TWI711220B - 雷達天線裝置 - Google Patents

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輝南 朱
楊嘉豐
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Abstract

一種雷達天線裝置，用以解決習知雷達天線的場型調整及增益，造成占用空間且高複雜度的問題。係包含：一基板；至少二天線單元，並列於該基板上，相鄰二該天線單元之間係一耦合空間，各該天線單元電性連接一外部電源；及至少一寄生元件，位於該基板上，該寄生元件設置於該耦合空間，該寄生元件未與各該天線單元直接連接。

Description

雷達天線裝置
本發明係關於一種用於特定空間之感測器，尤其是一種在有限空間內提升感測效率的雷達天線裝置。
隨著數位化時代來臨，物聯網的應用及相關技術蓬勃發展，而實現物聯網功能的源頭技術是各式各樣的感測裝置，用以收集生活周遭大大小小的資訊，其中，都卜勒雷達(Doppler Radar)的運用及需求量日益提升，雷達原理係以天線對待測物發射微波(Microwave)或毫米波(Millimeter Wave)訊號，再利用調頻連續波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)或都卜勒效應(Doppler Effect)等模式，分析反射訊號的回傳時間、頻率變化及散射情形等感測數據，並計算得知待測物的距離、形狀及移動方式等資訊，更進一步，都卜勒雷達還可以用於非接觸的生理感測，藉由收集分析人體產生的微幅運動，例如：心跳、呼吸及說話等活動所伴隨的肌肉振動，即可分析判斷人體的生命跡象。
上述雷達系統的感測應用必須使雷達天線發射的波束集中，以提升天線對特定方向的功率增益並針對待測目標發射訊號，另外，天線發射的場型較佳能夠符合使用空間的形狀，以盡量減少產生非待測目標的反射訊號，係可以提高感測效率及靈敏度，習知的雷達天線裝置為達到發射的波束集中，係使用更多天線單元組成大型陣列、更換高效率材料、採用多層週期 性結構或利用電磁能隙(Electro-magnetic Bandgap,EBG)架構抑制表面波等方法，惟，上述方法係導致雷達天線的占用空間增加，且提升陣列複雜度及製作成本，不利於感測雷達的推廣運用與普及化。
有鑑於此，習知的雷達天線裝置確實仍有加以改善之必要。
為解決上述問題，本發明的目的是提供一種雷達天線裝置，係可以減少材料成本及降低製造難度。
本發明的次一目的是提供一種雷達天線裝置，係可以提升雷達感測效率。
本發明的又一目的是提供一種雷達天線裝置，結構簡單且利於微型化，係可以增加雷達應用範圍。
本發明全文所記載的元件及構件使用「一」或「一個」之量詞，僅是為了方便使用且提供本發明範圍的通常意義；於本發明中應被解讀為包括一個或至少一個，且單一的概念也包括複數的情況，除非其明顯意指其他意思。
本發明全文所述「結合」、「組合」或「組裝」等近似用語，主要包含連接後仍可不破壞構件地分離，或是連接後使構件不可分離等型態，係本領域中具有通常知識者可以依據欲相連之構件材質或組裝需求予以選擇者。
本發明的雷達天線裝置，包含：一基板；至少二天線單元，並列於該基板上，相鄰二該天線單元之間係一耦合空間，各該天線單元電性連接一外部電源；及至少一寄生元件，位於該基板上，該寄生元件設置於該耦合空間，該寄生元件未與各該天線單元直接連接，其中，該寄生元件之長度 超出該耦合空間之範圍，該寄生元件凸出於相鄰之該天線單元，並延伸一增益長度。
據此，本發明的雷達天線裝置，藉由將該寄生元件設置於該數個天線單元之間，並調整該寄生元件相對該天線單元的位置、間隔距離及延伸部位，係可以調整天線輻射場型及增益，且不需要複雜的天線陣列或更換天線材料，係具有提升雷達感測效率、縮小雷達體積、提升天線增益及節省製造成本等功效。
其中，各該天線單元包含一貼片天線。如此，該天線單元可以單獨調整該貼片天線的訊號相位，係具有調整雷達訊號場型的功效。
其中，各該天線單元係串聯至少二貼片天線所組成。如此，該天線單元可以延伸發射訊號的範圍，係具有提升雷達訊號作用範圍的功效。
其中，該數個天線單元並排形成一天線陣列，該數個不同天線單元之該數個貼片天線間隔相對。如此，係可以形成各種形式的天線陣列，係具有增加天線輻射場型變化性的功效。
其中，該寄生元件的數量係該天線單元的數量減一。如此，該寄生元件係可以一對一設置於每一個該耦合空間，係具有減少占用基板空間及增加耦合作用的功效。
其中，各該寄生元件與相鄰之該天線單元的間隔距離係一耦合間隙。如此，調整該耦合間隙係可以產生不同程度的耦合作用，係具有改變天線輻射場型的功效。
1:基板
2:天線單元
21:貼片天線
3:寄生元件
S:耦合空間
G:耦合間隙
L:增益長度
R:都卜勒雷達
〔第1a圖〕本發明一較佳實施例安裝寄生元件前的平面圖。
〔第1b圖〕本發明一較佳實施例安裝寄生元件後的平面圖。
〔第2圖〕如第1a及1b圖所示的天線增益與輻射方位角之關係比較圖。
