TW202145639A - 蜿蜒天線結構 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種蜿蜒天線結構，其包含一基板、一接地層以及一微帶天線層，接地層和微帶天線層分別設在基板相異的兩側，微帶天線層包括輻射單元呈蜿蜒狀且形成一凹陷區，輻射單元之總長度係對應一工作頻率而介於0.8個波長至1.2個波長之長度，輻射單元之訊號輸入端接收輸入訊號以發出具輻射能量之電磁波時，可達到增大半功率波束寬度之效果。

Description

蜿蜒天線結構
本發明係關於一種天線結構，尤指一種可增大半功率波束寬度之蜿蜒天線結構。
美國專利第US04180817A號發明案，公開一種串聯連接的微帶天線陣列，此習知微帶天線陣列主要是以傳輸線段以及輻射元件所串接構成，經由通電而經傳輸線段導入電流訊號，而由輻射元件產生具輻射能量之電磁波，藉此電磁波進行物件感測。
然而，上述習知微帶天線陣列，其輻射元件產生電磁波時之輻射方向皆為同向，導致半功率波束寬度（Half Power Beam Width , HPBW）受到限制而無法增大。此外，上述習知微帶天線陣列為複數個，因相鄰之微帶天線陣列之間會發生輻射干擾的現象，造成串接在前之輻射元件的輻射能量相對較強，串接較後之輻射元件的輻射能量有明顯減弱的影響，且微帶天線陣列也因此造成指向性的偏差，導致微帶天線陣列整體的感測效果變差。
為解決上述課題，本發明提供一種蜿蜒天線結構，可增大半功率波束寬度以擴大感測範圍。
本發明之一項實施例提供一種蜿蜒天線結構，其包含一基板、一接地層以及一微帶天線層，其中接地層設於基板之一側，而微帶天線層設於基板異於接地層之一側。微帶天線層包括至少一輻射單元，所述輻射單元呈蜿蜒狀且形成一凹陷區，輻射單元之總長度係對應一工作頻率而介於0.8個波長至1.2個波長之長度，輻射單元有一訊號輸入端接收一輸入訊號以發出具輻射能量之電磁波。
於一實施例中，所述總長度為1個波長之長度。
於一實施例中，所述輻射單元包括一頭段、一第一輻射段、一過渡段、一第二輻射段以及一尾段依序垂直連接而呈蜿蜒狀，第一輻射段、過渡段及第二輻射段連接形成凹陷區，所述輻射單元之總長度係從頭段至尾段之長度。
於一實施例中，所述輻射單元為複數個以一前一後而依序相接成一天線陣列，其中在前之輻射單元以其尾段和在後之輻射單元之頭段相接而沿所述蜿蜒狀延續。
於一實施例中，所述天線陣列為複數個而依橫向並排，任二相鄰之天線陣列之間具有一間隔距離。
於一實施例中，間隔距離為對應所述1個波長之長度的二分之一。
於一實施例中，進一步在所述相鄰之天線陣列之間有一解耦單元，解耦單元具有一導電部及複數抑制部，複數抑制部側向延伸自導電部而呈梳狀，導電部電性連接接地層，各抑制部係伸設於一前述之凹陷區，以所述抑制部於所在之凹陷區中抑制對應之輻射單元的感應電流。
於一實施例中，各抑制部之長度為對應所述1個波長之長度的四分之一。
於一實施例中，各抑制部於所在之凹陷區中伸設之長度為接近所述過渡段但不接觸所述輻射單元。
於一實施例中，各導電部和接地層之間設有複數貫穿基板而電性連接之連接部，連接部係對應所在導電部之複數抑制部而設。
於一實施例中，頭段和尾段任一者之長度為過渡段長度的一半。
於一實施例中，工作頻率為77GHz。
於一實施例中，頭段、第一輻射段、過渡段、第二輻射段及尾段等寬而具有一線寬，線寬和所述1個波長之長度的比例約為1:10~1:30。
於一實施例中，頭段、第一輻射段、過渡段、第二輻射段及尾段等寬而具有一線寬，凹陷區具有一凹陷寬度及一凹陷深度，過渡段之長度、凹陷深度、或凹陷寬度和線寬之比率為6至10。
於一實施例中，所述比率較佳為8。
