TWI705614B - 天線結構 - Google Patents

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TWI705614B
TWI705614B TW108116011A TW108116011A TWI705614B TW I705614 B TWI705614 B TW I705614B TW 108116011 A TW108116011 A TW 108116011A TW 108116011 A TW108116011 A TW 108116011A TW I705614 B TWI705614 B TW I705614B
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Abstract

一種天線結構，包括接地面及至少一串聯式天線。各串聯式天線包括第一貼片、多個第二貼片、第一微帶線、第一下地結構組、多個第二微帶線及多個第二下地結構組。第一貼片配置於接地面旁且與第二貼片共同沿直線排列。第一微帶線從第一貼片延伸而出，且具有饋入點。第一下地結構組包括兩第一下地線路，對稱地從第一微帶線的兩側延伸至接地面。這些第二微帶線分別連接第一貼片與這些第二貼片。這些第二下地結構組分別配置於這些第二微帶線之兩側，並耦接至該接地面。

Description

天線結構
本揭露是有關於一種天線結構，且特別是有關於一種寬頻天線結構。
目前，應用於車用市場的毫米波雷達工作頻率(為77GHz和79GHz兩個頻率)較高而具有較佳的信號穿透性、距離檢測精度較高等優點，適合用於長距離的偵測系統，如自動緊急煞車(AEB)、適應性巡航(ACC)、前方碰撞預防(FCW)等。然而，目前的毫米波雷達天線皆以一般串聯式天線型態來設計居多，故其頻寬受限約2%上下。
本揭露提供一種天線結構，其可具有寬頻的特性。
本揭露的一種天線結構，包括一接地面及至少一串聯式天線。各串聯式天線包括一第一貼片、多個第二貼片、一第一微帶線、一第一下地結構組、多個第二微帶線及多個第二下地結構組。第一貼片配置於接地面旁。第一貼片位於接地面與這些第二貼片之間，第一貼片與這些第二貼片共同沿一直線排列。第一微帶線從第一貼片往相反於這些第二貼片的方向延伸而出，第一微帶線具有相對的一第一端與一第二端，第一端為一饋入點，第二端連接於第一貼片。第一下地結構組包括兩第一下地線路，兩第一下地線路對稱地從第一微帶線的相對兩側延伸至接地面。這些第二微帶線分別連接第一貼片與相鄰於第一貼片的第二貼片以及連接這些第二貼片。這些第二下地結構組分別配置於這些第二微帶線之兩側，並耦接至接地面。
基於上述，本揭露的一實施例中，天線結構藉由將兩第一下地線路對稱地設置在第一微帶線的相對兩側延伸至接地面的位置，且這些第二下地結構組分別配置於這些第二微帶線之兩側，並耦接至接地面。實施例經模擬結果，上述設計可增加天線結構所耦合出的頻帶範圍及阻抗頻寬，而使天線結構具有良好的天線特性。
為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A是依照本揭露的一實施例的一種天線結構的示意圖。圖1B與圖1C分別是圖1A的天線結構的局部放大示意圖。請參閱圖1A至圖1C，本實施例的天線結構10包括一接地面130及至少一串聯式天線100。在本實施例中，天線結構10的串聯式天線100的數量以一個為例，但串聯式天線100的數量不以此為限制。在本實施例中，串聯式天線100包括一第一貼片(Patch)114、多個第二貼片115、116、一第一微帶線111、一第一下地結構組(兩第一下地線路113)、多個第二微帶線112及多個第二下地結構組(兩第二下地線路122、124)。
如圖1A所示，在本實施例中，第一貼片114配置於接地面130旁。第一貼片114位於接地面130與這些第二貼片115、116之間，第一貼片114與這些第二貼片115、116共同沿一直線排列。在本實施例中，這些第二貼片115、116的數量為兩個，但第二貼片115、116的數量並不以此為限制。
