TW202026660A - 具旁波束抑制功能的雷達裝置 - Google Patents

Abstract

一種具主波束波寬縮減、能量增強與旁波束抑制功能的雷達裝置，包括天線罩、天線組件、以及超材料組件。該天線組件設置在該天線罩內且包括天線基板以及設置在該天線基板一面的天線。該超材料組件設置在該天線罩內並與天線罩黏附或整合再一起，並與該天線組件隔一間距，且該超材料組件包括固定基板、第一超材料陣列以及第二超材料陣列。該天線組件所發射的該雷達波是沿著一朝向該超材料組件的發射方向，且該間距為該雷達波的工作頻段在空氣中的波長的二分之一的倍數。該雷達裝置可縮減主波束波寬及增強其能量並且抑制旁波束。

Description

具主波束波寬縮減、能量增強與旁波束抑制功能的雷達裝置

本發明關於一種雷達裝置，尤指一種雷達裝置，其增強聚焦了在雷達波的發射方向上的主波束，且抑制了在雷達波的發射方向上的兩側的旁波束，使得該雷達裝置能夠良好的偵測前方的物體，且避免被兩側的物體所干擾。

雷達裝置廣泛應用在車輛上，透過在車輛的車頭或車尾安裝雷達裝置，可使車輛具有偵射前方或後方物體的功能，進而避免車輛在行駛或倒車中意外撞擊或輾過物體。

請參照圖1，圖1為傳統雷達裝置未加設要的水平角位的波束場型(以多個點相連的實線曲線)以及加設天線罩後的水平角位的波束場型(虛線曲線)曲線圖。傳統雷達裝置主要以增加雷達裝置中的陣列天線個數而進行天線波束寬度縮減，以便提升雷達的偵測性能。然而，前述增加陣列天線個數的方式，雖然使主波束(Main lobe)的波寬縮減，但其旁波(Side lobe)的能量卻增加，造成雷達裝置兩側的回波訊號變大，使雷達裝置受到兩側的樹木及建物的反射雜波所干擾，若以控制阻抗或相位方式進行旁波抑制(Tapering)，則其旁波束能量可降低許多，但是為了雷達裝置 的防水設計，必須加上雷達裝置罩進行密合組裝，經過材質及厚度不同的雷達裝置罩覆蓋住天線部分，會使原有旁波束能量增大，如圖1所示。此造成原來主要旁波已經過抑制的場型(以多個點相連的實線曲線)經天線罩反射後其主要旁波又增大許多(虛線曲線)。因此，當雷達裝置安裝在一車輛的前端或是後端時，兩側的樹木及建物的反射雜波又進入雷達裝置的量測頻譜中，造成近端反射的干擾。

簡言之，以傳統旁波抑制(Tapering)雖可將陣列天線的主旁波抑制降低，但經過天線罩的近場反射，又會破壞其旁波抑制(Tapering)特性。而每一套雷達系統不能以裸板作為成品，必須加上天線罩進行防水等防護，所以需思考如何改善天線罩對微波輻射場型的影響。

有鑑於現有的車用雷達裝置在雷達波的主波束的增強以及旁波束的抑制上有所不足，導致偵測車輛前後方的物體的功能不足，又容易遭受車輛側邊的其他物品所干擾偵測結果的缺點，改良其不足與缺失，進而發明出一種具主波束增強與旁波束抑制功能的雷達裝置。

