CN106654574A - 一种天线装置与系统 - Google Patents

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Abstract

一种天线装置，包括抛物面碟盘以及接收器。抛物面碟盘具有焦点。接收器位于焦点，并具有多个接收单元。接收单元用以接收非正交极化方向之电磁波。接收单元系以不同方位设置，并以相同角度间隔。天线装置可包括反射组件，通过反射电磁波以增加信号传输的增益。接收单元使用多输入多输出技术收、发所述电磁波。

Description

一种天线装置与系统
技术领域
本发明系有关于一种无线通通过信领域，尤指一种多输入多输出天线设备及系统。
背景技术
随着通讯技术的发展，人们对大容量高速率的通信服务需求越来越强烈，现今技术中，多利用MIMO系统获得空间多任务(space diversity)增益，从而提升传输的可靠性，通过多流传输提高传输速率。使用MIMO技术的无线通信系统在发射端使用多个天线发送多个信号，并在接收端使用多个天线接收并恢复原信号。
多组天线之间亦可利用电波的极化方向使天线获得一定的独立性，一样可得到空间多任务的效果。电波的极化方向不同是指构成天线单元的天线振子电场矢量在空间运动的轨迹或变化的状态不同。由于两组正交的极化波提供良好的隔离度，在长距离MIMO通信系统中，发射端的发射天线与接收端的接收天线常采用双极化天线，如此即可充分发挥空间多任务的效果，提供良好的2x2MIMO点对点通讯及近乎单极化天线二倍的通讯容量。
发明内容
鉴于本发明之目的，本发明提供一种天线装置，包括：抛物面碟盘，抛物面碟盘具有一焦点；接收器，位于所述焦点，具有多个接收单元，用以接收非正交极化方向之电磁波。
另外，本发明提供一种天线系统，包括：第一天线装置，包括：第一抛物面碟盘，其中第一抛物面碟盘具有第一焦点；第一接收器，位于所述第一焦点，具有多个第一接收单元，用以发送非正交极化方向的电磁波；第二天线装置，包括：第二抛物面碟盘，其中第二抛物面碟盘具有第二焦点；第二接收器，位于所述第二焦点，具有多个第二接收单元，用以接收非正交极化方向的电磁波。
在一示例中，第一接收单元及第二接收单元系分别以不同方位设置，并以抛物面碟盘轴线为轴心以相同转动角度间隔。
在一示例中，第一天线装置包括第一反射组件，第一反射组件位于第一接收器一侧，第二天线装置包括第二反射组件，第二反射组件位于第二接收器一侧，通过反射电磁波以增加信号传输的增益。
在一示例中，第一接收单元及第二接收单元使用多输入多输出(multi-input andmulti-output，MIMO)技术传输所述电磁波。第一接收单元分别同时发送独立数据流并由对应第二接收单元分别同时接收所述独立数据流。
相较于现有技术，本发明提供的天线设备，利用碟形天线提升电磁波传输距离及增益，并利用非正交极化方向数据流提供点对点微波通讯，突破二组极化方向的限制，增加天线在进行远距离与高增益点对点传输时的数据吞吐量，有效提升电磁波讯号发送与接收的质量。
附图说明
图1系显示根据本发明一实施例所述之天线装置。
图2A系显示根据本发明一实施例所述天线装置之接收器，其中包含接收单元。
图2B系显示根据本发明另一实施例所述之天线装置接收单元。
图3A系显示根据本发明一实施例所述之天线系统。
图3B系显示根据本发明另一实施例所述之天线系统。
图4系显示根据本发明一实施例所述之天线装置之方块图。
主要元件符号说明
如下具体实施方式将结合所述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图与实施例对本发明进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1系显示根据本发明一实施例所述之天线装置。如图1所示，根据本发明一实施例所述之天线装置包括抛物面碟盘110、接收器120、多个接收单元121、反射组件130、印刷电路板140以及固定轴150。
