TWI692151B

TWI692151B - 陣列天線

Info

Publication number: TWI692151B
Application number: TW106140636A
Authority: TW
Inventors: 林慶鴻; 郭榮發
Original assignee: 明泰科技股份有限公司
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2020-04-21
Also published as: CN109830812A; US20190157753A1; TW201926800A; CN109830812B; US10498023B2

Abstract

一種陣列天線，包括天線信號饋入端、至少一條信號饋入線與多個天線單元。天線單元中有一起始饋入天線單元耦接至天線信號饋入端，以使輸入信號自起始饋入天線單元上的起始饋入端饋入，之後再經過信號饋入線從起始饋入天線單元傳遞至其它的天線單元。其中，每一個天線單元上的預設饋入端在此天線單元上的位置，相當於起始饋入端在起始饋入天線單元上的位置；這些天線單元還包括至少一個異點饋入天線單元，此異點饋入天線單元與信號饋入線直接耦接在一個實際饋入端上，且異點饋入天線單元上的預設饋入端與實際饋入端位於不同的位置。

Description

陣列天線

本發明是有關於陣列天線的技術，特別是有關於一種從不同位置饋入信號的陣列天線。

在現有的技術中，天線信號的饋入方式主要分為串接式饋入與並接式饋入兩種。串接式饋入的天線架構如圖1A所示，每個天線單元100A的饋入端位置呈現縱向串接排列的結構。如圖1A所示，利用饋入端P1~P4的輸入信號之間的相位差以及信號強度權重比，分別與四個饋入端P1~P4電性耦接的四個縱向天線陣列A1~A4可以組成二維天線陣列AA1。相對的，並接式饋入的天線架構如圖1B所示，輸入信號透過饋入端P5輸入至二維天線陣列AA2之中，且每個天線單元100B的饋入端位置呈現橫向並接排列。如圖1B所示，二維天線陣列AA2利用傳輸線的阻抗匹配來控制每個縱向天線陣列A5~A8的相位差以及信號強度權重比，並同樣利用傳輸線阻抗匹配來控制每個縱向天線陣列A5~A8中的各天線單元100B的相位差以及信號強度權重比。

無論採用上述哪一種方式來設計天線陣列的架構，都必須有信號傳輸線從饋入端直接耦接到各縱向天線陣列上。這種設計條件極大的限制了在天線陣列上走線的設計彈性；而且由於這樣的走線會在天線陣列上佔據一定的空間並造成一定的干擾，因此也將對於天線的微型化造成不良的影響。

有鑑於此，本發明提出一種陣列天線，其可使陣列天線上的走線的設計更具彈性；而且，根據設計的不同，還可以降低走線在天線陣列上所需佔據的空間，並減少天線與饋入線之間的干擾。

本發明提出一種陣列天線，其包括天線信號饋入端、至少一條信號饋入線與多個天線單元。天線單元中有一起始饋入天線單元耦接至天線信號饋入端，並且每一條信號饋入線電性耦接在兩個天線單元之間，以使輸入信號自起始饋入天線單元上的起始饋入端饋入，之後再經過信號饋入線從起始饋入天線單元傳遞至其它的天線單元。其中，每一個天線單元上的預設饋入端在此天線單元上的位置，相當於起始饋入端在起始饋入天線單元上的位置；這些天線單元還包括至少一個異點饋入天線單元，此異點饋入天線單元與一條信號饋入線直接耦接在一個實際饋入端上，且異點饋入天線單元上的預設饋入端與實際饋入端位於不同的位置。

在一個實施例中，前述的天線單元中有一部份排列成具有固定弧度的曲線形狀。

在一個實施例中，前述的天線單元中有一部份排列成直線形狀。

在一個實施例中，前述的天線單元除了異點饋入天線單元之外，更包括一個異點前天線單元，此異點前天線單元經過信號饋入線提供信號至異點饋入天線單元，且異點前天線單元與異點饋入天線單元相鄰。

在一個實施例中，前述的異點前天線單元與異點饋入天線單元不相鄰。

在一個實施例中，異點前天線單元與異點饋入天線單元之間直接耦接有一條第一信號饋入線，且此第一信號饋入線的一端與異點前天線單元直接耦接於一特定位置，另一端與異點饋入天線單元直接耦接於實際饋入端；其中，特定位置位於異點前天線單元的一側邊上，且由第一信號饋入線提供至實際饋入端的輸入信號的狀態，係由特定位置在側邊上的位置決定。

