專利名稱：具有天線罩的天線結構及其提高增益的方法
技術領域：
本發明涉及一種具有天線罩的天線結構及其提高增益的方法，特別是涉 及一種具有高增益且結構簡單的具有天線罩的天線結構及其提高增益的方法。
背景技術：
近年來，由于無線通訊技術高速發展，無線局域網絡(Wireless LAN) 或是個人無線網絡(Wireless PAN)已深入辦公室或家庭之中。然而，將各無 線網絡所串聯起來的仍以有線網絡為主，如數字用戶回路(Digital Subscriber Line, DSL)等。為了將大都市間的網絡加以無線化，并以更低 的成本布建城鄉之間的骨干(backbone)網絡設施，于是提出IEEE 802. 16a 的全球互通微波存取協議(Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMAX),其傳輸速度為70 Mbps，將比現有Tl網絡的1. 544 Mbps 快約45倍以上，其布建成本也較Tl低廉。
由于骨干網絡基站的布建，通常以長距離及點對點的方式構成，因此 必須以高指向性天線為主，以提升等效等向性輻射功率(Effective Isotropically Radiated Power, EIRP),利用更低的功率實現遠距離傳輸 的目的，同時較集中的輻射波束亦可以避免對鄰近區域造成干擾。傳統高指 向性天線分為碟型天線以陣列天線兩大類別。碟型天線雖然具有極高的指向 性增益，但本身占有極大的體積，不僅架設困難也易受外界氣候的影響。
陣列天線則隨著所需天線指向性增益的增加，其陣元數以倍數成長， 天線面積大為增加，材料成本亦大幅提升。同時，構成天線陣列重要組件之 一的饋入網絡急劇復雜化。饋入網絡除了負責將每一個天線陣元的能量收集 至輸出端之外，也須確保輸出端至每一個天線陣元間的相位無偏差。因此將 造成相位準確性以及傳輸能量消耗的問題，進而導致天線增益無法隨陣元數 i曾力口而i曾力口。
于2002年，G. Tayeb等人提出"超穎材料小型高增益天線"(Compact
directive antennas using metamaterials , 12 International Symposium on Antennas, Nice, 12-14Nov. 2002)，披露了一種具有多層金屬網柵的超穎材 料天線罩設計，利用電磁能隙技術，于14GHz的操作頻段下，大幅降低微 帶天線的半功率束徑寬(僅約為IO度左右)，因此具有極高的指向性增益。然 而，基于c-fxX的公式，當應用于操作頻段為3.5GHz 5GHz的WiMAX系 統時，由于頻率大幅降低，故波長大幅增加，因此天線罩相對應地將需要相 當的厚度，天線整體體積增加。同時，此多層金屬網柵作用于天線輻射場的 遠場(far-field),整個天線結構變大，使其實用性受到了限制。
發明內容
有鑒于此，本發明的目的是提供一種具天線罩的天線結構及其提高增益 的方法，利用具有金屬圖形的介電材料，可同時將材質為超穎材料的天線罩 置放于天線結構的輻射場的近場，除了可集中天線結構的輻射波束的束徑寬 以增加天線結構的增益外，還可以大幅減少天線結構的體積。
根據本發明的目的，提出一種天線結構，包括輻射組件以及天線罩。天 線罩具有至少一層介電材料，介電材料的上表面具有多個S形金屬圖形，下 表面具有相對應于S形金屬圖形的多個反S形金屬圖形。其中，S形金屬圖 形與相對應的反S形金屬圖形互相耦合以集中輻射組件所發出的輻射波束。
根據本發明的目的，還提出一種天線結構，包括輻射組件以及天線罩。 天線罩具有至少一層介電材料，至少一層介電材料的上表面具有多個金屬圖
形，下表面具有相對應于金屬圖形的多個反向金屬圖形。其中，金屬圖形的 間距介于輻射組件的共振頻率的波長的0. 002倍至0. 2倍之間，反向金屬圖 形的間距介于輻射組件的共振頻率的波長的0. 002倍至0. 2倍之間。其中， 金屬圖形與相對應的反向金屬圖形互相耦合以集中輻射組件所發出的輻射 波束。
根據本發明的目的，還提出一種天線罩，包括至少一層介電材料、多個 S形金屬圖形以及多個反S形金屬圖形。S形金屬圖形印刷或蝕刻于至少一 層介電材料的上表面。反S形金屬圖形相對應于S形金屬圖形，并印刷或蝕 刻于至少一層介電材料的下表面。其中，S形金屬圖形與相對應的反S形金 屬圖形互相耦合以集中 一輻射組件所發出的輻射波束。
