TWI627796B - Method for achieving multi-beam radiation vertical orthogonal field type coverage by multi-feeding into a dish antenna - Google Patents

Abstract

一種藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法，係使用一全金屬式碟面及多個饋入天線元件，其中該饋入天線元件為一具有可以輻射出應用於所需之頻段之電磁波能量輸出元件，因此當具有多組饋入天線元件時，則能夠產生多組輻射波束，而當任一組輻射波束射向該全金屬式碟面之反射面後，則能夠反射並形成一聚焦的覆蓋範圍，而由不同的輻射波束所形成的覆蓋範圍之間將會均勻分布來產生多個通訊服務覆蓋區，另外由該全金屬式碟面反射而形成的場型係具有垂直正交之特性，因此將能夠有效增加其覆蓋率，並能夠提高能量利用率、及用於輻射波束切換等優點。

Description

藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法

本發明係關於一種藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法，特別是指一種能夠產生多個彼此垂直正交之輻射場型，並其所能夠產生之能量輻射增益皆為一致，可增加可需電磁波幅射環境之能量覆蓋率及增加傳輸效率之方法。

由於近年來行動通訊發展迅速，多波束通訊技術重要性與日俱增，並且因應第五代行動通訊時代的來臨，天線所使用之頻段有一種往高頻段使用之趨勢，而其應用已朝向毫米波頻段。對於在衛星通訊所使用之毫米波頻段，其微波波長與天線結構將變得更小，在空氣中傳播時，損失很大，而且因為要因應多應用多通道之概念，希望可以達到多波束之利用性，而目前在高增益天線的實現，傳統以相位陣列天線來實現，尤其是著重於利用PCB或LTCC製程來實現相關的硬體，此種製程為過去行動通訊技術發展的主流。然而若是規劃所需頻段屬於毫米波的頻段，在技術及硬體實現上將面臨相當多的挑戰，尤其是實現用於5G之高增益天線(或射頻相關技術)之相關硬體，在陣列天線的實現上，能量會有大量的損耗，進而產生雜訊干擾。

上述情境在主動元件之特性更難以掌控，包括振幅的變化與射頻相位的變化相當不穩定，均隨著環境之溫度、雜訊之大小、甚至不同的製造批 號均會有差異。尤其陣列天線的實現需要搭配饋送射頻電路，其組成均會使用相當多的主動元件，此類電路在毫米波會損耗相當大的能量，為了保持所需之天線增益，天線的單元數必須增加，例如當天線電路損耗為3dB，則天線的單元數必須倍增來彌補此能量損耗，然而即使天線數目倍增，射頻饋送電路的複雜度將會更進一步增加，同步又增加了能量的損耗，因此真正天線數目將會相當可觀。此外，陣列天線之形成波束需要藉由相移器之相位變化來達成所欲之波束，在毫米波頻段，主動元件及被動元件等均會產生不穩定之相位差，因此欲形成所需之波束具相當大的難度。

再由另一個角度觀之，在行動通訊中，通訊的進行強調電波的覆蓋，在上述之25dBi的天線增益中，若以理想的情況，我們首先以方向性(directivity)來討論覆蓋的問題，此時之能量效益等同於100%。而若是要以陣列天線來實現此25dB天線方向性，其3dB波束寬約為9度(degrees)，若天線單元因上述原因損耗3dB(50%能量損耗)，為了補償此損耗，天線之單元數必須加倍，因此波束寬將會變窄，如變成5 degrees，會大幅縮減覆蓋範圍，如此會大幅增加系統的複雜度，何況主動電路的能量損耗會進一步增加天線的單元數，進一步壓縮其波束寬，影響覆蓋。

因此，為了克服上述問題，本發明使用碟形天線並使用多饋入來實現多波束的覆蓋機能，以達到增加覆蓋範圍，另外為了達成多波束覆蓋之目的，必須將天線饋入時的位置刻意避開聚焦點，以偏焦的方式聚焦，因此就可以放入多隻的偏焦的天線，以達到多波束之功能，而這種偏焦方式更可透過碟面之變形的方式，讓其聚焦點變得更大或者變為一個水平軸或者垂直軸的方式，再將多個天線擺入，以可達成多波束天線之功能，而這種使用偏焦式碟形 天線來達成多波束覆蓋之目的，應足以克服上述問題，如此應為一最佳解決方案。

本發明即在於提供一種藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法，係能夠產生多個彼此垂直正交之輻射場型，並其所能夠產生之能量輻射增益皆為一致，故可增加可需電磁波幅射環境之能量覆蓋率及增加傳輸效率。

