CN107611591B - 电子切换波束方向数组天线 - Google Patents

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Abstract

本发明是提供一种电子切换波束方向数组天线。前述天线的共平面馈线设于基板的金属面上，而其开槽型天线斜向设置于金属面并设于共平面馈线的至少一侧。各个开槽型天线的开槽型耦合段设于开槽型天线一端以及邻近共平面馈线，以使开槽型天线耦合连接共平面馈线。而开槽型天线的开关组件则设于开槽型天线的一端以及由金属面形成的接地面之间。而当开关组件被致能时可配置开槽型天线辐射特征，并达到设定数组天线波束方向的目的。

Description

电子切换波束方向数组天线
技术领域
本发明是一种数组天线，尤指一种可透过电子控制电子切换波束方向的数组天线。
背景技术
在新一代的通讯系统中，多透过波束可调数组天线来调整辐射场型的波束方向，以有效的分配自由空间中的无线带宽以及无线通信功率。
现有的波束可调数组天线可透过为被动式方案以及主动式方案实现。被动式方案大多透过巴特勒矩结构，并搭配开关电路来产生多个不同相位的信号并将其馈入各个天线端，以达到调整波束的目的，然而巴特勒矩阵结构体积相当的大，使得被动式波束可调数组天线在安装上常处处受限。
主动式方案则是在特定天线的前端配置相位控制器，并透过设定各个天线相位以及振幅来调整数组天线的波束方向。由于相位控制器的制作复杂度相当的高，而使得波束可调数组天线成本始终居高不下。
综上所述，如可提供一种具波束方向控制并可解决前述方案问题的数组天线乃本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
为解决前揭的问题，本发明的目的是提供一种具备波束方向控制的数组天线。
为达上述目的，本发明提出一种电子切换波束方向数组天线。前述的天线包含共平面馈线以及多个开槽型天线。前述的共平面馈线设于一基板的一金属面上，前述的开槽型天线斜向设置于金属面，以及设于共平面馈线的至少一侧。各个开槽型天线进一步包含开槽型耦合段以及开关组件，开槽型耦合段设于开槽型天线的一端以及邻近共平面馈线，以使开槽型天线耦合连接共平面馈线。而开关组件则设于开槽型天线的一端以及由金属面形成的接地面之间。其中各开关组件在被致能下配置开槽型天线辐射特征，以设定数组天线的波束方向。
综上所述，相较于前述数组天线的复杂结构，本发明提供较为简洁的天线数组结构，而使用端可透过致能开关组件即能有效的调整波束方向。
附图说明
图1为本发明的第一实施例电子切换波束方向数组天线的结构示意图。
图2及图3为单一开槽型天线的示意图。
图4及图5分为本发明第一实施例电子切换波束方向数组天线于状态1以及状态2时反射损耗拟的模拟图以及实际量测图。
图6及图7为本发明第一实施例电子切换波束方向数组天线于状态1以及状态2于XZ平面(铅垂面)的场型模拟图以及实际量测图。
图8为本发明第二实施例电子切换波束方向数组天线的结构示意图。
图9为本发明第二实施例的开路型开槽组件以及终端开槽型天线结构示意图。
图10～图17为本发明第二实施例在各天线间距下馈入端相对于终端的S参数模拟图以及量测图。
图18～图21为本发明第二实施例电子切换波束方向数组天线于各天线群组的场型示意图。
图22为本发明第三实施例电子切换波束方向数组天线的结构示意图。
图23～26为本发明第三实施例的圆极化场型图。
[附图标记说明]
Wsub、Lg-基板宽度，d-基板长度，Wg-基板金属面宽度，d1～d4-天线间距，Wf、Le、Sg、dcp-间距，W-开槽型天线宽度，L-开槽型天线长度，Sw-开槽型天线馈入端至开关组件的长度，1-电子切换波束方向数组天线，10-基板，101-第一面，102-第二面，11-共平面馈线，11A-第一共平面馈线，11B-第二共平面馈线，110-馈入端，111-终端，12-开槽型天线，120-天线馈入端，121-天线终端，13-开槽型耦合段，141-第一贯孔，142-第二贯孔，15-开路型开槽组件，16-终端开槽型天线，17-开关组件，171-偏压电感，1710-偏压端，172-射频二极管，173-电容，18-反射板。
具体实施方式
以下将描述具体的实施例以说明本发明的实施态样，惟其并非用以限制本发明所欲保护的范畴。