於一實施例中，訊號輸入端輸入一交流訊號，輻射單元在異於訊號輸入端的一端具有一終端，終端呈開放狀而不連接基板以外之元件。
於一實施例中，輻射單元和接地層互相不電性連接。
藉此，微帶天線層從頭段至尾段之總長度係對應一工作頻率而設計為0.8個波長至1.2個波長之長度，較佳約為1個波長之長度，致使電磁波之最大輻射能量產生在第一輻射段和第二輻射段，而經干涉現象而可增大半功率波束寬度，以提昇可感測物件的寬度範圍。
此外，微帶天線層如以複數輻射單元以一前一後而依序相接成天線陣列，由於前之輻射單元和在後之輻射單元沿所述蜿蜒狀而延續相接，天線陣列能夠藉此而達到輻射能量集中之效果，以使微帶天線層維持良好的指向性。
再者，微帶天線層於天線陣列之間設有解耦單元，藉由抑制部於所在之凹陷區中抑制對應之輻射單元的感應電流，能使天線陣列以分布平均之電流密度傳遞至較後之輻射單元，藉此再增大半功率波束寬度，且達到更佳的指向性。
為便於說明本發明於上述發明內容一欄中所表示的中心思想，茲以具體實施例表達。實施例中各種不同物件係按適於說明之比例、尺寸、變形量或位移量而描繪，而非按實際元件的比例予以繪製，合先敘明。
請參閱圖1至圖5所示，為本發明提供一種蜿蜒天線結構100之第一實施例，其包含一基板10、一接地層20以及一微帶天線層30，係可應用於短距雷達，其中：
所述基板10，其具有相異的兩側，接地層20設於基板10的一側，而微帶天線層30係設於基板10異於接地層20之一側。所述基板10係以介電材料製成，以供接地層20和微帶天線層30之間為絕緣而不導電。
所述微帶天線層30(Microstrip Antenna Layer)，其包括至少一輻射單元40，如圖3所示，所述輻射單元40呈蜿蜒狀(Meander Shape)，於本實施例中包括依序垂直連接之一頭段41、一第一輻射段42、一過渡段43、一第二輻射段44以及一尾段45，其中在第一輻射段42、過渡段43及第二輻射段44連接形成一凹陷區46，輻射單元40從頭段41至尾段45之總長度，係對應一工作頻率而介於0.8個波長至1.2個波長之長度，輻射單元40有一訊號輸入端47接收一輸入訊號，以發出具輻射能量之電磁波。於本實施例中，所述波長係以1個波長為較佳，即輻射單元40從頭段41至尾段45之總長度為1個波長之全波長λ的長度。
於本實施例中，微帶天線層30有四個天線陣列50，此四個天線陣列50於基板10上依橫向並排，任二相鄰之天線陣列50之間具有一間隔距離，此述之間隔距離約為對應所述1個波長之長度的二分之一。各天線陣列50，於本實施例係為多個輻射單元40以一前一後依序相接而成，其中在前之輻射單元40以其尾段45和在後之輻射單元40之頭段41相接而沿所述蜿蜒狀延續。在本實施例中，所述之工作頻率為77GHz，但不以此為限；而本實施例的一個天線陣列50整體可產生多個波長，以10個為較佳，但不以此為限。
承上，本實施例之天線陣列50所相接之第一個輻射單元40有訊號輸入端47，天線陣列50於所相接之最後一個輻射單元40具有一終端48(如圖3所示)，其中，訊號輸入端47輸入之所述輸入訊號為一交流訊號；終端48於所在之輻射單元40上係位在天線陣列50異於訊號輸入端47的一端，終端48係呈開放狀而於基板10上位在天線陣列50的末端。此外，本實施例之天線陣列50所相接之輻射單元40皆和接地層20互相不電性連接為較佳。
於本實施例中，如圖3所示，係天線陣列50擷取一輻射單元40之局部放大，其中工作訊號舉例為77GHz並為交流訊號呈弦波波形，因而可見有一接點A、一中間點B以及一接點C，圖中接點A至接點C之長度即為輻射單元40之總長度約為4mm。再者，本實施例之頭段41、第一輻射段42、過渡段43、第二輻射段44及尾段45為等寬而具有一線寬W1，此線寬W1和所述1個波長之長度的比率約為1:10~1:30，而於本實施例中係以1:20為較佳比率。此外，本實施例之凹陷區46具有一凹陷寬度W2及一凹陷深度H1，其中凹陷寬度W2大約為0.57mm，凹陷深度H1大約為0.66mm。
