TWI685147B

TWI685147B - 天線系統

Info

Publication number: TWI685147B
Application number: TW106137871A
Authority: TW
Inventors: 余漢璿
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2017-11-02
Publication date: 2020-02-11
Also published as: TW201919282A

Abstract

一種天線系統包含第一極化天線模組和第二極化天線模組。第一極化天線模組設置於基板上，且具有第一極化方向，且包含一開關、多個第一天線單元以及多個第一反射單元。該些第一天線單元耦接至一開關，且該些第一天線單元中經由該開關導通該些第一天線單元，而產生具有第一輻射場型。該些第一反射單元分別設置於該些第一天線單元的兩側，且分別用以調整該些導通的第一天線單元的第一輻射場型。第二極化天線模組設置於該基板上，用以與該第一極化天線模組協同操作，且具有與該第一極化方向垂直之第二極化方向。

Description

天線系統

本發明內容是關於一種天線系統，且特別是有關於波束切換的天線系統。

隨著無線通訊技術的蓬勃發展，無線訊號的傳輸穩定度和無線傳輸的能量強度在通訊品質上漸趨重要。而如今，解決通訊品質不佳所使用的方法包含使用多輸入多輸出天線(Multiple Input Multiple Output，MIMO)天線系統以擴展訊號涵蓋區域，以及針對特定方向的使用者使用指向性天線來進行無線通訊傳輸。

然而，使用MIMO天線系統或指向性天線皆需要大量的天線，MIMO天線系統需要多支天線以涵蓋整個區域，指向性天線也需要在多處配置以確保位於任何位置的使用者皆接收的到訊號。基於上述原因，使用MIMO天線系統或指向性天線皆因需要大量天線而增加成本。

因此，如何設計一種不需要多個天線，亦可涵蓋空間中所有使用者所在位置的天線系統為現今一個重要的目標。

為了解決上述問題，本發明內容提供之一種天線系統包含第一極化天線模組和第二極化天線模組。第一極化天線模組設置於基板上，且具有第一極化方向，且包含一開關、多個第一天線單元以及多個第一反射單元。該些多個第一天線單元耦接至該開關，且該些多個第一天線單元中經由該開關導通的導通使該些第一天線單元具有第一輻射場型。該些第一反射單元分別設置於該些第一天線單元的兩側，且分別用以調整該些導通的第一天線單元產生第一輻射場型。第二極化天線模組設置於基板上，用以與該第一極化天線模組協同操作，且具有與該第一極化方向垂直之第二極化方向。

綜上所述，本發明內容經由結合兩種不同設計概念的天線模組於一個系統中，並操作在不同頻率之下，以達成波束切換的功能，且兼具垂直和水平極化的雙極化特性。

為了使本發明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，以避免對本發明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。

於一些實施例中，本發明內容所揭露之天線系統100為一智慧型波束切換天線系統100，其可以根據偵測使用者所在位置而調整天線系統100之波束指向，進而達到較大的接收訊號強度。

第1圖為根據本發明內容之一些實施例所繪示的一種天線系統100的示意圖。如第1圖所示，於一些實施例中，天線系統100包含第一極化天線模組110、第二極化天線模組120、第三極化天線模組130以及基板140，其中該第一極化天線模組110、該第二極化天線模組120以及該第三極化天線模組130分別設置於該基板140上。

於一些實施例中，該基板140可為長寬皆約為10~80公分的正方形或其他形狀之基板，但不限於此，任何尺寸和形狀之基板設計空間皆在本發明內容所保護的範圍內，且該第一極化天線模組110與該第二極化天線模組120間之距離及/或與該第三極化天線模組130間之距離約為設計天線之低頻應用頻段的八分之一波長至一個波長，但不限於此，任何尺寸和間距皆在本發明內容所保護的範圍內。於此實施例中，該第一極化天線模組110和該第二極化天線模組120以及該第三極化天線模組130之間的距離約為設計天線之低頻應用頻段的八分之一波長至一個波長，主要是為了確保該第一極化天線模組110和該第二極化天線模組120、該第三極化天線模組130之間的隔離度(Isolation)，避免該第二極化天線模組120和該第三極化天線模組130互相影響。

