TW201421805A

TW201421805A - 天線及陣列天線

Info

Publication number: TW201421805A
Application number: TW101144453A
Authority: TW
Inventors: I-Shan Chen; Guo-Shu Huang; Cheng-Hsiung Hsu
Original assignee: Wistron Neweb Corp
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2014-06-01
Also published as: US9214729B2; TWI497827B; US20140145909A1

Abstract

一種天線，包含有一輻射件，大致呈一四邊形；一接地及饋入件，大致環繞該輻射件，並於相對於該輻射件之一第四邊形成有一開口，該接地及饋入件於該開口之一側電性連接一地端，以及於另一側電性連接一訊號饋入端；一延伸柱，電性連接於該輻射件之該第四邊，並朝該接地及饋入件之該開口延伸；一第一連接件，其一端電性連接於該輻射件之一第一邊與該第四邊之間，另一端電性連接於該接地及饋入件；以及一第二連接件，其一端電性連接於該輻射件之一第三邊與該第四邊之間，另一端電性連接於該接地及饋入件。

Description

天線及陣列天線

本發明係指一種天線及陣列天線，尤指一種可有效增加陣列天線增益、縮小天線面積，並達到最佳化天線輻射場型之天線及陣列天線。

陣列天線係複數個相同的天線按一定規律排列組成的天線系統，其廣泛地應用於雷達系統中。其中，針對可用空間較為受限的應用，如車用雷達系統，陣列天線的設計需求更為複雜。

詳細來說，車用雷達系統是將無線訊號收發器設置於車輛保險桿或風扇柵罩內部，利用發射及接收毫米波(millimeter-wave)無線訊號，來進行測距、資訊交換等應用。由於車輛保險桿內通常會設置吸震保麗龍或玻璃纖維等，可用空間極為受限，而雷達信號亦容易受到衰減，因而增加了陣列天線設計上的難度。除此之外，若車用雷達系統的銷售目標為車後市場，亦即雷達供應商將無法參與決策保險桿的材質及厚度，在此情形下，為了盡可能適用大部分車輛，陣列天線的增益、面積、輻射場型等的設計要求將更為嚴格。

一般而言，大多數的汽車雷達廠商皆採用微帶式陣列天線，並以耦合結構方式來縮小面積。然而，車用雷達系統之操作頻段大致在24 GHz及77 GHz附近，在這麼高頻率要獲得天線效率的改善，進而提升天線增益更是不易，若使用一般耦合結構方式來縮小面積，反而更不容易提升天線增益，其效應通常只容易拉寬天線頻寬，但在頻率偏移的天線場型將會影響到原有波束造成誤差，這樣一來雷達不僅接收機的靈敏度受到影響，雷達演算法也需要連帶改變，才可維持正常的雷達偵測。

因此，如何有效增加陣列天線增益、縮小天線面積、最佳化天線輻射場型也就成為業界所努力的目標之一。

因此，本發明主要提供一種天線及陣列天線，其可有效增加陣列天線增益、縮小天線面積，並達到最佳化天線輻射場型。

本發明揭露一種天線，包含有一輻射件，大致呈一四邊形，具有一第一邊、一第二邊、一第三邊及一第四邊，該第一邊與該第三邊大致平行，該第二邊與該第四邊大致平行，以及該第一邊與該第二邊大致垂直；一接地及饋入件，大致環繞該輻射件，並於相對於該輻射件之該第四邊形成有一開口，該接地及饋入件於該開口之一側電性連接一地端，以及於另一側電性連接一訊號饋入端；一延伸柱，電性連接於該輻射件之該第四邊，並朝該接地及饋入件之該開口延伸；一第一連接件，其一端電性連接於該輻射件之該第一邊與該第四邊之間，另一端電性連接於該接地及饋入件；以及一第二連接件，其一端電性連接於該輻射件之該第三邊與該第四邊之間，另一端電性連接於該接地及饋入件。

本發明另揭露一種陣列天線，包含有複數個輻射件，每一輻射件大致呈一四邊形，具有一第一邊、一第二邊、一第三邊及一第四邊，該第一邊與該第三邊大致平行，該第二邊與該第四邊大致平行，以及該第一邊與該第二邊大致垂直；複數個延伸柱，每一延伸柱電性連接於該複數個輻射件中一輻射件之一第四邊與另一輻射件之一第二邊，使該複數個輻射件串接於一序列；一接地及饋入件，大致環繞該複數個輻射件，並於相對於該複數個輻射件中一輻射件之一第四邊形成有一開口，該接地及饋入件於該開口之一側電性連接一地端，以及於另一側電性連接一訊號饋入端；複數個第一連接件，每一第一連接件之一端電性連接於該複數個輻射件之一輻射件之一第一邊與一第四邊之間，另一端電性連接於該接地及饋入件；以及複數個第二連接件，每一第二連接件之一端電性連接於該複數個輻射件之一輻射件之一第三邊與一第四邊之間，另一端電性連接於該接地及饋入件。