请参阅图1，其为本发明第一实施例电子切换波束方向数组天线1的结构示意图。前述的电子切换波束方向数组天线1包含共平面馈线(coplanar feedline)11以及多个开槽型天线(slot antenna)12。共平面馈线11设于基板10的第一面101(金属面)上。而开槽型天线12则是斜向设置于第一面101(金属面)，并设于共平面馈线11的至少一侧。
各个开槽型天线12更包含开槽型耦合段13以及开关组件17(图2)。开槽型耦合段13设于开槽型天线12的一端以及邻近共平面馈线11，以使开槽型天线12耦合连接共平面馈线11，而开关组件17设于开槽型天线的一端(靠近天线终端121)以及由金属面形成的接地面之间(由第二贯孔142连接至第一面101的金属面，其开槽型天线12可透过设定其几何长度或者开关组件17于开槽型天线12上的位置来设定操作频段。
为增加天线的指向性，可在相距基板10第二面102(图2，第一面101的反面)一定距离位置处设置反射组件(例如：金属板)，来增加天线的指向性。
前述的开槽型天线12是由共平面馈线11往共平面馈线11的终端111方向延伸形成，而开槽型天线12与共平面馈线11的夹角用于设定天线的极化特性。于另一实施例中，其夹角为45度或接近45度，或可依使用端的需求调整。
而各开关组件17被致能(enable)时则能配置开槽型天线辐射特征，以设定数组天线的波束方向。进一步说明，当开关组件17被致能而导通时，开槽型天线12与开关组件17连接处会导通至接地面，并改变此开槽型天线12的辐射长度(由天线馈入端120到开关组件17位置的长度)，而影响该开槽型天线12于特定频段的辐射效率，或设定此开槽型天线12的工作频率。
请接着参阅图2及图3，其为单一开槽型天线12的示意图。前述开槽型耦合段13的纵向轴线是平行于共平面馈线11的纵向轴线。于另一实施中，开槽型耦合段13是为长方型的槽孔，并与斜向设置的开槽型天线12一端合并成开槽结构。前述开槽型耦合段13用于阻抗匹配开槽型天线12以及共平面馈入段；此外，使用端可透过调整共平面馈线11耦合至开槽型耦合段13的距离、开槽型耦合段13的长度、宽度来调整耦合量、共振频率等。
前述的开关组件17可透过射频开关、射频二极管172实现。于另一实施例中，前述的开关组件17是透过射频二极管172、电容173以及偏压电感171形成的等效开关，前述组件是设于基板10的第二面102(背面)，偏压电感171的一端是连接偏压端1710(例如：控制电路的控制端口)，而另一端是连接电容173以及射频二极管172的一端。电容173以及射频二极的另一端是透过第二贯孔142连接至第一面101的接地面。而当使用端透过偏压电感171提供一直流电压时，可导通前述的射频二极管172来设定开槽型天线的辐射特征，以配置各个开槽型天线12的运作(调整天线的辐射长度、操作频段)。
前述共平面馈线11的终端111更设有开路型开槽组件15以及终端开槽型天线16。当由共平面馈线11的馈入端110输入的信号行进至终端111时，信号受到开路型开槽组件15的影响，信号电流会流往终端开槽型天线16。于第一实施例中，开路型开槽组件15是采用扇型开槽组件，其扇型的展开角度为90度，长度约为1/4操作频率波长(16.72mm)；而终端开槽型天线16的长度为42mm、宽度为4.3mm。前述的开路型开槽组件15以及终端开槽型天线16是分别设于共平面馈线11的二侧。
为连接被共平面结构分隔的接地面，更于共平面馈线11的二侧设置第一贯孔141，并透过跨线连接二侧的第一贯孔141。于另一实施例中，前述的跨线是设于基板10的第二面102(图未示出)。
前述串接的开槽型天线12依间距交错的划分成多个天线群组。而当工作频率操作于2500MHz～2690MHz、基板10为玻璃纤维(FR4)、射频二极管172选用Skyworks公司的SMP1345 079LF PIN DIODE、电容173的容值为2.4pF、偏压电感171感值为12nH，则图1～图3的各个参数如表1及表2所示：
表1：天线几何尺寸参数
W<sub>g</sub> W<sub>sub</sub> H L W S<sub>w</sub> L<sub>c</sub> W<sub>c</sub> S
117 137 30 34 3.8 28 8 0.8 0.3
(单位：mm)
表2：天线几何尺寸参数
d d<sub>1</sub> d<sub>2</sub>
259 51 63
(单位：mm)
