TWI708432B - 可切換三波束siw槽孔陣列天線 - Google Patents

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金國生
李仲益
廖翊鈞
郭庭瑋
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長庚大學
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Abstract

一種可切換三波束SIW (Substrate integrated waveguide，簡稱SIW)槽孔陣列天線，包括有：一基板及一SIW 90 度混合耦合器(90° hybrid coupler)；其中，該基板之上表面上設二排SIW槽孔陣列天線，該基板之下表面上設一接地面，該二排SIW槽孔陣列天線分別由複數個串接在一起之槽孔天線所構成，該二排SIW槽孔陣列天線之輸入端分別設一第一連接埠、第二連接埠；該SIW 90 度混合耦合器設於該第一、第二連接埠上，使能經由該第一連接埠、第二連接埠輸入信號；俾利用六個二極體開關分別控制輸入信號與SIW 90 度混合耦合器輸入端及至少一終端器連接，令形成自動切換接收三種相位差－90度、0度、90度之輸入信號，據以達成三波束切換。

Description

可切換三波束SIW槽孔陣列天線
本發明係一種可切換三波束SIW槽孔陣列天線，尤指一種經由開關來控制波束形成網路的路徑，改變提供給各單元天線的相位及電流振幅，來達到多波束切換，以及改變主波束指向之天線。
按，隨著高速無線資料傳輸的需求不斷增長，現行第四代通訊技術(4th generation, 4G)已漸漸無法滿足需求，因此全球行動通訊業者便開始投入第五代通訊(5th generation, 5G)技術的發展，目標預計要將原本4G的網路效能提昇100至1000倍。依國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)提出的時程規劃，將於2020年推出全球統一的5G標準並推廣商業應用，而全球各大行動業者包含Verizon Wireless、T&T、ANTT DoCoMo、KT、SKT等也早已投入5G網路技術的試驗及研發，於2018年開始已於部分區域推出5G服務。
為了能達到5G所要求的效能，需要發展及使用包含波束成形(Beam forming)、毫米波(Millimeter wave)傳輸、扁平式與全網路協定網路架構(Flat IP& all IP network)、多重主目錄(Multi-homing)，以及巨量多重輸入/多重輸出(Massive MIMO)等許多新技術。
目前毫米波傳輸發展主要著重在40GHz以下，依3GPP在2017年底公佈的5G NR(New radio)Release 15規範[3]，已定義毫米波段為n257(26.5-29.5GHz)，n258(24.25-27.5GHz)，n260(37-40GHz)這三個頻段，40GHz以上預計要2020年後才會完成定義。毫米波有高傳輸速率的優點，但因其在空氣中的傳播損耗較大，因此具有指向性強及高增益特性。此外波束成型需要使用相位陣列天線，因此毫米波相位陣列天線目前是5G相關天線技術中的發展重點。
由此可見，上述習用物品仍有諸多缺失，實非一良善之設計者，而亟待加以改良。
有鑑於此，本案發明人本於多年從事相關產品之製造開發與設計經驗，針對上述之目標，詳加設計與審慎評估後，終得一確具實用性之本發明。
本發明之目的，在提供一種可切換三波束SIW槽孔陣列天線，係經由開關來控制波束形成網路的路徑，改變提供給各單元天線的相位及電流振幅，來達到多波束切換，以及改變主波束之指向。當操作頻率高達毫米波頻段，傳統微帶線(Microstrip line)結構之插入損耗較為嚴重，故採用基板合成波導(Substrate integrated waveguide，簡稱SIW)結構進行天線及耦合器設計。
根據上述之目的，本發明之可切換三波束SIW槽孔陣列天線，其主要係包括有：一基板及一SIW 90 度混合耦合器；其中，該基板之上表面上設有二排SIW槽孔陣列天線，該基板之下表面上則設有一接地面，該二排SIW槽孔陣列天線分別由複數個串接在一起之SIW槽孔天線所構成，該二排SIW槽孔陣列天線之輸入端分別設有一第一連接埠、第二連接埠；該SIW 90 度混合耦合器設於該第一、第二連接埠上，使能經由該第一連接埠、第二連接埠輸入信號；藉此，利用六個二極體開關分別控制輸入信號與SIW 90 度混合耦合器輸入端及至少一終端器連接，令形成自動切換接收三種相位差－90度、0度、90度之輸入信號，據以達成三波束切換。
為便 貴審查委員能對本發明之目的、形狀、構造裝置特徵及其功效，做更進一步之認識與瞭解，茲舉實施例配合圖式，詳細說明如下：
本發明乃有關一種「可切換三波束SIW槽孔陣列天線」，請參閱第1、2圖所示，本發明之可切換三波束SIW槽孔陣列天線，其主要係包括有：一基板10及一SIW 90 度混合耦合器20。
其中，該基板10之上表面上設有二排SIW槽孔陣列天線11，該基板10之下表面上則設有一接地面12，該二排SIW槽孔陣列天線11分別由複數個串接在一起之SIW槽孔天線111所構成，該二排槽孔陣列天線11之輸入端分別設有一第一連接埠112、第二連接埠113。
該SIW 90 度混合耦合器20設於該第一、第二連接埠112、113上，使能經由該第一連接埠112、第二連接埠113輸入信號。
藉上述構件之組成，請參閱第1、2圖所示，利用六個二極體開關30分別控制輸入信號與該SIW 90 度混合耦合器20輸入端及至少一終端器21連接，令形成自動切換接收三種相位差－90度、0度、90度之輸入信號，據以達成三波束切換，而可運用於5G行動通訊系統。
請參閱第1、2圖所示，本發明以六個二極體開關30和SIW 90 度混合耦合器20作為饋電網路，結合60GHz 2×8槽孔天線陣列，設計場型可切換槽孔陣列天線，模擬增益最大可達18.08 dBi。在開關控制模組設計上，利用六個二極體開關30，分別控制輸入信號與SIW 90 度混合耦合器輸入端20及50Ω終端器連接，使2個1×8槽孔子陣列間可達－90度、0度、90度三種不同相位差，據以達成三波束切換效果。
請參閱第3、4、5圖所示，係顯示－90度、0度、90度三種不同相位差情況下之天線輻射場型圖，其中α為輸入電流相位差。
復請參閱第1、2圖所示，該二排SIW槽孔陣列天線11 可為一2×8 SIW槽孔陣列天線。
請參閱第6圖所示，該SIW 90 度混合耦合器20之內縮長度Lb可為2.6 mm，內縮寬度Wb可為4.2 mm。請參閱第1、7圖所示，該基板10之相對介電常數為2.2，介電損耗為0.0009，板厚0.508 mm；該基板10長度L可為38.4mm，寬度W可為7.5 mm。
綜合上所述，本發明之可切換三波束SIW槽孔陣列天線，確實具有前所未有之創新構造，其既未見於任何刊物，且市面上亦未見有任何類似的產品，是以，其具有新穎性應無疑慮。另外，本發明所具有之獨特特徵以及功能遠非習用所可比擬，所以其確實比習用更具有其進步性，而符合我國專利法有關發明專利之申請要件之規定，乃依法提起專利申請。
以上所述，僅為本發明最佳具體實施例，惟本發明之構造特徵並不侷限於此，任何熟悉該項技藝者在本發明領域內，可輕易思及之變化或修飾，皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
10:基板
11:串連SIW槽孔陣列天線
12:接地面
111:SIW槽孔天線
112:第一連接埠
113:第二連接埠
20:SIW 90 度混合耦合器
30:二極體開關
21:終端器
第 1 圖為本發明可切換三波束SIW槽孔陣列天線之外觀示意圖。 第 2 圖為本發明可切換三波束SIW槽孔陣列天線之電路示意圖。 第 3、4、5 圖為本發明可切換三波束SIW槽孔陣列天線之輻射場型圖。       第 6 圖為本發明可切換三波束SIW槽孔陣列天線之SIW 90 度混合耦合器外觀示意圖。
10:基板
11:串連之SIW槽孔陣列天線
12:接地面
111:SIW槽孔天線
20:SIW 90度混合耦合器

