TWI583055B - 陣列天線與天線系統 - Google Patents

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TWI583055B
TWI583055B TW104142047A TW104142047A TWI583055B TW I583055 B TWI583055 B TW I583055B TW 104142047 A TW104142047 A TW 104142047A TW 104142047 A TW104142047 A TW 104142047A TW I583055 B TWI583055 B TW I583055B
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Description

陣列天線與天線系統
本發明係指一種陣列天線與天線系統，尤指一種在水平方向及垂直方向達到相同的偵測範圍的陣列天線與天線系統。
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。
習知技術已發展出包含有水平極化天線以及垂直極化天線之雙極化天線系統，以提供水平及垂直方向之三維掃描功能。然而，習知雙極化天線系統之水平極化天線及垂直極化天線無法達到相同的偵測範圍，使得系統效能降低。另外，雙極化天線系統之水平極化天線及垂直極化天線需個別設計，且在製程上需透過特殊的堆疊結構始能實現，其具有較高之設計複雜度及生產成本。
因此，如何在水平方向及垂直方向達到相同的偵測範圍，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在水平方向及垂直方向達到相同的偵測範圍的陣列天線與天線系統，以改善習知技術的缺點。
本發明揭露一種陣列天線，形成一主波束，該主波束朝向一波束方向，該陣列天線包含有複數個輻射體，具有複數個中心線，該複數個輻射體排列於一直線，該直線貫穿該複數個中心線；以及複數個蜿蜒件（Meander），該複數個蜿蜒件連接該複數個輻射體；其中，該陣列天線設置於一第一平面，該波束方向與一法線方向之間具有非零度之一偏移角度，該法線方向垂直於該第一平面。
本發明另揭露一種天線系統，設置於一第一平面，包含有至少一偏移陣列天線，形成至少一偏移主波束，該至少一偏移主波束朝向至少一偏移波束方向；以及至少一第一陣列天線，形成至少一第一主波束，該至少一第一主波束朝向至少一第一波束方向；其中，該至少一第一波束方向與該至少一偏移波束方向具有非零之角度差。
請參考第1A圖及第1B圖，第1A圖及第1B圖為本發明實施例一陣列天線10之俯視圖及等角視圖，為了方便說明，第1A圖及第1B圖標示有X、Y、Z軸之座標系統。陣列天線10包含有複數個輻射體PA及複數個蜿蜒件（Meander）MD，複數個蜿蜒件MD用來連接複數個輻射體PA，複數個輻射體PA排列於一直線LN，每一輻射體PA具有一中心線LS（即複數個輻射體PA具有複數個中心線LS），直線LN貫穿（或串連）複數個中心線LS，複數個蜿蜒件MD連接複數個輻射體PA，複數個蜿蜒件MD之兩端分別連接至輻射體PA之中心線LS。陣列天線10具有一相位中心PC，陣列天線10對稱於相位中心PC。輻射體PA之間具有一直線距離DS，蜿蜒件MD具有一長度L_MD，長度L_MD大於直線距離DS且長度L_MD與直線距離DS之間具有一長度差δ，長度差δ大於零。於一實施例中，長度差δ可相關於陣列天線10所傳輸之電磁波之波長λ，例如，長度差δ可為0.11倍的波長。複數個蜿蜒件MD可於複數個輻射體PA之間形成一相位差φ，相位差φ與蜿蜒件MD之長度L_MD成正比，即蜿蜒件MD之長度L_MD越長，相位差φ越大。具體來說，請參考第6圖，第6圖為陣列天線10之天線輻射場型圖，其中，虛線及粗黑線代表當陣列天線10之蜿蜒件MD之長度L_MD大於輻射體PA之間之直線距離DS（即長度差δ大於零）時的輻射場型，而細黑線代表當長度差δ等於零時的輻射場型，由第6圖可知，蜿蜒件MD之長度L_MD與直線距離DS之間之長度差δ可造成相位差φ，進而使陣列天線10所形成之主波束具有角度偏移。
