TWI602347B - 具有空穴波導結構之毫米波天線結構以及其陣列天線 - Google Patents
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Description
本發明有關於一種天線，且特別是關於一種可應用空穴波導結構所設計之毫米波天線結構及其陣列天線。
毫米波(millimeter-wave)是介於微波與光波之間的電磁波，但通常毫米波頻段是指30~300GHz，相對應波長為1~10mm。毫米波應用，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B-4G(Beyond 4 G)於2020年增加1000倍，2025年達10,000倍。此趨勢演進的結果，使得開發研究毫米波應用，必將成為下世代(5G)無線通訊系統之主流方向。
毫米波應用的優點相當多，不過要將其普及化，最關鍵的因素是包含天線系統在內的射頻前端(RF Front-end)。因為工作在毫米波頻帶之訊號，其訊號空間損耗及傳輸損耗現象相對嚴重。因此、天線系統的接收能力，就左右了毫米波應用普及的成敗。
然而、射頻前端電路之設計問題，除了高成本之外，主要在於：
1.習知波導結構(例如微帶線等)，在毫米波波段，訊號之金屬損耗(Metal Loss)及介電損耗(Dielectric Loss)，造成可觀的訊號傳輸損耗。雖然、習知導波管(Waveguide)波導結構，具有低訊號傳輸損耗特性，卻有機構加工困難，及不易與積體電路整合等
困難。
2.毫米波頻段，相對應的波長很小，造成電路設計之機構尺寸誤差對電波特性非常敏感，設計製造困難。
3.同時所有訊號介面必須盡量避免用接頭轉接。因此、如何應用微波積體電路設計慨念，以整合毫米波陣列天線與積體電路間介面問題。同時、兼顧降低訊號傳輸損耗前提下，設計可商業化、可量產化、之毫米波無線通訊系統是設計成敗關鍵。
習知的微帶線毫米波貼片天線(Microstrip Patch Antenna)，如圖1所示，具有金屬方塊1作為天線背板框架、特定修改之同軸電纜接頭2以及毫米波基板3所組成。毫米波基板3包括金屬表面31，置於毫米波基板3的底面做為微帶天線的大地(Ground)。
毫米波基板3的上表面設置一長方形金屬面做為微帶天線34，以及一圓形鑽孔33使之得以插入同軸電纜接頭2之內導體21並與微帶天線34的金屬面焊接，作為微帶天線之饋入阻抗單元。最後再使用螺絲將微帶貼片天線(Microstrip Patch Antenna)固定在天線背板框架。此設計方案可以解決，導波管天線高機構精度需求的製作困難問題。但由於、習知之微波基板仍具有可觀之介電損耗(Insertion Loss)，機械強度不足，以及刻蝕精度不及積體電路(IC)或低溫共燒陶瓷(LTCC)製程等可改進的地方。
本發明實施例提供一種具有空穴波導結構之毫米波天線結構以及其陣列天線，其具有低訊號損耗，及低等效介電係數之優點。
本發明實施例提供一種具有空穴波導結構之毫米波天線結構，包括波導結構以及輻射單元。波導結構具有基板、接地部以及饋入部，基板具有空穴部。空穴部鄰近饋入部與接地部，使饋入部與接地部構成波導時至少部分電磁場穿過空穴部。輻射單元設置於基板上，且耦接饋入部。
本發明實施例提供一種陣列天線，包括複數個具有空穴波導
結構之毫米波天線結構。空穴波導結構之毫米波天線結構，包括波導結構以及輻射單元。波導結構具有基板、接地部以及饋入部，基板具有空穴部。空穴部鄰近饋入部與接地部，使饋入部與接地部構成波導時至少部分電磁場穿過空穴部。輻射單元設置於基板上，且耦接饋入部。
綜上所述，本發明實施例提供一種具有空穴波導結構之毫米波天線結構以及其陣列天線的設計方案，此新提出之設計方案及設計範例，具有低訊號損耗，及低等效介電係數之優點。應用這些優點，可以解決習知毫米波電路高傳輸損耗，導致系統接收能力惡化，以及物理尺寸構型(Physical size)太小，導致機構設計精度不易達成等問題。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
1、61、81‧‧‧金屬方塊
2‧‧‧同軸電纜接頭
3‧‧‧毫米波基板
31‧‧‧金屬表面
34、64、74‧‧‧微帶天線
33、63‧‧‧圓形鑽孔
21‧‧‧內導體
22‧‧‧四方形支柱
41、51‧‧‧饋入部
