CN109755745B

CN109755745B - 天线系统

Info

Publication number: CN109755745B
Application number: CN201711065682.4A
Authority: CN
Inventors: 余汉璿
Original assignee: Delta Electronics Inc
Current assignee: Delta Optoelectronics Inc
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2017-11-02
Publication date: 2020-10-09
Anticipated expiration: 2037-11-02
Also published as: US10505284B2; CN109755745A; US20190131720A1

Abstract

本公开提供一种天线系统，包含第一极化天线模块和第二极化天线模块。第一极化天线模块设置于基板上，且具有第一极化方向，且包含一开关、多个第一天线单元以及多个第一反射单元。所述第一天线单元耦接至一开关，且所述第一天线单元中经由该开关导通所述第一天线单元，而产生具有第一辐射场型。所述第一反射单元分别设置于所述第一天线单元的两侧，且分别用以调整所述导通的第一天线单元的第一辐射场型。第二极化天线模块设置于该基板上，用以与该第一极化天线模块协同操作，且具有与该第一极化方向垂直的第二极化方向。本发明可以实现波束切换的功能，且兼具垂直和水平极化的双极化特性。

Description

天线系统

技术领域

本发明内容涉及一种天线系统，且特别涉及波束切换的天线系统。

背景技术

随着无线通信技术的蓬勃发展，无线信号的传输稳定度和无线传输的能量强度在通信品质上渐趋重要。而如今，解决通信品质不佳所使用的方法包含使用多输入多输出天线(Multiple Input Multiple Output，MIMO)天线系统以扩展信号涵盖区域，以及针对特定方向的使用者使用指向性天线来进行无线通信传输。

然而，使用MIMO天线系统或指向性天线皆需要大量的天线，MIMO天线系统需要多支天线以涵盖整个区域，指向性天线也需要在多处配置以确保位于任何位置的使用者皆接收得到信号。基于上述原因，使用MIMO天线系统或指向性天线皆因需要大量天线而增加成本。

因此，如何设计一种不需要多个天线，亦可涵盖空间中所有使用者所在位置的天线系统为现今一个重要的目标。

发明内容

为了解决上述问题，本发明内容提供的一种天线系统，包含第一极化天线模块和第二极化天线模块。第一极化天线模块设置于基板上，且具有第一极化方向，且包含一开关、多个第一天线单元以及多个第一反射单元。所述多个第一天线单元耦接至该开关，且所述多个第一天线单元中经由该开关导通的导通使所述第一天线单元具有第一辐射场型。所述第一反射单元分别设置于所述第一天线单元的两侧，且分别用以调整所述导通的第一天线单元产生第一辐射场型。第二极化天线模块设置于基板上，用以与该第一极化天线模块协同操作，且具有与该第一极化方向垂直的第二极化方向。

综上所述，本发明内容经由结合两种不同设计概念的天线模块于一个系统中，并操作在不同频率之下，以实现波束切换的功能，且兼具垂直和水平极化的双极化特性。

附图说明

为让本发明内容的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，说明书附图的说明如下：

图1为根据本发明内容的一些实施例所示出的一种天线系统的示意图；

图2A为根据本发明内容的一些实施例所示出的第一极化天线模块的上视图；

图2B为根据本发明内容的一些实施例所示出的第一极化天线模块的上视图；

图3为根据本发明内容的一些实施例所示出图2A中第一极化天线模块的操作示意图；

图4A为根据本发明内容的一些实施例所示出的第二极化天线模块的侧视图；

图4B为根据本发明内容的一些实施例所示出的第二极化天线模块的上视图；以及

图5A、图5B及图5C为根据本发明内容的一些实施例所示出图4B中第二极化天线模块的操作示意图。

附图标记说明：

100：天线系统

110、110a、110b：第一极化天线模块

120：第二极化天线模块

130：第三极化天线模块

140：基板

210、220、230、240：第一天线单元

212、214、222、224、232、234、242、244、212a、214a、222a、224a、232a、234a、242a、244a：反射单元

250：开关

θ₁：夹角

d₁、d₂、d₃、d₄、d₅、d₆：距离

310、510、520、530、540：波束

410：第二天线单元

415：反射单元

420、430、440、450：反射板

462、464、466、468：开关

具体实施方式

为了使本发明内容的叙述更加详尽与完备，可参照所附的附图及以下所述各种实施例。另一方面，众所周知的元件与步骤并未描述于实施例中，以避免对本发明内容造成不必要的限制。