本發明主要目的在於提供一種具主波束增強與旁波束抑制功能的雷達裝置，包括：一天線罩，在該天線罩中形成有一容置空間；一天線組件，設置在該天線罩的容置空間內且包括一天線基板以及一設置在該天線基板一面的天線，該天線用於發射雷達波以用於偵測外部環境的物體；以及一超材料組件，設置在該容置空間內並與並與該天線組件 隔一間距，且該超材料組件包括一固定基板、一第一超材料陣列以及一第二超材料陣列；該固定基板貼附在該天線罩的容置空間內表面上或整合在天線罩中；該第一超材料陣列設置在該固定基板的相對兩表面的其中一表面上，且包括有多個第一超材料單元；該第二超材料陣列設置在該固定基板的另一表面上，且包括有多個第二超材料單元，該多個第二超材料單元分別對應並且對準該多個第一超材料單元；其中，該天線組件所發射的該雷達波是沿著一朝向該超材料組件的發射方向，且該間距為該雷達波在空氣中的波長的二分之一的倍數。

在本發明一實施例中，該至少一天線為陣列天線。

在本發明一實施例中，該天線罩的厚度為該雷達波在該天線罩材料的波長的二分之一的倍數。

在本發明一實施例中，該天線罩被該雷達波貫穿的部份的厚度是為該雷達波在該天線罩材料的波長的二分之一的倍數。

在本發明一實施例中，該超材料組件的厚度為該雷達波在該超材料組件的波長的二分之一的倍數。

在本發明一實施例中，每一第一超材料單元具有一第一矩形外框以及位於該第一矩形外框內且與該第一矩形外框連接的第一螺旋部；每一第二超材料單元具有一第二矩形外框以及位於該第二矩形外框內且與該第二矩形外框連接的第二螺旋部；該固定基板上貫穿形成有多個鍍有金屬導體的貫孔，該多個貫孔在數量上對應該多個第一超材料單元以及該多個第二超材料單元，每一貫孔分別連接對應的第一超材料單元以及第 二超材料單元。

在本發明一實施例中，該超材料組件具有負折射指數。

在本發明一實施例中，該天線罩具有正折射指數。

在本發明一實施例中，該超材料組件的負折射指數的絕對值大於該天線罩的正折射指數的絕對值。

本發明具主波束波寬縮減、能量增強與旁波束抑制功能的雷達裝置至少具有下列優點。

1.基於本發明的天線罩的厚度為該雷達波在該天線罩中的波長的二分之一的倍數的設計原則，可選擇合適材質與厚度的天線罩，進而避免天線波束場型的嚴重失真。

2.針對中長距離的偵測雷達應用，即便不論天線罩的材質與厚度，該超材料組件的設置可具有縮減主波束波寬且增強其能量，並降低旁波束能量的功能。

3.一般要設計極窄波束的天線場型，需要並聯較多的天線，造成電路板面積變大，且天線場型的旁波波束個數增加與能量增大，若以超材料組件配合一般較少陣列的窄波束天線取代大型較多陣列的極窄波束天線，可達到同樣的波束縮小能量增大的效果且又可縮小天線面積與降低旁波束能量的效果。

