TWI783791B - 天線模組 - Google Patents

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Abstract

一種天線模組，包括收發晶片、發射陣列天線、接收陣列天線、兩帶通濾波器及兩電容器。發射與接收陣列天線對稱地配置於收發晶片的相對兩側。其中一個帶通濾波器的設置於收發晶片與發射陣列天線之間，且連接於收發晶片與發射陣列天線，另一個帶通濾波器設置於收發晶片與接收陣列天線之間，且連接於收發晶片與接收陣列天線。其中一個電容器設置於發射陣列天線與對應的帶通濾波器之間，且連接於發射陣列天線與對應的帶通濾波器，另一個電容器設置於接收陣列天線與對應的帶通濾波器之間，且連接於接收陣列天線與對應的帶通濾波器。

Description

天線模組
本發明是有關於一種天線模組，且特別是有關於一種具有良好天線效能的天線模組。
應用於雷達偵測的天線頻率範圍例如為24GHz的窄頻寬(24.05 ~ 24.25GHz)，要如何使此類天線具有良好的效能是本領域研究的方向。
本發明提供一種天線模組，其可具有良好的天線效能。
本發明的一種天線模組，包括一收發晶片、一發射陣列天線、一接收陣列天線、兩帶通濾波器及兩電容器。發射陣列天線與接收陣列天線對稱地配置於晶片的相對兩側。兩帶通濾波器的其中一者設置於收發晶片與發射陣列天線之間，且連接於收發晶片與發射陣列天線，兩帶通濾波器的另一者設置於收發晶片與接收陣列天線之間，且連接於收發晶片與接收陣列天線。兩電容器的其中一者設置於發射陣列天線與對應的帶通濾波器之間，且連接於發射陣列天線與對應的帶通濾波器，兩電容器的另一者設置於接收陣列天線與對應的帶通濾波器之間，且連接於接收陣列天線與對應的帶通濾波器。
在本發明的一實施例中，上述的天線模組更包括一功率分配器，設置於收發晶片與發射陣列天線所對應的帶通濾波器之間，且連接於收發晶片與帶通濾波器。
在本發明的一實施例中，上述的天線模組更包括一第一阻抗轉換器、一第二阻抗轉換器、一第一微帶線及一第二微帶線，其中第一阻抗轉換器、第二阻抗轉換器、第一微帶線及第二微帶線設置於收發晶片與功率分配器之間，第一阻抗轉換器連接至收發晶片，且第一微帶線連接第一阻抗轉換器與功率分配器，第二阻抗轉換器連接至收發晶片，且第二微帶線連接第二阻抗轉換器與功率分配器，第一微帶線的長度不同於第二微帶線的長度。
在本發明的一實施例中，上述的天線模組更包括一第三阻抗轉換器及一第三微帶線，其中第三阻抗轉換器及第三微帶線設置於收發晶片與接收陣列天線所對應的帶通濾波器之間，第三阻抗轉換器連接至收發晶片，且第三微帶線連接第三阻抗轉換器與帶通濾波器。
在本發明的一實施例中，上述的天線模組更包括兩傳輸線，其中兩傳輸線的其中一者連接於發射陣列天線與對應的帶通濾波器，兩傳輸線的另一者連接於接收陣列天線與對應的帶通濾波器，兩電容器分別連接至兩傳輸線，各電容器包括連接至所對應的傳輸線的一第一線段，天線模組耦合出一頻段，第一線段的長度為頻段的1/4倍波長。
在本發明的一實施例中，上述的各電容器還包括連接於第一線段的一第二線段，第二線段的長度為頻段的1/4倍波長。
在本發明的一實施例中，上述的各電容器還包括連接於第一線段的一扇形區塊。
在本發明的一實施例中，上述的發射陣列天線與接收陣列天線的每一者包括一主線路、從主線路對稱地延伸出的多個支線路及連接至這些支線路的多個貼片(Patch)單元，這些貼片單元以陣列的形式排列，天線模組耦合出一頻段，主線路的長度為頻段的1倍波長。
在本發明的一實施例中，上述的這些貼片單元分別包括連接於這些支線路的多個貼片的饋入端，這些貼片的饋入端中相鄰的兩者的距離介於頻段的0.5倍~0.7倍波長之間。
在本發明的一實施例中，上述的天線模組更包括多個第四阻抗轉換器，設置在主線路與這些支線路交會處。
