TWI240454B - Multi-layer capacitive coupling in phased array antennas - Google Patents

Description

1240454 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 一般而言，本發明配置關於該通信領域，尤其，關於相 位陣列天線。 【先前技術】 現行之微波天線包括用於各種應用之廣泛多樣配置，例 如衛星接收，遠端廣播，或軍事通信。通常，以印刷電路 天線提供該期望之低成本特性，輕重量，低輪腐與大量生 產。該印刷電路天線之最簡單形式是微帶天線，其中平括 的傳導元件由相同厚度之介電片與實質上單一連續之磨平 70件間隔開。一微帶天線之範例揭露於美國專利案號 3,995,277 ’ 屬於〇iyphant。 將該等天線設計成陣列形式，^可被用於通信系統， 例如識別朋友/敵人（IFF)系# 加，文 ^ u )系統，個人通信服務系統（PCS)， 衛生通4吕系統，血相：（Λ?备妨 __ ^ 一航二糸統，要求此類特為低成本，輕重 量，低輪廓，與低肩高值。 然而，某些應用會限制此類天線之頻寬與指向能力。告 制電，合微帶補片對會增加頻寬，獲得該益處會出: 值仟注忍之設計挑戰。尤其^ ^ ^ ^ ^ ^ φ ^ ^ $+ 乍丹所市望之低輪廓與寬的 先束寬度°再者’使用微帶 描角度之方向性。“= 供一預定掃 列用U帶補片陣列出現困 果該等陣列元件互相隔開緊密在—起，會增加該二： 度’但緊岔隔開會增加天線元件之間不受歡迎之耗合，因 而降低效率。 因

O:\89\89650-940513. D0C 1240454 匕外 微▼補片天線有利於需要一適合配置之應用， 例如於-航空系統，固定該天線出現有關提供該天線之方 挑戰因此適合且良好之輻射覆蓋與方向性被維持， 而且降低喪失周圍表面。尤其，通常藉由將該頻率範圍分 成多頻寬，以實現增加具有寬掃描角度之相位陣列天線之 頻寬， 此一天線之範例揭露於屬於W〇ng及其他人之美國專利 案號5,485，167。該天線包括數對各自調成不同頻率之頻寬 :雙極成對陣列，…口 1該傳輸/接收方向互相關聯堆 疊。該最高頻率陣列是在下一最低頻率陣列等等之前。 上述方法使該天線之尺寸與重量增加相當多，而產生一 二線頻率（RF)介面問題。另—方法是使用平衡環，以機械 獲得該需要之掃描角度。再者，該方法可增加該天線之尺 寸與重量’並導致一較低之回應時間。 因此，需要一具有寬頻率頻寬與寬掃描角度之輕重量相 位陣列天線，而且適合固定於一表面。通過使用電流片陣 列或使用叉合電容器之雙極層，以滿足此一需求，藉由延 長該電容器”指"或”指狀物”，以增加該耦合，產生更寬的頻 寬，如描述於屬於Durham之美國專利案號6,417,813(，813專 利），並於此讓渡給受讓人。該結構之若干天線於該所希望 之作業頻寬中在特定頻率，顯示出重要之增益偶出。因此， 存在一輕重量具有一寬頻率頻寬與寬的掃描角度之相位陣 列天線之需要，還適合固定在一表面，而且進一步未晚連 上面所描述之增益偶出。

0: \89\89650-940513. DOC 1240454 此外，也需要描述於該，813專案之饋通透鏡天線，也克 服該增益偶出之問題。饋通透鏡天線可被用於各種應用， 所希望複製一電磁（EM)環境，出現在該結構外，位於使用 一特定頻寬之結構。例如，一饋通透鏡可被用於複製信號， 例如行動電話信號，於一建築物或飛機内，可因而以不同 之方法反射。此外，一饋通透鏡天線可被用於提供一高通 濾波器回應特性，特別有利於所希望有非常寬之頻寬之應 用。此一饋通透鏡天線之範例揭露於屬於w〇ng及其他人之 專利。該饋通透鏡結構揭露於w〇ng&其他人之專利，包括 數個上面所描述之多層相位陣列天線。然而，當此類天線 被用於饋通透鏡天線時，上面提到之限制會相應出現。 【發明内容】 於本發明之第一觀點中，一相位陣列天線包括一基板與 在其上之一雙極天線元件陣列，其中每一雙極天線元件包 括-中間饋送部分，以及由此向外延伸之成對接腳。相鄰 雙極天線元件之相鄰接腳最好各自包括間隔開之末端部 刀。違相位陣列天線進_步包括至少—介電層在該基板與 接地面之間，以及至少一傳導面毗連該基板，以在相鄰 雙極天線元件之間提供額外的耦合。 於本發明之第二觀點中，_相位陣列天線包括一電流片 陣列在一基板上’至少一介電層在該電流片陣列與一接地 之間以及至少一傳導層毗連該基板，以在該電流片陣 列之相鄰雙極天線元件之間提供額外的耦合。 於本如明之第二觀點中，一種用於製造該相位陣列天線