4.本發明可固定天線的型態尺寸，可更不同的超材料組件(不同的負折射指數)，用以控制不同的天線場型。

10‧‧‧天線罩

100‧‧‧容置空間

11、12‧‧‧半殼體

20‧‧‧天線組件

21‧‧‧天線基板

22‧‧‧天線

30‧‧‧超材料組件

31‧‧‧固定基板

310‧‧‧貫孔

33、33a、33c‧‧‧第一超材料單元

330‧‧‧間隔

331‧‧‧第一矩形外框

332‧‧‧第一螺旋部

332c‧‧‧第一方形部

351‧‧‧第二矩形外框

352‧‧‧第二螺旋部

35、35a、35c‧‧‧第二超材料單元

圖1為傳統雷達裝置未加設天線罩的水平角位的波束場型 (以多個點相連的實線曲線)以及加設天線罩後的水平角位的波束場型(虛線曲線)曲線圖。

圖2為本發明具主波束增強與旁波束抑制功能的雷達裝置的立體外觀圖。

圖3為本發明雷達裝置的立體大部分解圖。

圖4為本發明雷達裝置的側面剖視圖。

圖5為司乃爾定律(Snell’s Law)的入射、反射及折射角的相對關係示意圖。。

圖6A為薄介質厚度對波的折射角度的影響示意圖。

圖6B為厚介質厚度對波的折射角度的影響示意圖。

圖7為本發明天線組件的平面視圖。

圖8為本發明超材料組件的平面視圖。

圖9為本發明超材料組件第1實施例一面的局部放大平面視圖。

圖10為本發明超材料組件第1實施例另一面的局部放大平面視圖。

圖11為本發明超材料組件第1實施例的局部放大側面剖視圖。

圖12為駐波的示意圖，其中往返兩相同的正弦波，即是向右波、向左波(反射波)相向行進干涉而形成合成波。

圖13為本發明的雷達波在空氣及一般介質(實線)與超材料(虛線)的折射示意圖。

圖14為本發明的雷達波在空氣、超材料組件及天線罩等不同介質間的折射示意圖。

圖15為本發明以3D場論進行模擬分析，並更換不同的天線罩材質與加入超材料結合天線罩進行分析所得的天線場型曲線圖。

圖16為本發明實驗1中以不同厚度的天線罩進行收發FOV(Field of View)的收發功率量測的波束場型曲線圖。

圖17為本發明實驗2中加入超材料至天線罩進行收發FOV(Field of View)的收發功率量測的波束場型曲線圖。

圖18為本發明實驗3中以不同厚度及材質的天線罩進行收發FOV(Field of View)的收發功率量測的波束場型曲線圖。

圖19為本發明實驗4中以不同厚度及材質的天線罩分別加入超材料進行收發FOV(Field of View)的收發功率量測的波束場型曲線圖。

請參照圖2至圖4，圖2為本發明具主波束增強與旁波束抑制功能的雷達裝置的立體外觀圖。圖3為本發明雷達裝置的立體大部分解圖，圖4為本發明雷達裝置的側面剖視圖。本發明具主波束增強與旁波束抑制功能的雷達裝置包括一天線罩10、一天線組件20以及一超材料(Metamaterial)組件30。

該天線罩10為一外殼，該外殼可由兩半殼體11、12相互對接固定而組成。在該天線罩10中形成有一容置空間100。該天線組件20設置在該天線罩10的容置空間100內且包括一天線基板21(電路板)以及至少一設置在該天線基板21一面的天線22。

該至少一天線22可為陣列天線22，可發射雷達波以用於偵測外部環境的物體。

該超材料組件30設置在該容置空間100內並與並與該天線組件20隔一間距D1，且該超材料組件30包括一固定基板31、一第一超材料陣列以及一第二超材料陣列。該固定基板31具有絕緣性，可為具有撓性的薄膜基板，且該固定基板31貼附在該天線罩10的容置空間100內表面上。該第一超材料陣列設置在該固定基板31的相對兩表面的其中一表面上，且包括有多個第一超材料單元33。該多個第二超材料單元35分別對應並且對準該多個第一超材料單元33，即是，每一第二超材料單元35的中心軸線平行於該固定基板31的法線，且每一第二超材料單元35的中心軸線是重疊於對應的每一第一超材料單元33的中心軸線。於發明較佳實施例中，該超材料組件30的厚度為該雷達波在該超材料組件30的波長的二分之一的倍數。本發明所敘述的超材料組件，是一種金屬或電路板的布局結構，並非是一種材料，超材料組件具有波束波寬縮減、能量增強與旁波束抑制等功能。

該天線組件20所發射的該雷達波是沿著一朝向該超材料組件30的發射方向，該雷達波穿過該超材料組件30時受到該超材料組件30的折射，使該雷達波的主波束在該發射方向上增大，且使該雷達波的位於該主波束的兩側的旁波束被抑制而在該發射方向上減小，且該雷達波經穿過該超材料組件30後再穿過該天線罩10，再繼續向外部環境發射，並在觸及物體並經物體反彈後回傳到雷達裝置本身，進而達到物體偵測效果。此外，該間距D1為該雷達波在空氣中波長的二分之一的倍數。於本發明較佳實施例中，該天線罩10的厚度D2為該雷達波在該天線罩10中波長的二分之 一的倍數。詳細而言，該天線罩10被該雷達波貫穿的部份的厚度D2是為該雷達波在該天線罩10中波長的二分之一的倍數。

