TWI610492B - 雙槽孔基板導波天線單元及其陣列模組 - Google Patents

Abstract

一種雙槽孔基板導波天線單元包含一第一基板、一導電層、多個單位 輻射元件、一第二基板、一接地導電層、一饋入走線層及兩第一導通柱。多個單位輻射元件平行設置於導電層上，且每一單位輻射元件包含至少一平行設置的成對槽孔。兩第一導通柱設置於任兩單位輻射元件之間，以電性連接饋入走線層、接地導電層與導電層。一種雙槽孔基板導波天線陣列模組亦於此處被提出。利用雙槽孔可以在有限的面積內加入更多輻射元件，提高天線增益。

Description

雙槽孔基板導波天線單元及其陣列模組

本發明是有關一種天線模組，特別是有關一種雙槽孔基板導波天線單元及其陣列模組。

習知一種天線結構1如圖1所示，其包括一天線基板10、一饋入基板11、一接地層12、一金屬層13以及一微帶饋入線14。其中天線結構1為兩基板互相疊置，接地層12設置於兩基板之間，而金屬層13設於天線基板10的一上表面。接地層12上具有一開孔121形成於其上。而微帶饋入線14設於饋入基板11底部，且微帶饋入線14透過開孔121對金屬層13饋入無線訊號。習知的這種天線結構1除頻寬較小，反向輻射過大，甚至會有不必要的表面波輻射等問題。

一種上述結構的改良被提出，其在每個開孔旁加入金屬連通柱，抵消反射，以達到行進波之效果，可達到較大之頻寬，但應用在毫米波頻段，頻率之波長較短，利用金屬連通柱抵消反射需要較精準的製程，因此較不適用，且其輻射元件之距離必須為一個波長，否則無法達到增加增益的效果。

本發明提供一種雙槽孔基板導波天線單元及其陣列模組，利用雙槽孔結構可以在有限的面積內加入更多輻射元件，提高天線增益。而利用反相位饋入基板合成波導天線，可以在不對稱之饋入下，使得兩側之天線陣列具有相同之能量及相位，且可增加天線波束頻寬。

本發明一實施例之雙槽孔基板導波天線單元，包含一第一基板；一導電層設置於第一基板的一上表面；多個單位輻射元件平行設置於導電層上，其中每一單位輻射元件包含至少一成對槽孔，且成對槽孔係平行設置；一第二基板設置於第一基板的一下表面；一接地導電層設置於第二基板的一上表面並位於第一基板與第二基板之間；一饋入走線層設置於第二基板的一下表面；以及兩第一導通柱設置於任兩單位輻射元件之間，其貫穿第一基板與第二基板以電性連接饋入走線層、接地導電層與導電層。

本發明又一實施例之雙槽孔基板導波天線陣列模組，包含一第一基板；一導電層設置於第一基板的一上表面；一第二基板設置於第一基板的一下表面；一接地導電層設置於第二基板的一上表面並位於第一基板與第二基板之間；一饋入走線層設置於第二基板的一下表面；以及多個雙槽孔基板導波天線單元陣列排列。其中每一雙槽孔基板導波天線單元包含：多個單位輻射元件平行設置於導電層上，其中每一單位輻射元件包含至少一成對槽孔，且成對槽孔係平行設置；兩第一導通柱設置於任兩單位輻射元件之間，其貫穿第一基板與第二基板以電性連接饋入走線層、接地導電層與導電層；以及多個第二導通柱環繞設置於多個單位輻射元件的週邊，其中相鄰的兩雙槽孔基板導波天線單元，其多個第二導通柱係共用且饋入走線係電性連接多個第一導通柱。

