CN109830812B

CN109830812B - 阵列天线

Info

Publication number: CN109830812B
Application number: CN201711294506.8A
Authority: CN
Inventors: 林庆鸿; 郭荣发
Original assignee: Alpha Networks Inc
Current assignee: Alpha Networks Inc
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2021-04-09
Anticipated expiration: 2037-12-08
Also published as: US20190157753A1; CN109830812A; US10498023B2; TWI692151B; TW201926800A

Abstract

一种阵列天线，包括天线信号馈入端、至少一条信号馈入线与多个天线单元。天线单元中有一起始馈入天线单元耦接至天线信号馈入端，以使输入信号自起始馈入天线单元上的起始馈入端馈入，之后再经过信号馈入线从起始馈入天线单元传递至其它的天线单元。其中，每一个天线单元上的预设馈入端在此天线单元上的位置，相当于起始馈入端在起始馈入天线单元上的位置；这些天线单元还包括至少一个异点馈入天线单元，此异点馈入天线单元与信号馈入线直接耦接在一个实际馈入端上，且异点馈入天线单元上的预设馈入端与实际馈入端位于不同的位置。

Description

阵列天线

技术领域

本发明涉及阵列天线的技术，特别涉及一种从不同位置馈入信号的阵列天线。

背景技术

在现有的技术中，天线信号的馈入方式主要分为串接式馈入与并接式馈入两种。串接式馈入的天线架构如图1A所示，每个天线单元100A的馈入端位置呈现纵向串接排列的结构。如图1A所示，利用馈入端P1～P4的输入信号之间的相位差以及信号强度权重比，分别与四个馈入端P1～P4电性耦接的四个纵向天线阵列A1～A4可以组成二维天线阵列AA1。相对的，并接式馈入的天线架构如图1B所示，输入信号通过馈入端P5输入至二维天线阵列AA2之中，且每个天线单元100B的馈入端位置呈现横向并接排列。如图1B所示，二维天线阵列AA2利用传输线的阻抗匹配来控制每个纵向天线阵列A5～A8的相位差以及信号强度权重比，并同样利用传输线阻抗匹配来控制每个纵向天线阵列A5～A8中的各天线单元100B的相位差以及信号强度权重比。

无论采用上述哪一种方式来设计天线阵列的架构，都必须有信号传输线从馈入端直接耦接到各纵向天线阵列上。这种设计条件极大的限制了在天线阵列上走线的设计弹性；而且由于这样的走线会在天线阵列上占据一定的空间并造成一定的干扰，因此也将对于天线的微型化造成不良的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种阵列天线，其可使阵列天线上的走线的设计更具弹性；而且，根据设计的不同，还可以降低走线在天线阵列上所需占据的空间，并减少天线与馈入线之间的干扰。

本发明提出一种阵列天线，其包括天线信号馈入端、至少一条信号馈入线与多个天线单元。天线单元中有一起始馈入天线单元耦接至天线信号馈入端，并且每一条信号馈入线电性耦接在两个天线单元之间，以使输入信号自起始馈入天线单元上的起始馈入端馈入，之后再经过信号馈入线从起始馈入天线单元传递至其它的天线单元。其中，每一个天线单元上的预设馈入端在此天线单元上的位置，相当于起始馈入端在起始馈入天线单元上的位置；这些天线单元还包括至少一个异点馈入天线单元，此异点馈入天线单元与一条信号馈入线直接耦接在一个实际馈入端上，且异点馈入天线单元上的预设馈入端与实际馈入端位于不同的位置。

在一个实施例中，前述的天线单元中有一部分排列成具有固定弧度的曲线形状。

在一个实施例中，前述的天线单元中有一部分排列成直线形状。

在一个实施例中，前述的天线单元除了异点馈入天线单元之外，还包括一个异点前天线单元，此异点前天线单元经过信号馈入线提供信号至异点馈入天线单元，且异点前天线单元与异点馈入天线单元相邻。

在一个实施例中，前述的异点前天线单元与异点馈入天线单元不相邻。

在一个实施例中，异点前天线单元与异点馈入天线单元之间直接耦接有一条第一信号馈入线，且此第一信号馈入线的一端与异点前天线单元直接耦接于一特定位置，另一端与异点馈入天线单元直接耦接于实际馈入端；其中，特定位置位于异点前天线单元的一侧边上，且由第一信号馈入线提供至实际馈入端的输入信号的状态，是由特定位置在侧边上的位置决定。

