本發(fā)明涉及一種陣列天線與天線系統(tǒng)，尤指一種在水平方向及垂直方向達(dá)到相同的檢測(cè)范圍的陣列天線與天線系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

陣列天線是多個(gè)相同的天線按一定規(guī)律排列組成的天線系統(tǒng)，且通過(guò)調(diào)整陣列天線中天線組件的擺放方式，可使陣列天線達(dá)成特定的輻射場(chǎng)型，將主波束集中于特定的方向傳遞信號(hào)。舉例來(lái)說(shuō)，針對(duì)車用雷達(dá)系統(tǒng)，其陣列天線通常設(shè)定為對(duì)水平方向進(jìn)行二維檢測(cè)。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，僅水平方向的二維檢測(cè)可能受到來(lái)自高于水平面物體(如告示牌、交通標(biāo)志、橋梁、建筑物等)的反射，由于硬件的限制，常常造成錯(cuò)誤警報(bào)(False Alarm)，而降低系統(tǒng)效能。在此情形下，若能針對(duì)車用雷達(dá)系統(tǒng)提供具三維掃描功能的射頻系統(tǒng)，同時(shí)進(jìn)行水平與垂直方向的檢測(cè)，將有助于分辨來(lái)自水平或垂直方向的反射，增加系統(tǒng)可靠度，進(jìn)一步降低錯(cuò)誤發(fā)報(bào)率。

傳統(tǒng)上，要增加不同方向的檢測(cè)功能最直覺(jué)的方式是另外增加一組陣列天線，并調(diào)整天線組件的擺放方式，以針對(duì)垂直方向進(jìn)行檢測(cè)。然而，車用雷達(dá)系統(tǒng)是將無(wú)線信號(hào)收發(fā)器設(shè)置于車輛保險(xiǎn)桿或風(fēng)扇柵罩內(nèi)部，來(lái)進(jìn)行測(cè)距、信息交換等應(yīng)用。由于車輛保險(xiǎn)桿內(nèi)通常會(huì)設(shè)置吸震保麗龍或玻璃纖維等，可用空間極為受限，若要額外增加一組陣列天線，勢(shì)必有許多難度。更有甚者，若車用雷達(dá)系統(tǒng)的銷售目標(biāo)為車后市場(chǎng)，亦即雷達(dá)供貨商將無(wú)法參與決策保險(xiǎn)桿的材質(zhì)及厚度，在此情形下，為了盡可能適用大部分車輛，陣列天線的增益、面積、輻射場(chǎng)型等的設(shè)計(jì)要求將更為嚴(yán)格。

公知技術(shù)已發(fā)展出包含有水平極化天線以及垂直極化天線的雙極化天線系統(tǒng)，以提供水平及垂直方向的三維掃描功能。然而，公知雙極化天線系統(tǒng)的水平極化天線及垂直極化天線無(wú)法達(dá)到相同的檢測(cè)范圍，使得系統(tǒng)效能降低。另外，雙極化天線系統(tǒng)的水平極化天線及垂直極化天線需個(gè)別設(shè)計(jì)，且在制程上需通過(guò)特殊的堆棧結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)，其具有較高的設(shè)計(jì)復(fù)雜度及生產(chǎn)成本。

因此，如何在水平方向及垂直方向達(dá)到相同的檢測(cè)范圍，已成為業(yè)界所努力的目標(biāo)之一。

從而，需要提供一種陣列天線與天線系統(tǒng)來(lái)滿足上述需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的主要目的即在于提供一種在水平方向及垂直方向達(dá)到相同的檢測(cè)范圍的陣列天線與天線系統(tǒng)，以改善公知技術(shù)的缺點(diǎn)。

本發(fā)明公開(kāi)一種陣列天線，該陣列天線形成一主波束，該主波束朝向一波束方向，該陣列天線包括：多個(gè)輻射體，該多個(gè)輻射體具有多個(gè)中心線，該多個(gè)輻射體排列于一直線，該直線貫穿該多個(gè)中心線；以及多個(gè)蜿蜒件(Meander)，該多個(gè)蜿蜒件連接該多個(gè)輻射體；其中，該陣列天線設(shè)置于一第一平面，該波束方向與一法線方向之間具有非零度的一偏移角度，該法線方向垂直于該第一平面。

本發(fā)明還公開(kāi)一種天線系統(tǒng)，設(shè)置于一第一平面，包含有至少一偏移陣列天線，形成至少一偏移主波束，該至少一偏移主波束朝向至少一偏移波束方向；以及至少一第一陣列天線，形成至少一第一主波束，該至少一第一主波束朝向至少一第一波束方向；其中，該至少一第一波束方向與該至少一偏移波束方向具有非零的角度差。

