CN109212515A - 主动式相位切换阵列 - Google Patents
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Abstract
一种主动式相位切换阵列包含复数个天线单元及偏压电路，各该天线单元具有天线、功率耦合网络及注入锁定振荡器，且各该天线单元经由这些功率耦合网络相互耦接，使得各该天线单元的该注入锁定振荡器不但可操作于自我注入锁定状态也可操作于交互注入锁定状态。各该天线单元处于自我注入锁定状态时可用以侦测生物体的生命征象，各该天线单元处于交互注入锁定状态时可让各该天线单元发射的讯号间产生相位差而形成波束，让该主动式相位切换阵列可同时侦测多个生物体的生命征象。
Description
技术领域
本发明是关于一种相位阵列，特别是关于一种主动式相位切换阵列。
先前技术
相位阵列(Phased array)经常应用于通讯系统或探索雷达，相位阵列具有天线阵列，由此控制各个天线发出的讯号的相位，可以强化这些讯号于一指定方向的强度，并抑制讯号于其他方向的强度而实现波束成形(Beamforming)的技术，因此，将形成的波束覆盖于目标通讯装置或物体可降低该波束对其他装置的干扰或是环境杂波对该相位阵列的影响，以强化其通讯或探索的能力。
请参阅图1，为一种被动式相位阵列200的示意图，该被动式相位阵列200具有复数个天线单元210及传接模块220，这些天线单元210透过功率分配器耦接该传接模块220，其中各该天线单元210具有天线211、放大器212及相位位移器213，其中各个讯号经由功率分配器传送至各该天线单元210，接着经由该相位位移器213的相移后由该放大器212放大，最后这些讯号由该天线211发射，透过各该天线单元210的该相位位移器213对各该讯号的相移让这些讯号相互迭加及抵销而形成波束，虽然该被动式相位阵列200可以由此产生任意方向及宽度的波束，但由于本架构需要较多的主动控制组件对各该讯号进行控制，将导致整体系统的功率消耗、控制复杂度及制作成本的提高。
发明内容
本发明的主要目的在于通过这些天线单元之间的交互注入锁定，让各该天线单元的输出讯号产生相位差而形成波束，此外，各该天线单元同时透过自我注入锁定而处在自我注入锁定状态，而对生物体的振动相当敏感，以借此侦测生物体的生命征象。
本发明的一种主动式相位切换阵列包含复数个天线单元及偏压电路，各该天线单元具有天线、功率耦合网络及注入锁定振荡器，该功率耦合网络耦接该天线及该注入锁定振荡器，该注入锁定振荡器输出的输出讯号经由该功率耦合网络传送至该天线，该天线将该输出讯号发射至生物体，该生物体反射反射讯号，该反射讯号被该天线接收并经由该功率耦合网络传送至该注入锁定振荡器，使该注入锁定振荡器处于自我注入锁定状态(Se lf-inject ion-locked state)，其中该功率耦合网络耦接另一天线单元的该功率耦合网络，使另一天线单元的该注入锁定振荡器输出的该输出讯号经由这些功率耦合电路传送至该天线单元的该注入锁定振荡器，使该注入锁定振荡器处于交互注入锁定状态(Mutua l-inject ion-locked state)，该偏压电路输出复数个调制电压至各该天线单元的该注入锁定振荡器，以控制各该注入锁定振荡器的该输出讯号的自由振荡频率，这些天线发射的该输出讯号形成可调方向的波束。
本发明的该主动式相位切换阵列通过各该天线单元的自我注入锁定，而可用以侦测该生物体的生命征象，并通过该天线单元之间的交互注入锁定使得各该天线单元发射的该输出讯号间产生相位差，而可达成波束成形的技术，让该主动式相位切换阵列可同时侦测多个生物体的生命征象。
附图简单说明
图1：先前技术的一种被动式相位阵列的示意图。
图2：依据本发明的第一实施例，主动式相位切换阵列的示意图。
图3：依据本发明的该第一实施例，这些天线单元的自我注入锁定的示意图。
图4：依据本发明的该第一实施例，这些天线单元的交互注入锁定的示意图。
图5：依据本发明的第二实施例，主动式相位切换阵列的示意图。
