TW201725787A - 使用於碟盤天線的多元接收器設備與系統 - Google Patents

Abstract

一種天線裝置，包括拋物面碟盤、第一接收器、第二接收器以及反射元件。拋物面碟盤具有焦點。第一接收器具有第一及第二接收單元，用以接收第一以及第二極化方向，互為正交之電磁波，第二接收器具有第三及第四接收單元，用以接收第三及第四極化方向，互為正交之電磁波。第一極化方向與第三極化方向不同且非正交。第一，第二，第三以及第四極化方向之電磁波承載獨立資料流。反射元件藉由反射電磁波以增加信號傳輸的增益。第一接收器及第二接收器分別距離焦點一實體距離，並使用多輸入多輸出技術接收或發射上述電磁波。

Description

使用於碟盤天線的多元接收器設備與系統

本發明係有關於一種無線通信領域，尤指一種多輸入多輸出天線設備及系統。

隨著通訊技術的發展，人們對大容量高速率的通信服務需求越來越強烈，現今技術中，多利用MIMO系統獲得空間多工(space diversity)增益，從而提升傳輸的可靠性，藉由多流傳輸提高傳輸速率。使用MIMO技術的無線通訊系統在發射端使用多個天線發送多個信號，並在接收端使用多個天線接收並恢復原信號。

多天線單元利用信號上的極化方向使天線單元獲得一定的獨立性，信號上的極化方向不同是指構成天線單元的天線振子電場矢量在空間運動的軌跡或變化的狀態不同。由於兩組正交的極化波提供良好的隔離度，在長距離MIMO通信系統中，發射端的發射天線與接收端的接收天線常採用雙極化天線，如此即可充分發揮空間多工的效果，提供良好的2x2 MIMO點對點通訊。

鑒於本發明之目的，本發明提供一種天線裝置，包括：拋物面碟盤，具有一焦點；第一接收器，具有第一接收單元以及第二接收單元，用以接收第一極化方向以及第二極化方向之電磁波；第二接收器，具有第三接收單元以及第四接收單元，用以接收第三極化方向以及第四極化方向之電磁波；其中第一接收器與第二接收器分別距離焦點一實體距離。在一示例中，天線裝置包括反射元件，藉由反射電磁波以增加信號傳輸的增益。

另外，本發明提供一種天線系統包括：第一天線裝置以及第二天線裝置。第一天線裝置，包括具有第一焦點之第一拋物面碟盤，第一接收器以及第二接收器。第一接收器用以發送第一極化方向以及第二極化方向之電磁波，第二接收器用以發送第三極化方向以及第四極化方向之電磁波，且第一接收器與第二接收器分別設置於距第一焦點一實體距離。第二天線裝置，包括具有第二焦點之第二拋物面碟盤，第三接收器以及第四接收器。第三接收器用以接收對應於第一接收器所發送的第一極化方向以及第二極化方向之電磁波，第四接收器用以接收對應於第二接收器所發送之第三極化方向以及第四極化方向之電磁波，且第三接收器與第四接收器分別距離第二焦點一實體距離。

在一示例中，第一天線裝置以及第二天線裝置包括第一反射元件以及第二反射元件，藉由反射電磁波以增加信號傳輸的增益。

在一示例中，第一接收器、第二接收器、第三接收器及第四接收器使用多輸入多輸出(multi-input and multi-output，MIMO)技術傳輸上述電磁波。不同極化方向之電磁波分別傳輸不同的資料流(data stream)，例如，第一極化方向之電磁波傳輸第一資料流，第二極化方向之電磁波傳輸第二資料流等，因此不同極化方向之電磁波分別用來傳輸獨立之資料流。

相較於現有技術，本發明提供的天線設備，利用碟形天線提升電磁波傳輸距離及增益，並於離焦點位置一實體偏移距離處設置複數接收器，且每一接收器含複數個不同極化之接收單元，增加電磁波無線訊號接收極化之多元性，突破僅於焦點位置接收二組互為正交之電磁波無線訊號的限制，增加天線在進行遠距離與高增益點對點傳輸時的數據吞吐量，有效提升電磁波訊號發送與接收的品質。

第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置。

第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置側視圖。

第2圖係顯示根據本發明一實施例所述天線裝置之第一接收器以及第二接收器。

第3圖係顯示根據本發明一實施例所述天線裝置之第一接收器、第二接收器以及第三接收器。

第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統。

第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置之方塊圖。

為了便於本領域普通技術人員理解和實施本發明，下面結合附圖與實施例對本發明進一步的詳細描述，應當理解，此處所描述的實施例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。

