TWI681594B - 陣列天線及可變感測方向的天線系統 - Google Patents

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Abstract

本文提出一種陣列天線及可變感測方向的天線系統。此陣列天線包括一個可撓式基板、兩個以上的天線單元以及一條以上的信號傳遞線。可撓式基板包括兩個以上的天線設置區，每一個天線設置區包括堆疊的兩個以上的材料層，這些天線設置區藉由可撓式材料層連接而形成前述的可撓式基板，且可撓式材料層延伸進入天線設置區中而作為前述材料層的一部份。每一個天線單元設置於相對應的一個天線設置區中。信號傳遞線設置於可撓式材料層上，並連接於兩個天線單元之間以在所連接的兩個天線單元之間傳遞信號。

Description

陣列天線及可變感測方向的天線系統
本發明是一種有關於指向性陣列天線的技術，特別是有關於一種陣列天線及可變感測方向的天線系統。
在許多的應用層面中，指向性陣列天線常被拿來作為感測外部環境狀態的感測器，例如：在汽車的行車過程中，就常用指向性陣列天線來進行四周障礙物的感測，藉此達到警示及避免碰撞的效果。
指向性陣列天線是由多個天線單元依照一定方式排列而成的組合式天線，其主波束的指向方向由組成此陣列天線的天線單元各自發出的電磁波的組合所決定。現今用來安裝上述天線單元的電路板通常是多層印刷電路板（PCB，Printed Circuit Board），以藉由多層印刷電路板的穩固不易變形的性質來維持陣列天線的主波束的指向方向的穩定性。
然而，也因為多層印刷電路板具有穩固不易變形的性質，所以一旦指向性陣列天線設置完成，其主波束的指向方向以及涵蓋範圍等特性也會同時受到限制，亦即，指向性陣列天線的感測範圍就會同時受到限制，無法自由的根據需求來進行調整。在複雜的應用環境中，這種穩固而不易改變的感測範圍常常無法密切配合環境變化所需的感測範圍改變，因而造成感測範圍出現空檔（變成無效的感測）。為此，使用者不得不增加指向性陣列天線感測範圍的設置數量以降低感測空檔的出現機會。
有鑑於此，本說明內容提供一種陣列天線及可變感測方向的天線系統，其藉由在具備可撓性的基板上設置天線單元並組成陣列天線，使得陣列天線的感測範圍可以經由調整基板的彎曲狀態而進行調整，增加天線系統的使用彈性。
從一方面來看，本說明內容提供一種陣列天線。此陣列天線包括一個可撓式基板、兩個以上的天線單元以及一條以上的信號傳遞線。可撓式基板包括兩個以上的天線設置區，每一個天線設置區包括堆疊的兩個以上的材料層，這些天線設置區藉由可撓式材料層連接而形成前述的可撓式基板，且可撓式材料層延伸進入天線設置區中而作為前述材料層的一部份。每一個天線單元設置於相對應的一個天線設置區中。信號傳遞線設置於可撓式材料層上或可撓式材料層內，並連接於兩個天線單元之間以電性耦接這兩個天線單元，並在所連接的兩個天線單元之間傳遞信號。
在一個實施例中，前述的每一個天線設置區是一個多層印刷電路板。
在一個實施例中，前述的可撓式材料層為單層或多層的介電材料層。進一步的，當可撓式材料層為多層的介電材料層時，信號傳遞線被設置於可撓式材料層內。
從另一方面來看，本說明內容提供一種可變感測方向的天線系統，其包括陣列天線以及控制裝置。陣列天線包括一個可撓式基板、兩個以上的天線單元以及一條以上的信號傳遞線。可撓式基板包括兩個以上的天線設置區，每一個天線設置區包括堆疊的兩個以上的材料層，這些天線設置區藉由可撓式材料層連接而形成前述的可撓式基板，且可撓式材料層延伸進入天線設置區中而作為前述材料層的一部份。每一個天線單元設置於相對應的一個天線設置區中。信號傳遞線設置於可撓式材料層上或可撓式材料層內，並連接於兩個天線單元之間以電性耦接這兩個天線單元，並在所連接的兩個天線單元之間傳遞信號。控制裝置連接前述的陣列天線以調整可撓式基板的彎曲狀態。
在一個實施例中，前述的每一個天線設置區是一個多層印刷電路板。
在一個實施例中，前述的可撓式材料層為單層或多層的介電材料層。進一步的，當可撓式材料層為多層的介電材料層時，信號傳遞線被設置於可撓式材料層內。
