TWI669855B - 天線裝置和天線系統 - Google Patents

Abstract

一種天線裝置包含天線單元以及多個反射單元。天線單元設置於基板上。上述多個反射單元彼此分開地設置於基板上，並環繞天線單元。上述多個反射單元用以調整天線單元之輻射場型，其中上述多個反射單元各自包含第一部分和第二部分。第一部分具有上側邊和下側邊，第一部分之下側邊耦接至基板。第二部分具有一下側邊與第一部分之上側邊相連接，其中第一部分之下側邊的寬度小於第二部分之下側邊的寬度。

Description

天線裝置和天線系統

本揭示內容是關於一種天線裝置，且特別是有關於波束切換的天線裝置。

隨著無線通訊技術的蓬勃發展，高效率的頻譜運用技術日益重要。為提高頻譜的應用，傳統上的做法為用空間分集(Spatial Diversity)的方式產生互補式的輻射場型，以獲得分集增益(Diversity Gain)來降低多路徑衰減(Multipath Fading)對無線通道的影響。

然而，使用空間分集產生全場域的輻射場型需要使用大量的天線，並且需要考慮多根天線的位置和尺寸，以互相補償場型。

因此，如何設計一種節省空間和成本，並且仍然可以涵蓋全場域的輻射場型的天線系統為現今一個重要的目標。

為了解決上述問題，本揭示內容提供之一種天線裝置包含天線單元以及多個反射單元。天線單元設置於基板上。上述多個反射單元彼此分開地設置於基板上，並環繞天線單元。上述多個反射單元用以調整天線單元之輻射場型，其中上述多個反射單元各自包含第一部分和第二部分。第一部分具有上側邊和下側邊，第一部分之下側邊耦接至基板。第二部分具有一下側邊與第一部分之上側邊相連接，其中第一部分之下側邊的寬度小於第二部分之下側邊的寬度。

本揭示內容之另一實施方式關於一種天線系統，包含控制電路以及多個天線裝置。上述多個天線裝置耦接至控制電路，其中控制電路用以控制上述多個天線裝置對應之輻射場型，其中上述多個天線裝置各自包含多個反射單元以及天線單元，其中上述多個反射單元環繞天線單元。上述多個反射單元各自包含場型調整板以及連接部。場型調整板具有第一側邊以及相對第一側邊之第二側邊，場型調整板之第一側邊耦接至基板。連接部具有第一側邊以及相對第一側邊之第二側邊，連接部之第一側邊與場型調整板之第二側邊相連接，其中場型調整板之第一側邊的寬度小於連接部之第一側邊的寬度。

綜上所述，本揭示內容具有特殊形狀的多個反射單元分別設置於環繞天線單元，並經由控制電路控制反射單元以達到最佳的輻射場型。

為了使本揭示內容之敘述更加詳盡與完備，可參照所附之圖式及以下所述各種實施例。另一方面，眾所週知的元件與步驟並未描述於實施例中，以避免對本揭示內容造成不必要的限制。

關於以下各種實施例中所使用之「耦接」或「連接」，可指二或多個元件相互「直接」作實體接觸或電性接觸，或是相互「間接」作實體接觸或電性接觸，亦可指二個或多個元件相互動作。

於本文中，除非內文中對於冠詞有所特別限定，否則『一』與『該』可泛指單一個或多個。將進一步理解的是，本文中所使用之『包含』、『包括』、『具有』及相似詞彙，指明其所記載的特徵、區域、整數、步驟、操作、元件與/或組件，但不排除其所述或額外的其一個或多個其它特徵、區域、整數、步驟、操作、元件、組件，與/或其中之群組。

第1圖為根據本揭示內容之一些實施例所繪示的一種天線裝置100的示意圖。於一些實施例中，本揭示內容所揭露之天線裝置100為一智慧型波束切換天線裝置100，其可以根據偵測目標訊號源(未繪示)所在位置而調整天線裝置100中的多個反射單元120，進而讓目標訊號源(未繪示)接收到較大的訊號強度。

如第1圖所示，於一些實施例中，天線裝置100包含天線單元110、多個反射單元120和基板130，其中天線單元110以及多個反射單元120設置於基板130上，且反射單元120設置環繞天線單元110。

於一些實施例中，天線單元110用以接收或發送一無線訊號，以產生向外發散之輻射場型。於一些實施例中，天線單元110為單頻天線，其中單頻可製作成2.4GHz或5GHz，但不限於此，製作成其他頻段的天線單元110皆在本揭示內容所涵蓋的範圍內。於一些實施例中，天線單元110可以由平面倒F天線(Planar Inverted F Antenna，PIFA)、偶極(dipole)天線以及迴路(Loop)天線來實現，但不限於此，任何適用於實現天線單元110的電路元件皆在本揭示內容所涵蓋的範圍內。

