TWI679803B

TWI679803B - 天線系統

Info

Publication number: TWI679803B
Application number: TW107133945A
Authority: TW
Inventors: 詹長庚; Cheng-Geng Jan; 徐杰聖; Chieh-Sheng Hsu
Original assignee: 啟碁科技股份有限公司; Wistron Neweb Corporation
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2019-12-11
Also published as: US20200106190A1; US10840604B2; TW202013809A

Abstract

一種天線系統，用來收發無線電訊號，包含有一第一複合天線，包含一第一介質層；一第一接地金屬板；第一至第四陣列天線；以及一第一傳輸線裝置，用來傳輸射頻訊號至該第一至第四陣列天線；一第二複合天線，以一夾角而相對該第一複合天線固定，包含一第二介質層；一第二接地金屬板；第五至第八陣列天線；以及一第二傳輸線裝置，用來傳輸射頻訊號至該第五至第八陣列天線；以及一饋入裝置，用來透過該第一及第二傳輸線裝置交替輸出射頻訊號至該第一複合天線及該第二複合天線，並切換輸出至該第一至該第八陣列天線之射頻訊號的相位。

Description

天線系統

本發明係指一種天線系統，尤指一種具有適應性波束能力，高天線增益值及波束覆蓋率，低成本，及較小體積的天線系統。

具有無線通訊功能的電子產品係透過天線來發射或接收無線電波，以傳遞或交換無線電訊號，進而存取無線網路。隨著無線通訊技術不斷演進，傳輸容量及無線網路性能的需求也日益提升，因此許多無線通訊系統已支援多輸入多輸出（Multi-input Multi-output，MIMO）通訊技術，其可在不增加頻寬或總發射功率耗損（Transmit Power Expenditure）的情況下，大幅地增加系統的資料吞吐量（Throughput）及傳送距離，進而有效提升無線通訊系統之頻譜效率及傳輸速率而能改善通訊品質。

支援多輸入多輸出通訊技術的天線有許多種類。其中，平板式（panel-type）天線結構簡單且成本較低，但在水平切面上的波束寬度較窄，意即波束覆蓋（Beam Coverage）率較低，因此不易精準架設，且缺乏適應性波束（Adaptive Beam Alignment）的能力。若藉由一驅動馬達而使平板式天線可對應旋轉至具有最佳訊號接收品質的方向，則能彌補平板式天線的缺點，但驅動馬達會增加成本，對於架設的場所限制較多，且無法滿足電子產品體積縮小之趨勢。至於圓柱天線罩（radome）式的複合天線雖不需驅動馬達，但其體積較大，且天線增益值較低。

因此，如何在有限體積及成本下，增加天線增益值及波束覆蓋率，且兼顧適應性波束能力，也就成為業界所努力的目標之一。

因此，本發明主要提供一種天線系統，其具有適應性波束能力，高天線增益值及波束覆蓋率，低成本，及較小的體積。

本發明揭露一種天線系統，用來收發無線電訊號，包含有一第一複合天線，包含一第一介質層；一第一接地金屬板，固定於該第一介質層之上，並與該第一介質層間隔一第一間距而形成一第一空氣介質層；一第一、一第二、一第三及一第四陣列天線，以一4×4矩陣方式排列而固定於該第一接地金屬板之上，並與該第一接地金屬板間隔一第二間距而形成一第二空氣介質層；以及一第一傳輸線裝置，形成於該第一介質層面對該第一接地金屬板之一面，用來傳輸射頻訊號至該第一至該第四陣列天線；一第二複合天線，以一夾角而相對該第一複合天線固定，包含一第二介質層；一第二接地金屬板，固定於該第二介質層之上，並與該第二介質層間隔一第三間距而形成一第三空氣介質層；一第五、一第六、一第七及一第八陣列天線，以該4×4矩陣方式排列而固定於該第二接地金屬板之上，並與該第二接地金屬板間隔一第四間距而形成一第四空氣介質層；以及一第二傳輸線裝置，形成於該第二介質層面對該第二接地金屬板之一面，用來傳輸射頻訊號至該第五至該第八陣列天線；以及一饋入裝置，耦接於該第一傳輸線裝置及該第二傳輸線裝置，用來交替輸出射頻訊號至該第一複合天線及該第二複合天線，以透過該第一複合天線或該第二複合天線發射無線電訊號，並切換輸出至該第一至該第八陣列天線之射頻訊號的相位，以改變該第一至該第八陣列天線所產生之波束的特性。

