TWI693744B - 天線系統 - Google Patents

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TWI693744B
TWI693744B TW108102350A TW108102350A TWI693744B TW I693744 B TWI693744 B TW I693744B TW 108102350 A TW108102350 A TW 108102350A TW 108102350 A TW108102350 A TW 108102350A TW I693744 B TWI693744 B TW I693744B
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林柏蒼
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胡沛成
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Abstract

一種天線系統，包括：一介質基板、一接地面，以及一第一天線陣列。接地面設置於介質基板之一第二表面上。第一天線陣列設置於介質基板之一第一表面上，並包括一第一傳輸線、一第一天線元件、一第二天線元件、一第三天線元件、一第四天線元件、一第五天線元件，以及一第六天線元件。第一傳輸線具有一第一饋入點，並耦接至第一天線元件、第二天線元件、第三天線元件、第四天線元件、第五天線元件，以及第六天線元件。第一天線元件、第二天線元件、第三天線元件、第四天線元件、第五天線元件，以及第六天線元件皆大致排列於一第一直線上。

Description

天線系統
本發明係關於一種天線系統(Antenna System)，特別係關於一種具有較大波束寬度(Beam Width)之天線系統。
天線陣列(Antenna Array)因本身具備高指向性(High Directivity)、高增益(High Gain)等特性，故大量為軍事科技、雷達探測、生命探測、健康偵測等領域所採用。如何設計一種具有大波束寬度(Beam Width)之天線陣列以利於如家用安全(Home Security)裝置之應用，已成為現今設計者之一大挑戰。
在較佳實施例中，本發明提供一種天線系統，包括：一介質基板，具有相對之一第一表面和一第二表面；一接地面，設置於該介質基板之該第二表面上；以及一第一天線陣列，設置於該介質基板之該第一表面上，並包括一第一傳輸線、一第一天線元件、一第二天線元件、一第三天線元件、一第四天線元件、一第五天線元件，以及一第六天線元件；其中該第一傳輸線具有一第一饋入點，並耦接至該第一天線元件、該第二天線元件、該第三天線元件、該第四天線元件、該第五天線元件，以及該第六天線元件；其中該第一天線元件、該第二天線元件、該第三天線元件、該第四天線元件、該第五天線元件，以及該第六天線元件皆大致排列於一第一直線上。
在一些實施例中，該介質基板為一單層板，而該單層板係由Rogers RO4350B板材所製成。
在一些實施例中，該介質基板為一六層複合板，而該六層複合板係由Rogers RO4350B板材和FR4板材所製成。
在一些實施例中，該天線系統之一操作頻率係大致為24GHz。
在一些實施例中，該天線系統之一波束寬度係大致為160度。
在一些實施例中，於該波束寬度內，該天線系統之增益皆大於6dBi。
在一些實施例中，該第一天線元件、該第二天線元件、該第三天線元件、該第四天線元件、該第五天線元件，以及該第六天線元件之每一者皆包括一輻射部、一連接部，以及一阻抗調整部，而該輻射部係經由該連接部和該阻抗調整部耦接至該第一傳輸線。
在一些實施例中，該輻射部係大致呈現一矩形。
在一些實施例中，該輻射部之長度係介於該操作頻率之0.15至0.25倍波長之間。
在一些實施例中，該輻射部之寬度係介於該操作頻率之0.51至0.78倍波長之間。
在一些實施例中，該連接部之長度係介於1.8mm至2.2mm之間。
在一些實施例中，該連接部之寬度係介於0.3mm至0.5mm之間。
在一些實施例中，該阻抗調整部之長度係大致等於該操作頻率0.25倍波長。
在一些實施例中，該阻抗調整部之寬度係大於該連接部之寬度。
在一些實施例中，該天線系統更包括：一第二天線陣列，設置於該介質基板之該第一表面上，並包括一第二傳輸線、一第七天線元件、一第八天線元件、一第九天線元件、一第十天線元件、一第十一天線元件，以及一第十二天線元件。
在一些實施例中，該第二傳輸線具有一第二饋入點，並耦接至該第七天線元件、該第八天線元件、該第九天線元件、該第十天線元件、該第十一天線元件，以及該第十二天線元件。
在一些實施例中，該第七天線元件、該第八天線元件、該第九天線元件、該第十天線元件、該第十一天線元件，以及該第十二天線元件皆大致排列於一第二直線上。
在一些實施例中，該第二直線係與該第一直線大致互相平行。
在一些實施例中，該第一天線陣列和該第二天線陣列彼此為鏡像對稱。
在一些實施例中，該第一天線陣列和該第二天線陣列之間距係大於該操作頻率之3倍波長以上。
為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