本發(fā)明還公開(kāi)一種天線系統(tǒng)，該天線系統(tǒng)設(shè)置于一第一平面，該天線系統(tǒng)包括：至少一陣列天線，該至少一陣列天線形成至少一主波束，該至少一主波束朝向至少一波束方向；以及至少一偏移陣列天線，該至少一偏移陣列天線形成至少一偏移主波束，該至少一偏移主波束朝向至少一偏移波束方向；其中，該至少一波束方向與該至少一偏移波束方向具有非零的角度差。

本發(fā)明用蜿蜒件串連多個(gè)輻射體，使其主波束的波束方向偏移其設(shè)置平面的法線方向，并利用形成不同波束方向的陣列天線進(jìn)行垂直方向的掃描及檢測(cè)，使得本發(fā)明的天線系統(tǒng)在水平平面及垂直平面可達(dá)到相同的檢測(cè)范圍。

附圖說(shuō)明

圖1A為本發(fā)明實(shí)施例一陣列天線的俯視圖。

圖1B為本發(fā)明實(shí)施例一陣列天線的等角視圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例一天線系統(tǒng)的俯視圖。

圖3為圖2的天線系統(tǒng)的天線輻射場(chǎng)型圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例一天線系統(tǒng)的俯視圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例一天線系統(tǒng)的俯視圖。

圖6為圖1A的陣列天線的天線輻射場(chǎng)型圖。

圖7為圖2的天線系統(tǒng)的一差和比示意圖。

主要組件符號(hào)說(shuō)明：

10、200、202、204、402、504、 陣列天線

600～616、701～708

20、40、50、60、70 天線系統(tǒng)

FD_a、FD_b、FD_1 饋入點(diǎn)

MLB_a、MLB_b、MLB_2、MLB_4 主波束

D_a、D_b、D_2、D_4 波束方向

N 法線方向

θ_a、θ_b 角度

θ 角度差

PA、PA0、PA2、PA4 輻射體

MD 蜿蜒件

LS 中心線

LN、LN0、LN2、LN4 直線

PC、PC0、PC2、PC4 相位中心

PCL 相位中線

DS 直線距離

X、Y、Z 坐標(biāo)軸

S1 第一側(cè)

S2 第二側(cè)

DE、DA 方向

具體實(shí)施方式

請(qǐng)參考圖1A及圖1B，圖1A及圖1B為本發(fā)明實(shí)施例一陣列天線10的俯視圖及等角視圖，為了方便說(shuō)明，圖1A及圖1B標(biāo)示有X、Y、Z軸的坐標(biāo)系統(tǒng)。陣列天線10包含有多個(gè)輻射體PA及多個(gè)蜿蜒件(Meander)MD，多個(gè)蜿蜒件MD用來(lái)連接多個(gè)輻射體PA，多個(gè)輻射體PA排列于一直線LN，每一輻射體PA具有一中心線LS(即多個(gè)輻射體PA具有多個(gè)中心線LS)，直線LN貫穿(或串連)多個(gè)中心線LS，多個(gè)蜿蜒件MD連接多個(gè)輻射體PA，多個(gè)蜿蜒件MD的兩端分別連接至輻射體PA的中心線LS。陣列天線10具有一相位中心PC，陣列天線10對(duì)稱于相位中心PC。輻射體PA之間具有一直線距離DS，蜿蜒件MD具有一長(zhǎng)度L_MD，長(zhǎng)度L_MD大于直線距離DS且長(zhǎng)度L_MD與直線距離DS之間具有一長(zhǎng)度差δ，長(zhǎng)度差δ大于零。在一實(shí)施例中，長(zhǎng)度差δ可相關(guān)于陣列天線10所傳輸?shù)碾姶挪ǖ牟ㄩL(zhǎng)λ，例如，長(zhǎng)度差δ可為0.11倍的波長(zhǎng)。多個(gè)蜿蜒件MD可在多個(gè)輻射體PA之間形成一相位差相位差與蜿蜒件MD的長(zhǎng)度L_MD成正比，即蜿蜒件MD的長(zhǎng)度L_MD越長(zhǎng)，相位差越大。具體來(lái)說(shuō)，請(qǐng)參考圖6，圖6為陣列天線10的天線輻射場(chǎng)型圖，其中，虛線及粗黑線代表當(dāng)陣列天線10的蜿蜒件MD的長(zhǎng)度L_MD大于輻射體PA之間的直線距離DS(即長(zhǎng)度差δ大于零)時(shí)的輻射場(chǎng)型，而細(xì)黑線代表當(dāng)長(zhǎng)度差δ等于零時(shí)的輻射場(chǎng)型，由圖6可知，蜿蜒件MD的長(zhǎng)度L_MD與直線距離DS之間的長(zhǎng)度差δ可造成相位差進(jìn)而使陣列天線10所形成的主波束具有角度偏移。

