TW583790B - Enhanced bandwidth dual layer current sheet antenna - Google Patents

Description

583790 ⑴ 玖、發明說明 (發明說明應敘明： 1 ·技術領域 發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明) 本發明係關於陣列天線領域’具體而言，係關於極寬頻 寬的陣列天線。 2.先前技術 相位陣列天線系統在天線技術中已廣為人知。該類天線 通常由複數個輻射元件組成，該等輻射元件各自的相位和 振幅係可控制。該陣列的天線圖案係藉由各元件的幾何形 狀和元件間選定的相位/振幅關係而選擇性決定。該類天 線系統的典型輻射元件可包括偶極子、開槽或任何其彳也$ 當的配置。 近年來已開發出各種適合在陣列應用中使用的新型平 面天線元件。此種元件的一項範例為Munk等人申請的美國 專利第09/703，247號’名為「寬頻相位陣列天線及其相關方 法（Wideband Phased Array Antenna and Associated Methods)」（以 下稱為「Munk專利」）。Munk專利揭示了具有極寬頻特性 的平面發射天線元件。為了獲得極寬的頻寬，Munk專利在 相鄰偶極子天線元件的相反兩端之間使用了電容耦合。 Munk等人設計的天線元件的頻寬可為9 : 1。分析表明，通 過附加調整，可獲得10 : 1的頻寬。然而，對於該特殊設 計還是很難實現。儘管Munk等人的天線元件對於相位陣列 天線已有很大的頻寬，對於相位陣列天線仍需求不斷，要 求其頻寬超過1〇 : 1 〇 583790 發明說明績賞 陣列天線的 (2) 過去已使用各種技術來改善相對窄帶相位 頻寬，包括把頻帶分割成多個頻帶。例如，美國授予Wong 等人的關於多頻相位陣列天線的第5,485，167號專利就使 用了多層偶極子陣列。Wong等人的發明中，能夠提供多層 偶極子對陣列結構，每一層能調節到不同的頻帶。沿著發 送接收方向各層按照以下次序進行堆疊，最高頻率的陣列 位於最前面，其次是低頻，以此類推，最低頻位於最後。 Wong等人的發明中，高頻寬偶極子陣列和低頻寬偶極子陣 列之間有一高頻寬接地遮罩，其由排列成格柵型的並行導 線組成。

Wong的多層方法存在缺點。Wong等人描述的傳統的偶極 子陣列，其頻寬非常窄，該類組態的最終結果係仍然不能 提供足夠寬的陣列。因此，對於寬頻陣列天線的改善需求 仍不斷增長，要求其頻寬超過10 : 1。 發明内容 一輻射元陣列包括陣列組態中的第一組天線元件，其配 置在第一頻帶上作業，及陣列組態中的第二組天線元件， 其配置在第二頻帶上作業。該天線元件可為平面元件，具 有加長的主體部分和連接於其尾部加寬的終端部分。同天 線元件相鄰的加寬的終端部分具有齒狀交又部分的電容 率，其耦合到與其相鄰偶極子元件的終端部分。 該第一組天線元件係排列成第一行列間隔的平面格柵 圖案，第二組天線元件係排列成第二行列間隔的平面格柵 圖案，第二格柵圖案可相對於第一格柵圖案旋轉一定的角 (3) 發界說:齊續頁· 度，例如45度。 該第一組天線元件係位於該第二組天線元件下方，為其 充當有效的接地平面。藉由使第一頻帶與第二頻帶相鄰， 可將該陣列配置成能寬頻作業^該陣列可包括一介電材 料，其插入該等第一複數個天線元件和該等第二複數個天 線元件之間。 該谇列可進一步包括一組用於傳輸RF信號至該等第一 組天線元件的初級饋電組織器，及一組用於傳輸RF信號 至該等第二組天線元件的次級饋電組織器。該初級及次級 饋電組織器安排成共同格柵圖案，沿著天線元件方向擴展 。該次級饋電組織器的一組RF饋電器形成一第二饋電組 織器格柵圖案，其插入共同格栅圖案之間。該第二饋電組 織器之RF饋電器穿過大致由第一複數個天線元件定義的 平面，以和第二複數個天線元件進行RF通信。