O:\89\89650-940513.DOC 1240454 之方法包括該等步驟：提供—基板，在該基板上形成一雙 極天線元件陣列，以定義該相位陣列天線，每一雙極天線 兀件包括一中間饋送部分，以及由此向外延伸之成對接 腳，而且分別放置與形成相鄰雙極天線元件之相鄰接腳之 間隔開之末端部分，以提供增加該等相鄰雙極天線元件之 間之電容耦合，而且提供一毗連該雙極天線元件陣列之傳 導面，以進一步提供該等相鄰雙極天線元件之間之電容耦 合。 、料間隔開之末端部分具有__預定之形狀與相對位置， 以提供增加該等相鄰雙極天線元件之間之電容耦合。最 好，該等相鄰接腳之該等間隔開之末端部分包括又合邛 分，而且每一接腳包括一延長之主體部分，與一連接至該 延長主體部分之放大寬度之末端部分，以及複數個指狀 物^例如四個，從該放大寬度之末端部分向外延伸。 该相位陣列天線具有__所希望之頻率範圍，而且該等相 鄰接腳之末端部分之距離小於一最高所希望頻率之波長之 一分之-。再者’該雙極天線元件陣列可包括第—與第二 組正交雙極天線元件，以提供雙極化。最好提供一接地面 此連㈣極天線元件陣列，而且與該雙極天線元件陣列之 距：小於大約一最高所希望頻率之波長之二分之一。 ^子石每一雙極天線元件包括一印刷傳導層，而且以密 =平方英尺大約10。至_之範圍，配置該雙 元 :二ΓΓΓ相對位置排列該雙極天線元件陣列，以 使邊見頻相位陣列天綠w 線可以在頻率範圍大約2至30 GHz之

O:\89\89650-940513.DOC 1240454 間作業’而且掃描角度大約是働度。至少有―介電層在該 雙極天線元件陣列上’而且該彈性基板可以被提供在一具 有非平面三維形狀之堅固固定構件上。 也可藉由-種製造-寬頻相位陣列天線之方法提供根據 本發明之特性與優點，該方法包括在—彈性基板上形成一 雙極天線元件陣列，其中每一雙極天線元件包括一中間饋 送部分，以λ由此向外延伸之成對㈣。形成該雙極天線 元件陣列包括分別形成與放置相鄰雙極天線元件之相鄰接 腳之間隔開之末端部分，以提供增加該等相鄰雙極天線元 件之間之電容耦合。分別形成與放置該等間隔開之末端部 分最好包括形成叉合部分。 【實施方式】 將在下面更加詳細描述本發明與相關之該等於其中顯示 本發明之敢佳實施例之附加圖式。然而，以許多不同形式 具體化本發明，但不應解釋為受限於於此提出之該等實施 例。當然，提供此等實施例，使該揭露更完善且完整，而 且將本發明之範圍完全傳遞給熟悉此項技藝者。同樣的數 子從頭到尾代表同樣的元件，而位首與雙重位首被用於表 示替代實施例中之類似元件。 首先參考圖1與2(A-C)，說明根據本發明之寬頻相位陣列 天線10。該天線1 〇可被固定在航空器或太空船之頭錐丨2 , 或其他具有平面或非平面之三維形狀之堅固的固定構件 上’例如，如熟悉此項技藝者所瞭解的，也可連接至傳輸 接收控制器14。

