TWI497829B - 平面多磁扇輻射裝置 - Google Patents

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TWI497829B
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Description

平面多磁扇輻射裝置
本發明目的,在於提供一種平面多磁扇輻射裝置,具有全向性模態。本發明輻射裝置按一般方式擬議第一作業模態(其中可選擇所述輻射裝置之一或以上定向天線),和第二作業模態(其中,輻射裝置符合全向性天線之特徵)。
本發明領域是多磁扇天線或複數天線系統,此領域在今日擴張很大。多磁扇天線顯著使用於標準802.11或802.16之MiMo(Multiple Input Multiple Output,多輸入多輸出)式裝置,將傳輸頻道容量最大化,特別能夠改進所述天線之效率。
多磁扇輻射裝置亦稱多磁扇天線,特別用在通訊網路,稱為行動網路。如此網路是以節點集群界定,稱為行動節點,經由無線媒體連接在一起。此等節點本身可自由且動態組織,因而創作網路之隨意而臨時性拓樸,由此指定藉由表述「行動網路」構成之網路,即可使人員和終端在不擁有預界定通訊基礎設施之區域內相連接。多磁扇輻射裝置亦可用於新式網路,來自行動網路構想,稱為網狀網路。網狀網路是由一組固定節點和行動節點構成,經由無線連路相連接。
目前進行無數研究以改進網狀網路之容量,尤指位元率,係代替性使用已知構想,諸如使用複數RF無線電頻道、MiMo技術或天線,稱為Beamforming天線。
複數RF頻道技術,藉用在不同頻率和頻率直交性的獨立衰落,得以提高網路容量。同理,複數天線系統在傳輸和接收雙方(MiMo技術),藉用天線之多樣性和空間上多工化,改進無線連路之容量和完整性。
此等多樣性提供接收者有所傳輸訊號之若干回應,或多或少有獨立性,此係有效率之技術,以解決形成界面和衰落之問題,雖然界面在提高水準,且從多存取點言,一如網狀網路情況,只憑如此多樣性,不足以改進訊號。
為因應此等不足,乃使用智慧型天線或適應性陣列。得以改進輻射效率,提供良好之干擾拒斥率。此等天線之基本原理在於使用射束形成性(beamforming)傳輸/接收天線,此等射束可獲得有效輻射圖型:-在所接收或傳輸訊號之方向強烈增益;-所有其他方向之低增益。
因此,方向性傳輸控制以高度空間性再用,足夠保證高位元率傳輸。
如此解決方案,尤其適應網狀網路之最適化,對所述輻射裝置而言,依然需有全向性模態。藉全向性模態,在本案中指定所述輻射裝置狀態,其中該輻射裝置至少在方位角平面,相當於支援所述輻射裝置的基體平面,能夠往來於任何方向接收或傳輸訊號。使用如此狀態,尤其是在起動階段,連結到新模態引進入網狀網路內。事實上,由包括所述輻射裝置的設備項賦予之新模態,必須決定網狀網路狀態,使用全向性模態回應此項需求。全向性模態亦可用於現時使用階段,不發生引進新模態於網狀網路,例如確保資訊(或廣播)傳輸至網路其他可存取節點之集合。
因此,不用增加複雜性,基於方向性天線(亦稱為磁扇式天線)的解決方式之成本和損失,所述輻射裝置在全部磁扇作動時,必須能夠擬議盡可能之全向性圖型。
因應此等需求之一解決方案,如第1圖所示,包含使用系統100,尤其包括多磁扇輻射裝置107,其中加設全向性天線105。在圖示實施例中,多磁扇輻射裝置107包括第一磁扇專用之第一方向性天線101、第二磁扇專用之第二方向性天線102、第三磁扇專用之第三方向性天線103,以及第四磁扇專用之第四方向性天線104。選擇一或另一方向性天線,或可能同時選用一以上之方向性天線,係利用磁扇選擇控制裝置105進行。
RF開關型之開關109,可從方向性模態110(其中作動至少一方向性天線),通到全向性模態111(其中作動全向性天線105)。
