CN106549231A - 复合天线 - Google Patents

Abstract

一种复合天线。该复合天线用来收发无线电信号，该复合天线包括：一第一单元天线；以及一第二单元天线；其中，该第一单元天线以一第一夹角而相对该第二单元天线固定，且该复合天线不具有一封闭环形结构。由于本发明的复合天线不需多个单元天线来形成一环状结构，因此可节省成本与缩小体积。并且，复合天线对反射体的尺寸限制较少，因此通过适当设计反射体及单元天线之间的第一夹角，可有效提高增益值及波束覆盖率。此外，通过第一主波束模式、第二主波束模式及合并波束模式之间的切换，本发明的复合天线具有适应性波束能力。

Description

复合天线

技术领域

本发明涉及一种复合天线，尤指一种体积小，成本低，具有高天线增益值及波束覆盖率，且具有适应性波束能力的复合天线。

背景技术

具有无线通信功能的电子产品通过天线来发射或接收无线电波，以传递或交换无线电信号，进而访问无线网络。随着无线通信技术不断演进，传输容量及无线网络性能的需求也日益提升。其中，长期演进(Long Term Evolution，LTE)无线通信系统及无线局域网络标准IEEE 802.11n支持的多输入多输出(Multi-input Multi-output，MIMO)通信技术，可在不增加带宽或总发射功率损耗(Transmit Power Expenditure)的情况下，大幅地增加系统的数据吞吐量(Throughput)及传送距离，进而有效提升无线通信系统的频谱效率及传输速率而能改善通信质量，因此，多输入多输出通信技术在无线通信技术中扮演重要的角色。

支持多输入多输出通信技术的天线有许多种类。其中，平板式(panel-type)天线结构简单且成本较低，但在水平切面上的波束宽度较窄，意即波束覆盖(Beam Coverage)率较低，因此不易精准架设，且缺乏适应性波束(Adaptive Beam Alignment)的能力。若藉由一驱动马达而使平板式天线可对应旋转至具有最佳信号接收质量的方向，则能弥补平板式天线的缺点，但驱动马达会增加成本，对于架设的场所限制较多，且无法满足电子产品体积缩小的趋势。此外，请参考图1，图1为一复合天线10的示意图。设置于一圆柱天线罩(radome)RAD中的复合天线10包含有结构及尺寸相同的单元天线U1、U2、U3、U4，单元天线U1～U4将圆柱天线罩RAD等分为4个大小相同的空间角，因此，复合天线10投影至水平切面上可对称于4个对称轴，且波束覆盖率较高，能接收来自水平切面上各个方向的信号。复合天线10因不需驱动马达，而能降低成本，但其体积较大，并且，相比平板式天线的反射体面积，复合天线10中任一单元天线(如单元天线U1)的反射体面积较小，因此天线增益值较低。

因此，如何在有限体积及成本下，增加天线增益值及波束覆盖率，且兼顾适应性波束能力，也就成为业界所努力的目标之一。

从而，需要提供一种复合天线来解决上述问题。

发明内容

因此，本发明主要提供一种复合天线，其具有适应性波束能力，高天线增益值及波束覆盖率，低成本，及较小的体积。

本发明公开一种复合天线，该复合天线用来收发无线电信号，该复合天线包括：一第一单元天线；以及一第二单元天线；其中，该第一单元天线以一第一夹角而相对该第二单元天线固定，且该复合天线不具有一封闭环形结构。

由于本发明的复合天线不需多个单元天线来形成一环状结构，因此可节省成本与缩小体积。并且，复合天线对反射体的尺寸限制较少，因此通过适当设计反射体及单元天线之间的第一夹角，可有效提高增益值及波束覆盖率。此外，通过第一主波束模式、第二主波束模式及合并波束模式之间的切换，本发明的复合天线具有适应性波束能力。