請參考第1A、1B、1C圖，第1A圖為本發明實施例一天線系統10之等視角示意圖，第1B圖為天線系統10之上視示意圖，而第1C圖為天線系統10之後斜視角示意圖。第1A、1B、1C圖及後續圖示中標示有x、y、z之座標系，用以表示天線系統10之空間關係。天線系統10用以收發無線電訊號，並可提供4×4多輸入多輸出功能，其包含有一第一複合天線12、一第二複合天線14及一饋入裝置16（未繪示於第1A、1B、1C圖）。第一複合天線12包含有一介質層120、一接地金屬板122、一傳輸線裝置124、一反射板126及陣列天線ANT_1～ANT_4，而第二複合天線14包含有一介質層140、一接地金屬板142、一傳輸線裝置144、一反射板146及陣列天線ANT_5～ANT_8。第一複合天線12與第二複合天線14以單邊固定，兩者間之夾角為ANG，且夾角ANG大致介於70度至150度之間，其主要相關於天線系統10的增益值與波束覆蓋率，較佳地為120度。當夾角ANG增加時，增益值可提高但波束覆蓋率會下降；反之，若減小夾角ANG，增益值雖減低但可改善波束覆蓋率。陣列天線ANT_1～ANT_8皆為1×2陣列天線，即各別包含二個上下排列之單元天線U，而每一單元天線U具有相同的結構及尺寸。

第一複合天線12及第二複合天線14之結構相似，其由下至上（背面至表面）依序為反射板126、146、介質層120、140、傳輸線裝置124、144、接地金屬板122、142以及陣列天線ANT_1～ANT_8，且陣列天線ANT_1～ANT_8以4×4矩陣方式排列而固定於接地金屬板122、142之上。關於第一複合天線12及第二複合天線14之詳細結構以下以第一複合天線12之陣列天線ANT_1為例說明，請一併參考第2A至2D圖，第2A至2D圖分別為陣列天線ANT_1之剖面示意圖、外觀示意圖、移除單元天線U後之示意圖以及移除接地金屬板122後之示意圖。在天線系統10中，單元天線U為雙極化微帶天線，即其可產生垂直極化及水平極化的輻射場形。在此情形下，為了使單元天線U可正確運作，本發明實施例採用複合式饋入方式，即利用直接饋入及耦合饋入來將射頻訊號傳送至單元天線U。詳細來說，如第2A至2D圖所示，傳輸線裝置124形成於介質層120上，其包含四個傳輸線模組TXM分別對應於陣列天線ANT_1～ANT_4（第2B至2D圖僅繪示對應於陣列天線ANT_1之傳輸線模組TXM），而每一傳輸線模組TXM係由傳輸線TL_1、TL_2所組成，並電性連接於饋入裝置16（未繪示於第2A至2D圖），用以將射頻訊號饋入至單元天線U。其中，傳輸線TL_1對應於垂直極化操作，其未電性連接於單元天線U，而是搭配接地金屬板122上的槽孔SL（如第2C圖所示），以耦合饋入方式將射頻訊號傳輸至單元天線U。傳輸線TL_2則對應於水平極化操作，其具有饋入件PB電性連接於單元天線U（如第2A、2C、2D圖所示），用來以直接饋入方式將射頻訊號傳輸至單元天線U；其中，接地金屬板122另包含對應於饋入件PB的槽孔，使饋入件PB可穿過接地金屬板122。此外，由第2A圖可知，接地金屬板122分別與介質層120及單元天線U間隔間距G1、G2，而形成空氣介質層ARL_1、ARL_2，其主要目的為降低傳輸線的能量損耗。進一步地，請參考第3A、3B圖，第3A、3B圖為第一複合天線12不同角度的局部放大示意圖，藉此可了解各元件的相對關係。