以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

本發明主要提供一種雙槽孔基板導波天線單元及其陣列模組，雙槽孔基板導波天線單元包含一第一基板、一導電層、多個單位輻射元件、一第二基板、一接地導電層、及兩第一導通柱，其中多個單位輻射元件平行設置於導電層上，且每一單位輻射元件包含至少一平行設置的成對槽孔。利用雙槽孔可以在有限的面積內加入更多輻射元件，提高天線增益。以下將詳述本案的各實施例，並配合圖式作為例示。除了這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地施行在其他的實施例中，任何所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本案的範圍內，並以之後的專利範圍為準。在說明書的描述中，為了使讀者對本發明有較完整的瞭解，提供了許多特定細節；然而，本發明可能在省略部分或全部這些特定細節的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的步驟或元件並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要之限制。圖式中相同或類似之元件將以相同或類似符號來表示。特別注意的是，圖式僅為示意之用，並非代表元件實際的尺寸或數量，不相關的細節未完全繪出，以求圖式的簡潔。

請先參考圖2及圖3，圖2及圖3分別為本發明一實施例之雙槽孔基板導波天線單元的俯視圖及其局部剖視圖。如圖2及圖3所示，本發明一實施例之雙槽孔基板導波天線單元2包含一第一基板20、一導電層21、多個單位輻射元件22、一第二基板23、一接地導電層24、一饋入走線層25及兩第一導通柱26。導電層21設置於第一基板20的一上表面201，而多個單位輻射元件22則是平行設置於導電層21上，其中每一單位輻射元件22包含至少一成對槽孔221、222，且兩槽孔221、222係平行設置，於一實施例中，槽孔221、222包含但不限於長方型。第二基板23設置於第一基板20的一下表面202。接地導電層24設置於第二基板23的一上表面231並位於第一基板20與第二基板23之間。如圖所示，饋入走線層25則設置於第二基板23的一下表面232，對該天線單元饋入一無線訊號。兩個第一導通柱26，設置於任兩單位輻射元件22之間，其貫穿第一基板20與第二基板23以電性連接饋入走線層25、接地導電層24與導電層21，於一較佳實施例中，兩第一導通柱26設置於最靠近第一基板20中央的兩單位輻射元件22之間，利用中央饋入天線，可以減緩天線波束隨頻率飄移的情形，增加天線波束頻寬。此外，於一實施例中，多個第二導通柱27環繞設置於單位輻射元件22的週邊。

接續上述說明，於又一實施例中，兩第一導通柱26為反相位饋入結構，饋入走線層25的饋入方向為yz方向，對天線來說並非對稱之饋入，會造成兩側陣列能量不均勻，利用雙金屬連通柱反相位饋入，可以調整兩個金屬連通柱之大小及下層金屬殘斷，控制上層兩側天線陣列的能量及相位。而每一單位輻射元件中的槽孔為同相輻射，可避免輻射的能量抵消，能有有效地提身天線的增益。

於再一實施例中，如圖4A及圖4B所示，單位輻射元件22相對於第一基板20的水平線C傾斜一角度A，於一較佳實施例中，角度A為45度。再者，單位輻射元件22中包含兩組成對槽孔223、224，如圖4A及圖4B所示。利用傾斜45度的槽孔來截斷波導基本模態的表面電流分布來激發槽孔輻射並達成45度極化方向的需求。多個槽孔的設計可增加輻射孔徑，藉由控制槽孔之間的位置參數如槽孔對距離波導中心線的距離d_x 、槽孔對水平方向相對距離d_y 、上下槽孔對相對位置P_y ，和槽孔長度，來控制輻射能量以及操作頻率。在天線設計中為了得到最好的增益值，每個槽孔都必須等效為一單位天線，因此陣列因子的因素也要考慮，藉由多變數的槽孔設計，可以在已知製程的限制之下做最佳化，增加天線的變數可調程度。同時多槽孔也利用增加表面電流路徑的原理來縮短輻射單元之間的距離，使其不用相距一個波導波長，在固定的面積之中增加輻射單元的數量以最大化天線的輻射增益。