O:\89\89650-940513.DOC -10- 1240454 最好由複數彈性層形成該寬頻相位陣列天線1〇，如圖 2A-C所顯示。此等層包括一雙極層2〇或電流片陣列，夹在 接地面30與外表介電層26之間，例如泡沫材料之外表介電 層所呈現的。如顯示，於中間提供其他的介電層24(最好Z 泡沫材料所形成）。此外，該相位陣列天線1〇進一步包括至 少一耦合面25。請注意，能夠以許多不同的形式具體化該 耦合面，包括僅部份金屬化或完全金屬化之平面，耦合面 存在該雙極層20之上或之下，或者多層耦合面存在該雙極 層之上或之下，或上下。例如，圖2A之天線1〇說明一耦合 面25存在該雙極層20之上，而圖2B說明一耦合面25存在該 雙極層20之下。圖2C之天線1〇說明多層耦合面（25)，一在 該雙極層20之上，一在該雙極層2〇之下。圖2之每一實施例 分別使用黏著層22將雙極層20，接地面30，耦合面25 ,與 /包沫材料之介電層24，26黏固在一起，以形成有彈性且適 合之天線10。當然，如熟悉此項技藝者所瞭解的，也可使 用其他方法固定該等層。該等介電層24 , 26逐漸減少介電 係數，以改善該掃描角度。例如圖2A中，在該接地面3〇與 該雙極層20之間之介電層24，具有之介電係數是3 〇，在該 雙極層20對面之介電層24具有之介電係數可以是丨·？，而該 外表介電層26具有之介電係數可以是12。 該電流片陣列或雙極層通常包括緊密的耦合雙極元件嵌 入介電層在該接地面上。能夠以叉合電容器實現互相之耦 合。如圖6與7A所顯示，藉由延長該等叉合電容器，能夠增 加耦合。更多的耦合提供更大的頻寬。可惜的是，夠長的

O:\89\89650-940513.DOC • 11 - 1240454 手指會顯示出-增益偶出，例如圖3之曲線圖說明一增益偶 出在15 GHz時是8 dB。相信該等電容器傾向作為一四分之 一波長（□/4)之耦合器。電場輻射標繪圖確定該等交又極化 電容器以偶出頻率共振，即使只有正交極化元件被提供於 -特定之標繪圖。不管上述’耦合必須被維持，以擴大一 特定設計之頻寬。本發明藉由放置輛合面在個別層或與該 等叉合電容器她連，以維持中間元件麵合所需要之等級。 縮短該電容器手指，移動超出頻寬之增益偶出，但是會降 低耦合與頻寬。增加該等耦合面，增加該電容耦合，以維 持或改善頻寬。耦合面之使用以簡單之設計改善頻寬其 中沒有使用叉合電容器，如圖7B所顯示。於圖4顯示—使用 圖7A所說明之較短的又合電晶體之天線，投射增益值對頻 率之標繪圖，表示無頻段内之増益刻痕。同樣地，於圖5顯 示使用圖7B所說明無又合電晶體之天線，投射增益值對頻 率之標繪圖，表示無頻段内之增益刻痕。 參考圖6，7A與7B，現在將描述該雙極層2〇之第一實施 例。該雙極層20是-印刷傳導層，具有一陣列雙極天線Z 件40在一彈性基版23上。每一雙極天線元件4〇可包括一十 間饋达部分42與一對由此向外延伸之接腳料。饋送線分別 由該基板23之對面連接至每一饋送部分42，將在下面更加 詳細描述。相鄰雙極天線元件4〇之相鄰接腳料各自具有間 隔開之末端部分46，以提供增加該等相鄰雙極天線元件之 間之電容耦合。該等相鄰雙極天線元件具有預定之形狀與 相對位置，以提供該增加之電容耦合。例如，相鄰雙極天

