CN107394346A - 通信装置 - Google Patents

Abstract

一种通信装置。该通信装置包括：一天线系统、一金属底座以及一金属垫高柱；该天线系统至少包括一第一双极化天线和一第一反射器，其中该第一反射器用于反射该第一双极化天线的辐射能量；该金属垫高柱耦接于该天线系统和该金属底座之间，并用于支撑该天线系统。本发明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。

Description

通信装置

技术领域

本发明涉及一种通信装置，特别涉及一种通信装置及其天线系统。

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便携型电子装置。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，需要提供一种通信装置来解决上述问题。

发明内容

在较佳实施例中，本发明提供一种通信装置，该通信装置包括：一天线系统，该天线系统至少包括一第一双极化天线和一第一反射器，其中该第一反射器用于反射该第一双极化天线的辐射能量；一金属底座；以及一金属垫高柱，该金属垫高柱耦接于该天线系统和该金属底座之间，并用于支撑该天线系统。

在一些实施例中，该第一反射器为一锥形，具有较宽的一上开口和较窄的一下底板，而该第一反射器的该上开口朝向该第一双极化天线。

在一些实施例中，该第一反射器的该上开口为较大的一正方形，而该第一反射器的该下底板为较小的一正方形。

在一些实施例中，该第一双极化天线包括一第一偶极天线组件和一第二偶极天线组 件，而该第一偶极天线组件与该第二偶极天线组件互相垂直。

在一些实施例中，该第一偶极天线组件和该第二偶极天线组件皆为钻石形偶极天线组件。

在一些实施例中，该第一双极化天线涵盖介于1850MHz至2690MHz之间的一操作频带。

在一些实施例中，该第一反射器和该第一双极化天线的间距略大于该操作频带的0.25倍波长。

在一些实施例中，该天线系统还包括一第一金属板，用于平衡该第一偶极天线组件和该第二偶极天线组件的辐射增益，而该第一双极化天线位于该第一金属板和该第一反射器之间。

在一些实施例中，该第一金属板为一正方形、一圆形，或一正三角形。

在一些实施例中，该第一金属板的长度或宽度小于该第一双极化天线的一操作频带的0.5倍波长。

在一些实施例中，该天线系统还包括一第二双极化天线和一第二反射器，该第二反射器用于反射该第二双极化天线的辐射能量，其中该第二双极化天线相对于该第一双极化天线或相邻于该第一双极化天线。

在一些实施例中，该天线系统还包括一第二金属板，而该第二双极化天线位于该第二金属板和该第二反射器之间。

在一些实施例中，该天线系统还包括一第三双极化天线、一第四双极化天线、一第三反射器，以及一第四反射器，其中该第三反射器用于反射该第三双极化天线的辐射能量，而该第四反射器用于反射该第四双极化天线的辐射能量。

在一些实施例中，该天线系统还包括一第三金属板和一第四金属板，该第三双极化天线位于该第三金属板和该第三反射器之间，而该第四双极化天线位于该第四金属板和该第四反射器之间。

在一些实施例中，该第一双极化天线、该第二双极化天线、该第三双极化天线，以及该第四双极化天线为中心对称式分布，并各自涵盖90度的空间角。

在一些实施例中，该天线系统为一波束交换天线组，并选择性地使用该第一双极化天 线、该第二双极化天线、该第三双极化天线，以及该第四双极化天线的一者来执行信号收发。

在一些实施例中，该金属垫高柱的顶面积与该天线系统的底面积大小相同。

在一些实施例中，该天线系统的一底面的一外接圆具有一第一半径，而该金属底座为一圆形并具有一第二半径，其中该金属垫高柱的高度与该第二半径和该第一半径的比值为线性相关。

在一些实施例中，该金属垫高柱的该高度以下列方程式计算：

其中H代表该金属垫高柱的该高度，λ₀代表该天线系统的一操作频带在自由空间中的波长，RA代表该第一半径，而RB代表该第二半径。

本发明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通信装置的立体图；

图1B显示根据本发明一实施例所述的通信装置的侧视图；

图1C显示根据本发明一实施例所述的通信装置的俯视图；

图2显示根据本发明一实施例所述的通信装置的天线系统的第一双极化天线的S参数图；以及

图3显示根据本发明一实施例所述的通信装置的天线系统的第一双极化天线的第二偶极天线组件的辐射场型图。

主要组件符号说明：

100 通信装置

110 天线系统

120 金属底座

130 金属垫高柱

140 第一双极化天线

140-2 第二双极化天线

140-3 第三双极化天线

140-4 第四双极化天线

141 第一偶极天线组件

142 第二偶极天线组件

150 第一反射器

150-2 第二反射器

150-3 第三反射器

150-4 第四反射器

160 第一金属板

160-2 第二金属板

160-3 第三金属板

160-4 第四金属板

170 中心点

180 外接圆

CO 第四曲线(同极化)