一接地平 面可位於第一夭線元件下部，在第一複數個天線元件和接 地平面之間可插入介電層。 實施方式 圖1和2說明一雙頻雙層天線陣列100。圖1為該陣列之俯 視圖。圖2係一沿圖1中線2-2的切面圖。陣列100包括複數 個低頻天線元件104，其位於上層天線表面204，及包括複 數個高頻天線元件102，其位於下層天線表面202。下層天 線面202上放置在上層天線面204的下方（為清楚起見，高頻 元件102在俯視圖1中示出）。天線元件102和104可以分別教 置於各自的表面202和204上作為平面陣列使用，但是本發 ⑷ 發麻雜頁 明不僅僅侷限於此，其他的天線元件組態也可使用β 陣列100可包括複數個高頻饋電組織器208及複數個低 頻饋電組織器210。高頻饋電組織器208在高頻饋點106處同 高頻天線元件102接觸。低頻饋電組織器210在低頻饋點108 處同低頻天線元件104接觸。饋電組織器208和210固定於表 面2 12。視需要，可將接地平面置於複數個高頻天線元件 102下方，其間插入介電層。 本陣列組態的優點在於，高頻元件102在低頻元件104的 下方可充當一有效之接地平面，因此，不必使用傳統的接 地平面就可以增加低頻天線陣列的增益。由高頻元件102 產生的接地平面之運作頻率範圍，至少部分地取決於各自 高頻元件102之間距110。有效接地平面該頻率範圍的上端 隨間距110的減少而增加。元件102可以提供一有效接地平 面，其覆蓋頻率範圍從DC到約10倍於間距110之波長所對 應的頻率。 操作上，有效接地平面生成低頻元件104的影像，由此 ，有效接地平面可以充當反射器，增加指向上層方向之場 強。該場強是有效接地平面和低頻元件104平面之間的距 離214之部分函數。選擇特定距離214之選定取決於多個因 素，包括低頻元件104的運作頻率範圍，陣列1〇〇的期望阻 抗，及底部天線表面202和上部天線表面204之間體積之介 電常數。然而值得注意係有些距離可以引起上行方向破壞 性的干擾和衰減場強，這一點深知此術者皆知。 在一項具體實施例中，距離214可以等於最高運作頻率 583790 ⑸ I發明說晒續買 下波長的四分之一，低頻元件104可在此頻率下運作運作 。介電材料206可由底部天線表面202和上部天線表面204 之間所定義之體積來決定。當提供介電材料206，用於四 分之一計算之波長等於最高運作頻率下的波長，因其穿過 介電材料206傳播《在另一項具體實施例中，距離214可由 電腦模型決定，並進行調整，以實現特殊的傳輸和接收特 性。 本發明所用之特殊介電材料206要求並不嚴格，任何其 他通用的介電材料都可以用於此目的，但最好係選擇低損 耗的介電質。更進一步地說，該介電質可為氣體、液體或 固體。如果介電質之介電常數大於1，可藉由縮短穿過介 電材料206的RF波長，縮短了有效接地平面和低頻元件104 之間的推薦距離。這使得陣列100更加緊湊。 例如，一類可用於介電材料206的材料可為聚四氟乙烯 (PTFE)，由 RT/duroid ® 6002(介電常數 2.94，損耗因數.009)及 RT/duroid® 588 0(介電常數2.2，損耗因數·0007)組成。這兩 種產品都可從以下位址：Rogers Microwave Products，Advanced Circuit Materials Division, 100 S. Roosevelt Ave, Chandler, AZ 85226獲得。然而，本發明不僅僅限於此。 圖1及2所表示陣列組態之進一步優點係把具有兩個獨 立頻帶的天線陣列進行結合從而形成一單個雙波段陣列。 高頻天線元件102的波段同低頻天線元件104的波段相鄰， 這樣高頻天線元件102的低頻波段就大約發生在低頻天線 元件104回應切斷的地方。