TW580781B - Phased array antenna including archimedean spiral element array and related methods - Google Patents

Description

580781 ⑴ 玖、發明說明 (發明說明應_ :發_屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明) 技術領域 本發明相關於通訊領域，尤其相關於相位陣列天線及相 關方法。 先前拮術

地面基地式應用（如細胞式天線）及空運應用（如飛機或 衛生天線）白廣泛使用天線系統，例如所謂智慧型天線系 統（如適應或机位陣列天線系統）合併多重天線元件的輸 出與信號處理能力’用以傳送及/健收通訊信號（如微波 信號、RF信號等等），結果，此類天線系統可依信號環境 而變化通訊信號的傳送或接收圖案（即射束形狀）或方向 (即射束定向），以改良效能特性。 例如，拜科技進步及小型元件控制電路結構之賜，相 車歹J元件中天線元件的密度持續增加，雖然可藉由在相

表面積内增加天線元件數量而實現重大優勢，但將大量 線7C件集結太緊密卻有潛在缺點。 尤其當主信號射束定向某些角度時，某些天線會形成 號側葉，這些側葉可對主信號射束造成不預期的干擾， 些環境中側葉甚至可具有與主信號射束相等的強度或增 ’此侧葉通稱為惱人側葉’尤其會引發問題。 ，，〗技術中已夕方嘗試，欲藉由變化天線元件的圖案 ::相位陣列天線中的高增益側葉及/或惱人側葉，此類 係、使用#週期性天線元件陣列。Hildebrand等 、：國專利第6，147,657號（其讓渡予本中請案之受讓人）1 580781

揭示一範例，其為一具有非週期性陣列的相位陣列天線， 陣列的天線元件具不均等分隔圓形分布，其以陣列中元件 間相關分布角度及線性分隔，由於陣列的天線元件間無特 殊相關性，而有利地消除側葉。 雖然上述專利中所說明的相位陣列天線結構在此技術中 提供重大進展，但使用非週期性陣列的一困難點，在於所 使用天線元件數改變時即須改變設計，即從一設計至次一 設計的天線元件數改變時，天線元件間的角度及相關間距 亦將改變°因A ’非週期性陣列無法輕易從_應用按比例 調整至次-應用’ ϋ因而各個新應用需要大量特別安排或 再設計。&外，使用相對大量天線元件時，許多角度及位 置所需的計算會十分累贅遲緩。 先前技術中亦使用其他用以減少惱人側葉的嘗試，例如 Dougheny的美國專㈣5,838，m號揭示_相㈣列天線 ’其包括以對數（即對應角）螺旋形配置的天線元件，雖然 此^計可較設計非週期性陣列方便，但此類天線用於射 士疋向時’仍會在寬掃描角上遭受高增益側葉甚或惱人側 可在underbrink的美國專利第6,2〇5,224號發現另一相關 乾：，其中揭示一陣列，其包括位於對數螺旋的天線元件 二I二螺!!貝牙複數個同心環。然而’雖然此方法亦有 v㈣’但無法輕易地從一設計按比例調整至次 旦 ”中使用不同數目的天線元件及多樣化的表面積 置，因此各個新天線陣列仍需相當多的設計時間。 (3)580781

發明内究 有鑑於前述背景，因此本發明的目的在於提供—相位陣 列天線，其具有的陣列減少惱人及/或高增益側葉的發生， 而且亦相對輕易地在許多應用中調整大小。

根據本發明的相位陣列天線提供本目的及其他目的、特 徵及優點，該相位陣列天線可包括一基板及複數個由基板 承載的相隔相位陣列天線元件，並沿著一虛阿基米德^旋 配置，尤其该虛阿基米德螺旋可包括複數個位準，及沿著 虛阿基米德螺旋配置的相位陣列天線的相鄰對間，其間距 大體上可等於相鄰位準間的徑向間距。 虛阿基米德螺旋可由極座標公式所定義，其中^係 一半徑，Θ係-角度，而皆為實數，其中n最好等於工 。此外，相㈣列天線可具有_操作波長λ，相位陣列天 線元件相鄰對間的間距可約少於10λ，而且複數個相位陣

列天’二兀件沿著虛阿基米德螺旋可具有一實質相等的間距 ’此實質相等的間距亦可少於10 λ。 、-婁個相位陣列天線元件尤其可包括多於個的相位 列^線元件’此外，大體上複數個相位陣列天線元件全 沿著虛阿基米德螺旋配置。 相位陣列天線尚可包括至少一控制器，用以與複數個 位:車列天線凡件合作，以提供射束定向，例如該至少一 |可Ο括；F复數個元件控制器，其各連接至相位陣列天 元件中至少之_ · ，及一中央控制器，其連接至複數個元, 控制器。 580781