附图说明

图1为一复合天线的示意图。

图2A为本发明实施例一复合天线的示意图。

图2B为图2A的复合天线20的俯视示意图。

图3为图2A中第一夹角设定为90度的复合天线对应不同频率的天线共振仿真结果示意图。

图4为图2A中第一夹角设定为90度的复合天线中的一单元天线的倾斜45度极化天线操作于1.85 GHz时在水平切面上的主波束模式天线辐射场型。

图5为图2A中第一夹角设定为90度的复合天线中的两相邻单元天线的倾斜45度极化天线操作于1.85 GHz时在水平切面上的合并波束模式天线辐射场型。

图6为图2A中第一夹角设定为90度的复合天线对应的倾斜45度极化天线操作于1.85GHz时在水平切面上的主波束模式及合并波束模式所构成的覆盖场型。

图7为图2A中第一夹角设定为110度的复合天线对应不同频率的天线共振仿真结果示意图。

图8为图2A中第一夹角设定为110度的复合天线中的一单元天线的倾斜45度极化天线操作于1.85 GHz时在水平切面上的主波束模式天线辐射场型。

图9为图2A中第一夹角设定为110度的复合天线中的两相邻单元天线的倾斜45度极化天线操作于1.85 GHz时在水平切面上的合并波束模式天线辐射场型。

图10为图2A中第一夹角设定为110度的复合天线对应的倾斜45度极化天线操作于1.85 GHz时在水平切面上的主波束模式及合并波束模式所构成的覆盖场型。

主要组件符号说明：

10、20 复合天线

RAD 圆柱天线罩

U1、U2、U3、U4、A1、A2 单元天线

100a_A1、100b_A1、100a_A2、100b_A2 天线组件

120a_A1、120b_A1、120a_A2、120b_A2 反射板

141a_A1、142a_A1、141b_A1、142b_A1、141a_A2、142a_A2、 辐射部

141b_A2、142b_A2

160a_A1、160b_A1、160a_A2、160b_A2 支撑件

190_A1、190_A2 反射体

XS_SYM 对称轴

XS_CON 连接轴

ANG 第一夹角

191_A1～194_A1、191_A2～194_A2 周边反射组件

195_A1、195_A2 中心反射组件

G1_A1、G2_A1、G1_A2、G2_A2 锥台夹角

1411a_A1、1412a_A1、1421a_A1、1422a_A1、1411b_A1、1412b_A1、 金属片

1421b_A1、1422b_A1、1411a_A2、1412a_A2、1421a_A2、1422a_A2、

1411b_A2、1412b_A2、1421b_A2、1422b_A2

H 高度

W 宽度

T 厚度

PL 交面

具体实施方式

请参考图2A及图2B，图2A为本发明实施例一复合天线20的示意图，图2B为复合天线20的俯视示意图。复合天线20包含有单元天线A1、A2。单元天线A1包含有天线组件100a_A1、100b_A1及一反射体190_A1，而单元天线A2包含有天线组件100a_A2、100b_A2及一反射体190_A2。天线组件100a_A1、100b_A1分别包含有反射板120a_A1、120b_A1、辐射部141a_A1、142a_A1、141b_A1、142b_A1、支撑件160a_A1、160b_A1；天线组件100a_A2、100b_A2分别包含有反射板120a_A2、120b_A2、辐射部141a_A2、142a_A2、141b_A2、142b_A2、支撑件160a_A2、160b_A2。复合天线20可切换至一第一主波束(single-beam)模式或一第二主波束模式，以分别藉由单元天线A1或单元天线A2收发无线电信号。或者，复合天线20可切换至一合并波束(combined-beam)模式，以同时藉由单元天线A1及单元天线A2收发无线电信号，在此情况下，复合天线20的辐射场型为单元天线A1、A2的主波束的合成。如图2B所示，单元天线A1、A2为相同的天线单元，且具有相同的结构及尺寸，因此单元天线A1、A2在水平切面(即xz平面)上的投影相对于一对称轴XS_SYM对称。并且，单元天线A1、A2以一连接轴XS_CON而互相连接，且单元天线A1、A2之间相隔一第一夹角ANG。第一夹角ANG的大小大致介于70度至150度之间，其主要相关于复合天线20操作于合并波束模式时的增益值与波束覆盖率。当第一夹角ANG增加时，增益值可提高但波束覆盖率会下降；反之，若减小第一夹角ANG，增益值虽减低但可改善波束覆盖率。