可達成上述藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法，其方法為：

(1)係使用一全金屬式碟面及多個能夠輻射出用於37~39GHz之電磁波能量之饋入天線元件，先進行分析其中一個饋入天線元件所產生的幅射波形，以取得最高增益值及最適的輻射波束寬值，並將高增益值及最適的輻射波束寬值對應於該全金屬式碟面之反射面，則能夠取得相位聚焦中心。

(2)再藉由偏焦的方式，使對應於該全金屬式碟面之相位聚焦中心的饋入天線元件不達到完美的聚焦，並將其他饋入天線元件以一個軸的方式延伸，使其他饋入天線元件所發出的輻射波束亦可使用該全金屬式碟面的相位聚焦中心。

(3)最後，進行運算使每個饋入天線元件所產生之輻射波束，以找出每個輻射波束的覆蓋範圍及增益值，而多個輻射波束之覆蓋將會均勻分布來產生多個垂直正交之輻射場型，並以多個垂直正交之輻射場型來改變該全金屬式碟面之反射面的結構，以達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋的目的。

上述以多個垂直正交之輻射場型來改變該全金屬式碟面之反射面的結構，首先此全金屬式碟面之反射面具有多個饋入的元件，而每個饋入天線元件單獨饋入電磁波，皆會產生一個對應的輻射產型，饋入天線元件對於全金屬式碟面之反射面的相對角度不同時，因物理之現象入射角等於反射角之緣故，就會產生一個具有覆蓋及可調波束指向位置的場型，而本發明之利用輻射場型改變全金屬式碟面之反射面之方式為，將上述各個饋入天線元件之輻射場型紀錄下，並利用演算法之方式，先以固定其各饋入天線元件之位置，再者將全金屬式碟面之反射面進行變化後，觀察此變化之趨勢，即可得知需要調整之方向，依照此設計方式，即可獲得所需要之輻射場型。

更具體的說，所述能夠調整該全金屬式碟面之反射面的結構，來使得每個輻射波束具有增益相當、具有垂直正交及具有低旁輻射波束之特性。

更具體的說，所述進行分析其中一個饋入天線元件所產生的幅射波形，係必須先藉由其中一個饋入天線元件所產生的幅射波形，來進行分析與設計反射面徑面的形狀，而該反射面徑面各點座標(x,y,z)的形狀方程式如下： 其中，(x(t,),y(t,))為該反射面在x-y平面上的投影座標，(xo,yo)為其碟面的投影中心點，此(t,)是代表x-y平面上之極座標系統的輻射方向與角方向的參數，其中t定義範圍為0 t 1，ψ定義範圍為0≦ψ≦2 π，因此a與b是反射面邊界投影在x-y座標平面上之x軸與y軸之半徑，而r()的方程式如下： 其中t的數值為代表徑面邊界形狀，v的數值則是用於控制邊境形狀。

更具體的說，所述能夠進行分析與設計反射面的形狀，而該反射面的形狀方程式如下： 其中z(t,)是代表z軸上的座標，他是由幾個三角函數及修正後的Jacobi多項式(Modified Jacobi Polynomials)做為基底函數所展開來求取的，N與M是代表所使用基底函數的項數，n與m是代表其指數來對應相對使用的基底函數(即三角函數與Jacobi Polynomials)，其中C _nm 和D _nm 是級數展開式的係數，而是代表修正後的Jacobi多項式(Modified Jacobi Polynomials)，因此能夠透過積分方程式求C _nm 和D _nm ，再藉由C _nm 和D _nm 推導出最高增益值及最適的輻射波束寬值，並將高增益值及最適的輻射波束寬值對應於該全金屬式碟面之反射面，則能夠取得相位聚焦中心。

更具體的說，所述為了藉由偏焦的方式，使對應於該全金屬式碟面之相位聚焦中心的饋入天線元件不達到完美的聚焦，必須透過疊代程序來進行調整C_nm和D_nm以找出每個輻射波束的覆蓋範圍及增益值，而多個輻射波束之覆蓋間將會均勻分布來產生輻射場型，並以該輻射場型來改變該全金屬式碟面之反射面的結構。

更具體的說，所述其他饋入天線元件係能夠以水平軸或是垂直軸的方式延伸。

更具體的說，所述所產生之多個輻射場型彼此必須垂直正交，而使其能夠垂直正交的方法為： (1)定義饋入天線元件與全金屬式碟面之相對位置；(2)調整全金屬式碟面的曲度使其聚焦點從一點變成一軸，並使其各饋入天線元件之透過全金屬式碟面之輻射場型其增益及波束寬一致；(3)再調整各饋入天線元件之相互間距，使所有的饋入天線元件之輻射場型的能量最高點位於另一個饋入天線元件之輻射場型之零點位置，即可獲得多波束及輻射場型垂直正交之目的。

