CN102456945B - 天线阵列模块及天线单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种天线单元和天线阵列模块。天线单元包括第一基板、第一导电层、第二导电层、多个导通穿孔、馈入导体以及偶合金属层。第一基板包括第一表面以及第二表面。第一导电层设于第一表面之上。第二导电层设于第二表面之上，其中具有开口边缘的开口形成于第二导电层之上。导通穿孔形成于第一基板之中并将第一导电层电性连接第二导电层，该多个导通穿孔环绕该开口以定义共振槽孔。馈入导体于开口上方延伸。偶合金属层设于开口上方，并与馈入导体分离。偶合金属层、馈入导体以及开口边缘之间形成斜向振荡方向的电场，从而具有较大的辐射角度。

Description

天线阵列模块及天线单元

技术领域

本发明有关于一种天线阵列模块，特别有关于一种天线阵列模块及其共振腔堆叠平面天线单元(cavity-backed stacked planar antenna unit)。

背景技术

图1为传统的天线1，包括天线基板10、馈入基板(feed substrate)20、偶合金属层(patch)30、接地面40以及微带馈线(feed line)50。该天线基板10包括第一表面11以及第二表面12。该馈入基板20包括第三表面21以及第四表面22。该偶合金属层30设于该第一表面11之上。该接地面40设于该第三表面21之上。该第二表面12连接于该接地面40。耦合槽孔41形成于该接地面40之上。该微带馈线50设于该第四表面22之上。该微带馈线50透过该耦合槽孔41对该偶合金属层30馈入无线信号。传统的天线一般具有较小的带宽，过大的反向辐射，以及不必要的表面波辐射(surface wave radiation)等问题。

发明内容

本发明即为了解决上述传统技术的问题而提供一种天线单元，包括第一基板、第一导电层、第二导电层、多个导通穿孔、馈入导体以及偶合金属层。第一基板包括第一表面以及第二表面，其中，该第一表面位于该第二表面对面。第一导电层设于该第一表面。第二导电层设于该第二表面，其中开口形成于该第二导电层之上，该开口具有开口边缘。导通穿孔形成于该第一基板之中并将该第一导电层电性连接该第二导电层，其中，该多个导通穿孔环绕该开口以定义共振槽孔。馈入导体于该开口上方延伸，并对该天线单元馈入无线信号。偶合金属层设于该开口上方，并与该馈入导体分离。

本发明还提供一种天线阵列模块，所述的天线阵列模块包括：第一基板，包括第一表面以及第二表面，其中，所述的第一表面位于所述的第二表面对面；第一导电层，设于所述的第一表面之上；第二导电层，设于所述的第二表面之上；以及多个天线单元，所述的多个天线单元呈矩阵排列，每个天线单元包括开口、多个导通穿孔、馈入导体和偶合金属层，其中，所述的开口形成于所述的第二导电层之上，所述的开口具有开口边缘，所述的多个导通穿孔形成于所述的第一基板之中并将所述的第一导电层电性连接所述的第二导电层，所述的多个导通穿孔环绕所述的开口以定义共振槽孔，所述的馈入导体于所述的开口上方延伸，并对所述的天线单元馈入无线信号，所述的偶合金属层设于所述的开口上方，并与所述的馈入导体分离。

本发明还提供一种天线单元，所述的天线单元包括：第一基板，包括第一表面以及第二表面，其中，所述的第一表面位于所述的第二表面对面；导电层，设于所述的第二表面之上，其中开口形成于所述的导电层之上；共振槽孔，形成于所述的第一基板之中，并环绕所述的开口，其中，所述的共振槽孔电性连接于所述的导电层；馈入导体，于所述的开口上方延伸，并对所述的天线单元馈入无线信号；以及偶合金属层，设于所述的开口上方，并与所述的馈入导体分离。

在本发明实施例的天线单元中，电场形成于该偶合金属层、该馈入导体以及该开口边缘之间，该电场具有相对于该第二导电层的斜向振荡方向。通过此斜向振荡方向，本发明实施例的天线单元具有较大的辐射角度。且本发明实施例的天线单元或是天线阵列模块可以轻易的透过低成本的标准印刷板电路制程而大量制作。

附图说明

图1为传统的天线；

图2为本发明实施例的天线单元；

图3为图2的III-IH方向截面图；

图4为本发明实施例的天线单元的俯视图；

图5为本发明实施例的天线单元的输入反射损失(S₁₁)；

图6a为本发明实施例的天线单元于电场(E)平面以及磁场(H)平面在57GHz的天线方向图；

图6b为本发明实施例的天线单元在57GHz的微小背向辐射特性；

图7a为本发明实施例的天线单元于电场(E)平面以及磁场(H)平面在66GHz的天线方向图；

图7b为本发明实施例的天线单元在66GHz的微小背向辐射特性；以及

图8为本发明实施例的天线阵列模块。

具体实施方式

在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。所属技术领域的技术人员应可理解，制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分准则。在通篇说明书及权利要求中所提及的“包含”为开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。藉由以下的较佳实施例的叙述并配合全文的图2至图8说明本发明，但以下叙述中的装置、组件与方法、步骤乃用以解释本发明，而不应当用来限制本发明。