基於上述，本發明的天線模組的發射陣列天線與接收陣列天線對稱地配置於收發晶片的相對兩側，發射陣列天線與接收陣列天線分開的設計可提升天線效能。此外，收發晶片與發射陣列天線之間設有帶通濾波器，收發晶片與接收陣列天線之間設有另一個帶通濾波器。帶通濾波器的設置對發射陣列天線來說可防止電磁干擾(EMI)的問題，帶通濾波器的設置對接收陣列天線來說具有濾除非必要共振頻率的特性。另外，發射陣列天線與對應的帶通濾波器之間設有電容器，接收陣列天線與對應的帶通濾波器之間設有另一個電容器，此設計可防止靜電放電(ESD)的狀況，避免靜電過大而損壞收發晶片。再者，本發明的天線模組透過上述的設計，而具有較佳的阻抗匹配效果。
圖1是依照本發明的一實施例的一種天線模組的示意圖。請參閱圖1，本實施例的天線模組100包括一收發晶片110、一發射陣列天線140、一接收陣列天線140a、兩帶通濾波器120及兩電容器123。天線模組100可用來做為雷達，同時偵測與發送訊號。在本實施例中，天線模組100為毫米波天線，頻率點為24 GHz，且收發晶片110為24 GHz 收發單片微波積體電路( Transceiver MMIC)，但收發晶片110的種類與天線頻段不以此為限制。
由於天線模組100的發射端和接收端在同頻率和同時間上執行無線傳輸，故在本實施例中，將發射端和接收端分開成兩個部分，即，發射陣列天線140與接收陣列天線140a，可具有較佳的表現。由圖1可見，發射陣列天線140與接收陣列天線140a對稱地配置於收發晶片110的相對兩側。
發射陣列天線140與接收陣列天線140a之間的距離L1約為30公厘。收發晶片110至天線模組100所配置的電路板的右端的距離L2約為27公厘。收發晶片110至天線模組100所配置的電路板的左端的距離L3約為24公厘。收發晶片110的寬度L4約為6.5公厘。電路板的長度約為57.5公厘，電路板的寬度L5約為16公厘。
兩帶通濾波器120的其中一者(圖1右側的帶通濾波器120)設置於收發晶片110與發射陣列天線140之間，且連接於收發晶片110與發射陣列天線140。發射陣列天線140串接帶通濾波器120，可防靜電干擾(EMI)的問題。
兩帶通濾波器120的另一者(圖1左側的帶通濾波器120)設置於收發晶片110與接收陣列天線140a之間，且連接於收發晶片110與接收陣列天線140a。接收陣列天線140a串接帶通濾波器120，可具有濾除非必要共振頻率的特性。
在本實施例中，帶通濾波器120例如是在位置B1、B2上設有兩電容，且於位置B1、B2之間設有電感的組合。此兩電容可接地。當然，帶通濾波器120的種類不以此為限制。
此外，在本實施例中，天線模組100更包括一功率分配器116，設置於收發晶片110與發射陣列天線140所對應的帶通濾波器120(圖1右側的帶通濾波器120)之間，且連接於收發晶片110與帶通濾波器120。功率分配器116例如是威金森功率分配器116，但功率分配器116的種類不以此為限制。
天線模組100更包括一第一阻抗轉換器111、一第二阻抗轉換器112、一第一微帶線114及一第二微帶線115。第一阻抗轉換器111、第二阻抗轉換器112、第一微帶線114及第二微帶線115設置於收發晶片110與功率分配器116之間。
具體地說，第一阻抗轉換器111、第二阻抗轉換器112設置在位置A4、A5上。第一阻抗轉換器111連接至收發晶片110，且第一微帶線114連接第一阻抗轉換器111與功率分配器116。第二阻抗轉換器112連接至收發晶片110，且第二微帶線115連接第二阻抗轉換器112與功率分配器116。
在本實施例中，第一微帶線114的長度不同於第二微帶線115的長度。在本實施例中，第一微帶線114的長度略大於第二微帶線115的長度，用以彌補相位差。此外，收發晶片110其發射端為差動式(differential)傳輸，故由位於位置A4、A5的第一阻抗轉換器111與第二阻抗轉換器112，連接威金森功率分配器116。功率分配器116調整第一微帶線114及第二微帶線115所傳輸的訊號成同相位。
