TW201916472A - 天線陣列 - Google Patents

Abstract

一種天線陣列，包括：一介質基板、一接地面、一第一輻射部、一第二輻射部、一第一電容性耦合貼片，以及一第二電容性耦合貼片。該第一輻射部和該第二輻射部皆耦接至一饋入點。該第一電容性耦合貼片係鄰近於該第一輻射部，並與該第一輻射部分離。該第二電容性耦合貼片係鄰近於該第二輻射部，並與該第二輻射部分離。該第一電容性耦合貼片和該第二電容性耦合貼片係用於增加該天線陣列之半功率波束寬。

Description

天線陣列

本發明係關於一種天線陣列(Antenna Array)，特別係關於一種可增加半功率波束寬(3dB-Beamwidth)之天線陣列。

天線陣列(Antenna Array)因本身具備高指向性(High Directivity)、高增益(High Gain)等特性，故大量為軍事科技、雷達探測、生命探測、健康偵測等領域所採用。然而，傳統天線陣列往往有輻射場型之半功率波束寬(3dB-Beamwidth)過於狹窄之缺點，此一限制將嚴重影響如車用雷達系統之應用需求。因此，實有必要提出一種全新之解決方案，以克服先前技術所面臨之問題。

在較佳實施例中，本發明提供一種天線陣列，包括：一介質基板；一接地面；一第一輻射部，耦接至一饋入點；一第二輻射部，耦接至該饋入點；一第一電容性耦合貼片，鄰近於該第一輻射部，並與該第一輻射部分離；以及一第二電容性耦合貼片，鄰近於該第二輻射部，並與該第二輻射部分離；其中該第一電容性耦合貼片和該第二電容性耦合貼片係用於增加該天線陣列之半功率波束寬。

在一些實施例中，該介質基板具有相對之一第一表面和一第二表面，其中該第一輻射部、該第二輻射部、該第一電容性耦合貼片，以及該第二電容性耦合貼片皆設置於該介質基板之該第一表面，而其中該接地面係設置於該介質基板之該第二表面。

在一些實施例中，該第一電容性耦合貼片和該第二電容性耦合貼片各自為一矩形金屬片。

在一些實施例中，該天線陣列係涵蓋介於5650MHz至5870MHz之間之一操作頻帶。

在一些實施例中，該第一電容性耦合貼片和該第二電容性耦合貼片之每一者之長度皆介於該操作頻帶之0.25倍至0.5倍波長之間。

在一些實施例中，該天線陣列更包括：一第三電容性耦合貼片，鄰近於該第一電容性耦合貼片，並與該第一電容性耦合貼片分離；以及一第四電容性耦合貼片，鄰近於該第二電容性耦合貼片，並與該第二電容性耦合貼片分離。

在一些實施例中，該第三電容性耦合貼片和該第四電容性耦合貼片各自為一矩形金屬片。

在一些實施例中，該天線陣列更包括：一第三輻射部，其中該第二輻射部係經由該第三輻射部和該第一輻射部耦接至該饋入點。

在一些實施例中，該第一電容性耦合貼片包括分離之一第一部份和一第二部份。

在一些實施例中，該天線陣列更包括：一第三輻 射部，其中該第一輻射部係經由該第三輻射部耦接至該饋入點；以及一第四輻射部，其中該第二輻射部係經由該第四輻射部耦接至該饋入點。

100、200、400、600、700‧‧‧天線陣列

110、210、610、710‧‧‧介質基板

115‧‧‧接地面

120、220、620、720‧‧‧第一輻射部

130、230、630、730‧‧‧第二輻射部

160、260、460、660、760‧‧‧第一電容性耦合貼片

170、270、470、670、770‧‧‧第二電容性耦合貼片

221‧‧‧第一缺口

222‧‧‧第二缺口

231‧‧‧第三缺口

232‧‧‧第四缺口

480‧‧‧第三電容性耦合貼片

490‧‧‧第四電容性耦合貼片

640、740‧‧‧第三輻射部

661‧‧‧第一電容性耦合貼片之第一部份

662‧‧‧第一電容性耦合貼片之第二部份

750‧‧‧第四輻射部

BWA、BWB、BW1、BW2、BW3‧‧‧半功率波束寬

E1‧‧‧介質基板之第一表面

E2‧‧‧介質基板之第二表面

FP‧‧‧饋入點

GC1、GCP1‧‧‧第一耦合間隙

GC2、GCP2‧‧‧第二耦合間隙

GCP3‧‧‧第三耦合間隙

GCP4‧‧‧第四耦合間隙

L1、L2、L3‧‧‧長度

W1、W2、W3、W4‧‧‧寬度

X‧‧‧X軸

Y‧‧‧Y軸

Z‧‧‧Z軸

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列之示意圖；第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列之俯視圖；第3A圖係顯示未使用任何電容性耦合貼片時天線陣列之輻射場型圖；第3B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列之輻射場型圖；第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列之俯視圖；第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列之輻射場型圖；第6圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列之俯視圖；以及第7圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列之俯視圖。

