CN107154536A - 天线系统 - Google Patents

Abstract

一种天线系统。该天线系统包括：一双极化天线、一主反射器以及一次反射器；该双极化天线包括一第一天线组件和一第二天线组件，其中该第一天线组件和该第二天线组件皆操作于一低频频带和一高频频带，而其中该第一天线组件和该第二天线组件具有不同极化方向；该主反射器用于反射该低频频带的电磁波；该次反射器介于该双极化天线和该主反射器之间，并用于反射该高频频带的电磁波。本发明的双极化天线系统能均匀地提升整个宽带操作频带内的天线增益。

Description

天线系统

技术领域

本发明涉及一种天线系统，特别涉及一种高增益、多频段的双极化方向的天线系统。

背景技术

随着移动通信技术的发达，移动装置在近年日益普遍，常见的例如：手提式计算机、移动电话、多媒体播放器以及其他混合功能的携带型电子装置。为了满足人们的需求，移动装置通常具有无线通信的功能。有些涵盖长距离的无线通信范围，例如：移动电话使用2G、3G、LTE(Long Term Evolution)系统及其所使用700MHz、850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz、2100MHz、2300MHz以及2500MHz的频带进行通信，而有些则涵盖短距离的无线通信范围，例如：Wi-Fi、Bluetooth系统使用2.4GHz、5.2GHz和5.8GHz的频带进行通信。

无线网络基站(Wireless Access Point)是使移动装置在室内能高速上网的必要组件。然而，由于室内环境充满了信号反射和多重路径衰减(Multipath Fading)，无线网络基站必须能同时处理来自各方向和各种极化的信号。因此，如何在无线网络基站的有限空间中设计出一种高增益、多频段的双极化方向的天线，已成为现今设计者的一大挑战。

因此，需要提供一种天线系统来满足上述需求。

发明内容

在较佳实施例中，本发明提供一种天线系统，该天线系统包括：一双极化天线，该双极化天线包括一第一天线组件和一第二天线组件，其中该第一天线组件和该第二天线组件皆操作于一低频频带和一高频频带，而其中该第一天线组件和该第二天线组件具有不同极化方向；一主反射器，该主反射器用于反射该低频频带的电磁波；以及一次反射器，该次反射器介于该双极化天线和该主反射器之间，并用于反射该高频频带的电磁波。

在一些实施例中，该第一天线组件具有一第一极化方向，该第二天线组件具有一第二极化方向，而该第二极化方向垂直于该第一极化方向。

在一些实施例中，该第一天线组件设置于一第一介质基板上，该第二天线组件设置于一第二介质基板上，而该第二介质基板垂直于该第一介质基板。

在一些实施例中，该主反射器为一无盖箱型，而该无盖箱型的一上开口朝向该双极化天线。

在一些实施例中，该次反射器为一平面。

在一些实施例中，该低频频带的电磁波能穿透该次反射器。

在一些实施例中，该第一天线组件和该第二天线组件皆为偶极天线组件或领结天线组件。

在一些实施例中，该第一天线组件和该第二天线组件各自包括一对第一辐射部、一对第二辐射部，以及一对第三辐射部，而其中该等第二辐射部介于该等第一辐射部和该等第三辐射部之间。

在一些实施例中，该等第一辐射部和该等第二辐射部激发产生该低频频带，而该等第三辐射部激发产生该高频频带。

在一些实施例中，该第一天线组件和该第二天线组件各自还包括一对反射组件，用于反射该高频频带的电磁波，而该等反射组件介于该等第三辐射部和该次反射器之间。

在一些实施例中，该第一天线组件和该第二天线组件各自还包括一对指向组件，用于引导该高频频带的电磁波向外传递，而该等第一辐射部介于该等指向组件和该等第二辐射部之间。

在一些实施例中，该第一天线组件和该第二天线组件各自还包括一信号源和一同轴电缆线。

在一些实施例中，该同轴电缆线包括一导体外壳，而该导体外壳焊接至该主反射器。

在一些实施例中，该次反射器具有一开孔，而其中该同轴电缆线延伸穿越该开孔且与该次反射器不相接触。

在一些实施例中，该第一天线组件和该第二天线组件各自还包括一扼流器，应用于该同轴电缆线。

在一些实施例中，该扼流器为一低通滤波器。

在一些实施例中，该扼流器为一空心圆柱管，并包围住该同轴电缆线。

在一些实施例中，该空心圆柱管具有一开口端和一闭口端，该空心圆柱管的该开口端与该同轴电缆线不相接触，而该空心圆柱管的该闭口端焊接至该同轴电缆线的该导体外壳。

在一些实施例中，该空心圆柱管的长度小于该高频频带的0.25倍波长。

在一些实施例中，该扼流器为一L字形部，该L字形部具有一连接端和一开路端，该L字形部的该连接端焊接至该同轴电缆线的该导体外壳，而该L字形部的该开路端与该同轴电缆线不相接触。

