CN110034400A - 天线装置和天线系统 - Google Patents

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CN110034400A CN201810009305.7A CN201810009305A CN110034400A CN 110034400 A CN110034400 A CN 110034400A CN 201810009305 A CN201810009305 A CN 201810009305A CN 110034400 A CN110034400 A CN 110034400A
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Abstract

一种天线装置包含天线单元以及多个反射单元。天线单元设置于基板上。上述多个反射单元彼此分开地设置于基板上，并环绕天线单元。上述多个反射单元用以调整天线单元的辐射场型，其中上述多个反射单元各自包含第一部分和第二部分。第一部分具有上侧边和下侧边，第一部分的下侧边耦接至基板。第二部分具有一下侧边与第一部分的上侧边相连接，其中第一部分的下侧边的宽度小于第二部分的下侧边的宽度。

Description

天线装置和天线系统
技术领域
本公开内容涉及一种天线装置，且特别涉及波束切换的天线装置。
背景技术
随着无线通信技术的蓬勃发展，高效率的频谱运用技术日益重要。为提高频谱的应用，传统上的做法为用空间分集(Spatial Diversity)的方式产生互补式的辐射场型，以获得分集增益(Diversity Gain)来降低多路径衰减(Multipath Fading)对无线通道的影响。
然而，使用空间分集产生全场域的辐射场型需要使用大量的天线，并且需要考虑多根天线的位置和尺寸，以互相补偿场型。
因此，如何设计一种节省空间和成本，并且仍然可以涵盖全场域的辐射场型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，本公开内容提供的一种天线装置包含天线单元以及多个反射单元。天线单元设置于基板上。上述多个反射单元彼此分开地设置于基板上，并环绕天线单元。上述多个反射单元用以调整天线单元的辐射场型，其中上述多个反射单元各自包含第一部分和第二部分。第一部分具有上侧边和下侧边，第一部分的下侧边耦接至基板。第二部分具有一下侧边与第一部分的上侧边相连接，其中第一部分的下侧边的宽度小于第二部分的下侧边的宽度。
本公开内容的另一实施方式关于一种天线系统，包含控制电路以及多个天线装置。上述多个天线装置耦接至控制电路，其中控制电路用以控制上述多个天线装置对应的辐射场型，其中上述多个天线装置各自包含多个反射单元以及天线单元，其中上述多个反射单元环绕天线单元。上述多个反射单元各自包含场型调整板以及连接部。场型调整板具有第一侧边以及相对第一侧边的第二侧边，场型调整板的第一侧边耦接至基板。连接部具有第一侧边以及相对第一侧边的第二侧边，连接部的第一侧边与场型调整板的第二侧边相连接，其中场型调整板的第一侧边的宽度小于连接部的第一侧边的宽度。
综上所述，本公开内容具有特殊形状的多个反射单元分别设置于环绕天线单元，并经由控制电路控制反射单元以达到最佳的辐射场型。
附图说明
为让本公开内容的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，附图的说明如下：
图1为根据本公开内容的一些实施例所绘示的一种天线装置的示意图；
图2A为根据本公开内容的一些实施例所绘示的一种天线装置的反射单元的示意图；
图2B为根据本公开内容的一些实施例所绘示的一种天线装置的反射单元的示意图；
图2C为根据本公开内容的图2B的一些实施例所绘示的一种天线装置的反射单元的局部放大示意图；
图2D为根据本公开内容的一些实施例所绘示的一种天线装置的反射单元的示意图；
图3为根据本公开内容的一些实施例所绘示一种包含多个图1所示的天线装置的天线系统的示意图；以及
图4为根据本公开内容的一些实施例所绘示的一种天线系统的操作方法流程图。
附图标记说明：
100：天线装置
110：天线单元
120、121、122、123：反射单元
130：基板
d1、d2、d3：距离
w1、w2、w3、w4：宽度
h1、h2、h3、h4：长度
θ：夹角
a1：第一子侧边
a2：第二子侧边
1201、1203：场型调整板
1202、1204：连接部
210、220：开关