另外，天線模組100更包括一第三阻抗轉換器113及一第三微帶線118。第三阻抗轉換器113及第三微帶線118設置於收發晶片110與接收陣列天線140a所對應的帶通濾波器120之間。具體地說，第三阻抗轉換器113設置在位置A1處。第三阻抗轉換器113連接至收發晶片110，且第三微帶線118連接第三阻抗轉換器113與帶通濾波器120。
在本實施例中，第一阻抗轉換器111、第二阻抗轉換器112至對應的帶通濾波器120之間的線路長度滿足50歐姆的阻抗匹配。第三阻抗轉換器113至對應的帶通濾波器120之間的線路長度滿足50歐姆的阻抗匹配。
要說明的是，由於收發晶片110透過第一微帶線114及第二微帶線115傳輸訊號到發射陣列天線140，為了得到同相位的訊號，而在收發晶片110與發射陣列天線140所對應的帶通濾波器120之間設有功率分配器116。反觀收發晶片110與接收陣列天線140a之間，由於透過單一條第三微帶線118傳輸訊號，則不需要再設置功率分配器116。
除了上述差異之外，帶通濾波器120至發射陣列天線140的配置則相同於帶通濾波器120至接收陣列天線140a的配置。
具體地說，天線模組100更包括兩傳輸線122。兩傳輸線122的其中一者(右側的傳輸線122)連接於發射陣列天線140與對應的帶通濾波器120。兩傳輸線122的另一者(左側的傳輸線122)連接於接收陣列天線140a與對應的帶通濾波器120。
兩電容器123的其中一者(右側的電容器123)設置於發射陣列天線140與對應的帶通濾波器120(右側帶通濾波器120)之間，且連接於位在發射陣列天線140與對應的帶通濾波器120之間的傳輸線122(右側的傳輸線122)。各傳輸線122的長度可滿足50歐姆的阻抗匹配。
兩電容器123的另一者(左側的電容器123)設置於接收陣列天線140a與對應的帶通濾波器120(左側帶通濾波器120)之間，且連接於位在接收陣列天線140a與對應的帶通濾波器120之間的傳輸線122(左側的傳輸線122)。
上述電容器123的設置可防止靜電放電(ESD)的狀況，避免靜電的電流過大經由發射陣列天線140或接收陣列天線140a而使收發晶片110損壞。
在本實施例中，各電容器123包括連接至所對應的傳輸線122的一第一線段124(位置C1、C2)、彎折地連接於第一線段124的一第二線段128(位置C2、C4)及連接於第一線段124的一扇形區塊126(位置C2、C3)。天線模組100耦合出一頻段，第一線段124的長度為頻段的1/4倍波長，第二線段128的長度為頻段的1/4倍波長，以提供良好的阻抗匹配效果。
在本實施例中，天線模組100為毫米波天線，其頻率點較高頻，故收發晶片110到發射陣列天線140與接收陣列天線140a之間，需要透過第一阻抗轉換器111、第一阻抗轉換器111、第三阻抗轉換器113、兩帶通濾波器120及兩扇形電容器123調適，會有較佳的阻抗匹配效果。
此外，發射陣列天線140與接收陣列天線140a的每一者包括一主線路143、從主線路143對稱地延伸出的多個支線路141、142、144、145及連接至這些支線路141、142、144、145的多個貼片(Patch)單元131、132、133、134。
這些貼片單元131、132、133、134以陣列的形式排列。在本實施例中，發射陣列天線140與接收陣列天線140a的每一者有四個貼片單元131、132、133、134，且以2 x 2陣列的形式呈現，但貼片單元131、132、133、134的數量與矩陣的形式不以此為限制。貼片單元131、132、133、134的長、寬尺寸約為3.1公厘、3.1公厘，但不以此為限制。
主線路143(位置A2、A3)的長度為天線模組100所耦合的頻段的1倍波長，而可滿足50歐姆的阻抗匹配。這些貼片單元131、132、133、134分別包括連接於這些支線路141、142、144、145的多個貼片的饋入端131a、132a、133a、134a，這些貼片的饋入端131a、132a、133a、134a中相鄰的兩者的距離D介於頻段的0.5倍~0.7倍波長之間，例如是0.6倍波長，7.48公厘，而可滿足80歐姆的阻抗匹配。此外，支線路141、142、144、145的長度也可滿足80歐姆的阻抗匹配。