本发明的双极化天线系统，其包括主反射器和次反射器，分别对应于低频频带和高频频带，故能均匀地提升整个宽带操作频带内的天线增益。另外，扼流器可作为本发明的高频抑制解决方案。若再加入旋转马达的设计，则所提的天线系统还将具有可调整的主波束方向，能作为一高增益智能型天线。本发明很适合应用于各种室内环境，以克服传统因信号反射和多重路径衰减造成通信质量不佳的问题。

附图说明

图1A显示根据本发明一实施例所述的天线系统的立体图；

图1B显示根据本发明一实施例所述的天线系统的侧视图；

图1C显示根据本发明一实施例所述的天线系统的立体图；

图2A显示根据本发明一实施例所述的天线系统的次反射器的下方局部立体图；

图2B显示根据本发明一实施例所述的扼流器的组合图；

图2C显示根据本发明一实施例所述的扼流器的分解图；

图3显示根据本发明另一实施例所述的扼流器的组合图；

图4A显示根据本发明一实施例所述的天线系统操作于低频频带时的S参数(Sparameter)图；

图4B显示根据本发明一实施例所述的天线系统操作于高频频带时的S参数图；以及

图5显示根据本发明另一实施例所述的天线系统的立体图。

主要组件符号说明：

100、500 天线系统

110 双极化天线

120 第一天线组件

121 第一辐射部

122 第二辐射部

123 第三辐射部

124 反射组件

125 指向组件

127 同轴电缆线

128 信号源

130 第二天线组件

140 主反射器

150 次反射器

155 开孔

160 第一介质基板

165 第二介质基板

170、180 扼流器

171 开口端

172 闭口端

181 连接端

182 开路端

510 天线罩

520 旋转马达

530 金属底板

B2 LTE Band 2频带

B4 LTE Band 4频带

B5 LTE Band 5频带

B13 LTE Band 13频带

D1、D2、D3、D4、D5 间距

G1 间隙

L1、L2 长度

S11 S11参数的曲线

S22 S22参数的曲线

S21 S21参数的曲线

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显示根据本发明一实施例所述的天线系统100的立体图。图1B显示根据本发明一实施例所述的天线系统100的侧视图。图1C显示根据本发明一实施例所述的天线系统100的立体图。请一并参考图1A、图1B、图1C。天线系统100可应用于一无线网络基站当中，并产生双极化方向的辐射场型。如图1A、图1B、图1C所示，天线系统100至少包括一双极化天线110、一主反射器140，以及一次反射器150。前述的双极化天线110、主反射器140，以及次反射器150可用导体材质制成，例如：铜、银、铝、铁，或是其合金。

双极化天线110包括一第一天线组件120和一第二天线组件130。第一天线组件120可设置于一第一介质基板160上，而第二天线组件130可设置于一第二介质基板165上，其中第二介质基板165可垂直于第一介质基板160。第一介质基板160和第二介质基板165可以各自为一FR4(Flame Retardant 4)基板。在一些实施中，第一介质基板160和第二介质基板165各自为一倒T字形，且此二倒T字形互相嵌合。第一天线组件120和第二天线组件130皆为多频带天线，其至少可操作于一低频频带和一高频频带。举例而言，前述低频频带可包括LTE(Long Term Evolution)Band(带)5/13，其介于746MHz至894MHz之间，而前述高频频带可包括LTE Band 2/4，其介于1710MHz至2155MHz之间。第一天线组件120和第二天线组件130具有不同极化方向。在一些实施例中，第一天线组件120具有一第一极化方向(例如：+45度方向)，而第二天线组件130具有一第二极化方向(例如：+135度方向)，其中第二极化方向垂直于第一极化方向。双极化天线110可用于接收或传送各种不同极化方向的信号。

主反射器140可为一无盖箱型，而此无盖箱型的一上开口可朝向双极化天线110。详细而言，主反射器140的每一侧壁可具有一三角形内凹缺口，且主反射器140可具有上宽下窄的结构。例如：主反射器140的上开口的面积可大于其下底板的面积。主反射器140用于反射低频频带的电磁波。次反射器150可为一平面，其可完全位于主反射器140的上开口之内。次反射器150介于双极化天线110和主反射器140之间，并用于反射高频频带的电磁波。理想情况下，低频频带的电磁波能穿透次反射器150，但会完全被主反射器140所反射；另一方面，高频频带的电磁波无法穿透次反射器150，且会完全被次反射器150所反射。主反射器140和次反射器150可用于提升双极化天线110的天线增益。由于双极化天线110具有较大带宽，故本发明以主反射器140和次反射器150分别对应于双极化天线110的低频频带和高频频带，方可完全反射双极化天线110的整个宽带操作频带的电磁波。