在一個實施例中，前述的控制裝置包括支撐架、驅動結構以及驅動控制器。支撐架包括兩個以上的區段支架，每一個區段支架具有固定形狀且適於固接至少一個天線設置區；驅動結構具有兩個以上的驅動桿，每一個驅動桿對應連接並驅動一個區段支架以改變所驅動的區段支架的位置；驅動控制器電性耦接至驅動結構以控制驅動桿的移動方式。
在一個實施例中，前述的支撐架為汽車車燈的燈架或後視鏡架。
由於在具備可撓性的基板上設置天線單元並組成陣列天線，所以本說明所提供的陣列天線的感測範圍可以經由調整基板的彎曲狀態而進行調整，並因此增加天線系統的使用彈性。
請參照圖1，其為根據本發明一實施例的陣列天線的外觀示意圖。在本實施例中，陣列天線10主要包括可撓式基板100、天線單元110以及信號傳遞線120，可撓式基板100主要由兩個以上的天線設置區1010以及連接於相鄰的兩個天線設置區1010之間的可撓式材料層1020所組成，每個天線單元110被設置在一個天線設置區1010中，信號傳遞線120則被設置在連接於相鄰的兩個天線設置區1010之間的可撓式材料層1020上，以於天線單元110之間傳遞信號。
在圖1所示的實施例中，外界會將陣列天線10所需要的信號SI傳遞至陣列天線10之中，而信號SI則經由天線設置區1010中的導電線路（包含但不限於天線單元110中的導電線路）以及信號傳遞線120而被進一步地傳遞至全部的天線單元110。藉此，陣列天線10可以根據所輸入的信號SI而產生對應的電磁波場型來偵測四周環境的狀態。
應注意的是，隨著陣列天線10的設計需求（例如電磁波場型）改變，有可能在一個天線設置區1010中設置有兩個天線單元110，也有可能在某些天線設置區1010中不設置天線單元110。另外，信號傳遞線120只需要達到能將信號傳遞至全部的天線單元110的功能即可，並不需要被設置在每一個可撓式材料層1020上。再者，可撓式材料層1020的寬度可以與天線設置區1010的寬度相同或比天線設置區1010的寬度較窄。因此，圖1所示的陣列天線10的種種特定配置方式僅是實現本發明的其中一種方式，而不是用來限制本發明技術的條件。
接下來請參照圖2，其為根據本發明一實施例的陣列天線的剖面圖。圖2所示的實施例僅表現出了陣列天線中包含天線單元210、212與214的部分，其中，天線單元210與212一起被設置在天線設置區2010上，天線單元214則被設置在天線設置區2030上。天線設置區2010是一個堆疊四層材料層的印刷電路板，其中包括材料層2012、2014、2016與2018共四個材料層；天線設置區2030也是一個堆疊四層材料層的印刷電路板，其中包括材料層2032、2034、2036與2038共四個材料層。在這些材料層中，有一部份的材料層，例如：材料層2014、2016、2034與2036等，可以選擇使用由具備電絕緣特性且柔軟的介電材料所製成的介電材料層，而其他的材料層，例如：材料層2012、2018、2032與2038等，則可以選擇使用由堅硬不易變形的絕緣材質所製成的絕緣表層。藉由類似上述的軟硬材質選擇，可以同時保有印刷電路板不易變形（不可撓）以及整體陣列天線呈現可撓狀態的兩種特性。
在本實施例中，天線單元210與212被設置在天線設置區2010的最上面的材料層2012的表面上，天線單元214被設置在天線設置區2030的最上面的材料層2032的表面上。在天線單元210、212與214之間傳遞信號的信號傳遞線220被設置在材料層2014與2034以及可撓式材料層2020的表面上，並電性耦接至天線單元210、212與214。若以同樣的材料製作材料層2014、2034以及可撓式材料層2020，則可以在同一製程中以同樣的材料製作出材料層2014、2034以及可撓式材料層2020，使材料層2014、2034以及可撓式材料層2020被整合為一體，以此增強這些元件之間的整體性而減少彼此分離的可能性。從另一個角度來看，可以將材料層2014或2034延伸到天線設置區2010或2030之外而成為可撓式材料層2020；或者，也可以將可撓式材料層2020延伸進入到天線設置區2010或2030內而成為材料層2014或2034。
