TW201503488A - 多天線饋入埠主動天線系統及其相關控制方法 - Google Patents

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Abstract

一種多天線饋入埠主動天線系統的控制方法，該多天線饋入埠主動天線系統包括天線輻射單元、第一天線饋入埠與第二天線饋入埠，此控制方法包括下列步驟：將第一控制單元設定於關閉狀態，使得第一天線饋入埠與天線輻射單元上的第一物理位置之間導通，並且一信號由第一饋入埠經由第一物理位置饋入天線輻射單元；以及將第二控制單元設定於關閉狀態，使得第二天線饋入埠與天線輻射單元上的第二物理位置之間導通，並且該信號由該第二饋入埠經由第二物理位置饋入天線輻射單元；其中，第一控制單元與第二控制單元僅有一個被設定於該關閉狀態。

Description

多天線饋入埠主動天線系統及其相關控制方法
本發明係有關於一種天線系統及其控制方法，且特別是有關於一種多天線饋入埠主動天線系統及其相關控制方法。
一般來說，使用於消費性無線產品上的天線通常為單一天線饋入埠之被動天線(Single-Fed Passive Antenna)，這類天線通常結構單純、應用簡單、價格便宜、尺寸較小，單一支天線僅需要單一天線饋入埠，且可同時支援系統所需之所有頻段，例如：藍芽(Bluetooth)天線、無線網路WiFi天線、與第二代(2G)/第三代(3G)行動通訊手機天線。其中，第二代行動通訊頻帶約為824MHz~960MHz與1710MHz~1990MHz，而第三代行動通訊頻帶通常會特別關注1920MHz~2170MHz的Band 1頻帶。整體來看，2G/3G頻帶可歸納為824MHz~960MHz低頻頻帶與1710MHz~2170MHz高頻頻帶。
隨著技術演進，目前全球行動通訊技術已經逐漸進入第四代(4G)行動通訊長期演進技術(LTE，Long Term Evolution)的階段。而全球各區域對於第四代行動通訊所規範的工作頻段也較2G/3G頻帶更為寬廣，其中又以美國約700MHz的Band 13與Band 17和大陸2300~2620MHz的Band 38與Band 40最受關注。
由於第四代行動通訊手機天線必須同時支援舊有的2G與3G頻段與最先進的4G頻段，實為困難。再者，目前行動 通訊手機功能整合越來越豐富，外觀上也追求更輕薄，因此也直接壓縮到手機內部的天線空間。這些原因也使得第四代行動通訊手機天線設計變得更為困難。
請參照第1A圖至第1C圖，其所繪示為習知單一天 線饋入埠第四代行動通訊被動天線架構、天線輻射單元之二維尺寸、以及該架構之反射損耗(return loss)實驗量測結果。其係揭露於2011年11月IEEE期刊第4215頁。
如第1A圖所示，該天線製作於FR4材質的印刷電 路板(PCB，Printed Circuit Board)上。該印刷電路板總長度為115公厘、總寬度為55公厘。該天線對應之金屬接地面130(Metal ground surface)長度為105公厘，寬度亦為55公厘。另外，天線淨空區域(Antenna Clearance)寬度w為10公厘，長度則與印刷電路板同寬為55公厘。該天線淨空區域即為天線輻射單元(Radiation Unit)120所在位置。
如第1B圖所示，其為該架構中的天線輻射單元120 之二維尺寸示意圖。其中，A點為該天線輻射單元120的唯一天線饋入埠(Antenna Feed Port)，B點為該天線輻射單元120之唯一接地點。再者，該金屬接地面130位於FR4材質的印刷電路板之底層(Bottom layer)，而天線輻射單元120以及A點的天線饋入埠皆位於FR4材質的印刷電路板之表層(Top layer)。天線輻射單元120於B’點透過一鑽孔(Via)直接與金屬接地面130連接。
一般而言，當天線淨空區域寬度w越大，則越有利 於天線設計與天線特性。但若以產品的角度思考之，天線必須整合至手機機殼內部，此時，當w尺寸越大，則其對手機外觀的影響勢必非常明顯，尤其是手機長度的影響。另一方面，手機內部電路系統整合度極高，於手機內部通常亦無法騰出太大空間為天線所使用。而該天線之淨空區域寬度w為10公厘實際上已超過業界一般手機設計所能接受的範圍，尺寸過大。
