CN104659489A - 大覆盖范围的天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种大覆盖范围的天线装置，主要是在一基板上设有四个以上的水平极化天线及四个以上的垂直极化天线，通过选择导通一个以上的水平极化天线和/或一个以上的垂直极化天线，而提供一最适通信的辐射场型，以兼具定向天线功率集中和全向天线高覆盖率的优点。

Description

大覆盖范围的天线装置

技术领域

本发明是涉及一种天线，特别是指一种兼具定向天线功率集中、全向天线高覆盖率等优点的大覆盖范围天线装置。

背景技术

从21世纪初开始，世界上许多城市宣布计划投入全市WIFI网路的布建，杭州市并在2012年10月30日成为中国第一个免费开放WIFI的城市，且免费WIFI网路覆盖了杭州市220平方公里的面积。其意味着杭州市内存在多数的WIFI热点(AP)，这些WIFI热点是以天线作为收发信号的媒介，而天线本身的性能与网路信号强弱、传输速度息息相关。

一般认为定向天线具有功率集中的优点，但由于具备方向性，传输死角多而直接影响其覆盖率，而全向天线传输死角少，覆盖率，但功率相对较低。由上述可知，定向天线和全向天线各有其优缺点。解决前述问题的方式之一是如图9所示，使用三台以上的120度的定向天线71～73来涵盖360度的覆盖范围，如此一来，其兼具了定向天线功率集中的优点，同时也兼顾了覆盖率。但缺点是必须使用三台定向天线71～73，其总消耗功率高且布建工时长。

又天线另一个被关注的重点是增益问题，增益高低决定了信号传输的距离，增益高，传输距离长，增益低，传输距离即相对较短。而天线增益是和天线体积成正比，天线体积愈大，增益愈高。在此状况下即产生了物理矛盾，一般设计概念希望天线体积要小，但就天线应用而言，天线增益却必须大。由上述可知，各种天线各有优缺点，且设计上也存在物理矛盾，因此如何有效整合各种天线的优点，而避免其缺点，显然有待进一步谋求可行的解决方案。

发明内容

因此本发明的主要目的在提供一种大覆盖范围的天线装置，其由多数个水平极化天线和多数个垂直极化天线通过切换导通以产生各种不同的场型，以消除死角，达成大覆盖目的。

为达成前述目的采取的主要技术手段是使前述大覆盖范围的天线装置包括有：

一基板；

四个以上的水平极化天线，是对称地形成在所述基板的其中一面上；

四个以上的垂直极化天线，是作放射状排列且等角度地设在所述基板上，且垂直于水平极化天线；

前述基板上分设多个水平极化天线和多个垂直极化天线，通过对各个各水平极化天线、垂直极化天线的选择性导通，可产生不同的场型组合，以消除传输死角，实现大覆盖范围；再者，前述基板上同时具有水平极化场型和垂直极化场型，所述水平极化场型和垂直极化场型分别由多个水平极化天线和多个垂直极化天线所分割，在极化场型被分割的情况下，场型辐射时的波束角度将被缩小，基于波束角度大小与增益高低呈反比，故得以提高增益，扩大传输距离。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明第一较佳实施例的立体图。

图2是本发明第一较佳实施例的底视平面图。

图3是本发明第一较佳实施例的局部底视平面图。

图4是本发明第一较佳实施例的垂直极化天线平面图。

图5是本发明第一较佳实施例的上视平面图。

图6是本发明第一较佳实施例的电路方框图。

图7是本发明第一较佳实施例的辐射场型图。

图8是本发明第一较佳实施例的上视平面图。

图9是已知以定向天线提供全向覆盖的示意图。

具体实施方式

以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。

本发明的第一较佳实施例，请参考图1、图2所示，主要是在一基板10上分设有多个水平极化天线20和多个垂直极化天线30；其中：

所述基板10可以由FR4或陶瓷材料构成。在本实施例中，所述基板10大致呈矩形，其具有一底面及一表面，请参考图2所示，其底面上形成有一大面积的接地面11，该接地面11是矩形，其各个边的一端分别设有一水平极化天线20，换言之，本实施例中，在基板10上设有四个水平极化天线20，各水平极化天线20是对称地设在基板10的底面。

在本实施例中，所述水平极化天线20是由平面倒F天线(PIFA)构成，请参考图3所示，其包括与接地面11边缘互呈直角的直角部21和平行于接地面11边缘的平行部22，直角部21和平行部22以一端相连而构成倒F型，直角部21的另端和接地面11电连接，以分别构成馈入点和接地点。

