宽带线极化天线结构的制作方法

1.本发明涉及一种天线结构，且特别是涉及一种宽带线极化天线结构。


背景技术：

2.随着科技的发展，双极化阵列收发系统是接下来打造第5代通信系统(下称5g)时代的关键技术。双极化天线就是把垂直极化和水平极化两副接收天线集成到同一个结构中，这样可以减少功率放大器至天线间走线的复杂度，减少能量损耗，亦能缩减模块的面积。另外，若将双极化天线搭配后端主动系统的控制(例如具有完整之相位与振幅控制功能的相位控制芯片)，可让信号切换单极化、双极化与圆极化等效果，或是在不增加带宽的情况下可以成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，进而改善毫米波信号的范围和覆盖率。
3.为了节省电路空间与散热问题，近几年开始发展双极化天线阵列，并将其与多端口的相位控制芯片模块进行整合，使水平与垂直极化的收发共享一个阵列天线，进而改善毫米波信号的范围和覆盖率。
4.由于贴片天线具备结构简单、极化单纯、单向垂直辐射等优点，因此已成为现今天线阵列技术中常用的天线单元。由于贴片天线在阻抗带宽表现并不理想，因此许多文献尝试通过改变辐射体的形状来达到更宽带的频率响应，但却无法维持主模的辐射特性。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种宽带线极化天线结构，其可用于解决上述技术问题。
6.本发明提供一种宽带线极化天线结构，包括接地面、第一贴片天线、第二贴片天线及馈入部。接地面包括至少一穿透孔。接地面与第一贴片天线之间连接有至少一第一短路针，且第一贴片天线及第二贴片天线之间连接有至少一第二短路针。各馈入部通过至少一穿透孔穿过接地面并耦接第一贴片天线。
附图说明
7.包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
8.图1是依据本发明的实施例示出的宽带线极化天线结构示意图。
9.图2是依据图1示出的宽带线极化天线结构的返回损失图。
10.图3a是现有天线结构的返回损失图。
11.图3b是本发明的宽带线极化天线结构的返回损失图。
12.图4是本发明的宽带线极化天线结构的天线增益示意图。
13.图5a是现有天线结构的天线增益示意图。
14.图5b是本发明的宽带线极化天线结构的天线增益示意图。
15.图6是依据图1示出的辐射场型示意图。
16.图7a是现有天线结构的辐射场型的示意图。
17.图7b是本发明宽带线性化天线结构的辐射场型的示意图。
18.图8a是依据本发明另一实施例示出的宽带线极化天线结构示意图。
19.图8b是图8a在视角a的侧视图。
20.图8c是图8a在视角b的侧视图。
21.图8d是图8a的俯视图。
22.图9a至图9b是依据图8a示出的多个宽带线极化天线结构示意图。
23.图10是依据本发明的实施例示出的宽带线极化天线多层结构示意图。
具体实施方式
24.现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同组件符号在图式和描述中用来表示相同或相似部分。
25.请参照图1，其是依据本发明的实施例示出的宽带线极化天线结构示意图。在图1中，宽带线极化天线结构100包括接地面102、第一贴片天线a1、第二贴片天线a2及馈入部f1、f2。在一实施例中，宽带线极化天线结构100还可包括基板101，而接地面102、第一贴片天线a1、第二贴片天线a2及馈入部f1、f2可设置于基板101中，但不限于此。
26.如图1所示，接地面102包括穿透孔h1、h2，其中穿透孔h1、h2可分别对应于馈入部f1、f2。在一实施例中，馈入部f1可通过穿透孔h1穿过接地面102并耦接第一贴片天线a1。此外，馈入部f2可通过穿透孔h2穿过接地面102并耦接第一贴片天线a1。
