雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統的制作方法
【專利摘要】一種雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統，包括基板、第一至第三陣列輻射群組及第一與第二饋入網絡。第一饋入網絡電性連接于第一及第二陣列輻射群組，并且用于將第一信號饋入至第一及第二陣列輻射群組。第二饋入網絡電性連接于第二及第三陣列輻射群組，并且用于將第二信號饋入至第二及第三陣列輻射群組。第一饋入網絡電性連接至第一及第二陣列輻射群組的饋入方向與第二饋入網絡電性連接至第二及第三陣列輻射群組的饋入方向相互垂直，以提供兩組正交的饋入信號，使得雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統具有高隔離度、雙極化及高增益等特性。
【專利說明】雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種陣列天線系統，尤指一種雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統。
【背景技術】
[0002]隨著無線通信技術的演進，具有無線通信功能的電子產品也越來越普及，無線通信技術主要是透過天線以電磁波的方式收發信號，因此天線的設計在很大程度上影響電子產品的通訊質量與傳輸速率。
[0003]現有所使用內藏于橋接點(Access Point, AP)的天線以倒F形天線(InvertedF Antenna, IFA)、單極天線或偶極天線居多。然而,上述這些天線并不適合用于戶外環境(outdoor environment)，而僅適合用于室內環境(indoor environment)。
[0004]針對應用于戶外環境的橋接點，其天線需要有高方向性、高增益與較窄的波束寬(narrow beamwidth),以將天線所激發的電磁能量集中于特定方向，而達到遠距離傳輸。上述天線目前多以平板天線(patch antenna)、格狀天線(grid antenna)與碟形天線(diskantenna)來實現,其中格狀天線與碟形天線的制造成本較高。
[0005]一般來說，無線通信的電子產品大都朝向輕薄的設計趨勢，為了達到越來越大的傳輸量需求，進而有多輸入多輸出(Mult1-1nput Mult1-output, ΜΙΜΟ)天線系統的應用。當要傳輸一份數據流(data stream)時,數據流可以被分為多筆數據,經由支持MIMO功能的電路系統，再搭配多輸入多輸出天線系統，多筆數據將可以同時被傳輸。因此，多輸入多輸出天線系統可以提升數據的傳輸率。
[0006]目前有戶外的橋接點采用雙饋入雙傳輸數據路徑的多輸入多輸出系統，以將其數據傳輸率提升為其原來采用單饋入天線系統時的數據傳輸率的兩倍以上。然而，因產品尺寸空間有限以及在不大量增加成本與設計復雜度的考慮下，并不容易設計出一個能達到阻抗匹配、高隔離度及高天線增益的雙饋入天線系統。
實用新型內容
[0007]針對上述問題，本實用新型提出一種雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統。所述雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統為多輸入多輸出天線系統，其本身具有高天線增益及低信號間的相互干擾。
[0008]本實用新型實施例提供一種雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統，包括基板、第一陣列輻射群組、第二陣列輻射群組、第三陣列輻射群組、第一饋入網絡、第二饋入網絡，以及一信號反射板。基板具有第一長邊以及第一短邊。第一陣列輻射群組，具有以平行第一長邊的陣列形式排列的N個第一輻射單元，其中N個第一輻射單元設置于基板上且其形狀大小均相同。第二陣列輻射群組具有以平行第一長邊的陣列形式排列的N個第二輻射單元，其中N個第二輻射單元設置于基板上且其形狀大小均相同，并且第二陣列輻射群組與第一陣列輻射群組間具有第一間距。第三陣列輻射群組具有以平行第一長邊的陣列形式排列的N個第三輻射單元，其中N個第三輻射單元設置于基板上且其形狀大小均相同，并且第三陣列輻射群組與第二陣列輻射群組間具有第二間距。第一饋入網絡設置于基板上且電性連接于第一陣列輻射群組及第二陣列輻射群組。第一饋入網絡具有第一饋入埠，且用于將第一信號饋入至第一陣列輻射群組及第二陣列輻射群組。第二饋入網絡設置于基板上且電性連接于第二陣列輻射群組及第三陣列輻射群組。第二饋入網絡具有第二饋入埠及信號相位調整部，且用于將第二信號饋入至第二陣列輻射群組及第三陣列輻射群組。第一饋入網絡電性連接至第一輻射單元與第二輻射單元的饋入方向與第二饋入網絡電性連接至第二輻射單元與第三輻射單元的饋入方向相互垂直。第一陣列輻射群組、第二陣列輻射群組與第一饋入網絡用于提供第一操作頻帶，第二陣列輻射群組、第三陣列輻射群組與第二饋入網絡用于提供第二操作頻帶，且N為大于等于2的正整數。信號反射板，位于基板的下方，與基板相互平行且與基板之間具有一第三間距。