如前揭所述，所述基板10的底面形成有一矩形接地面11，并在接地面11各边的一端分别连接一由平面倒F天线构成的水平极化天线20。在本实施例中，可以进一步地在接地面11各边的另端分别连接一电流诱导单元12，以配合调节接地面11上的射频电流分布。

关于所述垂直极化天线30，请参考图1、图4所示，在本实施例中，所述垂直极化天线30是形成在一片状载体300上，所述载体300同样可以由FR4或陶瓷材料构成。请参考图4，所述垂直极化天线30是由八木(Yagi)天线构成，主要是在所述载体300的一表面上形成有一主振子31、多个导引器32～35和一反射器36，根据图4的图式方向，主振子31是在载体300表面偏右位置，而在主振子31的左侧形成有相间排列的四个导引器32～35，反射器36则形成在主振子31的右侧。

所述载体300的底端进一步延伸形成一个以上的凸柱301，用以穿设固定在基板10上对应位置形成的固定孔内。

请参考图1、图5所示，四个垂直极化天线30是以放射状排列且等角度地设在基板10表面，更具体而言，两个垂直极化天线30是呈一直线地设在基板10表面的两相对角落之间，另两个垂直极化天线30也是呈一直线地设在基板10表面的另两相对角落之间，各垂直极化天线30间是呈等角度排列。而各个垂直极化天线30分别对应基板10底面的一水平极化天线20。

由上述说明可知，本发明主要是在基板10上分设有多个水平极化天线20和多个垂直极化天线30，而可选择性地导通一个以上的水平极化天线20和/或一个以上的垂直极化天线30，以产生最适合通信的辐射场型。

在前述实施例中，共有四个水平极化天线20和四个垂直极化天线30，其可选择性的被单独或同时导通，而分别提供不同的场型组合，可提供的场型组合共有1200种。至于如何选择性导通各水平极化天线20和/或各垂直极化天线30，可利用以下技术达成：

请参考图6，其揭示有一射频切换电路40，所述射频切换电路40包括一微处理器41和一切换单元42，在本实施例中，所述切换单元42是由一复杂可编程逻辑器件(CPLD)构成，其和微处理器41连接，并通过多个由二极管构成的开关23分别和各个水平极化天线20、垂直极化天线30连接。在本实施例中，切换单元42进一步通过多个由二极管构成的开关23分别和前述基板10上的各个电流诱导单元12连接。

由前述可知，每一个水平极化天线20和/或每一个垂直极化天线30单独或同时被导通时，都会分别产生一场型组合。因而微处理器41已内建产生前述各种可行场型组合的指令，以控制切换单元42选择性的导通各个水平极化天线20、各个垂直极化天线30和/或各个电流诱导单元12。

以上述实施例为例，垂直极化天线30共有四个，每一垂直极化天线30都有开和关两种状态，因此各垂直极化天线30本身的场型组合即有2⁴-1=15种。

同样的，水平极化天线20也有四个，每一水平极化天线20也有开和关两种状态，因此各水平极化天线20本身的场型组合也有2⁴-1=15种。

然而，前述基板10底面进一步设有四个电流诱导单元12，若将电流诱导单元12加入水平极化天线20一起运作，其可以产生的场型组合即增至3⁴-1=80种。若再和各垂直极化天线30进行交叉组合，可以产生的场型组合再增至(3⁴-1)×(2⁴-1)=1200种。

至于如何选择最适合通信的场型组合，则可通过以下所述方式达成：

当微处理器41通过切换单元42导通水平极化天线20、垂直极化天线30和/或电流诱导单元12而产生一场型组合时，随即在一定时间内对已连线的node送出一定数量(例如1000个)的训练封包(Training Packet)，接着判断所述训练封包的封包错误率(PER)和信号强度(RSSI)。接着由射频切换电路40切换不同的场型组合，并同样的在一定时间内对已连线的node送出一定数量的训练封包(Training Packet)，再判断所述训练封包的封包错误率(PER)和信号强度(RSSI)。在各种场型组合都一一完成练习后，则比较其封包错误率(PER)和信号强度(RSSI)后，以决定最适合通信的场型组合，其选择的场型组合应具有相对较低的封包错误率(PER)和相对较高的信号强度(RSSI)。请参考图7所示，是根据前述最适合通信的场型组合所模拟的辐射场型图，由辐射场型图中可看出本发明的天线增益可达7dBi以上。

由于本发明的天线兼具水平极化场型和垂直极化场型，其通过多个水平极化天线和多个垂直极化天线将前述的水平极化场型和垂直极化场型分别分割成若干等份，当水平极化场型、垂直极化场型被分割后，意味着场型辐射时的波束(Beam)角度将会缩小，由于波束角度大小和天线增益高低呈反比，因此波束角度变小将相对提高增益，进而可扩大传输距离。在以下的说明中，本发明将提出进一步缩小波束角度的实施例。