〔第3圖〕本發明一較佳實施例應用於車內感測的安裝示意圖。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1a及1b圖所示，其係本發明雷達天線裝置的較佳實施例，係包含一基板1、至少二天線單元2及至少一寄生元件3，該天線單元2及該寄生元件3位於該基板1上，該寄生元件3位於相鄰二該天線單元2之間，該寄生元件3未與各該天線單元2直接連接。
該基板1係用於承載各式電子功能元件，為避免各元件之間發生非預期的短路，該基板1之材料必須擁有良好的電絕緣性，又，當該基板1用於承載高頻元件時，例如：毫米波天線，該基板1需在高頻應用環境下盡量降低傳輸損耗(Transmission Loss)，該基板1之材料較佳具有低的介電常數(Dielectric Constant,Dk)及介電損耗(Dissipation Factor,Df)。
請參照第1a圖所示，各該天線單元2可以由單一貼片天線21或串聯二個以上貼片天線21所組成，再由該數個天線單元2並排形成天線陣列，使該數個不同天線單元2之該數個貼片天線21間隔相對，且相鄰二該天線單元2之間係一耦合空間S，各該天線單元電性連接一外部電源。在本實施例中，各該天線單元2係由二該貼片天線21串聯形成1×2天線陣列，則兩組該天線單元2係形成2×2天線陣列。
請參照第1a及1b圖所示，該寄生元件3的數量係該天線單元2的數量減一，使該寄生元件3可以一對一設置於每一個該耦合空間S，係可 以盡可能地減少該天線單元2及該寄生元件3在該基板1上占用的空間。另外，各該寄生元件3與相鄰之該天線單元2的間隔距離係一耦合間隙G，又，各該寄生元件3之長度可以超出該耦合空間S之範圍，使各該寄生元件3凸出於相鄰之該天線單元2，並延伸一增益長度L。在本實施例中，係由一個該寄生元件3穿插於該兩組天線單元2所形成的2×2天線陣列之中。
請參照第1b及2圖所示，據由前述結構，該數個天線單元2接受該外部電源供電而產生感應電流，該寄生元件3受到相鄰二該天線單元2激發而產生額外的的感應電流，上述感應電流在該天線單元2與該寄生元件3之間進行耦合(Coupling)，係可以達到提高天線輻射增益及波束集中的作用，如第2圖所示，其係本發明雷達天線裝置安裝該寄生元件3前後，所產生的天線增益與輻射方位角之關係比較圖，在±10度範圍內，有加上該寄生元件3的天線增益明顯大於無該寄生元件3，在±25度範圍外，有加上該寄生元件3的天線增益明顯小於無該寄生元件3，因此，該天線單元2與該寄生元件3之間的耦合作用，係可以將天線發射訊號集中於特定方向並提高增益，相對於非使用需求的方位則抑制其增益。
另外，藉由調整該寄生元件3與該天線單元2之間的該耦合間隙G，係可以產生不同程度的耦合作用而改變天線輻射場型，具有依據雷達所應用環境作場型調整的作用，且不需要改變該天線單元2的配置。
另外，該寄生元件3凸出於該天線單元2的延伸部位，係可以在耦合作用中產生額外的輻射效果，因此，藉由改變該寄生元件3之該增益長度L，係可以進一步提升天線增益的效果，且不需增加額外的該天線單元2，具有縮小雷達體積的作用。
請參照第3圖所示，其係本發明的雷達天線裝置應用於車內感測的實施例，由該基板1、該數個天線單元2及該數個寄生元件3，組合驅動 迴路、處理晶片等元件的都卜勒雷達R，該都卜勒雷達R具有微型體積適合安裝於車頂內側，且藉由控制該數個天線單元2及該數個寄生元件3的耦合作用，該都卜勒雷達R係可以針對車內的駕駛或乘客發射集中且高效的感測訊號。
綜上所述，本發明的雷達天線裝置，藉由將該寄生元件設置於該數個天線單元之間，並調整該寄生元件相對該天線單元的位置、間隔距離及延伸部位，係可以調整天線輻射場型及增益，且不需要複雜的天線陣列或更換天線材料，具有提升雷達感測效率、縮小雷達體積及節省製造成本等功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，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。
1:基板
2:天線單元
21:貼片天線
3:寄生元件
G:耦合間隙
L:增益長度

Claims (6)

  1. 一種雷達天線裝置，包含：一基板；至少二天線單元，並列於該基板上，相鄰二該天線單元之間係一耦合空間，各該天線單元電性連接一外部電源；及至少一寄生元件，位於該基板上，該寄生元件設置於該耦合空間，該寄生元件未與各該天線單元直接連接，其中，該寄生元件之長度超出該耦合空間之範圍，該寄生元件凸出於相鄰之該天線單元，並延伸一增益長度。
  2. 如請求項1之雷達天線裝置，其中，各該天線單元包含一貼片天線。
  3. 如請求項1之雷達天線裝置，其中，各該天線單元係串聯至少二貼片天線所組成。
  4. 如請求項2或3之雷達天線裝置，其中，該數個天線單元並排形成一天線陣列，該數個不同天線單元之該數個貼片天線間隔相對。
  5. 如請求項1之雷達天線裝置，其中，該寄生元件的數量係該天線單元的數量減一。
  6. 如請求項1之雷達天線裝置，其中，各該寄生元件與相鄰之該天線單元的間隔距離係一耦合間隙。
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