TWI831286B - 衛星通訊天線模組 - Google Patents
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Abstract
一種衛星通訊天線模組包含一第一輻射振子、一第二輻射振子、一第一90度耦合器及一第二90度耦合器。該第一輻射振子包括彼此交叉排列的一第一子天線及一第二子天線，該第一子天線的主極化方向與該第二子天線的主極化方向互相垂直。該第二輻射振子包括彼此交叉排列的一第三子天線及一第四子天線，該第三子天線的主極化方向垂直該第一及第四子天線的主極化方向。該第一90度耦合器與該第一子天線及該第三子天線組成一個共振在一第一頻率的圓極化接收天線。該第二90度耦合器與該第二子天線及該第四子天線組成另一個共振在一第二頻率的圓極化發射天線。
Description
本發明是關於一種模組，特別是用於衛星通訊的天線模組。
習知圓極化天線如圖1所示包含一個90度耦合器01(3dB 90° hybrid coupler)及一個正方形輻射片02，該90度的混合耦合器提供兩個極化方向互相垂直但相位相差90度的訊號至該正方形輻射片02，該正方形輻射片02接收到這兩個訊號就產生共振並輻射出圓極化電磁波。
缺點一：窄頻，不能支援發射頻率除以接收頻率比值大於1.1的應用。圖2是這種習知天線的返回損失阻抗頻寬圖，說明其窄頻特性只適用於傳統的GPS 1.575GHz定位，並不適用於毫米波頻段的大寬頻衛星通訊。以目前Space X衛星通訊地面站為例，發射是LHCP 14-14.5GHz，接收是RHCP 10.7-12.7GHz，如果要將圖1的設計應用在此規格的衛星通訊，則該圓極化天線的頻寬必須從10.7-14.5GHz，顯然無法直接採用這種習知的天線。
缺點二：額外的功率損耗。為了達到LHCP和RHCP發射接收皆可應用的目的，這種設計必須額外加上SPDT切換電路03，進而產生如圖3所示的額外功率損耗。
缺點三：SPDT切換電路03額外增加成本。現今的LEO衛星地面站天線至少需要1024個以上的輻射片排成陣列，也就是說這種設計需要額外的1024個SPDT切換電路03，以及2048條偏壓控制線031，現今衛星通訊是採用毫
米波頻段，因此額外增加的元件相對過去就更昂貴，此外，近三千條偏壓控制線031如果整合進積體電路就會增加額外的晶圓面積及成本，若佈線在一般PCB也同樣複雜。
缺點四：LHCP(發射)和RHCP(接收)都共用一個該正方形輻射片02，所以同一時間只能在發射和接收中二選一。
習知文獻出處：Wen-Bo Wei, Qi-Zhong Liu, Ying-Zeng Yin, and Hai-Jin Zhou, "Reconfigurable Microstrip Patch Antenna with Switchable Polarization," Progress In Electromagnetics Research, Vol. 75, 63-68, 2007.
為了解決先前技術的問題，本發明提出了一種衛星通訊天線模組，包含一第一輻射振子、一第二輻射振子、一第一90度耦合器、一第二90度耦合器及一波束成形積體電路。
該第一輻射振子與該第二輻射振子兩者結構相同、互相獨立間隔設置，且該第一輻射振子是一體成型製造，該第二輻射振子也是一體成型製造。
該第一子天線、該第二子天線、第三子天線及該第四子天線是磁電偶極天線，該第二頻率除以該第一頻率的一比值大於1.2。該第一輻射振子與該第二輻射振子且互相間隔設置，該第一輻射振子一體成型，該第二輻射振子也是一體成型。
該第一輻射振子包括彼此交叉排列的一第一子天線及一第二子天線，該第一子天線的主極化方向與該第二子天線的主極化方向互相垂直。
該第二輻射振子包括彼此交叉排列的一第三子天線及一第四子天線，該第三子天線的主極化方向垂直該第一及第四子天線的主極化方向。
