TWI539679B - 微帶天線結構及應用其之微波成像系統 - Google Patents

Description

微帶天線結構及應用其之微波成像系統

本發明是有關於一種微帶天線結構及應用其之微波成像系統，且特別是有關於一種可在高頻操作環境下提升效能的微帶天線結構及應用其之微波成像系統。

微帶天線(microstrip antenna)具有成品輕薄和製作容易等優點，故已廣泛應用在例如行動電話或導航機等以輕薄化為訴求的無線通訊設備上。就微帶天線而言，其產生的輻射場型、增益和極性主要取決於微帶天線的架構和形狀。然而，習知微帶天線容易受到基板之導體損失與介電損失影響，使得在高頻的操作環境下，可能面臨反射損失過高等問題，導致降低無線通訊設備的效能。

另一方面，在醫學應用的微波成像系統中，可透過微波耦合天線所收發之無線微波訊號來檢測人體內部器官之健康狀況。透過應用在微波成像系統的微波影像還原技術，可實現非侵入式健康診斷功能。病變細胞或組織的檢測準確度與掃描影像的解析度和品質有關。然而，因微波成像系統通常操作於高頻環境下，若將習知微帶天線應用在微波成像系統中，可能會因為習知微帶天線在高頻的反射損失 過高而造成掃描影像的解析度和品質下降，導致降低其檢測準確度。

本發明的目的是在於提供一種微帶天線結構，藉由採用短耦合間距架構在其環狀微帶線上，可在高於5GHz之高頻操作環境下激發耦合效應(coupling effect)並增加環狀微帶線的電子長度，且提升環狀微帶線所耦合之電磁能量，藉以產生多次共振之特性並形成較低的反射損失(return loss)。本發明亦提供一種應用上述微帶天線結構的微波成像系統，其可有效提升待側物體成像之解析度和成像品質。

根據本發明之上述目的，提出一種微帶天線結構，包含基板、環狀微帶線和訊號傳輸埠。基板具有相對的第一表面和第二表面。環狀微帶線設置於基板的第一表面上。環狀微帶線具有介於0.004λ_g與0.06λ_g之間的短耦合間距，用以形成高選擇性的輻射頻帶，其中λ_g為電磁波在環狀微帶線中對應輻射頻帶之中心頻率的波導波長(guided wavelength)。訊號傳輸埠設置於基板的第二表面上。訊號傳輸埠貫穿基板且電性連接至環狀微帶線。

依據本發明之一實施例，上述環狀微帶線具有介於0.01λ_g與0.13λ_g之間的寬度。

依據本發明之又一實施例，上述環狀微帶線為矩形環狀同軸線、矩形環狀共面波導線、矩形環狀槽線或矩形環狀帶線。

依據本發明之又一實施例，上述環狀微帶線包含選自鈦、鈷、鎢、鉿、鉭、鉬、鉻、銀、銅、鋁所組成的族群中的至少一者。

依據本發明之又一實施例，上述基板為FR4基板、RT/Duroid系列基板、氧化鋁基板、RO系列基板、高溫共燒陶瓷基板、低溫共燒陶瓷基板、透明導體基板或半導體基板。其中，RO系列基板包含選自氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶與氧化鋇所組成的族群中的至少一者。

根據本發明之上述目的，另提出一種微帶天線結構，包含基板、多個環狀微帶線和多個訊號傳輸埠。基板具有相對的第一表面和第二表面。此些環狀微帶線設置於基板的第一表面上。每一環狀微帶線具有介於0.004λ_g與0.06λ_g之間的短耦合間距，用以形成高選擇性的輻射頻帶，其中λ_g為電磁波在環狀微帶線中對應輻射頻帶之中心頻率的波導波長。此些訊號傳輸埠設置於基板的第二表面上。此些訊號傳輸埠貫穿基板，且此些訊號傳輸埠分別電性連接至此些環狀微帶線。

