以反射双偶极辐射导体134、136所辐射的电磁波，使得双频耦合馈入天线的辐射场型具有方向性。在此例示性的范例中，接地反射导体130例如设置在基板110的一长边侧，且从一短边延伸到另一短边。此外，接地反射导体130的宽度并没有特別的限制，此宽度可以依据基板的尺寸、应用上的需要以及信号反射性能等等因素，由本【技术领域】者来进行适当的调整与修改。
[0053]此外，接地反射导体130通过接地线132来耦接到下部双偶极辐射导体136。
[0054]接着说明第一表面112上的信号线、耦合导体与馈入匹配导体。由图1A可以看出本实施范例的双频耦合馈入天线立体配置示意图，图2Β可以看出第一表面112与第二表面114上的各导体间的关系示意图。
[0055]如图1B所示，信号线120，配设在该第一表面112上，信号线120与接地线132会形成一高频传输线(transmission line)的效果，用以传送信号。在此实施范例中，信号线120是从基板110的一侧边开始延伸至耦合导体124的预定配设位置。亦即，信号线120的一端与耦合导体124连接，另一端与信号源140连接。信号线120用来将信号传导至天线端，亦即双偶极辐射导体端。
[0056]稱合导体124配设在第一表面112上,与信号线120稱接。稱合导体124是配设成相对于第一双偶极辐射导体134的位置，且与第一双偶极辐射导体134平行延伸，用以将信号耦合至第一双偶极辐射导体134。
[0057]此外，馈入匹配导体122配设在第一表面112上，并配置在信号线120的配设路径的一位置P上。利用调整馈入匹配导体122的设置位置P或宽度W等，可以用来微调频段与频宽。
[0058]在上述的说明中，信号线120、馈入匹配导体122、耦合导体124、接地反射导体130、接地线132以及双偶极辐射导体134-136等基本上为导电性材料所构成。在不影响本实施范例的运作下，其材料、形成方式、彼此的连接方法等等，本领域技术人员都可以采用任何合适的方式或材料来进行，并没有特別的限定。[0059]图3绘示图1C的另一种实施范例。如图3所示，在此实施范例中，主要是增加第二条接地线132’，其连接接地反射导体130与上部双偶极辐射导体134。在此范例，基板110的第二表面114上的图案可以更对称。
[0060]图4绘示利用两个双频稱合馈入天线组成的X型交叉极化天线实施范例。如图4所示，X型交叉极化天线是利用两个上述的双频耦合馈入天线A、B组成。
[0061]在图4，主要是将两个基板设置成互相垂直交叉，以对地面成±45度的配置，藉此有最佳的接收与发射范围。在此范例中，两个双频耦合馈入天线A、B可一个是做为发射单元，而另外一个做为接收单元，以达到双频收发信号的天线架构。
[0062]图5绘示本实施范例的双频稱合馈入天线的反射耗损频率响应图。通过图4的实验图，可以知道本实施范例的双频耦合馈入天线确实可以达到双频的效果，如1、II两处常用的频带。
[0063]此外，通过前述的馈入匹配导体122的位置、宽度等的调整频宽的宽度。
[0064]图6绘示本实施范例的双频耦合馈入天线的隔离度频率响应图。由图6可以发现，发射天线与接收天线在两个操作频段中具有19dB以上的隔离度。因此，本实施范例所提供的架构的隔离度非常良好。
[0065]图7A、7B绘示双频下福射场型示意图。如图5A、5B所示,在上述实施范例的结构下，在两个频带下，进行实验所得的电场平面(E-plane)与磁场平面(H-plane)的辐射场型图。从实验結果来看，本实施范例所提供的结构可以达到均匀、较大范围的场型结构。
[0066]图8A至8C为本实施范例的一个应用例，图8B为图8A开关模组的一个实施方式的示意图，图8C为实验用实作示意图。
[0067]如图8A所示，可调式波束模组，其使用上述图4实施范例的双频耦合馈入天线组成的X型交叉极化天线。在此范例中，可调式波束模组包括三个X型交叉极化天线202、204、206，各自分別具有发射单元202a、204a、206a以及接收单元202b、204b、206b。此外，可调式波束模组更包括开关模组210以及控制信号单元220。
[0068]开关模组210更包括第一切换开关212与第二切换开关214。第一切换开关212具有I对3的切换路径，每一切换路径电性连接至各X型交叉极化天线202、204、206的发射单元202a、204a、206a。第二切换开关214具有I对3的切换路径，每一切换路径电性连接至各X型交叉极化天线202、204、206的接收单元202b、204b、206b。