請參考第1圖，第1圖為本發明實施例一天線10之示意圖。天線10用來收發無線訊號，並特別適用於可用空間較為受限之應用，如車用雷達系統。天線10包含有一輻射件100、一接地及饋入件 102、一延伸柱104、一第一連接件106及一第二連接件108。輻射件100大致成一四邊形，其第一邊至第四邊並標示為L1~L4。接地及饋入件102係大致環繞輻射件100，並於第四邊L4處形成有一開口，而該開口兩側的接地及饋入件102，如第1圖中點110、112處，可分別電性連接地端(即點110電性連接地端，或點112電性連接地端)。延伸柱104一端電性連接訊號饋入端，並於輻射件100的第四邊L4，另一端朝接地及饋入件102之開口延伸。第一連接件106係由分支BR_11~BR_13所組成，其一端電性連接於輻射件100之第一邊L1與第四邊L4之間，另一端電性連接於接地及饋入件102。而第二連接件108係由分支BR_21~BR_23所組成，其一端電性連接於輻射件100之第三邊L3與第四邊L4之間，另一端電性連接於接地及饋入件102。此外，由第1圖可知，第一連接件106及第二連接件108分別與接地及饋入件102間形成一開放式溝槽，此開放式溝槽的寬度可用來調整天線10之天線阻抗頻寬特性。

詳細來說，第一連接件106與第二連接件108相對於輻射件100的中心線(或延伸柱104)而言係呈對稱結構，其係用來連接輻射件100與接地及饋入件102。此外，第一連接件106與第二連接件108之長度較佳地皆為欲收發之無線訊號的四分之一波長；換言之，第一連接件106與接地及饋入件102連接處形成一短路，而第一連接件106與輻射件100連接處則等效於一開路；同理，第二連接件108與接地及饋入件102連接處形成一短路，而第二連接件108與輻射件100連接處則等效於一開路。在此情形下，藉由第一連接件106與第二連接件108，可使輻射件100的垂直方向長度(即第一邊L1及第三邊L3的長度)縮短為0.3~0.45波長之間，較習知常見結構之0.5波長明顯減小。

請繼續參考第2圖，第2圖為天線10之電流方向示意圖。如第2圖所示，第一連接件106的分支BR_11及第二連接件108的分支BR_21皆平行於輻射件100上的電流方向，且第一連接件106及第二連接件108與輻射件100之連結處係等效於開路，因此在分支BR_11、BR_21上可形成額外電流，其可與輻射件100上的電流產生建設性相加的效果，進而增加天線輻射效率，相對應的天線增益也會跟著提升。此外，由於第一連接件106與第二連接件108係在水平方向上呈對稱，因此，水平方向的電流，即分支BR_12、BR_22上的電流，會相互抵消，不產生額外的輻射場型，並使電流集中在中央及兩側，以維持天線場型並提升天線效率。另一方面，由於分支BR_11、BR_21提供了額外電流路徑，因此其與接地及饋入件102的間距就會影響輻射件100與接地及饋入件102間的耦合效果，或電感性、電容性等特性。換句話說，透過調整分支BR_11、BR_21與接地及饋入件102的間距即可調整天線10的特性，如此可提供更多設計彈性。

需注意的是，第1圖所示之天線10係為本發明之實施例，本領域具通常知識者當可據以做不同之修飾，而不限於此。舉例來說，天線10較佳地係以金屬材質製成，亦可利用導電塗料材料進行塗佈、印刷、技術蒸鍍(Evaporation deposition)，或是以雷射雕刻(Laser direct structuring，LDS)製作在產品之殼體表面再以漆或是膠塗佈做隔絕接觸。此外，在第1圖中，第四邊L4上與延伸柱104相接處包含有缺口，其係不同應用所需，不限於此；同理，接地及饋入件102靠近開口處形成兩凸出結構，亦可根據系統所需而調整。第一連接件106係由分支BR_11~BR_13所組成，而相鄰之分支互為垂直，但此為可行實施例之一，第一連接件106亦可由其形式或數量之分支所組成，而第二連接件108亦有同樣特性。另一方面，如本領域具通常知識者所熟知，天線之操作頻段主要與其輻射件之尺寸相關，因此應根據系統所需而適當調整天線尺寸。例如，第1圖之天線10經適當調整大小後可適用毫米波(millimeter-wave)頻段(如24 GHz)，而得第3圖及第4圖所示之電壓駐波比及方位角天線場型圖。其中，由第4圖可知，天線10之天線增益可達6 dBi。

如前所述，第一連接件106與第二連接件108可產生與輻射件100同向之電流，使電流集中在中央及兩側，可增加天線輻射效率並維持天線場型，同時亦可有效降低天線10垂直方向的長度。更重要的是，分支BR_11、BR_21與接地及饋入件102的間距可調整天線10的特性。在此情形下，若將天線10衍生為陣列天線，除了可降低所需面積外，更可利用此可調特性調整陣列天線的各種天線效果。舉例來說，第5圖為本發明實施例一4×1陣列天線50之示意圖。比較第1圖及第5圖可知，陣列天線50係由四個天線10並列所形成。