該第一90度耦合器、該第一子天線及該第三子天線組成一個共振在一第一頻率且為右旋的圓極化接收天線。該第一90度耦合器將來自該第一子天線的一衛星電磁波及來自該第三子天線的一衛星電磁波以90度的相位差合成為一圓極化接收訊號，該波束成形積體電路電連接該第一90度耦合器並接收該圓極化接收訊號。
該第二90度耦合器、該第二子天線及該第四子天線組成另一個共振在一第二頻率且為左旋的圓極化發射天線。該波束成形積體電路電連接該第二90度耦合器，並提供一地面站發射訊號到該第二90度耦合器，該第二90度耦合器、該第二子天線及該第四子天線共同將該地面站發射訊號轉換並輻射出一圓極化發射電磁波。
為了解決先前技術的問題，本發明提出了一種衛星通訊天線模組，包含一第一輻射振子、一第二輻射振子及一波束成形積體電路。
該第一輻射振子包括彼此交叉排列的一第一子天線及一第二子天線，該第一子天線的主極化方向與該第二子天線的主極化方向互相垂直。該波束成形積體電路電連接該第一子天線及該第三子天線，且該波束成形積體電路控制該第一子天線及該第三子天線的相位恆相差90度。
該第二輻射振子包括彼此交叉排列的一第三子天線及一第四子天線，該第三子天線的主極化方向垂直該第一及第四子天線的主極化方向。該波束成形積體電路還電連接該第二子天線及該第四子天線，且該波束成形積體電路控制該第二子天線及該第四子天線的相位恆相差90度。
較佳的，該第一輻射振子與該第二輻射振子兩者是互相獨立的結構，且彼此間隔設置，且該第一子天線、該第二子天線、第三子天線及該第四子天線是磁電偶極天線，該第二頻率除以該第一頻率的一比值大於1.2。
本發明的效果在於：
(1)、一個圓極化向量可以由個兩個大小相等相等、極化方向互相垂直，且相位相差90度的線性極化向量所組成，因此本案將接收與發射功能分開，接收由主極化互相垂直的第一子天線、第三子天線結合該第一90度耦合器(或直接由波束成形積體電路提供90度相差的功能)，發射也由主極化互相垂直的第二子天線、第四子天線結合該第二90度耦合器(或直接由波束成形積體電路提供90度相差的功能)，如此發射與接收就無需共用同一個天線及90度耦合器，因此能避免先前技術窄頻的限制，也不需要額外的SPDT切換電路。
(2)、鄰近且一體成形的第一、二子天線不同頻，同理，第三、四子天線也不同頻，而同頻的第一、三子天線互相獨立間隔，同頻的第二、四子天線也互相獨立間隔，如此就能提升天線之間的隔離度，較佳的天線間隔離度在大規模陣列採用時可以達到較佳的增益峰值與波束掃描角度範圍。
(3)、可支援發射、接收同時進行的雙向通訊系統應用，無需如習知天線設計同一時間中只能單向傳輸。
01:90度耦合器
02:正方形輻射片
03:SPDT切換電路
031:偏壓控制線
1:第一輻射振子
11:第一子天線
12:第二子天線
2:第二輻射振子
23:第三子天線
24:第四子天線
3:第一90度耦合器
4:第二90度耦合器
5:衛星數據機
6:天線控制單元
7:電路模組
BFIC:波束成形積體電路
RX:圓極化接收訊號
TX:地面站發射訊號
〔圖1〕是習知圓極化天線的示意圖。
〔圖2〕是該習知天線的返回損失圖。
〔圖3〕是該習知圓極化天線採用的切換開關的功率損耗圖。
〔圖4〕是本發明第一較佳實施例的示意圖。
〔圖5〕是第一較佳實施例的第一輻射振子的示意圖。
〔圖6〕是第一較佳實施例整合電路模組的示意圖。
〔圖7〕是本發明第二較佳實施例的示意圖。
〔圖8〕是本發明第三較佳實施例的示意圖。
參閱圖4及圖5，本發明衛星通訊天線模組的第一較佳實施例包含一第一輻射振子1、一第二輻射振子2、一第一90度耦合器3、一第二90度耦合器4及一波束成形積體電路BFIC。
該第一輻射振子1與該第二輻射振子2兩者結構相同、互相獨立間隔設置，且該第一輻射振子1是一體成型製造，該第二輻射振子2也是一體成型製造。
該第一輻射振子1包括彼此交叉排列的一第一子天線11及一第二子天線12，該第一子天線11的主極化方向與該第二子天線12的主極化方向互相垂直。
該第二輻射振子2包括彼此交叉排列的一第三子天線23及一第四子天線24，該第三子天線23的主極化方向垂直該第一子天線11及第四子天線24的主極化方向。