27.在一实施例中，馈入部f1、f2可分别接收第一馈入信号及第二馈入信号，且第一馈入信号可正交于第二馈入信号。举例而言，第一馈入信号例如是水平极化信号，而第二馈入信号例如是垂直极化信号，但可不限于此。在不同的实施例中，馈入部f1、f2可包括微带线或同轴馈入线，其中微带线形结构简单，同轴馈入线则可抑制线路辐射。在此情况下，搭配波束成形的芯片模块即可让宽带线极化天线结构100实现单极化、双极化、多极化、圆极化等操作。在一些实施例中，馈入部f1、f2可垂直、水平或倾斜地耦接于第一贴片天线a1，但不限于此。
28.在图1中，接地面102与第一贴片天线a1之间连接有第一短路针s1，且第一贴片天线a1及第二贴片天线a2之间连接有第二短路针s2。
29.在一实施例中，第一贴片天线a1及第二贴片天线a2可彼此平行，且接地面102可平行于第一贴片天线a1。换言之，第一贴片天线a1、第二贴片天线a2及接地面102可彼此平行，但可不限于此。此外，第一贴片天线a1可设置于接地面102及第二贴片天线a2之间，但可不限于此。
30.另外，第一短路针s1及第二短路针s2可垂直于第一贴片天线a1。换言之，第一短路针s1及第二短路针s2可理解为亦垂直于第二贴片天线a2及接地面102，但可不限于此。
31.此外，虽图1中仅示出有一个第一短路针s1，但在一些实施例中，接地面102与第一贴片天线a1之间亦可连接有多个第一短路针s1，而这些第一短路针s1彼此之间的距离可小于一距离阈值。相似地，虽图1中仅示出有一个第二短路针s2，但在一些实施例中，第一贴片天线a1与第二贴片天线a2之间亦可连接有多个第二短路针s2，而这些第二短路针s2彼此之间的距离可小于上述距离阈值，但可不限于此。
32.在不同的实施例中，第一短路针s1可连接于第一贴片天线a1的任意位置。在较佳的实施例中，第一短路针s1可连接于第一贴片天线a1的虚接地处。相似地，第二短路针s2可连接于第二贴片天线a2的任意位置，而在较佳的实施例中，第二短路针s2可连接于第二贴片天线a2的虚接地处。在一些实施例中，第一短路针s1可对齐于第二短路针s2，但可不限于此。
33.在其他实施例中，连接于接地面102及第一贴片天线a1之间的第一短路针s1的数量可相同或不同于连接于第一贴片天线a1及第二贴片天线a2之间的第二短路针s2的数量。
34.此外，第一贴片天线a1及第二贴片天线a2个别具有完整贴片金属面，且第一贴片天线a1及第二贴片天线a2个别的形状可依设计者的需求而实现为圆形结构或多边形结构。另外，第一贴片天线a1及第二贴片天线a2个别的尺寸亦可因应于各自所需的共振频率而调整。亦即，第一贴片天线a1的尺寸可对应于第一贴片天线a1的第一共振频率，而第二贴片天线a2的尺寸可对应于第二贴片天线a2的第二共振频率，但可不限于此。
35.在一些实施例中，当第一贴片天线a1及第二贴片天线a2被激发时，可让宽带线极化天线结构100藉由产生多模共振来合成宽带响应。此外，在其他实施例中，设计者可在第二贴片天线a2之上另外堆栈其他的贴片天线，藉以达到更为宽带的响应，但可不限于此。
36.在一些实施例中，第一贴片天线a1与接地面102之间可存在第一距离d1，第一贴片天线a1与第二贴片天线a2之间可存在第二距离d2，而第一距离d1可相等于或不等于第二距离d2。
37.在一些实施例中，第一距离d1与第二距离d2可针对pcb(印刷电路板)尺寸需求做调整，增加d1与d2都能有效增加天线之阻抗带宽与辐射效益，但可不限于此。
38.在本发明的实施例中，通过设置第一短路针s1及第二短路针s2的方式，可有效地调整宽带线极化天线结构100的阻抗，进而让宽带线极化天线结构100实现双极化的操作。另外，由于第一贴片天线a1及第二贴片天线a2具有完整贴片金属面，故能维持宽带线极化辐射的特性，而此特性对于现今双极化阵列收发系统而言相当实用。
39.请参照图2，其是依据图1示出的宽带线极化天线结构的返回损失图。在图2中，曲线201及202例如分别对应于宽带线极化天线结构100的水平极化及垂直极化。由图2可看出，曲线201及202具有几乎相同的趋势，且两者在10db以下的频带(达到阻抗匹配条件的频带)约为26.77ghz至30.45ghz。由此可知，本发明的宽带线极化天线结构100适于应用在5g毫米波系统(其应用频带约为25ghz至30ghz)中，但可不限于此。