接下來，請參考第4圖，第4圖為天線系統10中饋入裝置16之功能方塊圖。饋入裝置16電性連接於傳輸線裝置124、144，可透過傳輸線裝置124、144而交替輸出射頻訊號至第一複合天線12及第二複合天線14，使同一時間只有一個複合天線被開啟，而另一複合天線被關閉，並且，同一複合天線內的四個陣列天線是被同時開啟，或者是被同時關閉。在此情形下，藉由饋入裝置16的操作，加上單元天線U是雙極化天線，因此，天線系統10可以提供4×4多輸入多輸出功能。此外，饋入裝置16可切換輸出至陣列天線ANT_1～ANT_8之射頻訊號的相位，以改變陣列天線ANT_1～ANT_8所產生之波束的特性，從而增加水平切面（即x-y平面）上波束覆蓋的範圍。

詳細來說，饋入裝置16包含有饋入模組400、402、404、406，其分別對應於陣列天線ANT_1～ANT_8中兩水平相鄰之陣列天線。也就是說，饋入模組400透過傳輸線裝置124（的二個傳輸線模組TXM）輸出射頻訊號至水平相鄰之陣列天線ANT_1、ANT_2，饋入模組402透過傳輸線裝置124（的二個傳輸線模組TXM）輸出射頻訊號至水平相鄰之陣列天線ANT_3、ANT_4，饋入模組404透過傳輸線裝置144（的二個傳輸線模組TXM）輸出射頻訊號至水平相鄰之陣列天線ANT_5、ANT_6，以及饋入模組406透過傳輸線裝置144（的二個傳輸線模組TXM）輸出射頻訊號至水平相鄰之陣列天線ANT_7、ANT_8。在此情形下，水平相鄰之陣列天線ANT_1、ANT_2可形成第一組波束形成（Beamforming），水平相鄰之陣列天線ANT_3、ANT_4可形成第二組波束形成，水平相鄰之陣列天線ANT_5、ANT_6可形成第三組波束形成，以及水平相鄰之陣列天線ANT_7、ANT_8可形成第四組波束形成，藉此可增加波束覆蓋的範圍。更進一步地，饋入模組400、402、404、406可切換輸出至陣列天線ANT_1～ANT_8之射頻訊號的相位，以改變陣列天線ANT_1～ANT_8所產生之波束的特性，進而增加水平切面上的波束覆蓋範圍。

饋入模組400、402、404、406之架構相同，以下以饋入模組400為例進行說明。請參考第5A圖，第5A圖為饋入模組400之一實施例之功能方塊圖。在此實施例中，饋入模組400包含一功率分配器500及相位平移器502、504。功率分配器500為一對二功率分配器，即包含一輸入端及二輸出端，用以由輸入端接收一訊號源之訊號，並將訊號源產生之射頻訊號分配至二輸出端，以傳送至相位平移器502、504，進而透過傳輸線裝置124（的二個傳輸線模組TXM）輸出射頻訊號至水平相鄰之陣列天線ANT_1、ANT_2。要達成同一時間只有一個複合天線被開啟，在一實施例中，可於訊號源與功率分配器500間增加開關電路，利用開關電路控制訊號源與功率分配器500間的連結。然而，不限於此，任何可使同一時間只有一個複合天線被開啟而另一複合天線被關閉之方式皆可用於本發明。此外，訊號源僅是表示射頻處理電路的輸出訊號，而饋入模組400、402、404、406所連接的訊號源可以整合為同一訊號源或多個訊號源。另一方面，相位平移器502、504可切換操作於不同相位平移方式，以切換輸出至傳輸線模組TXM之射頻訊號的相位，而可進一步使功率分配器500輸出之射頻訊號以複數個相位狀態傳送至單元天線U。其中，在一相位狀態中，相位平移器502、504所輸出之射頻訊號不具相位差，而在其它相位狀態，相位平移器502、504所輸出之射頻訊號則具有相位差。如此一來，利用不同相位狀態，陣列天線ANT_1～ANT_8所接收之射頻訊號可具有不同相位差或不具相位差，而可在水平切面產生向左偏、向右偏或不偏的波束，因而增加水平切面的波束覆蓋範圍。