在一個實施例中，異點前天線單元與異點饋入天線單元之間直接耦接有一條第一信號饋入線，且此第一信號饋入線的一端與異點前天線單元直接耦接於一特定位置，另一端與異點饋入天線單元直接耦接於實際饋入端；其中，由第一信號饋入線提供至實際饋入端的輸入信號的狀態，是由第一信號饋入線的長度與寬度決定。

在一個實施例中，異點前天線單元與異點饋入天線單元之間直接耦接有一條第一信號饋入線，且此第一信號饋入線的一端與異點前天線單元直接耦接於一特定位置，另一端與異點饋入天線單元直接耦接於實際饋入端；其中，由第一信號饋入線提供至實際饋入端的輸入信號的狀態，是由實際饋入端的位置決定。

由於上述陣列天線中的天線單元的信號饋入端可以各自不同，所以在陣列天線中的走線的設計方式就可以更有彈性。再者，因為不需要每一個天線陣列都從信號饋入端直接接收信號，因此可以減少走線的總長度，進而減少走線在陣列天線中所占用的空間，並減少天線與信號饋入線之間的干擾。

請參照圖2，其為根據本發明一實施例的陣列天線的架構示意圖。需先說明的是，雖然在本實施例中的天線20是一個二維的陣列，但本發明所提供的技術還可以進一步運用到超過二維的陣列上。

如圖2所示，本實施例中的天線20包括相似的兩個陣列天線200A與200B，且這兩個陣列天線200A與200B分別從天線信號饋入端IN接收外界輸入的輸入信號。由於陣列天線200A與200B的架構及運作方式都相同，因此以下將僅以陣列天線200A為例來說明本發明提供的技術，而所描述的技術則同樣可適用於陣列天線200B之中。

在本實施例中，陣列天線200A包括了前述用來接收輸入信號的天線信號饋入端IN、多條信號饋入線210a、210b、210c、210d與210e，以及多個天線單元220、230、235、240、245與250。其中，天線單元235是直接從天線信號饋入端IN接收由外界輸入的輸入信號，也就是說，天線單元235第一個被饋入輸入信號的天線單元，因此在這之後也稱其為起始饋入天線單元；再者，各天線單元220、230、235、240、245與250之間會利用信號饋入線210a~210e來傳遞信號，以使輸入信號可以在被饋入至天線單元235之後，再透過信號饋入線210a~210e而被傳遞至其它的天線單元220、230、240、245與250。

詳細來說，從天線信號饋入端IN進入到天線20的輸入信號，首先會從天線單元235（亦即，起始饋入天線單元）上的起始饋入端235P而饋入至天線單元235中。輸入信號從起始饋入端235P開始在天線單元235中傳遞，並在傳遞至天線單元235與信號饋入線210b的耦接點的時候，經由信號饋入線210b而被傳遞至天線單元230。進一步的，經由信號饋入線210b的傳遞，輸入信號會從信號饋入端230P饋入至天線單元230中。最後，經由信號饋入線210a的傳遞，輸入信號會從信號饋入端220R饋入至天線單元220中。

在一般的天線陣列中，起始饋入天線單元上的信號饋入端（相當於上述的起始饋入端235P）的位置就決定了其它天線單元上的信號饋入端的位置。為了形成天線陣列，現有技術會將每一個天線單元上的信號饋入端的位置都設計成相當於起始饋入天線單元上的起始饋入端的位置。在多邊形的天線單元中，此處所謂的「相當於」指的是：信號饋入端沿著信號饋入端所在的側邊分別延伸至相鄰的兩側側邊的距離的相對比值，會等同於起始饋入端沿著起始饋入端所在的側邊分別延伸至相鄰的兩側側邊的距離的相對比值；而在圓形的天線單元中，所謂的「相當於」則可以是：連接信號饋入端與天線單元圓心的直線的斜率會等同於連接起始饋入天線的圓心與起始饋入端的直線的斜率。舉例來說，由於圖2中的天線單元235上的信號饋入端235P約略位於天線單元235的下側邊的中點處，所以現有技術在天線陣列200A之中的其它天線單元220、230、240、245與250上，會分別預設一個用來耦接至信號饋入線的信號饋入端220P、230P、240P、245P與250P，而且這些信號饋入端220P、230P、240P、245P與250P在天線單元220、230、240、245與250上的位置，會分別約略位於天線單元220、230、240、245與250下側邊的中點處，也就是相當於信號饋入端235P在天線單元235上的位置。