在一个实施例中，异点前天线单元与异点馈入天线单元之间直接耦接有一条第一信号馈入线，且此第一信号馈入线的一端与异点前天线单元直接耦接于一特定位置，另一端与异点馈入天线单元直接耦接于实际馈入端；其中，由第一信号馈入线提供至实际馈入端的输入信号的状态，是由第一信号馈入线的长度与宽度决定。

在一个实施例中，异点前天线单元与异点馈入天线单元之间直接耦接有一条第一信号馈入线，且此第一信号馈入线的一端与异点前天线单元直接耦接于一特定位置，另一端与异点馈入天线单元直接耦接于实际馈入端；其中，由第一信号馈入线提供至实际馈入端的输入信号的状态，是由实际馈入端的位置决定。

由于上述阵列天线中的天线单元的信号馈入端可以各自不同，所以在阵列天线中的走线的设计方式就可以更有弹性。再者，因为不需要每一个天线阵列都从信号馈入端直接接收信号，因此可以减少走线的总长度，进而减少走线在阵列天线中所占用的空间，并减少天线与信号馈入线之间的干扰。

附图说明

图1A为现有技术中所采用的串接式馈入的阵列天线的架构示意图。

图1B为现有技术中所采用的并接式馈入的阵列天线的架构示意图。

图2为根据本发明一实施例的阵列天线的架构示意图。

图3为图2中的天线单元220、230与235的详细结构的示意图。

图4A为根据本发明另一实施例的阵列天线的架构示意图。

图4B为根据本发明又一实施例的阵列天线的架构示意图。

附图标记说明：

20、20’、20”：天线

100A、100B、220、230、235、240、245、250：天线单元

200A、200A’、200A”、200B、200B’、200B”：阵列天线

210a、210b、210c、210d、210e、200f、400a、400b、400c：信号馈入线

220a、220b、220c、220d、230a、230b、230c、230d、235a、235b、235c、235d：侧边

220P、220R、230P、235P、240P、245P、245R、250P、250R：信号馈入端

A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8：纵向天线阵列

AA1、AA2：二维天线阵列

CA：特定位置

IN：天线信号馈入端

P1、P2、P3、P4、P5：馈入端

w：信号馈入线210a的宽度

X、Y：方向

具体实施方式

请参照图2，其为根据本发明一实施例的阵列天线的架构示意图。需先说明的是，虽然在本实施例中的天线20是一个二维的阵列，但本发明所提供的技术还可以进一步运用到超过二维的阵列上。

如图2所示，本实施例中的天线20包括相似的两个阵列天线200A与200B，且这两个阵列天线200A与200B分别从天线信号馈入端IN接收外界输入的输入信号。由于阵列天线200A与200B的架构及运行方式都相同，因此以下将仅以阵列天线200A为例来说明本发明提供的技术，而所描述的技术则同样可适用于阵列天线200B之中。

在本实施例中，阵列天线200A包括了前述用来接收输入信号的天线信号馈入端IN、多条信号馈入线210a、210b、210c、210d与210e，以及多个天线单元220、230、235、240、245与250。其中，天线单元235是直接从天线信号馈入端IN接收由外界输入的输入信号，也就是说，天线单元235第一个被馈入输入信号的天线单元，因此在这之后也称其为起始馈入天线单元；再者，各天线单元220、230、235、240、245与250之间会利用信号馈入线210a～210e来传递信号，以使输入信号可以在被馈入至天线单元235之后，再通过信号馈入线210a～210e而被传递至其它的天线单元220、230、240、245与250。

详细来说，从天线信号馈入端IN进入到天线20的输入信号，首先会从天线单元235(亦即，起始馈入天线单元)上的起始馈入端235P而馈入至天线单元235中。输入信号从起始馈入端235P开始在天线单元235中传递，并在传递至天线单元235与信号馈入线210b的耦接点的时候，经由信号馈入线210b而被传递至天线单元230。进一步的，经由信号馈入线210b的传递，输入信号会从信号馈入端230P馈入至天线单元230中。最后，经由信号馈入线210a的传递，输入信号会从信号馈入端220R馈入至天线单元220中。

