TWI528638B

TWI528638B - 射頻系統

Info

Publication number: TWI528638B
Application number: TW103116434A
Authority: TW
Inventors: 黃國書; 蕭興隆
Original assignee: 啟碁科技股份有限公司
Priority date: 2014-05-08
Filing date: 2014-05-08
Publication date: 2016-04-01
Also published as: TW201543749A; US20150323652A1; US9903949B2

Description

射頻系統

本發明係指一種射頻系統，尤指一種可不大幅增加設置面積即增加收發功能之射頻系統。

陣列天線係複數個相同的天線按一定規律排列組成的天線系統，且透過調整陣列天線中天線元件的擺放方式，可使陣列天線達成特定的輻射場型，將主波束集中於特定的方向傳遞訊號。舉例來說，針對車用雷達系統，其陣列天線通常設定為對水平方向進行二維偵測。然而，在實際應用中，僅水平方向的二維偵測可能受到來自高於水平面物體(如告示牌、交通號誌、橋樑、建築物等)的反射，由於硬體的限制，常常造成錯誤警報(False Alarm)，而降低系統效能。在此情形下，若能針對車用雷達系統提供具三維掃描功能的射頻系統，同時進行水平與垂直方向的偵測，將有助於分辨來自水平或垂直方向的反射，增加系統可靠度，進一步降低錯誤發報率。

傳統上，要增加不同方向的偵測功能最直覺的方式是另外增加一組陣列天線，並調整天線元件的擺放方式，以針對垂直方向進行偵測。然而，車用雷達系統是將無線訊號收發器設置於車輛保險桿或風扇柵罩內部，來進行測距、資訊交換等應用。由於車輛保險桿內通常會設置吸震保麗龍或玻璃纖維等，可用空間極為受限，若要額外增加一組陣列天線，勢必有許多難度。更有甚者，若車用雷達系統的銷售目標為車後市場，亦即雷達供應商將無法參與決策保險桿的材質及厚度，在此情形下，為了盡可能適用大部分車輛，陣列天線的增益、面積、輻射場型等的設計要求將更為嚴格。

因此，如何在不增加陣列天線所需設置空間下，適當地增加其偵測方向或範圍，已成為業界所努力的目標之一。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種射頻系統，以在不大幅增加設置空間下，增加天線偵測範圍。

本發明揭露一種射頻系統，包含有一基板，包含有一第一面及一第二面；複數個天線串列，形成於該基板之該第一面，每一天線串列包含有複數個輻射件串接於一序列，且該複數個天線串列分類為一第一群組及一第二群組；複數個導線，形成於該基板之該第二面，用來傳輸射頻訊號；複數個連接件，設置於該基板中，用來耦接該複數個導線與該複數個天線串列中該第二群組之天線串列；一第一射頻訊號處理模組，耦接於該複數個天線串列中該第一群組之天線串列，用來透過該第一群組之天線串列收發射頻訊號；以及一第二射頻訊號處理模組，耦接於該複數個導線，用來藉由該複數個導線及該複數個連接件耦接該第二群組之天線串列，以透過該第二群組之天線串列收發射頻訊號；其中，於該第一射頻訊號處理模組透過該第一群組之天線串列收發射頻訊號時，該第一群組之天線串列所產生之一第一電場朝向一第一方向延伸，而該第二射頻訊號處理模組透過該第二群組之天線串列收發射頻訊號時，該第二群組之天線串列所產生之一第二電場朝向異於該第一方向之一第二方向延伸；其中，該複數個天線串列中至少一天線串列同時屬於該第一群組及該第二群組。