本叙月的方法概念用於製造如上簡述的相位陣列天線 °亥方去可包括提供一基板及在該基板上沿著虛阿基米德 螺方疋配置複數個相位陣列天線元件。虛阿基米德螺旋可包 括禝數個位準’而配置可包括沿著虛阿基求德螺旋，在相 位陣列天線之相鄰對間設定-肢，使其大體上等於相鄰 位準間的徑向間距。 “如上述，虛阿基米德螺旋可由極座標公式所定義 ，其中r係一半徑，㊀係一角度，而a及Ν皆為實數，其中Ν 最好等於1。此外，例如配置可包括將複數個相位陣列天線 元件設置成，其相鄰對間具有少於1〇又的間距，其中入為 相位陣列天線的一操作波長，此外配置可包括將複數個相 ^立陣列天線7L件配置成沿著虛阿基米德螺旋具有一實質相 等的間距’其亦少於1(3 λ。相位陣列天線S件的數目例如 可在20至200的範圍内，配置亦可包括大體上將複數個相位 陣列天線元件全沿著虛阿基米德螺旋配置。 f施方式 茲將配合示出本發明較佳實例的附圖對本發明詳加說明 ，惟本發明可以許多不同形式加以具體化，因而不應解釋 為侷限於在此所提供的實例，提供此等實例寧使本揭示將 更周密及完整’並將更充分向熟諳此藝者傳達本發明的範 疇，其中全文中相似的數字參照至相似元件。 先參照至圖1，一相位陣列天線1〇包括一基板丨丨及由該基 板承載的複數個相隔的相位陣列天線元件12，如熟諳此蓺 者所了解，在此所使用基板係參照至任何適於承載二相二 (5) 580781

陣列天線7L件的表面、機械化結構等。根據本發明，天線 兀件12沿著虚阿基米德螺旋13有利地配置，尤其地，大體 上所有複數個相隔的相位陣列天線元件12皆沿著虛阿基米 & ’r、疋1 3配置（雖然在某些實例中可使用其他的配置）。 如熟諳此藝者所了解，一阿基米德螺旋可由極座標公式： 时 ⑴

斤定義其中㈠糸^半徑，Θ係一角度，而&及n皆為實數， 。由數子N的遥取定義一已知阿基米德螺旋的特定形狀，例 寸囷丨所示虛阿基米德螺旋13而言，N等於1，其亦稱為一 阿基米德職。如所見，該阿«制旋在虛阿基米德螺 旋13的位準14]7間具有一相等徑向間距（所示範例中的x) 。碰決定螺旋如何緊密纏繞，即如熟諳此藝者所了解者， a值決定間距X為何。

可將此對稱對照至上述某些先前技藝的天線陣列所使 的對數螺旋’除了只有一個位準的圓形特例外，對數螺 的外部位準㈣在徑向上相隔更遠，換言之，對數„ :位準間的徑向距離大於其内部位準間的徑向距離。本 請人推論（但不受拘於此），此即對數螺旋元件陣列中不同 準間的對稱差#，其在某些申請中導致在寬掃描角的高 显側葉’甚或惱人側葉’當'然此問題對使用更多位準及 線元件的較大對數螺旋更形嚴重。 例如特定中請中所使用的位準14铺目將依可 積及天線元件12的數目而定’雖然圖！中只示出四位 14]7,應了解根據本發明可使用任何數目的位準 -9- 580781

