TW201733208A - 天線重置電路 - Google Patents

Abstract

本發明提出一種天線重置電路，以切換具複數天線之系統所產生的整體輻射場型，該天線重置電路係包含饋入部，係以饋入電訊號；複數功率分配鏈路，以在各該天線與該饋入部之間形成該電訊號的傳輸路徑；及複數開關單元，以選擇地切斷或導通各該天線與該饋入部之間的電訊號路徑。藉此，透過該等開關單元的設計，能容易地調整該等天線的整體場型以增進訊號接收品質；再者，該天線重置電路以及匹配電路皆是以印刷式電路來實現，除了能夠排除習知採用集總元件設計之缺陷，也能確保該天線重置電路之響應的穩定性及提高該天線重置電路的生產良率。

Description

天線重置電路

本發明屬於通訊天線技術，特別是一種用於手持式裝置並能夠重置天線場型之天線重置電路。

當今隨著微波頻段已被許多應用領域佔滿而不敷使用，促使各界皆競相投入毫米波(Millimeter Wave,mm-Wave)頻段的相關系統研發，由於毫米波在傳播時，其繞射衰減遠比微波更為嚴重，因此用於傳輸毫米波的天線需具有高增益的特性，並且為了能使該天線所產生之場型能達到全面性涵蓋，習知的方式係採用具有複數天線的天線系統，藉由選擇性開啟不同數量的天線來達到場型的改變的功效。

然而，在開啟不同數量的天線時，該天線系統的輸入阻抗會發生變化，因此，為了能在不同數量的天線被開啟情況下皆達到阻抗匹配，習知的方式係在天線系統中設置多種多組的阻抗匹配電路，並透過切換裝置來選取適合的阻抗匹配電路，如此一來，該天線系統除了須設置多個的阻抗匹配電路外，還需要設計額外的控制電路來搭配各組合適的阻抗匹配電路，使得習知的天線系統整體架構尺寸過大且電路複雜。再者，習知的阻抗匹配電路係使用集總元件來實現， 但適用於毫米波的集總元件的成本高、誤差大且不穩定，當進行大量生產時會使得該阻抗匹配電路的生產良率降低。

微帶線是位於接地層上由電介質隔開的印製導線，它是一根帶狀導線(信號線)．與地平面之間用一種電介質隔離開。印製導線的厚度、寬度、印製導線與地層的距離以及電介質的介電常數決定了微帶線的特性阻抗。如果線的厚度、寬度以及與地平面之間的距離是可控制的，則它的特性阻抗也是可以控制的。單位長度微帶線的傳輸延遲時間，僅僅取決於介電常數而與線的寬度或間隔無關。微帶線的主要作用有二：一是把高頻信號能進行較有效地傳輸；二是與其他固體器件如電感、電容等構成一個匹配網路，使信號輸出端與負載很好地匹配。微帶線的優點包括：體積小、重量輕、使用頻帶寬、可靠性高和製造成本低等。微帶線和類微帶線一般用薄膜工藝製造。介質基片選用介電常數高、微波損耗低的材料，如氧化鋁陶瓷、石榴石鐵氧體和石英等。導體應具有導電率高、穩定性好、與基片的粘附性強等特點。

為改善先前技術之缺點，本發明提出一種天線重置電路，該天線重置電路係設置於具有複數天線的一多天線系統中，以切換該等天線所產生的整體輻射場型，該天線重置電路係包含一饋入部、複數功率分配鏈路及複數開關單元。該饋入部係用以饋入一電訊號；該等功率分配鏈路係分 別對應地耦接於該等天線與該饋入部之間，用以在各該天線與該饋入部之間形成該電訊號的傳輸路徑；及該等開關單元，係分別對應地設置於各該功率分配鏈路，用以選擇地切斷或導通各該天線與該饋入部之間的電訊號路徑。藉此，透過該等開關單元的設計，能容易地調整該等天線的整體場型以增進訊號接收品質。

本發明之另一目的在於提供一種能夠同時匹配單個或是多個天線之天線重置電路，並提供一種具有穩定特性並具有高生產良率之天線重置電路。本發明係可應用於毫米波頻段之天線設備裝置，本發明之一實施例中，頻寬包含36~40GHz頻帶，然並不局限於毫米波頻段與前述頻帶才能使用，熟知本發明相關技術者均可以本發明揭示之內容變化適用於不同頻段之天線通訊用途， 本發明之一實施例中，該天線重置電路與該多天線系統均可設置於印刷式電路上來實現，除了能夠排除習知採用集總元件設計之缺陷，也能確保該天線重置電路之響應的穩定性及提高該天線重置電路的生產良率。

