CN103887595B - 天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种天线系统，包括：一接地面、一微带线耦合器、一金属盖，以及一主要天线。该微带线耦合器具有一第一输入端口、一第二输入端口、一第一输出端口，以及一第二输出端口。该金属盖设置于该微带线耦合器的上方，并耦接至该接地面。该主要天线耦接至该微带线耦合器的该第一输出端口和该第二输出端口。该金属盖用于减少来自该微带线耦合器的干扰，并用于增强该主要天线的增益。

Description

天线系统

技术领域

本发明涉及一种天线系统，特别是涉及可适用于移动通讯装置的天线系统。

背景技术

在通讯系统中，若传送天线和接收天线具有不同极化方向，则可能对传输效率造成相当负面的影响。举例来说，若传送天线为水平极化(HorizontallyPolarized)，则接收天线也必须设计为水平极化以获取最大传输效率。反之，属于垂直极化(Vertically Polarized)的接收天线可能根本无法接收到任何水平极化的信号。又例如，若传送天线为右圆极化(Right Hand CircularlyPolarized，RHCP)，则接收天线也必须设计为右圆极化以获取最大传输效率。反之，属于左圆极化(Left Hand Circularly Polarized，LHCP)的接收天线可能根本无法接收到任何右圆极化的信号。

当通讯系统适用于影像串流(Video Streaming)、游戏，或是数据转移时，由于没有足够的传输频宽，所传送的数据通常必须进行压缩。然而，压缩后的数据却具有一些缺点，例如：失真(Distortion)、品质降低、传送延迟，以及封包遗失等等。为了于低频率(例如5GHz)下传输未压缩的影像数据，例如：经由无线家庭数字界面(Wireless Home Digital Interface，WHDI)，通常需要至少四支天线来传送1080P的影像。此种天线设计往往因为尺寸太大而无法套用至一般移动电话中。因此，如何设计出一种具有可调极化方向的小尺寸天线，是现今天线设计者的一大挑战。

发明内容

在一示范实施例中，本发明提供一种天线系统，包括：一接地面；一微带线耦合器，具有一第一输入端口、一第二输入端口、一第一输出端口，以及一第二输出端口；一金属盖，设置于该微带线耦合器的上方，并耦接至该接地面；以及一主要天线，耦接至该微带线耦合器的该第一输出端口和该第二输出端口。

附图说明

图1A是显示根据本发明一实施例所述的天线系统的俯视图；

图1B是显示根据本发明一实施例所述的天线系统的侧视图；

图2A是显示根据本发明一实施例所述的微带线耦合器和金属盖的俯视图；

图2B是显示根据本发明一实施例所述的微带线耦合器和金属盖的立体图；

图3A是显示根据本发明一实施例所述的金属盖于主要天线被激发时的电流分布图；

图3B是显示根据本发明另一实施例所述的金属盖于主要天线被激发时的电流分布图。

符号说明

100～天线系统；

110～接地面；

120～微带线耦合器；

121～第一输入端口；

122～第二输入端口；

123～第一输出端口；

124～第二输出端口；

130～金属盖；

131～短路贯通件；

140～主要天线；

150～寄生部；

GC1～耦合间隙；

x、y、z～座标轴。

具体实施方式

为让本发明的目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出本发明的具体实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

图1A是显示根据本发明一实施例所述的天线系统100的俯视图。图1B是显示根据本发明一实施例所述的天线系统100的侧视图。天线系统100可适用于一移动通讯装置，例如：一智慧型手机(Smart Phone)、一平板电脑(Tablet Computer)，以及一笔记型电脑(Notebook Computer)。在较佳实施例中，天线系统100至少包括：一接地面110、一微带线耦合器(Microstrip LineCoupler)120、一金属盖130，以及一主要天线140。接地面110可以设置于一介质基板上(未显示)，例如：一FR4(Flame Retardant4)基板，或是一低温共烧多层陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)基板。在一些实施例中，具有天线系统100的该移动通讯装置还可包括其他元件，例如：一处理器、一触控模块、一显示模块、一电池、一射频(Radio Frequency，RF)模块，以及一外壳(未显示)。