類似的，在本實施例中，天線單元230與240也分別在信號饋入端230P與240P耦接至信號饋入線210b與210d；但與現有技術不同的，天線單元220、245與250並不分別與信號饋入線210a、210c與210e耦接於預設的信號饋入端220P、245P與250P，而是分別與信號饋入線210a、210c與210e耦接在信號饋入端220R、245R與250R上，而且這些信號饋入端220R、245R與250R在天線單元220、245與250上所處的位置，與信號饋入端220P、245P與250P在天線單元220、245與250上所處的位置並不相同。後續描述時，在有可能造成混淆或理解困難之處，如天線單元220、245與250等，實際上不與信號饋入線耦接在預設的信號饋入端220P、245P與250P上的天線單元，會被稱為異點饋入天線單元；而異點饋入天線單元上實際與信號饋入線耦接的點，則被稱為實際饋入端，以使其能明顯與原本預設的信號饋入端（也稱為預設饋入端）有所區隔。

在異點饋入天線單元上的實際饋入端的位置，可以根據實際需求來設計。請參照圖3，其為圖2中的天線單元220、230與235的詳細結構的示意圖。其中，天線單元220為具有四側邊220a、220b、220c與220d的四邊形結構，且預設饋入端220P位於其中一側邊220c，而實際饋入端220R則位於另一側邊220d；天線單元230為具有四邊230a、230b、230c與230d的四邊形結構，且預設饋入端230P位於其中一側邊230c；天線單元235為具有四邊235a、235b、235c與235d的四邊形結構，且預設饋入端235P位於其中一側邊235c。預設饋入端235P（亦即前述的初始饋入端）向下耦接到圖2所示的天線信號饋入端IN，並從天線信號饋入端IN接收輸入信號；輸入信號在天線單元235中傳遞，之後再從側邊235a經過信號饋入線210b傳遞至天線單元230。信號饋入線210b與天線單元230耦接在側邊230c的預設饋入端230P上，以使輸入信號進入至天線單元230；輸入信號在天線單元230中傳遞，之後再從側邊230b經過信號饋入線210a傳遞至天線單元220。信號饋入線210a與天線單元220耦接在側邊220d的實際饋入端220R上，以使輸入信號從預設饋入端220R進入至天線單元220。

天線單元235與230之間的信號饋入線耦接位置與現有技術相似，在此不特別詳細說明。值得一提之處在於，信號饋入線210a與天線單元220耦接之處並不是設計在位於側邊220c的預設饋入端220P，而是設計在位於另一側邊220d的預設饋入端220R。

在本實施例中，信號饋入線210a的一端直接耦接於天線單元220的右方側邊220d，另一端直接耦接於天線單元230的左方側邊220b。除此之外，由於輸入信號是從天線單元230傳遞至天線單元220，因此在固定輸入信號進入到天線單元230的位置的狀況下（也就是已經設計好預設饋入端230P的位置），就可以利用信號饋入線210a與側邊220d互相耦接的特定位置CA與相鄰側邊（側邊230a或230c）之間的距離、以及信號饋入線210a的寬度w，來決定經由信號饋入線210a傳遞至天線單元220的輸入信號的強度。再者，當確定了特定位置CA之後，信號饋入線210a的長度可以被用來決定輸入信號在被傳遞至天線單元220a時的相位。當然，前述的特定位置CA的位置、異點饋入端的位置，以及信號饋入線210a的寬度與長度等變因的決定順序是可以任意更換的，例如，也可以先決定特定位置CA以及異點饋入端的位置，然後再設計信號饋入線的走線方式（包括長度與寬度）。於是，經由適當的設計，輸入信號在被傳遞至天線單元220的時候所具有的相位就可以被事先決定。因此，無論實際饋入端220R被設計在側邊220d上的哪一個位置，都可以藉由適當設計信號饋入線210a的長度，而在實際饋入端220R處獲得具有合適相位的輸入信號。在後續需要特別從名稱上區別不同天線單元的場合中，將信號傳遞至異點饋入天線單元（在此為天線單元220）的天線單元，將被稱之為異點前天線單元（在此為天線單元230），以避免認知上出現混淆。

由於天線單元不再只能與信號饋入線耦接於預設饋入端，所以在信號饋入線的設計上就能產生更大的彈性。必須注意的是，雖然在圖2所示的實施例中，所有的信號饋入線都是設計在相鄰的兩個天線單元之間，且連接的是這兩個天線單元相對的兩個側邊，但這並不是本發明所需要的技術限制。

