CN115566404A - 耦合式阵列天线及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种耦合式阵列天线及其装置，该耦合式阵列天线例如包括馈入网络层及多个设置在该馈入网络层上的平板天线，其中第一平板天线设置在该馈入网络层的上层，第二平板天线堆栈配置并耦合在该第一平板天线的上层，并通过微带线将两组所述耦合式阵列天线串联成为耦合式阵列天线装置。

Description

耦合式阵列天线及其装置
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种耦合式阵列天线和耦合式阵列天线装置。
背景技术
近年来无线通信技术的发展非常快速，而随着所要求的传输速度与传输量大幅的增加，信号传输所使用的频率也愈来愈高。在传输速度及传输量越大的装置或技术， 其使用的频率都已落于GHz的频段也就是毫米波的区域，因此毫米波将是下一代的主 要通信技术也即现称的5G系统，在所有的构件中负责连接各处理组件并传输信号的 液晶高分子板材(Liquid-crystal polymer，LCP)则是相当重要的角色。
在毫米波天线的设计上需要高指向与高增益特性，但目前的技术中，在电性上有增益不足以及波束宽度不足的缺点。为了改善上述的缺点，目前已有文献提出利用阵 列天线(Antenna array)来提高增益，但其带宽较窄，而传统的阵列天线需额外加工，因 此会增加制作成本与天线尺寸，因此这样的天线结构仍具有可改良的空间。
发明内容
本发明实施例提供一种耦合式阵列天线，针对频段在55～72.5GHz之间的毫米波，以在毫米波天线的设计上对需要高指向与高增益特性的问题进行解决，通过多层平板 天线耦合的结构，增加平板天线的增益并修正其带宽不足的问题。
本发明一实施提供的一种耦合式阵列天线，包括：一馈入网络层；多个平板天线，设置在该馈入网络层的上层；其中一第一平板天线，设置在该馈入网络层的上层；以及 一第二平板天线，堆栈配置并耦合在该第一平板天线的上层；以及其他平板天线依序堆 栈配置并耦合在其前一平板天线的上层。
在本发明的一个实施例中，该耦合式阵列天线还包括一多层电路基板，其中该馈入 网络层设置在第一层的表面上，该第一平板天线设置在第二层的表面上，该第二平板天线设置在第三层的表面上，以及该其他平板天线分别依序堆栈配置在对应的各层电路基板的上层，其中相邻的二层电路基板之间距离介于150um至250um。
在本发明的一个实施例中，该第二平板天线任意一边长度为该第一平板天线对应边 长度的85～95％。
在本发明的一个实施例中，该第一平板天线的面积大于该第二平板天线的面积。
在本发明的一个实施例中，该第一平板天线与该第二平板天线为相同几何形状的平 板天线。
在本发明的一个实施例中，该多个平板天线为方形、矩形、圆形、椭圆形、三角形、扇形、环型或环扇形中一种的几何形状平板天线。
在本发明的一个实施例中，该第一平板天线为一具有二分之一波长共振条件的平板 天线。
在本发明的一个实施例中，该第一平板天线具有一第一盲孔，且该第一盲孔直径小 于0.18mm。
在本发明的一个实施例中，该第二平板天线的波长为该第一平板天线的波长的0.9～0.99倍。
本发明另一实施提供一种耦合式阵列天线装置，包括上述任意一项所述的耦合式阵 列天线，并通过一微带线将两组所述耦合式阵列天线串联。
本发明的有益效果在于，虽然单一平板天线(patch)有高增益性，但其带宽不足，例如 在60GHz时天线增益为7.16dBi，其带宽比为5.3％，而为了增加天线的带宽，在单一平板天线上方200微米处，增加一个与原本大小0.93倍波长的平板天线架构，使用三层板 设计两组双层的平板天线，使平板天线与平板天线耦合，在60GHz时天线增益为6.9dBi， 其天线带宽可以增加到21.7％，而将单一平板天线上方增加一个耦合平板天线当作一组单 元天线，为了增加天线增益，将原本的单元天线再串接一组单元天线，在60GHz时天线 增益更可以增加到9.3dBi，天线带宽比为11.7％，当以一个1×8的馈入网络实现阵列天线。 天线带宽有大幅度的增加，通带涵盖57.06GHz到73GHz，天线增益可以接近16dBi。其 中，天线更使用软性板材液晶高分子(LCP)设计，液晶高分子特性具有较低损耗的特性， 且低吸水性使板材不易受潮变形。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要 使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些 实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
图1A为单层平板天线的俯视结构示意图。