更具體的說，所述饋入天線元件為一具有可以輻射出應用於所需之頻段之電磁波能量輸出元件，而所需之頻段之範圍為37~39GHz。

更具體的說，所述饋入天線元件係為一透鏡式號角天線，該饋入天線元件係具有一金屬製的波導管，而該波導管頂端開口處係具有一介電質結構，該介電質結構係具有一頂緣及一底緣，其中該介電質結構之底緣係與該波導管頂端開口處相連接，且該介電質結構之底緣係朝向該頂緣具有一弧度。

更具體的說，所述介電質結構係為可以使電磁波透射、具有低損耗之效果、並可造成電磁波輻射場型之相位變化效果之材質所製成。

更具體的說，所述饋入天線元件之介電質結構的介電質特性係能夠使所有的饋入天線元件所得到之增益值、輻射波束寬值及極化差一致。

更具體的說，所述每個饋入天線元件所能夠產生之能量輻射增益必須相等。

101-103‧‧‧步驟

1‧‧‧全金屬式碟面

21‧‧‧饋入天線元件

22‧‧‧饋入天線元件

23‧‧‧饋入天線元件

24‧‧‧饋入天線元件

25‧‧‧饋入天線元件

211‧‧‧波導管

212‧‧‧介電質結構

[第1圖]係本發明藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法之流程示意圖。

[第2圖]係本發明藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法之整體實施結構示意圖。

[第3圖]係本發明藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法之透鏡式號角天線結構示意圖。

[第4圖]係本發明藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法之多輻射波束示意圖。

[第5圖]係本發明藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法之碟型天線系統幾何架構示意圖。

[第6圖]係本發明藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法之改良式的最深差降法之流程示意圖。

[第7圖]係本發明藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法之多輻射波束碟型天線反射係數示意圖。

[第8A圖]係本發明藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法之38GHz的多輻射波束碟型天線場型示意圖。

[第8B圖]係本發明藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法之37.5GHz的多輻射波束碟型天線場型示意圖。

[第8C圖]係本發明藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法之38.5GHz的多輻射波束碟型天線場型示意圖。

有關於本發明其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

請參閱第1圖，為本發明藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法之流程示意圖，由圖中可知，其步驟為：

(1)係使用一全金屬式碟面及多個能夠輻射出用於37~39GHz之電磁波能量之饋入天線元件，先進行分析其中一個饋入天線元件所產生的幅射波形，以取最高增益值及最適的輻射波束寬值，並將高增益值及最適的輻射波束寬值對應於該全金屬式碟面之反射面，則能夠取得相位聚焦中心101。

(2)再藉由偏焦的方式，使對應於該全金屬式碟面之相位聚焦中心的饋入天線元件不達到完美的聚焦，並將其他饋入天線元件以一個軸的方式延伸，使其他饋入天線元件所發出的輻射波束亦可使用該全金屬式碟面的相位聚焦中心102。

(3)最後，進行運算使每個饋入天線元件所產生之輻射波束，以找出每個輻射波束的覆蓋範圍及增益值，而多個輻射波束之覆蓋將會均勻分布來產生多個垂直正交之輻射場型，並以多個垂直正交之輻射場型來改變該全金屬式碟面之反射面的結構，以達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋的目的103。

由第2圖中可知，其整體結構是使用一個機構支撐碟面的位置，使其對於饋入天線元件21,22,23,24,25(饋入天線)之相對角度可以保持在一個定值而當天線設計完成後，因為要使得饋入天線元件21,22,23,24,25對應到該全金屬式碟面1之聚焦點時，因為實作上並不會是一體成形，而是饋入天線元件21,22,23,24,25與全金屬式碟面1分開製作，所以必須要提供一個機制可以調整全金屬式碟面1(碟形天線)與饋入天線元件21,22,23,24,25之角度、位置及距離，此為應用於碟形天線設計之機構。

而本發明所使用的透鏡式號角天線與一般的號角天線不同，由於在多輻射波束之天線設計中，其饋入天線有多個，彼此相鄰擺設，一般的號角天線之波導管開口為一個金屬製、且有弧度的方形、圓錐形或金字塔型的形式，但一般的號角天線會增加開口之階層及階層之高度來增加極化差及控制輻射波束寬，故其天線結構會因為階層之增加而漸顯巨大。

因此使用一般的號角天線用於多輻射波束之天線設計時，若要達成多輻射波束之效果，必須具有多個饋入天線元件，而就必須在碟形天線的聚焦範圍上，放上多個天線用以達成多輻射波束天線之架構，故此饋入天線的大小的影響就很巨大，而使用一般的號角天線，其體積將會使天線與天線之間有無法相容及彼此間距相當小的窘境，亦使得天線間的隔離度和輻射場型變得相當差，並且調整輻射場型達到垂直正交的可變數會變小。

