TW201817080A - 微帶天線結構及應用其之微波成像系統 - Google Patents

微帶天線結構及應用其之微波成像系統 Download PDF

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Abstract

一種微帶天線結構，包含基板、環狀微帶結構和訊號傳輸埠。基板具有相對的第一表面和第二表面。環狀微帶結構設置於基板的第一表面上，其用以形成輻射頻帶。訊號傳輸埠設置於基板的第二表面上，其貫穿基板且電性連接至環狀微帶結構。環狀微帶結構產生之電場場型在第一垂直平面之半功率頻寬與在第二垂直平面之半功率頻寬的差小於5度，其中第一垂直平面、第二垂直平面與微帶天線結構的主要平面互相垂直。

Description

微帶天線結構及應用其之微波成像 系統
本發明是有關於一種微帶天線結構及應用其之微波成像系統。
微帶天線(microstrip antenna)具有成品輕薄和製作容易等優點，故已廣泛應用在例如行動電話或導航機等以輕薄化為訴求的無線通訊設備上。就微帶天線而言，其產生的輻射場型、增益和極性主要取決於微帶天線的架構和形狀。另一方面，在醫學應用的微波成像系統中，可透過微波耦合天線所收發之無線微波訊號來檢測人體內部器官之健康狀況。透過應用在微波成像系統的微波影像還原技術，可實現非侵入式健康診斷功能。然而，若是利由習知微帶天線作為微波成像系統中的微波耦合天線，則會造成在三維空間中各垂直平面上訊號接收不均等的問題，而導致掃描影像品質及檢測準確度降低。
本發明的目的是在於提供一種微帶天線結構和微波成像系統，其可解決在三維空間中各垂直平面上訊號接 收不均等的問題，使得其影像還原品質可有效提升，進而提升其檢測準確度。
根據本發明之上述目的，提出一種微帶天線結構，此微帶天線結構包含基板、環狀微帶結構和訊號傳輸埠。基板具有相對的第一表面和第二表面。環狀微帶結構設置於基板的第一表面上，其用以形成輻射頻帶。訊號傳輸埠設置於基板的第二表面上，其貫穿基板且電性連接至環狀微帶結構。環狀微帶結構產生的電場場型在第一垂直平面的半功率頻寬(Half Power Bandwidth；HPBW)與在第二垂直平面的半功率頻寬之差小於5度，其中第一垂直平面、第二垂直平面與微帶天線結構的主要平面互相垂直。
依據本發明之一實施例，上述環狀微帶結構的波導長度介於2λg與3λg之間，其中λg為電磁波在環狀微帶結構中對應該輻射頻帶之中心頻率的波導波長(guided wavelength)。
依據本發明之又一實施例，上述環狀微帶結構產生的電場場型在第一垂直平面中的半功率頻寬與在第二垂直平面中的半功率頻寬實質相等。
依據本發明之又一實施例，上述環狀微帶結構為環狀同軸線、環狀共面波導線、環狀槽線或環狀帶線。
依據本發明之又一實施例，上述基板為FR4基板、RT/Duroid系列基板、氧化鋁基板、RO系列基板、高溫共燒陶瓷基板、低溫共燒陶瓷基板、透明導體基板或半導體基板。其中，RO系列基板包含選自氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶與氧化鋇所組成的族群中的至少一者。
根據本發明之上述目的，另提出一種微帶天線結構，此微帶天線結構包含基板、多個環狀微帶結構和多個訊號傳輸埠。基板具有相對的第一表面和第二表面。此些環狀微帶結構設置於基板的第一表面上且排列為陣列，其用以形成輻射頻帶。此些訊號傳輸埠設置於基板的第二表面上，其貫穿基板且分別電性連接至此些環狀微帶結構。此些環狀微帶結構產生的電場場型在第一垂直平面的半功率頻寬與在第二垂直平面的半功率頻寬之差小於5度，其中第一垂直平面、第二垂直平面與微帶天線結構的主要平面互相垂直。
依據本發明之一實施例，每一此些環狀微帶結構的波導長度介於2λg與3λg之間，其中λg為電磁波在每一此些環狀微帶結構中對應輻射頻帶之中心頻率的波導波長。
根據本發明之上述目的，提出一種微波成像系統，包含微波掃描單元、微波訊號處理單元和控制與記錄單元。微波掃描單元包含發射器和接收器，其中發射器係用以產生均勻電場，並發射無線微波訊號至待測物體，且接收器用以接收穿透待測物體的無線微波訊號。接收器包含上述任何一種微帶天線結構。微波訊號處理單元電性連接至微波掃描單元。微波訊號處理單元用以自接收器輸入無線微波訊號，並對無線微波訊號進行介電參數分析和影像還原解析。控制與記錄單元電性連接至微波掃描單元和微波訊號處理單元。控制與記錄單元用以控制微波掃描單元且記錄由微波訊號處理單元所處理的無線微波訊號，並對微波訊號處理單元提供數據資料讀寫功能。