在本實施例中，第一貼片114的面積與這些第二貼片115、116的面積隨著直線的延伸方向(方向A1)先增後減。第一貼片114的面積相同於遠離第一貼片114的第二貼片116的面積，且小於靠近第一貼片114的第二貼片115的面積，換句話說，串聯式天線100為一漸變式(Taper)組合的貼片天線。當然，在其他實施例中，第一貼片114的面積與這些第二貼片115、116的面積也可以相同，第一貼片114與這些第二貼片115、116的面積關係不以此為限制。
此外，在本實施例中，第一貼片114與各第二貼片115、116為矩形，第一貼片114、第二貼片115、116的任一者的其中一個邊長(例如是沿著方向A1的邊長)介於0.9公厘至1.05公厘之間，且另一個邊長(例如是沿著方向A2的邊長)介於0.7公厘至1.6公厘之間。當然，第一貼片114與第二貼片115、116的尺寸關係不以此為限制。
第一微帶線111從第一貼片114往相反於這些第二貼片115、116的方向延伸而出。更明確地說，如圖1B所示，第一微帶線111具有相對的一第一端A與一第二端C，第一端A為一饋入點，第二端C連接於第一貼片114。第一微帶線111的第一端A與接地面130之間間隔有一距離，而未接觸接地面130。在本實施例中，天線結構10適於耦合出一頻段，頻段的範圍約在77GHz至81GHz之間，但頻段的範圍不以此為限制。在第一微帶線111的長度(也就是第一端A與第二端C之間的距離)為頻段的0.39倍波長至0.42倍波長之間。
如圖1B所示，在本實施例中，第一下地結構組包括兩第一下地線路113，對稱地從第一微帶線111的相對兩側延伸至接地面130。在各串聯式天線100中，第一下地線路113的長度為此頻段的0.22倍波長至0.28倍波長之間，例如是0.25倍波長。
在本實施例中，第一下地線路113包括彎折地連接的一第一段(也就是B1B2線段)及一第二段(也就是B2B3線段)，第一段(B1B2線段) 從第一微帶線111垂直地延伸而出，第二段(B2B3線段) 平行於第一微帶線111且連接至接地面130。第一段(B1B2線段)與接地面130之間的距離L1介於0.2公厘至0.4公厘之間。值得一提的是，經模擬，第一段(B1B2線段)與接地面130之間的距離L1從0.2公厘逐漸改變為0.3公厘、0.4公厘時，從史密斯圖(Smith Chart)會有順時針旋轉的特性，其中第一段(B1B2線段)與接地面130之間的距離L1為0.3mm時，其頻帶範圍可為77GHz到81GHz，而具有良好的表現。
此外，當第一下地線路113的第一段(B1B2線段)或第二段(B2B3線段)往外加寬，例如是第一下地線路113的B1B2線段往右、上方的B2B3線段往上、下方的B2B3線段往下加粗0.1公厘、0.2公厘、0.3公厘，其史密斯圖會有順時針旋轉的特性。當第一下地線路113的第二段(B2B3線段)往內加寬，例如是第一下地線路113的上方的B2B3線段往下、下方的B2B3線段往上加粗0.1公厘、0.15公厘、0.2公厘，其史密斯圖會有逆時針旋轉的特性。設計者可依據上述特性來調整第一下地線路113的尺寸，以取得良好的天線效能。
此外，在本實施例中，第二段(B2B3線段)與第一微帶線111之間的距離W1介於0.2公厘至0.25公厘之間。值得一提的是，經模擬，第二段(B2B3線段)與第一微帶線111之間的距離W1從0.2公厘逐漸改變為0.23公厘、0.25公厘時，從史密斯圖會有順時針旋轉的特性。第二段(B2B3線段)與第一微帶線111之間的距離W1為0.2公厘時，77GHz至79GHz的阻抗匹配效果會較佳。第二段(B2B3線段)與第一微帶線111之間的距離W1為0.25公厘時，79GHz至81GHz的阻抗匹配效果會較佳。第二段(B2B3線段)與第一微帶線111之間的距離W1為0.23公厘時，其頻率範圍可從77GHz到81GHz，而具有寬頻特性的表現。當然，距離L1、W1並不以此為限制。
請回到圖1A，在本實施例中，第二微帶線112的數量對應於第二貼片115、116的數量而為兩個，但第二微帶線112的數量並不以此為限制。這些第二微帶線112分別連接第一貼片114與相鄰於第一貼片114的第二貼片115以及連接這些第二貼片115、116。此外，在本實施例中，這些第二微帶線112的長度相等，但在其他實施例中，這些第二微帶線112的長度也可不同。
