TWI612859B - 用於相控陣列天線之平衡多層印刷電路板 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種相控陣列天線總成(100、100a至100d)，其包含：一天線板堆疊(200)；一天線罩(102)，其經組態以覆蓋該天線板堆疊；及一罩殼(110)，其經組態以支撐該天線板堆疊。該天線板堆疊包含：一中心層(214a)；一底部多層天線單元(208)，其界定一底部厚度(T_B)；及一頂部多層天線單元(206)，其界定一頂部厚度(T_T)。該底部天線單元包含各自與相距於對稱軸(201)之一不同距離(D₁、D₂)相關聯的兩個隔開底部金屬層(210a、210b)。該頂部天線單元包含各自與相距於與該等底部金屬層相關聯之該對稱軸之該等距離之一對應者相關聯的兩個隔開頂部金屬層(210c、210d)。

Description

用於相控陣列天線之平衡多層印刷電路板

本發明係關於一種在一平衡印刷電路板上實施之相控陣列天線。

電可操縱相控陣列天線可藉由將包含歧管層及輻射元件層的多個平面層堆疊在一起而實施於多層印刷電路板(PCB)上，以依一所要頻率達成一天線遠場圖案。除使用昂貴低損耗電介質及嵌入式薄膜電阻器層之外，習知天線印刷電路板堆疊係非平衡的，此係歸因於使用較低階弗羅奎茲(Floquent)模式散射技術以達成所要射頻(RF)效能及使用帶狀線歧管以消除系統諧振。再者，需要多個層積循環以製造印刷電路板堆疊之所有層。相應地，習知相控陣列天線印刷板堆疊與不適合於在使用低成本大量消費性電子產品之寬頻帶無線網際網路存取中使用的高製造成本及材料成本相關聯。

天線罩可用以保護天線板堆疊免受天氣要素諸如雨、雪及/或碎屑累積侵襲。天線罩通常係自一昂貴多層結構組裝及與天線板堆疊隔開兩個波長以達成合理RF效能。儘管天線罩可保護天線板堆疊，但天線罩之外表面上之水及/或雪之聚集會不當影響到實施於下方之天線板堆疊上的相控陣列天線之RF效能。為了解決天線罩之外表面上之水及/或雪之聚集，天線罩可具有彎曲表面，其增加天線罩之實體 體積及歸因於天線罩上之入射電磁場之增加入射角而降低RF效能。相應地，習知天線罩與不適合於在使用低成本大量消費性電子產品之寬頻帶無線網際網路存取中使用的高製造成本及材料成本相關聯。

另外，一罩殼可用以容置及支撐天線板堆疊於一地表面上方以及保護未由天線罩覆蓋之天線板堆疊之曝露表面免受天氣要素侵襲。當與天線板堆疊之一底面直接接觸時，該罩殼會產生負面影響天線板堆疊之RF效能的諧振蘊涵。

本發明之一態樣提供一種相控陣列天線，其包含一天線板堆疊、一天線罩及一罩殼。該天線板堆疊界定一底端與一頂端之間的一厚度且包含一中心層、一底部多層天線單元及一頂部多層天線單元。該中心層包含一底面及安置於該中心層之與該底面相對立之一側上的一頂面且界定一對稱軸，該對稱軸平分該底面及該頂面以將該天線板堆疊之該厚度分成兩半。該底部多層天線單元界定該中心層之該底面與該天線板堆疊之該底端之間的一底部厚度，該底部多層天線單元包含各自與相距於該對稱軸之一不同距離相關聯的兩個隔開底部金屬層。該頂部多層天線單元界定該中心層之該頂面與該天線板堆疊之該頂端之間的一頂部厚度，其實質上等於該底部多層天線單元之該底部厚度。該頂部多層天線單元包含各自與相距於與該等底部金屬層相關聯之該對稱軸之該等距離之一對應者相關聯的兩個隔開頂部金屬層。該天線罩經組態以覆蓋該天線板堆疊之該頂端且包含一外表面及一內表面，該內表面安置於該天線罩之與該外表面相對立之一側上且與該天線板堆疊之該頂端相對立。該罩殼經組態以支撐該天線板堆疊於一地表面上方且包含與該天線板堆疊之該底端相對立之一內表面及安置於該罩殼之與該內表面相對立之一側上的一踏地表面。

本發明之實施方案可包含以下選用特徵之一或多者。在一些實 施方案中，該底部多層天線單元包含一第一底部金屬層、一第二底部金屬層、一第一底部介電間隔物、一射頻歧管層及一第二底部介電間隔物。該第一底部金屬層安置於該中心層之該底面上及該第一底部介電間隔物安置於該第一底部金屬層與該第二底部金屬層之間。該射頻歧管層安置於該天線結構之該底端處及該第二底部介電間隔物安置於該第二金屬層與該射頻歧管層之間。該頂部多層天線單元可包含：一第一頂部金屬層，其安置於該中心層之該頂面上且包含實質上等於該第一底部金屬層之一厚度的一厚度；一第二頂部金屬層，其包含實質上等於該第二底部金屬層之一厚度的一厚度。該第二多層天線單元亦可包含：一第一頂部介電間隔物，其使該第一頂部金屬層與該第二頂部金屬層分離且包含實質上等於該第一底部介電間隔物之一厚度的一厚度；及一第二頂部介電間隔物，其安置於該第二頂部金屬層之與該第一頂部介電間隔物相對立之一側上且包含實質上等於該第二底部介電間隔物之一厚度的一厚度。

在一些實例中，該第一底部金屬層、該第一頂部金屬層及該第二頂部金屬層各自包括一對應天線。該第二底部金屬層可包含由該等天線之各者共用之一地平面。該等天線之各者可包含一不同金屬圖案。該天線總成可包含電安置於由與該等天線之至少一者相關聯的該金屬圖案界定之金屬補片之間的一或多個交叉偶極。該第一底部金屬層及該第二底部金屬層、該第一頂部金屬層及該第二頂部金屬層及該射頻歧管層可藉由在該天線板堆疊之該頂端與該底端之間延伸的至少一探針饋送通孔連接。

