TWI773417B - 耦合式陣列天線及其裝置 - Google Patents

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Abstract

一種耦合式陣列天線，包括饋入網路層及複數個設置於該饋入網路層 上之平版天線，其中第一平板天線設置於該饋入網路層之上，第二平板天線堆疊配置並耦合於該第一平板天線之上，並透過微帶線將兩組所述耦合式陣列天線串聯成為耦合式陣列天線裝置。

Description

耦合式陣列天線及其裝置
本發明是有關於一種耦合式陣列天線及其裝置，且特別是有關於一種使用液晶聚合物軟板材料的高指向及高增益多層耦合式陣列天線。
近年來無線通訊技術的發展非常快速，而隨著所要求的傳輸速度與容量大幅的增加，訊號傳輸所使用的頻率也愈來愈高。在傳輸速度及傳輸量越大的裝置或技術，其使用的頻率都已落於GHz的頻段也就是毫米波的區域，因此毫米波將是下一代的主要通訊技術亦即現稱的5G系統，在所有的構件中負責連結各處理元件並傳輸訊號的液晶高分子板材(Liquid-crystal polymer,LCP)則是相當重要的角色。
在毫米波天線的設計上需要高指向與高增益特性，但目前的技術中，在電性上有增益不足以及波束寬度不足之缺點。為了改善上述之缺點，目前已有文獻提出利用陣列天線(Antenna array)來提高增益，但其頻寬較窄，而傳統的陣列天線需額外加工，因此會增加製作成本與天線尺寸，因此這樣的天線結構仍具有可改良之空間。
本發明提供一種耦合式陣列天線，針對頻段在55~72.5GHz之間的毫米波，在毫米波天線的設計上需要高指向與高增益特性的問題進行解決，透過多層平板天線耦合的結構，增加平板天線的增益並修正其頻寬不足的問題。
本發明之耦合式陣列天線，包括：一饋入網路層及設置於該饋入網路層之上的複數個平板天線，其中一第一平板天線，設置於該饋入網路層之上；以及一第二平板天線，堆疊配置並耦合於該第一平板天線之上，其他平板依序堆疊配置並耦合於其前一平板天線之上。
在本發明之一實施例中，上述之耦合式陣列天線更包括一三層電路基板，具有一第一層、一第二層以及一第三層，其中該饋入網路層設置於該第一層之表面，該第一平板天線設置於該第二層之表面，該第二平板天線設置於該第三層之表面，該三層電路基板總厚度為400微米。
在本發明之一實施例中，上述之饋入網路層更包括複數條金屬線路。
本發明之一實施例中，上述之第一平板天線略大於該第二平板天線。
在本發明之一實施例中，上述之第一平板天線與該第二平板天線為相同形狀的平板天線。在其他實施例中，上述之第一平板天線與該第二平板天線也可以為方形、矩形、圓形、橢圓形、三角形、扇形、環型或環扇形中一種的幾何形狀平板天線。
在本發明之一實施例中，上述之第一平板天線為一具有二分之一波長共振條件的平板天線。
在本發明之一實施例中，上述之第一平板天線具有一第一盲孔，該第一盲孔直徑為0.1毫米，第二平板天線上則沒有盲孔。
在本發明之一實施例中，上述之第二平板天線的波長為該第一平板天線的0.9~0.99倍。
本發明更提供了一種耦合式陣列天線裝置，其包括上述任一項的二耦合式陣列天線，並透過一微帶線將兩組所述耦合式陣列天線串聯。