另外，天線10中分支BR_11、BR_21與接地及饋入件102的間距可調整天線10的特性，因此可進一步利用此特性達到功率分配權重(weight)的目的，並可利用改變橫向子陣列天線之間的間距，提供不同權重分配，以取代傳統功率分配器設計方式或者減少功率分配器的使用面積。例如，第6圖為本發明實施例一4×1陣列天線60之示意圖。比較第5圖及第6圖可知，陣列天線60同樣由四個天線10所形成，但分為三個子陣列天線600、602、604。子陣列天線602係由兩個天線10並列所形成，且與兩側之子陣列天線600、604相距D1、D2。其中，距離D1、D2可進一步調整功率分配權重，以提供設計彈性。

將第6圖之陣列天線60進一步擴展，可衍出4×n之陣列天線。舉例來說，請參考第7圖，第7圖為本發明實施例一4×8陣列天線70之示意圖。陣列天線70係由第6圖之陣列天線60所衍生，其同樣分為三個子陣列天線700、702、704，但每一子陣列天線包含八個輻射件串接於一序列。詳細來說，比較第1圖及第7圖可知，陣列天線70之結構與天線10類似，其係利用延伸柱連接相鄰兩輻射件之第二邊及第四邊，使八個輻射件串接於一序列，而接地及饋入件則是環繞串接之輻射件並於底部開口，相關運作方式可參考天線10及陣列天線60之運作方式。此外，延續天線10之饋入方式，陣列天線70同樣由接地及饋入件之開口一側饋入訊號，換言之，係為側邊饋入架構，藉此可有效降低訊號傳遞損耗。

前述4×1、4×8之陣列天線係為第1圖之天線10的適當衍生變化，其主要概念在於利用連接件及子陣列天線間的距離調整天線特性，但不限於此。舉例來說，請參考第8圖及第9圖，第8圖及第9圖為本發明實施例一3×1陣列天線80及一3×8陣列天線90之示意圖。陣列天線80、90之架構與前述實施例類似，不同處在於陣列天線80、90中間的子陣列為共用列，藉由功率分配器，可同時與左側列及右側子陣列相連接，形成二個接收天線。在此情形下，可以第7圖之4×8陣列天線70作為發射端天線，並以第9圖之3×8陣列天線90作為接收端天線，將兩者整合成為24 GHz或是77 GHz一發二收的單脈衝雷達(monopulse radar)。此單脈衝雷達具有較小天線面積，可輔助天線板與其它數位電路板、金屬遮罩、天線罩、雷達基座的穩定整合，更有利於安裝於汽車保險桿內或汽車風扇罩內側，容易滿足車廠所訂出汽車雷達體積的限制。

前述由第1圖所示之天線10所衍生之陣列天線50、60、70、80、90係為本發明之實施例，本領域具通常知識者當可據以做不同之修飾，而不限於此。例如，第9圖之陣列天線90經適當調整大小後可適用毫米波(millimeter-wave)頻段(如24 GHz)，而得第10圖及第11圖所示之方位角及高低角天線場型圖。其中，由第10圖可知，陣列天線90之天線增益可達21 dBi，且主旁波束比為17 dB。同樣地，由第11圖亦可得證陣列天線90之天線增益可達21 dBi。

綜上所述，透過輻射件與接地及饋入件間的連接件，本發明可有效降低輻射件垂直方向的長度，並可藉此提高天線輻射效率及天線增益，或是調整天線特性，以提供更多設計彈性，進而可衍生不同陣列天線，其具有良好增益，並可降低使用面積，達到最佳化天線輻射場型之功效。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10‧‧‧天線

100‧‧‧輻射件

102‧‧‧接地及饋入件

104‧‧‧延伸柱

106‧‧‧第一連接件

108‧‧‧第二連接件

L1‧‧‧第一邊

L2‧‧‧第二邊

L3‧‧‧第三邊

L4‧‧‧第四邊

110、112‧‧‧點

BR_11~BR_13、BR_21~BR_23‧‧‧分支

50、60、70、80、90‧‧‧陣列天線

600、602、604、700、702、704‧‧‧子陣列天線

D1、D2‧‧‧距離

第1圖為本發明實施例一天線之示意圖。

第2圖為第1圖之天線之電流方向示意圖。

第3圖為第1圖之天線之電壓駐波比示意圖。

第4圖為第1圖之天線之方位角天線場型圖。

第5圖為本發明實施例一4×1陣列天線之示意圖。

第6圖為本發明實施例一4×1陣列天線之示意圖。

第7圖為本發明實施例一4×8陣列天線之示意圖。

第8圖為本發明實施例一3×1陣列天線之示意圖。

第9圖為本發明實施例一3×8陣列天線之示意圖。

第10圖為第9圖之3×8陣列天線之方位角天線場型圖。

第11圖為第9圖之3×8陣列天線之高低角天線場型圖。