CX 第五曲线(交叉极化)

D1、D2 间距

H 高度

HD1 深度

L1、L2、L3 长度

RA、RB 半径

S11 第一曲线(S11参数)

S22 第二曲线(S22参数)

S21 第三曲线(S21参数)

W1、W2、W3 宽度

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。

在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域技术人员应当可以理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”及“包括”一词为开放式的用语，故应解释成“包含但不仅限定于”。“大致”一词则是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，达到所述基本的技术效果。此外，“耦接”一词在本说明书中包含任何直接及间接的电性连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接至一第二装置，则代表该第一装置可直接电性连接至该第二装置，或经由其它装置或连接手段而间接地电性连接至该第二装置。

图1A显示根据本发明一实施例所述的通信装置100的立体图。图1B显示根据本发明一实施例所述的通信装置100的侧视图。图1C显示根据本发明一实施例所述的通信装置100的俯视图。请一并参考图1A、1B、1C。通信装置100可应用于一无线网络基站 (WirelessAccess Point)当中。如图1A、1B、1C所示，通信装置100包括一天线系统110、一金属底座120，以及一金属垫高柱130。天线系统110至少包括一第一双极化天线(Dual-PolarizedAntenna)140和一第一反射器(Reflector)150，其中第一反射器150用于反射第一双极化天线140的辐射能量。金属底座120可为一中空结构，以容纳各种电子电路组件，例如：一处理器、一天线切换模块，以及一匹配电路。金属垫高柱130耦接于天线系统110和金属底座120之间，并用于支撑天线系统110。必须理解的是，虽然未显示在图1A、1B、1C中，通信装置100还可包括其他组件，例如：一介质基板，一供电模块，以及一射频(Radio Frequency)模块。在一些实施例中，通信装置100还包括一圆柱形非导体天线罩，其中天线系统110和金属垫高柱130皆可设置于此圆柱形非导体天线罩当中。

第一双极化天线140包括一第一偶极天线组件(Dipole Antenna Element)141和一第二偶极天线组件142。第一偶极天线组件141可与第二偶极天线组件142互相垂直，以达成双极化的特性。举例而言，若第一偶极天线组件141具有一第一极化方向且第二偶极天线组件142具有一第二极化方向，则第一极化方向可与第二极化方向互相垂直。为增加操作带宽，第一偶极天线组件141和第二偶极天线组件142可皆为钻石形偶极天线组件。然而，本发明并不仅限于此。在其他实施例中，第一双极化天线140亦可包括不同种类的二天线组件，例如：单极天线组件(Monopole Antenna Element)，或是补丁天线组件(Patch AntennaElement)。

第一反射器150可为一锥形(中空结构)，具有较宽的一上开口和较窄的一下底板，其中第一反射器150的上开口朝向第一双极化天线140。详细而言，第一反射器150的上开口为较大的一正方形，而第一反射器150的下底板为较小的一正方形。第一反射器150可用于消除第一双极化天线140的背向辐射及增强其正向辐射，从而可提升第一双极化天线140的天线增益。本发明并不仅限于此。在另一些实施例中，第一反射器150亦可改为一无盖立方体或一无盖圆柱体(中空结构)，而其上开口亦朝向第一双极化天线140，仍不致影响本发明的效果。

在一些实施例中，天线系统110还包括一第一金属板160，其中第一双极化天线140位于第一金属板160和第一反射器150之间。第一金属板160、第一双极化天线140，以及第一反射器150的下底板，此三者可以互相平行地配置。第一金属板160可具有各种形状，例如：一正方形、一圆形，或是一正三角形。详细而言，第一金属板160的面积可小于第一双极化天线140的面积，而第一金属板160的垂直投影可完全位于第一反射器150的下底板的内部。由于第一双极化天线140的第一偶极天线组件141与第二偶极天线组件142至第一反射器150的间距有微小落差，第一金属板160作为一选用组件(Optional Element)，其可平衡及等化第一偶极天线组件141和第二偶极天线组件142两者的辐射增益。在其他实施例中，第一金属板160亦可由天线系统110当中移除。