於一些實施例中，反射單元120用以調整天線單元110所產生之輻射場型，使得天線單元110之輻射場型具有指向性。於一些實施例中，反射單元120可以由細金屬線和金屬板相連接來實現，但不限於此，任何可以用以調整天線單元110之輻射場型的金屬元件皆在本揭示內容所涵蓋的範圍內。

於一些實施例中，反射單元120包含反射單元121、122和123，且以天線單元110為中心，分別設置如第1圖所示，例如任意兩者各別之中心與天線單元110連線之夾角為120度。於一些實施例中，反射單元121(定義為第一反射單元)之寬度w ₁為0.33倍波長；反射單元122之寬度w ₂為0.266倍波長；反射單元123之寬度w ₃為0.266倍波長，其中第一反射單元具有最大的寬度，但不限於此，反射單元121~123分別具有之寬度w ₁、w ₂、w ₃之範圍介於0.1倍波長至0.4倍波長之間皆在本揭示內容所涵蓋的範圍內。於一些實施例中，前述波長為天線單元110用以進行無線傳輸之訊號的波長。

於一些實施例中，天線單元110設置於以反射單元121、122和123為頂點之等腰三角形之一中垂線上，其中所述中垂線垂直於反射單元122和反射單元123中點之連線，但不限於此，設置於以反射單元121、122和123之中點為頂點之組成之三角形之中間的天線單元110皆在本揭示內容所涵蓋的範圍內。

於一些實施例中，反射單元121(即第一反射單元)與天線單元110之距離d ₁為0.27倍波長；反射單元122與天線單元110之距離d ₂為0.22倍波長；反射單元123與天線單元110之距離d ₃為0.22倍波長，但不限於此，反射單元121~123與天線單元110之距離介於0.2倍波長至0.3倍波長之間皆在本揭示內容所涵蓋的範圍內。於實際應用中，當天線單元110之頻率為2.4GHz時，反射單元121、122、123與天線單元110之距離d ₁、d ₂、d ₃介於25毫米至37毫米之間，在進一步的實施例中，反射單元121與天線單元110之距離d ₁可以是34毫米；反射單元122和反射單元123與天線單元110之距離d ₂、d ₃皆可以是25毫米，當天線單元110之頻率為5GHz時，反射單元121、122、123與天線單元之距離d ₁、d ₂、d ₃介於12毫米至18毫米之間，在進一步的實施例中，反射單元121與天線單元110之距離d ₁可以是16毫米；反射單元122和反射單元123與天線單元110之距離d ₂、d ₃皆可以是13毫米。

於上述實施例中，可以看出來反射單元121(即第一反射單元)之寬度w ₁為三個反射單元121、122、123之寬度w ₁、w ₂、w ₃之最大者，且離天線單元110之距離d ₁為三個反射單元121、122、123之距離d ₁、d ₂、d ₃之最大者。詳細來說，上述設計是為了讓天線單元110依據反射單元122、123產生之輻射場型不會受到反射單元121所影響。

於一些實施例中，天線裝置100經由將反射單元121、122、123至少一者連接至基板130，以調整輻射場型。舉例而言，當反射單元121連接至基板130時，天線裝置100產生如往第1圖上方傳遞的波束(未繪示)，當反射單元122和反射單元123皆連接至基板130時，天線裝置100產生如往第1圖下方傳遞的波束(未繪示)。

第2A圖為根據本揭示內容之一些實施例所繪示的一種天線裝置100之反射單元120的示意圖。如第2A圖所示，於一些實施例中，反射單元120包含第一部分(未繪示)和第二部分(未繪示)，且第一部分(未繪示)和第二部分(未繪示)接合。於一些實施例中，第一部分(未繪示)包含連接部1202和連接部1204，第二部分(未繪示) 包含場型調整板1201和場型調整板1203，為易於理解，本揭示內容後述實施例僅以場型調整板1201、1203和連接部1202、1204為例說明。如第2A圖所示，場型調整板1201和連接部1202接合，且連接部1202經由開關210耦接至基板130。

於一些實施例中，開關210用以導通或斷開反射單元120和基板130。於一些實施例中，開關210可以由控制二極體所實現，但不限於此，任何可以用來導通或斷開反射單元120和基板130之間的連接的電子元件皆在本揭示內容所涵蓋的範圍內。