為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說 明如下。

在說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。本領域技術人員應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及申請專利範圍當中所提及的「包含」及「包括」一詞為開放式的用語，故應解釋成「包含但不僅限定於」。「大致」一詞則是指在可接受的誤差範圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題，達到所述基本之技術效果。此外，「耦接」一詞在本說明書中包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接至一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電性連接至該第二裝置，或經由其它裝置或連接手段而間接地電性連接至該第二裝置。

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列(Antenna Array)100之示意圖。如第1圖所示，天線陣列100包括：一介質基板(Dielectric Substrate)110、一接地面(Ground Plane)115、一第一輻射部(Radiation Element)120、一第二輻射部130、一第一電容性耦合貼片(Capacitive Coupling Patch)160，以及一第二電容性耦合貼片170。介質基板110可為一FR4(Flame Retardant 4)基板。接地面115、第一輻射部120、第二輻射部130、第一電容性耦合貼片160，以及第二電容性耦合貼片170皆可用金屬材質製成。詳細而言，介質基板110具有相對之一第一表面E1和一第二表面E2，其中第一輻射部120、第 二輻射部130、第一電容性耦合貼片160，以及第二電容性耦合貼片170皆可設置於介質基板110之第一表面E1，而接地面115可設置於介質基板110之第二表面E2。

天線陣列100可具有一對稱式結構。第一輻射部120和第二輻射部130係分別耦接至天線陣列100之一饋入點FP，而此饋入點FP可再耦接至一射頻(Radio Frequency，RF)模組(未顯示)。第一輻射部120和第二輻射部130可視為獨立之二個天線單元(Antenna Unit)，使得天線陣列100至少為1x2之天線陣列。在其他實施例中，天線陣列100亦可改為1x3、1x4，或1x8之天線陣列。第一輻射部120和第二輻射部130之形狀和種類於本發明中並不特別限制。舉例而言，第一輻射部120和第二輻射部130可各自為矩形、圓形、三角形，或是其他形狀之一金屬輻射片(Metal Radiation Piece)。

第一電容性耦合貼片160和第二電容性耦合貼片170可以各自為一矩形金屬片(Metal Piece)。在另一些實施例中，第一電容性耦合貼片160和第二電容性耦合貼片170亦可改為圓形、三角形，或是其他形狀。第一電容性耦合貼片160和第一電容性耦合貼片170兩者皆為浮接狀態(Floating)。詳細而言，第一電容性耦合貼片160係鄰近於第一輻射部120，並與第一輻射部120完全分離；而第二電容性耦合貼片170係鄰近於第二輻射部130，並與第二輻射部130完全分離。必須注意的是，本說明書中所謂「鄰近」或「相鄰」一詞可指對應之二元件間距小於一既定距離(例如：1mm或更短)。根據實際量測結果，第一電容性耦合貼片160和第二電容性耦合貼片170可用於修正天 線陣列100之輻射場型(Radiation Pattern)。若未使用第一電容性耦合貼片160和第二電容性耦合貼片170，則天線陣列100之輻射場型(Radiation Pattern)將具有較小之半功率波束寬(3dB-Beamwidth)BWA；相反地，在加入第一電容性耦合貼片160和第二電容性耦合貼片170之後，天線陣列100之輻射場型將可提供較大之半功率波束寬BWB。