图2为本发明实施例的天线单元100。该天线单元100包括第一基板110、第二基板120、第一导电层130、第二导电层140、多个导通穿孔150、馈入导体160以及偶合金属层170。该第一基板110包括第一表面111以及第二表面112，其中，该第一表面111位于该第二表面112对面。该第二基板120包括第三表面121以及第四表面122，该第三表面121位于该第四表面122对面。该第一导电层130设于该第一表面111之上。该第二导电层140设于该第二表面112之上，其中，开口141形成于该第二导电层140之上，该开口141具有开口边缘142。导通穿孔150形成于该第一基板110之中并将该第一导电层130电性连接该第二传导层140，其中，该多个导通穿孔150环绕该开口141以定义共振槽孔151。该共振槽孔151由该多个导通穿孔150以及该第一导电层130所形成。馈入导体160于该开口141上方延伸，并对该天线单元100馈入无线信号。偶合金属层170设于该开口141上方，并与该馈入导体160分离。在此实施例中，该第一导电层130以及该第二导电层140为接地层。

图3为图2的III-III方向截面图。如图3所显示的，该偶合金属层170设于该第四表面122之上，该第三表面121接触该第二导电层140。在此实施例中，该馈入导体160埋设于该第二基板120之中。

图4为天线单元100的俯视图。该馈入导体160呈T字形，该馈入导体160包括第一部分161以及第二部分162，该第二部分162的一端连接该第一部分161。该偶合金属层170呈矩形，并具有长轴171，该馈入导体160的该第一部分161平行于该长轴171。该开口141呈矩形。该第一部分161以及该偶合金属层170之间的间距d1约为0.15λ，λ为该无线信号的波长。通过改变间距d1或是开口141平行于长轴171方向的宽度，可以调整天线单元的阻抗匹配。通过调整开口141垂直于轴171方向的长度，该天线的共振中心频率可能被调整。通过调整偶合金属层170及开口边缘142之间的距离，该天线单元的共振频率与带宽可以被调整。参照图3，该第一导电层130与该第二导电层140之间的高度h约为0.25λ。每两个导通穿孔之间的间距g小于λ/8。该高度h以及该间距g可以被调整。

参照图3，电场形成于该偶合金属层170、该馈入导体160以及该开口边缘142之间，该电场具有相对于该第二导电层140的斜向振荡方向。通过此斜向振荡方向，本发明实施例的天线单元具有较大的辐射角度。图5为天线单元100的输入反射损失(S₁₁)，其中，天线单元100具有约为25％的超大分数比例带宽(ultra-large fractional bandwidth)。图6a为天线单元100于电场(E)平面以及磁场(H)平面在57GHz的天线方向图(antennapattern)。图6b为天线单元100在57GHz的微小背向(small back)辐射特性。图7a为天线单元100于电场(E)平面以及磁场(H)平面在66GHz的天线方向图。图7b为天线单元100在66GHz的微小背向辐射特性。如图6a、图6b、图7a以及图7b所显示的，本发明实施例的天线单元提供了大于6dBi的增益峰值(peak gain)。在上述实施例中，该共振槽孔151以及该开口141呈矩形。然而，此并未限制本发明，该共振槽孔151以及该开口141亦可以为圆形、椭圆形或其他形状。

在上述实施例中，该馈入导体160为T字形。然而，此并未限制本发明。该馈入导体160埋设于该第二基板120之中，并为微带线(strip line)。然而，此并未限制本发明，馈入导体160亦可以应用其他形式的传输线。此外，该第二部分162的形状以及延伸方向亦可以改变。

在上述实施例中，该偶合金属层170设于该第四表面122之上。然而，此并未限制本发明。该偶合金属层170以及该馈入导体160亦可以位于同一平面。例如，该偶合金属层170以及该馈入导体160可同时位于该第四表面122之上。或者，该偶合金属层170可以被设于该第三表面121之上，而该馈入导体160可设于该第四表面122之上。

图8为本发明实施例的天线阵列模块200，其中，多个天线单元(不限于图8的四个)100位于与图2相同的第一基板110、第二基板120、第一导电层130以及第二导电层140之中，该多个天线单元100呈矩阵排列。在该天线阵列模块200中，多个天线单元100的每两个之间的隔离度因为导通穿孔150结构而被改善(大于15dB)。在此实施例中，多个天线单元100的每两个之间的间距约为0.5λ。本发明实施例的天线单元100或是天线阵列模块200可以轻易的透过低成本的标准印刷板电路制程而大量制作。

在本说明书以及权利要求中的序数“第一”、“第二”、“第三”等等，彼此之间并没有顺序上的先后，其仅仅用于标示区分两个具有相同名字的不同组件。

上述的实施例仅用来列举本发明的实施方式，以及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明的范畴。任何所属技术领域的技术人员依据本发明的精神而轻易完成的改变或均等性安排均属于本发明所主张的范围，本发明的权利范围应以权利要求为准。

Claims (17)