對比於單個天線元件形成的陣 -10- 583790 ⑹ 發麵明親買 V / ._·βι麵麵_____議： 列，此天線陣列系統能提供更寬的頻帶。儘管前面的方案 有很多優點，但利用傳統的窄帶天線元件所形成的陣列總 頻寬還是受到限制。特別地，在各自陣列中使用的高頻和 低頻天線元件的有限頻帶將限制最終合併的陣列總頻寬。 藉由正確地選擇天線元件，前述的限制就可以克服，而 且能取得更佳的寬頻性能。美國授予Munk等人的第 09/703,247號專利，名稱為「寬頻相列天線及其相關方法」 (「Munk」等人），加入到這裏作為參考，揭示此種偶極子 天線元件。為方便起見，此種用於高頻偶極子對的元件實 例可通過圖6體現。例如，偶極子對可以有一加長的主體 部分602，以及同其一端相連的一加寬的終端部分604。同 天線元件相鄰的加寬終端部分包括齒狀交叉部分606。因 此，每個偶極子的終端部分可以容性耦合到與其相鄰偶極 子的相應終端部分。陣列中使用的低頻元件最好同圖6所 示幾何結構和配置相似，但尺寸要恰當以適用於低頻帶運 作。 應用在陣列中時，Munk等人提出的偶極子具有明顯的寬 頻性能。該天線元件的寬頻性能在本發明中體現了優越性 。尤其值得指出，Munk等人描述的高頻和低頻帶元件類型 可按照圖1和圖2陣列的形式佈置。然而，應該指出此發明 不僅僅限於此。在本發明中可使用各種類型的天線元件。 例如，不含齒狀交又部分的天線元件也可使用。 根據一較佳具體實施例，第一和第二組偶極子天線元件 可互相正交以提供雙向極化，此為有精湛技藝的技工所喜

583790 愛。參考圖1，複數個高頻偶極子對112可排列在下層天線 表面202上，即在其第一行列間隔的平面格柵圖案上。複 數個低頻偶極子對114可排列在上層天線表面204上，即在 其第二個行列間隔的平面格栅圖案上，也如圖1所示。兩 個天線層之間的干擾可減少到最小，其方法為低頻偶極子 對114形成的第二個格栅圖案相對於高頻偶極子對112形 成的格柵圖案約旋轉一 45度角。然而，本發明並不僅僅限 於45度角，因為格柵會以其他的方式對齊。 參考圖3，顯示了複數個高頻饋電組織器208和複數個低 頻饋電組織器210，組織成共同格柵圖案300。頻饋電組織 器208給高頻天線元件102提供高頻RF信號，低頻饋電組織 器210給低頻天線元件104提供低頻RF信號。高頻天線元件 102之格柵圖案如圖1所示，其相關的饋電組織器共同格柵 圖案如圖3所示。更進一步，低頻天線元件104形成的第二 個格栅圖案，插入饋電組織器共同格柵圖案上，同低頻饋 電組織器2 1 0形成的第二個饋電組織器格柵圖案相關聯 (為了清晰起見，圖1所示的天線元件尺寸略大於圖3所示 的饋電組織器格柵圖案的尺寸）。 參考圖5，每一高頻饋電組織器包括高頻饋電組織器底 座502，高頻RF饋電器504，及高頻饋電組織器連接器506 。每一低頻饋電組織器包括一低頻饋電組織器底座5 12， 低頻RF饋電器514，及低頻饋電組織器連接器516。 從圖1中可見，低頻天線元件104尺寸大於高頻元件102 。因此，各自之低頻RF饋電組織器210之間距相比於各自 -12- 583790 電組織器底 (8) 之高頻RF饋電組織器208要大些。然而低頻饋 座5 12與高頻饋電組織器底座502有相同的安裝尺寸’使低 頻饋電組織器210分散於高頻饋電組織器208之間。當配置 有饋電組織器210時，高頻饋電組織器208和高頻夭線元件 102可以從安裝位置省略〇此種省略會對天線陣列1〇0產生 一些負面影響，因為相比於低頻元件104，高頻天線元件 102顯得太多。因此，在共同格栅圖案中可以省略一小部 分高頻元件102，而對天線性能幾乎不產生影響。 高頻RF饋電器504在高頻饋電點106處同高頻天線元件 102相連。低頻RF饋電器514在低頻饋電點104處同低頻天線 元件108相連。