本發明之一實施例中，各該開關單元係分別對應地設置自該功率分配鏈路與該饋入部之耦接位置起，並符合該天線之共振頻率之二分之一波長的位置處。透過切換各該開關單元達到多種場型的切換，能使場型有指向性、全向性和對向性的變換，選取適當天線場型與指向，來提升行動裝 置之通訊品質。

本發明之一實施例中，各該開關單元係為微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)開關或是射頻二極體。

本發明之一實施例中，該饋入部不與該些功率分配鏈路連接之一端係連接至一匹配單元，該匹配單元係為一微帶線。

本發明之一實施例中，該多天線系統係具有四組天線，該等功率分配鏈路的數量係為四個，該等功率分配鏈路係設置於同一平面，並以該饋入部為中心向外延伸，且相鄰之功率分配鏈路的延伸方向係彼此垂直。

本發明之一實施例中，各該開關單元係與一偏壓輸入線相耦接，透過該偏壓輸入線選擇地輸入一偏壓來開啟或關閉該開關單元。

本發明之一實施例中，各該功率分配鏈路上係分別設置有一接地線，且該接地線之電氣長度係為該天線之共振頻率之四分之一波長的n倍，其中n係為正整數。

本發明之一實施例中，該等功率分配鏈路係以微帶線實現。

本發明之一實施例中，該饋入部與該功率分配鏈路間係以階梯式微帶線相連接。

本發明之天線重置電路係透過一組饋入部搭配 多組功率分配鏈路、及於各該功率分配鏈路上分別設置有該開關單元的設計，使該天線重置電路不但能匹配單個天線，亦可用於同時匹配多個天線，能大幅縮減該天線重置電路所需要的架構尺寸，使用者更能容易地調整該等天線的整體場型以增進訊號接收品質；再者，該天線重置電路係以印刷式電路取代集總元件的方式來實現，縱使在量產時印刷式電路的線寬或線長有稍許誤差，亦能夠保持該天線重置電路的響應特性，更可確保該天線重置電路之響應的穩定性及提高該天線重置電路的生產良率。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。

1、1’、1”‧‧‧多天線系統

10、10’、10”‧‧‧天線重置電路

110‧‧‧饋入部

121、122、123、124‧‧‧功率分配鏈路

121’、122’、123’、124’‧‧‧功率分配鏈路

121”、122”、123”、124”‧‧‧功率分配鏈路

131、132、133、134‧‧‧開關單元

141、142、142、144‧‧‧偏壓輸入線

151、152、153、154‧‧‧接地線

21、22、23、24‧‧‧天線

30‧‧‧連通部

301‧‧‧連通柱

302‧‧‧匹配單元

圖1係為本發明之天線重置電路第一實施例各視角示意圖。

圖2係為本發明天線重置電路之第二實施例各視角示意圖。

圖3係為本發明天線重置電路之第三實施例各視角示意圖。

圖4係為本發明之第一、第二與第三實施例之反射係數頻率響應圖。

圖5係為本發明之第一、第二與第三實施例之多種場型切換輻射場型量測圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。

現有技術中，因毫米波空間傳輸衰減極大，故天線必須使用高增益指向天線場型，且為了達到全面性涵蓋，傳統技術為採用多天線系統，透過選擇性開啟不同數量的天線，來達到高增益指向場型的改變。為了不同天線開啟下皆達到匹配，需要不同的匹配電路，所以多天線切換架構設有與天線數量相同之多組阻抗匹配電路，再透過額外的切換裝置來選取適合的阻抗匹配架構，因此裝置體積過大、電路結構複雜、元件數量多，不利於設計與控制運作。且現有技術之匹配電路多用集總元件實現，其成本與操作不穩定性將會提高，集總元件本身也會有誤差，當進行大量生產時會降低良率。為改善習知技術之缺點，本發明提出一種天線重置電路，僅需使用一組可重置電路達到同時控制並可選擇複數組天線傳輸信號，能同時匹配所有情形，且在所有的操作模式下皆有寬頻響應。本發明之天線重置電路係以傳輸線(微帶線)來實現，搭配印刷式電路結構，可大幅降低生產成本，並具有高操作穩定性與高品質的訊號強度。

請參閱圖1，係為本發明之天線重置電路第一實施例各視角示意圖。本實施例中，該天線重置電路10係設置 於一具雙層式立體結構的多天線系統1中，圖1(a)係為該多天線系統1之第一層基板上視圖，圖1(b)係為該多天線系統1之第一層基板下視圖，圖1(c)係為該多天線系統1之第二層基板示意圖，而圖1(d)係為該多天線系統1之第一層基板與第二層基板的組合示意圖，其中該等基板係為印刷電路板。

