TW202404188A - 整合天線裝置 - Google Patents

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Abstract

一種整合天線裝置，包括一曲面式透射陣列及一陣列天線。該曲面式透射陣列具有多個焦點來均勻化其輻射增益，該陣列天線位在該曲面式透射陣列及該多個焦點之間。依據該陣列天線的主動射頻模組的操控，該陣列天線發出第一階波束以及進行波束掃描。該曲面式透射陣列是用以聚焦該第一階波束以產生具高增益的第二階波束。經由該主動射頻模組的波束成形饋入激發權重的產生，使得該整合天線裝置具備波束掃描之機制。

Description

整合天線裝置
本發明是有關一種可達成主動陣列天線波束掃描且具有高增益的整合天線裝置，尤其是關於一種減少主動陣列天線單元數、利用透射陣列多焦點聚焦特性來達到相近之波束掃描的整合天線裝置。
圖1顯示傳統的天線裝置10。圖1的天線裝置10為一透射天線裝置，其包括一透射陣列12及一饋入天線14，饋入天線14位於透射陣列12的焦點122上。透射陣列12可以由多層電路或波導結構板實現。透射陣列12具有多個週期性排列的陣列單元(圖中未示)用以聚焦從饋入天線14發出的信號(或電磁輻射)142。該多個陣列單元依據形狀、結構及/或尺寸的不同產生不同的透射相位。通過不同的透射相位，該多個陣列單元將信號142聚焦產生高增益的波束142’以傳送至遠方的接收裝置(例如低軌衛星)。當接收裝置移動時，為了讓波束142’指向接收裝置，饋入天線14的位置必需移動以改變波束142’的方向，如圖1中的虛線所示，此種改變波束方向的操作稱為波束掃描(beam scanning)。然而，傳統的透射陣列12只有一個焦點122，因此當饋入天線14的位置不在焦點122上時，透射陣列12的聚焦能力將會降低，導致波束142’的增益明顯下降，降低 通訊品質，這樣的增益衰減稱為掃描損耗。換言之，在傳統的天線裝置10中，信號饋入元件，如饋入天線14，必需設置在透射陣列12的焦點122，才能得到良好的通訊品質。再者，傳統的陣列單元的設計方法需要較複雜的公式，導致設計難度較高。
圖2顯示傳統的另一種天線裝置，其為一陣列天線20。陣列天線20具有多個並聯的饋入天線22，其中饋入天線22可以是貼片天線。陣列天線20控制每一個饋入天線22的係數形成一波束24以及控制波束24的方向。饋入天線22的係數包括饋入天線22發出的信號的相位及強度。然而，陣列天線20若要產生高增益的波束24，則陣列天線20的尺寸必需增加以容納更多的饋入天線22，由於饋入天線22為主動元件，因此導致成本大幅增加。此外，饋入天線22的數量增加，耗電量必然增加，如此一來，陣列天線20產生之熱能增加，進而導致陣列天線20中的主動收發模組(圖中未示)的效能因高溫的影響而降低。而且饋入天線22的數量增加也會使得控制系統更複雜，導致陣列天線20完成波束掃描所需的時間增加，使得陣列天線之特性與容量降低。
本發明的目的在於，提出一種可達成波束掃描且具有高增益的整合天線裝置，該整合天線裝置可以在減少天線的數量的同時達到高增益，亦可以減少波束掃描損耗。
根據本發明，一種整合天線裝置包括一曲面式透射陣列及一饋入陣列天線。該曲面式透射陣列具有多個焦點來均勻化其輻射增益，該饋入陣列天線位在該曲面式透射陣列及該多個焦點之間。依據該饋入陣列天線的主動射頻模組的操控，該饋入陣列天線 發出一第一階波束以及控制該第一階波束的方向。該曲面式透射陣列是用以聚焦該第一階波束以產生一具高增益之第二階波束。經由主動射頻模組的波束成形饋入激發權重的重組產生，匹配該多個焦點的重新聚焦，使得整體整合天線裝置具備波束掃描之機制。利用該曲面式透射陣列再次聚焦之特性可以強化寬角度掃描之波束增益，減少波束掃描損耗。該曲面式透射陣列具有多個陣列單元用以改變信號相位以及決定該第二階波束的增益。
本發明的整合天線裝置使用該饋入陣列天線來產生第一階波束以及達成波束掃描，再利用曲面式透射陣列對第一階波束聚焦以產生高增益的第二階波束，該第二階波束即為該整合天線裝置產生的高增益波束。因此，本發明的饋入陣列天線無需加大尺寸以容納更多的饋入天線來提高波束的增益，因而可以降低成本以及耗電量。若以逆向解釋，在一定之天線掃描增益的規範下，本發明所使用之饋入陣列天線的陣列單元數較傳統陣列天線的陣列單元數，可以大幅減少，而同時保持相近之天線增益與波束寬。此外，本發明的曲面式透射陣列具有多個焦點，因此在進行波束掃描時，不同方向的第二階波束的增益可以較為一致，可以降低掃描損耗，甚至提升寬角度之波束增益，因應波束掃描時需要面對更長的傳播距離。