在一些實施方案中，該第一底部介電間隔物包含：一第一底部預浸層，其安置於該第一底部金屬層之與該中心層相對立之一側上；一第二底部預浸層，其安置於該第二底部金屬層上；及一第一底部核心層，其安置於該第一底部預浸層與該第二底部預浸層之間。該第二 底部介電間隔物可包含：一第二底部核心層，其安置於該第二底部金屬層之與該第二底部預浸層相對立之一側上；及一第三底部預浸層，其安置於該第二底部核心層與該射頻歧管層之間。該第一頂部介電間隔物可包含：一第一頂部預浸層，其安置於該第一頂部金屬層之與該中心層相對立之一側上；一第二頂部預浸層，其安置於該第二頂部金屬層上；及一第一頂部核心層，其安置於該第一頂部預浸層與該第二頂部預浸層之間。該第二頂部介電間隔物可包含：一第二頂部核心層，其安置於該第二頂部金屬層之與該第二頂部預浸層相對立之一側上；及一第三頂部預浸層，其安置於該天線板堆疊之該頂端處在該第二頂部核心層之一相對立側上。

在一些實例中，該第一底部核心層、該第一頂部核心層及該中心層之厚度實質上相等。該第二底部核心層與該第二頂部核心層之厚度可實質上相等。該第一底部預浸層及該第二底部預浸層與該第一頂部預浸層及該第二頂部預浸層之厚度可實質上相等，且該第三底部預浸層及該第三頂部預浸層之厚度可實質上相等。

該射頻歧管層可包含由經形成於該第三底部預浸層上的一導電微帶線形成之一被動分離器/組合器。該天線總成可進一步包含一控制路由導電層，其安置於該第二底部核心層與該第三底部預浸層之間。該控制路由導電層可由經形成穿過該第三底部預浸層之一第一控制深度通孔連接至該射頻歧管層。該射頻歧管層可由經形成穿過該第三底部預浸層、該控制路由導電層及該第二底部核心層之一第二控制深度通孔連接至該第二底部金屬層。

在一些實例中，一或多個支撐構件自該罩殼之該內表面延伸且與該天線板堆疊之該底端接觸，以界定該罩殼與該天線板堆疊之該底端之間的一底部氣隙。在一些實例中，該天線罩由一或多個塑膠材料形成，且該天線罩之該外表面可塗佈有一疏水性材料。該天線罩及該 天線板堆疊之該頂端可由一頂部氣隙分離。

該天線罩可包含自該內表面延伸之一或多個支撐構件，其經組態以支撐該天線板堆疊之該頂端上之該天線罩且界定使該天線罩與該天線板堆疊之該頂端分離的該頂部氣隙。該天線罩之該外表面可經彎曲以促進水及雪流掉。該天線罩及該天線板堆疊可相對於該罩殼之該內表面及踏地表面傾斜以促進水及雪流掉。該天線板堆疊可圍繞一中心軸旋轉達對應於該天線板堆疊之該斜率的一量，以依該天線板堆疊之一最寬掃描角度將一光柵瓣放置最遠。

本發明之另一態樣提供一第二陣列天線。該天線包含一堆疊印刷電路板之一中心層、該堆疊印刷電路板之一底部及該堆疊印刷電路板之一頂部。該中心層包含一底面及安置於該中心層之與該底面相對立之一側上的一頂面。該底部界定在該中心層之該底面與該堆疊印刷電路板之一底端之間延伸的一底部厚度。該底部包含與該中心層之該底面相對立接觸之一第一天線層及與該第一天線層隔開之一地平面層。該頂部界定在該中心層之該頂面與該堆疊印刷電路板之一頂端之間延伸的一頂部厚度。該頂部包含一第二天線層及一第三天線層，該第二天線層與該中心層之該頂面相對立接觸，該第三天線層與該第二天線層隔開且與該中心層之該頂面分離達實質上等於該地平面層與該中心層之該底面分離之一距離的一距離。由該堆疊印刷電路板之該頂部界定之該頂部厚度與由該堆疊印刷電路板之該底部界定之該底部厚度實質上相等。

此態樣可包含以下選用特徵之一或多者。該第一天線層、該第二天線層及該第三天線層可各自包含一相關聯金屬補片圖案。與該第一天線層、該第二天線層或該第三天線層相關聯的該等金屬補片圖案之至少一者可不同。一或多個交叉偶極可電放置於該等天線層之至少一者之金屬補片之間以在一第一方向上及正交於該第一方向之一第二 方向上產生電場線。

該天線可包含：一第一底部介電層，其使該第一天線層與該地平面層分離；一射頻歧管層，其安置於該堆疊印刷電路板之該底端處；一第二底部介電層，其使該射頻歧管層與該地平面層分離；一第一頂部介電層，其使該第二天線層與該第三天線層分離；及一第二頂部介電層，其安置於該堆疊印刷電路板之該頂端處。該第一頂端介電層及該第一底部介電層可包含不同於該第二頂部介電層及該第二底部介電層之該介電厚度的一介電厚度。該第一底部介電層、該第一頂部介電層、該第二底部介電層及該第二頂部介電層可由印刷電路板材料形成。

在一些實例中，該射頻歧管層、該地平面層、該第一天線層、該第二天線層及該第三天線層由在該堆疊印刷電路板之該底端與該頂端之間延伸的至少一探針饋送通孔連接。該射頻歧管層及該地平面層可進一步由經形成穿過該第二底部介電層之一第一控制深度通孔連接。

在一些實施方案中，該天線包含一控制路由導電層，其形成於該第二底部介電層內且由經形成穿過該控制路由導電層與該射頻歧管層之間的該第二底部介電層之一部分的一第二控制深度通孔連接至該射頻歧管層。該控制路由導電層或該射頻歧管層之至少一者可由印刷於該第二底部介電層上的一導電微帶線形成。

