CN117438797A - 整合天线装置 - Google Patents

Abstract

一种整合天线装置，包括一曲面式透射阵列及一阵列天线。该曲面式透射阵列具有多个焦点来均匀化其辐射增益，该阵列天线位在该曲面式透射阵列及该多个焦点之间。依据该阵列天线的主动射频模块的操控，该阵列天线发出第一阶波束以及进行波束扫描。该曲面式透射阵列是用以聚焦该第一阶波束以产生具高增益的第二阶波束。经由该主动射频模块的波束成形馈入激发权重的产生，使得该整合天线装置具备波束扫描之机制。

Description

整合天线装置

技术领域

本发明是有关一种可达成主动阵列天线波束扫描且具有高增益的整合天线装置，尤其是关于一种减少主动阵列天线单元数、利用透射阵列多焦点聚焦特性来达到相近的波束扫描的整合天线装置。

背景技术

图1显示传统的天线装置10。图1的天线装置10为一透射天线装置，其包括一透射阵列12及一馈入天线14，馈入天线14位于透射阵列12的焦点122上。透射阵列12可以由多层电路或波导结构板实现。透射阵列12具有多个周期性排列的阵列单元(图中未示)用以聚焦从馈入天线14发出的信号(或电磁辐射)142。该多个阵列单元依据形状、结构及/或尺寸的不同产生不同的透射相位。通过不同的透射相位，该多个阵列单元将信号142聚焦产生高增益的波束142’以传送至远方的接收装置(例如低轨卫星)。当接收装置移动时，为了让波束142’指向接收装置，馈入天线14的位置必需移动以改变波束142’的方向，如图1中的虚线所示，此种改变波束方向的操作称为波束扫描(beam scanning)。然而，传统的透射阵列12只有一个焦点122，因此当馈入天线14的位置不在焦点122上时，透射阵列12的聚焦能力将会降低，导致波束142’的增益明显下降，降低通讯质量，这样的增益衰减称为扫描损耗。换言之，在传统的天线装置10中，信号馈入组件，如馈入天线14，必需设置在透射阵列12的焦点122，才能得到良好的通讯质量。再者，传统的阵列单元的设计方法需要较复杂的公式，导致设计难度较高。

图2显示传统的另一种天线装置，其为一阵列天线20。阵列天线20具有多个并联的馈入天线22，其中馈入天线22可以是贴片天线。阵列天线20控制每一个馈入天线22的系数形成一波束24以及控制波束24的方向。馈入天线22的系数包括馈入天线22发出的信号的相位及强度。然而，阵列天线20若要产生高增益的波束24，则阵列天线20的尺寸必需增加以容纳更多的馈入天线22，由于馈入天线22为主动组件，因此导致成本大幅增加。此外，馈入天线22的数量增加，耗电量必然增加，如此一来，阵列天线20产生的热能增加，进而导致阵列天线20中的主动收发模块(图中未示)的效能因高温的影响而降低。而且馈入天线22的数量增加也会使得控制系统更复杂，导致阵列天线20完成波束扫描所需的时间增加，使得阵列天线之特性与容量降低。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种可达成波束扫描且具有高增益的整合天线装置，该整合天线装置可以在减少天线的数量的同时达到高增益，亦可以减少波束扫描损耗。

根据本发明，一种整合天线装置包括一曲面式透射阵列及一馈入阵列天线。该曲面式透射阵列具有多个焦点来均匀化其辐射增益，该馈入阵列天线位在该曲面式透射阵列及该多个焦点之间。依据该馈入阵列天线的主动射频模块的操控，该馈入阵列天线发出一第一阶波束以及控制该第一波束的方向。该曲面式透射阵列是用以聚焦该第一阶波束以产生一具高增益之第二阶波束。经由主动射频模块的波束成形馈入激发权重的重组产生，匹配该多个焦点的重新聚焦，使得整体整合天线装置具备波束扫描之机制。利用该曲面式透射阵列再次聚焦之特性可以强化宽角度扫描之波束增益，减少波束扫描损耗。该曲面式透射阵列具有多个阵列单元用以改变信号相位以及决定该第二波束的增益。