具體來說，陣列天線10可設置於由X軸與Y軸所構成之一第一平面，第一平面具有一法線方向N，法線方向N垂直於第一平面（即平行於Z軸）。一般來說，陣列天線10可形成一主波束（Mainlobe）MLB，而主波束MLB朝向一波束方向D，波束方向D與法方向N之間具有非零度之一偏移角度θ。以第1B圖為例，當陣列天線10由一饋入點FD_b（即陣列天線10之一端）進行饋入時，陣列天線10可形成一主波束MLB_a，而主波束MLB_a朝向一波束方向D_a，波束方向D_a與法線方向N之間具有非零度之一偏移角度θ a；當陣列天線10由一饋入點FD_a（即陣列天線10之另一端）進行饋入時，陣列天線10可形成一主波束MLB_b，而主波束MLB_b朝向一波束方向D_b，波束方向D_b與法線方向N之間具有非零度之一偏移角度θ b。
簡言之，陣列天線10利用蜿蜒件MD，使輻射體PA之間形成相位差φ，如此一來，陣列天線10所形成之主波束MLB之波束方向D可偏移第一平面之法線方向N。陣列天線10可應用於一天線系統中。請參考第2圖及第3圖，第2圖為本發明實施例一天線系統20之俯視圖，第3圖為天線系統20之天線輻射場型圖，第2圖及第3圖亦標示有X、Y、Z軸之座標系統。天線系統20為一發二收之頻率調變連續波FMCW(Frequency-Modulated Continuous Wave)雷達天線系統，其設置於由X軸與Y軸所構成之一第一平面。天線系統20可應用於車用雷達系統，其可垂直設置於車輛保險桿或風扇柵罩內部，天線系統20包含一傳送陣列天線200、一陣列天線202以及一偏移陣列天線204，偏移陣列天線204可利用陣列天線10來實現，傳送陣列天線200用來傳送一訊號，陣列天線202及偏移陣列天線204用來接收反射訊號。具體來說，陣列天線202形成一主波束MLB_2，主波束MLB_2朝向一波束方向D_2，而偏移陣列天線204形成一偏移主波束MLB_4，偏移主波束MLB_4朝向一偏移波束方向D_4，波束方向D_2與偏移波束方向D_4具有非零之一角度差Θ。
詳細來說，傳送陣列天線200包含有複數個傳送輻射體PA0及複數個直線連接件CN，複數個傳送輻射體PA0排列於一直線LN0，傳送陣列天線200具有一傳送相位中心PC0，傳送陣列天線200對稱於傳送相位中心PC0；陣列天線202包含有複數個輻射體PA2，複數個輻射體PA2排列於一直線LN2，陣列天線202具有一相位中心PC2，陣列天線202對稱於相位中心PC2；偏移陣列天線204包含有複數個偏移輻射體PA4及複數個蜿蜒件MD，複數個偏移輻射體PA4排列於一偏移直線LN4，偏移陣列天線204具有一偏移相位中心PC4，偏移陣列天線204對稱於偏移相位中心PC4。直線LN0、LN2、 LN4相互平行，傳送相位中心PC0、相位中心PC2以及偏移相位中心PC4相互對齊於一相位中線PCL，相位中線PCL與直線LN0、LN2、LN4垂直。
需注意的是，陣列天線202中複數個輻射體PA2係利用複數個直線連接件CN相互串連成一序列，使得對應於主波束MLB_2之波束方向D_2平行於第一平面之法線方向N（即Z軸方向）；而偏移陣列天線204中複數個偏移輻射體PA4係利用複數個蜿蜒件MD相互串連成一序列，複數個蜿蜒件MD於輻射體PA之間形成相位差φ，使得對應偏移主波束MLB_4之偏移波束方向D_4與波束方向D_2之間具有非零之角度差Θ。