應注意的是，本發明中的天線設置區可以是包含兩層以上的材料層的多層印刷電路板，而且每一個天線設置區所包含的材料層的層數可以單獨設計，不需要完全相同；類似的，雖然圖2所示的實施例中的可撓式材料層2020是單獨一層的介電材料層（與材料層2014或2034相同材料），但是可撓式材料層2020也可以配合實際上的設計需求而被設計成包括多層的介電材料層，而信號傳遞線220則可以被設置在材料層2014與2034以及可撓式材料層2020內。請參照圖5，其中可撓式材料層2020包括多層的介電材料層2020a~2020c，而信號傳遞線220則被設置在介電材料層2020b上，並被介電材料層2020a所覆蓋；同時，材料層2014也包括兩層的介電材料層2014a與2014b，而信號傳遞線220則被設置在介電材料層2014b上，並被介電材料層2014a所覆蓋。
接下來請參照圖3，其為根據本發明一實施例的天線系統的系統架構示意圖。本實施例中的天線系統30使用了圖2所示的陣列天線，並搭配由支撐架、驅動結構（包括驅動桿3100與3110以及伺服馬達3200）以及驅動控制器3300所組成的控制裝置，以達到根據指令控制而改變陣列天線位置與調整可撓式基板的彎曲狀態的效果。其中，可以根據其他感測裝置的感測結果來自動提供控制前述控制裝置的指令，例如：可以利用重力感測裝置等移動感測裝置來感測設置天線系統30的物體的水平角度或其他移動狀態，然後再根據這些感測結果來改變陣列天線的位置與調整可撓式基板的彎曲狀態。前述的彎曲狀態舉例如圖4。請參照圖4，在未調整位置之前，三個天線單元的位置分別位於圖4所示的位置400、410與420三處，此時，位於位置400與420兩處的天線，其水平位置差異的長度為X1，垂直位置差異的長度為Y1，且連接位置400與420兩處天線的信號線的長度為L1。在調整彎曲狀態之後，原本位於位置400處的天線維持不動，而原本位於位置410與420兩處的天線則分別移動到位置410a與420a兩處，此時，連接位置400與420a兩處的天線的信號線的長度L2會與先前的長度L1相同，但是位於位置400與420兩處的天線，其水平位置差異的長度會從X1變動為X2，垂直位置差異的長度則從Y1變動為Y2。如此一來，藉由在信號線長度不變（亦即長度L1等於長度L2）的狀況下調整兩個天線在空間中的相對位置，就可以改變這兩個天線所發出的電磁波組合而成的電磁波場型。
在本實施例中，支撐架包括區段支架3000與3010，驅動結構包括驅動桿3100與3110以及伺服馬達3200。區段支架3000與3010分別具有固定形狀（例如平面狀），且區段支架3000至少可以用來固接天線設置區2010，區段支架3010至少可以用來固接天線設置區2030。驅動桿3100連接到區段支架3000以及伺服馬達3200，以能根據伺服馬達3200的運作而改變區段支架3000的位置；同樣的，驅動桿3110連接到區段支架3010以及伺服馬達3200，以能根據伺服馬達3200的運作而改變區段支架3010的位置。驅動控制器3300電性耦接至伺服馬達3200，並根據預設的或外界輸入的指令來控制伺服馬達3200的運作，進而控制驅動桿3100與3110的移動方式。隨著驅動桿3100與3110開始移動，區段支架3000的位置、區段支架3010的位置以及區段支架3000與3010之間的夾角ɵ也會開始出現變化，由天線單元210、212與214所發出的電磁波組合而成的電磁波場型也會因為前述的變化而有所改變。
據此，設計者可以透過適當地設計控制裝置中各元件的位置以及運作功能，輕易達到改變陣列天線的電磁波場型的效果。
上述的技術可以運用在生活中的許多層面裡。舉例來說，現在的車輛許多都配備有隨著方向盤轉動而主動改變頭燈照射方向的技術，若配合運用本說明中所提供的技術而將陣列天線裝設在汽車車燈的燈架上，那麼就可以隨著方向盤的轉動而改變陣列天線的感測範圍到需要重點偵測的位置，進一步使得行車更為安全。除此之外，例如汽車的後視鏡等處也可以用來設置前述的陣列天線。
上述的實施例由於在具備可撓性的基板上設置天線單元並組成陣列天線，所以由其組成的陣列天線的感測範圍可以經由調整基板的彎曲狀態而進行調整，並因此增加天線系統的使用彈性。
10‧‧‧陣列天線
30‧‧‧天線系統
100‧‧‧可撓式基板
110、210、212、214‧‧‧天線單元
120、220‧‧‧信號傳遞線
1010、2010、2030‧‧‧天線設置區
1020、2020‧‧‧可撓式材料層