如圖5所示，為習知微帶天線和本發明實施例之蜿蜒天線結構100之波束場型比較 (為X-Z軸向之參考平面所見之天線輻射場型)，習知微帶天線之波束場型以鏈線表示，而本發明實施例之蜿蜒天線結構100之波束場型則是以實線表示。經習知微帶天線和本發明實施例之蜿蜒天線結構100之波束場型比較可知，習知微帶天線以-3dB為基準之半功率波束寬度可達的夾角(即兩點P1之角度)為84°，而本發明實施例之蜿蜒天線結構100，藉由輻射單元40產生電磁波時之輻射方向並非同向，其微帶天線層30以-3dB為基準之半功率波束寬度的夾角(即兩點P2之角度) 可達128°，相較於習知微帶天線之半功率波束寬度向外擴張而增大了44°，大大提昇了可感測物件的廣度。此外，本實施例之天線陣列50能夠藉多個輻射單元40以一前一後依序相接，而達到輻射能量集中之效果，以使微帶天線層30維持良好的指向性。
如第6至12圖所示，為本發明之第二實施例。本實施例與第一實施例之主要差異在於，本實施例進一步在所述相鄰之天線陣列50之間有一解耦單元60。如圖6及圖8所示，可見解耦單元60具有一導電部61及複數抑制部62，複數抑制部62於本實施例係自導電部61側向垂直延伸而呈梳狀，於本實施例中係於導電部61之兩側皆有抑制部62，且兩側之抑制部62於導電部61所設位置為相互錯開，各抑制部62之長度L約為對應所述1個波長之長度的四分之一。各抑制部62係伸設於各輻射單元40之凹陷區46，以所述抑制部62於所在之凹陷區46中抑制對應之輻射單元40的感應電流，各抑制部62於所在之凹陷區46中伸設之長度為接近過渡段43，但抑制部62與輻射單元40之間不相接觸，抑制部62於凹陷區46中伸設至靠近輻射能量愈強之處為較佳。
上述第一、二實施例中，基板10在有微帶天線層30的一側設有一邊層70，此邊層70電性連接於接地層20。在第一、二實施例中，微帶天線層30和邊層70互相不電性連接；在第二實施例中，各導電部61係一端電性連接邊層70而接地，各導電部61和接地層20之間設有複數連接部63，此複數連接部63分別貫穿基板10而電性連接導電部61和接地層20，且連接部63係對應所在導電部61之複數抑制部62，於本實施例係導電部61對應兩側之各個抑制部皆設有一連接部63，此述連接部63係於通道 (Via)中以銅材定形成導體，藉此讓導電部61在各抑制部62所在之處皆電性連接於接地層20而接地。
本發明實施例之蜿蜒天線結構100，如圖9(a)所示為在天線陣列50之間未設解耦單元60之電流密度分布，如圖9(b)所示為在天線陣列50之間設有解耦單元60之電流密度分布。由圖9(a)中可看出，未設解耦單元60時，流經天線陣列50在各個第一輻射段42和第二輻射段44明顯有電流密度較高而能量發散的情形，因而產生相互耦合(Mutual Coupling)現象，造成電流傳至天線陣列50較後之輻射單元40會有明顯損耗的影響，導致能量耗損而影響能量傳遞，且相鄰的天線陣列50間也因所述相互耦合現象而造成輻射能量相互干擾的問題；反觀設有解耦單元60時，由於解耦單元60之作用類似帶通濾波器，故流經天線陣列50的電流因為產生解耦效應(Decoupling Effect)，如圖9(b)所示，使天線陣列50的電流密度受到抑制部62之抑制，讓能量可以減少耗損而能延長傳遞至最後一個輻射單元40，且相鄰的天線陣列50間因有解耦單元60之設置，可對天線陣列50間因電流導通所生之輻射進行阻擋，進而避免天線陣列50間有輻射能量相互干擾的問題發生。