关于以下各种实施例中所使用的「耦接」或「连接」，可指二或多个元件相互「直接」作实体接触或电性接触，或是相互「间接」作实体接触或电性接触，亦可指两个或多个元件相互动作。

于本文中，除非内文中对于冠词有所特别限定，否则“一”与“该”可泛指单一个或多个。将进一步理解的是，本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”及相似词汇，指明其所记载的特征、区域、整数、步骤、操作、元件与/或组件，但不排除其所述或额外的其一个或多个其它特征、区域、整数、步骤、操作、元件、组件，与/或其中的群。

于一些实施例中，本发明内容所公开的天线系统100为一智能波束切换天线系统100，其可以根据检测使用者所在位置而调整天线系统100的波束指向，进而达到较大的接收信号强度。

图1为根据本发明内容的一些实施例所示出的一种天线系统100的示意图。如图1所示，于一些实施例中，天线系统100包含第一极化天线模块110、第二极化天线模块120、第三极化天线模块130以及基板140，其中该第一极化天线模块110、该第二极化天线模块120以及该第三极化天线模块130分别设置于该基板140上。

于一些实施例中，该基板140可为长宽皆约为10～80公分的正方形或其他形状的基板，但不限于此，任何尺寸和形状的基板设计空间皆在本发明内容所保护的范围内，且该第一极化天线模块110与该第二极化天线模块120间的距离及/或与该第三极化天线模块130间的距离约为设计天线的低频应用频段的八分之一波长至一个波长，但不限于此，任何尺寸和间距皆在本发明内容所保护的范围内。于此实施例中，该第一极化天线模块110和该第二极化天线模块120以及该第三极化天线模块130之间的距离约为设计天线的低频应用频段的八分之一波长至一个波长，主要是为了确保该第一极化天线模块110和该第二极化天线模块120、该第三极化天线模块130之间的隔离度(Isolation)，避免该第二极化天线模块120和该第三极化天线模块130互相影响。

于一些实施例中，该第一极化天线模块110为水平极化天线模块，该第二极化天线模块120及该第三极化天线模块130为垂直极化天线模块，但不限于此，任何互相垂直或信号传输不会互相干扰的极化方向及在该基板的配置数量皆在本发明内容所保护的范围内。于一些实施例中，该第二极化天线模块120和该第三极化天线模块130的电路配置结构相同，并设置于该基板140的相对两侧，以达到信号隔离的效果。该第一极化天线模块110、该第二极化天线模块120以及该第三极化天线模块130的实际配置及操作方法将在后面详述。

于一些实施例中，该天线系统100中的该第一极化天线模块110、该第二极化天线模块120和该第三极化天线模块130可以同时运行，以实现双极化天线系统。双极化天线系统的优点在于，可以让该天线系统100同时接收来自两个不同方向的信号或传送信号至两个不同方向的使用者，并且可以同时传送和接收信号，以提供空间分级、降低多路径衰减的影响以及扩大该天线系统100的信号涵盖区域。

图2A为根据本发明内容的一些实施例所示出的第一极化天线模块110a的上视图。如图2A所示，该第一极化天线模块110a包含第一天线单元210、220、230、240、开关250、反射单元212、214、222、224、232、234、242、244，其中该反射单元212和该反射单元214设置于该第一天线单元210的两侧，该反射单元222和该反射单元224设置于该第一天线单元220的两侧，该反射单元232和该反射单元234设置于该第一天线单元230的两侧，该反射单元242和该反射单元244设置于该第一天线单元240的两侧，且所述第一天线单元210、220、230以及240分别与该开关250连接。

于一些实施例中，所述第一天线单元210、220、230以及240为双频天线，其中双频包含2.4GHz和5GHz，但不限于此，任何频率皆在本发明内容所保护的范围内。于一些实施例中，所述第一天线单元210、220、230以及240可以由平面倒F天线(Planar Inverted FAntenna，PIFA)、偶极(dipole)天线以及回路(Loop)天线来实现，但不限于此，任何适用于实现水平极化天线单元的电路元件皆在本发明内容所保护的范围内。

