TWI810641B - 天線陣列裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種天線陣列裝置，其包括接地面、基板、天線陣列以及多個貼片元件。基板設置於接地面上。天線陣列設置於基板上。以及多個貼片元件設置於基板上並環繞排列於天線陣列周圍，且多個貼片元件未連接於接地面。
Description
本發明是有關於五代新無線電（5G new radio，5G NR）的技術，且特別是有關於一種天線陣列裝置。
在第五代新無線電（5G new radio，5G NR）毫米波（mmWave）天線陣列（antenna array）中，掃描角度（steering angle）是對天線波束（antenna beam）可達到的掃描範圍之衡量指標。然而，由於天線陣列在收發訊號時往往會產生表面波（surface wave），天線陣列之間會產生耦合效應（coupling effect），其掃描角度往往會受到影響。因此，要如何減少天線陣列之間的耦合效應以達到對稱掃描場型並增加較大掃描角度的增益是本領域技術人員急欲解決的問題。
本發明提供一種天線陣列裝置，其包括接地面、基板、天線陣列以及多個貼片元件。基板設置於接地面上。天線陣列設置於基板上。以及多個貼片元件設置於基板上並環繞排列於天線陣列周圍，且多個貼片元件未連接於接地面。
本發明提供一種天線陣列裝置，其包括接地面、基板、多個天線陣列以及多個貼片元件。基板設置於接地面上。多個天線陣列，置於該板上。以及多個貼片元件設置於該板上並環繞排列於多個天線陣列中的各者周圍，且多個貼片元件未連接於接地面。
基於上述，本發明提供的天線陣列裝置可藉由環繞天線陣列周圍的未接地的多個貼片元件，減少天線陣列之間的耦合效應並增加較大掃描角度的增益。
第1圖是本發明的實施例繪示天線陣列裝置100的俯視圖，其中第1圖是在x-y平面上的俯視圖。第2圖根據本發明的實施例繪示天線陣列裝置100中的側視圖，其中第2圖是在x-z平面上的側視圖。同時參照第1圖以及第2圖，本發明的天線陣列裝置100包括接地面G、基板S、天線陣列arr以及多個貼片元件pat，其中基板S設置於接地面G上，天線陣列arr設置於基板S上，以及多個貼片元件pat設置於基板S上並環繞排列於天線陣列arr周圍，且這些貼片元件pat未連接於接地面G（即，採用浮接的方式）。
在一些實施例中，接地面G可以是由銅箔等金屬材質製成。在一些實施例中，基板S可以是由絕緣的材質所製成的印刷電路板（printed circuit board，PCB），其中基板S的材質可以是鐵氟龍（PTFE）或環氧樹酯（FR4）等常用以製造PCB的材質。
在一些實施例中，天線陣列arr可包括多個天線單元ant，這些天線單元ant中的相鄰二者之間的距離D1可以是天線陣列arr的操作頻帶的中心頻率的二分之一倍波長，其中這些天線單元ant以及上述多個貼片元件pat可以是印刷於基板S上的多個金屬片。
在一些實施例中，天線單元ant的數量可以是2的n次方，其中n可以是任意的正整數。在較佳的實施例中，天線單元ant的數量可以是16。
在一些實施例中，天線單元ant可以是單極化天線單元或雙極化天線單元等任意設置於天線陣列中的天線單元，並沒有針對天線單元ant有特別的限制。在較佳的實施例中，天線單元ant可以是雙極化天線單元，且可以是貼片天線（patch antenna）單元，其中天線單元ant可具有第一極化方向以及第二極化方向。舉例而言，天線單元ant可具有在x-y平面上在x方向的水平極化以及在y方向的垂直極化。
在一些實施例中，天線單元ant的形狀可以是任意形狀的金屬片（例如，正方形、矩形或菱形等），並沒有對天線單元ant有特別的限制。在較佳的實施例中，天線單元ant的形狀可以是正方形。
在一些實施例中，天線單元ant可以具有兩個饋入點fp，其中這兩個饋入點fp分別用以饋入訊號而接收或發射雙極化訊號。舉例而言，天線單元ant的兩個饋入點fp皆連接於與基板S平行的另一基板(未繪示)，且分別用以饋入訊號而接收或發射在x-y平面上在x方向的水平極化的訊號以及在y方向的垂直極化的訊號。