简言之，由于复合天线20不需多个单元天线来形成一环状结构，因此可节省成本与缩小体积。并且，由于复合天线20不须设置于一圆柱天线罩中(或者，复合天线20即使设置于一圆柱天线罩中，复合天线20因为仅有单元天线A1、A2，反射体190_A1、190_A2可经任意调整而相比公知技术可有较大的尺寸)，而使反射体190_A1、190_A2的尺寸限制较少，因此，通过适当设计反射体190_A1、190_A2及第一夹角ANG，可有效提高增益值及波束覆盖率。此外，通过第一主波束模式、第二主波束模式及合并波束模式之间的切换，复合天线20具有适应性波束能力。

具体而言，单元天线A1、A2的反射体190_A1、190_A2可增加增益值，其分别包含有周边反射组件191_A1～194_A1、191_A2～194_A2及中心反射组件195_A1、195_A2。中心反射组件195_A1、195_A2大致为矩形的金属平板。周边反射组件191_A1～194_A1、191_A2～194_A2大致为等腰梯形的金属平板，并分别对称环绕中心反射组件195_A1、195_A2设置，以形成锥台(frustum)结构。基于对称性，周边反射组件191_A1～194_A1分别与中心反射组件195_A1相隔大致介于90度至180度之间的锥台夹角G1_A1、G2_A1，类似地，周边反射组件191_A2～194_A2与中心反射组件195_A2之间的锥台夹角G1_A2、G2_A2也大致介于90度至180度之间。藉由适当调整中心反射组件195_A1、195_A2的尺寸、周边反射组件191_A1～194_A2的高度及锥台夹角G1_A1～G2_A2，可提高增益值而最佳化复合天线20的特性。

由于单元天线A1包含有尺寸结构相同的天线组件100a_A1、100b_A1，而单元天线A2包含有尺寸结构相同的天线组件100a_A2、100b_A2，而使单元天线A1、A2分别形成具有对称性的一阵列天线结构，因此可提高单元天线A1、A2在水平切面上的最大增益值。其中，单元天线A1的反射板120a_A1、120b_A1及辐射部141a_A1、142a_A1、141b_A1、142b_A1分别藉由支撑件160a_A1、160b_A1而设置于中心反射组件195_A1上，而使反射板120a_A1、120b_A1、辐射部141a_A1～142b_A1、反射体190_A1彼此电性隔离。反射板120a_A1(或反射板120b_A1)用来增加天线有效的辐射面积和平衡对应的辐射部141a_A1、142a_A1(或辐射部141b_A1、142b_A1)到中心反射组件195_A1的距离，以使辐射部141a_A1、142a_A1相距中心反射组件195_A1的等效距离相等，其形状具有对称性，而可为圆形或顶点数为4的倍数的正多边形。辐射部141a_A1包含有金属片1411a_A1、1412a_A1，以形成倾斜45度(°)极化的一钻形偶极天线(diamond dipoleantenna)结构；基于对称性，辐射部142a_A1包含有金属片1421a_A1、1422a_A1，以形成倾斜135度极化的一钻形偶极天线结构。如此一来，反射板120a_A1、辐射部141a_A1、142a_A1及支撑件160a_A1可组成双极化的天线组件100a_A1，以提供两组独立的天线传输及接收通道，而使复合天线20可支持2×2多输入多输出通信技术。类似地，辐射部141b_A1的金属片1411b_A1、1412b_A1及辐射部142b_A1的金属片1421b_A1、1422b_A1亦分别形成倾斜45、135度极化的钻形偶极天线结构，而使反射板120b_A1、辐射部141b_A1、142b_A1及支撑件160b_A1可组成双极化的天线组件100b_A1。