根據本發明的目的，還提出一種天線罩，包括至少一層介電材料、多個
金屬圖形以及多個反金屬圖形。金屬圖形印刷或蝕刻于至少 一層介電材料的 上表面。反金屬圖形，相對應于金屬圖形，并印刷或蝕刻于至少一層介電材 料的下表面。其中，金屬圖形的間距介于一輻射組件的共振頻率的波長的
0. 002倍至0. 2倍之間，反向金屬圖形的間距介于此輻射組件的共振頻率的 波長的0. 002倍至0. 2倍之間。金屬圖形與相對應的反向金屬圖形互相耦合 以集中輻射組件所發出的輻射波束。
根據本發明的目的，還提出一種提高天線結構增益的方法，應用于天線 結構，該方法包括，首先，提供一輻射組件。接著，置放天線罩于輻射組件 之上以集中輻射組件所發出的輻射波束。其中，天線罩具有至少一層介電材 料，至少一層介電材料的上表面印刷或蝕刻有多個S形金屬圖形，至少一層 介電材料的下表面印刷或蝕刻有相對應于S形金屬圖形的多個反S形金屬圖 形。S形金屬圖形與相對應的反S形金屬圖形互相耦合以集中輻射組件所發 出的輻射波束。
為使本發明的上述目的、特征、和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳 實施例，并結合附圖詳細說明如下。
圖1示出了依照本發明較佳實施例的天線結構的示意圖。 圖2A示出了依照本發明較佳實施例的天線結構的單一陣元的正面金屬 圖形的示意圖。
圖2B示出了依照本發明較佳實施例的天線結構的單一陣元的背面金 屬圖形的示意圖。
圖3A示出了依照本發明較佳實施例的天線結構的上視圖。
圖3B示出了依照本發明較佳實施例的天線結構的單一層陣元的上表 面及下表面的示意圖。
圖4示出了依照本發明較佳實施例的天線結構的增益頻率響應圖。
附圖符號說明 100:天線結構 110:輻射組件
111輻射主體
m介質組件
113天線饋入端
114接地端
120天線罩
121 ~ 123:介電材料 130:陣元
212-128: S形金屬圖形 222 - 228:反S形金屬圖形 131:上表面 133:下表面
42:單一微帶天線的增益頻率響應曲線
44:本發明的天線罩加微帶天線的增益頻率響應曲線
51:單一微帶天線的輻射特性
52:本發明的天線罩加微帶天線的輻射特性
具體實施例方式
本發明提供一種具天線罩的天線結構及其提高增益的方法，利用具有金 屬圖形的介電材料，同時將天線罩置放于天線結構的輻射場的近場，以集中 天線結構所發出的輻射波束的束徑寬，增加天線結構的增益。
請參照圖l,其示出了依照本發明較佳實施例的天線結構的示意圖。天 線結構100包括輻射組件110以及天線罩120。輻射組件110包括輻射主體 111、介質組件112以及天線饋入端113,輻射主體111位于介質組件112 上，利用天線饋入端113饋入訊號。輻射組件110可為各種形式的天線，并 不限定于特定型式的天線。
天線罩120的材質例如為超穎材料(metamaterails)，其具有至少一層 介電材料，本實施例以三層介電材料為例做說明，分別為介電材料121、介 電材料122及介電材料123,然并不限定于三層介電材料。介電材料121 ~ 123的上表面具有多個S形金屬圖形212 ~ 218,下表面具有相對應于S形金 屬圖形212-218的多個反S形金屬圖形222 - 228。天線罩120亦可以視為 由多個陣元130所組成。請參照圖2A，其示出了依照本發明較佳實施例的天
線結構的單一陣元的正面金屬圖形的示意圖。陣元130包括介電材料121,
其上表面131具有S形金屬圖形212。請參照圖2B,其示出了依照本發明較 佳實施例的天線結構的單一陣元的背面金屬圖形的示意圖。陣元130包括介 電材料121，其下面表133具有反S形金屬圖形222。
天線罩120中，S形金屬圖形212 ~ 218的間距介于輻射組件110的共 振頻率的波長的0. 002倍至0. 2倍之間。反S形金屬圖形222 ~ 228的間距 介于輻射組件110的共振頻率的波長的0. 002倍至0. 2倍之間。S形金屬圖 形212-218與反S形金屬圖形222 - 228印刷或蝕刻于介電材料121上，結 構簡單，可采用現有的印刷電路板工藝(PCB)制作，大幅降低生產成本。