在進一步敘述本發明的各項元件的細節之前，須先介紹本發明具主波束增強與旁波束抑制功能的雷達裝置的設計原理如下。

本發明天線罩10的厚度D2與其材質(介電係數)影響天線22場型變化的影響。而天線罩10厚度D2的影響對象，分別為駐波的節點反射及場型的折射角度變化，而天線罩10材質的影響對象，則與折射角度變化有關。此外，尚須控制天線22與天線罩10之間的間距D1，一般將該距離控制在在二分之一波長(雷達波束在空氣介質中的波長)的倍數，而天線罩10的厚度D2也需要控制在二分之一波長(雷達波束在各種天線罩10介質中的波長)的倍數。

欲消除天線罩10的厚度D2影響，首先須將天線罩10的厚度D2控制在二分之一波長(雷達波束在各種天線罩10介質中的波長)的倍數，每一種材質對應的二分之一波長皆不相同，以波在介質中的速度相較 於空氣中的速度來計算其波長，如

，其中v是波在介質中的行走 的速度，而波在空氣中行走的速度則為

，其中所用的天線罩10材質均非磁性材質。得知μ _r =μ ₀與ε _r =ε ₁ ε ₀，其中ε1為其相對介電係數，因 此推得到

。

若在一定的操作頻率之下，在空氣介質的波長為

，若 為天線罩10材質

，則

，所以在76.5GHz頻率下，天線 基板21(電路板)與天線罩10之間的距離需為二分之一波長(空氣介質)的 倍數，

，若為聚碳酸酯 (Polycarbonate,PC)材質(介電係數ε₁)為2.8，則其天線罩10的厚度D2律定 二分之一波長(天線罩10介質)的倍數，即是

，因此

，若此厚度D2PC材質不夠強固，則取其二倍厚度D22×1.195=2.39mm，可將駐波節點效應消除，降低輻射場型的失真現象。

請參照圖5，圖5為司乃爾定律(Snell’s Law)的入射、反射及折射角的相對關係示意圖。在天線罩10本身的設計上，計有厚度D2及材質會影響微波輻射場型，一般而言在天線22裸板輻射時，其天線22場型的輻射介面為空氣，其介電係數為1.0左右，而加上天線罩10後，其輻射介面會經過天線罩10的介質，若為PC材質則其介電係數約為2.8，為聚對苯二甲酸丁二酯(Polybutylene terephthalate,PBT)材質則為3.8，如圖2所示。

根據司乃爾定律得知兩介質間波的入射角與折射角為θ₁與θ₂且折射指數(refractive index)分別為n₁與n₂，其關係式為下：n₁˙sin(θ₁)=n₂˙sin(θ₂)

其中v₂表示介質內波的速度、f表示射頻頻率、c表示光速

ω=2πf且|k₁|=ω/c，|k₂|=ω/v₂，可得到下式：

再由Fresnel’s Equation與介電係數的關係，得出下列方程式：

μ ₁=μ ₂=1(非磁性材料)

ε ₁=1(空氣介電係數)

因此可得到介電係數越大，輻射場型改變越大。

請參照圖6A及圖6B，圖6A為薄介質厚度D2對波的折射角度的影響示意圖，圖6B為厚介質厚度D2對波的折射角度的影響示意圖。

n ₁ sinθ _i =n ₂ sinθ _t ,

a=d．sin(θ _i -θ _t )cosθ _t

由上述計算式，可得到介質厚度D2越厚，輻射場型改變越大。但是輻射場型的折射大小與介電係數的平方根成正比，與介質厚度D2成正比。

本發明為了避免駐波節點效應，造成天線22輻射場型的嚴重變形，將控制天線22與天線罩10之間的距離，設計在二分之一波長(空氣介質)的倍數，而天線罩10的厚度D2也需要設計在二分之一波長(天線罩10介質)的倍數，可降低近場天線22的駐波效應。

