201212376 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 此申請案主要關於射頻（RF)電路，且尤其，關於 RF天線及集成匹配器。 【先前技術】 如此技藝中已知，用於相控陣列天線中之天線元件或 輻射器典型具有良好的頻寬或良好的交叉極化隔離，但非 兩者。例如，藉由恰當設計，偶極元件之陣列可在所有掃 瞄平面中具有非常好的交叉極化隔離；然而，頻寬有限。 另一方面，從缺口型輻射器（notch radiator)或維瓦爾第 (Vivaldi)輻射器提供之陣列天線具有優異頻寬，但離主 軸相對差的交叉極化隔離。 設置在接地平面之下垂領結元件爲用於在從極高頻（ VHF)至微波波長之頻率產生標稱環形極化（CP)的接收 或傳輸輻射圖案之機構。下垂領結元件經常耦合至匹配器 (balun )，這是以涉及分離子組件的同軸組態加以實現 ，以達成匹配器匹配及臂相控功能。這種組態典型導致具 有良好頻寬之集成天線-匹配器組件，但差的交叉極化隔 離特性。此外，這種組態相對難以組裝。 因此，希望提供一種天線及匹配器組合’其導致具有 良好頻寬特性及良好交叉極化隔離特性之集成匹配器-天 線元件。 -5- 201212376 【發明內容】 根據在此所述之槪念、系統、電路、及技術，一種匹 配器包括具有第一及第二相對端及導電外表面之中央導電 件，具有複數微帶傳輸線設置在導電外表面上方。 藉此特定技術，提供一種垂直饋送線匹配器。在一實 施例中，提供具有正方形剖面形狀之導電件並且在正方形 導電件之四個外表面之每一者上方配置微帶傳輸線以提供 匹配器爲以配置在共同接地導體上方之四個個別傳輸線所 製成的四垂直饋送線匹配器。在一實施例中，提供匹配器 爲Dyson匹配器並用來饋送諸如下垂領結輻射器之輻射器 。藉由使用中央導電件並將微帶傳輸線的對放置在中央導 電件之相對表面上，微帶線可互相實體及電性隔離（亦即 ，微帶線藉由氣隙隔離）。這提供具有高交叉及化隔離特 性的匹配器。相同四線可用於S、C、及X頻帶中之操作， 而不改變匹配器參數，如四垂直饋送線之剖面尺寸。匹配 器爲機械穩定，其促進至在一端上之印刷電路板（PCB ) 的附接，以及至在另一端上之輻射器的附接。此外，由於 四垂直饋送線爲機械對稱，其比使用抓放設備之先前技術 方式有更容易的組裝程序。匹配器亦提供正交偶極之重疊 相位中心還有選擇陣列格柵幾何（矩形、三角形、等等） 之彈性。 在一實施例中，將中央導電件提供成具有正方形或矩 形剖面形狀之實心導電欄。可從任何導電材料（如銅或黃 銅）提供實心導電欄，其爲配置在中央導電件之四表面的 -6- 201212376 一相應者上的微帶傳輸線之每一者提供接地。因此，微帶 傳輸線全部共享相同接地（亦即中央導電件作爲配置在其 上之每一條傳輸線的接地）。 在一實施例中，從加工操作提供實心導體。當然，亦 可使用其他製造技術來提供中央導電件。在一實施例中， 藉由將導體配置於具有在約10.2至約10.9的範圍中之相對 介電常數（er)(根據系列）及約0.0023的損耗角正切之 電介質基板（如Rogers RT/duroid 6010 PTFE陶瓷層壓板 )上來提供微帶傳輸線。在一實施例中，提供具有銅（如 壓延或鍍覆銅）配置或否則提供（經由圖案化、沉積、或 此技藝中具有通常知識者已知的任何減法或加法技術）在 其兩側上之電介質基板。可因此從具有導電材料配置在其 相對表面上之電介質基板（如雙面導電帶）來提供傳輸線 ，其中在一表面上之導體相應於接地平面且在相對表面上 之導體相應於傳輸線。接著將電介質基板耦合至中央導電 件。 這種構造在饋送兩天線的兩傳輸線對之間提供具有高 隔離特性之匹配器。高隔離特性爲使用中央導體還有使用 具有相對高的相對介電常數（er)之電介質基板的結果 。此外，藉由氣隙隔離配置在中央導體周圍的傳輸線，氣 隙亦幫助增加匹配器的隔離特性。 當然，在其他實施例中應理解到中央導電件可爲完全 中空或部分中空。並且，中央件的剖面形狀不需一定得爲 正方形或矩形。反而，可使用任何剖面形狀，包括環形或 201212376 多邊形形狀或任何規則或不規則的形狀。 在一實施例中，具有25 mil厚度之電介質材料的使用 允許製造出具有可用於多種不同頻率範圍中之尺寸的匹配 器（亦即相同匹配器尺寸可用於廣範圍的頻率）且針對機 械組裝非常方便。例如，相同尺寸可用於在X帶頻率範圍 中還有在S帶及C帶頻率範圍中之操作的匹配器。當然，亦 可其他電介質材料厚度，同時提供在複數不同頻率範圍及 /或頻帶上方操作的能力。然而，應理解到線饋送阻抗（ 亦即四垂直饋送線之阻抗）部分取決於電介質厚度及導體 線寬（如針對給定線寬.，電介質材料厚度影響線饋送阻抗 但饋送線可用於S、C、及X帶上）。在一實施例中，所有 的匹配器傳輸線具有每埠約3 0歐姆之相同特性阻抗，假設 以180度異相饋送相對埠。這意指以串聯之兩埠饋送的每 —偶極天線的60歐姆阻抗應能提供至領結輻射器之良好阻 抗匹配，這允許集成匹配器及領結輻射器的合意操作。 根據在此所述之槪念、系統、電路及技術，集成天線 元件包括（a )具有饋送點之下垂領結繞桿式輻射器；以 及（b)具有一端電耦合至輻射器之饋送點的四線垂直匹 配器。在一實施例中，四線垂直匹配器包括從導電材料提 供之中央件以及配置在中央件周圍並共享藉由中央件所提 供之接地平面的複數微帶傳輸線。 藉由此特定配置，提供集成天線-匹配器組合（在此 亦稱爲集合天線元件），其允許在相對廣範圍頻率上的操 作，並同時提供相對高交叉極化隔離特性。 -8 - 201212376 在一實施例中，將輻射器提供成從電介質支撐（如從 Teflon®或Arlon®提供）及以和支擦相同材料製成的上塗 層提供之寬帶下垂領結繞桿式輻射器。可使用相對低成本 製造技術製造輻射器，諸如注入成型技術，雖然當然亦可 使用其他製造技術。當藉由適當選擇輻射器尺寸優化掃瞄 元件圖案，下垂領結繞桿式具有高度均句的掃瞄元件圖案 以及寬掃瞄阻抗頻寬，其在X帶頻率範圍上均勻地涵蓋上 至自天點的六十度及所有方位掃瞄角度之海拔掃瞄角度。 在一實施例中’可使用注入成型技術來提供輻射器並 因此可提供輻射器作爲低成本輻射器。這種元件適合用於 陣列之中。 在一實施例中，以配置在共同接地導體柱周圍之四個 個別的傳輸線製成的四垂直饋送線饋送一輻射器。在一實 施例中，將接地導體柱提供成具有矩形或正方形剖面形狀 之實心柱。在一些應用中，針對機械目的實心導體爲佳， 但在其他應用中，亦可使用中空或部分中空實體。個別傳 輸線的使用提供具有相對高交叉極化隔離特性的匹配器且 輕易使用市售的材料加以製造。可針對S、C、及X帶頻率 範圍使用相同四線，而不改變匹配器參數（亦即不改變四 垂直饋送線的剖面尺寸）。匹配器爲機械穩定，其促進至 在一端上之PCB的附接，以及至在另一端上之輻射器的附 接。匹配器亦提供正交配置的偶極之重疊相位中心，並提 供選擇陣列格柵幾何（矩形、三角形、等等）之彈性。 在一實施例中，四線垂直匹配器柱包括從作爲接地平 -9- 201212376 面之導電材料提供之中央件及共享相同接地平面之四傳輸 線。第一電介質板（或片）具有配置在導電件之第一導電 表面上方的第一表面。第一電介質板的第二相對表面具有 配置在其上之導體。第二電介質板具有配置在導電件之第 二導電表面上方之第一表面且第二電介質板之第二相對表 面具有配置在其上之導體。第三電介質板具有配置在導電 件之第三導電表面上方的第一表面及第三電介質板的第二 相對表面具有配置在其上之導體。第四電介質板具有配置 在導電件之第四導電表面上方的第一表面及第四電介質板 的第二相對表面具有配置在其上之導體。若將中央件提供 成具有正方形剖面形狀，則四線垂直匹配器柱可提供重疊 相位中央至正交極化，並同時在每一傳輸線之間具有相對 高的隔離特性。 根據在此所述之槪念的進一步態樣，四線匹配器柱包 括具有導電外部表面之中央件以及第一及第二相對導電端 。在導電件之導電外部表面的四個部分上方配置四個電介 質板。四個電介質板之每一者的一暴露表面具有配置在其 上之導體。 藉由此特定配置，提供具有四導體之匹配器。藉由提 供其上配置導體之中央件，匹配器爲機械穩定。例如’這 可幫助促進至在一端上之印刷電路板（PCB)的附接’以 及至在另一端上之輻射器的附接。 在一實施例中，提供具有正方形剖面形狀之中央件且 四個電介質板之每一者係配置在中央件的四側之一上。藉 -10- 201212376 由使用具有兩對相對側表面之中央導電件，藉由氣隙互相 實體及電性互相隔離導電線。此提供具有高交叉及化隔離 特性的匹配器。可針對S、C、及X頻率帶中之操作使用相 同的四線，而不改變匹配器參數，諸如四垂直饋送線的剖 面尺寸。匹配器爲機械穩定，其促進至在一端上之印刷電 路板（PCB )的附接，以及至在另一端上之輻射器的附接 。此外，由於匹配器饋送線爲機械對稱，可使用利用抓放 設備之組裝程序。匹配器亦提供正交偶極之重疊相位中心 ，還有選擇陣列格柵幾何（矩形、三角形、等等）之彈性 〇 在一實施例中，將四基板上之導體提供成微帶傳輸線 。在其他實施例中，將基板上之導體提供成帶線傳輸線。 當然，亦可使用任何種類的印刷電路傳輸線。 在一實施例中，第一、第二、第三、及第四電介質板 的寬度實質上等於中央件之邊的寬度。在一實施例中，第 一、第二、第三、及第四電介質板的寬度不大於中央件之 側表面的寬度。 在一實施例中，從導電材料提供中央件並且在一實施 例中，將中央件提供成實心導體。 在一實施例中，從具有導電材料配置在其上以提供導 電外部表面之電介質材料提供中央件。在一實施例中，提 供具有矩形剖面形狀之第一、第二、第三、及第四電介質 板。 根據在此所述之槪念的進一步態樣，集成天線元件包 -11 - 201212376 括（a)具有高度h並具有凹陷區域形成在其中之電介質輻 射器塊，該凹陷區域具有大致截面錐體形狀並具有一對相 對的表面及設置在凹部之中央點的一饋送點；以及（b) 配置在該些表面之每一者上的輻射器，輻射器的每一者具 有大致三角形形狀，其中一頂點終止在饋送點附近。 在一實施例中，凹部的相對表面爲實質上平坦。 在一實施例中，凹部的表面具有大致凸形狀。 在一實施例中，凹部的表面具有大致凹形狀。 在一實施例中，將饋送點提供爲凹部中的開口。 在一實施例中，天線元件進一步包含支撐塊，其上方 配置該輻射器塊，該支撐塊具有在其中之開口以暴露出電 介質輻射器塊的饋送點。 在一實施例中，輻射器的尺寸小於一單元胞之大小。 在一實施例中，饋送區域相應於電介質輻射器塊中的 開口。 在一實施例中，藉由配置導電材料於電介質輻射器塊 的每一相對表面上來提供每一輻射器。 根據在此所述之槪念的又進一步態樣，一種集成天線 元件包括：（a )具有饋送點之下垂領結天線元件；（b ) 具有電耦合至下垂領結天線元件的饋送點之第一端的四線 垂直匹配器柱。 在一實施例中，四線垂直匹配器柱包括具有由四導電 表面界定之正方形剖面形狀及第一與第二相對導電端之導 電件。四線垂直匹配器柱進一步包括四個電介質板，各具 -12- 201212376 有配置在導電件之四各導電表面的個別一者上方之第一表 面，以及具有導體配置在其上之第二相對表面。 