因此本發明須發展新的元件來減少其體積，其中最重要為減少截面積，亦即針對號角開口的部分進行優化的設計，此時採用透鏡天線形式最能減少其截面積，而第2圖中的饋入天線元件21,22,23,24,25之詳細結構需參考第3圖所示的透鏡式號角天線(第2圖由於組裝的關係、故有些部份無法標號，因此須參照第2圖及第3圖同時審視，饋入天線元件21,22,23,24,25之詳細結構皆相同，故僅以饋入天線元件21來說明)，其中該饋入天線元件21係具有一金屬製的波導管211，而該波導管頂端開口處係具有一介電質結構212，該介電質結構212之表面具有一弧度，且越往上其體積會越來越縮小。

而本發明之饋入天線元件21,22,23,24,25由於頂端之介電質結構212係為一種介電質材料(例如聚氯乙烯，但不僅以上述材質為唯一選項，故此結構之材質可以使用之範圍為可以使電磁波透射及具有低損耗之效果並可以造 成電磁波輻射場型之相位變化的效果皆可用於此設計上)，因此透過該介電質結構212能夠提供一種整理電磁波的效果，且此類的結構亦具有可以有效的縮小面積的效果，這一部份的功效是一般全部是由金屬材質所製造的號角天線所無法達成的。

另外，為了減少由地面接收站之天線的數目、降低成本或者在無線通訊中來切割覆蓋區，故必須利用多輻射波束來覆蓋增加通訊容量，由單一天線進行多個衛星的通訊，甚而在未來點對點微波傳送的技術發展上多輻射波束的形成是非常重要的，因此本發明採用了多個饋入天線元件21,22,23,24,25(饋入天線)來實現多個輻射波束，而每一個饋入天線元件21,22,23,24,25負責產生一個輻射波束(其中第4圖中僅擷取饋入天線元件22,23,24之範圍，由圖中可知，該饋入天線元件22,23,24產生之電磁波能夠再經由全金屬式碟面1之反射面來產生的輻射波形(輻射波束221,231,241))，輻射波束與輻射波束間彼此垂直正交來達到最佳覆蓋的實現。

然在實際情況中，全金屬式碟面1(碟形天線)僅具有一個焦點，此焦點僅能安置一個饋入天線元件(饋入天線)，其他的饋入天線元件(饋入天線)必須採取偏焦的方式來實現，饋入天線元件21,22,23,24,25的擺設方式如圖2所示。而當饋入天線元件21,22,23,24,25之位置偏離焦點時我們稱之為失焦，因此其所產生的輻射波束將會降低其功能表現，如天線增益將會降低等。

為了使所有的輻射波束之性能表現均能有相等級的表現，必須利用碟面的變形來優化天線的輻射，使得每個輻射波束之增益相當、均具低旁輻射波束之效果，其中多輻射波束天線結構必須獲得相同的之增益，而控制輻射波束之間的增益相同之方法說明如下：

(1)先定義好饋入天線元件與全金屬式碟面1之相對位置。

(2)之後調整碟面的曲度使其聚焦點從一點變成一軸，並使其各饋入天線元件之透過反射碟面之輻射場型其增益及波束寬一致。

(3)上述方式為使用演算法之方式，主要為找出優化之趨勢，再利用錯誤嘗試法，先將目標參數定義下，再利用調整碟面曲度之方式，不斷將其解逼近於目標，而當其解達到極限值時，在改變碟面之垂直於第一階段改變之曲面，創造另一變數，使其更有機率達到目標，若是不進行調整輻射波束之間的增益相同，則可能會發生有幾個輻射波束之增益較為高、另幾個較低之情況，發生如此情況則無法提供相同的覆蓋率。

本發明在實際使用實體測試之前，能夠先以模擬的方式進行設計透鏡式號角天線與所希望使用的碟面，其中係使用數值分析的方式模擬出一個所希望使用的透鏡式號角天線，之後再利用數值分析的方式模擬出一個所希望使用的碟面及該碟形天線的數值分析數據，看此數值分析的結果有沒有達到所需要的規格；之後再將號角天線使用電磁模擬軟體設計出與上述數值分析方式一樣的功能，在將天線放入碟面中去使用電磁模擬方式看有沒有相同，可以就完成設計，不行就再度更改數值分析的模擬天線或者碟面。

在進行數值分析時，對於透鏡式號角天線進行數值分析，必須給予一個定值得增益值及輻射波束寬，在將其反推回該透鏡式號角天線的開口截面積及天線的大小，之再放入電磁模擬軟體驗證。而對於全金屬式碟面的方式為，首先以一個號角天線的值，將全金屬式碟面以數學模型的方式與透鏡式號角天線進行模擬，以找出其最高增益及最適的輻射波束寬的值，那其值的對應 碟面的大小及位置即為相位聚焦中心，而接下來，再將其他號角天線以一個軸的方式延伸，而用最優化的方式找出每個輻射波束的覆蓋範圍及增益值，而其方式為碟面只有一個相位聚焦中心，因此我們使用偏焦的方式，使中心的號角天線不達到完美的聚焦，並使其他輻射波束亦可使用碟形天線的相位聚焦中心，最後再放入電磁模擬軟體驗證。