在說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。本領域技術人員應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及申請專利範圍當中所提及的「包含」及「包括」一詞為開放式的用語，故應解釋成「包含但不僅限定於」。「大致」一詞則是指在可接受的誤差範圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題，達到所述基本之技術效果。此外，「耦接」一詞在本說明書中包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接至一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電性連接至該第二裝置，或經由其它裝置或連接手段而間接地電性連接至該第二裝置。
第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統(Antenna System)100之俯視圖。第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統100之側視圖。請一併參考第1A、1B圖。天線系統100可應用於一通訊裝置(Communication Device)當中，例如：一車輛(Vehicle)或一家用安全(Home Security)裝置。如第1A、1B圖所示，天線系統100至少包括：一介質基板(Dielectric Substrate)110、一接地面(Ground Plane)120，以及一第一天線陣列(Antenna Array)130，其中接地面120和第一天線陣列130可各自為一金屬平面。
介質基板110具有相對之一第一表面E1和一第二表面E2，其中第一天線陣列130係設置於介質基板110之第一表面E1上，而接地面120係設置於介質基板110之第二表面E2上。接地面120可以大致呈現一矩形或一正方形，但亦不僅限於此。第一天線陣列130於介質基板110之第二表面E2上具有一第一垂直投影(Vertical Projection)，其中此第一垂直投影係完全位於接地面120之內部。在一些實施例中，介質基板110為一單層板，而此單層板係由Rogers RO4350B板材所製成。Rogers RO4350B板材之一介電常數(Dielectric Constant)可等於3.85，其中Rogers RO4350B板材可具有相對較小之損耗正切(Loss Tangent)，使得天線系統100可提供更理想之操作特性。在另一些實施例中，介質基板110亦可改用其他種類之板材製成。
第一天線陣列130包括一第一傳輸線(Transmission Line)135、一第一天線元件(Antenna Element)140、一第二天線元件150、一第三天線元件160、一第四天線元件170、一第五天線元件180，以及一第六天線元件190。第一傳輸線135可以大致呈現一直條形。例如，第一傳輸線135可為一微帶線(Microstrip Line)。第一傳輸線135係同時並聯耦接至第一天線元件140、第二天線元件150、第三天線元件160、第四天線元件170、第五天線元件180，以及第六天線元件190，其中第一天線元件140、第二天線元件150、第三天線元件160、第四天線元件170、第五天線元件180，以及第六天線元件190皆大致排列於一第一直線LL1上。詳細而言，第一天線元件140、第二天線元件150、第三天線元件160、第四天線元件170、第五天線元件180，以及第六天線元件190之任相鄰二者皆可具有相等之間距D1。必須注意的是，本說明書中所謂「鄰近」或「相鄰」一詞可指對應之二元件間距小於一既定距離(例如：5mm或更短)。第一傳輸線135具有一第一饋入點(Feeding Point)FP1，其可大致位於第一傳輸線135之正中央處。在一些實施例中，一第一信號源(Signal Source)(未顯示)之一正極(Positive Electrode)係耦接至第一饋入點FP1，而第一信號源之一負極(Negative Electrode)係耦接至接地面120，從而可激發第一天線陣列130。
第1C圖係顯示根據本發明一實施例所述之第二天線元件150之俯視圖。在第一天線陣列130中，第一天線元件140、第二天線元件150、第三天線元件160、第四天線元件170、第五天線元件180，以及第六天線元件190可皆具有完全相同之結構。必須注意的是，第1C圖僅舉例介紹第二天線元件150之細部結構，而其餘天線元件在此不再重複說明(因結構相同)。如第1C圖所示，第一天線元件140、第二天線元件150、第三天線元件160、第四天線元件170、第五天線元件180，以及第六天線元件190之每一者皆包括一輻射部(Radiation Element)152、一連接部(Connection Element)154，以及一阻抗調整部(Impedance Adjustment Element)156。輻射部152可以大致呈現一矩形或一正方形。連接部154可以大致呈現一直條形。連接部154係耦接於輻射部152和阻抗調整部156之間。詳細而言，連接部154可耦接至輻射部152之一側邊之一中心點處。阻抗調整部156亦可大致呈現一直條形。輻射部152係經由連接部154和阻抗調整部156耦接至第一傳輸線135，其中連接部154和阻抗調整部156兩者之一組合可大致為一不等寬結構。在一些實施例中，輻射部152、連接部154，以及阻抗調整部156三者可沿其中心線LS1呈現一線對稱圖案。