於一些實施例中，該第一極化天線模組110為水平極化天線模組，該第二極化天線模組120及該第三極化天線模組130為垂直極化天線模組，但不限於此，任何互相垂直或訊號傳輸不會互相干擾之極化方向及在該基板的配置數量皆在本發明內容所保護的範圍內。於一些實施例中，該第二極化天線模組120和該第三極化天線模組130之電路配置結構相同，並設置於該基板140之相對兩側，以達到訊號隔離之效果。該第一極化天線模組110、該第二極化天線模組120以及該第三極化天線模組130之實際配置及操作方法將在後面詳述。

於一些實施例中，該天線系統100中之該第一極化天線模組110、該第二極化天線模組120和該第三極化天線模組130可以同時運作，以實現雙極化天線系統。雙極化天線系統之優點在於，可以讓該天線系統100同時接收來自兩個不同方向之訊號或傳送訊號至兩個不同方向的使用者，並且可以同時傳送和接收訊號，以提供空間分級、降低多路徑衰減的影響以及擴大該天線系統100之訊號涵蓋區域。

第2A圖為根據本發明內容之一些實施例所繪示的第一極化天線模組110a的上視圖。如第2A圖所示，該第一極化天線模組110a包含第一天線單元210、220、230、240、開關250、反射單元212、214、222、224、232、234、242、244，其中該反射單元212和該反射單元214設置於該第一天線單元210之兩側，該反射單元222和該反射單元224設置於該第一天線單元220之兩側，該反射單元232和該反射單元234設置於該第一天線單元230之兩側，該反射單元242和該反射單元244設置於該第一天線單元240之兩側，且該些第一天線單元210、220、230以及240分別與該開關250連接。

於一些實施例中，該些第一天線單元210、220、230以及240為雙頻天線，其中雙頻包含2.4GHz和5GHz，但不限於此，任何頻率皆在本發明內容所保護的範圍內。於一些實施例中，該些第一天線單元210、220、230以及240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，任何適用於實現水平極化天線單元的電路元件皆在本發明內容所保護的範圍內。

於一些實施例中，該開關250耦接至該些第一天線單元210、220、230和240，並依據不同狀態進行切換，以導通該些第一天線單元210、220、230和240其中一者，使得導通的第一天線單元據以操作。於一些實施例中，該開關250可以由一對四開關或以上所實現，但不限於此，可以根據第一極化天線模組110a包含之第一天線單元的數量來設計該開關250的切換數量。

於一些實施例中，該反射單元212和該反射單元214用以調整該第一天線單元210對應之輻射場型，該反射單元222和該反射單元224用以調整該第一天線單元220對應之輻射場型，該反射單元232和該反射單元234用以調整該第一天線單元230對應之輻射場型，該反射單元242和該反射單元244用以調整該第一天線單元240對應之輻射場型，使得該些第一天線單元210、220、230、240之輻射場型各自均可具有指向性。

於一些實施例中，該些反射單元212、214、222、224、232、234、242以及244可以由直角三角形所實現，但不限於此，任何可以用來調整該第二天線單元對應之輻射場型，以達到集中輻射場型效果的形狀的反射單元皆在本發明內容所保護的範圍內。此外，於一些實施例中，該些反射單元212、214、222、224、232、234、242以及244之材質為金屬條，但不限於此，任何可以利於反射且不會造成傳輸死角的材質皆在本發明內容所保護的範圍內。

於一些實施例中，該些第一天線單元中的低頻輻射部和其對應左側的反射單元之距離d₁ 為八分之一波長，而該些第一天線單元中的高頻輻射部和其對應右側的反射單元之距離d₂ 為八分之一波長，但不限於此，任何距離皆在本發明內容所保護的範圍內。舉例而言，如第2A圖所示，該第一天線單元210的低頻輻射部和其對應該反射單元214之距離為d₁ ，該第一天線單元210的高頻輻射部和其對應該反射單元212之距離為d₂ 。於一些實施例中，距離d₁ 可以是12~16毫米，距離d₂ 可以是7~9毫米範圍。

於一些實施例中，該些反射單元212、214、222、224、232、234、242以及244沒有接地，並且該些反射單元212、214、222、224、232、234、242以及244和該些第一天線單元210、220、230、240對應一者之夾角θ₁，但不限於此，該些反射單元212、214、222、224、232、234、242以及244和該些第一天線單元210、220、230、240對應一者之間任何角度的夾角皆在本發明內容所保護的範圍內。舉例而言，如第2A圖所示，反射單元212和第一天線單元210之間之角度為夾角θ₁。於一些實施例中夾角θ₁可以是30~45度。