在以下附圖及「實施方式」中闡述本發明之一或多個實施方案之細節。吾人自「實施方式」及圖式及自申請專利範圍當明白其他態樣、特徵及優點。

1D-1D‧‧‧線

1F-1F‧‧‧線

10‧‧‧地表面

100‧‧‧相控陣列天線總成

100a至100d‧‧‧相控陣列天線總成

101‧‧‧頂部氣隙

102‧‧‧天線罩

103‧‧‧底部氣隙

104‧‧‧外表面

106‧‧‧內表面

108‧‧‧支撐構件

110‧‧‧罩殼

112‧‧‧踏地表面

114‧‧‧內表面表面

116‧‧‧支撐構件

190‧‧‧縱向線

192‧‧‧斜率

194‧‧‧中心軸

200‧‧‧天線板堆疊/堆疊印刷電路板

201‧‧‧對稱軸

202‧‧‧底端

204‧‧‧頂端

206‧‧‧頂部多層天線單元/頂部

208‧‧‧底部多層天線單元/底部

210a‧‧‧第一底部金屬層

210b‧‧‧第二底部金屬層/地平面層/地平面

210c‧‧‧第一頂部金屬層

210d‧‧‧第二底部金屬層

212a‧‧‧第一底部介電間隔物/第一底部介電層

212b‧‧‧第二底部介電間隔物/第二底部介電層

212c‧‧‧第一頂部介電間隔物/第一頂部介電層

212d‧‧‧第一頂部介電間隔物/第一頂部介電層

213‧‧‧頂面

214a‧‧‧中心層

214b‧‧‧第一底部核心層/基板核心層

214c‧‧‧第二底部核心層/基板核心層

214d‧‧‧第一頂部核心層/基板核心層

214e‧‧‧第二頂部核心層/基板核心層

215‧‧‧底面

216a‧‧‧第一底部預浸層/預浸漬複合纖維層

216b‧‧‧第二底部預浸層/預浸漬複合纖維層

216c‧‧‧第三底部預浸層/預浸漬複合纖維層

216d‧‧‧第一頂部預浸層/第二頂部介電層/預浸漬複合纖維層

216e‧‧‧第二頂部預浸層/預浸漬複合纖維層

216f‧‧‧第三頂部預浸層/預浸漬複合纖維層

218‧‧‧射頻(RF)歧管層/微帶歧管層

220‧‧‧控制路由導電層

222‧‧‧探針饋送通孔

222a至222b‧‧‧探針饋送通孔

224‧‧‧控制深度通孔

224a‧‧‧第一控制深度通孔

224b‧‧‧第二控制深度通孔

300‧‧‧輻射元件層/天線

300a‧‧‧第一天線層/輻射元件層/天線

300b‧‧‧第二天線層/輻射元件層/天線

300c‧‧‧第三天線層/輻射元件層/天線

302a‧‧‧第一系列狹槽

302b‧‧‧第二系列狹槽

302c‧‧‧第三系列狹槽

310‧‧‧交叉偶極

312‧‧‧水平偶極

314‧‧‧垂直偶極

400‧‧‧電場圖案

400a至400b‧‧‧電場圖案

402‧‧‧區域

404‧‧‧區域

500‧‧‧天線

500a至500b‧‧‧天線

502‧‧‧狹槽

510‧‧‧交叉偶極

600‧‧‧電場圖案

600a至600b‧‧‧電場圖案

602a‧‧‧區域

602b‧‧‧區域

604a‧‧‧區域

604b‧‧‧區域

D₁‧‧‧距離

D₂‧‧‧距離

T‧‧‧厚度

T_B‧‧‧底部厚度

T_T‧‧‧頂部厚度

圖1A係包含覆蓋一天線板堆疊之一天線罩且具有一實質上扁平外表面的一實例性相控陣列天線總成之一示意圖。

圖1B係包含覆蓋一天線板堆疊之一天線罩且具有一彎曲外表面的一實例性相控陣列天線總成之一示意圖。

圖1C係包含覆蓋一天線板堆疊之一天線罩且包含界定該天線罩與該天線板堆疊之間的一氣隙之複數個支撐構件的一實例性相控陣列天線總成之一示意圖。

圖1D係沿圖1C之線1D-1D取得之一橫截面圖，其展示界定該複數個支撐構件及一非均勻內表面之一實例性圖案。

圖1E係包含覆蓋一天線板堆疊之一天線罩的一實例性相控陣列天線總成之一示意圖，其中該天線罩及該天線板堆疊相對於一地表面傾斜。

圖1F係沿圖1E之線1F-1F取得之一橫截面圖，其展示該天線板堆疊圍繞一中心軸旋轉達對應於該天線板堆疊相對於該地表面之斜率的一量。

圖2係實施一相控陣列天線之一實例性天線板堆疊的一示意圖。

圖3A係圖2之天線板堆疊之一第一天線層的一示意圖。

圖3B係圖2之天線板堆疊之一第二天線層的一示意圖。

圖3C係圖2之天線板堆疊之一第三天線層的一示意圖。

圖4A展示在圖3B之第二天線層上方模擬的一電場圖案。

圖4B展示在圖3C之第三天線層上方模擬的一電場圖案。

圖5A展示具有電安置於由金屬圖案界定之小金屬插線之間的交叉偶極之一天線之一實例性金屬圖案。

圖5B展示不具有電安置於由金屬圖案界定之小金屬插線之間的交叉偶極之一天線之一實例性金屬圖案。

圖6A展示包含圖5A之天線之一水平方向上及一垂直方向上之電場線的一電場圖案。

圖6B展示僅包含圖6A之天線之一方向上之電場線的一電場圖 案。

各種圖式中之相同元件符號指示相同元件。

參考圖1A至圖1F，在一些實施方案中，一相控陣列天線總成100、100a至100d包含：一天線板堆疊200；一天線罩102，其覆蓋天線板堆疊200；及一罩殼110，其支撐天線板堆疊200於一地表面10。天線板堆疊200包含實施於一多層印刷電路板(PCB)堆疊上之一相控陣列天線。天線板堆疊200可包含與天線罩102相對立之一頂端204及與罩殼110相對立之一底端202。天線板堆疊200可界定在頂端204與底端202之間延伸的一厚度。在一些實施方案中，天線板堆疊200係一可操縱主動電子掃描陣列(AESA)天線，其包含依一給定頻率達成需要天線指向性之三個隔開天線300、300a至300c(圖2)。在一些實例中，天線板堆疊200允許具有寬分率頻寬(例如，大於百分之20)及寬掃描效能(例如，+/- 45度)之任意雙極化。在一些實例中，一射頻(RF)歧管層218(圖2)安置於天線板堆疊200之底端202處。該天線板堆疊可包含使用低成本積體電路之主動相位移位器電路。在一些組態中，天線板堆疊200可使用具有一被動網路之多晶片模組以在一接收模式下組合各晶片模組之輸出或將一共同輸入分開以在一傳輸模式下驅動各晶片模組(即，RF歧管)。天線板堆疊200或與該天線板堆疊通信之一單獨子機板(圖中未展示)可包含電源管理特徵部、用於各天線300之相位及增益控制、RF升降轉換、一數據機及/或其他數位通信硬體。

