TWI683480B

TWI683480B - 雙模式天線陣列及具有雙模式天線陣列的電子裝置

Info

Publication number: TWI683480B
Application number: TW107132359A
Authority: TW
Inventors: 施佑霖; 杜昆諺; 黃健豪; 顏紅方
Original assignee: 泓博無線通訊技術有限公司
Priority date: 2018-09-12
Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2020-01-21
Also published as: TW202011641A

Abstract

一種雙模式天線陣列，包括雙模式天線、開關、傳輸線以及天線單元。雙模式天線具有第一饋入端，雙模式天線操作於第一頻帶與第二頻帶。開關具有第一端與第二端，開關的第一端連接雙模式天線的第一饋入端。開關的第二端連接傳輸線，其中雙模式天線在第一頻帶與第二頻帶的阻抗為傳輸線的阻抗的二分之一倍至一倍之間。天線單元具有第二饋入端，天線單元的第二饋入端通過傳輸線連接開關的第二端，其中天線單元在第一頻帶與第二頻帶的阻抗相同於傳輸線的阻抗。藉此，利用簡單饋入的設計，輻射場型控制與降低製造成本都能達成。

Description

雙模式天線陣列及具有雙模式天線陣列的電子裝置

本發明有關於一種天線，且特別是一種雙模式天線陣列及具有雙模式天線陣列的電子裝置。

天線的輻射場型依據天線基本工作原理而有所差異，例如偶極天線(dipole antenna)能夠產生全向性(omnidirectional)的輻射場型，平板天線(patch antenna)能夠產生側向(broadside)的輻射場型。各種輻射場型有不同的應用，例如，全向性的輻射場型適用於終端裝置，以讓終端裝置可以接收到各方向的無線訊號。又例如，基地台天線，如無線網路接取器(wireless access point)的天線，則可能需要能夠產生特定方向的輻射場型，以與位於各種特定位置的終端裝置能更進行無線通訊。

一般而言，雖然可用陣列天線控制特定輻射場型，但陣列天線的控制電路(包括開關、相位控制及饋入網路等)引入了更多的傳輸損耗的問題。再者，現行電子裝置的無線傳輸通常需要多頻帶傳輸的功能，製造商必須製造多頻工作的無線模組(包括天線)。若要使用具有多個天線(陣列)的設計，又要同時兼具多頻帶操作，例如常見用於無線區域網路的2.4GHz頻帶及5GHz頻帶的操作需求，選擇傳統的陣列天線設計所使用的多個開關、多個饋入網路除了要詳加考慮傳輸損耗的問題，更要考慮饋入網路殘段在多頻(或雙頻)工作時對不同頻帶的阻抗影響特性，尤其在現行電子裝置對於天線要求輕薄短小的情況下，提供雙頻以上操作的饋入網路的電路面積相當大(可能比天線陣列還大，而造成天線陣列模組整體體積難以縮小)，使得傳統上使用需要複雜的饋入網路在實現雙頻(或多頻)操作時會造成天線陣列產品製造成本的大幅增加。

為了解決前述的先前技術問題，本發明實施例提供一種雙模式天線陣列，包括雙模式天線、開關、傳輸線以及天線單元。雙模式天線具有第一饋入端，雙模式天線操作於第一頻帶與第二頻帶。開關具有第一端與第二端，開關的第一端連接雙模式天線的第一饋入端。開關的第二端連接傳輸線，其中雙模式天線在第一頻帶與第二頻帶的阻抗為傳輸線的阻抗的二分之一倍至一倍之間。天線單元具有第二饋入端，天線單元的第二饋入端通過傳輸線連接開關的第二端，其中天線單元在第一頻帶與第二頻帶的阻抗相同於傳輸線的阻抗。

本發明實施例提供一種具有雙模式天線陣列的電子裝置，包括如前述的雙模式天線陣列、應用單元以及控制單元，其中雙模式天線陣列的雙模式天線的第一饋入端與開關的第一端連接電子裝置的無線晶片。應用單元連接無線晶片，由無線晶片接收雙模式天線陣列的接收信號強度指示或接收資料率。控制單元連接應用單元與開關，以決定是否將開關的第一端導通至第二端，以控制雙模式天線陣列的輻射場型。

綜上所述，本發明實施例提供一種雙模式天線陣列及具有雙模式天線陣列的電子裝置，利用雙模式天線其輸入阻抗可搭配單天線工作模式與雙天線工作模式的特性，使雙模式天線陣列在雙頻工作的需求下不需要使用複雜的雙頻饋入網路，且僅需使用一個開關。在使用雙模式天線與簡單饋入的設計，使得輻射場型控制的目的與製造成本的降低都能同時達成，且控制電路易於實現，具有很高的產業應用價值。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅是用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