如第1C圖所示，該反射損耗實驗量測結果是以電 壓駐波比(以下簡稱VSWR)=3：1(亦即反射損耗約為-6dB)作為計算頻寬的標準，因此BW_a(700MHz-1170MHz)與BW_b(1705MHz-2740MHz)可定義為該天線頻寬。
然而，手機天線設計還必須同時考慮到天線與電路 系統之間的整合。亦即，功率放大器(PA，Power Amplifier)、低噪放大器(LNA，Low Noise Amplifier)與天線之間的匹配問題。因此，必須以VSWR=2：1(反射損耗約為-10dB)作為標準，甚至更嚴苛。如此一來，天線與電路系統整合後才能達到最佳狀態。若以VSWR=2：1為標準，該天線頻寬則縮小為BW_c(725MHz-800MHz)與BW_d(1900MHz-2700MHz)。由第1C圖可知，BW_c與BW_d的頻寬明顯不足以同時涵蓋2G/3G/4G所有工作頻段。實際上並無法滿足手機天線設計要求。
請參照第2A圖至第2C圖，其所繪示為習知單一天 線饋入埠第四代行動通訊被動天線架構、天線輻射單元之二維尺寸、以及該架構之反射損耗實驗量測結果。其係揭露於2010年的IEEE期刊。
如第2A圖所示，該天線製作於FR4材質的印刷電 路板上。該印刷電路板總長度為115公厘、總寬度為45公厘。該天線對應之金屬接地面230長度為100公厘，寬度亦為45公厘。 另外，天線淨空區域寬度w為15公厘，長度則與印刷電路板同寬為45公厘。該天線淨空區域即為天線輻射單元220所在位置。
如第2B圖所示，其為該架構中的天線輻射單元220 之二維尺寸示意圖。其中，A點為該天線輻射單元220的唯一天線饋入埠，B點為該天線輻射單元220之唯一接地點。再者，該金屬接地面230位於FR4材質的印刷電路板之底層，而天線輻射單元220以及A點天線饋入埠皆位於FR4材質的印刷電路板之表層。天線輻射單元220於B點透過一鑽孔直接與金屬接地面230連接。很明顯地，15公厘的天線淨空區域寬度w實際上已超過業界一般手機設計所能接受的範圍，尺寸過大。
如第2C圖之反射損耗實驗量測結果所示，若以 VSWR=3：1作為計算頻寬的標準，則BW_a(695MHz-1040MHz)與BW_b(1580MHz-2840MHz)訂定義為該天線頻寬。同理，若依照VSWR=2：1之標準，則該天線頻寬會縮小為BW_c(700MHz-775MHz)、BW_d(1750MHz-1950MHz)、BW_e(2100MHz-2250MHz)與BW_f(2650MHz-2800MHz)四個較小的頻寬，因此亦無法滿足手機天線設計需求。
請參照第3A圖與第3C圖，其所繪示為習知單一天 線饋入埠第四代行動通訊被動天線架構、天線輻射單元之二維尺寸、以及該架構之反射損耗實驗量測結果。其係揭露於2010年10月的IEEE期刊第3426頁。
如第3A圖所示，該天線製作於FR4材質的印刷電 路板上。該印刷電路板總長度為119公厘、總寬度為64公厘。該天線對應之金屬接地面330長度約為104公厘，寬度亦為64公厘。另外，天線淨空區域寬度w為15公厘，長度則與印刷電路板同寬為64公厘。該天線淨空區域即為天線輻射單元320所在位置。
如第3B圖所示，其為該架構中的天線輻射單元320 之二維尺寸示意圖。其中，A點為該天線輻射單元320的唯一天線饋入埠，B點為該天線輻射單元320之唯一接地點。再者，該金屬接地面330位於FR4材質的印刷電路板之底層，而天線輻射單元320以及A點天線饋入埠皆位於FR4材質的印刷電路板之表層。天線輻射單元320於B點透過一鑽孔直接與金屬接地面330連接。很明顯地，15公厘的天線淨空區域寬度w實際上已超過業界一般手機設計所能接受的範圍，尺寸過大。
如第3C圖之反射損耗實驗量測結果所示，若依照VSWR=2：1之標準，則該天線頻寬幾乎無法滿足此標準。
由於第四代行動通訊手機天線必須同時涵蓋2G/3G/4G所有工作頻段。由以上習知技術可知，利用基本單一天 線饋入埠被動天線的概念設計第四代行動通訊手機天線通常會發生尺寸過大、天線匹配不佳與頻寬不足等缺點。