图2显示根据本发明一实施例所述的通信装置100的天线系统110的第一双极化天线 140的S参数图(S Parameter)，其中横轴代表操作频率(MHz)，而纵轴代表S参数(dB)。在图2的实施例中，第一双极化天线140的第一偶极天线组件141设定为一第一端口(Port1)，而第一双极化天线140的第二偶极天线组件142设定为一第二端口(Port 2)。一第一曲线S11代表第一偶极天线组件141的S11参数。一第二曲线S22代表第二偶极天线组件142的S22参数。一第三曲线S21代表第一偶极天线组件141和第二偶极天线组件142之间的S21(或S12)参数。根据图2的量测结果可知，第一双极化天线140的第一偶极天线组件141和第二偶极天线组件142皆可涵盖介于1850MHz至2690MHz之间的一操作频带。在前述操作频带中，第一偶极天线组件141和第二偶极天线组件142之间的S21参数皆在-40dB以下。因此，第一双极化天线140可涵盖LTE(Long Term Evolution)的宽带操作，且具有相当良好的天线间的隔离度(Isolation)。

在一些实施例中，天线系统110的组件尺寸可如下列所述。为产生相长干涉(即，建设性干涉)，第一反射器150和第一双极化天线140(或第一偶极天线组件141)的间距D1略大于第一双极化天线140的操作频带的0.25倍波长(λ/4)。前述间距D1介于24mm至30mm之间，较佳为27mm。第一金属板160和第一双极化天线140(或第二偶极天线组件142)的间距D2介于19mm至25mm之间，较佳为22mm。第一反射器150的下底板的长度L1介于45mm至55mm之间，较佳为50mm。第一反射器150的下底板的宽度W1介于45mm至55mm之间，较佳为50mm。第一反射器150的上开口的长度L2介于90mm至110mm之间，较佳为99.5mm。第一反射器150的上开口的宽度W2介于90mm至110mm之间，较佳为99.5mm。第一反射器150的深度HD1(即其上开口和下底板的间距)介于22mm至27mm之间，较佳为24.7mm。第一金属板160的长度L3介于22mm至27mm之间，较佳为25mm。第一金属板160的宽度W3介于22mm至27mm之间，较佳为25mm。在一些实施例中，第一金属板160的长度L3或宽度W3小于第一双极化天线140的操作频带的0.5倍波长(λ/2)。以上组件尺寸经由多次模拟而计算得出，其可优化天线系统110的天线增益和天线间的隔离度。

在一些实施例中，天线系统110还包括一第二双极化天线140-2和一第二反射器150-2，其中第二反射器150-2用于反射第二双极化天线140-2的辐射能量。天线系统110还可包括一第二金属板160-2，其中第二双极化天线140-2位于第二金属板160-2和第二反射器150-2之间。第二双极化天线140-2相对于第一双极化天线140或相邻于第一双极化天线140。第二双极化天线140-2、第二反射器150-2，以及第二金属板160-2的结构和功能皆与前述的第一双极化天线140、第一反射器150，以及第一金属板160相同，而其间差异处仅在于它们朝向不同方向。

在一些实施例中，天线系统110还包括一第三双极化天线140-3和一第三反射器150-3，其中第三反射器150-3用于反射第三双极化天线140-3的辐射能量。天线系统110还可包括一第三金属板160-3，其中第三双极化天线140-3位于第三金属板160-3和第三反射器150-3之间。第三双极化天线140-3相对于第一双极化天线140或相邻于第一双极化天线140。第三双极化天线140-3、第三反射器150-3，以及第三金属板160-3的结构和功 能皆与前述的第一双极化天线140、第一反射器150，以及第一金属板160相同，而其间差异处仅在于它们朝向不同方向。

在一些实施例中，天线系统110还包括一第四双极化天线140-4和一第四反射器150-4，其中第四反射器150-4用于反射第四双极化天线140-4的辐射能量。天线系统110还可包括一第四金属板160-4，其中第四双极化天线140-4位于第四金属板160-4和第四反射器150-4之间。第四双极化天线140-4相对于第一双极化天线140或相邻于第一双极化天线140。第四双极化天线140-4、第四反射器150-4，以及第四金属板160-4的结构和功能皆与前述的第一双极化天线140、第一反射器150，以及第一金属板160相同，而其间差异处仅在于它们朝向不同方向。

