TWI547015B - 二維天線陣列、一維天線陣列及其單差動饋入天線 - Google Patents

二維天線陣列、一維天線陣列及其單差動饋入天線 Download PDF

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Description

二維天線陣列、一維天線陣列及其單差動饋入天線
本發明係關於一種天線陣列，尤指一種具高隔離度及二維窄波柱之天線陣列。
一般雷達收發機具有一接收端與一發射端，作為收發無線訊號用。當該發射端提高發射訊號的強度，雖可使訊號傳送至更遠處，但卻使得該接收端受該發射端該強大訊號耦合影響，使該接收端的整體中頻訊號飽和，而將遠端目標的偵測訊號沉沒入在雜訊中，或中頻近端訊號過大(即時域響應的直流位準DC Offset過大)使得後端數位訊號處裡單元處理微弱的遠端目標的偵測訊號會有量化誤差(quantization distortion)的現象發生；因此，為降低該雷達收發機的該接收端及該發射端之間的耦合影響，可分別在其天線端或其收發機電路上進行隔離度的加強。
目前提高該天線端的隔離度作法有二：其一為用於既有一種調頻連續波雷達系統的一單天線配合一迴旋器的結構，其二是使用一收發雙天線的結構。其中使用該單天線配合該迴旋器的結構可獲得的最大隔離度僅-35dB，而且該迴旋器與該單天線間之間亦有無法設置放大器的限制；此外，若該迴旋器與該單天線之間的阻抗不匹配，則該單天線的輸出及輸入反射係數(S11)偏高，使得該無線訊號會洩漏(Leakage)；因此，使用該單天線配合該迴旋器的 結構的隔離度非最佳，而且設計上仍有不少限制。至於該收發雙天線50的結構可如圖9所示，其包含有一發射天線51及一接收天線52，該發射天線51及該接收天線52分別由四個並排的單端饋入天線單元511、521構成4*1一維天線陣列。如欲提高該發射天線51及該接收天線52之間的隔離度，最直接方式即是拉開兩者之間的距離Dm，而且距離愈遠隔離度愈好，但也相對增加設置該收發雙天線50的結構的空間。以下尚有該收發雙天線的結構的其它隔離作法。
1.枝幹耦合器(branch line coupler)：使該收發雙天線之耦合度與反射係數互換來達成高隔離度的效果，再利用一組匹配網路即可達成高隔離度之天線設計。
2.在該收發雙天線之間增加一電感性元件，即增加金屬片或寄生元件，並在接地面上設計一槽孔或延伸為T形接地結構，使其達到提高隔離度之效果。然而，該槽孔或T形接地結構，必須在該收發雙天線之介質基板背面之接地面挖孔，或將該介質基板形成導電貫孔，將其正面之天線信號端金屬帶電性連接至該背面的接地面。因此，如此作法的製程複雜，量產的成品一致性也較難掌控。
3.在該收發雙天線共用的接地面加上槽孔，可以利用其頻帶阻絕的特性抑制電流，提升兩支天線間的隔離度。惟形成該槽孔與上述第2種作法有同樣的技術缺陷。
4.雙極化介質共振器天線：將利用兩正交極化之天線，並將槽孔以T形之配置的配合結構，使得兩天線激發模式之耦合減少，據以提高隔離度等，惟極化控制精準度不易，隔離度不易控制。同理，欲形成該槽孔仍有上述第2種作法的技術缺陷。
5.洩漏雙天線系統：如台灣公告第I385857號「洩漏波雙天線系統」發明專利，如圖10所示，該洩漏雙天線系統60係包含有一發射天線61及一 接收天線62。各該發射天線61及該接收天線62係由一維差動洩漏波天線陣列構成，為符合差動需求，各差動洩漏波天線611、621之兩端饋入點612a/612b、622a/622b的訊號相位差為180度，且各差動洩漏波天線長度(L)至少為三倍波長(L>3λ g )，才能被激發至高階模以維持高增益運作運作；如此，當該發射天線61及該接收天線62平行放置時的隔離度，在目標頻率範圍內可達到-45dB以上，確實較單一天線與迴旋器的結構的隔離度來得高。然而，由於此發明專利使用差動洩漏波天線的長度至少為三倍波長以上，過長的長度不利於二維天線陣列的設計，因而只揭示一維差動洩漏波天線陣列611、621的架構。惟一維差動洩漏波天線陣列的天線場型僅能在方位角(Azimuth)方向將波束集中縮小，無法在仰角(Elevation)方向將波束集中縮小，而且操作於高階模的差動洩漏波天線，其天線寬邊之垂向(Broadside)輻射的角度已偏離90度位置，亦限制該洩漏雙天線的應用範圍。
