TWI848728B - 配置多金屬圖樣的天線罩及使用其的雷達 - Google Patents
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Abstract
配置多金屬圖樣的天線罩包括了多個介電材質基板及多個金屬層。其中，每一個金屬層包括多個金屬框以及彼此絕緣的多個金屬圖樣，這些金屬層中的一個第一金屬層所包括的任一個金屬圖樣與最接近此任一個金屬圖樣的一個金屬框的最小距離為對應於此任一個金屬圖樣的間隔寬度，且此間隔寬度在自第一金屬層的中心向外的方向上呈現先遞增再遞減後再遞增的趨勢。再者，這些介電材質基板與這些金屬層一一間隔堆疊，天線罩最外側的相對二層分別為這些金屬層之一，且每一個金屬層包括的金屬圖樣的配置彼此相同。
Description
本發明是有關於一種天線罩及使用其的雷達，特別是有關於一種配置多金屬圖樣的天線罩及使用其的雷達。
因為具有體積小、可靠性高以及可以提供多波束等優點，陣列天線（Array Antenna）一直以來都被廣泛地運用在各種高科技產品中。例如，現有的衛星就有很大一部份是採用陣列天線來當作其天線的主要架構。然而，由於陣列天線都是以較小的波束寬度（Beam Width）來傳送及接收無線信號，而在此波束寬度涵蓋範圍之外的信號又極有可能出現信號失真或遺失的問題，所以在採用陣列天線來傳遞信號的時候，必須依靠增加地面天線站的數量或增加地面天線站的接收或傳送的視野（Field of View）才能保證可以全天候的與衛星進行連線。然而，無論是增加地面天線站的數量或者目前用來增加地面天線站的視野的技術，都需花費很多的金錢或人力才能完成。因此，上述的缺陷對於衛星通信的發展來說顯然造成了阻礙。
有鑑於此，本發明的一個目的就是要提供可以將無線信號的波束寬度擴大的天線罩及使用此天線罩的雷達。藉由使用天線罩來擴大波束寬度，就可以輕易地擴大天線的視野。
從一個角度來看，本發明提供一種配置多金屬圖樣的天線罩，其包括多個介電材質基板及多個金屬層。其中，每一個金屬層包括多個金屬框以及彼此絕緣的多個金屬圖樣，這些金屬層中的一個第一金屬層所包括的任一個金屬圖樣與最接近此任一個金屬圖樣的一個金屬框的最小距離為對應於此任一個金屬圖樣的間隔寬度，且此間隔寬度在自第一金屬層的中心向外的方向上呈現先遞增再遞減後再遞增的趨勢。再者，這些介電材質基板與這些金屬層一一間隔堆疊，天線罩最外側的相對二層分別為這些金屬層之一，且每一個金屬層包括的金屬圖樣的配置彼此相同。
在一個實施例中，前述的第一金屬層包括不互相重疊且尺寸相同的多個區塊，每一個區塊中設置有一個前述的金屬圖樣以及將此金屬圖樣框於其內的金屬邊框。進一步的，在一個實施例中，前述的區塊各自呈四方形且係以陣列的樣式排列。
從另一個角度來看，本發明還提供了一種使用多金屬圖樣天線罩的雷達，其包括陣列天線及天線罩。前述的陣列天線適於發射或接收第一電磁波；前述的天線罩包括多個介電材質基板及多個金屬層，其中，每一個金屬層包括多個金屬框以及彼此絕緣的多個金屬圖樣，這些金屬層中的一個第一金屬層所包括的任一個金屬圖樣與最接近此任一個金屬圖樣的一個金屬框的最小距離為對應於此任一個金屬圖樣的間隔寬度，且此間隔寬度在自第一金屬層的中心向外的方向上呈現先遞增再遞減後再遞增的趨勢。再者，這些介電材質基板與這些金屬層一一間隔堆疊，天線罩最外側的相對二層分別為這些金屬層之一，每一個金屬層包括的金屬圖樣的配置彼此相同，且此天線罩被設置於離陣列天線一段預設距離的位置以使陣列天線能經過天線罩而發射或接收前述的第一電磁波。