此外,在圖示實施例中,系統100包括解碼器108,若磁扇選擇控制裝置106選擇多磁扇輻射裝置107之全部方向天線,則藉譯解來自該裝置106之訊號,可檢測其功能。正面意義是解碼器促進系統100之模態狀態變化,造成利用作用開關109,從方向性模態110通到全向性模態111。
惟有一些問題與第1圖所示解決方案關聯:首先,只要開關109存在,即引起通過之訊號損失強度在1dB左右,此項損失是開關109建築之故。然後,有解碼器108存在造成如此系統之額外生產成本。最後,有全向性天線105存在,又增加如此系統實施之成本,而按照其在該系統內之位置,必然干擾一或其他方向性天線,本身又干擾全向性天線之作業。
本發明擬議對上述問題和不便之解決方案。本發明擬議之解決方案是要獲得具有全向性模態之多磁扇輻射裝置,此裝置得以從方向性天線網路,在至少一方位角平面,獲得全向位輻射圖型之資訊。為此目的,本發明擬議在指定基體上使用複數縱向輻射方向性天線,為斜槽天線式或Yagi天線式,參見例如Thomson Licensing S.A.之專利申請案WO 02/47205或Stichting Astron之專利申請案WO 2005/011057所載,並將此等天線以獲得所需輻射圖型之方式,按特別途徑配置在基體上。特殊配置是以所述方向性天線之相對位置和/或某些參數得之。有益的是,為提高使用本發明天線的網路之全球容量,擬議多磁扇輻射裝置在第一頻率作業,得以保證全向性模態,不用特別輻射元件於此模態,該輻射裝置本身整合至少第二系統之天線,在第二頻率作業。多頻率頻帶多磁扇輻射裝置就射束孔徑而言,每射束增益,或再以磁扇數而言,在所述頻率頻帶,展示相似的輻射特性。
本發明基本上又關於一種平面多磁扇輻射裝置,旨在接收和/或傳輸電磁訊號,包括配置在支持導電性材料的平面基體上之至少第一組天線,有:-第一天線;-第二天線;-第三天線,配置在基體平面上,與第一天線對立;-第四天線,配置在基體平面上,與第二天線對立;天線係縱向輻射天線,該天線各展示雙磁扇;其特徵為,輻射裝置包括交換電路,能夠作動第一組天線之一或以上天線,其中基體上對立天線的雙磁扇,明顯並行且彼此有距離,又其中接續配置在基體上的二天線之雙磁扇,明顯彼此垂直。
本發明輻射裝置包括一或以上之額外特徵,選自下列:-天線係斜槽式天線,斜縮展示左側和右側,左側和右側係不對稱;-第一組天線之一天線的左側,與所述天線接續之天線的右側,形成直角;-交換電路配置在天線網路中心部份之位準,交換電路係利用連接線,以電磁耦合,尤指Knorr式耦合,連接至各天線之槽;-在本發明裝置中,槽式天線網路之各天線展示下列特徵:-作業波長LO;-側長L;-溢流前的斜縮側寬度X;-第一溢流長度O1,與天線之第一斜縮側關聯;-第二溢流長度O2,與天線之第二斜縮側關聯;-天線之轉動α角度;一斜縮側之總寬度C;在此脈絡中,各天線展示如下維度:
本發明輻射裝置之不同額外特徵,在彼此不排斥時,係按照所有關聯可能性組合,導致本發明不同具體例。
-0.25LO<L<2.5LO
-0.25LO<X<2.5LO
-0.6LO<O1<1.5LO
-0<O2<0.25LO
-0°<α<20°
-LO<C<2.5LO
各天線展示下列維度:
-L=0.7LO
-X=LO
-O1=0.75LO
-O2=0.04LO
-α=5°
-C=1.8LO
-第一組天線之作業頻率在2.4GHz程度;-輻射裝置包括至少第二組縱向輻射天線,呈斜槽式天線型,第二組天線包括四個額外天線,各額外天線之槽在側位準設定維度比第一組天線者為大;-第二組天線之作業頻率在5GHz程度;-天線係Yagi型天線。
本發明及其各種應用,由閱讀遵循和查核附圖所述,即可更為明白。
出現在數圖內之諸元件維持同樣參考符號,除非另有指定。本發明多磁扇輻射裝置係基於使用斜槽式天線型(尤指Vivaldi型天線)縱向輻射天線,構成電磁訊號之接收和/或傳輸機構。此等天線主要由鏤刻在金屬化基體之斜槽所構成。可以簡單整合於所欲之諸裝置內,其特徵為,在基體平面(該方位角平面)之輻射。其他縱向輻射天線(諸如Yagi天線)亦可用。