40.请参照图3a及图3b，其中图3a是现有天线结构的返回损失图，而图3b是本发明的宽带线极化天线结构的返回损失图。由图3a可看出，现有天线结构的频率响应相当窄，故不适于应用在5g毫米波系统中。相较之下，由于本发明的宽带线极化天线结构100可藉由第一贴片天线a1及第二贴片天线a2的共振模态合成较为宽带的响应(其带宽百分比约为20％～30％)，因此较适于应用在5g毫米波系统中。另外，本发明的宽带线极化天线结构100对于制程变异及加工误差的容忍度也较高。
41.请参照图4，其是本发明的宽带线极化天线结构的天线增益示意图。在图4中，曲线401及402例如分别对应于宽带线极化天线结构100的水平极化及垂直极化。由图4可看出，本发明的宽带线极化天线结构100的水平极化及垂直极化皆可具有宽带增益的操作特性。
42.请参照图5a及图5b，其中图5a是现有天线结构的天线增益示意图，而图5b是本发
明的宽带线极化天线结构的天线增益示意图。由图5a可看出，现有天线结构在主模态以外的频带衰减较快，故不适于应用在5g毫米波系统中。相较之下，本发明的宽带线极化天线结构100在整个操作带宽中皆可维持所需的增益，因而较适于应用在5g毫米波系统中。
43.请参照图6，其是依据图1示出的辐射场型示意图。在图6中，是假设宽带线极化天线结构100的中心频率约为28ghz，而曲线601a及601b分别为对应于第一频率(例如是27ghz)的水平极化场型及垂直极化场型；曲线602a及602b分别为对应于第二频率(例如是28ghz)的水平极化场型及垂直极化场型；曲线603a及603b分别为对应于第三频率(例如是29ghz)的水平极化场型及垂直极化场型；曲线604a及604b分别为对应于第四频率(例如是30ghz)的水平极化场型及垂直极化场型。
44.由图6可看出，无论是哪个频率，本发明宽带线极化天线结构100的两个主极化的特性皆相当接近。例如，曲线601a及601b的主波束宽度彼此接近，曲线602a及602b的主波束宽度彼此接近等。由此可知，本发明的宽带线极化天线结构100适合应用在双极化阵列收发系统中。
45.从另一观点而言，由图6可看出，本发明的宽带线极化天线结构100除了在中心频率(即，28ghz)具有良好的辐射场型之外，在其他的频率亦可具有良好的辐射场型。相较之下，传统天线结构应只能在中心频率具有可接受的辐射场型，并无法在其他的频率亦具有良好辐射场型。
46.请参照图7a及图7b，其中图7a是现有天线结构的辐射场型的示意图，图7b是本发明宽带线性极化天线结构的辐射场型的示意图。
47.在图7a中，曲线701a是现有天线结构的垂直主极化场型，曲线702a是现有天线结构的水平主极化场型，曲线703a是现有天线结构的水平交叉极化场型，曲线704a是现有天线结构的垂直交叉极化场型。另外，在图7b中，曲线701b是本发明宽带线极化天线结构100的垂直主极化场型，曲线702b是本发明宽带线极化天线结构100的水平主极化场型，曲线703b是本发明宽带线极化天线结构100的水平交叉极化场型，曲线704b是本发明宽带线极化天线结构100的垂直交叉极化场型。
48.由图7b可看出，本发明宽带线极化天线结构100的水平极化场型及垂直极化场型具有相近的波束宽度，且每一个频率都维持高隔离度之主极化场型与交叉极化场型。由此可知，本发明宽带线极化天线结构100具有宽带线性极化操作特性。
49.相较之下，由图7a可看出，现有天线结构仅能在中心频率维持线性极化的辐射场型，而本发明宽带线极化天线结构100可维持宽带的线性极化特性。
50.请参照图8a至图8d，其中图8a是依据本发明另一实施例示出的宽带线极化天线结构示意图，图8b是图8a在视角a的侧视图，图8c是图8a在视角b的侧视图，图8d是图8a的俯视图。
51.在本实施例中，宽带线极化天线结构800包括接地面802、第一贴片天线a1、第二贴片天线a2及馈入部f。在一实施例中，宽带线极化天线结构800还可包括基板801，而接地面802、第一贴片天线a1、第二贴片天线a2及馈入部f可设置于基板801中，但不限于此。
52.如图8a至图8d所示，接地面802包括穿透孔h，其中穿透孔h可对应于馈入部f。在一实施例中，馈入部f可通过穿透孔h穿过接地面802并耦接第一贴片天线a1。
