CN109149129A - 双模式天线阵列及具有双模式天线阵列的电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双模式天线阵列，包括双模式天线、开关、传输线以及天线单元。双模式天线具有第一馈入端，双模式天线操作于第一频带与第二频带。开关具有第一端与第二端，开关的第一端连接双模式天线的第一馈入端。开关的第二端连接传输线，其中双模式天线在第一频带与第二频带的阻抗为传输线的阻抗的二分之一倍至一倍之间。天线单元具有第二馈入端，天线单元的第二馈入端通过传输线连接开关的第二端，其中天线单元在第一频带与第二频带的阻抗相同于传输线的阻抗。本发明利用简单馈入的设计，同时实现了辐射场型控制与降低制造成本。

Description

双模式天线阵列及具有双模式天线阵列的电子装置

技术领域

本发明涉及一种天线阵列及电子装置，特别是一种双模式天线阵列及具有双模式天线阵列的电子装置。

背景技术

天线的辐射场型依据天线基本工作原理而有所差异，例如偶极天线(Dipoleantenna)能够产生全向性(Omnidirectional)的辐射场型，平板天线(Patch antenna)能够产生侧向(Broadside)的辐射场型。各种辐射场型有不同的应用，例如，全向性的辐射场型适用于终端装置，以让终端装置可以接收到各方向的无线讯号。又例如，基地台天线，如无线网络接取器(Wireless access point)的天线，则可能需要能够产生特定方向的辐射场型，以与位于各种特定位置的终端装置能更进行无线通讯。

一般而言，虽然可用阵列天线控制特定辐射场型，但阵列天线的控制电路(包括开关、相位控制及馈入网络等)引入了更多的传输损耗的问题。再者，现行电子装置的无线传输通常需要多频带传输的功能，制造商必须制造多频工作的无线模組(包括天线)。若要使用具有多个天线(阵列)的设计，又要同时兼具多频带操作，例如常见用于无线区域网络的2.4GHz频带及5GHz频带的操作需求，选择传统的阵列天线设计所使用的多个开关、多个馈入网络除了要详加考虑传输损耗的问题，更要考虑馈入网络残段在多频(或双频)工作时对不同频带的阻抗影响特性，尤其在现行电子装置对于天线要求轻薄短小的情況下，提供双频以上操作的馈入网络的电路面积相当大(可能比天线阵列还大，而造成天线阵列模組整体体积难以縮小)，使得传统上使用需要复杂的馈入网络在实现双频(或多频)操作时会造成天线阵列产品制造成本的大幅增加。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种双模式天线阵列，利用双模式天线其输入阻抗可搭配单天线工作模式与双天线工作模式的特性，使双模式天线阵列在双频工作的需求下不需要使用复杂的双频馈入网络，且仅需使用一个开关。在使用双模式天线与简单馈入的设计，使得辐射场型控制的目的与制造成本的降低都能同时实现。本发明的另一目的是提供一种具有可控天线模组的电子装置。

本发明的技术方案是这样的：一种双模式天线阵列，包括：

双模式天线，具有第一馈入端，所述双模式天线操作于第一频带与第二频带；

开关，具有第一端与第二端，所述开关的所述第一端连接所述双模式天线的所述第一馈入端；

传输线，所述开关的所述第二端连接所述传输线，其中所述双模式天线在所述第一频带与所述第二频带的阻抗为所述传输线的阻抗的二分之一倍至一倍之间；

以及天线单元，具有第二馈入端，所述天线单元的所述第二馈入端通过所述传输线连接所述开关的所述第二端，其中所述天线单元在所述第一频带与所述第二频带的阻抗相同于所述传输线的阻抗。

进一步的，所述开关是一对二开关，所述开关更具有第三端，所述开关的所述第三端连接开路线路，所述开关受控于控制信号以选择操作状态于模式零或模式一，所述模式零是将所述第一端导通至所述第三端，所述模式一是将所述第一端导通至所述第二端。

进一步的，当所述开关的操作状态为模式零时，所述开关的所述第一端、第三端与所述开路线路导通成为开关线路残段，所述双模式天线与所述开关线路残段并联的输入阻抗为所述传输线的阻抗的二分之一；当所述开关的操作状态为模式一时，所述双模式天线与该天线单元利用所述开关并联的输入阻抗为所述传输线的阻抗的二分之一。