第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統100之輻射場型(Radiation Pattern)圖。若天線系統100位於原點，則第2圖之輻射場型可係於XZ平面上進行量測。天線系統100之操作頻率(Operation Frequency)可以大致為24GHz。根據第2圖之量測結果，天線系統100之波束寬度(Beam Width)BW可達約160度，其中於此波束寬度BW內天線系統100之增益(Gain)皆可大於6dBi。必須注意的是，若使用1x4之天線陣列，常會發生天線增益不足之問題，而若使用2x4之天線陣列，則容易使輻射場型產生零點(Null)。在本發明之設計下，天線系統100改採用1x6之第一天線陣列130，其屬於多次實驗後所產生之最佳化結果，可同時兼得高增益、大波束寬度之雙重優勢。
在一些實施例中，天線系統100之元件尺寸可如下列所述。輻射部152之長度L1可介於天線系統100之操作頻率之0.15至0.25倍波長(Wavelength)之間，較佳可為0.21倍波長。輻射部152之寬度W1可介於天線系統100之操作頻率之0.51至0.78倍波長之間，較佳可為0.65倍波長。連接部154之長度L2可介於1.8mm至2.2mm之間，較佳可為2mm。連接部154之寬度W2可介於0.3mm至0.5mm之間，較佳可為0.4mm。阻抗調整部156之長度L3可大致等於天線系統100之操作頻率0.25倍波長(λ/4)。阻抗調整部156之寬度W3可大於連接部154之寬度W2。例如，前述寬度W3可為前述寬度W2之1.5至2倍，但亦不僅限於此。第一天線陣列130之任相鄰二天線元件之間距D1係介於2.2mm至4.2mm之間，較佳可為3.2mm。以上元件尺寸之範圍係根據多次實驗結果而得出，其有助於最佳化天線系統100之波束寬度和阻抗匹配(Impedance Matching)。
第3圖係顯示根據本發明另一實施例所述之介質基板310之側視圖。在第3圖之實施例中，介質基板310為一六層複合板，而此六層複合板係由Rogers RO4350B板材和FR4(Flame Retardant 4)板材所共同製成，其中FR4板材之介電常數可等於4.3。詳細而言，介質基板310包括一第一介質層(Dielectric Layer)311、一第二介質層312、一第三介質層313、一第四介質層314、一第五介質層315、一第一金屬層(Metal Layer)321、一第二金屬層322、一第三金屬層323、一第四金屬層324、一第五金屬層325，以及一第六金屬層326，其中第一金屬層321、一第二金屬層322、第三金屬層323、第四金屬層324、第五金屬層325，以及第六金屬層326可與第一介質層311、第二介質層312、第三介質層313、第四介質層314、第五介質層315彼此作交錯排列。例如，第一介質層311和第五介質層315可用Rogers RO4350B板材所製成，而第二介質層312、第三介質層313，以及第四介質層314可用FR4板材所製成。另外，第一金屬層321、第二金屬層322、第三金屬層323、第四金屬層324、第五金屬層325，以及第六金屬層326彼此可由一或複數個導電貫通元件(Conductive Via Element)所互相耦接。當介質基板310應用於第1圖之天線系統100中時，第一金屬層321可形成前述之第一天線陣列130，而第六金屬層326可形成前述之接地面120。在元件尺寸方面，第二介質層312、第三介質層313，以及第四介質層314三者之總厚度H2可約為第一介質層311之厚度H1之2至3倍(例如：2.6倍)，其亦可約為第五介質層315之厚度H3之2至3倍(例如：2.6倍)。例如，前述厚度H1和H3可皆約為10mil，而前述厚度H2可約為26mil。根據實際量測結果，若使用第3圖之介質基板310，則天線系統100之波束寬度和其內增益均可獲得進一步改善。
第4圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線系統400之俯視圖。第4圖和第1A圖相似。在第4圖之實施例中，天線系統400更包括一第二天線陣列430，其中第二天線陣列430亦設置於介質基板110之第一表面E1上。第二天線陣列430於介質基板110之第二表面E2上具有一第二垂直投影，其中此第二垂直投影亦完全位於接地面120之內部。第一天線陣列130和第二天線陣列430彼此可為鏡像對稱。例如，第一天線陣列130和第二天線陣列430可沿其中心線LS2呈現一線對稱圖案。在一些實施例中，第一天線陣列130和第二天線陣列430其中一者可耦接至一發射器(Transmitter，TX)，而第一天線陣列130和第二天線陣列430其中另一者可耦接至一接收器(Receiver，RX)。相似地，第二天線陣列430包括一第二傳輸線435、一第七天線元件440、一第八天線元件450、一第九天線元件460、一第十天線元件470、一第十一天線元件480，以及一第十二天線元件490。第二傳輸線435係同時並聯耦接至第七天線元件440、第八天線元件450、第九天線元件460、第十天線元件470、第十一天線元件480，以及第十二天線元件490，其中第七天線元件440、第八天線元件450、第九天線元件460、第十天線元件470、第十一天線元件480，以及第十二天線元件490皆大致排列於一第二直線LL2上，而此第二直線LL2係與前述之第一直線LL1大致互相平行。第二傳輸線435具有一第二饋入點FP2，其可大致位於第二傳輸線435之正中央處。第七天線元件440、第八天線元件450、第九天線元件460、第十天線元件470、第十一天線元件480，以及第十二天線元件490之每一者之細部結構皆可如第1C圖之實施例所述，在此不再重複說明。在一些實施例中，一第二信號源(未顯示)之一正極係耦接至第二饋入點FP2，而第二信號源之一負極係耦接至接地面120，從而可激發第二天線陣列430。在一些實施例中，第一天線陣列130和第二天線陣列430之間距D2(或第一傳輸線135和第二傳輸線435之間距D2)係大於天線系統400之操作頻率之3倍波長以上，以提升第一天線陣列130和第二天線陣列430之間之隔離度(Isolation)。第4圖之天線系統400之其餘特徵皆與第1A、1B圖之天線系統100類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。
