TWI686997B - 天線系統 - Google Patents

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，包含一第一反射體、一第一及一第二陣列天線；一第二複合天線，包含一第二反射體、一第三及一第四陣列天線，該第一反射體以一夾角而相對該第二反射體固定；以及一饋入裝置，耦接於該第一複合天線及該第二複合天線，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複合天線及該第二複合天線之射頻訊號的相位，以改變該第一複合天線及該第二複合天線在一垂直切面上所產生之波束的特性。

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，極寬頻率應用，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，極寬頻率應用，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，包含一第一反射體、一第一陣列天線及一第二陣列天線，其中，該第一陣列天線及該第二陣列天線設置於該第一反射體上；一第二複合天線，包含一第二反射體、一第三陣列天線及一第四陣列天線，其中，該第三陣列天線及該第四陣列天線設置於該第二反射體上，且該第一反射體以一夾角而相對該第二反射體固定；以及一饋入裝置，耦接於該第一複合天線及該第二複合天線，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複合天線及該第二複合天線之射頻訊號的相位，以改變該第一複合天線及該第二複合天線在垂直切面上所產生之波束的特性。

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:反射體

122、124、142、144:陣列天線

ANG:夾角

U:單元天線

RB:反射板

RA_1、RA_2:輻射部

SB:支撐件

MB_11、MB_12、MB_21、MB_22:金屬片

202_1、202_2:訊號源

200:饋入模組

204:功率分配器

206、208、210、212:相位平移器

203_1、203_2:切換電路

214:切換器

216:低通濾波器

218:高通濾波器

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圖之天線系統中任一單元天線之細節示意圖。

第2A圖為本發明實施例一饋入裝置之一實施例之示意圖。

第2B圖為第2A圖中一饋入模組之功能方塊圖。

第2C圖為第2B圖中一相位平移器之一實施例之示意圖。

第3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4A圖為第1A圖之天線系統中一陣列天線的垂直極化天線的增益值場形圖。

第4B圖為第1A圖之天線系統中一陣列天線的水平極化天線的增益值場形圖。

第5A圖為第1A圖之天線系統中所有陣列天線的垂直極化天線的波束覆蓋增益值場形圖。

第5B圖為第1A圖之天線系統中所有陣列天線的水平極化天線的波束覆蓋增益值場形圖。

請參考第1A、1B圖，第1A圖為本發明實施例一天線系統10之等視角示意圖，而第1B圖為天線系統10之上視示意圖。第1A、1B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圖)。第一複合天線12包含有一反射體120及陣列天線122、124，而第二複合天線14包含有一反射體140及陣列天線142、144。反射體120、140為平面矩形的金屬板，其可增加天線的增益值，而陣列天線122、124、142、144則分別設置於反射體120、140上。此外，反射體120以一夾角ANG而相對反射體140固定，即第一複合天線12與第二複合天線14以單邊固定，且兩者間之夾角為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122、124、142、144皆為1×4陣列天線，即各別包含四個平行排列之單元天線U，而每一單元天線U具有相同的結構及尺寸。

關於單元天線U之結構，請同時參考第1C圖，第1C圖為天線系統10中任一單元天線U之細節示意圖。單元天線U包含有反射板RB、輻射部RA_1、 RA_2、支撐件SB。反射板RB及輻射部RA_1、RA_2分別藉由支撐件SB而設置於反射體120或140上，且彼此電性隔離。反射板RB係用來增加天線有效的輻射面積和平衡對應的輻射部RA_1、RA_2到反射體120或140的距離，以使輻射部RA_1、RA_2相距反射體120或140的等效距離相等，其形狀具有對稱性，而可為圓形或頂點數為4的倍數之正多邊形。輻射部RA_1包含有金屬片MB_11、MB_12，以形成一鑽形偶極天線(diamond dipole antenna)結構；基於對稱性，輻射部RA_2包含有金屬片MB_21、MB_22，以形成另一鑽形偶極天線結構。由於鑽石形偶極天線的運用，單元天線U具有極寬頻的特性，只要適當設計其尺寸，即可同時滿足長期演進(Long Term Evolution，LTE)無線通訊系統中Band48及Band46使用頻段。需注意的是，在此實施例中，輻射部RA_1與輻射部RA_2呈垂直極化和水平極化，亦可適當修改為傾斜45度極化和傾斜135度極化，只要極化本身互為正交，以提供兩個極低相關度的訊號通道使用即可；同時，垂直極化天線和水平極化天線(或傾斜45度極化天線和傾斜135度極化天線)兩者在高度上應錯開一距離，以避免兩天線之間的干涉發生。此外，在單元天線U中，在金屬片MB_11、MB_12、MB_21、MB_22的尾端皆包含彎折，其係為了提升同一複合天線中陣列天線間的隔離度，即陣列天線122與124間，或陣列天線142與144間。