而上述使用偏焦的方式，該全金屬式碟面1之反射面主要有三種結構，說明如下：

(1)其一為全金屬式碟面1之反射面之饋入天線元件為位於全金屬式碟面之反射面之正中心，此種設計方式稱呼為中心饋入之全金屬式碟面1之反射面，此種形式之全金屬式碟面1之反射面為設計容易，只需要饋入天線元件位於中心，其饋入天線元件輻射之場型會將能量集中於全金屬式碟面1之反射面之相位聚焦中心，並藉由全金屬材質會反射電磁波之特性，可以容易達到高增射及高指性向之效果，但此種方式，饋入天線元件位於全金屬式碟面之反射面之反射能量之路徑上，會因饋入天線元件之物理結構的存在而造成相較於其他兩種方式之能量衰減，並且此種結構無法達到多饋入之設計，其原因為當多個饋入天線元件皆位於全金屬式碟面之反射面之能量輻射路徑上時，會造成巨大的能量損耗，故次設計結構於此應用上不予考慮。

(2)第二種的結構形式為此發明應用之偏焦饋入方式，此種結構為饋入天線元件移開位於全金屬式碟面之反射面之反射輻射能量之路徑上，故饋入天線元件即不會對於輻射場型造成影響，並且此種結構可以達到多饋入之應用。

(3)最後一種為雙碟面之天線結構，將饋入天線元件輻射開口平行於全金屬式碟面之反射面，並將饋入天線元件置於全金屬式碟面之反射面之中，再將天線輻射之路徑上置入另一個小型的反射碟面，目的在於饋入天線元件輻射之能量，透過兩次反射，達到高指向性之效果。

本發明所選擇之方式，為第二種方式偏焦之結構。

另外，由於該全金屬式碟面1之反射面具有多個饋入的元件，而每個饋入天線元件單獨入射電磁波，皆會產生一個對應的輻射場型，饋入天線元件對於全金屬式碟面之反射面的相對角度不同時，因物理之現象入射角等於反射角之緣故，就會產生一個具有覆蓋及可調波束指向位置的場型，而本發明之利用輻射場型改變全金屬式碟面之反射面結構之方式為，將上述各個饋入天線元件之輻射場型紀錄下，並利用演算法之方式，先以固定其各饋入天線元件之位置，再者將全金屬式碟面之反射面進行變化後，觀察此變化之趨勢，即可得知需要調整之方向，依照此設計方式，即可獲得所需要之輻射場型，而演算法的說法如下所述。

本發明使用碟型天線系統產生多輻射波束(Multiple Beams)主要是應用分析和合成，所謂分析即是用來計算饋入天線元件產生之電磁波經由全金屬式碟面1之反射面產生的輻射波形，而合成技術則是應用來尋找一個適合的反射面形狀來重新分布能量而使輻射電波互相作用而產生所需的等值輻射波束或多輻射波束。在分析方面，本發明使用物理光學法(Physical Optics，簡稱PO)尋找輻射波形，PO的原理利用饋入天線元素產生的電磁場會在反射面上形成所謂的等效電流，產生輻射波形，但與一般使用物理光學法不同之處在於， 物理光學法之數值積分的部分將使用高斯光束法則(Gaussian Beam technique)來處理，如此將能夠完全避免了數值積分，對於面積龐大的反射面而言，其分析數度相當快速，而在合成的程序上，本發明係採用改良式的最深差降法(ISDM)。

因此當要進行分析其中一個饋入天線元件所產生的幅射波形，係必須先藉由其中一個饋入天線元件所產生的幅射波形，來進行分析與設計反射面徑面的形狀，而該反射面徑面各點座標(x,y,z)的形狀方程式如下(請一併參考第5圖之變形碟型天線系統幾何架構圖)： 其中(x(t,),y(t,))為該反射面在x-y平面上的投影座標，(xo,yo)為其碟面的投影中心點，此(t,)是代表x-y平面上之極座標系統的輻射方向與角方向的參數，其中t定義範圍為0 t 1，ψ定義範圍為0≦ψ≦2 π，因此a與b是反射面邊界投影在x-y座標平面上之x軸與y軸之半徑，而r()的方程式如下： 其中當t=1時，則描述徑面邊界形狀，v則是用於控制邊境形狀。上述表示法的優點是徑面的邊界是相當平滑的，這特性非常適用高斯光束法來分析表面散射問題。