图6：依据本发明的该第二实施例，这些天线单元的自我注入锁定的示意图。
图7：依据本发明的该第二实施例，这些天线单元的交互注入锁定的示意图。
图8：依据本发明的第三实施例，主动式相位切换阵列的示意图。
图9：依据本发明的该第三实施例，这些天线单元的自我注入锁定的示意图。
图10：依据本发明的该第三实施例，这些天线单元的交互注入锁定的示意图。
图11：依据本发明的第四实施例，主动式相位切换阵列的示意图。
图12a至12c：本发明的该主动式相位切换阵列对三位并坐的受测者进行生理征象侦测的实测结果。
实施方式
请参阅图2，为本发明的第一实施例，一种主动式相位切换阵列100的电路示意图，该主动式相位切换阵列100包含复数个天线单元110、偏压电路120、解调电路130及放大器140，该偏压电路120耦接这些天线单元110，该解调电路130经由该放大器140耦接该天线单元110。在其他实施例中，若各该天线单元110的输出功率够大或是该解调电路130的灵敏度够高，则可不须该放大器140。
请参阅图2，在本实施例中，该主动式相位切换阵列100是以三个天线单元110为例，在其他实施例中，该主动式相位切换阵列100可包含有两个或三个以上的该天线单元110。其中，各该天线单元110具有天线111、功率耦合网络112及注入锁定振荡器113，该功率耦合网络112具有功率分配器112a，各该功率分配器112a具有第一端口p1、第二端口p2、第三端口p3及第四端口p4，该功率分配器112a的该第一端口p1耦接该注入锁定振荡器113，该功率分配器112a的该第二端口p2耦接该天线111，该功率分配器112a的该第三端口p3耦接另一功率分配器112a的该第四端口p4。
请参阅图2，该偏压电路120输出复数个调制电压VC1、VC2及VC3至各该天线单元110的该注入锁定振荡器113，以控制各该注入锁定振荡器113的的自由振荡频率。各该注入锁定振荡器113输出的输出讯号SO经由该功率分配器112a传送至该天线111，该天线111将该输出讯号SO发射至生物体O，该生物体O反射反射讯号R，该反射讯号R被各该天线111接收并经由该功率耦合网络112传送至该注入锁定振荡器113，使该注入锁定振荡器113处于自我注入锁定状态(Se l f-inject ion-locked state)，此外，由于各该功率分配器112a相互耦接，因此，其中的注入锁定振荡器113的该输出讯号SO经由该功率分配器112a及另一个该功率分配器112a传送至另一个该注入锁定振荡器113，使另一个该注入锁定振荡器113处于交互注入锁定状态(Mutua l-inject ion-locked state)。
请参阅图2，透过这些自我交互-注入锁定振荡器113之间的交互注入锁定，可让各该注入锁定振荡器113输出的该输出讯号SO间产生相位差，而在这些天线111发射这些输出讯号SO时形成可调方向的波束B，因此，通过该偏压电路120对各该输出讯号SO的自由振荡频率的控制，可改变形成的该波束B的方向，而能对多个该生物体O进行侦测。
请参阅图3，为第一实施例的这些注入锁定振荡器113的自我注入锁定路径的示意图，各该注入锁定振荡器113产生的该输出讯号SO传送至各该功率分配器112a的该第一端口p1，并由各该功率分配器112a的该第二端口p2输出而传送至各该天线111，各该天线111发射该输出讯号SO，这些输出讯号SO形成该波束B并朝向该生物体O发射，使该生物体B反射该反射讯号R，其中该反射讯号R含有该生物体B的生命征象造成的都普勒相移成份。该反射讯号R被这些天线111接收，并由各该功率分配器112a的该第二端口p2接收，最后该反射讯号R由各该功率分配器112a的该第一端口p1输出并注入各该注入锁定振荡器113而对各该注入锁定振荡器113的该输出讯号SO进行频率调制，使各该注入锁定振荡器113处于该自我注入锁定状态，因此，对该注入锁定振荡器113输出的该输出讯号SO进行频率解调及频谱分析即可得到该生物体O的生命征象。