53.在一实施例中，馈入部f可接收馈入信号，其中此馈入信号例如是一单极化馈入信
号。在不同的实施例中，馈入部f可包括微带线或同轴馈入线。在一些实施例中，馈入部f可垂直、水平或倾斜地耦接于第一贴片天线a1，但不限于此。
54.在图8a至图8d中，接地面802与第一贴片天线a1之间连接有第一短路针s11及s12，且第一贴片天线a1及第二贴片天线a2之间连接有第二短路针s21及s22。
55.在一实施例中，第一贴片天线a1及第二贴片天线a2可彼此平行，且接地面802可平行于第一贴片天线a1。换言之，第一贴片天线a1、第二贴片天线a2及接地面802可彼此平行，但可不限于此。此外，第一贴片天线a1可设置于接地面802及第二贴片天线a2之间，但可不限于此。
56.另外，第一短路针s11、s12、第二短路针s21及s22可垂直于第一贴片天线a1。换言之，第一短路针s11、s12、第二短路针s21及s22可理解为亦垂直于第二贴片天线a2及接地面802，但可不限于此。
57.此外，虽图8a至图8d中仅示出有两个第一短路针s11及s12，但在一些实施例中，接地面802与第一贴片天线a1之间亦可连接有更多个第一短路针。相似地，虽图8a至图8d中仅示出有两个第二短路针s21及s22，但在一些实施例中，第一贴片天线a1与第二贴片天线a2之间亦可连接有更多个第二短路针，但可不限于此。
58.在不同的实施例中，第一短路针s11及s12可连接于第一贴片天线a1的任意位置。在较佳的实施例中，第一短路针s11及s12可连接于第一贴片天线a1的虚接地处。相似地，第二短路针s21及s22可连接于第二贴片天线a2的任意位置，而在较佳的实施例中，第二短路针s21及s22可连接于第二贴片天线a2的虚接地处。
59.在其他实施例中，连接于接地面802及第一贴片天线a1之间的第一短路针s11及s12的数量可相同或不同于连接于第一贴片天线a1及第二贴片天线a2之间的第二短路针s21及s22的数量。
60.此外，第一贴片天线a1及第二贴片天线a2个别具有完整贴片金属面，且第一贴片天线a1及第二贴片天线a2个别的形状可依设计者的需求而实现为圆形结构或多边形结构。另外，第一贴片天线a1及第二贴片天线a2个别的尺寸亦可因应于各自所需的共振频率而调整。亦即，第一贴片天线a1的尺寸可对应于第一贴片天线a1的第一共振频率，而第二贴片天线a2的尺寸可对应于第二贴片天线a2的第二共振频率，但可不限于此。
61.在一些实施例中，当第一贴片天线a1及第二贴片天线a2被激发时，可让宽带线极化天线结构800藉由产生多模共振来合成宽带响应。此外，在其他实施例中，设计者可在第二贴片天线a2之上另外堆栈其他的贴片天线，藉以达到更为宽带的响应，但可不限于此。
62.请参照图9a至图9b，其是依据图8a示出的多个宽带线极化天线结构示意图。在图9a中，宽带线极化天线结构901的第一贴片天线901a及第二贴片天线901b个别具有圆形结构。在图9b中，宽带线极化天线结构902的第一贴片天线902a及第二贴片天线902b个别具有多边形结构。
63.在本实施例中，除了贴片天线的形状不同之外，宽带线极化天线结构901及902的结构/运作方式与宽带线极化天线结构800相似，故宽带线极化天线结构901及902的细节可参照图8a至图8d的相关说明，于此不另赘述。
64.请参照图10，其是依据本发明的实施例示出的宽带线极化天线多层结构示意图。在图10中，宽带线极化天线结构1000包括接地面1002、第一贴片天线a1、第二贴片天线a2、
第三贴片天线a3及馈入部f。在一实施例中，宽带线极化天线结构1000还可包括基板1001，而接地面1002、第一贴片天线a1、第二贴片天线a2、第三贴片天线a3及馈入部f可设置于基板1001中，但不限于此。
65.如图10所示，接地面1002包括穿透孔h，其中穿透孔h可对应于馈入部f。在一实施例中，馈入部f可通过穿透孔h穿过接地面1002并耦接第一贴片天线a1。