第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置。如第1A圖所示，根據本發明一實施例所述之天線裝置包括拋物面碟盤110、第一接收器120A、第二接收器120B、反射器130、印刷電路板140以及固定軸150。

拋物面碟盤110具有一焦點111，經由拋物面碟盤110的拋物面盤面反射電磁波的能量至焦點111，通常來說，拋物面碟盤110越大代表著反射區越大，增益也越大，電磁波發射與接收的頻率越高增益也越大。透過碟形天線所產生的電磁波特性有極窄的波束寬度及很高的增益值，常用於遠距離的點對點通訊連接，透過第一接收器120A及第二接收器120B接收電磁波訊號，在沒有阻礙物的環境下，傳輸距離可高達25英哩，可稱為高增益的指向性天線。反射器130為天線諧振器結構的一部分，藉由反射電磁波的能量至第一接收器120A及第二接收器120B，用以增加信號傳輸的增益。印刷電路板140，設置於天線裝置本體上與其作導電性連接，並作為基板固定於固定軸150上，固定軸150設置於碟盤天線接收軸心線上。需特別申明，以上所稱之軸線係其電波接收軸線。若為中央聚焦型(Central Focal)碟盤, 其接收軸線與焦點都位於拋物面碟盤之幾何中央軸線上；若為偏焦型(Offset Focal)碟盤，其接收軸線與焦點依其偏焦設計會與拋物面碟盤之幾何中央軸線有一夾角。本說明書僅以中央聚焦型碟盤為例做說明，因此其接收軸線與拋物面碟盤反射電波傳送軸線同為拋物面碟盤之幾何中央軸線。熟悉天線技藝者可輕易將本案概念應用在偏焦型碟盤。

如第1B圖所示，根據本發明一實施例所述天線裝置之側視圖，在此以平行拋物面碟盤110之軸線方向朝向z軸為例。第一接收器120A與第二接收器120B分別設置於離焦點111第一實體距離d1與第二實體距離d2的位置，第一實體距離d1等於第二實體距離d2，用以接收焦點111鄰近區域之各種極化方向之電磁波，然而間隔距離僅為範例，實際應用上根據第一接收器120A與第二接收器120B設置位置而定，並不以等距為限，第一實體距離d1亦可大於或小於第二實體距離d2。為增加第一接收器120A與第二接收器120B之間的隔離度，d1加上d2大體上為電磁波之波長但並不受限於此。

第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置。如第2圖所示，第一接收器120A以及第二接收器120B位於xy平面，在一實施例中，第一接收器120A具有第一接收單元及第二接收單元(未圖示)，用以接收第一極化方向121之電磁波以及第二極化方向122之電磁波。第一接收單元與第二接收單元之電波極化為正交，以增加彼此之間的隔離度。第二接收器120B具有第三接收單元及第四接收單元(未圖示)，用以接收第三極化方向123之電磁波以及第四極化方向124之電磁波。第三接收單元與第四接收單元之電波極化為正交，以增加彼此之間的隔離度。然而，接收器數量僅為範例，實際應用上並不以兩個接收器為限，亦可設置兩個以上的接收器。

第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置。如第3圖所示，第一接收器310、第二接收器320以及第三接收器330位於xy平面，在一實施例中，第一接收器310，具有第一接收單元311，用以接收第一極化方向之電磁波；第二接收器320，具有第二接收單元321，用以接收第二極化方向之電磁波；以及第三接收器330，具有第三接收單元331，用以接收第三極化方向之電磁波。第一接收器310、第二接收器320及第三接收器330分別距離焦點f一實體距離d。為增加第一接收器310、第二接收器320與第三接收器330之間的隔離度，三者兩兩之間的距離大體上為電磁波之波長λ但並不受限於此。依據幾何學運算此時距離焦點之實體距離d為電磁波之波長λ除以√3。 第一接收單元311、第二接收單元321與第三接收單元331之電波極化夾角約為120∘，以增加彼此之間的隔離度。