於是，單一天線饋入埠之主動天線(Single-Fed Active Antenna)的設計概念開始被導入第四代行動通訊手機天線設計中。其中又以使用可調式電容模組(Tunable Capacitor Module)於天線匹配電路上最為人所應用。
請參照第4圖，其所繪示為習知單一天線饋入埠主 動天線系統的方塊示意圖。此系統包含：一控制芯片410、一控制介面420、一高壓輸出電容控制器430、一高壓輸出信號440、一天線饋入射頻傳輸線(antenna feed transmission line)450、一可調式電容模組460、以及一天線輻射單元470。其中，可調式電容模組460通常直接放置於天線饋入射頻傳輸線450上，作為天線輻射單元470之匹配電路。高壓輸出信號440電壓值介於零與三十伏特之間，此電壓值用來控制可調式電容模組460內之可調電容的電容值。
當手機與基地台通訊於特定工作頻率(operation frequency)時，天線輻射單元470必須匹配至該特定工作頻率。而為了要匹配至該特定工作頻率，可調式電容模組460必須被設定在特定電容值。因此，控制芯片410透過控制介面420要求高壓輸出電容控制器430輸出相對應的高壓輸出信號440，用以調整可調式電容模組460維持在該特定電容值。
由此可知，於天線系統的設計階段，就必須定義各種工作頻率下可調式電容模組460所對應的各種電容值，並建立為資料庫儲存於手機記憶體中。此過程大大提高天線設計的複雜程度。
此外，可調式電容模組460中的可調電容的電容值範圍通常在10pF以下。再者，目前尚無法將電感器整合於可調式電容模組460之中。因此，天線輻射單元470透過可調式電容模組460匹配後，天線系統的工作頻率動態移動的範圍(frequency dynamic range)有限。也因此，利用此設計概念要使天線頻寬涵蓋最低至700MHz且最高至2620MHz之2G/3G/4G所有工作頻率實為困難。為達到此匹配目的，可調式電容模組460內部的匹配電路架構也是一個設計難題。
本發明提出一種多天線饋入埠主動天線系統，包含：一印刷電路板，該印刷電路板上定義一天線淨空區域；一天線輻射單元，設計於該天線淨空區域內且該天線輻射單元上有一第一物理位置與一第二物理位置；一金屬接地面，設計於該印刷電路板的該天線淨空區域外的一第一層上；一第一控制單元，具有一第一端連接於該第一物理位置、一第二端連接於一第一天線饋入埠以及一控制端，其中該控制端所接收的信號係控制該第一天線饋入埠與該第一物理位置之間的導通與不導通其中之一；一第二控制單元，具有一第一端連接於該第二物理位置、一第二端連接於一第二天線饋入埠以及一控制端，其中該控制端所接收的信號係控制該第二天線饋入埠與該第二物理位置之間的導通與不導通其中之一；其中，該第一控制單元以及該第一天線饋入埠係設計於該印刷電路板的該天線淨空區域外之一第二層。
本發明更提出一種多天線饋入埠主動天線系統，包含：一印刷電路板，該印刷電路板上定義一天線淨空區域；一天線輻射單元，設計於該天線淨空區域內且該天線輻射單元上有M個物理位置，其中M為大於2的整數；一金屬接地面，設計於該印刷電路板的該天線淨空區域外的一第一層上；M個天線饋入埠；M個控制單元，每一該控制單元具有一第一端連接於該M個物理位置其中之一、一第二端連接於該M個天線饋入埠其中之一以及一控制端，其中，M個控制單元中僅有一個控制單元被控制於一關閉狀態，使得該M個物理位置其中之一與該M天線饋入埠其中之一導通，而其他(M-1)個物理位置與其他(M-1)個天線饋 入埠之間不導通。
本發明更提出一種多天線饋入埠主動天線系統的控制方法，該多天線饋入埠主動天線系統包括一天線輻射單元、一第一天線饋入埠與一第二天線饋入埠，該控制方法包括下列步驟：將一第一控制單元設定於一關閉狀態，使得該第一天線饋入埠與該天線輻射單元上的一第一物理位置之間導通，並且一信號由該第一饋入埠經由該第一物理位置饋入該天線輻射單元；以及將一第二控制單元設定於該關閉狀態，使得該第二天線饋入埠與該天線輻射單元上的一第二物理位置之間導通，並且該信號由該第二饋入埠經由該第二物理位置饋入該天線輻射單元；其中，該第一控制單元與該第二控制單元僅有一個被設定於該關閉狀態。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