在一些實施例中，多個天線單元ant上的饋入點fp可採用對稱設置的方式（例如，第1~2行的天線單元ant具有靠左的饋入點fp，第3~4行的天線單元ant具有靠右的饋入點fp，以產生水平極化的訊號。第1~2列的天線單元ant具有靠上的饋入點fp，以及第3~4列的天線單元ant具有靠下的饋入點fp，以產生垂直極化的訊號)。
在一些實施例中，多個貼片元件pat可由內而外設置於基板S上，並沿著環形區域a1~a3排列，其中環形區域a1~a3的形狀為中空正方形。再者，這些貼片元件pat的幾何中心與多個天線單元ant的幾何中心之間的最小距離D2可大於等於天線陣列arr的操作頻帶的中心頻率的四分之一倍波長，且小於等於天線陣列arr的操作頻帶的中心頻率的四分之三倍波長。
詳細而言，多個貼片元件pat可在環形區域a1~a3中排列成3個中空正方形的形狀，且環形區域a1中的貼片元件pat的幾何中心與天線陣列arr中排列於最外圍的天線單元ant的幾何中心之間存在一個最小距離D2。最小距離D2可以大於等於天線陣列arr的操作頻帶的中心頻率的四分之一倍波長，且小於等於天線陣列arr的操作頻帶的中心頻率的四分之三倍波長。
值得注意的是，具有貼片元件pat的環形區域的數量可以是任意不小於2的正整數，並沒有對環形區域的數量有特別的限制。在較佳的實施例中，環形區域的數量可以是3。
在一些實施例中，貼片元件pat的形狀也可以是任意形狀的金屬片(例如，正方形、矩形或菱形等)，並沒有對貼片元件pat的形狀有特別的限制。在較佳的實施例中，貼片元件pat的形狀可以是正方形，且貼片元件pat的面積可以與天線單元ant的面積相等。
在一些實施例中，多個貼片元件pat中的相鄰二者的幾何中心之間的距離D3可大於等於天線陣列arr的操作頻帶的中心頻率的四分之一倍波長，且小於等於天線陣列arr的操作頻帶的中心頻率的四分之三倍波長。在較佳的實施例中，距離D3可以相等於上述距離D1以及上述最小距離D2。
詳細而言，環形區域a1中的相鄰兩個貼片元件pat的幾何中心之間存在距離D3。環形區域a2中的相鄰兩個貼片元件pat的幾何中心之間也存在距離D3。環形區域a3中的相鄰兩個貼片元件pat的幾何中心之間也存在距離D3。再者，環形區域a1中的貼片元件pat的幾何中心與環形區域a2中的貼片元件pat的幾何中心之間存在與距離D3相等的另一最小距離。環形區域a2中的貼片元件pat的幾何中心與環形區域a3中的貼片元件pat的幾何中心之間也存在與距離D3相等的另一最小距離。
在一些實施例中，天線陣列arr可以與多個貼片元件pat共振，以增加天線陣列arr在水平方向掃描的輻射效率（radiation efficiency）以及天線增益（antenna gain）以及垂直方向掃描的輻射效率以及天線增益。
詳細而言，當天線陣列arr傳送或接收訊號時，天線陣列arr可能會在基板S產生表面波（surface wave）。表面波會影響天線陣列arr在水平方向的大掃描角度（steering angle）的輻射效率以及天線增益，也會影響在垂直方向的大掃描角度的輻射效率以及天線增益。
為防止上述影響，可藉由由內而外並沿著環形區域a1~a3排列的多個貼片元件pat與此表面波共振，以大大增加天線陣列arr在水平方向以及垂直方向的大掃描角度的輻射效率以及天線增益。
基於上述，藉由由內而外並沿著環形區域a1~a3排列的多個貼片元件pat，將可大大增加天線陣列裝置100的大掃描角度的輻射效率以及天線增益。
第3圖是本發明的另一實施例繪示天線陣列裝置200的俯視圖。參照第3圖，天線陣列裝置200具有與第1圖的天線陣列裝置100相似的結構，兩者的差異僅在天線陣列的數量，其中天線陣列arr1~arr4以及分別環繞天線陣列arr1~arr4周圍的貼片元件pat皆具有與天線陣列裝置100相同的結構。因此，在此僅針對差異點加以說明，其餘相似的地方不再加以贅述。