42、52、67、713‧‧‧接地部
43、53、66、76、83‧‧‧毫米波LTCC基板
531、661、761、834‧‧‧空穴部
b、h‧‧‧厚度
L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8‧‧‧損耗曲線
68‧‧‧四方形鑽孔
71‧‧‧基板
72、84、92‧‧‧射頻積體電路
73、91‧‧‧具有空穴波導結構之毫米波天線結構
763‧‧‧圓柱貫孔
764、711‧‧‧導電接觸面
712‧‧‧微帶線
82‧‧‧金屬
831‧‧‧饋入激發電路
832‧‧‧平面式積體電路
833‧‧‧接地金屬面
9‧‧‧陣列天線
93‧‧‧系統訊號線
911‧‧‧輻射單元
912‧‧‧波導結構
圖1是習知的微帶天線的示意圖。
圖2A是習知的微帶線的示意圖。
圖2B是本發明實施例提供的具有空穴導波結構的微帶線的示意圖。
圖2C是圖2B的具有空穴導波結構的微帶線的局部放大的示意圖。
圖3是圖2A的微帶線及圖2B的具有空穴波導結構的微帶線之介入損耗比較的示意圖。
圖4是本發明實例提供的具有空穴波導結構之毫米波天線結構的示意圖。
圖5A是本發明另一實例提供的具有空穴波導結構之毫米波天線結構與射頻積體電路整合的背面示意圖。
圖5B是本發明另一實例提供的具有空穴波導結構之毫米波天線結構與射頻積體電路整合的正面示意圖。
圖6是本發明另一實例提供的具有空穴波導結構之毫米波天線結構與射頻積體電路整合的示意圖。
圖7A是本發明另一實施例提供的具有空穴波導結構之毫米波天線結構的正面示意圖。
圖7B是本發明另一實施例提供的具有空穴波導結構之毫米波天線結構的背面示意圖。
圖8是本發明另一實施例提供的陣列天線的示意圖。
由於習知之微波基板，機械強度不足，以及刻蝕精度不佳等問題。低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)製程可以改進這些問題。然而、不論是微波基板或是低溫共燒陶瓷製程都具有可觀之介電損耗問題。以低溫共燒陶瓷基板，以下簡稱毫米波LTCC基板，(長×寬×高分別為20×100×0.4mm3(εr=7.2；tanδ=0.01；σ=5.96×107S/m)設計一條長度為10公分之50Ω(W=0.37mm)微帶線(Microstrip Line)為例(參照圖2A)，此微帶線是由饋入部41、毫米波LTCC基板43與接地部42構成，饋入部41在毫米波LTCC基板43的上表面，接地部42在基板43的下表面。電腦數值模擬分析結果(圖3)顯示，可發現在頻率40GHz之介入損耗(Insertion Loss)高達18dB(圖3曲線L4)。圖3中的曲線L5、L2、L7、L4分別為前述的微帶線的輻射損耗(radiation loss)、介電損耗(Dielectric Loss)、導通損耗(conduction loss)以及總損耗(totoal loss)。
因此、如果在毫米波頻帶訊號傳輸之高損耗問題不解決，則毫米波應用上將會嚴重受限。造成毫米波頻帶之訊號傳輸損耗因
素包含：(1)金屬損耗；(2)輻射損耗：及(3)介電損耗等。其中，由電腦數值模擬分析結果(圖3)顯示，介電損耗是造成毫米波頻帶界之訊號傳輸損耗問題主要原因。
為解決此問題，本實施例提出一種新的空穴波導結構之毫米波天線結構的設計方案(如圖2B所示)，將微帶線(Microstrip Line)訊號傳輸路徑之部份毫米波LTCC基板用空穴取代，使部份訊號於空穴傳播而非經由高介電損耗之毫米波LTCC基板傳輸，以大幅降地訊號之介電損耗。也就是圖2B的波導結構的毫米波LTCC基板53具有空穴部531。空穴部531鄰近饋入部51與接地部52，使饋入部51與接地部53構成波導時至少部分電磁場穿過空穴部531。故可以減少能量傳遞的損耗。另一方面，就結構性特徵而言，本實施例的接地部52設置於毫米波LTCC基板53的底面(第一表面)，饋入部51設置於毫米波LTCC基板53的上表面(第二表面)，毫米波LTCC基板53之空穴部設置於接地部53以及饋入部51之間。再參照圖2C，在本實施例中，空穴部531的厚度b是毫米波LTCC基板53的厚度h的三分之二，但本發明並不因此限定。空穴部531的厚度b可以依據實際設計的需要而調整。
值得一提的是，本實施例所使用的毫米波LTCC基板是有利於製作基板的空穴部的製程，但本發明並不限定基板的種類。