进一步的，所述开关是二极管。

进一步的，所述双模式天线具有第一部件与第二部件，所述第一部件连接所述第一馈入端，所述第一部件用以产生所述第二频带的操作模态，所述第二部件耦合所述第一部件以产生所述第一频带的操作模态；所述天线单元具有第三部件与第四部件，所述第三部件连接所述第二馈入端，所述第三部件用以产生所述第二频带的操作模态，所述第四部件耦合所述第三部件以产生所述第一频带的操作模态。

进一步的，所述第一部件是单极天线，所述第二部件连接接地，所述第一部件的第一耦合段平行于所述第二部件的第二耦合段而耦合能量。

进一步的，所述第一耦合段与所述第二耦合段皆平行于所述接地。

进一步的，所述第三部件是单极天线，所述第四部件连接接地，所述第三部件的第三耦合段平行于所述第四部件的第四耦合段而耦合能量。

进一步的，所述第三耦合段与所述第四耦合段皆平行于所述接地。

一种具有双模式天线阵列的电子装置，包括：

上述双模式天线阵列，所述双模式天线阵列的所述双模式天线的所述第一馈入端与所述开关的所述第一端连接所述电子装置的无线芯片；

应用单元，连接所述无线芯片，由所述无线芯片接收所述双模式天线阵列的接收信号强度指示或接收资料率；

以及控制单元，连接所述应用单元与所述开关，以决定是否将所述开关的所述第一端导通至所述第二端，以控制所述双模式天线阵列的辐射场型。

本发明所提供的技术方案的优点在于，利用双模式天线其输入阻抗可搭配单天线工作模式与双天线工作模式的特性，使双模式天线阵列在双频工作的需求下不需要使用复杂的双频馈入网络，且仅需使用一个开关。在使用双模式天线与简单馈入的设计，使得辐射场型控制的目的与制造成本的降低都能同时实现，且控制电路易于实现，具有很高的产业应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的双模式天线阵列的透视图。

图2是本发明另一实施例提供的双模式天线阵列的示意图。

图3是本发明实施例提供的双模式天线阵列的返回损失图。

图4是本发明实施例提供的双模式天线阵列只有其双模式天线工作于2.4GHz时的X-Y平面辐射场型图。

图5是本发明实施例提供的双模式天线阵列只有其双模式天线工作于5.4GHz时的X-Y平面辐射场型图。

图6是本发明实施例提供的双模式天线阵列工作于2.4GHz时的X-Y平面辐射场型图。

图7是本发明实施例提供的双模式天线阵列工作于5.4GHz时的X-Y平面辐射场型图。

图8是本发明另一实施例提供的双模式天线阵列的示意图。

图9是本发明实施例提供的具有双模式天线阵列的电子装置的模块图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

请结合图1，图1是本发明实施例提供的双模式天线阵列的透视图。双模式天线阵列1包括双模式天线11、开关12、传输线13以及天线单元14。图1实施例的双模式天线11与天线单元14都是使用双面印刷电路板技术实现，并被制作于基板100。双模式天线11具有第一馈入端119，双模式天线11操作于第一频带与第二频带。开关12具有第一端121与第二端122，开关12的第一端121连接双模式天线11的第一馈入端119，开关12的第二端122连接传输线13，开关12例如以设置于基板100的表面粘着元件实现。双模式天线11在第一频带与第二频带的阻抗为传输线13的阻抗的二分之一倍至一倍之间，例如传输线13阻抗为100欧姆，则双模式天线11在第一频带与第二频带的阻抗是介于50欧姆至100欧姆之间。上述第一频带例如是2.4GHz频带，第二频带例如是5GHz频带(例如WiFi频带)。天线单元14具有第二馈入端149，天线单元14的第二馈入端149通过传输线13连接开关12的第二端122，其中天线单元14在第一频带与第二频带的阻抗相同于传输线13的阻抗，例如为100欧姆。本实施例的开关12例如是二极体，通常是射频二极体。

再者，除了以双端点的元件实现开关12之外，在图2的另一实施例中，开关12是一对二开关，除了第一端121、第二端122之外，开关12更具有第三端123，开关12的第三端123连接开路线路129(见图2)，开路线路129可以是开关12其内部结构连接第三端123的导体，或者开路线路129是连接于第三端123的一个导体线路，例如是开关12之外且位于电路板上的金属线，所述电路板用以承载开关12，例如是图1的基板100。不論是图1或图2的实施例，开关12受控于控制信号以选择操作状态于模式零(Mode 0)或模式一(Mode 1)，在图1与图2都中省略了传送控制信号至开关12的控制线。在图1实施例中，所述模式零是使开关12的第一端121与第二端122不导通(也就是断路)，使天线单元14没有接收到馈入信号。在图2实施例中，所述模式零是将第一端121导通至第三端123，使天线单元14没有接收到馈入信号。馈入信号的来源端的射频线路阻抗值通常是50欧姆，经过适当设计可让双模式天线11的阻抗值接近于50欧姆的匹配状态，但也要符合模式一的工作阻抗，故双模式天线11在第一频带与第二频带的阻抗较佳是介于50欧姆至100欧姆之间。对于图2实施例，较佳的，当开关12的操作状态为模式零时，开关12的第一端121、第三端123与开路线路129导通成为开关线路残段(具有一特定阻抗值)，双模式天线11与开关线路残段并联的输入阻抗为传输线13的阻抗的二分之一，也就是50欧姆，以达到阻抗匹配。

