TWI622227B - 使用於碟盤天線的非正交多元接收器設備與系統 - Google Patents

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Abstract

一種天線裝置，包括拋物面碟盤以及接收器。拋物面碟盤具有焦點。接收器位於焦點，並具有複數接收單元。接收單元用以接收非正交極化方向之電磁波。接收單元係以不同方位設置，並以相同角度間隔。天線裝置可包括反射元件，藉由反射電磁波以增加信號傳輸的增益。接收單元使用多輸入多輸出技術收、發上述電磁波。

Description

使用於碟盤天線的非正交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。
多組天線之間亦可利用電波的極化方向使天線獲得一定的獨立性，一樣可得到空間多工的效果。電波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點對點通訊及近乎單極化天線二倍的通訊容量。
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，拋物面碟盤具有一焦點；接收器，位於上述焦點，具有複數接收單元，用以接收非正交極化方向之電磁波。
另外，本發明提供一種天線系統，包括：第一天線裝置，包括：第一拋物面碟盤，其中第一拋物面碟盤具有第一焦點；第一接收器，位於上述第一焦點，具有複數第一接收單元，用以發送非正交極化方向的電磁波；第二天線裝置，包括：第二拋物面碟盤，其中第二拋物面碟盤具有第二焦點；第二接收器，位於上述第二焦點，具有複數第二接收單元，用以接收非正交極化方向的電磁波。
在一示例中，第一接收單元及第二接收單元係分別以不同方位設置，並以拋物面碟盤軸線為軸心以相同轉動角度間隔。
在一示例中，第一天線裝置包括第一反射元件，第一反射元件位於第一接收器一側，第二天線裝置包括第二反射元件，第二反射元件位於第二接收器一側，藉由反射電磁波以增加信號傳輸的增益。
在一示例中，第一接收單元及第二接收單元使用多輸入多輸出(multi-input and multi-output，MIMO)技術傳輸上述電磁波。第一接收單元分別同時發送獨立資料流並由對應第二接收單元分別同時接收上述獨立資料流。
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，並利用非正交極化方向資料流提供點對點微波通訊，突破二組極化方向的限制，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。
110‧‧‧拋物面碟盤
111‧‧‧焦點位置
120‧‧‧接收器
121、121A、121B‧‧‧接收單元
130‧‧‧反射器
140‧‧‧印刷電路板
150‧‧‧固定軸
300‧‧‧第一天線裝置
310‧‧‧第一拋物面碟盤
320‧‧‧第一接收器
301‧‧‧第二天線裝置
311‧‧‧第二拋物面碟盤
321‧‧‧第二接收器
410‧‧‧處理單元
420‧‧‧數位/類比轉換器
430‧‧‧類比/數位轉換器
440‧‧‧多極化天線
441‧‧‧第一極化接收單元
442‧‧‧第二極化接收單元
443‧‧‧第三極化接收單元
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置。
第2A圖係顯示根據本發明一實施例所述天線裝置之接收器，其中包含接收單元。
第2B圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線裝置接收單元。
第3A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統。
第3B圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線系統。
第4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1圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置。如第1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、接收器120、複數接收單元121、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的拋物面盤面反射集中電磁波的能量至焦點位置111的接收器120上，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，透過接收器120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。
接收器120，具有複數接收單元121，位於拋物面碟盤110的焦點位置111，複數接收單元以拋物面碟盤之軸線為軸心以不同轉動角度設置，並以相同角度間隔，用以發送或接收各種極化方向之電磁波，在一實施例中，相鄰角度之極化方向的電磁波係以非正交極化方向配置。反射元件130位於接收器120之一側，藉由反射電磁波的能量至接收單元121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設置於拋物面碟盤天線接收軸心線上，印刷電路板140於拋物面碟盤110之焦點位置111處電性連接接收器120。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，其接收軸線與焦點所在之反射波傳送軸線依其 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。
第2A圖係顯示根據本發明一實施例所述天線裝置之接收器120，其中包含接收單元121A。
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，而接收單元121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，因此透過改變接收單元121的實體方位，可產生各種不同極化方向的電磁波。在自由空間中，任何天線裝置將遭遇來自各個方向的電磁波幅射，但只有電場極化方向與該天線之電場極化方向一致的電磁波可以最有效的被接收。本說明書係以線性極化為例，然熟悉天線技藝者亦可以其他極化天線實施而能達到相同效果。以碟形天線為例，其接收單元121位於拋物面碟盤110的焦點位置111，所形成的電磁波為窄波束，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。
