天线阵列装置的制作方法

1.本发明涉及五代新无线电(5g new radio，5g nr)的技术，尤其涉及一种天线阵列装置。


背景技术：

2.在第五代新无线电(5g new radio，5g nr)毫米波(mmwave)天线阵列(antenna array)中，扫描角度(steering angle)是对天线波束(antenna beam)可达到的扫描范围的衡量指标。然而，由于天线阵列在收发信号时往往会产生表面波(surface wave)，天线阵列之间会产生耦合效应(coupling effect)，其扫描角度往往会受到影响。因此，要如何减少天线阵列之间的耦合效应以达到对称扫描场型并增加较大扫描角度的增益是本领域技术人员急欲解决的问题。


技术实现要素：

3.本发明提供一种天线阵列装置，其包括接地面、基板、天线阵列以及多个贴片元件。基板设置于接地面上。天线阵列设置于基板上。以及多个贴片元件设置于基板上并环绕排列于天线阵列周围，且多个贴片元件未连接于接地面。
4.本发明提供一种天线阵列装置，其包括接地面、基板、多个天线阵列以及多个贴片元件。基板设置于接地面上。多个天线阵列，置于该板上。以及多个贴片元件设置于该板上并环绕排列于多个天线阵列中的各者周围，且多个贴片元件未连接于接地面。
5.基于上述，本发明提供的天线阵列装置可通过环绕天线阵列周围的未接地的多个贴片元件，减少天线阵列之间的耦合效应并增加较大扫描角度的增益。
附图说明
6.图1是本发明的实施例示出天线阵列装置的俯视图；
7.图2根据本发明的实施例示出天线阵列装置中的侧视图；
8.图3是本发明的另一实施例示出天线阵列装置的俯视图；
9.图4根据本发明的另一实施例示出天线阵列装置的水平极化在水平方向扫描的辐射效率(radiation efficiency)以及天线增益(antenna gain)的示意图；
10.图5根据本发明的另一实施例示出天线阵列装置的水平极化在垂直方向扫描的辐射效率以及天线增益的示意图。
11.附图标号说明
12.100、200：天线阵列装置
13.ant：天线单元
14.arr、arr1～arr4：天线阵列
15.pat：贴片元件
16.fp：馈入点
17.a1～a3：环形区域
18.d1、d3：距离
19.d2：最小距离
20.s：基板
21.g：接地面
22.he1、ve1、he2、ve2：辐射效率的曲线
23.hg1、vg1、hg2、vg2：天线增益的曲线
具体实施方式
24.图1是本发明的实施例示出天线阵列装置100的俯视图，其中图1是在x-y平面上的俯视图。图2根据本发明的实施例示出天线阵列装置100中的侧视图，其中图2是在x-z平面上的侧视图。同时参照图1以及图2，本发明的天线阵列装置100包括接地面g、基板s、天线阵列arr以及多个贴片元件pat，其中基板s设置于接地面g上，天线阵列arr设置于基板s上，以及多个贴片元件pat设置于基板s上并环绕排列于天线阵列arr周围，且这些贴片元件pat未连接于接地面g(即，采用浮接的方式)。
25.在一些实施例中，接地面g可以是由铜箔等金属材质制成。在一些实施例中，基板s可以是由绝缘的材质所制成的印刷电路板(printed circuit board，pcb)，其中基板s的材质可以是铁氟龙(ptfe)或环氧树酯(fr4)等常用以制造pcb的材质。
26.在一些实施例中，天线阵列arr可包括多个天线单元ant，这些天线单元ant中的相邻二者之间的距离d1可以是天线阵列arr的操作频带的中心频率的二分之一倍波长，其中这些天线单元ant以及上述多个贴片元件pat可以是印刷于基板s上的多个金属片。
27.在一些实施例中，天线单元ant的数量可以是2的n次方，其中n可以是任意的正整数。在较佳的实施例中，天线单元ant的数量可以是16。
28.在一些实施例中，天线单元ant可以是单极化天线单元或双极化天线单元等任意设置于天线阵列中的天线单元，并没有针对天线单元ant有特别的限制。在较佳的实施例中，天线单元ant可以是双极化天线单元，且可以是贴片天线(patch antenna)单元，其中天线单元ant可具有第一极化方向以及第二极化方向。举例而言，天线单元ant可具有在x-y平面上在x方向的水平极化以及在y方向的垂直极化。