於一些實施例中，場型調整板1201用以調整天線單元110之輻射場型，連接部1202耦接至一供電電壓VCC，並用以讓場型調整板1201與基板130之間相隔一給定距離。於一些實施例中，場型調整板1201為長方形的金屬板，連接部1202為細條狀的細金屬線。於一些實施例中，連接部1202之長度h ₂與開關210之總長度(亦即場型調整板1201下側邊至基板130之長度)為0.06~0.2倍波長，且場型調整板1201、連接部1202與開關210之總長度為0.3~0.6倍波長，但不限於此，任何長度皆在本揭示內容所涵蓋的範圍內。於一些實施例中，連接部1202之寬度w ₄為2毫米，但不限於此，小於0.0625倍波長的寬度w ₄皆在本揭示內容所涵蓋的範圍內。

於實際應用中，若場型調整板1201下側邊至基板130之長度過小，會使得開關210之導通效果變差，其原因在於，即使開關210斷開，場型調整板1201仍然會因為與基板130太接近而造成場型調整板1201類似接地的情形。相較之下，若場型調整板1201下側邊至基板130之長度過大，會使得天線裝置100的指向性不足。

第2B圖為根據本揭示內容之一些實施例所繪示的一種天線裝置100之反射單元120的示意圖。如第2B圖所示，於一些實施例中，反射單元120包含場型調整板1203和連接部1204，其中場型調整板1203和連接部1204接合，且連接部1204經由開關210耦接至基板130。

於一些實施例中，場型調整板1203之用途與場型調整板1201相同。於實際應用中，場型調整板1203在形狀上設計與場型調整板1201不同是為了讓天線裝置100對應之輻射場型的頻寬變寬。

於一些實施例中，如第2B圖所示，場型調整板1203之下側邊包含第一子側邊a ₁和第二子側邊a ₂，其中第一子側邊a ₁和第二子側邊a ₂為兩條直線並且分別與連接部1204之上側邊(未繪示)之延伸線之間具有一夾角（如：第2B圖所示θ），但不限於此，第一子側邊a ₁和第二子側邊a ₂可以是弧線、拋物線，或其他任何曲度的線皆在本揭示內容所涵蓋的範圍內。

於一些實施例中，如第2B圖所示，連接部1204耦接至一供電電壓VCC，並用以讓場型調整板1203與基板130之間相隔一給定距離。於一些實施例中，如第2B圖所示，連接部1204之高度為長度h ₂，且場型調整板1203之下側邊和基板130之最遠距離為長度h ₃，其中長度h ₂與開關210之總長度為0.06~0.2倍波長(亦即場型調整板1203下側邊至基板130之長度)，其中長度h ₂與開關210之總長度為0.25倍至0.5倍的長度h ₃，但不限於此，任何範圍的長度h ₃皆在本揭示內容所涵蓋的範圍內。於一些實施例中，連接部1204之寬度w ₄為2毫米，但不限於此，小於0.0625倍波長的寬度w ₄皆在本揭示內容所涵蓋的範圍內。

第2C圖為根據本揭示內容之第2B圖之一些實施例所繪示的一種天線裝置之反射單元120的局部放大示意圖。於一些實施例中，如第2C圖所示，場型調整板1203之第一子側邊a ₁以及第二子側邊a ₂分別和連接部1204之上側邊的延伸線之間具有夾角θ。於一些實施例中，夾角θ的範圍為30度至60度，但不限於此，任何範圍的夾角θ皆在本揭示內容所涵蓋的範圍內。

第2D圖為根據本揭示內容之一些實施例所繪示的一種天線裝置100之反射單元120的示意圖。如第2D圖所示，於一些實施例中，反射單元120除了如第2B圖所示的場型調整板1203、連接部1204和開關210外，更包含開關220，其中場型調整板1203經由開關220耦接至連接部1204。相較於第2B圖中之反射單元120，於此實施例中增加開關220之原因在於，可以讓天線裝置100在選擇不讓反射單元120導通的情況下(亦即控制開關210斷開時)，讓反射單元120和基板130完全隔離。

於一些實施例中，第2D圖中之反射單元120之場型調整板1203和連接部1204之形狀和大小皆與第2B圖中的反射單元120相同。於一些實施例中，連接部1204之長度h ₂、開關210和開關220之總長度(亦即場型調整板1203下側邊至基板130之長度)為0.06~0.2倍波長。