又如圖10所示，係為X-Z軸向之參考平面所見之天線輻射場型，可見天線陣列50之間設有解耦單元60之蜿蜒天線結構100之波束場型(以實線表示)，如前所述天線陣列50因設有解耦單元60而電流密度能量可以減少耗損而延長能量傳遞，相較於天線陣列50之間未設解耦單元60之蜿蜒天線結構100之波束場型(以鏈線表示)，前較於後者之訊號強度可擴大約1dB(如圖中所示點P3較點P4外擴)。
再由圖11可見，若依隔離度(Isolation)作為區分標準，如在76.5GHz之頻率進行隔離度比較，在天線陣列50之間設有解耦單元60之蜿蜒天線結構100，其隔離度(圖中以實線表示)最佳約為-30.46dB；而天線陣列50之間未設解耦單元60之蜿蜒天線結構100，其隔離度(圖中以鏈線表示) 最佳約為-23.88dB，前較於後者之隔離度有6.58dB之改善。值得注意的是，天線陣列50之間隔離度的提升，就無需在基板10上特地拉開天線陣列50之間的間隔，因而在同一單位面積下可增加天線陣列50之密度的。
另由圖12所示，係為Y-Z軸向之參考平面所見之天線輻射場型，可見旁波瓣位準(Side Lobe Level , SLL)於設有解耦單元60者 (圖中以實線表示)，較未設解耦單元60者 (圖中以鏈線表示)有明顯衰減的趨勢，表示天線陣列50間設有解耦單元60時，對旁波瓣間的交互作用及對主瓣的影響減弱，天線陣列50之輻射能量不會傳遞到不必要的地方，故設有解耦單元60者相對於未設解耦單元60者，在最大增益(Peak Gain)及旁波瓣位準(Side Lobe Level , SLL) 有較佳之表現，以達到更佳的指向性。
於此補充說明的是，上述第二實施例之解耦單元60，雖於實施例中應用在輻射單元40為頭段41、第一輻射段42、過渡段43、第二輻射段44以及尾段45依序垂直連接之天線陣列50，惟解耦單元60亦可應用在其他天線型態，不限於前述輻射單元40依序垂直連接之天線陣列50的應用，也可應用在例如形狀呈閃電狀、波浪狀、方形陣列串接等蜿蜒狀之天線陣列(圖中未示)。
以上所舉實施例僅用以說明本發明而已，非用以限制本發明之範圍。舉凡不違本發明精神所從事的種種修改或變化，俱屬本發明意欲保護之範疇。
100:蜿蜒天線結構 10:基板 20:接地層 30:微帶天線層 40:輻射單元 41:頭段 42:第一輻射段 43:過渡段 44:第二輻射段 45:尾段 46:凹陷區 47:訊號輸入端 48:終端     50:天線陣列 60:解耦單元 61:導電部 62:抑制部 63:連接部 70:邊層     A:接點 B:中間點   C:接點 H1:凹陷深度     H2:長度 L:長度       X、Y、Z:軸向 W1:線寬    W2:凹陷寬度 λ:全波長
圖1係本發明第一實施例之蜿蜒天線結構平面構造示意圖。 圖2係圖1於2-2剖線所見之剖視示意圖。 圖3係本發明實施例之陣列天線及其輻射單元局部放大之構造示意圖，圖中並顯示輻射單元之總長度對應一全波長之長度關係。 圖4係本發明實施例之陣列天線及其輻射單元局部放大之另一構造示意圖。 圖5係本發明第一實施例之蜿蜒天線結構與習知微帶天線之波束場型比較圖。 圖6係本發明第二實施例之蜿蜒天線結構平面構造示意圖。 圖7係圖6於7-7剖線所見之剖視圖。 圖8係本發明第二實施例之解耦單元局部放大之構造示意圖。 圖9(a)係本發明第二實施例之天線陣列之間未設解耦單元之電流密度分布圖。 圖9(b)係本發明第二實施例之天線陣列之間設有解耦單元之電流密度分布圖。 圖10係本發明實施例之天線陣列之間設有解耦單元與未設解耦單元之波束場型比較圖。 圖11係本發明實施例之天線陣列之間設有解耦單元與未設解耦單元之隔離度曲線比較圖。 圖12係本發明實施例之天線陣列之間設有解耦單元與未設解耦單元之旁波瓣位準比較圖。