10:天線裝置
12:透射陣列
122:焦點
14:饋入天線
142:信號
142’:波束
20:陣列天線
22:饋入天線
24:波束
30:整合天線裝置
32:曲面式透射陣列
322:焦點
324:焦點
326:焦點
328:陣列單元
34:饋入陣列天線
342:第一階波束
342’:第二階波束
344:饋入天線
346:主動射頻模組
圖1顯示傳統的天線裝置。
圖2顯示傳統的另一種天線裝置。
圖3顯示本發明的整合天線裝置。
圖4顯示本發明曲面式透射陣列的架構。
圖5顯示傳統的平面式透射陣列在不同角度上的增益。
圖6顯示本發明曲面式透射陣列在不同角度上的增益。
圖3顯示本發明的整合天線裝置30，其包括一曲面式透射陣列32及一饋入陣列天線34，其中曲面式透射陣列32具有多個焦點，而饋入陣列天線34作為信號饋入元件。在圖3的實施例中，曲面式透射陣列32可依據羅特曼透鏡(Rotman lens)原理來設計其曲面初始形狀，因此曲面式透射陣列32具有三個焦點322、324及326。羅特曼透鏡的原理推導可以參照2021年於IEEE的「Access」第9卷第49176~49188頁刊載的文獻「Development of 2-D Generalized Tri-Focal Rotman Lens Beamforming Network to Excite Conformal Phased Arrays of Antennas for General Near/Far-Field Multi-Beam Radiations」，圖4顯示依據前述文獻的公式所推導出的曲面式透射陣列32的架構。本發明的曲面式透射陣列32不局限於三個焦點。曲面式透射陣列32的多個焦點不限於位於共切面，可分佈在三維空間。該多個焦點322、324及326需要合適定義以達成聚焦效應。焦點的設計為成熟技術手段，故在此不再說明如何合適定義焦點。曲面式透射陣列32的焦點數量可依據需求而變化，曲面式透射陣列32的外型亦可以由上述初始曲面進行改變(例如平面式)。利用電磁數值演算法，可以優化曲面式透射陣列32的多個焦點322、324及326及陣列單元之相位變化。
饋入陣列天線34是設置在曲面式透射陣列32與曲面式透射陣列32的焦點322、324及326之間。饋入陣列天線34包含多個 並聯的饋入天線344以及一主動射頻模組346。饋入陣列天線34的饋入天線344可以是但不限於貼片天線，饋入陣列天線34的天線布局可以是平面或曲面。饋入陣列天線34的主動射頻模組346為控制該饋入天線344的控制電路。饋入陣列天線34的主動射頻模組346控制每一個饋入天線344的係數以產生一第一階波束(輻射波形)342以及控制第一階波束342的方向，第一階波束342匹配曲面式透射陣列32的陣列單元之相位變化來產生聚焦的功用。經由重組產生主動射頻模組346的波束成形饋入激發權重，第一階波束342可以匹配多個焦點322、324及326的其中一個，進而透過曲面式透射陣列32重新聚焦，使得整體整合天線裝置30具備波束掃描之機制。波束成形饋入激發權重是用以調整信號的相位及振幅。
饋入陣列天線34產生第一階波束342及進行波束掃描的操作與傳統的陣列天線20類似，均以適當振幅與相位為之。差異在於，傳統陣列天線操作採用線性相位變化來激發相鄰饋入天線344，本發明饋入陣列天線34的饋入天線344係以在曲面式透射陣列32存在下，產生匹配之相位來產生最大之天線增益。饋入陣列天線34發出的第一階波束342，在曲面式透射陣列32存在下具有虛擬焦點(圖中未示)對應曲面式透射陣列32的其中一個焦點322、324或326。較佳者，第一階波束342的虛擬焦點與焦點322、324或326完全重疊。曲面式透射陣列32將第一階波束342聚焦以產生高增益的第二階波束342’。而在其他的波束方向，其虛擬焦點則位於這些焦點322、324及326之間。此在聚焦之機制的實現方式敘述如下，饋入陣列天線34的每一饋入天線344逐一打開並激發以取得第一階波束342。根據所欲產生的波束方向，取得各饋入陣列天線34在此 方位之電磁場訊號強度與相位。產生此方向波束的饋入陣列天線34的激發權重則由此電磁場訊號強度與相位採取共軛的數值運算，如此取得饋入陣列天線34的激發權重。若波束進行掃描時，則逐一改變擇取訊號之方向來更新陣列天線激發權重。