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。並且，由於天線系統10不須設置於一圓柱天線罩中(或者，天線系統10即使設置於一圓柱天線罩中，天線系統10因為僅有複合天線12、14，反射體120、140可經任意調整而相較習知技術可有較大的尺寸)，而使反射體120、140的尺寸限制較少，因此，透過適當設計反射體120、140及夾角ANG，可有效提高增益值及波束覆蓋率。

進一步地，為了增加水平切面(即x-y平面)上波束的覆蓋範圍，本 發明實施例透過饋入裝置16，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，同一複合天線內的兩個陣列天線則是被同時開啟，或者是被同時關閉，加上單元天線是一雙極化天線，因此，可以提供4×4多輸入多輸出功能。除此之外，針對垂直切面(即x-z平面)的波束覆蓋範圍，天線系統10可透過饋入裝置16改變每個陣列天線內單元天線U的相位排列，而改變波束形成方式，進而增加波束覆蓋的範圍。

詳細來說，請參考第2A圖，第2A圖為饋入裝置16之一實施例之示意圖。饋入裝置16包含兩組饋入模組，分別對應於垂直極化天線及水平極化天線，且每組饋入模組的結構及運作方式相同。為求簡潔，第2A圖僅顯示饋入裝置16之其中一組饋入模組，其包含四個饋入模組200，用於所有垂直極化天線，分別耦接於陣列天線122、124、142、144，並透過切換電路203_1、203_2而耦接訊號源202_1、202_2。切換電路203_1、203_2分別為三端元件，各包含一輸入端及二輸出端，可切換輸入端連結至其中之一輸出端。其中，訊號源202_1和切換電路203_1用於陣列天線122與陣列天線142之間切換，訊號源202_2和切換電路203_2用於陣列天線124與陣列天線144之間切換，並且，當訊號源202_1和切換電路203_1切換於陣列天線122時，訊號源202_2和切換電路203_2切換於陣列天線124，或者是當訊號源202_1和切換電路203_1切換於陣列天線142時，訊號源202_2和切換電路203_2切換於陣列天線144，形成同一時間只有一個複合天線被開啟。需注意的是，饋入裝置16包含兩組饋入模組(每組包含四個饋入模組)，而第2A圖係饋入裝置16中相關於垂直極化天線的一組饋入模組，而針對水平極化天線也具有相同結構，即饋入裝置16的另一組饋入模組亦包含四個饋入模組，用於所有水平極化天線，分別耦接於兩組訊號源和切換電路與陣列天線122、124、142、144之間，且切換電路以前述相同的切換方式運作，以形成4×4多輸入多輸出的天線系統。簡言之，饋入裝置16包含兩組饋入模組，每組饋入 模組的結構及運作方式相同，即分別包含四個饋入模組，耦接於兩個訊號源及兩個切換電路與陣列天線122、124、142、144之間，藉由切換電路的切換使同一時間只有一個複合天線被開啟，藉此達成形成4×4多輸入多輸出功能。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，藉此可增加水平切面上波束的覆蓋範圍。

請繼續參考第2B圖，第2B圖為饋入模組200之功能方塊圖。饋入模組200包含有一功率分配器204及相位平移器206、208、210、212。功率分配器204為一對四功率分配器，即包含一輸入端及四輸出端，用以由輸入端接收訊號源200之訊號，並將訊號源200產生之射頻訊號分配至四輸出端，以提供給單元天線U。需注意的是，每一相位平移器206、208、210、212可切換操作於不同相位平移方式，以切換輸出至第一複合天線12及第二複合天線14之射頻訊號的相位，而可使功率分配器204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206、208、210、212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206、208、210、212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122、124、142、144所接收之射頻訊號可具有不同相位差或不具相位差，而可在垂直切面產生向上偏、向下偏或不偏的波束，因而增加垂直切面的波束覆蓋範圍。

