TWI464958B - 天線結構及其所組成之多波束天線陣列 - Google Patents

Description

天線結構及其所組成之多波束天線陣列

本揭露係關於天線結構。

天線陣列(antenna array)係由複數個等向性(isotropic)的輻射體，例如天線所組成。天線陣列係藉由所流經的電流以造成振幅和相位的差異。相較於單一天線，天線陣列具有更高的操控性。因此，天線陣列擁有較廣的適用範圍。

舉例來說，多波束天線陣列(multi-beam antenna array)常用於近場微波成像的應用中。在近場微波成像的應用中，輻射源係以球面波的形式透過透鏡聚焦在焦平面的天線陣列上。成像平面越大，所需的焦平面曲率越大。據此，在焦平面上的接收天線陣列就需適應曲率而旋轉。然而，若應用旋轉之天線陣列，則不僅各陣列單元之輻射場型會彼此互相干擾，且連接後端射頻電路之傳輸線線路也會相當複雜，進而導致解析度下降和需消耗相當可觀的能量。

據此，業界所需要的是一種天線結構，其可排列形成一多波束的天線陣列，其不僅可重組天線之輻射波束方向，且亦可抗拒同波段雜訊干擾。該排列而成的多波束天線陣列不需移動或旋轉天線本體，即可滿足於透鏡天線之多波束需求，並抑制旁波束(side lobe level)，維持透鏡之空間解析能力。本揭露即提供該天線結構及多波束天線陣列。

本揭露揭示一種天線結構，包含一基板、一第一天線單元和一第二天線單元。該基板具有一第一表面和相對該第一表面之一第二表面。該第一天線單元係設置於該第一表面，並於其外側邊緣處具有至少一內寬外窄之第一扇形槽縫。該第二天線單元係設置於該第二表面，並透過一連接孔連接穿過該基板連接至該第一天線單元。該至少一第一扇形槽縫之半徑為該天線結構之中心頻率之四分之一波長之奇數整數倍。

本揭露揭示一種多波束天線陣列，包含一基板和複數個天線結構。該基板具有一第一表面和相對該第一表面之一第二表面。該等天線結構設置於該基板上，並呈陣列排列。每一天線結構皆包含一第一天線單元和一第二天線單元。每一第一天線單元係設置於該第一表面，並於其外側邊緣處具有至少一內寬外窄之第一扇形槽縫。每一第二天線單元係設置於該第二表面，並透過一連接孔連接穿過該基板連接至一第一天線單元。該至少一第一扇形槽縫之半徑為該多波束天線陣列之中心頻率之四分之一波長之奇數整數倍。

上文已經概略地敍述本揭露之技術特徵，俾使下文之詳細描述得以獲得較佳瞭解。構成本揭露之申請專利範圍標的之其它技術特徵將描述於下文。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應可瞭解，下文揭示之概念與特定實施例可作為基礎而相當輕易地予以修改或設計其它結構或製程而實現與本揭露相同之目的。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者亦應可瞭解，這類等效的建構並無法脫離後附之申請專利範圍所提出之本揭露的精神和範圍。

本揭露在此所探討的方向為一種天線結構及其所組成之多波束天線陣列。為了能徹底地瞭解本揭露，將在下列的描述中提出詳盡的組成。顯然地，本揭露的施行並未限定於本揭露技術領域之技藝者所熟習的特殊細節。另一方面，眾所周知的組成並未描述於細節中，以避免造成本揭露不必要之限制。本揭露的較佳實施例會詳細描述如下，然而除了這些詳細描述之外，本揭露還可以廣泛地施行在其他的實施例中，且本揭露的範圍不受限定，其以之後的專利範圍為準。

圖1顯示本揭露之一實施例之天線結構之示意圖。如圖1所示，該天線結構100包含一基板102、一第一天線單元104和一第二天線單元106。該基板102具有一第一表面170和相對該第一表面之一第二表面180。該第一天線單元104係呈刀片狀，且其刀鋒向外，並設置於該基板102之第一表面，且於其外側邊緣處具有至少一內寬外窄之第一扇形槽縫150。該第二天線單元亦呈刀片狀，且其刀鋒向外，並設置於該基板102之第二表面，且透過一連接孔190連接穿過該基板102連接至該第一天線單元104。該第一天線單元104和該第二天線單元106於該基板102上之設置係呈左右對稱，且該第一天線單元104和該第二天線單元106於該基板102上之設置係部分重疊。如圖1所示，該第一天線單元104和和該第二天線單元106之設置即形成一漸進式槽縫天線架構(tapered slot antenna)。值得注意的是，該至少一第一扇形槽縫150之半徑為該天線結構100之中心頻率之四分之一波長之奇數整數倍。