VCC：供电电压
300：天线系统
310：控制电路
D1、D2、D3、D4、D5、D6：距离
400：方法
S410、S420、S430、S440：步骤
具体实施方式
为了使本公开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，以避免对本公开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，亦可指二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/或其中的群组。
图1为根据本公开内容的一些实施例所绘示的一种天线装置100的示意图。于一些实施例中，本公开内容所公开的天线装置100为一智能波束切换天线装置100，其可以根据检测目标信号源(未绘示)所在位置而调整天线装置100中的多个反射单元120，进而让目标信号源(未绘示)接收到较大的信号强度。
如图1所示，于一些实施例中，天线装置100包含天线单元110、多个反射单元120和基板130，其中天线单元110以及多个反射单元120设置于基板130上，且反射单元120设置环绕天线单元110。
于一些实施例中，天线单元110用以接收或发送一无线信号，以产生向外发散的辐射场型。于一些实施例中，天线单元110为单频天线，其中单频可制作成2.4GHz或5GHz，但不限于此，制作成其他频段的天线单元110皆在本公开内容所涵盖的范围内。于一些实施例中，天线单元110可以由平面倒F天线(Planar Inverted F Antenna，PIFA)、偶极(dipole)天线以及回路(Loop)天线来实现，但不限于此，任何适用于实现天线单元110的电路元件皆在本公开内容所涵盖的范围内。
于一些实施例中，反射单元120用以调整天线单元110所产生的辐射场型，使得天线单元110的辐射场型具有指向性。于一些实施例中，反射单元120可以由细金属线和金属板相连接来实现，但不限于此，任何可以用以调整天线单元110的辐射场型的金属元件皆在本公开内容所涵盖的范围内。
于一些实施例中，反射单元120包含反射单元121、122和123，且以天线单元110为中心，分别设置如图1所示，例如任意两者各别的中心与天线单元110连线的夹角为120度。于一些实施例中，反射单元121(定义为第一反射单元)的宽度w1为0.33倍波长；反射单元122的宽度w2为0.266倍波长；反射单元123的宽度w3为0.266倍波长，其中第一反射单元具有最大的宽度，但不限于此，反射单元121～123分别具有的宽度w1、w2、w3的范围介于0.1倍波长至0.4倍波长之间皆在本公开内容所涵盖的范围内。于一些实施例中，前述波长为天线单元110用以进行无线传输的信号的波长。
于一些实施例中，天线单元110设置于以反射单元121、122和123为顶点的等腰三角形的一中垂线上，其中所述中垂线垂直于反射单元122和反射单元123中点的连线，但不限于此，设置于以反射单元121、122和123的中点为顶点的组成的三角形的中间的天线单元110皆在本公开内容所涵盖的范围内。
于一些实施例中，反射单元121(即第一反射单元)与天线单元110的距离d1为0.27倍波长；反射单元122与天线单元110的距离d2为0.22倍波长；反射单元123与天线单元110的距离d3为0.22倍波长，但不限于此，反射单元121～123与天线单元110的距离介于0.2倍波长至0.3倍波长之间皆在本公开内容所涵盖的范围内。于实际应用中，当天线单元110的频率为2.4GHz时，反射单元121、122、123与天线单元110的距离d1、d2、d3介于25毫米至37毫米之间，在进一步的实施例中，反射单元121与天线单元110的距离d1可以是34毫米；反射单元122和反射单元123与天线单元110的距离d2、d3皆可以是25毫米，当天线单元110的频率为5GHz时，反射单元121、122、123与天线单元的距离d1、d2、d3介于12毫米至18毫米之间，在进一步的实施例中，反射单元121与天线单元110的距离d1可以是16毫米；反射单元122和反射单元123与天线单元110的距离d2、d3皆可以是13毫米。
于上述实施例中，可以看出来反射单元121(即第一反射单元)的宽度w1为三个反射单元121、122、123的宽度w1、w2、w3的最大者，且离天线单元110的距离d1为三个反射单元121、122、123的距离d1、d2、d3的最大者。详细来说，上述设计是为了让天线单元110依据反射单元122、123产生的辐射场型不会受到反射单元121所影响。