请参阅图4，为第一实施例的这些注入锁定振荡器113的交互注入锁定路径的示意图，以左侧及中间的该天线单元110为例，左侧的该注入锁定振荡器113的该输出讯号SO经由左侧的该功率分配器112a及中间的该功率分配器112a注入中间的该注入锁定振荡器113，且中间的该注入锁定振荡器113输出的该输出讯号SO也经由中间的该功率分配器112a及左侧的该功率分配器112a注入左侧的该锁定振荡器113，使得这些注入锁定振荡器113均可处于交互注入锁定状态。其中这些注入锁定振荡器113之间的交互注入锁定可改变各该注入锁定振荡器113的该输出讯号SO间的相位差，而能使该主动式相位切换阵列100具有波束成形的功效，由此让该主动式相位切换阵列100在不移动的情况下扫描多个生物体O，并进而得到多个生物体O的生命征象。
请再参阅图2，在本实施例中，该解调电路130经由该放大器140耦接至最右侧的该功率分配器112a的该第三端口p3，以接收频率调制讯号SM，而最左侧的该功率分配器112a的该第四端口p4耦接匹配负载L，或在其他实施例中，最左侧的该功率分配器112a的该第四端口p4也耦接至该解调电路130，使该解调电路130接收另一频率调制讯号进行频率解调，可减少该解调电路130中的功率分配器及低噪声放大器的使用，本发明不在此限。在本实施例中，该频率调制讯号SM为最右侧的该天线单元110的该输出讯号SO，由于最右侧的该天线单元110的该注入锁定振荡器113也受到该反射讯号R的自我注入锁定，因此该解调电路130接收的该频率调制讯号SM包含了该生物体O的振动所造成的都普勒相移量，而可通过该解调电路130对该频率调制讯号SM的处理分析得到该生物体O的振动信息，进而解析该生物体O的生命征象，在本实施例中，该解调电路130为延迟式频率鉴别器(De l ay l inefrequency d i scr iminator)。
请参阅图5，为本发明的第二实施例，其与第一实施例的差异在于各该天线单元110的该功率耦合网络112具有功率分配器112a及方向耦合器112b，其中该方向耦合器112b具有输入端口pi、输出端口po、第一耦合端口pc1及第二耦合端口pc2，该功率分配器112a具有第一端口p1、第二端口p2及第三端口p3，该输入端口pi耦接该注入锁定振荡器113的讯号输出端口113a，该输出端口po耦接该注入锁定振荡器113的注入端口113b，该第一耦合端口pc1耦接该功率分配器112a的该第一端口p1，该功率分配器112a的该第二端口p2耦接该天线111，该方向耦合器112b的该第二耦合端口pc2耦接另一功率分配器112a的该第三端口p3。
请参阅图6，为第二实施例的这些注入锁定振荡器113的自我注入锁定路径的示意图，其中各该注入锁定振荡器113由该讯号输出端口113a输出该输出讯号SO至该方向耦合器112b的该输入端口pi，该输出讯号SO由该第一耦合端口pc1输出并经由该功率分配器112a传送至该天线111，这些天线111将该输出讯号SO发射并形成波束B至该生物体O，该生物体O反射反射讯号R，该反射讯号R被这些天线111接收，该反射讯号R经由该功率分配器112a传送至该方向耦合器112b的该第一耦合端口pc1并由该输出端口po输出，最后该反射讯号R注入该注入锁定振荡器113的该注入端口113b，使这些注入锁定振荡器113处于自我注入锁定状态。相同地，由于该反射讯号R具有该生物体O振动造成的都普勒相移量，因此，请参阅图6，在本实施例中，该解调电路130耦接至最右侧的该方向耦合器112b的该第二耦合端口pc2，以接收频率调制讯号SM，该解调电路130用以对该频率调制讯号SM解调，以进而得到该生物体O的该生命征象，此外，最左侧的该功率分配器112a的该第三端口p3耦接匹配负载L，或在其他实施例中，最左侧的该功率分配器112a的该第三端口p3也耦接至该解调电路130，使该解调电路130接收另一频率调制讯号进行频率解调，可减少该解调电路130中的功率分配器及低噪声放大器的使用。