请再次参考图1A、1B、1C。第一双极化天线140、第二双极化天线140-2、第三双极化天线140-3，以及第四双极化天线140-4为相对于一中心点170呈现对称式分布，并各自涵盖90度的空间角。相似地，第一反射器150、第二反射器150-2、第三反射器150-3、第四反射器150-4、第一金属板160、第二金属板160-2、第三金属板160-3，以及第四金属板160-4亦可相对于中心点170呈现对称式分布。第一双极化天线140、第二双极化天线140-2、第三双极化天线140-3，以及第四双极化天线140-4可具有相同的操作频带。在一些实施例中，天线系统110为一波束交换天线组(Beam Switching Antenna Assembly)，并选择性地使用第一双极化天线140、第二双极化天线140-2、第三双极化天线140-3，以及第四双极化天线140-4的一者来执行信号收发。举例而言，当欲接收信号来自于四面八方时，天线系统110可仅使能(Enable)朝向最大信号强度方向的双极化天线，而将其余双极化天线皆禁用(Disabled)。必须理解的是，虽然图1A、1B、1C显示恰好四支双极化天线，实际上天线系统110可包括更多或更少数量的天线，例如：可仅包括第一双极化天线140、第二双极化天线140-2、第三双极化天线140-3，以及第四双极化天线140-4其中之一或多个。大致而言，若天线系统110共包括N支双极化天线(例如：N为大于或等于2的一正整数)，则此N支双极化天线可以等分配置于同一周角上，其中任意二支相邻的双极化天线之间所包夹的一劣弧(Minor Arc)的度数恰为(360/N)度。

根据实际量测结果，当金属底座120的面积与天线系统110的底面积两者不相等时，其将对于天线系统110的辐射场型和交叉极化隔离度(Cross-PolarizationIsolation)产生负面影响。一般而言，金属底座120的面积根据最低操作频率而设计，故通常会大于天线系统110的底面积。为克服这一缺点，在较佳实施例中，本发明加入金属垫高柱130来修正天线系统110的辐射场型及提升其交叉极化隔离度。金属垫高柱130在金属底座120上的高度H可根据天线系统110的底面积和金属底座120的面积来决定。

请参考图1C。天线系统110的一底面的一外接圆180具有一第一半径RA，而金属底座120为一圆形并具有一第二半径RB，其中金属垫高柱130的高度H与第二半径RB和第一半径RA的比值为线性相关。详细而言，金属垫高柱130的高度H可以用下列方程式(1)计算得出：

其中H代表金属垫高柱130的高度，λ₀代表天线系统110的操作频带在自由空间(Free Space)中的波长，RA代表第一半径，而RB代表第二半径。

以上金属垫高柱130的高度H的计算公式根据多次实验结果以回归直线分析而得出，可有效地降低金属底座120对天线系统110的干扰。在一特例中，若第二半径RB等于第一半径RA(亦即，金属底座120的面积恰与天线系统110的底面积两者相等)，则金属垫高柱130的高度H恰好为0。换言之，金属垫高柱130用于补偿金属底座120的面积与天线系统110的底面积两者不相等时所产生的不匹配问题；若是它们相等，则可毋须设计金属垫高柱130。在一些实施例中，金属垫高柱130的顶面积与天线系统110的底面积两者大小相同。在一些实施例中，金属垫高柱130可设计为对应于天线系统110的底面形状的一柱体。例如，当天线系统110的底面为一圆形时，金属垫高柱130可为一圆柱体；又例如，当天线系统110的底面为一正方形时，金属垫高柱130可为一立方柱体。

图3显示根据本发明一实施例所述的通信装置100的天线系统110的第一双极化天线140的第二偶极天线组件142的辐射场型图(Radiation Pattern)，其中横轴代表方位角(Theta)(角度)，而纵轴代表天线增益(Gain)(dBi)。在图3的实施例中，一第四曲线CO代表同极化(Co-polarization)的辐射场型，而一第五曲线CX代表交叉极化(Cross-polarization)的辐射场型。根据图3的量测结果可知，在介于1850MHz至2690MHz的前述操作频带中，第一双极化天线140的最大天线增益可达约8.6dBi，而其交叉极化隔离度可达约18.1dB。亦即，金属垫高柱130的加入可使得天线系统110的辐射场型和交叉极化隔离度皆可符合移动通信的实际应用需求。

