CN111463559A - 波束可调式天线装置 - Google Patents

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Abstract

一种波束可调式天线，包括一双频天线、一第一反射单元组，及一第二反射单元组。该双频天线辐射或接收一第一频率或一第二频率的电磁信号。该第一反射单元组具有多个第一反射板，用以反射该双频天线所辐射出的该第一频率的电磁信号。该第二反射单元组具有多个第二反射板，用以反射该双频天线所辐射出的该第二频率的电磁信号。其中，所述多个第一反射板与所述多个第二反射板分别设置于该双频天线旁，并且等多个第一、第二反射板的每一者的平面法向量皆指向该双频天线；该第一反射单元组比该第二反射单元组更靠近于该双频天线。

Description

波束可调式天线装置
技术领域
本发明涉及天线装置，特别涉及一波束可调式天线装置。
背景技术
由于近十余年来无线通信技术的蓬勃发展，现今无线信号不再仅限于语音通信，而更多需求转向于多媒体信息的传输。而在多媒体的传输中，信号的传输稳定度、能量强度…等，都会直接与使用者的感受息息相关。在一般的无线路由器中，一般常见的天线应用为多天线多输入多输出(Multi-input Multi-output：MIMO)系统，通过多只天线的全向性(omnidirectional)场型去涵盖所应用的环境，或是指向性天线来针对方向性上的使用环境。
可切换场型天线与传统天线应用差异在于，其天线场型及能量传输强度稳定度，皆会因使用者所在位置而实现波束切换功能，该功能是一种充分利用资源进行信号品质提升、干扰抑制及适应性波束调整的机制。最初的运用模式是利用天线阵列提供的天线增益(Antenna Gain)用以提升信号噪声比(SNR)；而为对抗无线通道的多路径衰落现象，亦可利用天线阵列进行空间分集(Spatial Diversity)，以获得分集增益(Diversity Gain)。然而，天线阵列往往体积非常庞大。
另一种方式是利用信号方向性的波束形成(Beam forming)技术，运用具有自我适应、调节功能的演算法驱动阵列天线，使之产生特定的波束形状，将主波束对准目标信号用以强化接收品质，同时调整零陷(Null)点，始知对准干扰信号用以抑制干扰。现今大多数的可切换场型天线，是利用多支天线为一组做切换机制，通过切换其内不同的天线来改变整体场型，但结构极为复杂，且体积也会相对应地变大，因此需要耗费过大的空间来组成天线单元。
发明内容
依据本发明一实施例的波束可调式天线，包括一双频天线、一第一反射单元组，及一第二反射单元组。该双频天线辐射或接收一第一频率或一第二频率的电磁信号，且该第一频率大于该第二频率。该第一反射单元组具有多个第一反射板，用以反射该双频天线所辐射出的该第一频率的电磁信号。该第二反射单元组具有多个第二反射板，用以反射该双频天线所辐射出的该第二频率的电磁信号，该第一反射单元组比该第二反射单元组更靠近于该双频天线。其中，所述多个第一反射板与所述多个第二反射板分别设置于该双频天线旁，并且所述多个第一、第二反射板的每一者的平面法向量皆指向该双频天线。
如上述的波束可调式天线，其中，该双频天线设置于一基板上；该基板设置于所述多个第一反射板的二者之间，并且所述多个第一反射板的该二者的平面法向量正交于该基板的平面法向量；所述多个第一反射板的其他者设置于该基板的一侧。
如上述的波束可调式天线，其中，所述多个第一反射板的该二者与该基板的距离为八分之一至四分之一该第一频率的电磁信号波长的长度。
如上述的波束可调式天线，其中，所述多个第一反射板的该二者分别为一第a反射板及一第b反射板；所述多个第一反射板的其他者分别为一第c反射板及第d反射板；该第c、第d反射板的中心处与该基板所在而延伸的一第一平面的距离为八分之一至四分之一该第一频率的电磁信号波长的长度。
如上述的波束可调式天线，其中，该第c、第d反射板的平面法向量与该第一平面的夹角分别为60±5度及120±5度。
