超宽带非金属号角天线的制作方法

1.本发明涉及一种天线结构，且特别是涉及一种超宽带非金属号角天线。


背景技术：

2.在现有技术中，虽有通过设置模式匹配零件(mode matching part)来实现波导管与馈入号角天线(feed horn antenna)之间的阻抗匹配的方式，但此种作法所能调整的参数有限，且可能因影响馈入号角天线的整体结构而难以达到阻抗匹配。
3.此外，现有技术中亦有通过调整辐射段(radiation section)的开展角度来调整旁波瓣程度(side lobe level)及返回损失(return loss)的作法，但此设计需搭配较长的发射器(launcher)及金属条状结构作为馈入部，因而使得整体体积较大，且馈入方式也不够牢固，不适于进行产品化。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种超宽带非金属号角天线，其可用于解决上述技术问题。
5.本发明提供一种超宽带非金属号角天线，其包括阻抗匹配件、场型调整件及外盖件。阻抗匹配件包括相对的第一端及第二端，其中阻抗匹配件的第一端包括一第一卡榫部，阻抗匹配件的第二端的端面设置有一第一凹陷结构，其中第一凹陷结构包括一第一凸出部及环绕第一凸出部的一第一沟槽结构。场型调整件包括相对的第一端及第二端，其中场型调整件的第一端的端面设置有一第一卡沟结构，场型调整件的第二端的端面设置有一第二凹陷结构，其中第二凹陷结构包括一第二凸出部及环绕第二凸出部的一第二沟槽结构，第二凸出部的顶面设置有对应于第一卡榫部的一第二卡沟结构，且阻抗匹配件的第一卡榫部插设于场型调整件的第二卡沟结构中。外盖件包括一第一锥状结构及对应于第一卡沟结构的一第二卡榫部，第一锥状结构包括一顶角及一底面，第二卡榫部连接于第一锥状结构的底面，且外盖件的第二卡榫部插设于场型调整件的第一卡沟结构中。
附图说明
6.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。
7.图1是依据本发明实施例示出的连接有波导管的超宽带非金属号角天线示意图。
8.图2a是依据本发明第一实施例示出的阻抗匹配件的侧透视图。
9.图2b是依据图2a示出的阻抗匹配件的另一视图。
10.图2c是依据图2a示出的阻抗匹配件的又一视图。
11.图3是依据本发明第一实施例示出的|s
11
|比较图。
12.图4a是依据本发明第二实施例示出的阻抗匹配件与波导管的侧透视图。
13.图4b是依据图4a示出的另一视图。
14.图4c是依据图4b示出的又一视图。
15.图5a是依据本发明第三实施例示出的场型调整件的侧透视图。
16.图5b是依据图5a示出的场型调整件的另一视图。
17.图5c是依据图5b示出的场型调整件的又一视图。
18.图6a是未设置有第二沟槽结构的号角天线的辐射场型图。
19.图6b是设置有第二沟槽结构的号角天线的辐射场型图。
20.图7a是依据本发明第四实施例示出的外盖件侧视图。
21.图7b是依据图7a示出的外盖件的另一视图。
22.图7c是依据图7a示出的外盖件的又一视图。
23.图8a是未设置有外盖件的号角天线的辐射场型图。
24.图8b是设置有外盖件的号角天线的辐射场型图。
25.图9a是习知号角天线与本发明号角天线的侧视图。
26.图9b是依据图9a示出的习知号角天线与本发明号角天线的俯视图。
27.图9c是依据图9a示出的辐射场型图。
28.图9d是依据图9a示出的反射系数图。
29.图10a是依据本发明实施例示出的水平及垂直极化辐射场型图。
30.图10b是依据图10a示出的反射系数图。
31.图11是依据本发明实施例示出的水平及垂直极化辐射场型图。
32.图12a是依据本发明实施例示出的连接有波导管的超宽带非金属号角天线侧透视图。
33.图12b是依据图12a示出的斜透视图。
34.图12c是依据图12a示出的顶透视图。
35.图12d是依据图12a示出的场型调整件斜透视图。
36.图12e是依据图12d示出的顶透视图。