若已將天線罩10的厚度D2最佳化，但原有天線22場型與天線罩10材料等因素都會影響最終場型變化，所以要進一步將天線罩10對天線22場型負面的影響改善，因此採用超材料(Metamaterial)特性改善天線罩 10負面影響，因為超材料在司乃爾定律中，其折射角會產生負角度的特性，而天線罩10產生的負面影響多來自於折射角的正角度影響。

本發明除控制天線22與天線罩10之間的距離與天線罩10的厚度D2外，更進一步應用極薄的板材，以電磁能隙(Electromagnetic Band Gap,EBG)印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)結構做為該超材料組件30的材料，來改善上述天線罩10破壞其旁波抑制特性，其採用一般兩層板(或多層板)的PCB製程，生產製造容易且與天線罩10整合簡單。

請參照圖9至圖11，圖9為本發明超材料組件30第一實施例一面的局部放大平面視圖，圖10為本發明超材料組件30第一實施例另一面的局部放大平面視圖，圖11為本發明超材料組件30第一實施例的局部放大側面剖視圖。每一第一超材料單元33具有一第一矩形外框331以及位於該第一矩形外框331內且與該第一矩形外框331連接的第一螺旋部332。每一第二超材料單元35具有一第二矩形外框351以及位於該第二矩形外框351內且與該第二矩形外框351連接的第二螺旋部352。該固定基板31上貫穿形成有多個鍍有金屬導體的貫孔310，該多個貫孔310在數量上對應該多個第一超材料單元33以及該多個第二超材料單元35，每一貫孔310分別連接對應的第一超材料單元33以及第二超材料單元35。於較佳實施例中，相鄰的兩第一超材料單元33之間具有一間隔330，且相鄰的兩第二超材料單元35緊密相連。

以上本發明超材料組件30具有較好雷達波主波束增強並且旁波束抑制效果的實施例。上述本發明超材料組件30，均具有慢波(Slow wave)的高阻抗表面特性，亦可稱為頻率選擇表面(Frequency Selective Surfaces,FSS)。當入射場通過此結構之金屬表面時，金屬表面會產生感應電流，而感應電流會產生散射場。在空間中，任意位置之總場便是由感應電流與介電質之界面造成之反射與透射場之總和，藉由此特性應用改善天線22輻射的問題。

此外，本發明雷達波的駐波理論依據如下：請參照圖12，圖12為駐波(Standing Wave或Stationary Wave)的示意圖，其中往返兩相同的正弦波，即是向右波、向左波(反射波)相向行進干涉而形成合成波(Combined Wave)。駐波為兩個波長、週倍數期、頻率和波速皆相同的正弦波相向行進干涉而成的合成波。與行波不同，駐波的波形無法前進，因此無法傳播能量。駐波通過時，每一個質點皆作簡諧運動。因為天線22與天線罩10之間與天線罩10的厚度D2的距離是固定且在近場範圍，其入射波與反射波的強度、週期等完全相同且方向相反，符合駐波形成的條件，因此將其在天線罩10的反射節點(Node)設在駐波的波谷，使其近場反射能量最小。

反方向傳播的波可以用以下方程表示y ₁=y ₀sin(kx-ωt)

y ₂=y ₀sin(kx+ωt)

其中y0為波的振幅，ω為角速度，ω=2πf，k為波數，k=

x與t為距離與時間的變量，兩波疊加後的結果為：y=y ₀ sin(kx-ωt)+y₀ sin(kx+ωt)

