TWI628858B - 電子切換波束方向陣列天線 - Google Patents

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Abstract

本發明係提供一種電子切換波束方向陣列天線。前述天線之共平面饋線設於基板之金屬面上，而其開槽型天線斜向設置於金屬面並設於共平面饋線之至少一側。各個開槽型天線之開槽型耦合段設於開槽型天線一端以及鄰近共平面饋線，以使開槽型天線耦合連接共平面饋線。而開槽型天線之開關元件則設於開槽天線之一部以及由金屬面形成的接地面之間。而當開關元件被致能時可配置開槽天線輻射特徵，並達到設定陣列天線波束方向之目的。

Description

電子切換波束方向陣列天線
本發明係一種陣列天線，尤指一種可透過電子控制電子切換波束方向之陣列天線。
在新一代的通訊系統中，多透過波束可調陣列天線來調整輻射場型之波束方向，以有效的分配自由空間中的無線頻寬以及無線通訊功率。
習知的波束可調陣列天線可透過為被動式方案以及主動式方案實現之。被動式方案大多透過巴特勒矩結構，並搭配開關電路來產生多個不同相位之訊號並將其饋入各個天線端，以達到調整波束之目的，然而巴特勒矩陣結構體積相當的大，使得被動式波束可調陣列天線在安裝上常處處受限。
主動式方案則是在特定天線的前端配置相位控制器，並透過設定各個天線相位以及振幅來調整陣列天線之波束方向。由於相位控制器之製作複雜度相當的高，而使得波束可調陣列天線成本始終居高不下。
綜上所述，如可提供一種具波束方向控制並可解決前述方案問題之陣列天線乃本領域亟需解決之技術問題。
為解決前揭之問題，本發明之目的係提供一種具備波束方向 控制之陣列天線。
為達上述目的，本發明提出一種電子切換波束方向陣列天線。前述之天線包含共平面饋線以及複數個開槽型天線。前述之共平面饋線設於一基板之一金屬面上，前述之開槽型天線斜向設置於金屬面，以及設於共平面饋線之至少一側。各個開槽型天線進一步包含開槽型耦合段以及開關元件，開槽型耦合段設於開槽型天線之一端以及鄰近共平面饋線，以使開槽型天線耦合連接共平面饋線。而開關元件則設於開槽天線之一部以及由金屬面形成的接地面之間。其中各開關元件在被致能下係配置開槽天線輻射特徵，以設定陣列天線之波束方向。
綜上所述，相較於前述陣列天線之複雜結構，本發明提供較為簡潔之天線陣列結構，而使用端可透過致能開關元件即能有效的調整波束方向。
Wsub、Lg‧‧‧基板寬度
d‧‧‧基板長度
Wg‧‧‧基板金屬面寬度
d1~d4‧‧‧天線間距
Wf、Le、Sg、dcp‧‧‧間距
W‧‧‧開槽型天線寬度
L‧‧‧開槽型天線長度
Sw‧‧‧開槽型天線饋入端至開關元件之長度
1‧‧‧電子切換波束方向陣列天線
10‧‧‧基板
101‧‧‧第一面
102‧‧‧第二面
11‧‧‧共平面饋線
11A‧‧‧第一共平面饋線
11B‧‧‧第二共平面饋線
110‧‧‧饋入端
111‧‧‧終端
12‧‧‧開槽型天線
120‧‧‧天線饋入端
121‧‧‧天線終端
13‧‧‧開槽型耦合段
141‧‧‧第一貫孔
142‧‧‧第二貫孔
15‧‧‧開路型開槽元件
16‧‧‧終端開槽型天線
17‧‧‧開關元件
171‧‧‧偏壓電感
1710‧‧‧偏壓端
172‧‧‧射頻二極體
173‧‧‧電容
18‧‧‧反射板
圖1係為本發明之第一實施例電子切換波束方向陣列天線之結構示意圖。
圖2及圖3為單一開槽型天線之示意圖。
圖4及圖5分為本發明第一實施例電子切換波束方向陣列天線於狀態l以及狀態2時反射損耗擬之模擬圖以及實際量測圖。
圖6及圖7為本發明第一實施例電子切換波束方向陣列天線於狀態1以及狀態2於XZ平面(鉛垂面)之場型模擬圖以及實際量測圖。
圖8為本發明第二實施例電子切換波束方向陣列天線之結構示意圖。
圖9為本發明第二實施例之開路型開槽元件以及終端開槽型天線結構示意 圖。