120、220、320、470‧‧‧天線輻射單元
130、230、330‧‧‧金屬接地面
410‧‧‧控制芯片
420‧‧‧控制介面
440‧‧‧高壓輸出信號
450‧‧‧天線饋入射頻傳輸線
460‧‧‧可調式電容模組
500、600‧‧‧印刷電路板
503、603‧‧‧天線淨空區域
515、615‧‧‧第一控制單元
520、620‧‧‧第二控制單元
545、645‧‧‧天線輻射單元
550、650‧‧‧金屬接地面
606‧‧‧墊高空間
617‧‧‧匹配元件
第1A圖至第1C圖所繪示為習知單一天線饋入埠第四代行動通訊被動天線架構、天線輻射單元之二維尺寸、以及該架構之反射損耗實驗量測結果。
第2A圖至第2C圖所繪示為習知單一天線饋入埠第四代行動通訊被動天線架構、天線輻射單元之二維尺寸、以及該架構之反射損耗實驗量測結果。
第3A圖與第3C圖所繪示為習知單一天線饋入埠第四代行動通訊被動天線架構、天線輻射單元之二維尺寸、以及該架構之反射損耗實驗量測結果。
第4圖所繪示為習知單一天線饋入埠主動天線系統的方塊示意圖。
第5A圖至第5D圖所繪示為本發明雙天線饋入埠主動天線系統之第一實施例、正常工作狀態的等效電路示意圖、以及反射損耗實 驗量測結果。
第6A圖至第6E圖所繪示為本發明雙天線饋入埠主動天線系統之第二實施例、天線輻射單元之二維尺寸、正常工作狀態的等效電路示意圖、以及反射損耗實驗量測結果。
第一實施例
請參照第5A圖至第5D圖，其所繪示為本發明雙天線饋入埠主動天線系統之第一實施例、正常工作狀態的等效電路示意圖、以及反射損耗實驗量測結果。該雙天線饋入埠主動天線系統係設計於一印刷電路板500上，其長度與寬度分別為100公厘與45公厘。在該印刷電路板500定義一天線淨空區域503，其長度與寬度分別為45公厘與8公厘；其中，天線輻射單元545係設計在天線淨空區域503內。
在該天線淨空區域503之外的該印刷電路板500表層，另設計一第一控制單元515與一第二控制單元520。其中，天線輻射單元545有二相異物理位置(physical position)A與B。再者，第一控制單元515的第一端連接於該位置A，第一控制單元515的第二端連接於第一天線饋入埠C，第一控制單元515受控於第一控制信號ctrl1；第二控制單元520的第一端連接於該位置B，第二控制單元520的第二端連接於第二天線饋入埠D，第二控制單元520受控於第二控制信號ctrl2。
在該印刷電路板500之底層的該天線淨空區域503之外，佈局一金屬接地面550，其長度與寬度分別為92公厘與45公厘。其中，該第一天線饋入埠C、該第二天線饋入埠D、該第一控制單元515、與該第二控制單元520皆位於印刷電路板500之表層，並且位於金屬接地面550的上方區域內。
再者，第一控制單元515可視為一開關裝置，且第 一控制信號Ctrl1可令第一控制單元515處於關閉狀態(close state)或者開啟狀態(open state)。當第一控制單元515為開啟狀態時，位置A與第一天線饋入埠C之間不導通，使得位置A成為高阻抗狀態(high impedance state)，因此第一天線饋入埠C無法將信號饋入至天線輻射單元545。或者，當第一控制單元515為關閉狀態時，位置A與第一天線饋入埠C之間導通，使得則位置A與第一天線饋入埠C連接。此時，第一天線饋入埠C可經由位置A將信號饋入至天線輻射單元545。
同理，第二控制單元520可視為一開關裝置，且第 二控制信號Ctrl2可令第二控制單元520處於關閉狀態或者開啟狀態。當第二控制單元520為開啟狀態時，位置B與第二天線饋入埠D之間不導通，使得位置B成為高阻抗狀態，因此第二天線饋入埠D無法將信號饋入至天線輻射單元545。或者，當第二控制單元520為關閉狀態時，位置B與第二天線饋入埠D之間導通，使得位置B與第二天線饋入埠D連接。此時，第二天線饋入埠D可經由位置B將信號饋入至天線輻射單元545。
根據本發明的第一實施例，雙天線饋入埠主動天線 系統之天線輻射單元545並未連接至該金屬接地面550。並且，在正常工作狀態時，第一控制單元515與第二控制單元520僅會有一個處於關閉狀態。