在一實施例中，下垂領結天線元件包括（a)電介質 輻射器塊，其具有高度h並具有形成在其中之凹陷區域， 該凹陷區域具有大致截面錐體形狀且具有一對相對表面， 以及設置在凹部的中央點之饋送點以及（b)導電層，其 配置在該些表面的每一者上，導電層之每一者具有大致三 角形形狀，且一頂點終止在該饋送點附近。 在一實施例中，凹部的該些表面爲下列之一：（a ) 平坦形狀；（b )凹形狀；以及（c )凸形狀。 在一實施例中，天線元件進一步包括支撐塊，其上方 配置該輻射器塊。支撐塊具有在其中之開口以暴露出輻射 器塊的饋送埠，以及匹配器配置穿過支撐塊中的開口。 根據在此所述之槪念的又進一步態樣，一種板陣列包 括具有形成於其中之複數下垂領結天線元件之電介質板。 複數下垂領結天線元件的每一者從設置在電介質件中之凹 部提供；以及相似複數四線匹配器柱，該些複數四線匹配 器柱的每一者耦合至該些複數下垂領結天線元件的一相應 者。 在一實施例中，陣列係配置在曲面上。 【實施方式】 在敘述在此所述之電路、系統、及技術的諸多實施例 之前，解釋一些導引槪念及術語。 -13- 201212376 在此有時參照至耦合至特定種類、大小、及/或形狀 之天線元件的四線匹配器柱。例如，一種天線元件爲所謂 的下垂領結繞桿式天線元件，其具有與在特定頻率（如1 〇 GHz )或在特定頻率範圍（如C、S、L、及/或X帶頻率範 圍）上之操作相容的大小及形狀。此技藝中具有通常知識 者應理解到，當然，亦可與四線匹配器柱一起使用其他形 狀及種類的天線元件之（如非下垂領結天線的天線元件） 且可針對在RF頻率範圍中之任何頻率（如在約1 GHz至約 100 GHz的範圍中之任何頻率）的操作選擇一或更多天線 元件的大小。可與四線匹配器柱一起使用（例如以形成陣 列）之輻射元件的種類包括但不限於領結型、缺口型元件 、偶極、槽型、或此技藝中具有通常知識者已知的任何其 他天線元件（無論該元件是否爲印刷電路元件）。 亦應理解到涉及陣列之實施例，在陣列中可設置具有 複數不同天線元件格柵排列之任一者的天線元件，包括週 期型格柵排列（或組態），如矩形、正方形' 三角形（如 等邊或等腰三角形）、及螺旋形組態，還有非週期型或任 意格柵排列。 可使用在此所述之匹配器及/或下垂領結天線元件之 至少一些實施例的應用包括，但不限於：針對各式各樣之 應用的雷達、電子戰（EW)及通訊系統，包括以船爲基 礎、航空、導彈、及衛星應用。 在此亦進一步解釋，集成匹配器及下垂領結天線元件 之至少一些實施例可應用於，但不限於，軍事、航空、船 -14- 201212376 載、通訊、無人駕駛飛行器（UAV )、及/或商業無線應 用。 茲參照第1至1B圖，其中在所有這些圖中類似結構提 供有類似參考標示，集成天線元件1 0包括四線匹配器柱1 2 (或更簡單地匹配器12)，具有電耦合至下垂領結繞桿式 天線元件14(有時亦簡稱爲元件14)之饋送點的第一端。 由於匹配器12耦合至元件14的中央，該元件有時稱爲中央 饋送下垂領結繞桿式天線元件14。元件14包含輻射器塊16 ，其可提供爲一塊電介質，舉例而言，Teflon®。輻射器 塊16具有第一表面16a及第二表面16b。在閱讀在此之說明 後，此技藝中具有通常知識者應理解到如何選擇可提供輻 射器塊16之材料。 可從第1A圖最清楚見到，輻射器塊16具有高度Η且在 第1Α圖中爲反過來以顯露出形成在輻射器塊16之表面16b 中之凹部19。在此示範實施例中，提供具有錐體形狀之凹 部19。在形成凹部19之輻射器塊表面16b的那些部分上配 置或否則設置導電材料以形成元件14之輻射器20 (經由圖 案化技術、沉積技術、或此技藝中具有通常知識者已知之 任何減法或加法技術）。 亦可從第1A圖清楚見到，提供輻射器塊16中之輻射器 20爲在設置於輻射器塊16中之錐體形狀的凹部19內之四表 面鍍覆的金屬翼。可注入成型各結構16及20並接著固定在 一起（如藉由環氧樹脂），雖翼可使用非注入成型技術來 提供結構16及20。在一些實施例中，可提供結構16及20爲 -15- 201212376 單一塊的電介質。 如上述，提供有設置於其中的錐體形狀之凹部19的輻 射器塊16，且輻射器20形成在界定錐體形狀之凹部19的塊 16之表面上。在一替代實施例中，可使用具有錐體形狀之 電介質基板（亦即，取代提供具有塊狀之結構16，提供具 有錐體形狀之結構16)。在此情況中，可在外部錐體表面 上設置四表面鍍覆金屬翼。 然而，應理解到使用凹部（如第1至1B圖中所示之凹 部19)允許在輻射器20上方配置電介質保護層16a»這種 電介質保護層爲合意，因爲其抑制陣列中之表面波並潛在 增加操作之無盲區。 茲參照第1B圖，匹配器柱12的一端12a耦合至形成輻 射器20的導電材料（在第1B圖中僅看得到兩個輻射器20 ) 。在一實施例中，柱1 2經由焊料連結2 1耦合至輻射器20。 當然，此技藝中具有通常知識者將理解到亦可使用非焊接 之技術來耦合匹配器12至輻射器20。這種技術，包括但不 限於熔接技術，以及導電環氧樹脂技術。 茲參照第2圖，輻射器塊16係配置在高度2hb且具有長 度2d之邊的電介質支撐結構30。在一實施例中’從 Teflon®提供輻射器塊16及支撐結構30且提供支撐30爲實 心Teflon®塊，輻射器塊16且因此下垂領結翼附接至其以 求支撐。 茲參照第2A圖，其中提供具有類似參考標示的第1至2 圖之類似結構，集成天線元件1〇係配置在支撐塊30上方’ -16- 201212376 其則配置在印刷電路板40上方。