依據本發明之一實施例，上述均勻電場的平面電場尺寸大於900平方公分。
依據本發明之又一實施例，上述發射器產生之最小電場強度與最大電場強度的比值介於80%與95%之間。
本發明的優點在於，本發明的微帶天線結構和微波成像系統可解決在三維空間中各垂直平面上訊號接收不均等的問題，使得其影像還原品質可有效提升，進而提升其檢測準確度。
100‧‧‧微帶天線結構
110‧‧‧基板
111‧‧‧第一表面
112‧‧‧第二表面
120‧‧‧環狀微帶結構
130‧‧‧訊號傳輸埠
140‧‧‧接地導體
140A‧‧‧空間
200‧‧‧微波成像系統
210‧‧‧微波掃描單元
212‧‧‧發射器
214‧‧‧接收器
220‧‧‧微波訊號處理單元
230‧‧‧控制與記錄單元
B‧‧‧待側物體
G1、G2、G3‧‧‧間隙
HPBWXZ、HPBWYZ‧‧‧半功率頻寬
L120、LG1X、LG1Y、LG2、LG3‧‧‧間隙
W‧‧‧寬度
為了更完整了解實施例及其優點，現參照結合所附圖式所做之下列描述，其中：〔圖1〕係繪示依據本發明實施例之微帶天線結構的剖面示意圖；〔圖2A〕係繪示依據本發明實施例之微帶天線結構的上視圖；〔圖2B〕係繪示依據本發明實施例之微帶天線結構的下視圖；〔圖3〕係繪示依據本發明實施例之微帶天線結構操作在不同頻率下之返回損失(return loss)的示意圖；〔圖4A〕係繪示依據本發明實施例之微帶天線結構操作在產生的電場場型在三維座標空間之YZ平面的電場強度圖；〔圖4B〕係繪示依據本發明實施例之微帶天線結構操作在產生的電場場型在三維座標空間之XZ平面的電場強度圖； 〔圖5〕係繪示依據本發明實施例之微波成像系統的方塊示意圖；〔圖6A〕係繪示依據比較例之微波成像系統對待測物體進行掃描所得到的掃描影像圖；以及〔圖6B〕係繪示依據本發明實施例之微波成像系統對待測物體進行掃描所得到的掃描影像圖。
以下仔細討論本發明的實施例。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。
在本文中所使用之「第一」和「第二」等詞，並非指稱特定次序或順位，亦非用以限定本案，其僅為了區別以相同技術用語描述的元件。
請參照圖1，圖1係繪示本發明實施例微帶天線結構100的剖面示意圖。微帶天線結構100為單饋入之天線結構，其包含基板110、環狀微帶結構120、訊號傳輸埠130和接地導體140，且其主要平面與三維座標空間之XY平面平行。基板110可以是FR4基板、RT/Duroid系列基板、氧化鋁基板、RO系列基板、高溫共燒陶瓷基板、低溫共燒陶瓷基板、透明導體基板、半導體基板或其他類似基板，其中RO系列基板可包含氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶與氧化鋇等材料或其組合。基板110具有相對的第一表面111和第二表面112，其中環狀微帶結構120設置在基板110的第一表面111 上，而訊號傳輸埠130和接地導體140設置在基板110的第二表面112上。
環狀微帶結構120在第一表面111上形成輻射頻帶。在本實施例中，環狀微帶結構120可以是環狀同軸線、環狀共面波導線、環狀槽線或環狀帶線。此外，環狀微帶結構120可包含鈦、鈷、鎢、鉿、鉭、鉬、鉻、銀(Agtentum；Ag)、銅、鋁等金屬，或是包含上述金屬的合金，但不限於此。環狀微帶結構120產生的電場場型在三維座標空間之XZ平面的半功率頻寬(Half Power Bandwidth；HPBW)與在三維座標空間之YZ平面的半功率頻寬之差小於5度。此外，環狀微帶結構120的波導長度可介於2λg與3λg之間，其中λg為電磁波在環狀微帶結構120中對應輻射頻帶之中心頻率的波導波長(guided wavelength)。進一步地，在一些實施例中，環狀微帶結構120產生的電場場型在三維座標空間之XZ平面的半功率頻寬與在三維座標空間之YZ平面的半功率頻寬實質相等。
請參照圖2A，圖2A係繪示微帶天線結構100的上視圖。在圖2A中，環狀微帶結構120定義出間隔G1、G2、G3，其中間隔G1為I字形狀間隔，而間隔G2、G3為長條狀間隔。在微帶天線結構100的平面方向上，由間隔G2、G3延伸之虛擬直線(圖未繪示)為環狀微帶結構120的對稱軸，而訊號傳輸埠130位於間隔G1之長度為LG1Y的分支與間隔G3之間。間隔G1、G2、G3可藉由進行微影和蝕刻製程形成。在一些實施例中，環狀微帶結構120的長度 L120為11.2公分，間隔G1的長度LG1X、LG1Y分別為6.2公分和5.8公分，間隔G2的長度LG2為3.5公分，間隔G3的長度LG3為4.5公分，且間隔G1之各個分支、間隔G2和間隔G3的寬度W均為0.2公分。