高頻饋電組織器接頭506和低頻饋電組織器 接頭516能夠保護各自的連接可靠。 圖4係饋電組織器208和210佈局的一放大的詳細圖4〇〇。 低頻RF饋電器514相對於高頻RF饋電器504應有一 45度角的 偏移，以容納由低頻偶極子對1形成的第二個格柵圖案 ，而其相對於高頻偶極子對1丨2形成的第一格柵圖案有一 45度的偏移。 參考圖1和2，高頻RF饋電器504連接到高頻天線元件1〇2 上，高頻天線元件102位於下層天線表面202上。低頻RF饋 電器514可穿過大致由下層天線表面202及介電質206定義 的平面，連接到位於高層天線表面2〇4的低頻天線元件1〇4 上。 已經描述了本發明之較佳具體實施例，應注意本發明不 僅僅侷限於這些，也可在其他形式上體現而不背離本發明 •13- 583790 ⑼ 發明就聪續頁 \ / — 之廣泛精神與範疇β因此，應參考以下專利各項，決非以 往描述，因為以下表明本發明的範圍。 圖式簡單說明 參考下列圖示可更好地理解本發明的各種特性及優點， 其中相同數位相同的結構元件： 圖1係雙波段之俯視圖，雙層天線陣列中包括：在第一 層上之複數個高頻天線元件，及第二層上之複數個低頻天 線元件。 圖2係一橫截面圖，沿著圖1之雙波段、雙層天線陣列線 2-2。 圖3係在本發明所包括複數個饋電組織器之俯視圖。 圖4係圖3所示饋電組織器之放大細節圖。 圖5係圖3所示饋電組織器之放大橫截面圖。 圖6係圖1陣列中使用寬頻天線元件之示意圖。 圖式代表符號說明 100 雙層雙頻帶天線陣子 102 高頻天線元件 104 低頻天線元件 106 高頻饋點 108 低頻饋點 110 間距 112 高頻偶極子對 114 高頻偶極子對 202 下層天線表面 (10) 鄱勝月_; 上層天線表面 介電材料 高頻饋電組織器 低頻饋電組織器 表面 距離 放大詳細圖 高頻饋電組織器基座 RF饋電器 高頻饋電組織器連接器 高頻饋電組織器連接器 低頻RF饋電器 低頻饋電組織器連接器 加長主體部分 加寬終端部分 齒狀交叉部分 -15 -

Claims (1)

1. 583790 拾、申請專利範圍 1. 一種輻射元件陣列，其包括： 一陣列組態中第一複數個天線元件，該等複數個天 線元件配置在第一頻帶内作業；以及 一陣列組態中的第二複數個天線元件，該等第二複 數個天線元件配置在第二頻帶内作業； 其中該等第一複數個天線元件係位於該等第二複數 個天線元件下方，該等第一複數個天線元件為該等第 二複數個天線元件充當有效的接地平面。 2. 如申請專利範圍第1項之陣列，進一步包括一介電材料 ，其插入該等第一複數個天線元件與該等第二複數個 天線元件之間。 3. 如申請專利範圍第1項之陣列，其中經由該等第一頻帶 與該等第二頻帶相鄰，使該陣列配置成可供寬頻作業。 4. 如申請專利範圍第1項之陣列，其中該等第一複數個天 線元件係排列成第一行列間隔的平面格柵圖案，該等 第二複數個天線元件係排列成第二行列間隔的平面格 柵圖案，該第二格柵圖案相對於該第一格栅圖案旋轉 一定角度。 5. 如申請專利範圍第4項之陣列，其中該角度大約為45^。 6. 如申請專利範圍第4項之陣列，其進一步包括一組用於 傳輸RF信號至該等第一複數個天線元件的初級饋電組 織器，及用於傳輸RF信號至該等第二複數個天線元件

   583790 的次級饋電組織器，該等初級與次級饋電組織器配置 成一共同格柵圖案，並向上擴展至該等第一及第二複 數個天線元件，其中該等次級饋電組織器的複數個RF 饋電器形成一次級饋電組織器格柵圖案，插入該共同 格柵圖案之間^ 7. 如申請專利範圍第6項之陣列，其中該等次級饋電組織 器之RF饋電器擴展穿過大致由該等第一複數個天線元 件定義的平面，以和該等第二複數個天線元件進行RF 通訊。 8. 如申請專利範圍第1項之陣列，其進一步包括位於該等 第一複數個天線元件下部的一接地平面，及插入該接 地平面和該等第一複數個天線元件之間的一介電層。 