匹配器柱12具有電及機械 耦合至輻射器20的第一端及電及機械耦合至配置在電路板 40上之導體42的第二端。導體42則耦合至其他電路（在第 2A圖上未顯示），在此透過例如通孔44。在一實施例中， 柱1 2之第二端經由焊料連結46耦合至諸導體42。電路板40 具有配置在其第二表面上之接地平面47» 柱12包括複數，在此四個，電介質基板15a至15d (在 第2 A圖中僅可看到一個電介質基板15a)，其中每一基板 15 a至15d具有配置於其上之導體13 a至13d (在第2A圖中僅 可看到導體13a至13c)，其中每一導體13 a至13d具有耦合 至四個輻射器20之相應一者的第一端及耦合至PCB 40上之 一導體42的第二端。在一特定實施例中，提供具有等於配 置其於上的個別基板14a至14d的寬度之寬度的導體13a至 13d。在其他實施例中，導體13a至13d之寬度小於個別基 板之寬度。一般而言，選擇導體13 a至13d之寬度以提供合 意的阻抗特性。 在第2A圖中，顯示所建議之至連同第1至1B圖於上敘 述之下垂領結繞桿式輻射器的匹配器連結。在一些實施例 中’希望允許翼20與傳輸線之外銅之間的重疊，尤其，爲 了較佳的焊點。若有必要，可藉由將第2 A圖中之天線饋送 面積W2變寬或藉由減少匹配器大小（如匹配器之剖面面積 )’或藉由其他手段來減少此重疊。然而，從潛在簡單調 諧機制的觀點來看，其之功效可爲有用。因此，第2A圖繪 示用於多種頻率範圍，包括但不限於，X帶頻率範圍中之 -17- 201212376 一示範匹配器至輻射器及匹配器至PCB組件。 第3及4圖及表1顯示一示範天線元件14的幾何’其可 爲連同第1至2A圖於上所述的類型。如第4圖中所示’凸性 因子（convexity factor) ，△，控制翼20的形狀。因此， 改變凸性因子會使翼形狀從凸形改變至直線形，至凹形。 表1列出針對在X帶頻率範圍中之操作優化之陣列元件 的尺寸。相應幾何參數分別標於第3圖及第4圖中。可見到 將單元胞大小（在第4圖中界定成2d)選擇成10.9 mm，其 稍小於在上帶頻率/=12 GHz的自由空間半波長；I /2=12.5 mm»從接地平面47 (第2A圖）至上Teflon蓋之頂部的總 元件高度爲5.45 mm。 表1 額 値 意思 a 0.9 mm 饋送半寬度 b 3.25 mm 輻射器半寬度 d 5.45 mm 單元胞半大小 h 1.45 mm 輻射器頂部之高度 (下垂因子） Δ 從0.2 mm變化 至-0.2 mm 凸性因子 2hb 4 mm 第lb圖中之天線支撐的高度 Wi 3 _ 02 mm 電介質基板的寬度 w2 1.75mm 導體之寬度 針對在X帶頻率範圍中之操作凸性因子典型可從約0.2 mm變化至約-0.2 mm。這種變異通常對天線阻抗特性有較 小的影響，但同時，其提供爲天線製造所建立之可接受的 -18 - 201212376 機械公差。凸性亦提供可用來相關於頻寬優化元件圖案性 能之另一設計參數。然而，應理解到無論凸性因子設定爲 何’下垂領結性能能容許此因子中之變異，使其適合既定 之製程。 茲參照第5至5B圖’下垂領結繞桿式元件60 (第5圖） 具有設成零之凸性因子（△)。因此，元件60(第5圖） 可謂爲無凸型。將第5A圖中之元件60’提供成具有設定成 等於.06之凸性因子（△)。因此，元件6〇’可謂具有有正 凸性之輻射器（或翼）20’。將第5B圖中之元件60’’提供成 具有設定成等於-.06之凸性因子（△)。因此，元件60” 可謂具有有負凸性之輻射器20’’。 茲參照第6至6B圖，顯示分別針對在S帶（第6圖）、C 帶（第6A圖）、X帶（第6B圖）中之操作的四線匹配器柱 70、72、及74。應理解到柱70、72、及74與連同第1至2B 圖於上所述之匹配器柱1 2相同或類似。因此，匹配器柱7 0 、72、及74比先前技術匹配器或饋送件在兩繞桿式元件之 間提供較高的隔離，因爲屏蔽兩對饋送傳輸線。屏蔽緣自 大塊中央導體（78)、高介質常數材料（82 a至d)還有被 氣隙隔絕的線之使用。此外，兩交叉偶極之相位中央保持 相同。 茲參照第6 C圖，並將四線匹配器柱7 0作爲四線匹配器 柱72及74的代表，匹配器柱70之端部圖顯露出具有正方形 剖面形狀的中央件78。電介質基板82a至82d配置在中央件 78之外表面上方。在第6C圖中所示之實施例中，各提供電 -19- 201212376 介質基板82a至82d有配置在其相對表面上之導電材料80a 至8 0d及8 4a至8 4d。可使用黏膠、環氧樹脂、熔接、或此 技藝中具有通常知識者皆知之任何其他固接技術來將基板 82a至82d固定至中央件78。應理解到在一些實施例中，希 望或必須省略導體80a至8 0d，在此情況中，電介質材料 82a至82d之一表面會配置成抵著中央件78之外表面（如使 用黏膠、環氧樹脂、或此技藝中具有通常知識者皆知之其 他固接技術）。亦應理解到匹配器柱70可與柱1 2 (第1至 2B圖）相同或類似，在那情況中，導體80a至80d可相應於 第1至2A圖中所示之導體13a至13d。 在第6C圖之實施例中，匹配器柱70包括具有實質上等 於其上配置導體80a至80d之個別的電介質基板82a至82d之 寬度的寬度9 茲參照第6D圖，匹配器柱70’與第6C圖之匹配器柱70 類似，除了各提供具有小於配置其於上之個別的電介質基 板82 a至82d之寬度的寬度之導體80a’至8 0d’。 可將第6至6B圖中之所有匹配器提供成具有相同的橫 尺寸並使用相同的電介質材料（如具有25 mil厚度之 Rogers RT/duroid 6010)。