在一些实施例中，第一天线组件120和第二天线组件130皆为偶极天线组件(Dipole Antenna Element)或领结天线组件(Bowtie Antenna Element)。第一天线组件120和第二天线组件130可具有完全相同的结构，其差异仅在第二天线组件130可视之为第一天线组件120沿其中心轴旋转90度的复制物，故以下实施例和附图仅就第一天线组件120的结构进行说明。

第一天线组件包括一对(Pair)第一辐射部121、一对第二辐射部122，以及一对第三辐射部123，其中该等第二辐射部122介于该等第一辐射部121和该等第三辐射部123之间。每一第一辐射部121、每一第二辐射部122，以及每一第三辐射部123可各自为一直条形或一三角形。在一些实施例中，该等第一辐射部121的长度略大于该等第二辐射部122的长度。在一些实施例中，该等第一辐射部121的长度至少为该等第三辐射部123的长度的二倍以上。该等第一辐射部121和该等第二辐射部122可激发产生前述低频频带，而该等第三辐射部123可激发产生前述高频频带。第一天线组件120还可包括一对反射组件124，用于反射前述高频频带的电磁波，其中该等反射组件124介于该等第三辐射部123和次反射器150之间。每一反射组件124可各自为一直条形。在一些实施例中，该等反射组件124的长度略大于该等第三辐射部123的长度，而该等反射组件124浮接(Float)且彼此间不相连。第一天线组件120还可包括一对指向组件125，用于引导前述高频频带的电磁波向外传递，其中该等指向组件125位于该等第一辐射部121的一侧，而使得该等第一辐射部121介于该等指向组件125和该等第二辐射部122之间。每一指向组件125可各自为一直条形。在一些实施例中，该等指向组件125的长度略小于该等第三辐射部123的长度，而该等指向组件125浮接且互相连结。该等反射组件124和该等指向组件125为选用组件(Optional Element)，可用于提升双极化天线110的高频频带的天线增益。

图2A显示根据本发明一实施例所述的天线系统100的次反射器150的下方局部立体图。在图2A的实施例中，第一天线组件120还包括一信号源128、一同轴电缆线(CoaxialCable)127，以及一扼流器(Choke Element)170。信号源128可以是一射频(RadioFrequency，RF)模块，其具有产生射频信号，或是处理所接收的射频信号的功能。信号源128经由同轴电缆线127耦接至第一天线组件120。同轴电缆线127包括一中心导线(信号线)和一导体外壳(接地线)，其中同轴电缆线127的导体外壳焊接至主反射器140。次反射器150具有一开孔155，其中开孔155可为一圆形、一矩形，或是一正方形。同轴电缆线127的中心导线及导体外壳皆延伸穿越开孔155且与次反射器150不相接触。在理想情况下，高频频带的电磁波无法穿透次反射器150；然而，根据电磁软件仿真结果，仍有部分介于1710MHz至1755MHz之间频段的电磁波会穿透次反射器150，此降低了天线系统100的辐射性能。为了解决此一问题，可新增扼流器170以应用于同轴电缆线127。扼流器170可视为一低通滤波器(Low-Pass Filter)，其能防止高频频带的电磁波穿透次反射器150。在一些实施例中，扼流器170介于主反射器140和次反射器150之间。在其他实施例中，扼流器170的位置可略为向前或向后移动，仍不致影响其效果。

图2B显示根据本发明一实施例所述的扼流器170的组合图。图2C显示根据本发明一实施例所述的扼流器170的分解图。请一并参考图2B、图2C。扼流器170为一空心圆柱管，并包围住同轴电缆线127。详细而言，空心圆柱管具有一开口端171和一闭口端172，其中空心圆柱管的开口端171与同轴电缆线127不相接触，而空心圆柱管的闭口端172焊接至同轴电缆线127的导体外壳。此空心圆柱管的长度L1小于前述高频频带的0.25倍波长，以形成具有电感性(Inductive)的低通滤波器。空心圆柱管与同轴电缆线127的导体外壳的间隙G1用于调整扼流器170的阻抗值。举例而言，若空心圆柱管与同轴电缆线127的导体外壳的间隙G1变大，则扼流器170的阻抗值将下降，而若空心圆柱管与同轴电缆线127的导体外壳的间隙G1变小，则扼流器170的阻抗值将上升。

