TWI686013B - 雙模式天線陣列及雙模式天線陣列的匹配方法 - Google Patents

Abstract

一種雙模式天線陣列，包括雙模式天線、開關、導通傳輸線、天線單元以及開路傳輸線。開關具有第一端、第二端與第三端，開關的第一端連接雙模式天線，開關受控於控制信號以選擇操作狀態將第一端導通至第三端或是第二端。雙模式天線在第一頻帶與第二頻帶的輸入阻抗為導通傳輸線的阻抗的二分之一倍至一倍之間。天線單元通過導通傳輸線連接開關的第二端。阻抗為導通傳輸線的阻抗的二分之一的開路傳輸線連接於開關的第三端。在模式零，雙模式天線的第一饋入端所測得的在第一頻帶的輸入阻抗與在第二頻帶的輸入阻抗分別具有第一電抗值與第二電抗值，開路傳輸線的長度用以使第一電抗值與第二電抗值皆更遠離於零電抗。藉此，輻射場型控制與降低製造成本都能達成。

Description

雙模式天線陣列及雙模式天線陣列的匹配方法

本發明有關於一種天線，且特別是一種雙模式天線陣列及雙模式天線陣列的匹配方法。

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信號。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信。

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、導通傳輸線、天線單元以及開路傳輸線。雙模式天線具有第一饋入端，雙模式天線由第一饋入端接收第一射頻信號以操作於第一頻帶，且由第一饋入端接收第二射頻信號以操作於第二頻帶，其中第二頻帶的頻率高於第一頻帶的頻率。開關具有第一端、第二端與第三端，開關的第一端連接雙模式天線的第一饋入端，開關受控於控制信號以選擇操作狀態於模式零或模式一，模式零是將第一端導通至第三端，模式一是將第一端導通至第二端。開關的第二端連接導通傳輸線，其中雙模式天線在第一頻帶與第二頻帶的輸入阻抗為導通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導通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輸入阻抗相同於導通傳輸線的阻抗。開路傳輸線連接於開關的第三端，開路傳輸線的阻抗為導通傳輸線的阻抗的二分之一。在模式零，雙模式天線的第一饋入端所測得的在第一頻帶的輸入阻抗與在第二頻帶的輸入 阻抗分別具有第一電抗值與第二電抗值，其中開路傳輸線的長度用以改變第一電抗值與第二電抗值，使第一電抗值與第二電抗值皆更遠離於零電抗。

本發明實施例也提供一種雙模式天線陣列的匹配方法，由智能電腦自動控制配合生產製具執行，此方法包括以下步驟：將前述實施例所述的雙模式天線陣列的開關的操作狀態切換為模式零；將開路傳輸線的長度由零開始延長，其中當開路傳輸線的長度為零時，第一電抗值為第一初始電抗值，第二電抗值為第二初始電抗值；以及基於史密斯圖所顯示的第一電抗值與第二電抗值，在使開路傳輸線延長的過程中，使第一電抗值與第二電抗值皆沿著史密斯圖中心順時針旋轉，且使旋轉後的第一電抗值相較於第一初始電抗值更接近於史密斯圖的右邊頂點，且使旋轉後的第二電抗值相較於第二初始電抗值更接近於史密斯圖的右邊頂點。

綜上所述，本發明實施例提供一種雙模式天線陣列及雙模式天線陣列的匹配方法，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與開路傳輸線，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‧‧‧導通傳輸線