[0069]通过第一切换开关212与第二切换开关214，可以自由地切换发射单元和接收单元。例如，当目前使用的发射单元204a有遇到障碍而难以将信号发射出去时，便可以利用第一切换开关212，从连接发射单元204a的路径切换到发射单元202a或206a，以达到调整波束发射位置的目的，以降低发射障碍。同理，例如，当目前使用的接收单元206b有遇到障碍而难以将接收信号时，便可以利用第二切换开关214，从连接接收单元206b的路径切换到接收单元202b或204b，以达到调整波束接收位置的目的，以降低接收障碍。
[0070]此外，控制信号单元220 —端耦接到开关模组210，一边耦接到系统端。藉此，系统可通过控制信号单元220，依性能需求来切换运作的天线及收发信号的涵盖区域。系统端可以通过使用者自行切换、自动设定或软硬体设定方式等等来进行控制。
[0071]图8B、8C绘示一种施作的方式。如图8B、8C所示，上述的开关模组210是以三角型电路板的例子来施作，各X型交叉极化天线202、204、206可以配至在各边上。此开关模组210可以包括基板，第一与第二切换开关212、214则分別施作在基板的上下表面。图SC则是绘示X型交叉极化天线202、204、206与开关模组210的立体示意图。上述开关模组雖以三角型基板呈现，但是以长方型、方型、圆形等任何其他形状也可以依据实际所需来做适当的选择。
[0072]通过上述实施范例所描述的双频耦合馈入天线和应用该天线的可调式波束模组，例如可以应用于高阶无线区域网络分享器(基站)上，可以达到收发天线波束切换的需求以应付高性能的信息传输，而且使发射天线与接收天线获得较佳的隔离度进而得到良好的通信品质，此外，水平辐射的涵盖范围可以变大，增加发射及接收涵盖范围等的效益。
[0073]虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属【技术领域】中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明保护范围当视后附权利要求保护范围所界定者为准。
【权利要求】
1.一种双频稱合馈入天线，其特征在于，包括: 基板，具有彼此相对的第一表面与第二表面； 第一与第二双偶极辐射导体，配设在该第二表面上，且分別沿一预定方向的正、反方向延伸，该第一与该第二双偶极辐射导体分別更包括彼此大致平行的长条部与短条部，该第一与该第二双偶极辐射导体彼此不电性连接； 接地反射导体，配设在该第二表面上，且位于该第一与该第二双偶极辐射导体的一侧边； 第一接地线，配设在该第二表面上，用以连接该接地反射导体和该第二双偶极辐射导体， 信号线，配设在该第一表面上，用以传送信号； 耦合导体，配设在该第一表面上，与该信号线耦接，并且配设成相对于该第一双偶极辐射导体平行延伸，用以将信号耦合至该第一双偶极辐射导体；以及 馈入匹配导体，配设在该第一表面上，并配置在该信号线的配设路径上。
2.如权利要求1所述双频耦合馈入天线，其特征在于，更包括:第二接地线，配设在该第二表面上，用以连接该接地反射导体和该第一双偶极辐射导体。
3.如权利要求1所述双频耦合馈入天线，其特征在于，该第一与该第二双偶极辐射导体的各该长条部和各该短条部为直线状。
4.如权利要求1所述双频耦合馈入天线，其特征在于，该第一与该第二双偶极辐射导体的各该长条部和各该短条部为周期性锯齿图案。
5.如权利要求1所述双频耦合馈入天线，其特征在于，该第一与该第二双偶极辐射导体的各该长条部和各该短条部为周期性弦波形图案。
6.如权利要求1所述双频耦合馈入天线，其特征在于，该第一与该第二双偶极辐射导体的各该长条部和各该短条部为周期性斜波形图案。
7.如权利要求1所述双频耦合馈入天线，其特征在于，该第一双偶极辐射导体的该长条部的末端至与该第二双偶极辐射导体的该长条部的末端间的总长度接近较低的谐振频段的半波长。
8.如权利要求1所述双频耦合馈入天线，其特征在于，该第一双偶极辐射导体的该短条部的末端至与该第二双偶极辐射导体的该短条部的末端间的总长度接近较高的谐振频段的半波长。
9.如权利要求1所述双频耦合馈入天线，其特征在于，该基板为绝缘基板。
