TWI828161B - 多波束天線模組 - Google Patents

Abstract

一種多波束天線模組，包含一射頻電路板、複數之反射板及複數之區域覆蓋饋入天線群；該些區域覆蓋饋入天線群的每一個包含一饋入天線；該些反射板具有不同的排列方向，且該些反射板的每一個係相對於該些區域覆蓋饋入天線群的每一個之該饋入天線設置，藉以改變該些區域覆蓋饋入天線群的每一個之該饋入天線之一輻射場型以偏轉該些區域覆蓋饋入天線群的每一個之該饋入天線之一主要輻射方向。

Description

多波束天線模組

本發明係有關於一種天線模組，特別是一種多波束天線模組。

在無線通訊以及雷達的應用當中，有許多情況是需要大範圍的信號覆蓋。在相關技術之平面天線及相關技術之天線陣列當中，單一天線的增益與涵蓋角度是相反的；亦即，如果天線的增益越高，則天線的波束越窄且天線的波束可傳得越遠，但是天線的波束的角度範圍受限；如果天線的增益越低，則天線的波束越寬且天線的波束的角度範圍越大，但是天線的波束的傳送距離較短。

請參考圖1，其係為相關技術之毫米波頻段串饋貼片陣列天線(series-fed patch array antenna)之外觀示意圖；一般來說，天線的輻射波束的設計為朝向Z軸+Z的方向，天線在X軸的方向串接了三個陣元202，因此在X-Z的平面的波束較窄，而在Y-Z的平面的波束則較寬；請參考圖2，其係為圖1的X-Z平面的天線場型圖；請參考圖3，其係為圖1的Y-Z平面的天線場型圖。在大部分的情況下，會把Z軸+Z指向通訊目標或量測區域，波束較寬的Y-Z平面平行於水平面，而波束較窄的X-Z平面則垂直於水平面擺放，以求在水平面有較大的量測角度與範圍。

請參考圖4，其係為相關技術之三扇區天線之排列示意圖；請參考圖5，其係為圖4的水平的天線場型示意圖。有許多情況會有水平面需要完整涵蓋的需求，而其中一種解決方案是採用扇區分割，用多組不同波束方向的天線來滿足水平面所有角度的涵蓋，如圖4所示。搭配相關技術之切換開關電路或是多套相關技術之射頻收發器來達成多天線的連接。在毫米波頻段，多波束的天線配置會涉及到比較高的建置成本，在以往支援至65GHz的1.85mm射頻連接器與支援至110GHz的1.0mm射頻連接器以及其相對應的同軸纜線都非常的昂貴，天線與收發器分離的架構需要搭配多組高頻接頭與高頻同軸纜線，會使成本變得非常昂貴而無法普遍應用，所以目前許多應用都是天線與射頻前端或是收發器製作在同一片電路板上，由於高頻損耗以及組裝精度的限制，大多局限於主動電路與天線饋線平面的布局，因此每個扇區搭配一組平面電路與天線模組就可以達到多波束的結果，但是因為很多零件需要重複配置，也會增加成本，而且天線的數量與主要的積體電路的數量配對也缺乏彈性。例如，很多雷達整合積體電路有支援多套收發天線，但卻受限於平面布局無法支援多個扇區天線。

而使用單一或較少的平面電路搭配外部的一些機構也可達到多角度多波束的結果，例如美國專利US6933900是採用平面凸多邊形的排列搭配上下殼體形成的號角天線達到高增益多角度的成果，或者例如美國專利US7994996採用平面布局搭配外部球型或各式平面透鏡來達到多波束高增益的效果，但上述兩件美國專利對於天線的排列與輻射場型都有很多的限制，應用在毫米波段更需要考量材料的頻率適用性與組裝精度，因此成本會很高。此 外，在許多雷達的應用當中，發射天線與接收天線是各自獨立並存的，並且同一扇區的發射天線與接收天線應該指向相同的方位，這也會增加排列的困難。