Vivaldi天線之維度為精於技術之士所知。可藉作用於三個主要參數(可在第2圖上識別)實施,即:天線200之維度,在其Vivaldi型側之位準,其特徵為槽201,利用左側204和右側205延伸,逐漸離開槽201,形成斜縮;連結於連接端口203的連接線202之維度;過渡連接線202/槽201之維度,保證能量從連接線202傳輸至槽201。為確保連接線202和槽201間之良好能量耦合,必須置於特殊的幾何形狀條件,使提到的諸元件相對置設。此種定位載於例如US6,246,377號專利。
天線200又展示相位中心206。
此等天線200之主要幾何形狀參數如下:-長度L,界定天線斜縮側之長度;-最大寬度X,界定天線斜縮側之最大寬度,最大寬度亦稱為天線孔徑;-長度O,稱為溢流長度,為右側和左側界定金屬性導體之長度,展示上述天線孔徑。
由此等三個幾何形狀參數,可大約定位出相位中心206,尤其是如下規則:相位中心趨向頂點,當X在L之前遞增,例如構成側槽之末端,反之亦然。
最後,對Vivaldi型之任何天線,可界定雙磁扇207,斜縮的左側204和右側205界定在斜縮開始位準的決定角度,天線雙磁扇相當於此角度之雙磁扇。
第3圖表示輻射圖型300,係由第4圖所示輻射裝置400所得。輻射裝置400係由配置在同樣平面基體405的Vivaldi型四個磁扇式天線401至404並置所構成,其方式如下:各Vivaldi型天線401,402,403,404之槽,展示雙磁扇,相當於各天線之左、右側對稱軸線406,407,408,409,其中雙磁扇406和408組合,雙磁扇407和409亦組合,而雙磁扇406和407係垂直。所用基體405展示全面方形的形式,在與所述天線關聯的導電性組件極端有圓滑角度,各對稱軸線構成方形側面之一的中點,形成支持基體。
輻射圖型300係方位角輻射圖型,由相當於基體405平面觀察。按照在基體平面界定的角度Φ賦予輻射值,按照所觀察的角度Φ,以第三雙磁扇408為原點。圖型300造成20dB程度的漣波,透示輻射裝置400之非全向性特性。一般而言,為簡化起見,「全向性輻射」指至少在方位角狀態,強度明顯一定的輻射,不論方位角平面所述角度為何。
本發明由輻射裝置400之發展,擬議解決方案,以獲得全向性輻射裝置。為此,本發明擬議控制輻射裝置400不同磁扇式天線之網路因數,網路因數係直接連結於圖型形式300。
為界定本發明輻射裝置,已顯示基體上呈現的不同天線間,亦即在相位中心之間,存在較佳距離。
第5圖表示干預方位角輻射圖型計算之不同參數。在此圖上顯示:-d:二接續Vivaldi型天線的二相位中心間之距離;-di :Vivaldi型天線的相位中心和Vivaldi型天線網路幾何形狀中心間之距離;-Φgeo :二接續Vivaldi型天線間的角位偏差,以度計,偏差是在二所述天線的雙磁扇間測量;-Φ:方位角平面上之觀察角度,以度計;-θ:對方位角平面的垂直平面上之觀察角度,以度計,當觀察角度呈現角度θ為90°,該觀察角度即位於方位角平面;-Cpi :第n個Vivaldi型天線之相位角度;-M:觀察度。
在方位角平面與輻射裝置400關聯的標準化電場表達,如下關係式所示,是以如下方式得之,依賴下列不同參數,可參見第6圖::磁扇式天線網路之E場;:磁扇式天線之E場;λ:波長;Φi :應用於各磁扇式天線之電氣相位差;r:磁扇式天線網路中心和觀察點間之距離;k:傳播常數;αi :觀察方向和連結網路中心與所述相位中心的直線賦予方向間之角度;fθ=90° (Φ):磁扇式天線之輻射圖型。
一般而言,天線網路之E場寫成:
為計算方位角輻射圖型,在平面θ=90°的E場必須以下列方式計算:
其中
其中
ni =di .cos(Φgeo .(i-1)-Φ)
因此
E平面去極化即變成:
相位中心的位置係直接連結於斜縮天線側面,本發明擬議修改配置於基體上的天線側面和位置,相對於第3圖所示標準定位。關係式1亦顯示天線間較佳距離,至少在方位角平面可得明顯全向性之輻射圖型。
因此,在本發明中,擬議Vivaldi型天線在基體上之特別配置,呈現天線間距離縮短,在如此構成的天線網路上,留下充分維度之中心區,有交換電路供諸天線之用。此種配置如第7圖之簡略表示。
在此圖上,Vivaldi型縱向輻射天線800之網路,係由旨在佈署於基體(圖上未示)上形成地基平面之導電材料構成。天線網路包括第一方向性天線801、第二方向性天線802、第三方向性天線803和第四方向性天線804,接續配置以形成網路。第一天線和第二天線在天線網路800內稱為接續性,第一天線斜縮之左側和右側,分別由第二天線之右側和左側延伸。
在天線網路中,亦可界定二對立天線。當第一天線左側延伸一直到第二天線知右側,天線斜縮側與第一天線右側延伸一直到第二天線之左側數量相同,第一天線和第二天線在天線網路內稱為對立。因此,在第7圖中,可說第一天線801和第三天線803對立,一如第二天線802和第四天線804對立。各天線801,802,803,804之特徵為雙磁扇,分別為801b,802b,803b,804b。
網路天線800彼此間之距離,比第3圖所示型式的標準配置縮短。就第一天線和第二天線間之距離而言,同線上側面的頂點突部Si(i係自然數,採用關聯天線數值)之間界定其量度,第二天線的峰部係在參考線D上垂直延伸,相當於在測量第二天線孔徑的位準之基體邊緣,而第一天線之峰部係在此同樣參考線上垂直延伸。
關於標準配置,天線頂點已更靠近支持基體邊緣之一,該邊緣包括所述天線左側終止之邊緣,二不同頂點係更靠近同樣邊緣,因而在斜縮側創作非對稱性。因此,網路800之特徵是,事實上二對立天線之雙磁扇不組合。在圖示實施例中,二對立天線的雙磁扇是並行,因而保存天線網路對稱,對稱有益於輻射圖型之全向性特質。二對立天線的雙磁扇802b,804b和803b,801b彼此相遠,而接續天線的雙磁扇802b-803b,803b-804b,804b-8001b和801b-802b係彼此垂直。
在第7圖所示類型的天線網路內之天線配置,相對於第3圖內之輻射圖型,在方位角平面得明顯改進之輻射圖型,在所見輻射內之最大波幅差不超過10dB。
有益的是,在本發明中,為進一步改進縱向輻射天線網路之全向性輻射特質,擬議在所述天線網路的不同幾何形狀特徵之位準進行干預。
在干預有利的位準之第一幾何形狀特徵,在於斜縮側的極端形式。由第7圖可見,此等極端呈方形,指定天線的左側極端與接續天線的右側極端形成直角,又得以改進所產生輻射之全向性特質。
第二幾何形狀特徵包含改變各側的溢流成份,亦稱為偏設值。妥當選擇溢流成份可使輻射圖型之全向性特質最佳。
第三幾何形狀特徵包含於轉動中改變垂直於基體平面的軸線周圍各Vivaldi型天線,在圖示實施例中位於斜縮側之極端,或溢流延伸所述斜縮。因此,著重在所得斜縮側之不對稱。
第8和9圖分別表示本發明輻射裝置實施例之俯視圖和透視圖,其中上述不同參數已達最佳。
在此等圖中表示本發明輻射裝置之第二實施例911,圖中可見四個Vivaldi型縱向輻射天線901,902,903,904,構成網路910,配置在基體912上。四天線905,906,907,908各連結於連接線,旨在鼓起天線之激發,在頂點S11 ,S22 ,S33 ,S44 的位準與其接觸。各天線有雙磁扇901b,902b,903b,904b。所用連接線係例如微細線型之線,此等連接線全部連接至交換電路909,得以選擇天線網路內展示之一、若干或全部天線。以第8圖所示情況,雙立天線之雙磁扇明顯彼此並行,不組合,而接續天線之雙磁扇係彼此垂直。
此外,在天線頂點位置,輻射裝置911與第7圖之輻射裝置不同,各Vivaldi型天線901,902,903,904的轉動是在分別垂直於基體平面的軸線913a,913b,913c,913d周圍進行,位在各斜縮側或延伸所述斜縮之溢流的極端,於天線四隅,諸如天線902之點913。此項轉動維持關於天線雙磁扇之上述條件。