另一方面，单元天线A2的反射板120a_A2、120b_A2及辐射部141a_A2、142a_A2、141b_A2、142b_A2分别藉由支撑件160a_A2、160b_A2而设置于中心反射组件195_A2上，而使反射板120a_A2、120b_A2、辐射部141a_A2～142b_A2、反射体190_A2彼此电性隔离。反射板120a_A2(或反射板120b_A2)亦用来增加天线有效的辐射面积和平衡对应的两辐射部141a_A2、142a_A2(或辐射部141b_A2、142b_A2)到中心反射组件195_A2的距离，以使辐射部141a_A2、142a_A2相距中心反射组件195_A2的等效距离相等。其中，反射板120a_A2、120b_A2的形状可为具有对称性的圆形或顶点数为4的倍数的正多边形。并且，辐射部141a_A2的金属片1411a_A2、1412a_A2及辐射部142a_A2的金属片1421a_A2、1422a_A2分别形成倾斜45、135度极化的钻形偶极天线结构，而组成双极化的天线组件100a_A2。辐射部141b_A2的金属片1411b_A2、1412b_A2及辐射部142b_A2的金属片1421b_A2、1422b_A2分别形成倾斜45、135度极化的钻形偶极天线结构，而使反射板120b_A2、辐射部141b_A2、142b_A2及支撑件160b_A2可组成双极化的天线组件100b_A2。

通过仿真可进一步判断复合天线20操作于长期演进无线通信系统中band2(带2)(其频段大致介于1.850GHz～1.910GHz及1.930GHz～1.990GHz)及band30(带30)(其频段大致介于2.305GHz～2.315GHz及2.350GHz～2.360GHz)的频段时的天线辐射场型是否符合系统需求。请参考图3至图6、表一及表二，其中，复合天线20的高度H设定为267mm，宽度W设定为143.5mm，厚度T设定为71.8mm，且第一夹角ANG设定为90度，在此情况下，单元天线A1、A2可共用周边反射组件192_A1而不需设置周边反射组件194_A2。图3为第一夹角ANG设定为90度的复合天线20对应不同频率的天线共振仿真结果示意图，其中，长虚线代表倾斜45度极化天线的共振仿真结果，实线代表倾斜135度极化天线的共振仿真结果，短虚线代表倾斜45、135度极化天线之间的隔离度仿真结果。由图3可知，在band2及band30的频段中，复合天线20的返回损耗(return loss，S11值)小于-12.7dB，隔离度(Isolation)大于24.6dB，可满足长期演进无线通信系统对于返回损耗小于-10dB且隔离度大于20dB的要求。

图4为第一夹角ANG设定为90度的复合天线20中的单元天线A1的倾斜45度极化天线操作于1.85GHz时在水平切面(即xz平面)上的主波束模式天线辐射场型，其中，长虚线代表倾斜45度极化电磁场的辐射场型，短虚线代表倾斜135度极化电磁场的辐射场型。图5为第一夹角ANG设定为90度的复合天线20中的单元天线A1、A2的倾斜45度极化天线操作于1.85GHz时在水平切面上的合并波束模式天线辐射场型，其中，实线代表倾斜45度极化电磁场的辐射场型，短虚线代表倾斜135度极化电磁场的辐射场型。图6为第一夹角ANG设定为90度的复合天线20对应的倾斜45度极化天线操作于1.85GHz时在水平切面上的主波束模式及合并波束模式的倾斜45度极化电磁场所构成的覆盖场型，长虚线(对应图4中的长虚线)及短虚线分别代表单元天线A1、A2操作于主波束模式时的倾斜45度极化电磁场的辐射场型，实线(对应图5中的实线)代表单元天线A1、A2操作于合并波束模式的倾斜45度极化电磁场的辐射场型。由图4与图6可知，复合天线20的单元天线A1、A2均可满足长期演进无线通信系统对于主波束模式最大增益值(antenna peak gain)大于8dBi且前后场型比(F/B)大于20dB的要求。并且，由图6可知，当复合天线20操作于合并波束模式时，单元天线A1、A2提供的合并场型可弥补单元天线A1、A2个别主波束天线场型的增益值在两者交面(如交面PL)上的衰减，而提高整体增益值。由于复合天线20对应的倾斜135度极化天线或操作于其他频率时也有类似上述的天线辐射场型，因此不另赘述。