訊號傳輸埠130貫穿基板110且進而電性連接至環狀微帶結構120，其用以傳導環狀微帶結構120所接收的訊號。在一些實施例中，訊號傳輸埠130可包含SMA接頭，以藉由外接纜線而將訊號自環狀微帶結構120傳輸至他處。訊號傳輸埠130可包含鈦、鈷、鎢、鉿、鉭、鉬、鉻、銀、銅、鋁等金屬，或是包含上述金屬的合金，但不限於此。在一些實施例中，訊號傳輸埠130所包含的材料與環狀微帶結構120相同。
接地導體140設置在基板110的第二表面112上。接地導體140可包含鈦、鈷、鎢、鉿、鉭、鉬、鉻、銀、銅、鋁等金屬，或是包含上述金屬的合金，但不限於此。在一些實施例中，接地導體140所包含的材料與環狀微帶結構120和/或訊號傳輸埠130相同。
請參照圖2B，圖2B係繪示微帶天線結構100的下視圖。在圖2B中，接地導體140定義出空間140A，且訊號傳輸埠130設置在空間140A中。在微帶天線結構100的平面方向上，訊號傳輸埠130與接地導體140之間具有一預定間距，使得訊號傳輸埠130與接地導體140為電性絕緣。
圖3係繪示微帶天線結構100操作在不同頻率下之返回損失(return loss)的示意圖，其中微帶天線結 構100採用之基板110為FR4基板，此FR4基板的介電常數(dielectric constant)為4.4、厚度為1.6毫米以及損失正切(loss tangent)為0.025，且其所形成的輻射頻帶之中心頻率為9.73吉赫(GHz)。由圖3可知，在頻率約為9.73吉赫時，其返回損失可達到-17dB。
圖4A和圖4B分別為微帶天線結構100在中心頻率下產生的電場場型在三維座標空間之YZ平面和XZ平面的電場強度圖，其中環狀微帶結構120的波導長度約為2.6λg。由圖4A和圖4B可知，微帶天線結構100在中心頻率下產生的電場場型在三維座標空間之YZ平面和XZ平面的半功率頻寬HPBWYZ和HPBWXZ分別為90度和92.5度，兩者之差距低於5度。由上述可知，微帶天線結構100可使兩垂直平面的半功率頻寬之差在5度之內。
請參照圖5，圖5係繪示本發明實施例微波成像系統200的方塊示意圖。微波成像系統200可應用在微波影像系統上，例如用於檢測生物體的微波醫學影像系統。舉例而言，微波成像系統200可應用在大腦檢測或乳房檢測等，但不限於此。
在圖5中，微波成像系統200包含微波掃描單元210、微波訊號處理單元220和控制與記錄單元230。微波掃描單元210包含發射器212和接收器214。發射器212係用以產生均勻電場，並對待測物體B發射無線微波訊號，且接收器214用以接收穿透待測物體B後的無線微波訊號。在一些實施例中，發射器212所產生之均勻電場的平面尺寸大於 900平方公分，且發射器212產生之最小電場強度與最大電場強度的比值介於80%與95%之間。接收器214可包含一個或多個微帶天線結構100。若是接收器214包含多個微帶天線結構100，則這些微帶天線結構100上的環狀微帶結構120可排列成一陣列，其用以共同形成一輻射頻帶。
微波訊號處理單元220電性連接至微波掃描單元210，其用以自接收器214輸入無線微波訊號，並對無線微波訊號進行介電參數分析和影像還原解析，進而得到待側物體B的掃描影像。
控制與記錄單元230電性連接至微波掃描單元210和微波訊號處理單元220，其用以控制微波掃描單元且記錄由微波訊號處理單元所處理的無線微波訊號，並對微波訊號處理單元220提供數據資料讀寫功能。
圖6A和圖6B分別為依據比較例之微波成像系統和本發明之微波成像系統200對一圓形金屬待測物體進行掃描所得到的掃描影像圖，其中比較例之微波成像系統產生的電場場型在三維座標空間之YZ平面的半功率頻寬與在三維座標空間之XZ平面的半功率頻寬之差大於5度。比較圖6A和圖6B可知，使用比較例之微波成像系統所得到的待測物體影像為橢圓形，而使用本發明之微波成像系統200所得到的待測物體影像為圓形。因此，相較於比較例之微波成像系統，使用本發明之微波成像系統200所得到的物件影像具有較低的變形量，故本發明之微波成像系統200具有較佳的影像還原品質。