舉例來說，若相位平移器502、504皆具有0度和110度兩種相位平移方式，且相位平移器502輸出之射頻訊號經由傳輸線模組TXM傳送至陣列天線ANT_1，而相位平移器504輸出之射頻訊號經由傳輸線模組TXM傳送至陣列天線ANT_2。在一第一相位狀態中，相位平移器502、504皆操作於0度相位平移方式，即相位平移器502、504所輸出之射頻訊號不具有相位差，則陣列天線ANT_1、ANT_2所接收之射頻訊號為0度差的連續相位輸入。在一第二相位狀態中，相位平移器502操作於0度相位平移方式，相位平移器504操作於110度相位平移方式，則陣列天線ANT_1、ANT_2所接收之射頻訊號為+110度差的連續相位輸入。在一第三相位狀態中，相位平移器502操作於110度相位平移方式，相位平移器504操作於0度相位平移方式，則陣列天線ANT_1、ANT_2所接收之射頻訊號為-110度差的連續相位輸入。換句話說，在第一相位狀態、第二相位狀態、第三相位狀態中，陣列天線ANT_1、ANT_2的輸入相位值分別為波束不偏的0度差連續輸入、波束向右偏的+110度差連續輸入和波束向左偏的-110度差連續輸入，因而可以形成三種波束來增加水平切面的波束覆蓋範圍。因此，只要適度切換或調整相位平移器502的相位平移方式，即可使陣列天線ANT_1、ANT_2具有不同角度的相位輸入，據此可產生不同波束，以增加水平切面的波束覆蓋範圍。

要達成相位平移器502分別具有兩種相位平移方式，在一實施例中，可利用切換器與延遲單元的組合。舉例來說，請參考第5B圖，第5B圖為相位平移器502之一實施例之示意圖。在此實施例中，相位平移器502包含有一切換器508、一延遲單元510及一輸出線512。切換器508耦接於功率分配器500，其可根據不同相位狀態，而將功率分配器500輸出之射頻訊號輸出至延遲單元510或輸出線512。在此實施例中，延遲單元510對應於110度相位平移方式，可將射頻訊號的相位延遲110度；而輸出線512則對應於0度相位平移方式，亦即不改變射頻訊號的相位。如此一來，只要透過切換器508切換輸出射頻訊號至延遲單元510或輸出線512，就可以達成110度或0度的相位差。

由上述可知，天線系統10不需形成環狀結構，因此可節省成本與縮小體積，使外觀上接近平板狀，適合外掛於牆上。就天線結構而言，單元天線U為雙極化微帶天線，且採用複合式饋入方式，同時具有直接饋入及耦合饋入，可有效改善垂直極化和水平極化天線的特性，包括共振頻寬和場形前後比。再者，陣列天線ANT_1～ANT_8中任兩水平相鄰之陣列天線可搭配而執行波束形成，使同一複合天線中具有兩組波束形成天線，再加上饋入裝置16同一時間只開啟一個複合天線被，而關閉另一複合天線，因此藉由波束的切換可以增加天線系統在水平切面上的波束覆蓋，進而可達到半面波束覆蓋，並提供系統4×4多輸入多輸出功能。另一方面，饋入裝置16並透過改變陣列天線ANT_1～ANT_8所接收之射頻訊號的相位排列，而改變波束形成時波束的方向，進而增加每個複合天線在水平切面的波束覆蓋範圍。