並且，可將匹配器70至74提供 成具有每埠約3 0歐姆之相同特性阻抗，假設差動饋送》 針對下垂領結輻射器之Dyson匹配器的一種直截了當 的先前技術實現涉及四個同軸電纜的使用。這種方式對於 X帶並不方便，因爲難以將電纜在一端附接至印刷電路並 在另一端附接至下垂領結之天線翼。 -20- 201212376 因此，欲實現根據在此所述之結構及技術的Dyson匹 配器，使用在此稱爲四線之垂直矩形傳輸線。四線包括： 中央導電件；以及（b)四條相鄰微帶傳輸線，共享由中 央導電件所提供之相同接地（亦即，每一者配置在中央導 電件之側表面上）。在一實施例中，可將中央導電件提供 成具有正方形或矩形剖面形狀並提供成實心金屬導體（如 銅或黃銅欄）。在其他實施例中，中央導電件不需爲實心 (如其可爲空心或部分空心）。並且，可從非導電材料提 供中央導電件且具有配置於其上之導電塗層或導電表面以 提供中央導電件。 在一實施例中，從加工技術提供中央導電件。在其他 實施例中，經由成型技術（如注入成型）形成導電件。亦 可使用此技藝中具有通常知識者已知的其他技術來提供中 央導電件。 在一示範實施例中，四線匹配器包括從具有在約10.2 至約10.9的範圍中之相對介電常數（ε r)及約0.0023的損 耗角正切之Rogers RT/duroid 6010 PTFE陶瓷層壓板所提 供之帶傳輸線。提供具有配置在其相對表面上的導電材料 之層壓板。可將導電材料提供成例如壓延銅或電沉積（ED )銅。切割、蝕刻或否則從電介質片提供傳輸線作爲雙面 帶，並接著使用焊接技術或其他適當的附接技術耦合至中 央導電件。 這種匹配器構造導致高度隔離（以電氣上）之兩傳輸 線對且適合饋送兩天線。這是緣自大塊中央導體及用於線 -21 - 201212376 塡充之高介電常數電介質材料；此外，藉由氣隙隔離這些 線。 如第6至6B圖中，第6至6B圖中之所有的匹配器傳輸線 具有相同尺寸（除了長度外）及每埠約30歐姆的相同特性 阻抗，假設以1 80度異相饋送相對埠（如埠1及3，或2及4 )。這意指以串聯之兩埠饋送每一偶極天線的60歐姆阻抗 ，其應能提供至諸如連同先前第1至5B圖所述的領結輻射 器之良好阻抗匹配。此外，如所述般建構之匹配器適合在 s、C、及X帶頻率範圍上之操作，而不改變匹配器的尺寸 (除了長度）。 茲參照第7至7A圖，這些圖顯示具有來自表1之參數的 無限陣列的連同第1至1B圖於上所述之類型的元件之掃瞄 阻抗。凸性因子爲零。使用Ansoft HFSS中之單元胞方式 找出掃瞄阻抗，其中在兩可變掃瞄角度上有兩參數掃掠。 連同離散頻率掃掠，使用準確的FEM網格（在25,000四面 體的程度，以確保良好的相對收斂）。 第7圖及第7A圖給出陣列元件之掃瞄阻抗（電阻及電 抗）而第7B圖顯示相應的掃瞄回波損耗。中間饋送天線在 此匹配至60歐姆》 顯示針對在X帶上的五個頻率（8、9、10、11、及12 GHz)及三個方位掃瞄角度（0、45、及90度）之資料。由 符號*、〇、▽標示不同方位掃瞄角度的結果，其相應於掃 瞄角度Φ =〇、45、及90度。 可見到針對海拔掃瞄角度上至50度之掃瞄回波損耗大 -22- 201212376 致落在-1 0 dB以下且針對剛好60度之海拔掃瞄角度趨近約-6 dB。 本結果亦表示天線製造之可接受的機械公差’因爲約 0.2 mm (約8 mil)之形狀變異應不會對輻射器性能有顯著 的影響。 咸信可藉由更小心的參數選擇來進一步改善本結果。 即使在本情況中，下垂領結輻射器在高海拔掃瞄角度，亦 即接近天頂，具有倍頻程的頻寬（octave bandwidth )( 亦即，超過整個X帶之相對頻寬）。 茲參照第8及8A圖，顯示連同第1至5圖上述類型之下 垂領結的S測量値。第8A圖顯示在陣列環境中具有兩中央 饋送交叉領結偶極之繞桿式元件的S2 1 (以dB爲單位之交 叉極化隔離）。幾何參數爲來自表1的那些。凸性因子爲 零。此圖爲針對陣列掃瞄阻抗及掃瞄回波損耗S11之先前 第7至7B圖的補充；這兩圖皆以相同分析軟體獲得（如 Ansoft HFSS )。 另一方面，第8A圖顯示具有視爲一隔離（單一）元件 之兩中央饋送交叉領結偶極之繞桿式元件的S21。幾何參 數再次爲來自表1的那些。凸性因子爲零。此圖爲針對隔 離元件阻抗及S11之第8圖的補充；這兩者皆以相同分析軟 體獲得（如 Ansoft HFSS )。 可從這些繪圖清楚見到在第8圖中之D平面中的微弱交 叉極化隔離單單爲繞桿式天線的相互耦合之效果。這針對 第8A圖中之隔離元件不存在。此觀察可能與某些基於塊狀 -23- 201212376 天線相控陣列有差別，其中針對隔離塊狀天線元件已經觀 察到低交叉極化位準。此情況進一步使陣列交叉極化甚至 更差。 亦可從第8圖見到針對本天線設計，在D平面中在0掃猫 =30度預期有在25 dB程度之交叉極化位準且在0ϋ®=6〇度 預期有約-10 dB程度之交叉極化位準。 針對印刷偶極，在D平面中（在45度方位掃瞄角度） 的交叉極化效果最有主導性。下表2給出在D平面中之兩印 刷偶極陣列的一些交叉極化資料。 表2繪示在D平面中之兩印刷偶極陣列的交叉極化位準 。相比之下，以粗體給出本天線（例如如連同第1至5圖所 述）之相應的平均交叉極化位準。 表2