以下實施例將詳述天線陣列100之不同設計組態。必須理解的是，這些圖式和敘述內容僅為舉例說明，並非用於限制本發明之專利範圍。

第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列200之俯視圖。第2圖和第1圖相似。天線陣列200可具有一對稱式結構。在第2圖之實施例中，天線陣列200包括一介質基板210、一接地面(未顯示，位於介質基板210之另一表面)、一第一輻射部220、一第二輻射部230、一第一電容性耦合貼片260，以及一第二電容性耦合貼片270。第一輻射部220和第二輻射部230係分別耦接至天線陣列200之一饋入點FP。例如，第一輻射部220和第二輻射部230之每一者與饋入點FP之間分別設有一傳輸線(Transmission Line)，其形狀和種類於本發明中並不特別限制。第一輻射部220和第二輻射部230可各自為一矩形金屬輻射片。詳細而言，第一輻射部220之一邊緣可具有矩形之一第一缺口(Notch)221和一第二缺口222，而第二輻射部230之一邊緣可具有矩形之一第三缺口231和一第四缺口232，其中前述之各缺口可用於調整第一輻射部220和第二輻射部230之阻抗匹配(Impedance Matching)。第一電容性耦合貼片260和第二電 容性耦合貼片270可以各自為一矩形金屬片。在另一些實施例中，第一電容性耦合貼片260和第二電容性耦合貼片270亦可改為圓形、三角形，或是其他形狀。第一電容性耦合貼片260和第一電容性耦合貼片270兩者皆為浮接狀態。詳細而言，第一電容性耦合貼片260係鄰近於第一輻射部220，並與第一輻射部220完全分離，其中第一電容性耦合貼片260和第一輻射部220之間可形成一第一耦合間隙(Coupling Gap)GC1；而第二電容性耦合貼片270係鄰近於第二輻射部230，並與第二輻射部230完全分離，其中第二電容性耦合貼片270和第二輻射部230之間可形成一第二耦合間隙GC2。

第3A圖係顯示未使用任何電容性耦合貼片時天線陣列200之輻射場型圖，其係於XZ平面上進行量測。根據第3A圖之量測結果，若將第一電容性耦合貼片260和第二電容性耦合貼片270由天線陣列200中移除，則天線陣列200之半功率波束寬約為36度。第3B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列200之輻射場型圖，其係於XZ平面上進行量測。根據第3B圖之量測結果，在將第一電容性耦合貼片260和第二電容性耦合貼片270加入至天線陣列200之後(如第2圖之結構)，天線陣列200之半功率波束寬將可增加為39.03度(亦即，改善約10%)。

在一些實施例中，天線陣列200之元件參數係如下列所述。天線陣列200可涵蓋介於5650MHz至5870MHz之間之一操作頻帶，其範圍亦可根據不同需要進行調整。第一電容性耦合貼片260和第二電容性耦合貼片270之每一者之長度L1皆介於前述操作頻帶之0.25倍至0.5倍波長之間(λ/4~λ/2)。第一 輻射部220和第二輻射部230之每一者之長度L2皆約等於前述操作頻帶之0.5倍波長(λ/2)。第一耦合間隙GC1和第二耦合間隙GC2之每一者之寬度皆小於0.5mm，且較佳係介於0.2mm至0.4mm之間。以上尺寸範圍係根據多次實驗結果而求出，其有助於最佳化天線陣列200之操作頻帶和阻抗匹配。第2圖之天線陣列200之其餘特徵皆與第1圖之天線陣列100類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列400之俯視圖。第4圖和第2圖相似。天線陣列400可具有一對稱式結構。在第4圖之實施例中，天線陣列400包括：介質基板210、接地面、第一輻射部220、第二輻射部230、一第一電容性耦合貼片460、一第二電容性耦合貼片470、一第三電容性耦合貼片480，以及一第四電容性耦合貼片490。介質基板210、接地面、第一輻射部220、第二輻射部230之結構和功能皆如第2圖之實施例所述。第一電容性耦合貼片460、第二電容性耦合貼片470、第三電容性耦合貼片480，以及第四電容性耦合貼片490可以各自為一矩形金屬片。在另一些實施例中，第一電容性耦合貼片460、第二電容性耦合貼片470、第三電容性耦合貼片480，以及第四電容性耦合貼片490亦可各自改為圓形、三角形，或是其他形狀。第一電容性耦合貼片460、第二電容性耦合貼片470、第三電容性耦合貼片480，以及第四電容性耦合貼片490四者皆為浮接狀態。第三電容性耦合貼片480可與第一電容性耦合貼片460大致互相平行，而第四電容性耦合貼片490可與第二電容性耦合貼片470大致互相平行。詳細而言，第一電 容性耦合貼片460係鄰近於第一輻射部220，並與第一輻射部220完全分離，其中第一電容性耦合貼片460和第一輻射部220之間可形成一第一耦合間隙GCP1；第二電容性耦合貼片470係鄰近於第二輻射部230，並與第二輻射部230完全分離，其中第二電容性耦合貼片470和第二輻射部230之間可形成一第二耦合間隙GCP2；第三電容性耦合貼片480係鄰近於第一電容性耦合貼片460，並與第一電容性耦合貼片460完全分離，其中第三電容性耦合貼片480和第一電容性耦合貼片460之間可形成一第三耦合間隙GCP3；而第四電容性耦合貼片490係鄰近於第二電容性耦合貼片470，並與第二電容性耦合貼片470完全分離，其中第四電容性耦合貼片490和第二電容性耦合貼片470之間可形成一第四耦合間隙GCP4。

