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TWI863321B - 天線罩及使用其的雷達 - Google Patents

天線罩及使用其的雷達 Download PDF

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TWI863321B TW112120381A TW112120381A TWI863321B TW I863321 B TWI863321 B TW I863321B TW 112120381 A TW112120381 A TW 112120381A TW 112120381 A TW112120381 A TW 112120381A TW I863321 B TWI863321 B TW I863321B
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Abstract

本文內容描述一種天線罩及使用其的雷達,其中,天線罩係由一種介電材質所組成,此介電材質的厚度在沿著天線罩的中心往外延伸的方向上係先逐漸變大而後再逐漸變小。

Description

天線罩及使用其的雷達
本發明是有關於一種天線罩及使用其的雷達,特別是有關於一種厚度呈現波浪狀變化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,就可以輕易地擴大雷達的視野。
從一個角度來看,本發明提供了一種天線罩,此天線罩係由一種介電材質所組成,此介電材質的厚度在沿著天線罩的中心往外延伸的方向上係先逐漸變大而後再逐漸變小。
在一個實施例中,上述的介電材質包括位於天線罩最外側且相對的第一外側面與第二外側面,此第一外側面為平坦的平面,此第二外側面在沿著天線罩的中心往外延伸的方向上係先逐漸遠離第一外側面而後再逐漸靠近第一外側面。進一步的,在一個實施例中,前述的第二外側面為階梯狀。
從另一個角度來看,本發明提供了一種雷達,其包括天線及天線罩。其中,天線與天線罩的中心距離一段預設長度,天線係經過天線罩以發射或接收電磁波,天線罩係由一種介電材質所組成,且此介電材質的厚度在沿著天線罩的中心往外延伸的方向上係先逐漸變大而後再逐漸變小。
在一個實施例中,上述的介電材質包括位於天線罩最外側且相對的第一外側面與第二外側面,此第一外側面為平坦的平面,此第二外側面在沿著天線罩的中心往外延伸的方向上係先逐漸遠離第一外側面而後再逐漸靠近第一外側面。進一步的,在一個實施例中,前述的第二外側面為階梯狀。在一個實施例中,前述的第一外側面朝向天線。
藉由採用上述技術,本發明提供的天線罩藉由將其厚度設計為 波浪狀來改變入射至天線罩不同部位的電磁波的相位延遲,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。據此,當在雷達上使用本發明提供的天線罩時,因為電磁波的波束寬度會因經過天線罩而產生擴散效果,所以不僅在發送電磁波時可以涵蓋更廣大的區域,連在接收電磁波時也可以擴大雷達可接收到信號的角度。
請合併參照圖1與圖2,其中,圖1為根據本發明一實施例的天線罩的上視圖,圖2為圖1所示之實施例沿著剖面線AA’而得的剖面圖。在本實施例中,天線罩10是由單一的介電材質所組成,且其被虛擬劃分為包括一個中心區域100與多個環狀區域102~118的多個區域。如圖所示,中心區域100位在天線罩10的中心部位,環狀區域102緊鄰並圍繞中心區域100,環狀區域104緊鄰並圍繞環狀區域102,環狀區域106緊鄰並圍繞環狀區域104,環狀區域108緊鄰並圍繞環狀區域106,環狀區域110緊鄰並圍繞環狀區域108,環狀區域112緊鄰並圍繞環狀區域110,環狀區域114緊鄰並圍繞環狀區域112,環狀區域116緊鄰並圍繞環狀區域114,環狀區域118緊鄰並圍繞環狀區域116。
為了使經過天線罩的電磁波的波束寬度能獲得擴散效果,在本發明中是將天線罩的厚度變化設計成依照由天線罩中心到外圍的順序呈現出先由薄變厚再由厚變薄的狀況。如圖2所示,在從中心區域100到環狀區域110的這一個區段中,天線罩10的厚度是由內而外逐漸變大,亦即環狀區域102的厚度大於中心區域100的厚度,環狀區域104的厚度大於環狀區域102的厚度,環狀區域106的厚度大於環狀區域104的厚度,環狀區域108的厚度大於環狀區域106的厚度,環狀區域110的厚度大於環狀區域108的厚度;同時,在從環狀區域110到環狀區域118的這一個區段中,天線罩10的厚度是由內而外逐漸變小,亦即環狀區域112的厚度小於環狀區域110的厚度,環狀區域114的厚度小於環狀區域112的厚度,環狀區域116的厚度小於環狀區域114的厚度,環狀區域118的厚度小於環狀區域116的厚度。
為了達到上述厚度變化的需求,在本實施例中是將天線罩10的其中一個外側面(後稱為第一外側面)150A設計成平坦的平面,並將與第一外側面150A相對的另一個外側面(後稱為第二外側面)150B依照厚度改變的需求而設計成對應的起伏狀態。於是,由圖2可以看得出來,在中心區域100到環狀區域110的這一個區段中,隨著各區域與天線罩10的中心的距離增加,第二外側面150B就會逐漸遠離第一外側面150A;相對的,在環狀區域110到環狀區域118的這一個區段中,隨著各區域與天線罩10的中心的距離增加,第二外側面150B會反過來變成逐漸靠近第一外側面150A。
應注意的是,雖然在上述實施例中是以平坦的第一外側面150A搭配階梯狀的第二外側面150B來達到改變天線罩10的各區域的厚度的目的,但本領域的技術人員當知可以採取其他的設計方式來達到符合所需的厚度變化的結果。例如,可以採用兩外側面皆為階梯狀的方式來設計天線罩的外觀,這並不影響本發明的施行。除此之外,本領域的技術人員也可以依照需求來調整天線罩10所包括的每個區域的大小以及區域的數量。這樣的調整雖然會影響到設計時所需耗費的計算及人力成本,但同樣不影響本發明的施行。再者,雖然在本說明書提出的各實施例中都是以圓形的天線罩為例來進行說明,但這只是為了說明上的簡便而為之,本領域的技術人員當可在不違背本發明的技術精神的前提下將天線罩設計成其他形狀。
