CN109616757B - 双模式天线阵列及双模式天线阵列的匹配方法 - Google Patents

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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、导通传输线、天线单元以及开路传输线。开关具有第一端、第二端与第三端，开关的第一端连接双模式天线，开关受控于控制信号以选择操作状态将第一端导通至第三端或是第二端。双模式天线在第一频带与第二频带的阻抗为导通传输线的阻抗的二分之一倍至一倍。天线单元通过导通传输线连接开关的第二端。阻抗为导通传输线的阻抗的二分之一的开路传输线连接于开关的第三端。在模式零，双模式天线的第一馈入端所测得的在第一频带的阻抗与在第二频带的阻抗分别具有第一电抗值与第二电抗值，开路传输线的长度用以使第一电抗值与第二电抗值皆更远离于零电抗。同时实现了辐射场型控制与降低制造成本。

Description

双模式天线阵列及双模式天线阵列的匹配方法
技术领域
本发明涉及一种天线阵列及天线阵列的匹配方法，特别是一种双模式天线阵列的匹配方法。
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组（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况下，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，而造成天线阵列模组整体体积难以缩小），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，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双模式天线阵列的匹配方法。
本发明的技术方案是这样的：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，所述双模式天线由所述第一馈入端接收第一射频信号以操作于第一频带，且由所述第一馈入端接收第二射频信号以操作于第二频带，其中所述第二频带的频率高于所述第一频带的频率；
开关，具有第一端、第二端与第三端，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，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；
导通传输线，所述开关的所述第二端连接所述导通传输线，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导通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，所述天线单元的所述第二馈入端通过所述导通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导通传输线的阻抗；
以及开路传输线，连接于所述开关的所述第三端，所述开路传输线的阻抗为所述导通传输线的阻抗的二分之一，其中在所述模式零，所述双模式天线的所述第一馈入端所测得的在所述第一频带的阻抗与在所述第二频带的阻抗分别具有第一电抗值与第二电抗值，其中所述开路传输线的长度用以改变所述第一电抗值与所述第二电抗值，使所述第一电抗值与所述第二电抗值皆更远离于零电抗。
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、第三端与所述开路传输线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导通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，所述双模式天线与所述天线单元利用所述开关并联的输入阻抗为所述导通传输线的阻抗的二分之一。
进一步的，所述开关是一对二开关。
进一步的，所述第一频带是2.4GHz频带，所述第二频带是5GHz频带。
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；其中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，所述双模式天线阵列用于电子装置，所述电子装置包括无线芯片、应用单元与控制单元，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无线芯片；所述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；所述控制单元连接所述应用单元与所述开关，用以决定将所述开关的所述第一端导通至所述第二端或所述第三端，以控制所述双模式天线阵列的辐射场型。
一种双模式天线阵列的匹配方法，其特征在于，由智能电脑自动控制配合生产制具执行，所述方法包括：
根据上述的双模式天线阵列的所述开关的操作状态切换为模式零；
将所述开路传输线的长度由零开始延长，其中当所述开路传输线的长度为零时，所述第一电抗值为第一初始电抗值，所述第二电抗值为第二初始电抗值；以及
基于史密斯图所显示的所述第一电抗值与所述第二电抗值，在使所述开路传输线延长的过程中，使所述第一电抗值与所述第二电抗值皆沿着史密斯图中心顺时针旋转，且使旋转后的所述第一电抗值相较于所述第一初始电抗值更接近于史密斯图的右边顶点，且使旋转后的所述第二电抗值相较于所述第二初始电抗值更接近于史密斯图的右边顶点。
进一步的，所述第一频带是2.4GHz频带，所述第二频带是5GHz频带。
进一步的，在使所述开路传输线延长的过程中，所述第二电抗值沿着史密斯图中心顺时针旋转的角度变化为所述第一电抗值沿着史密斯图中心顺时针旋转的角度变化的两倍。
进一步的，将所述开关的操作状态切换为模式一，使所述双模式天线与所述天线单元利用所述开关并联的输入阻抗为所述导通传输线的阻抗的二分之一。