第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列400之輻射場型圖，其係於XZ平面上進行量測。根據第5圖之量測結果，在將第一電容性耦合貼片460、第二電容性耦合貼片470、第三電容性耦合貼片480，以及第四電容性耦合貼片490加入至天線陣列400之後(如第4圖之結構)，天線陣列400之半功率波束寬將可增加至40.8度(亦即，改善約13%)。由於複數電容性耦合貼片並聯時其總電容值會提高，故電容性耦合貼片之數目增加可進一步改善天線陣列400之半功率波束寬。必須注意的是，本發明並不僅限於此。在其他實施例中，天線陣列400還可包括6個、8個、10個、12個，或更多個電容性耦合貼片。

在一些實施例中，天線陣列400之元件參數係如下列所述。天線陣列400可涵蓋介於5650MHz至5870MHz之間之 一操作頻帶，其範圍亦可根據不同需要進行調整。第一電容性耦合貼片460、第二電容性耦合貼片470、第三電容性耦合貼片480，以及第四電容性耦合貼片490之每一者之長度L3皆介於前述操作頻帶之0.25倍至0.5倍波長之間(λ/4~λ/2)。第一耦合間隙GCP1、第二耦合間隙GCP2、第三耦合間隙GCP3，以及第四耦合間隙GCP4之每一者之寬度皆小於0.5mm，且較佳係介於0.2mm至0.4mm之間。為了加強元件間之交互耦合效應，第三耦合間隙GCP3之寬度可大於第一耦合間隙GCP1之寬度，第四耦合間隙GCP4之寬度可大於第二耦合間隙GCP2之寬度，第三電容性耦合貼片480之寬度W3可大於第一電容性耦合貼片460之寬度W1，而第四電容性耦合貼片490之寬度W4可大於第二電容性耦合貼片470之寬度W2。以上尺寸範圍係根據多次實驗結果而求出，其有助於最佳化天線陣列400之操作頻帶和阻抗匹配。第4圖之天線陣列400之其餘特徵皆與第2圖之天線陣列200類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

第6圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列600之俯視圖。第6圖和第1圖相似。在第6圖之實施例中，天線陣列600包括一介質基板610、一接地面(未顯示，位於介質基板610之另一表面)、一第一輻射部620、一第二輻射部630、一第三輻射部640、一第一電容性耦合貼片660，以及一第二電容性耦合貼片670。第6圖之天線陣列600之輻射部係屬於串列式連接。詳細而言，第二輻射部630係經由第三輻射部640和第一輻射部620耦接至天線陣列600之一饋入點FP，其中第二輻射部630、第三輻射部640，以及第一輻射部620可排列於同一直 線上。第一輻射部620、第二輻射部630，以及第三輻射部640可各自為矩形、圓形、三角形，或是其他形狀之一金屬輻射片。第一電容性耦合貼片660和第二電容性耦合貼片670可以各自為一矩形金屬片，其中第一電容性耦合貼片660還可包括彼此分離且尺寸相等之一第一部份661和一第二部份662。在另一些實施例中，第一電容性耦合貼片660和第二電容性耦合貼片670亦可各自改為圓形、三角形，或是其他形狀。第一電容性耦合貼片660和第二電容性耦合貼片670兩者皆為浮接狀態。詳細而言，第一電容性耦合貼片660之第一部份661和第二部份662皆係鄰近於第一輻射部620，並與第一輻射部620完全分離；而第二電容性耦合貼片670係鄰近於第二輻射部630，並與第二輻射部630完全分離。根據實際量測結果，在將第一電容性耦合貼片660和第二電容性耦合貼片670加入至天線陣列600之後，天線陣列600之輻射場型之半功率波束寬亦將明顯增加。第6圖之天線陣列600之其餘特徵皆與第1圖之天線陣列100類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