請參照圖3A，其示出了依照本發明較佳實施例的天線結構的上視圖。 天線結構100于本實施例中以10 x 10個陣元組成為例，但并不限于此。于 本實施例中，是以頻率位于6. 5GHz時為例，此時，輻射組件110的大小約 為13mmx 10mm(約為0. 2倍波長)，天線饋入端113位于輻射組件110上。此 外，陣元130的大小約為5. 5mm(約為0. ll倍波長)x 3mm(約為0. 06倍波長), 故當天線結構100具有10x IO個陣元時，接地端114的大小約為55mm(約為 1. 1倍波長)x 30mm(約為0. 5倍波長)。請參照圖3B，其示出了依照本發明 較佳實施例的天線結構的單一層陣元的上表面及下表面的示意圖。天線結構 100的單一層陣元的上表面具有多個S形金屬圖形，下表面具有多個反S形 金屬圖形。
本發明所提供的提高天線結構增益的方法，是附加天線罩120于輻射組 件110以集中輻射組件110所發射的輻射波束。其中，天線罩12Q置放于輻 射組件110所建立的電磁場的近場位置，利用S形金屬圖形212~218與相 對應的反S形金屬圖形222 - 228上下互相耦合，藉以集中輻射組件110所 發出的輻射波束，使得輻射波束的束徑寬減少，天線結構IIO的增益得以增
應圖。此圖中輻射組件IIO是以微帶天線為例，42為單一微帶天線的增益頻 率響應曲線，44為本發明的天線罩加微帶天線的增益頻率響應曲線。由圖4 可知，單一微帶天線于6. 4GHz具有最大增益5. 07dBi,而本發明的天線罩加 微帶天線于5.8GHz具有最大增益8. 61dBi,增加約3. 54dB的增益值。請參 照圖5,其示出了依照本發明較佳實施例的天線結構的輻射場型圖。圖5中 所提供的輻射場型是由圖1中的天線結構100為基準量測而得，51為單一微
帶天線的輻射特性，52為本發明的天線罩加微帶天線的輻射特性。由圖5 中可知，加上金屬天線罩之后，本實施例于X-Z平面產生集中輻射的場型， 相當適合于指向性天線的實際應用。
上述本發明所披露的天線結構100，其介電材料121-123上的金屬圖 形并不限于S形金屬圖形與反S形金屬圖形，凡間距介于輻射組件110的共 振頻率的波長的0. 002倍至0. 2倍之間的金屬圖形，且上下表面的金屬圖形 能夠互相耦合者，皆可應用于本發明所揭露的天線結構100。此外，天線結 構100中，其中介電材料121~123的介電常數可不相等，導磁系數亦可不 相等。舉例來說，介電材料121和介電材料123的導磁系數彼此相等，但不 相等于介電材料122的導磁系數，或者介電材料121 ~ 123的導磁系數三者 各不相等。介電材料121 ~ 123的介電常數亦然。只當介電材料121 123的 介電常數及導磁系數不相等時，S形金屬圖形與反S形金屬圖形的間距需要 做些微的調整，但仍介于輻射組件110的共振頻率的波長的0. 002倍至0. 2 倍之間。
本發明上述實施例所披露的天線結構、天線罩及提高天線結構增益的方 法，是于介電材料上印刷或蝕刻互相耦合的金屬圖形，并將天線罩置放于天 線結構的輻射場的近場，以集中天線結構所發出的輻射波束的束徑寬，進而 增加天線結構的增益。其中，金屬圖形具有結構簡單的特點，可采用現有的 印刷電路板工藝制作，大幅降低生產成本。此外，由于天線罩是置放于天線 結構的近場處，使得整個天線結構的體積能夠變得更小，提高實用性。
綜上所述，雖然本發明已以一較佳實施例披露如上，然其并非用以限定 本發明。本發明所屬技術領域的技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍的 前提下可作各種的更動與潤飾。因此，本發明的保護范圍以本發明的權利要 求為準。
權利要求
1.一種天線結構，包括一輻射組件；以及一天線罩，具有至少一層介電材料，該至少一層介電材料的上表面具有多個S形金屬圖形，該至少一層介電材料的下表面具有相對應于所述S形金屬圖形的多個反S形金屬圖形；其中，該S形金屬圖形與相對應的該反S形金屬圖形互相耦合以集中該輻射組件所發出的輻射波束。
2. 如權利要求1所述的天線結構，其中該S形金屬圖形與該反S形金 屬圖形印刷或蝕刻于該至少一層介電材料。
3. —種天線結構，包括 一輻射組件；以及一天線罩，具有至少一層介電材料，該至少一層介電材料的上表面具有 多個金屬圖形，該至少一層介電材料的下表面具有相對應于該金屬圖形的多 個反向金屬圖形；其中，該金屬圖形的間距介于該輻射組件的共振頻率的波長的0.002 倍至0. 2倍之間，該反向金屬圖形的間距介于該輻射組件的共振頻率的波長 的0. 002倍至0. 2倍之間；其中，該金屬圖形與相對應的該反向金屬圖形互相耦合以集中該輻射組 件所發出的輻射波束。