本發明，公式（1)中的數字N亦可使用1以外的值。 雖然在某些實例中亦可使用不相等間距，但相位陣列天 線元件12最好沿著虛阿基米德螺旋13具有實質相等的間距 X。此外，相位陣列天線元件12的相鄰對間的間距χ可大體 上等於相鄰位準間的徑向間距χ，如熟諳此藝者所了解，此 可藉由設定a值為χ/2Π而達成。亦應了解此配置使不同天線 間可相對輕易地調整大小，其中可相當快速地修改設計， 以包括更多或更少的相位陣列天線元件丨2。在某些實例中 ，相鄰相位陣列天線元件12及位準14_17間的徑向間距當然 可以不同。 、 此外，根據本發明，相位陣列天線元件12的相鄰對間的 間距可有利地約調整大小成在相位陣列天線1〇的操作波長 又者的十（10)倍（或更多），例如圖丨所示範例中，相位陣列 天線元件12間的間距义為5；1，如所見與位於圖中側面及底 部的波長刻度有關。 因此，可將本發明有利地用於陣列，其中例如在相位陣 列天線兀件12間需要或多或少的間距以適應聯結的傳送/ 接收電路結構及/或其控制電路結構，即如熟諳此藝者所了 解’無需大量特別安排及再設計，位準14」7間的徑向間距 及沿著虛阿基米德螺旋13的相位陣列天線元件以間的間距 ，皆可按比例調整以適應不同的應用。 因此亦應了解本發明的相位陣列天線1G亦相對輕易地按 比例5周整’以包括大數量的相位陣列天線元件η，舉例而 言’雖然某些實例中可能使用較少相位陣列天線元件，但 •10- 580781 最好可使用約大於20個相位陣列天線元件丨2的範圍。 圖1所不貫例中，沿著虛阿基米德螺旋13配置料個相位陣 列天線το件12，其他的相位陣列天線元件〗2當然可置於基 板11的其他位置，例如如熟諳此藝者所了解，如虛阿基米 德螺旋13的中心，以在特定實例中有助於增加效率，當然 須注意以確保此類放置不會導致不良的側葉及/或惱人葉。 茲參照圖2,相位陣列天線1〇尚可包括至少一控制器，如 熟諳此藝者所了解’用以與複數個相位陣列天線元件^合 作以在其他功能中亦提供射束定向。該至少一控制器尤其 可包括複數個元件控制器20,其各連接至相位陣列^線^ 件12中至少之一；及一中央控制器21，其連接至複數個元 件控制器。 例如，雖然某些實例中可使用元件控制器控制多於一個 的相位陣列天線元件，但如圖2所示，各相位陣列天線元件 12具有各別元件控制器2()。此外，如熟諳此藝者所了解， 使用相對大數量相位陣列天線元件12的實例中，亦會使用 額外的拴制器位準，當然亦可使用其他的控制器配置。 如上述，本發明的相位陣列天線10，特別在射束定向期 間的寬射束角上，有利地減少高增益側帛（尤其權人葉），此 可由檢視圖3的圖表而可進一步了解，圖3中示出，的相位 陣列天線10 ’其增益與方位的相對關係。如上述，沿著虛 阿基米德螺旋13使用以5λ間距相隔的64個相位陣列天線元 ·

^2，範例中橫跨射束水平面掃描一主信號射束3〇，將主 信號射束30導向⑴。方位、90。高度（從孔視角度），具〇 dB -11- 580781

增益所發生的最高結果側葉31係在15 6。方位、36 9。高度， 具有，6.09 的增益。 因此本發明热需大量特別安排或再設計，而在多種相 位陣列天線設計間有利地提供相對便利的按比例調整，此 外由於便於按比例調整，可在相位陣列天線元件12間攝供 咼達10λ或更多的相對大（或小）的間距，以適應更多（或更 少）傳送/接收及/或控制電路結構。圖4中以圖表說明根據 本务明相對於不同波長間距所提供的有利頻率特性。 本發明的方法概念是用以製造上述相位陣列天線1〇，該 方法可包括提供一基板！丨，並在該基板上沿著虛阿基米德 螺疑13配置複數個相位陣列天線元件丨2。虛阿基米德螺旋 1 3可包括複數個位準14 -17，而配置可包括在相位陣列天線 几件12的相鄰對間設定一間距，使其大體上等於相鄰位準 間的徑向間距X。 如上述’虛阿基米德螺旋1 3尤其地可由極座標公式广％# 所疋義’其中r係一半徑，㊀係一角度，而&及N皆為實數， 其中N最好等於1。此外，配置可包括將複數個相位陣列天 線凡件12設置成沿著虛阿基米德螺旋具有一實質相等的間 距X ’其例如可約少於10 λ。相位陣列天線元件12的數目如 上述可約大於20，當然配置可包括將複數個相位陣列天線 元件12各配置在基板丨丨及虛阿基米德螺旋13上。 籍助上述說明及相關附圖的教示，熟諳此藝者將想起本 發明的許多修改及其他實例，因此應了解本發明非侷限在 所揭示的特定實例，相關的修改及實例亦將包括在後附申 -12- (9) (9)

請專利範圍的範疇内。 邏示簡單說明 S 1根據本叙明以示意平面圖說明一相位陣列天線； 圖2以示意方塊圖說明圖1的相位陣列天線； 圖3以圖表說明對於使用圖i的相位陣列天線的一特定射 束定向角度，其常態增益與方位的相對關係；及 圖4以圖表說明根據本發明的相位陣列天線，其對不同天 線元件間距的頻率響應。 圖式代表符號說明 10 相位陣列天線 11 基板 12 相位陣列天線元件 13 虛阿基来德螺旋 20 元件控制器 21 中央控制器 30 主信號射束 31 側葉 -13