有鑑於上述各種收發雙天線的結構之技術缺陷，本發明主要目的係提供一種具高隔離度及二維窄波柱之二維天線陣列、一維天線陣列及其單差動饋入天線。
欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該二維天線陣列包含有一介質基板，以及於該介質基板的其中一表面上形成有n行及m列的多天線單元、n個功率分配電路及一總饋入點；其中各該多天線單元係包含有：複數並排的非高階模差動饋入天線，各非高階模差動饋入天線係包含有一差動饋入結構及一微帶線天線本體；其中該差動饋入結構之一端為饋電端，另一端連接一差動電路，該差動電路的反相端及非反相端係分別連接至該微帶線天線本體的雙饋入端；該微帶線天線本體的長度不大於介質波長；及 一功率分配器，係連接至該複數差動饋入結構的饋電端，且該功率分配器的饋入點係連接至對應行上的功率分配電路；其中該n個功率分配電路的饋入點係共同連接至該總饋入點。
上述本發明的二維天線陣列包含有複數並排的非高階模差動饋入天線，可降低其間的訊號耦合量，具有高隔離度；又各該微帶線天線本體的長度不大於介質波長，可在尺寸有限之介質基板表面上排列成二維陣列的結構，以提高整體增益，並使波束寬度在仰角方向更為集中；此外，由於該微帶線天線本體長度不大於介質波長，故不被激發於高階模下工作，可使該微帶線天線本體的主波柱傾斜角正對天線寬邊之垂向，而與天線平面垂直90度；如此，本發明的二維天線陣列即具有高隔離度及二維窄波柱的多重功效。
欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該一維天線陣列包含有一介質基板，以及於該介質基板的其中一表面上形成有並排成一行的m個多天線單元、一功率分配電路及一總饋入點；其中各該多天線單元係包含有：複數並排的非高階模差動饋入天線，各非高階模差動饋入天線係包含有一差動饋入結構及一微帶線天線本體；其中該差動饋入結構之一端為饋電端，另一端連接一差動電路，該差動電路的反相端及非反相端係分別連接至該微帶線天線本體的雙饋入端；該微帶線天線本體的長度不大於介質波長；及一功率分配器，係連接至該複數差動饋入結構的饋電端，且該功率分配器的饋入點係連接該功率分配電路，該功率分配電路的饋入點係共同連接至該總饋入點。
上述本發明的一維天線陣列包含有複數並排的非高階模差動饋入天線，可降低其間的訊號耦合量，具有高隔離度；又各該微帶線天線本體的長度不大於介質波長，相較一維差動洩漏波天線陣列尺寸更小，且其天線的波束寬度在仰角方向更為集中；此外，由於該微帶線天線本體長度不大於介質波 長，故不被激發於高階模下工作，可使該微帶線天線本體的主波柱傾斜角正對天線寬邊之垂向，而與天線平面垂直90度；如此，本發明的一維天線陣列即具有高隔離度及二維窄波柱的多重功效。
欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該二維天線陣列的單差動饋入天線係包含有：一差動饋入結構，一端為饋電端，另一端連接一差動電路，該差動電路包含有一反相端及一非反相端；及一微帶線天線本體，係包含有雙饋入端，分別連接至該差動電路的反相端及非反相端，且其長度不大於介質波長。
上述本發明的單差動饋入天線之該微帶線天線本體的長度不大於介質波長，可使波束寬度在仰角方向更為集中；此外，由於該微帶線天線本體長度不大於介質波長，故不被激發於高階模下工作，可使其主波柱傾斜角正對天線寬邊之垂向方向，並與天線平面垂直90度。
10‧‧‧介面基板
101、102‧‧‧表面
11‧‧‧接地面
20‧‧‧多天線單元
21‧‧‧非高階模差動饋入天線
211‧‧‧差動饋入結構
212‧‧‧微帶線天線本體
213a、213b‧‧‧饋入端
214‧‧‧饋電端
22‧‧‧功率分配器
221‧‧‧饋入電路
222a、222b‧‧‧阻抗匹配電路
30‧‧‧功率分配電路
40‧‧‧總饋入點
50‧‧‧收發雙天線
51‧‧‧發射天線
511‧‧‧單端饋入天線單元
52‧‧‧接收天線
