TWI533511B - 天線系統 - Google Patents

Description

天線系統

本發明係關於一種天線系統，特別係關於可適用於行動通訊裝置之天線系統。

在通訊系統中，若傳送天線和接收天線具有不同極化方向，則可能對傳輸效率造成相當負面之影響。舉例來說，若傳送天線為水平極化(Horizontally Polarized)，則接收天線亦必須設計為水平極化以獲取最大傳輸效率。反之，屬於垂直極化(Vertically Polarized)之接收天線可能根本無法接收到任何水平極化之信號。又例如，若傳送天線為右圓極化(Right Hand Circularly Polarized，RHCP)，則接收天線亦必須設計為右圓極化以獲取最大傳輸效率。反之，屬於左圓極化(Left Hand Circularly Polarized，LHCP)之接收天線可能根本無法接收到任何右圓極化之信號。

當通訊系統係適用於影像串流(Video Streaming)、遊戲，或是資料轉移時，由於沒有足夠之傳輸頻寬，所傳送之資料通常必須進行壓縮。然而，壓縮後之資料卻具有一些缺點，例如：失真(Distortion)、品質降低、傳送延遲，以及封包遺失等等。為了於低頻率(例如5GHz)下傳輸未壓縮之影像資料，例如：經由無線家庭數位介面(Wireless Home Digital Interface， WHDI)，通常需要至少四支天線來傳送1080P之影像。此種天線設計往往因為尺寸太大而無法套用至一般行動電話中。因此，如何設計出一種具有可調極化方向之小尺寸天線，是現今天線設計者之一大挑戰。

在一示範實施例中，本發明提供一種天線系統，包括：一接地面；一微帶線耦合器，具有一第一輸入埠、一第二輸入埠、一第一輸出埠，以及一第二輸出埠；一金屬蓋，設置於該微帶線耦合器之上方，並耦接至該接地面；以及一主要天線，耦接至該微帶線耦合器之該第一輸出埠和該第二輸出埠。

100‧‧‧天線系統

110‧‧‧接地面

120‧‧‧微帶線耦合器

121‧‧‧第一輸入埠

122‧‧‧第二輸入埠

123‧‧‧第一輸出埠

124‧‧‧第二輸出埠

130‧‧‧金屬蓋

131‧‧‧短路貫通件

140‧‧‧主要天線

150‧‧‧寄生部

GC1‧‧‧耦合間隙

x、y、z‧‧‧座標軸

第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統之俯視圖；第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統之側視圖；第2A圖係顯示根據本發明一實施例所述之微帶線耦合器和金屬蓋之俯視圖；第2B圖係顯示根據本發明一實施例所述之微帶線耦合器和金屬蓋之立體圖；第3A圖係顯示根據本發明一實施例所述之金屬蓋於主要天線被激發時之電流分佈圖；第3B圖係顯示根據本發明另一實施例所述之金屬蓋於主要 天線被激發時之電流分佈圖。

為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統100之俯視圖。第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統100之側視圖。天線系統100可適用於一行動通訊裝置，例如：一智慧型手機(Smart Phone)、一平板電腦(Tablet Computer)，以及一筆記型電腦(Notebook Computer)。在較佳實施例中，天線系統100至少包括：一接地面110、一微帶線耦合器(Microstrip Line Coupler)120、一金屬蓋130，以及一主要天線140。接地面110可以設置於一介質基板上(未顯示)，例如：一FR4(Flame Retardant 4)基板，或是一低溫共燒多層陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)基板。在一些實施例中，具有天線系統100之該行動通訊裝置更可包括其他元件，例如：一處理器、一觸控模組、一顯示模組、一電池、一射頻(Radio Frequency，RF)模組，以及一外殼(未顯示)。

第2A圖係顯示根據本發明一實施例所述之微帶線耦合器120和金屬蓋130之俯視圖。第2B圖係顯示根據本發明一實施例所述之微帶線耦合器120和金屬蓋130之立體圖。請一併參考第1A、1B、2A、2B圖。微帶線耦合器120具有一第一輸入埠121、一第二輸入埠122、一第一輸出埠123，以及一第二輸出埠124。微帶線耦合器120之第一輸入埠121和第二輸入埠122 係耦接至一信號源(未顯示)，例如：該行動通訊裝置之該射頻模組。微帶線耦合器120之第一輸出埠123和第二輸出埠124係耦接至主要天線140，並用於激發主要天線140。在一些實施例中，微帶線耦合器120為一90度分支線耦合器(90° Branch Line Coupler)。更詳細地說，該90度分支線耦合器可以包括互相耦接之四條傳輸線。該等傳輸線係共同形成一空心正方形，而每一該等傳輸線之長度可以約為主要天線140之一中心操作頻率之0.25倍波長。主要天線140之極化方向可以藉由改變微帶線耦合器120之第一輸入埠121和第二輸入埠122之間之一饋入相位差而作調整。詳細之調整方式將於之後之實施例中作說明。