另外，在本實施例中，第二下地結構組的數量對應於第二微帶線112的數量而為兩個，但第二下地結構組的數量並不以此為限制。這兩個第二下地結構組分別配置於這兩個第二微帶線112的兩側。各第二下地結構組包括兩第二下地線路122、124，對稱地位於對應的第二微帶線112的相對兩側且分別連接於接地面130。第二下地線路122、124例如是透過導通貫孔的方式連接到位在基板背面的接地端，並耦接至接地面130。
如圖1C所示，在本實施例中，在各第二下地結構組中，各第二下地線路122、124包括一第一端123、125及一第二端126、127，在各第二下地結構組中，第二下地線路122的第一端123與第二端126分別對應於第二下地線路124的第二端127與第一端125，且兩第一端123、125耦接至接地面，而作為兩下地端。也可以說，第二下地線路122的第一端123與第二下地線路124的第一端125分別靠近對應的第二微帶線112的相對兩端。上述在相反側下地的設計可使得其史密斯圖些微縮小，且能增加其阻抗頻寬。當然，在其他實施例中，第二下地線路122的第一端123與第二下地線路124的第一端125的相對位置不以此為限制。
此外，在本實施例中，第二下地線路122、124的長度(也就是圖1C中位置D1、D2之間的距離)為頻段的0.2倍波長至0.3倍波長之間。舉例來說，第二下地線路122、124的長度介於0.65公厘至0.85公厘之間，且寬度介於0.08公厘至0.12公厘之間。當然，第二下地線路122、124的長度與寬度不以此為限制。當第二下地線路122、124的長度(D1D2線段)從0.577公厘逐漸改變為0.677公厘、0.777公厘時，由史密斯圖可知，阻抗圈會變大，且頻率會偏往低頻。在本實施例中，第二下地線路122、124的長度(D1D2線段)為0.777公厘時，其頻帶範圍可從77GHz到81GHz，而具有較大的阻抗頻寬。
此外，在本實施例中，第二微帶線112與對應的第二下地線路122、124之間的距離G1為0.08公厘至0.12公厘之間，例如是0.1公厘，但距離G1不以上述為限制。
在本實施例中，天線結構100藉由將兩第一下地線路113對稱地設置在第一微帶線111的相對兩側延伸至接地面130的位置，且將兩第二下地線路122、124對稱地設置於第二微帶線112的相對兩側且分別以不同方向下地。實施例經模擬結果，上述設計可提升天線結構10所耦合出的頻帶範圍及阻抗頻寬，而使天線結構10具有良好的天線特性。
圖2是依照本揭露的另一實施例的一種天線結構的示意圖。請參閱圖2，圖2的天線結構10a與圖1A的天線結構10的主要差異在於，在本實施例中，串聯式天線100a包括第二貼片115、116、117、118。也就是，第二貼片115、116、117、118的數量為四個。此外，這些第二微帶線112的數量為四個，第二下地結構組為四組。
在本實施例中，第一貼片114的面積與這些第二貼片115、116、117、118的面積隨著直線(方向A1)的延伸方向先增後減。更明確地說，位在中央的第二貼片116的面積為最大，第二貼片115的面積與第二貼片117的面積次之，第一貼片114的面積與第二貼片118的面積最小。在本實施例中，第一貼片114的面積相同於最遠離第一貼片114的第二貼片118的面積，第二貼片115的面積相同於第二貼片117的面積，且第一貼片114的面積為位在中央的第二貼片116的面積的一半。
詳細地說，在本實施例中，天線結構10a的尺寸為9.65公厘×1.57公厘×0.102公厘(為基板的厚度)。第一貼片114在沿著方向A1的邊長例如是0.96公厘，為天線結構10所耦合出的頻段為0.416倍波長。第一貼片114在沿著方向A2的邊長例如是0.785公厘。第一微帶線111的長度為0.955公厘，為天線結構10所耦合出的頻帶(77GHz至81GHz)的0.41倍波長。第一微帶線111的寬度為0.1公厘。
第二貼片115、116、117、118在沿著方向A1的邊長例如是0.96公厘，為天線結構10所耦合出的頻段為0.416倍波長。第二貼片115、116、117、118在沿著方向A2的邊長分別例如是1.24公厘、1.57公厘、1.24公厘、0.785公厘。第二微帶線112的長度為0.95公厘，為天線結構10所耦合出的頻段為0.39倍波長。第二微帶線112的寬度為0.1公厘。第二下地線路122、124的長度為0.777公厘之間，且寬度為0.1公厘之間。