罩殼110可包含與天線板堆疊200之底端202相對立之一內表面114及安置於罩殼110之與內表面114相對立之一側上的一踏地表面112。罩殼110可保護未由天線罩102覆蓋之天線板堆疊200之曝露表面免受天氣要素諸如雨、雪及/或碎屑累積侵襲。一低成本有損耗介電材料可貼附於罩殼110以抑制微帶空腔諧振。在一些實施方案中，罩殼110 包含一或多個支撐構件116(例如，足部)，其等自內表面114延伸且與天線板堆疊200之底端202接觸以支撐天線板堆疊200於地表面10上方且界定罩殼110與天線板堆疊200之底端202之間的一底部氣隙103。底部氣隙103結合一有損耗材料及金屬圍封殼可抑制天線板堆疊200之底端202與總體罩殼110之間的諧振。例如，底部氣隙103可抑制安置於天線板堆疊200之底端202處之RF歧管層218與罩殼110之間的諧振，其否則將負面影響天線板堆疊200之RF效能。更具體而言，抑制微帶空腔諧振之該有損耗介電層允許使用一低成本微帶歧管替代一高成本帶狀線歧管。高成本帶狀線歧管通常需要多層積非平衡印刷電路板。

天線板堆疊200可在戶外使用及天線罩102可用以保護天線板堆疊200免受天氣要素諸如雨、雪及/或碎屑累積侵襲。天線板堆疊200可包含一外表面104及安置於天線罩102之與外表面104相對立之一側上且與天線板堆疊200之頂端204相對立的一內表面106。在一些實施方案中，天線罩102與天線板堆疊200協同設計以依一所要分率頻寬達成需要天線指向性。相應地，天線罩102可與天線板堆疊200整合且在無需使用昂貴多層天線罩(諸如一C狀夾層天線罩)之情況下由一或多個低成本塑膠(諸如聚苯乙烯)形成。天線板堆疊200可係一平衡天線板堆疊200，其中天線罩102經組態以保護平衡天線板堆疊200之輻射元件。天線罩102與天線板堆疊200之(若干)輻射元件之組合導致具有一相對寬掃描量及頻寬之相控陣列天線總成100。

在一些實施方案中，一頂部氣隙101界定於天線罩102之內表面106與天線板堆疊200之頂端204之間以允許跨越掃描角度之天線之阻抗控制。參考圖1A及圖1B，在一些實例中，罩殼110支撐天線罩102於天線板堆疊200之頂端204上方，其中頂部氣隙101使頂端204與內表面106分離。在其他實例中，圖1C及圖1E展示自天線罩102之內表面106延伸之一或多個支撐構件108，其支撐天線板堆疊200之頂端204上 之天線罩102且界定使頂端204與內表面106分離的頂部氣隙101。支撐構件108可與天線罩102一體地形成。例如，圖1D係沿圖1C之線1D-1D取得之一橫截面圖，其展示形成於透過天線罩102之內表面106之一圖案中，以界定支撐構件108的複數個凹部。凹部提供非均勻性至天線罩102之內表面106且凹部之圖案可經選定與天線板堆疊200一起使用以提供需要天線RF效能。

參考圖1A及圖1C，在一些實施方案中，天線罩102之外表面104可係實質上扁平及與地表面10共面。然而，扁平外表面104可准許水及/或雪累積及藉此不當影響到天線板堆疊200之RF效能。當天線罩102由塑膠(例如，聚苯乙烯)形成時，外表面104可塗佈有一疏水性塗層以防止水及/或雪累積。參考圖1B，在其他實施方案中，天線罩102之外表面104可經彎曲以促進水及雪流掉。參考圖1E，在一些實施方案中，天線罩102及天線板堆疊200之頂端204相對於罩殼110之內表面114及踏地表面112傾斜以促進水及/或雪自天線罩102之外表面104及/或天線板堆疊200之頂端204流掉。圖1E展示天線罩102及天線板堆疊200之頂端204相對於實質上平行於地表面10延伸之一縱向線190之斜率192。在此等實施方案中，天線板堆疊200可包含一楔形形狀且頂部氣隙101在天線罩102之內表面106與天線板堆疊200之頂端204之間可係實質上恆定。儘管使天線罩及天線板堆疊200傾斜可防止天氣要素收集於天線板堆疊200之頂端204及天線罩102之外表面104上，但因此斜率192之度需要天線板堆疊200在斜率192之方向上之一更大掃描角度及達到滿足掃描要求之斜率192之一量。天線板堆疊200可對準使得由天線板堆疊200輻射之一光柵瓣依最寬掃描角度出現以補償由天線板堆疊200之斜率192之該量需要之該更大掃描角度。圖1F係沿圖1E之線1F-1F取得之一橫截面圖，其展示天線板堆疊200圍繞天線板堆疊200之一中心軸194旋轉(例如，順時針)。此處，天線板堆疊200可圍 繞中心軸194相對於天線板堆疊200之斜率192旋轉達對應於45度之一量，以依最寬掃描角度放置該光柵瓣。相對於斜率192之方向旋轉天線板堆疊200達45度將該光柵瓣放置成在斜率192之方向上儘可能遠離以允許該方向上之額外掃描補償天線板堆疊200及天線罩102之斜率。

參考圖2，在一些實施方案中，天線板堆疊200包含一底部多層天線單元208(下文稱為「底部208」)、一頂部多層天線單元206(下文稱為「頂部206」)及安置於底部208與頂部206之間的一中心層214a。天線板堆疊200可界定底端202與頂端204之間的一厚度T。在一些實施方案中，一阻焊層應用於天線板堆疊200之底端202及頂端204。底端202及頂端204之各者處之該阻焊層可係0.5密耳(例如，0.0005吋)。中心層214a可包含一底面215及安置於中心層214a之與底面215相對立之一側上的一頂面213。一對稱軸201可平分中心層214a之底面215及頂面213以將天線板堆疊200之厚度T分成兩半。天線板堆疊200之底部208可界定中心層214a之底面215與天線板堆疊200之底端202之間的一底部厚度T_B。天線板堆疊200之頂部206可界定中心層214a之頂面213與該天線板堆疊之頂端204之間的一頂部厚度T_T。底部厚度T_B及頂部厚度T_T可實質上相等且圍繞中心層214a平衡且亦圍繞對稱軸201平衡。