天線裝置透過電場與磁場之間能量的來回運動形成所謂的電磁波進行無線通訊，電場與電磁波的極化方向有直接的關係，而第一接收器120A及第二接收器120B內之第一、第二、第三及第四接收單元以水平或垂直方向之配置，即可產生特定極化方向之電場。舉例來說，若電場平行於地面則形成水平極化，若電場垂直於地面則產生垂直極化，因此透過改變第一接收器120A及第二接收器120B的旋轉角度，可產生各種不同極化方向的電磁波。在自由空間中，任何天線裝置在各個方向皆有輻射電磁波，特定的電場會在某個極化方向上獲得較大的電磁波。以碟形天線為例，藉由拋物面碟盤110將電磁波能量反射至焦點111，由設置於離焦點111實體距離之第一接收器120A及第二接收器120B接收電磁波能量。第一接收器120A之第一接收單元接收第一極化方向121與第二接收單元接收第二極化方向122的電磁波。第二接收器120B之第三接收單元接收第三極化方向123與第四接收單元接收第四極化方向124的電磁波。第一極化方向121與第三極化方向123設置為不同方向且非正交，藉此設置以接收更大的資料量。此類天線裝置主要用於點對點的長途通訊。在電信服務上，可作為同軸電纜或光纖的替代方案，在同樣距離下透過碟形天線進行語音或視訊傳輸所需的通訊設備如放大器或中繼器會比同軸電纜或光纖少很多。

第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統。如第4圖所示，根據本發明一實施例所述之天線系統包括第一天線裝置400，第二天線裝置401。第一天線裝置400包括第一拋物面碟盤410及第一焦點420，第一天線裝置400發送電磁波至第二天線裝置401。第二天線裝置401包括第二拋物面碟盤411及第二焦點421，用以接收由第一天線裝置400所發送之電磁波。在第4圖的實施例中，第三接收器431接收由第一接收器430發送的第一極化方向121 0∘及第二極化方向122 90∘的電磁波，第四接收器441接收由第二接收器440發送的第三極化方向123 45∘及第四極化方向124 135∘的電磁波。第一接收器430、第二接收器440、第三接收器431及第四接收器441使用多輸入多輸出(multi-input and multi-output，MIMO)技術傳輸上述電磁波。不同極化方向之電磁波分別傳輸不同的資料流，例如，第一極化方向之電磁波傳輸第一資料流，第二極化方向之電磁波傳輸第二資料流，第三極化方向之電磁波傳輸第三資料流以及第四極化方向之電磁波傳輸第四資料流，因此，不同極化方向之電磁波分別用來傳輸獨立資料流。

在一實施例中，第一接收器及第二接收器係分別以非正交之不同方向設置，然而所設置之角度僅為範例，並不以此為限，在實際應用上仍可依實際應用環境需求調整角度。

根據本發明一實施例所述之另一天線系統，包括第一天線裝置以及第二天線裝置。其中第一天線裝置包括具有第一焦點之第一拋物面碟盤，用以收發第一極化方向電磁波之第一接收器，用以收發第二極化方向電磁波之第二接收器以及用以收發第三極化方向電磁波之第三接收器，其中第一接收器、第二接收器以及第三接收器分別距離上述第一焦點實體距離，三者兩兩之間的距離大體上為電磁波之波長但並不受限於此。第一極化、第二極化與第三極化之夾角約為120∘，以增加彼此之間的隔離度。第二天線裝置包括具有第二焦點之第二拋物面碟盤，第四接收器對應於第一接收器，用以收發第一極化方向之電磁波。第五接收器對應於第二接收器，用以收發第二極化方向之電磁波。以及第六接收器對應於第三接收器，用以收發第三極化方向之電磁波。其中第四接收器、第五接收器以及第六接收器分別距離上述第二焦點實體距離，三者兩兩之間的距離大體上為電磁波之波長。

第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置之方塊圖。如第5圖所示，根據本發明一實施例所述之天線裝置，其中天線裝置包含處理單元510、數位/類比轉換器520、類比/數位轉換器530及多極化天線540。多極化天線540包含第一接收器550以及第二接收器560。

處理單元510，可存取多個獨立數據流通道，可存取的獨立通道數量取決於多極化天線540中的接收器數量。如第5圖所示，本實施例具有四個獨立通道，每一獨立通道可透過接收器發送與接收電磁波能量，在無線通訊系統中，相同的接收器可同時當作發送與接收天線，並利用雙工器或是分岔器(圖中未顯示)分離傳送及發送的訊號。處理單元510將信號發送到數位/類比轉換器520，數位/類比轉換器520將數位訊號轉換成四個指定通道的類比訊號，分別為第一輸出訊號、第二輸出訊號、第三輸出訊號及第四輸出訊號，利用頻率轉換器及功率放大器將訊號放大(功能方塊未圖示)後，分別輸出到對應的接收器，第一輸出訊號及第二輸出信號經由第一接收器550的第一接收單元551及第二接收單元552發送，第三輸出訊號及第四輸出信號經由第二接收器560的第三接收單元561及第四接收單元562發送。