请参考图8所示，是本发明第二较佳实施例的平面图，其依然是在一基板10’上设有多个水平极化天线20’和多个垂直极化天线30’，关于基板10’的材料及衍生的功效一如先前所述，容不再赘述。所述基板10’是多边形，在本实施例中为六边形，其一表面的各边上分别设有一水平极化天线20’，也就是基板10’上设有六个水平极化天线20’，各水平极化天线20’是对称地设在基板10’表面的各边上；在本实施例中，所述各水平极化天线20’分别由一平板天线(Patch)构成。

所述多个垂直极化天线30’仍由八木天线构成，其构造可和前一实施例的垂直极化天线30相同。不同处在于本实施例中的垂直极化天线30’共有六个，其以放射状排列且等角度地设在基板10’上。

在本实施例中，前述基板10’表面在各水平极化天线20’和垂直极化天线30’之间分别形成有一反射板101。

前述各个水平极化天线20’和垂直极化天线30’仍分别连接有一开关(图中未示)，以便可选择地导通一个以上的水平极化天线20’和/或一个以上的垂直极化天线30’。

由上述可知，本发明另一实施例采用更多数量的水平极化天线20’和垂直极化天线30’以分割水平极化场型和垂直极化场型，在此状况下，场型辐射时的波束(Beam)角度将会更进一步的缩小，基于波束角度大小和天线增益高低呈反比，故可相对提高增益并扩大传输距离。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (12)

1.一种大覆盖范围的天线装置，其特征在于，包括有：

一基板；

四个以上的水平极化天线，对称地形成在所述基板的其中一面上；

四个以上的垂直极化天线，作放射状排列且等角度地设在所述基板上，且垂直于所述水平极化天线；

通过选择性导通一个以上的水平极化天线和/或一个以上的垂直极化天线，产生不同的场型组合。

2.根据权利要求1所述的大覆盖范围的天线装置，其特征在于，所述垂直极化天线由八木天线构成，在一载体的一表面上形成有一主振子、多个导引器和一反射器。

3.根据权利要求2所述的大覆盖范围的天线装置，其特征在于，所述基板为矩形，其上设有四个所述垂直极化天线，其中两个所述垂直极化天线呈一直线地设在所述基板表面的两相对角落之间；另两个所述垂直极化天线呈一直线地设在基板表面的另两相对角落之间。

4.根据权利要求1所述的大覆盖范围的天线装置，其特征在于，所述基板呈矩形，具有一底面及一表面，所述底面上形成有一大面积的接地面，所述接地面为矩形，其各个边的一端分别设有一所述水平极化天线，各个所述水平极化天线对称地设在所述基板的底面。

5.根据权利要求4所述的大覆盖范围的天线装置，其特征在于，所述水平极化天线由平面倒F天线构成，其包括与所述接地面边缘互呈直角的直角部和平行于接地面边缘的平行部，所述直角部和平行部以一端相连而构成倒F型，所述直角部的另一端和所述接地面电连接，以分别构成馈入点和接地点。

6.根据权利要求2所述的大覆盖范围的天线装置，其特征在于，所述基板为六边形，其一表面的各边上分别设有一所述水平极化天线；所述基板上设有六个所述垂直极化天线。

7.根据权利要求1所述的大覆盖范围的天线装置，其特征在于，所述各个水平极化天线分别由一平板天线构成。

8.根据权利要求4所述的大覆盖范围的天线装置，其特征在于，所述基板在接地面各边的另一端分别连接一电流诱导单元。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的大覆盖范围的天线装置，其特征在于，所述各个水平极化天线、各个垂直极化天线分别和一射频切换电路连接；

所述射频切换电路包括一微处理器和一切换单元，所述切换单元和微处理器连接，并通过多个开关分别和所述各个水平极化天线、垂直极化天线连接。

10.根据权利要求8所述的大覆盖范围的天线装置，其特征在于，所述各个水平极化天线、各个垂直极化天线分别和一射频切换电路连接；

所述射频切换电路包括一微处理器和一切换单元，所述切换单元和微处理器连接，并通过多个开关分别和所述各个水平极化天线、垂直极化天线连接；

所述切换单元进一步通过所述多个开关分别和所述基板上的各个电流诱导单元连接。

11.根据权利要求9所述的大覆盖范围的天线装置，其特征在于，所述切换单元由一复杂可编程逻辑器件构成。

12.根据权利要求9所述的大覆盖范围的天线装置，其特征在于，所述开关由一二极管所构成。