具体实施方式
37.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。
38.请参照图1，其是依据本发明实施例示出的连接有波导管的超宽带非金属号角天线示意图。在图1中，本发明的号角天线100(即，超宽带非金属号角天线)包括阻抗匹配件110、场型调整件130及外盖件150，其中场型调整件130连接于阻抗匹配件110及外盖件150之间，且号角天线100通过阻抗匹配件110连接于波导管199。在本发明的实施例中，阻抗匹配件110、场型调整件130、外盖件150及波导管199可采用非金属材质实现(但波导管199的外层可溅镀有金属层)，而以下将针对阻抗匹配件110、场型调整件130及外盖件150个别的结构作进一步说明。
39.请参照图2a至图2c，其中图2a是依据本发明第一实施例示出的阻抗匹配件的侧透视图，图2b是依据图2a示出的阻抗匹配件的另一视图，图2c是依据图2a示出的阻抗匹配件的又一视图。
40.在第一实施例中，阻抗匹配件110例如是一圆柱形物体，并可包括相对的第一端111及第二端112，其中阻抗匹配件110的第一端111包括第一卡榫部111a，而阻抗匹配件110
的第二端112的端面设置有第一凹陷结构114。
41.如图2a至图2c所示，第一凹陷结构114可包括第一凸出部114a及环绕第一凸出部114a的第一沟槽结构114b。在一实施例中，第一凹陷结构114可包括一底面115，第一凸出部114a可包括一底面116，而第一凸出部114a的底面116可连接于第一凹陷结构114的底面115。此外，第一凸出部114a的底面116可设置于第一凹陷结构114的底面115的中间，但可不限于此。
42.在一些实施例中，第一凸出部114a可为任意形式的锥状结构(例如圆锥、多边形角锥等)，且第一凸出部114a的高度h1可大于第一沟槽结构114b的深度h2。在一实施例中，号角天线100例如可用于提供具有一特定波长的辐射信号，而第一凸出部114a的高度h1可小于所述特定波长，且第一沟槽结构114b的深度h2可小于所述特定波长的一半，但可不限于此。
43.在图2a至图2c中，第一凸出部114a还具有向外延伸的顶角a1，且顶角a1的角度可介于13度至45度之间。在一实施例中，第一凸出部114a的顶角a1可理解为朝向第一凹陷结构114的底面115的法线方向n1延伸，但可不限于此。
44.在不同的实施例中，第一凸出部114a及第一沟槽结构114b的尺寸可因应于所欲连接的波导管(例如图1的波导管199)而调整，以达到与波导管达到阻抗匹配的目的。
45.请参照图3，其是依据本发明第一实施例示出的|s
11
|比较图。在图3中，号角天线301例如是由图1的场型调整件130、外盖件150组装而成。换言之，号角天线301可理解为将图1的号角天线100的阻抗匹配件110移除后的版本。
46.在本实施例中，曲线310及320为分别对应于号角天线301及100的返回损失曲线。由图3可看出，在设置有阻抗匹配件110的情况下，号角天线100的返回损失(return loss,rl)皆大于10db(|s
11
|低于-10db)，但未设置有阻抗匹配件110的号角天线301则否。由此可知，阻抗匹配件110可有效地让号角天线100与波导管199达到阻抗匹配的效果。
47.请参照图4a至图4c，其中图4a是依据本发明第二实施例示出的阻抗匹配件与波导管的侧透视图，图4b是依据图4a示出的另一视图，图4c是依据图4b示出的又一视图。在第二实施例中，阻抗匹配件110可通过第二端112连接于波导管199。更具体而言，阻抗匹配件110的第二端112可插设于波导管199中，以让阻抗匹配件110连接于波导管199，但可不限于此。
48.在一些实施例中，波导管199与阻抗匹配件110可为一体成型。在其他实施例中，波导管199与阻抗匹配件110可设计为能够彼此结合的尺寸。成型后，波导管199的外层可另溅镀有一金属层199a，藉以达到低成本与轻量化的效果。