10.一种交叉极化天线，其特征在于，包括: 接收用双频耦合馈入天线；以及 发射用双频耦合馈入天线，与该接收用双频耦合馈入天线交叉配置， 其中该接收用双频耦合馈入天线与该发射用双频耦合馈入天线分別更包括: 基板，具有彼此相对的第一表面与第二表面； 第一与第二双偶极辐射导体，配设在该第二表面上，且分別沿一预定方向的正、反方向延伸，该第一与该第二双偶极辐射导体分別更包括彼此大致平行的长条部与短条部，该第一与该第二双偶极辐射导体彼此不电性连接； 接地反射导体，配设在该第二表面上，且位于该第一与该第二双偶极辐射导体的一侧边； 第一接地线，配设在该第二表面上，用以连接该接地反射导体和该第二双偶极辐射导体， 信号线，配设在该第一表面上，用以传送信号； 耦合导体，配设在该第一表面上，与该信号线耦接，并且配设成相对于该第一双偶极辐射导体平行延伸，用以将信号耦合至该第一双偶极辐射导体；以及 馈入匹配导体，配设在该第一表面上，并配置在该信号线的配设路径上。
11.如权利要求10所述交叉极化天线，其特征在于，该发射用双频耦合馈入天线与该接收用双频耦合馈入天线成垂直交叉配置。
12.如权利要求10所述交叉极化天线，其特征在于，该接收用双频耦合馈入天线与该发射用双频耦合馈入天线的至少其中之一更包括:第二接地线，配设在该第二表面上，用以连接该接地反射导体和该第一双偶极辐射导体。
13.如权利要求10所述交叉极化天线，其特征在于，该第一与该第二双偶极辐射导体的各该长条部和各该短条部为直线状。
14.如权利要求10所述交叉极化天线，其特征在于，该第一与该第二双偶极辐射导体的各该长条部和各该短条部为周期性锯齿图案、周期性弦波形图案或周期性斜波形图案。
15.如权利要求10所述交叉极化天线，其特征在于，该第一双偶极辐射导体的该长条部的末端至与该第二双偶极辐射导体的该长条部的末端间的总长度接近较低的谐振频段的半波长。
16.如权利要求10所述交叉极化天线，其特征在于，该第一双偶极辐射导体的该短条部的末端至与该第二双偶极辐射导体的该短条部的末端间的总长度接近较高的谐振频段的半波长。
17.如权利要求10所述交叉极化天线，其特征在于，该基板为绝缘基板。
18.—种可调式波束模组，其特征在于，包括: 多个交叉极化天线，各该些交叉极化天线具有发射单元与接收单元； 切换模组，耦接至该些多个交叉极化天线，用以切换该些交叉极化天线中的该些发射单元，以及切换该些交叉极化天线中的该些接收单元；以及 控制信号单元，耦接至上述切换模组与系统端，该系统端通过该控制信号单元来进行该些发射单元和该些接收单元的切换， 其中各该些发射单元与各该些接收单元分別包括: 基板，具有彼此相对的第一表面与第二表面； 第一与第二双偶极辐射导体，配设在该第二表面上，且分別沿一预定方向的正、反方向延伸，该第一与该第二双偶极辐射导体分別更包括彼此大致平行的长条部与短条部，该第一与该第二双偶极辐射导体彼此不电性连接； 接地反射导体，配设在该第二表面上，且位于该第一与该第二双偶极辐射导体的一侧边； 第一接地线，配设在该第二表面上，用以连接该接地反射导体和该第二双偶极辐射导体， 信号线，配设在该第一表面上，用以传送信号；耦合导体，配设在该第一表面上，与该信号线耦接，并且配设成相对于该第一双偶极辐射导体平行延伸，用以将信号耦合至该第一双偶极辐射导体；以及
馈入匹配导体，配设在该第一表面上，并配置在该信号线的配设路径上。
19.如权利要求18所述可调式波束模组，其特征在于，该切换模组更包括: 第一 I对多切换开关，用以切换并选择该些交叉极化天线中的该些发射单元之一；以及 第二 I对多切换开关，用以切换并选择该些交叉极化天线中的该些接收单元之一。
20.如权利要求18所述可调式波束模组，其特征在于，该接收用双频耦合馈入天线与该发射用双频耦合馈入天线的至少其中之一更包括:第二接地线，配设在该第二表面上，用以连接该接地反射导体和该第一双偶极辐射导体。
21.如权利要求18所述可调式波束模组，其特征在于，该第一与该第二双偶极辐射导体的各该长条部和各该短条部为直线状。
22.如权利要求18所述可调式波束模组，其特征在于，该第一与该第二双偶极辐射导体的各该长条部和各该短条部为周期性锯齿图案、周期性弦波形图案或周期性斜波形图案。
23.如权利要求18所述可调式波束模组，其特征在于，该第一双偶极辐射导体的该长条部的末端至与该第二双偶极辐射导体的该长条部的末端间的总长度接近较低的谐振频段的半波长。
24.如权利要求18所述可调式波束模组，其特征在于，该第一双偶极辐射导体的该短条部的末端至与该第二双偶极辐射导体的该短条部的末端间的总长度接近较高的谐振频段的半波长。
25.如权利要求18所述可调式波束模组，其特征在于，该基板为绝缘基板。
【文档编号】H01Q5/10GK103682592SQ201310389844
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2012年8月30日
【发明者】曾文仁 申请人:财团法人工业技术研究院