首先，天線陣列裝置200包括4個天線陣列arr1~arr4。在一些實施例中，天線陣列裝置200中的天線陣列的數量可以是任意大於1的正整數，並沒有對天線陣列的數量有特別的限制。在較佳的實施例中，天線陣列裝置200中的天線陣列的數量可以是4。
值得注意的是，天線陣列arr1~arr4周圍的這些貼片元件pat除了可增加天線陣列arr1~arr4在水平方向以及垂直方向的大掃描角度的輻射效率以及天線增益，更可大大減少天線陣列arr1~arr4所產生的表面波對鄰近的天線陣列所造成的干擾而引起的掃描不對稱性。
換言之，藉由天線陣列arr1~arr4周圍的這些貼片元件pat的排列方式，可大大增加天線陣列arr1~arr4的水平方向與垂直方向的掃描角度以及天線陣列arr1~arr4之間的隔離度。
基於上述，藉由環繞天線陣列arr1~arr4周圍的多個貼片元件pat，將可大大增加天線陣列裝置200的大掃描角度的輻射效率以及天線增益，並大大增加天線陣列裝置200中的天線陣列arr1~arr4之間的隔離度。
以下說明以水平極化為例，垂直極化的效果亦然，不予贅述。第4圖根據本發明的另一實施例繪示天線陣列裝置200的水平極化在水平方向掃描的輻射效率以及天線增益的示意圖。同時參照第3圖以及第4圖，當天線陣列arr1~arr4不具有環繞周圍的貼片元件pat且緊鄰設置於彼此時，天線陣列arr4在水平方向掃描角度為-50~50度的情況下具有水平極化的輻射效率的曲線HE2。而當採用天線陣列裝置200的結構時，天線陣列arr4在掃描角度的方位角為-50~50度的情況下具有水平極化方向的輻射效率的曲線HE1。由此可知，當水平方向掃描角度為-50~-30度以及30~50度時，天線陣列裝置200可在水平方向增加10%~15%的輻射效率，同時，掃描在相同的正負角度上的值更加一致。再者，當天線陣列arr1~arr4不具有環繞周圍的貼片元件pat且緊鄰設置於彼此時，天線陣列arr4在水平方向掃描角度為-50~50度的情況下具有水平的天線增益的曲線HG2。而當採用天線陣列裝置200的結構時，天線陣列arr4在水平方向掃描角度為-50~50度的情況下具有水平極化的天線增益的曲線HG1。由此可知，當水平方向掃描角度為-50~-30度以及30~50度時，天線陣列裝置200可在水平方向增加2dB~3dB的天線增益，同時，天線陣列裝置200的掃描在相同的正負角度上的值更加一致。
第5圖根據本發明的另一實施例繪示天線陣列裝置200的水平極化在垂直方向的掃描輻射效率以及天線增益的示意圖。同時參照第3圖以及第5圖，當天線陣列arr1~arr4不具有環繞周圍的貼片元件pat且緊鄰設置於彼此時，天線陣列arr4在垂直掃描角度為-50~50度的情況下具有水平極化的輻射效率的曲線VE2。而當採用天線陣列裝置200的結構時，天線陣列arr4在垂直方向掃描角度為-50~50度的情況下具有水平極化的輻射效率的曲線VE1。由此可知，當垂直方向掃描角度為-50~-30度以及30~50度時，天線陣列裝置200可在垂直方向增加5%~10%的輻射效率。
再者，當天線陣列arr1~arr4不具有環繞周圍的貼片元件pat且緊鄰設置於彼此時，天線陣列arr4在垂直方向掃描角度為-50~50度的情況下具有水平極化的天線增益的曲線VG2。而當採用天線陣列裝置200的結構時，天線陣列arr4在垂直方向掃描角度為-50~50度的情況下具有水平極化方向的天線增益的曲線VG1。由此可知，當垂直掃描角度為-50~-30度以及30~50度時，天線陣列裝置200可在垂直方向增加0.2dB~1.5dB的天線增益。
綜上所述，本發明的天線陣列裝置可利用上述不接地的貼片元件的設置方式大大增加天線陣列的大掃描角度的輻射效率以及天線增益。此外，貼片元件也可大大增加多個天線陣列之間的隔離度。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100、200:天線陣列裝置
ant:天線單元
arr、arr1~arr4:天線陣列
pat:貼片元件
fp:饋入點
a1~a3:環形區域
D1、D3:距離
D2:最小距離
S:基板
G:接地面