金屬蓋130係設置於微帶線耦合器120之上方，並係耦接至接地面110。金屬蓋130可以大致為一正方形，但並不僅限於此。舉例來說，金屬蓋130亦可大致為一圓形、一正三角形，或是一正六邊形。在一些實施例中，天線系統100更可包括複數個短路貫通件(Shorting Vias)131，而金屬蓋130係經由該等短路貫通件131耦接至接地面110。例如，該等短路貫通件131之數量可以為4，而該等短路貫通件131可以分別耦接至金屬蓋130之複數個角落處。更詳細地說，金屬蓋130於接地面110上具有一第一垂直投影，而微帶線耦合器120於接地面110上具有一第二垂直投影，其中該第二垂直投影係完全位於該第一垂直投影之內部。金屬蓋130係用於減少來自微帶線耦合器120對天線系統100之輻射干擾，並可用於增強主要天線140之增益。金屬蓋130之詳細運作原理將於之後之實施例中作說明。

主要天線140可以是雙饋入(Dual-feeding)之一補釘天線(Patch Antenna)，並可以大致為一矩形。藉由調整主要天線140之雙饋入點之間之一饋入相位差，主要天線140可操作於不同極化方向。在一些實施例中，天線系統100更可包括鄰近於主要天線140之複數個寄生部150。例如，該等寄生部150之數量可以為4，而每一該等寄生部150可以大致為一直條形。該等寄生部150係與主要天線140分離，而主要天線140係大致由該等寄生部150所圍繞。在一些實施例中，每一該等寄生部150與主要天線140之間各自形成一耦合間隙GC1，其中耦合間隙GC1可以小於1mm。藉由其間之互相耦合效應，該等寄生部150可以增加主要天線140之頻寬。必須注意的是，該等寄生部150為天線系統100之選用元件，在其他實施例中亦可移除之。

第3A圖係顯示根據本發明一實施例所述之金屬蓋130於主要天線140被激發時之電流分佈(Current Distribution)圖，其中箭號代表表面電流(Surface Current)。在第3A圖之實施例中，微帶線耦合器120被同相驅動(Driven In Phase)，其中微帶線耦合器120之第一輸入埠121和第二輸入埠122之間之一饋入相位差為0度。此時，主要天線140上之表面電流之方向係大致平行於x軸，而金屬蓋130上之表面電流之方向亦大致平行於x軸。

第3B圖係顯示根據本發明另一實施例所述之金屬蓋130於主要天線140被激發時之電流分佈圖，其中箭號代表表面電流。在第3B圖之實施例中，微帶線耦合器120被反相驅動(Driven Out of Phase)，其中微帶線耦合器120之第一輸入埠121 和第二輸入埠122之間之一饋入相位差為180度。此時，主要天線140上之表面電流之方向係大致平行於y軸，而金屬蓋130上之表面電流之方向亦大致平行於y軸。

如第3A、3B圖所示，金屬蓋130和主要天線140之電流方向可以藉由改變微帶線耦合器120之第一輸入埠121和第二輸入埠122之間之該饋入相位差而作調整。因此，本發明之天線系統100可輕易地產生各種極化方向，以接收或傳送不同極化方向之信號。必須了解的是，本發明並不僅限於以上所述者。在其他實施例中，微帶線耦合器120之第一輸入埠121和第二輸入埠122之信號相位亦可如下列表一和表二之方式進行設定(符號「(X)」代表無信號進出對應埠)：

根據一量測結果，當主要天線140被激發時，金屬蓋130亦由微帶線耦合器120透過互相耦合效應所激發，而金屬蓋130上因表面感應電流作用所形成之之極化方向係與主要天線140上之表面電流之方向大致相同。因此，金屬蓋130可視為天線系統100之另一輔助天線。金屬蓋130與主要天線140可以共同形成一天線陣列(Antenna Array)，而該天線陣列之增益約可等於金屬蓋130與主要天線140之增益總和。根據該量測結果，在加入金屬蓋130之後，天線系統100之整體增益、整體指向性，以及天線頻寬均能有效地提升。