[0009]綜上所述，本實用新型實施例的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統主要可分為三組陣列天線，即上述第一至第三陣列輻射群組，且采用兩個饋入網絡的設計，以向同時激發的輻射單元提供不同兩組正交的信號，以避免兩組饋入信號的相互干擾。據此，本實用新型的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統具有高隔離度、雙極化及高增益等特性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為本實用新型實施例的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統的立體示意圖。
[0011]圖2為本實用新型實施例的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統的側視圖。
[0012]圖3為本實用新型實施例的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統的俯視圖。
[0013]圖4為本實用新型另一實施例的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統的立體示意圖。
[0014]圖5為本實用新型實施例的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統于中心頻率為5500MHz的第一操作頻帶的水平與垂直場型圖。
[0015]圖6為本實用新型實施例的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統于中心頻率為5500MHz的第二操作頻帶的水平與垂直場型圖。
[0016]圖7為本實用新型實施例的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統的反射系數(sn、S22)及隔離度(S21)的量測曲線圖。
[0017]其中，附圖標記說明如下:
[0018]1、4:雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統
[0019]101:基板
[0020]1la:第一長邊
[0021]1lb:第一短邊
[0022]102,402:第一陣列輻射群組
[0023]102a ?102d、402a ?402d:第一輻射單元
[0024]103,403:第二陣列輻射群組
[0025]103a ?103d、403a ?403d:第二輻射單元
[0026]104,404:第三陣列輻射群組
[0027]104a?104d、404a?404d:第三輻射單元
[0028]105:第一饋入網絡
[0029]105a:第一饋入埠
[0030]106:第二饋入網絡
[0031]106a:第二饋入埠
[0032]106b:信號相位調整部
[0033]107:信號反射板
[0034]107a ?107e:固定部
[0035]108:第一信號輸入源
[0036]109:第二信號輸入源
[0037]bl:第一間距
[0038]b2:第二間距
[0039]b3:第三間距
【具體實施方式】
[0040]以下在實施方式中詳細敘述本實用新型的詳細特征及優點，其內容足以使任何本領域技術人員了解本實用新型的技術內容并據以實施，且根據本說明書所揭露的內容、申請專利范圍及圖式，任何本領域技術人員可輕易地理解本實用新型相關的目的及優點。以下的實施例是對本實用新型的觀點所做的進一步詳細說明，但并不限定本實用新型的專利保護范圍。
[0041]請參見圖1?圖3，雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統I包括基板101、第一陣列輻射群組102、第二陣列輻射群組103、第三陣列輻射群組104、第一饋入網絡105以及第二饋入網絡106。
[0042]基板101為具有第一長邊1la以及第一短邊1lb的矩形的印刷電路板(PrintedCircuit Board, PCB)。基板101可以是環氧玻璃布層壓板(FR4)或Rogers公司所生產的聚酰亞胺基板，然而，本實用新型并不限制基板101的形狀、大小與材質。
[0043]第一陣列輻射群組102主要由N個尺寸大小相同的第一輻射單元102a?102d所組成，N個第一輻射單元102a?102d以平行第一長邊1la(亦即，第一輻射單元102a?102d的中心所形成的連線平行于第一長邊1la)的陣列形式排列設置于基板101上，形成一 IxN的陣列輻射單元。在本實用新型實施例中，N個第一輻射單元102a?102d是以兩兩相鄰排列設置于基板101上，第一輻射單元102a?102d彼此以等距離間隔。