該天線重置電路10係包含一饋入部110、四個功率分配鏈路121、122、123、124，及四個開關單元131、132、133、134。該天線重置電路10係可搭配四個指向性之天線21、22、23、24而成為一多天線系統1。其中，具有指向性的該等天線21、22、23、24的類型可依設計需要而選擇，於本實施例中，該等天線21、22及24係可採用準八木宇田天線(Quasi Yagi-Uda antenna)，而該天線23係採用矩形貼片天線；再者，該等天線21、22、23、24的設置位置之選擇，係以能使整體天線的場型盡可能涵蓋設計需求所欲接收/發送訊號之方向而設置。於本實施例中，係以該多天線系統1能夠達到全方位的訊號涵蓋為目標，因此該等天線21、22、23、24係分別設置於上下左右(以該基板垂直於地平面而言)的四個方向。值得注意的是，本發明之天線的類型、數量及設置位置皆可依設計需求而有所調整，並不以實施例為限。

該饋入部110係可用以饋入一電訊號(圖未示)，以驅動該等天線21、22、23、24。本實施例中，該多天線系統1係採用雙層式立體結構，該饋入部110之一端係與該等功 率分配鏈路121、122、123、124相耦接，而另一端係與設置於第二層基板之一連通部30相耦接，請一併參考圖1(c)，該連通部30可具有一連通柱301及一匹配單元302，該天線重置電路1係可透過該連通部30係來與該匹配單元302、或設置於不同平面之一外部電路(圖未示)相耦接並進行電訊號傳輸，故本發明之第一實施例可達到以一組匹配電路控制多組天線之功效。

該等功率分配鏈路121、122、123、124係可分別對應地耦接於該等天線21、22、23、24與該饋入部110之間，以在各該天線21、22、23、24與該饋入部110之間形成該電訊號的傳輸路徑。其中，該等功率分配鏈路121、122、123、124係可為實質上相同的微帶線所實現，即該等功率分配鏈路121、122、123、124的電氣長度及線寬等設計規格皆大致相同，藉由此設計方式，能使由該饋入部110所輸入的電訊號之功率能夠平均分配至該等功率分配鏈路121、122、123、124。

該等開關單元131、132、133、134係可分別對應地設置於各該功率分配鏈路121、122、123、124，使該等功率分配鏈路121、122、123、124上皆分別設置有一個該開關單元，該等開關單元131、132、133、134係用以選擇地切斷或導通各該天線21、22、23、24與該饋入部110之間的電訊號路徑。為了使部份之該等開關單元因選擇地關閉進而切斷對應之該等電訊號路徑，讓被切斷該電訊號路徑之功率分配鏈 路的輸入阻抗等效為開路，因此各該開關單元131、132、133、134的設置位置，需為自各該功率分配鏈路121、122、123、124與該饋入部110之耦接位置起算、並符合該等天線21、22、23、24之共振頻率之二分之一波長的位置處，此種設計方式，於理想狀況下在被切斷該電訊號路徑之功率分配鏈路不會有能量損耗，而能將該電訊號之能量完整的分配並饋入於導通之各該功率分配鏈路所耦接的天線，以本實施例而言，該等天線21、22、23、24的共振頻率為38GHz，因此該等開關單元131、132、133、134係需設置於距離該饋入部110大約3.95*10^-3公尺的位置處。再者，該等開關單元131、132、133、134係分別與一偏壓輸入線141、142、142、144相耦接，該些偏壓輸入線係連接至外部一控制單元(圖未示)，讓該控制單元來選擇地切換該等開關單元131、132、133、134之開啟或關閉狀態。其中，該等開關單元131、132、133、134係可為微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)開關或是射頻二極體。

此外，該等功率分配鏈路121、122、123、124上係分別設置有接地線151、152、153、154，該等接地線151、152、153、154係分別用於使該等功率分配鏈路121、122、123、124接地。其中，該等接地線151、152、153、154的設置位置並無限制，但本發明所屬技術領域中具有通常知識者可瞭解的是，為使控制偏壓輸入的控制單元(圖未示)不影響該多天線 系統1的射頻訊號，需透過將末端為短路的殘段(例如接地線)之電氣長度設計為四分之一波長，使得該殘端的輸入阻抗等效為開路、進而不影響該多天線系統1的射頻訊號之特性，亦即該等接地線151、152、153、154之電氣長度係可設計為該天線之共振頻率之四分之一波長的n倍，其中n係為正整數。以本實施例而言，該等天線21、22、23、24的共振頻率為38GHz，因此該等接地線151、152、153、154之電氣長度係可為1.96*10^-3*n公尺。