图3显示根据本发明另一实施例所述的扼流器180的组合图。扼流器180为一L字形部，亦可应用于同轴电缆线127。详细而言，此L字形部具有一连接端181和一开路端182，其中L字形部的连接端181焊接至同轴电缆线127的导体外壳，而L字形部的开路端182平行于同轴电缆线127作延伸且与同轴电缆线127不相接触。此L字形部的长度L2亦小于前述高频频带的0.25倍波长，以形成具有电感性的低通滤波器。根据电磁软件仿真结果，L字形的扼流器180亦可与前述扼流器170发挥近似的功效。

在一些实施例中，天线系统100的组件尺寸可如下列所述。每一第一辐射部121的长度大致等于前述低频频带的0.25倍波长(例如，介于50mm至60mm之间，较佳为57.2mm)。每一第二辐射部122的长度大致等于前述低频频带的0.25倍波长(例如，介于50mm至60mm之间，较佳为52.5mm)。每一第三辐射部123的长度大致等于前述高频频带的0.25倍波长(例如，介于20mm至40mm之间，较佳为24mm)。次反射器150与主反射器140的间距D1介于50mm至60mm之间，较佳为59mm。该等反射组件124与次反射器150的间距D2介于20mm至30mm之间，较佳为24.5mm。该等指向组件125与该等第一辐射部121的间距D3介于10mm至20mm之间，较佳为16mm。该等第三辐射部123与次反射器150的间距D4大致等于前述高频频带的0.25倍波长(例如，介于20mm至40mm之间，较佳为34.5mm)。该等第一辐射部121与主反射器140(下底板)的间距D5大致等于或大于前述低频频带的0.5倍波长(例如，介于100mm至120mm之间，较佳为112.5mm)。同轴电缆线127的外壳导体的直径约为1.2mm。扼流器170(空心圆柱管)的内直径约为1.8mm，外直径约为2.4mm。以上组件尺寸经由多次仿真而计算得出，其可优化天线系统100的天线增益和隔离度。

必须注意的是，第一天线组件120的所有相关组件皆可对应地套用至第二天线组件130当中，故在此不再重复作说明。

图4A显示根据本发明一实施例所述的天线系统100操作于低频频带时的S参数图，其中横轴代表操作频率(MHz)，而纵轴代表S参数(dB)。双极化天线110的第一天线组件120可视为一第一端口(Port 1)，而双极化天线110的第二天线组件130可视为一第二端口(Port 2)。曲线S11代表第一天线组件120的返回损失(Return Loss)，曲线S22代表第二天线组件130的返回损失，而曲线S21代表第一天线组件120和第二天线组件130之间的隔离度(Isolation)。根据图4A的电磁软件仿真结果可知，第一天线组件120和第二天线组件130皆可涵盖低频的LTE Band 5/13频带，且在此低频频带中第一天线组件120和第二天线组件130之间的S21参数皆在-25dB以下。

图4B显示根据本发明一实施例所述的天线系统100操作于高频频带时的S参数图。根据图4B的电磁软件仿真结果可知，第一天线组件120和第二天线组件130皆可涵盖高频的LTE Band 2/4频带，且在此高频频带中第一天线组件120和第二天线组件130之间的S21参数皆在-25dB以下。

另外，根据电磁软件仿真结果，双极化天线110的第一天线组件120和第二天线组件130其各自的交叉极化隔离度(Cross-Polarization Isolation)皆可达17.3dB或更高，其中扼流器170的加入可有效增加1710MHz至1755MHz频带内的交叉极化隔离度达至少25.4dB。以上电磁软件仿真数据显示，天线系统100已可符合一般移动通信装置的应用需求。

图5显示根据本发明另一实施例所述的天线系统500的立体图。图5与图1A相似。在图5的实施例中，天线系统500还包括一天线罩510、一旋转马达520，以及一金属底板530。天线罩510以非导体材质制成，例如：塑料材质。天线罩510可为上窄下宽的一空心圆柱形。前述的双极化天线110、主反射器140，以及次反射器150皆位于天线罩510的内部。旋转马达520连接至双极化天线110、主反射器140，以及次反射器150。在一些实施例中，一处理器可产生一控制信号，而旋转马达520根据控制信号来转动双极化天线110、主反射器140，以及次反射器150，以调整天线系统500的最大增益方向。金属底板530可为圆形、矩形，或正方形，其用于支撑天线罩510和旋转马达520。天线罩510和旋转马达520的垂直投影皆位于金属底板530的内部。在此设计下，天线系统500的主波束(Main Beam)可根据各种需求进行调整，以朝向各个不同所需方向，故其可视为一智能型天线(Smart Antenna)的产品。