图1B为单层平板天线的侧视结构示意图。
图2A为本发明一实施例提供的一种耦合式阵列天线的俯视结构示意图。
图2B为本发明一实施例提供的一种耦合式阵列天线的侧视结构示意图。
图3A为本发明另一实施例提供的一种耦合式阵列天线装置的俯视结构示意图。
图3B为本发明另一实施例提供的一种耦合式阵列天线装置的侧视结构示意图。
图4为本发明另一实施例提供的一种耦合式阵列天线及其装置的天线返回损耗频率响应示意图。
图5A为单层平板天线的3D辐射场型示意图。
图5B为本发明一实施例提供的一种耦合式阵列天线的3D辐射场型示意图。
图5C为本发明另一实施例提供的一种耦合式阵列天线装置的3D辐射场型示意图。
图6为本发明又一实施例提供的一种1×8耦合式阵列天线装置的结构示意图。
图7为本发明又一实施例提供的一种1×8耦合式阵列天线装置的天线返回损耗频率响应示意图。
图8为本发明又一实施例提供的一种1×8耦合式阵列天线装置的3D辐射场型示意图。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更清楚易懂，特举实施例并配合所附图式， 详细说明如下：
参见图1A和图1B，分别为单层平板天线的俯视和侧视结构示意图，该单层平 板天线100包括：一馈入网络层110和一平板天线120，该一平板天线120设置在 该馈入网络层110的上层。
其中，现有的单层平板天线结构中，其馈入点从馈入网络层110经由直径 0.1mm盲孔导通到平板天线，天线增益为7.16dBi，但是带宽狭窄是此天线的缺点， 天线的带宽比为5.3％。
参见图2A和图2B，为本发明一实施例公开的一种耦合式阵列天线的俯视和 侧视结构示意图，该耦合式阵列天线200例如包括：一馈入网络层110、一第一平 板天线130和一第二平板天线140。该一第一平板天线130，设置在该馈入网络层 110的上层。该一第二平板天线140，堆栈配置并耦合在该第一平板天线130的上 层。
在本实施例中，该耦合式阵列天线还包括一三层电路基板，具有一第一层、 一第二层以及一第三层，其中该馈入网络层110设置在该第一层的表面上，该第 一平板天线130设置在该第二层的表面上，该第二平板天线140设置在该第三层 的表面上，该三层电路基板总厚度为400微米。
其中，该三层电路基板可为一环氧树脂基板、一聚氧二甲苯树脂基板或一氟 系树脂基板或一液晶高分子基板。
在本实施例中，该耦合式阵列天线的操作频率57.06GHz到73GHz。
在本实施例中，平板天线由原本的单层变成双层架构，用于增加天线带宽， 其带宽比为21.7％。
其中，该馈入网络层110设置在该三层电路基板的该第一层，用于与信号源 电性连接。
该馈入网络层110还例如包括多条金属线路，一阻抗转换器、一功分器以及 一信号源端线路。
其中，该多条金属线路一端分别与该第一盲孔电性连接，该阻抗转换器一端 与该多条金属线路的另一端电性连接，该功分器一端与该阻抗转换器的另一端电 性连接，该信号源端线路分别与该功分器的另一端以及该信号源电性连接。
在本实施例中，该第一平板天线130的面积略大于该第二平板天线的面积140。 其中，该第一平板天线130与该第二平板天线140为相同形状的平板天线。
在其他实施例中，该第一平板天线130与该第二平板天线140可以为方形、 矩形、圆形、椭圆形、三角形、扇形、环型或环扇形中一种的几何形状平板天线。
在本实施例中，该第一平板天线130为一具有二分之一波长共振条件的平板 天线。
其中，该第一平板天线130具有一第一盲孔，且该第一盲孔直径小于0.18mm， 在此设置该直径为0.1毫米，在第二平板天线140上则无盲孔。
该第一盲孔贯穿该三层电路基板的该第二层，并分别与该馈入网络层110以 及该第一平板天线130电性连接。
其中，馈入方式可由该第一平板天线130的侧面、底面或两种组合之一馈入。
该第二平版天线无盲孔，该第二平板天线140的信号是由第一平板经由第一 盲孔内导电材料传导，以非接触的电性耦合的方式，传递至第二平板。
在本实施例中，该第二平板天线140的波长为该第一平板天线130的0.9～0.99倍，本实施例中该第二平板天线140的波长为该第一平板天线130的0.93倍。
参见图3A和图3B，为本发明另一实施例公开的一种耦合式阵列天线装置的 俯视及侧视结构示意图，该耦合式阵列天线装置300，例如包括二耦合式阵列天线 200a、200b，并通过一微带线210将两组所述耦合式阵列天线200a、200b串联。
在本实施例中，为了增加耦合式阵列天线的天线增益，将一组耦合式阵列天 线200a串联另一组耦合式阵列天线200b。其中二第一平板天线230a、230b由一 个微带线210连接，而该第一平板天线230a上对应有该第二平板天线240a，该第 一平板天线230b的上层对应有该第二平板天线240b，且该二第二平版天线240a、 240b互不相连接。