更進一步地，天線系統20另包含一處理單元206，處理單元206耦接於傳送陣列天線200、陣列天線202、偏移陣列天線204，即處理單元206透過複數個饋入點FD_1耦接至傳送陣列天線200、陣列天線202、偏移陣列天線204。於天線系統20，複數個饋入點FD_1皆位於天線系統20之一第一側S1，即傳送陣列天線200、陣列天線202、偏移陣列天線204皆由天線系統20之第一側S1饋入。處理單元206可操作於一比幅單脈衝模式（Amplitude-Comparison Mono-Pulse）或一比相單脈衝模式（Phase-Comparison Mono-Pulse）。於一實施例中，天線系統20設置於一XY平面，因陣列天線202與偏移陣列天線204於平行於一XZ平面之一第一方向DE上有不同角度的主波束MLB_2、MLB_4，天線系統20可透過傳送陣列天線200、陣列天線202、偏移陣列天線204操作於比幅單脈衝模式，以在XZ平面（第一方向DE）上進行目標物之偵測與角度辨識。同時，主波束MLB_2、MLB_4於平行於一YZ平面之一第二方向DA並沒有角度差，因此天線系統20可透過傳送陣列天線200、陣列天線202、偏移陣列天線204操作於比相單脈衝模式，於YZ平面（第二方向DA）上進行目標物之偵測與角度辨識。具體來說，當天線系統20垂直設置於一垂直面時，即XY平面為一垂直平面，YZ平面為一水平平面，第一方向DE即為一垂直方向（Elevation Direction），而第二方向DA即為一水平方向（Azimuth Direction），第一方向DE與第二方向DA垂直。
請參考第7圖，第7圖為天線系統20操作於比幅單脈衝模式時之一差和比（Delta-Sum Ratio，Δ/Σ）之示意圖，由第7圖可知，天線系統20可於XZ平面上進行目標物之偵測與角度辨識，且角度辨識範圍大約大正負10度。
除此之外，請參考第4圖，第4圖為本發明實施例一天線系統40之俯視圖，第4圖亦標示有X、Y、Z軸之座標系統。天線系統40與天線系統20相似，故相同元件沿用相同符號。與天線系統20不同的是，天線系統40另包含一陣列天線402，陣列天線402用來接收反射訊號，即天線系統40為一發三收的天線系統，陣列天線402具有與陣列天線202相同的結構，即陣列天線202、402所形成主波束朝向與Z軸平行的波束方向。天線系統40可透過傳送陣列天線200與陣列天線202、402操作於比相單脈衝模式，同時，天線系統40可透過傳送陣列天線200與陣列天線202及偏移陣列天線204（或透過傳送陣列天線200與陣列天線402及偏移陣列天線204）操作於比幅單脈衝模式。同樣地，當天線系統40設置於垂直平面時，天線系統40可利用比相單脈衝模式在平行於YZ平面之第二方向DA上進行目標物之偵測與角度辨識，同時天線系統40可利用比幅單脈衝模式在XZ平面上進行目標物之偵測與角度辨識。需注意的是，於天線系統20中，偏移陣列天線204之YZ平面上之分量具有較陣列天線202小之增益，導致偵測距離較短；相較之下，天線系統40利用陣列天線202、402增加平行於YZ平面之增益，增加YZ平面上之偵測距離。另外，天線系統40利用陣列天線202、402及偏移陣列天線204共三個陣列天線來接收反射訊號，且利用不同陣列天線分別操作於比相單脈衝模式與比幅單脈衝模式，因此，相較於天線系統20，天線系統40在進行第一方向DE與第二方向DA之角度偵測時具有較佳的隔離度。
另外，請參考第5圖，第5圖為本發明實施例一天線系統50之俯視圖，第5圖亦標示有X、Y、Z軸之座標系統。天線系統50與天線系統40相似，故相同元件沿用相同符號。與天線系統40不同的是，天線系統50另包含一偏移陣列天線504，偏移陣列天線504具有與偏移陣列天線204相同的結構，偏移陣列天線504亦用來接收反射訊號，即天線系統50為一發四收的天線系統。另外，偏移陣列天線504的饋入位置與傳送陣列天線200、陣列天線202、402及偏移陣列天線204的饋入位置不同，換句話說，傳送陣列天線200、陣列天線202、402及偏移陣列天線204係由天線系統50之饋入點位於一第一側S1(即由第一側S1耦接至天線系統50之一處理單元506)，而偏移陣列天線504係由天線系統50之饋入點位於一第二側S2(即由第二側S2耦接至天線系統50之處理單元506)。需注意的是，偏移陣列天線204與偏移陣列天線504的饋入位置不同，導致偏移陣列天線204、504所形成之主波束分別偏移Z軸一正角度及一負角度，因應不同應用，天線系統50可透過傳送陣列天線200與偏移陣列天線204、504操作於比幅單脈衝模式，使得天線系統50在XZ平面上相較於天線系統40具有較寬廣的掃描及偵測角度。