抛物面碟盘110具有一焦点位置111，经由抛物面碟盘110的抛物面盘面反射集中电磁波的能量至焦点位置111的接收器120上，通常来说，抛物面碟盘110越大代表着反射区越大，增益也越大，电磁波发射与接收的频率越高增益也越大。透过碟形天线所产生的电磁波特性有极窄的波束宽度及很高的增益值，常用于远距离的点对点通讯连接，透过接收器120接收电磁波讯号，在没有阻碍物的环境下，传输距离可高达25英哩，可称为高增益的指向性天线。
接收器120，具有多个接收单元121，位于抛物面碟盘110的焦点位置111，多个接收单元以抛物面碟盘之轴线为轴心以不同转动角度设置，并以相同角度间隔，用以发送或接收各种极化方向之电磁波，在一实施例中，相邻角度之极化方向的电磁波系以非正交极化方向配置。反射组件130位于接收器120之一侧，通过反射电磁波的能量至接收单元121用以增加信号传输的增益。印刷电路板140，设置于天线装置本体上与其作导电性连接，并作为基板固定于固定轴150上，固定轴150设置于抛物面碟盘天线接收轴心在线，印刷电路板140于抛物面碟盘110之焦点位置111处电性连接接收器120。需特别申明，以上所称之轴线系其电波接收轴线。若为中央聚焦型(Central Focal)碟盘,其接收轴线与焦点都位于抛物面碟盘之几何中央轴在线；若为偏焦型(Offset Focal)碟盘，其接收轴线与焦点所在之反射波传送轴线依其偏焦设计会与抛物面碟盘之几何中央轴线有一夹角。本说明书仅以中央聚焦型碟盘为例做说明，因此其接收轴线与抛物面碟盘反射电波传送轴线同为抛物面碟盘之几何中央轴线。熟悉天线技艺者可轻易将本案概念应用在偏焦型碟盘。
图2A系显示根据本发明一实施例所述天线装置之接收器120，其中包含接收单元121A。
天线装置透过电场与磁场之间能量的来回运动形成所谓的电磁波进行无线通信，电场与电磁波的极化方向有直接的关系，而接收单元121以水平或垂直方向之配置，即可产生特定极化方向之电场。举例来说，若电场平行于地面则形成水平极化，若电场垂直于地面则产生垂直极化，因此透过改变接收单元121的实体方位，可产生各种不同极化方向的电磁波。在自由空间中，任何天线装置将遭遇来自各个方向的电磁波幅射，但电场极化方向与该天线之电场极化方向一致的电磁波可以最有效的被接收。本说明书系以线性极化为例，然熟悉天线技艺者亦可以其他极化天线实施而能达到相同效果。以碟形天线为例，其接收单元121位于抛物面碟盘110的焦点位置111，所形成的电磁波为窄波束，此类天线装置主要用于点对点的长途通讯。在电信服务上，可作为同轴电缆或光纤的替代方案，在同样距离下透过碟形天线进行语音或视讯传输所需的通讯设备如放大器或中继器会比同轴电缆或光纤少很多。
如图2A所示，根据本发明一实施例所述天线装置之接收单元121A系以抛物面碟盘接收轴线z为轴心以三种不同转动角度设置，例如以Y坐标轴的正半轴为0°方向，接收单元121A分别设置于0°方向、60°方向及-60°方向，接收单元之间的间隔角度为60°根据设置不同方向之接收单元121A用以接收及发射来自各种极化方向之电磁波，然而间隔之角度仅为范例，在实际应用上间隔角度并不以此为限，可为其他角度。接收单元121A可使用多输入多输出(multi-input and multi-output，MIMO)技术传输电磁波，其中多个接收单元121A分别依其极化方向同时接收及发射独立数据流。