圖10~圖17為本發明第二實施例在各天線間距下饋入端相對於終端之S參數模擬圖以及量測圖。
圖18~圖21為本發明第二實施例電子切換波束方向陣列天線於各天線群組之場型示意圖。
圖22為本發明第三實施例電子切換波束方向陣列天線之結構示意圖。
圖23~26為本發明第三實施例之圓極化場型圖。
以下將描述具體之實施例以說明本發明之實施態樣，惟其並非用以限制本發明所欲保護之範疇。
請參閱圖1，其為本發明第一實施例電子切換波束方向陣列天線1之結構示意圖。前述之電子切換波束方向陣列天線1包含共平面饋線(coplanar feedline)11以及複數個開槽型天線(slot antenna)12。共平面饋線11設於基板10之第一面101(金屬面)上。而開槽型天線12則是斜向設置於第一面101(金屬面)，並設於共平面饋線11之至少一側。
各個開槽型天線12更包含開槽型耦合段13以及開關元件17(圖2)。開槽型耦合段13設於開槽型天線12之一端以及鄰近共平面饋線11，以使開槽型天線12耦合連接共平面饋線11，而開關元件17設於開槽天線之一部(靠近天線終端121)以及由金屬面形成的接地面之間(由第二貫孔142連接至第一面101之金屬面，其開槽型天線12可透過設定其幾何長度或者開關元件11於開槽型天線12上的位置來設定操作頻段。
為增加天線之指向性，可在相距基板10第二面102(圖2，第一面101之反面)一定距離位置處設置反射元件(例如：金屬板)，來增加天線之指向性。
前述之開槽型天線12係由共平面饋線11往共平面饋線11之終端111方向延伸形成，而開槽型天線12與共平面饋線11之夾角用於設定天線之極化特性。於另一實施例中，其夾角為45度或接近45度，或可依使用端之需求調整之。
而各開關元件17被致能(enable)時則能配置開槽天線輻射特徵，以設定陣列天線之波束方向。進一步說明之，當開關元件17被致能而導通時，開槽型天線12與開關元件17連接處會導通至接地面，並改變此開槽型天線12之輻射長度(由天線饋入端120到開關元件17位置之長度)，而影響該開槽型天線12於特定頻段的輻射效率，或設定此開槽型天線12之工作頻率。
請接著參閱圖2及圖3，其為單一開槽型天線12之示意圖。前述開槽型耦合段13之縱向軸線係平行於共平面饋線11之縱向軸線。於另一實施中，開槽型耦合段13係為長方型之槽孔，並與斜向設置的開槽型天線12一端合併成開槽結構。前述開槽型耦合段13用於阻抗匹配開槽型天線12以及共平面饋入段；此外，使用端可透過調整共平面饋線11耦合至開槽型耦合段13之距離、開槽型耦合段13之長度、寬度來調整耦合量、共振頻率等。
前述之開關元件17可透過射頻開關、射頻二極體172實現之。於另一實施例中，前述之開關元件17係透過射頻二極體172、電容173 以及偏壓電感171形成的等效開關，前述元件係設於基板10之第二面102(背面)，偏壓電感171之一端係連接偏壓端1710(例如：控制電路之控制埠)，而另一端係連接電容173以及射頻二極體172之一端。電容173以及射頻二極之另一端係透過第二貫孔142連接至第一面101之接地面。而當使用端透過偏壓電感171提供一直流電壓時，可導通前述之射頻二極體172來設定開槽天線之輻射特徵，以配置各個開槽型天線12之運作(調整天線之輻射長度、操作頻段)。
前述共平面饋線11之終端111更設有開路型開槽元件15以及終端開槽型天線16。當由共平面饋線11之饋入端110輸入之訊號行進至終端111時，訊號受到開路型開槽元件15之影響，訊號電流會流往終端開槽型天線16。於第一實施例中，開路型開槽元件15係採用扇型開槽元件，其扇型之展開角度為90度，長度約為1/4操作頻率波長(16.72mm)；而終端開槽型天線16之長度為42mm、寬度為4.3mm。前述之往路型開槽元件15以及終端開槽型天線16係分別設於共平面饋線11之二側。