第5圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線系統400之S參數(S-Parameter)圖，其中橫軸代表操作頻率(GHz)，而縱軸代表S參數(dB)。在第5圖之實施例中，係以第一天線陣列130之第一饋入點FP1作為一第一埠(Port 1)，再以第二天線陣列430之第二饋入點FP2作為一第二埠(Port 2)，其中一S11曲線、一S22曲線，以及一S21曲線係分別代表第一埠和第二埠之間之S11參數、S22參數，以及S21參數。根據第5圖之量測結果，第一天線陣列130和第二天線陣列430均可涵蓋24GHz之一操作頻帶，而第一天線陣列130和第二天線陣列430之間之隔離度(亦即，前述S21參數之絕對值)可達至少約25dB，其可滿足一般天線系統之實際應用需求，例如：軍事科技(包括但不限於障礙物偵測、隔牆偵測)、車用雷達探測、車用通訊、活體移動偵測，或是生命徵象偵測(包括但不限於偵測心跳、呼吸頻率、血氧、血壓)等等領域所採用之天線系統。
第6圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線系統400之輻射效率(Radiation Efficiency)圖，其中橫軸代表操作頻率(GHz)，而縱軸代表輻射效率(dB)。根據第6圖之量測結果，在24GHz之操作頻帶處，第一天線陣列130和第二天線陣列430之每一者之輻射效率皆可達至少-4dB，其代表天線系統400具有高效率、低損耗之特性。
本發明提出一種新穎之天線系統，其包括至少一組1x6之天線陣列。以結果而言，本發明至少具有小尺寸、大波束寬度、低損耗、高增益，以及低製造成本等優勢，故其很適合應用於各種各式之通訊裝置當中。
值得注意的是，以上所述之元件尺寸、元件形狀，以及頻率範圍皆非為本發明之限制條件。天線設計者可以根據不同需要調整這些設定值，以符合所需設計要求。例如，可以參考本發明設計規則或設定值來設計出操作於其他毫米波頻段(例如：38GHz、60GHz、77GHz，或是94GHz，但不限於此)之天線陣列。本發明之天線系統並不僅限於第1-6圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-6圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之，並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之天線系統當中。
在本說明書以及申請專利範圍中的序數，例如「第一」、「第二」、「第三」等等，彼此之間並沒有順序上的先後關係，其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、400:天線系統
110、310:介質基板
120:接地面
130:第一天線陣列
135:第一傳輸線
140:第一天線元件
150:第二天線元件
152:輻射部
154:連接部
156:阻抗調整部
160:第三天線元件
170:第四天線元件
180:第五天線元件
190:第六天線元件
311:第一介質層
312:第二介質層
313:第三介質層
314:第四介質層
315:第五介質層
321:第一金屬層
322:第二金屬層
323:第三金屬層
324:第四金屬層
325:第五金屬層
326:第六金屬層
430:第二天線陣列
435:第二傳輸線
440:第七天線元件
450:第八天線元件
460:第九天線元件
470:第十天線元件
480:第十一天線元件
490:第十二天線元件
BW:波束寬度
D1、D2:間距
E1:介質基板之第一表面
E2:介質基板之第二表面
FP1:第一饋入點
FP2:第二饋入點
H1、H2、H3:厚度
L1、L2、L3:長度
LL1:第一直線
LL2:第二直線
LS1、LS2:中心線
S11:S11曲線
S21:S21曲線
S22:S22曲線
W1、W2、W3:寬度
X:X軸
Y:Y軸
Z:Z軸
第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統之俯視圖。 第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統之側視圖。 第1C圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線元件之俯視圖。 第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統之輻射場型圖。 第3圖係顯示根據本發明另一實施例所述之介質基板之側視圖。 第4圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線系統之俯視圖。 第5圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線系統之S參數圖。 第6圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線系統之輻射效率圖。