10、20‧‧‧射頻系統

P1‧‧‧第一面

P2‧‧‧第二面

A-A’‧‧‧線

100‧‧‧基板

AST_1~AST_n‧‧‧天線串列

R‧‧‧輻射件

CN_1~CN_n‧‧‧導線

VT‧‧‧連接件

102、216‧‧‧第一射頻訊號處理模組

104、230‧‧‧第二射頻訊號處理模組

L1~L4‧‧‧邊

106‧‧‧天線基板

108‧‧‧接地層

110‧‧‧導線基板

sig_11~sig_1n、sig_21~sig_2n‧‧‧訊號端

212‧‧‧傳輸功率分配器

214‧‧‧接收功率分配器

222、224、226‧‧‧環形耦合器

CN_11、CN_12、CN_21、CN_22、CN_31、CN_32、CN_41、CN_42‧‧‧導線

第1A圖及第1B圖分別為本發明實施例一射頻系統之一第一面及一第二面之示意圖。

第1C圖為第1A圖之剖面圖。

第2A圖及第2B圖為本發明實施例一射頻系統之一第一面及一第二面之示意圖。

第3A圖及第3B圖分別為第2A圖之射頻系統運作時天線串列之連接方式示意圖。

第4A圖及第4B圖為第2A圖之射頻系統之天線場型示意圖。

請參考第1A圖至第1C圖，第1A圖及第1B圖分別為本發明實施例一射頻系統10之一第一面P1及一第二面P2之示意圖，而第1C圖為第1A圖中A-A’線之剖面圖。射頻系統10可以是一雷達系統的微波收發網路，如車用陣列天線等，且不限於此，其包含有一基板100、天線串列AST_1~AST_n、導線CN_1~CN_n、連接件VT、一第一射頻訊號處理模組102及一第二射頻訊號處理模組104。為求清楚，第1A圖及第1B圖標示有基板100之四邊L1~L4，以區別第一面P1及第二面P2之圖示方向。如第1C圖所示，第一面P1及第二面P2分別為基板100之上、下兩面，且基板100可進一步區分為一天線基板106、一接地層108及一導線基板110。天線串列AST_1~AST_n係設置於第一面P1上，導線CN_1~CN_n係設置於第二面P2上，而連接件VT則貫穿基板100以連接天線串列AST_1~AST_n與導線CN_1~CN_n。

詳細來說，每一天線串列AST_1~AST_n係由複數個串接於一序列之輻射件R所組成，並分別透過訊號端sig_11~sig_1n與第一射頻訊號處理模組102耦接，因此第一射頻訊號處理模組102可透過天線串列AST_1~AST_n收發射頻訊號。另一方面，導線CN_1~CN_n則透過訊號端sig_21~sig_2n與第二射頻訊號處理模組104耦接，並透過貫穿基板100之連接件VT與天線串列AST_1~AST_n耦接。在此情形下，第二射頻訊號處理模組104可藉由導線CN_1~CN_n及連接件VT而耦接天線串列AST_1~AST_n，進而透過天線串列AST_1~AST_n收發射頻訊號。

簡言之，第一射頻訊號處理模組102及第二射頻訊號處理模組104共用天線串列AST_1~AST_n進行射頻訊號的收發，藉此可節省天線佈局空間。換個角度而言，射頻系統10可視為包含兩組射頻處理系統，一組係由第一射頻訊號處理模組102及天線串列AST_1~AST_n所組成，另一組係由第二射頻訊號處理模組104、導線CN_1~CN_n、連接件VT及天線串列AST_1~AST_n所組成。

需注意的是，第1A圖至第1C圖之射頻系統10係為本發明之實施例，本領域具通常知識者當可據以做不同之修飾，而不限於此。舉例來說，導線CN_1~CN_n係用來傳遞射頻訊號，其長度、寬度、形狀、材質等可視系統需求而適當調整；或者，任一導線CN_1~CN_n亦可分段或多個導線串接或並聯等，皆屬本發明之範疇。連接件VT係用來耦接導線CN_1~CN_n與天線串列AST_1~AST_n，其可以連通柱(Via)或耦合件方式實現，而設置的位置、材質等亦可適當調整。此外，輻射件R係用來發射或感應射頻訊號，其大小、形狀、材質等皆應視系統需求而適當調整，同樣地，相鄰輻射件R間連接的方式(直接連接或耦合連接)、連接線長度，或是輻射件R的數量等皆可適應性調整；舉例來說，本發明申請人於中華民國專利申請號101144453揭露一種天線及其所衍生之陣列天線即可用來實現或取代本發明之輻射件R或天線串列AST_1~AST_n。

另一方面，在射頻系統10中，如第1A圖及第1B圖所示，第一射頻訊號處理模組102及第二射頻訊號處理模組104係獨立設置，實際上，第一射頻訊號處理模組102及第二射頻訊號處理模組104亦可分別設置於基板100之第一面P1與第二面P2上。同時，第一射頻訊號處理模組102及第二射頻訊號處理模組104表示不同處理模組，兩者可分別包含一或多個接收處理單元或發射處理單元，進而分別達到多發或多收的處理模式。此外，在射頻系統10中，所有天線串列AST_1~AST_n皆由第一射頻訊號處理模組102及第二射頻訊號處理模組104所共用，然而，此僅為一實施例，天線串列AST_1~AST_n亦可僅一部分由第一射頻訊號處理模組102及第二射頻訊號處理模組104所共用。再者，第一射頻訊號處理模組102及第二射頻訊號處理模組104係直接處理天線串列AST_1~AST_n所收發之射頻訊號，換言之，每一天線串列AST_1~AST_n之權重(或功率)相同；然而，若需調整天線串列AST_1~AST_n之訊號權重，亦可採用功率分配器等方式調整每一天線串列AST_1~AST_n間之功率比。