多極化天線540接收到電磁波訊號時，透過第一接收器550的第一接收單元551及第二接收單元552接收第一輸入訊號及第二輸入信號、透過第二接收器560的第三接收單元561及第四接收單元562接收第三輸入訊號及第四輸入信號，分別將接收到的四組電磁波訊號經由功率放大器及頻率轉換器將訊號放大(功能方塊未圖示)後，將第一輸入訊號、第二輸入訊號、第三輸入訊號及第四輸入訊號透過類比/數位轉換器530轉換成數位訊號後發送給處理單元510。

相同的載波頻率、不幾何正交極化的電磁波可能彼此干擾。然而，精心安排的振幅和相位關係可以使一主載波的每個子載波(Sub-Carrier)之間具有正交性(Orthogonality)，多個電波之間成為數學“垂直”，使多路徑干擾降至最低。這就是所謂的正交分頻多工（OFDM）方法。此外，多重輸入輸出（MIMO）多個天線裝置已被證明可以根據空間多工原理有效的同時傳送多組資料流。目前MIMO-OFDM已經成為高帶寬無線通信，如LTE和WiFi的主導方案。

在一點對點微波鏈路，兩個獨立(例如垂直與水平線性極化，或左旋或右旋的旋極化波)的極化電波可提供一良好的2x2的MIMO的空間多工通訊。為突破一般拋物面碟盤僅能容納二組獨立極化電磁波之限制，在本案中，設在距拋物面碟盤焦點處一實體距離、且互以一波長之距離互相隔離的二組天線接收器提供了一點至點的MIMO-OFDM無線鏈路。上述二組天線接收器互不干擾，且每組接收器具有二個極化相互垂直之接收單元；二組接收器之間其設計的極化又相互錯開(不互為平行或垂直)，如此可以充分發揮空間多工通訊的益處並提高電磁波之收發容量。根據本發明實施例所述之天線裝置與系統採用二組距拋物面碟盤焦點一實體距離之天線接收器，且每組接收器具有二個極化相互垂直之接收單元之多組正交極化之電磁波傳遞資料，二組接收器之間其設計的極化又相互錯開，實驗證實，雖然二組接收器偏離拋物面碟盤焦點，降低拋物面碟盤焦聚效果，且二組接收器之間之極化互相干擾，但相較於在焦點處設置二個極化相互垂直之接收單元之單一接收器之傳統方式，本安排仍能產生更大的吞吐量，對於電磁波訊號的發送與接收品質，仍有顯著的提升。用於長距離傳輸且高方向性的點對點通訊，搭配多輸入多輸出技術而以多重路徑傳遞複數資料流，能夠有效提升無線傳輸的吞吐量。

綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上該者僅爲本發明之較佳實施方式，本發明之範圍並不以上述實施方式爲限，舉凡熟悉本案技藝之人士爰依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

110‧‧‧拋物面碟盤

111‧‧‧焦點

120A、310、430、550‧‧‧第一接收器

120B、320、440、560‧‧‧第二接收器

330、431‧‧‧第三接收器

441‧‧‧第四接收器

130‧‧‧反射器

140‧‧‧印刷電路板

150‧‧‧固定軸

121‧‧‧第一極化方向

122‧‧‧第二極化方向

123‧‧‧第三極化方向

124‧‧‧第四極化方向

400‧‧‧第一天線裝置

401‧‧‧第二天線裝置

410‧‧‧第一拋物面碟盤

411‧‧‧第二拋物面碟盤

420‧‧‧第一焦點

421‧‧‧第二焦點

510‧‧‧處理單元

520‧‧‧數位/類比轉換器

530‧‧‧類比/數位轉換器

540‧‧‧多極化天線

311、551‧‧‧第一接收單元

321、552‧‧‧第二接收單元

331、561‧‧‧第三接收單元

562‧‧‧第四接收單元

無

110‧‧‧拋物面碟盤

111‧‧‧焦點

120A‧‧‧第一接收器

120B‧‧‧第二接收器

130‧‧‧反射器

140‧‧‧印刷電路板

150‧‧‧固定軸

Claims (12)