天線板堆疊200包含四個隔開金屬層210a至210d及與金屬層210a至210d之各者相對立接觸之中心層214a或介電間隔物層212a至212d之至少一者。金屬層210a至210d可由諸如銅之導電金屬形成。介電間隔物層212a至212d可由諸如阻焰劑4(FR4)玻璃環氧樹脂複合物之印刷電路板材料形成且對於依低於大約15GHz之頻率之需要天線效能包含在大約3.0至大約5之範圍中的介電常數。各介電間隔物層212a至212d可包含一基板核心層214b至214e及至少一預浸漬複合纖維層216a至216f(下文稱為「預浸層216a至216f」)。

金屬層210a至210d及介電層212a至212d可圍繞中心層214a同等平衡以防止天線板堆疊200之翹曲。如本文所使用，圍繞中心層214a同等平衡金屬層210a至210d及介電間隔物層212a至212d指稱包含一相等數目之金屬層210a至210d及介電間隔物層212a至212d的天線板堆疊200之頂部206及底部208，其中金屬層210a至210d及介電間隔物層212a至212d之對應者移位達距離中心層214a之頂面213或底面215之對應者之實質上相同距離。平衡天線板堆疊200允許依一給定頻率達成需要天線指向性所需之總層之數目最小化。另外，且將變得更明顯，平衡天線板堆疊200消除製造中之多個層積循環之需要。因此，平衡天線板堆疊200防止翹曲及藉由減少層之總數目且消除製造天線板堆疊200之多個層積循環之需要而降低製造成本。

天線板堆疊200之底部208可包含：一第一底部金屬層210a，其與中心層214a之底面215相對立接觸且具有距離對稱軸201之一第一距離D₁；及一第二底部金屬層210b，其與第一底部金屬層210a隔開且具有距離對稱軸201之一第二距離D₂。類似地，天線板堆疊200之頂部206可包含：一第一頂部金屬層210c，其與中心層214a之頂面213相對立接觸且具有距離對稱軸201之第一距離D₁；及一第二頂部金屬層210d，其與第一頂部金屬層210c隔開且具有距離對稱軸201之第二距離D₂。第一底部金屬層210a與第二底部金屬層210b之厚度可實質上相同，且第一頂部金屬層210c與第二頂部金屬層210d之厚度可實質上相同。

天線板堆疊200之頂部206可包含兩個介電間隔物，其等包含一第一頂部介電層212c及一第二頂部介電層212d。第一頂部介電層212c可安置於第一頂部金屬層210c與第二頂部金屬層210d之間。第二頂部介電層212d可安置於第二頂部介電層210d之與第一頂部介電層212c相對立之一側上。

天線板堆疊200之底部208亦可包含兩個介電間隔物，其等包含一第一底部介電層212a及一第二底部介電層212b。第一底部介電層212a可安置於第一底部金屬層210a與第二底部金屬層210b之間。第一底部介電層212a可包含實質上等於頂部206之第一頂部介電層212c之一厚度的一厚度。第二底部介電層212b可安置於第二底部介電層212b與安置於天線板堆疊200之底端202處的RF歧管層218之間。第二底部介電層212b可包含實質上等於頂部206之第二頂部介電層212d之一厚度的一厚度。

在一些實施方案中，底部208之第一底部介電層212a包含：一第一底部預浸層216a，其安置於第一底部金屬層210a之與中心層214a相對立之一側上；一第二底部預浸層216b，其安置於第二底部金屬層210b上；及一第一底部核心層214b，其安置於第一底部預浸層216a與第二底部預浸層216b之間。底部208之第二底部介電層212b可包含：一第二底部核心層214c，其安置於第二底部金屬層210b之與第二底部預浸層216相對立之一側上；及一第三底部預浸層，其安置於該第二底部核心層214c與RF歧管層218之間。

在一些實例中，頂部206之第一頂部介電層212c包含：一第一頂部預浸層216d，其安置於第一頂部金屬層210c之與中心層214a相對立之一側上；一第二頂部預浸層216e，其安置於第二頂部金屬層210d上；及一第一頂部核心層214d，其安置於第一頂部預浸層216d與第二頂部預浸層216e之間。頂部206之第二頂部介電層216d可包含：一第二頂部核心層214e，其安置於第二頂部金屬層210d之與第二頂部預浸層216e相對立之一側上；及一第三頂部預浸層216f，其安置於天線板堆疊200之頂端204處在第二頂部核心層214e之與第二頂部金屬層210d相對立之一側上。

在一些實施方案中，中心層214a、第一底部核心層214b及第一頂 部核心層214d之厚度(例如，介電厚度)實質上相等，且第二底部核心層214c與第二頂部核心層214e之厚度實質上相等。在一些實例中，與核心層214c、214e之各者相關聯之厚度係小於與核心層214a、214b、214d之各者相關聯之厚度。在一些實施方案中，第一底部預浸層216a及第二底部預浸層216b與第一頂部預浸層216d及第二頂部預浸層216e之厚度(例如，介電厚度)實質上相等(例如，大約4.0密耳)，及第三底部預浸層216c與第三頂部預浸層216f之厚度實質上相等且小於第一頂部預浸層216d及第二頂部預浸層216e之厚度。在一些實例中，與預浸層216c、216f之各者相關聯之厚度係小於與預浸層216a、216b、216d、216e之各者相關聯之厚度。如本文所使用，一「密耳」係等於一吋之0.001的一長度單位。

天線板堆疊200可包含安置成接近於天線板堆疊200之底端202之所有主動組件及被動組件，同時頂端204面向天線輻射之方向。在一些實施方案中，RF歧管層218安置於底端202處且包含自形成於第二底部介電層212b上之微帶傳輸線實施之一被動分離器/組合器。RF歧管層218可構建為一反應網路或具有使用習知表面安裝電阻器之威金森(Wilkinson)分離器/組合器。亦可使用位於底端202處之RF歧管層218來實施用於天線板堆疊200之控制及路由或安置於第二底部核心層214c與第三底部預浸層216c之間的一控制路由導電層220可提供控制及路由。控制路由導電層220可包含形成於第二底部核心層214c或第三底部預浸層216c上之一微帶線。例如，與控制路由導電層220相關聯的該微帶線可印刷於第二底部核心層214c或第三底部預浸層216c上。RF歧管層218及控制路由導電層220與金屬之相對稀疏層相關聯。相應地，對應於控制路由導電層220之一金屬層可安置於頂部206之第二頂部核心層214e與第三頂部預浸層216f之間及對應於RF歧管層218之另一金屬層可安置於頂端204處以平衡圍繞中心層214a之金屬密 度。然而，圖2展示(例如)藉由蝕刻移除之此等對應金屬層。