在一個實施例中，前述的第一金屬層包括不互相重疊且尺寸相同的多個區塊，每一個區塊中設置有一個前述的金屬圖樣以及將此金屬圖樣框於其內的金屬邊框。進一步的，在一個實施例中，前述的區塊各自呈四方形且係以陣列的樣式排列。
藉由採用上述技術，本發明提供的配置多金屬圖樣的天線罩藉由調整不同位置的金屬圖樣的大小來改變入射至天線罩的電磁波的相位，使得入射至天線罩不同位置處的電磁波能產生不同角度的偏折而最終呈現出擴散效果。因此，當在雷達上使用本發明提供的配置多金屬圖樣的天線罩時，由雷達發出的電磁波的波束寬度就可以因經過天線罩而產生擴散效果而得以涵蓋更廣大的區域，進而增加信號接收站可接收信號的角度。
請參照圖1，其為根據本發明一實施例的配置多金屬圖樣的天線罩的側視圖。如圖所示，在本實施例中的天線罩10包括了多個金屬層100、102、104與106以及多個介電材質基板110、112與114，而且這些金屬層100～106與介電材質基板110～114一一間隔堆疊，並使天線罩10的最外側的兩層都為金屬層。
為了使經過天線罩的電磁波的波束寬度能獲得擴散效果，本發明藉由週期性的排列不同尺寸大小的金屬圖樣以塑造出金屬圖樣與周邊距其最近的金屬框之間的距離能在某個方向上呈現出特定的變化趨勢，藉此使相位由負相位至正相位最後再回到負相位以改變電磁波傳遞的方向並達到擴散波束寬度的效果。在此要說明的是，雖然理論上只需要利用一個金屬層與一個介電材質基板就可以達到利用金屬圖樣的尺寸變化來達到改變擴散波束寬度的效果，但是本發明採用的以多個金屬層與多個介電材質基板間隔堆疊的方式所設計的天線罩除了可以擴大波束寬度之外還可以抑制輻射場型的旁辮（side lobe）增長而使輻射場型的主辮（main lobe）不至於因為擴散效果而失真。
請參照圖2A，其為根據本發明一實施例的配置多金屬圖樣的天線罩的金屬層的上視圖。需先說明的是，在圖2A所示之實施例中提供的天線罩是以適用於KU波段發射端的頻率（14GHz～14.5GHz）為目標所設計，所以以下提及的詳細數字也是因此而生。然而，這些詳細數字並非本發明的限制條件，本領域的技術人員當知可以依照本說明書提供的技術概念設計出具有不同尺寸、參數或形狀且適用於所需頻率的天線罩。在設計天線罩的初期，可以先利用各種參數，包括介電材質基板的材料特性、天線罩與陣列天線之間的位置關係以及想要適用的頻率段等，藉由參考現有文件（例如：Ahmed H. Abdelrahman, Fan Yang, Atef Z. Elsherbeni, and Payam Nayeri (2017)所著之Analysis and Design of Transmit array Antennas）所提供的公式來計算出天線罩結構的初始值。在獲得天線罩結構的初始值之後，設計人員可以接著利用電磁模擬軟體來最佳化各種參數。
在圖2A所示的實施例中，金屬層是以與其臨接的介電材質基板作為基底20以在基底20的上方形成金屬圖樣。以圖1所示的天線罩為例，金屬層100的基底就是介電材質基板110，金屬層102的基底可以是介電材質基板110或介電材質基板112，金屬層104的基底可以是介電材質基板112或介電材質基板114，金屬層106的基底則是介電材質基板114。
