TWI594502B

TWI594502B - Millimeter wave antenna device and its millimeter wave antenna array device

Info

Publication number: TWI594502B
Application number: TW105107294A
Authority: TW
Inventors: cheng nan Hu; Der Phone Lin
Original assignee: Nat Chung-Shan Inst Of Science And Tech
Priority date: 2016-03-10
Filing date: 2016-03-10
Publication date: 2017-08-01
Also published as: TW201733206A

Description

毫米波天線裝置及其毫米波天線陣列裝置

本發明係有關於一種天線裝置，更詳而言之，尤指一種毫米波天線裝置及其毫米波天線陣列裝置。

毫米波(millimeter-wave)是介於微波與光波之間的電磁波，通常毫米波頻段是指30~300GHz，相應波長為1~10mm。毫米波可提供較寬頻帶。隨著資訊量高速增長，傳遞資料的流通量也將日益增加，預計後4G時代(Beyond 4 G,B4G)的傳遞資料流通量將於2020年增加1000倍，2025年達10,000倍。其中，毫米波(Millimeter Wave,Mm-wave)頻譜段的傳輸技術已被視為具有高資料流通量傳輸能力的關鍵通訊技術之一，在後4G時代甚至是第五代(5G)通訊技術的發展上都扮演著舉足輕重的腳色。

一種如圖1a所示之以玻璃為基礎的高性能60GHZ/毫米波相位陣列天線的習知技術，係揭露於2014年12月2日美國公告之第US8,901,688號的專利中，包括一設於相位陣列天線(PAA)基材10中的腔洞11，該腔洞11設於平面天線元件(12、13)之下。射極跡線14(emitter traces)設於平面天線元件 (12、13)上以及設於該射極跡線14對面之PAA基材上，腔洞11及平面天線元件(12、13)則為垂直地對準。這樣的結構需要腔洞11及平面天線元件(12、13)的精確垂直對準，且貫通矽晶穿孔(through-silicon via,TSV)的RFIC晶粒15及貫通矽晶穿孔16的配置亦會受到影響，導致成本提高且容易因為些微偏差而導致傳輸損耗。

一種如圖1b所示之主動式電子掃描陣列天線的習知技術，係揭露於2013年12月5日美國公開之第US2013/0321228號的專利中，將一本體21透過該本體21上定義出的圓形孔25與對應之扣件孔22對準，在使用如螺釘等扣件藉由螺紋而嵌入來使該本體21裝設至一輻射體基座23上，並使同軸連接器24對應地耦接至該本體21之預定的發射埠與接收埠上，以構成一輻射體棒20。這樣的組裝結構較為複雜繁瑣，在對位的準確度上同樣容易因為些微偏差而導致傳輸損耗。

一種如圖1c所示之相位陣列天線的習知技術，係揭露於2014年11月13日美國公開之第US2014/0333480號的專利中，相位陣列天線射頻積體電路晶片裝置30在相位天線陣列基體32上，具有以矩形方式等距相鄰排列的複數平面天線元件31，然而這樣的排列將使得天線之間的間距太小，而於發射/接收模組的安裝上往往造成困難。

一種如圖1d所示之陣列天線的習知技術，係揭露於2012年8月14日美國公告之第US8,242,966號的專利中，陣列天線40具有立體式組立的第一天線單元41、第二天線單元42、第三天線單元43及第四天線單元44，然而這樣的設計同樣造成了發射/接收模組在安裝上的困難。

因此，如何應用微波積體電路設計慨念來整合毫米波陣列的天線組，同時還要能兼顧低訊號傳輸損耗以及可商業化、量產化之需求，舉例來說：在5G通訊系統下，天線的設計就必須滿足波束掃描約具有+/- 30度的波束掃描範圍，而這樣的需求會導致天線間距約落在0.6 λ~0.7 λ(即4.7~5.5mm)之間，如此緊密的排列方式，將造成導波管毫米波陣列天線之下列兩個設計的困難點：(1)導波管天線機構精度過高製作困難；(2)導波管天線之間距太小，使得無法用導波管Flange或K-connector的外接發射/接收模組。

本發明之一目的在於使毫米波天線結構具有低訊號損耗的特性。

本發明之另一目的在於解決習知毫米波天線於電路因物理尺寸(physical size)上的限制所導致之機構精度不易達成的缺點。

本發明之再一目的在於使導波管天線機構能順利外接發射/接收模組。

為達上述目的及其他目的，本發明提出一種毫米波天線裝置，包含：一毫米波基板，係於行方向上設有貫通該毫米波基板的複數通孔，該毫米波基板係包含一藉由設置於該毫米波基板之上表面及下表面之金屬層所構成的微帶天線結構；及一同軸電纜接頭基座，具有供一同軸電纜接頭設置於其中的一凹槽，於該凹槽之槽底設有一開口以露出該同軸電纜接頭之一內導體及一外導體，該同軸電纜接頭基座於該凹槽之開口周緣設有至少一凸部；其中，於該同軸電纜接頭基座之頂面結合至該毫米波基板之底面時，自該同軸電纜接頭基座所露出之該同軸電纜接頭的該內導體及該外導體係電性連接該微帶天線結構，且該至少一凸部係凸伸至對應的該通孔內以定位該同軸電纜接頭基座。