具體來(lái)說(shuō)，陣列天線10可設(shè)置于由X軸與Y軸所構(gòu)成的一第一平面，第一平面具有一法線方向N，法線方向N垂直于第一平面(即平行于Z軸)。一般來(lái)說(shuō)，陣列天線10可形成一主波束(Mainlobe)MLB，而主波束MLB朝向一波束方向D，波束方向D與法線方向N之間具有非零度的一偏移角度θ。以圖1B為例，當(dāng)陣列天線10由一饋入點(diǎn)FD_b(即陣列天線10的一端)進(jìn)行饋入時(shí)，陣列天線10可形成一主波束MLB_a，而主波束MLB_a朝向一波束方向D_a，波束方向D_a與法線方向N之間具有非零度的一偏移角度θ_a；當(dāng)陣列天線10由一饋入點(diǎn)FD_a(即陣列天線10的另一端)進(jìn)行饋入時(shí)，陣列天線10可形成一主波束MLB_b，而主波束MLB_b朝向一波束方向D_b，波束方向D_b與法線方向N之間具有非零度的一偏移角度θ_b。

簡(jiǎn)言之，陣列天線10利用蜿蜒件MD，使輻射體PA之間形成相位差如此一來(lái)，陣列天線10所形成的主波束MLB的波束方向D可偏移第一平面的法線方向N。陣列天線10可應(yīng)用于一天線系統(tǒng)中。請(qǐng)參考圖2及圖3，圖2為本發(fā)明實(shí)施例一天線系統(tǒng)20的俯視圖，圖3為天線系統(tǒng)20的天線輻射場(chǎng)型圖，圖2及圖3亦標(biāo)示有X、Y、Z軸的坐標(biāo)系統(tǒng)。天線系統(tǒng)20為一發(fā)二收的頻率調(diào)制連續(xù)波FMCW(Frequency-Modulated Continuous Wave)雷達(dá)天線系統(tǒng)，其設(shè)置于由X軸與Y軸所構(gòu)成的一第一平面。天線系統(tǒng)20可應(yīng)用于車用雷達(dá)系統(tǒng)，其可垂直設(shè)置于車輛保險(xiǎn)桿或風(fēng)扇柵罩內(nèi)部，天線系統(tǒng)20包含一傳送陣列天線200、一陣列天線202以及一偏移陣列天線204，偏移陣列天線204可利用陣列天線10來(lái)實(shí)現(xiàn)，傳送陣列天線200用來(lái)傳送一信號(hào)，陣列天線202及偏移陣列天線204用來(lái)接收反射信號(hào)。具體來(lái)說(shuō)，陣列天線202形成一主波束MLB_2，主波束MLB_2朝向一波束方向D_2，而偏移陣列天線204形成一偏移主波束MLB_4，偏移主波束MLB_4朝向一偏移波束方向D_4，波束方向D_2與偏移波束方向D_4具有非零的一角度差θ。

詳細(xì)來(lái)說(shuō)，傳送陣列天線200包含有多個(gè)傳送輻射體PA0及多個(gè)直線連接件CN，多個(gè)傳送輻射體PA0排列于一直線LN0，傳送陣列天線200具有一傳送相位中心PC0，傳送陣列天線200對(duì)稱于傳送相位中心PC0；陣列天線202包含有多個(gè)輻射體PA2，多個(gè)輻射體PA2排列于一直線LN2，陣列天線202具有一相位中心PC2，陣列天線202對(duì)稱于相位中心PC2；偏移陣列天線204包含有多個(gè)偏移輻射體PA4及多個(gè)蜿蜒件MD，多個(gè)偏移輻射體PA4排列于一偏移直線LN4，偏移陣列天線204具有一偏移相位中心PC4，偏移陣列天線204對(duì)稱于偏移相位中心PC4。直線LN0、LN2、LN4相互平行，傳送相位中心PC0、相位中心PC2以及偏移相位中心PC4相互對(duì)齊于一相位中線PCL，相位中線PCL與直線LN0、LN2、LN4垂直。