為了驗證天線系統10之功能，首先，經由HFSS模擬軟體的計算，可以獲得天線系統10中陣列天線ANT_1的共振特性及隔離度示意圖，如第6圖所示，其中粗實線及細實線分別表示垂直及水平極化天線的共振特性（S-參數），可知陣列天線ANT_1的S11小於-10.9dB，且適用於長期演進無線通訊系統中Band48使用頻段（如第6圖中B48區域）。同時，第6圖中虛線表示陣列天線ANT_1內部垂直極化天線和水平極化天線之間的隔離度（S-參數），可知兩者間的隔離度大於24.2dB。而其它陣列天線亦有相近特性，不另贅述。

接著，第7A圖為陣列天線ANT_1與陣列天線ANT_2的垂直極化天線當兩者具有0度相位差時在波束合成之後，在3550MHz時，垂直切面（即x-z平面）上的增益值場形圖（其中虛線、實線分別表示垂直切面上不同極化方向的增益值場形，即同極化(Co-pol)和交叉極化(Cx-pol)的增益值場形）；此時的3dB波束寬度約為41度，可滿足無線通訊需求。而第7B圖為陣列天線ANT_1與陣列天線ANT_2的水平極化天線在波束合成之後，在3550MHz時，垂直切面上的增益值場形圖（其中虛線、實線分別表示垂直切面上不同極化方向的增益值場形，即Co-pol和Cx-pol的增益值場形）；此時的3dB波束寬度約為43度，亦可滿足無線通訊需求。換言之，陣列天線ANT_1與陣列天線ANT_2的垂直及水平極化天線在波束合成之後，在垂直切面上皆具足夠波束寬度。

另一方面，如前所述，饋入裝置16可改變陣列天線ANT_1～ANT_8所接收之射頻訊號的相位排列方式，而可在水平切面產生向左偏、向右偏或不偏的波束，因而可形成三波束來增加波束覆蓋的範圍。首先，當陣列天線ANT_1、ANT_2需輸出不偏的波束時，即第5A圖之相位平移器502、504操作於0度相位平移方式，對應之水平切面上的增益值場形圖係如第8A、8B圖所示。其中，第8A圖為陣列天線ANT_1與陣列天線ANT_2的垂直極化天線在波束合成之後，在3550MHz時，水平切面上的增益值場形圖（其中虛線、實線分別表示水平切面上不同極化方向的增益值場形，即Co-pol和Cx-pol的增益值場形），此時的3dB波束寬度約為44度。而第8B圖為陣列天線ANT_1與陣列天線ANT_2的水平極化天線在波束合成之後，在3550MHz時，水平切面上的增益值場形圖（其中虛線、實線分別表示水平切面上不同極化方向的增益值場形，即Co-pol和Cx-pol的增益值場形），此時的3dB波束寬度約為38度。因此，由第8A、8B圖可知，陣列天線ANT_1與陣列天線ANT_2在波束合成之後的3dB波束寬度尚不足60度，無法滿足特定無線通訊需求（如120度的涵蓋範圍）。

接下來，相位平移器502操作於0度相位平移方式，相位平移器504操作於110度相位平移方式，則陣列天線ANT_1、ANT_2所接收之射頻訊號為+110度差的連續相位輸入，對應之水平切面上的增益值場形圖係如第9A、9B圖所示。其中，第9A圖為陣列天線ANT_1與陣列天線ANT_2的垂直極化天線在波束合成之後，在3550MHz時，水平切面上的增益值場形圖（其中虛線、實線分別表示水平切面上不同極化方向的增益值場形，即Co-pol和Cx-pol的增益值場形）；而第9B圖為陣列天線ANT_1與陣列天線ANT_2的水平極化天線在波束合成之後，在3550MHz時，水平切面上的增益值場形圖（其中虛線、實線分別表示水平切面上不同極化方向的增益值場形，即Co-pol和Cx-pol的增益值場形）。因此，由第9A、9B圖可知，當相位平移器502操作於0度相位平移方式，且相位平移器504操作於110度相位平移方式時，陣列天線ANT_1與陣列天線ANT_2在波束合成之後可在水平切面上產生向右偏移的場形。