HE1、VE1、HE2、VE2:輻射效率的曲線
HG1、VG1、HG2、VG2:天線增益的曲線
第1圖是本發明的實施例繪示天線陣列裝置的俯視圖。
第2圖根據本發明的實施例繪示天線陣列裝置中的側視圖。
第3圖是本發明的另一實施例繪示天線陣列裝置的俯視圖。
第4圖根據本發明的另一實施例繪示天線陣列裝置的水平極化在水平方向掃描的輻射效率（radiation efficiency）以及天線增益（antenna gain）的示意圖。
第5圖根據本發明的另一實施例繪示天線陣列裝置的水平極化在垂直方向掃描的輻射效率以及天線增益的示意圖。
100:天線陣列裝置
arr:天線陣列
ant:天線單元
pat:貼片元件
fp:饋入點
a1~a3:環形區域
D1、D3:距離
D2:最小距離
Claims (8)
- 一種天線陣列裝置，包括：一接地面；一基板，設置於該接地面上；一天線陣列，設置於該基板上；以及多個貼片元件，設置於該基板上並緊鄰環繞排列於該天線陣列周圍，且該些貼片元件未連接於該接地面，其中該天線陣列包括多個天線單元，且該些貼片元件不設置於該些天線單元之間，其中該些貼片元件每一者的面積與該多個天線單元每一者的面積相等，其中該天線陣列裝置不包含尺寸相異於該些貼片元件的其他貼片元件，其中該天線陣列所產生的表面波與該些貼片元件共振，以增加該天線陣列在一水平方向掃瞄的輻射效率與天線增益以及該天線陣列在一垂直方向掃瞄的輻射效率與天線增益。
- 如請求項1所述之天線陣列裝置，其中該些天線單元中的相鄰二者之間的距離為該天線陣列的一操作頻帶的中心頻率的二分之一倍波長，其中該些天線單元以及該些貼片元件為印刷於該基板上的多個金屬片。
- 如請求項2所述之天線陣列裝置，其中該些貼片元件由內而外設置於該基板上，並沿著至少二環形區域排列，其中該至少二環形區域的形狀為中空正方 形，以及該些貼片元件的幾何中心與該些天線單元的幾何中心之間的最小距離大於等於該天線陣列的一操作頻帶的中心頻率的四分之一倍波長，且小於等於該天線陣列的該操作頻帶的該中心頻率的四分之三倍波長。
- 如請求項1所述之天線陣列裝置，其中該些貼片元件中的相鄰二者的幾何中心之間的距離大於等於該天線陣列的一操作頻帶的中心頻率的四分之一倍波長，且小於等於該天線陣列的該操作頻帶的該中心頻率的四分之三倍波長。
- 一種天線陣列裝置，包括：一接地面；一基板，設置於該接地面上；多個天線陣列，設置於該基板上；以及多個貼片元件，設置於該基板上並緊鄰環繞排列於該些天線陣列中的各者周圍，且該些貼片元件未連接於該接地面，其中該些天線陣列中的該各者包括多個天線單元，且該些貼片元件不設置於該些天線單元之間，其中該些貼片元件每一者的面積與該多個天線單元每一者的面積相等，其中該天線陣列裝置不包含尺寸相異於該些貼片元件的其他貼片元件， 其中該些天線陣列中的該各者所產生的表面波與該些貼片元件中的鄰近者共振，以增加該些天線陣列在一水平方向掃瞄的輻射效率與天線增益、該些天線陣列在一垂直方向掃瞄的輻射效率與天線增益以及該些天線陣列之間的隔離度。
- 如請求項5所述之天線陣列裝置，其中該些天線單元中的相鄰二者之間的距離為該些天線陣列的一操作頻帶的中心頻率的二分之一倍波長，其中該些天線單元以及該些貼片元件為印刷於該基板上的多個金屬片。
- 如請求項6所述之天線陣列裝置，其中該些貼片元件以該些天線陣列中的該各者為中心點由內而外設置於該基板上，並沿著環繞該些天線陣列中的該各者的至少二環形區域排列，其中該至少二環形結構的形狀為中空正方形，以及該些貼片元件的幾何中心與該些天線單元的幾何中心之間的最小距離大於等於該些天線陣列的一操作頻帶的中心頻率的四分之一倍波長，且小於等於該些天線陣列的該操作頻帶的該中心頻率的四分之三倍波長。
- 如請求項5所述之天線陣列裝置，其中該些貼片元件中的相鄰二者的幾何中心之間的距離大於等於該 些天線陣列的一操作頻帶的中心頻率的四分之一倍波長，且小於等於該些天線陣列的該操作頻帶的該中心頻率的四分之三倍波長。
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