本发明的整合天线装置使用该馈入阵列天线来产生第一阶波束以及达成波束扫描，再利用曲面式透射阵列对第一阶波束聚焦以产生高增益的第二阶波束，该第二阶波束即为该整合天线装置产生的高增益波束。因此，本发明的馈入阵列天线无需加大尺寸以容纳更多的馈入天线来提高波束的增益，因而可以降低成本以及耗电量。若以逆向解释，在一定的天线扫描增益的规范下，本发明所使用的馈入阵列天线的阵列单元数较传统阵列天线的阵列单元数，可以大幅减少，而同时保持相近之天线增益与波束宽。此外，本发明的曲面式透射阵列具有多个焦点，因此在进行波束扫描时，不同方向的第二阶波束的增益可以较为一致，可以降低扫描损耗，甚至提升宽角度的波束增益，因应波束扫描时需要面对更长的传播距离。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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1是传统的天线装置。

图2是传统的另一种天线装置。

图3是本发明的整合天线装置。

图4是本发明曲面式透射阵列的架构。

图5是传统的平面式透射阵列在不同角度上的增益。

图6是本发明曲面式透射阵列在不同角度上的增益。

附图标号说明：

10是天线装置

12是透射阵列

122是焦点

14是馈入天线

142是信号

142’是波束

20是阵列天线

22是馈入天线

24是波束

30是整合天线装置

32是曲面式透射阵列

322是焦点

324是焦点

326是焦点

328是阵列单元

34是馈入阵列天线

342是第一阶波束

342’是第二阶波束

344是馈入天线

346是主动射频模块

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图3显示本发明的整合天线装置30，其包括一曲面式透射阵列32及一馈入阵列天线34，其中曲面式透射阵列32具有多个焦点，而馈入阵列天线34作为信号馈入组件。在图3的实施例中，曲面式透射阵列32可依据罗特曼透镜(Rotman lens)原理来设计其曲面初始形状，因此曲面式透射阵列32具有三个焦点322、324及326。罗特曼透镜的原理推导可以参照2021年于IEEE的「Access」第9卷第49176～49188页刊载的文献「Development of 2-DGeneralized Tri-Focal Rotman Lens Beamforming Network to Excite ConformalPhased Arrays of Antennas for General Near/Far-Field Multi-Beam Radiations」，图4显示依据前述文献的公式所推导出的曲面式透射阵列32的架构。本发明的曲面式透射阵列32不局限于三个焦点。曲面式透射阵列32的多个焦点不限于位于共切面，可分布在三维空间。该多个焦点322、324及326需要合适定义以达成聚焦效应。焦点的设计为成熟技术手段，故在此不再说明如何合适定义焦点。曲面式透射阵列32的焦点数量可依据需求而变化，曲面式透射阵列32的外型亦可以由上述初始曲面进行改变(例如平面式)。利用电磁数值算法，可以优化曲面式透射阵列32的多个焦点322、324及326及阵列单元的相位变化。

馈入阵列天线34是设置在曲面式透射阵列32与曲面式透射阵列32的焦点322、324及326之间。馈入阵列天线34包含多个并联的馈入天线344以及一主动射频模块346。馈入阵列天线34的馈入天线344可以是但不限于贴片天线，馈入阵列天线34的天线布局可以是平面或曲面。馈入阵列天线34的主动射频模块346为控制该馈入天线344的控制电路。馈入阵列天线34的主动射频模块346控制每一个馈入天线344的系数以产生一第一阶波束(辐射波形)342以及控制第一阶波束342的方向，第一阶波束342匹配曲面式透射阵列32的阵列单元之相位变化来产生聚焦的功用。经由重组产生主动射频模块346的波束成形馈入激发权重，第一阶波束342可以匹配多个焦点322、324及326的其中一个，进而透过曲面式透射阵列32重新聚焦，使得整体整合天线装置30具备波束扫描的机制。波束成形馈入激发权重是用以调整信号的相位及振幅。

馈入阵列天线34产生第一阶波束342及进行波束扫描的操作与传统的阵列天线20类似，均以适当振幅与相位为之。差异在于，传统阵列天线操作采用线性相位变化来激发相邻馈入天线344，本发明馈入阵列天线34的馈入天线344系以在曲面式透射阵列32存在下，产生匹配的相位来产生最大的天线增益。馈入阵列天线34发出的第一阶波束342，在曲面式透射阵列32存在下具有虚拟焦点(图中未示)对应曲面式透射阵列32的其中一个焦点322、324或326。较佳者，第一阶波束342的虚拟焦点与焦点322、324或326完全重迭。曲面式透射阵列32将第一阶波束342聚焦以产生高增益的第二阶波束342’。而在其他的波束方向，其虚拟焦点则位于这些焦点322、324及326之间。此在聚焦的机制的实现方式叙述如下，馈入阵列天线34的每一馈入天线344逐一打开并激发以取得第一阶波束342。根据所欲产生的波束方向，取得各馈入阵列天线34在此方位的电磁场讯号强度与相位。产生此方向波束的馈入阵列天线34的激发权重则由此电磁场讯号强度与相位采取共轭的数值运算，如此取得馈入阵列天线34的激发权重。若波束进行扫描时，则逐一改变择取讯号之方向来更新阵列天线激发权重。