最後，相位平移器502操作於110度相位平移方式，相位平移器504操作於0度相位平移方式，則陣列天線ANT_1、ANT_2所接收之射頻訊號為-110度差的連續相位輸入，對應之水平切面上的增益值場形圖係如第10A、10B圖所示。其中，第10A圖為陣列天線ANT_1與陣列天線ANT_2的垂直極化天線在波束合成之後，在3550MHz時，水平切面上的增益值場形圖（其中虛線、實線分別表示水平切面上不同極化方向的增益值場形，即Co-pol和Cx-pol的增益值場形）；而第10B圖為陣列天線ANT_1與陣列天線ANT_2的水平極化天線在波束合成之後，在3550MHz時，水平切面上的增益值場形圖（其中虛線、實線分別表示水平切面上不同極化方向的增益值場形，即Co-pol和Cx-pol的增益值場形）。因此，由第10A、10B圖可知，當相位平移器502操作於110度相位平移方式，且相位平移器504操作於0度相位平移方式時，陣列天線ANT_1與陣列天線ANT_2在波束合成之後可在水平切面上產生向左偏移的場形。

由第8A至10B圖可知，透過改變相位平移器502、504的相位平移方式，陣列天線ANT_1與陣列天線ANT_2在波束合成之後可在水平切面上產生三波束，其可整合為如第11A、11B圖所示之場形波束覆蓋圖。其中，第11A圖為第一複合天線12的陣列天線ANT_1與陣列天線ANT_2的垂直極化天線與第二複合天線14的陣列天線ANT_5與陣列天線ANT_6的垂直極化天線在水平切面上的波束覆蓋圖；此時，在120度的波束覆蓋範圍內，天線增益值約11.6至12.8dBi，最大值接近於13dBi。而第11B圖為第一複合天線12的陣列天線ANT_1與陣列天線ANT_2的水平極化天線與第二複合天線14的陣列天線ANT_5與陣列天線ANT_6的水平極化天線在水平切面上的波束覆蓋圖；此時，在120度的波束覆蓋範圍內，天線增益值約11.2至12.7dBi，最大值也接近於13dBi。因此，透過饋入裝置16，天線系統10可達成半面波束覆蓋，且波束可以覆蓋至少120度的範圍，並具有良好的天線增益值。

需注意的是，天線系統10為本發明之實施例，本領域具通常知識者當可據以做不同的變化及修飾。舉例來說，天線系統10之第一複合天線12與第二複合天線14除了以單邊連接而相互固定外，亦可以一連接軸而互相連接，或是兩者可不電性連接而固定在一底座上。此外，第一複合天線12與第二複合天線14係依據特定的夾角ANG而相對固定，但第一複合天線12與第二複合天線14亦可經適當機構設計後，使夾角ANG可在一定的角度區間內變動，以增加訊號收發的靈活性，並確保架設與使用上的便利性，亦屬本發明之範疇。此外，傳輸線裝置124、144用以傳送射頻訊號，其中傳輸線TL_1、TL_2的形狀、位置、延伸長度等可適當調整，且不限於直接饋入與耦合饋入的組合，只要能維持天線效能，亦可皆為直接饋入或皆為耦合饋入。介質層120可以是FR4、塑膠基板等，但不限於此。反射板126、146的目的是反射背向輻射的電磁波，用以改善天線輻射場形的前後比（F/B），在不同應用中，可視系統需求而調整其形狀、位置、材質等，或者由天線系統10移除。接地金屬板122與介質層120及單元天線U的間距G1、G2係用以形成空氣介質層ARL_1、ARL_2，以降低傳輸線的能量損耗，可根據不同應用而適當調整間距G1、G2。另一方面，饋入裝置16在同一時間僅開啟一個複合天線而可達成4×4多輸入多輸出功能，並透過改變相位排列而改變波束形成方式，凡可達成此功能者皆適用於本發明。

綜上所述，本發明之天線系統的外觀接近平板狀，可縮小體積，可有效提升增益值、隔離度及操作頻寬，可提供4×4多輸入多輸出功能，並可有效提升水平切面及垂直切面的波束覆蓋範圍。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10‧‧‧天線系統