于一些实施例中，该开关250耦接至所述第一天线单元210、220、230和240，并依据不同状态进行切换，以导通所述第一天线单元210、220、230和240其中一者，使得导通的第一天线单元据以操作。于一些实施例中，该开关250可以由一对四开关或以上所实现，但不限于此，可以根据第一极化天线模块110a包含的第一天线单元的数量来设计该开关250的切换数量。

于一些实施例中，该反射单元212和该反射单元214用以调整该第一天线单元210对应的辐射场型，该反射单元222和该反射单元224用以调整该第一天线单元220对应的辐射场型，该反射单元232和该反射单元234用以调整该第一天线单元230对应的辐射场型，该反射单元242和该反射单元244用以调整该第一天线单元240对应的辐射场型，使得所述第一天线单元210、220、230、240的辐射场型各自均可具有指向性。

于一些实施例中，所述反射单元212、214、222、224、232、234、242以及244可以由直角三角形所实现，但不限于此，任何可以用来调整该第二天线单元对应的辐射场型，以达到集中辐射场型效果的形状的反射单元皆在本发明内容所保护的范围内。此外，于一些实施例中，所述反射单元212、214、222、224、232、234、242以及244的材质为金属条，但不限于此，任何可以利于反射且不会造成传输死角的材质皆在本发明内容所保护的范围内。

于一些实施例中，所述第一天线单元中的低频辐射部和其对应左侧的反射单元的距离d₁为八分之一波长，而所述第一天线单元中的高频辐射部和其对应右侧的反射单元的距离d₂为八分之一波长，但不限于此，任何距离皆在本发明内容所保护的范围内。举例而言，如图2A所示，该第一天线单元210的低频辐射部和其对应该反射单元214的距离为d₁，该第一天线单元210的高频辐射部和其对应该反射单元212的距离为d₂。于一些实施例中，距离d₁可以是12～16毫米，距离d₂可以是7～9毫米范围。

于一些实施例中，所述反射单元212、214、222、224、232、234、242以及244没有接地，并且所述反射单元212、214、222、224、232、234、242以及244和所述第一天线单元210、220、230、240对应一者的夹角θ₁，但不限于此，所述反射单元212、214、222、224、232、234、242以及244和所述第一天线单元210、220、230、240对应一者之间任何角度的夹角皆在本发明内容所保护的范围内。举例而言，如图2A所示，反射单元212和第一天线单元210之间的角度为夹角θ₁。于一些实施例中夹角θ₁可以是30～45度。

图2B为根据本发明内容的一些实施例所示出的第一极化天线模块110b的上视图。如图2B所示，该第一极化天线模块110b包含所述第一天线单元210、220、230、240、该开关250、反射单元212a、214a、222a、224a、232a、234a、242a、244a，其中所述反射单元212a、214a、222a、224a、232a、234a、242a、244a的反射面的形状为圆弧状，且材质与图2A中的所述反射单元212、214、222、224、232、234、242、244相同。

图3为根据本发明内容的一些实施例所示出图2A中该第一极化天线模块110a的操作示意图。如图3所示，于一些实施例中，当该开关250切换使得该第一天线单元210启动时，所述第一天线单元220、230和240则关闭，于此状态下，该第一极化天线模块110a通过该第一天线单元210与该反射板212、214的协同操作，会产生如图3往上方传递的波束310，且于一些实施例中，此波束310的频率为2.4GHz或5GHz。

类似地，当该开关250切换使得该第一天线单元220启动时，则所述第一天线单元210、230和240则关闭，于此状态下，该第一极化天线模块110a通过该第一天线单元220与该反射板222、224的协同操作，会产生如图3往左方传递的波束(图未示)，且于一些实施例中，此波束的频率为2.4GHz或5GHz；当该开关250切换使得该第一天线单元230启动时，则所述第一天线单元210、220和240则关闭，于此状态下，该第一极化天线模块110a通过该第一天线单元230与反射单元232、234的协同操作，会产生如图3往下方传递的波束(图未示)，且于一些实施例中，此波束的频率为2.4GHz或5GHz；当该开关250切换使得第一天线单元240启动时，则所述第一天线单元210、220和230则关闭，于此状态下，该第一极化天线模块110a通过该第一天线单元240与反射单元242、244的协同操作，会产生如图3往右方传递的波束(图未示)，且于一些实施例中，此波束的频率为2.4GHz或5GHz的波束。