需注意的是，陣列天線202中多個(gè)輻射體PA2是利用多個(gè)直線連接件CN相互串連成一序列，使得對(duì)應(yīng)于主波束MLB_2的波束方向D_2平行于第一平面的法線方向N(即Z軸方向)；而偏移陣列天線204中多個(gè)偏移輻射體PA4是利用多個(gè)蜿蜒件MD相互串連成一序列，多個(gè)蜿蜒件MD在輻射體PA之間形成相位差使得對(duì)應(yīng)偏移主波束MLB_4的偏移波束方向D_4與波束方向D_2之間具有非零的角度差θ。

更進(jìn)一步地，天線系統(tǒng)20還包含一處理單元206，處理單元206耦接于傳送陣列天線200、陣列天線202、偏移陣列天線204，即處理單元206通過(guò)多個(gè)饋入點(diǎn)FD_1耦接至傳送陣列天線200、陣列天線202、偏移陣列天線204。在天線系統(tǒng)20，多個(gè)饋入點(diǎn)FD_1皆位于天線系統(tǒng)20的一第一側(cè)S1，即傳送陣列天線200、陣列天線202、偏移陣列天線204皆由天線系統(tǒng)20的第一側(cè)S1饋入。處理單元206可操作于一比幅單脈沖模式(Amplitude-Comparison Mono-Pulse)或一比相單脈沖模式(Phase-Comparison Mono-Pulse)。在一實(shí)施例中，天線系統(tǒng)20設(shè)置于一XY平面，因陣列天線202與偏移陣列天線204在平行于一XZ平面的一第一方向DE上有不同角度的主波束MLB_2、MLB_4，天線系統(tǒng)20可通過(guò)傳送陣列天線200、陣列天線202、偏移陣列天線204操作于比幅單脈沖模式，以在XZ平面(第一方向DE)上進(jìn)行目標(biāo)物的檢測(cè)與角度辨識(shí)。同時(shí)，主波束MLB_2、MLB_4在平行于一YZ平面的一第二方向DA并沒(méi)有角度差，因此天線系統(tǒng)20可通過(guò)傳送陣列天線200、陣列天線202、偏移陣列天線204操作于比相單脈沖模式，在YZ平面(第二方向DA)上進(jìn)行目標(biāo)物的檢測(cè)與角度辨識(shí)。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)天線系統(tǒng)20垂直設(shè)置于一垂直面時(shí)，即XY平面為一垂直平面，YZ平面為一水平平面，第一方向DE即為一垂直方向(Elevation Direction)，而第二方向DA即為一水平方向(Azimuth Direction)，第一方向DE與第二方向DA垂直。

請(qǐng)參考圖7，圖7為天線系統(tǒng)20操作于比幅單脈沖模式時(shí)的一差和比(Delta-Sum Ratio，Δ/Σ)的示意圖，由圖7可知，天線系統(tǒng)20可在XZ平面上進(jìn)行目標(biāo)物的檢測(cè)與角度辨識(shí)，且角度辨識(shí)范圍大約為正負(fù)10度。

除此之外，請(qǐng)參考圖4，圖4為本發(fā)明實(shí)施例一天線系統(tǒng)40的俯視圖，圖4亦標(biāo)示有X、Y、Z軸的坐標(biāo)系統(tǒng)。天線系統(tǒng)40與天線系統(tǒng)20相似，故相同組件沿用相同符號(hào)。與天線系統(tǒng)20不同的是，天線系統(tǒng)40還包含一陣列天線402，陣列天線402用來(lái)接收反射信號(hào)，即天線系統(tǒng)40為一發(fā)三收的天線系統(tǒng)，陣列天線402具有與陣列天線202相同的結(jié)構(gòu)，即陣列天線202、402所形成主波束朝向與Z軸平行的波束方向。天線系統(tǒng)40可通過(guò)傳送陣列天線200與陣列天線202、402操作于比相單脈沖模式，同時(shí)，天線系統(tǒng)40可通過(guò)傳送陣列天線200與陣列天線202及偏移陣列天線204(或通過(guò)傳送陣列天線200與陣列天線402及偏移陣列天線204)操作于比幅單脈沖模式。同樣地，當(dāng)天線系統(tǒng)40設(shè)置于垂直平面時(shí)，天線系統(tǒng)40可利用比相單脈沖模式在平行于YZ平面的第二方向DA上進(jìn)行目標(biāo)物的檢測(cè)與角度辨識(shí)，同時(shí)天線系統(tǒng)40可利用比幅單脈沖模式在XZ平面上進(jìn)行目標(biāo)物的檢測(cè)與角度辨識(shí)。需注意的是，在天線系統(tǒng)20中，偏移陣列天線204的YZ平面上的分量具有比陣列天線202小的增益，導(dǎo)致檢測(cè)距離較短；相比之下，天線系統(tǒng)20利用陣列天線202、402增加平行于YZ平面的增益，增加YZ平面上的檢測(cè)距離。另外，天線系統(tǒng)40利用陣列天線202、402及偏移陣列天線204共三個(gè)陣列天線來(lái)接收反射信號(hào)，且利用不同陣列天線分別操作于比相單脈沖模式與比幅單脈沖模式，因此，相比天線系統(tǒng)20，天線系統(tǒng)40在進(jìn)行第一方向DE與第二方向DA的角度檢測(cè)時(shí)具有較佳的隔離度。