在本實施例中，第一下地結構組可使天線結構10a所耦合出頻段的頻寬提升至4.82%。在本實施例中，第二下地結構組可使天線結構10a所耦合出頻段的頻寬提升至5.06%。天線結構10a在77GHz至81GHz頻段的最大增益可到11.09dBi至12.4dBi。
圖3A至圖3C是圖2的天線結構在77GHz、79GHz、81GHz不同頻率點對應的輻射場型圖。請參閱圖3A至圖3C，在本實施例中，圖2的天線結構10a在ψ為0°與ψ為90°的場型中的最大值均是在Z軸為0的位置，而使主波束有更集中在Z軸為0度的指向性。這樣的設計可使得旁波束低於主波束約10dB，達到抑制旁波束(Sidelobe)的特性，而具有良好的表現。
圖4是圖1A的天線結構與圖2的天線結構的頻率-返回損失的關係圖。請參閱圖4，圖1A的天線結構10與圖2的天線結構10a均具有在77GHz至79GHz處的共振頻帶，且在77GHz至81GHz之間的頻段的返回損失可小於-10dB，而具有良好的表現。圖2的天線結構10a在77GHz至79GHz處的共振頻帶中具有兩個波谷，兩個波谷的交界處為79GHz，此處的返回損失可提升到11.6dB，同步使其頻寬提升至5.06%。
圖5是依照本揭露的另一實施例的一種天線結構的示意圖。特別是多天線擺設結構，請參閱圖5，在本實施例中，天線結構10b包括多個串聯式天線100a，並列方式地配置於接地面130旁。串聯式天線100a是以圖2的串聯式天線100a為例，其具有四個第二貼片115、116、117、118，但在其他實施例中，串聯式天線100a的第二貼片的數量不以此為限制。此外，在本實施例中，串聯式天線100a的數量例如是3個，但串聯式天線100a的數量不以此為限制。
如圖5所示，在本實施例中，這些串聯式天線100a的相鄰兩者的兩個饋入點之間的距離G2介於1.7公厘至2.1公厘之間，例如是1.9公厘。此外，這些串聯式天線100a的相鄰兩者之間的最小距離G3介於0.29公厘至0.37公厘之間，例如是0.33公厘。在本實施例中，當配置這些串聯式天線100a於發射端或接收端時，最小距離G3介於上述範圍之間可同時兼顧到各串聯式天線100a所應有的天線特性。
圖6是圖5的天線結構的頻率-返回損失的關係圖。請參閱圖6，在本實施例中，若以圖5中最上方的串聯式天線100a作為第一個串聯式天線100a，中央的串聯式天線100a作為第二個串聯式天線100a，最下方的串聯式天線100a作為第三個串聯式天線100a，由圖6可見，在77GHz至81GHz的頻段中，這三個串聯式天線100a的返回損失S11、S22、S33都有在-10dB以下，而有良好的表現。此外，兩相鄰的串聯式天線100a之間的隔離度S21、S32、S31可在-17.9dB以下，而具有良好的隔離度。
綜上所述，本揭露的一實施例中，天線結構藉由將兩第一下地線路對稱地設置在第一微帶線的相對兩側延伸至接地面的位置，且將兩第二下地線路對稱地設置於第二微帶線的相對兩側且分別以不同方向下地。經測試，上述設計可提升天線結構所耦合出的頻帶範圍及阻抗頻寬，而使天線結構具有良好的天線特性。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
A:第一端 C:第二端 A1、A2:方向 L1、L2、L3、W1、W2、W3、G1、G2、G3:距離 B1、B2、B3、D1、D2:位置 10、10a、10b:天線結構 100、100a:串聯式天線 111:第一微帶線 112:第二微帶線 114:第一貼片 115、116、117、118:第二貼片 113:第一下地線路 122、124:第二下地線路 123、125:第一端 126、127:第二端 130:接地面
圖1A是依照本揭露的一實施例的一種天線結構的示意圖。 圖1B與圖1C分別是圖1A的天線結構的局部放大示意圖。 圖2是依照本揭露的另一實施例的一種天線結構的示意圖。 圖3A至圖3C是圖2的天線結構在77GHz、79GHz、81GHz三個頻率點對應的輻射場型圖。 圖4是圖1A的天線結構與圖2的天線結構的頻率-返回損失的關係圖。 圖5是依照本揭露的另一實施例的一種天線結構的示意圖。 圖6是圖5的天線結構的頻率-返回損失的關係圖。
A:第一端
A1、A2:方向
L1、L2、L3、W1、W2、W3:距離
10a:天線結構
100a:串聯式天線
111:第一微帶線
112:第二微帶線
114:第一貼片