經由電腦數值模擬分析結果(圖3)，顯示驗證在頻率40GHz之介入損耗(Insertion Los)由原先高達18dB降至9dB，相當於將介入損耗將低至原先的0.125倍。圖3中的曲線L1、L6、L3、L8分別為前述的空穴波導結構的輻射損耗(radiation loss)、介電損耗(Dielectric Loss)、導通損耗(conduction loss)以及總損耗(totoal loss)。
同時由於空穴部531只有空氣而沒有毫米波LTCC基板53的高介電損耗，毫米波LTCC基板53之等效介電常數(εr)也可大幅降低。以此實施例而言，如果空穴高度b設為2h/3，則等效介電
常數(εr)可以由原先7.2降至約3。此效應可以有效地將微帶線毫米波天線結構的設計方案中，同樣電子長度之實體長度尺寸可以放大約1.55~2倍。這可以解決電路設計之機構尺寸誤差對電波特性非常敏感而對於設計製造困難的問題。
應用此波導結構所設計之各類型毫米波電路(包含天線)，具有低訊號損耗，及低等效介電係數之優點。應用這些優點，可以解決上述之習知毫米波電路設計問題。並提出下列三個微帶線毫米波天線結構的設計方案，作為毫米波應用之設計範例。
本發明實施例之空穴波導微帶線毫米波貼片天線(cavity-backed microstrip Patch Antenna)如圖4所示，具有金屬方塊61作為天線背板框架、特定修改之同軸電纜接頭2以及毫米波LTCC基板66。毫米波LTCC基板66底面(第一表面)設置有接地部67，以作為接地(Ground)。毫米波LTCC基板66的上表面(第二表面)設置的輻射單元是一外觀為長方形金屬面的微帶天線64。並且，於毫米波LTCC基板66內的輻射單元(微帶天線64)下方設置一方型空穴部661，以及一圓形鑽孔63使之得以插入同軸電纜接頭2之內導體21(作為饋入部)並與作為輻射單元(微帶天線64)的金屬面焊接，作為此微帶天線之饋入阻抗單元。微帶天線64(輻射單元)之外圍並具有四方形鑽孔68，將插入同軸電纜接頭2的基座之四方形支柱22，確保毫米波LTCC基板66底面的接地部67與同軸電纜接頭2之基座地面(Ground)能緊密焊接結合，同時，同軸電纜接頭2之基座之四方形支柱22略具定位作用以確保微帶天線64(輻射單元)之饋入阻抗單元(內導體21)位置精確。簡單的說，接地部67設置於毫米波LTCC基板66的第一表面，輻射單元(微帶天線64)設置於毫米波LTCC基板66的第二表面，饋入部(內導體21)由毫米波LTCC基板66的第一表面經過空穴部661而連接至輻
射單元(微帶天線64)。
需要注意的是，於毫米波LTCC基板66上的微帶天線的金屬面之下的方型空穴661，面積要小於同軸電纜接頭2(例如K-型接頭)之基座面積，使得當毫米波LTCC基板66地面與同軸電纜接頭2之基座地面能緊密焊接結合時，微帶天線64即可利用同軸電纜接頭2(例如K-型接頭)之基座作為天線的大地。
另外，此設計也可稍加修改空穴波導微帶線毫米波貼片天線之饋入電路，以方便應用於在基板天線(Antenna-in-Substrate)(見圖5A、圖5B)及封裝天線(Antenna-in-package)(見圖5C)等方面，請參照接下來的設計範例二。
圖5A與圖5B分別是具有空穴波導結構之毫米波天線結構與射頻積體電路整合形成Antenna-in-Substrate的正面與背面示意圖。基板71用以連結射頻積體電路72與具有空穴波導結構之毫米波天線結構73。基板71的兩面都設有接地面，以作為接地部713。具有空穴波導結構之毫米波天線結構73具有毫米波LTCC基板76。毫米波毫米波LTCC基板76的上表面設置一長方形金屬面做為微帶天線74，並於毫米波LTCC基板76內的微帶天線74下方設置一方型空穴部761，以及一圓柱貫孔763及導電接觸面764作為饋入部。也就是，圓柱貫孔763及導電接觸面764並與作為微帶天線34的金屬面導通，以作為微帶天線74之饋入阻抗單元。不同於前一設計範例(圖4)的饋入方式，饋入部是改為表面黏著(surface mount)形式，饋入部的導電接觸面764則與基板71的導電接觸面711接觸以耦合能量。另一方面，射頻積體電路72其表面設有訊號接點(圖未示)以與基板71的微帶線712耦合能量。微帶線712可以透過貫孔方式直接連接並導通導電接觸面711，或者用耦合的方式耦合能量，但本發明並不因此限定。