49.请参照图5a至图5c，其中图5a是依据本发明第三实施例示出的场型调整件的侧透视图，图5b是依据图5a示出的场型调整件的另一视图，图5c是依据图5b示出的场型调整件的又一视图。
50.如图5a至图5c所示，场型调整件130例如是一圆柱状物体，其可包括相对的第一端131及第二端132。场型调整件130的第一端131的端面可设置有第一卡沟结构131a(其例如具有深度h5)，场型调整件130的第二端132的端面可设置有第二凹陷结构134。在其他实施例中，场型调整件130亦可设计为角柱形物体，但可不限于此。
51.在第三实施例中，第二凹陷结构134可包括第二凸出部134a及环绕第二凸出部134a的第二沟槽结构134b。此外，第二凸出部134a的顶面135可设置有对应于第一卡榫部
111a的第二卡沟结构134c。
52.在第三实施例中，阻抗匹配件110的第一卡榫部111a可插设于场型调整件130的第二卡沟结构134c中，使得阻抗匹配件130能够以图1所示的方式连接于场型调整件130。另外，为使第一卡榫部111a可插入并固定于第二卡沟结构134c中，第一卡榫部111a的尺寸可设计为对应于第二卡构结构134c的态样。
53.在一些实施例中，阻抗匹配件110与场型调整件130可为一体成型，但可不限于此。
54.在第三实施例中，可藉由调整第二沟槽结构134b的态样(例如以下所示的直径d1、深度h4、宽度g1、高度差g2等)以改善号角天线100的辐射场型，进而使得水平极化与垂直极化的场型更为对称，并达到窄波束的效果。
55.在一实施例中，第二卡沟结构134c可具有深度h3’，且第二卡沟结构134c的深度h3’与第一卡榫部111a的高度h3之间的差距可小于0.5mm。
56.在一实施例中，第二凸出部134a可为圆柱状，且第二凸出部134a的端面135的直径d1可介于所述特定波长的1.1倍至2倍之间。
57.在一实施例中，第二凹陷结构134的深度h4可介于所述特定波长的0.8倍至1.5倍之间。
58.在一实施例中，第二沟槽结构134b的宽度g1可介于0.5mm至特定波长的0.4倍之间。
59.在一实施例中，第二凹陷结构134可具有顶面132a及底面132b，第二凹陷结构134的底面132b可连接于第二凸出部134a，第二凹陷结构134的顶面132a与第二凸出部134a的顶面135之间的高度差g2可小于特定波长的0.4倍。
60.此外，第二凹陷结构134可还包括内环面132c，且第二凹陷结构134的内环面132c与第二凹陷结构134的底面132b之间的夹角ang1可介于80至100度之间。
61.在一实施例中，第二凸出部134a可具有一外环面136，且第二凹陷结构134的底面132b与第二凸出部134a的外环面136之间的夹角ang2可介于80度至100度之间。
62.在一实施例中，第二沟槽结构134b可为圆形结构或正三角形以外的多边形结构(例如正四边形、正五边形等)。借此，可让辐射能量较为平均，进而较易于设计左右对称的辐射场型。
63.请参照图6a及图6b，其中图6a是未设置有第二沟槽结构的号角天线的辐射场型图，而图6b是设置有第二沟槽结构的号角天线的辐射场型图。在图6a中，天线结构601可理解为是将图6b的号角天线100中的第二沟槽结构134b去除后的版本。
64.在图6a及图6b中，实线例如是水平极化的辐射场型，虚线例如是垂直极化的辐射场型。将图6a与图6b相比，可看出图6b中的辐射场型较为对称，且旁波瓣也较低，因而可知设置有第二沟槽结构134b的号角天线100确实可改善辐射场型。
65.请参照图7a至图7c，其中图7a是依据本发明第四实施例示出的外盖件侧视图，图7b是依据图7a示出的外盖件的另一视图，图7c是依据图7a示出的外盖件的又一视图。
66.如图7a至图7c所示，外盖件150可包括第一锥状结构151及对应于第一卡沟结构131a的第二卡榫部152，其中第二榫部152的长度可小于等于第一卡沟结构131a的深度h5。第一锥状结构151例如是一圆锥形物体，其可包括顶角a2及底面151a，其中第二卡榫部152的一端可连接于第一锥状结构151的底面151a，而第二卡榫部152的另一端可插设于场型调