如上述的波束可调式天线，其中，该双频天线设置于一基板上；该基板及所述多个第一反射板的该二者是设置于所述多个第二反射板的二者之间，并且所述多个第二反射板的该二者的平面法向量正交于该基板的平面法向量；所述多个第二反射板的其他者设置于该基板的该侧。
如上述的波束可调式天线，其中，所述多个第二反射板的二者与该基板的距离为八分之一至四分之一该第二频率的电磁信号波长的长度。
如上述的波束可调式天线，其中，所述多个第二反射板的该二者分别为一第e反射板及一第f反射板；所述多个第二反射板的其他者分别为一第g反射板、一第h反射板、一第i反射板，及一第j反射板；该第g、第h、第i、第j反射板的中心处与该基板所在而延伸的一第一平面的距离为八分之一至四分之一该第二频率的电磁信号波长的长度。
如上述的波束可调式天线，其中，该第g、第h反射板的平面法向量与该第一平面的夹角分别为50±5度及130±5度；该第i、第j反射板的平面法向量与该第一平面的夹角分别为83±5度及97±5度。
如上述的波束可调式天线，其中，所述多个第一、第二反射板的每一者分别与一开关相耦接；当该开关导通时，所对应的所述多个第一或第二反射板的一者接地，使得该双频天线对应于该第一频率或该第二频率的波束场型发生改变。
如上述的波束可调式天线，其中，该双频天线包括倒F型天线(PIFA)、环形天线(loop)，以及开路环形天线(open loop)。
如上述的波束可调式天线，其中，该双频天线包括一第一频率的辐射部、一第二频率的辐射部，并且正交于一第二平面；该第二频率的辐射部距离该第二平面的高度大于该第一频率的辐射部距离该第二平面的高度。
如上述的波束可调式天线，其中，该第一反射单元组及该第二反射单元组皆正交于该第二平面；该第一反射单元组距离该第二平面的高度相等于该第一频率的辐射部距离该第二平面的高度；该第二反射单元组距离该第二平面的高度相等于该第二频率的辐射部距离该第二平面的高度。
附图说明
图1A、图1B为本发明实施例波束可调式天线的俯视图和反射板距离配置图；
图2A、图2B为本发明实施例波束可调式天线的反射板角度配置图；
图3为本发明实施例波束可调式天线的立体图；
图4A、图4B、图4C、图4D、图4E、图4F、图4G为本发明实施例波束可调式天线切换开关所对应的天线场型变化图；
图5为本发明实施例波束可调式天线所组成的2×2波束可调式阵列天线示意图。
附图标记说明：
100～波束可调式天线
102～双频天线
104～第一反射单元组
106～第二反射单元组
a、b～反射板
c、d～反射板
e、f～反射板
g、h、i、j～反射板
X1、X2～距离
X3、X4～距离
Y1、Y2～距离
Y3、Y4、Y5、Y6～距离
λ1～第一频率的电磁信号的波长
λ2～第二频率的电磁信号的波长
108～第一平面
110～基板
112、114、116～法向量
θ1～角度
θ2～角度
θ3～角度
θ4～角度
300～第一频率的辐射部
302～第二频率的辐射部
304～第二平面
400、402、404、406～开关
408、410、412、414、416、418～开关
500～波束可调式阵列天线
具体实施方式
图1A、图1B为本发明实施例的波束可调式天线的俯视图和反射板距离配置图。如图1A所示，波束可调式天线100包括一双频天线102、一第一反射单元组104，以及一第二反射单元组106。双频天线102辐射或接收一第一频率(f1)或一第二频率(f2)的电磁信号。在本实施例中，该第一频率(f1)为5GHz，该第二频率(f2)为2.4GHz，是为Wi-Fi的应用频段。在本实施例中，该双频天线102可包括倒F型天线(PIFA)、环形天线(loop antenna)，以及开路环形天线(open loop antenna)。一般来说，双频天线102为一全向性天线(omnidirectionalantenna)。
第一反射单元组104具有多个第一反射板，用以反射双频天线102所辐射出的该第一频率(f1)的电磁信号。第二反射单元组106具有多个第二反射板，用以反射双频天线102所辐射出的该第二频率(f2)的电磁信号。所述多个第一反射板与所述多个第二反射板分别设置于双频天线102旁，并且所述多个第一、第二反射板的每一者的平面法向量皆指向双频天线102。在本实施例中，双频天线102是形成于一基板110上，基板110设置于所述多个第一反射板的任二者之间，并且所述多个第一反射板的该任二者的平面法向量(例如图1A的法向量112、114)正交于基板110的平面法向量(例如法向量116)。所述多个第一反射板的其他者设置于基板110的一侧。