簡化後得到y=2y ₀cos(ωt)sin(kx)

由上式得知0,λ/2,λ,3λ/2,...為波谷(λ/2的倍數)，其振幅為0，另在λ/4,3λ/4,5λ/4,...為波峰其能量最大。

此外，超材料的理論主要為應用於負指數超材料(Negative-index metamaterials,NIM)的應用，在一般介質結構中，其司乃爾定律的折射指數(refractive index)均為正值，因此能天線22輻射場會發散變差。因為折射指數n ²=μ _r ε _r ，若是ε與μ均小於0，則Maxwell方程式的time-harmonic平面波方程式在此結構中的表示為下：k× E =ωμ ₀ μH ；k× H =-ωε ₀ εE 。

請參照圖13，圖13為本發明的雷達波在空氣及天線罩10等不同介質間的折射示意圖。帶入Maxwell方程式與Poynting的向量中，其折射指數n必須為負，所以將折射指數帶入圖5的Snell Law的入射及折射角關係，會得到圖21之新的入射及折射角關係。傳統上由介質1(空氣，折射指數為n₁)到介質2(天線罩10，折射指數為n₂)是由實線入射線到虛線折射線，但是採用負指數超材料，則是由實線入射線到實線折射線，此相同於光學中的凸透鏡的聚焦方式，其具有增加天線22增益與降低各階旁波的能量的效果。

請參照圖14，圖14為本發明的雷達波在空氣、超材料組件30及天線罩10等不同介質間的折射示意圖。其中本發明之超材料組件30貼設該天線罩10上，為三層介質層分別為空氣(介質1)、超材料(介質2)及天線罩10(介質3)(折射指數分別為n₁、n₂、n₃)，其層別結構如圖22所示，其超材料的負折射指數必須大於天線罩10本身的正折射指數，如此才 能達到旁波束能量抑制與主波束波寬縮減的效果，因為天線罩10厚度D2較厚(遠大於超材料)使得天線22增益效果下降許多，要如何使超材料的負折射指數增加，能夠大於天線罩10折射指數，其最大的方式即是(i)調整每一個超材料單位的邊長，等於二分之一的工作頻率的波長，(ii)增加超材料的層數，改為多層板使其負折射指數持續增加。但須考慮PCB的板厚與其製程的費用，畢竟本發明是應用消費性車用產品，不能增加過多的成本。

在本發明較佳實施例中，該超材料組件具有負折射指數，該天線罩具有正折射指數，該超材料組件的負折射指數的絕對值大於該天線罩的正折射指數的絕對值。

請參照圖15，圖15為本發明以3D場論進行模擬分析，並更換不同的天線罩10材質與加入超材料進行分析所得的天線22場型曲線圖，其中PC_Cover_EBG曲線呈現加入超材料後，有明顯的主波束變窄而各旁波束能量均降低，且增益增加等效果。

本發明相關實驗

實驗1

請參照圖16，圖16為本發明實驗1中以不同厚度D2的天線罩10進行收發FOV(Field of View)的收發功率量測的波束場型曲線圖。在實驗1中，收發各為單一串接陣列天線22，以PC材質(ε₁=2.8)製作不同的天線罩10厚度D2，其中厚度D2定二分之一波長(天線罩10介質)的倍數，即是

，參考圖11以不同厚度D2的天線罩10進行收發FOV(Field of View)的收發功率量測，其中(i)實線曲線是沒有加天線罩10的場型，(ii)虛線曲線厚度D2 1.15mm接近λ₁/2=1.195mm，其場型有壓縮，但失真較小(iii)點線 曲線厚度D2 2.33mm接近2×(λ₁/2)=2.39mm，同樣地其場型有壓縮，但失真較小，(iv)一點鏈線曲線厚度D2 2.0mm並非λ₁/2或其倍數，產生駐波效應造成場型嚴重失真。