綜上所述，相關技術往不同方向發射電磁波訊號或是接收不同方向傳來的電磁波訊號的效果都不好，或是結構都甚為複雜。

為解決上述問題，本發明之目的在於提供一種多波束天線模組。

為達成本發明之上述目的，本發明之多波束天線模組包含：一射頻電路板；複數之反射板，該些反射板係相對於該射頻電路板設置；一射頻積體電路，該射頻積體電路係設置於該射頻電路板上；複數之區域覆蓋饋入天線群，該些區域覆蓋饋入天線群係設置於該射頻電路板上；及複數之射頻傳輸線，該射頻積體電路係透過該些射頻傳輸線電性連接至該些區域覆蓋饋入天線群，其中，該射頻電路板係為一多層電路板；該射頻積體電路包含一發射器或一接收器；該些區域覆蓋饋入天線群的每一個包含一饋入天線；該些反射板具有不同的排列方向，且該些反射板的每一個係相對於該些區域覆蓋饋入天線群的每一個之該饋入天線設置，藉以改變該些區域覆蓋饋入天線群的每一個之該饋入天線之一輻射場型以偏轉該些區域覆蓋饋入天線群的每一個之該饋入天線之一主要輻射方向。

再者，在如上所述之本發明之多波束天線模組之一具體實施例當中，該多波束天線模組更包含：複數之角度調整機構，該些角度調整機構係設置於該射頻電路板上，該些角度調整機構係連接至該些反射板，其中，該些角度調整機構的每一個被配置為調整該些反射板的每一個以改變該些區域覆蓋饋入天線群的每一個之該饋入天線之該主要輻射方向。

再者，在如上所述之本發明之多波束天線模組之一具體實施例當中，該些反射板的每一個係為一平面反射板。

再者，在如上所述之本發明之多波束天線模組之一具體實施例當中，該些反射板的每一個係為一拋物線曲面反射板。

再者，在如上所述之本發明之多波束天線模組之一具體實施例當中，該饋入天線係為一發射天線、一接收天線或一發射接收天線。

再者，在如上所述之本發明之多波束天線模組之一具體實施例當中，該些反射板的每一個係為一自由曲面反射板。

本發明之功效在於以簡易的結構有效地往不同方向發射電磁波訊號或是有效地接收不同方向傳來的電磁波訊號。

為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得到深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

10:多波束天線模組

102:射頻電路板

104:反射板

106:射頻積體電路

108:區域覆蓋饋入天線群

110:射頻傳輸線

112:角度調整機構

114:第一夾角

116:第二夾角

202:陣元

1061:發射器

1062:接收器

1081:饋入天線

1082:輻射場型

1083:主要輻射方向

1084:發射天線

1085:接收天線

x:X軸

y:Y軸

z:Z軸

圖1為相關技術之毫米波頻段串饋貼片陣列天線之外觀示意圖。

圖2為圖1的X軸-Z軸的天線場型圖。

圖3為圖1的Y軸-Z軸的天線場型圖。

圖4為相關技術之三扇區天線之排列示意圖。

圖5為圖4的水平的天線場型示意圖。

圖6為本發明之多波束天線模組之第一具體實施例之外觀示意圖。

圖7為本發明之多波束天線模組之一具體實施例之電路方塊圖。

圖8為本發明之多波束天線模組之另一具體實施例之電路方塊圖。

圖9為本發明之多波束天線模組之第一具體實施例之局部側視圖。

圖10為本發明之多波束天線模組之第一具體實施例之輻射場型示意圖。

圖11為本發明之多波束天線模組之第二具體實施例之局部側視圖。

圖12為本發明之多波束天線模組之第三具體實施例之局部側視圖。

圖13為本發明之多波束天線模組之第二具體實施例之天線場型圖。

圖14為本發明之多波束天線模組之第三具體實施例之天線場型圖。

圖15為本發明之多波束天線模組之第四具體實施例之外觀示意圖。

圖16為本發明之多波束天線模組之第五具體實施例之外觀示意圖。

在本揭露當中，提供了許多特定的細節，以提供對本發明之具體實施例之徹底瞭解；然而，本領域技術人員應當知曉，在沒有一個或更多個該 些特定的細節的情況下，依然能實踐本發明；在其他情況下，則未顯示或描述眾所周知的細節以避免模糊了本發明之主要技術特徵。茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下：請參考圖6，其係為本發明之多波束天線模組10之第一具體實施例之外觀示意圖；如圖6所示，本發明之一種多波束天線模組10包含一射頻電路板102、複數之反射板104、一射頻積體電路106及複數之區域覆蓋饋入天線群108，該些區域覆蓋饋入天線群108的每一個包含一饋入天線1081；該些反射板104係相對於該射頻電路板102設置，該射頻積體電路106係設置於該射頻電路板102上，該些區域覆蓋饋入天線群108係設置於該射頻電路板102上；該射頻電路板102可為例如但本發明不限制為一多層電路板，該射頻積體電路106亦可稱為一射頻整合積體電路，該些反射板104的每一個可為例如但本發明不限制為一平面反射板。