本發明的效果在於，雖然單一平板天線(patch)有高增益性，但其頻寬不足，例如在60GHz時天線增益為7.16dBi，其頻寬比為5.3%，而為了增加天線的頻寬，在單一平板天線上方200微米處，增加一個與原本大小0.93倍波長的平板天線架構，使用三層板設計兩組雙層的平板天線，使平板天線與平板天線耦合，在60GHz時天線增益為6.9dBi，其天線頻寬可以增加到21.7%，而將單一平板天線上方增加一個耦合平板天線當作一組單元天線，為了增加天線增益，將原本的單元天線再串接一組單元天線，在60GHz時天線增益更可以增加到9.3dBi，天線頻寬比為11.7%，當以一個1X8的饋入網路實現陣列天線。天線頻寬有大幅度的增加，通帶涵蓋57.06GHz到73GHz，天線增益可以接近16dBi。其中，天線更使用軟性板材液晶高分子(LCP)設計，液晶高分子特性具有較低損耗的特性，且低吸水性使板材不易受潮變形。
100:單層平板天線
110:饋入網路層
120:平板天線
130:第一平板天線
140:第二平板天線
200:耦合式陣列天線
200a:耦合式陣列天線
200b:耦合式陣列天線
210:微帶線
230a:第一平板天線
230b:第一平板天線
240a:第二平板天線
240b:第二平板天線
300:耦合式陣列天線裝置
400:天線返回損耗頻率響應圖
501:3D輻射場型示意圖
502:3D輻射場型示意圖
503:3D輻射場型示意圖
600:1x8耦合式陣列天線裝置
700:天線返回損耗頻率響應圖
800:3D輻射場型示意圖
圖1A為單層平板天線的上視結構示意圖。
圖1B為單層平板天線的側視結構示意圖。
圖2A為根據本發明之一種耦合式陣列天線的上視結構示意圖。
圖2B為根據本發明之一種耦合式陣列天線的側視結構示意圖。
圖3A為根據本發明之一種耦合式陣列天線裝置的上視結構示意圖。
圖3B為根據本發明之一種耦合式陣列天線裝置的側視結構示意圖。
圖4為根據本發明之一種耦合式陣列天線裝置天線返回損耗頻率響應圖。
圖5A為單層平板天線的3D輻射場型示意圖。
圖5B為根據本發明之一種耦合式陣列天線的3D輻射場型示意圖。
圖5C為根據本發明之一種耦合式陣列天線裝置的3D輻射場型示意圖。
圖6為根據本發明之一種1x8耦合式陣列天線裝置的結構示意圖。
圖7為根據本發明之一種1x8耦合式陣列天線裝置的天線返回損耗頻率響應圖。
圖8為根據本發明之一種1x8耦合式陣列天線裝置的3D輻射場型示意圖。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，特舉實施例並配合所附圖式，詳細說明如下：
圖1A至圖1B是單層平板天線的上視及側視結構示意圖。在圖1A至圖1B中，單層平板天線100，包括：一饋入網路層110，一平板天線120，設置於該饋入網路層110之上。
其中，習知的單層平板天線結構中，其饋入點從饋入網路層110經由直徑0.1mm盲孔導通到平板天線，天線增益為7.16dBi，但是頻寬狹窄是此天線的缺點，天線的頻寬比為5.3%。
圖2A至圖2B為根據本發明之一種耦合式陣列天線的上視及側視結構示意圖。在圖2A至圖2B中，耦合式陣列天線200包括：一饋入網路層110；一第一平板天線130，設置於該饋入網路層110的上層；以及一第二平板天線140，堆疊配置並耦合於該第一平板天線130的上層。
在本實施例中，該耦合式陣列天線更包括一三層電路基板，具有一第一層、一第二層以及一第三層，其中該饋入網路層設置於該第一層之表面，該第一平板天線設置於該第二層之表面，該第二平板天線設置於該第三層之表面，該三層電路基板總厚度為400微米。
其中，該三層電路基板可為一環氧樹脂基板、一聚氧二甲苯樹脂基板或一氟系樹脂基板或一液晶高分子基板。
在本實施例中，該耦合式陣列天線的操作頻率57.06GHz到73GHz。