66.在一实施例中，馈入部f可接收馈入信号，其中此馈入信号例如是一单极化馈入信号。在不同的实施例中，馈入部f可包括微带线或同轴馈入线。在一些实施例中，馈入部f可垂直、水平或倾斜地耦接于第一贴片天线a1，但不限于此。
67.在图10中，接地面1002与第一贴片天线a1之间连接有第一短路针s11及s12，第一贴片天线a1及第二贴片天线a2之间连接有第二短路针s21及s22，且第二贴片天线a2及第三贴片天线a3之间连接有第三短路针s31及s32。
68.在一实施例中，第一贴片天线a1、第二贴片天线a2及第三贴片天线a3可彼此平行，且接地面1002可平行于第一贴片天线a1。换言之，第一贴片天线a1、第二贴片天线a2、第三贴片天线a3及接地面1002可彼此平行，但可不限于此。此外，第一贴片天线a1可设置于接地面1002及第二贴片天线a2之间，而第二贴片天线a2可设置于第一贴片天线a1与第三贴片天线a3之间。
69.另外，第一短路针s11、s12、第二短路针s21、s22、第三短路针s31及s32可垂直于第一贴片天线a1。换言之，第一短路针s11、s12、第二短路针s21及s22、第三短路针s31及s32可理解为亦垂直于第二贴片天线a2、第三贴片天线a3及接地面1002，但可不限于此。
70.此外，虽图10中仅示出有两个第一短路针s11及s12，但在一些实施例中，接地面1002与第一贴片天线a1之间亦可连接有更多个第一短路针。相似地，虽图10中仅示出有两个第二短路针s21及s22，但在一些实施例中，第一贴片天线a1与第二贴片天线a2之间亦可连接有更多个第二短路针，但可不限于此。另外，虽图10中仅示出有两个第三短路针s31及s32，但在一些实施例中，第二贴片天线a2与第三贴片天线a3之间亦可连接有更多个第三短路针，但可不限于此。
71.在不同的实施例中，第一短路针s11及s12可连接于第一贴片天线a1的任意位置。在较佳的实施例中，第一短路针s11及s12可连接于第一贴片天线a1的虚接地处。相似地，第二短路针s21及s22可连接于第二贴片天线a2的任意位置，而在较佳的实施例中，第二短路针s21及s22可连接于第二贴片天线a2的虚接地处。另外，第三短路针s31及s32可连接于第三贴片天线a3的任意位置，而在较佳的实施例中，第三短路针s31及s32可连接于第三贴片天线a3的虚接地处。
72.在其他实施例中，连接于接地面1002及第一贴片天线a1之间的第一短路针s11及s12的数量可相同或不同于连接于第一贴片天线a1及第二贴片天线a2之间的第二短路针s21及s22的数量。另外，连接于第二贴片天线a2及第三贴片天线a3之间的第三短路针s31及s32的数量可相同或不同于连接于第一贴片天线a1及第二贴片天线a2之间的第二短路针s21及s22的数量。
73.此外，第一贴片天线a1、第二贴片天线a2、第三贴片天线a3个别具有完整贴片金属面，且第一贴片天线a1、第二贴片天线a2及第三贴片天线a3个别的形状可依设计者的需求而实现为圆形结构或多边形结构。另外，第一贴片天线a1、第二贴片天线a2及第三贴片天线
a3个别的尺寸亦可因应于各自所需的共振频率而调整。亦即，第一贴片天线a1的尺寸可对应于第一贴片天线a1的第一共振频率，第二贴片天线a2的尺寸可对应于第二贴片天线a2的第二共振频率，而第三贴片天线a3的尺寸可对应于第三贴片天线a3的第三共振频率，但可不限于此。
74.在一些实施例中，当第一贴片天线a1、第二贴片天线a2及第三贴片天线a3被激发时，可让宽带线极化天线结构1000藉由产生多模共振来合成宽带响应。此外，在其他实施例中，设计者可在第三贴片天线a3之上另外堆栈其他的贴片天线，藉以达到更为宽带的响应，但可不限于此。
75.综上所述，通过在不同的贴片天线之间设置一或多个短路针的方式，可有效地调整本发明宽带线极化天线结构的阻抗，进而让宽带线极化天线结构实现宽带的操作。另外，由于本发明宽带线极化天线结构的各贴片天线皆具有完整贴片金属面，故能维持宽带线极化辐射的特性，而此特性对于现今双极化阵列收发系统而言相当实用。
76.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。