O:\89\89650-940513. DOC -12- 1240454 線元件40之严曰’之電谷可介於大約〇㈣至〇·㈣微法拉⑽） 之間，而且最好介於〇·159至〇 239 pF之間。 最好如圖7A所不，相鄰接腳44中之該等間隔開之末端 部分46有重疊或又合部分47，而且每—接㈣包括一延長 主體4刀49’ -連接至該延長主體部分之末端之擴大寬度 之末鈿P刀5 1以及複數個指狀物53，例如四個指狀物從 該延長主體部分向外延伸。 此外’如圖7B所* ’相鄰雙極天線元件4〇之相鄰接腳", 各自具有間隔開之末端部分46’ ’以提供增加該等相鄰雙極 天線元件之間之電容_合。於該實施例中，相鄰接腳44中 之該等間隔開之末端部分46’包括—連接至該延長主體部分 49,之末端之放大寬度之末端部分5卜以提供增加該等相鄰 雙極天線元件之間之電容輕合。於此，例如，該等間隔開 之末端部分46·之間的距離KA約是請3英忖。如顯示於圖 7A與 7B， 以虛線§兄明之輕合面2 5， 能夠與該雙極天線元件 。該耦合面25能夠具 面之表面上，或有金 40相鄰，存在該雙極層20之上或之下 有金屬化物27在如圖7A所顯示之耦合 屬化物27’在如圖7B所顯示之耦合面之選擇部合妙、， 田 本發明也可實行其他增加該等相鄰雙極天線元件之間之電 容耦合之配置。 最好，以密度為每平方英尺大約100至900之範圍，配置 該雙極天線元件40陣列。按尺寸與相對位置排列該雙極天 線元件40陣列，以使該寬頻相位陣列天線1〇可以在頻率範 圍大約2至30 GHz之間作業，而且掃描角度大約是働度 O:\89\89650-940513.D0C -13- 1240454 掃描失敗）。此一天線10也可具有10:1或更大的頻寬，包括 相當輕適合固定在表面，以及容易以低成本製造之特性。 例如，圖7A是顯示相鄰雙極天線元件40分別具有間隔開 之末端部分46之相鄰接腳44，以提供增加該等相鄰雙極天 線元件之間之電容耦合之放大圖。於該範例中，該等相鄰 接腳44與各自之間隔開之末端部分46可具有下列之尺寸： 該放大寬度末端部分51之長度E等於0.061英吋；該延長主 體部分49之寬度F等於0.034英吋；相鄰放大寬度末端部分 51相加之寬度G等於0.044英吋；該等相鄰接腳44相加之長 度Η等於0.276英吋；該複數個指狀物53之每一個之寬度1等 於0·005英吋；以及相鄰指狀物53之間之間隔j等於〇〇〇3英 吋。於該範例中（參考圖6),該雙極層2〇可以具有下列之尺 寸·十二英吋之寬度Α與十八英吋之高度Β。於該範例中， 雙極天線元件40沿著該寬度Α之數量c等於43，而雙極天線 疋件沿著該長度Β之數量D等於65，產生2795個雙極天線元 件之陣列。 该寬頻相位陣列天線10所希望之頻率範圍是，例如2 GHz 至18 GHz’而且相鄰接腳44之末端部分46之間之間隔低於 大約所希望之最高頻率之波長之二分之一。 參考圖8，該雙極層2〇,之另 者所瞭解的，可包括第一與第 件40，以提供雙極性。 一實施例，如熟悉此項技藝 二組互相垂直之雙極天線元 ,可藉由在忒彈性基板23上形成雙極天線元件4〇之陣列， 製^亥相位陣列天線1〇。上述最好包括將雙極天線元件

O:\89\89650-940513.DOC -14- 1240454 傳導層印刷和/或姓刻在該基板23上。如圖8所顯示，可 互相正又形成第一與第二組互相正交之雙極天線元件4〇， 以提供雙極性。 再者母雙極天線元件40包括該申間饋送部分42，以 及從此向外延伸之成對接腳44。形成雙極天線元件⑽之陣 列包括分別形成與放置相鄰雙極天線元件之相鄰接腳私之 間隔開之末端部分46，以提供增加該等相鄰雙極天線元件 之間之電容麵合。分別形成與放置該等間隔開之末端部分 46最好包括又合部分47(圖7)或放大寬度之末端部分51 乂圖 7B)。最好形成一接地面3〇毗連該雙極天線元件4〇陣列，而 且或更多之介電層24, 26在該雙極層2〇之兩側中間以黏 著層22堆積成層。 如上面描述，最好按尺寸與相對位置排列該雙極天線元 件40之陣列，因此該寬頻相位陣列天線1〇可在頻率範圍大 約2至30 GHz作業，而且以大約±6〇度之掃描角度作業。該 天線10也可固定在一具有非平面三維形狀之堅固的固定構 件12，例如一航空器。 因此，藉由使用堅固之封裝雙極天線元件4〇與大的相互 電容耦合，獲得一具有寬頻率頻寬與寬掃描角度之相位陣 列天線10。慣用之方法試圖降低雙極之間之相互電容耦 合，但本發明使用並增加該等緊密空間之雙極天線元件之 間之相互電容耦合，以防止光柵片，並達到寬的頻寬。可 使用一光束形式掃描該天線10,而且每一天線雙極元件4〇 有一寬的光束寬度。該等元件40之佈局應該被調整在該彈 O:\89\89650-940513.DOC -15- 1240454 性基板23上或印刷電路板，或者該光束形式可被用於調整 該等元件之路徑長度，以使該等元件處於相位中。 本發明能被用於一饋通透鏡，如描述於屬於丁丨茁…#