為了使波束寬度所獲得的擴散效果能符合需求,上述各區域的厚度必須經過適當的設計。根據廣義折射定律及現有文件提供的理論基礎,例如Pengfei Zhang, Shuxi Gong與Raj Mittra於2018年2月在IEEE Transactions on Antennas and Propagation上發表的Beam-Shaping Technique Based on Generalized Laws of Refraction and Reflection一文,以及Zhengbin Wang, J.Shi與Jin-chang Chen於2015年5月在IEEE Transactions on Antennas and Propagation上發表的High-Efficiency Electromagnetic Wave Controlling with All-Dielectric Huygens’ Metasurfaces一文,設計人員可以先計算出為了使擴散效果能符合需求而必須在每個區域實現多少的折射角度,然後再根據每個區域必須實現的折射角度來計算每個區域所需達到的相位延遲量。最後,所獲得的每一個相位延遲量就可以被分別代入到橫電波(Transverse Electric,TE)模式的方程式及橫磁波(Transverse Magnetic,TM)模式的方程式中,以藉此求得與此相位延遲量對應的區域的厚度的數值。
接著請參照圖3,其為根據本發明一實施例的雷達的示意圖。在本實施例中,雷達20包括了一個天線22以及說明如上的天線罩10。為了使天線22能經過天線罩10來發射或接收電磁波,天線罩10會被設置在天線22上方且與天線之間的距離為長度d的位置。如本領域的技術人員所知,用於製造天線罩10的介電材質以及與天線罩10搭配使用的頻率數值等參數,都會影響最終設計出來的天線罩10的厚度。以下提供實際數據以供本領域的技術人員參考。
在一個實施例中,天線罩10被設計成能夠與使用KU波段接收端頻率(10.7GHz~12.7GHz)的天線22來搭配使用。在這個實施例中,天線罩10是以介電係數約為2.72的介電材質所製成,天線罩10的第一外側面150A朝向天線,且天線罩10被設置於天線22上方約20公分處。
根據上述條件進行設計所獲得的天線罩10的各項參數如圖4所示,其中,半徑表示的是各區域與天線罩10的中心點的最大距離。舉例來說,中心區域100是以天線罩10的中心為中心、半徑為17.498公釐,且厚度為2.73公釐的圓形區塊;環狀區域102是以天線罩10的中心為中心、介於半徑為35.265公釐的圓形邊界與半徑為17.498公釐的圓形邊界之間,且厚度為3.41公釐的環狀區塊;環狀區域104是以天線罩10的中心為中心、介於半徑為53.69公釐的圓形邊界與半徑為35.265公釐的圓形邊界之間,且厚度為5.07公釐的環狀區塊。其他區域的大小及厚度等參數可依照圖4所示內容及上述說明方式類推而得,在此不一一詳述。
接下來請參照圖5、圖6、圖7與圖8,其中,圖5為未採用天線罩的天線22在TE模式中所測得的數據表,圖6為使用圖4天線罩及圖5天線的雷達20在TE模式中測得的數據表,圖7為未使用天線罩的天線22在TM模式中所測得的數據表,圖8為使用圖4天線罩及圖5天線的雷達20在TM模式中測得的數據表。從圖5~圖8所測得的數據可以得知,本實施例中的雷達20表現出來的半功率波束寬度(Half-Power Beam Width,HPBW)相比天線22本身的半功率波束寬度的確呈現出大幅度的增加。由此可知,本發明提出的天線罩的確可以增加電磁波的波束寬度,所以可以產生擴散效果。
在另一個實施例中,天線罩10被設計成能夠與使用KU波段發射端頻率(14GHz~14.5GHz)的天線22來搭配使用。在這個實施例中,天線罩10同樣是以介電係數約為2.72的介電材質所製成,天線罩10的第一外側面150A朝向天線,且天線罩10同樣被設置於天線22上方約20公分處。
根據上述條件進行設計所獲得的天線罩10的各項參數如圖9所示,其中,各數據的解讀方式如圖4所示之實施例,在此就不再贅述。圖10及圖12為本實施例中未採用任何天線罩的天線所發出的電磁波的各項數據,圖11及圖13為分別為具有圖10及圖12的物理特性的天線搭配具有圖9所示參數的天線罩而成的雷達所發出的電磁波的各項數據。同樣的,從圖10~圖13所測得的數據可以得知,本實施例中的雷達20表現出來的半功率波束寬度相比天線22本身的半功率波束寬度的確呈現出大幅度的增加。由此可知,本發明提出的天線罩的確可以增加電磁波的波束寬度,所以可以產生擴散效果。
根據上述說明可知,本發明提供的天線罩藉由將其厚度設計為 波浪狀來改變入射至天線罩不同部位的電磁波的相位延遲,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。據此,當在雷達上使用本發明提供的天線罩時,因為電磁波的波束寬度會因經過天線罩而產生擴散效果,所以不僅在發送電磁波時可以涵蓋更廣大的區域,連在接收電磁波時也可以擴大雷達可接收到信號的角度。
10:天線罩 20:雷達 22:天線 100:中心區域 102、104、106、108、110、112、114、116、118:環狀區域 AA’:剖面線 d:長度
圖1為根據本發明一實施例的天線罩的上視圖。 圖2為圖1所示之天線罩沿著剖面線AA’所得的剖面圖。 圖3為根據本發明一實施例的雷達的示意圖。 圖4為根據本發明一實施例的天線罩的設計參數。 圖5為未使用天線罩的天線在TE模式中測得的數據表。 圖6為使用圖4天線罩及圖5天線的雷達在TE模式中測得的數據表。 圖7為未使用天線罩的天線在TM模式中測得的數據表。 圖8為使用圖4天線罩及圖5天線的雷達在TM模式中測得的數據表。 圖9為根據本發明一實施例的天線罩的設計參數。 圖10為未使用天線罩的天線在TE模式中測得的數據表。 圖11為使用圖9天線罩及圖10天線的雷達在TE模式中測得的數據表。 圖12為未使用天線罩的天線在TM模式中測得的數據表。 圖13為使用圖9天線罩及圖10天線的雷達在TM模式中測得的數據表。
100:中心區域
102、104、106、108、110、112、114、116、118:環狀區域
AA’:剖面線