Claims (9)

  1. 一種可切換三波束SIW槽孔陣列天線，包括：一基板，該基板之上表面上設有二排SIW槽孔陣列天線，該基板之下表面上則設有一接地面，該二排SIW槽孔陣列天線分別由複數個串接在一起之SIW槽孔天線所構成，該二排SIW槽孔陣列天線之輸入端分別設有一第一連接埠、第二連接埠；及一SIW 90度混合耦合器，該SIW 90度混合耦合器設於該第一、第二連接埠上，使能經由該第一連接埠、第二連接埠輸入信號，其中利用六個二極體開關分別控制輸入信號與SIW 90度混合耦合器輸入端及至少一終端器連接，令形成自動切換接收三種相位差-90度、0度、90度之輸入信號，據以達成三波束切換。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之可切換三波束SIW槽孔陣列天線，其中該二排SIW槽孔陣列天線為一2×8 SIW槽孔陣列天線。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之可切換三波束SIW槽孔陣列天線，其中該SIW 90度混合耦合器之內縮長度Lb可為2.6mm。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之可切換三波束SIW槽孔陣列天線，其中該SIW 90度混合耦合器之內縮寬度Wb可為4.2mm。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之可切換三波束SIW槽孔陣列天線，其中該基板之相對介電常數為2.2。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之可切換三波束SIW槽孔陣列天線，其中該基板之介電損耗為0.0009。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之可切換三波束SIW槽孔陣列天線，其中該基板之板厚0.508mm。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之可切換三波束SIW槽孔陣列天線，其中該基板長度為38.4mm。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之可切換三波束SIW槽孔陣列天線，其中該基板寬度為7.5mm。
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