在一些實例中，天線板堆疊200包含具有三個輻射元件層300、300a至300c之一平衡印刷電路板堆疊、一地平面210b及微帶歧管層218。在一些實施方案中，第一底部金屬層210a、第一頂部金屬層210c及第二頂部金屬層210d各自包含一對應天線300、300a至300c，及第二底部金屬層210b包含由天線300及安置於天線板堆疊200之底端202處之RF歧管層218之各者共用之地平面210b。相應地，天線板堆疊200不需要使用透過多個內部通孔連接之多個地平面，藉此允許使用一單一層積循環來製造該天線板堆疊，且因此降低製造之成本。在一些實例中，至少一探針饋送通孔222、222a至222b在天線板堆疊200之底端202與頂端204之間延伸，且將各天線300a至300c、RF歧管層218及地平面210b連接在一起用於分配RF信號。探針饋送通孔222可藉由透過天線板堆疊鑽一孔及使用金屬填滿該孔而形成。環氧樹脂亦可視情況填充探針饋送通孔222。天線板結構之頂端204處之通孔突出段可基於天線RF要求而背鑽(back-drilled)或留在原處。

在一些實例中，RF歧管層218使用控制深度通孔224、224a至224b連接至控制路由導電層220及地平面210b。例如，一第一控制深度通孔224a可經形成穿過射頻歧管層218與地平面層210b之間的第二底部介電層212b以將射頻歧管層218連接至地平面210b。具體而言，第一控制深度通孔224a可經形成穿過第三底部預浸層216c、控制路由導電層220及第二底部核心層214c。一第二控制深度通孔224b亦可經形成穿過射頻歧管層218與控制路由導電層220之間的第三底部預浸層216c以將射頻歧管層218連接至控制路由導電層220。具有小介電厚度之第三底部預浸層216c及第二底部核心層214c允許第一控制深度通孔224a包含第三底部預浸層216c及第二底部核心層214c之組合介電厚度之大約1.25倍之一直徑。第二控制深度通孔224b可包含第三底部預浸 層216c之介電厚度之大約1.25倍之一直徑。可使用一雷射對控制深度通孔224鑽孔且視情況填滿金屬以提供一標準高密度互連方法。

與第一底部金屬層210a(例如，第一天線層300a)、第一頂部金屬層210c(例如，第二天線層300b)及第二頂部金屬層210d(例如，第三天線層300c)相關聯的天線300提供可使用天線罩102調諧以提供具有任意雙極化之寬掃描效能(例如，+/- 45度)及寬分率頻寬(例如，大於百分之20)之相控陣列天線。在一些實施方案中，天線層300包含槽式天線孔隙。第一天線層300a包含可形成於中心層214a之底面215或第一底部介電層212a上之一對應第一金屬層。第二天線層300b包含可形成於中心層214a之頂面213或第一頂部介電層212c上之一對應第二金屬層。第三天線層300c包含可形成於第二頂部核心層214e上或第一頂部介電層212c之與第二天線層300b相對立之一側上的一對應第三金屬層。天線層300之至少一者可與一不同金屬圖案相關聯。

參考圖3A至圖3C，在一些實施方案中，各天線層300a至300c包含由經形成穿過相關聯金屬層210a、210c、210d之狹槽302a至302c界定之一不同對應金屬圖案。與天線300之各者相關聯的金屬圖案可協作以提供用於實施於天線板堆疊200上之相控陣列天線的較高階弗羅奎茲模式散射。狹槽302a至302c可藉由蝕刻及/或切割而形成以界定金屬圖案。與天線300相關聯之金屬層210a、210c、210d可包含實質上方形或平面金屬板。例如，金屬板可由諸如銅之導電金屬形成。在一些實例中，各金屬層210a、210c、210d包含一方形板，其在各側上包含高達一半波長之一長度。

圖3A展示與由經形成穿過第一底部金屬層210a之一第一系列狹槽302a界定之第一金屬圖案相關聯的第一天線層300a。因此，第一金屬圖案與由經形成穿越其之第一系列狹槽302a分離之第一底部金屬層210a之複數個金屬補片相關聯。第一系列狹槽302a既可垂直且可水平 延伸以界定第一天線層300a之第一金屬圖案以實現雙極化。圖3A展示經形成穿過第一底部金屬層210a之正交金屬補片之相關聯者之探針饋送通孔222。

圖3B展示與由經形成穿過第一頂部金屬層210c之一第二系列狹槽302b界定之第二金屬圖案相關聯的第二天線層300b。如同圖3A之第一天線層300a之第一金屬圖案，該第二金屬圖案與由經形成穿越其之第二系列狹槽302b分離之第一頂部金屬層210c之複數個金屬補片相關聯。圖3B展示既垂直且水平延伸以界定第二天線層300b之第二金屬圖案以實現雙極化的第二系列狹槽302b。探針饋送通孔222可經形成穿過第一頂部金屬層210c之正交金屬補片之相關聯者。

圖3C展示與由經形成穿過第二頂部金屬層210d之一第三系列狹槽302c界定之第三金屬圖案相關聯的第三天線層300c。如同圖3A之第一天線層300a之第一金屬圖案及圖3B之第二天線層300b之第二金屬圖案，該第三金屬圖案與由經形成穿越其之第二系列狹槽302b分離之第二頂部金屬層210d之複數個金屬補片相關聯。圖3C展示既垂直且水平延伸以界定第三天線層300c之第三金屬圖案以實現雙極化的第三系列狹槽302c。在一些實施方案中，交叉偶極310、水平偶極312或垂直偶極314之至少一者可安置於第二頂部金屬層210d之金屬補片之間的第三系列狹槽302c內。偶極310、312、314可產生指示較高階弗羅奎茲模式之電場。在一些實例中，替代地形成金屬補片，且金屬補片包含與偶極310、312、314之對應者相關聯的形狀。探針饋送通孔222可經形成穿過第二頂部金屬層210d之正交金屬補片之相關聯者。