為了在設計及製造金屬圖樣的時候能夠較為簡便，設計人員可以先將基底20以金屬線劃分為不互相重疊且尺寸相同的多個區塊210，之後就能以各區塊210的邊界作為製造金屬圖樣時的定位參考而分別在每一個區塊210中設置一個金屬圖樣。如此一來，只要將每一個金屬圖樣分別製作在一個區塊210所涵蓋的範圍之內，就可以確保各金屬圖樣之間為電性絕緣。除此之外，在本實施例中，為了使經過天線罩的電磁波的波束寬度能獲得擴散效果，在自金屬層的中心向外的方向上應使得金屬圖樣與周邊距其最近的金屬框之間的距離呈現先遞增再遞減後再遞增的趨勢，以藉此使相位由負相位至正相位最後再回到負相位而改變電磁波擴散的方向。
具體來說，在圖2A所示的實施例中，金屬線250會沿著區塊210的邊界而圍出一個個大小相同的金屬框，在每一個金屬圖樣200a、200b、200c或200d的四周都存在一個將此金屬圖樣包圍在內的金屬框，而且各金屬框的中心與其包圍的金屬圖樣的中心相重疊。在此種架構下，緊靠並圍繞在某一個金屬圖樣四周的金屬框就是與此金屬圖樣最接近的金屬框，而每一個金屬圖樣與距此金屬圖樣最近的金屬框之間的最小距離（後稱為對應於此金屬圖樣的間隔寬度）可以從金屬圖樣的大小推算而得。亦即，在金屬圖樣的尺寸越大的時候，對應於此金屬圖樣的間隔寬度就會變得越小；相對的，在金屬圖樣的尺寸越小的時候，對應於此金屬圖樣的間隔寬度就會變得越大。因此，在要達到前述自金屬層的中心向外的方向上使得金屬圖樣與周邊距其最近的金屬框之間的距離呈現先遞增再遞減後再遞增的趨勢的時候，就可以設計使金屬圖樣的尺寸先逐漸變小後再逐漸變大，並且最後再逐漸變小。以圖2A為例就是將金屬圖樣200c的尺寸設計成比金屬圖樣200d的尺寸還小、將金屬圖樣200b的尺寸設計成比金屬圖樣200c的尺寸還大，並且將金屬圖樣200a的尺寸設計成比金屬圖樣200b的尺寸還小。
除了上述的方式之外，本領域的技術人員當知也可以藉由單獨調整金屬框的尺寸或者同時調整金屬框及金屬圖樣的尺寸來達到改變對應到各金屬圖樣的間隔寬度的目的。請參照圖2B，其為根據本發明另一實施例的配置多金屬圖樣的天線罩的金屬層的上視圖。在本實施例中，每一個金屬框270a所圍成的區域被當成圖2A中的一個區塊210，亦即圖2B所示的金屬層可以被劃分為不互相重疊且具有金屬框270a所圍成的區域大小的多個區塊，而且每一個區塊中最多只設置一個金屬圖樣。詳細來說，金屬框270a、270b與270d的金屬線寬約為0.2公釐，金屬框270a是內圍尺寸約8.6公釐*8.6公釐且外圍尺寸約9公釐*9公釐的矩形，金屬框270b是內圍尺寸約6.8公釐*6.8公釐且外圍尺寸約7.2公釐*7.2公釐的矩形，金屬框270d是內圍尺寸約7.6公釐*7.6公釐且外圍尺寸約8公釐*8公釐的矩形，金屬圖樣260a是尺寸約為3.5公釐*3.5公釐的矩形，金屬圖樣260b是尺寸約為4.25公釐*4.25公釐的矩形，金屬圖樣260c是尺寸約為1公釐*1公釐的矩形，金屬圖樣260d是尺寸約為1.5公釐*1.5公釐的矩形。根據上述的設計，對應於金屬圖樣260a的間隔寬度約為2.55公釐，對應於金屬圖樣260b的間隔寬度約為1.275公釐，對應於金屬圖樣260d的間隔寬度約為3.05公釐。