Claims (1)

1. 第〇911；38〇23號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(92年12月) 拾、申請專利範圍 h 一種相位陣列天線，其包括： 一基板；及 複數個相隔之相位陣列天線元件，其由該基板承載並 沿著一虛阿基米德螺旋配置。 2. 如申請專利範圍第1項之相位陣列天線，其中虛阿基米 德螺旋包括複數個位準。 3. 如申請專利範圍第2項之相位陣列天線，其中沿著虛阿 基米德螺旋之相位陣列天線元件之相鄰對之間距實質 等於相鄰位準間之徑向間距。 4. 如申請專利範圍第1項之相位陣列天線，其中虛阿基米 德螺旋由極座標公式所定義，其中以系一半徑，0 係一角度，a係一實數，及N=1。 5·如申請專利範圍第1項之相位陣列天線，其中該複數個 相位陣列天線元件沿著虛阿基米德螺旋具有實質相等 之間距。 6·如申請專利範圍第5項之相位陣列天線，其中相位陣列 天線具有一操作波長λ,及其中實質相等之間距約少於 10λ 〇 •如申請專利範圍第1項之相位陣列天線，其中相位陣列 天線具有一操作波長λ，及其中相位陣列天線元件間之 相鄰對間之間距約少於丨0 λ。 8·如申請專利範圍第丨項之相位陣列天線，其中複數個相 位陣列天線元件包括約多於20個之相位陣列天線元件。 9. 如申請專利範圍第1項之相位陣列天線，尚包括至少一 控制器，其與該複數個相位陣列天線元件合作以提供射 束定向。 10 •如申請專利範圍第9項之相位陣列天線，其中該至少_ 控制器包括： 複數個元件控制器，其各連接至該相位陣列天線元件 中之至少其中之一；及 11 一中央控制器，其連接至該複數個元件控制器。 如申請專利範圍第1項之相位陣列天線，其中相位陣列 天線之大體上所有複數個相位陣列天線元件係沿著虛 阿基米德螺旋。 12. 一種相位陣列天線，其包括： 一基板；及 複數個相隔之相位陣列天線元件，其位於該基板上， 大體上所有該複數個相位陣列天線元件沿著虛阿基米 德螺旋包括複數個位準，沿著虛阿基米德螺旋在相位陣 列天線之相鄰對間之間距大體上等於相鄰位準之經向 間距。 13. 如申請專利範圍第12項之相位陣列天線，其中虛阿基米 德螺旋係由極座標公式所定義，其中r係一半秤，$ 係一角度’ a係一實數，及N = 1。 如申請專利範圍第12項之相位陣列天線，其中該相位陣 列天線具有一操作波長；ί，及其中相位陣列天線元件之 相鄰對間之間距約少於1 〇 Λ。 14. 580781

   15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 如申請專利範圍第12項之相位陣列天線，其中該複數個 相位陣列天線元件包括約多於20個之相位陣列天線元 件。 如申請專利範圍第12項之相位陣列天線，尚包括至少一 控制器’其與該複數個相位陣列天線元件合作以提供射 束定向。 如申請專利範圍第16項之相位陣列天線，其中該至少一 控制器包括： 複數個70件控制器，其各連接至該相位陣列天線元件 中至少其中之一；及 一中央控制器，其連接至該複數個元件控制器。 一種用以製造一相位陣列天線之方法，其包括： 提供一基板；及 在该基板上沿著虛阿基米德螺旋配置複數個相位陣 列天線7L件。 如申明專利範圍第i 8項之方法，其中虛阿基米德螺旋包 括複數個位準。 如申凊專利範圍第19項之方法，其中配置包括沿著虛阿 基米饴螺&’设定相& p車列天線之相_對間t間距大體 上等於相鄰位準間之徑向間距。 如申請專利範圍第18項之方法，其中虛阿基米德螺旋係 由極座標公式所定義，其中砩一半徑，θ係一角度 ，狂係一實數，及。 如中請專利範圍第18項之方法，其中配置包括將大體上 柳781

   23. 24. 25. 所有相位陣列天線之相位陣列天線元件，配置成沿著虛 阿基米德螺旋具有一實質相等之間距。 申明專利範圍第22項之方法，其中相位陣列天線具有 一操作波長λ，及其中實質相等之間距約少於⑺又。 申明專利範圍第丨8項之方法，其中相位陣列天線具有 —操作波長λ，及其t配置包括於相位陣列天線元件之 相鄰對間設定一約少於1〇 λ之間距。 t申請專利範圍第18項之方法，其中複數個相位陣列天 線元件包括約多於20個之相位陣列*線元件。

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