之後，進行分析與設計反射面的形狀，係使用Jacobi-Fourier級數，而該反射面的形狀方程式如下： 其中z(t,)是代表z軸上的座標，他是由幾個三角函數及修正後的Jacobi多項式 (Modified Jacobi Polynomials)做為基底函數所展開來求取的，N與M是代表所使用基底函數的項數，n與m是代表其指數來對應相對使用的基底函數(即三角函數與Jacobi Polynomials)，其中C _nm 和D _nm 是級數展開式的係數，而是代表修正後的Jacobi多項式(Modified Jacobi Polynomials)，因此能夠透過積分方程式求出C _nm 和D _nm ，再藉由C _nm 和D _nm 推導出最高增益值及最適的輻射波束寬值，並將高增益值及最適的輻射波束寬值對應於該全金屬式碟面之反射面，則能夠取得相位聚焦中心。

因此透過上述方程式，將饋入天線元件所輻射出的入射電磁場反射成我們預設的輻射場形。之後，將採用改良式的最深差降法(ISDM)來進行合成的疊代程序，ISDM可以分為兩個疊代程序，其中之一是原始的SDM程序，另一個是增加可變變數個數的疊代程序。我們首先應用少數個變數來計算成本函數(cost function)的值，然後在往後的疊代程序中逐次加入變數的個數，藉此求得廣域最小值(global minimum)。在執行碟型反射面合成的過程中，SDM疊代程序所定義的cost function可以表示為： 其中N _S 是代表觀測點區取樣點的數目，是全金屬式碟面1(碟形天線)在j個方向的增益值，而G _j 是在j的方向時我們計算之天線增益值，而G _j ^d 是代表目標的增益。

其中旁輻射波束和cross-polarization(反極化現象)的值是藉由G _j ^d 的值來控制的，而co-polarization(同極化現象)和cross-polarization的分量我 們分別以兩個增益來考慮；而在SDM疊代程序所定義的cost function中所引入的權值fj，可以使我們強調所特別感興趣的增益值。

而反射面的形狀之方程式中的未知係數C _nm 和D _nm 在方程式(3)中，係必須被調整以使能夠得到最小值。

另外由於ISDM是以SDM的結構為基礎，在cost function梯度的方向能夠來調整描述碟型反射面的級數展開式係數β _i (β _i 是用以表示數C _nm 或D _nm ，其中i代表指標nm)，而為了使得cost function的值為最小，因此β _i 在第k+1次的疊代程序中，可以藉由下列方程式求得：

上述方程式(5)中，μ是一個純量因子，因此藉由適當的選擇μ值，能夠找到最小值，而上述方程式(5)的右邊為的梯度(gradient)項，且方程式(5)是表示Q維空間中使得最大減少的向，一般而言，μ的初始值設定為ψ梯度的倒數。

而ISDM的程序如第6圖所示。ISDM外層的疊代程序在改變可變係數的個數，並且一開始只簡單的假設其需幾項係數(例如對於圓形徑面而言，只有C00，C01和D10)來表示碟形反射面的形狀，然後逐漸增加可變係數的個數，值到所有的Q項係數都被採用為止。

SDM執行內層的疊代程序直到找到local minimum(區域最小值)，而一旦local minimum被得到，Q項係數中的一項會被加入疊代程序中且內 層的SDM疊代又會被重新執行。在local minimum所得到的值將被設定為另一次疊代程序的起點，這程序持續進行一直到Q項係數全部被納入最佳化程序中，藉此我們可以得到一個更一般化的global minimum(廣域最小值)。

另外，必須強調的是，加入(3)式的高次項，將使得由變形碟形反射面所輻射出去的功率重新分布，因而使得cost function做得更好的最佳化。

透過上述方程式的運算後，能夠設計出一個可以應用於作用頻率之碟面，再將透鏡式號角天線以偏焦的擺放方式及不產生各饋入天線的耦合產生之破壞性干涉情況下，擺放入五個饋入天線元件21,22,23,24,25，如第2圖所示，並將其場型具有一部份之重疊，但因其聚焦之位置並不是在主要焦點之位置，故能量之增益會較為衰減。此號角天線的組合中，雖然相鄰，但並不會產生偶和效應來產生彼此間的干擾，源於他們均會產生方向性的輻射，而且彼此間並不接觸在一起，因此一般可以保持良好的隔離度；除此之外，五個饋入天線元件21,22,23,24,25之間的間距必須要經過設計，以使互相能夠產生垂直正交場型，並且在透過天線量測製具可以調整角度之功用，達到各個天線皆可具有可調性的功能。