該第一子天線11、該第二子天線12、第三子天線23及該第四子天線24是磁電偶極天線，該第二頻率除以該第一頻率的一比值大於1.2，舉例說明，第一頻率是11.7GHz，第二頻率是14.25GHz，比值約是1.22；若該第一頻率是18GHz，第二頻率是28GHz，則比值約是1.56，均大於1.2。
該第一90度耦合器3、該第一子天線11及該第三子天線23組成一個共振在一第一頻率且為右旋的圓極化接收天線。在衛星訊號接收的應用上，該第一90度耦合器3將來自該第一子天線11的一衛星電磁波及來自該第三子天
線23的一衛星電磁波以90度的相位差合成為一圓極化接收訊號，該波束成形積體電路BFIC電連接該第一90度耦合器3並接收該圓極化接收訊號RX。
該第二90度耦合器4、該第二子天線12及該第四子天線24組成另一個共振在一第二頻率且為左旋的圓極化發射天線。在衛星地面站發射訊號的應用上，該波束成形積體電路BFIC電連接該第二90度耦合器4，並提供一地面站發射訊號TX到該第二90度耦合器4，該第二90度耦合器4、該第二子天線12及該第四子天線24共同將該地面站發射訊號轉換並輻射出一圓極化發射電磁波。
同時參閱圖4、6，該第一較佳實施例可整合一電路模組7，該電路模組7包括一波束成形積體電路BFIC、一衛星數據機5及一天線控制單元6。當進行衛星訊號接收任務時，該波束成形積體電路BFIC是將所有接收到的該等圓極化接收訊號RX(mn)經過波束成形相位控制再合成為一個最佳接收強度的總接收訊號至該衛星數據機5，該衛星數據機5根據該總接收訊號進行解調變運算以得到來自衛星的訊息，此外，當進行地面站發射任務時，該波束成形積體電路BFIC是將該衛星數據機5提供的一總發射訊號傳送至該波束成形積體電路BFIC，該波束成形積體電路BFIC再根據該總發射訊號傳送複數N個地面站發射訊號TX(mn)分別到該N個第二90度耦合器4，並且，透過賦予該複數N個地面站發射訊號不同的相位就能達到控制主波束轉向，也就是波束成形的功效，此外，該天線控制單元6還可以根據該衛星數據機5的訊號品質的情況去改變該波束成形積體電路BFIC的相位控制設定。上述的參數m和n都是從1開始的連續正整數，在本較佳實施例中，m=1~4，n=1~8。此外，本說明書中每一較佳實施例之該第一輻射振子1與該第二輻射振子2兩者組成的一幾何中心到相鄰的另一組該
第一輻射振子1與該第二輻射振子2兩者組成的另一幾何中心的距離S大於該第一頻率對應的0.4λ0且小於該第二頻率對應的1.4λ0，該第一頻率低於該第二頻率。
圖7是本發明的第二較佳實施例的示意圖，該第二較佳實施例與該第一較佳實施例近似，差異在於將該第一90度耦合器3與該第二90度耦合器4(圖4)的功能整合進一波束成形積體電路BFIC，該波束成形積體電路BFIC整合發射與接收功能，電連接並控制該第一子天線11及該第三子天線23的相位恆相差90度，及電連接且控制該第二子天線12及該第四子天線24的相位恆相差90度。
圖8是本發明的第三較佳實施例的示意圖，該第三較佳實施例與該第一較佳實施例近似，差異在於具有兩個波束成形積體電路BFIC，其中一個波束成形積體電路BFIC負責接收並電連接且控制該第一子天線11及該第三子天線23的相位恆相差90度，另一個波束成形積體電路BFIC負責發射並電連接且控制該第二子天線12及該第四子天線24的相位恆相差90度。
本發明的效果在於：
(1)、一個圓極化向量可以由個兩個大小相等相等、極化方向互相垂直，且相位相差90度的線性極化向量所組成，因此本案將接收與發射功能分開，接收由主極化互相垂直的第一子天線11、第三子天線23結合該第一90度耦合器3(或直接由波束成形積體電路BFIC提供90度相差的功能)，發射也由主極化互相垂直的第二子天線12、第四子天線24結合該第二90度耦合器4(或直接由波束成形積體電路BFIC提供90度相差的功能)，如此發射與接收分別獨立，因此能避免先前技術窄頻的限制，也不需要額外的SPDT切換電路。