本發明之第一實施例係為雙層式基板立體結構，惟本發明之天線重置電路亦可於單一基板上實施，以符合現今電子裝置微小輕量化之需求。

請參閱圖2，係為本發明天線重置電路之第二實施例各視角示意圖，圖2(a)係為該第二實施例上視圖，圖2(b)係為該第二實施例下視圖。相較於第一實施例之該多天線系統1採用雙層式設計，第二實施例的多天線系統1’係採單層式設計。不同於第一實施例將匹配單元設於第二層基板上，為實現單層式的天線系統1’，該第二實施例的天線重置電路10’之功率分配鏈路121’、122’、123’、124’係採用階梯式微帶線設計來實現匹配之功效，於靠近該饋入部110的前段一部份係先具有較窄的線寬，而後連向功率分配鏈路121’、122’、123’、124’之部分具有稍寬的線寬。藉由此種設計方式，雖然該第二實施例並無額外連接至一匹配單元，在僅有該等天線21、22、 23、24中之其中一者被驅動開啟時(即該等開關單元131、132、133、134中僅有一者係為開啟狀態)會具有較高輸入阻抗，但該等天線21、22、23、24的響應頻寬仍在可接受的範圍。隨著該等天線21、22、23、24被開啟的數量增加後，該天線系統1’之整體的等效輸入阻抗會降低，則被設計為高阻抗的功率分配鏈路121’、122’、123’、124’將可補償所降低的輸入阻抗，使在不同數量的天線21、22、23、24被開啟時，其響應頻寬皆能符合設計需求。該第二實施例具有之饋入部110、開關單元(131、132、133、134)、偏壓輸入線(141、142、142、144)與接地線(151、152、153、154)之作用原理與功效均與第一實施例相同，故不再贅述。

請參閱圖3，係為本發明天線重置電路之第三實施例各視角示意圖，圖3(a)係為該第三實施例上視圖，圖3(b)係為該第三實施例下視圖。相似於第二實施例的多天線系統1’，第三實施例的多天線系統1”係亦採單層式設計，與第二實施例之差異在於該等功率分配鏈路121”、122”、123”、124”的布局方式有所不同。有別於第一實施例的天線重置電路10及第二實施例的天線重置電路10’均採用當該電訊號饋入後隨即一分為四的設計方式，本實施例之天線重置電路10”由三個T型分波器所組合而成，即其係將該電訊號饋入後先透過第一組的T型分波器來等分為二分，而後再透過另外二組的T型分波器將功率分為四份，進而成為四組功率分配鏈路121”、 122”、123”、124”，此種設計方式與第二實施例相同皆是單層式設計，但由於電路佈局的差異，第三實施例中具有額外的電路板空間來設置另一匹配單元(圖未示)，亦或者選擇第二實施例之方式，在饋入部與該些功率分配鏈路121”、122”、123”、124”間採用階梯式微帶線設計來實現匹配之功效(如圖3(a)所示，饋入部至功率分配鏈路之微帶線線寬有所變化)，因此第三實施例相較於第二實施例可具有更寬之響應頻寬，亦確保在不同數量的天線21、22、23、24被開啟時，其響應頻寬皆能符合設計需求。該第三實施例具有之饋入部110、開關單元(131、132、133、134)、偏壓輸入線(141、142、142、144)與接地線(151、152、153、154)之作用原理與功效均與第一實施例相同，故不再贅述。

請參閱圖4，係分別為本發明之第一、第二與第三實施例之反射係數頻率響應圖。圖4(a)係為第一實施例、圖4(b)係為第二實施例、圖4(c)係為第三實施例。其中第一實施利之該多天線系統1因採用雙層式立體結構，使得在該等天線21、22、23、24開啟時皆能具有相當寬的頻寬之反射係數頻率響應；而第二實施例之該多天線系統1’係為單層式設計，藉由改變該等功率分配鏈路121’、122’、123’、124’的寬度來達到匹配，使該多天線系統1’於生產上更容易，但第二實施例之多天線系統1’的響應頻寬係窄於該多天線系統1的響應頻寬。第三實施例之該多天線系統1”亦為單層式設計，並由三個T型 分波器所組成功率分配鏈路121”、122”、123”、124”，該多天線系統1”的響應頻寬係介於該多天線系統1的響應頻寬和該多天線系統1’的響應頻寬之間。熟知本發明相關技術者可依實際需求，選擇上述三種實施例之構型來實施，均可達到本發明所具備之優點與功效。