換句話說，在此實施例中，經由基板71將射頻積體電路72與具有空穴波導結構之毫米波天線結構73貼合，使接地部713設置於毫米波LTCC基板76的第一表面，而輻射單元(微帶天線74)設置於毫米波LTCC基板76的第二表面，並使饋入部(圓柱貫孔763及導電接觸面764)由毫米波LTCC基板76的第一表面經過空穴部761而連接至輻射單元(微帶天線74)。
再參照圖6，圖6是本發明具有空穴波導結構之毫米波天線結構的與射頻積體電路整合形成Antenna-in-Package的示意圖。相較於圖5A(與圖5B)的具有空穴波導結構之毫米波天線結構73透過基板71與射頻積體電路72組裝，具有空穴波導結構之毫米波天線結構73的饋入部也可以直接連接射頻積體電路72，藉此與射頻積體電路72封裝整合形成天線在封裝(Antenna-in-Package)形式。
依據上述，圖5A(圖5B)及圖6的設計方案可以解決，毫米波天線結構高機構精度需求的製作困難、微波基板可觀介入損耗，以及機械強度不足，等問題。
本實施例之空穴波導漸縮開槽天線(Cavity-Backed Tapered-Slot Antenna)如圖7A與圖7B所示，具有金屬方塊81作為天線背板框架、兩片金屬82作為輻射單元，以構成漸縮開槽天線(Tapered-Slot Antenna)，以及具有空穴波導結構之毫米波LTCC基板83所組成。毫米波LTCC基板73的一端是漸縮開槽天線的饋入激發電路831，而另一端則是與射頻積體電路84整合之平面式積體電路832。饋入激發電路831與平面式積體電路832可以具有主被動電路元件，圖7A與圖7B並無詳細繪出，但本發明並不限定作為訊號饋入用途的饋入激發電路831與平面式積體電路832的實施方式。所屬技術領域具有通常知識者應可容易了解射頻或毫米波訊號的各種饋入電路的實施方式，不再贅述。毫米波
LTCC基板83的接地部以及饋入部形成共面波導，其中饋入部是饋入激發電路831以及平面式積體電路832去除了主被動元件而剩餘的金屬線部分，接地部是在饋入部兩側的接地金屬面833。而毫米波LTCC基板73的空穴部834的厚度例如是毫米波LTCC基板73的厚度的三分之二，但本發明並不因此限定。相較於圖2B(與)圖2C的微帶線形式，圖7B所示的空穴部834基本上與圖2B的空穴部531相同，只是將接地部與饋入部由微帶線形式改為共面波導形式。也就是說空穴部834同樣是位於鄰近饋入部與接地部，與圖2A的差異在於，在圖2A的微帶線形式中的空穴部531設置於接地部52以及饋入部51之間，而在圖7中的接地部與饋入部是在毫米波LTCC基板73的同一表面(上表面)，即接地部與饋入部是在空穴部834的同一側。
基於上述，由於採用具有空穴波導結構之毫米波LTCC基板83，介入損耗可以降低且易於和積體電路整合。
請參照圖8，圖8繪示了利用圖7A與圖7B的空穴波導漸縮開槽天線實現的陣列天線。此陣列天線9具有複數個具有空穴波導結構之毫米波天線結構。具有空穴波導結構之毫米波天線結構91，包括波導結構912以及輻射單元911。具有空穴波導結構之毫米波天線結構91的詳細技術特徵請參照前面實施例的說明，不再贅述。具有空穴波導結構之毫米波天線結構91以陣列形式設置，並且每一個具有空穴波導結構之毫米波天線結構91連接有一個射頻積體電路92，射頻積體電路92透過系統訊號線93而連接至天線控制系統(圖未繪示)。天線控制系統可利用調整陣列中的每一個天線的相位等方式，以產生所需的天線特性，其所使用的技術可以是所屬技術領域具有通常知識者能了解的，在此不做贅述。值得注意的是，具有空穴波導結構之毫米波天線結構91可以替換成如圖4的微帶天線，或以Antenna-in-Substrate或
Antenna-in-Package技術實現的天線，或者是其他形式的天線，並不限於圖8的漸縮開槽天線(Tapered-Slot Antenna)。圖8的漸縮開槽天線(Tapered-Slot Antenna)僅是用以舉例，並幫助說明，並非用以限定本發明。
綜上所述，本發明實施例提供具有空穴波導結構之毫米波天線結構以及其陣列天線的設計方案，此新提出之設計方案及設計範例，具有低訊號損耗，及低等效介電係數之優點。應用這些優點，可以解決習知毫米波電路高傳輸損耗，導致系統接收能力惡化，以及物理尺寸構型(Physical size)太小，導致機構設計精度不易達成等問題。