舉例來說，請參考第2A圖及第2B圖，第2A圖及第2B圖為本發明實施例一射頻系統20之一第一面P1及一第二面P2之示意圖。射頻系統20係由射頻系統10所衍生，其主要架構大致相同，因此為求清楚，第2A圖及第2B圖亦標示有四邊L1~L4，以區別第一面P1及第二面P2之圖示方向。與射頻系統10不同的是，射頻系統20包含10個天線串列AST_1~AST_10，且每一天線串列AST_1~AST_10包含8個輻射件R。此外，射頻系統20之第一面P1上除了天線串列AST_1~AST_10外，另設置有一傳輸功率分配器212、一接收功率分配器214、一第一射頻訊號處理模組216及環形耦合器222、224、226。傳輸功率分配器212、接收功率分配器214及環形耦合器222、224、226之運作方式可進一步參考本發明申請人於中華民國專利申請號102102470所揭露之功率分配器及射頻收發系統。其中，第一射頻訊號處理模組216透過傳輸功率分配器212及接收功率分配器214耦接於天線串列AST_1~AST_3、AST_5、AST_7、AST_8、AST_10，以實現一發二收之操作。也就是說，天線串列AST_1~AST_3所接收之訊號傳送至第一射頻訊號處理模組216之兩接收端(其中，天線串列AST_2為第一射頻訊號處理模組216之兩接收端共用)，而第一射頻訊號處理模組216之發射端所輸出之射頻訊號則透過天線串列AST_5、AST_7、AST_8、AST_10發射至空中。為求簡潔，可與第一射頻訊號處理模組216建立連結之天線串列AST_1~AST_3、AST_5、AST_7、AST_8、AST_10分類為第一群組之天線串列。另一方面，射頻系統20於第二面P2上設置有一第二射頻訊號處理模組230及導線CN_11、CN_12、CN_21、CN_22、CN_31、CN_32、CN_41、CN_42、CN_5~CN_8，並可透過連接件VT，耦接於天線串列AST_1~AST_4、AST_6~ AST_9。為求簡潔，可與第二射頻訊號處理模組230建立連結之天線串列AST_1~AST_4、AST_6~AST_9分類為第二群組之天線串列。

由上述可知，天線串列AST_1~AST_3、AST_7、AST_8同屬第一群組及第二群組，換言之，第一射頻訊號處理模組216及第二射頻訊號處理模組230共用天線串列AST_1~AST_10中一部分之天線串列(即AST_1~AST_3、AST_7、AST_8)。此外，射頻系統20之導線CN_11、CN_12係對應於同一天線串列AST_1的兩分段，導線CN_21、CN_22係對應於同一天線串列AST_2的兩分段，導線CN_31、CN_32係對應於同一天線串列AST_3的兩分段，以及導線CN_41、CN_42係對應於同一天線串列AST_4的兩分段。導線CN_11、CN_21、CN_31、CN_41連接至第二射頻訊號處理模組230的同一接收端，導線CN_12、CN_22、CN_32、CN_42連接至第二射頻訊號處理模組230的另一接收端，而導線CN_5~CN_8則連接至第二射頻訊號處理模組230的發射端。換言之，第二射頻訊號處理模組230可透過導線CN_11、CN_12、CN_21、CN_22、CN_31、CN_32、CN_41、CN_42、CN_5~CN_8及連接件VT，耦接至天線串列AST_1~AST_4、AST_6~AST_9，以實現一發二收之操作。

因此，第一射頻訊號處理模組216可透過天線串列AST_1~AST_3、AST_5、AST_7、AST_8、AST_10實現一發二收之操作，而第二射頻訊號處理模組230則透過天線串列AST_1~AST_4、AST_6~AST_9實現一發二收之操作。換言之，本發明可透過共用天線串列方式，利用原有一發二收之陣列天線，達到二發四收之操作，因而可節省所需設置空間，以利於可用空間較為受限之應用，如車用雷達系統。