图2A是显示根据本发明一实施例所述的微带线耦合器120和金属盖130的俯视图。图2B是显示根据本发明一实施例所述的微带线耦合器120和金属盖130的立体图。请一并参考图1A、1B、2A、2B。微带线耦合器120具有一第一输入端口121、一第二输入端口122、一第一输出端口123，以及一第二输出端口124。微带线耦合器120的第一输入端口121和第二输入端口122是耦接至一信号源(未显示)，例如：该移动通讯装置的该射频模块。微带线耦合器120的第一输出端口123和第二输出端口124是耦接至主要天线140，并用于激发主要天线140。在一些实施例中，微带线耦合器120为一90度分支线耦合器(90゜Branch Line Coupler)。更详细地说，该90度分支线耦合器可以包括互相耦接的四条传输线。该多个传输线是共同形成一空心正方形，而每一该多个传输线的长度可以约为主要天线140的一中心操作频率的0.25倍波长。主要天线140的极化方向可以通过改变微带线耦合器120的第一输入端口121和第二输入端口122之间的一馈入相位差而作调整。详细的调整方式将于之后的实施例中作说明。

金属盖130是设置于微带线耦合器120的上方，并是耦接至接地面110。金属盖130可以大致为一正方形，但并不仅限于此。举例来说，金属盖130也可大致为一圆形、一正三角形，或是一正六边形。在一些实施例中，天线系统100还可包括多个短路贯通件(Shorting Vias)131，而金属盖130是经由该多个短路贯通件131耦接至接地面110。例如，该多个短路贯通件131的数量可以为4，而该多个短路贯通件131可以分别耦接至金属盖130的多个角落处。更详细地说，金属盖130于接地面110上具有一第一垂直投影，而微带线耦合器120于接地面110上具有一第二垂直投影，其中该第二垂直投影完全位于该第一垂直投影的内部。金属盖130用于减少来自微带线耦合器120对天线系统100的辐射干扰，并可用于增强主要天线140的增益。金属盖130的详细运作原理将于之后的实施例中作说明。

主要天线140可以是双馈入(Dual-feeding)的一补钉天线(Patch Antenna)，并可以大致为一矩形。通过调整主要天线140的双馈入点之间的一馈入相位差，主要天线140可操作于不同极化方向。在一些实施例中，天线系统100还可包括邻近于主要天线140的多个寄生部150。例如，该多个寄生部150的数量可以为4，而每一该多个寄生部150可以大致为一直条形。该多个寄生部150与主要天线140分离，而主要天线140大致由该多个寄生部150所围绕。在一些实施例中，每一该多个寄生部150与主要天线140之间各自形成一耦合间隙GC1，其中耦合间隙GC1可以小于1mm。通过其间的互相耦合效应，该多个寄生部150可以增加主要天线140的频宽。必须注意的是，该多个寄生部150为天线系统100的选用元件，在其他实施例中也可移除之。

图3A是显示根据本发明一实施例所述的金属盖130于主要天线140被激发时的电流分布(Current Distribution)图，其中箭号代表表面电流(SurfaceCurrent)。在图3A的实施例中，微带线耦合器120被同相驱动(Driven InPhase)，其中微带线耦合器120的第一输入端口121和第二输入端口122之间的一馈入相位差为0度。此时，主要天线140上的表面电流的方向大致平行于x轴，而金属盖130上的表面电流的方向也大致平行于x轴。

图3B是显示根据本发明另一实施例所述的金属盖130于主要天线140被激发时的电流分布图，其中箭号代表表面电流。在图3B的实施例中，微带线耦合器120被反相驱动(Driven Out of Phase)，其中微带线耦合器120的第一输入端口121和第二输入端口122之间的一馈入相位差为180度。此时，主要天线140上的表面电流的方向是大致平行于y轴，而金属盖130上的表面电流的方向也大致平行于y轴。

如图3A、3B所示，金属盖130和主要天线140的电流方向可以通过改变微带线耦合器120的第一输入端口121和第二输入端口122之间的该馈入相位差而作调整。因此，本发明的天线系统100可轻易地产生各种极化方向，以接收或传送不同极化方向的信号。必须了解的是，本发明并不仅限于以上所述者。在其他实施例中，微带线耦合器120的第一输入端口121和第二输入端口122的信号相位也可如下列表一和表二的方式进行设定(符号「(X)」代表无信号进出对应端口)：