12‧‧‧第一複合天線

14‧‧‧第二複合天線

16‧‧‧饋入裝置

120、140‧‧‧介質層

124、144‧‧‧傳輸線裝置

122、142‧‧‧接地金屬板

126、146‧‧‧反射板

ANT_1～ANT_8‧‧‧陣列天線

U‧‧‧單元天線

TXM‧‧‧傳輸線模組

TL_1、TL_2‧‧‧傳輸線

ANG‧‧‧夾角

G1、G2‧‧‧間距

ARL_1、ARL_2‧‧‧空氣介質層

400、402、404、406‧‧‧饋入模組

SL‧‧‧槽孔

PB‧‧‧饋入件

500‧‧‧功率分配器

502、504‧‧‧相位平移器

508‧‧‧切換器

510‧‧‧延遲單元

512‧‧‧輸出線

第1A圖為本發明實施例一天線系統之等視角示意圖。第1B圖為第1A圖之天線系統之上視示意圖。第1C圖為第1A圖之天線系統之後斜視角示意圖。第2A至2D圖分別為第1A圖中一陣列天線之剖面示意圖、外觀示意圖、移除單元天線後之示意圖以及移除接地金屬板後之示意圖。第3A、3B圖為第1A圖中一第一複合天線不同角度的局部放大示意圖。第4圖為第1A圖之天線系統中一饋入裝置之功能方塊圖。第5A圖為第4圖中一饋入模組之一實施例之功能方塊圖。第5B圖為第5A圖中一相位平移器之一實施例之示意圖。第6圖為第1A圖之天線系統中一陣列天線的共振特性及隔離度示意圖。第7A圖為第1A圖之天線系統中二陣列天線的垂直極化天線在波束合成之後垂直切面上的增益值場形圖。第7B圖為第1A圖之天線系統中二陣列天線的水平極化天線在波束合成之後垂直切面上的增益值場形圖。第8A圖為第1A圖之天線系統中二陣列天線的垂直極化天線當兩者相位差為0度時，其在波束合成之後水平切面上的增益值場形圖。第8B圖為第1A圖之天線系統中二陣列天線的水平極化天線當兩者相位差為0度時，其在波束合成之後水平切面上的增益值場形圖。第9A圖為第1A圖之天線系統中二陣列天線的垂直極化天線當兩者相位差為+110度時，其在波束合成之後水平切面上的增益值場形圖。第9B圖為第1A圖之天線系統中二陣列天線的水平極化天線當兩者相位差為+110度時，其在波束合成之後水平切面上的增益值場形圖。第10A圖為第1A圖之天線系統中二陣列天線的垂直極化天線當兩者相位差為-110度時，其在波束合成之後水平切面上的增益值場形圖。第10B圖為第1A圖之天線系統中二陣列天線的水平極化天線當兩者相位差為-110度時，其在波束合成之後水平切面上的增益值場形圖。第11A圖為第1A圖之天線系統中二陣列天線的垂直極化天線在水平切面上的波束覆蓋圖。第11B圖為第1A圖之天線系統中二陣列天線的水平極化天線在水平切面上的波束覆蓋圖。