521‧‧‧單端饋入天線單元
60‧‧‧洩漏雙天線系統
61‧‧‧發射天線
611‧‧‧差動洩漏波天線
612a、612b‧‧‧饋入點
62‧‧‧接收天線
621‧‧‧差動洩漏波天線
622a、622b‧‧‧饋入點
圖1：本發明一維天線陣列的立體圖。
圖2：圖1上視平面圖。
圖3：本發明一非高階模差動饋入天線的圖案平面圖。
圖4A：圖1連接一同軸電纜的平面圖。
圖4B：圖4A於9.9GHz量測頻率下量測反射係數(S11)圖。
圖5A：圖1分別用於收發雙天線的發射天線及接收天線，以不同擺放距離Dm並列平放設置平面圖。
圖5B：圖1分別用於收發雙天線的發射天線及接收天線，以不同擺放距離Dm相對平放設置平面圖。
圖6A至圖6E：圖1於頻率為9.7GHz、9.8GHz、9.9GHz、10GHz、10.1GHz下量測而得的E平面增益場型圖。
圖7A至圖7E：圖1於頻率為9.7GHz、9.8GHz、9.9GHz、10GHz、10.1GHz下量測而得的H平面增益場型圖。
圖8：本發明二維天線陣列的平面圖。
圖9：一種既有收發雙天線的發射天線及接收天線的平面圖。
圖10：台灣公告第1385857號「洩漏波雙天線系統」發明專利的洩漏雙天線系統的平面圖。
本發明係提出一種具高隔離度及二維窄波柱之二維天線陣列、一維天線陣列及其單差動饋入天線，以下以數個實施例加以說明之。
首先請參閱圖1及圖2所示，本發明第一較佳實施例揭示一個1*2一維天線陣列，其包含有一介質基板10、並排呈一行的m個多天線單元20、一功率分配電路30、一總饋入點40及一接地層11。
上述介質基板10具有兩相對表面101、102，該n*m個多天線單元20、該n個功率分配電路30及該總饋入點40係形成於該介質基板10的其中一表面101，而該接地面11係形成於該介質基板10的另一表面102。
上述各個多天線單元20係包含有k個非高階模差動饋入天線21及一功率分配器22；於第一較佳實施例中，k=2，故各該多天線單元20係包含二個並排的非高階模差動饋入天線21，並由一分二功率分配器22連接該二個非高 階模差動饋入天線21的饋電端214，該一分二功率分配器22包含有一饋入電路221及二段長度為四分之一介質波長的二阻抗匹配電路222a、222b。
再請配合參閱圖3所示，各該非高階模差動饋入天線21係包含有一差動饋入結構211及一微帶線天線本體212。該差動饋入結構211之一端為該饋電端214，另一端連接一差動電路215，該差動電路215的反相端(-)及非反相端(+)係分別連接至該微帶線天線本體212的雙饋入端213a、213b，故該雙饋入端213a、213b的訊號相位差為180度；該微帶線天線本體212的長度L不大於介質波長λ g (L λ g )，由於該相對介質的介質波長係由工作頻段決定之，該介質波長可由後列運算式計算而得，該運算式為：，其中λ 0為電磁波於真空中的波長，而ε g 為該相對介質的介電常數。此外，各該微帶線天線本體212的雙饋入端(-)、(+)之間隔d1約為相對介質之半介質波長(d1 λ g /2)，又該微帶線天線本體212的寬度w約為相對介質之半介質波長(w=λ g /2)。又各二相鄰微帶線天線本體212之間的間隔d2約為相對介質之半介質波長(d2=λ g /2)。
此外，為進一步提高各該非高階模差動饋入天線21的增益，設計其微帶線天線本體212的雙饋入端213a、213b分別為100歐姆，而其差動饋入結構211的饋電端214為50歐姆、各該差動電路215的反相端(-)及非反相端(+)分別為100歐姆，至於該功率分配器22的饋入電路221的負載阻抗為50歐姆，各該阻抗匹配電路222a、222b的負載阻抗為70.7歐姆。如此，能大幅改善目標頻段的反射係數(S11)，誠如圖4A所示，為圖1所示的一維天線陣單元的總饋入點40連接一同軸電纜70，並於9.9GHz量測頻率進行量測，如圖4B所示，獲得9.9GHz量測頻率的反射係數(S11)為-21.83dB，反射係數確實獲得改善，也因此提高各該非高階模差動饋入天線21的增益。