表一：微带线耦合器120的信号相位

表二：微带线耦合器120的信号相位

根据一量测结果，当主要天线140被激发时，金属盖130也由微带线耦合器120通过互相耦合效应所激发，而金属盖130上因表面感应电流作用所形成的极化方向与主要天线140上的表面电流的方向大致相同。因此，金属盖130可视为天线系统100的另一辅助天线。金属盖130与主要天线140可以共同形成一天线阵列(Antenna Array)，而该天线阵列的增益约可等于金属盖130与主要天线140的增益总和。根据该量测结果，在加入金属盖130之后，天线系统100的整体增益、整体指向性，以及天线频宽均能有效地提升。

另外，当主要天线140被激发时，金属盖130上的表面电流的方向是与微带线耦合器120上的表面电流的方向大致相反。必须了解的是，微带线耦合器120通常不会在低频操作中产生辐射，但是会在高频操作中产生辐射。在高频频带中，来自微带线耦合器120的辐射往往会与来自主要天线140的辐射发生破坏性干涉，进而降低主要天线140的性能。因此，在加入金属盖130之后，金属盖130上被微带线耦合器120所感应出的电流是反向于微带线耦合器120本身的电流，故金属盖130的反向电流可用于抵消来自微带线耦合器120的不必要辐射，进而改善主要天线140的天线效率。

在较佳实施例中，本发明的天线系统100可以操作于约60GHz的一频带。由于金属盖130与主要天线140所共同形成的该天线阵列已可提供足够的频宽，采用天线系统100的一移动通讯装置可直接将大量数据传送至一接收端(例如：一电视机，或是各种显示装置)，而不须经过任何数据压缩的程序。与传统设计方式相比，本发明的天线系统100至少具有缩小尺寸、提供可调极化方向、提升传输速率，以及改善数据传输品质的优点。

值得注意的是，以上所述的元件尺寸、元件参数、元件形状，以及频率范围皆非为本发明的限制条件。天线设计者可以根据不同需要调整这些设定值。另外，本发明的天线系统并不仅限于图1A、1B、2A、2B、3A、3B所图示的状态。本发明可以仅包括图1A、1B、2A、2B、3A、3B的任何一或多个实施例的任何一或多项特征。换言之，并非所有图示的特征均须同时实施于本发明的天线系统中。

在本说明书以及权利要求中的序数，例如「第一」、「第二」、「第三」等等，彼此之间并没有顺序上的先后关系，其仅用于标示区分两个具有相同名字的不同元件。

虽然结合以上较佳实施例披露了本发明，然而其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (10)

1.一种天线系统，包括：

接地面；

微带线耦合器，具有第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口，以及第二输出端口；

主要天线，耦接至该微带线耦合器的该第一输出端口和该第二输出端口；

金属盖，设置于该微带线耦合器的上方并耦接至该接地面，用于减少来自该微带线耦合器的干扰及增强该主要天线的增益，

其中该金属盖和该主要天线的电流方向通过改变该微带线耦合器的该第一输入端口和该第二输入端口之间的馈入相位差而作调整。

2.如权利要求1所述的天线系统，还包括：

多个短路贯通件，其中该金属盖经由该多个短路贯通件耦接至该接地面。

3.如权利要求1所述的天线系统，其中该金属盖于该接地面上具有一第一垂直投影，该微带线耦合器于该接地面上具有一第二垂直投影，而该第二垂直投影完全位于该第一垂直投影的内部。

4.如权利要求1所述的天线系统，其中当该主要天线被激发时，该金属盖上的表面电流的方向与该主要天线上的表面电流的方向大致相同，使得该金属盖与该主要天线共同形成一天线阵列。

5.如权利要求1所述的天线系统，其中当该主要天线被激发时，该金属盖上的表面电流的方向与该微带线耦合器上的表面电流的方向大致相反，使得来自该微带线耦合器的辐射被抵消。

6.如权利要求1所述的天线系统，其中该微带线耦合器为一90度分支线耦合器，其包括互相耦接的四条传输线，而每一传输线的长度约为该主要天线的一中心操作频率的0.25倍波长。

7.如权利要求1所述的天线系统，还包括：

多个寄生部，环绕于该主要天线，其中该多个寄生部与该主要天线分离，而每一该多个寄生部与该主要天线之间各自形成一耦合间隙。

8.如权利要求7所述的天线系统，其中该多个寄生部用于增加该主要天线的频宽。

9.如权利要求1所述的天线系统，其中该天线系统操作于约60GHz的一频带。

10.如权利要求1所述的天线系统，其中，该主要天线的极化方向通过改变该微带线耦合器的该第一输入端口和该第二输入端口之间的该馈入相位差而作调整。