TW201330380A - 指向性天線及用於指向性天線之輻射場型調整方法 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露一種指向性天線,用於一多輸入多輸出或天線波束切換之無線通訊系統,該指向性天線包含有一基板;至少一指向性天線,形成於該基板之上,用來根據一饋入訊號,產生對應之一輻射場型;以及一反射板,平行設置於該指向性天線之該輻射場型的電場平面,用來反射該指向性天線之該輻射場型,以增加該指向性天線對應於該輻射場型的電場平面之一天線增益。
Description
本發明係指一種指向性天線以及用於指向性天線之輻射場型調整方法,尤指一種透過增加反射板來增加輻射場型的電場平面之天線增益之指向性天線以及用於指向性天線之輻射場型調整方法。
具有無線通訊功能的電子裝置如筆記型電腦、手機或者個人數位助理(Personal Digital Assistant,PDA)等行動通訊裝置係透過天線發射或接收無線電波進而存取一無線網路。因此,為了能更方便地存取無線網路,理想之天線的頻寬應在許可範圍內盡可能地增加,而尺寸則應盡量減小,以配合電子產品小型化之趨勢。
高度指向性的天線,如一八木(Yagi-Uda)天線,於一相對窄頻的操作頻帶中具有高天線增益。因此,複數個八木天線普遍應用於支援多輸入多輸出(Multi-Input Multi-Output,MIMO)技術或是波束切換(Beam Switchable)天線系統之無線通訊系統中。藉由適當地配置多個八木天線的擺放位置,在有限的操作頻帶中或發射功率下,無線通訊系統能達到高的資料吞吐量(Throughput)以及能顯著增加訊號傳輸的距離。
為了提升八木天線的天線效能,傳統的方式係增加引向器(Director)於八木天線上,增加的引向器可用來引導八木天線之輻射器的電流路徑,此情況下可增加八木天線的天線增益以及指向
性。然而,八木天線的天線主體部分以及天線面積也隨之增加。
為了適應電子產品小型化之趨勢,實有必要在不增加天線面積的情況下,增加八木天線的天線增益以及指向性。
因此,本發明之主要目的在於提供一種用於一多輸入多輸出或一波束切換天線系統之指向性天線以及用於指向性天線之輻射場型調整方法。
本發明揭露一種指向性天線,用於一多輸入多輸出或波束切換天線系統,該指向性天線包含有一基板;至少一指向性天線,形成於該基板之上,用來根據一饋入訊號,產生對應之一輻射場型;以及一反射板,平行設置於該指向性天線之該輻射場型的電場平面,用來反射該指向性天線之該輻射場型,以增加該指向性天線對應於該輻射場型的電場平面之一天線增益。
本發明另揭露一種用於指向性天線之輻射場型調整方法,用於一指向性天線,該方法包含有透過一平行於該指向性天線之一輻射場型的電場平面之反射板,反射由該指向性天線輻射之一射頻訊號之一輻射場型,以增加該指向性天線對應於該輻射場型的電場平面之一天線增益。
本發明提出之指向性天線以及用於指向性天線之輻射場型調整方法可增加指向性天線對應之輻射場型的電場平面之天線增益以及指向性。
請參考第1圖,第1圖描述了本發明實施例之指向性天線(Directional Antenna)10之示意圖。指向性天線10適用於一支援多輸入多輸出(Multi-Input Multi-Output,MIMO)技術之無線通訊系統,例如IEEE 802.11n系統,但不限於此。指向性天線10包含有一基板102,一指向性天線ANT以及一反射板104。指向性天線ANT設置於基板102之上,用來根據一饋入訊號,產生對應之一輻射場型(Radiating Pattern,RP)。舉例來說,指向性天線ANT係一雙頻帶水平極化天線(例如,一印刷式雙頻帶線性極化天線),用來根據一射頻(Radio-Frequency,RF)訊號RFS,產生輻射場型RP_H、輻射場型RP_L,以同時收發射頻訊號RFS。如第1圖所示,輻射場型RP_H、輻射場型RP_L大致平行於一輻射場型的電場平面(例如,水平輻射平面XY)。反射板104係平行設置於指向性天線對應之輻射場型的電場平面(例如,輻射平面XY),用來反射輻射場型RP_H、輻射場型RP_L,以增加指向性天線ANT對應於輻射場型的電場平面(例如,輻射平面XY)方向之天線增益。根據本發明之一設計變化,反射板104與接地部絕緣或與指向性天線ANT絕緣。