請參閱圖5，係分別為本發明之第一、第二與第三實施例之多種場型切換的輻射場型量測圖，圖5(a)為第一實施例之該多天線系統1、圖5(b)為第二實施例之該多天線系統1’、圖5(c)為第三實施例之該多天線系統1”之多種場型的切換的輻射場型量測圖。

本發明之天線重置電路具有n條鏈路時，n條鏈路末端分別接上天線，再使用切換電路控制n條鏈路的導通情況，此架構使場型能達到(2ⁿ-1)種的變化，其中大致分為指向性、全向性和雙向性三類場型變化，再與高增益天線整合，即能達到同時具高增益以及波束切換的功能需求。於本發明之第一、第二、第三實施例中，該等多天線系統1、1’、1”係分別設置有本發明之天線重置電路10、10’、10”，透過該等開關單元131、132、133、134來使該等多天線系統1、1’、1”能達到多種場型切換的功效。透過該等開關單元131、132、133、134的切換，能使該等多天線系統1、1’、1”場型可在指向性、全向性和對向性之間進行切換，其場型如圖5(a)~(c)所示，藉此可以依照該等多天線系統1、1’、1”的使用環境進而選取適 當的天線場型與指向，來提升行動裝置之通訊品質。

綜上所述，本發明之天線重置電路係透過該等功率分配鏈路及於各該功率分配鏈路上分別設置有該開關單元的設計，使該天線重置電路不但能匹配單個天線，亦可用於同時匹配多個天線，能大幅縮減該天線重置電路所需要的結構尺寸，且更能容易地調整該等天線的整體場型以增進訊號接收品質；再者，該天線重置電路係以印刷式電路取代集總元件的方式來實現，縱使在量產時印刷式電路的線寬或線長有稍許誤差，亦能夠保持該天線重置電路的響應特性，更可確保該天線重置電路之響應的穩定性及提高該天線重置電路的生產良率。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

1‧‧‧多天線系統

10‧‧‧天線重置電路

110‧‧‧饋入部

121、122、123、124‧‧‧功率分配鏈路

131、132、133、134‧‧‧開關單元

141、142、142、144‧‧‧偏壓輸入線

151、152、153、154‧‧‧接地線

21、22、23、24‧‧‧天線

Claims (10)

1. 一種天線重置電路，係設置於具有複數天線的一多天線系統中，以切換該等天線所產生的整體輻射場型，該天線重置電路係包含：一饋入部，係用以饋入一電訊號；複數功率分配鏈路，係分別對應地耦接於該等天線與該饋入部之間，用以在各該天線與該饋入部之間形成該電訊號的傳輸路徑；及複數開關單元，係分別對應地設置於各該功率分配鏈路，用以選擇地切斷或導通各該天線與該饋入部之間的電訊號路徑。
2. 如申請專利範圍第1項所述之天線重置電路，其中各該開關單元係分別對應地設置自該功率分配鏈路與該饋入部之耦接位置起，並符合該天線之共振頻率之二分之一波長的位置處。
3. 如申請專利範圍第1項所述之天線重置電路，其中各該開關單元係為微機電系統開關或是射頻二極體。
4. 如申請專利範圍第1項所述之天線重置電路，其中該等功率分配鏈路的數量係為四個，該等功率分配鏈路係設置於同一平面，並以該饋入部為中心向外延伸，且相鄰之功率分配鏈路的延伸方向係彼此垂直。
5. 如申請專利範圍第1項所述之天線重置電路，其中各該開關單元係與一偏壓輸入線相耦接，透過該偏壓輸入線選擇地輸入一偏壓來開啟或關閉該開關單元。
6. 如申請專利範圍第1項所述之天線重置電路，其中該功率分配鏈路上係分別設置有一接地線，且該接地線之電氣長度係為該天線之共振頻率之四分之一波長的n倍，n係為正整數。
7. 如申請專利範圍第1項所述之天線重置電路，其中該功率分配鏈路係為微帶線。
8. 如申請專利範圍第1項所述之天線重置電路，其中該饋入部與該功率分配鏈路間係以階梯式微帶線相連接。
9. 如申請專利範圍第1項所述之天線重置電路，其中該天線係為矩形貼片天線或準八木宇田天線。
10. 如申請專利範圍第1項所述之天線重置電路，其中該饋入部不與該些功率分配鏈路連接之一端係連接至一匹配單元。