在一般的天线阵列中，起始馈入天线单元上的信号馈入端(相当于上述的起始馈入端235P)的位置就决定了其它天线单元上的信号馈入端的位置。为了形成天线阵列，现有技术会将每一个天线单元上的信号馈入端的位置都设计成相当于起始馈入天线单元上的起始馈入端的位置。在多边形的天线单元中，此处所谓的“相当于”指的是：信号馈入端沿着信号馈入端所在的侧边分别延伸至相邻的两侧侧边的距离的相对比值，会等同于起始馈入端沿着起始馈入端所在的侧边分别延伸至相邻的两侧侧边的距离的相对比值；而在圆形的天线单元中，所谓的“相当于”则可以是：连接信号馈入端与天线单元圆心的直线的斜率会等同于连接起始馈入天线的圆心与起始馈入端的直线的斜率。举例来说，由于图2中的天线单元235上的信号馈入端235P约略位于天线单元235的下侧边的中点处，所以现有技术在天线阵列200A之中的其它天线单元220、230、240、245与250上，会分别预设一个用来耦接至信号馈入线的信号馈入端220P、230P、240P、245P与250P，而且这些信号馈入端220P、230P、240P、245P与250P在天线单元220、230、240、245与250上的位置，会分别约略位于天线单元220、230、240、245与250下侧边的中点处，也就是相当于信号馈入端235P在天线单元235上的位置。

类似的，在本实施例中，天线单元230与240也分别在信号馈入端230P与240P耦接至信号馈入线210b与210d；但与现有技术不同的，天线单元220、245与250并不分别与信号馈入线210a、210c与210e耦接于预设的信号馈入端220P、245P与250P，而是分别与信号馈入线210a、210c与210e耦接在信号馈入端220R、245R与250R上，而且这些信号馈入端220R、245R与250R在天线单元220、245与250上所处的位置，与信号馈入端220P、245P与250P在天线单元220、245与250上所处的位置并不相同。后续描述时，在有可能造成混淆或理解困难之处，如天线单元220、245与250等，实际上不与信号馈入线耦接在预设的信号馈入端220P、245P与250P上的天线单元，会被称为异点馈入天线单元；而异点馈入天线单元上实际与信号馈入线耦接的点，则被称为实际馈入端，以使其能明显与原本预设的信号馈入端(也称为预设馈入端)有所区隔。

在异点馈入天线单元上的实际馈入端的位置，可以根据实际需求来设计。请参照图3，其为图2中的天线单元220、230与235的详细结构的示意图。其中，天线单元220为具有四侧边220a、220b、220c与220d的四边形结构，且预设馈入端220P位于其中一侧边220c，而实际馈入端220R则位于另一侧边220d；天线单元230为具有四边230a、230b、230c与230d的四边形结构，且预设馈入端230P位于其中一侧边230c；天线单元235为具有四边235a、235b、235c与235d的四边形结构，且预设馈入端235P位于其中一侧边235c。预设馈入端235P(亦即前述的初始馈入端)向下耦接到图2所示的天线信号馈入端IN，并从天线信号馈入端IN接收输入信号；输入信号在天线单元235中传递，之后再从侧边235a经过信号馈入线210b传递至天线单元230。信号馈入线210b与天线单元230耦接在侧边230c的预设馈入端230P上，以使输入信号进入至天线单元230；输入信号在天线单元230中传递，之后再从侧边230b经过信号馈入线210a传递至天线单元220。信号馈入线210a与天线单元220耦接在侧边220d的实际馈入端220R上，以使输入信号从预设馈入端220R进入至天线单元220。

天线单元235与230之间的信号馈入线耦接位置与现有技术相似，在此不特别详细说明。值得一提之处在于，信号馈入线210a与天线单元220耦接之处并不是设计在位于侧边220c的预设馈入端220P，而是设计在位于另一侧边220d的预设馈入端220R。