除此之外,指向性天線ANT產生之輻射場型RP_H為運作於高頻帶(如5.45GHz)之最大增益之切割平面。指向性天線ANT產生之輻射場型RP_L為運作於低頻帶(如2.45GHz)之最大增益之切割平面。由第1圖可看出,輻射場型RP_H之最大增益之切割平面大致包含於輻射平面XY中,而輻射場型RP_L之最大增益之切割平面係一向下傾斜之斜面。在此情況下,透過調整指向性天線ANT
與反射板104之間一距離D可改變輻射場型RP_H、輻射場型RP_L,以符合系統需求,增加天線設計之彈性。
更具體地來說,根據電磁理論,當金屬板平行於天線電流方向的一長邊大於或等於輻射器輻射出的入射波之半波長,且金屬板與輻射器相互絕緣時,則金屬板上的表面電子會與入射波相互共振,據以產生與入射波具有相同頻率之反射波,並且反射波具有與入射波之入射角對應之反射角。因此,金屬板可視為一反射板,用來將對應於一入射角的入射波反射出對應於一反射角的反射波。同理,當指向性天線ANT輻射射頻訊號RFS至空中時,反射板104用來反射射頻訊號RFS,使得部分的射頻訊號RFS受反射板104的反射效應,反射至輻射平面XY,因此指向性天線ANT的輻射場型相應地產生變化。如此一來,指向性天線ANT對應於輻射場型的電場平面(例如,輻射平面XY)的天線增益可因此增加。
換句話說,反射板104用來反射指向性天線ANT所輻射的部分射頻訊號RFS,使得部分的射頻訊號RFS被反射至輻射平面XY,以調整輻射場型RP_H、輻射場型RP_L,因此可增加指向性天線ANT對應於輻射場型的電場平面(例如,輻射平面XY)上的天線增益。
請注意,本發明係透過設置平行於輻射場型的電場平面(例如,輻射平面XY)的反射板104,來增加指向性天線ANT對應於輻射場型的電場平面(例如,輻射平面XY)上的天線增益。指向性天線ANT的天線型態(Type)以及天線的數量皆無限制。舉例來說,指向性天線ANT可以是任何型態的指向性天線,如印刷式八木天線
(Yagi-Uda)。在基板102上可設置或印刷複數個指向性天線,只要複數個指向性天線皆具有相同極化方向,如水平極化方向或垂直極化方向。反射板104的材料以及形狀也無任何限制,例如反射板104可以由鐵、銅等其他純金屬或是其他複合金屬材料所製成。反射板104的形狀也無限制,請參考第2A至2D圖,第2A至2D圖描述了第1圖之合理形狀的反射板104之示意圖。如第2A至2D圖所示,反射板104的形狀可以是一六角形、一圓形,一正方形或是一三角形等。當然,反射板104的形狀可以是其他種類的幾何形狀或任意不規則形。本領域的技術人員可依照實際應用需求做出修改或變更,而不限於上述描述內容及實施範例。
調整輻射場型RP_H、輻射場型RP_L,以增加關於指向性天線ANT對應於輻射場型的電場平面(例如,輻射平面XY)上的天線增益的操作方式,其可歸納為一用於指向性天線之輻射場型調整方法之流程30。請參考第3圖,第3圖為本發明實施例之用於指向性天線之輻射場型調整方法之流程之示意圖。用於指向性天線之輻射場型調整方法之流程30包含以下步驟:步驟300:開始。
步驟302:透過平行於指向性天線ANT對應之輻射場型的電場平面(例如,輻射平面XY)的反射板104,反射由指向性天線ANT所發射之射頻訊號RFS的輻射場型RP_H、輻射場型RP_L,以增加指向性天線ANT對應於輻射場型的電場平面(例如,輻射平面XY)的天線增益。
步驟304:結束。