依據本發明之一實施例，此些環狀微帶線的每相鄰二個環狀微帶線間具有介於0.3λ_g與0.5λ_g之間的間隔。

依據本發明之又一實施例，此些環狀微帶線的每一環狀微帶線具有介於0.01λ_g與0.13λ_g之間的寬度。

依據本發明之又一實施例，此些環狀微帶線的每一環狀微帶線為矩形環狀同軸線、矩形環狀共面波導線、矩形環狀槽線或矩形環狀帶線。

根據本發明之上述目的，提出一種微波成像系統，包含微波掃描單元、微波訊號處理單元和控制與記錄單元。微波掃描單元包含發射器和接收器，其中發射器係用以產生均勻電場，並發射無線微波訊號至待測物體，且接收器用以接收穿透待測物體的無線微波訊號。接收器包含上述任何一種微帶天線結構。微波訊號處理單元電性連接至微波掃描單元。微波訊號處理單元用以自接收器輸入無線微波訊號，並對無線微波訊號進行介電參數分析和影像還原解析。控制與記錄單元電性連接至微波掃描單元和微波訊號處理單元。控制與記錄單元用以控制微波掃描單元且記錄由微波訊號處理單元所處理的無線微波訊號，並對微波訊號處理單元提供數據資料讀寫功能。

100‧‧‧微帶天線結構

110‧‧‧基板

111‧‧‧第一表面

112‧‧‧第二表面

120‧‧‧環狀微帶線

120A‧‧‧矩形空間

130‧‧‧訊號傳輸埠

140‧‧‧接地導體

140A‧‧‧空間

200‧‧‧微帶天線結構

210‧‧‧基板

211‧‧‧第一表面

212‧‧‧第二表面

220‧‧‧環狀微帶線

220A‧‧‧矩形空間

230‧‧‧訊號傳輸埠

240‧‧‧接地導體

240A‧‧‧空間

300‧‧‧微波成像系統

310‧‧‧微波掃描單元

312‧‧‧發射器

314‧‧‧接收器

320‧‧‧微波訊號處理單元

330‧‧‧控制與記錄單元

B‧‧‧待側物體

D‧‧‧間隔

G‧‧‧短耦合間距

W‧‧‧寬度

為了更完整了解實施例及其優點，現參照結合所附圖式所做之下列描述，其中：〔圖1〕係繪示本發明實施例之微帶天線結構的剖面示意圖；〔圖2A〕係繪示〔圖1〕之微帶天線結構的上視圖；〔圖2B〕係繪示〔圖1〕之微帶天線結構的下視圖；〔圖3A〕至〔圖3D〕係繪示對應〔圖2A〕之各種短耦合間距之電磁強度分佈的示意圖；〔圖4〕係繪示〔圖1〕之環狀微帶線之電子長度與短耦合間距之關係的示意圖； 〔圖5〕係繪示〔圖1〕之微帶天線結構之頻率與反射損失之關係的示意圖；〔圖6A〕係繪示本發明實施例之微帶天線結構的上視圖；〔圖6B〕係繪示本發明實施例之微帶天線結構的下視圖；以及〔圖7〕係繪示本發明實施例微波成像系統的方塊示意圖。

請參照圖1，圖1係繪示本發明實施例微帶天線結構100的剖面示意圖。微帶天線結構100為單饋入之天線結構，其包含基板110、環狀微帶線120、訊號傳輸埠130和接地導體140。基板110可以是FR4基板、RT/Duroid系列基板、氧化鋁基板、RO系列基板、高溫共燒陶瓷基板、低溫共燒陶瓷基板、透明導體基板、半導體基板或其他類似基板，其中RO系列基板可包含氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶與氧化鋇等材料或其組合。基板110具有相對的第一表面111和第二表面112，其中環狀微帶線120設置在基板110的第一表面111上，而訊號傳輸埠130設置在基板110的第二表面112上。

環狀微帶線120在第一表面111上形成高選擇性的輻射頻帶。在本實施例中，環狀微帶線120為矩形，且為環狀同軸線、環狀共面波導線、環狀槽線或環狀帶線。此外，環狀微帶線120可包含鈦(Titanimu；Ti)、鈷(Cobaltum；Co)、鎢(Wolfram；W)、鉿(Hafnium；Hf)、鉭(Tantalum；Ta)、鉬(Molybdanium；Mo)、 鉻(Chromium；Cr)、銀(Agtentum；Ag)、銅(Cuprum；Cu)、鋁(Aluminium；Al)等金屬，或是包含上述金屬的合金，但不限於此。