图2B系显示根据本发明另一实施例所述之天线装置接收器120。如图2B所示，根据本发明一实施例所述之天线装置之接收单元121B系以抛物面碟盘接收轴线z为轴心以四种不同转动角度设置，并以相同角度间隔，例如以Y坐标轴的正半轴为0°方向，接收单元121B分别设置于22.5°方向、67.5°方向、-22.5°方向及-67.5°方向，接收单元之间的间隔角度为45°，根据设置不同方向之接收单元121B用以涵盖接收来自四种极化之电磁波。同样的，接收单元121B可使用多输入多输出(multi-input and multi-output，MIMO)技术传输电磁波，其中多个接收单元121B分别依其极化方向同时接收及发射独立数据流。
图3A系显示根据本发明一实施例所述之天线系统。如图3A所示，根据本发明一实施例所述之天线系统包括第一天线装置300与第二天线装置301。第一天线装置300包括第一抛物面碟盘310及第一接收器320，其中第一接收器320位于第一抛物面碟盘焦点位置并具有多个第一接收单元，第一接收单元之配置方式如同图2A中接收单元121A所述之配置方式，第一天线装置300发送非正交极化方向的电磁波至第二天线装置301。第二天线装置301包括第二抛物面碟盘311及第二接收器321，其中第二接收器位于第二抛物面碟盘焦点位置并具有多个第二接收单元，用以接收由第一天线装置300所发送之非正交极化方向的电磁波，第二接收单元之配置方式如同图2A中接收单元121A所述之配置方式。在图3A的实施例中，第一接收器320发送0°、60°及-60°三个(线性)极化方向的电磁波至第二接收器321，三个极化方向的电磁波之间各相邻接收单元的夹角间隔是60°。
图3B系显示根据本发明另一实施例所述之天线系统。根据第一接收器320之第一接收单元个数，发送不同极化方向的电磁波，如图3B所示，由第一接收器320发送67.5°、22.5°、-22.5°及-67.5°四个(线性)极化方向的电磁波至第二接收器321，而第二接收器321具有对应个数之第二接收单元(在本实施例中为四个)，四个极化方向的电磁波之间各相邻接收单元的夹角间隔是45°。
在一实施例中，第一接收单元及第二接收单元系分别以不同方位设置，并以相同角度间隔，然而角度间隔仅为范例，并不以此为限，在实际应用上仍可依实际应用环境需求调整角度。
图4系显示根据本发明一实施例所述之天线装置之方块图。如图4所示，根据本发明一实施例所述之天线装置，其中天线装置包含处理单元410、数字/模拟转换器420、模拟/数字转换器430及多极化天线440。多极化天线440包含第一极化接收单元441、第二极化接收单元442、第三极化接收单元443。
处理单元410，可存取多个独立数据流通道，可存取的独立通道数量取决于多极化天线440中的极化接收单元数量。如图4所示，本实施例具有三个独立信道，每一独立信道可透过极化接收单元发送与接收电磁波能量，在无线通信系统中，相同的接收单元可同时当作发送与接收天线，并利用双工器或是分岔器(图中未显示)分离传送及发送的讯号。处理单元410将信号发送到数字/模拟转换器420，数字/模拟转换器420将数字讯号转换成三个指定信道的模拟讯号，分别为第一输出讯号、第二输出讯号、第三输出讯号，利用频率转换器及功率放大器将讯号放大(功能方块未图标)后，透过接收机分别输出到对应的极化接收单元，第一输出讯号根据第一极化接收单元441发送，第二输出讯号根据第二极化接收单元442发送，第三输出讯号根据第三极化接收单元443发送。
多极化天线440接收到电磁波讯号时，透过第一极化接收单元441接收第一输入讯号、透过第二极化接收单元442接收第二输入讯号、透过第三极化接收单元443接收，分别将接收到的三笔电磁波讯号经由功率放大器及频率转换器将讯号放大(功能方块未图标)后，将第一输入讯号、第二输入讯号及第三输入讯号透过模拟/数字转换器430转换成数字讯号后发送给处理单元410。