请参阅图7，为第二实施例的这些注入锁定振荡器113的交互注入锁定路径的示意图，以左侧及中间的该天线单元110为例，左侧的该注入锁定振荡器113的该输出讯号SO输入左侧的该方向耦合器112b的该输入端口pi并由左侧的该第二耦合端口pc2输出至中间的该天线单元110的该功率分配器112a，最后由中间的该方向耦合器112b注入中间的该注入锁定振荡器113，相对地，中间的该注入锁定振荡器113所输出的该输出讯号SO也经由中间的该方向耦合器112b、中间的该功率分配器112a及左侧的该方向耦合器112b注入左侧的该注入锁定振荡器113，使得这些注入锁定振荡器113均可处于交互注入锁定状态。其中这些注入锁定振荡器113之间的交互注入锁定可改变各该注入锁定振荡器113的该输出讯号SO间的相位差，而能使该主动式相位切换阵列100具有波束成形的功效，由此让该主动式相位切换阵列100在不移动的情况下扫描多个生物体O。在本实施例中，该方向耦合器112b为复合式方向耦合器，该方向耦合器112b的该第一耦合端口pc1及该第二耦合端口pc2之间的相位差为90度，可让各该注入锁定振荡器113输出的该输出讯号SO之间产生相位差。
请参阅图8，为本发明的第三实施例，其与第一实施例的差异在于各该天线单元110的该功率耦合网络112具有方向耦合器112b、第一功率分配器112c及第二功率分配器112d，该方向耦合器112b具有输入端口pi、输出端口po、第一耦合端口pc1及第二耦合端口pc2，该第一功率分配器112c具有第一端口p1、第二端口p2及第三端口p3，该第二功率分配器112d具有第四端口p4、第五端口p5及第六端口p6，该输入端口pi耦接该注入锁定振荡器113的讯号输出端口113a，该输出端口po耦接该注入锁定振荡器113的注入端口113b，该第一耦合端口pc1耦接该第一功率分配器112c的该第一端口p1，该第一功率分配器112c的该第二端口p2耦接该天线111，该第一功率分配器112c的该第三端口p3耦接匹配负载L，该方向耦合器112b的该第二耦合端口pc2耦接该第二功率分配器112d的该第四端口p4，该第二功率分配器112d的该第五端口p5耦接该天线111，该第二功率分配器112d的该第六端口p6耦接另一第一功率分配器112c的该第三端口p3。
请参阅图9，为第三实施例的这些注入锁定振荡器113的自我注入锁定路径的示意图，其中各该注入锁定振荡器113由该讯号输出端口113a输出该输出讯号SO至该方向耦合器112b的该输入端口pi，该输出讯号SO由该第一耦合端口pc1及该第二耦合端口pc2输出，并分别经由该第功率分配器112c及该第二功率分配器112d传送至该天线111，这些天线111将该输出讯号SO发射并形成波束B至该生物体O，该生物体O反射反射讯号R，该反射讯号R被这些天线111接收，该反射讯号R分别经由该第一功率分配器112c及该第二功率分配器112d传送至该方向耦合器112b的该第一耦合端口pc1及该第二耦合端口pc2并由该输出端口po输出，最后该反射讯号R注入该注入锁定振荡器113的该注入端口113b，使这些注入锁定振荡器113处于自我注入锁定状态。相同地，由于该反射讯号R具有该生物体O的振动信息，因此，在本实施例中，该解调电路130耦接至最右侧的该方向耦合器112b的该第二功率分配器112d的该第六端口p6，以接收频率调制讯号SM，该解调电路130用以对该频率调制讯号SM解调，以进而得到该生物体O的该生命征象讯号，或在其他实施例中，最左侧的该第一功率分配器112c的该第三端口p3也耦接至该解调电路130，使该解调电路130接收另一频率调制讯号进行频率解调，可减少该解调电路130中的功率分配器及低噪声放大器的使用。
请参阅图9，在本实施例中，由于各该天线单元110的该输出讯号SO经由方向耦合器112b、该第一功率分配器112c及该第二功率分配器112d传送时，会有两个具有90度相位差的该输出讯号SO馈入该天线111，使得各该天线111发射出左手圆极化波至该生物体O，而该生物体O反射右手圆极化波至各该天线111，可有效的达到空间极化分集(Polarizationdiversity)的特性以增加整体系统的灵敏度。