另外，天線模組100更包括多個第四阻抗轉換器147、148，設置在主線路143與這些支線路141、142、144、145交會處(位置A2、A3)，用以調整阻抗匹配。
圖2是圖1的天線模組的方塊圖。請參閱圖2，圖2為天線模組100在接收或是發射訊號時的狀況。接收陣列天線140a所接收到的訊號通過電容器123、帶通濾波器120、第三阻抗轉換器113傳遞至收發晶片110。收發晶片110的訊號通過第一阻抗轉換器111與第二阻抗轉換器112、功率分配器116、帶通濾波器120、電容器123，傳遞至發射陣列天線140。
發射陣列天線140與接收陣列天線140a可同步運作。天線模組100可透過一發一收方式來偵測物體靠近或遠離的速度和距離(純量)。當天線模組100以一發兩收方式運作時，可用來偵測不同方位目標物的特徵(即2D平面上的向量)。
值得一提的是，目前市面上應用於24GHz雷達偵測的天線結構是配置在兩個獨立的電路板上，再將上下配置的兩電路板的訊號串接在一起。本實施例的天線模組100則是位於電路板的同一層。
圖3是圖1的天線模組設置的電路板的剖面示意圖。請參閱圖3，在本實施例中，用來設置天線模組100的電路板10例如包括最上層的特殊板材12(Ro4350B板材)，天線模組100(發射陣列天線140、接收陣列天線140a與微帶線被動電路)設置在此特殊板材12的上表面，下方再與四層一般板材14、16、18、20 (FR4板材)結合。特殊板材12壓合於一般板材14、16、18、20，而使得特殊板材12與一般板材14之間無間隙。這樣的設計可使天線模組100在發射端和接收端對24GHz訊號皆能有良好的品質，且相較於習知設計，本實施例的結構具有節省成本的優勢。
圖4是圖1的天線模組的頻率-反射損失(S11)的關係圖。請參閱圖4，在本實施例中，發射陣列天線140與接收陣列天線140a在24.05GHz至24.25GHz區間的返回損失都可在-10dB以下，而具有良好的表現。
圖5是圖1的天線模組的頻率-隔離度的關係圖。請參閱圖4，在本實施例中，發射陣列天線140與接收陣列天線140a之間的的距離L1(圖1)為30公厘，具有隔離度在-30dB 以下，而具有良好的表現。
圖6是圖1的天線模組的角度-天線增益的關係圖。請參閱圖6，在本實施例中，發射陣列天線140與接收陣列天線140a其主波束於-40度到+40度都可大於0dBi，而具有良好的表現。
綜上所述，本發明的天線模組的發射陣列天線與接收陣列天線對稱地配置於收發晶片的相對兩側，發射陣列天線與接收陣列天線分開的設計可提升天線效能。此外，收發晶片與發射陣列天線之間設有帶通濾波器，收發晶片與接收陣列天線之間設有另一個帶通濾波器。帶通濾波器的設置對發射陣列天線來說可防止電磁干擾(EMI)的問題，帶通濾波器的設置對接收陣列天線來說具有濾除非必要共振頻率的特性。另外，發射陣列天線與對應的帶通濾波器之間設有電容器，接收陣列天線與對應的帶通濾波器之間設有另一個電容器，此設計可防止靜電放電(ESD)的狀況，避免靜電過大而損壞收發晶片。再者，本發明的天線模組透過上述的設計，而具有較佳的阻抗匹配效果。
A1~A5、B1、B2、C1~C4:位置 D、L1~L3:距離 L4、L5:寬度 10:電路板 12:特殊板材 14、16、18、20:一般板材 100:天線模組 110:收發晶片 111:第一阻抗轉換器 112:第二阻抗轉換器 113:第三阻抗轉換器 114:第一微帶線 115:第二微帶線 116:功率分配器 118:第三微帶線 120:帶通濾波器 122:傳輸線 123:電容器 124:第一線段 126:扇形區塊 128:第二線段 131、132、133、134:貼片單元 131a、132a、133a、134a:貼片饋入端 140:發射陣列天線 140a:接收陣列天線 141、142、144、145:支線路 143:主線路 147、148:第四阻抗轉換器