于一些实施例中，天线装置100经由将反射单元121、122、123至少一者连接至基板130，以调整辐射场型。举例而言，当反射单元121连接至基板130时，天线装置100产生如往图1上方传递的波束(未绘示)，当反射单元122和反射单元123皆连接至基板130时，天线装置100产生如往图1下方传递的波束(未绘示)。
图2A为根据本公开内容的一些实施例所绘示的一种天线装置100的反射单元120的示意图。如图2A所示，于一些实施例中，反射单元120包含第一部分(未绘示)和第二部分(未绘示)，且第一部分(未绘示)和第二部分(未绘示)接合。于一些实施例中，第一部分(未绘示)包含连接部1202和连接部1204，第二部分(未绘示)包含场型调整板1201和场型调整板1203，为易于理解，本公开内容后述实施例仅以场型调整板1201、1203和连接部1202、1204为例说明。如图2A所示，场型调整板1201和连接部1202接合，且连接部1202经由开关210耦接至基板130。
于一些实施例中，开关210用以导通或断开反射单元120和基板130。于一些实施例中，开关210可以由控制二极管所实现，但不限于此，任何可以用来导通或断开反射单元120和基板130之间的连接的电子元件皆在本公开内容所涵盖的范围内。
于一些实施例中，场型调整板1201用以调整天线单元110的辐射场型，连接部1202耦接至一供电电压VCC，并用以让场型调整板1201与基板130之间相隔一给定距离。于一些实施例中，场型调整板1201为长方形的金属板，连接部1202为细条状的细金属线。于一些实施例中，连接部1202的长度h2与开关210的总长度(亦即场型调整板1201下侧边至基板130的长度)为0.06～0.2倍波长，且场型调整板1201、连接部1202与开关210的总长度为0.3～0.6倍波长，但不限于此，任何长度皆在本公开内容所涵盖的范围内。于一些实施例中，连接部1202的宽度w4为2毫米，但不限于此，小于0.0625倍波长的宽度w4皆在本公开内容所涵盖的范围内。
于实际应用中，若场型调整板1201下侧边至基板130的长度过小，会使得开关210的导通效果变差，其原因在于，即使开关210断开，场型调整板1201仍然会因为与基板130太接近而造成场型调整板1201类似接地的情形。相较之下，若场型调整板1201下侧边至基板130的长度过大，会使得天线装置100的指向性不足。
图2B为根据本公开内容的一些实施例所绘示的一种天线装置100的反射单元120的示意图。如图2B所示，于一些实施例中，反射单元120包含场型调整板1203和连接部1204，其中场型调整板1203和连接部1204接合，且连接部1204经由开关210耦接至基板130。
于一些实施例中，场型调整板1203的用途与场型调整板1201相同。于实际应用中，场型调整板1203在形状上设计与场型调整板1201不同是为了让天线装置100对应的辐射场型的频宽变宽。
于一些实施例中，如图2B所示，场型调整板1203的下侧边包含第一子侧边a1和第二子侧边a2，其中第一子侧边a1和第二子侧边a2为两条直线并且分别与连接部1204的上侧边(未绘示)的延伸线之间具有一夹角(如：图2B所示θ)，但不限于此，第一子侧边a1和第二子侧边a2可以是弧线、拋物线，或其他任何曲度的线皆在本公开内容所涵盖的范围内。
于一些实施例中，如图2B所示，连接部1204耦接至一供电电压VCC，并用以让场型调整板1203与基板130之间相隔一给定距离。于一些实施例中，如图2B所示，连接部1204的高度为长度h2，且场型调整板1203的下侧边和基板130的最远距离为长度h3，其中长度h2与开关210的总长度为0.06～0.2倍波长(亦即场型调整板1203下侧边至基板130的长度)，其中长度h2与开关210的总长度为0.25倍至0.5倍的长度h3，但不限于此，任何范围的长度h3皆在本公开内容所涵盖的范围内。于一些实施例中，连接部1204的宽度w4为2毫米，但不限于此，小于0.0625倍波长的宽度w4皆在本公开内容所涵盖的范围内。
图2C为根据本公开内容的图2B的一些实施例所绘示的一种天线装置的反射单元120的局部放大示意图。于一些实施例中，如图2C所示，场型调整板1203的第一子侧边a1以及第二子侧边a2分别和连接部1204的上侧边的延伸线之间具有夹角θ。于一些实施例中，夹角θ的范围为30度至60度，但不限于此，任何范围的夹角θ皆在本公开内容所涵盖的范围内。