具體來說，信號饋入線可以設計連接兩個同向的側邊，或者是連接兩個對向的側邊。以連接圖3的天線單元220與230的信號饋入線為例，若信號饋入線的一端連接的是天線單元230的側邊230b，則信號饋入線的另一端可以連接到天線單元220的側邊220b，也就是與天線單元230的側邊230b同向的側邊；或者，信號饋入線的另一端可以連接到天線單元220的側邊220d，也就是與天線單元230的側邊230b所朝的方向相對的側邊。在另一個例子中，假若連接圖3的天線單元220與230的信號饋入線的一端耦接到天線單元230的側邊230a，則信號饋入線的另一端可以連接到天線單元220的側邊220a（與側邊230a為同向）或者側邊220c（與側邊230a對向）。同樣的設計方式可以被運用在同一個天線陣列的兩個天線單元之間，增加電路設計上的彈性。

更進一步的，並不是只有在相鄰的兩個天線單元之間才能適用上述的信號連接線的設計方式。實際上，任意兩個天線單元之間，無論這兩個天線單元是否相鄰，都可以利用上述的信號連接線的設計方式來連接彼此而最終獲得一個整體的陣列天線。請參照圖4A，其為根據本發明另一實施例的陣列天線的架構示意圖。本實施例中所示的天線20’與圖2所示的天線20大致相同，故不再一一說明。本實施例中的陣列天線200A’與圖2中的陣列天線200主要差異在於少了信號饋入線210e，取而代之的則是由天線單元220的上側邊緣連接到天線單元250上側邊緣的信號饋入線400a。輸入信號藉由信號饋入線400a，可以從天線單元220傳遞到天線單元250中，進而完成整個陣列天線200A’的共振效應，並產生出所想要的電磁波信號。類似的，陣列天線200B’也做了相同的改變，亦即改以信號饋入線400b來傳遞輸入信號，以藉此完成整個陣列天線200B’的共振效應，並產生出所想要的電磁波信號。或者，請參照圖4B，其為根據本發明又一實施例的陣列天線的架構示意圖。在本實施例中，各天線單元與信號饋入線之間的連接關係大致與圖2所示的實施例相同。然而，在本實施例中由於將圖2中的信號饋入線210f取消，改以信號饋入線400c來傳遞輸入信號，因此組成陣列天線200A”與200B”的天線單元也會隨之改變。更進一步的，各天線單元的輸出端位置（也就是前述的特定位置CA）可以被設置在任何適當的位置上，甚至於如圖4B中的預設饋入端245P在本實施例中也被用來當作天線單元245的其中一個輸出端，以經過信號饋入線400c將輸入信號傳遞至圖式下方的天線單元。應注意的是，上述的各種天線架構都只是一個例子，並不代表本案的技術必須受限於此。

除此之外，雖然本發明圖2所示的實施例中，部分的天線單元是排列成沿著Y軸方向直線延伸的天線單元組（例如：天線單元230與天線單元235），或者排列成沿著X軸方向直線延伸的天線單元組（例如：天線單元220與天線單元230），但實際上天線單元的排列方式可以隨著實際需求而改變，例如可以排列成類似球面上一條具有固定弧度的曲線的形狀。

總而言之，本案所提供的技術使得天線單元之間的信號傳遞路徑不再侷限於同一縱行(column)之中，而是可以擴展到傳遞信號於位在不同縱行、甚至不同橫列(row)之中的天線單元之間。

綜合上述，在本發明提供的陣列天線中，天線單元的信號饋入端可以各自不同，所以在陣列天線中的走線的設計方式就可以更有彈性。再者，因為不需要每一個天線陣列都從信號饋入端直接接收信號，因此可以減少走線的總長度，進而減少走線在陣列天線中所占用的空間，並減少天線與信號饋入線之間的干擾。

20、20’、20”‧‧‧天線100A、100B、220、230、235、240、245、250‧‧‧天線單元200A、200A’、200A”、200B、200B’、200B”‧‧‧陣列天線210a、210b、210c、210d、210e、200f、400a、400b、400c‧‧‧信號饋入線220a、220b、220c、220d、230a、230b、230c、230d、235a、235b、235c、235d‧‧‧側邊220P、220R、230P、235P、240P、245P、245R、250P、250R‧‧‧信號饋入端A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8‧‧‧縱向天線陣列AA1、AA2‧‧‧二維天線陣列CA‧‧‧特定位置IN‧‧‧天線信號饋入端P1、P2、P3、P4、P5‧‧‧饋入端w‧‧‧信號饋入線210a的寬度X、Y‧‧‧方向