100:天線系統
110:介質基板
130:第一天線陣列
135:第一傳輸線
140:第一天線元件
150:第二天線元件
160:第三天線元件
170:第四天線元件
180:第五天線元件
190:第六天線元件
D1:間距
E1:介質基板之第一表面
FP1:第一饋入點
LL1:第一直線
X:X軸
Y:Y軸
Z:Z軸

Claims (18)

  1. 一種天線系統，包括：一介質基板，具有相對之一第一表面和一第二表面；一接地面，設置於該介質基板之該第二表面上；以及一第一天線陣列，設置於該介質基板之該第一表面上，並包括一第一傳輸線、一第一天線元件、一第二天線元件、一第三天線元件、一第四天線元件、一第五天線元件，以及一第六天線元件；其中該第一傳輸線具有一第一饋入點，並耦接至該第一天線元件、該第二天線元件、該第三天線元件、該第四天線元件、該第五天線元件，以及該第六天線元件；其中該第一天線元件、該第二天線元件、該第三天線元件、該第四天線元件、該第五天線元件，以及該第六天線元件皆大致排列於一第一直線上；其中該第一天線元件、該第二天線元件、該第三天線元件、該第四天線元件、該第五天線元件，以及該第六天線元件之每一者皆包括一輻射部；其中該輻射部之長度係介於該天線系統之一操作頻率之0.15至0.25倍波長之間，或(且)該輻射部之寬度係介於該天線系統之該操作頻率之0.51至0.78倍波長之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中該介質基板為一單層板，而該單層板係由Rogers RO4350B板材所製成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中該介質基板為一六層複合板，而該六層複合板係由Rogers RO4350B板材和FR4板材所製成。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中該天線系統之該操作頻率係大致為24GHz。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中該天線系統之一波束寬度係大致為160度。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之天線系統，其中於該波束寬度內，該天線系統之增益皆大於6dBi。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之天線系統，其中該第一天線元件、該第二天線元件、該第三天線元件、該第四天線元件、該第五天線元件，以及該第六天線元件之每一者更包括一連接部和一阻抗調整部，而該輻射部係經由該連接部和該阻抗調整部耦接至該第一傳輸線。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之天線系統，其中該輻射部係大致呈現一矩形。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之天線系統，其中該連接部之長度係介於1.8mm至2.2mm之間。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之天線系統，其中該連接部之寬度係介於0.3mm至0.5mm之間。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之天線系統，其中該阻抗調整部之長度係大致等於該操作頻率0.25倍波長。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之天線系統，其中該阻抗調整部之寬度係大於該連接部之寬度。
  13. 如申請專利範圍第4項所述之天線系統，更包括：一第二天線陣列，設置於該介質基板之該第一表面上，並包括一第二傳輸線、一第七天線元件、一第八天線元件、一第九天線元件、一第十天線元件、一第十一天線元件，以及一第十二天線元件。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之天線系統，其中該第二傳輸線具有一第二饋入點，並耦接至該第七天線元件、該第八天線元件、該第九天線元件、該第十天線元件、該第十一天線元件，以及該第十二天線元件。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之天線系統，其中該第七天線元件、該第八天線元件、該第九天線元件、該第十天線元件、該第十一天線元件，以及該第十二天線元件皆大致排列於一第二直線上。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之天線系統，其中該第二直線係與該第一直線大致互相平行。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之天線系統，其中該第一天線陣列和該第二天線陣列彼此為鏡像對稱。
  18. 如申請專利範圍第13項所述之天線系統，其中該第一天線陣列和該第二天線陣列之間距係大於該操作頻率之3倍波長以上。
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