基板110及所述多个第一反射板的该二者是设置于所述多个第二反射板的二者之间，并且所述多个第二反射板的该二者的平面法向量正交于基板110的平面法向量；所述多个第二反射板的其他者设置于基板110的该侧。在本实施例中，如图1A所示，所述多个第一反射板的该二者分别为一反射板a及一反射板b。所述多个第一反射板的其他者分别为一反射板c及一反射板d。所述多个第二反射板的该二者分别为一反射板e及一反射板f。所述多个第二反射板的其他者分别为一反射板g、一反射板h、一反射板i，及一反射板j。其中，该反射板a及该反射板b与双频天线102的基板110的距离X1、X2为八分之一至四分之一该第一频率(f1)的电磁信号波长的长度，亦即
Figure BDA0001953588610000051
第e反射板及该第f反射板与双频天线102的基板110的距离X3、X4为八分之一至四分之一该第二频率(f2)的电磁信号波长的长度，亦即
Figure BDA0001953588610000052
前述基板110可为FR4板，或其他常用的印刷电路板(PCB)板材。该双频天线102的线路是设置于基板110的表面上。所述多个第一、第二反射板的每一者(即反射板a～d及反射板e～j)的一板面具有一金层层，形成金属层的该板面是面对双频天线102。所述多个第一、第二反射板亦可使用FR4板或其他常用的PCB板材来实现。
如图1B所示，该反射板c、反射板d的中心处与双频天线102的基板110所在而延伸的一第一平面108的距离Y1、Y2为八分之一至四分之一该第一频率(f1)的电磁信号波长的长度，亦即
Figure BDA0001953588610000061
该反射板g、反射板h、反射板i、反射板j的中心处与双频天线102的基板110所在而延伸的该第一平面108的距离Y3、Y4、Y5、Y6为八分之一至四分之一该第二频率(f2)的电磁信号波长的长度，亦即
Figure BDA0001953588610000062
在本实施例中，
Figure BDA0001953588610000063
米、
Figure BDA0001953588610000064
在本实施例中，Y3<Y5，并且Y4<Y6。第一平面108为双频天线102的基板110所在的一平面，由于图1B为波束可调式天线100的俯视图，因此第一平面108在图1B上会呈现一直线。
图2A、图2B为本发明实施例波束可调式天线的反射板角度配置图。如图2A所示，该第c、第d反射板的平面法向量与第一平面108的夹角分别为θ1＝60±5度及θ2＝120±5度。如图2B所示，该第g、第h反射板的平面法向量与该第一平面108的夹角分别为θ3＝50±5度及θ4＝130±5度。该第i、第j反射板的平面法向量与第一平面108的夹角分别为83±5度及97±5度。
图3为本发明实施例波束可调式天线的立体图。其中，前述图1A即为图3所示的波束可调式天线的俯视图。如图3所示，双频天线102包括一第一频率的辐射部300及一第二频率的辐射部302，并且双频天线102正交于一第二平面304。第二频率的辐射部302距离第二平面304的高度大于第一频率的辐射部300距离第二平面304的高度。第一反射单元组104及第二反射单元组106皆正交于第二平面304。第一反射单元组104距离第二平面304的高度相等于第一频率的辐射部300距离第二平面304的高度；第二反射单元组106距离第二平面304的高度相等于第二频率的辐射部302距离第二平面304的高度。第二平面304是正交于第一平面108。