另外，請(qǐng)參考圖5，圖5為本發(fā)明實(shí)施例一天線系統(tǒng)50的俯視圖，圖5亦標(biāo)示有X、Y、Z軸的坐標(biāo)系統(tǒng)。天線系統(tǒng)50與天線系統(tǒng)40相似，故相同組件沿用相同符號(hào)。與天線系統(tǒng)40不同的是，天線系統(tǒng)50還包含一偏移陣列天線504，偏移陣列天線504具有與偏移陣列天線204相同的結(jié)構(gòu)，偏移陣列天線504亦用來(lái)接收反射信號(hào)，即天線系統(tǒng)50為一發(fā)四收的天線系統(tǒng)。另外，偏移陣列天線504的饋入位置與傳送陣列天線200、陣列天線202、402及偏移陣列天線204的饋入位置不同，換句話說(shuō)，傳送陣列天線200、陣列天線202、402及偏移陣列天線204是由天線系統(tǒng)50的饋入點(diǎn)位于一第一側(cè)S1(即由第一側(cè)S1耦接至天線系統(tǒng)50的一處理單元506)，而偏移陣列天線504是由天線系統(tǒng)50的饋入點(diǎn)位于一第二側(cè)S2(即由第二側(cè)S2耦接至天線系統(tǒng)50的處理單元506)。需注意的是，偏移陣列天線204與偏移陣列天線504的饋入位置不同，導(dǎo)致偏移陣列天線204、504所形成的主波束分別偏移Z軸一正角度及一負(fù)角度，因應(yīng)不同應(yīng)用，天線系統(tǒng)50可通過(guò)傳送陣列天線200與偏移陣列天線204、504操作于比幅單脈沖模式，使得天線系統(tǒng)50在XZ平面上相比天線系統(tǒng)40具有較寬廣的掃描及檢測(cè)角度。

需注意的是，前述實(shí)施例是用以說(shuō)明本發(fā)明的概念，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)可據(jù)以做不同的修飾，而不限于此。舉例來(lái)說(shuō)，在圖4中，天線系統(tǒng)40不限于通過(guò)傳送陣列天線200與陣列天線202、402操作于比相單脈沖模式，只要天線系統(tǒng)40通過(guò)陣列天線202、402及偏移陣列天線204其中之二接收反射信號(hào)，天線系統(tǒng)40的處理單元206即可控制天線系統(tǒng)40操作于比相單脈沖模式，也就是說(shuō)，天線系統(tǒng)40通過(guò)陣列天線202、402及偏移陣列天線204其中的任二陣列天線操作于比相單脈沖模式，亦屬于本發(fā)明的范疇。

另外，在圖5中，天線系統(tǒng)50不限于通過(guò)傳送陣列天線200與偏移陣列天線204、504操作于比幅單脈沖模式，只要天線系統(tǒng)50通過(guò)可形成不同波束方向的任二陣列天線接收反射信號(hào)，天線系統(tǒng)50的處理單元206即可控制天線系統(tǒng)50操作于比幅單脈沖模式。舉例來(lái)說(shuō)，天線系統(tǒng)50可通過(guò)陣列天線202、402其中的一陣列天線以及偏移陣列天線204、504其中的一偏移陣列天線接收反射信號(hào)，天線系統(tǒng)50即可操作于比幅單脈沖模式，亦屬于本發(fā)明的范疇。另外，天線系統(tǒng)50可通過(guò)陣列天線202、402及偏移陣列天線204、504其中的任二陣列天線接收反射信號(hào)，天線系統(tǒng)50的處理單元206即可控制天線系統(tǒng)50操作于比相單脈沖模式，亦屬于本發(fā)明的范疇。

綜上所述，本發(fā)明用蜿蜒件串連多個(gè)輻射體，使其主波束的波束方向偏移其設(shè)置平面的法線方向，并利用形成不同波束方向的陣列天線進(jìn)行垂直方向的掃描及檢測(cè)，使得本發(fā)明的天線系統(tǒng)在水平平面及垂直平面可達(dá)到相同的檢測(cè)范圍。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡是根據(jù)本發(fā)明權(quán)利要求書所做的等同變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。