第2B圖為根據本發明內容之一些實施例所繪示的第一極化天線模組110b的上視圖。如第2B圖所示，該第一極化天線模組110b包含該些第一天線單元210、220、230、240、該開關250、反射單元212a、214a、222a、224a、232a、234a、242a、244a，其中該些反射單元212a、214a、222a、224a、232a、234a、242a、244a之反射面的形狀為圓弧狀，且材質與第2A圖中之該些反射單元212、214、222、224、232、234、242、244相同。

第3圖為根據本發明內容之一些實施例所繪示第2A圖中該第一極化天線模組110a的操作示意圖。如第3圖所示，於一些實施例中，當該開關250切換使得該第一天線單元210啟動時，該些第一天線單元220、230和240則關閉，於此狀態下，該第一極化天線模組110a透過該第一天線單元210與該反射單元212、214的協同操作，會產生如第3圖往上方傳遞的波束310，且於一些實施例中，此波束310的頻率為2.4GHz或5GHz。

類似地，當該開關250切換使得該第一天線單元220啟動時，則該些第一天線單元210、230和240則關閉，於此狀態下，該第一極化天線模組110a透過該第一天線單元220與該反射單元222、224的協同操作，會產生如第3圖往左方傳遞的波束(圖未示)，且於一些實施例中，此波束的頻率為2.4GHz或5GHz；當該開關250切換使得該第一天線單元230啟動時，則該些第一天線單元210、220和240則關閉，於此狀態下，該第一極化天線模組110a透過該第一天線單元230與反射單元232、234的協同操作，會產生如第3圖往下方傳遞的波束(圖未示)，且於一些實施例中，此波束的頻率為2.4GHz或5GHz；當該開關250切換使得第一天線單元240啟動時，則該些第一天線單元210、220和230則關閉，於此狀態下，該第一極化天線模組110a透過該第一天線單元240與反射單元242、244的協同操作，會產生如第3圖往右方傳遞的波束(圖未示)，且於一些實施例中，此波束的頻率為2.4GHz或5GHz的波束。

於一些實施例中，第2B圖中該第一極化天線模組110b的操作方式與第2A圖中該第一極化天線模組110a的操作方式皆相同，於此將不再贅述。

第4A圖為根據本發明內容之一些實施例所繪示的第二極化天線模組120的側視圖。如第4A圖所示，於一些實施例中，該第二極化天線模組120包含第二天線單元410和多個第二反射單元415，其中該些第二反射單元415包含反射板420、430、440以及450。於一些實施例中，該反射板420和該反射板440設置於該第二天線單元410之第一側，該反射板430和反射板450設置在該第二天線單元410相對於第一側的第二側。於一些實施例中，該第二極化天線模組120包含四個反射板，但不限於此，任何雙數且設置於相對該第二天線單元之兩側的反射板皆在本發明內容所保護的範圍內。

於一些實施例中，該第二天線單元410操作於雙頻之下，其中雙頻可以包含2.4GHz和5GHz，但不限於此，任何頻率皆在本發明內容所保護的範圍內。於一些實施例中，該第二天線單元410可以由平面倒F天線(Planar Inverted F Antenna， PIFA)、迴路(Loop)天線以及開放迴路(Open Loop)來實現，但不限於此，任何適用於實現垂直極化天線單元的電路元件皆在本發明內容所保護的範圍內。

於一些實施例中，該反射板420和該反射板430之高度相同，該反射板440和該反射板450之高度相同，並且高於該反射板420和該反射板430。於一些實施例中，反射板440之高度為該反射板420之高度的兩倍，但不限於此，任何可以用以調整該第二天線單元410之輻射場型的反射板高度皆在本發明內容所保護的範圍內。於一些實施例中，反射板之高度須高於對應天線之高度，舉例而言，該反射板420之高度需大於該第二天線單元410之高頻輻射部的高度，該反射板440之高度需大於該第二天線單元410之低頻輻射部的高度。

於一些實施例中，該反射板可以由線寬為3毫米至5毫米的細金屬條所實現，但不限於此，任何可以用以實現調整輻射場型的反射板皆在本發明內容所保護的範圍內。

第4B圖為根據本發明內容之一些實施例所繪示的第二極化天線模組120的上視圖。如第4B圖所示，於一些實施例中，該第二極化天線模組120更包含開關462、464、466以及468，其中該開關462耦接至反射板440，該開關464耦接至該反射板420，該開關466耦接至該反射板430，該開關468耦接至該反射板450。於一些實施例中，該些開關462、464、466以及468耦接至一電子晶片，以控制該些多個開關切斷或導通對應的反射板，舉例而言，電子晶片控制該開關462以切斷或導通與反射板440的連接。