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，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其结构的透视图。
图2是本发明实施例提供的双模式天线阵列其电路形式的示意图。
图3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方块图。
图4是本发明实施例提供的双模式天线阵列的匹配方法的流程图。
图5是本发明实施例提供的第一电抗值与第二电抗值沿着史密斯图中心顺时针旋转的示意图。
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。
请参照图1，图1是本发明实施例提供的双模式天线阵列其结构的透视图。双模式天线阵列1包括双模式天线11、开关12、导通传输线13、天线单元14以及开路传输线15。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由第一馈入端119接收第一射频信号以操作于第一频带，且由第一馈入端119接收第二射频信号以操作于第二频带，其中第二频带的频率高于第一频带的频率，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)，但本发明并不限于此。开关12具有第一端121、第二端122、与第三端123，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)，模式零是将第一端121导通至第三端123，模式一是将第一端121导通至第二端122。开关12的第二端122连接导通传输线13，开关12例如以设置于基板100的表面黏着元件实现。双模式天线11在第一频带与第二频带的阻抗为导通传输线13的阻抗的二分之一倍至一倍之间，例如导通传输线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。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通过导通传输线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导通传输线13的阻抗，例如为100欧姆。开路传输线15连接于开关12的第三端123，开路传输线15的阻抗为导通传输线13的阻抗的二分之一，例如为50欧姆。在模式零，双模式天线11的第一馈入端119所测得的在第一频带的阻抗与在第二频带的阻抗分别具有第一电抗值X1与第二电抗值X2，其中开路传输线15的长度用以改变第一电抗值X1与第二电抗值X2，使第一电抗值X1与第二电抗值X2(相较于开关12的第三端123未连接开路传输线15时)皆更远离于零电抗。远离于零电抗的意思可以是往正无穷大的电抗值接近，或者是往负无穷大的电抗值接近，上述两者表示的都是远零电抗值。
开关12是一对二开关，开关12受控于控制信号以选择操作状态于模式零或模式一，请一并参照图1与图2，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。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。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与开路传输线15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导通传输线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导通传输线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并联的输入阻抗为导通传输线13的阻抗的二分之一。
请再参照图1，为了达成双频操作，图1的双模式天线11与天线单元14是一示范性实施例。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连接接地缘9，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连接接地缘9，但本发明并不因此限定。并且，双模式天线11与天线单元14的空间间距、导通传输线13的长度所造成的相位差异，能够使模式零与模式一两种模式的辐射场型有明显差异。在另一实施例中，双模式天线11也可以改为平面倒F形天线(PIFA)，或者天线单元14是平面倒F形天线(PIFA)，并且双模式天线11与天线单元14两者的结构不必要相同。
接着，前述实施例的双模式天线阵列1可用于一电子装置，请参照图3，本实施例提供一种具有双模式天线阵列1的电子装置，包括无线芯片4、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119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，以决定将开关12的第一端121导通至第二端122或第三端123，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作业系统的应用层的软件，应用单元2包括控制辐射场型的算法(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)。所述电子装置例如是笔记本电脑、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。