應注意的是，由於在本發明中是利用金屬圖樣與鄰近的金屬框之間的電磁耦合效應來達到調整電磁波相位的效果，因此當在設計過程中發現某些金屬圖樣與金屬框之間的電磁耦合效應極小而可忽略的時候，還可以省略相關的金屬框以達到節省成本的好處。以圖2B為例，因為在設計的過程中發現對於天線罩所要適用的波段來說，金屬圖樣260c與金屬框之間的電磁耦合效應是小到可以被忽略的，因此在金屬圖樣260c的周圍就不需要設置類似於金屬框270a、270b或270d的金屬結構。在此情形下，可以將金屬圖樣260c到附近的金屬框之間的距離當成對應於金屬圖樣260c的間隔寬度，例如可以將金屬圖樣260c到金屬框270b的最短距離當成對應於金屬圖樣260c的間隔寬度，或者可以將金屬圖樣260c到金屬框270d的最短距離當成對應於金屬圖樣260c的間隔寬度。
從圖2B的實施例可以發現，由於金屬圖樣260c的尺寸小於金屬圖樣260d的尺寸，而且在金屬圖樣260c所在的區塊內並沒有設計與其對應的金屬框，因此金屬圖樣260c到最近的金屬框的距離一定大於金屬圖樣260d到金屬框270d的距離；類似的，由於金屬圖樣260c的尺寸小於金屬圖樣260b的尺寸，而且在金屬圖樣260c所在的區塊內並沒有設計與其對應的金屬框，因此金屬圖樣260c到最近的金屬框的距離一定大於金屬圖樣260b到金屬框270b的距離。綜合來說，在圖2B中，對應於金屬圖樣260d的間隔寬度小於對應於金屬圖樣260c的間隔寬度（亦即間隔寬度遞增），對應於金屬圖樣260c的間隔寬度大於對應於金屬圖樣260b的間隔寬度（亦即間隔寬度遞減），而對應於金屬圖樣260b的間隔寬度小於對應於金屬圖樣260a的間隔寬度（亦即間隔寬度遞增）。於是，圖2B所示的實施例同樣完美的符合了先前提及的設計原理，亦即：自金屬層的中心向外的方向上使得金屬圖樣與周邊距其最近的金屬框之間的距離呈現先遞增再遞減後再遞增的趨勢。
接下來請合併參照圖3A與圖3B，其中，圖3A為根據本發明一實施例的使用多金屬圖樣天線罩的雷達的示意圖，圖3B則為圖3A所示之雷達的側視圖。在本實施例中，雷達30包括了圖1所示的天線罩10以及陣列天線300，其中，天線罩10與陣列天線300之間相距一段距離d，且陣列天線300發出的電磁波的輻射場型（即後稱之第一場型）在經過天線罩10之後會變化成與第一場型不同的輻射場型（即後稱之第二場型）。藉由採用圖2B實施例中的詳細參數並且將約莫等同或大於陣列天線300所使用之電磁波的波長的兩倍設定為前述的距離d的時候，可以分別在橫電波（Transverse Electric，TE）模式測得如圖4與圖5所示的數據，以及在橫磁波（Transverse Magnetic，TM）模式測得如圖6與圖7所示的數據，其中，圖4為陣列天線300在TE模式中測得的數據表，圖5為陣列天線300在加上天線罩10所成之雷達30在TE模式中測得的數據表，圖6為陣列天線300在TM模式中測得的數據表，圖7為陣列天線300在加上天線罩10所成之雷達30在TM模式中測得的數據表。從圖4～圖7所測得的數據可以得知，雖然在使用了圖2B所示的天線罩之後會使雷達表現出來的峰值增益比之陣列天線本身的峰值增益來得小，但是雷達表現出來的半功率波束寬度（Half-Power Beam Width，HPBW）比之陣列天線本身的半功率波束寬度卻可以呈現出大幅度的增加。