為連接被共平面結構分隔之接地面，更於共平面饋線11之二側設置第一貫孔141，並透過跨線連接二側之第一貫孔141。於另一實施例中，前述之跨線係設於基板10之第二面102(圖未示出)。
前述串接之開槽型天線12依間距交錯的劃分成複數個天線群組。而當工作頻率操作於2500MHz~2690MHz、基板10為玻璃纖維(FR4)、射頻二極體172選用Skyworks公司的SMP1345 079LF PIN DIODE、電容173之容值為2.4pF、偏壓電感171感值為12nH，則圖1~圖3的各個參數如表1及表2所示：
其中，W g 為基板10第一面101(金屬面)之寬度、W sub 為基板10之寬度、d為基板10之長度、H為基板10至反射元件(位於第二面102之方向，圖未示出)之距離、L為開槽型天線12長度、W為開槽型天線12寬度、S w 為開槽型天線12之天線饋入端120至開關元件17之長度、L c 為開槽型耦合段13之長度、W c 為開槽型耦合段13之寬度、S為開槽型耦合段13至共平面饋線11之距離、d 1 及d 2 為各個天線群組之間距。
於第一實施例中，前述串接之開槽型天線12依間距交錯的劃分成複數個天線群組，並將相距d 1 的為開槽型天線12定義為天線群組之狀態2(state 2)、將相距d 2 的為開槽型天線12定義為天線群組之狀態1(state 1)，並透過致能各個群組天線之開關元件17達到波束控制之目的。
請參閱圖4及圖5，分別為第一實施例電子切換波束方向陣列天線1於狀態1以及狀態2反射損耗(Return loss，S11)模擬圖(simulation，平滑線段)以及實際量測圖(measurement，方型節點線段)。由圖4以及圖5可證明第一實施例之天線可操作於2500MHz~2690MHz。
請參閱圖6及圖7，分別為第一實施例電子切換波束方向陣列 天線1於狀態1以及狀態2在XZ平面(鉛垂面)之場型模擬圖(simulation)以及實際量測圖(measurement)。於狀態1中，模擬圖為方型節點線段、量測圖為平滑線段；於狀態2中，模擬圖為平滑線段、量測圖為方型節點線段。由圖6以及圖7可證明第一實施例之天線具備切換波束方向之能力。而電子切換波束方向陣列天線1於狀態1以及狀態2之參數如表3所示：
請參閱圖8，其為本發明第二實施例電子切換波束方向陣列天線1之結構示意圖。第二實施例係與第一實施相似，惟其差異在於第二實施例之共平面饋線11進一步包含第一共平面饋線11A以及第二共平面饋線11B，且開槽型天線12係分別設於第一共平面饋線11以及第二共平面饋線11之一側，前述之第一共平面饋線11A以及第二共平面饋線11B所屬的開槽式天線12可調整各個天線群組之幾何長度，以讓電子切換波束方向陣列天線1具有至少一個操作頻帶，於本實施例中係配置電子切換波束方向陣列天線1操作於雙頻帶。其天線幾何尺寸參數如表4所示：表4：天線幾何尺寸參數
請參閱圖9，其為第二實施例開路型開槽元件15以及終端開槽型天線16之結構示意圖。於此實施例中，開路型開槽元件15係為長方型開槽元件，其開路型開槽元件15以及終端開槽型天線16尺寸如表5所示：
前述之W為開路型開槽元件15之寬度、T為開路型開槽元件15之長度、 L g 為基板10於終端111部之長度、 W g 為基板10於終端111部之寬度、 W sub 為反射板18之寬度、 H 為基板10與反射板18之距離、 L 為終端開槽型天線16之長度、 S w 為共平面饋線11至終端開槽型天線16上開關元件17之距離、 S g 為上下二組子天線其金屬面之間距。