在本实施例中，信号馈入线210a的一端直接耦接于天线单元220的右方侧边220d，另一端直接耦接于天线单元230的左方侧边220b。除此之外，由于输入信号是从天线单元230传递至天线单元220，因此在固定输入信号进入到天线单元230的位置的状况下(也就是已经设计好预设馈入端230P的位置)，就可以利用信号馈入线210a与侧边230b互相耦接的特定位置CA与相邻侧边(侧边230a或230c)之间的距离、以及信号馈入线210a的宽度w，来决定经由信号馈入线210a传递至天线单元220的输入信号的强度。再者，当确定了特定位置CA之后，信号馈入线210a的长度可以被用来决定输入信号在被传递至天线单元220a时的相位。当然，前述的特定位置CA的位置、异点馈入端的位置，以及信号馈入线210a的宽度与长度等变因的决定顺序是可以任意更换的，例如，也可以先决定特定位置CA以及异点馈入端的位置，然后再设计信号馈入线的走线方式(包括长度与宽度)。于是，经由适当的设计，输入信号在被传递至天线单元220的时候所具有的相位就可以被事先决定。因此，无论实际馈入端220R被设计在侧边220d上的哪一个位置，都可以通过适当设计信号馈入线210a的长度，而在实际馈入端220R处获得具有合适相位的输入信号。在后续需要特别从名称上区别不同天线单元的场合中，将信号传递至异点馈入天线单元(在此为天线单元220)的天线单元，将被称之为异点前天线单元(在此为天线单元230)，以避免认知上出现混淆。

由于天线单元不再只能与信号馈入线耦接于预设馈入端，所以在信号馈入线的设计上就能产生更大的弹性。必须注意的是，虽然在图2所示的实施例中，所有的信号馈入线都是设计在相邻的两个天线单元之间，且连接的是这两个天线单元相对的两个侧边，但这并不是本发明所需要的技术限制。

具体来说，信号馈入线可以设计连接两个同向的侧边，或者是连接两个对向的侧边。以连接图3的天线单元220与230的信号馈入线为例，若信号馈入线的一端连接的是天线单元230的侧边230b，则信号馈入线的另一端可以连接到天线单元220的侧边220b，也就是与天线单元230的侧边230b同向的侧边；或者，信号馈入线的另一端可以连接到天线单元220的侧边220d，也就是与天线单元230的侧边230b所朝的方向相对的侧边。在另一个例子中，假若连接图3的天线单元220与230的信号馈入线的一端耦接到天线单元230的侧边230a，则信号馈入线的另一端可以连接到天线单元220的侧边220a(与侧边230a为同向)或者侧边220c(与侧边230a对向)。同样的设计方式可以被运用在同一个天线阵列的两个天线单元之间，增加电路设计上的弹性。

更进一步的，并不是只有在相邻的两个天线单元之间才能适用上述的信号连接线的设计方式。实际上，任意两个天线单元之间，无论这两个天线单元是否相邻，都可以利用上述的信号连接线的设计方式来连接彼此而最终获得一个整体的阵列天线。请参照图4A，其为根据本发明另一实施例的阵列天线的架构示意图。本实施例中所示的天线20’与图2所示的天线20大致相同，故不再一一说明。本实施例中的阵列天线200A’与图2中的阵列天线200主要差异在于少了信号馈入线210e，取而代之的则是由天线单元220的上侧边缘连接到天线单元250上侧边缘的信号馈入线400a。输入信号通过信号馈入线400a，可以从天线单元220传递到天线单元250中，进而完成整个阵列天线200A’的共振效应，并产生出所想要的电磁波信号。类似的，阵列天线200B’也做了相同的改变，亦即改以信号馈入线400b来传递输入信号，以藉此完成整个阵列天线200B’的共振效应，并产生出所想要的电磁波信号。或者，请参照图4B，其为根据本发明又一实施例的阵列天线的架构示意图。在本实施例中，各天线单元与信号馈入线之间的连接关系大致与图2所示的实施例相同。然而，在本实施例中由于将图2中的信号馈入线210f取消，改以信号馈入线400c来传递输入信号，因此组成阵列天线200A”与200B”的天线单元也会随之改变。更进一步的，各天线单元的输出端位置(也就是前述的特定位置CA)可以被设置在任何适当的位置上，甚至于如图4B中的预设馈入端245P在本实施例中也被用来当作天线单元245的其中一个输出端，以经过信号馈入线400c将输入信号传递至附图下方的天线单元。应注意的是，上述的各种天线架构都只是一个例子，并不代表本公开的技术必须受限于此。