29.在一些实施例中，天线单元ant的形状可以是任意形状的金属片(例如，正方形、矩形或菱形等)，并没有对天线单元ant有特别的限制。在较佳的实施例中，天线单元ant的形状可以是正方形。
30.在一些实施例中，天线单元ant可以具有两个馈入点fp，其中这两个馈入点fp分别用以馈入信号而接收或发射双极化信号。举例而言，天线单元ant的两个馈入点fp皆连接于与基板s平行的另一基板(未示出)，且分别用以馈入信号而接收或发射在x-y平面上在x方向的水平极化的信号以及在y方向的垂直极化的信号。
31.在一些实施例中，多个天线单元ant上的馈入点fp可采用对称设置的方式(例如，第1～2行的天线单元ant具有靠左的馈入点fp，第3～4行的天线单元ant具有靠右的馈入点fp，以产生水平极化的信号。第1～2列的天线单元ant具有靠上的馈入点fp，以及第3～4列的天线单元ant具有靠下的馈入点fp，以产生垂直极化的信号)。
32.在一些实施例中，多个贴片元件pat可由内而外设置于基板s上，并沿着环形区域a1～a3排列，其中环形区域a1～a3的形状为中空正方形。再者，这些贴片元件pat的几何中心与多个天线单元ant的几何中心之间的最小距离d2可大于等于天线阵列arr的操作频带的中心频率的四分之一倍波长，且小于等于天线阵列arr的操作频带的中心频率的四分之三倍波长。
33.详细而言，多个贴片元件pat可在环形区域a1～a3中排列成3个中空正方形的形状，且环形区域a1中的贴片元件pat的几何中心与天线阵列arr中排列于最外围的天线单元ant的几何中心之间存在一个最小距离d2。最小距离d2可以是天线阵列arr的操作频带的中心频率的四分之一倍波长，且小于等于天线阵列arr的操作频带的中心频率的四分之三倍波长。
34.值得注意的是，具有贴片元件pat的环形区域的数量可以是任意不小于2的正整数，并没有对环形区域的数量有特别的限制。在较佳的实施例中，环形区域的数量可以是3。
35.在一些实施例中，贴片元件pat的形状也可以是任意形状的金属片(例如，正方形、矩形或菱形等)，并没有对贴片元件pat的形状有特别的限制。在较佳的实施例中，贴片元件pat的形状可以是正方形，且贴片元件pat的面积可以与天线单元ant的面积相等。
36.在一些实施例中，多个贴片元件pat中的相邻二者的几何中心之间的距离d3可大于等于天线阵列arr的操作频带的中心频率的四分之一倍波长，且小于等于天线阵列arr的操作频带的中心频率的四分之三倍波长。在较佳的实施例中，距离d3可以相等于上述距离d1以及上述最小距离d2。
37.详细而言，环形区域a1中的相邻两个贴片元件pat的几何中心之间存在距离d3。环形区域a2中的相邻两个贴片元件pat的几何中心之间也存在距离d3。环形区域a3中的相邻两个贴片元件pat的几何中心之间也存在距离d3。再者，环形区域a1中的贴片元件pat的几何中心与环形区域a2中的贴片元件pat的几何中心之间存在与距离d3相等的另一最小距离。环形区域a2中的贴片元件pat的几何中心与环形区域a3中的贴片元件pat的几何中心之间也存在与距离d3相等的另一最小距离。
38.在一些实施例中，天线阵列arr可以与多个贴片元件pat共振，以增加天线阵列arr在水平方向扫描的辐射效率(radiation efficiency)以及天线增益(antenna gain)以及垂直方向扫描的辐射效率以及天线增益。
39.详细而言，当天线阵列arr传送或接收信号时，天线阵列arr可能会在基板s产生表面波(surface wave)。表面波会影响天线阵列arr在水平方向的大扫描角度(steering angle)的辐射效率以及天线增益，也会影响在垂直方向的大扫描角度的辐射效率以及天线增益。
40.为防止上述影响，可通过由内而外并沿着环形区域a1～a3排列的多个贴片元件pat与此表面波共振，以大大增加天线阵列arr在水平方向以及垂直方向的大扫描角度的辐射效率以及天线增益。
41.基于上述，通过由内而外并沿着环形区域a1～a3排列的多个贴片元件pat，将可大大增加天线阵列装置100的大扫描角度的辐射效率以及天线增益。
42.图3是本发明的另一实施例示出天线阵列装置200的俯视图。参照图3，天线阵列装置200具有与图1的天线阵列装置100相似的结构，两者的差异仅在天线阵列的数量，其中天