於實際應用中，當該開關切斷使得反射板和電子晶片不導通時，反射板之作用為導向器(Director)，相較之下，當該開關導通使得反射板和電子晶片導通時，反射板之作用為反射器(Reflector)。於一些實施例中，該些開關462、464、466以及468可以由二極體所實現，但不限於此，任何可以用來實現切斷或導通反射板的電子元件皆在本發明內容所保護的範圍內。

於一些實施例中，該反射板420與該第二天線單元410之距離d₃ 和該反射板430與該第二天線單元410之距離d₄ 相同，該反射板440與該第二天線單元410之距離d₅ 和反射板450與該第二天線單元410之距離d₆ 相同。於一些實施例中，該反射板420和該第二天線單元410之距離d₃ 及該反射板430和該第二天線單元410之距離d₄ 為高頻應用頻段中的八分之一波長至四分之一波長，該反射板440和該第二天線單元410之距離d₅ 及該反射板450和該第二天線單元410之距離d₆ 為低頻應用頻段中的八分之一波長至四分之一波長。舉例而言，距離d3和距離d₄ 的範圍為7.5毫米至15毫米，距離d₅ 和距離d₆ 的範圍為15.6毫米至30毫米。

第5A圖、第5B圖及第5C圖為根據本發明內容之一些實施例所繪示第4B圖中該第二極化天線模組120的操作示意圖。如第5A圖所示，於一些實施例中，當只有該開關464切換使得該反射板420啟動時，該第二極化天線模組120透過該第二天線單元410與該反射板420的協同操作，會產生如第5A圖右方傳遞的波束510，且於一些實施例中，此波束510的頻率為5GHz。如第5B圖所示，於一些實施例中，當只有該開關466切換使得反射板430啟動時，該第二極化天線模組120透過該第二天線單元410與反射板430的協同操作，會產生如第5B圖往左方傳遞的波束520，且於一些實施例中，此波束520的頻率為5GHz。如第5C圖所示，於一些實施例中，當該開關464切換使得反射板420啟動以及該開關466切換使得反射板430啟動時，該第二極化天線模組120透過該第二天線單元410與反射板420、430的協同操作，會產生如第5C圖往上方傳遞的波束530以及如第5C圖往下方傳遞的波束540，且於一些實施例中，該些波束530和540的頻率為5GHz。

類似地，當只有該開關462切換使得該反射板440啟動時，該第二極化天線模組120透過該第二天線單元410與該反射板440的協同操作，會產生如第5A圖往右方傳遞的波束(圖未示)，且於一些實施例中，此波束的頻率為2.4GHz；當只有該開關468切換使得反射板450啟動時，該第二極化天線模組120透過該第二天線單元410與該反射板450的協同操作，會產生第5B圖往左方傳遞的波束(圖未示)，且於一些實施例中，此波束的頻率為2.4GHz；當該開關462以及該開關468同時導通反射板440及反射板450時，該第二極化天線模組120透過第二天線單元410與反射板440、450的協同操作，會產生第5C圖往上方和下方傳遞的波束(圖未示)，且於一些實施例中，此上下波束的頻率為2.4GHz。

於實際應用中，當偵測到使用者進入某特定波束涵蓋區(Beam Footprint)時，切換天線系統100之多個開關，以調整波束指向使用者，使得接收訊號強度指標(Received Signal Strength Indicator，RSSI)達到最大。

雖然本發明內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明內容，任何熟習此技藝者，於不脫離本發明內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明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‧‧‧天線系統110、110a、110b‧‧‧第一極化天線模組120‧‧‧第二極化天線模組130‧‧‧第三極化天線模組140‧‧‧基板210、220、230、240‧‧‧第一天線單元212、214、222、224、232、234、242、244、212a、214a、222a、224a、232a、234a、242a、244a‧‧‧反射單元250‧‧‧開關θ₁‧‧‧夾角d₁、d₂、d₃、d₄、d₅、d₆‧‧‧距離310、510、520、530、540‧‧‧波束410‧‧‧第二天線單元415‧‧‧反射單元420、430、440、450‧‧‧反射板462、464、466、468‧‧‧開關