再者，該射頻電路板102係平行於地面擺置。該射頻積體電路106係為用以整合多套接收發射的射頻整合積體電路(可為例如但本發明不限制為TI的AWR2944)，並連接到該些區域覆蓋饋入天線群108。該些區域覆蓋饋入天線群108的每一個係設置在該射頻電路板102的邊緣，該些區域覆蓋饋入天線群108具有不同的排列指向。圖6的該些區域覆蓋饋入天線群108的每一個僅包含一個該饋入天線1081，適合於接收發射共用天線的系統。該些區域覆蓋饋入天線群108的每一個之該饋入天線1081的上方有適當大小的該平面反射板。該些平面反射板的大小、位置與角度係依設計需求而定，且係固定在支架(未示於圖6)上或是機殼(未示於圖6)上，或是設置在該射頻電路板102上，藉以偏轉該饋入天線1081的波束方向；亦即，原本為垂直該射頻電路板102(亦即，垂直地面)的波束會被該平面反射板偏轉而變化並產生很大比例的水平分量，成為與相關技術之扇區天線相同的水平面全周覆蓋，如後述之圖10所示。

再者，該平面反射板可以用切割金屬片構成，或是用塑膠材質在表面電鍍金屬構成，製作與組裝都很簡單。該平面反射板沒有焦距的問題，反射的波束寬度也與原來的波束相近，傾角的調整也相當直覺，天線的匹配也無需重新調整，所以該平面反射板在設計以及應用都很簡單。該些區域覆蓋饋入天線群108的一第一數量等於該些反射板104的一第二數量；亦即，該些區域覆蓋饋入天線群108與該些反射板104為一對一配置。該些反射板104之間具有空隙。

請參考圖7，其係為本發明之多波束天線模組10之一具體實施例之電路方塊圖；圖7所示之元件與圖6所示之元件相同者，為簡潔因素，故於此不再重複其敘述；如圖7所示，本發明之該多波束天線模組10更包含複數之射頻傳輸線110，該射頻積體電路106包含一發射器1061；該射頻積體電路106係透過該些射頻傳輸線110電性連接至該些區域覆蓋饋入天線群108。

請參考圖8，其係為本發明之多波束天線模組10之另一具體實施例之電路方塊圖；圖8所示之元件與圖7所示之元件相同者，為簡潔因素，故於此不再重複其敘述；如圖8所示，該射頻積體電路106包含一接收器1062。也就是說，本發明之該射頻積體電路106可包含如圖7所示之該發射器1061或如圖8所示之該接收器1062，但本發明不以此為限制，亦即本發明之該射頻積體電路106亦可同時包含該發射器1061及該接收器1062。

請參考圖9，其係為本發明之多波束天線模組10之第一具體實施例之局部側視圖；圖9所示之元件與圖6所示之元件相同者，為簡潔因素，故於此不再重複其敘述；請參考圖10，其係為本發明之多波束天線模組10之第一具體實施例之輻射場型示意圖；圖10所示之元件與圖6所示之元件相同者，為簡潔因素，故於此不再重複其敘述。請同時參考圖6、圖9及圖10；該些反射板104具有不同的排列方向，且該些反射板104的每一個係相對於該些區域覆蓋饋入天線 群108的每一個之該饋入天線1081設置，藉以改變該些區域覆蓋饋入天線群108的每一個之該饋入天線1081之一輻射場型1082以偏轉該些區域覆蓋饋入天線群108的每一個之該饋入天線1081之一主要輻射方向1083。