圖2顯示該第一天線單元104之局部放大圖。如圖2所示，該第一天線單元104共包含三個第一扇形槽縫150，其中每一第一扇形槽縫150之半徑為該天線結構100之中心頻率之四分之一波長，其扇形之圓心位於該第一天線單元104之邊緣外側。在本揭露之部分實施例中，該等第一扇形槽縫150之扇形夾角為10至30度之間。根據傳輸線阻抗轉換(impedance transformer)的原理，由於該等第一扇形槽縫150之半徑為該天線結構100之中心頻率之四分之一波長之奇數整數倍，其出入之等效電路可視為短路狀態。換言之，流經該第一天線單元104之電流係視該等第一扇形槽縫150為短路狀態。由於短路架構具有吸引電流之特性，流經該第一天線單元104之電流將會沿著該等第一扇形槽縫150之邊緣流通，如圖2之箭頭所示。複參圖1，由於該第二天線單元106為一完整之平面，並未包含槽縫。因此，流經該第二天線單元106之電流路徑將短於流經該第一天線單元104之電流路徑。據此，該第一天線單元104之電流波相位將落後於該第二天線單元106之電流波相位，而使得該天線結構100之輻射場型改變。

圖3顯示該天線結構100之輻射場型圖。如圖3所示，由於流經該第一天線單元104之電流波相位落後流經該第二天線單元106之電流波相位，該天線結構100之輻射場型係偏向該第一天線單元104之方向。

圖4顯示本揭露之另一實施例之天線結構之示意圖。如圖4所示，該天線結構400包含一基板402、一第一天線單元404和一第二天線單元406。該天線結構400相似於圖1之天線結構100。差異在於該第二天線單元406共包含三個第二扇形槽縫460，而該第一天線單元404不包含扇形槽縫。據此，流經該第一天線單元404之電流波相位領先流經該第二天線單元406之電流波相位。

圖5顯示該天線結構400之輻射場型圖。如圖5所示，由於流經該第一天線單元404之電流波相位領先流經該第二天線單元406之電流波相位，該天線結構400之輻射場型係偏向該第二天線單元406之方向。

綜合前述，天線設計人員可自由增刪該等第一扇形槽縫和該等第二扇形槽縫之數量，以達成所欲設計之輻射場型。該等第一扇形槽縫之數量可相等或不等於該等第二扇形槽縫之數量，且本揭露之該等第一扇形槽縫和第二扇形槽縫之數量不限於三個，而可包含各種數量之扇形槽縫。

複參圖2，根據傳輸線阻抗轉換的原理，由該等第一扇形槽縫150外側所得之等效電路為一開路電路。由於開路電路具有和短路電路相反之特性，同波段之電波較不易自該等第一扇形槽縫150之一側接收，故該第一天線單元104具有抗拒同波段雜訊干擾之能力。

在近場微波成像之應用中，透鏡天線是決定空間解析度的關鍵元件。若要求大範圍成像，則需要在透鏡的焦平面擺設天線陣列。經由思乃爾定律與惠更司理論得知，若天線遠離天線其輻射場之旁波束會越來越大，則干擾主波束的真實訊號越強。因此，需適當調整焦平面上的天線陣列場型，讓經由透鏡輻射出的場型能夠維持夠低的旁波束。經由結合本揭露之天線結構，並相應地調整各天線結構之輻射場型，即可達成可應用於近場微波成像之透鏡天線。

圖6顯示本揭露之一實施例之多波束天線陣列之示意圖。如圖6所示，該多波束天線陣列600包含一基板602和複數個天線結構604。其中，每一天線結構604皆具有類似圖1或圖4之天線結構。如圖4所示，該等位於該多波束天線陣列600左側之天線結構604之第一扇形槽縫之數量多於第二扇形槽縫之數量。反之，該等位於該多波束天線陣列600右側之天線結構604之第一扇形槽縫之數量少於第二扇形槽縫之數量。該等位於該多波束天線陣列600中間之天線結構604之第一扇形槽縫之數量等於第二扇形槽縫之數量。據此，該等位於該多波束天線陣列600左側之天線結構604具有偏向右側之輻射場型；該等位於該多波束天線陣列600右側之天線結構604具有偏向左側之輻射場型；而該等位於該多波束天線陣列600中間之天線結構604具有不偏向之輻射場型。該多波束天線陣列600之上方具有一透鏡690。該多波束天線陣列600之設計係使其輻射場型可對應至該透鏡690之焦平面。

複參圖3和圖5，由於該等具有偏向輻射場型之天線結構604為非均勻之輻射場型，使得經由透鏡690輻射出的場型能夠維持夠低的旁波束，故可維持透鏡690之空間解析能力。此外，由於各天線結構604之第一扇形槽縫和第二扇形槽縫由外向內側得到的等效電路為開路電路，故可降低各天線結構604間的耦合效應，進而提升隔絕度(isolation)。