如第5B圖所示，於正常工作狀態，第一控制單元515 為開啟狀態且第二控制單元520為關閉狀態時，位置A呈現高阻抗狀態，使得第一天線饋入埠C無法對天線輻射單元545進行饋入的動作。並且，信號係由第二天線饋入埠D經由位置B饋入至天線輻射單元545。其中，天線輻射單元545位置B左側部分的路徑長度為La，位置B右部分的側路徑長度為Lb。如第5D圖所示，實線曲線I為其反射損耗實驗量測結果。亦即，由第二天線饋入埠D饋入時，La與Lb係分別產生相對應之高頻共振頻率點fa與低頻共振頻率點fb。
如第5C圖所示，於正常工作狀態，第一控制單元515 為關閉狀態且第二控制單元515為開啟狀態時，位置B呈現高阻抗狀態，使得第二天線饋入埠D無法對天線輻射單元545進行饋入的動作。並且，信號係由第一天線饋入埠C經由位置A饋入至天線輻射單元545。其中，天線輻射單元545位置A左側部分的路徑長度為La’，位置A右側部分的路徑長度為Lb’。
當信號由第二天線饋入埠D更改為由第一天線饋入 埠C饋入天線輻射單元545時，天線輻射單元545左側部分的路徑長度改變為La’(La’<La)，天線輻射單元545右側部分的路徑長度改變為Lb’(Lb’>Lb)。如第5D圖所示，虛線曲線II為其反射損耗實驗量測結果。亦即，兩段路徑長度產生變化之後，由第一天線饋入埠C饋入時，La’與Lb’係分別產生更高頻之共振頻率點(fa+Δa)與更低頻之共振頻率點(fb-Δb)。
根據本發明的第一實施例，透過第一控制信號Ctrl1 與第二控制信號Ctrl2的控制，可控制第一控制單元515與第二控制單元520其中之一為關閉狀態。而本發明更利用天線輻射單元545上位置A與位置B之不同物理位置，進而可由第一天線饋入埠C得到曲線II之結果，並產生一低頻共振頻率點(fb-Δb)以及一高頻共振頻率點(fa+Δa)。以及，可由第二天線饋入埠D得到曲線I之結果，產生一低頻共振頻率點fb以及一高頻共振頻率點fa。因此，該第一實施例所描述之雙天線饋入埠主動天線系統共可支持fa、(fa+Δa)、fb與(fb-Δb)四個頻段。
經由適當的設計路徑長度La、Lb、La’與Lb’，可將 四個頻段設計在GSM850、GSM900、DCS1800、以及PCS1900頻段。
第二實施例
請參照第6A圖至第6E圖，其所繪示為本發明雙天線饋入埠主動天線系統之第二實施例、天線輻射單元之二維尺寸、正 常工作狀態的等效電路示意圖、以及反射損耗實驗量測結果。
該雙天線饋入埠主動天線系統係設計於一印刷電路 板600上，其長度與寬度分別為100公厘與50公厘。其中，在該印刷電路板600定義一天線淨空區域603，其長度與寬度分別為50公厘與8公厘，而天線輻射單元645係設計在天線淨空區域603內。再者，在天線淨空區域603更包括一墊高空間606，其高度、寬度與長度分別為3公厘、5公厘與50公厘。而部分的天線輻射單元645係設計在墊高空間606上。
在該印刷電路板600之底層的該天線淨空區域603之外，佈局一金屬接地面650，其長度與寬度分別為92公厘與50公厘。並且，在該天線淨空區域603之外的該印刷電路板600表層，另設計一匹配元件(matching element)617、一第一控制單元615與一第二控制單元620。其中，該匹配元件617、該第一天線饋入埠C、該第二天線饋入埠D、該第一控制單元615、與該第二控制單元620皆位於印刷電路板600之表層，並且位於金屬接地面650的上方區域內。而匹配元件617的一端係經由一鑽孔(未繪示)連接至金屬接地面650
請參照第6B圖，其所繪示為第二實施例之天線輻射單元之二維尺寸示意圖。天線輻射單元645有二相異物理位置A與B。再者，天線輻射單元645包括一第一分支、一第二分支與一連結分支(虛線所示)，位置A位於第一分支上，位置B位於第二分支上，且連結分支的長度為L，其長度L係介於10公厘至40公厘。
根據本發明的第二實施例，連結分支係位於該印刷電路板600底層的天線淨空區域603，而第一分支與第二分支係位於該印刷電路板600表層的天線淨空區域603以及墊高空間606。再者，第一分支上有一鑽孔(Via)a連接至連結分支的第一端，第二分支上有一鑽孔(Via)b連接至連結分支的第二端。