其中，Wg为基板10第一面101(金属面)的宽度、Wsub为基板10的宽度、d为基板10的长度、H为基板10至反射组件(位于第二面102的方向，图未示出)的距离、L为开槽型天线12长度、W为开槽型天线12宽度、Sw为开槽型天线12的天线馈入端120至开关组件17的长度、Lc为开槽型耦合段13的长度、Wc为开槽型耦合段13的宽度、S为开槽型耦合段13至共平面馈线11的距离、d1及d2为各个天线群组的间距。
于第一实施例中，前述串接的开槽型天线12依间距交错的划分成多个天线群组，并将相距d1的为开槽型天线12定义为天线群组的状态2(state 2)、将相距d2的为开槽型天线12定义为天线群组的状态1(state 1)，并透过致能各个群组天线的开关组件17达到波束控制的目的。
请参阅图4及图5，分别为第一实施例电子切换波束方向数组天线1于状态1以及状态2反射损耗(Return loss，S11)模拟图(simulation，平滑线段)以及实际量测图(measurement，方型节点线段)。由图4以及图5可证明第一实施例的天线可操作于2500MHz～2690MHz。
请参阅图6及图7，分别为第一实施例电子切换波束方向数组天线1于状态1以及状态2在XZ平面(铅垂面)的场型模拟图(simulation)以及实际量测图(measurement)。于状态1中，模拟图为方型节点线段、量测图为平滑线段；于状态2中，模拟图为平滑线段、量测图为方型节点线段。由图6以及图7可证明第一实施例的天线具备切换波束方向的能力。而电子切换波束方向数组天线1于状态1以及状态2的参数如表3所示：
表3
Figure BDA0001152154320000051
Figure BDA0001152154320000061
请参阅图8，其为本发明第二实施例电子切换波束方向数组天线1的结构示意图。第二实施例是与第一实施相似，惟其差异在于第二实施例的共平面馈线11进一步包含第一共平面馈线11A以及第二共平面馈线11B，且开槽型天线12是分别设于第一共平面馈线11以及第二共平面馈线11的一侧，前述的第一共平面馈线11A以及第二共平面馈线11B所属的开槽型天线12可调整各个天线群组的几何长度，以让电子切换波束方向数组天线1具有至少一个操作频带，于本实施例中是配置电子切换波束方向数组天线1操作于双频带。其天线几何尺寸参数如表4所示：
表4：天线几何尺寸参数
L<sub>g</sub> W<sub>g</sub> S<sub>g</sub> W<sub>f</sub> L<sub>e</sub> S d<sub>1</sub> d<sub>2</sub> d<sub>3</sub> d<sub>4</sub>
356 87 35.2 58.5 45.05 0.3 51.48 63 77.22 94.5
(单位：mm)
请参阅图9，其为第二实施例开路型开槽组件15以及终端开槽型天线16的结构示意图。于此实施例中，开路型开槽组件15是为长方型开槽组件，其开路型开槽组件15以及终端开槽型天线16尺寸如表5所示：
表5：天线几何尺寸参数
L<sub>g</sub> W<sub>g</sub> W<sub>sub</sub> H L S<sub>w</sub> T W
96 87 107 30 51 34.19 20 3
(单位：mm)
前述的W为开路型开槽组件15的宽度、T为开路型开槽组件15的长度、Lg为基板10于终端111部的长度、Wg为基板10于终端111部的宽度、Wsub为反射板18的宽度、H为基板10与反射板18的距离、L为终端开槽型天线16的长度、Sw为共平面馈线11至终端开槽型天线16上开关组件17的距离、Sg为上下二组子天线其金属面的间距。
请接着参阅图10～17，其为天线间距为d1～d4的群组，馈入端110(埠1)相对于终端111(埠2)的S参数模拟图以及量测图。S11模拟图为方型节点的虚线段、S11量测图为方型节点的实线段、S21模拟图为圆型节点的虚线段、S21量测图为方型节点的实线段。S22模拟图为方型节点的虚线段、S22量测图为方型节点的实线段、S12模拟图为圆型节点的虚线段、S12量测图为方型节点的实线段。相关参数说明如表6所示：
表6：图式参数说明
图式 天线间距 S参数
图10 d<sub>1</sub> S11、S21
图11 d<sub>1</sub> S22、S12
图12 d<sub>2</sub> S11、S21
图13 d<sub>2</sub> S22、S12
图14 d<sub>3</sub> S11、S21