11‧‧‧腔洞

12、13‧‧‧平面天線元件

14‧‧‧射極跡線

15‧‧‧RFIC晶粒

16‧‧‧貫通矽晶穿孔

20‧‧‧輻射體棒

21‧‧‧本體

22‧‧‧扣件孔

23‧‧‧輻射體基座

24‧‧‧同軸連接器

25‧‧‧圓形孔

30‧‧‧相位陣列天線射頻積體電路晶片裝置

31‧‧‧平面天線元件

32‧‧‧相位天線陣列基體

40‧‧‧陣列天線

41‧‧‧第一天線單元

42‧‧‧第二天線單元

43‧‧‧第三天線單元

44‧‧‧第四天線單元

500‧‧‧毫米波基板

511‧‧‧通孔

512‧‧‧通孔

521‧‧‧通孔

522‧‧‧通孔

600‧‧‧第一金屬層

601‧‧‧饋入端

700‧‧‧同軸電纜接頭基座

711‧‧‧凸部

712‧‧‧凸部

720‧‧‧凹槽

800‧‧‧同軸電纜接頭

810‧‧‧內導體

820‧‧‧外導體

900‧‧‧天線背板框架

RP‧‧‧radiating patch

DS‧‧‧dielectric substrate

CGP‧‧‧conducting ground plane

第1a圖係為美國公告第US8,901,688號的專利的是示意圖。

第1b圖係為美國公開第US2013/0321228號的專利的是示意圖。

第1c圖係為美國公開第US2014/0333480號的專利的是示意圖。

第1d圖係為美國公告第US8,242,966號的專利的是示意圖。

第2圖係為本發明一實施例中毫米波天線裝置的分解結構示意圖。

第3圖係為第2圖之實施例中毫米波天線裝置的結合示意圖。

第4圖係為本發明一實施例中毫米波天線陣列裝置的分解結構示意圖。

第5圖係為本發明之毫米波天線裝置的patch幾何示意圖。

第6圖係為利用HFSS進行第5圖之毫米波陣列天線裝置的全波模擬分析結果圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容瞭解本發明之其他優點與功效。

首先請同時參閱第2及3圖，第2圖係為本發明一實施例中毫米波天線裝置的分解結構示意圖，第3圖係為第2圖之實施例中毫米波天線裝置的結合示意圖。

如第2及3圖所示，毫米波天線裝置包含：一毫米波基板500及一同軸電纜接頭基座700。該毫米波基板500係於行方向上設有貫通該毫米波基板500的複數通孔(511、512、521、522)，該毫米波基板500係包含一藉由設置於該毫米波基板500之上表面之金屬層600及下表面之金屬層(圖未示，位於該毫米波基板500之另一側，可參考第5圖的CGP)所構成的微帶天線結構。

該同軸電纜接頭基座700具有供一同軸電纜接頭800設置於其中的一凹槽720，於該凹槽720之槽底設有一開口以露出該同軸電纜接頭800之一內導體810及一外導體820，該同軸電纜接頭基座700於該凹槽720之開口周緣設有至少一凸部(711、712)，於第2及3圖的實施例中係以兩個凸部(711、712)作為示例。

藉由本發明的配置以及該同軸電纜接頭800的凸伸部分只具有凸伸之該內導體810的配置之下，於該同軸電纜接頭基座700之頂面結合至該毫米波基板500之底面時，自該同軸電纜接頭基座700所露出之該同軸電纜接頭800的該內導體810及該外導體820係電性連接該微帶天線結構，且該二凸部(711、712)係凸伸至對應的該通孔(521、522)內以定位該同軸電纜接頭基座。其中該通孔(511、512)係供該毫米波基板500被鎖固至其他板體上時使用，例如藉由鎖固元件(如螺絲等)將該毫米波基板500鎖固至板體框架上。