綜上所述，本揭露之天線結構利用扇形槽縫結構達成使該天線結構之輻射場型偏向之目的。透過改變扇形槽縫之數量，即可改變輻射場型之偏移量。據此，結合複數個天線結構之多波束天線陣列即可應用於近場微波成像而無須旋轉天線陣列。

本揭露之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本揭露之教示及揭示而作種種不背離本揭露精神之替換及修飾。因此，本揭露之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本揭露之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

100．．．天線結構

102．．．基板

104．．．第一天線單元

106．．．第二天線單元

150．．．第一扇形槽縫

170．．．第一表面

180．．．第二表面

190．．．連接孔

400．．．天線結構

402．．．基板

404．．．第一天線單元

406．．．第二天線單元

460．．．第二扇形槽縫

600．．．多波束天線陣列

602．．．基板

604．．．天線結構

690．．．透鏡

圖1顯示本揭露之一實施例之一天線結構之示意圖；

圖2顯示本揭露之一實施例之一天線單元之局部放大圖；

圖3顯示本揭露之一實施例之一天線結構之輻射場型圖；

圖4顯示本揭露之另一實施例之一天線結構之示意圖；

圖5顯示本揭露之另一實施例之一天線結構之輻射場型圖；以及

圖6顯示本揭露之一實施例之多波束天線陣列之示意圖。

100．．．天線結構

102．．．基板

104．．．第一天線單元

106．．．第二天線單元

150．．．第一扇形槽縫

170．．．第一表面

180．．．第二表面

190．．．連接孔

Claims (16)

1. 一種天線結構，包含：一基板，具有一第一表面和相對該第一表面之一第二表面；一第一天線單元，設置於該第一表面，並於其外側邊緣處具有至少一內寬外窄之第一扇形槽縫；以及一第二天線單元，設置於該第二表面，並透過一連接孔穿過該基板而連接至該第一天線單元，其中該至少一第一扇形槽縫之半徑為該天線結構之中心頻率之四分之一波長之奇數整數倍；其中該第一天線單元和該第二天線單元於該基板上之設置係呈左右對稱，且該第一天線單元和該第二天線單元於該基板上之設置係部分重疊。
2. 根據請求項1之天線結構，其中該第二天線單元於其外側邊緣處具有至少一內寬外窄之第二扇形槽縫，且該至少一第二扇形槽縫之半徑為該天線結構之中心頻率之四分之一波長之奇數整數倍。
3. 根據請求項2之天線結構，其中該至少一第一扇形槽縫之數量不等於該至少一第二扇形槽縫之數量。
4. 根據請求項2之天線結構，其中該至少一第一扇形槽縫之數量相等於該至少一第二扇形槽縫之數量。
5. 根據請求項1之天線結構，其中該第一天線單元為一刀片狀，且其刀鋒向外。
6. 根據請求項1之天線結構，其中該第二天線單元為一刀片 狀，且其刀鋒向外。
7. 根據請求項1之天線結構，其中該第一天線單元和第二天線單元之設置係形成一漸進式槽縫天線。
8. 根據請求項1之天線結構，其中該至少一第一扇形槽縫之扇形夾角為10至30度之間。
9. 根據請求項2之天線結構，其中該至少一第二扇形槽縫之扇形夾角為10至30度之間。
10. 一種多波束天線陣列，包含：一基板，具有一第一表面和相對該第一表面之一第二表面；以及複數個天線結構，設置於該基板上，並呈陣列排列，其中每一天線結構包含：一第一天線單元，設置於該第一表面，並於其外側邊緣處具有至少一內寬外窄之第一扇形槽縫；以及一第二天線單元，設置於該第二表面，並透過一連接孔穿過該基板而連接至該第一天線單元，其中該至少一第一扇形槽縫之半徑為該多波束天線陣列之中心頻率之四分之一波長之奇數整數倍；其中該第一天線單元和該第二天線單元於該基板上之設置係呈左右對稱，且該第一天線單元和該第二天線單元於該基板上之設置係部分重疊。
11. 根據請求項10之多波束天線陣列，其中每一天線結構之該第二天線單元於其外側邊緣處具有至少一內寬外窄之第二扇形槽縫，且該至少一第二扇形槽縫之半徑為該多波束 天線陣列之中心頻率之四分之一波長之奇數整數倍。
12. 根據請求項10之多波束天線陣列，其中每一天線結構之該第一天線單元皆為一刀片狀，且其刀鋒向外。
13. 根據請求項10之多波束天線陣列，其中每一天線結構之該第二天線單元皆為一刀片狀，且其刀鋒向外。
14. 根據請求項10之多波束天線陣列，其中每一天線結構之該至少一第一扇形槽縫之扇形夾角為10至30度之間。
15. 根據請求項11之多波束天線陣列，其中每一天線結構之該至少一第二扇形槽縫之扇形夾角為10至30度之間。
16. 根據請求項10之多波束天線陣列，其中每一天線結構之該第一天線單元和該第二天線單元之設置係形成一漸進式槽縫天線。