需注意的是，前述實施例係用以說明本發明之概念，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，於第4圖中，天線系統40不限於透過傳送陣列天線200與陣列天線202、402操作於比相單脈衝模式，只要天線系統40透過陣列天線202、402及偏移陣列天線204其中之二接收反射訊號，天線系統40之處理單元206即可控制天線系統40操作於比相單脈衝模式，也就是說，天線系統40透過陣列天線202、402及偏移陣列天線204其中之任二陣列天線操作於比相單脈衝模式，亦屬於本發明之範疇。
另外，於第5圖中，天線系統50不限於透過傳送陣列天線200與偏移陣列天線204、504操作於比幅單脈衝模式，只要天線系統50透過可形成不同波束方向的任二陣列天線接收反射訊號，天線系統50之處理單元206即可控制天線系統50操作於比幅單脈衝模式。舉例來說，天線系統50可透過陣列天線202、402其中之一陣列天線以及偏移陣列天線204、504其中之一偏移陣列天線接收反射訊號，天線系統50即可比幅單脈衝模式，亦屬於本發明之範疇。另外，天線系統50可透過陣列天線202、402及偏移陣列天線204、504其中之任二陣列天線接收反射訊號，天線系統50之處理單元206即可控制天線系統50操作於比相單脈衝模式，亦屬於本發明之範疇。
綜上所述，本發明用蜿蜒件串連複數個輻射體，使其主波束之波束方向偏移其設置平面之法方向，並利用形成不同波束方向的陣列天線進行垂直方向的掃描及偵測，使得本發明之天線系統在水平平面及垂直平面可達到相同的偵測範圍。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、200、202、204、402、504、600 ~616、701~708‧‧‧陣列天線
20、40、50、60、70‧‧‧天線系統
FD_a、FD_b、FD_1‧‧‧饋入點
MLB_a、MLB_b、MLB_2、MLB_4‧‧‧主波束
D_a、D_b、D_2、D_4‧‧‧波束方向
N‧‧‧法線方向
θ a、θ b‧‧‧角度
θ‧‧‧角度差
PA、PA0、PA2、PA4‧‧‧輻射體
MD‧‧‧蜿蜒件
LS‧‧‧中心線
LN、LN0、LN2、LN4‧‧‧直線
PC、PC0、PC2、PC4‧‧‧相位中心
PCL‧‧‧相位中線
DS‧‧‧直線距離
X、Y、Z‧‧‧座標軸
S1‧‧‧第一側
S2‧‧‧第二側
DE、DA‧‧‧方向
第1A圖為本發明實施例一陣列天線之俯視圖。 第1B圖為本發明實施例一陣列天線之等角視圖。 第2圖為本發明實施例一天線系統之俯視圖。 第3圖為第2圖之天線系統之天線輻射場型圖。 第4圖為本發明實施例一天線系統之俯視圖。 第5圖為本發明實施例一天線系統之俯視圖。 第6圖為第1A圖之陣列天線之天線輻射場型圖。 第7圖為第2圖之天線系統之一差和比示意圖。
10‧‧‧陣列天線
PA‧‧‧輻射體
MD‧‧‧蜿蜒件
LS‧‧‧中心線
LN‧‧‧直線
PC‧‧‧相位中心
Δ‧‧‧直線距離
X、Y、Z‧‧‧座標軸

Claims (17)

  1. 一種陣列天線，形成一主波束，該主波束朝向一波束方向，該陣列天線包含有：複數個輻射體，具有複數個中心線，該複數個輻射體排列於一直線，該直線貫穿該複數個中心線；以及複數個蜿蜒件(Meander)，該複數個蜿蜒件連接該複數個輻射體；其中，該陣列天線設置於一第一平面，該波束方向與一法線方向之間具有非零度之一偏移角度，該法線方向垂直於該第一平面；其中，該陣列天線僅由該陣列天線之一側饋入。
  2. 如請求項1所述之陣列天線，其中該陣列天線具有一相位中心，該陣列天線對稱於該相位中心。
  3. 如請求項1所述之陣列天線，其中該複數個蜿蜒件之長度相關於該偏移角度的大小。
  4. 如請求項1所述之陣列天線，其中該陣列天線由該陣列天線之一端進行饋入。