40:輻射單元
41:頭段
42:第一輻射段
43:過渡段
44:第二輻射段
45:尾段
46:凹陷區
47:訊號輸入端
48:終端
50:天線陣列
A:接點
B:中間點
C:接點
X、Y、Z:軸向
λ:全波長

Claims (17)

  1. 一種蜿蜒天線結構，其包含： 一基板； 一接地層，其設於該基板之一側；以及 一微帶天線層，其設於該基板異於該接地層之一側，該微帶天線層包括至少一輻射單元，所述輻射單元呈蜿蜒狀且形成一凹陷區，所述輻射單元之總長度係對應一工作頻率而介於0.8個波長至1.2個波長之長度，所述輻射單元有一訊號輸入端接收一輸入訊號以發出具輻射能量之電磁波。
  2. 如請求項1所述之蜿蜒天線結構，其中，所述總長度為1個波長之長度。
  3. 如請求項2所述之蜿蜒天線結構，其中，所述輻射單元包括一頭段、一第一輻射段、一過渡段、一第二輻射段以及一尾段依序垂直連接而呈蜿蜒狀，該第一輻射段、該過渡段及該第二輻射段連接形成該凹陷區，所述輻射單元之總長度係從該頭段至該尾段之長度。
  4. 如請求項3所述之蜿蜒天線結構，其中，所述輻射單元為複數個以一前一後而依序相接成一天線陣列，其中在前之輻射單元以其尾段和在後之輻射單元之頭段相接而沿所述蜿蜒狀延續。
  5. 如請求項4所述之蜿蜒天線結構，其中，所述天線陣列為複數個而依橫向並排，任二相鄰之所述天線陣列之間具有一間隔距離。
  6. 如請求項5所述之蜿蜒天線結構，其中，該間隔距離約為對應所述1個波長之長度的二分之一。
  7. 如請求項5所述之蜿蜒天線結構，其中，該微帶天線層進一步在相鄰之所述天線陣列間有一解耦單元，該解耦單元具有一導電部及複數抑制部，該複數抑制部側向延伸自該導電部而呈梳狀，該導電部電性連接該接地層，各該抑制部係伸設於一前述之凹陷區，以所述抑制部於所在之凹陷區中抑制對應之輻射單元的感應電流。
  8. 如請求項7所述之蜿蜒天線結構，其中，各該抑制部之長度約為對應所述1個波長之長度的四分之一。
  9. 如請求項7所述之蜿蜒天線結構，其中，各該抑制部於所在之凹陷區中伸設之長度為接近所述過渡段但不接觸所述輻射單元。
  10. 如請求項7所述之蜿蜒天線結構，其中，各該導電部和該接地層之間設有複數貫穿該基板而電性連接之連接部，該等連接部係對應所在導電部之複數抑制部而設。
  11. 如請求項4所述之蜿蜒天線結構，其中，該頭段和該尾段任一者之長度為該過渡段之長度的一半。
  12. 如請求項3所述之蜿蜒天線結構，其中，該工作頻率為77GHz。
  13. 如請求項3所述之蜿蜒天線結構，其中，該頭段、該第一輻射段、該過渡段、該第二輻射段及該尾段等寬而具有一線寬，該線寬和所述1個波長之長度的比率約為1:10至1:30。
  14. 如請求項3所述之蜿蜒天線結構，其中，該頭段、該第一輻射段、該過渡段、該第二輻射段及該尾段等寬而具有一線寬，該凹陷區具有一凹陷寬度及一凹陷深度，該過渡段之長度、該凹陷深度、或該凹陷寬度和該線寬之比率為6至10。
  15. 如請求項14所述之蜿蜒天線結構，其中，所述比率較佳為8。
  16. 如請求項3所述之蜿蜒天線結構，其中，該訊號輸入端輸入一交流訊號，所述輻射單元在異於該訊號輸入端的一端有一終端，該終端呈開放狀而不連接該基板以外之元件。
  17. 如請求項3所述之蜿蜒天線結構，其中，該輻射單元和該接地層互相不電性連接。
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