進一步的，雖然上述的實施例是將天線罩設置在陣列天線的發送端附近，但本領域的技術人員當能理解上述的技術也可以被運用在陣列天線的接收端附近。應注意的是，天線罩上的各金屬圖樣的尺寸應該依照陣列天線的接收端所用的頻率來進行設計。舉例來說，當天線罩是以適用於KU波段接收端的頻率（10.7GHz～12.7GHz）為目標所設計的時候，可以採用如圖8所示的設計方式來設計天線罩中的每一個金屬層。
請參照圖8，其為根據本發明又一實施例的配置多金屬圖樣的天線罩的金屬層的上視圖。在本實施例中，每一個金屬框820a所圍成的區域被當成圖2A中的一個區塊210，亦即圖8所示的金屬層可以被劃分為不互相重疊且具有金屬框820a所圍成的區域大小的多個區塊，而且每一個區塊中最多只設置一個金屬圖樣。詳細來說，金屬框820a、820b、820c與820d的金屬線寬約為0.1公釐，金屬框820a、820c與820d各是內圍尺寸約8.8公釐*8.8公釐且外圍尺寸約9公釐*9公釐的矩形，金屬框820b則是內圍尺寸約7.8公釐*7.8公釐且外圍尺寸約8公釐*8公釐的矩形，金屬圖樣810a是尺寸約為5公釐*5公釐的矩形，金屬圖樣810b是尺寸約為4.25公釐*4.25公釐的矩形，金屬圖樣810c是尺寸約為1.75公釐*1.75公釐的矩形，金屬圖樣810d是尺寸約為2.5公釐*2.5公釐的矩形。
同樣的，根據上述的數據可以得知對應於金屬圖樣810a的間隔寬度約為1.9公釐，對應於金屬圖樣810b的間隔寬度約為1.775公釐，對應於金屬圖樣810c的間隔寬度約為3.525公釐，對應於金屬圖樣810d的間隔寬度則約為3.15公釐。很顯然的，圖8所示的實施例同樣完美的符合了先前提及的設計原理，亦即：自金屬層的中心向外的方向上使得金屬圖樣與周邊距其最近的金屬框之間的距離呈現先遞增再遞減後再遞增的趨勢。
如同先前所述，在藉由採用圖8實施例中的詳細參數並且將約莫等同或大於圖3A與圖3B所示之陣列天線300所使用之電磁波的波長的兩倍設定為前述的距離d的時候，可以分別在TE模式測得如圖9與圖10所示的數據，以及在TM模式測得如圖11與圖12所示的數據。其中，圖9為陣列天線300在TE模式中測得的數據表，圖10為陣列天線300在加上天線罩10所成之雷達30在TE模式中測得的數據表，圖11為陣列天線300在TM模式中測得的數據表，圖12為陣列天線300在加上天線罩10所成之雷達30在TM模式中測得的數據表。從圖9～圖12所測得的數據可以得知，使用圖8所示的天線罩的確可以使雷達表現出來的半功率波束寬度相比陣列天線本身的半功率波束寬度呈現出大幅度的增加。
應注意的是，雖然在本實施例中是在劃分區塊時將所有的區塊210劃分為四方形且以陣列的樣式進行排列，但本領域的技術人員當可在滿足相位變化條件的情況下將各區塊劃分為不同形狀或以不同的方式進行排列，並不需以本實施例呈現的狀況為限。
總而言之，藉由採用上述技術，本發明提供的配置多金屬圖樣的天線罩藉由調整不同位置的金屬圖樣的大小來改變入射至天線罩的電磁波的相位，使得入射至天線罩不同位置處的電磁波能產生不同角度的偏折而最終呈現出擴散效果。因此，當在雷達上使用本發明提供的配置多金屬圖樣的天線罩時，由雷達發出的電磁波的波束寬度就可以因經過天線罩而產生擴散效果而得以涵蓋更廣大的區域，進而增加信號接收站可接收信號的角度。
10:天線罩
20:基底
30:雷達
100、102、104、106:金屬層
110、112、114:介電材質基板
200a、200b、200c、200d、260a、260b、260c、260d、810a、810b、810c、810d:金屬圖樣