图15 d<sub>3</sub> S22、S12
图16 d<sub>4</sub> S11、S21
图17 d<sub>4</sub> S22、S12
第二实施例的电子切换波束方向数组天线1透过配置二组开槽型天线12的几何长度或开关组件17于开槽型天线12的位置，以具有双频(1800MHz以及2600MHz)操作的特性。请参阅图18～图21，分别为第二实施例电子切换波束方向数组天线1各天线群组的于高频操作(2600MHz)的场型示意图。方型节点虚线段为模拟图，方型节点实线段为量测图。为方便说明，本发明第二实施例仅以高频段的场型进行说明，惟电子切换波束方向数组天线1于低频段亦具有可切换波束方向的能力。各天线群组以及相对的图式说明如表7所示；
表7
图式 天线间距
图18 d<sub>1</sub>
图19 d<sub>2</sub>
图20 d<sub>3</sub>
图21 d<sub>4</sub>
请参阅图22，其为本发明第三实施例电子切换波束方向数组天线1结构示意图。第三实施例是与第一实施相似，惟其差异在于第三实施例的开槽型天线12是设于共平面馈线11的二侧，以配置天线的极化特性(线性极化、圆极化…等)。进一步说明，若欲提供线性极化特性时，则开槽型天线12是对称的设置于共平面馈线11的二侧，若欲提供圆极化特性时，则开槽型天线12是前后的交错设于共平面馈线11的二侧。第三实施例其天线的几何尺寸(采圆极化设计)如表8所示，其dcp为开槽型耦合段13间的间距。
表8：圆极化架构的天线几何尺寸参数(单位：mm)
d<sub>cp</sub> L W S<sub>w</sub> d<sub>1</sub> d<sub>2</sub>
13 34 3.8 26 51 63
请参阅图23～26，其为间距为d1及d2的天线群组的场型图。圆型节点虚线段为左手圆极化(LHCP)的场型图、圆型节点实线段为右手圆极化(RHCP)的场型图，由图式内容可证明本案第三实施例的天线具备圆极化天线特性，其图式细部说明如表9所示：
表9
图式 天线间距 场型
图23 d<sub>1</sub> XY平面(水平面)
图24 d<sub>1</sub> XZ平面(铅直面)
图25 d<sub>2</sub> XY平面(水平面)
图26 d<sub>2</sub> XZ平面(铅直面)
上列详细说明是针对本发明的一可行实施例的具体说明，惟该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (9)

1.一种电子切换波束方向数组天线，包含：
共平面馈线，设于一基板的一金属面上；
多个开槽型天线，斜向设置于该金属面，以及设于该共平面馈线的至少一侧，各该开槽型天线更包含：
第一开槽型耦合段，邻近该共平面馈线；
第二开槽型耦合段，设于该开槽型天线的一端以及邻近该共平面馈线，以使该开槽型天线耦合连接该共平面馈线，且该第一开槽型耦合段与该第二开槽型耦合段于该共平面馈线二侧形成对称；
开关组件，设于该开槽型天线的另一端以及由该金属面形成的接地面之间；
其中，各该开关组件在被致能下配置该开槽型天线辐射特征，以设定数组天线的波束方向。
2.如权利要求1所述的电子切换波束方向数组天线，其中该多个开槽型天线前后的交错设于该共平面馈线的二侧。
3.如权利要求1所述的电子切换波束方向数组天线，其中该共平面馈线进一步包含第一共平面馈线以及第一共平面馈线，且该多个开槽型天线是分别设于该第一共平面馈线以及第二共平面馈线的一侧。
4.如权利要求2或3所述的电子切换波束方向数组天线，其中该多个开槽型天线是以该共平面馈线为轴线成对的配置于该金属面上。
5.如权利要求1、2或3所述的电子切换波束方向数组天线，其中该共平面馈线的终端更设有开路型开槽组件以及终端开槽型天线。
6.如权利要求1、2或3所述的电子切换波束方向数组天线，更包含至少一个跨线，以连接被该共平面馈线隔离的该接地面。
7.如权利要求1、2或3所述的电子切换波束方向数组天线，其中该多个开槽型耦合段的纵向轴线是平行于该共平面馈线的纵向轴线。
8.如权利要求1、2或3所述的电子切换波束方向数组天线，其中该多个开槽型天线是由该共平面馈线往该共平面馈线的终端延伸排布。
9.如权利要求8所述的电子切换波束方向数组天线，其中该多个串接的开槽型天线依间距交错的划分成多个天线群组。
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