Claims

一種天線系統，用來收發無線電訊號，包含有：一第一複合天線，包含：一第一介質層；一第一接地金屬板，固定於該第一介質層之上，並與該第一介質層間隔一第一間距而形成一第一空氣介質層；一第一、一第二、一第三及一第四陣列天線，以一4×4矩陣方式排列而固定於該第一接地金屬板之上，並與該第一接地金屬板間隔一第二間距而形成一第二空氣介質層；以及一第一傳輸線裝置，形成於該第一介質層面對該第一接地金屬板之一面，用來傳輸射頻訊號至該第一至該第四陣列天線；一第二複合天線，以一夾角而相對該第一複合天線固定，包含：一第二介質層；一第二接地金屬板，固定於該第二介質層之上，並與該第二介質層間隔一第三間距而形成一第三空氣介質層；一第五、一第六、一第七及一第八陣列天線，以該4×4矩陣方式排列而固定於該第二接地金屬板之上，並與該第二接地金屬板間隔一第四間距而形成一第四空氣介質層；以及一第二傳輸線裝置，形成於該第二介質層面對該第二接地金屬板之一面，用來傳輸射頻訊號至該第五至該第八陣列天線；以及一饋入裝置，耦接於該第一傳輸線裝置及該第二傳輸線裝置，用來交替輸出射頻訊號至該第一複合天線及該第二複合天線，以透過該第一複合天線或該第二複合天線發射無線電訊號，並切換輸出至該第一至該第八陣列天線之射頻訊號的相位，以改變該第一至該第八陣列天線所產生之波束的特性。
如請求項1所述之天線系統，其中該夾角介於70度至150度之間。
如請求項1所述之天線系統，其中該第一至該第八陣列天線分別為一1×2陣列天線，該1×2陣列天線包含二單元天線，且該二單元天線具有相同的結構及尺寸。
如請求項3所述之天線系統，其中該饋入裝置包含有四饋入模組，分別對應於該第一至該第八陣列天線中兩水平相鄰之陣列天線，每一饋入模組包含有：一功率分配器，包含有一輸入端，耦接於一訊號源，及二輸出端，用來將該訊號源產生之射頻訊號分配至該二輸出端；一第一相位平移器，耦接於該二輸出端之一輸出端，並透過該第一傳輸線裝置或該第二傳輸線裝置而耦接於該兩水平相鄰之陣列天線之一陣列天線，用來將該功率分配器輸出之射頻訊號以複數個相位狀態傳送至該陣列天線；以及一第二相位平移器，耦接於該二輸出端之另一輸出端，並透過該第一傳輸線裝置或該第二傳輸線裝置而耦接於該兩水平相鄰之陣列天線之另一陣列天線，用來將該功率分配器輸出之射頻訊號以該複數個相位狀態傳送至該另一陣列天線；其中，於該複數個相位狀態中一相位狀態，該第一相位平移器與該第二相位平移器所輸出之射頻訊號不具相位差，而於該複數個相位狀態中其它相位狀態，該第一相位平移器與該第二相位平移器所輸出之射頻訊號具有相位差；其中，該第一相位平移器及該第二相位平移器分別於至少二相位平移方式間切換，以切換輸出至該兩水平相鄰之陣列天線之射頻訊號的相位。
如請求項4所述之天線系統，其中該第一相位平移器及該第二相位平移器之每一相位平移器包含有：一輸出線，耦接於該第一傳輸線裝置或該第二傳輸線裝置，對應於該至少二相位平移方式之一相位平移方式；一延遲單元，耦接於該第一傳輸線裝置或該第二傳輸線裝置，對應於該至少二相位平移方式之另一相位平移方式；以及一切換器，耦接於該輸出線及該延遲單元，用來將該功率分配器輸出之射頻訊號輸出至該輸出線及該延遲單元其中之一。
如請求項3所述之天線系統，其中該二單元天線之每一單元天線係一雙極化微帶天線。
如請求項6所述之天線系統，其中該第一傳輸線裝置及該第二傳輸線裝置分別包含四傳輸線模組，對應於該第一至該第八陣列天線，每一傳輸線模組包含有：一第一傳輸線，電性連接於該饋入裝置而未電性連接於該雙極化微帶天線，用來以耦合饋入方式傳輸射頻訊號至該雙極化微帶天線；以及一第二傳輸線，電性連接於該雙極化微帶天線與該饋入裝置，用來以直接饋入方式傳輸射頻訊號至該雙極化微帶天線；其中，該第一接地金屬板及該第二接地金屬板另形成有複數個槽孔，對應於該第一傳輸線。
如請求項1所述之天線系統，其中該第一複合天線另包含一第一反射板，設置於該第一介質層之下，而該第二複合天線另包含一第二反射板，設置於該第二介質層之下。