第3圖為根據本揭示內容之一些實施例所繪示一種包含多個第1圖所示之天線裝置100的天線系統300的示意圖。如第3圖所示，天線系統300包含多個天線裝置100及控制電路310，其中控制電路310耦接至多個天線裝置100之多個反射單元120。如第3圖所示，於一些實施例中，多個天線裝置100中相鄰的任兩個天線裝置100彼此相隔距離D ₁~D ₆，其中距離D ₁~D ₆的範圍為1.3倍波長至1.8倍波長。於一些實施例中，天線系統300中若含有N個天線裝置100，則此N個天線裝置100以近似360/N的角度配置於天線系統300中，使得多個天線裝置100之間的隔離度(Isolation)符合設計需求。

於一些實施例中，控制電路310用以依據不同狀態對多個天線裝置100中的多個開關210、220進行切換，以控制每個天線裝置100之多個反射單元120至少一者和基板130相連接，使得和基板130相連接的反射單元120據以調整天線單元110產生的輻射場型，以指向目標訊號源(未繪示)。於實際應用中，當目標訊號源(未繪示)位於不同方位時，天線系統300可以藉由控制電路310上的控制晶片(Chip)提供電壓壓降，以控制每個天線裝置100中的多個反射單元120對應的開關210及開關220導通或斷開，來切換天線裝置100之不同指向的輻射場型，進而讓天線系統300得到最佳的能量傳輸及接收。於一些實施例中，控制電路310更可以依據實際需求，控制天線系統300中離目標訊號源(未繪示)較近的幾個天線裝置100之多個反射單元120至少一者，讓此些天線裝置100與目標訊號源(未繪示)進行通訊。

於一些實施例中，控制電路310可以由控制積體電路(Integrated Circuit，IC)所實現，但不限於此，任何可以用以控制多個開關210、220導通或斷開的電子元件皆在本揭示內容所涵蓋的範圍內。

第4圖為根據本揭示內容之一些實施例所繪示的一種天線系統300的操作方法400流程圖。為方便且清楚說明起見，下述以第3圖和第4圖為例進行說明。如第3圖和第4圖所示，於一些實施例中，首先，執行步驟S410，持續調整天線系統300中多個天線裝置100的多個反射單元120，並計算分別對應之接收訊號強度指標(Received Signal Strength Indicator，RSSI)。於此步驟中，控制電路310控制多個開關210、220輪流導通，使得多個天線裝置100的多個反射單元120相應連接至基板130，以持續調整天線系統300所產生之輻射場型，並藉由天線系統300之處理器(未繪示)針對不同的輻射場型計算對應的RSSI。

於此步驟中，天線系統300之處理器(未繪示)計算不同連接方式(即：每個天線裝置100中反射單元120和基板130相連接的方式)分別對應之RSSI，但不限於此，天線系統300之處理器(未繪示)亦可以計算不同連接方式分別對應之資料傳輸率(Data Rate)或空間串流數(Number of Spatial Streams)，任何可以用來表示天線系統300和訊號源(未繪示)之間資料傳輸的指標皆在本揭示內容所涵蓋的範圍內。

接著，執行步驟S420，依據最大的RSSI，導通對應的多個反射單元120。於此步驟中，天線系統300之處理器(未繪示)依據步驟S410中計算得到的不同連接方式對應之RSSI，得出對應最大RSSI之連接方式，並傳送對應於此連接方式之控制訊號至控制電路310。接著，控制電路310控制多個天線裝置100之多個開關210、220中對應數者導通，以將對應之反射單元120連接至基板130，並與目標訊號源(未繪示)進行無線通訊。

接著，執行步驟S430，判斷是否為最佳輻射場型。於此步驟中，天線系統300之處理器(未繪示)依據天線系統300和目標訊號源(未繪示)之間的無線通訊是否穩定，以判斷是否為天線系統300之最佳輻射場型。於一些實施例中，天線系統300之處理器(未繪示)判斷無線通訊是否穩定的方法包含訊號傳輸過程是否中斷，是否未在超時(Timeout)之前收到訊息或接收到負值通知(Negative Acknowledgement，NACK)，但不限於此，任何可以用以判斷無線通訊是否穩定的方法皆在本揭示內容所涵蓋的範圍內。

於一些實施例中，當步驟S430之判斷結果為『是』時，執行步驟S440，建立訊號通道。於此步驟中，天線系統300透過步驟S420導通多個反射單元120，並據以和目標訊號源(未繪示)建立一無線訊號通道以進行資料傳輸。

於一些實施例中，當步驟S430之判斷結果為『否』時，執行步驟S410，重新調整天線系統300中多個天線裝置100的多個反射單元120，及計算分別對應之RSSI，並接續執行步驟S420。