請接著參閱圖10~17，其為天線間距為d1~d4之群組，饋入端110(埠1)相對於終端111(埠2)之S參數模擬圖以及量測圖。S11模擬圖為方型節點之虛線段、S11量測圖為方型節點之實線段、S21模擬圖為圓型節點之虛線段、S21量測圖為方型節點之實線段。S22模擬圖為方型節點之虛線段、S22量測圖為方型節點之實線段、S12模擬圖為圓型節點之虛線段、S12量測圖為方型節點之實線段。相關參數說明如表6所示：
第二實施例之電子切換波束方向陣列天線1透過配置二組開槽型天線12之幾何長度或開關元件17於開槽型天線12之位置，以具有雙頻(1800MHz以及2600MHz)操作之特性。請參閱圖18~圖21，分別為第二實施例電子切換波束方向陣列天線1各天線群組之於高頻操作(2600MHz)之場型示意圖。方型節點虛線段為模擬圖，方型節點實線段為量測圖。為方便說明，本發明第二實施例僅以高頻段之場型進行說明，惟電子切換波束方向陣列天線1於低頻段亦具有可切換波束方向之能力。各天線群組以及相對之圖式說明如表7所示；
請參閱圖22，其為本發明第三實施例電子切換波束方向陣列天線1結構示意圖。第三實施例係與第一實施相似，惟其差異在於第三實施例之開槽型天線12係設於共平面饋線11之二側，以配置天線之極化特性(線性極化、圓極化…等)。進一步說明之，若欲提供線性極化特性時，則開槽型天線12係對稱的設置於共平面饋線11之二側，若欲提供圓極化特性時，則開槽型天線12係前後的交錯設於共平面饋線11之二側。第三實施例其天線之幾何尺寸(採圓極化設計)如表8所示，其 d cp 為開槽型耦合段13間之間距。
請參閱圖23~26，其為間距為d1及d2之天線群組之場型圖。 圓型節點虛線段為左手圓極化(LHCP)之場型圖、圓型節點實線段為右手圓極化(RHCP)之場型圖，由圖式內容可證明本案第三實施例之天線具備圓極化天線特性，其圖式細部說明如表9所示：
上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

Claims (10)

  1. 一種電子切換波束方向陣列天線，包含：共平面饋線，設於一基板之一金屬面上；複數個開槽型天線，斜向設置於該金屬面，以及設於該共平面饋線之至少一側，各該開槽型天線更包含：開槽型耦合段，設於該開槽型天線之一端以及鄰近該共平面饋線，以使該開槽型天線耦合連接該共平面饋線；開關元件，設於該開槽天線之一部以及由該金屬面形成的接地面之間；其中，各該開關元件在被致能下係配置該開槽天線輻射特徵，以設定陣列天線之波束方向。
  2. 如請求項1所述之電子切換波束方向陣列天線，其中該等開槽型天線係設於該共平面饋線之二側。
  3. 如請求項2所述之電子切換波束方向陣列天線，其中該等開槽型天線係前後的交錯設於該共平面饋線之二側。
  4. 如請求項1所述之電子切換波束方向陣列天線，其中該共平面饋線進一步包含第一共平面饋線以及第二共平面饋線，且該等開槽型天線係分別設於該第一共平面饋線以及該第二共平面饋線之一側。
  5. 如請求項1、2、3或4所述之電子切換波束方向陣列天線，其中該等開槽天線係以該共平面饋線為軸線成對的配置於該金屬面上。
  6. 如請求項1、2、3或4所述之電子切換波束方向陣列天線，其中該共平面饋線之終端更設有開路型開槽元件以及終端開槽型天線。
  7. 如請求項1、2、3或4所述之電子切換波束方向陣列天線，更包含至少一個跨線，以連接被該共平面隔離之該接地面。
  8. 如請求項1、2、3或4所述之電子切換波束方向陣列天線，其中該等開槽型耦合段之縱向軸線係平行於該共平面饋線之縱向軸線。
  9. 如請求項1、2、3或4所述之電子切換波束方向陣列天線，其中該等開槽型天線係由該共平面饋線往該共平面饋線之終端延伸。
  10. 如請求項9所述之電子切換波束方向陣列天線，其中該等串接之開槽型天線依間距交錯的劃分成複數個天線群組。
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