1‧‧‧雙模式天線陣列

11‧‧‧雙模式天線

12‧‧‧開關

13‧‧‧傳輸線

14‧‧‧天線單元

119‧‧‧第一饋入端

121‧‧‧第一端

122‧‧‧第二端

149‧‧‧第二饋入端

A0、A1‧‧‧曲線

123‧‧‧第三端

129‧‧‧開路線路

111‧‧‧第一部件

112‧‧‧第二部件

9‧‧‧接地緣

111a‧‧‧第一耦合段

112a‧‧‧第二耦合段

141‧‧‧第三部件

142‧‧‧第四部件

141a‧‧‧第三耦合段

142a‧‧‧第四耦合段

100‧‧‧基板

9a‧‧‧凸出部

2‧‧‧應用單元

3‧‧‧控制單元

4‧‧‧無線晶片

X、Y、Z‧‧‧軸

圖1是本發明實施例提供的雙模式天線陣列的透視圖。

圖2是本發明另一實施例提供的雙模式天線陣列的示意圖。

圖3是本發明實施例提供的雙模式天線陣列的返回損失圖。

圖4是本發明實施例提供的雙模式天線陣列只有其雙模式天線工作於2.4GHz時的X-Y平面輻射場型圖。

圖5是本發明實施例提供的雙模式天線陣列只有其雙模式天線工作於5.4GHz時的X-Y平面輻射場型圖。

圖6是本發明實施例提供的雙模式天線陣列工作於2.4GHz時的X-Y平面輻射場型圖。

圖7是本發明實施例提供的雙模式天線陣列工作於5.4GHz時的X-Y平面輻射場型圖。

圖8是本發明另一實施例提供的雙模式天線陣列的示意圖。

圖9是本發明實施例提供的具有雙模式天線陣列的電子裝置的方塊圖。

請參照圖1，圖1是本發明實施例提供的雙模式天線陣列的透視圖。雙模式天線陣列1包括雙模式天線11、開關12、傳輸線13以及天線單元14。圖1實施例的雙模式天線11與天線單元14都是使用雙面印刷電路板技術實現，並被製作於基板100。雙模式天線11具有第一饋入端119，雙模式天線11操作於第一頻帶與第二頻帶。開關12具有第一端121與第二端122，開關12的第一端121連接雙模式天線11的第一饋入端119，開關12的第二端122連接傳輸線13，開關12例如以設置於基板100的表面黏著元件實現。雙模式天線11在第一頻帶與第二頻帶的阻抗為傳輸線13的阻抗的二分之一倍至一倍之間，例如傳輸線13阻抗為100歐姆，則雙模式天線11在第一頻帶與第二頻帶的阻抗是介於50歐姆至100歐姆之間。上述第一頻帶例如是2.4GHz頻帶，第二頻帶例如是5GHz頻帶(例如WiFi頻帶)。天線單元14具有第二饋入端149，天線單元14的第二饋入端149通過傳輸線13連接開關12的第二端122，其中天線單元14在第一頻帶與第二頻帶的阻抗相同於傳輸線13的阻抗，例如為100歐姆。本實施例的開關12例如是二極體，通常是射頻二極體。

再者，除了以雙端點的元件實現開關12之外，在圖2的另一實施例中，開關12是一對二開關，除了第一端121、第二端122之外，開關12更具有第三端123，開關12的第三端123連接開路線路129(見圖2)，開路線路129可以是開關12其內部結構連接第三端123的導體，或者開路線路129是連接於第三端123的一個導體線路，例如是開關12之外且位於電路板上的金屬線，所述電路板用以承載開關12，例如是圖1的基板100。不論是圖1或圖2的實施例，開關12受控於控制信號以選擇操作狀態於模式零(Mode 0)或模式一(Mode 1)，在圖1與圖2都中省略了傳送控制信號至開關12的控制線。在圖1實施例中，所述模式零是使開關12的第一端121與第二端122不導通(也就是斷路)，使天線單元14沒有接收到饋入信號。在圖2實施例中，所述模式零是將第一端121導通至第三端123，使天線單元14沒有接收到饋入信號。饋入信號的來源端的射頻線路阻抗值通常是50歐姆，經過適當設計可讓雙模式天線11的阻抗值接近於50歐姆的匹配狀態，但也要符合模式一的工作阻抗，故雙模式天線11在第一頻帶與第二頻帶的阻抗較佳是介於50歐姆至100歐姆之間。對於圖2實施例，較佳的，當開關12的操作狀態為模式零時，開關12的第一端121、第三端123與開路線路129導通成為開關線路殘段(具有一特定阻抗值)，雙模式天線11與開關線路殘段並聯的輸入阻抗為傳輸線13的阻抗的二分之一，也就是50歐姆，以達到阻抗匹配。

另一方面，模式一是將第一端121導通至第二端122，使天線單元14利用第二饋入端149接收到饋入信號，讓天線單元14與雙模式天線11構成天線陣列的運作。天線單元14在第一頻帶與第二頻帶的阻抗值等於或接近於傳輸線13的100歐姆，此時雙模式天線11與天線單元14構成並聯線路，以達成並聯後阻抗接近於50歐姆。換句話說，較佳的，當開關12的操作狀態為模式一時，雙模式天線11與天線單元14利用開關12並聯的輸入阻抗為傳輸線13的阻抗的二分之一。請參照圖3的返回損失圖，曲線A0是模式零時的返回損失，此時只有雙模式天線11運作。而曲線A1是模式一時的返回損失，此時雙模式天線11與天線單元14作為天線陣列的狀態運作。其中，可見兩種模式在第一頻帶(2.4GHz頻帶)的返回損失曲線都不是最佳，因為要使兩種模式皆能有適當的阻抗值且匹配頻率點的偏移在可接受範圍，此是雙模式天線陣列1的特別設計特徵與功效。另外，第二頻帶(5GHz頻帶)的返回損失由於匹配良好的頻寬較寬，故在本實施例中無需特別考量。