(2)、一體成形之第一輻射振子1中的該第一子天線11與該第二子天線12不同頻，同理，該第二輻射振子2中的第三子天線23與該第四子天線24也不同頻，而同頻的該第一子天線11與該第三子天線23結構互相獨立並保持一間隔，同頻的該第二子天線12與該第四子天線24也互相獨立並保持該間隔，如此就能提升天線之間的隔離度，而較佳的天線間隔離度在大規模陣列採用時可以達到較佳的增益峰值與波束掃描角度範圍。
(3)、可支援發射、接收同時進行的雙向通訊系統應用，無需如習知設計同一時間中只能單向傳輸。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單地等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1 第一輻射振子
11 第一子天線
12 第二子天線
2 第二輻射振子
23 第三子天線
24 第四子天線
3 第一90度耦合器
4 第二90度耦合器
5 衛星數據機
6 天線控制單元
7 電路模組
BFIC 波束成形積體電路
RX 圓極化接收訊號
TX 地面站發射訊號
Claims (9)
- 一種衛星通訊天線模組，包含：一第一輻射振子，包括彼此交叉排列的一第一子天線及一第二子天線，該第一子天線的主極化方向與該第二子天線的主極化方向互相垂直；一第二輻射振子，包括彼此交叉排列的一第三子天線及一第四子天線，該第三子天線的主極化方向垂直該第一子天線及該第四子天線的主極化方向；一第一90度耦合器，與該第一子天線及該第三子天線組成一個共振在一第一頻率的圓極化接收天線；及一第二90度耦合器，與該第二子天線及該第四子天線組成另一個共振在一第二頻率的圓極化發射天線；其中，該第一子天線、該第二子天線、該第三子天線及該第四子天線是磁電偶極天線，該第一頻率與該第二頻率不相等。
- 如請求項1之衛星通訊天線模組，其中該第一輻射振子與該第二輻射振子兩者是互相獨立的結構，且彼此間隔設置。
- 如請求項1之衛星通訊天線模組，其中該第二頻率除以該第一頻率的一比值大於1.2。
- 如請求項1之衛星通訊天線模組，其中該第一輻射振子與該第二輻射振子兩者結構相同且互相間隔設置，該第一輻射振子一體成型，該第二輻射振子也是一體成型。
- 如請求項1之衛星通訊天線模組，其中該第一頻率的圓極化發射天線是右旋圓極化，該第二頻率的圓極化發射天線是左旋圓極化。
- 如請求項1之衛星通訊天線模組，還包含一波束成形積體電路，該第一90度耦合器將來自該第一子天線的一衛星電磁波及來自該第三子天線的一衛星電磁波以90度的相位差合成為一圓極化接收訊號，該波束成形積體電路電連接該第一90度耦合器並接收該圓極化接收訊號。
- 如請求項1之衛星通訊天線模組，還包含一波束成形積體電路，該波束成形積體電路電連接該第二90度耦合器，並提供一地面站發射訊號到該第二90度耦合器，該第二90度耦合器、該第二子天線及該第四子天線共同將該地面站發射訊號轉換並輻射出一圓極化發射電磁波。
- 一種衛星通訊天線模組，包含：一第一輻射振子，包括彼此交叉排列的一第一子天線及一第二子天線，該第一子天線的主極化方向與該第二子天線的主極化方向互相垂直；一第二輻射振子，包括彼此交叉排列的一第三子天線及一第四子天線，該第三子天線的主極化方向垂直該第一及第四子天線的主極化方向；及 一波束成形積體電路，電連接該第一子天線及該第三子天線，且該波束成形積體電路控制該第一子天線及該第三子天線的相位恆相差90度，該波束成形積體電路還電連接該第二子天線及該第四子天線，且該波束成形積體電路恆控制該第二子天線及該第四子天線的相位恆相差90度；其中，該第一子天線、該第二子天線、該第三子天線及該第四子天線是磁電偶極天線，該第二頻率除以該第一頻率的一比值大於1.2。
- 如請求項8之衛星通訊天線模組，其中該第一輻射振子與該第二輻射振子兩者是互相獨立的結構，且彼此間隔設置。
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