本發明的各該非高階模差動饋入天線21使用差動饋入結構211，可以將微波天線與電路之偶模(Even Mode)的耦合效應減低，因此相較於一般使 用單端饋入天線單元的一維天線陣列具有更高的隔離性，且不須鑽孔及精準製程的額外需求。此外，本發明的一維天線陣列並列m個的非高階模差動饋入天線21，相鄰的非高階模差動饋入天線21之間的耦合度亦減低，隔離度相對提高；誠如圖5A所示，當使用本發明一維天線陣列的發射天線TX或接收天線RX以不同擺放距離Dm並列平放設置，在9.9GHz量測頻率下測得隔離度如下表一所示。
再如圖5B所示，當使用本發明一維天線陣列的發射天線或接收天線以不同擺放距離Dm相對平放設置，在9.9GHz量測頻率下測得隔離度如下表二所示，，由此二表可知，本發明的隔離度相較一維的4*1單端饋入天線單元在相同擺放距離獲得的隔離度，多出-10dB，隔離效果確實較佳。
再者，由於非高階模差動饋入天線的數量控制了E平面輻射的波束寬度，故該雙天線單元之波束寬度可於方位角方向集中，提高方位角方向的指向性，如圖6A至6E所示，在頻率為9.7GHz、9.8GHz、9.9GHz、10GHz、10.1GHz下量測而得的E平面增益場型圖，該些頻率的增益最佳。又由於微帶線天線本體212長度規定了H平面輻射的波束寬度，故該非高階模差動饋入天線21之波束寬度可於仰角方向集中、縮小，如圖7A至圖7E所示，在頻率為9.7GHz、9.8GHz、9.9GHz、10GHz、10.1GHz下量測而得的H平面增益場型 圖，該些頻率的增益最佳。此外，由於本發明各該非高階模差動饋入天線21之微帶線天線本體212長度應不大於介質波長，故各該非高階模差動饋入天線21不被激發至高階模，其主波柱傾斜角正對天線寬邊之垂向(Broadside)方向，而與天線平面垂直90度。
正因為本發明各該非高階模差動饋入天線之微帶線天線本體長度應不大於介質波長，故相較長度為三倍介質波長的洩漏雙天線，可在有限的空間組成二維天線陣列。請進一步參閱圖8所示，本發明第二較佳實施例係揭示一2*2的二維天線陣列，其包含有一介質基板10、呈n行及m列排的多天線單元20、n個功率分配電路30、一總饋入點40及一接地層11。於第二較佳實施例中，n=2且m=2，即包含有四個多天線單元20。
上述多天線單元20、n個功率分配電路30及總饋入點40同樣形成於該介質基板10的其中一表面，而接地面(圖中未示)則形成於另一相對表面。該n個天功率分配電路的饋入點係共同連接至該總饋入點40。至於各多天線單元20則與圖2所示的多天線單元20，在此不多贅述，惟各多天線單元20的饋入點係連接至對應行的功率分配電路30。
綜上所述，本發明具有以下所列優點：
1.相較其他高隔離度之雙天線架構，本專利具有最簡易的PCB電路板製成達到雙天線的最佳隔離度，具有穩定度及易製性的特色。
2.相較於既有使用單端饋入天線單元的4x1的一維天線陣列，在其同一間距時之隔離度平均大於10dB左右，明顯有較佳的隔離效果。
3.與特性相近的洩漏波天線比較，本發明一維及二維天線陣列在仰角(Elevation)方向或在H平面(H-Plane)上的主波柱(Main beam)正對天線寬邊之垂向(Broadside)方向，即與天線平面垂直90度。
4.與特性相近的洩漏波天線比較，本發明可在有限尺寸的介質基板上成形二維陣列天線(如2x2、4x4等二維陣列天線)，並可改善洩漏波天線在仰角(Elevation)方向寬角度的問題，兼具高隔離度及二維窄波柱的效益與優點。
以上所述僅是本發明的實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以實施例揭露如上，然而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，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
10 介面基板                                    101、102 表面 11 接地面                                        20 多天線單元 30 功率分配電路                             40 總饋入點