整件130的第一卡沟结构131a中，使得外盖件150能够以图1所示的方式连接于场型调整件130。另外，在其他实施例中，第一锥状结构151还可实现为一角锥形物体，但可不限于此。
67.在一实施例中，为使第二卡榫部152能够插入并固定于第一卡沟结构131a中，第二卡榫部152的尺寸可设计为对应于第一卡构结构131a的态样。此外，第二卡榫部152的一端可连接于第一锥状结构151的底面151a的中间，且第一锥状结构151的底面151a的面积可匹配于场型调整件130的第一端131的端面面积。借此，可避免外盖件150与场型调整件130的连接处出现不平整的情形。
68.在本发明的实施例中，外盖件150的第一锥状结构151可用于抑制辐射场型中的旁波瓣与背波瓣(back lobe)，并增加辐射增益。此外，将外盖件150以具较高介电系数的材质实现可进一步达到窄波束的效果。
69.在一实施例中，第一锥状结构151的顶角a2的角度可介于90至120度之间，以有效地抑制旁波瓣与背波瓣。此外，第一锥状结构151可为圆锥结构或正多边形锥状结构(例如正三角形、正四角形、正五角形等)。
70.在一些实施例中，当场型调整件130被设计为正n边形的角柱形物体时，第一锥状结构151亦可相应地设计为正n边形的角锥形物体，其中n例如是大于等于3的正整数。
71.在一实施例中，当材料的缩水率较低时，阻抗匹配件110、场型调整件130及外盖件150可为一体成型。另外，当材料的缩水率较高时，阻抗匹配件110、场型调整件130及外盖件150则可实现为分开的零件。
72.请参照图8a及图8b，其中图8a是未设置有外盖件的号角天线的辐射场型图，而图8b是设置有外盖件的号角天线的辐射场型图。在图8a中，天线结构801可理解为是将图8b的号角天线100中的外盖件150去除后的版本。
73.在图8a及图8b中，实线例如是水平极化的辐射场型，虚线例如是垂直极化的辐射场型。将图8a与图8b相比，可看出图8b中的旁波瓣与背波瓣较低，因而可知设置有外盖件150的号角天线100确实可有效地抑制旁波瓣与背波瓣。
74.请参照图9a至图9d，其中图9a是习知号角天线与本发明号角天线的侧视图，图9b是依据图9a示出的习知号角天线与本发明号角天线的俯视图，图9c是依据图9a示出的辐射场型图，图9d是依据图9a示出的反射系数图。在图9a及图9b中，号角天线901例如是设置有模式匹配零件的习知金属号角天线。在图9c中，曲线910及920是分别对应于号角天线901及100。
75.由图9a至图9d可看出，在相同的10db波束宽度(beamwidth)带宽下，本发明的号角天线100尺寸约仅有号角天线901的50％，且辐射场型也较为集中，此外，也能达到超宽带特性(反射系数小于-10db)。
76.在不同的实施例中，本发明的阻抗匹配件110、场型调整件130及外盖件150可采用相同的非金属材质实现，其中所述非金属材质的介电系数可介于2及16之间。
77.请参照图10a及图10b，其中图10a是依据本发明实施例示出的水平及垂直极化辐射场型图，而图10b是依据图10a示出的反射系数图。在本实施例中，阻抗匹配件110、场型调整件130及外盖件150是假设采用介电系数为10.2的非金属材质实现。由图10a及图10b可看出，在采用介电系数为10.2的非金属材质实现阻抗匹配件110、场型调整件130及外盖件150的情况下，可让水平及垂直极化的场型达到对称，且还具备超宽带的效果。
78.请参照图11，其是依据本发明实施例示出的水平及垂直极化辐射场型图。在本实施例中，阻抗匹配件110、场型调整件130及外盖件150是假设采用介电系数为16.2的非金属材质实现。由图11可看出，在采用介电系数为16.2的非金属材质实现阻抗匹配件110、场型调整件130及外盖件150的情况下，水平及垂直极化的场型仍可达到对称。