本发明实施例更提供一种双模式天线阵列的匹配方法，请参考图1与图4，此方法可由智能电脑自动控制配合生产制具执行，此方法包括以下步骤(参考图4的流程图)：首先，在步骤S110中，将前述实施例所述的双模式天线阵列的开关12的操作状态切换为模式零；接着，在步骤S120中，将开路传输线15的长度由零开始延长，其中当开路传输线15的长度为零时，第一电抗值(X1)为第一初始电抗值X1A，第二电抗值(X2)为第二初始电抗值X2A；以及接着，在步骤S130中，配合参照图5，基于史密斯图所显示的第一电抗值(X1)与第二电抗值(X2)，在使开路传输线15延长的过程中，使第一电抗值(X1)与第二电抗值(X2)皆沿着史密斯图中心顺时针旋转，且使旋转后的第一电抗值X1B相较于第一初始电抗值X1A更接近于史密斯图的右边顶点，且使旋转后的第二电抗值X2B相较于第二初始电抗值X2A更接近于史密斯图的右边顶点。更进一步地说，在步骤S130中(在使开路传输线15延长的过程中)，第二电抗值(X2)沿着史密斯图中心顺时针旋转的角度变化接近于或约略为第一电抗值(X1)沿着史密斯图中心顺时针旋转的角度变化的两倍，例如在图5中，2.4GHz频带的第一电抗值(X1)转了约3/4圈(由X1A转至X1B)，而5GHz频带的第二电抗值(X2)转了约3/2圈(由X2A转至X2B)，对于图5的说明中只专注于描述电抗值的改变，阻值的部分在本实施例中不予讨论。再者，在步骤S130之后，更包括步骤S140，将开关12的操作状态切换为模式一，使双模式天线11与天线单元14利用开关12并联的输入阻抗为导通传输线13的阻抗的二分之一。依据上述，上述步骤的演算法可储存于智能电脑自动控制机台的挥发式记忆体或非挥发式记忆体中，智能电脑自动控制可负责开关12的切换、电抗值分析，控制过程的电抗值变化可以电脑荧幕显示出史密斯图，或者直接以数据演算；而开路传输线15与天线的制作部分可以样品自动制作机台或量产设备的生产制具实现自动化制程，以实现智能化的生产线。
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 (6)

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，所述双模式天线由所述第一馈入端接收第一射频信号以操作于第一频带，且由所述第一馈入端接收第二射频信号以操作于第二频带，其中所述第二频带的频率高于所述第一频带的频率；
开关，具有第一端、第二端与第三端，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，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；
导通传输线，所述开关的所述第二端连接所述导通传输线，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导通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，所述天线单元的所述第二馈入端通过所述导通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导通传输线的阻抗；
以及开路传输线，连接于所述开关的所述第三端，所述开路传输线的阻抗为所述导通传输线的阻抗的二分之一，其中在所述模式零，所述双模式天线的所述第一馈入端所测得的在所述第一频带的阻抗与在所述第二频带的阻抗分别具有第一电抗值与第二电抗值，其中所述开路传输线的长度可变用以改变所述第一电抗值与所述第二电抗值，使所述第一电抗值与所述第二电抗值皆更远离于零电抗；
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、第三端与所述开路传输线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导通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，所述双模式天线与所述天线单元利用所述开关并联的输入阻抗为所述导通传输线的阻抗的二分之一。
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。
3.根据权利要求1所述的双模式天线阵列，其特征在于，所述第一频带是2.4GHz频带，所述第二频带是5GHz频带。
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；其中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。
5.根据权利要求1所述的双模式天线阵列，其特征在于，所述双模式天线阵列用于电子装置，所述电子装置包括无线芯片、应用单元与控制单元，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无线芯片；所述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；所述控制单元连接所述应用单元与所述开关，用以决定将所述开关的所述第一端导通至所述第二端或所述第三端，以控制所述双模式天线阵列的辐射场型。
6.一种双模式天线阵列的匹配方法，其特征在于，由智能电脑自动控制配合生产制具执行，所述第一频带是2.4GHz频带，所述第二频带是5GHz频带，所述方法包括：
根据权利要求1所述的双模式天线阵列的所述开关的操作状态切换为模式零；
将所述开路传输线的长度由零开始延长，其中当所述开路传输线的长度为零时，所述第一电抗值为第一初始电抗值，所述第二电抗值为第二初始电抗值；以及
基于史密斯图所显示的所述第一电抗值与所述第二电抗值，在使所述开路传输线延长的过程中，使所述第一电抗值与所述第二电抗值皆沿着史密斯图中心顺时针旋转，且使旋转后的所述第一电抗值相较于所述第一初始电抗值更接近于史密斯图的右边顶点，且使旋转后的所述第二电抗值相较于所述第二初始电抗值更接近于史密斯图的右边顶点，在使所述开路传输线延长的过程中，所述第二电抗值沿着史密斯图中心顺时针旋转的角度变化为所述第一电抗值沿着史密斯图中心顺时针旋转的角度变化的两倍；
将所述开关的操作状态切换为模式一，使所述双模式天线与所述天线单元利用所述开关并联的输入阻抗为所述导通传输线的阻抗的二分之一。
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