海拔掃瞄角度 〇度 35度 60度 設計1號的交叉 〜-8 0 d B 〜-23.5 dB 〜-7.5 dB 極化位準 ~ -65 dB —— 23 dB 〜-10 dB 設計2號的交叉 ~ -22 dB ~ -22 dB 〜-13 dB 極化位準 ~ -65 dB 〜-23 dB ~ -10 dB 可見到從下垂領結天線元件所提供之陣列大致遵守印 刷偶極之數値結果（最佳情況），儘管其具有體積（3D) 形狀。 針對兔耳型偶-，在D平面中（在45度方位掃瞄角度 • 24- 201212376 )的交叉極化效果亦最有主導性。下表3給出在D平面中之 兩印刷偶極陣列的一些交叉極化資料》 表3繪示在三個平面中之兔耳型陣列的平均交叉極化 位準。相比之下’以粗體給出在此所述之繞桿式領結天線 的相應的平均交叉極化位準。 表3
海拔掃瞄角度 〇度 45度 交叉極化位準 〜-30 dB 〜-26.5 dB _ E平面 〜-65 dB 〜-65 dB 交叉極化位準 〜-25 dB 〜-22 dB —Η平面 〜-65 dB ~ -65 dB 交叉極化位準 ~ -30 dB 〜-15 dB —D平面 〜-65 dB ~ -15 dB 可見到本設計，至少理論上，可在大多數情況中性能 上超越兔耳型陣列。在較低海拔角度之D平面中，觀察到 類似的性能。確實，本天線具有比兔耳型天線更低的頻率 頻寬。 完整的四線爲八埠網絡（每一端四個埠）。 茲參照第9圖，顯示完整基於Dyson匹配器的天線輻射 器之三個參考平面極參考分別的微波網絡。僅顯示一天線 元件的饋送匹配器。針對具有輸入阻抗ZD之對稱天線負載 ’如在第10圖中顯示般簡化第9圖中之天線模型。第10圖 -25- 201212376 之區塊圖顯示如何模擬整個模型；區塊代表模型化之網路 元件並且輸入所得之S參數値至矩陣。接著將每一 S參數矩 陣檔輸入至Matlab程式碼程式並接著相乘（以適當相移來 代表連接之傳輸線）以產生整體阻抗對頻率及回波損耗對 頻率繪圖。 茲參照第10圖，顯示具有對稱天線負載之完整基於 Dyson匹配器的天線輻射器之區塊圖。應注意到爲了使圖 清楚，僅顯示一天線元件的匹配器。 應注意到使用在一埠（如第10圖中之埠lc)上之遲延 線已經引進不對稱性到設定中。可經由功率分配器模型來 將這種不對稱性納入考量。 可將功率分配器提供成T型分配器或Wilkinson功率分 配器。 四線匹配器柱之模型爲具有終端阻抗Zr=ZD/2之傳輸 線的。 等式1
z =z Zr +jZ0 t&nfiL in ~ 0 Z0+jZT tanj8L 其中： L爲四線匹配器長度之長度； Z〇爲四線匹配器之特性阻抗； ZT爲四線匹配器之終端阻抗； 類似地，可從具有下列形式之兩埠網絡的ΑΒ CD矩陣 找出四線匹配器之輸入電壓Vin對輸出電壓VT的比率’ —=cos fiL + y—sin PL 等式 2
vr ZT -26- 201212376 針對相移器，可使用簡單的λ /2遲延線，亦由等式1 及2給出其之傳輸線模型。 茲參照第1 1圖，一板陣列包括複數天線元件，每一元 件相應於連同第1至5圖於上所述之類型的繞桿式領結天線 元件。可將每一元件提供成具有耦合至其的四線垂直匹配 器柱（如爲連同第6至6Β圖於上所述之類型）。在一實施 例中，可將該板陣列提供爲具有支撐結構的領結之單一注 入模具，其中垂直匹配器柱可提供爲置於每一單元胞中之 開口中的分別組件。當然，應理解到亦可使用其他製造及 組裝技術來提供陣列。 茲參照第12至12Β圖，其中在所有這些圖中類似元件 提供有類似參考標示，一單元胞組件1 〇〇包括配置在印刷 電路板（PCB)基底102上方之輻射器單元胞101，以及配 置成電耦合輻射器單元胞101之輻射器元件116至RF電路（ 例如，諸如RF分散電路）的匹配器103，該RF電路提供爲 PCB基底102的一部分（這種RF電路在第12至12Β圖中看不 到）。 輻射器單元胞101可與連同第1至5Β圖於上所述之天線 元件14相同或類似，並包含具有諸導電表面U4a (在第12 及12A圖中僅看得到兩個這種表面1 14a )的輻射器塊1 14。 導電表面114a形成圍繞輻射器單元胞101的導電牆（如金 屬化牆）。將如下連同第13至15圖所述，當將輻射器單元 胞101提供成天線陣列之一部分時，導電表面114a電隔離 匹配器1 03並抑制表面波模式耦合。 -27- 201212376 輻射器單元胞1 ο 1亦包括相應於下垂領結天線元件1 1 6 之導電表面116a (在第12及12Α圖中僅看得到兩個這種表 面116a且在第12B圖中看得到四個表面116a)。應理解到 ，雖然下垂領結元件11 6在此顯示成設置在輻射器單元胞 101的外表面上，元件之一或全部可設置在輻射器塊11 4的 內表面上（如以下列第2及2A圖中所示之方式）。 輻射器單元胞101亦包括信號柱受體119，其接受匹配 器端103b並將匹配器固定在開口 118中。輻射器單元胞101 亦包括元件支撐122 (在第12B圖中最清楚），其相應於輻 射器元件1 16之間的不導電區域。藉由氣隙126亦使輻射器 元件116互相分離並自輻射器塊11 4的導電表面11 4b分離。 在一實施例中，使用注入成型技術來提供輻射器單元 胞1〇1或其之一部分。當然，此技藝中具有通常知識者可 理解到其他技術亦可用來製造輻射器單元胞。當經由注入 成型技術提供輻射器單元胞101 (或其之一部分）時，可 在注入成型程序期間形成開口 1 1 8。形成具有接受匹配器 103之一端部103b的開口 118。 可經由減法或加法PCB製程來提供RF電路作爲PCB基 底102的一部分。圍著在PC|B基底102的第一表面之周長配 置導體108並且圍繞形成或否則設置在PCB 102中之凹陷區 域107的PCB基底102之第一表面上方配置複數RF墊片106a 至106d。