除此之外，虽然本发明图2所示的实施例中，部分的天线单元是排列成沿着Y轴方向直线延伸的天线单元组(例如：天线单元230与天线单元235)，或者排列成沿着X轴方向直线延伸的天线单元组(例如：天线单元220与天线单元230)，但实际上天线单元的排列方式可以随着实际需求而改变，例如可以排列成类似球面上一条具有固定弧度的曲线的形状。

总而言之，本公开所提供的技术使得天线单元之间的信号传递路径不再局限于同一纵行(column)之中，而是可以扩展到传递信号于位在不同纵行、甚至不同横列(row)之中的天线单元之间。

综合上述，在本发明提供的阵列天线中，天线单元的信号馈入端可以各自不同，所以在阵列天线中的走线的设计方式就可以更有弹性。再者，因为不需要每一个天线阵列都从信号馈入端直接接收信号，因此可以减少走线的总长度，进而减少走线在阵列天线中所占用的空间，并减少天线与信号馈入线之间的干扰。

Claims

1.一种阵列天线，其特征在于包括：

一天线信号馈入端，接收一输入信号；

至少一信号馈入线；以及

多个天线单元，所述天线单元中有一起始馈入天线单元及一异点前天线单元，该起始馈入天线单元耦接至该天线信号馈入端，每一该至少一信号馈入线电性耦接在两个所述天线单元之间，以使该输入信号从该起始馈入天线单元上的一起始馈入端馈入至该起始馈入天线单元，再经过该至少一信号馈入线而被传送至除了该起始馈入天线单元之外的所述天线单元中，

其中，每一所述天线单元上的一预设馈入端在该天线单元上的位置，相当于该起始馈入端在该起始馈入天线单元上的位置，而所述天线单元除了该起始馈入天线单元及该异点前天线单元之外，还包括至少一异点馈入天线单元，该至少一信号馈入线中有一者与该异点馈入天线单元直接耦接于一实际馈入端，该异点馈入天线单元上的该预设馈入端与该实际馈入端位于不同的位置，且该异点前天线单元经过该至少一信号馈入线提供信号至该异点馈入天线单元。

2.如权利要求1所述的阵列天线，其中部分所述天线单元排列成具有固定弧度的曲线形状。

3.如权利要求1所述的阵列天线，其中部分所述天线单元排列成直线形状。

4.如权利要求1所述的阵列天线，其中该异点前天线单元与该异点馈入天线单元相邻。

5.如权利要求1所述的阵列天线，其中该异点前天线单元与该异点馈入天线单元不相邻。

6.如权利要求5所述的阵列天线，其中该异点前天线单元与该异点馈入天线单元之间直接耦接有该至少一信号馈入线中的一条第一信号馈入线，且该第一信号馈入线的一端与该异点前天线单元直接耦接于一特定位置，另一端与该异点馈入天线单元直接耦接于该实际馈入端；其中，该特定位置位于该异点前天线单元的一侧边上，且由该第一信号馈入线提供至该实际馈入端的该输入信号的状态，是由该特定位置在该侧边上的位置决定。

7.如权利要求5所述的阵列天线，其中该异点前天线单元与该异点馈入天线单元之间直接耦接有该至少一信号馈入线中的一条第一信号馈入线，且该第一信号馈入线的一端与该异点前天线单元直接耦接于一特定位置，另一端与该异点馈入天线单元直接耦接于该实际馈入端；其中，该第一信号馈入线提供至该实际馈入端的该输入信号的状态，是由该第一信号馈入线的长度与宽度决定。

8.如权利要求5所述的阵列天线，其中该异点前天线单元与该异点馈入天线单元之间直接耦接有该至少一信号馈入线中的一条第一信号馈入线，且该第一信号馈入线的一端与该异点前天线单元直接耦接于一特定位置，另一端与该异点馈入天线单元直接耦接于该实际馈入端；其中，该第一信号馈入线提供至该实际馈入端的该输入信号的状态，是由该实际馈入端的位置决定。

9.如权利要求1所述的阵列天线，其中该起始馈入天线单元与异点前天线单元为同一个天线单元。

10.如权利要求1所述的阵列天线，其中该起始馈入天线单元与异点前天线单元为不同的天线单元。