再者，請復參考圖6、圖9及圖10，本發明係改變該些區域覆蓋饋入天線群108的每一個之該饋入天線1081之該輻射場型1082以偏轉該些區域覆蓋饋入天線群108的每一個之該饋入天線1081之該主要輻射方向1083，使得複數之該輻射場型1082朝該些反射板104之外形成覆蓋全周之輻射場型。

請參考圖11，其係為本發明之多波束天線模組10之第二具體實施例之局部側視圖。本發明之多波束天線模組10之第二具體實施例與本發明之多波束天線模組10之第一具體實施例大致相同，不同處在於本發明之多波束天線模組10之第二具體實施例更包含複數之角度調整機構112，該些角度調整機構112係設置於該射頻電路板102上，該些角度調整機構112係連接至該些反射板104，該些角度調整機構112的每一個被配置為調整該些反射板104的每一個以改變該些區域覆蓋饋入天線群108的每一個之該饋入天線1081之該主要輻射方向1083。

再者，請參考圖12，其係為本發明之多波束天線模組10之第三具體實施例之局部側視圖；本發明之多波束天線模組10之第三具體實施例與本發明之多波束天線模組10之第二具體實施例大致相同。該角度調整機構112被配置為調整該反射板104以改變該反射板104與該射頻電路板102之間之一第一夾角114以改變該主要輻射方向1083與該射頻電路板102之間之一第二夾角116。如果該第一夾角114越小，則該主要輻射方向1083越朝下；如果該第一夾角114越大，則該主要輻射方向1083越朝上。調整該反射板104與該射頻電路板102之間之該第一夾角114可以調整波束在垂直面上的傾角(亦即，該第二夾角116)。如圖11所示，當該反射板104與該射頻電路板102之間之該第一夾角114為45度 時，波束的方向貼近水平面且有小角度下傾(例如，該第二夾角116為5度)。圖11適合當該多波束天線模組10架設在比較低的位置時的波束配置。請參考圖13，其係為本發明之多波束天線模組10之第二具體實施例之天線場型圖。如圖12所示，當該反射板104與該射頻電路板102之間之該第一夾角114為60度時，波束的方向上傾大約為20度(亦即，該第二夾角116大約為20度)。如果將如圖12所示之該多波束天線模組10上下倒置懸掛在高處，則此時的波束的方向變成下傾約20度，能提供適當的範圍覆蓋。請參考圖14，其係為本發明之多波束天線模組10之第三具體實施例之天線場型圖。

請參考圖15，其係為本發明之多波束天線模組之第四具體實施例之外觀示意圖；圖15所示之元件與圖6所示之元件相同者，為簡潔因素，故於此不再重複其敘述。如圖15所示，該饋入天線1081係為一發射天線1084或一接收天線1085；或者是，該饋入天線1081可為一發射接收天線(未示於圖15)，亦即視設計需求而定，該發射天線1084亦可具有接收的功能，或是該接收天線1085亦可具有發射的功能，以作為該發射接收天線。

再者，如圖15所示，圖15共有四個扇區，每個扇區有多個天線，例如1T2R(一個發射天線1084及兩個接收天線1085)。許多低成本的毫米波雷達係採用接收發射對應不同路徑的不同天線來免除對於循環器(circulator)的需求，而多組接收天線可以對應通訊系統天線分集(diversity)的配置，或是對應雷達系統用來進行角度偵測的需求。與圖6的具體實施例相同，圖15的具體實施例係使用該平面反射板來改變波束方向；由於每個扇區的天線數量變多，該平面反射板的寬度也要適度地調整以因應天線的照射範圍。此外，由於總天線數量變多，可能超過單一顆該射頻積體電路106的接收發射數量規格，因此需要多顆射頻積體電路106(如圖15所示)偕同運作，或是再外加切換電路(未示於 圖15)讓各扇區的天線分時運作。在相同的扇區內的該些天線具有相同的或非常相近的前述之主要輻射方向1083。

請參考圖16，其係為本發明之多波束天線模組之第五具體實施例之外觀示意圖；圖16所示之元件與圖15所示之元件相同者，為簡潔因素，故於此不再重複其敘述。該些反射板104的每一個係為一拋物線曲面反射板或一自由曲面反射板。