圖1A為習知技術中所採用的串接式饋入的陣列天線的架構示意圖。圖1B為習知技術中所採用的並接式饋入的陣列天線的架構示意圖。圖2為根據本發明一實施例的陣列天線的架構示意圖。圖3為圖2中的天線單元220、230與235的詳細結構的示意圖。圖4A為根據本發明另一實施例的陣列天線的架構示意圖。圖4B為根據本發明又一實施例的陣列天線的架構示意圖。

20‧‧‧天線

200A、200B‧‧‧陣列天線

210a、210b、210c、210d、210e、210f‧‧‧信號饋入線

220、230、235、240、245、250‧‧‧天線單元

220P、220R、230P、235P、240P、245P、245R、250P、250R‧‧‧信號饋入端

IN‧‧‧天線信號饋入端

Claims

一種陣列天線，其特徵在於包括：一天線信號饋入端，接收一輸入信號；至少一信號饋入線；以及多個天線單元，該些天線單元中有一起始饋入天線單元耦接至該天線信號饋入端，每一該至少一信號饋入線電性耦接在兩個該些天線單元之間，以使該輸入信號從該起始饋入天線單元上的一起始饋入端饋入至該起始饋入天線單元，再經過該至少一信號饋入線而被傳送至除了該起始饋入天線單元之外的該些天線單元中，其中，每一該些天線單元上的一預設饋入端在該天線單元上的位置，相當於該起始饋入端在該起始饋入天線單元上的位置，而該些天線單元除了該起始饋入天線單元之外，還包括至少一異點饋入天線單元，該至少一信號饋入線中有一者與該異點饋入天線單元直接耦接於一實際饋入端，且該異點饋入天線單元上的該預設饋入端與該實際饋入端位於不同的位置，其中，每一該些天線單元從該天線單元的該實際饋入端及該預設饋入端二者中擇一接收該輸入信號。
如申請專利範圍第1項所述的陣列天線，其中部分該些天線單元排列成具有固定弧度的曲線形狀。
如申請專利範圍第1項所述的陣列天線，其中部分該些天線單元排列成直線形狀。
如申請專利範圍第1項所述的陣列天線，其中該些天線單元包括除了該異點饋入天線單元之外的一異點前天線單元，該異點前天線單元經過該至少一信號饋入線提供信號至該異點饋入天線單元，且該異點前天線單元與該異點饋入天線單元相鄰。
如申請專利範圍第1項所述的陣列天線，其中該些天線單元包括除了該異點饋入天線單元之外的一異點前天線單元，該異點前天線單元經過該至少一信號饋入線提供信號至該異點饋入天線單元，且該異點前天線單元與該異點饋入天線單元不相鄰。
如申請專利範圍第5項所述的陣列天線，其中該異點前天線單元與該異點饋入天線單元之間直接耦接有該至少一信號饋入線中的一條第一信號饋入線，且該第一信號饋入線的一端與該異點前天線單元直接耦接於一特定位置，另一端與該異點饋入天線單元直接耦接於該實際饋入端；其中，該特定位置位於該異點前天線單元的一側邊上，且由該第一信號饋入線提供至該實際饋入端的該輸入信號的狀態，係由該特定位置在該側邊上的位置決定。
如申請專利範圍第5項所述的陣列天線，其中該異點前天線單元與該異點饋入天線單元之間直接耦接有該至少一信號饋入線中的一條第一信號饋入線，且該第一信號饋入線的一端與該異點前天線單元直接耦接於一特定位置，另一端與該異點饋入天線單元直接耦接於該實際饋入端；其中，該第一信號饋入線提供至該實際饋入端的該輸入信號的狀態，是由該第一信號饋入線的長度與寬度決定。
如申請專利範圍第5項所述的陣列天線，其中該異點前天線單元與該異點饋入天線單元之間直接耦接有該至少一信號饋入線中的一條第一信號饋入線，且該第一信號饋入線的一端與該異點前天線單元直接耦接於一特定位置，另一端與該異點饋入天線單元直接耦接於該實際饋入端；其中，該第一信號饋入線提供至該實際饋入端的該輸入信號的狀態，是由該實際饋入端的位置決定。