请参阅图10，为第三实施例的这些注入锁定振荡器113的交互注入锁定路径的示意图，以左侧及中间的该天线单元110为例，左侧的该注入锁定振荡器113的该输出讯号SO输入左侧的该方向耦合器112b的该输入端口pi并由该第二耦合端口pc2输出至左侧的该第二功率分配器112d，并经由中间的该第一功率分配器112c及中间的该方向耦合器112b注入中间的该注入锁定振荡器113，相对地，中间的该天线单元110的该注入锁定振荡器113所输出的该输出讯号SO也经由中间的该方向耦合器112b、中间的该第一功率分配器112c、左侧的该第二功率分配器112d及左侧的该方向耦合器112b注入左侧的该注入锁定振荡器113，使得这些注入锁定振荡器113均处于交互注入锁定状态。其中这些注入锁定振荡器113之间的交互注入锁定可改变各该注入锁定振荡器113的该输出讯号SO间的相位差，而能使该主动式相位切换阵列100具有波束成形的功效，由此让该主动式相位切换阵列100能在不移动的情况下扫描多个生物体O。
请参阅图11，为本发明的第四实施例，其与第三实施例的差异在于各该天线单元110具有压控相移器114，各该天线单元110的该压控相移器114耦接该注入锁定振荡器113的该讯号输出端口113a及该方向耦合器112b的该输入端口pi，以分别对各该天线单元110的该注入锁定振荡器113输出的该输出讯号SO进行相位位移，本实施例是对第N个该天线单元110提供(N-1)×±90°的相位差，由此可让邻近的两个该天线单元110所发射的该输出讯号SO之间的相位差最大达到360°，可再进一步地改善该主动式相位切换阵列100的扫描范围，并在后续可搭配这些天线111及差场型技术，将这些天线111的场型的极点及零点在不同方位角间进行扫描并比对信息，以提升方位角分辨率。
请参阅第12a、12b及12c图，为本发明的该主动式相位切换阵列100侦测三位并坐的受测者的实验结果，其中三位并坐的各个受测者相距1公尺，且位于该主动式相位切换阵列100的扫描范围中，可以在12a、12b及12c图中可清楚看到三位受测者的呼吸及心跳所造成相移成份，可证明本发明的该主动式相位切换阵列100确实具有同时侦测多个生物体的生命征象讯号的功效。
本发明的该主动式相位切换阵列100通过各该天线单元110的自我注入锁定，而可用以侦测该生物体的生命征象，并通过该天线单元110之间的交互注入锁定使得各该天线单元110发射的该输出讯号SO间产生相位差，而可达成波束成形的技术，让该主动式相位阵列110可同时侦测多个生物体的生命征象。
本发明的保护范围当以权利要求书范围所界定的为准，任何熟知此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内所作的任何变化与修改，均属于本发明的保护范围。
符号说明
100主动式相位切换阵列 110天线单元
111天线 112功率耦合网络
112a功率分配器 112b方向耦合器
112c第一功率分配器 112d第二功率分配器
113注入锁定振荡器 113a讯号输出端口
113b注入端口 114压控相移器
120偏压电路 130解调电路
140放大器 200被动式相位阵列
210天线单元 211天线
212放大器 213相位位移器
220传接模块 B波束
p1第一端口 p2第二端口
p3第三端口 p4第四端口
p5第五端口 p6第六端口
pi输入端口 po输出端口
pc1第一耦合端口 pc2第二耦合端口
SO输出讯号 SM频率调制讯号
O生物体 R反射讯号
VC1、VC2、VC2调制电压 L匹配负载
Claims (13)
1.一种主动式相位切换阵列，其包含：
复数个天线单元，各该天线单元具有天线、功率耦合网络及注入锁定振荡器，该功率耦合网络耦接该天线及该注入锁定振荡器，该注入锁定振荡器输出的输出讯号经由该功率耦合网络传送至该天线，该天线将该输出讯号发射至生物体，该生物体反射反射讯号，该反射讯号被该天线接收并经由该功率耦合网络传送至该注入锁定振荡器，使该注入锁定振荡器处于自我注入锁定状态，其中该功率耦合网络耦接另一天线单元的该功率耦合网络，另一天线单元的该注入锁定振荡器输出的该输出讯号经由这些功率耦合电路传送至该天线单元的该注入锁定振荡器，使该注入锁定振荡器处于交互注入锁定状态；以及