曲面式透射阵列32具有多个阵列单元328。多个阵列单元328具有透射相位可以改变信号的相位。随着形状、结构及/或尺寸的不同，每一个阵列单元328的透射相位也不同，因此通过适当地设计每一个阵列单元328的形状及/或尺寸，多个阵列单元328可以聚焦第一阶波束342以产生第二阶波束342’，并且决定第二阶波束342’的增益。多个阵列单元328可以是规则或不规则形状，而且多个阵列单元328的形状可以不相同，如图3所示。曲面式透射阵列32可由多层介电基板来实现阵列单元328的结构，但本发明不限于此。在另一实施例中，曲面式透射阵列32的阵列单元328亦可以使用由单一种介电材料形成的波导结构。

在一个实施例中，每一个阵列单元328的透射相位可以通过最陡下降法(SteepestDecent Method；SDM)来设计，具体的算法的程序细节可以参照2018年8月于IEEE的「Transactions on Antennas and Propagation」第66卷第8期第4008-4016页刊载的文献「Synthesis and Characteristic Evaluation of Convex Metallic ReflectarrayAntennas to Radiate Relatively Orthogonal Multibeams」。由于SDM不需要复杂的公式，因此可以降低阵列单元328的设计难度。SDM为电磁数值算法的其中一种，本发明亦可以使用其他能够优化阵列单元328的透射相位的电磁数值算法。

在一个实施例中，多个阵列单元328惯例是周期性排列，即相邻的阵列单元328之间的间距相同。然亦可以使用非周期性的最适排列，如六角形等，不影响本发明之内容。

图3中的阵列单元328可以由超颖材料(metamaterial)构成，但本发明不限于此，任何可以改变信号相位的材料都能用来形成阵列单元328。

在本发明的整合天线装置30中，使用馈入阵列天线34来产生第一阶波束342及达成波束扫描。为了提高波束的增益，本发明的整合天线装置30使用曲面式透射阵列32对第一阶波束342聚焦以产生高增益的第二阶波束342’，此第二阶波束即为代表整合天线装置30的辐射波束，该波束特性可应用于实际通讯系统的规格制订与实际操作。因此在相同增益下，本发明整合天线装置30的馈入阵列天线34相较于传统天线装置的阵列天线20，具有较小的尺寸、较少的馈入天线数量及较低的耗电量。此外，相较于传统的天线装置10，本发明的曲面式透射阵列32具有多个焦点，因此在进行波束扫描时，不同方向的第二阶波束342’的增益较为一致，可以降低扫描损耗。由于本发明的馈入阵列天线34是在(信号馈入组件)是设置在曲面式透射阵列32及其焦点322、324及326之间，因此相较于传统的天线装置10的透射阵列，本发明的整合天线装置30的高度或厚度大约可以减少超过一半。

图5显示传统的平面式透射阵列12在不同角度上的增益，图6显示本发明曲面式透射阵列32在不同角度上的增益。从图5及图6可看出，曲面式透射阵列32在0～40度方向的增益较为平衡，即在多个波束方向皆有良好的增益。

以上所述仅是本发明的实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种整合天线装置，其特征在于，包括：

一馈入阵列天线，用以发射一第一阶波束，并控制该第一阶波束的方向；以及

一曲面式透射阵列，具有多个焦点，用以将该第一阶波束聚焦产生一第二阶波束，该曲面式透射阵列具有多个阵列单元用以改变信号相位以及决定该第二阶波束的增益；

其中，该馈入阵列天线位在该曲面式透射阵列与该多个焦点之间。

2.如权利要求1所述的整合天线装置，其特征在于，该馈入阵列天线包括多个并联的馈入天线。

3.如权利要求1所述的整合天线装置，其特征在于，该多个阵列单元由超颖材料构成。

4.如权利要求1所述的整合天线装置，其特征在于，每一该阵列单元的透射相位是通过最陡下降法来设计。

5.如权利要求1所述的整合天线装置，其特征在于，该曲面式透射阵列是依据罗特曼透镜原理来设计。