[0044]第二陣列輻射群組103主要由N個尺寸大小相同的第二輻射單元103a?103d所組成，N個第二輻射單元103a?103d以平行第一長邊1la(亦即，第二輻射單元103a?103d的中心所形成的連線平行于第一長邊1la)的陣列形式排列設置于基板101上，形成一 IxN的陣列輻射單元，并且第二陣列輻射群組103與第一陣列輻射群組102之間具有第一間距bl。在本實用新型實施例中，N個第二輻射單元103a?103d是以兩兩相鄰排列設置于基板101上，且第二輻射單元103a?103d彼此以等距離間隔。
[0045]第三陣列輻射群組104主要由N個尺寸大小相同的第三輻射單元104a?104d所組成，N個第三輻射單元104a?104d以平行第一長邊1la(亦即，第三輻射單元104a?104d的中心所形成的連線平行于第一長邊1la)的陣列形式排列設置于基板101上，形成一 IxN的陣列輻射單元，并且第三陣列輻射群組104與第二陣列輻射群組103之間具有第二間距b2，其中第一間距bl不一定要等于第二間距b2。在本實用新型實施例中，N個第三輻射單元104a?104d是以兩兩相鄰排列設置于基板101上，且第三輻射單元104a?104d彼此以等距離間隔。
[0046]在本實用新型實施例中，第一陣列輻射群組102、第二陣列輻射群組103以及第三陣列輻射群組104具有相同數量的輻射單元，且N為4。值得一提的是，本實用新型并不局限N的數值，N實質上可以大于或者等于2。
[0047]第一饋入網絡105設置于基板101上，并且具有第一饋入埠105a。第一饋入網絡105電性連接于第一陣列輻射群組102及第二陣列輻射群組103，并且透過第一饋入埠105a用于將第一信號饋入至第一陣列輻射群組102及第二陣列輻射群組103。
[0048]第二饋入網絡106設置于基板101上電性連接于第二陣列輻射群組103及第三陣列輻射群組104，并且具有第二饋入埠106a與信號相位調整部106b，其中信號相位調整部106b的一端電性連接第二饋入埠106a，且信號相位調整部106b的另一端電性連接第三陣列輻射群組104的多個第三輻射單元104a?104d。信號相位調整部106b用以調整第二信號的相位，其中經過相位調整后的第二信號與原第二信號之間具有180度的信號相位差。第二饋入網絡106透過第二饋入埠106a用于將第二信號饋入至第二陣列輻射群組103及第三陣列輻射群組104。由此可知，第一饋入網絡105與第二饋入網絡106分別將第一信號與第二信號饋入其共同電性連接的第二輻射單元103a?103d。
[0049]第一饋入網絡105電性連接至第一輻射單元102a?102d及第二輻射單元103a?103d的饋入方向與第二饋入網絡106電性連接至第二輻射單元103a?103d及第三輻射單元104a?104d的饋入方向相互垂直。因此，當第一輻射單元102a?102d及第二輻射單元103a?103d收到第一信號后，其會激發出第一極化方向的電磁波。當第二輻射單元103a?103d及第三輻射單元104a?104d收到第二信號后，其會激發出第二極化方向的電磁波。第一極化方向與第二極化方向彼此正交，因此第二輻射單元103a?103d可以同時接收第一信號與第二信號，且所激發出的電磁波并不太會互相影響。
[0050]第一陣列輻射群組102、第二陣列輻射群組103以及第一饋入網絡105用于提供第一操作頻帶，而第二陣列輻射群組103、第三陣列輻射群組104以及第二饋入網絡106用于提供第二操作頻帶。因為第一饋入網絡105電性連接于第一輻射單元與第二輻射單元的饋入方向與第二饋入網絡106電性連接至第二輻射單元與第三輻射單元的饋入方向相互垂直，因此第一操作頻帶的電磁波與第二操作頻帶的電磁波具有正交的極化方向，且其中心頻率可以相近，而能使雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統I具有寬頻操作的特性。
[0051]在此實施例中，第一饋入網絡105設置于第一陣列輻射群組102與第二陣列輻射群組103之間，且第二饋入網絡106則設置于第二陣列輻射群組103與第三陣列輻射群組104之間，但本實用新型并不限定于此。除此之外，第一輻射單元102a?102d、第二輻射單元103a?103d與第三輻射單元104a?104d中的形狀均統一為正方形、矩形、菱形、圓形或橢圓形，但本實用新型并不局限于此。
[0052]請同時參見圖1與圖2，信號反射板107位于基板101下方且與基板101相互平行。信號反射板107與基板101之間具有一第三間距b3。信號反射板107上具有復數個固定部107a?107e,以用于將基板101固定于信號反射板107上方。信號反射板107可使得雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統I激發所產生的電磁能量，能集中至特定方向，進而產生具有高方向性及高增益的特性，以有效增加雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統I的信號傳輸距離。另外，在本實用新型實施例中，信號反射板107可以是馬口鐵、不銹鋼或鋁的金屬板，然而，本實用新型并不局限于此。