偏压电路，输出复数个调制电压至各该天线单元的该注入锁定振荡器，以控制各该注入锁定振荡器的自由振荡频率，这些天线发射的该输出讯号形成可调方向的波束。
2.根据权利要求1所述的主动式相位切换阵列，其中各该天线单元的该功率耦合网络具有功率分配器，各该功率分配器具有第一端口、第二端口、第三端口及第四端口，其中该功率分配器的该第一端口耦接该注入锁定振荡器，该功率分配器的该第二端口耦接该天线，该功率分配器的该第三端口耦接另一功率分配器的该第四端口。
3.根据权利要求2所述的主动式相位切换阵列，其包含有解调电路，该解调电路耦接至其中的一该功率分配器的该第三端口，以接收频率调制讯号，该解调电路用以对该频率调制讯号解调，以得到生命征象讯号。
4.根据权利要求3所述的主动式相位切换阵列，其中该解调电路同时耦接至另一该天线单元的该功率分配器的该第四端口，以接收另一频率调制讯号，以通过两个该频率调制讯号进行解调。
5.根据权利要求1所述的主动式相位切换阵列，其中各该天线单元的该功率耦合网络具有方向耦合器及功率分配器，该方向耦合器具有输入端口、输出端口、第一耦合端口及第二耦合端口，该功率分配器具有第一端口、第二端口及第三端口，该输入端口耦接该注入锁定振荡器的讯号输出端口，该输出端口耦接该注入锁定振荡器的注入端口，该第一耦合端口耦接该功率分配器的该第一端口，该功率分配器的该第二端口耦接该天线，该方向耦合器的该第二耦合端口耦接另一该天线单元的该功率分配器的该第三端口。
6.根据权利要求5所述的主动式相位切换阵列，其包含有解调电路，该解调电路耦接至其中的一该方向耦合器的该第二耦合端口，以接收频率调制讯号，该解调电路用以对该频率调制讯号解调，以得到生命征象讯号。
7.根据权利要求6所述的主动式相位切换阵列，其中该解调电路同时耦接至另一该天线单元的该功率分配器的该第三端口，以接收另一频率调制讯号，以通过两个该频率调制讯号进行解调。
8.根据权利要求1所述的主动式相位切换阵列，各该天线单元的该功率耦合网络具有方向耦合器、第一功率分配器及第二功率分配器，该方向耦合器具有输入端口、输出端口、第一耦合端口及第二耦合端口，该第一功率分配器具有第一端口、第二端口及第三端口，该第二功率分配器具有第四端口、第五端口及第六端口，该输入端口耦接该注入锁定振荡器的讯号输出端口，该输出端口耦接该注入锁定振荡器的注入端口，该第一耦合端口耦接该第一功率分配器的该第一端口，该第一功率分配器的该第二端口耦接该天线，该方向耦合器的该第二耦合端口耦接该第二功率分配器的该第四端口，该第二功率分配器的该第五端口耦接该天线，该第二功率分配器的该第六端口耦接另一第一功率分配器的该第三端口。
9.根据权利要求8所述的主动式相位切换阵列，其包含有解调电路，该解调电路耦接至其中的一该第二功率分配器的该第六端口，以接收频率调制讯号，该解调电路用以对该频率调制讯号解调，以得到生命征象讯号。
10.根据权利要求9所述的主动式相位切换阵列，其中该解调电路同时耦接至另一该天线单元的该第一功率分配器的该第三端口，以接收另一频率调制讯号，以通过两个该频率调制讯号进行解调。
11.根据权利要求8所述的主动式相位切换阵列，其中各该天线单元具有压控相移器，各该天线单元的该压控相移器耦接该注入锁定振荡器的该讯号输出端口及该方向耦合器的该输入端口，以分别对各该天线单元的该注入锁定振荡器输出的该输出讯号进行相位位移。
12.根据权利要求5或8所述的主动式相位切换阵列，其中该方向耦合器为复合式方向耦合器Hybrid coupler。
13.根据权利要求1、5或8所述的主动式相位切换阵列，其中的一该天线单元的该功率耦合网络耦接匹配负载。
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