關於用於指向性天線之輻射場型調整方法之流程30詳細的運作方式可參照上述,於此不再贅述。請參考第4圖,第4圖為本發明之第一實施例之收發器40之示意圖。收發器40包含有一基板402、指向性天線ANT_1~ANT_3以及一反射板404。指向性天線ANT_1~ANT_3為相同的印刷式八木天線,並且都具有水平極化方向。指向性天線ANT_1~ANT_3設置於基板402之上,將圓形的基板402以120度夾角均分為三等份,用來收發在水平輻射平面XY上的射頻訊號。根據本發明之一設計變化,反射板404與接地部絕緣或與至少一指向性天線ANT絕緣。為了清楚比較增加反射板404前後的天線效能,在此以指向性天線ANT_1為例,請參考第5圖,第5圖為第4圖中指向性天線ANT_1之天線增益場型的示意圖,其中具有反射板404之指向性天線ANT_1之天線增益以實線表示,無反射板404之指向性天線ANT_1之天線增益以虛線表示。由第5圖可看出,當其他條件相同時,無反射板404的情況下,指向性天線ANT_1的最大增益(peak gain)為4.5dBi;而有反射板404的情況下,指向性天線ANT_1的最大增益為6.5dBi。再者,指向性天線ANT_1的天線指向性也相應地提升。由於指向性天線ANT_1~ANT_3完全相同,指向性天線ANT_2、指向性天線ANT_3對應之輻射場型的電場平面之天線最大增益以及指向性也可藉由增加反射板404而得到改善。如此一來,藉由增加單一反射板404,可同時改善指向性天線ANT_1~ANT_3對應之輻射場型的電場平面之天線增益以及指向性。
除此之外,收發器40也可結合另一收發器,用來增強不同指向
性天線,以增加不同的極化方向並擴大收發器40的輻射範圍。請參考第6A圖及第6B圖,第6A至6B圖分別為本發明之第二實施例之收發器之側視圖以及等角(isometric)視圖。收發器60包含有收發器40、垂直指向性天線ANT_4、垂直指向性天線ANT_5以及一系統電路板SBD。指向性天線ANT_4、指向性天線ANT_5分別由完全相同之兩組雙頻八木天線上下並聯而成且具有垂直極化方向。此外,指向性天線ANT_4、指向性天線ANT_5波束徑寬大於120度,並且指向性天線ANT_4、指向性天線ANT_5之間夾角為120度。指向性天線ANT_4係形成於基板612上,指向性天線ANT_5係形成於基板622上,用來收發垂直極化方向的射頻訊號。基板612、基板622可以是一雙層FR4玻璃纖維基板,基板612、基板622分別包含有插入元件ISE_1、插入元件ISE_2。收發器40另包含有一插入元件ISE_0,另請一併參考第4圖,收發器40的反射板404包含有槽孔SL_0、槽孔SL_1以及槽孔SL_2,其分別對應於插入元件ISE_0、插入元件ISE_1以及插入元件ISE_2,用來固定反射板404以及基板402、基板612、基板622。值得注意的是,固定反射板404的方式無限制,例如藉由收發器40或收發器60的殼體上其他機構組件(Mechanical Part)來固定反射板404。
在此配置下,指向性天線ANT_4、指向性天線ANT_5在輻射平面XZ中形成一輻射場型的電場平面,而系統電路板SBD係設置為平行於輻射場型的電場平面(例如,輻射平面XZ)。請注意,系統電路板SBD也可視為一反射板,以用來執行反射。如此一來,請參考第7圖,第7圖為第6A圖中指向性天線ANT_4之天線增益場
型之示意圖,其中具有系統電路板SBD之指向性天線ANT_4的天線增益以實線表示,無系統電路板SBD之指向性天線ANT_4的天線增益以虛線表示。由第7圖可看出,當其他條件相同時,無系統電路板SBD的情況下,由於場型推擠作用,指向性天線ANT_4的最大增益為5.6dBi;而有系統電路板SBD的情況下,指向性天線ANT_4的最大增益為7dBi。再者,指向性天線ANT_4的天線指向性也相應地提升。由於指向性天線ANT_4、指向性天線ANT_5完全相同,指向性天線ANT_5對應之輻射場型的電場平面之天線最大增益以及指向性也可藉由增加系統電路板SBD而得到改善。如此一來,藉由增加系統電路板SBD,可同時改善指向性天線ANT_4、指向性天線ANT_5對應之輻射場型的電場平面之天線增益以及指向性。
收發器60可在系統電路板SBD之另一面進一步設置一天線ANT_6,使得天線ANT_4~ANT_6的場型能以360度涵蓋輻射平面XY。如第8圖所示,天線ANT_6係為一印刷式雙頻帶槽孔天線,該天線ANT_6一側設有一反射板604。相似地,反射板604可反射天線ANT_6的輻射場型,用來增加天線ANT_6對應之輻射場型之天線增益以及指向性。