线阵列arr1～arr4以及分别环绕天线阵列arr1～arr4周围的贴片元件pat皆具有与天线阵列装置100相同的结构。因此，在此仅针对差异点加以说明，其余相似的地方不再加以赘述。
43.首先，天线阵列装置200包括4个天线阵列arr1～arr4。在一些实施例中，天线阵列装置200中的天线阵列的数量可以是任意大于1的正整数，并没有对天线阵列的数量有特别的限制。在较佳的实施例中，天线阵列装置200中的天线阵列的数量可以是4。
44.值得注意的是，天线阵列arr1～arr4周围的这些贴片元件pat除了可增加天线阵列arr1～arr4在水平方向以及垂直方向的大扫描角度的辐射效率以及天线增益，更可大大减少天线阵列arr1～arr4所产生的表面波对邻近的天线阵列所造成的干扰而引起的扫描不对称性。
45.换言之，通过天线阵列arr1～arr4周围的这些贴片元件pat的排列方式，可大大增加天线阵列arr1～arr4的水平方向与垂直方向的扫描角度以及天线阵列arr1～arr4之间的隔离度。
46.基于上述，通过环绕天线阵列arr1～arr4周围的多个贴片元件pat，将可大大增加天线阵列装置200的大扫描角度的辐射效率以及天线增益，并大大增加天线阵列装置200中的天线阵列arr1～arr4之间的隔离度。
47.以下说明以水平极化为例，垂直极化的效果亦然，不予赘述。图4根据本发明的另一实施例示出天线阵列装置200的水平极化在水平方向扫描的辐射效率以及天线增益的示意图。同时参照图3以及图4，当天线阵列arr1～arr4不具有环绕周围的贴片元件pat且紧邻设置于彼此时，天线阵列arr4在水平方向扫描角度为-50～50度的情况下具有水平极化的辐射效率的曲线he2。而当采用天线阵列装置200的结构时，天线阵列arr4在扫描角度的方位角为-50～50度的情况下具有水平极化方向的辐射效率的曲线he1。由此可知，当水平方向扫描角度为-50～-30度以及30～50度时，天线阵列装置200可在水平方向增加10％～15％的辐射效率，同时，扫描在相同的正负角度上的值更加一致。再者，当天线阵列arr1～arr4不具有环绕周围的贴片元件pat且紧邻设置于彼此时，天线阵列arr4在水平方向扫描角度为-50～50度的情况下具有水平的天线增益的曲线hg2。而当采用天线阵列装置200的结构时，天线阵列arr4在水平方向扫描角度为-50～50度的情况下具有水平极化的天线增益的曲线hg1。由此可知，当水平方向扫描角度为-50～-30度以及30～50度时，天线阵列装置200可在水平方向增加2db～3db的天线增益，同时，天线阵列装置200的扫描在相同的正负角度上的值更加一致。
48.图5根据本发明的另一实施例示出天线阵列装置200的水平极化在垂直方向的扫描辐射效率以及天线增益的示意图。同时参照图3以及图5，当天线阵列arr1～arr4不具有环绕周围的贴片元件pat且紧邻设置于彼此时，天线阵列arr4在垂直扫描角度为-50～50度的情况下具有水平极化的辐射效率的曲线ve2。而当采用天线阵列装置200的结构时，天线阵列arr4在垂直方向扫描角度为-50～50度的情况下具有水平极化的辐射效率的曲线ve1。由此可知，当垂直方向扫描角度为-50～-30度以及30～50度时，天线阵列装置200可在垂直方向增加5％～10％的辐射效率。
49.再者，当天线阵列arr1～arr4不具有环绕周围的贴片元件pat且紧邻设置于彼此时，天线阵列arr4在垂直方向扫描角度为-50～50度的情况下具有水平极化的天线增益的曲线vg2。而当采用天线阵列装置200的结构时，天线阵列arr4在垂直方向扫描角度为-50～
50度的情况下具有水平极化方向的天线增益的曲线vg1。由此可知，当垂直扫描角度为-50～-30度以及30～50度时，天线阵列装置200可在垂直方向增加0.2db～1.5db的天线增益。
50.综上所述，本发明的天线阵列装置可利用上述不接地的贴片元件的设置方式大大增加天线阵列的大扫描角度的辐射效率以及天线增益。此外，贴片元件也可大大增加多个天线阵列之间的隔离度。
51.虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。