210:區塊
250:金屬線
270a、270b、270d、820a、820b、820c、820d:金屬框
300:陣列天線
d:距離
圖1為根據本發明一實施例的配置多金屬圖樣的天線罩的側視圖。
圖2A為根據本發明一實施例的配置多金屬圖樣的天線罩的金屬層的上視圖。
圖2B為根據本發明另一實施例的配置多金屬圖樣的天線罩的金屬層的上視圖。
圖3A為根據本發明一實施例的使用多金屬圖樣天線罩的雷達的示意圖。
圖3B為圖3A的側視圖。
圖4為一實施例中的陣列天線300在橫電波模式中測得的數據表。
圖5為根據本發明一實施例的雷達在橫電波模式中測得的數據表。
圖6為一實施例中的陣列天線300在橫磁波模式中測得的數據表。
圖7為根據本發明一實施例的雷達在橫磁波模式中測得的數據表。
圖8為根據本發明又一實施例的配置多金屬圖樣的天線罩的金屬層的上視圖。
圖9為另一實施例中的陣列天線300在橫電波模式中測得的數據表。
圖10為根據本發明另一實施例的雷達在橫電波模式中測得的數據表。
圖11為另一實施例中的陣列天線300在橫磁波模式中測得的數據表。
圖12為根據本發明另一實施例的雷達在橫磁波模式中測得的數據表。
20:基底
200a、200b、200c、200d:金屬圖樣
210:區塊
250:金屬線
Claims (6)
- 一種配置多金屬圖樣的天線罩，其特徵在於包括： 多個介電材質基板；以及 多個金屬層，每一該些金屬層包括彼此絕緣的多個金屬圖樣及多個金屬框，該些金屬層中的一第一金屬層所包括的任一該些金屬圖樣與最接近該任一金屬圖樣的該些金屬框之一的最小距離為對應於該任一金屬圖樣的一間隔寬度，且該間隔寬度在自該第一金屬層的中心向外的方向上呈現先遞增再遞減後再遞增的趨勢； 其中，該些介電材質基板與該些金屬層一一間隔堆疊，該天線罩最外側的相對二層分別為該些金屬層之一，且每一該些金屬層包括的該些金屬圖樣的配置彼此相同。
- 如請求項1所述的天線罩，其中該第一金屬層包括不互相重疊且尺寸相同的多個區塊，每一該些區塊中設置有該些金屬圖樣之一及將該金屬圖樣框於其內的該些金屬邊框之一。
- 如請求項2所述的天線罩，其中該些區塊各自呈四方形且係以陣列的樣式排列。
- 一種使用多金屬圖樣天線罩的雷達，其特徵在於包括： 一陣列天線，適於發射或接收一第一電磁波；以及 一天線罩，包括： 多個介電材質基板；以及 多個金屬層，每一該些金屬層包括彼此絕緣的多個金屬圖樣及多個金屬框，該些金屬層中的一第一金屬層所包括的任一該些金屬圖樣與最接近該任一金屬圖樣的該些金屬框之一的最小距離為對應於該任一金屬圖樣的一間隔寬度，且該間隔寬度在自該第一金屬層的中心向外的方向上呈現先遞增再遞減後再遞增的趨勢； 其中，該些介電材質基板與該些金屬層一一間隔堆疊，該天線罩最外側的相對二表面分別為該些金屬層之一，每一該些金屬層包括的該些金屬圖樣及該些金屬框的配置彼此相同，且該天線罩被設置於離該陣列天線一預設距離的位置以使陣列天線經由該天線罩發射或接收該第一電磁波。
- 如請求項4所述的雷達，其中該第一金屬層包括不互相重疊且尺寸相同的多個區塊，每一該些區塊中設置有該些金屬圖樣之一及將該金屬圖樣框於其內的該些金屬邊框之一。
- 如請求項5所述的雷達，其中該些區塊各自呈四方形且係以陣列的樣式排列。
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