1. 一種天線裝置，包括：
   拋物面碟盤，具有一焦點；
   第一接收器，具有第一接收單元，用以接收第一極化方向之電磁波；
   第二接收器，具有第二接收單元，用以接收第二極化方向之電磁波；
   第三接收器，具有第三接收單元，用以接收第三極化方向之電磁波；其中上述第一接收器、第二接收器以及第三接收器分別距離上述焦點一實體距離。
2. 如申請專利範圍第1項所述之天線裝置，其中上述第一接收器、上述第二接收器以及上述第三接收器距離焦點之實體距離為電磁波之波長除以√3。
3. 一種天線裝置，包括：
   拋物面碟盤，具有一焦點；
   第一接收器，具有第一接收單元及第二接收單元，用以接收相互正交之第一極化方向之電磁波及第二極化方向之電磁波；以及
   第二接收器，具有第三接收單元及第四接收單元，用以接收相互正交之第三極化方向之電磁波及第四極化方向之電磁波；其中上述第一接收器與上述第二接收器分別距離上述焦點一實體距離，且第一極化方向與第三極化方向互不平行或垂直。
4. 如申請專利範圍第3項所述之天線裝置，其中上述第一接收器及上述第二接收器距離焦點之實體距離為電磁波之半波長。
5. 如申請專利範圍第1項或第3項所述之天線裝置，其中上述第一極化方向之電磁波、上述第二極化方向之電磁波、上述第三極化方向之電磁波以及上述第四極化方向之電磁波承載獨立資料流。
6. 如申請專利範圍第1項或第3項所述之天線裝置，更包括：
   反射元件，藉由反射上述電磁波以增加信號傳輸的增益。
7. 如申請專利範圍第1項或第3項所述之天線裝置，其中上述第一接收器以及上述第二接收器皆使用多輸入多輸出技術傳輸上述電磁波。
8. 一種天線系統，包括：
   第一天線裝置，其中上述第一天線裝置包括：
   第一拋物面碟盤，具有第一焦點；
   第一接收器，用以發射第一極化方向之電磁波；
   第二接收器，用以發射第二極化方向之電磁波；以及
   第三接收器，用以發射第三極化方向之電磁波；其中上述第一接收器、上述第二接收器以及上述第三接收器分別距離上述第一焦點一實體距離；以及
   第二天線裝置，其中上述第二天線裝置包括：
   第二拋物面碟盤，具有第二焦點；
   第四接收器，對應於上述第一接收器，用以接收上述第一極化方向之電磁波；
   第五接收器，對應於上述第二接收器，用以接收上述第二極化方向之電磁波；以及
   第六接收器，對應於上述第三接收器，用以接收上述第三極化方向之電磁波；其中上述第四接收器、上述第五接收器以及上述第六接收器分別距離上述第二焦點一實體距離。
9. 一種天線系統，包括：
   第一天線裝置，其中上述第一天線裝置包括：
   第一拋物面碟盤，具有第一焦點；
   第一接收器，用以發射相互正交之第一極化方向之電磁波以及第二極化方向之電磁波；以及
   第二接收器，用以發射相互正交之第三極化方向之電磁波以及第四極化方向之電磁波；其中上述第一接收器與上述第二接收器分別距離上述第一焦點一實體距離；以及
   第二天線裝置，其中上述第二天線裝置包括：
   第二拋物面碟盤，具有第二焦點；
   第三接收器，對應於上述第一接收器，用以接收上述第一極化方向之電磁波以及上述第二極化方向之電磁波；以及
   第四接收器，對應於上述第二接收器，用於接收上述第三極化方向之電磁波以及上述第四極化方向之電磁波；且上述第三接收器與上述第四接收器分別距離上述第二焦點一實體距離。
10. 如申請專利範圍第8項或第9項所述之天線系統，其中上述第一極化方向之電磁波、上述第二極化方向之電磁波、上述第三極化方向之電磁波以及上述第四極化方向之電磁波承載獨立資料流。
11. 如申請專利範圍第8項或第9項所述之天線系統，更包括：
    第一反射元件；以及
    第二反射元件，藉由反射上述電磁波以增加信號傳輸的增益。
12. 如申請專利範圍第8項或第9項所述之天線系統，其中上述第一接收器、上述第二接收器、上述第三接收器以及上述第四接收器使用多輸入多輸出技術傳輸上述電磁波。