在本實施例中，平板天線由原本的單層變成雙層架構，用以增加天線頻寬，其頻寬比為21.7%。
其中，該饋入網路層設置於該三層電路基板的該第一層，用以與信號源電訊連接。
該饋入網路層更包括複數條金屬線路，一阻抗轉換器、一功分器以及一信號源端線路。
其中，該複數條金屬線路一端分別與該第一盲孔電訊連接，該阻抗轉換器一端與該複數條金屬線路的另一端電訊連接，該功分器一端與該阻抗轉換器的另一端電訊連接，該信號源端線路分別與該功分器的另一端以及該信號源電訊連接。
在本實施例中，該第一平板天線略大於該第二平板天線。其中，該第一平板天線與該第二平板天線為相同形狀的平板天線。
在其他實施例中，該第一平板天線與該第二平板天線可以為方形、矩形、圓形、橢圓形、三角形、扇形、環型或環扇形中一種的幾何形狀平板天線。
在本實施例中，該第一平板天線為一具有二分之一波長共振條件的平板天線。
其中，該第一平板天線具有一第一盲孔，且該第一盲孔直徑為0.1毫米，在第二平板天線上則無盲孔。
該第一盲孔貫穿該三層電路基板的該第二層，並分別與該饋入網路層以及該第一平板天線電訊連接。
其中，饋入方式可由該第一平板天線側面、底面或兩種組合之一饋入。
該第二平版天線無盲孔，該第二平板天線的訊號是由第一平板經由盲孔內導電材料傳導，以非接觸之電訊耦合的方式，傳遞至第二平板。
本發明該第二平板天線的波長為該第一平板天線的0.9~0.99倍，本實施例中該第二平板天線的波長為該第一平板天線的0.93倍。
圖3A至圖3B是根據本發明之一種耦合式陣列天線裝置另一實施例的上視及側視結構示意圖。在圖3A至圖3B中，耦合式陣列天線裝置300，包括二耦合式陣列天線200a、200b，並透過一微帶線210將兩組所述耦合式陣列天線200a、200b串聯。
在本實施例中，為了增加耦合式陣列天線的天線增益，將一組耦合式陣列天線200a串聯另一組耦合式陣列天線200b。其中二第一平板天線230a、230b由一個微帶線210連接，而該第一平板天線230a之上對應有該第二平板天線240a，該第一平板天線230b之上對應有該第二平板天線240b，且該二第二平版天線互不相連接。
在本發明其他實施例中，串聯之耦合式陣列天線組數不限制為二組，也可以是三組或更多。每組耦合式陣列天線組中堆疊層數也不 限制為二層，也可以是三層或更多。
圖4是根據本發明之一種耦合式陣列天線及其裝置的天線返回損耗頻率響應圖400。如圖4所示，與單層平板天線相比較，本案申請發明的耦合式陣列天線與耦合式陣列天線裝置的頻寬比分別為21.7%與11.7%，確實有明顯改善原本平板天線頻寬比5.3%。其中，依據高、低頻差取得頻寬，並透過高、低頻平均取得中間頻段後，用以計算出所求天線頻寬比。
請同時參照圖5A至圖5C，圖5A是習知的單層平板天線的3D輻射場型示意圖501，圖5B是根據本發明之一種耦合式陣列天線的3D輻射場型示意圖502以及圖5C是根據本發明之一種耦合式陣列天線裝置的3D輻射場型示意圖503，如圖5A至圖5C所示，由天線的輻射場型可以得知，天線增益由數值比較得知，單層平板天線與本案申請發明的耦合式陣列天線增益分別為7.16dBi與6.9dBi，而本案申請發明的耦合式陣列天線裝置明顯有較高的天線增益，其值為9.3dBi。
圖6是根據本發明之一種1x8耦合式陣列天線裝置的結構示意圖。在本實施例中，透過8組耦合式陣列天線裝置結合產生該1x8耦合式陣列天線裝置。將一個輸入訊號變成一組一分八的耦合式陣列天線裝置，其中耦合式陣列天線裝置300為三層架構，整體厚度400微米，饋入網路層設置在該三層電路基板的第一層上，天線饋入方式由下方經第一盲孔導通到設置在該三層電路基板的第二層上的第一平板天線，再藉由耦合的方式，將訊號耦合到設置在該三層電路基板的第三層上的第二平板天線，轉接造成的損耗。