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

123‧‧‧第三端

111‧‧‧第一部件

112‧‧‧第二部件

141‧‧‧第三部件

142‧‧‧第四部件

9‧‧‧接地緣

100‧‧‧基板

X、Y、Z‧‧‧軸

15‧‧‧開路傳輸線

2‧‧‧應用單元

3‧‧‧控制單元

4‧‧‧無線晶片

S110、S120、S130、S140‧‧‧步驟

X1A‧‧‧第一初始電抗值

X2A‧‧‧第二初始電抗值

X1B‧‧‧第一電抗值

X2B‧‧‧第二電抗值

圖1是本發明實施例提供的雙模式天線陣列其結構的透視圖。

圖2是本發明實施例提供的雙模式天線陣列其電路形式的示意圖。

圖3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。

圖4是本發明實施例提供的雙模式天線陣列的匹配方法的流程圖。

圖5是本發明實施例提供的第一電抗值與第二電抗值沿著史密斯圖中心順時針旋轉的示意圖。

請參照圖1，圖1是本發明實施例提供的雙模式天線陣列其結構的透視圖。雙模式天線陣列1包括雙模式天線11、開關12、導通傳輸線13、天線單元14以及開路傳輸線15。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由第一饋入端119接收第一射頻信號以操作於第一頻帶，且由第一饋入端119接收第二射頻信號以操作於第二頻帶，其中第二頻帶的頻率高於第一頻帶的頻率，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)，但本發明並不限 於此。開關12具有第一端121、第二端122、與第三端123，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)，模式零是將第一端121導通至第三端123，模式一是將第一端121導通至第二端122。開關12的第二端122連接導通傳輸線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輸入阻抗為導通傳輸線13的阻抗的二分之一倍至一倍之間，例如導通傳輸線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輸入阻抗是介於50歐姆至100歐姆之間。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通過導通傳輸線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輸入阻抗相同於導通傳輸線13的阻抗，例如為100歐姆。開路傳輸線15連接於開關12的第三端123，開路傳輸線15的阻抗為導通傳輸線13的阻抗的二分之一，例如為50歐姆。在模式零，雙模式天線11的第一饋入端119所測得的在第一頻帶的輸入阻抗與在第二頻帶的輸入阻抗分別具有第一電抗值X1與第二電抗值X2，其中開路傳輸線15的長度用以改變第一電抗值X1與第二電抗值X2，使第一電抗值X1與第二電抗值X2(相較於開關12的第三端123未連接開路傳輸線15時)皆更遠離於零電抗。遠離於零電抗的意思可以是往正無窮大的電抗值接近，或者是往負無窮大的電抗值接近，上述兩者表示的都是遠零電抗值。

開關12是一對二開關，開關12受控於控制信號以選擇操作狀態於模式零或模式一，請一併參照圖1與圖2，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。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的輸入阻抗值接近於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輸入阻抗較佳是介於50歐姆至100歐姆之間。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與開路傳輸線15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導通傳輸線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輸入阻抗值等於或接近於導通傳輸線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並聯的輸入阻抗為導通傳輸線13的阻抗的二分之一。

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是一示範性實施例。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，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，但本發明並不因此限定。並且，雙模式天線11與天線單元14的空間間距、導通傳輸線13的長度所造成的相位差異，能夠使模式零與模式一兩種模式的輻射場型有明顯差異。在另一實施例中，雙模式天線11也可以改為平面倒F形天線(PIFA)，或者天線單元14是平面倒F形天線(PIFA)，並且雙模式天線11與天線單元14兩者的結構不必要相同。

接著，前述實施例的雙模式天線陣列1可用於一電子裝置，請參照圖3，本實施例提供一種具有雙模式天線陣列1的電子裝置，包括無線晶片4、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，以決定將開關12的第一端121導通至第二端122或第三端123，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。

本發明實施例更提供一種雙模式天線陣列的匹配方法，請參考圖1與圖4，此方法可由智能電腦自動控制配合生產製具執行，此方法包括以下步驟(參考圖4的流程圖)：首先，在步驟S110中，將前述實施例所述的雙模式天線陣列的開關12的操作狀態切換為模式零；接著，在步驟S120中，將開路傳輸線15的長度由零開始延長，其中當開路傳輸線15的長度為零時，第一電抗值(X1)為第一初始電抗值X1A，第二電抗值(X2)為第二初始電抗值X2A；以及接著，在步驟S130中，配合參照圖5，基於史密斯圖所顯示的第一電抗值(X1)與第二電抗值(X2)，在使開路傳輸線15延長的過程中，使第一電抗值(X1)與第二電抗值(X2)皆沿著史密斯圖中心順時針旋轉，且使旋轉後的第一電抗值X1B相較於第一初始電抗值X1A更接近於史密斯圖的右邊頂點，且使旋轉後的第二電抗值X2B相較於第二初始電抗值X2A更接近於史密斯圖的右邊頂點。更進一步地說，在步驟S130中(在使開路傳輸線15延長的過程中)，第二電抗值(X2)沿著史密斯圖中心順時針旋轉的角度變化接近於或約略為第一電抗值(X1)沿著史密斯圖中心順時針旋轉的角度變化的兩倍，例如在圖5中，2.4GHz頻帶的第一電抗值(X1)轉了約3/4圈(由X1A轉至X1B)，而5GHz頻帶的第二電抗值(X2)轉了約3/2圈 (由X2A轉至X2B)，對於圖5的說明中只專注於描述電抗值的改變，阻值的部分在本實施例中不予討論。再者，在步驟S130之後，更包括步驟S140，將開關12的操作狀態切換為模式一，使雙模式天線11與天線單元14利用開關12並聯的輸入阻抗為導通傳輸線13的阻抗的二分之一。依據上述，上述步驟的演算法可儲存於智能電腦自動控制機台的揮發式記憶體或非揮發式記憶體中，智能電腦自動控制可負責開關12的切換、電抗值分析，控制過程的電抗值變化可以電腦螢幕顯示出史密斯圖，或者直接以數據演算；而開路傳輸線15與天線的製作部分可以樣品自動製作機台或量產設備的生產製具實現自動化製程，以實現智能化的生產線。

綜上所述，本發明實施例所提供的一種雙模式天線陣列及雙模式天線陣列的匹配方法，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與開路傳輸線，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。

1‧‧‧雙模式天線陣列

11‧‧‧雙模式天線

12‧‧‧開關

13‧‧‧導通傳輸線

14‧‧‧天線單元

119‧‧‧第一饋入端

149‧‧‧第二饋入端

121‧‧‧第一端

122‧‧‧第二端

123‧‧‧第三端

111‧‧‧第一部件

112‧‧‧第二部件

141‧‧‧第三部件

142‧‧‧第四部件

9‧‧‧接地緣

100‧‧‧基板

X、Y、Z‧‧‧軸

15‧‧‧開路傳輸線

Claims (8)