綜上所述，本揭示內容將具有特殊形狀的多個反射單元120分別設置環繞天線單元110，並經由控制電路310控制多個反射單元120以達到最佳的輻射場型，據以和訊號源(未繪示)進行無線通訊。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，於不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100：天線裝置 110： 天線單元 120、121、122、123：反射單元 130：基板 d ₁、d ₂、d ₃：距離 w ₁、w ₂、w ₃、w ₄：寬度 h ₁、h ₂、h ₃、h ₄：長度 θ：夾角 a ₁：第一子側邊 a ₂：第二子側邊 1201、1203：場型調整板 1202、1204：連接部 210、220：開關 VCC：供電電壓 300：天線系統 310：控制電路 D1、D2、D3、D4、D5、D6：距離 400：方法 S410、S420、S430、S440：步驟

為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： 第1圖為根據本揭示內容之一些實施例所繪示的一種天線裝置的示意圖； 第2A圖為根據本揭示內容之一些實施例所繪示的一種天線裝置之反射單元的示意圖； 第2B圖為根據本揭示內容之一些實施例所繪示的一種天線裝置之反射單元的示意圖； 第2C圖為根據本揭示內容之第2B圖之一些實施例所繪示的一種天線裝置之反射單元的局部放大示意圖； 第2D圖為根據本揭示內容之一些實施例所繪示的一種天線裝置之反射單元的示意圖； 第3圖為根據本揭示內容之一些實施例所繪示一種包含多個第1圖所示之天線裝置的天線系統的示意圖；以及 第4圖為根據本揭示內容之一些實施例所繪示的一種天線系統的操作方法流程圖。

Claims (9)

1. 一種天線裝置，包含：一天線單元，設置於一基板上；以及複數個反射單元，彼此分開地設置於該基板上，並環繞該天線單元，其中該些反射單元用以調整該天線單元之輻射場型，其中該些反射單元各自包含：一第一部分，具有一上側邊和一下側邊，該第一部分之該下側邊耦接至該基板；以及一第二部分，具有一下側邊與該第一部分之該上側邊相連接，其中該第一部分之該下側邊的寬度小於該第二部分之下側邊的寬度；以及複數個開關，用以耦接於該些反射單元之該第一部分與該第二部分之間，其中該些開關用以選擇性地導通或斷開該些反射單元之該第一部分與該些反射單元之該第二部分之間的電訊號路徑，以調整該天線單元之輻射場型。
2. 如請求項1所述之天線裝置，其中該些反射單元每一者之該第二部分之該下側邊包含一第一子側邊，其中該第一子側邊與該第一部分之該上側邊之延伸線具有一夾角。
3. 如請求項2所述之天線裝置，其中該夾角的角度介於30度至60度之間。
4. 如請求項1所述之天線裝置，其中該些反射 單元之數量為三，且該天線單元設置於以該些反射單元為頂點之等腰三角形之一中垂線上。
5. 如請求項4所述之天線裝置，其中該些反射單元中位於該中垂線上之一第一反射單元與該天線單元之距離大於該些反射單元中另兩個反射單元與該天線單元之距離，且該第一反射單元對應之該第二部分之該下側邊的寬度為該些反射單元對應之該第二部分之該下側邊的寬度中最大者。
6. 如請求項1所述之天線裝置，其中該些反射單元每一者之該第二部分之該下側邊至該基板之距離介於0.06倍至0.2倍波長之間。
7. 一種天線系統，包含：一控制電路；以及複數個天線裝置，耦接至該控制電路，其中該控制電路用以控制該些天線裝置對應之輻射場型，其中該些天線裝置各自包含：複數個反射單元，各自包含：一連接部，具有一第一側邊以及相對該第一側邊之一第二側邊，該連接部之該第一側邊耦接至一基板；以及一場型調整板，具有一第一側邊以及相對該第一側邊之一第二側邊，場型調整板之該第一側邊與該連接部之該第二側邊相連接，其中該連接部之該 第一側邊的寬度小於該場型調整板之該第一側邊的寬度，其中該場型調整板之該第一側邊至該基板之距離介於0.06倍至0.2倍波長之間；以及一天線單元，其中該些反射單元環繞該天線單元。
8. 如請求項7所述之天線系統，其中該些反射單元每一者之該場型調整板之該第一側邊包含一第一子側邊，其中該第一子側邊與該連接部之該第二側邊之延伸線具有一夾角。
9. 如請求項7所述之天線系統，其中該些天線裝置之間的距離介於1.3倍至1.8倍波長之間。