在本发明其他实施例中，串联的耦合式阵列天线组数不限制为二组，也可以 是三组或更多。每组耦合式阵列天线组中堆栈层数也不限制为二层，也可以是三 层或更多。
参见图4，为本发明又一实施例公开的一种耦合式阵列天线及其装置的天线返 回损耗频率响应图，其与单层平板天线相比较，本发明实施例的耦合式阵列天线 与耦合式阵列天线装置的带宽比分别为21.7％与11.7％，确实有明显改善原本平板 天线带宽比5.3％。其中，依据高、低频差取得带宽，并通过高、低频平均取得中 间频段后，用于计算出所求天线带宽比。
请同时参见图5A至图5C，由天线的辐射场型可知，天线增益由数值比较得 出，单层平板天线与本发明实施例的耦合式阵列天线增益分别为7.16dBi与6.9dBi， 而本发明实施例的耦合式阵列天线装置明显有较高的天线增益，其值为9.3dBi。
参见图6，为本发明又一实施例公开的一种1×8耦合式阵列天线装置的结构示 意图，其通过8组耦合式阵列天线装置结合产生该1×8耦合式阵列天线装置，具 体地，是将一个输入信号变成一组一分八的耦合式阵列天线装置，其中耦合式阵 列天线装置300为三层架构，整体厚度400微米，馈入网络层110设置在该三层 电路基板的第一层上，天线馈入方式由下方经第一盲孔导通到设置在该三层电路 基板的第二层上的第一平板天线，再由耦合的方式，将信号耦合设置在该三层电 路基板的第三层上的第二平板天线，以转接造成的损耗。
参见图7，天线频带中除了64.59GHz到65.53GHz通带的匹配较差，带宽从57.06GHz到73GHz的其他频带都有很明显的增强效果。
参见图8，天线的增益可以达到将近16dBi。
综上所述，本发明实施例公开的耦合式阵列天线及其装置，通过特定的设计 结构，使用三层电路基板设计两组双层的平板天线，使平板天线与平板天线耦合， 在60GHz时天线增益为6.9dBi，其天线带宽可以增加到21.7％，而将单一平板天 线上方增加一个耦合平板天线当作一组单元天线，为了增加天线增益，将原本的 单元天线再串接一组单元天线，在60GHz时天线增益还可以增加到9.3dBi，天线 带宽比为11.7％，当以一个1×8的馈入网络实现阵列天线，天线带宽有大幅度的增 加，通带涵盖57.06GHz到73GHz，天线增益可以接近16dBi。其中，天线还使用 软性板材液晶高分子(LCP)设计，液晶高分子特性具有较低损耗的特性，且低吸水 性使板材不易受潮变形。
虽然本发明以前述实施例揭露如上，然其并非用于限定本发明，任何熟习相 像技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，所作更动与润饰的等效替换，仍为 本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种耦合式阵列天线，其特征在于，包括：
一馈入网络层；
多个平板天线，设置在该馈入网络层的上层；其中
一第一平板天线，设置在该馈入网络层的上层；以及
一第二平板天线，堆栈配置并耦合在该第一平板天线的上层；以及
其他平板天线依序堆栈配置并耦合在其前一平板天线的上层。
2.如权利要求1所述的耦合式阵列天线，其特征在于，该耦合式阵列天线还包括一多层电路基板，其中该馈入网络层设置在第一层的表面上，该第一平板天线设置在第二层的表面上，该第二平板天线设置在第三层的表面上，以及该其他平板天线分别依序堆栈配置在对应的各层电路基板的上层，其中相邻的二层电路基板之间距离介于150um至250um。
3.如权利要求1所述的耦合式阵列天线，其特征在于，该第二平板天线任意一边长度为该第一平板天线对应边长度的85～95％。
4.如权利要求1所述的耦合式阵列天线，其特征在于，该第一平板天线面积大于该第二平板天线的面积。
5.如权利要求1所述的耦合式阵列天线，其特征在于，该第一平板天线与该第二平板天线为相同几何形状的平板天线。
6.如权利要求1所述的耦合式阵列天线，其特征在于，该多个平板天线为方形、矩形、圆形、椭圆形、三角形、扇形、环型或环扇形中一种的几何形状平板天线。
7.如权利要求1所述的耦合式阵列天线，其特征在于，该第一平板天线为一具有二分之一波长共振条件的平板天线。
8.如权利要求1所述的耦合式阵列天线，其特征在于，该第一平板天线具有一第一盲孔，且该第一盲孔直径小于0.18mm。
9.如权利要求1所述的耦合式阵列天线，其特征在于，该第二平板天线的波长为该第一平板天线的波长的0.9～0.99倍。
10.一种耦合式阵列天线装置，其特征在于，包括上述权利要求1-9任意一项所述的耦合式阵列天线，并通过一微带线将两组所述耦合式阵列天线串联。
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