进一步说，由于双频天线102的第二频率的辐射部302辐射时在天线本体上的电流路径会大于其第一频率的辐射部300辐射时在天线本体上的电流路径，并且第一频率的辐射部300及第二频率的辐射部302又同时设置形成在双频天线312的基板110上，因此第二频率的辐射部302相对于第二平面304的高度会大于第一频率的辐射部300相对于第二平面304的高度。第一反射单元组104为了反射第一频率的辐射部300所发射的第一频率(f1)的电磁信号，故第一反射单元组104相对于第二平面304的高度会相等于双频天线102的第一频率的辐射部300相对于第二平面304的高度。第二反射单元组106为了反射第二频率的辐射部302所发射的第二频率(f2)的电磁信号，故第二反射单元组106相对于第二平面304的高度会相等于双频天线102的第二频率的辐射部302相对于第二平面304的高度。
所述多个第一、第二反射板的每一者分别与一开关相耦接。当该开关导通时，所对应的所述多个第一或第二反射板的一者接地，使得双频天线102对应于第一频率(f1)或该第二频率(f2)的波束场型发生改变。图4A、图4B、图4C、图4D、图4E、图4F、图4G为本发明实施例波束可调式天线切换开关所对应的天线场型变化图。如图4A所示，反射板a与开关400相耦接，反射板b与开关402相耦接，反射板c与开关404相耦接，反射板d与开关406相耦接；反射板e与开关408相耦接，反射板f与开关410相耦接，反射板g与开关412相耦接，反射板h与开关414相耦接，反射板i与开关416相耦接，以及反射板j与开关418相耦接。
举例来说，由于双频天线102为一全向性天线，并无明显指向性，当开关400～418皆未导通的情况下，其场型约略近似于一球型。在本实施例中，以第一频率当(f1)做为例示。当开关400导通，反射板a接地，使得反射板a在电磁边界条件上近似于一完美导体(perfect electric conductor：PEC)，因而将双频天线102在反射板a的场型反射至相反的方向，亦即反射板b的方向。简单来说，当开关400导通时，反射板a可将双频天线102的辐射场型向反射板b的方向挤压。另一方面，开关402～418并未导通，因此反射板b～d，以及反射板e～j处于浮接(floating)的状态，并不会影响双频天线102的辐射场型。
如图4B所示，当开关404导通时，反射板c接地而将双频天线102的辐射场型向反射板b与双频天线102的基板110另一侧之间的方向挤压。如图4C所示，当开关406导通时，反射板d接地而将双频天线102的辐射场型向反射板a与双频天线102的基板110另一侧之间的方向挤压。如图4D所示，当开关402导通时，反射板b接地而将双频天线102的辐射场型向反射板a的方向挤压。
如图4E所示，当开关400、404同时导通时，反射板a、反射板c同时接地而将双频天线102的辐射场型向反射板b的方向，以及反射板b与双频天线102的基板110另一侧之间的方向挤压。如图4F所示，当开关402、406同时导通时，反射板b、反射板d同时接地而将双频天线102的辐射场型向反射板a的方向，以及反射板a与双频天线102的基板110另一侧之间的方向挤压。
如图4G所示，当开关400、402同时导通时，反射板a、反射板b同时接地而将双频天线102的辐射场型向双频天线102的基板110的平面正负法向量的方向挤压。同理，当双频天线辐射第二频率(f2)的电磁信号时，第二反射单元组106的运行方式与第4A～4G图的第一反射单元组104相同，故不再赘述。
在本实施例中，开关400～418分别为一二极管(diode)，由一控制器分别施加偏压电压(bias voltage)予开关400～418，用以控制开关400～418的导通与否。
图5为本发明实施例波束可调式天线所组成的2×2波束可调式阵列天线示意图。如图5所示，波束可调式阵列天线500包括4个波束可调式天线100。波束可调式阵列天线500所包括的波束可调式天线100的数量仅为例示，非做为本发明的限制。依据每一反射板上的一开关的导通与否，波束可调式天线100可产生多达数十种方向性的场型。进一步来说，波束可调式阵列天线500还可加强原波束可调式天线100的指向性场型，而实现以下的优点：1.提高天线增益，降低信号传输所需功率；2.扩大系统的覆盖区域，减少路由器部署个数；3.减少用户间干扰，提高系统容量；4.有效控制波束，提高频谱使用效率；5.提供空间分集，降低多路径衰落影响；6.提升链结品质，达到高速传输目的；7.实现移动用户定位，提供崭新的电信服务。