此外，當第一射頻訊號處理模組216進行一發二收操作時，天線串列AST_1~AST_3、AST_5、AST_7、AST_8、AST_10之各天線串列中的輻射件R係以串聯方式連接；而當第二射頻訊號處理模組230進行一發二收操作時，天線串列AST_1~AST_4、AST_6~AST_9之各天線串列中的輻射件R係以並聯方式連接。在此情形下，當第一射頻訊號處理模組216及第二射頻訊號處理模組230運作時，射頻系統20將可產生不同極化方向。詳細來說，請進一步參考第3A圖及第3B圖，第3A圖及第3B圖分別為第一射頻訊號處理模組216及第二射頻訊號處理模組230運作時天線串列AST_1~AST_10之連接方式示意圖。需注意的是，第3A圖及第3B圖為顯示不同操作情況下天線串列AST_1~AST_10中輻射件R的連接方式，故其中省略繪示了大部分元件，完整結構應參考第2A圖及第2B圖。例如，第3A圖為第一射頻訊號處理模組216操作時天線串列AST_1~AST_10之連接方式，由於在此情形下，第一射頻訊號處理模組216僅利用天線串列AST_1~AST_3、AST_5、AST_7、AST_8、AST_10進行訊號收發，故僅顯示天線串列AST_1~AST_3、AST_5、AST_7、AST_8、AST_10。同理，第3B圖為第二射頻訊號處理模組230操作時天線串列AST_1~AST_10之連接方式，由於在此情形下，第二射頻訊號處理模組230僅利用天線串列AST_1~AST_4、AST_6~AST_9進行訊號收發，故僅顯示天線串列AST_1~AST_4、AST_6~AST_9；此外，需注意的是，由於天線串列AST_1~AST_4、AST_6~AST_9與導線CN_11、CN_12、CN_21、CN_22、CN_31、CN_32、CN_41、CN_42、CN_5~CN_8分別位於第一面P1及第二面P2，故第3B圖係以虛線表示天線串列AST_1~AST_4、AST_6~AST_9。

比較第3A圖及第3B圖可知，當第一射頻訊號處理模組216及第二射頻訊號處理模組230進行一發二收操作時，輻射件R分別以串聯及並聯方式連接，因而可產生不同極化方向。例如，透過適當擺設方式，若第一射頻訊號處理模組216操作時射頻系統20呈水平極化，即天線串列AST_1~AST_3、AST_5、AST_7、AST_8、AST_10所產生之一第一電場朝向水平方向延伸，則當第二射頻訊號處理模組230操作時，射頻系統20將呈垂直極化，即天線串列AST_1~AST_4、AST_6~AST_9所產生之一第二電場係朝向垂直方向延伸。關於上述兩種操作情形下之天線場型可進一步參考第4A圖及第4B圖。其中，第4A圖為第一射頻訊號處理模組216操作時水平方向之二維天線場型圖，曲線Rx1、Rx2表示天線串列AST_1~AST_3之接收場型，而曲線Tx1表示天線串列AST_5、AST_7、AST_8、AST_10之發射場型。第4B圖為第二射頻訊號處理模組230操作時垂直方向之二維天線場型圖，曲線Rx3、Rx4表示天線串列AST_1~AST_4之接收場型，而曲線Tx2表示天線串列AST_6~AST_9之發射場型。

由第4A圖及第4B圖可知，射頻系統20可操作於水平極化及垂直極化。在此情形下，若將射頻系統20應用於車用雷達系統，由於射頻系統20可提供水平及垂直方向之三維掃描功能，將有助於分辨來自水平或垂直方向的反射，可避免因高於水平面物體的反射所造成的錯誤警報，進而提升系統效能及系統可靠度。除此之外，第二射頻訊號處理模組230所新增的一發二收操作除了可用來進行垂直方向的掃描外，在其它實施例中，亦可用來傳輸資料，例如實現車對車通訊、車對系統通訊等，且不限於此。

需注意的是，射頻系統20係由射頻系統10所衍生，並採用了中華民國專利申請號102102470所揭露之功率分配器。然而，此僅為一實施例，本領域具通常知識者當可根據系統所需做不同之修飾，而不限於此。舉例來說，在中華民國專利申請號102102470中，同一子陣列天線所使用之輻射件具有不同大小，此概念或其衍生變化亦可用於本發明。另一方面，適用於本發明之功率分配器亦不限於中華民國專利申請號102102470所揭露之功率分配器，例如本發明申請人另於中華民國專利申請號102126517揭露一種功率分配器及射頻裝置，其亦可適當調整後適用於本發明，而不限於此。

本發明係透過共用天線串列的方式，以在不大幅增加電路面積下，額外增加訊號收發的路徑，因而可節省所需設置空間。此外，由於本發明之導線(CN_1~CN_n)與天線串列(AST_1~AST_n)係設置於基板(100)之兩面，可因此降低導線與天線串列間之干擾，進一步提升兩種操作模式下之效能。

在習知技術中，要增加車用雷達系統的偵測功能需額外增加一組陣列天線，因而大幅增加設置面積。相較之下，本發明係在天線串列的不同面增加導線，再利用連接件連結天線串列，以共用天線串列的方式，在不大幅增加設置面積下，額外增加收發功能。而此新增的收發操作除可提供不同方向之掃描功能外，亦可用來傳輸資料。

綜上所述，本發明利用共用天線串列，可在不大幅增加設置面積下增加不同方向之掃描功能，藉以避免因高於水平面物體的反射所造成的錯誤警報，進而提升系統效能及系統可靠度，或者可利用新增的收發功能，實現如車對車通訊、車對系統通訊等資料傳輸功能，以增加車用雷達系統之功能。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10‧‧‧射頻系統