在第8圖中,識別各Vivaldi型天線之不同幾何形狀特徵:-側面長度L;-斜縮側在溢流前之寬度X;-第一溢流長度O1,與天線的第一斜縮側關聯;-第二溢流長度O2,與天線的第二斜縮側關聯;-天線之轉動角度;-斜縮側之總寬度C。
本發明裝置之具體例,在於此等幾何形狀特徵採用下列數值範圍,係明顯按照所述天線之作業波長LO:
-0.25LO<L<2.5LO
-0.25LO<X<2.5LO
-0.6LO<O1<1.5LO
-0<O2<0.25LO
-0°<α<20°
-LO<C<2.5LO
特別具體例在於對作業波長LO採取下列數值:
-L=0.7LO
-X=LO
-O1=0.75LO
-O2=0.04LO
-α=5°
-C=1.8LO
因此,以作業頻率5GHz而言,得下列不同幾何形狀參數:
-L=37.5mm
-X=55mm
-O1=39.5mm
-O2=2.1mm
-α=5°
-C=96.7mm
如此具體例,在四個天線被作動時,可得方角位平面的輻射圖型914,如第10圖所示。觀察全向性特質,在基體平面901不論採用哪二觀察點,可見波幅差最大只有5dB。
第11圖表示本發明輻射裝置915之完美具體例。
在此完美實例中,本發明輻射裝置除第一組天線901,902,903,904外,展示第二組Vivaldi型天線,加在前述輻射裝置911之第二具體例。加第二組天線包含,得利於裝置911的天線斜縮之不對稱特質,以修飾各天線斜縮之最長側,實現一槽,與形成Vivaldi天線型的縱向輻射天線之斜縮側關聯。如第11圖所示,即得天線916,罩於第一天線901之右側內。
有益的是,第一組天線裡的天線維度是在頻率f(例如2.4GHz)作業,第二組天線的天線維度是在較高頻率作業,在2f附近,即5GHz附近。因此可得很精簡系統的多磁扇天線,在2種頻率帶作業,在提供的實施例內,是二Wi-Fi頻帶,即2.4GHz和5GHz。使用二頻率帶按一般方式得以提高裝設次等輻射裝置的裝置內所用網狀網路之全球容量。
不同天線之維度宜使二作業頻率帶之無線特性相似。為此目的,在本發明具體例中設備,在包括輻射裝置915的多磁扇天線系統佔有側面a之方形表面時,即實施第二組天線之天線,使佔有等於側面a/2之方面表面。因此,標度比與頻率比同樣比例之二天線組,呈現同等無線特性,尤其是輻射特性。
如第11圖所示,為使二干預頻率間之耦合減到最少,宜有不同的天線可用,使第一組天線的天線主要輻射方向和第二組天線的天線主要方向,呈約45°之角度。
有益的是,為限制此類雙重頻率帶精簡多磁扇輻射裝置之生產成本,擬用一堆若干FR4型基體層。在具體例之變化例中,使用二截然不同的金屬化層,實施輻射元件:供第一組天線用之第一層在2.4GHz,供第二組天線用之第二層在5GHz。因此得二組天線之非共平面性,致使所用二頻率間之互動更加減到最少。
200...天線
201...槽
202...連接線
203...連接端口
204...左側
205...右側
206...相位中心
207...雙磁扇
L...長度
X...最大寬度
O...溢流長度
300,914...輻射圖型
400,911,915...輻射裝置
405...基體
401,402,403,404...磁扇式天線
405,406,407,408...對稱軸線
800...輻射天線
801,802,803,804...天線
801b,802b,803b,804b...雙磁扇
Si...頂點突部
D...參考線
901,902,903,904...縱向輻射天線
905,906,907,908...連接線
909...交換電路
910...網路
912...基體
901b,902b,903b,904b...雙磁扇
916...天線
913a,913b,913c,913d...軸線