綜上所述,本發明係透過設置平行於輻射場型的電場平面的反射板,用來反射指向性天線的輻射場型,以在不改變指向性天線圖樣的方式下,增加對應於指向性天線輻射場型的電場平面的輻射方向上的天線增益,其中反射板與指向性天線絕緣。相較之下,傳統的方式係增加引向器於指向性天線上,以用來引導輻射器的電流路
徑,如此方式不僅改變指向性天線主體部分還增加了指向性天線的面積。此外,當存在多個指向性天線時,傳統方法不得不對每個天線增加引向器,這實質上增加了天線的總面積。然而,本發明藉由增加與輻射場型的電場平面平行之單一反射板,可同時改善複數個指向性天線輻射場型的電場平面之天線增益以及指向性,如此較傳統方式簡單及容易。
以上所述僅為本發明之較佳實施例,凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾,皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10‧‧‧指向性天線
102、402、612、622‧‧‧基板
104、404、604‧‧‧反射板
ANT、ANT_1~ANT_5‧‧‧指向性天線
ANT_6‧‧‧天線
RFS‧‧‧射頻訊號
D‧‧‧距離
RP_H、RP_L‧‧‧輻射場型
XY、XZ‧‧‧輻射平面
X、Y、Z‧‧‧方向
30‧‧‧用於指向性天線之輻射場型調
整方法之流程
300、302、304‧‧‧步驟
40、60‧‧‧收發器
SBD‧‧‧系統電路板
ISE_0、ISE_1、ISE_2‧‧‧插入元件
SL_0、SL_1、SL_2‧‧‧槽孔
第1圖為本發明實施例之指向性天線之示意圖。
第2A至2D圖為第1圖之合理形狀之反射板之示意圖。
第3圖為本發明實施例之用於指向性天線之輻射場型調整方法之流程之示意圖。
第4圖為本發明之第一實施例之收發器之示意圖。
第5圖為第4圖中指向性天線之天線增益場型之示意圖。
第6A至6B圖分別為本發明之第二實施例之收發器之側視圖以及等角視圖。
第7圖為第6A圖中指向性天線之天線增益場型之示意圖。
第8圖為本發明之第三實施例之收發器之示意圖。
10、ANT‧‧‧指向性天線
102‧‧‧基板
104‧‧‧反射板
RFS‧‧‧射頻訊號
D‧‧‧距離
RP_H、RP_L‧‧‧輻射場型
XY‧‧‧輻射平面
X、Y‧‧‧方向
Claims (12)
- 一種指向性天線,用於一多輸入多輸出或天線波束切換之無線通訊系統,該指向性天線包含有:一基板;至少一指向性天線,形成於該基板之上,用來根據一饋入訊號,產生對應之一輻射場型;以及一反射板,設置為平行於該指向性天線之該輻射場型的一電場平面,用來反射該指向性天線之該輻射場型,以增加該指向性天線對應於該輻射場型的該電場平面之一天線增益。
- 如請求項1所述之指向性天線,其中該基板包含有至少一插入元件,垂直形成於該基板之上,該反射板包含有至少一槽孔,對應於該插入元件,以固定該反射板以及該基板。
- 如請求項1所述之指向性天線,其中該基板係一雙層FR4玻璃纖維基板。
- 如請求項1所述之指向性天線,其中該指向性天線之一極化方向係一水平極化方向或一垂直極化方向。
- 如請求項1所述之指向性天線,其中該反射板與一接地部絕緣或與該至少一指向性天線絕緣。
- 如請求項1所述之指向性天線,其中該反射板係一金屬板或一系統電路板。
- 如請求項1所述之指向性天線,其中該指向性天線係一印刷式雙頻帶線性極化天線。
- 如請求項7所述之指向性天線,其中該指向性天線係一印刷式八木天線。
- 一種用於指向性天線之輻射場型調整方法,該方法包含有:透過一平行於一指向性天線之一輻射場型的一電場平面之一反射板,反射該指向性天線根據一射頻訊號產生之一輻射場型,以增加該指向性天線對應於該輻射場型的該電場平面之一天線增益。
- 如請求項9所述之用於指向性天線之輻射場型調整方法,其中反射該輻射場型之步驟包含有:使該反射板與一接地部絕緣或與該指向性天線絕緣。
- 如請求項9所述之用於指向性天線之輻射場型調整方法,其中該反射板係一金屬板或一系統電路板。
- 如請求項9所述之用於指向性天線之輻射場型調整方法,其中該指向性天線之一極化方向係一水平極化方向或一垂直極化方向。
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