曲面式透射陣列32具有多個陣列單元328。多個陣列單元328具有透射相位可以改變信號的相位。隨著形狀、結構及/或尺寸的不同，每一個陣列單元328的透射相位也不同，因此通過適當地設計每一個陣列單元328的形狀及/或尺寸，多個陣列單元328可以聚焦第一階波束342以產生第二階波束342’，並且決定第二階波束342’的增益。多個陣列單元328可以是規則或不規則形狀，而且多個陣列單元328的形狀可以不相同，如圖3所示。曲面式透射陣列32可由多層介電基板來實現陣列單元328的結構，但本發明不限於此。在另一實施例中，曲面式透射陣列32的陣列單元328亦可以使用由單一種介電材料形成的波導結構。
在一實施例中，每一個陣列單元328的透射相位可以通過最陡下降法(Steepest Decent Method；SDM)來設計，具體的演算法的程序細節可以參照2018年8月於IEEE的「Transactions on Antennas and Propagation」第66卷第8期第4008-4016頁刊載的文獻「Synthesis and Characteristic Evaluation of Convex Metallic Reflectarray Antennas to Radiate Relatively Orthogonal Multibeams」。由於SDM不需要複雜的公式，因此可以降低陣列單元328的設計難度。SDM為電磁數值演算法的其中一種，本發明亦可以使用其他能夠優化陣列單元328的透射相位之電磁數值演算法。
在一實施例中，多個陣列單元328慣例是週期性排列，即相鄰的陣列單328元之間的間距相同。然亦可以使用非週期性的最適排列，如六角形等，不影響本發明之內涵。
圖3中的陣列單元328可以由超穎材料(metamaterial)構成，但本發明不限於此，任何可以改變信號相位的材料都能用來形成陣列單元328。
在本發明的整合天線裝置30中，使用饋入陣列天線34來產生第一階波束342及達成波束掃描。為了提高波束的增益，本發明的整合天線裝置30使用曲面式透射陣列32對第一階波束342聚焦以產生高增益的第二階波束342，此第二階波束即為代表整合天線裝置30之輻射波束，該波束特性可應用於實際通訊系統之規格制訂與實際操作。因此在相同增益下，本發明整合天線裝置30的饋入陣列天線34相較於傳統天線裝置的陣列天線20，具有較小的尺寸、較少的饋入天線數量及較低的耗電量。此外，相較於傳統的天線裝置10，本發明的曲面式透射陣列32具有多個焦點，因此在進行波束掃描時，不同方向的第二階波束342’的增益較為一致，可以降低掃描損耗。由於本發明的饋入陣列天線34是在(信號饋入元件)是設置在曲面式透射陣列32及其焦點322、324及326之間，因此相較於傳統的天線裝置10的透射陣列，本發明的整合天線裝置30的高度或厚度大約可以減少超過一半。
圖5顯示傳統的平面式透射陣列12在不同角度上的增益，圖6顯示本發明曲面式透射陣列32在不同角度上的增益。從圖5及圖6可看出，曲面式透射陣列32在0~40度方向的增益較為平衡，即在多個波束方向皆有良好的增益。
以上所述僅是本發明的實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以實施例揭露如上，然而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，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
30:整合天線裝置
32:曲面式透射陣列
322:焦點
324:焦點
326:焦點
328:陣列單元
34:陣列天線
342:第一階波束
342’:第二階波束
344:饋入天線
346:主動射頻模組

Claims (5)

  1. 一種整合天線裝置，包括：
    一饋入陣列天線，用以發射一第一階波束，並控制該第一階波束的方向；以及
    一曲面式透射陣列，具有多個焦點，用以將該第一階波束聚焦產生一第二階波束，該曲面式透射陣列具有多個陣列單元用以改變信號相位以及決定該第二階波束的增益；
    其中，該饋入陣列天線位在該曲面式透射陣列與該多個焦點之間。
  2. 如請求項1的整合天線裝置，其中該饋入陣列天線包括多個並聯的饋入天線。
  3. 如請求項1的整合天線裝置，其中該多個陣列單元由超穎材料構成。
  4. 如請求項1的整合天線裝置，其中每一該陣列單元的透射相位是通過最陡下降法來設計。
  5. 如請求項1的整合天線裝置，其中該曲面式透射陣列是依據羅特曼透鏡原理來設計。
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