圖7是根據本發明之一種1x8耦合式陣列天線裝置的天線返回損耗頻率響應圖700。如圖7所示，天線頻帶中除了64.59GHz到65.53GHz通帶的匹配較差，頻寬從57.06GHz到73GHz的其他頻帶都有很明顯的增強效果。
圖8是根據本發明之一種1x8耦合式陣列天線裝置的3D輻射場型示意圖800。如圖8所示，天線的增益可以達到將近16dBi
綜上所述，本發明建立一個耦合式陣列天線及其裝置。透過本專利提出的結構，使用三層電路基板設計兩組雙層的平板天線，使平板天線與平板天線耦合，在60GHz時天線增益為6.9dBi，其天線頻寬可以增加到21.7%，而將單一平板天線上方增加一個耦合平板天線當作一組單元天線，為了增加天線增益，將原本的單元天線再串接一組單元天線，在60GHz時天線增益更可以增加到9.3dBi，天線頻寬比為11.7%，當以一個1X8的饋入網路實現陣列天線。天線頻寬有大幅度的增加，通帶涵蓋57.06GHz到73GHz，天線增益可以接近16dBi。其中，天線更使用軟性板材液晶高分子(LCP)設計，液晶高分子特性具有較低損耗的特性，且低吸水性使板材不易受潮變形。
雖然本發明以前述實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，所作更動與潤飾之等效替換，仍為本發明之專利保護範圍內。
110:饋入網路層
130:第一平板天線
140:第二平板天線
200:耦合式陣列天線

Claims (9)

  1. 一種耦合式陣列天線，包括：一饋入網路層；複數個平板天線，設置於該饋入網路層之上；其中一第一平板天線，設置於該饋入網路層之上；以及一第二平板天線，堆疊配置並耦合於該第一平板天線之上，該第二平板天線的波長為該第一平板天線的0.9~0.99倍；以及其他平板天線依序堆疊配置並耦合於其前一平板天線之上。
  2. 如請求項1所述之耦合式陣列天線，其中，該耦合式陣列天線更包括一多層電路基板，其中該饋入網路層設置於該第一層表面之上，該第一平板天線設置於該第二層表面之上，該第二平板天線設置於該第三層表面之上，以及該其他平板天線分別依序堆疊配置於對應之各層電路基板之上，其中相鄰之二層電路基板之間距離介於150um至250um。
  3. 如請求項1所述之耦合式陣列天線，其中，該第二平板天線任一邊長度為該第一平板天線對應邊長度的85~95%。
  4. 如請求項1所述之耦合式陣列天線，其中，該第一平板天線面積略大於該第二平板天線。
  5. 如請求項1所述之耦合式陣列天線，其中，該第一平板天線與該第二平板天線為相同幾何形狀的平板天線。
  6. 請求項1所述之耦合式陣列天線，其中，該各平板天線可以為方形、矩形、圓形、橢圓形、三角形、扇形、環型或環扇形中一種的幾何形狀平板天線。
  7. 如請求項1所述之耦合式陣列天線，其中，該第一平板天線為一具有二分之一波長共振條件的平板天線。
  8. 如請求項1所述之耦合式陣列天線，其中，該第一平板天線具有一第一盲孔，且該第一盲孔直徑小於0.18mm。
  9. 一種耦合式陣列天線裝置，其包括如請求項1-8中任一項所述之耦合式陣列天線，並透過一微帶線將兩組所述耦合式陣列天線串聯。
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