本發明垂直正交之調整方式如下：

(1)首先先定義好饋入天線元件21,22,23,24,25與全金屬式碟面1之相對位置，之後調整全金屬式碟面1的曲度使其聚焦點從一點變成一軸，並使其各饋入天線元件21,22,23,24,25之透過全金屬式碟面1之輻射場型其增益及波束寬一致。

(2)而後調整各饋入天線元件21,22,23,24,25之相互間距，第一步為將相對於中心之饋入天線元件23之位置固定，而先往一側放入另一饋入 天線元件24，先調整其第二饋入天線元件24之輻射場型的能量最高點位於第一饋入天線元件23之輻射場型之零點位置。

(3)接下來放入第三個饋入天線元件位22於第一饋入天線23另一側，重複上述步驟，以對稱增長之方式放入及調整場型，直至所有饋入天線元件21,22,23,24,25皆置入，即可獲得多波束及輻射場型垂直正交之反射天線。

而再以全金屬式碟面1之反射面來看，其反射面並不是一個完美的圓弧型狀，而是一個往橫軸延伸較多的橢圓型狀，其原因為因饋入天線之輻射場型會入射至碟面上，而又因是為五個饋入天線元件21,22,23,24,25，必須將其作一位移之動作，其位移之軸同等於反射面所改變曲度之軸，其主要原因一個是因此必須調整其反射出去之角度，使其達到覆蓋範圍規範之標準及使各個輻射波束之間彼此垂直正交，第二為必須使各饋入之天線所反射出來的增益達到一致的標準，故必須調整其碟面的曲度。

由第7圖中可知，本結構所饋入的五隻天線各別之反射係數之值，其中，饋入天線元件21及饋入天線元件25，其反射係數之值在於工作頻率38GHz最為差，皆為-11.67dB，而饋入天線元件24其反射係數之值在於工作頻率38GHz為-12.27dB，饋入天線元件23其反射係數之值在於工作頻率38GHz為-12.16dB，饋入天線元件22其反射係數之值在於工作頻率38GHz為-12.49dB，由此可知，饋入天線元件22之反射係數表現為最好。

再以第8A圖來看，為多輻射波束碟型天線於38GHz的場型示意圖，由於饋入天線元件是一個一個饋入產生輻射波束，而並非同時饋入，而當饋入所產生的主輻射波束之角度與輻射波束寬如下所述： (1)當饋入天線元件21饋入時，其主輻射波束之角度為24度，而其-10dB輻射波束寬為12度；(2)當饋入天線元件22饋入時，其主輻射波束之角度為12度，而其-10dB輻射波束寬為11.7度；(3)當饋入天線元件23饋入時，其主輻射波束之角度為0度，而其-10dB輻射波束寬為11.6度；(4)當饋入天線元件24饋入時，其主輻射波束之角度為-12度，而其10dB輻射波束寬為12.3度；(5)當饋入天線元件25饋入時，其主輻射波束之角度為-24度，而其10dB輻射波束寬為13.4度；而由五個饋入天線元件21,22,23,24,25透過碟面所獲得之增益皆為25dB正負0.2dB，並且覆蓋之範圍可以從碟面看出去的-30度至30度，以高增益之天線來說60度的覆蓋範圍是具有相當優秀的性能，此60度的覆蓋範圍為目前行動通訊的主流之一。而本發明更有以饋入除了38GHz之外的37~39GHz之電磁波能量，如第8B圖的37.5GHz及第8C圖的38.5GHz，而得到之場型示意圖皆有差不多的效果與特性，故不再重覆贅述及說明。

由此可知，五個饋入天線元件21,22,23,24,25之輻射波束所形成的覆蓋範圍之間，由於具有垂直正交之特性，故會均勻分布來產生多個通訊服務覆蓋區，因此明顯可知透過本發明之技術，將能夠有效增加應用於37~39GHz之通訊服務的覆蓋率。

本發明所提供之藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法，與其他習用技術相互比較時，其優點如下：

1.本發明能夠產生多個彼此垂直正交之輻射場型，並其所能夠產生之能量輻射增益皆為一致，故可增加可需電磁波幅射環境之能量覆蓋率及增加傳輸效率。

2.本發明之天線系統為工作逾毫米波之頻段，可以產生多輻射波束，但其多輻射波束彼此具有垂直正交之效果，並且多輻射波束彼此之間的天線輻射增亦為相同。

3.本發明是會使用取偏焦的方式來實施，原本當饋入天線之位置偏離焦點時我們稱之為失焦，但本發明為將失焦之情況進一修正為偏焦之現象，雖然其所產生的輻射波束將會降低其功能表現，但這種方式卻能夠明顯增加能量覆蓋率及增加傳輸效率。

本發明已透過上所述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此一技術領域具有通常知識者，在瞭解本發明前述的技術特徵及實施例，並在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之請求項所界定者為準。

Claims (9)