图2D为根据本公开内容的一些实施例所绘示的一种天线装置100的反射单元120的示意图。如图2D所示，于一些实施例中，反射单元120除了如图2B所示的场型调整板1203、连接部1204和开关210外，还包含开关220，其中场型调整板1203经由开关220耦接至连接部1204。相较于图2B中的反射单元120，于此实施例中增加开关220的原因在于，可以让天线装置100在选择不让反射单元120导通的情况下(亦即控制开关210断开时)，让反射单元120和基板130完全隔离。
于一些实施例中，图2D中的反射单元120的场型调整板1203和连接部1204的形状和大小皆与图2B中的反射单元120相同。于一些实施例中，连接部1204的长度h2、开关210和开关220的总长度(亦即场型调整板1203下侧边至基板130的长度)为0.06～0.2倍波长。
图3为根据本公开内容的一些实施例所绘示一种包含多个图1所示的天线装置100的天线系统300的示意图。如图3所示，天线系统300包含多个天线装置100及控制电路310，其中控制电路310耦接至多个天线装置100的多个反射单元120。如图3所示，于一些实施例中，多个天线装置100中相邻的任两个天线装置100彼此相隔距离D1～D6，其中距离D1～D6的范围为1.3倍波长至1.8倍波长。于一些实施例中，天线系统300中若含有N个天线装置100，则此N个天线装置100以近似360/N的角度配置于天线系统300中，使得多个天线装置100之间的隔离度(Isolation)符合设计需求。
于一些实施例中，控制电路310用以依据不同状态对多个天线装置100中的多个开关210、220进行切换，以控制每个天线装置100的多个反射单元120至少一者和基板130相连接，使得和基板130相连接的反射单元120据以调整天线单元110产生的辐射场型，以指向目标信号源(未绘示)。于实际应用中，当目标信号源(未绘示)位于不同方位时，天线系统300可以通过控制电路310上的控制晶片(Chip)提供电压压降，以控制每个天线装置100中的多个反射单元120对应的开关210及开关220导通或断开，来切换天线装置100的不同指向的辐射场型，进而让天线系统300得到最佳的能量传输及接收。于一些实施例中，控制电路310更可以依据实际需求，控制天线系统300中离目标信号源(未绘示)较近的几个天线装置100的多个反射单元120至少一者，让此些天线装置100与目标信号源(未绘示)进行通信。
于一些实施例中，控制电路310可以由控制集成电路(Integrated Circuit，IC)所实现，但不限于此，任何可以用以控制多个开关210、220导通或断开的电子元件皆在本公开内容所涵盖的范围内。
图4为根据本公开内容的一些实施例所绘示的一种天线系统300的操作方法400流程图。为方便且清楚说明起见，下述以图3和图4为例进行说明。如图3和图4所示，于一些实施例中，首先，执行步骤S410，持续调整天线系统300中多个天线装置100的多个反射单元120，并计算分别对应的接收信号强度指标(Received Signal Strength Indicator，RSSI)。于此步骤中，控制电路310控制多个开关210、220轮流导通，使得多个天线装置100的多个反射单元120相应连接至基板130，以持续调整天线系统300所产生的辐射场型，并通过天线系统300的处理器(未绘示)针对不同的辐射场型计算对应的RS SI。
于此步骤中，天线系统300的处理器(未绘示)计算不同连接方式(即：每个天线装置100中反射单元120和基板130相连接的方式)分别对应的RSSI，但不限于此，天线系统300的处理器(未绘示)亦可以计算不同连接方式分别对应的数据传输率(Data Rate)或空间串流数(Number of Spatial Streams)，任何可以用来表示天线系统300和信号源(未绘示)之间数据传输的指标皆在本公开内容所涵盖的范围内。
接着，执行步骤S420，依据最大的RSSI，导通对应的多个反射单元120。于此步骤中，天线系统300的处理器(未绘示)依据步骤S410中计算得到的不同连接方式对应的RSSI，得出对应最大RSSI的连接方式，并传送对应于此连接方式的控制信号至控制电路310。接着，控制电路310控制多个天线装置100的多个开关210、220中对应数者导通，以将对应的反射单元120连接至基板130，并与目标信号源(未绘示)进行无线通信。