9. 如申請專利範圍第1項之陣列，其中該等第一及第二複 數個天線元件為平面天線元件。 10. 如申請專利範圍第9項之陣列，其中該等第一和第二複 數個天線元件至少有一包括： 一加長的主體部分；以及 一加寬的終端部分，連接至該加長主體部分之一末端。 11. 如申請專利範圍第10項之陣列，其中該等天線元件相鄰 的該加寬的終端部分包括齒狀交又部分。 12. 如申請專利範圍第1項之陣列，其中該等第一及第二複 數個天線元件至少有一包括相鄰的偶極子天線元件，其 中每個偶極子至少有一端相容性耦合到相鄰的另一偶 極子元件的終端上。 -2- 583790 13. —種輻射元件陣列，其包括： 一第一複數個天線元件排列成一第一行列間隔的平 面格柵圖案，該等第一複數個天線元件係配置供第一頻 帶上作業； 一第二複數個天線元件排列成一第二行列間隔的平 面格柵圖案，且位於該等第一複數個天線元件之上；該 等第二複數個天線元件係配置供第二頻帶上作業，該第 二格柵圖案相對於該第一格柵圖案旋轉一角度； 該等第一複數個天線元件為該等第二複數個天線元 件充當一有效的接地平面；以及 一組用於傳輸RF信號至該等第一複數個天線元件的 初級饋電組織器及一組用於傳輸RF信號至該等第二複 數個天線元件的次級饋電組織器，該等初級及次級饋電 組織器安排成共同格柵圖案並向上擴展至該等第一及 第二複數個天線元件，其中該等次級饋電組織器的複數 個RF饋電器形成一次級饋電組織器格柵圖案，插入該共 同格柵圖案之間》 14. 如申請專利範圍第13項之陣列，其進一步包括一介電材 料，其插入該等第一複數個天線元件與該等第二複數個 天線元件之間。 15. 如申請專利範圍第13項之陣列，其中該等第一及第二複 數個天線元件為平面天線元件。 16. 如申請專利範圍第15項之陣列，其中該等第一和第二複 數個天線元件至少有一包括·· 583790 一加長的主體部分；以及 一加寬的終端部分，連接至該加長主體部分之一末端。 17. 如申請專利範圍第16項之陣列，其中與該等天線元件相 鄰之該等加寬的終端部分包括齒狀交叉部分。 18. 如申請請專利範圍第13項之陣列，其中該角度大約為45 度。 19. 一種輻射元件之陣列，其包括： 一第一複數個平面天線元件，其包括加長的第一主體 部分及連接至該第一主體部分之相關末端的第一終端 部分，該等第一複數個天線元件係配置成陣列以供第一 頻帶内作業，且該等第一天線元件相鄰的終端部分包括 齒狀交又的部分； 一第二複數個平面天線元件，其包括加長的第二主體 部分與連接至該第二主體部分之相關末端的第二終端 部分，該等第二複數個天線元件係配置成陣列以供第二 頻帶内作業，且該等第二天線元件相鄰的終端部分包括 齒狀交又的部分；以及 該等第一複數個天線元件係位於該等第二複數個天 線元件下方，為該等第二複數個天線元件充當有效的接 地平面。 20. 如申請專利範園第19項之陣列，其進一步包括一介電材 料，其插入該等第一複數個天線元件及該等第二複數個 天線元件之間。 21.如申請專利範圍第19項之陣列，其中該等第一複數個天

   583790 線元件係排列成一第一行列間隔的平面格柵圖案，該等 第二複數個天線元件排列成第二行列間隔的平面格栅 圖案，該第二格柵圖案相對於該第一格柵圖案旋轉一定 的角Jt 9 22. 如申請專利範圍第21項之陣列，該角度約為45度。 23. 如申請專利範圍第21項之陣列，其進一步包括一組用於 傳輸RF信號至該等第一複數個天線元件的初級饋電組 織器及用於傳輸RF信號至該等第二複數個天線元件的 次級饋電組織器，該等初級及次級饋電組織器係配置成 共同格柵圖案並向上擴展到該等第一及第二複數個天 線元件，其中該等次級饋電組織器之複數個RF饋電器形 成一次級饋電組織器格柵圖案，插入該共同格栅圖案之 間0