本发明提供一种双极化天线系统，其包括主反射器和次反射器，分别对应于低频频带和高频频带，故能均匀地提升整个宽带操作频带内的天线增益。另外，扼流器可作为本发明的高频抑制解决方案。若再加入旋转马达的设计，则所提的天线系统还将具有可调整的主波束方向，能作为一高增益智能型天线。本发明很适合应用于各种室内环境，以克服传统因信号反射和多重路径衰减造成通信质量不佳的问题。

值得注意的是，以上所述的组件尺寸、组件参数、组件形状，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-图5所图示的状态。本发明可以仅包括图1A-图5的任何一个或多个实施例的任何一项或多项特征。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书中的序数，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组件。

本发明虽以较佳实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，应当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当视所附的权利要求书所界定者为准。

Claims (20)

1.一种天线系统，该天线系统包括：

一双极化天线，该双极化天线包括一第一天线组件和一第二天线组件，其中该第一天线组件和该第二天线组件皆操作于一低频频带和一高频频带，而其中该第一天线组件和该第二天线组件具有不同极化方向；

一主反射器，该主反射器用于反射该低频频带的电磁波；以及

一次反射器，该次反射器介于该双极化天线和该主反射器之间，并用于反射该高频频带的电磁波。

2.如权利要求1所述的天线系统，其中该第一天线组件具有一第一极化方向，该第二天线组件具有一第二极化方向，而该第二极化方向垂直于该第一极化方向。

3.如权利要求1所述的天线系统，其中该第一天线组件设置于一第一介质基板上，该第二天线组件设置于一第二介质基板上，而该第二介质基板垂直于该第一介质基板。

4.如权利要求1所述的天线系统，其中该主反射器为一无盖箱型，而该无盖箱型的一上开口朝向该双极化天线。

5.如权利要求1所述的天线系统，其中该次反射器为一平面。

6.如权利要求1所述的天线系统，其中该低频频带的电磁波能穿透该次反射器。

7.如权利要求1所述的天线系统，其中该第一天线组件和该第二天线组件皆为偶极天线组件或领结天线组件。

8.如权利要求1所述的天线系统，其中该第一天线组件和该第二天线组件各自包括一对第一辐射部、一对第二辐射部，以及一对第三辐射部，而其中该等第二辐射部介于该等第一辐射部和该等第三辐射部之间。

9.如权利要求8所述的天线系统，其中该等第一辐射部和该等第二辐射部激发产生该低频频带，而该等第三辐射部激发产生该高频频带。

10.如权利要求8所述的天线系统，其中该第一天线组件和该第二天线组件各自还包括一对反射组件，用于反射该高频频带的电磁波，而该等反射组件介于该等第三辐射部和该次反射器之间。

11.如权利要求8所述的天线系统，其中该第一天线组件和该第二天线组件各自还包括一对指向组件，用于引导该高频频带的电磁波向外传递，而该等第一辐射部介于该等指向组件和该等第二辐射部之间。

12.如权利要求1所述的天线系统，其中该第一天线组件和该第二天线组件各自还包括一信号源和一同轴电缆线。

13.如权利要求12所述的天线系统，其中该同轴电缆线包括一导体外壳，而该导体外壳焊接至该主反射器。

14.如权利要求13所述的天线系统，其中该次反射器具有一开孔，而其中该同轴电缆线延伸穿越该开孔且与该次反射器不相接触。

15.如权利要求14所述的天线系统，其中该第一天线组件和该第二天线组件各自还包括一扼流器，应用于该同轴电缆线。

16.如权利要求15所述的天线系统，其中该扼流器为一低通滤波器。

17.如权利要求15所述的天线系统，其中该扼流器为一空心圆柱管，并包围住该同轴电缆线。

18.如权利要求17所述的天线系统，其中该空心圆柱管具有一开口端和一闭口端，该空心圆柱管的该开口端与该同轴电缆线不相接触，而该空心圆柱管的该闭口端焊接至该同轴电缆线的该导体外壳。

19.如权利要求17所述的天线系统，其中该空心圆柱管的长度小于该高频频带的0.25倍波长。

20.如权利要求15所述的天线系统，其中该扼流器为一L字形部，该L字形部具有一连接端和一开路端，该L字形部的该连接端焊接至该同轴电缆线的该导体外壳，而该L字形部的该开路端与该同轴电缆线不相接触。