另一方面，模式一是将第一端121导通至第二端122，使天线单元14利用第二馈入端149接收到馈入信号，让天线单元14与双模式天线11构成天线阵列的运作。天线单元14在第一频带与第二频带的阻抗值等于或接近于传输线13的100欧姆，此时双模式天线11与天线单元14构成并联线路，以达成并联后阻抗接近于50欧姆。换句话说，较佳的，当开关12的操作状态为模式一时，双模式天线11与天线单元14利用开关12并联的输入阻抗为传输线13的阻抗的二分之一。请参照图3的返回损失图，曲线A0是模式零时的返回损失，此时只有双模式天线11运作。而曲线A1是模式一时的返回损失，此时双模式天线11与天线单元14作为天线阵列的状态运作。其中，可见两种模式在第一频带(2.4GHz频带)的返回损失曲线都不是最佳，因为要使两种模式皆能有适当的阻抗值且匹配频率点的偏移在可接受范围，此是双模式天线阵列1的特別设计特征与功效。另外，第二频带(5GHz频带)的返回损失由于匹配良好的频宽较宽，故在本实施例中无需特別考量。

请再结合图1，为了达成双频操作，图1的双模式天线11与天线单元14是一较佳实施例。双模式天线11具有第一部件111与第二部件112，第一部件111在基板100的上表面，第二部件112在基板100的下表面。第一部件111连接第一馈入端119，第一部件111用以产生第二频带(例如为5GHz频带)的操作模态，第二部件112耦合第一部件111以产生第一频带(例如为2.4GHz频带)的操作模态。第一部件111是单极天线，第二部件112连接接地9，第一部件111的第一耦合段111a平行于第二部件112的第二耦合段112a而耦合能量。在图1中，第一耦合段111a与第二耦合段112a皆平行于接地9，其中接地9位于基板100的下表面，但本发明并不因此限定。天线单元14具有第三部件141与第四部件142，第三部件141在基板100的上表面，第四部件142在基板100的下表面。第三部件141连接第二馈入端149，第三部件141用以产生第二频带(例如为5GHz频带)的操作模态，第四部件142耦合第三部件141以产生第一频带(例如为2.4GHz频带)的操作模态。第三部件141是单极天线，第四部件142连接接地9，第三部件141的第三耦合段141a平行于第四部件142的第四耦合段142a而耦合能量。在图1中，第三耦合段141a与第四耦合段142a皆平行于接地9，但本发明并不因此限定。

请结合图4、图5、图6与图7的辐射场型图。在模式零，第一频带的辐射场型图由图4所显示，第二频带的辐射场型图由图5所显示。在模式一，第一频带的辐射场型图由图6所显示，第二频带的辐射场型图由图7所显示。可见两种模式的辐射场型有明显差异。并且，因应天线结构的差异，双模式天线11与天线单元14的空间间距、接地9的形状、传输线13的长度所造成的相位差异，甚至此双模式天线阵列所应用的电子装置本身的结构(尤其是导体、金属的部分)，使两种模式的辐射场型都可能会有进一步的不同，其端看实际应用产品的设计考量。

请结合图8，图8是本发明另一实施例提供的双模式天线阵列的示意图，其中实线部分代表是基板100的上表面的线路，虚线部分代表基板100的下表面的线路。基于接地9的不同，接地9在双模式天线11与天线单元14两者之间有一个凸出部9a，第一部件111、第二部件112、第三部件141与第四部件142的设置位置与结构与图1实施例的结构有所差异，并且传输线13也经过适当弯折以减少所占线路面积。