實驗2

請參照圖17，圖17為本發明實驗2中加入超材料至天線罩10進行收發FOV(Field of View)的收發功率量測的波束場型曲線圖。在實驗2中，發射為四支並聯串接陣列天線22與接收為單一串接陣列天線22，PC材質(ε₁=2.8)厚度D2 2.0mm天線罩10，加超材料進行收發FOV(Field of View)的收發功率量測，如圖12，其中(i)實線曲線是沒有加天線罩10的場型，(ii)虛線曲線厚度D2 2.0mm並非λ₁/2或其被數，產生駐波效應造成場型嚴重失真(iii)一點鏈線曲線厚度D2 2.0mm加上加超材料，不僅將主波束(Main lobe)的波寬縮減且將主波束能量的增強，並降低兩側旁波(Side lobe)的能量。

實驗3

請參照圖18，圖18為本發明實驗3中以不同厚度D2及材質的天線罩10進行收發FOV(Field of View)的收發功率量測的波束場型曲線圖。在實驗3中，收發各為單一串接陣列天線22，分別以PC材質(ε₁=2.8)與PBT材質(ε₂=3.2)製作不同的天線罩10厚度D2，其中厚度D2定二分之一波 長(天線罩10介質)的倍數，即是

，參考圖13以不同厚度D2的天線罩10進行收發FOV(Field of View)的收發功率量測，其中(i)實線曲線是沒有加天線罩10的場型，(ii)虛線曲線厚度D2 1.15mm PC接近λ₁/2=1.195mm，其場型有壓縮，但失真最小，(iii)點線曲線厚度D2 2.33mm PC接近2×(λ₁/2)= 2.39mm，同樣地其場型有壓縮，但失真較小，但衰減較PC 1.15mm大，(iv)一點鏈線曲線厚度D2 2.0mm PC並非λ₁/2或其倍數，產生駐波效應造成場型嚴重失真，(v)二點鏈線曲線厚度D2 2.13mm PBT並非λ₂/2或其倍數，產生駐波效應造成場型嚴重失真。(vi)細實線曲線厚度D2 2.26mm PBT接近2×(λ₂/2)=2.24mm，同樣地其場型有壓縮，但失真較小，衰減較PC 1.15mm大，但較PC 2.33mm小。由本項量測資料比對第一章先前技藝中，折射角與厚度D2成正比但與介電係數成平方根正比，因此天線罩10厚度D2對天線22場型的影響大於介電係數的影響。

實驗4

請參照圖19，圖19為本發明實驗4中以不同厚度D2及材質的天線罩10進行收發FOV(Field of View)的收發功率量測的波束場型曲線圖。在實驗4中，收發各為單一串接陣列天線22，以PC材質(ε1=2.8)製作不同的天線罩10厚度D2並加入超材料貼附在天線罩10，參考圖14以不同厚度D2的天線罩10與加上超材料進行收發FOV(Field of View)的收發功率量測，其中(i)實線曲線是沒有加天線罩10的原始場型，(ii)虛線曲線為厚度D2 2.0mm PC並非λ₁/2或其倍數，產生駐波效應造成場型嚴重失真，(iii)點線曲線是厚度D22.0mm PC加上超材料，此時將原有已嚴重失真的場型(虛線曲線)，同樣進行波寬縮減，旁波降低的改善，其主波束中央仍有微小的凹陷，但中央能量高於未加超材料時之能量。(iv)一點鏈線曲線是厚度D2 1.15mm PC接近λ₁/2，其場型雖有壓縮，但失真最小(v)二點鏈線曲線是厚度D2 1.15mm PC加上超材料後，相對於未加超材料的場型，其波寬縮減且能量增強，旁波降低的功能非常明顯。由本項量測資料分析，無論天線 罩10的材質為何或其厚度D2是否為λ₁/2或其倍數，加上超材料之後都具有縮減主波束波寬，降低旁波束能量的功能，因此用於汽車前方中長距離的偵測雷達應用。