請參照圖2A，圖2A係繪示微帶天線結構100的上視圖。在圖2A中，環狀微帶線120定義出矩形空間120A。此矩形空間120A可藉由進行微影和蝕刻製程而形成。在一些實施例中，矩形空間120A的短耦合間距G介於0.004λ_g與0.06λ_g之間(λ_g為由環狀微帶線120所產生的輻射頻帶之中心頻率的波導波長)，其係用以激發耦合效應(coupling effect)。此外，在一些實施例中，環狀微帶線120的寬度W介於0.01λ_g與0.13λ_g之間。

訊號傳輸埠130貫穿基板110且進而電性連接至環狀微帶線120，其用以傳導環狀微帶線120所接收的訊號。在一些實施例中，訊號傳輸埠130可包含SMA接頭，以藉由外接纜線而將訊號自環狀微帶線120傳輸至他處。訊號傳輸埠130可包含鈦、鈷、鎢、鉿、鉭、鉬、鉻、銀、銅、鋁等金屬，或是包含上述金屬的合金，但不限於此。在一些實施例中，訊號傳輸埠130所包含的材料與環狀微帶線120相同。

接地導體140設置在基板110的第二表面112上。接地導體140可包含鈦、鈷、鎢、鉿、鉭、鉬、鉻、銀、銅、鋁等金屬，或是包含上述金屬的合金，但不限於此。在一些實施例中，接地導體140所包含的材料與環狀微帶線120和/或訊號傳輸埠130相同。

請參照圖2B，圖2B係繪示微帶天線結構100的下視圖。在圖2B中，接地導體140定義出空間140A，且訊號傳輸埠130設置在空間140A中。在微帶天線結構100的平面方向上，訊號傳輸埠130與接地導體140之間具有一預定間距，使得訊號傳輸埠130與接地導體140為電性絕緣。

應注意的是，訊號傳輸埠130可基於不同的設計需求而設置在對應環狀微帶線120的任何一邊，不限於在圖2A中所繪示之處。

圖3A至圖3D係繪示微帶天線結構100操作在中心頻率為9.2GHz下，其短耦合間距G分別為0.131λ_g、0.091λ_g、0.052λ_g和0.012λ_g之電磁強度分佈的示意圖。在圖3A至圖3D中，顏色相對較深之處代表電磁強度相對較強，反之則代表代表電磁強度相對較弱，且顏色最深之處代表電磁強度為120A/m。比較圖3A至圖3D可知，短耦合間距G為0.012λ_g之環狀微帶線120的波導波長λ_g較短，使得環狀微帶線120之電子長度對應增加。此外，短耦合間距G為0.012λ_g之環狀微帶線120所產生電磁強度亦為最大。由上述可知，透過縮小環狀微帶線120的短耦合間距G，可增加環狀微帶線120的電子長度，同時可提升環狀微帶線120的共振能量，進而產生多次共振的特性且降低微帶天線結構100的反射損失。

圖4係繪示環狀微帶線120中之電子長度與短耦合間距G之關係的示意圖。由圖4可知，當短耦合間距G縮小時，環狀微帶線120的電子長度對應增加，其符合圖3A 至圖3D所繪示之模擬結果。因此，在微帶天線結構100的設計上，可依據所欲之電子長度來決定短耦合間距G的大小。

圖5係繪示微帶天線結構100之頻率與反射損失之關係的示意圖，其中微帶天線結構100所採用之基板110係FR4基板，此FR4基板的介電常數(dielectric constant)為4.4F/m、厚度為1.6毫米以及損失正切(loss tangent)為0.025，環狀微帶線120的尺寸為0.16λ_g×1.51λ_g，且其所形成的輻射頻帶之中心頻率為9.2GHz。由圖5可知，在頻率約為9.2GHz時，微帶天線結構100的反射損失可降低至接近-25dB。

由上述可知，當本發明之微帶天線結構100操作在頻率高於5GHz的高頻環境下，可得到相當低的反射損失，進而提高其訊雜比(signal-to-noise ratio；SNR)的表現，故適合應用在須操作於高頻環境下的無線通訊設備中。另一方面，本發明之微帶天線結構100具有架構體積微小的優點，故可降低其製作成本和簡化其製作流程，且可降低其整合至無線通訊設備上的難度。