表一及表二分别为复合天线20中倾斜45、135度极化天线对应不同频率的天线特性表。由表一及表二可知，尽管单元天线A1、A2的合并波束模式最大增益值略小于主波束模式最大增益值0.9dB，而形成中间凹陷的辐射场型，但单元天线A1、A2的主波束模式最大增益值为10.8～12.5dBi，合并波束模式最大增益值为9.88～10.6dBi，且单元天线A1、A2的主波束及合并波束的交点增益值为9.17～10.1dBi，因此可满足长期演进无线通信系统对于最大增益值大于8dBi的要求。

(表一)

(表二)

为了改善辐射场型的中间凹陷，请参考图7至图10、表三及表四，其中，复合天线20的高度H设定为254mm，宽度W设定为161mm，厚度T设定为71.5mm，且第一夹角ANG设定为110度。图7为第一夹角ANG设定为110度的复合天线20对应不同频率的天线共振仿真结果示意图，其中，长虚线代表倾斜45度极化天线的共振仿真结果，实线代表倾斜135度极化天线的共振仿真结果，短虚线代表倾斜45、135度极化天线之间的隔离度仿真结果。由图7可知，在band2及band30的频段中，复合天线20的返回损耗(returnloss，S11值)小于-12.3dB，隔离度(Isolation)大于25.0dB，可满足长期演进无线通信系统对于返回损耗小于-10dB且隔离度大于20dB的要求。

图8为第一夹角ANG设定为110度的复合天线20中的单元天线A1的倾斜45度极化天线操作于1.85GHz时在水平切面(即xz平面)上的主波束模式天线辐射场型，其中，长虚线代表倾斜45度极化电磁场的辐射场型，短虚线代表倾斜135度极化电磁场的辐射场型。图9为第一夹角ANG设定为110度的复合天线20中的单元天线A1、A2的倾斜45度极化天线操作于1.85GHz时在水平切面上的合并波束模式天线辐射场型，其中，实线代表倾斜45度极化电磁场的辐射场型，短虚线代表倾斜135度极化电磁场的辐射场型。图10为第一夹角ANG设定为110度的复合天线20对应的倾斜45度极化天线操作于1.85GHz时在水平切面上的主波束模式及合并波束模式的倾斜45度极化电磁场所构成的覆盖场型，长虚线(对应图8中的长虚线)及短虚线分别代表单元天线A1、A2操作于主波束模式时的倾斜45度极化电磁场的辐射场型，实线(对应图9中的实线)代表单元天线A1、A2操作于合并波束模式的倾斜45度极化电磁场的辐射场型。由图8与图10可知，复合天线20的单元天线A1、A2均可满足长期演进无线通信系统对于主波束模式最大增益值(antenna peak gain)大于8dBi且前后场型比(F/B)大于20dB的要求。并且，由图10可知，当复合天线20操作于合并波束模式时，单元天线A1、A2提供的合并场型可弥补单元天线A1、A2个别主波束天线场型的增益值在两者交面(如交面PL)上的衰减，而提高整体增益值。由于复合天线20对应的倾斜135度极化天线或操作于其他频率时也有类似上述的天线辐射场型，因此不另赘述。

表三及表四分别为复合天线20中倾斜45、135度极化天线对应不同频率的天线特性表。由表三及表四可知，单元天线A1、A2的主波束模式最大增益值为10.8～12.7dBi，合并波束模式最大增益值为11.1～12.3dBi，且单元天线A1、A2的主波束及合并波束的交点增益值为10.1～11.6dBi，因此可满足长期演进无线通信系统对于最大增益值大于8dBi的要求。并且，单元天线A1、A2的合并波束模式最大增益值接近主波束模式最大增益值，因此可使主波束及合并波束构成的覆盖场型更为均匀。再者，单元天线A1、A2操作于主波束模式时，3dB波束宽分别为65～74度，而单元天线A1、A2的主波束夹角为70度，因此，复合天线20的覆盖率约135～144，可满足长期演进无线通信系统的要求。

(表三)

(表四)