另外，當主要天線140被激發時，金屬蓋130上之表面電流之方向係與微帶線耦合器120上之表面電流之方向大致相反。必須了解的是，微帶線耦合器120通常不會在低頻操作中產生輻射，但是會在高頻操作中產生輻射。在高頻頻帶中，來自微帶線耦合器120之輻射往往會與來自主要天線140之輻射發生破壞性干涉，進而降低主要天線140之性能。因此，在加入金屬蓋130之後，金屬蓋130上被微帶線耦合器120所感應出之電流係反向於微帶線耦合器120本身之電流，故金屬蓋130之反向電流可用於抵消來自微帶線耦合器120之不必要輻射， 進而改善主要天線140之天線效率。

在較佳實施例中，本發明之天線系統100可以操作於約60GHz之一頻帶。由於金屬蓋130與主要天線140所共同形成之該天線陣列已可提供足夠之頻寬，採用天線系統100之一行動通訊裝置可直接將大量資料傳送至一接收端(例如：一電視機，或是各種顯示裝置)，而不須經過任何資料壓縮之程序。與傳統設計方式相比，本發明之天線系統100至少具有縮小尺寸、提供可調極化方向、提升傳輸速率，以及改善資料傳輸品質之優點。

值得注意的是，以上所述之元件尺寸、元件參數、元件形狀，以及頻率範圍皆非為本發明之限制條件。天線設計者可以根據不同需要調整這些設定值。另外，本發明之天線系統並不僅限於第1A、1B、2A、2B、3A、3B圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1A、1B、2A、2B、3A、3B圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之，並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之天線系統中。

在本說明書以及申請專利範圍中的序數，例如「第一」、「第二」、「第三」等等，彼此之間並沒有順序上的先後關係，其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，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。

100‧‧‧天線系統

110‧‧‧接地面

120‧‧‧微帶線耦合器

121‧‧‧第一輸入埠

122‧‧‧第二輸入埠

123‧‧‧第一輸出埠

124‧‧‧第二輸出埠

130‧‧‧金屬蓋

131‧‧‧短路貫通件

140‧‧‧主要天線

150‧‧‧寄生部

GC1‧‧‧耦合間隙

x、y、z‧‧‧座標軸

Claims (10)

1. 一種天線系統，包括：一接地面；一微帶線耦合器，具有一第一輸入埠、一第二輸入埠、一第一輸出埠，以及一第二輸出埠；一金屬蓋，設置於該微帶線耦合器之上方，並耦接至該接地面；以及一主要天線，耦接至該微帶線耦合器之該第一輸出埠和該第二輸出埠；其中該金屬蓋係用於減少來自該微帶線耦合器之干擾，並用於增強該主要天線之增益。
2. 如申請專利範圍第1項所述之天線系統，更包括：複數個短路貫通件，其中該金屬蓋係經由該等短路貫通件耦接至該接地面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中該金屬蓋於該接地面上具有一第一垂直投影，該微帶線耦合器於該接地面上具有一第二垂直投影，而該第二垂直投影係完全位於該第一垂直投影之內部。
4. 如申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中當該主要天線被激發時，該金屬蓋上之表面電流之方向係與該主要天線上之表面電流之方向大致相同，使得該金屬蓋與該主要天線共同形成一天線陣列。
5. 如申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中當該主要天線被激發時，該金屬蓋上之表面電流之方向係與該微帶線耦 合器上之表面電流之方向大致相反，使得來自該微帶線耦合器之輻射被抵消。
6. 如申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中該微帶線耦合器為一90度分支線耦合器，其包括互相耦接之四條傳輸線，而每一該等傳輸線之長度約為該主要天線之一中心操作頻率之0.25倍波長。
7. 如申請專利範圍第1項所述之天線系統，更包括：複數個寄生部，環繞於該主要天線，其中該等寄生部係與該主要天線分離，而每一該等寄生部與該主要天線之間各自形成一耦合間隙。
8. 如申請專利範圍第7項所述之天線系統，其中該等寄生部係用於增加該主要天線之頻寬。
9. 如申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中該主要天線之極化方向係藉由改變該微帶線耦合器之該第一輸入埠和該第二輸入埠之間之一饋入相位差而作調整。
10. 如申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中該天線系統係操作於約60GHz之一頻帶。