其中，於該毫米波基板500之上表面且位於該等通孔(521、522)之中間區域，可利用網版印刷及蝕刻等方式，印製有一呈方形或矩形之輻射金屬片的金屬層作為該微帶天線結構的第一金屬層600；以及於該毫米波基板500之下表面且對應該第一金屬層600之下方區域，可利用網版印刷及蝕刻等方式，同樣印製有一呈方形或矩形之一接地面(ground plane)以作為第二金屬層。此外，並可藉由該同軸電纜接頭800的該內導體810來做為一插銷穿過該毫米波基板500而與饋入端601(例如一同軸線)相接饋電，使該第一金屬層600與該第二金屬層之間激勵高頻電磁場，並通過該第一金屬層600四周與該第二金屬層之間的縫隙向外輻射，而在饋入端處量測的阻抗包括了該毫米波基板500和該插銷兩者，其值得要求通常根據天線之設計目的而有不同，然而在本發明之同軸電纜接頭基座700的配置下，能夠精且輕易地於該毫米波基板500上決定適當的〝饋入位置〞，以確保微帶天線結構之饋入阻抗單元位置精確，進而達到阻抗匹配的要求。

接著請參閱第4圖，係為本發明一實施例中毫米波天線陣列裝置的分解結構示意圖。毫米波天線陣列裝置包含：天線背板框架900及複數毫米波天線裝置，其中，天線背板框架900具有容置複數同軸電纜接頭800的框架通孔，該等框架通孔係排列成複數行且相鄰行間的框架通孔係互相錯開，該等毫米波天線裝置係對應該等框架通孔而排列成複數行。其中，RD為radiating patch，DS為dielectric substrate，CGP為conducting ground plane。

各該毫米波天線裝置如第4圖所示，各包含：一毫米波基板500a及複數同軸電纜接頭基座700。該毫米波基板500a係為第2及3圖中之毫米波基板500的延伸，以設置更多的同軸電纜接頭基座而成為一個陣列式的天線配置。

該毫米波基板500a係為一延行方向延伸的長板，且於行方向上依序設有貫通該毫米波基板500a的複數通孔，該毫米波基板500a係包含複數藉由設置於該毫米波基板之上表面及下表面之金屬層所構成的微帶天線結構。

可一併參考第2、3及4圖，各該同軸電纜接頭基座700具有供一同軸電纜接頭800設置於其中的一凹槽720，於該凹槽720之槽底設有一開口以露出該同軸電纜接頭800之一內導體810及一外導體820。各該同軸電纜接頭基座700於該凹槽720之開口周緣設有至少一凸部(711、712)。於各該同軸電纜接頭基座700之頂面結合至該毫米波基板500a(可對應至第3圖之毫米波基板500)之底面時，各該同軸電纜接頭基座700係容置於對應之框架通孔內且於行方向上依序排列於該毫米波基板500a下方。自各該同軸電纜接頭基座700所露出的該內導體810及該外導體820係電性連接對應的微帶天線結構，且該至少一凸部(711、712)係凸伸至對應的該通孔(521、522)內以定位各該同軸電纜接頭基座700。

進一步地，如第4圖所示，於各該同軸電纜接頭基座700之該凹槽開口周緣的凸部數量係為兩個，該毫米波基板500a並具有對應該二凸部的通孔，其中相鄰對應該二凸部之二通孔的上下兩側之通孔係供固定元件穿設，使該毫米波基板500a固定於該天線背板框架900上。

接著請參閱第5圖，係為本發明之毫米波天線裝置的patch幾何示意圖，並以一個設計在38GHz頻段的patch天線來說明設計的操作流程：(a)選擇毫米波基板、決定基板高度h、基板介電係數ε r；(b)利用T-Line或微帶傳輸線設計公式，計算在頻率f=38GH時的微帶線的寬度及等效介電係數(ε reff)； (c)利用公式(1)計算Patch平板寬度W；

其中，ν₀為光速。

(d)利用公式(2)計算邊緣場的等效傳輸線長度△L；

(e)利用公式(3)決定Patch平板長度L。

(f)利用公式(4)計算輸入阻抗，找出傳輸線深入長度Xo使得輸入阻抗達到此範例之設定的阻抗值50Ω。

(8)將結構尺寸與電性資料，利用HFSS做全波的模擬分析，得到要求的設計尺寸。

接著請參閱第6圖，係為利用HFSS進行第5圖之毫米波陣列天線裝置的全波模擬分析結果圖，圖中包含具有微帶天線結構之毫米波陣列天線裝置之實測S11與模擬S11的比較圖。可了解到本發明實施例提供一種具有毫米波天線結構以及其陣列天線的設計方案具有低訊號損耗之優點，可解決習知毫米波電路高傳輸損耗導致系統接收能力惡化的缺失，以及同時可解決習知毫米波電路因物理尺寸構型(Physical size)太小導致機構設計精度不易達成…等的問題。本發明藉由採用三角形排列方式，使得在達成天線波束掃描約+/-30°功能要求情況下，有較大的天線間距(約在8.5~12mm之間)，並可解決導波管天線之間距太小而無法外接發射/接收模組的問題。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。