如第2A圖所示，根據本發明一實施例所述天線裝置之接收單元121A係以拋物面碟盤接收軸線z為軸心以三種不同轉動角度設置，例如以Y座標軸的正半軸為0°方向，接收單元121A分別設置於0°方向、60°方向及-60°方向，接收單元之間的間隔角度為60°根據設置不同方向之接收單元121A用以接收 及發射來自各種極化方向之電磁波，然而間隔之角度僅為範例，在實際應用上間隔角度並不以此為限，可為其他角度。接收單元121A可使用多輸入多輸出(multi-input and multi-output，MIMO)技術傳輸電磁波，其中複數個接收單元121A分別依其極化方向同時接收及發射獨立資料流。
第2B圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線裝置接收單元120。如第2B圖所示，根據本發明一實施例所述之天線裝置之接收單元121B係以拋物面碟盤接收軸線z為軸心以四種不同轉動角度設置，並以相同角度間隔，例如以Y座標軸的正半軸為0°方向，接收單元121B分別設置於22.5°方向、67.5°方向、-22.5°方向及-67.5°方向，接收單元之間的間隔角度為45°，根據設置不同方向之接收單元121B用以涵蓋接收來自四種極化之電磁波。同樣的，接收單元121B可使用多輸入多輸出(multi-input and multi-output，MIMO)技術傳輸電磁波，其中複數個接收單元121B分別依其極化方向同時接收及發射獨立資料流。
第3A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統。如第3A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300與第二天線裝置301。第一天線裝置300包括第一拋物面碟盤310及第一接收器320，其中第一接收器320位於第一拋物面碟盤焦點位置並具有複數第一接收單元，第一接收單元之配置方式如同第2A圖中接收單元121A所述之配置方式，第一天線裝置300發送非正交極化方向的電磁波至第二天線裝置301。第二天線裝置301包括第二拋物面碟盤311及第二接收器321，其中第二接收器位於第二拋物面碟盤焦點位置並具有複數第二接收單元，用以接收由第一天線裝置300所發送之非正交極化方向的電磁波，第二接收單元之配置方式如同第2A圖中接收單元121A 所述之配置方式。在第3A圖的實施例中，第一接收器320發送0°、60°及-60°三個(線性)極化方向的電磁波至第二接收器321，三個極化方向的電磁波之間各相鄰接收單元的夾角間隔是60°。
第3B圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線系統。根據第一接收器320之第一接收單元個數，發送不同極化方向的電磁波，如第3B圖所示，由第一接收器320發送67.5°、22.5°、-22.5°及-67.5°四個(線性)極化方向的電磁波至第二接收器321，而第二接收器321具有對應個數之第二接收單元(在本實施例中為四個)，四個極化方向的電磁波之間各相鄰接收單元的夾角間隔是45°。
在一實施例中，第一接收單元及第二接收單元係分別以不同方位設置，並以相同角度間隔，然而角度間隔僅為範例，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。
第4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4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410、數位/類比轉換器420、類比/數位轉換器430及多極化天線440。多極化天線440包含第一極化接收單元441、第二極化接收單元442、第三極化接收單元443。
處理單元410，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440中的極化接收單元數量。如第4圖所示，本實施例具有三個獨立通道，每一獨立通道可透過極化接收單元發送與接收電磁波能量，在無線通訊系統中，相同的接收單元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410將信號發送到數位/類比轉換器420，數位/類比轉換器420將數位訊號轉換 成三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，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，透過接收機分別輸出到對應的極化接收單元，第一輸出訊號根據第一極化接收單元441發送，第二輸出訊號根據第二極化接收單元442發送，第三輸出訊號根據第三極化接收單元443發送。
多極化天線440接收到電磁波訊號時，透過第一極化接收單元441接收第一輸入訊號、透過第二極化接收單元442接收第二輸入訊號、透過第三極化接收單元443接收，分別將接收到的三筆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、第二輸入訊號及第三輸入訊號透過類比/數位轉換器430轉換成數位訊號後發送給處理單元410。
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。若在各子載波承載不同數據流，即可同時傳輸不同組數據，增加傳輸頻寬。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。若MIMO數大於2，即使因電磁波不幾何正交極化而使空間多工的效果鈍化，仍能享有部分空間多 工的益處。在本案中，設在拋物面碟盤焦點處的複數個天線接收單元提供了一點至點的MIMO-OFDM無線鏈路。同在焦點位置的複數個天線接收單元可以充分發揮空間多工通訊的益處。根據本發明實施例所述之天線裝置與系統採用非正交極化之電磁波傳遞資料，實驗證實，在接收單元數大於2時，仍能產生大於2倍於單一極化電波所能提供的吞吐量，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，以上該者僅為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為限，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。