115、116、117、118:第二貼片
113:第一下地線路
122、124:第二下地線路
123、125:第一端
130:接地面

Claims (11)

  1. 一種天線結構，包括：一接地面；一導體，導通於該接地面；至少一串聯式天線，各該串聯式天線包括：一第一貼片(patch)；多個第二貼片，該第一貼片位於該接地面與該些第二貼片之間，第一貼片與該些第二貼片共同沿一直線排列；一第一微帶線，從該第一貼片往相反於該些第二貼片的方向延伸而出，該第一微帶線具有相對的一第一端與一第二端，該第一端為一饋入點，該第二端連接於該第一貼片；一第一下地結構組，包括兩第一下地線路，該兩第一下地線路對稱地從該第一微帶線的相對兩側延伸至該接地面；多個第二微帶線，分別連接該第一貼片與相鄰於該第一貼片的該第二貼片以及連接該些第二貼片；以及多個第二下地結構組，分別配置於該些第二微帶線之兩側，並透過該導體耦接至該接地面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的天線結構，其中各該第二下地結構組包括兩第二下地線路，該兩第二下地線路對稱地配置於對應的該第二微帶線之該兩側，各該第二下地線路包括一第一端及一第二端，在各該第二下地結構組中，其中一個該第二下地 線路的該第一端與該第二端分別對應於另一個該第二下地線路的該第二端與該第一端，且該兩第一端耦接至該接地面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的天線結構，其中在各該串聯式天線中，該第一貼片的面積與該些第二貼片的面積隨著該直線的延伸方向先增後減。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的天線結構，其中在各該串聯式天線中，該些第二貼片的數量為兩個，該些第二微帶線的數量為兩個，該第一貼片的面積相同於遠離該第一貼片的該第二貼片的面積，且小於靠近該第一貼片的該第二貼片的面積。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的天線結構，其中在各該串聯式天線中，該些第二貼片的數量為四個，該些第二微帶線的數量為四個，該第一貼片的面積相同於最遠離該第一貼片的該第二貼片的面積，且為位在中央的該第二貼片的面積的一半。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的天線結構，其中各該第一下地線路包括彎折地連接的一第一段及一第二段，該第一段從該第一微帶線垂直地延伸而出，該第二段平行於該第一微帶線且連接至該接地面。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的天線結構，其中該天線結構適於耦合出一頻段，在各該串聯式天線中，各該第一下地線路的長度為該頻段的0.22倍波長至0.28倍波長之間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的天線結構，其中該天線結構適於耦合出一頻段，在各該串聯式天線中，該第一微帶線的長度為該頻段的0.39倍波長至0.42倍波長之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的天線結構，其中該天線結構適於耦合出一頻段，在各該串聯式天線中，各該第二微帶線的長度為該頻段的0.39倍波長至0.42倍波長之間。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的天線結構，其中該天線結構適於耦合出一頻段，在各該串聯式天線中，各第二下地結構組包括兩第二下地線路，各該第二下地線路的長度為該頻段的0.2倍波長至0.3倍波長之間。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的天線結構，其中該至少一串聯式天線包括多個串聯式天線，並排地配置於該接地面旁，該些串聯式天線的相鄰兩者之間的最小距離介於0.29公厘至0.37公厘之間，該些串聯式天線的相鄰兩者的兩個該饋入點之間的距離介於1.7公厘至2.1公厘之間。
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