4. 如權利要求3所述的天線結構，其中該金屬圖形與該反向金屬圖形 印刷或蝕刻于該至少一層介電材料。
5. 如權利要求4所述的天線結構，其中該至少一層介電材料包括二層 以上介電材料，所述層介電材料的導^ 茲系數相同。
6. 如權利要求4所述的天線結構，其中該至少一層介電材料包括二層 以上介電材料，所述層介電材料的導磁系數不相同。
7. 如權利要求4所述的天線結構，其中該至少一層介電材料包括二層 以上介電材料，部份的所述層介電材料的導磁系數相同，其余部份的所述層 介電材料的導磁系數不相同。
8. 如權利要求4所述的天線結構，其中該至少一層介電材料包括二層 以上介電材料，所述層介電材料的介電常數相同。
9. 如權利要求4所述的天線結構，其中該至少一層介電材料包括二層 以上介電材料，所述層介電材料的介電常數不相同。
10. 如權利要求4所述的天線結構，其中該至少一層介電材料包括二層以上介電材料，部份的所述層介電材料的介電常數相同，其余部份的所述層 介電材料的介電常數不相同。
11. 如權利要求3所述的天線結構，該天線罩的材質為一超穎材料。
12. 如權利要求3所述的天線結構，其中該輻射組件為各種形式的天線。
13. —種天線罩，包括 至少一層介電材料；多個S形金屬圖形，印刷或蝕刻于該至少一層介電材料的上表面；以及 多個反S形金屬圖形，相對應于所述S形金屬圖形，并印刷或蝕刻于該至少一層介電材料的下表面；其中，該S形金屬圖形與相對應的該反S形金屬圖形互相耦合以集中一輻射組件所發出的輻射波束。
14. 如權利要求U所述的天線罩，該天線罩的材質為一超穎材料。
15. 如權利要求13所述的天線罩，其中該S形金屬圖形的間距介于該 輻射組件的共振頻率的波長的0. 002倍至0. 2倍之間。
16. 如權利要求13所述的天線罩，其中該反S形金屬圖形的間距介于 該輻射組件的共振頻率的波長的0. 002倍至0. 2倍之間。
17. 如權利要求13所述的天線罩，其中該輻射組件為各種形式的天線。
18. —種天線罩，包括 至少一層介電材料；多個金屬圖形，印刷或蝕刻于該至少一層介電材料的上表面；以及多個反金屬圖形，相對應于所述金屬圖形，并印刷或蝕刻于該至少一層 介電材料的下表面；其中，該金屬圖形的間距介于一輻射組件的共振頻率的波長的0.002 倍至0. 2倍之間，該反向金屬圖形的間距介于該輻射組件的共振頻率的波長 的0. 002倍至0. 2倍之間;其中，該金屬圖形與相對應的該反向金屬圖形互相耦合以集中該輻射組 件所發出的輻射波束。
19. 如權利要求18所述的天線罩，該天線罩的材質為一超穎材料。
20. —種提高天線結構增益的方法，應用于一天線結構，該方法包括 提供一輻射組件；以及置放一天線罩于該輻射組件之上以集中該輻射組件所發出的輻射波束； 其中，該天線罩具有至少一層介電材料，該至少一層介電材料的上表面 印刷或蝕刻有多個S形金屬圖形，該至少一層介電材料的下表面印刷或蝕刻 有相對應于所述S形金屬圖形的多個反S形金屬圖形，該S形金屬圖形與相 對應的該反S形金屬圖形互相耦合以集中該輻射組件所發出的輻射波束。
21. 如權利要求20所述的提高天線結構增益的方法，該天線罩的材質 為一超穎材料。
22. 如權利要求20所述的提高天線結構增益的方法，其中該S形金屬 圖形的間距介于該輻射組件的共振頻率的波長的0. 002倍至0. 2倍之間。
23. 如權利要求20所述的提高天線結構增益的方法，其中該反S形金 屬圖形的間距介于該輻射組件的共振頻率的波長的0. 002倍至0. 2倍之間。
全文摘要
一種天線結構，包括輻射組件以及天線罩。天線罩具有至少一層介電材料，該介電材料的上表面具有多個S形金屬圖形，下表面具有相對應于S形金屬圖形的多個反S形金屬圖形。其中，S形金屬圖形與相對應的反S形金屬圖形互相耦合以集中輻射組件所發出的輻射波束。
文檔編號H01Q15/00GK101102010SQ20061010017
公開日2008年1月9日 申請日期2006年7月3日 優先權日2006年7月3日
發明者劉杏暖, 葉世晃, 吳俊熠, 林根煌, 湯嘉倫, 蘇欣龍 申請人:財團法人工業技術研究院