于一些实施例中，图2B中该第一极化天线模块110b的操作方式与图2A中该第一极化天线模块110a的操作方式皆相同，于此将不再赘述。

图4A为根据本发明内容的一些实施例所示出的第二极化天线模块120的侧视图。如图4A所示，于一些实施例中，该第二极化天线模块120包含第二天线单元410和多个第二反射单元415，其中所述第二反射单元415包含反射板420、430、440以及450。于一些实施例中，该反射板420和该反射板440设置于该第二天线单元410的第一侧，该反射板430和反射板450设置在该第二天线单元410相对于第一侧的第二侧。于一些实施例中，该第二极化天线模块120包含四个反射板，但不限于此，任何双数且设置于相对该第二天线单元的两侧的反射板皆在本发明内容所保护的范围内。

于一些实施例中，该第二天线单元410操作于双频之下，其中双频可以包含2.4GHz和5GHz，但不限于此，任何频率皆在本发明内容所保护的范围内。于一些实施例中，该第二天线单元410可以由平面倒F天线(Planar Inverted F Antenna，PIFA)、回路(Loop)天线以及开放回路(Open Loop)来实现，但不限于此，任何适用于实现垂直极化天线单元的电路元件皆在本发明内容所保护的范围内。

于一些实施例中，该反射板420和该反射板430的高度相同，该反射板440和该反射板450的高度相同，并且高于该反射板420和该反射板430。于一些实施例中，反射板440的高度为该反射板420的高度的两倍，但不限于此，任何可以用以调整该第二天线单元410的辐射场型的反射板高度皆在本发明内容所保护的范围内。于一些实施例中，反射板的高度须高于对应天线的高度，举例而言，该反射板420的高度需大于该第二天线单元410的高频辐射部的高度，该反射板440的高度需大于该第二天线单元410的低频辐射部的高度。

于一些实施例中，该反射板可以由线宽为3毫米至5毫米的细金属条所实现，但不限于此，任何可以用以实现调整辐射场型的反射板皆在本发明内容所保护的范围内。

图4B为根据本发明内容的一些实施例所示出的第二极化天线模块120的上视图。如图4B所示，于一些实施例中，该第二极化天线模块120还包含开关462、464、466以及468，其中该开关462耦接至反射板440，该开关464耦接至该反射板420，该开关466耦接至该反射板430，该开关468耦接至该反射板450。于一些实施例中，所述开关462、464、466以及468耦接至一电子芯片，以控制所述多个开关切断或导通对应的反射板，举例而言，电子芯片控制该开关462以切断或导通与反射板440的连接。

于实际应用中，当该开关切断使得反射板和电子芯片不导通时，反射板的作用为导向器(Director)，相较之下，当该开关导通使得反射板和电子芯片导通时，反射板的作用为反射器(Reflector)。于一些实施例中，所述开关462、464、466以及468可以由二极管所实现，但不限于此，任何可以用来实现切断或导通反射板的电子元件皆在本发明内容所保护的范围内。

于一些实施例中，该反射板420与该第二天线单元410的距离d₃和该反射板430与该第二天线单元410的距离d₄相同，该反射板440与该第二天线单元410的距离d₅和反射板450与该第二天线单元410的距离d₆相同。于一些实施例中，该反射板420和该第二天线单元410的距离d₃及该反射板430和该第二天线单元410的距离d₄为高频应用频段中的八分之一波长至四分之一波长，该反射板440和该第二天线单元410的距离d₅及该反射板450和该第二天线单元410的距离d₆为低频应用频段中的八分之一波长至四分之一波长。举例而言，距离d3和距离d₄的范围为7.5毫米至15毫米，距离d₅和距离d₆的范围为15.6毫米至30毫米。

图5A、图5B及图5C为根据本发明内容的一些实施例所示出图4B中该第二极化天线模块120的操作示意图。如图5A所示，于一些实施例中，当只有该开关464切换使得该反射板420启动时，该第二极化天线模块120通过该第二天线单元410与该反射板420的协同操作，会产生如图5A右方传递的波束510，且于一些实施例中，此波束510的频率为5GHz。如图5B所示，于一些实施例中，当只有该开关466切换使得反射板430启动时，该第二极化天线模块120通过该第二天线单元410与反射板430的协同操作，会产生如图5B往左方传递的波束520，且于一些实施例中，此波束520的频率为5GHz。如图5C所示，于一些实施例中，当该开关464切换使得反射板420启动以及该开关466切换使得反射板430启动时，该第二极化天线模块120通过该第二天线单元410与反射板420、430的协同操作，会产生如图5C往上方传递的波束530以及如图5C往下方传递的波束540，且于一些实施例中，所述波束530和540的频率为5GHz。