凹部107可完全延伸通過基底102 (例如，爲通孔 )或可僅中途延伸到基底1 02中。可經由加工操作（如經 由沖壓技術、硏磨技術、或此技藝中具有通常知識者所知 -28- 201212376 的任何其他技術）來在PCB基底102中提供凹部107。 匹配器103具有配置在凹部107中之第一端103 a。因此 ，在較佳實施例中，匹配器103的一端與凹部107具有互補 剖面形狀，使得匹配器端與凹部配合。在一些實施例中， 這可爲壓合（press fit)，使得匹配器穩固地插於凹部107 中並因此匹配器103與基底102配合並自基底102突出。匹 配器103可與連同第1至2A、6至6D、9、及10圖於上所述 之匹配器相同或類似。因此，凹部1 07相應於固定匹配器 103至基底102的第一機構。當然，應理解到其他機構，包 括但不限於，緊固件及支架，亦可用來固定匹配器1〇3至 基底1 02。 匹配器之第二端l〇3b耦合至輻射器單元胞101。如上 所述，從導電側壁1 14提供輻射器單元胞101，從導電側壁 114突伸出複數，在此四個，下垂領結輻射器116。輻射器 單元胞101之頂部具有設置在其中之開口 118’透過其配置 匹配器103之第二端。開口 118包括表面119’其形成與匹 配器1 03之第二端的剖面形狀互補之形狀’使匹配器1 〇3之 第二端與設置在輻射器單元胞101中之凹部118配合。因此 ，凹部118相應於固定匹配器103至基底102的一種機構。 當然，應理解到其他機構，包括但不限於’緊固件及支架 ，亦可用來固定匹配器103至基底102。 匹配器1 03電耦合至領結輻射器1 1 6。可例如使用回焊 技術來在匹配器1〇3之第二端與領結輻射器1 16之間形成導 電焊點120 (並因此電連結）來製造這種電連結。 -29- 201212376 在一實施例中，針對在X帶頻率範圍中之操作’提供 具有.430英吋的等寬之邊S1及S2、·22〇英吋之厚度τ的單 元胞100。並且，開口 118具有.07 0英吋X.070英吋的大小。 在上述參數的前提下，選擇匹配器1〇3及輻射元件116之大 小及形狀以提供所述之天線操作特性。 茲參照第1 3圖，陣列天線1 3 0 (有時亦在此稱爲元件 陣列130或簡稱爲陣列130 )包含配置在矩形格柵形狀中之 複數單元胞132，在此一百二十八（128)個單元胞》單元 胞132的每一者可與連同第12至12Β圖於上所述之單元胞 100相同或相似。可將陣列130提供成具有長度L、寬度W 、及厚度Τ。在一特定實施例中，針對在X帶頻率範圍中之 操作，可提供具有八（8 )列及十六（1 6 )行（8 X 1 6 )之 陣列130以及導致具有長度L = 9.53英吋、寬度W = 5.06英吋 、及厚度T = .220英吋之陣列的.634x.594矩形格柵。應理解 到陣列1 30可用爲在較大陣列結構中之一子陣列1 30，從複 數這種子陣列1 3 0提供該較大陣列結構。 茲參照第1 4圖，陣列1 40包含配置在三角形格柵形狀 中之複數單元胞142，在此一百二十八（128)個單元胞。 單元胞142的每一者可與連同第12至12Β圖於上所述之單元 胞1 〇〇相同或相似。在一特定實施例中，針對在X帶頻率範 圍中之操作，可提供具有八（8 )列及十六（16 )行之陣 列14〇以及導致具有長度L = 9.68英吋、寬度W = 5.70英吋、 及厚度Τ = ·22〇英吋之陣列的·680χ·590單元胞形狀。應理解 到陣列140可用爲在較大陣列結構中之一子陣列140，從複 -30- 201212376 數這種子陣列1 40提供該較大陣列結構。 茲參照第15圖，與連同第14圖於上所述之陣列140類 似之陣列140保角地配置於曲面上。因此，第15圖繪示從 配置於保角表面上在三角形格柵中之一百二十八（128) 個單元胞所提供之陣列。 當然，應理解到雖第1 3至1 5圖繪示示範陣列形狀及陣 列格柵幾何，亦可使用非矩形或實質上矩形之陣列形狀。 例如，可使用環形、橢圓形、或其他規則或甚至不規則形 狀。亦應理解到亦可使用非矩形或三角形之陣列幾何。 應注意到雖板陣列在此顯示成具有正方形形狀及特定 數量之天線元件，亦可使用具有任何陣列形狀及/或實體 大小之板或陣列天線或任何數量的天線元件。此技藝中具 有通常知識者因此將理解到在此所述之槪念、結構、及技 術適用於板及/或陣列天線的各種大小及形狀並可使用任 何數量的天線元件。 類似地，在此所述之槪念、結構、及技術適用於陣列 天線的各種大小及形狀還有板之各種大小及形狀（如具有 特定幾何形狀，包括但不限於，矩形、圓形、或不規則形 狀之板）還適用於天線元件之特定格柵類型或格柵間距》 有鑑於上述說明，茲應理解到存在一種在頻寬、極化 多樣性、及可靠性變得越來越有挑戰的同時降低相控陣列 之獲取及壽命週期成本之需求。在此所述之匹配器及天線 元件架構及製造技術提供匹配器及天線元件（及從這種匹 配器及天線元件製成之相控陣列）之製造的一種有成本效 -31 - 201212376 益的解答。這種匹配器及天線元件和相控陣列可用於陸、 海、及空平台之各式各樣的相控陣列雷達任務或通訊任務 0 在此所提及之所有刊物及引用之全部內容藉由引用方 式明確包含在此。 在此申請案之圖中，在一些實例中，複數元件可顯示 成一特定元件的圖解，且單一元件可顯示成一特定元件之 複數者的圖解。顯示一特定元件之複數者並非意圖暗示根 據在此所述之槪念、結構、及技術實行之系統及方法必須 包含那個元件或步驟之超過一者。藉由繪示單一元件也並 非意圖暗示在該些槪念、結構、及技術限於緊具有那個個 別元件之單一者的實施例。