[0053]雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統I還包括有第一信號輸入源108和第二信號輸入源109,其中第一信號輸入源108 —端電性連接于第一饋入埤105a,第一信號輸入源108另一端電性連接于信號反射板107，第二信號輸入源109 —端電性連接于第二饋入埠106a,第二信號輸入源109另一端電性連接于信號反射板107。
[0054]另外，每一陣列輻射群組102、103、104間的輻射單元102a?102d、103a?103d、104a?104d尺寸不一定為相同，亦即第一輻射單元102a?102d尺寸不一定等于第二輻射單元103a?103d或第三輻射單元104a?104d。上述設計的主要目的在于，能通過調整輻射單元尺寸，使雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統I在激發時，可產生復數個相鄰的天線共振模態，進而結合成一個較寬的操作帶寬。
[0055]詳細地說，第一饋入網絡105與第二饋入網絡106的傳輸線的線段長度及寬度可以被調整，以調整基板101上金屬表面電流相位，使得各組輻射單元(第一輻射單元102a?102d為一組，第二輻射單元103a?103d為另一組，第三輻射單元104a?104d又為另一組)上的表面電流的相位相同，進而各組輻射單元所產生的輻射能量在空間中，產生建設性干涉，以進而產生高方向性的天線輻射場型，以致于達到集中輻射能量的目的。
[0056]另外，在本實用新型實施例中第一操作頻帶與第二操作頻帶涵蓋5GHz頻段。第一間距bl與第二間距b2的長度大約為操作頻帶中心頻率所對應的波長的0.2倍至0.5倍之間，而各陣列輻射群組102、103或者104中的每一輻射單元的間距(例如，輻射單元102a與102b的間距、輻射單元102b與102c的間距、輻射單元102c與102d的間距)亦為操作頻帶中心頻率所對應的波長的0.2倍至0.5倍之間。每一輻射單元的周長則約為操作頻帶中心頻率所對應的波長的2倍。第三間距b3的長度則小于第一操作頻帶與第二操作頻帶之中較低頻率所對應的波長的六分之一。
[0057]請參見圖4，圖4為本實用新型另一實施例的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統的立體示意圖。雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統4與圖1的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統I的差別在于，圖4中第一輻射單元402a?402d、第二輻射單元403a?403d以及第三輻射單元404a?404d形狀為圓形，圖1中第一輻射單元102a?102d、第二輻射單元103a?103d以及第三輻射單元104a?104d形狀為方形。
[0058]請參照圖5?圖7，圖5為本實用新型實施例的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統于中心頻率為5500MHz的第一操作頻帶的水平與垂直場型圖，圖6為本實用新型實施例的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統于中心頻率為5500MHz的第二操作頻帶的水平與垂直場型圖，而圖7為本實用新型實施例的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統的反射系數(Sn、S22)及耦合度(S21)的量測值的曲線圖。由圖5與圖6可以得知，本實用新型實施例的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統具有高方向性，而由圖7可以得知，在電壓駐波比為1.9:1時，中心頻率為5500MHz的第一操作頻帶與第二操作頻帶的反射系數(Sn、S22)低于-10dB，且中心頻率為5500MHz的第一操作頻帶與第二操作頻帶的隔離度耦合度(S21)極低(亦即，具有高隔離度)。
[0059]綜上所述，本實用新型實施例的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統可分成三組陣列天線，且采用兩組饋入網絡的設計，以激發陣列天線產生不同極化方向的電磁波，以避免兩組饋入信號的相互干擾，因此本實用新型實施例的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統具有高隔離度、雙極化及高增益等特性。