1.一种天线单元，其特征在于，所述的天线单元包括：

第一基板，包括第一表面以及第二表面，其中，所述的第一表面位于所述的第二表面对面；

第一导电层，设于所述的第一表面之上；

第二导电层，设于所述的第二表面之上，其中开口形成于所述的第二导电层之上，所述的开口具有开口边缘；

多个导通穿孔，形成于所述的第一基板之中并将所述的第一导电层电性连接所述的第二导电层，其中，所述的多个导通穿孔环绕所述的开口以定义共振槽孔；

馈入导体，于所述的开口上方延伸，并对所述的天线单元馈入无线信号；以及

偶合金属层，设于所述的开口上方，并与所述的馈入导体分离；

其中，所述的馈入导体和所述的偶合金属层不重叠；

其中，所述的天线单元更包括第二基板，所述的第二基板包括第三表面以及第四表面，所述的第三表面位于所述的第四表面对面，所述的偶合金属层设于所述的第四表面之上，且所述的馈入导体埋设于所述的第二基板之中。

2.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，一电场形成于所述的偶合金属层、所述的馈入导体以及所述的开口边缘之间，以加强相对于所述的第二导电层的斜向振荡方向。

3.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述的第三表面接触所述的第二导电层。

4.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述的馈入导体呈T字形，所述的馈入导体包括第一部分以及第二部分，所述的第二部分的一端连接所述的第一部分。

5.如权利要求4所述的天线单元，其特征在于，所述的偶合金属层呈矩形，并具有长轴，所述的馈入导体之所述的第一部分平行于所述的长轴。

6.如权利要求5所述的天线单元，其特征在于，所述的第一部分以及所述的偶合金属层之间的间距为0.15λ，λ为所述的无线信号的波长。

7.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述的开口呈矩形，所述的偶合金属层呈矩形。

8.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述的第一导电层与所述的第二导电层之间的高度为0.25λ，λ为所述的无线信号的波长。

9.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述的多个导通穿孔的每两个之间的间距小于λ/8，λ为所述的无线信号的波长。

10.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述的第一导电层以及所述的第二导电层为接地层。

11.一种天线阵列模块，其特征在于，所述的天线阵列模块包括：

第一基板，包括第一表面以及第二表面，其中，所述的第一表面位于所述的第二表面对面；

第一导电层，设于所述的第一表面之上；

第二导电层，设于所述的第二表面之上；以及

多个天线单元，所述的多个天线单元呈矩阵排列，每个天线单元包括开口、多个导通穿孔、馈入导体和偶合金属层，其中，所述的开口形成于所述的第二导电层之上，所述的开口具有开口边缘，所述的多个导通穿孔形成于所述的第一基板之中并将所述的第一导电层电性连接所述的第二导电层，所述的多个导通穿孔环绕所述的开口以定义共振槽孔，所述的馈入导体于所述的开口上方延伸，并对所述的天线单元馈入无线信号，所述的偶合金属层设于所述的开口上方，并与所述的馈入导体分离；其中，所述的馈入导体和所述的偶合金属层不重叠，所述的天线阵列模块更包括第二基板，其中，所述的第二基板包括第三表面以及第四表面，所述的第三表面位于所述的第四表面对面，每个天线单元的所述的偶合金属层设于所述的第四表面之上，每个天线单元的所述的馈入导体埋设于所述的第二基板之中。

12.如权利要求11所述的天线阵列模块，其特征在于所述的第三表面接触所述的第二导电层。

13.如权利要求11所述的天线阵列模块，其特征在于，每个天线单元的所述的馈入导体呈T字形，每个天线单元的所述的馈入导体包括第一部分以及第二部分，所述的第二部分的一端连接所述的第一部分。

14.如权利要求13所述的天线阵列模块，其特征在于，每个天线单元的所述的偶合金属层呈矩形，并具有长轴，每个天线单元的所述的馈入导体的所述的第一部分平行于所述的长轴。

15.如权利要求11所述的天线阵列模块，其特征在于，每个天线单元的所述的开口呈矩形，每个天线单元的所述的偶合金属层呈矩形。

16.如权利要求11所述的天线阵列模块，其特征在于，所述的第一导电层以及所述的第二导电层为接地层。

17.一种天线单元，其特征在于，所述的天线单元包括：

第一基板，包括第一表面以及第二表面，其中，所述的第一表面位于所述的第二表面对面；

导电层，设于所述的第二表面之上，其中开口形成于所述的导电层之上；

共振槽孔，形成于所述的第一基板之中，并环绕所述的开口，其中，所述的共振槽孔电性连接于所述的导电层；

馈入导体，于所述的开口上方延伸，并对所述的天线单元馈入无线信号；以及

偶合金属层，设于所述的开口上方，并与所述的馈入导体分离；

其中，所述的馈入导体和所述的偶合金属层不重叠；

其中，所述的天线单元更包括第二基板，所述的第二基板包括第三表面以及第四表面，所述的第三表面位于所述的第四表面对面，所述的偶合金属层设于所述的第四表面之上，且所述的馈入导体埋设于所述的第二基板之中。