Claims (13)

  1. 一種二維天線陣列，係包含有一介質基板，以及於該介質基板的其中一表面上形成有n行及m列的多天線單元、n個功率分配電路及一總饋入點；其中各該多天線單元係包含有： 複數並排的非高階模差動饋入天線，各非高階模差動饋入天線係包含有一差動饋入結構及一微帶線天線本體；其中該差動饋入結構之一端為饋電端，另一端連接一差動電路，該差動電路的反相端及非反相端係分別連接至該微帶線天線本體的雙饋入端；該微帶線天線本體的長度不大於介質波長；及 一功率分配器，係連接至該複數差動饋入結構的饋電端，且該功率分配器的饋入點係連接至對應行上的功率分配電路；其中該n個功率分配電路的饋入點係共同連接至該總饋入點。
  2. 如請求項1所述之二維天線陣列，各該微帶線天線本體的寬度實質為相對介質的半介質波長，且各該微帶線天線本體的雙饋入端之間隔實質為相對介質的半介質波長。
  3. 如請求項1或2所述之二維天線陣列，各二相鄰微帶線天線本體之間的間隔實質為半介質波長。
  4. 如請求項3所述之二維天線陣列，其中： 該微帶線天線本體的雙饋入端分別為為100歐姆； 該差動饋入結構的饋電端為50歐姆，且其差動電路的反相端及非反相端分別為100歐姆；及 該功率分配器為一分二功率分配器，包含有一饋入電路及二段長度為四分之一介質波長的二阻抗匹配電路；其中該饋入電路的負載阻抗為50歐姆，各該阻抗匹配電路的負載阻抗為70.7歐姆。
  5. 如請求項4所述之二維天線陣列，各該微帶線天線本體的長度由工作頻段決定之，其中該相對介質的介質波長由以下運算式決定之： ，其中： ：為電磁波於真空中的波長； 為該相對介質的介電常數。
  6. 一種一維天線陣列，係包含有一介質基板，以及於該介質基板的其中一表面上形成有並排成一行的m個多天線單元、一功率分配電路及一總饋入點；其中各該多天線單元係包含有： 複數並排的非高階模差動饋入天線，各非高階模差動饋入天線係包含有一差動饋入結構及一微帶線天線本體；其中該差動饋入結構之一端為饋電端，另一端連接一差動電路，該差動電路的反相端及非反相端係分別連接至該微帶線天線本體的雙饋入端；該微帶線天線本體的長度不大於介質波長；及 一功率分配器，係連接至該複數差動饋入結構的饋電端，且該功率分配器的饋入點係連接該功率分配電路，該功率分配電路的饋入點係共同連接至該總饋入點。
  7. 如請求項6所述之一維天線陣列，各該微帶線天線本體的寬度實質為相對介質的半介質波長，且各該微帶線天線本體的雙饋入端之間隔實質為相對介質的半介質波長。
  8. 如請求項6或7所述之一維天線陣列，各二相鄰微帶線天線本體之間的間隔實質為半介質波長。
  9. 如請求項8所述之一維天線陣列，其中： 該微帶線天線本體的雙饋入端分別為為100歐姆； 該差動饋入結構的饋電端為50歐姆，且其差動電路的反相端及非反相端分別為100歐姆；及 該功率分配器為一分二功率分配器，包含有一饋入電路及二段長度為四分之一介質波長的二阻抗匹配電路；其中該饋入電路的負載阻抗為50歐姆，各該阻抗匹配電路的負載阻抗為70.7歐姆。
  10. 如請求項9所述之一維天線陣列，各該微帶線天線本體的長度由工作頻段決定之，其中該相對介質的介質波長由以下運算式決定之： ，其中： ：為電磁波於真空中的波長； 為該相對介質的介電常數。
  11. 一種單一差動饋入天線，係包含有： 一差動饋入結構，一端為饋電端，另一端連接一差動電路，該差動電路包含有一反相端及一非反相端；及 一微帶線天線本體，係包含有雙饋入端，分別連接至該差動電路的反相端及非反相端，且其長度不大於介質波長。
  12. 如請求項11所述之單一差動饋入天線，各該微帶線天線本體的寬度實質為相對介質的半介質波長，且各該微帶線天線本體的雙饋入端之間隔實質為相對介質的半介質波長。
  13. 如請求項11或12所述之單一差動饋入天線，各該微帶線天線本體的長度由工作頻段決定之，其中該相對介質的介質波長由以下運算式決定之： ，其中： ：為電磁波於真空中的波長； 為該相對介質的介電常數。
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