舉例來說，若相位平移器206具有0度和-90度兩種相位平移方式，相位平移器208具有0度和180度兩種相位平移方式，相位平移器210具有0度和+90度兩種相位平移方式，以及相位平移器212具有0度和-180度兩種相位平移方式。在一第一相位狀態中，相位平移器206、208、210、212皆操作於0度相位平移方式，即相位平移器206、208、210、212所輸出之射頻訊號不具有相位差，則對應陣列天線(陣列天線122、124、142、144其中之一)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206操作於-90度相位平移 方式，相位平移器208操作於180度相位平移方式，相位平移器210操作於+90度相位平移方式，以及相位平移器212操作於0度相位平移方式，則對應陣列天線所接收之射頻訊號為+90度差的連續相位輸入。在一第三相位狀態中，相位平移器206操作於-90度相位平移方式，相位平移器208操作於0度相位平移方式，相位平移器210操作於+90度相位平移方式，以及相位平移器212操作於180度相位平移方式，則對應陣列天線所接收之射頻訊號為-90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12或14的輸入相位值分別為波束不偏的0度差連續輸入、波束向上偏的+90度差連續輸入和波束向下偏的-90度差連續輸入，因而可以形成三種波束來增加波束覆蓋的範圍。因此，只要適度切換或調整相位平移器206、208、210、212的相位平移方式，即可使對應陣列天線具有不同角度的相位差輸入，據此可產生不同波束，以增加垂直切面的波束覆蓋範圍。

要達成相位平移器206、208、210、212分別具有兩種相位平移方式，在一實施例中，可利用切換器與高、低通濾波器的組合。舉例來說，請參考第2C圖，第2C圖為相位平移器206之一實施例之示意圖。在此實施例中，相位平移器206包含有一切換器214、一低通濾波器216及一高通濾波器218。切換器214耦接於功率分配器204，其可根據不同相位狀態，而將功率分配器204輸出之射頻訊號輸出至低通濾波器216或高通濾波器218。如此一來，只要適當選擇低通濾波器216和高通濾波器218內部的元件值，就可以讓切換的前後有90度或180度的相位差。此外，相位平移器208、210、212之實現方式可與相位平移器206相同或略為修改，例如，-90度的相位平移方式可由90度時的結構，讓低通濾波器和高通濾波器的位置交換來產生，且不限於此。

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，陣列天線 122、124、142、144皆為1×4陣列天線，其可有效提升波束覆蓋範圍內的增益值；而單元天線U的輻射部RA_1和輻射部RA_2的末端向下折彎，可提升天線隔離度，且單元天線U採用鑽形偶極天線結構，可達成寬頻操作。另外，饋入裝置16在同一時間僅開啟一個複合天線，而複合天線包含兩個1×4陣列天線，加上每個單元天線U都為雙極化天線，因而可提供4×4多輸入多輸出功能，同時可有效提升水平切面的波束覆蓋範圍。此外，饋入裝置16透過改變陣列天線的單元天線U所接收之射頻訊號的相位排列，而改變波束形成方式，進而增加垂直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122的共振特性及隔離度示意圖，如第3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122的S11小於-10.3dB，且適用於長期演進無線通訊系統中Band48及Band46使用頻段。同時，第3圖中虛線表示陣列天線122中單元天線U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30.7dB；而第3圖中點線表示陣列天線122與其它陣列天線的隔離度，其大於21.0dB。而其它陣列天線亦有相近特性，不另贅述。

接著，第4A圖為陣列天線122的垂直極化天線在3500MHz時水平切面上的增益值場形圖，而第4B圖為陣列天線122的水平極化天線在3500MHz時水平切面上的增益值場形圖。由第4A圖及第4B圖可以看出，陣列天線122的垂直極化天線及水平極化天線皆具有高增益值，良好的正交極化隔離度(Co/Cx)，以及良好的場型前後比和適當的波束寬。同樣地，其它陣列天線亦有相近特性，而具有相同或相似的接收效果，因此可同時開啟同一複合天線中的陣列天線(即陣列天線122與124，或陣列天線142與144)，而達到最大增益值約13dBi。