以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。
61‧‧‧金屬方塊
64‧‧‧微帶天線
63‧‧‧圓形鑽孔
2‧‧‧同軸電纜接頭
21‧‧‧內導體
22‧‧‧四方形支柱
67‧‧‧接地部
66‧‧‧毫米波LTCC基板
661‧‧‧空穴部
68‧‧‧四方形鑽孔
Claims (7)
- 一種具有空穴波導結構之毫米波天線結構，包括：一波導結構，具有一基板、一接地部以及一饋入部，該基板具有一空穴部，該空穴部鄰近該饋入部與該接地部，使該饋入部與該接地部構成波導時至少部分電磁場穿過該空穴部；以及一輻射單元，設置於該基板上，且耦接該饋入部；其中該接地部設置於該基板的一第一表面，該輻射單元設置於該基板的一第二表面，該饋入部由該基板的該第一表面經過該空穴部而連接至該輻射單元。
- 根據請求項第1項之具有空穴波導結構之毫米波天線結構，其中該基板之該空穴部設置於該接地部以及該饋入部之間。
- 根據請求項第1項之具有空穴波導結構之毫米波天線結構，其中該基板、該接地部以及該饋入部構成一微帶線。
- 根據請求項第1項之具有空穴波導結構之毫米波天線結構，其中該接地部以及該饋入部形成共面波導。
- 根據請求項第1項之具有空穴波導結構之毫米波天線結構，其中該基板是低溫共燒陶瓷(LTCC)基板。
- 根據請求項第1項之具有空穴波導結構之毫米波天線結構，其中該空穴部的厚度是該基板的厚度的三分之二。
- 一種陣列天線，包括：複數個具有空穴波導結構之毫米波天線結構，包括：一波導結構，具有一基板、一接地部以及一饋入部，該基板具有一空穴部，該空穴部鄰近該饋入部與該接地部，使該饋入部與該接地部構成波導時至少部分電磁場穿過該空穴部；以及一輻射單元，設置於該基板上，且耦接該饋入部； 其中該接地部設置於該基板的一第一表面，該輻射單元設置於該基板的一第二表面，該饋入部由該基板的該第一表面經過該空穴部而連接至該輻射單元。
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| US6211824B1 (en) * | 1999-05-06 | 2001-04-03 | Raytheon Company | Microstrip patch antenna |
| US8305255B2 (en) * | 2008-04-04 | 2012-11-06 | Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. | Dual-band antenna array and RF front-end for MM-wave imager and radar |
| US20130088396A1 (en) * | 2011-10-05 | 2013-04-11 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | Bandwidth adjustable dielectric resonant antenna |
-
2015
- 2015-09-18 TW TW104130939A patent/TWI602347B/zh not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6211824B1 (en) * | 1999-05-06 | 2001-04-03 | Raytheon Company | Microstrip patch antenna |
| US8305255B2 (en) * | 2008-04-04 | 2012-11-06 | Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. | Dual-band antenna array and RF front-end for MM-wave imager and radar |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW201712948A (zh) | 2017-04-01 |
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