再者，第一控制單元615的第一端連接於該位置 A，第一控制單元615的第二端連接於第一天線饋入埠C，第一控制單元615的第三端與金屬接地面650之間連接匹配元件617。第一控制單元615受控於第一控制信號ctrl1；第二控制單元620的第一端連接於該位置B，第二控制單元620的第二端連接於第二天線饋入埠D，第二控制單元620受控於第二控制信號ctrl2。
再者，第一控制單元615可為一單刀雙擲(SPDT) 開關裝置，且第一控制信號Ctrl1可令第一控制單元615處於關閉狀態或者匹配狀態。當第一控制單元615處於關閉狀態時，位置A與第一天線饋入埠C之間導通，使得位置A與第一天線饋入埠C連接，而第一天線饋入埠C可經由位置A將信號饋入至天線輻射單元645。再者，當第一控制單元615處於匹配狀態時，位置A與第一天線饋入埠C之間不導通，而第一天線饋入埠C無法將信號饋入至天線輻射單元645。換言之，於匹配狀態時，位置A係經由匹配元件617連接至金屬接地面650。而根據本發明的具體實施例，匹配元件617的阻抗值為Z，且Z=0。因此，在本發明的匹配狀態時，天線輻射單元645於位置A形成接地短路(Grounding)之低阻抗狀態(low impedance state)。然而，本發明並未限定匹配元件617的阻抗值Z，在此領域的技術人員可以根據實際的需求來設計匹配元件617的阻抗值Z，使得匹配元件617的阻抗值Z被設定為一特定阻抗狀態。
第二控制單元620可為一開關裝置，且第二控制信 號Ctrl2可令第二控制單元620處於關閉狀態或者開啟狀態。當第二控制單元620為開啟狀態時，位置B與第二天線饋入埠D之間不導通，使得位置B成為高阻抗狀態，因此第二天線饋入埠D無法將信號饋入至天線輻射單元645。或者，當第二控制單元620為關閉狀態時，位置B與第二天線饋入埠D之間導通，使得位置B與第二天線饋入埠D連接。此時，第二天線饋入埠D可經由位置B將信號饋入至天線輻射單元645。
根據本發明的第二實施例，雙天線饋入埠主動天線 系統之天線輻射單元645並未直接連接至該金屬接地面650。並且，在正常工作狀態時，第一控制單元615與第二控制單元620僅會有一個天線饋入埠連接至天線輻射單元645。亦即，當第一控制單元615為關閉狀態且第二控制單元620為開啟狀態時，第一天線饋入埠C可經由位置A將信號饋入至天線輻射單元645。 或者，當第一控制單元615為匹配狀態且第二控制單元620為關閉狀態時，第二天線饋入埠D可經由位置B將信號饋入至天線輻射單元645。以下詳細說明之。
如第6C圖所示，於正常工作狀態，且第一控制單元 615為匹配狀態且第二控制單元620為關閉狀態時，第一天線饋入埠C無法對天線輻射單元645進行饋入的動作。且由於匹配元件617的阻抗值Z=0，所以位置A呈現接地短路之低阻抗狀態。 此時，信號係由第二天線饋入埠D經由位置B饋入至天線輻射單元645。如第6E圖所示，實線曲線I為其反射損耗實驗量測結果。 其低頻頻寬約位於GSM850與GSM900位置，且高頻頻寬可涵蓋DCS1800、PCS1900與WCDMA2100。
如第6D圖所示，於正常工作狀態，且第一控制單元 615為關閉狀態且第二控制單元620為開啟狀態時，位置B呈現高阻抗狀態，使得第二天線饋入埠D無法對天線輻射單元645進行饋入的動作。並且，信號係由第一天線饋入埠C經由位置A饋入至天線輻射單元645。
當信號由第二天線饋入埠D更改為由第一天線饋入 埠C饋入天線輻射單元645時，天線輻射單元645之位置A左側部分的短路徑形成更高頻之共振，該共振頻寬可涵蓋4G之大陸2300~2620MHz的Band 38與Band 40。天線輻射單元645之位置A右側部分的路徑包含了連結分支，使之形成更低頻之共振。適當調整連結分支之長度L後，該低頻共振頻帶可控制在美國約700MHz的Band 13與Band 17。如第5E圖所示，虛線曲線II為 其反射損耗實驗量測結果。
根據本發明的第二實施例，透過第一控制信號Ctrl1 與第二控制信號Ctrl2的控制，可控制第一控制單元615與第二控制單元620之狀態。而本發明更利用天線輻射單元645上位置A與位置B之不同物理位置，進而可由第一天線饋入埠C得到曲線II之結果，並產生4G之低頻約700MHz共振與高頻2300~2620MHz之共振。以及，可由第二天線饋入埠D得到曲線I之結果，產生可涵蓋GSM850、GSM900、DCS1800、PCS1900以及WCDMA2100之頻段。