接着，执行步骤S430，判断是否为最佳辐射场型。于此步骤中，天线系统300的处理器(未绘示)依据天线系统300和目标信号源(未绘示)之间的无线通信是否稳定，以判断是否为天线系统300的最佳辐射场型。于一些实施例中，天线系统300的处理器(未绘示)判断无线通信是否稳定的方法包含信号传输过程是否中断，是否未在超时(Timeout)之前收到讯息或接收到负值通知(Negative Acknowledgement，NACK)，但不限于此，任何可以用以判断无线通信是否稳定的方法皆在本公开内容所涵盖的范围内。
于一些实施例中，当步骤S430的判断结果为『是』时，执行步骤S440，建立信号通道。于此步骤中，天线系统300通过步骤S420导通多个反射单元120，并据以和目标信号源(未绘示)建立一无线信号通道以进行数据传输。
于一些实施例中，当步骤S430的判断结果为『否』时，执行步骤S410，重新调整天线系统300中多个天线装置100的多个反射单元120，及计算分别对应的RSSI，并接续执行步骤S420。
综上所述，本公开内容将具有特殊形状的多个反射单元120分别设置环绕天线单元110，并经由控制电路310控制多个反射单元120以达到最佳的辐射场型，据以和信号源(未绘示)进行无线通信。
虽然本公开内容已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本公开内容，任何本领域技术人员，于不脱离本公开内容的精神和范围内，当可作各种的变动与润饰，因此本公开内容的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。

Claims (11)

1.一种天线装置，包含：
一天线单元，设置于一基板上；以及
多个反射单元，彼此分开地设置于该基板上，并环绕该天线单元，其中该些反射单元用以调整该天线单元的辐射场型，其中该些反射单元各自包含：
一第一部分，具有一上侧边和一下侧边，该第一部分的该下侧边耦接至该基板；以及
一第二部分，具有一下侧边与该第一部分的该上侧边相连接，
其中该第一部分的该下侧边的宽度小于该第二部分的下侧边的宽度。
2.如权利要求1所述的天线装置，其中该些反射单元每一者的该第二部分的该下侧边包含一第一子侧边，其中该第一子侧边与该第一部分的该上侧边的延伸线具有一夹角。
3.如权利要求2所述的天线装置，其中该夹角的角度介于30度至60度之间。
4.如权利要求1所述的天线装置，其中该天线装置还包含：
多个开关，用以耦接于该些反射单元的该第一部分与该第二部分之间，
其中该些开关用以选择性地导通或断开该些反射单元的第一部分与该些反射单元的第二部分之间的电信号路径，以调整该天线单元的辐射场型。
5.如权利要求1所述的天线装置，其中该些反射单元的数量为三，且该天线单元设置于以该些反射单元为顶点的等腰三角形的一中垂线上。
6.如权利要求5所述的天线装置，其中该些反射单元中位于该中垂线上的一第一反射单元与该天线单元的距离大于该些反射单元中另两个反射单元与该天线单元的距离，且该第一反射单元对应的该第二部分的该下侧边的宽度为该些反射单元对应的该第二部分的该下侧边的宽度中最大者。
7.如权利要求1所述的天线装置，其中该些反射单元每一者的该第二部分的该下侧边至该基板的距离介于0.06倍至0.2倍波长之间。
8.一种天线系统，包含：
一控制电路；以及
多个天线装置，耦接至该控制电路，其中该控制电路用以控制该些天线装置对应的辐射场型，其中该些天线装置各自包含：
多个反射单元，各自包含：
一连接部，具有一第一侧边以及相对该第一侧边的一第二侧边，该连接部的该第一侧边耦接至一基板；以及
一场型调整板，具有一第一侧边以及相对该第一侧边的一第二侧边，场型调整板的该第一侧边与该连接部的该第二侧边相连接，其中该连接部的该第一侧边的宽度小于该场型调整板的该第一侧边的宽度；以及
一天线单元，其中该些反射单元环绕该天线单元。
9.如权利要求8所述的天线系统，其中该些反射单元每一者的该场型调整板的该第一侧边包含一第一子侧边，其中该第一子侧边与该连接部的该第二侧边的延伸线具有一夹角。
10.如权利要求8所述的天线系统，其中该些天线装置之间的距离介于1.3倍至1.8倍波长之间。
11.如权利要求8所述的天线系统，其中该些反射单元每一者的该场型调整板的该第一侧边至该基板的距离介于0.06倍至0.2倍波长之间。
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