79.请参照图12a至图12e，其中图12a是依据本发明实施例示出的连接有波导管的超宽带非金属号角天线侧透视图，图12b是依据图12a示出的斜透视图，图12c是依据图12a示出的顶透视图，图12d是依据图12a示出的场型调整件斜透视图，图12e是依据图12d示出的顶透视图。在本实施例中，本发明的号角天线1200包括阻抗匹配件110、场型调整件1230及外盖件1250，其中场型调整件1230连接于阻抗匹配件110及外盖件1250之间，且号角天线1200通过阻抗匹配件110连接于波导管199。
80.如图12a至图12e所示，在本实施例中场型调整件1230可为正三角形的角柱形物体，而外盖件1250的第一锥状结构1251可对应于场型调整件1230而设计为正三角形的角锥形物体。
81.在本实施例中，场型调整件1230与外盖件1250除了外观不同于场型调整件130与外盖件150之外，其余的特性/结构皆可参照场型调整件130与外盖件150的相关说明。
82.举例而言，场型调整件1230可包括相对的第一端1231及第二端1232。场型调整件1230的第一端1231的端面可设置有第一卡沟结构1231a，场型调整件1230的第二端1232的端面可设置有第二凹陷结构1234。
83.在本实施例中，第二凹陷结构1234可包括第二凸出部1234a及环绕第二凸出部1234a的第二沟槽结构1234b，其中第二凸出部1234a例如是一三角柱物体，而第二沟槽结构1234b例如是环绕于第二凸出部1234a的三角沟槽。此外，第二凸出部1234a的顶面1235可设置有对应于阻抗匹配件110的第一卡榫部111a的第二卡沟结构1234c。
84.在本实施例中，阻抗匹配件110的第一卡榫部111a可插设于场型调整件1230的第二卡沟结构1234c中，使得阻抗匹配件1230能够以图12a至图12c所示的方式连接于场型调整件1230。另外，为使第一卡榫部111a可插入并固定于第二卡沟结构1234c中，第一卡榫部111a的尺寸可设计为对应于第二卡构结构1234c的态样。
85.在一些实施例中，阻抗匹配件110与场型调整件1230可为一体成型，但可不限于此。
86.在本实施例中，可藉由调整第二沟槽结构1234b的态样以改善号角天线1200的辐射场型，进而使得水平极化与垂直极化的场型更为对称，并达到窄波束的效果。例如，第二沟槽结构1234b的宽度g1可介于0.5mm至特定波长的0.4倍之间。此外，号角天线1200例如可具有一参考中心线rc，而第二凸出部1234a(其例如为正三角柱)的任一角柱边与参考中心线rc之间的最短距离(例如距离d1’)可以是图5a中直径d1的0.5倍，但可不限于此。其他相关细节可参照场型调整件130的相关说明，于此不另赘述。
87.在其他实施例中，本领域技术人员应可基于上述实施例直接而无歧义地推得当本发明的场型调整件及第一锥状结构分别被设计为正n边形的角柱形物体及正n边形的角锥形物体时，所对应形成的号角天线具体结构及相关的结构参数。
88.综上所述，本发明的号角天线可通过将阻抗匹配件、场型调整件及外盖件等三个非金属组件组合而成。通过在阻抗匹配件中设计第一沟槽结构的方式，可让本发明的号角
天线达到阻抗匹配的效果。通过在场型调整件中设置第二沟槽结构的方式，可让本发明的号角天线具有较为对称的辐射场型(即，水平极化场型对称于垂直极化场型)及较小的天线尺寸。
89.在不同实施例中，上述三个非金属组件可采用相同的非金属材质(例如是介电系数介于2及16之间的材质)实现。另外，上述三个非金属材质亦可采具不同介电系数的非金属材质实现，以进一步缩小天线尺寸，并避免缩水率不佳的问题。另外，波导管也可实现为外层溅镀有金属层的非金属材质，藉以达到低成本与轻量化的效果。
90.经实验，本发明的号角天线可适用在卫星通信、第5代(5g)毫米波通信、天线场型量测等等需高增益窄波束的天线应用技术上。
91.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。