根據以上的說明，印刷電路板係以表層與底層的二 層印刷電路板為例來做說明。然而，當印刷電路板為多層板(例如四層板)時，金屬接地面並不限定需要設計在底層，也可以將金屬接地面設計在印刷電路板表層與底層之外的任一內層。亦即，金屬接地面與控制單元係設計在印刷電路板上相異的層。或者，可以將匹配元件617、第一控制單元與第一天線饋入埠設計在印刷電路板的表層，將第二控制單元與第二天線饋入埠設計在印刷電路板的底層，而將金屬接地面設計在印刷電路板的內層。
再者，本發明的二個實施例中，第一控制單元與第 二控制單元雖然是利用第一控制信號ctrl1與第二控制信號ctrl2來分別控制。然而，在此領域的技術人員也可以僅利用單一的控制信號來同時控制第一控制單元與第二控制單元。以第5A圖為例，當控制信號為第一準位時，設定第一控制單元515為開啟狀態而第二控制單元520為關閉狀態；當控制信號為第二準位時，設定第一控制單元515為關閉狀態而第二控制單元520為開啟狀態。如此，即可利用單一的控制信號來同時控制第一控制單元515與第二控制單元520。
再者，於本發明的二個實施例中，第一控制單元與 第二控制單元雖然是以開關裝置為例來進行說明，在此領域的技術人員也可以利用等效的裝置來達成。舉例來說，利用二極體來 作為控制單元，當控制信號讓二極體成為順向偏壓時，代表控制單元為關閉狀態；而控制信號讓二極體成為逆向偏壓時，代表控制單元為開啟狀態。
再者，雖然上述的實施例係以二個天線饋入埠搭配 二個控制單元的主動天線系統來作說明。在此領域的技術人員也可以設計二個以上的天線饋入埠(例如M個天線饋入埠)搭配多個控制單元(例如M個控制單元)以及多個物理位置(M個物理位置)來使得主動天線系統獲得更多的頻帶。亦即，當主動天線系統運作時，僅有一個控制單元處於導通的關閉狀態，而其他的控制單元將會讓其他(M-1)個物理位置與其他(M-1)個天線饋入埠之間形成不導通。
綜合以上所揭露之兩個較佳實施例，本發明概念簡 單易懂，設計容易。其所使用的控制信號單純，降低主動天線控制的複雜度。另外，利用複數個天線饋入埠連接於天線輻射單元上之相異物理位置的特點，使得由不同天線饋入埠饋入可獲得相異之頻帶。再者，透過控制單元操控其他物理位置之阻抗狀態，亦使得天線共振模態(resonant mode)更為豐富。使其能涵蓋更多的頻帶，同時也維持較小的天線尺寸。
此外，透過第二實施例之驗證結果亦證實利用本發 明所設計之第四代行動通訊天線可同時涵蓋2G/3G/4G所有頻帶，且有相當不錯的阻抗匹配，其設計困難度也相對降低許多。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
600‧‧‧印刷電路板
603‧‧‧天線淨空區域
615‧‧‧第一控制單元
620‧‧‧第二控制單元
645‧‧‧天線輻射單元
650‧‧‧金屬接地面
606‧‧‧墊高空間
617‧‧‧匹配元件

Claims (13)

  1. 一種多天線饋入埠主動天線系統，包含：一印刷電路板，該印刷電路板上定義一天線淨空區域；一天線輻射單元，設計於該天線淨空區域內且該天線輻射單元上有一第一物理位置與一第二物理位置；一金屬接地面，設計於該印刷電路板的該天線淨空區域外的一第一層上；一第一控制單元，具有一第一端連接於該第一物理位置、一第二端連接於一第一天線饋入埠以及一控制端，其中該控制端所接收的信號係控制該第一天線饋入埠與該第一物理位置之間的導通與不導通其中之一；一第二控制單元，具有一第一端連接於該第二物理位置、一第二端連接於一第二天線饋入埠以及一控制端，其中該控制端所接收的信號係控制該第二天線饋入埠與該第二物理位置之間的導通與不導通其中之一；其中，該第一控制單元以及該第一天線饋入埠係設計於該印刷電路板的該天線淨空區域外之一第二層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之多天線饋入埠主動天線系統，其中該第二天線饋入埠與該第二控制單元位於該印刷電路板該天線淨空區域外之該第二層，且該第一天線饋入埠、該第二天線饋入埠、該第一控制單元與該第二控制單元位於該金屬接地面的上方區域內。