S11 ,S22 ,S33 ,S44 ...頂點
α...天線之轉動角度
C...斜縮側之總寬度
第1圖為先前技術具有全向性模態的磁扇式天線系統構造之實施例;
第2圖為Vivaldi型天線之簡示圖;
第3圖為具有按標準方式配置的天線網路之方位角平面所得輻射圖型;
第4圖為標準配置中的天線網路之簡示圖;
第5圖為四個Vivaldi型天線的網路之簡示圖;
第6圖為與第5圖天線網路不同幾何形狀元件之簡示圖,在計算中干預,造成該天線網路之輻射圖型;
第7圖為本發明輻射裝置第一具體例之簡示圖;
第8圖為本發明輻射裝置第二具體例之第一圖;
第9圖為本發明輻射裝置第二具體例之第二圖;
第10圖為與第二具體例關聯之方位角平面的輻射圖型;
第11圖為本發明輻射裝置之第三具體例。
901,902,903,904...縱向輻射天線
905,906,907,908...連接線
909...交換電路
911...輻射裝置
912...基體
S11 ,S22 ,S33 ,S44 ...頂點

Claims (9)

  1. 一種平面多磁扇輻射裝置(911),供接收和/或傳輸電磁訊號,包括至少下列,配置於支持導電材料之平面基體(912)上:第一組天線(910),有:-第一天線(901);-第二天線(902);-第三天線(903),配置在平面基體(912)上,與第一天線(901)呈對立方式;-第四天線(904),配置在平面基體(912)上,與第二天線(902)呈對立方式;天線係縱向輻射天線,該天線各展示雙磁扇(901b,902b,903b和904b);其中基體上對立天線之雙磁扇彼此平行隔離,且基體上接續配置的二天線之雙磁扇(901b,902b,903b,904b)係彼此垂直,又其中各天線係斜縮槽式天線,斜縮展示左側造型和右側造型,左側造型和右側造型係就個別天線之雙磁扇呈不對稱,此裝置又包括交換電路(909),能夠作動一或以上之天線者。
  2. 如申請專利範圍第1項之輻射裝置(911),其中第一組天線之一天線的左側,呈現一極端,與所述天線之接續天線的右側,形成直角者。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之輻射裝置(911),其中交換電路(909)在天線網路(910)中央部份之位準,交換電路係利用連接線(905,906,907,908),連結於各天線之槽者。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之輻射裝置(911),其中天線網路之各天線展示下列特性:-作業波長LO;-側面長度L;-斜縮側在溢流前之寬度X;-第一溢流長度O1,與天線之第一斜縮側關聯; -第二溢流長度O2,與天線之第二斜縮側關聯;-天線之轉動角度α;-斜縮側之總寬度C;其中各天線展示如下維度者:-0.25LO<L<2.5LO-0.25LO<X<2.5LO-0.6LO<O1<1.5LO-0<O2<0.25LO-0°<α<20°-LO<C<2.5LO
  5. 如申請專利範圍第1或2項之輻射裝置(911),其中各天線展示如下維度者:-L=0.7LO-X=LO-O1=0.75LO-O2=0.04LO-α=5°-C=1.8LO
  6. 如申請專利範圍第1或2項之輻射裝置(911),其中第一組天線之作業頻率在2.4GHz左右者。
  7. 如申請專利範圍第1項之輻射裝置(915),包括斜縮槽天線型之第二組縱向輻射天線,此第二組天線包括四個額外天線,各額外天線(916)之槽設定在側面位準,其維度較第一組天線之一天線(901)為大者。
  8. 如申請專利範圍第7項之輻射裝置(915),其中第二組天線之作業頻率在5GHz左右者。
  9. 如申請專利範圍第1項之輻射裝置,其中天線係Yagi型天線者。
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