由以上說明可知，本發明之微波成像系統的特點在於，藉由應用上述實施例之微帶天線結構，其得到的物件影像可具有較低的變形量，即可正確顯示出待測物體的實際形狀。因此，本發明之微波成像系統可有效提升待測物體的影像還原品質，進而提升檢測準確度。此外，本發明之微帶天線結構具有架構微小和製作簡易的優點，且應用在微波成像系統中可降低電路整合的複雜度和硬體體積及成本。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

  1. 一種微帶天線結構，包含：一基板，具有相對之一第一表面和一第二表面；一環狀微帶結構，設置於該基板之該第一表面上，該環狀微帶結構用以形成一輻射頻帶；以及一訊號傳輸埠，設置於該基板之該第二表面上，該訊號傳輸埠貫穿該基板且電性連接至該環狀微帶結構；其中，該環狀微帶結構產生之電場場型在一第一垂直平面之半功率頻寬(Half Power Bandwidth；HPBW)與在一第二垂直平面之半功率頻寬之差小於5度，其中該第一垂直平面、該第二垂直平面與該微帶天線結構之一主要平面互相垂直。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之微帶天線結構，其中該環狀微帶結構之一波導長度介於2λ g與3λ g之間，其中λ g為一電磁波在該環狀微帶結構中對應該輻射頻帶之一中心頻率之一波導波長(guided wavelength)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之微帶天線結構，其中該環狀微帶結構產生之電場場型在該第一垂直平面中之半功率頻寬與在該第二垂直平面中之半功率頻寬實質相等。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之微帶天線結構，其中該環狀微帶結構為一環狀同軸線、一環狀共面波導線、一環狀槽線或一環狀帶線。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之微帶天線結構，其中該基板為一FR4基板、一RT/Duroid系列基板、一氧化鋁基板、一RO系列基板、一高溫共燒陶瓷基板、一低溫共燒陶瓷基板、一透明導體基板或一半導體基板；其中，該RO系列基板包含選自氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶與氧化鋇所組成的族群中之至少一者。
  6. 一種微帶天線結構，包含：一基板，具有相對之一第一表面和一第二表面；複數個環狀微帶結構，設置於該基板之該第一表面上且排列為一陣列，該些環狀微帶結構用以形成一輻射頻帶；以及複數個訊號傳輸埠，設置於該基板之該第二表面上，該些訊號傳輸埠貫穿該基板，且該些訊號傳輸埠分別電性連接至該些環狀微帶結構；其中，每一該些環狀微帶結構產生之電場場型在一第一垂直平面之半功率頻寬與在一第二垂直平面之半功率頻寬之差小於5度，其中該第一垂直平面、第二垂直平面與該微帶天線結構之一主要平面互相垂直。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之微帶天線結構，其中每一該些環狀微帶結構之一波導長度介於2λ g與3λ g之間，其中λ g為一電磁波在每一該些環狀微帶結構中對應該輻射頻帶之一中心頻率之一波導波長。
  8. 一種微波成像系統，包含：一微波掃描單元，包含一發射器和一接收器，該發射器係用以產生一均勻電場，並發射一無線微波訊號至一待測物體，且該接收器用以接收穿透該待測物體之該無線微波訊號，其中該接收器包含如申請專利範圍第1至7項中任一項所述之微帶天線結構；一微波訊號處理單元，電性連接至該微波掃描單元，該微波訊號處理單元用以自該接收器輸入該無線微波訊號，並對該無線微波訊號進行一介電參數分析和一影像還原解析；以及一控制與記錄單元，電性連接至該微波掃描單元和該微波訊號處理單元，該控制與記錄單元用以控制該微波掃描單元且記錄由該微波訊號處理單元所處理之該無線微波訊號，並對該微波訊號處理單元提供一數據資料讀寫功能。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之微波成像系統，其中該均勻電場之平面電場尺寸大於900平方公分。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之微波成像系統，其中該發射器產生之一最小電場強度與一最大電場強度之比值介於80%與95%之間。
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