相同的载波频率、不几何正交极化的电磁波可能彼此干扰。然而，精心安排的振幅和相位关系可以使一主载波的每个子载波(Sub-Carrier)之间具有正交性(Orthogonality)，多个电波之间成为数学“垂直”，使多路径干扰降至最低。若在各子载波承载不同数据流，即可同时传输不同组数据，增加传输带宽。这就是所谓的正交分频多任务(OFDM)方法。此外，多重输入输出(MIMO)多个天线装置已被证明可以根据空间多任务原理有效的同时传送多组数据流。目前MIMO-OFDM已经成为高带宽无线通信，如LTE和WiFi的主导方案。
在一点对点微波链路，两个独立(例如垂直与水平线性极化，或左旋或右旋的旋极化波)的极化电波可提供一良好的2x2的MIMO的空间多任务通讯。若MIMO数大于2，即使因电磁波不几何正交极化而使空间多任务的效果钝化，仍能享有部分空间多任务的益处。在本案中，设在抛物面碟盘焦点处的多个天线接收单元提供了一点至点的MIMO-OFDM无线链路。同在焦点位置的多个天线接收单元可以充分发挥空间多任务通讯的益处。根据本发明实施例所述之天线装置与系统采用非正交极化之电磁波传递数据，实验证实，在接收单元数大于2时,仍能产生大于2倍于单一极化电波所能提供的吞吐量，对于电磁波讯号的发送与接收质量，仍有显著的提升。用于长距离传输且高方向性的点对点通讯，搭配多输入多输出技术而以多重路径传递多个数据流，能够有效提升无线传输的吞吐量。
综上所述，本发明符合发明专利要件，爰依法提出专利申请。惟，以上该者仅为本发明之较佳实施方式，本发明之范围并不以所述实施方式为限，举凡熟悉本案技艺之人士爰依本发明之精神所作之等效修饰或变化，皆应涵盖于以下申请专利范围内。

Claims (10)

1.一种天线装置，其特征在于，包括：
抛物面碟盘，其中抛物面碟盘具有一焦点；
接收器，位于所述焦点，具有多个接收单元，用以接收非正交极化方向之电磁波。
2.如权利要求1所述之天线装置，其特征在于，所述接收单元系以所述抛物面碟盘之轴线为轴心以不同转动角度设置，并以相同角度间隔。
3.如权利要求1所述之天线装置，其特征在于，还包括反射组件，所述反射组件位于接收器之一侧，通过反射所述电磁波以增加信号传输的增益。
4.如权利要求1所述之天线装置，其特征在于，所述接收单元使用多输入多输出技术传输所述电磁波。
5.如权利要求1所述之天线装置，其特征在于，所述接收单元分别同时接收独立数据流。
6.一种天线系统，其特征在于，包括：
第一天线装置，包括：
第一抛物面碟盘，其中第一抛物面碟盘具有第一焦点；
第一接收器，位于所述第一焦点，具有多个第一接收单元，
用以发送非正交极化方向的电磁波；
第二天线装置，包括：
第二抛物面碟盘，其中第二抛物面碟盘具有第二焦点；
第二接收器，位于所述第二焦点，具有多个第二接收单元，
用以接收非正交极化方向的电磁波。
7.如权利要求6所述之天线系统，其特征在于，所述第一接收单元及所述第二接收单元系分别以所述第一抛物面碟盘之轴线及所述第二抛物面碟盘之轴线为轴心以不同转动角度设置，并以相同角度间隔。
8.如权利要求6所述之天线系统，其特征在于，所述第一天线装置与所述第二天线装置分别包括：
第一反射组件，所述第一反射组件位于第一接收器一侧；以及
第二反射组件，所述第二反射组件位于第二接收器一侧，通过反射所述电磁波以增加信号传输的增益。
9.如权利要求6所述之天线系统，其特征在于，所述第一接收单元及所述第二接收单元使用多输入多输出技术传输所述电磁波。
10.如权利要求6所述之天线系统，其特征在于，所述第一接收单元分别同时发送独立数据流并由对应所述第二接收单元分别同时接收所述独立数据流。
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