Durham之美國專利案號6,417,813，於此讓渡給該受讓人， 且因而以引用的方式併入本文中（，813專利）。如描述於該 8 13專利，該饋通透鏡天線可包括第一與第二相位陣列天線 (10)，由一耦合結構以背對背關係連接。再者，該第一與第 二相位陣列天線之每一個大體上類似上面所描述之天線 1 〇，該耦合結構可包括複數個傳輸元件，各自連接對應之 該第一相位陣列天線之雙極天線元件與該第二相位陣列天 線之雙極天線元件。該等傳輸元件可以是同軸電纜線，例 如，說明顯示於該，8 13專利之圖6。 因使用上述之寬頻寬相位陣列天線1〇，本發明之饋通透 鏡有利於以同一命令，得到一具有頻寬之傳輸通頻。同樣 地，該饋通透鏡天線也有一幾乎完全無限制之反射頻寬， 因此該相位陣列天線10是幾乎完全反射在低於其作業頻寬 之頻率上。知描補償也可被實現。此外，該第一與第二相 位陣列天線之各種層可以是有彈性的，如上面所描述，或 者可以是更堅固，以用於需要強度或穩定之應用，如熟悉 此項技藝者所瞭解的。 單獨使用该寬頻相位陣列天線1 〇或併入饋通透鏡天線使 用，本發明最好被用於需要連續頻寬9:1或更大之應用，而 且必疋擴大於此描述之電流片陣列或雙極層之作業頻寬。 【圖式簡單說明】 O:\89\89650-940513.DOC -16- 1240454 圖1是說明本發明之寬頻相位陣列天線固定在一艇空器 頭錐之概要圖。 圖2A，2B與2C是圖1之寬頻相位陣列天線於各種配置中 之分解圖。 圖3疋說明一增益偶出經歷具有一預定長度之手指之現 行系統之標繪圖。 圖4與5表示無頻段内增益刻痕之標繪圖，分別用於圖7A 與7 B之實施例。 圖6是圖1之寬頻相位陣列天線之印刷傳導層之概要圖。 圖7A與7B是圖2之寬頻相位陣列天線之相鄰雙極天線元 件之相鄰接腳之間隔開之末端部分之放大概要圖。 圖8是圖2之寬頻相位陣列天線之另一實施例之寬頻相位 陣列天線之印刷傳導層之概要圖。 圖式代表符號說明】 10 相位陣列天線 12 固定構件 14 接收控制器 20, 20， 雙極層 22 黏著層 23 彈性基板 24, 26 介電層 25 耗合面 27, 27’ 金屬化物 30 接地面 3-940513.DOC -17- 1240454 40 天線雙極元件 42 中間饋送部分 44,44’ 接腳 46, 46’，51，5Γ 末端部分 47 叉合部分 49, 49’ 主體部分 53 指狀物

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Claims (1)

1240454 拾、申請專利範固·· 一種相位陣列天線，其包括： 一基板與在其上之一雙極天線元件陣列，每一雙極 線元件包括一中間饋送部分，以及由此向外延伸之成對 接腳，相鄰雙極天線元件之相鄰接腳各自包括間隔開之 末端部分； < 至少有一介電層，其在該基板與一接地面之間’·以及 至少一傳導面，毗連該基板，以在相鄰雙極天線元件 之間提供額外的_合。 2. 如申請專利範圍第丨項之相位陣列天線，其中該相位陣 列天線具有一所希望之頻率範園，且其中該接地面與該 雙極天線元件之間之距離小於一最高所希望之頻率之 波長之二分之一。 3. 如申請專利範圍第丨項之相位陣列天線，其中每一接腳 包括一延長之主體部分，與一連接至該延長主體部分之 放大寬度之末端部分。 4. 如申請專利範圍第1項之相位陣列天線，其中該等相鄰 接腳之該等間隔開之末端部分包括又合部分。 5. 如申請專利範圍第丨項之相位陣列天線，其中該雙極天 線元件之陣列包括第一與第二組正交之雙極天線元 件，以提供雙極化。 7. 6·如申請專利範圍第1項之相位陣列天線，其中至少 導層位於該基板與-位於該基板上之介電層之間。 -種用於製造-相位陣列天線之方法，其二括： O:\89\89650-940513.DOC 1240454 提供一基板，在4基板上形成一雙極天線元件陣列， 以定義該相位陣列天線，每一雙極天線元件包括一中間 饋送部分，以及由此向外延伸之成對接腳，而且分別放 置與形成相鄰雙極天線元件之相鄰接腳之間隔開之末 端部分’以提供增加該等相鄰雙極天線元件之間之電容 李馬合； 提供一毗連該雙極天線元件陣列之傳導面，以進一步 提供該等相鄰雙極天線元件之間之電容耦合。 8·如申請專利範圍第7項之方法，進一步包括形成至少一 介電層在該雙極天線元件陣列。 9·如申請專利範圍第7項之方法，其中每一相位陣列天線 有-所希望之頻率範圍，纟中該等相鄰接腳之末端部分 之距離小於一最高所希望頻率之波長之二分之一。 10.如申請專利|巳固第7项之方法，其中形纟每一雙極天線 元件陣列包括形 < 第一與第二組正交雙極天線元件，以 提供雙極化。

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