本发明提供一种通信装置，其天线系统具有高隔离度、高交叉极化隔离度，以及高天线增益等优势。因此，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，本发明的通信装置及天线系统并不仅限于图1A-图3所图示的状态。本发明可以仅包括图1A-图3的任何一个或多个实施例的任何一项或多项特征。换言之，并非所有图标的特征均须同时实施在本发明的通信装置及天线系统中。

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 (19)

1.一种通信装置，该通信装置包括：

一天线系统，该天线系统至少包括一第一双极化天线和一第一反射器，其中该第一反射器用于反射该第一双极化天线的辐射能量；

一金属底座；以及

一金属垫高柱，该金属垫高柱耦接于该天线系统和该金属底座之间，并用于支撑该天线系统。

2.如权利要求1所述的通信装置，其中该第一反射器为一锥形，具有较宽的一上开口和较窄的一下底板，而该第一反射器的该上开口朝向该第一双极化天线。

3.如权利要求2所述的通信装置，其中该第一反射器的该上开口为较大的一正方形，而该第一反射器的该下底板为较小的一正方形。

4.如权利要求1所述的通信装置，其中该第一双极化天线包括一第一偶极天线组件和一第二偶极天线组件，而该第一偶极天线组件与该第二偶极天线组件互相垂直。

5.如权利要求4所述的通信装置，其中该第一偶极天线组件和该第二偶极天线组件皆为钻石形偶极天线组件。

6.如权利要求1所述的通信装置，其中该第一双极化天线涵盖介于1850MHz至2690MHz之间的一操作频带。

7.如权利要求6所述的通信装置，其中该第一反射器和该第一双极化天线的间距略大于该操作频带的0.25倍波长。

8.如权利要求4所述的通信装置，其中该天线系统还包括一第一金属板，用于平衡该第一偶极天线组件和该第二偶极天线组件的辐射增益，而该第一双极化天线位于该第一金属板和该第一反射器之间。

9.如权利要求8所述的通信装置，其中该第一金属板为一正方形、一圆形，或一正三角形。

10.如权利要求1所述的通信装置，其中该第一金属板的长度或宽度小于该第一双极化天线的一操作频带的0.5倍波长。

11.如权利要求1所述的通信装置，其中该天线系统还包括一第二双极化天线和一第二反射器，该第二反射器用于反射该第二双极化天线的辐射能量，其中该第二双极化天线相对于该第一双极化天线或相邻于该第一双极化天线。

12.如权利要求11所述的通信装置，其中该天线系统还包括一第二金属板，而该第二双极化天线位于该第二金属板和该第二反射器之间。

13.如权利要求11所述的通信装置，其中该天线系统还包括一第三双极化天线、一第四双极化天线、一第三反射器，以及一第四反射器，其中该第三反射器用于反射该第三双极化天线的辐射能量，而该第四反射器用于反射该第四双极化天线的辐射能量。

14.如权利要求13所述的通信装置，其中该天线系统还包括一第三金属板和一第四金属板，该第三双极化天线位于该第三金属板和该第三反射器之间，而该第四双极化天线位于该第四金属板和该第四反射器之间。

15.如权利要求13所述的通信装置，其中该第一双极化天线、该第二双极化天线、该第三双极化天线，以及该第四双极化天线为中心对称式分布，并各自涵盖90度的空间角。

16.如权利要求13所述的通信装置，其中该天线系统为一波束交换天线组，并选择性地使用该第一双极化天线、该第二双极化天线、该第三双极化天线，以及该第四双极化天线的一者来执行信号收发。

17.如权利要求1所述的通信装置，其中该金属垫高柱的顶面积与该天线系统的底面积大小相同。

18.如权利要求1所述的通信装置，其中该天线系统的一底面的一外接圆具有一第一半径，而该金属底座为一圆形并具有一第二半径，其中该金属垫高柱的高度与该第二半径和该第一半径的比值为线性相关。

19.如权利要求18所述的通信装置，其中该金属垫高柱的该高度以下列方程式计算：

<mrow> <mi>H</mi> <mo>=</mo> <mn>0.75</mn> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>R</mi> <mi>B</mi> </mrow> <mrow> <mi>R</mi> <mi>A</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中H代表该金属垫高柱的该高度，λ₀代表该天线系统的一操作频带在自由空间中的波长，RA代表该第一半径，而RB代表该第二半径。