此外，請一併參考圖5及圖6，圖5及圖6分別為本發明不同實施例之雙槽孔基板導波天線陣列模組的示意圖。與上一實施例差異在於；雙槽孔基板導波天線陣列模組包含多個雙槽孔基板導波天線單元2陣列排列，且多個第二導通柱27，環繞設置於該多個單位輻射元件22的週邊，其中相鄰的兩該雙槽孔基板導波天線單元2，其該多個第二導通柱27係共用且該饋入走線層25係電性連接該多個第一導通柱26。其於元件的結構、佈設描述與上述實施例並無太大差異，此即不在贅述。此外，如圖所示，下層饋入走線層25經由中央兩第一導通柱饋入天線，此反向饋入結構可以減低因為天線陣列輻射元件的相位累積造成天現主波束偏移的問題，在高增益的需求之上，波束的偏移會造成增益值大幅減低。再者，本發明所提出之天線架構藉由中央饋入的方式可大幅增加天線陣列的主波束頻寬，使其在所需的應用頻段(76~77GHz)的主波束都不會產生主波束偏移的現象。利用多層板下走線中央饋入的方式大幅縮小天線陣列的面積，在雷達應用上可以和電路做更好的整合與空間的利用。

綜合上述，本發明之雙槽孔基板導波天線單元及其陣列模組，在基板合成波導架構上提出雙槽孔天線作幅射元件，在汽車雷達之長距離偵測應用上需要較高之天線增益，但為了縮小化，必須限制天線之面積，雙槽孔可以在有限的面積內加入更多輻射元件，且同時兩個槽孔為同相幅射，避免輻射之能量抵消，能有效的提升天線增益。此外，利用反相位雙金屬連通柱結構由微帶線饋入上層基板合成波導結構中央，可以調整兩個金屬連通柱之大小及下層金屬殘斷，使得上層兩側天線陣列的能量及相位相等。且波束較不隨頻率偏移，增加波束頻寬。再者，以傾斜之多槽孔上下擺放輻射的方式除了可增加輻射基本單元的增益，在另一方面藉由增加電流路徑，來縮短基板單元之間的間距，在固定面積之下增加整體陣列的輻射量。藉由多個參數設計來控制輻射能量與操作頻率，在有製程限制之下可以配合製程增加天線的可調度，每個輻射單元利用45度的傾斜來形成45度線性極化。能量由饋入線饋入後經由兩金屬柱的反向中央饋入結構饋入基板合成波導，如此一來可以減低陣列項位累積造成的波束偏移問題，使波束的頻寬大幅增加，在應用的頻段76~77GHz當中可維持所需要的高增益表現。

以上所述之實施例僅是為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

1‧‧‧天線結構
10‧‧‧天線基板
11‧‧‧饋入基板
12‧‧‧接地層
121‧‧‧開孔
13‧‧‧金屬層
14‧‧‧微帶饋入線
2‧‧‧雙槽孔基板導波天線單元
20‧‧‧第一基板
201‧‧‧上表面
202‧‧‧下表面
21‧‧‧導電層
22‧‧‧單位輻射元件
221、222‧‧‧槽孔
223、224‧‧‧成對槽孔
23‧‧‧第二基板
231‧‧‧上表面
232‧‧‧下表面
24‧‧‧接地導電層
25‧‧‧饋入走線層
26‧‧‧第一導通柱
27‧‧‧第二導通柱
A‧‧‧角度
C‧‧‧水平線
d_x‧‧‧距離
d_y‧‧‧距離
P_y‧‧‧相對位置
‧‧‧長度

圖1為習知之天線結構示意圖。 圖2為本發明一實施例之雙槽孔基板導波天線單元的俯視圖。 圖3為圖2的AA線段局部剖視圖。 圖4A為本發明又一實施例之雙槽孔基板導波天線單元的俯視圖。 圖4B為圖4A的局部放大示意圖。 圖5及圖6分別為本發明不同實施例之雙槽孔基板導波天線陣列模組的示意圖。