虽然本发明的实施例如上述所描述，我们应该明白上述所呈现的只是范例，而不是限制。依据本实施例上述示范实施例的许多改变是可以在没有违反发明精神及范围下被执行。因此，本发明的广度及范围不该被上述所描述的实施例所限制。更确切地说，本发明的范围应该要以以下的权利要求及其相等物来定义。

Claims (13)

1.一种波束可调式天线，包括：
一双频天线，用以辐射或接收一第一频率或一第二频率的电磁信号，且该第一频率大于该第二频率；
一第一反射单元组，具有多个第一反射板，用以反射该双频天线所辐射出的该第一频率的电磁信号；
一第二反射单元组，具有多个第二反射板，用以反射该双频天线所辐射出的该第二频率的电磁信号，该第一反射单元组比该第二反射单元组更靠近于该双频天线；
其中，所述多个第一反射板与所述多个第二反射板分别设置于该双频天线旁，并且所述多个第一、第二反射板的每一者的平面法向量皆指向该双频天线。
2.如权利要求1所述的波束可调式天线，其中，该双频天线设置于一基板上；该基板设置于所述多个第一反射板的二者之间，并且所述多个第一反射板的该二者的平面法向量正交于该基板的平面法向量；所述多个第一反射板的其他者设置于该基板的一侧。
3.如权利要求2所述的波束可调式天线，其中，所述多个第一反射板的该二者与该基板的距离为八分之一至四分之一该第一频率的电磁信号波长的长度。
4.如权利要求3所述的波束可调式天线，其中，所述多个第一反射板的该二者分别为一第a反射板及一第b反射板；所述多个第一反射板的其他者分别为一第c反射板及第d反射板；该第c、第d反射板的中心处与该基板所在而延伸的一第一平面的距离为八分之一至四分之一该第一频率的电磁信号波长的长度。
5.如权利要求4所述的波束可调式天线，其中，该第c、第d反射板的平面法向量与该第一平面的夹角分别为60±5度及120±5度。
6.如权利要求2所述的波束可调式天线，其中，该双频天线设置于一基板上；该基板及所述多个第一反射板的该二者是设置于所述多个第二反射板的二者之间，并且所述多个第二反射板的该二者的平面法向量正交于该基板的平面法向量；所述多个第二反射板的其他者设置于该基板的该侧。
7.如权利要求6所述的波束可调式天线，其中，所述多个第二反射板的二者与该基板的距离为八分之一至四分之一该第二频率的电磁信号波长的长度。
8.如权利要求7所述的波束可调式天线，其中，所述多个第二反射板的该二者分别为一第e反射板及一第f反射板；所述多个第二反射板的其他者分别为一第g反射板、一第h反射板、一第i反射板，及一第j反射板；该第g、第h、第i、第j反射板的中心处与该基板所在而延伸的一第一平面的距离为八分之一至四分之一该第二频率的电磁信号波长的长度。
9.如权利要求8所述的波束可调式天线，其中，该第g、第h反射板的平面法向量与该第一平面的夹角分别为50±5度及130±5度；该第i、第j反射板的平面法向量与该第一平面的夹角分别为83±5度及97±5度。
10.如权利要求1所述的波束可调式天线，其中，所述多个第一、第二反射板的每一者分别与一开关相耦接；当该开关导通时，所对应的所述多个第一或第二反射板的一者接地，使得该双频天线对应于该第一频率或该第二频率的波束场型发生改变。
11.如权利要求1所述的波束可调式天线，其中，该双频天线包括倒F型天线、环形天线，以及开路环形天线。
12.如权利要求1所述的波束可调式天线，其中，该双频天线包括一第一频率的辐射部、一第二频率的辐射部，并且正交于一第二平面；该第二频率的辐射部距离该第二平面的高度大于该第一频率的辐射部距离该第二平面的高度。
13.如权利要求12所述的波束可调式天线，其中，该第一反射单元组及该第二反射单元组皆正交于该第二平面；该第一反射单元组距离该第二平面的高度相等于该第一频率的辐射部距离该第二平面的高度；该第二反射单元组距离该第二平面的高度相等于该第二频率的辐射部距离该第二平面的高度。
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