圖4A及圖4B展示在各自提供較高階弗羅奎茲模式散射以及探針饋送通孔222周圍之電場的第二天線層300b及第三天線層300c之各自者上方模擬之電場圖案400、400a至400b。圖4A展示在第二天線層300b上方0.004吋模擬之一第一電場圖案400a。區域402內之電場線指 示由與第二天線層300b相關聯的第二金屬圖案(圖3B)提供之較高階弗羅奎茲模式散射。圖4B展示在第三天線層300c上方0.004吋模擬之一第二電場圖案400b。區域404內之電場線指示由與第三天線層300c相關聯的第三金屬圖案(圖3C)提供之較高階弗羅奎茲模式散射。

圖5A及圖5B展示各自包含由經形成穿過一金屬層210之一系列狹槽502界定之一相同金屬圖案的實例性天線500、500a至500b。圖5A之天線500a包含安置於金屬層210之小電金屬補片之間的狹槽502內之交叉偶極310。然而，圖5B之天線500b不包含交叉偶極510。

參考圖6A及圖6B，在圖5A及圖5B之天線500之各自者上方模擬之電場圖案600、600a至600b展示：包含交叉偶極510之天線500a提供比不具有交叉偶極之天線500b高的一高階弗羅奎茲模式散射。例如，圖6A之電場圖案600a展示在區域602a及604a內之一水平方向及一垂直方向兩者上產生電場線的天線500a之交叉偶極510。相比而言，圖6B之電場圖案600b展示與相同金屬圖案相關聯但不具有交叉偶極的僅在區域602b、604b內之一方向上(例如，相對於圖6B之視圖之垂直方向)產生電場線的天線500b。在一些實施方案中，藉由將交叉偶極510併入金屬層210a至210d之金屬補片之間以產生具有正交電場線(例如，水平方向及垂直方向兩者上之電場線)之電場圖案600a，天線500a提供更消散之弗羅奎茲模式，及因此比與不具有交叉偶極之天線500b相關聯的弗羅奎茲模式更高階。另外，弗羅奎茲模式之增加消散期望減少天線500a之掃描及頻率上之可變性。

已描述若干實施方案。然而，應瞭解可在不背離本發明之精神及範疇之情況下實行各種修改。相應地，其他實施方案係在以下申請專利範圍之範疇內。

10‧‧‧地表面

100‧‧‧相控陣列天線總成

100a‧‧‧相控陣列天線總成

101‧‧‧頂部氣隙

102‧‧‧天線罩

103‧‧‧底部氣隙

104‧‧‧外表面

106‧‧‧內表面

110‧‧‧罩殼

112‧‧‧踏地表面

114‧‧‧內表面表面

116‧‧‧支撐構件

200‧‧‧天線板堆疊/堆疊印刷電路板

202‧‧‧底端

204‧‧‧頂端

Claims (30)