熟悉此技藝人士將會認知到， 在至少一些實例中，可選擇圖中所示之一特定元件的數量 以符合特定使用者需求。 在上述實施例中之元件及特徵的特定組合意圖僅視爲 範例；亦明確設想到這些教示與在此及藉引用包含之專利 及申請案中之其他教示的互換及替代。此技藝中具有通常 知識者將會認知到，此技藝中具有通常知識者可做出在此 所述者之變化、修改、及其他實行例，而不背離在此所述 及主張專利權之槪念的精神與範疇。因此，上述說明僅爲 舉例性且非意圖及不應以任何方式限制性地加以詮釋。 此外，在敘述槪念、結構、及技術中及在圖中之槪念 的例示實施例中，爲了清楚而使用特定術語、數量、尺寸 、材料等等。然而，在此所述之槪念、結構、及技術不限 -32- 201212376 於如此選定之術語'數量、尺寸、材料等等，且每一特定 的術語、數量、尺寸、材料等等至少包括以相似方式操作 以完成相似目的之所有技術及功能等效者。給定字、詞組 、數量、尺寸、材料、語言術語、產品品牌等等之使用意 圖包括所有文法、字面、科學、技術、及功能等效者。在 此所用之術語單單是爲了說明且不應詮釋成限制在此主張 專利權之那些的範疇。 已敘述欲保護之槪念的較佳實施例，現對此技藝中具 有通常知識者來說明顯地可使用包含這些槪念之其他實施 例。此外’此技藝中具有通常知識者將會理解到在此所述 之本發明的實施例可加以修改以符合及/或順應在於此所 參照之適用的技術及標準中的改變及改善。例如，可以許 多其他不同形式在許多不同環境中實行技術，且在此揭露 之技術可與其他技術結合使用。此技藝中具有通常知識者 可做出在此所述者之變化、修改、及其他實行例，而不背 離在此所述及主張專利權之槪念的精神與範疇。因此，認 爲保護範.圍不應限至或受限於所揭露之實施例，而是應僅 受限於所附申請專利範圍之精神與範疇。 【圖式簡單說明】 可從圖之詳細說明更清楚了解本發明之發明內容中的 特徵，還有本發明本身，圖中： 第1圖爲下垂領結繞桿式天線元件的等角視圖； 第1A圖爲第1圖的下垂領結繞桿式天線元件的倒等角 -33- 201212376 視圖； 第1B圖爲在第1圖中跨線1B至1B的下垂領結繞桿式天 線元件的剖面圖； 第2圖爲下垂領結天線元件單元胞的等角視圖，其係 由耦合至下垂領結繞桿式天線元件之四線匹配器柱、支撐 塊、及饋送電路所構成； 第2B圖爲在第2圖中跨線2A至2A的下垂領結天線元件 單元胞之剖面圖： 第3圖爲下垂領結天線元件之頂視圖； 第4圖爲下垂領結天線元件之側視圖； 第5至5B圖爲具有不同凸性因子之下垂領結天線元件 的一系列透射圖； 第6至6B圖爲用於不同頻帶中之四線匹配器柱的一系 列等角視圖； 第6C圖爲四線匹配器之端視圖： 第6D圖爲四線匹配器之一替代實施例的端視圖； 第7圖爲掃瞄電阻（以歐姆爲單位）對海拔掃瞄角度 (以度爲單元）之繪圖； 第7 A圖爲掃瞄電阻（以歐姆爲單位）對海拔掃瞄角度 (以度爲單元）之繪圖； 第7B圖爲掃瞄回波損耗（以dB爲單位）對海拔掃瞄角 度（以度爲單元）之繪圖； 第8圖爲插入損耗（以dB爲單位）對海拔掃瞄角度（ 以度爲單元）之繪圖； -34- 201212376 第8A圖爲針對隔離單一元件之插入損耗（以dB爲單位 )對頻率（以GHz爲單元）之繪圖； 第9圖爲利用四線匹配器柱及下垂領結天線元件之天 線系統的區塊圖； 第1 〇圖爲利用四線匹配器柱及下垂領結天線元件之天 線系統的區塊圖； 第11圖爲從複數下垂領結天線元件構成之板陣列天線 的等角視圖： 第12圖爲單一下垂領結單元胞之爆炸圖； 第12A圖爲第12圖中所示之下垂領結單元胞的組裝圖； 第12B圖爲第12A圖中所示之下垂領結單元胞的頂視圖； 第13圖爲具有矩形格柵並且從複數下垂領結單元胞所 提供之陣列的等角視圖； 第14圖爲具有三角形格柵並且從複數下垂領結單元胞 所提供之陣列的等角視圖；以及 第15圖爲具有三角形格柵並且從配置在保角表面上的 複數下垂領結單元胞所提供之陣列的等角視圖。 應了解到爲了促進圖及文字中之清楚度，圖並非一定 按照比例，反而將重點大致上放在繪示本發明之原理。 【主要元件符號說明】 1 〇 :集成天線元件 1 2 :四線匹配器柱 1 2 a :—端 -35- 201212376 1 4 :下垂領結繞桿式天線元件 14a~14d:基板 15a~15d:電介質基板 1 6 :輻射器塊 1 6 a :第一表面 16b :第二表面 19 :凹部 20 :輻射器 2 0 ’ ：輻射器 20’’ ：輻射器 2 1 :焊料連結 30:電介質支撐結構 40 :印刷電路板 42 :導體 44 :通孔 46 :焊料連結 4 7 :接地平面 60 :下垂領結繞桿.式元件 60’ ：下垂領結繞桿式元件 60’’ ：下垂領結繞桿式元件 70、72、74 :匹配器柱 7 0 ’ ：匹配器柱 7 8 :中央件 80a~80d :導電材料 -36- 201212376 80a，〜80d，：導電材料 82a〜82d :電介質基板 84a〜84d :導電材料 100 :單元胞組件 1 0 1 :輻射器單元胞 1 0 2 :印刷電路板基底 103 :匹配器 l〇3a :第一端 l〇3b :匹配器端 1 06a~l06d ： RF墊片 1 0 7 :凹陷區域 1 08 :導體 1 14a :導電表面 1 1 4 :輻射器塊 1 1 6 :輻射器元件 1 1 6a :導電表面 1 1 8 :開口 1 1 9 :信號柱受體 1 2 0 :導電焊點 1 2 2 :元件支撐 1 3 0 :陣列天線 1 3 2 :單元胞 1 4 0 :陣列 142 :單元胞 -37-