1. 一種雙模式天線陣列，包括：一雙模式天線，具有一第一饋入端，該雙模式天線由該第一饋入端接收一第一射頻信號以操作於一第一頻帶，且由該第一饋入端接收一第二射頻信號以操作於一第二頻帶，其中該第二頻帶的頻率高於該第一頻帶的頻率；其中，該雙模式天線具有一第一部件與一第二部件，該第一部件連接該第一饋入端，該第一部件用以產生該第二頻帶的操作模態，該第二部件耦合該第一部件以產生該第一頻帶的操作模態；一開關，具有一第一端、一第二端與一第三端，該開關的該第一端連接該雙模式天線的該第一饋入端，該開關受控於一控制信號以選擇操作狀態於一模式零或一模式一，該模式零是將該第一端導通至該第三端，該模式一是將該第一端導通至該第二端；一導通傳輸線，該開關的該第二端連接該導通傳輸線，該導通傳輸線的阻抗為100歐姆，其中該雙模式天線在該第一頻帶與該第二頻帶的輸入阻抗為50歐姆至100歐姆之間；一天線單元，具有一第二饋入端，該天線單元的該第二饋入端通過該導通傳輸線連接該開關的該第二端，其中該天線單元在該第一頻帶與該第二頻帶的輸入阻抗為100歐姆；其中，該天線單元具有一第三部件與一第四部件，該第三部件連接該第二饋入端，該第三部件用以產生該第二頻帶的操作模態，該第四部件耦合該第三部件以產生該第一頻帶的操作模態；以及一開路傳輸線，連接於該開關的該第三端，該開路傳輸線的阻抗為該導通傳輸線的阻抗的二分之一，其中在該模式零，該雙模 式天線的該第一饋入端所測得的在該第一頻帶的輸入阻抗與在該第二頻帶的輸入阻抗分別具有一第一電抗值與一第二電抗值，其中該開路傳輸線的長度用以改變該第一電抗值與該第二電抗值，使該第一電抗值與該第二電抗值皆更遠離於零電抗；其中，當該開關的操作狀態為模式零時，該開關的該第一端、該第三端與該開路傳輸線導通成為一開關線路殘段，用以使該雙模式天線與該開關線路殘段並聯的輸入阻抗為50歐姆；當該開關的操作狀態為模式一時，用以使該雙模式天線與該天線單元利用該開關並聯的輸入阻抗接近於50歐姆。
2. 根據請求項第1項所述之雙模式天線陣列，其中該開關是一對二開關。
3. 根據請求項第1項所述之雙模式天線陣列，其中該第一頻帶是2.4GHz頻帶，該第二頻帶是5GHz頻帶。
4. 根據請求項第1項所述之雙模式天線陣列，其中該雙模式天線陣列用於一電子裝置，該電子裝置包括一無線晶片、一應用單元與一控制單元，該雙模式天線陣列的該雙模式天線的該第一饋入端與該開關的該第一端連接該無線晶片；該應用單元連接該無線晶片，由該無線晶片接收該雙模式天線陣列的接收信號強度指示或接收資料率；該控制單元連接該應用單元與該開關，用以決定將該開關的該第一端導通至該第二端或該第三端，以控制該雙模式天線陣列的輻射場型。
5. 一種雙模式天線陣列的匹配方法，由一智能電腦自動控制配合一生產製具執行，該方法包括： 將請求項第1項所述的雙模式天線陣列的該開關的操作狀態切換為模式零；將該開路傳輸線的長度由零開始延長，其中當該開路傳輸線的長度為零時，該第一電抗值為一第一初始電抗值，該第二電抗值為一第二初始電抗值；以及基於史密斯圖所顯示的該第一電抗值與該第二電抗值，在使該開路傳輸線延長的過程中，使該第一電抗值與該第二電抗值皆沿著史密斯圖中心順時針旋轉，且使旋轉後的該第一電抗值相較於該第一初始電抗值更接近於史密斯圖的右邊頂點，且使旋轉後的該第二電抗值相較於該第二初始電抗值更接近於史密斯圖的右邊頂點。
6. 根據請求項第5項所述之雙模式天線陣列的匹配方法，其中該第一頻帶是2.4GHz頻帶，該第二頻帶是5GHz頻帶。
7. 根據請求項第6項所述之雙模式天線陣列的匹配方法，其中在使該開路傳輸線延長的過程中，該第二電抗值沿著史密斯圖中心順時針旋轉的角度變化為該第一電抗值沿著史密斯圖中心順時針旋轉的角度變化的兩倍。
8. 根據請求項第5項所述之雙模式天線陣列的匹配方法，更包括：將該開關的操作狀態切換為模式一，用以使該雙模式天線與該天線單元利用該開關並聯的輸入阻抗接近於50歐姆。

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