1. 一種相控(phased)陣列天線總成，其包括：一天線板堆疊，其界定一底端與一頂端之間的一厚度，該天線板堆疊包括：一中心層(central core layer)，其包含一底面及安置於該中心層之與該底面相對立之一側上的一頂面，且界定一對稱軸，該對稱軸平分該底面及該頂面以將該天線板堆疊之該厚度分成兩半；一底部多層天線單元，其界定該中心層之該底面與該天線板堆疊之該底端之間的一底部厚度，該底部多層天線單元包括與該中心層之該底面相對立直接接觸(in opposed direct contact)之一第一底部金屬層及自該第一底部金屬層及該天線板堆疊之該底端二者隔開之一第二底部金屬層，該第一底部金屬層及該第二底部金屬層各自與相距於該對稱軸之一不同距離相關聯；及一頂部多層天線單元，其界定該中心層之該頂面與該天線板堆疊之該頂端之間的一頂部厚度，其實質上等於該底部多層天線單元之該底部厚度，該頂部多層天線單元包括各自與相距於與該等底部金屬層相關聯之該對稱軸之該等距離之一對應者相關聯的兩個隔開頂部金屬層；一天線罩(radome)，其經組態以覆蓋該天線板堆疊之該頂端，該天線罩包含一外表面及一內表面，該內表面安置於該天線罩之與該外表面相對立之一側上且與該天線板堆疊之該頂端相對立；及一罩殼，其經組態以支撐該天線板堆疊於一地表面上方，該 罩殼包含與該天線板堆疊之該底端相對立之一內表面及安置於該罩殼之與該內表面相對立之一側上的一踏地(ground-engaging)表面。
2. 如請求項1之天線總成，其中：該底部多層天線單元包括：一第一底部介電間隔物，其安置於該第一底部金屬層與該第二底部金屬層之間；一射頻歧管層，其安置於該天線板堆疊之該底端處；及一第二底部介電間隔物，其安置於該第二底部金屬層與該射頻歧管層之間；及該頂部多層天線單元包括：一第一頂部金屬層，其安置於該中心層之該頂面上且包含實質上等於該第一底部金屬層之一厚度的一厚度；一第二頂部金屬層，其包含實質上等於該第二底部金屬層之一厚度的一厚度；一第一頂部介電間隔物，其使該第一頂部金屬層與該第二頂部金屬層分離且包含實質上等於該第一底部介電間隔物之一厚度的一厚度；及一第二頂部介電間隔物，其安置於該第二頂部金屬層之與該第一頂部介電間隔物相對立之一側上且包含實質上等於該第二底部介電間隔物之一厚度的一厚度。
3. 如請求項2之天線總成，其中該第一底部金屬層、該第一頂部金屬層及該第二頂部金屬層各自包括一對應天線，及該第二底部金屬層包括由該等天線之各者共用之一地平面。
4. 如請求項3之天線總成，其中該等天線之各者包括一不同金屬圖案。
5. 如請求項4之天線總成，其進一步包括電安置於由與該等天線之至少一者相關聯的該金屬圖案界定之金屬補片之間的一或多個交叉偶極。
6. 如請求項2之天線總成，其中該第一底部金屬層及該第二底部金屬層、該第一頂部金屬層及該第二頂部金屬層及該射頻歧管層藉由在該天線板堆疊之該頂端與該底端之間延伸的至少一探針饋送通孔連接。
7. 如請求項2之天線總成，其中：該第一底部介電間隔物包括：一第一底部預浸層，其安置於該第一底部金屬層之與該中心層相對立之一側上；一第二底部預浸層，其安置於該第二底部金屬層上；及一第一底部核心層，其安置於該第一底部預浸層與該第二底部預浸層之間；該第二底部介電間隔物包括：一第二底部核心層，其安置於該第二底部金屬層之與該第二底部預浸層相對立之一側上；及一第三底部預浸層，其安置於該第二底部核心層與該射頻歧管層之間；該第一頂部介電間隔物包括：一第一頂部預浸層，其安置於該第一頂部金屬層之與該中心層相對立之一側上；一第二頂部預浸層，其安置於該第二頂部金屬層上；及一第一頂部核心層，其安置於該第一頂部預浸層與該第二頂部預浸層之間；及該第二頂部介電間隔物包括： 一第二頂部核心層，其安置於該第二頂部金屬層之與該第二頂部預浸層相對立之一側上；及一第三頂部預浸層，其安置於該天線板堆疊之該頂端處在該第二頂部核心層之一相對立側上。
8. 如請求項7之天線總成，其中：該第一底部核心層、該第一頂部核心層及該中心層之厚度實質上相等；該第二底部核心層與該第二頂部核心層之厚度實質上相等；該第一底部預浸層及該第二底部預浸層與該第一頂部預浸層及該第二頂部預浸層之厚度實質上相等；且該第三底部預浸層及該第三頂部預浸層之厚度實質上相等。
9. 如請求項7之天線總成，其中該射頻歧管層包括由形成於該第三底部預浸層上的一導電微帶線形成之一被動分離器/組合器。
10. 如請求項7之天線總成，其進一步包括一控制路由導電層，該控制路由導電層安置於該第二底部核心層與該第三底部預浸層之間，該控制路由導電層由經形成穿過該第三底部預浸層之一第一控制深度通孔連接至該射頻歧管層。
11. 如請求項10之天線總成，其中該射頻歧管層由經形成穿過該第三底部預浸層、該控制路由導電層及該第二底部核心層之一第二控制深度通孔連接至該第二底部金屬層。
12. 如請求項1之天線總成，其進一步包括一或多個支撐構件，其自該罩殼之該內表面延伸且與該天線板堆疊之該底端接觸，以界定該罩殼與該天線板堆疊之該底端之間的一底部氣隙。
13. 如請求項1之天線總成，其中該天線罩由一或多個塑膠材料形成。
14. 如請求項13之天線總成，其中該天線罩之該外表面塗佈有一疏 水性材料。
15. 如請求項1之天線總成，其中該天線罩及該天線板堆疊之該頂端由一頂部氣隙分離。
16. 如請求項15之天線總成，其中該天線罩包含自該內表面延伸之一或多個支撐構件，其經組態以支撐該天線板堆疊之該頂端上之該天線罩且界定使該天線罩與該天線板堆疊之該頂端分離的該頂部氣隙。
17. 如請求項1之天線總成，其中該天線罩之該外表面經彎曲以促進水及雪流掉。
18. 如請求項1之天線總成，其中該天線罩及該天線板堆疊相對於該罩殼之該踏地表面及內表面傾斜以促進水及雪流掉。
19. 如請求項18之天線總成，其中該天線板堆疊圍繞一中心軸旋轉達對應於該天線板堆疊之該斜率的一量，以依該天線板堆疊之一最寬掃描角度將一光柵瓣放置最遠。
20. 一種相控陣列天線，其包括：一堆疊印刷電路板之一中心層，其包含一底面及安置於該中心層之與該底面相對立之一側上的一頂面；該堆疊印刷電路板之一底部，其界定在該中心層之該底面與該堆疊印刷電路板之一底端之間延伸的一底部厚度，該底部包括與該中心層之該底面相對立直接接觸之一第一天線層及與該第一天線層與該堆疊印刷電路板之該底端二者隔開之一地平面(ground plane)層；及該堆疊印刷電路板之一頂部，其界定在該中心層之該頂面與該堆疊印刷電路板之一頂端之間延伸的一頂部厚度，該頂部包括一第二天線層及一第三天線層，該第二天線層與該中心層之該頂面相對立直接接觸，該第三天線層與該第二天線層隔開且 與該中心層之該頂面分離達實質上等於該地平面層與該中心層之該底面分離之一距離的一距離，其中由該堆疊印刷電路板之該頂部界定之該頂部厚度與由該堆疊印刷電路板之該底部界定之該底部厚度實質上相等。
21. 如請求項20之相控陣列天線，其中該第一天線層、該第二天線層及該第三天線層各自包括一相關聯金屬補片圖案。
22. 如請求項21之相控陣列天線，其中與該第一天線層、該第二天線層或該第三天線層相關聯的該等金屬補片圖案之至少一者不同。
23. 如請求項21之相控陣列天線，其進一步包括電放置於該等天線層之至少一者之金屬補片之間以在一第一方向上及正交於該第一方向之一第二方向上產生電場線的一或多個交叉偶極。
24. 如請求項20之相控陣列天線，其進一步包括：一第一底部介電層，其使該第一天線層與該地平面層分離；一射頻歧管層，其安置於該堆疊印刷電路板之該底端處；一第二底部介電層，其使該射頻歧管層與該地平面層分離；一第一頂部介電層，其使該第二天線層與該第三天線層分離；及一第二頂部介電層，其安置於該堆疊印刷電路板之該頂端處。
25. 如請求項24之相控陣列天線，其中該第一頂端介電層及該第一底部介電層包括不同於該第二頂部介電層及該第二底部介電層之介電厚度的一介電厚度。
26. 如請求項24之相控陣列天線，其中該第一底部介電層、該第一頂部介電層、該第二底部介電層及該第二頂部介電層由印刷電路板材料形成。
27. 如請求項24之相控陣列天線，其中該射頻歧管層、該地平面層、該第一天線層、該第二天線層及該第三天線層由在該堆疊印刷電路板之該底端與該頂端之間延伸的至少一探針饋送通孔連接。
28. 如請求項24之相控陣列天線，其中該射頻歧管層及該地平面層由經形成穿過該第二底部介電層之一第一控制深度通孔連接。
29. 如請求項24之相控陣列天線，其進一步包括一控制路由導電層，該控制路由導電層形成於該第二底部介電層內且由經形成穿過該控制路由導電層與該射頻歧管層之間的該第二底部介電層之一部分的一第二控制深度通孔連接至該射頻歧管層。
30. 如請求項29之相控陣列天線，其中該控制路由導電層或該射頻歧管層之至少一者由印刷於該第二底部介電層上的一導電微帶線形成。