需注意的是，复合天线20为本发明的实施例，本领域普通技术人员应当可据以做不同的变化及修饰。举例来说，复合天线20的单元天线A1、A2以一连接轴XS_CON而互相连接，但单元天线A1、A2在两者间距小于1mm的前提下，单元天线A1、A2亦可不电性连接，或者，在第一夹角ANG为90度时，单元天线A1、A2以周边反射组件192_A1作为共用面而电性连接。单元天线A1、A2可依据一特定的第一夹角ANG而相对固定，但单元天线A1、A2亦可经适当机构设计后，使第一夹角ANG可在一定的角度区间内变动，以增加信号收发的灵活性，并确保架设与使用上的便利性。此外，依据射频收发系统操作的频段及带宽，单元天线(如单元天线A1)的反射板(如反射板120a_A1)亦可从天线组件中移除。反射体(如反射体190_A1)的周边反射组件(即周边反射组件191_A1～194_A1)的高度可为零，而简化单元天线的结构。并且，单元天线(如单元天线A1)的辐射部(如辐射部141a_A1)的金属片(即金属片1411a_A1、1412a_A1)可为钻形偶极天线结构以外的其他天线结构。对应的两辐射部(如辐射部141a_A1、142a_A1)可分别为极化倾斜45、135度，但本发明不以此为限，对应的两辐射部只须为正交极化天线即可，因此对应的两辐射部亦可为垂直极化及水平极化。依据对增益值的要求，单元天线(如单元天线A1)可具有阵列天线结构而包含有两个天线组件(即天线组件100a_A1、100b_A1)，但单元天线亦可包含有多于两个的天线组件，或者，单元天线可不具有阵列天线结构。而在特定的系统规格下，复合天线20亦可不操作于合并波束模式，或者，复合天线20可包含有两个以上的单元天线，以进一步提升波束覆盖率。

综上所述，由于本发明的复合天线不需多个单元天线来形成一环状结构，因此可节省成本与缩小体积。并且，复合天线对反射体的尺寸限制较少，因此通过适当设计反射体及单元天线之间的第一夹角，可有效提高增益值及波束覆盖率。此外，通过第一主波束模式、第二主波束模式及合并波束模式之间的切换，本发明的复合天线具有适应性波束能力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是根据本发明权利要求书的范围所做的等同变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (11)

1.一种复合天线，该复合天线用来收发无线电信号，该复合天线包括：

一第一单元天线；以及

一第二单元天线；

其中，该第一单元天线以一第一夹角而相对该第二单元天线固定，且该复合天线不具有一封闭环形结构。

2.如权利要求1所述的复合天线，其中该第一夹角介于70度至150度之间。

3.如权利要求1所述的复合天线，其中该第一夹角相关于该复合天线操作于一合并波束模式时的增益值与波束覆盖率。

4.如权利要求1所述的复合天线，其中该第一单元天线与该第二单元天线具有相同的结构及尺寸。

5.如权利要求1所述的复合天线，其中，该第一单元天线与该第二单元天线分别包括：

一反射体，该反射体包括：

一中心反射组件；以及

多个周边反射组件，该多个周边反射组件环绕该中心反射组件设置，以形成一锥台结构；

至少一天线组件，该至少一天线组件中的每一天线组件包括：

至少一辐射部，该至少一辐射部设置于该中心反射组件上；以及

一反射板，该反射板设置于该至少一辐射部上，该反射板的一形状具有对称性。

6.如权利要求5所述的复合天线，其中该第一单元天线的该中心反射组件与该第二单元天线的该中心反射组件之间具有该第一夹角。

7.如权利要求5所述的复合天线，其中该多个周边反射组件中的每一周边反射组件与该中心反射组件相隔一锥台夹角，该锥台夹角介于90度至180度之间。

8.如权利要求5所述的复合天线，其中该反射板为一正多边形或圆形，且该正多边形的顶点数为4的倍数。

9.如权利要求5所述的复合天线，其中该至少一辐射部的一第一金属片与一第二金属片形成一钻形偶极天线结构。

10.如权利要求1所述的复合天线，其中，该第一单元天线与该第二单元天线分别具有一阵列天线结构。

11.如权利要求5所述的复合天线，其中该第一单元天线的该中心反射组件与该第二单元天线中的该中心反射组件垂直于一第一平面，且该复合天线向该第一平面的投影对称于一对称轴。