2‧‧‧雙槽孔基板導波天線單元

20‧‧‧第一基板

21‧‧‧導電層

22‧‧‧單位輻射元件

221、222‧‧‧槽孔

26‧‧‧第一導通柱

27‧‧‧第二導通柱

Claims (17)

1. 一種雙槽孔基板導波天線單元，包含： 一第一基板； 一導電層，設置於該第一基板的一上表面； 多個單位輻射元件，帶狀平行設置於該導電層上，其中每一該單位輻射元件包含至少一成對槽孔，且該成對槽孔係平行設置； 一第二基板，設置於該第一基板的一下表面； 一接地導電層，其設置於該第二基板的一上表面並位於該第一基板與該第二基板之間； 一饋入走線層，其設置於該第二基板的一下表面；以及 兩第一導通柱，設置於兩該單位輻射元件之間，其貫穿該第一基板與該第二基板以電性連接該饋入走線層、該接地導電層與該導電層。
2. 如請求項1所述之雙槽孔基板導波天線單元，其中多個第二導通柱環繞設置於該單位輻射元件的週邊。
3. 如請求項1所述之雙槽孔基板導波天線單元，其中每一該單位輻射元件中的該些槽孔為同相輻射。
4. 如請求項1所述之雙槽孔基板導波天線單元，其中該槽孔為長方型。
5. 如請求項1所述之雙槽孔基板導波天線單元，其中該兩第一導通柱設置於最靠近該第一基板中央的該兩單位輻射元件之間。
6. 如請求項1所述之雙槽孔基板導波天線單元，其中該兩第一導通柱為反相饋入結構。
7. 如請求項1所述之雙槽孔基板導波天線單元，其中該單位輻射元件相對於該第一基板的水平線傾斜一角度。
8. 如請求項7所述之雙槽孔基板導波天線單元，其中該角度為45度。
9. 如請求項7所述之雙槽孔基板導波天線單元，其中該單位輻射元件為兩組該成對槽孔。
10. 一種雙槽孔基板導波天線陣列模組，包含： 一第一基板； 一導電層，設置於該第一基板的一上表面； 一第二基板，設置於該第一基板的一下表面； 一接地導電層，其設置於該第二基板的一上表面並位於該第一基板與該第二基板之間； 一饋入走線層，其設置於該第二基板的一下表面；以及 多個雙槽孔基板導波天線單元，陣列排列，其中每一該雙槽孔基板導波天線單元包含： 多個單位輻射元件，平行設置於該導電層上，其中每一該單位輻射元件包含至少一成對槽孔，且該成對槽孔係平行設置； 兩第一導通柱，設置於任兩該單位輻射元件之間，其貫穿該第一基板與該第二基板以電性連接該饋入走線層、該接地導電層與該導電層；以及 多個第二導通柱，環繞設置於該多個單位輻射元件的週邊，其中相鄰的兩該雙槽孔基板導波天線單元，其該多個第二導通柱係共用且該饋入走線係電性連接該多個第一導通柱。
11. 如請求項10所述之雙槽孔基板導波天線陣列模組，其中每一該單位輻射元件中的該些槽孔為同相輻射。
12. 如請求項10所述之雙槽孔基板導波天線陣列模組，其中該成對槽孔為長方型。
13. 如請求項10所述之雙槽孔基板導波天線陣列模組，其中該兩第一導通柱設置於最靠近該第一基板中央的該兩單位輻射元件之間。
14. 如請求項10所述之雙槽孔基板導波天線陣列模組，其中該兩第一導通柱為反相饋入結構。
15. 如請求項10所述之雙槽孔基板導波天線陣列模組，其中該單位輻射元件相對於該第一基板的水平線傾斜一角度。
16. 如請求項15所述之雙槽孔基板導波天線陣列模組，其中該角度為45度。
17. 如請求項15所述之雙槽孔基板導波天線陣列模組，其中該單位輻射元件為兩組該成對槽孔。