接着，请结合图9，本实施例提供一种具有双模式天线阵列的电子装置，包括如前述实施例所提供的双模式天线阵列1、应用单元2以及控制单元3，其中双模式天线阵列1的双模式天线11的第一馈入端111与开关12的第一端121连接电子装置的无线芯片4。应用单元2连接无线芯片4，由无线芯片4接收双模式天线阵列1的接收信号强度指示(RSSI)或接收资料率(data rate)。控制单元3连接应用单元2与开关12，以决定是否将开关12的第一端121导通至第二端122，以控制双模式天线阵列1的辐射场型。应用单元2可包括此电子装置的操作系统的应用层的软件，应用单元2包括控制辐射场型的演算法(基于双模式天线阵列1的接收信号强度指示或接收资料率)，以控制控制单元3。应用单元2的演算法运作可以与无线芯片4的运作区隔，使得无线芯片4不需负责控制双模式天线阵列1，让天线控制独立于无线芯片4之外，因此可减少无线芯片4的设计成本。使得，在产品层面的应用时，无线芯片4可以使用通用型的芯片，在更改双模式天线阵列1的设计时，只需要修改应用单元2即可(或者，包括修改控制单元3，当开关12也一并被修改时)。所述电子装置可以是笔记本电脑、膝上型电脑、平板电脑、一体电脑、智能电视、小型基站或无线路由器，但本发明并不因此限定。

Claims (10)

1.一种双模式天线阵列，其特征在于，包括：

双模式天线，具有第一馈入端，所述双模式天线操作于第一频带与第二频带；

开关，具有第一端与第二端，所述开关的所述第一端连接所述双模式天线的所述第一馈入端；

传输线，所述开关的所述第二端连接所述传输线，其中所述双模式天线在所述第一频带与所述第二频带的阻抗为所述传输线的阻抗的二分之一倍至一倍之间；

以及天线单元，具有第二馈入端，所述天线单元的所述第二馈入端通过所述传输线连接所述开关的所述第二端，其中所述天线单元在所述第一频带与所述第二频带的阻抗相同于所述传输线的阻抗。

2.根据权利要求1所述的双模式天线阵列，其特征在于，所述开关是一对二开关，所述开关更具有第三端，所述开关的所述第三端连接开路线路，所述开关受控于控制信号以选择操作状态于模式零或模式一，所述模式零是将所述第一端导通至所述第三端，所述模式一是将所述第一端导通至所述第二端。

3.根据权利要求2所述的双模式天线阵列，其特征在于，当所述开关的操作状态为模式零时，所述开关的所述第一端、第三端与所述开路线路导通成为开关线路残段，所述双模式天线与所述开关线路残段并联的输入阻抗为所述传输线的阻抗的二分之一；当所述开关的操作状态为模式一时，所述双模式天线与该天线单元利用所述开关并联的输入阻抗为所述传输线的阻抗的二分之一。

4.根据权利要求1所述的双模式天线阵列，其特征在于，所述开关是二极管。

5.根据权利要求1所述的双模式天线阵列，其特征在于，所述双模式天线具有第一部件与第二部件，所述第一部件连接所述第一馈入端，所述第一部件用以产生所述第二频带的操作模态，所述第二部件耦合所述第一部件以产生所述第一频带的操作模态；所述天线单元具有第三部件与第四部件，所述第三部件连接所述第二馈入端，所述第三部件用以产生所述第二频带的操作模态，所述第四部件耦合所述第三部件以产生所述第一频带的操作模态。

6.根据权利要求5所述的双模式天线阵列，其特征在于，所述第一部件是单极天线，所述第二部件连接接地，所述第一部件的第一耦合段平行于所述第二部件的第二耦合段而耦合能量。

7.根据权利要求6所述的双模式天线阵列，其特征在于，所述第一耦合段与所述第二耦合段皆平行于所述接地。

8.根据权利要求5所述的双模式天线阵列，其特征在于，所述第三部件是单极天线，所述第四部件连接接地，所述第三部件的第三耦合段平行于所述第四部件的第四耦合段而耦合能量。

9.根据权利要求8所述的双模式天线阵列，其特征在于，所述第三耦合段与所述第四耦合段皆平行于所述接地。

10.一种具有双模式天线阵列的电子装置，其特征在于，包括：

根据权利要求1所述的双模式天线阵列，所述双模式天线阵列的所述双模式天线的所述第一馈入端与所述开关的所述第一端连接所述电子装置的无线芯片；

应用单元，连接所述无线芯片，由所述无线芯片接收所述双模式天线阵列的接收信号强度指示或接收资料率；

以及控制单元，连接所述应用单元与所述开关，以决定是否将所述开关的所述第一端导通至所述第二端，以控制所述双模式天线阵列的辐射场型。