类似地，当只有该开关462切换使得该反射板440启动时，该第二极化天线模块120通过该第二天线单元410与该反射板440的协同操作，会产生如图5A往右方传递的波束(图未示)，且于一些实施例中，此波束的频率为2.4GHz；当只有该开关468切换使得反射板450启动时，该第二极化天线模块120通过该第二天线单元410与该反射板450的协同操作，会产生图5B往左方传递的波束(图未示)，且于一些实施例中，此波束的频率为2.4GHz；当该开关462以及该开关468同时导通反射板440及反射板450时，该第二极化天线模块120通过第二天线单元410与反射板440、450的协同操作，会产生图5C往上方和下方传递的波束(图未示)，且于一些实施例中，此上下波束的频率为2.4GHz。

于实际应用中，当检测到使用者进入某特定波束涵盖区(Beam Footprint)时，切换天线系统100的多个开关，以调整波束指向使用者，使得接收信号强度指标(ReceivedSignal Strength Indicator，RSSI)达到最大。

虽然本发明内容已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本发明内容，任何本领域技术人员，于不脱离本发明内容的构思和范围内，当可作各种的变动与润饰，因此本发明内容的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims

1.一种天线系统，包含：

一第一极化天线模块，设置于一基板上，且具有一第一极化方向，该第一极化天线模块包含：

一第一开关；

多个第一天线单元，耦接至该第一开关，其中所述第一天线单元中经由该第一开关导通的一导通第一天线单元具有一第一辐射场型；以及

多个第一反射单元，分别设置于所述第一天线单元的两侧，所述第一反射单元分别用以调整该导通第一天线单元的该第一辐射场型；以及

一第二极化天线模块，设置于该基板上，用以与该第一极化天线模块协同操作，且具有与该第一极化方向垂直的一第二极化方向，

其中该第二极化天线模块包含：

多个第二开关；

一第二天线单元，具有一第二辐射场型；以及

多个第二反射单元，设置于该第二天线单元的两侧，并分别耦接至所述第二开关，所述第二反射单元通过所述第二开关导通至少其中之一，分别用以调整该第二天线单元的该第二辐射场型。

2.如权利要求1所述的天线系统，其中该第一开关以及所述第二开关其中的一用以分别切换以改变该天线系统的一场型。

3.如权利要求1所述的天线系统，还包含：

一第三极化天线模块，设置于该基板上相对于该第二极化天线模块的另一侧，且具有该第二极化方向。

4.如权利要求3所述的天线系统，其中该第三极化天线模块包含：

多个第三开关；

一第三天线单元，具有一第三辐射场型；以及

多个第三反射单元，分别耦接至所述第三开关，并分别设置于该第三天线单元的两侧，所述第三反射单元分别用以调整该第三天线单元的该第三辐射场型。

5.如权利要求1所述的天线系统，其中该第一极化天线模块和该第二极化天线模块操作在多个频段之下，其中所述频段包含2.4GHz和5GHz。

6.如权利要求1所述的天线系统，其中所述第二反射单元包含：

一第一反射板；

一第二反射板，其中该第一反射板和该第二反射板分别设置于该第一天线单元的相对两侧；

一第三反射板，设置于该第一反射板和该第一天线单元之间；以及

一第四反射板，设置于相对该第二反射板的另一侧。

7.如权利要求6所述的天线系统，其中该第一反射板和该第二反射板距离该基板的高度皆为一第一高度，该第三反射板和该第四反射板距离该基板的高度皆为一第二高度，其中该第一高度大于该第二高度。

8.如权利要求1所述的天线系统，其中所述第一天线单元分别设置于一四方形的四个侧边上，所述第一反射单元分别设置于所述第一天线单元的两侧。

9.如权利要求1所述的天线系统，其中所述第一反射单元与所述第一天线单元的距离为1/8波长。

10.如权利要求1所述的天线系统，其中所述第一反射单元的形状为直角三角形或所述第一反射单元的反射面的形状为圆弧状。