本發明具主波束能量增強、波寬縮減與旁波束抑制功能的雷達裝置至少具有下列優點。

1.基於本發明的天線罩10的厚度D2為該雷達波在該天線罩10中的波長的二分之一的倍數的設計原則，可選擇合適材質與厚度D2的天線罩10，進而避免天線22波束場型的嚴重失真。

2.針對中長距離的偵測雷達應用，即便不論天線罩10的材質與厚度D2，該超材料組件30的設置可具有縮減主波束波寬，降低旁波束能量的功能。

3.一般要設計極窄波束的天線22場型，需要並聯較多的天線22，造成電路板面積變大，且天線22場型的旁波波束個數增加與能量增大，若超材料組件30加上一般窄波束天線的組合可取代極窄波束天線22，可達到縮小天線22面積與降低旁波束能量的效果。

4.本發明可固定天線22的型態尺寸，可更不同的超材料組件30(不同的負折射指數)，用以控制不同的天線22場型。

超材料

10‧‧‧天線罩

100‧‧‧容置空間

11、12‧‧‧半殼體

20‧‧‧天線組件

21‧‧‧天線基板

22‧‧‧天線

30‧‧‧超材料組件

31‧‧‧固定基板

33‧‧‧第一超材料單元

Claims (9)

1. 一種具主波束波寬縮減、能量增強與旁波束抑制功能的雷達裝置，包括：一天線罩，在該天線罩中形成有一容置空間；一天線組件，設置在該天線罩的容置空間內且包括一天線基板以及一設置在該天線基板一面的天線，該天線用於發射雷達波以偵測外部環境的物體；以及一超材料組件，設置在該容置空間內並與並與該天線組件隔一間距，且該超材料組件包括一固定基板、一第一超材料陣列以及一第二超材料陣列；該固定基板貼附在該天線罩的容置空間內表面上或整合於天線罩內；該第一超材料陣列設置在該固定基板的相對兩表面的其中一表面上，且包括有多個第一超材料單元；該第二超材料陣列設置在該固定基板的另一表面上，且包括有多個第二超材料單元，該多個第二超材料單元分別對應並且對準該多個第一超材料單元；其中，該天線組件所發射的該雷達波是沿著一朝向該超材料組件的發射方向，且該間距為該雷達波在空氣中的波長的二分之一的倍數。
2. 如請求項1所述的雷達裝置，其中該天線罩的厚度為該雷達波在該天線罩材料的波長的二分之一的倍數。
3. 如請求項2所述的雷達裝置，其中該天線罩被該雷達波貫穿的部份的厚度為該雷達波在該天線罩材料的波長的二分之一的倍數。
4. 如請求項1至3中任一項所述的雷達裝置，其中該超材料組件的厚度為該雷達波在該超材料組件的波長的二分之一的倍數。
5. 如請求項1至3中任一項所述的雷達裝置，其中該天線為陣列天線。
6. 如請求項1至3中任一項所述的雷達裝置，其中每一第一超材料單元具有一第一矩形外框以及位於該第一矩形外框內且與該第一矩形外框連接的第一螺旋部；每一第二超材料單元具有一第二矩形外框以及位於該第二矩形外框內且與該第二矩形外框連接的第二螺旋部；該固定基板上貫穿形成有多個鍍有金屬導體的貫孔，該多個貫孔在數量上對應該多個第一超材料單元以及該多個第二超材料單元，每一貫孔分別連接對應的第一超材料單元以及第二超材料單元。
7. 如請求項1至3中任一項所述的雷達裝置，其中該超材料組件具有負折射指數。
8. 如請求項1至3中任一項所述的雷達裝置，其中該天線罩具有正折射指數。
9. 如請求項1至3中任一項所述的雷達裝置，其中該超材料組件的負折射指數的絕對值大於該天線罩的正折射指數的絕對值。

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