[0060]以上所述僅為本實用新型的實施例，其并非用以局限本實用新型的專利保護范圍。
【權利要求】
1.一種雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統，其特征在于，該雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統包括: 一基板，具有一第一長邊以及一第一短邊； 一第一陣列輻射群組，具有設置于該基板上以平行該第一長邊的陣列形式排列的N個第一輻射單元，該N個第一輻射單元的形狀大小均相同； 一第二陣列輻射群組，具有設置于該基板上以平行該第一長邊的陣列形式排列的N個第二輻射單元，該N個第二輻射單元的形狀大小均相同，并且該第二陣列輻射群組與該第一陣列輻射群組間具有一第一間距； 一第三陣列輻射群組，具有設置于該基板上以平行該第一長邊的陣列形式排列的N個第三輻射單元，該N個第三輻射單元的形狀大小均相同，并且該第三陣列輻射群組與該第二陣列輻射群組間具有一第二間距； 一第一饋入網絡，設置于該基板上，電性連接于該第一陣列輻射群組及該第二陣列輻射群組，具有一第一饋入埠，該第一饋入網絡用于將一第一信號饋入至該第一陣列輻射群組及該第二陣列輻射群組； 一第二饋入網絡，設置于該基板上，電性連接于該第二陣列輻射群組及該第三陣列輻射群組，具有一第二饋入埠及一信號相位調整部，該第二饋入網絡用于將一第二信號饋入至該第二陣列輻射群組及該第三陣列輻射群組；以及 一信號反射板，位于該基板的下方，與該基板相互平行且具有一第三間距； 其中該第一饋入網絡電性連接至該N個第一輻射單元與該N個第二輻射單元的饋入方向與該第二饋入網絡電性連接至該N個第二輻射單元與該N個第三輻射單元的饋入方向相互垂直，該第一陣列輻射群組、該第二陣列輻射群組及該第一饋入網絡用于提供一第一操作頻帶，該第二陣列輻射群組、該第三陣列輻射群組及該第二饋入網絡用于提供一第二操作頻帶，且N為大于或者等于2的正整數。
2.如權利要求1所述的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統，其中該信號反射板上具有復數個固定部，用于固定該基板與該信號反射板。
3.如權利要求1所述的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統，還包括: 一第一信號輸入源，其一端電性連接于該第一饋入埠，另一端電性連接于該信號反射板；以及 一第二信號輸入源，其一端電性連接于該第二饋入埠，另一端電性連接于該信號反射板。
4.如權利要求3所述的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統，其中該信號相位調整部電性連接第三陣列輻射群組，該信號相位調整部用于調整該第二信號的相位，并將經相位調整后的該第二信號傳輸給該第三陣列輻射群組，其中經相位調整后的該第二信號與原該第二信號之間具有180度的信號相位差，且該第一信號輸入源提供的該第一信號與該第二信號輸入源提供的該第二信號具有相同的相位。
5.如權利要求1所述的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統，其中N為4。
6.如權利要求1所述的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統，其中該第一饋入網絡位于該第一陣列輻射群組與該第二陣列輻射群組之間，該第二饋入網絡則位于該第二陣列輻射群組與該第三陣列輻射群組之間。
7.如權利要求1所述的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統，其中該N個第一輻射單元、該N個第二輻射單元和該N個第三輻射單元的形狀為方形、圓形、矩形或橢圓形。
8.如權利要求1所述的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統，其中該第一間距的長度介于該第一操作頻帶中心頻率所對應的波長的0.2倍至0.5倍之間，該第二間距的長度介于該第二操作頻帶中心頻率所對應的波長的0.2倍至0.5倍之間。
9.如權利要求1所述的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統，其中該第一操作頻帶與該第二操作頻帶涵蓋5GHz頻段。
10.如權利要求1所述的雙饋入雙極化的高方向性陣列天線系統，其中該第三間距的長度小于該第一操作頻帶與該第二操作頻帶之中較低頻率所對應的波長的六分之一。
【文檔編號】H01Q21/24GK204029975SQ201420369372
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年7月4日 優先權日:2014年7月4日
【發明者】李政哲 申請人:光寶電子(廣州)有限公司, 光寶科技股份有限公司