第7圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列700之俯視圖。第7圖和第1圖相似。天線陣列700可具有一對稱式結構。在第7圖之實施例中，天線陣列700包括一介質基板710、一接地面(未顯示，位於介質基板710之另一表面)、一第一輻射部720、一第二輻射部730、一第三輻射部740、一第四輻射部750、一第一電容性耦合貼片760，以及一第二電容性耦合貼片770。第7圖之天線陣列700之輻射部係屬於串列式連接。詳細而言，第一輻射部720係經由第三輻射部740耦接至天線陣 列700之一饋入點FP，而第二輻射部730係經由第四輻射部750耦接至天線陣列700之饋入點FP，其中第二輻射部730、第四輻射部750、第三輻射部740，以及第一輻射部720可排列於同一直線上。第一輻射部720、第二輻射部730、第三輻射部740，以及第四輻射部750可各自為矩形、圓形、三角形，或是其他形狀之一金屬輻射片。第一電容性耦合貼片760和第二電容性耦合貼片770可以各自為一矩形金屬片。在另一些實施例中，第一電容性耦合貼片760和第二電容性耦合貼片770亦可各自改為圓形、三角形，或是其他形狀。第一電容性耦合貼片760和第二電容性耦合貼片770兩者皆為浮接狀態。詳細而言，第一電容性耦合貼片760之係鄰近於第一輻射部720，並與第一輻射部720完全分離；而第二電容性耦合貼片770係鄰近於第二輻射部730，並與第二輻射部730完全分離。根據實際量測結果，在將第一電容性耦合貼片760和第二電容性耦合貼片770加入至天線陣列700之後，天線陣列700之輻射場型之半功率波束寬亦將明顯增加。第7圖之天線陣列700之其餘特徵皆與第1圖之天線陣列100類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

本發明提出一種新穎之天線陣列，藉由加入電容性耦合貼片之設計，本發明可有效地改善天線陣列之輻射場型之半功率波束寬，以應用於各種無線通訊領域，例如：一車用雷達系統，其需要較廣域之視野偵測範圍。由於電容性耦合貼片之結構簡單，本發明之天線陣列更具有低製造成本、高生產良率等等優勢，實具有大量生產之商業價值。

值得注意的是，以上所述之元件尺寸、元件形狀， 以及頻率範圍皆非為本發明之限制條件。天線設計者可以根據不同需要調整這些設定值。本發明之天線陣列並不僅限於第1-7圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-7圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之，並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之天線陣列當中。

在本說明書以及申請專利範圍中的序數，例如「第一」、「第二」、「第三」等等，彼此之間並沒有順序上的先後關係，其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

1. 一種天線陣列，包括：一介質基板；一接地面；一第一輻射部，耦接至一饋入點；一第二輻射部，耦接至該饋入點；一第一電容性耦合貼片，鄰近於該第一輻射部，並與該第一輻射部分離；以及一第二電容性耦合貼片，鄰近於該第二輻射部，並與該第二輻射部分離；其中該第一電容性耦合貼片和該第二電容性耦合貼片係用於增加該天線陣列之半功率波束寬。
2. 如申請專利範圍第1項所述之天線陣列，其中該介質基板具有相對之一第一表面和一第二表面，其中該第一輻射部、該第二輻射部、該第一電容性耦合貼片，以及該第二電容性耦合貼片皆設置於該介質基板之該第一表面，而其中該接地面係設置於該介質基板之該第二表面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之天線陣列，其中該第一電容性耦合貼片和該第二電容性耦合貼片各自為一矩形金屬片。
4. 如申請專利範圍第1項所述之天線陣列，其中該天線陣列係涵蓋介於5650MHz至5870MHz之間之一操作頻帶。
5. 如申請專利範圍第4項所述之天線陣列，其中該第一電容性耦合貼片和該第二電容性耦合貼片之每一者之長度皆介 於該操作頻帶之0.25倍至0.5倍波長之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之天線陣列，更包括：一第三電容性耦合貼片，鄰近於該第一電容性耦合貼片，並與該第一電容性耦合貼片分離；以及一第四電容性耦合貼片，鄰近於該第二電容性耦合貼片，並與該第二電容性耦合貼片分離。
7. 如申請專利範圍第6項所述之天線陣列，其中該第三電容性耦合貼片和該第四電容性耦合貼片各自為一矩形金屬片。
8. 如申請專利範圍第1項所述之天線陣列，更包括：一第三輻射部，其中該第二輻射部係經由該第三輻射部和該第一輻射部耦接至該饋入點。
9. 如申請專利範圍第8項所述之天線陣列，其中該第一電容性耦合貼片包括分離之一第一部份和一第二部份。
10. 如申請專利範圍第1項所述之天線陣列，更包括：一第三輻射部，其中該第一輻射部係經由該第三輻射部耦接至該饋入點；以及一第四輻射部，其中該第二輻射部係經由該第四輻射部耦接至該饋入點。