再者，如圖16所示，該些天線與該些反射板104排列成四個扇區，每個扇區具有四個獨立的天線，每個天線都只有一個單元，該些天線排列緊密，採用1T3R的配置(一個發射天線1084及三個接收天線1085)。圖16的該些天線的排列與圖15的該些天線的排列不同，且圖16的該反射板104的與圖15的該反射板104不同。以圖16最右側的扇區來說，該反射板104的表面是以X-Z的平面的拋物線往Y軸方向平移擴展而形成的，而該些天線係設置於鄰近焦點的位置；這樣的配置會使得波束在X-Z的平面會有聚焦集中的效果，而Y-Z的平面則維持較寬的波束以獲得較大的角度覆蓋。此實施例也可以轉動該反射板104來調整波束在垂直面的傾角，不過轉動時以焦點線為軸心轉動可以有較一致的聚焦效果。除了圖15及圖16所示的全平面的該反射板104以及拋物線曲面的該反射板104，該反射板104的形狀更可以是更複雜的曲面以達到特定的天線輻射能量分布，例如更寬的水平波束寬，或是使FOV(Field of View)角度範圍的輻射能量更平均，而許多反射鏡的設計技巧可以應用在此發明中。

綜上所述，本發明的技術特徵在於使用平面天線排列，搭配多個反射板，以達到多波束的發射與接收，並經過適當的排列調整達到最佳的範圍覆蓋。本發明的主要的特點在於：

1.單片印刷電路板與平面天線排列，無需額外的射頻連接器與高頻同軸線，因此本發明具有較低成本的優勢。

2.反射板可依據需求配置為不同的形式與大小，以達到最適合的涵蓋範圍。

3.反射板可現場調整角度，藉以控制波束傾角以因應不同的裝置與環境。

4.本發明可最佳化天線數量與射頻積體電路支援的發射器/接收器套數搭配。

5.適合雷達發射/接收天線分離併排的結構。

本發明之功效在於以簡易的結構有效地往不同方向發射電磁波訊號或是有效地接收不同方向傳來的電磁波訊號。

然以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能限定本發明實施之範圍，即凡依本發明請求項所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍意圖保護之範疇。本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的請求項的保護範圍。綜上所述，當知本發明已具有產業利用性、新穎性與進步性，又本發明之構造亦未曾見於同類產品及公開使用，完全符合發明專利申請要件，爰依專利法提出申請。

10:多波束天線模組

102:射頻電路板

104:反射板

106:射頻積體電路

108:區域覆蓋饋入天線群

1081:饋入天線

Claims (5)

1. 一種多波束天線模組，包含：一射頻電路板；複數之反射板，該些反射板係相對於該射頻電路板設置；一射頻積體電路，該射頻積體電路係設置於該射頻電路板上；複數之區域覆蓋饋入天線群，該些區域覆蓋饋入天線群係設置於該射頻電路板上；複數之射頻傳輸線，該射頻積體電路係透過該些射頻傳輸線電性連接至該些區域覆蓋饋入天線群；及複數之角度調整機構，該些角度調整機構係設置於該射頻電路板上，該些角度調整機構係連接至該些反射板，其中，該射頻電路板係為一多層電路板；該射頻積體電路包含一發射器或一接收器；該些區域覆蓋饋入天線群的每一個包含一饋入天線；該些反射板具有不同的排列方向，且該些反射板的每一個係相對於該些區域覆蓋饋入天線群的每一個之該饋入天線設置，藉以改變該些區域覆蓋饋入天線群的每一個之該饋入天線之一輻射場型以偏轉該些區域覆蓋饋入天線群的每一個之該饋入天線之一主要輻射方向；該些角度調整機構的每一個被配置為調整該些反射板的每一個以改變該些區域覆蓋饋入天線群的每一個之該饋入天線之該主要輻射方向。
2. 如請求項1所述之多波束天線模組，其中該些反射板的每一個係為一平面反射板。
3. 如請求項1所述之多波束天線模組，其中該些反射板的每一個係為一拋物線曲面反射板。
4. 如請求項1所述之多波束天線模組，其中該饋入天線係為一發射天線、一接收天線或一發射接收天線。
5. 如請求項1所述之多波束天線模組，其中該些反射板的每一個係為一自由曲面反射板。