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之多天線饋入埠主動天線系統，其中當該第一天線饋入埠與該第一物理位置之間不導通時，該第一物理位置係成為一特定阻抗狀態。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之多天線饋入埠主動天線系統，其中當該第二天線饋入埠與該第二物理位置之間不導通時， 該第二物理位置係成為一高阻抗狀態。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之多天線饋入埠主動天線系統，其中該第二天線饋入埠與該第二物理位置之間不導通時，該第一天線饋入埠與該第一物理位置之間導通；或者，該第二天線饋入埠與該第二物理位置之間導通時，該第一天線饋入埠與該第一物理位置之間不導通。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之多天線饋入埠主動天線系統，其中該天線輻射單元包括：一第一分支，該第一物理位置位於該第一分支上；一第二分支，該第二物理位置位於該第二分支上；以及一連結分支，連接於該第一分支與該第二分支。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之多天線饋入埠主動天線系統，其中該天線淨空區域更包括一墊高空間，且部分的該天線輻射單元設計在該墊高空間。
  8. 一種多天線饋入埠主動天線系統，包含：一印刷電路板，該印刷電路板上定義一天線淨空區域；一天線輻射單元，設計於該天線淨空區域內且該天線輻射單元上有M個物理位置，其中M為大於2的整數；一金屬接地面，設計於該印刷電路板的該天線淨空區域外的一第一層上；M個天線饋入埠；M個控制單元，每一該控制單元具有一第一端連接於該M個物理位置其中之一、一第二端連接於該M個天線饋入埠其中之一以及一控制端，其中，M個控制單元中僅有一個控制單元被控制於一關閉狀態，使得該M個物理位置其中之一與該M天線饋入埠其中之一導通，而其他(M-1)個物理位置與其他(M-1)個天線饋 入埠之間不導通。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之多天線饋入埠主動天線系統，其中該M個控制單元以及該M個天線饋入埠係設計於該印刷電路板的該天線淨空區域外之一第二層且位於該金屬接地面的上方區域內。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之多天線饋入埠主動天線系統，其中當其他(M-1)個物理位置與其他(M-1)個天線饋入埠之間不導通時，該其他(M-1)個物理位置係成為一特定阻抗狀態。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之多天線饋入埠主動天線系統，其中該天線淨空區域更包括一墊高空間，且部分的該天線輻射單元設計在該墊高空間。
  12. 一種多天線饋入埠主動天線系統的控制方法，該多天線饋入埠主動天線系統包括一天線輻射單元、一第一天線饋入埠與一第二天線饋入埠，該控制方法包括下列步驟：將一第一控制單元設定於一關閉狀態，使得該第一天線饋入埠與該天線輻射單元上的一第一物理位置之間導通，並且一信號由該第一饋入埠經由該第一物理位置饋入該天線輻射單元；以及將一第二控制單元設定於該關閉狀態，使得該第二天線饋入埠與該天線輻射單元上的一第二物理位置之間導通，並且該信號由該第二饋入埠經由該第二物理位置饋入該天線輻射單元；其中，該第一控制單元與該第二控制單元僅有一個被設定於該關閉狀態。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之控制方法，其中該天線輻射單元係設計於一印刷電路板所定義的一天線淨空區域內，一金屬接地面係設計於該印刷電路板的該天線淨空區域外的一第一 層，該第一天線饋入埠與該第一控制單元係設計於該印刷電路板的該天線淨空區域外的一第二層。
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