圖1是依照本發明的一實施例的一種天線模組的示意圖。 圖2是圖1的天線模組的方塊圖。 圖3是圖1的天線模組設置的電路板的剖面示意圖。 圖4是圖1的天線模組的頻率-反射損失(S11)的關係圖。 圖5是圖1的天線模組的頻率-隔離度的關係圖。 圖6是圖1的天線模組的角度-天線增益的關係圖。
A1~A5、B1、B2、C1~C4:位置
D、L1~L3:距離
L4、L5:寬度
100:天線模組
110:收發晶片
111:第一阻抗轉換器
112:第二阻抗轉換器
113:第三阻抗轉換器
114:第一微帶線
115:第二微帶線
116:功率分配器
118:第三微帶線
120:帶通濾波器
122:傳輸線
123:電容器
124:第一線段
126:扇形區塊
128:第二線段
131、132、133、134:貼片單元
131a、132a、133a、134a:貼片饋入端
140:發射陣列天線
140a:接收陣列天線
141、142、144、145:支線路
143:主線路
147、148:第四阻抗轉換器

Claims (10)

  1. 一種天線模組，包括： 一收發晶片； 一發射陣列天線； 一接收陣列天線，該發射陣列天線與該接收陣列天線對稱地配置於該收發晶片的相對兩側； 兩帶通濾波器，該兩帶通濾波器的其中一者設置於該收發晶片與該發射陣列天線之間，且連接於該收發晶片與該發射陣列天線，該兩帶通濾波器的另一者設置於該收發晶片與該接收陣列天線之間，且連接於該收發晶片與該接收陣列天線；以及 兩電容器，該兩電容器的其中一者設置於該發射陣列天線與對應的該帶通濾波器之間，且連接於該發射陣列天線與對應的該帶通濾波器，該兩電容器的另一者設置於該接收陣列天線與對應的該帶通濾波器之間，且連接於該接收陣列天線與對應的該帶通濾波器。
  2. 如請求項1所述的天線模組，更包括一功率分配器，設置於該收發晶片與該發射陣列天線所對應的該帶通濾波器之間，且連接於該收發晶片與該帶通濾波器。
  3. 如請求項2所述的天線模組，更包括一第一阻抗轉換器、一第二阻抗轉換器、一第一微帶線及一第二微帶線，其中該第一阻抗轉換器、該第二阻抗轉換器、該第一微帶線及該第二微帶線設置於該收發晶片與該功率分配器之間，該第一阻抗轉換器連接至該收發晶片，且該第一微帶線連接該第一阻抗轉換器與該功率分配器，該第二阻抗轉換器連接至該收發晶片，且該第二微帶線連接該第二阻抗轉換器與該功率分配器，該第一微帶線的長度不同於該第二微帶線的長度。
  4. 如請求項1所述的天線模組，更包括一第三阻抗轉換器及一第三微帶線，其中該第三阻抗轉換器及該第三微帶線設置於該收發晶片與該接收陣列天線所對應的該帶通濾波器之間，該第三阻抗轉換器連接至該收發晶片，且該第三微帶線連接該第三阻抗轉換器與該帶通濾波器。
  5. 如請求項1所述的天線模組，更包括兩傳輸線，其中該兩傳輸線的其中一者連接於該發射陣列天線與對應的該帶通濾波器，該兩傳輸線的另一者連接於該接收陣列天線與對應的該帶通濾波器，該兩電容器分別連接至該兩傳輸線，各該電容器包括連接至所對應的該傳輸線的一第一線段，該天線模組耦合出一頻段，該第一線段的長度為該頻段的1/4倍波長。
  6. 如請求項5所述的天線模組，其中各該電容器還包括連接於該第一線段的一第二線段，該第二線段的長度為該頻段的1/4倍波長。
  7. 如請求項5所述的天線模組，其中各該電容器還包括連接於該第一線段的一扇形區塊。
  8. 如請求項1所述的天線模組，其中該發射陣列天線與該接收陣列天線的每一者包括一主線路、從該主線路對稱地延伸出的多個支線路及連接至該些支線路的多個貼片(Patch)單元，該些貼片單元以陣列的形式排列，該天線模組耦合出一頻段，該主線路的長度為該頻段的1倍波長。
  9. 如請求項8所述的天線模組，其中該些貼片單元分別包括連接於該些支線路的多個貼片的饋入端，該些貼片的饋入端中相鄰的兩者的距離介於該頻段的0.5倍~0.7倍波長之間。
  10. 如請求項8所述的天線模組，更包括多個第四阻抗轉換器，設置在該主線路與該些支線路交會處。
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