請同時參照圖6A和圖6B，圖6A和圖6B係分別繪示本發明實施例之微帶天線結構200的上視圖和下視圖。微帶天線結構200包含基板210、多個環狀微帶線220、多個訊號傳輸埠230和多個接地導體240。基板210可以是FR4基板、RT/Duroid系列基板、氧化鋁基板、RO系列基板、高溫共燒陶瓷基板、低溫共燒陶瓷基板、透明導體基板、半導體基板或其他類似基板，其中RO系列基板可包含氧化 鎂、氧化鈣、氧化鍶與氧化鋇等材料或其組合。基板210具有相對的第一表面211和第二表面212，其中環狀微帶線220設置在基板210的第一表面211上，而訊號傳輸埠230設置在基板210的第二表面212上，且每一訊號傳輸埠230貫穿基板210進而電性連接至對應的環狀微帶線220。微帶天線結構200具有多個天線單元(如圖6A和圖6B中虛線標記的部分)，每一天線單元包含其中一個環狀微帶線220與其對應的訊號傳輸埠230和接地導體240。

環狀微帶線220在第一表面211上共同形成高選擇性的輻射頻帶。在本實施例中，每一環狀微帶線220為矩形，且環狀微帶線220可各自為環狀同軸線、環狀共面波導線、環狀槽線和環狀帶線的其中一種。每一環狀微帶線220定義出矩形空間220A。在一些實施例中，矩形空間220A的短耦合間距G介於0.004λ_g與0.06λ_g之間，其係用以激發耦合效應。此外，每一環狀微帶線220可包含鈦、鈷、鎢、鉿、鉭、鉬、鉻、銀、銅、鋁等金屬，或是包含上述金屬的合金，但不限於此。在微帶天線結構200中，相鄰兩個環狀微帶線220之間的間隔D介於0.3λ_g與0.5λ_g之間。較佳地，相鄰兩個環狀微帶線220之間的間隔D大約為0.45λ_g。在一些實施例中，每一環狀微帶線220的寬度W介於0.01λ_g與0.13λ_g之間。

每一訊號傳輸埠230貫穿基板210且進而電性連接至在同一天線單元中的環狀微帶線220，其用以傳導環狀微帶線220所接收的訊號。每一訊號傳輸埠230可包含 鈦、鈷、鎢、鉿、鉭、鉬、鉻、銀、銅、鋁等金屬，或是包含上述金屬的合金，但不限於此。在一些實施例中，訊號傳輸埠230所包含的材料與環狀微帶線220相同。

在每一天線單元中，接地導體240定義出空間240A，且訊號傳輸埠230設置在空間240A中。在微帶天線結構200的平面方向上，訊號傳輸埠230與接地導體240之間具有一預定間距，使得訊號傳輸埠230與接地導體240為電性絕緣。

微帶天線結構200的特點在於，透過多個天線單元的設置，以及每一天線單元中之環狀微帶線220的設計，可增強電磁波訊號的接收強度和增加訊號接收的範圍，且微帶天線結構200操作在頻率高於5GHz的高頻環境下，可得到相當低的反射損失，進而提高其訊雜比的表現。

請參照圖7，圖7係繪示本發明實施例微波成像系統300的方塊示意圖。微波成像系統300可應用在微波影像系統上，例如用於檢測生物體的微波醫學影像系統。舉例而言，微波成像系統300可應用在大腦檢測或乳房檢測等，但不限於此。

在圖7中，微波成像系統300包含微波掃描單元310、微波訊號處理單元320和控制與記錄單元330。微波掃描單元310包含發射器312和接收器314。發射器312係用以產生均勻電場，並對待測物體B發射無線微波訊號，且接收器314用以接收穿透待測物體B後的無線微波訊號。在一些實施例中，發射器312所產生之均勻電場的平面尺寸大於 900平方公分。接收器314可包含微帶天線結構100或200，且如此一來，在微波成像系統300操作於高頻環境下(即，微波成像系統300的操作頻率高於5GHz)，可提升其訊雜比表現。

微波訊號處理單元320電性連接至微波掃描單元310，其用以自接收器314輸入無線微波訊號，並對無線微波訊號進行介電參數分析和影像還原解析，進而得到待側物體B的掃描影像。