為讓本發明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圖為根據本發明內容之一些實施例所繪示的一種天線系統的示意圖；第2A圖為根據本發明內容之一些實施例所繪示的第一極化天線模組的上視圖；第2B圖為根據本發明內容之一些實施例所繪示的第一極化天線模組的上視圖；第3圖為根據本發明內容之一些實施例所繪示第2A圖中第一極化天線模組的操作示意圖；第4A圖為根據本發明內容之一些實施例所繪示的第二極化天線模組的側視圖；第4B圖為根據本發明內容之一些實施例所繪示的第二極化天線模組的上視圖；以及第5A圖、第5B圖及第5C圖為根據本發明內容之一些實施例所繪示第4B圖中第二極化天線模組的操作示意圖。

100‧‧‧天線系統

110、110a、110b‧‧‧第一極化天線模組

120‧‧‧第二極化天線模組

130‧‧‧第三極化天線模組

140‧‧‧基板

Claims

一種天線系統，包含：一第一極化天線模組，設置於一基板上，且具有一水平極化方向，該第一極化天線模組包含：一第一開關；複數個第一天線單元，耦接至該第一開關，其中該些第一天線單元中經由該第一開關導通之一導通第一天線單元於該水平極化方向上具有一第一輻射場型；以及複數個第一反射單元，分別設置於該些第一天線單元之兩側，該些第一反射單元分別用以調整該導通第一天線單元於該水平極化方向上之該第一輻射場型；以及一第二極化天線模組，設置於該基板上，用以與該第一極化天線模組協同操作，且具有與該水平極化方向垂直之一垂直極化方向，其中該第二極化天線模組包含一第二天線單元，於該垂直極化方向上具有一第二輻射場型；在一第一模式下，該垂直極化方向形成往一第一方向傳遞之垂直波束，在一第二模式下，該垂直極化方向形成往一第二方向傳遞之垂直波束，在一第三模式下，該垂直極化方向形成往一第三方向或一第四方向傳遞之垂直波束；其中，該第一方向與該第二方向相反，該第三方向與該第四方向相反，且該第三方向及該第四方向與該第一方向或該第二方向垂直。
如請求項1所述之天線系統，其中該第二極化天線模組包含：複數個第二開關；該第二天線單元；以及複數個第二反射單元，設置於該第二天線單元之兩側，並分別耦接至該些第二開關，該些第二反射單元藉由該些第二開關導通至少其中之一，分別用以調整該第二天線單元之該第二輻射場型。
如請求項2所述之天線系統，其中該第一開關以及該些第二開關其中之一用以分別切換以改變該天線系統的一場型。
如請求項1所述之天線系統，更包含：一第三極化天線模組，設置於該基板上相對於該第二極化天線模組之另一側，且具有該垂直極化方向。
如請求項4所述之天線系統，其中該第三極化天線模組包含：複數個第三開關；一第三天線單元，具有一第三輻射場型；以及複數個第三反射單元，分別耦接至該些第三開關，並分別設置於該第三天線單元之兩側，該些第三反射單元分別用以調整該第三天線單元之該第三輻射場型。
如請求項1所述之天線系統，其中該第一極化天線模組和該第二極化天線模組操作在複數個頻段之下，其中該些頻段包含2.4GHz和5GHz。
如請求項2所述之天線系統，其中該些第二反射單元包含：一第一反射板；一第二反射板，其中該第一反射板和該第二反射板分別設置於該第二天線單元之相對兩側；一第三反射板，設置於該第一反射板和該第二天線單元之間；以及一第四反射板，設置於相對該第三反射板之另一側。
如請求項7所述之天線系統，其中該第一反射板和該第二反射板距離該基板之高度皆為一第一高度，該第三反射板和該第四反射板距離該基板之高度皆為一第二高度，其中該第一高度大於該第二高度。
如請求項1所述之天線系統，其中該些第一天線單元分別設置於一四方形之四個側邊上，該些第一反射單元分別設置於該些第一天線單元之兩側。
如請求項1所述之天線系統，其中該些第一反射單元與該些第一天線單元之距離為1/8波長。
如請求項1所述之天線系統，其中該些第一反射單元之形狀為直角三角形或該些第一反射單元之反射面的形狀為圓弧狀。