2012、2014、2016、2018、2032、2034、2036、2038‧‧‧材料層
2014a、2014b、2020a、2020b、2020c‧‧‧介電材料層
3000、3010‧‧‧區段支架
3100、3110‧‧‧驅動桿
3200‧‧‧伺服馬達
3300‧‧‧驅動控制器
L1、L2、X1、X2、Y1、Y2‧‧‧長度
SI‧‧‧信號
圖1為根據本發明一實施例的陣列天線的外觀示意圖。 圖2為根據本發明一實施例的陣列天線的剖面圖。 圖3為根據本發明一實施例的天線系統的系統架構示意圖。 圖4為根據本發明一實施例的天線系統的彎曲狀態變化示意圖。 圖5為根據本發明另一實施例的陣列天線的剖面圖。
210、212、214‧‧‧天線單元
220‧‧‧信號傳遞線
2010、2030‧‧‧天線設置區
2012、2014、2016、2018、2032、2034、2036、2038‧‧‧材料層
2020‧‧‧可撓式材料層

Claims (10)

  1. 一種陣列天線，其特徵在於該陣列天線包括：一可撓式基板，包含兩個以上的天線設置區，每一該些天線設置區包括堆疊的兩個以上的材料層，該些天線設置區彼此分開並藉由一可撓式材料層連接而成該可撓式基板，且該可撓式材料層延伸進入該些天線設置區中以作為該些材料層的一部分以使連接在該些天線設置區之間的材料層的層數小於該些天線設置區中堆疊的該些材料層的層數；兩個以上的天線單元，每一個該些天線單元設置於相對應的一個該些天線設置區中；以及一條以上的信號傳遞線，設置於該可撓式材料層上或該可撓式材料層內，該信號傳遞線連接於兩個該些天線單元之間，以在所連接的兩個該些天線單元之間傳遞信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的陣列天線，其中每一該些天線設置區為一個多層印刷電路板。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的陣列天線，其中該可撓式材料層為單層或多層的介電材料層。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的陣列天線，其中當該可撓式材料層為多層的介電材料層時，該信號傳遞線設置於該可撓式材料層內。
  5. 一種可變感測方向的天線系統，其特徵在於包括：一陣列天線，包括： 一可撓式基板，包含兩個以上的天線設置區，每一該些天線設置區包括堆疊的兩個以上的材料層，該些天線設置區藉由一可撓式材料層連接而成該可撓式基板，且該可撓式材料層延伸進入該些天線設置區中以作為該些材料層的一部分；兩個以上的天線單元，每一個該些天線單元設置於相對應的一個該些天線設置區中；以及一條以上的信號傳遞線，設置於該可撓式材料層上或該可撓式材料層內，該信號傳遞線連接於兩個該些天線單元之間，以在所連接的兩個該些天線單元之間傳遞信號；以及一控制裝置，該控制裝置連接到該陣列天線以調整該可撓式基板的彎曲狀態。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的天線系統，其中每一該些天線設置區為一個多層印刷電路板。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的天線系統，其中該可撓式材料層為單層或多層的介電材料層。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的天線系統，其中當該可撓式材料層為多層的介電材料層時，該信號傳遞線設置於該可撓式材料層內。
  9. 如申請專利範圍第5項所述的天線系統，其中該控制裝置包括：一支撐架，包括兩個以上的區段支架，每一該些區段支架具有固定形狀且適於固接至少一個該些天線設置區； 一驅動結構，具有兩個以上的驅動桿，每一該些驅動桿對應連接並驅動一個該些區段支架以改變所驅動的該區段支架的位置；以及一驅動控制器，電性耦接該驅動結構以控制該些驅動桿的移動方式。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的天線系統，其中該支撐架為汽車車燈的燈架或後視鏡。
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