Claims (10)

  1. 一種天線裝置，包括：拋物面碟盤，其中拋物面碟盤具有一焦點；接收器，位於上述焦點，具有複數接收單元，上述接收單元之一者接收第一數據流，上述接收單元之另一者接收第二數據流，上述第一數據流與上述第二數據流之極化方向非正交；以及處理單元，透過第一通道由上述接收單元之一者取得上述第一數據流、透過第二通道由上述接收單元之另一者取得上述第二數據流，並同時處理上述第一數據流以及第二數據流以提升吞吐量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之天線裝置，其中上述接收單元係以上述拋物面碟盤之軸線為軸心以不同轉動角度設置，並以相同角度間隔。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之天線裝置，更包括：反射元件，上述反射元件位於接收器之一側，藉由反射上述電磁波以增加信號傳輸的增益。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之天線裝置，其中上述接收單元使用多輸入多輸出(multi-input and multi-output，MIMO)技術傳輸上述電磁波。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之天線裝置，其中上述第一通道與上述第二通道實體分離，透過第一通道取得第一數據流，透過與第一通道不同的第二通道取得第二數據流。
  6. 一種天線系統，包括： 第一天線裝置，包括：第一拋物面碟盤，其中第一拋物面碟盤具有第一焦點；第一接收器，位於上述第一焦點，具有複數第一接收單元，上述第一接收單元之一者接收第一數據流，上述第一接收單元之另一者接收第二數據流，上述第一數據流與上述第二數據流之極化方向非正交；第一處理單元，透過第一通道由上述第一接收單元之一者取得上述第一數據流、透過第二通道由上述第一接收單元之另一者取得上述第二數據流，並同時處理上述第一數據流以及第二數據流以提升吞吐量；以及第二天線裝置，包括：第二拋物面碟盤，其中第二拋物面碟盤具有第二焦點；第二接收器，位於上述第二焦點，具有複數第二接收單元，上述第二接收單元之一者接收第三數據流，上述第二接收單元之另一者接收第四數據流，上述第三數據流與上述第四數據流之極化方向非正交；以及第二處理單元，透過第三通道由上述第二接收單元之一者取得上述第三數據流、透過第四通道由上述第二接收單元之另一者取得上述第四數據流，並同時處理上述第三數據流以及第四數據流以提升吞吐量。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之天線系統，其中上述第一接收單元及上述第二接收單元係分別以上述第一拋物面碟盤之軸線及上述第二拋物面碟盤之軸線為軸心以不同轉動角度設置，並以相同角度間隔。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之天線系統，其中上述第一天線裝置與上述第二天線裝置分別包括：第一反射元件，上述第一反射元件位於第一接收器一側；以及第二反射元件，上述第二反射元件位於第二接收器一側，藉由反射上述電磁波以增加信號傳輸的增益。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之天線系統，其中上述第一接收單元及上述第二接收單元使用多輸入多輸出(multi-input and multi-output，MIMO)技術傳輸上述電磁波。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之天線系統，其中上述第一通道與上述第二通道實體分離，透過第一通道取得第一數據流，透過與第一通道不同的第二通道取得第二數據流；其中上述第三通道與上述第四通道實體分離，透過第三通道取得第三數據流，透過與第三通道不同的第四通道取得第四數據流。
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