請再參照圖1，為了達成雙頻操作，圖1的雙模式天線11與天線單元14是一較佳實施例。雙模式天線11具有第一部件111與第二部件112，第一部件111在基板100的上表面，第二部件112在基板100的下表面。第一部件111連接第一饋入端119，第一部件111用以產生第二頻帶(例如為5GHz頻帶)的操作模態，第二部件112耦合第一部件111以產生第一頻帶(例如為2.4GHz頻帶)的操作模態。第一部件111是單極天線，第二部件112連接接地緣9，第一部件111的第一耦合段111a平行於第二部件112的第二耦合段112a而耦合能量。在圖1中，第一耦合段111a與第二耦合段112a皆平行於接地緣9，其中接地緣9位於基板100的下表面，但本發明並不因此限定。天線單元14具有第三部件141與第四部件142，第三部件141在基板100的上表面，第四部件142在基板100的下表面。第三部件141連接第二饋入端149，第三部件141用以產生第二頻帶(例如為5GHz頻帶)的操作模態，第四部件142耦合第三部件141以產生第一頻帶(例如為2.4GHz頻帶)的操作模態。第三部件141是單極天線，第四部件142連接接地緣9，第三部件141的第三耦合段141a平行於第四部件142的第四耦合段142a而耦合能量。在圖1中，第三耦合段141a與第四耦合段142a皆平行於接地緣9，但本發明並不因此限定。

請參照圖4、圖5、圖6與圖7的輻射場型圖。在模式零，第一頻帶的輻射場型圖由圖4所顯示，第二頻帶的輻射場型圖由圖5所顯示。在模式一，第一頻帶的輻射場型圖由圖6所顯示，第二頻帶的輻射場型圖由圖7所顯示。可見兩種模式的輻射場型有明顯差異。並且，因應天線結構的差異，雙模式天線11與天線單元14的空間間距、接地緣9的形狀、傳輸線13的長度所造成的相位差異，甚至此雙模式天線陣列所應用的電子裝置本身的結構(尤其是導體、金屬的部分)，使兩種模式的輻射場型都可能會有進一步的不同，其端看實際應用產品的設計考量。

請參照圖8，圖8是本發明另一實施例提供的雙模式天線陣列的示意圖，其中實線部分代表是基板100的上表面的線路，虛線部分代表基板100的下表面的線路。基於接地緣9的不同，接地緣9在雙模式天線11與天線單元14兩者之間有一個凸出部9a，第一部件111、第二部件112、第三部件141與第四部件142的設置位置與結構與圖1實施例的結構有所差異，並且傳輸線13也經過適當彎折以減少所佔線路面積。

接著，請參照圖9，本實施例提供一種具有雙模式天線陣列的電子裝置，包括如前述實施例所提供的雙模式天線陣列1、應用單元2以及控制單元3，其中雙模式天線陣列1的雙模式天線11的第一饋入端111與開關12的第一端121連接電子裝置的無線晶片4。應用單元2連接無線晶片4，由無線晶片4接收雙模式天線陣列1的接收信號強度指示(RSSI)或接收資料率(data rate)。控制單元3連接應用單元2與開關12，以決定是否將開關12的第一端121導通至第二端122，以控制雙模式天線陣列1的輻射場型。應用單元2可包括此電子裝置的作業系統的應用層的軟體程式，應用單元2包括控制輻射場型的演算法(基於雙模式天線陣列1的接收信號強度指示或接收資料率)，以控制控制單元3。應用單元2的演算法運作可以與無線晶片4的運作區隔，使得無線晶片4不需負責控制雙模式天線陣列1，讓天線控制獨立於無線晶片4之外，因此可減少無線晶片4的設計成本。使得，在產品層面的應用時，無線晶片4可以使用通用型的晶片，在更改雙模式天線陣列1的設計時，只需要修改應用單元2即可(或者，包括修改控制單元3，當開關12也一併被修改時)。所述電子裝置例如是筆記型電腦、膝上型電腦、平板電腦、一體電腦、智慧電視、小型基站或無線路由器，但本發明並不因此限定。

綜上所述，本發明實施例所提供的一種雙模式天線陣列及具有雙模式天線陣列的電子裝置，利用雙模式天線其輸入阻抗可搭配單天線工作模式與雙天線工作模式的特性，使雙模式天線陣列在雙頻工作的需求下不需要使用複雜的雙頻饋入網路，且僅需使用一個開關。在使用雙模式天線與簡單饋入的設計，使得輻射場型控制的目的與製造成本的降低都能同時達成，且控制電路易於實現，具有很高的產業應用價值。

以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。