控制與記錄單元330電性連接至微波掃描單元310和微波訊號處理單元320，其用以控制微波掃描單元且記錄由微波訊號處理單元所處理的無線微波訊號，並對微波訊號處理單元320提供數據資料讀寫功能。

本發明之微波成像系統300的特點在於，藉由應用上述之微帶天線結構100或200，可使微波成像系統300在操作頻率高於5GHz的環境下降低反射損失。因此，本發明之微波成像系統300可有效提升待側物體成像之解析度和成像品質，進而提升檢測準確度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧微帶天線結構

110‧‧‧基板

111‧‧‧第一表面

112‧‧‧第二表面

120‧‧‧環狀微帶線

130‧‧‧訊號傳輸埠

140‧‧‧接地導體

Claims (10)

1. 一種微帶天線結構，包含：一基板，具有相對之一第一表面和一第二表面；一環狀微帶線，設置於該基板之該第一表面上，該環狀微帶線具有介於0.004λ_g與0.06λ_g之間之一短耦合間距，用以形成高選擇性之一輻射頻帶，其中λ_g為一電磁波在該環狀微帶線中對應該輻射頻帶之一中心頻率之一波導波長(guided wavelength)；以及一訊號傳輸埠，設置於該基板之該第二表面上，該訊號傳輸埠貫穿該基板且電性連接至該環狀微帶線。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微帶天線結構，其中該環狀微帶線具有介於0.01λ_g與0.13λ_g之間之一寬度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之微帶天線結構，其中該環狀微帶線為一矩形環狀同軸線、一矩形環狀共面波導線、一矩形環狀槽線或一矩形環狀帶線。
4. 如申請專利範圍第1項所述之微帶天線結構，其中該環狀微帶線包含選自鈦、鈷、鎢、鉿、鉭、鉬、鉻、銀、銅、鋁所組成的族群中之至少一者。
5. 如申請專利範圍第1項所述之微帶天線結構，其中該基板為一FR4基板、一RT/Duroid系列基板、 一氧化鋁基板、一RO系列基板、一高溫共燒陶瓷基板、一低溫共燒陶瓷基板、一透明導體基板或一半導體基板；其中，該RO系列基板包含選自氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶與氧化鋇所組成的族群中之至少一者。
6. 一種微帶天線結構，包含：一基板，具有相對之一第一表面和一第二表面；複數個環狀微帶線，設置於該基板之該第一表面上，該些環狀微帶線之每一者具有介於0.004λ_g與0.06λ_g之間之一短耦合間距，用以形成高選擇性之一輻射頻帶，其中λ_g為一電磁波在該環狀微帶線中對應該輻射頻帶之一中心頻率之一波導波長；以及複數個訊號傳輸埠，設置於該基板之該第二表面上，該些訊號傳輸埠貫穿該基板，且該些訊號傳輸埠分別電性連接至該些環狀微帶線。
7. 如申請專利範圍第6項所述之微帶天線結構，其中該些環狀微帶線之每相鄰二者間具有介於0.3λ_g與0.5λ_g之間之一間隔。
8. 如申請專利範圍第6項所述之微帶天線結構，其中該些環狀微帶線之每一者具有介於0.01λ_g與0.13λ_g之間之一寬度。
9. 如申請專利範圍第6項所述之微帶天線結構，其中該些環狀微帶線之每一者為一矩形環狀同軸線、一矩形環狀共面波導線、一矩形環狀槽線或一矩形環狀帶線。
10. 一種微波成像系統，包含：一微波掃描單元，包含一發射器和一接收器，該發射器係用以產生一均勻電場，並發射一無線微波訊號至一待測物體，且該接收器用以接收穿透該待測物體之該無線微波訊號，其中該接收器包含如申請專利範圍第1至9項中任一項所述之微帶天線結構；一微波訊號處理單元，電性連接至該微波掃描單元，該微波訊號處理單元用以自該接收器輸入該無線微波訊號，並對該無線微波訊號進行一介電參數分析和一影像還原解析；以及一控制與記錄單元，電性連接至該微波掃描單元和該微波訊號處理單元，該控制與記錄單元用以控制該微波掃描單元且記錄由該微波訊號處理單元所處理之該無線微波訊號，並對該微波訊號處理單元提供一數據資料讀寫功能。