  5. 一種天線系統，設置於一第一平面，包含有：至少一陣列天線，形成至少一主波束，該至少一主波束朝向至少一波束方向；以及至少一偏移陣列天線，形成至少一偏移主波束，該至少一偏移主波束朝向至少一偏移波束方向；其中，該至少一波束方向與該至少一偏移波束方向具有非零之角度差；其中，該至少一偏移陣列天線僅由該至少一偏移陣列天線之一側饋入。
  6. 如請求項5所述之天線系統，其中該至少一偏移陣列天線之每一偏移陣列天線包含有： 複數個偏移輻射體，具有複數個中心線，該複數個偏移輻射體排列於一偏移直線，該偏移直線貫穿該複數個中心線；以及複數個蜿蜒件(Meander)，該複數個蜿蜒件連接該複數個偏移輻射體；其中，該至少一偏移波束方向與一法線方向之間具有非零度之至少一偏移角度，該法線方向垂直於該第一平面。
  7. 如請求項6所述之天線系統，其中該複數個蜿蜒件之長度相關於該至少一偏移角度的大小。
  8. 如請求項6所述之天線系統，其中該至少一陣列天線之每一陣列天線包含有複數個第一輻射體以及複數個直線連接件，該複數個第一輻射體排列於一第一直線，該複數個直線連接件連接該複數個第一輻射體，且該第一直線與該偏移直線相互平行。
  9. 如請求項5所述之天線系統，其中該至少一偏移陣列天線具有至少一偏移相位中心，該至少一陣列天線具有至少一第一相位中心，該至少一偏移相位中心與該至少一第一相位中心相互對齊。
  10. 如請求項5所述之天線系統，其中該至少一偏移陣列天線包含一第一偏移陣列天線及一第二偏移陣列天線，該第一偏移陣列天線之饋入位置為該天線系統之一第一側，該第二偏移陣列天線之饋入位置為該天線系統之一第二側。
  11. 如請求項5所述之天線系統，另包含：一傳送陣列天線，用來傳送一訊號；一處理單元，耦接於該至少一偏移陣列天線、該至少一陣列天線及該傳送陣列天線；其中，該處理單元控制該至少一偏移陣列天線、該至少一陣列天線及該傳送陣列天線，使得該天線系統操作於一比幅單脈衝模式 (Amplitude-Comparison Mono-Pulse)或一比相單脈衝模式(Phase-Comparison Mono-Pulse)。
  12. 如請求項11所述之天線系統，其中當該天線系統操作於該比幅單脈衝模式時，該天線系統於一第一平面進行角度辨識。
  13. 如請求項12所述之天線系統，其中當該天線系統操作於該比相單脈衝模式時，該天線系統於一第二平面進行角度辨識，該第二平面與該第一平面垂直。
  14. 如請求項11所述之天線系統，其中該天線系統利用該至少一偏移陣列天線之一第一偏移陣列天線及該至少一陣列天線之一第一陣列天線，操作於該比幅單脈衝模式；該天線系統利用該第一偏移陣列天線及該第一陣列天線，操作於該比相單脈衝模式。
  15. 如請求項11所述之天線系統，該天線系統利用該至少一陣列天線之一第一陣列天線、一第二陣列天線其中之一，以及該至少一偏移陣列天線之一第一偏移陣列天線，操作於該比幅單脈衝模式；該天線系統利用該第一陣列天線、該第二陣列天線、該第一偏移陣列天線其中之二，操作於該比相單脈衝模式。
  16. 如請求項11所述之天線系統，該天線系統利用該至少一陣列天線之一第一陣列天線、一第二陣列天線其中之一，以及該至少一偏移陣列天線之一第一偏移陣列天線、一第二偏移陣列天線其中之一，操作於該比幅單脈衝模式；該天線系統利用該第一陣列天線、該第二陣列天線、該第一偏移陣列天線、該第二偏移陣列天線其中之二，操作於該比相單脈衝模式。
  17. 如請求項16所述之天線系統，該天線系統利用該至少一偏移陣列天線之一第一偏移陣列天線及一第二偏移陣列天線，操作於該比幅單脈衝模式；該天線系統利用該第一陣列天線、該第二陣列天線、該第一偏移陣列 天線、該第二偏移陣列天線其中之二，操作於該比相單脈衝模式，其中該第一偏移陣列天線之饋入位置為該天線系統之一第一側，該第二偏移陣列天線之饋入位置為該天線系統之一第二側。
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