Claims (7)

  1. 一種天線罩,其特徵在於該天線罩係由一介電材質所組成,其中,自該天線罩的中心至該天線罩的最外圍,該介電材質的厚度在沿著該天線罩的中心往外延伸的方向上係先逐漸變大而後再逐漸變小,在該介電材質的厚度逐漸變大的過程中,該介電材質的厚度在沿著該天線罩的中心往外延伸的方向上不會變薄,且在該介電材質的厚度逐漸變小的過程中,該介電材質的厚度在沿著該天線罩的中心往外延伸的方向上不會變厚,其中,該介電材質包括多個環狀區域,該些環狀區域組合後使該介電材質表面呈階梯狀且相鄰的兩個該些環狀區域具有不同厚度,該些環狀區域的厚度係設計成令使用該天線罩的一天線的波束寬度大於未使用該天線罩的該天線的波束寬度。
  2. 如請求項1所述的天線罩,其中該介電材質包括位於該天線罩最外側且相對的一第一外側面與一第二外側面,該第一外側面為平坦的平面,該第二外側面與該第一外側面之間的距離在沿著該天線罩的中心往外延伸的方向上係先逐漸變大而後再逐漸變小。
  3. 如請求項2所述的天線罩,其中該第二外側面為階梯狀。
  4. 一種雷達,其特徵在於包括:一天線;以及一天線罩,該天線罩係由一介電材質所組成,自該天線罩的中心至該天線罩的最外圍,該介電材質的厚度在沿著該天線罩的中心往外延伸的方向上係先逐漸變大而後再逐漸變小,在該介電材質的厚度逐漸變大的過程中,該 介電材質的厚度在沿著該天線罩的中心往外延伸的方向上不會變薄,且在該介電材質的厚度逐漸變小的過程中,該介電材質的厚度在沿著該天線罩的中心往外延伸的方向上不會變厚,其中,該天線與該天線罩的中心距離一預設長度,且該天線係經過該天線罩以發射或接收電磁波,該介電材質包括多個環狀區域,該些環狀區域組合後使該介電材質表面呈階梯狀且相鄰的兩個該些環狀區域具有不同厚度,該些環狀區域的厚度係設計成令使用該天線罩的一天線的波束寬度大於未使用該天線罩的該天線的波束寬度。
  5. 如請求項4所述的雷達,其中該介電材質包括位於該天線罩最外側且相對的一第一外側面與一第二外側面,該第一外側面為平坦的平面,該第二外側面與該第一外側面之間的距離在沿著該天線罩的中心往外延伸的方向上係先逐漸變大而後再逐漸變小。
  6. 如請求項5所述的雷達,其中該第二外側面為階梯狀。
  7. 如請求項5所述的雷達,其中該第一外側面朝向該天線。
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