1. 一種藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法，包括以下步驟：係使用一全金屬式碟面及多個能夠輻射出用於37~39GHz之電磁波能量之饋入天線元件，先進行分析其中一個饋入天線元件所產生的幅射波形，以取得最高增益值及最適的輻射波束寬值，並將高增益值及最適的輻射波束寬值對應於該全金屬式碟面之反射面，則能夠取得相位聚焦中心；再藉由偏焦的方式，使對應於該全金屬式碟面之相位聚焦中心的饋入天線元件不達到完美的聚焦，並將其他饋入天線元件以一個軸的方式延伸，使其他饋入天線元件所發出的輻射波束亦可使用該全金屬式碟面的相位聚焦中心；最後，進行運算使每個饋入天線元件所產生之輻射波束，以找出每個輻射波束的覆蓋範圍及增益值，而多個輻射波束之覆蓋將會均勻分布來產生多個垂直正交之輻射場型，並以多個垂直正交之輻射場型來改變該全金屬式碟面之反射面的結構，以達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋的目的；其中，進行分析其中一個饋入天線元件所產生的幅射波形，係必須先藉由其中一個饋入天線元件所產生的幅射波形，來進行分析與設計反射面徑面的形狀，而該反射面徑面各點座標的形狀方程式如下： 其中(x(t,),y(t,))為該反射面在x-y平面上的投影座標，(xo,yo)為其碟面的投影中心點，此(t,)是代表x-y平面上之極座標系統的輻射方向與角方 向的參數，其中t定義範圍為0 t 1，定義範圍為0≦≦2π，因此a與b是反射面邊界投影在x-y座標平面上之x軸與y軸之半徑，而r()的方程式如下： 其中t的數值為代表徑面邊界形狀，v的數值則是用於控制邊境形狀。
2. 如請求項1所述之藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法，其中，以多個垂直正交之輻射場型來改變該全金屬式碟面之反射面的結構的方法，係將各個饋入天線元件之輻射場型紀錄下，固定其各饋入天線元件之位置，再將全金屬式碟面之反射面進行變化，利用一演算法，計算得知需要調整之方向，而獲得所需要之福射場型，以使得每個輻射波束具有增益相當、具有垂直正交及具有低旁輻射波束之特性。
3. 如請求項1所述之藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法，其中，該碟面反射面的形狀方程式如下： 其中z(t,)是代表z軸上的座標，N與M是代表所使用基底函數的項數，n與m是代表其指數來對應相對使用的基底函數，其中C _nm 和D _nm 是級數展開式的係數，而(t)是代表修正後的Jacobi多項式；透過積分方程式求出C _nm 和D _nm ，再藉由C _nm 和D _nm 推導出最高增益值及最適的輻射波束寬值，並將高增益值及最適的輻射波束寬值對應於該全金屬式碟面之反射面，以取得相位聚焦中心。
4. 如請求項3所述之藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交 場型覆蓋之方法，其中，藉由偏焦的方式，使對應於該全金屬式碟面之相位聚焦中心的饋入天線元件不達到完美的聚焦，係為透過疊代程序來進行調整C _nm 和D _nm 以找出每個輻射波束的覆蓋範圍及增益值，而多個輻射波束之覆蓋間將會均勻分布來產生輻射場型，並以該輻射場型來改變該全金屬式碟面之反射面的結構。
5. 如請求項1所述之藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法，其中，其他饋入天線元件係以水平軸或是垂直軸的方式延伸。
6. 如請求項1所述之藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法，其中，多個輻射場型彼此垂直正交的方法為：(1)定義饋入天線元件與全金屬式碟面之相對位置；(2)調整全金屬式碟面的曲度使其聚焦點從一點變成一軸，並使其各饋入天線元件之透過全金屬式碟面之輻射場型其增益及波束寬一致；(3)再調整各饋入天線元件之相互間距，使所有的饋入天線元件之輻射場型的能量最高點位於另一個饋入天線元件之輻射場型之零點位置，即可獲得多波束及輻射場型垂直正交之目的。
7. 如請求項1所述之藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法，其中，該饋入天線元件為一具有可以輻射出應用於所需之頻段之電磁波能量輸出元件，其所需之頻段之範圍為37~39GHz。
8. 如請求項1所述之藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法，其中，該饋入天線元件係為一透鏡式號角天線，該饋入天線元件係具有一金屬製的波導管，而該波導管頂端開口處係具有一介電 質結構，該介電質結構係具有一頂緣及一底緣，其中該介電質結構之底緣係與該波導管頂端開口處相連接，且該介電質結構之底緣係朝向該頂緣具有一弧度。
9. 如請求項1所述之藉由多饋入碟型天線來達成多波束輻射垂直正交場型覆蓋之方法，其中每個饋入天線元件所能夠產生之能量輻射增益必須相等。