此外，如前所述，饋入裝置16切換於兩複合天線之間，同一時間僅 開啟一複合天線中的兩陣列天線，用以增加水平切面上波束的覆蓋，並提供4×4多輸入多輸出功能。在此情形下，請參考第5A、5B圖，第5A圖為陣列天線122、124、142、144的垂直極化天線在3500MHz時在水平切面上的波束覆蓋增益值場形圖，而第5B圖為陣列天線122、124、142、144的水平極化天線在3500MHz時在水平切面上的波束覆蓋增益值場形圖。在第5A、5B圖中，實線、粗實線、點線、粗點線分別對應於陣列天線122、124、142、144的增益值場形圖。由此可看出，天線系統10為半面波束覆蓋，波束可以覆蓋至少120度的範圍，且其餘頻率點也有類似的結果。

此外，經軟體模擬可知，陣列天線122、124、142、144中的垂直或水平極化天線在垂直切面上的3dB波束寬度約為20度。然而，如前所述，饋入裝置16可改變陣列天線122、124、142、144所接收之射頻訊號的相位排列方式，而可在垂直切面產生向上偏、向下偏或不偏的波束，因而可形成三波束來增加波束覆蓋的範圍。

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除了以反射體120、140的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。再者，依據無線通訊系統操作的頻段及頻寬，單元天線U之反射板RB亦可從天線元件中移除。反射體120、140亦可增加周邊反射元件，而形成錐台(frustum)結構，以提高增益值。並且，單元天線U之輻射部RA_1、RA_2之金屬片MB_11、MB_12、MB_21、MB_22可為鑽形偶極天線結構以外的其他天線 結構。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

120、140:反射體

122、124、142、144:陣列天線

ANG:夾角

U:單元天線

Claims (9)

1. 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，包含一第一反射體、一第一陣列天線及一第二陣列天線，其中，該第一陣列天線及該第二陣列天線設置於該第一反射體上；一第二複合天線，包含一第二反射體、一第三陣列天線及一第四陣列天線，其中，該第三陣列天線及該第四陣列天線設置於該第二反射體上，且該第一反射體以一夾角而相對該第二反射體固定；以及一饋入裝置，耦接於該第一複合天線及該第二複合天線，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複合天線及該第二複合天線之射頻訊號的相位，以改變該第一複合天線及該第二複合天線在一垂直切面上所產生之波束的特性，其中該第一陣列天線、該第二陣列天線、該第三陣列天線及該第四陣列天線分別包含四單元天線，每一單元天線包含有設置於該第一反射體或該第二反射體上的至少一輻射部，該至少一輻射部的一第一金屬片與一第二金屬片分別包含一彎折。
2. 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。
3. 如請求項1所述之天線系統，其中該第一陣列天線、該第二陣列天線、該第三陣列天線及該第四陣列天線分別為一1×4陣列天線，且該四單元天線具有相同的結構及尺寸。
4. 如請求項3所述之天線系統，其中該饋入裝置包含有兩組饋入模組，分別耦接於該第一陣列天線、該第二陣列天線、該第三陣列天線及該第四陣列天線中之垂直極化天線和水平極化天線，且每組饋入模組包含四個饋入模組，分別對應於該第一陣列天線、該第二陣列天線、該第三陣列天線 及該第四陣列天線，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，及四輸出端，用來將該訊號源產生之射頻訊號分配至該四輸出端；以及四相位平移器，分別耦接於該四輸出端之一輸出端與該四單元天線之一單元天線，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四單元天線；其中，於該複數個相位狀態中一相位狀態，該四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，該四相位平移器所輸出之射頻訊號具有相位差；其中，該四相位平移器分別於至少二相位平移方式間切換，以切換輸出至該第一複合天線及該第二複合天線之射頻訊號的相位。
5. 如請求項4所述之天線系統，其中該四相位平移器之每一相位平移器包含有：一低通濾波器，耦接於該單元天線，對應於該至少二相位平移方式之一相位平移方式；一高通濾波器，耦接於該單元天線，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，耦接於該低通濾波器及該高通濾波器，用來將該功率分配器輸出之射頻訊號輸出至該低通濾波器及該高通濾波器其中之一。
6. 如請求項4所述之天線系統，其中每組饋入模組另包含有：一第一切換電路，包含一輸入端耦接於一第一訊號源，及二輸出端耦接於該四饋入模組中對應於該第一陣列天線及該第三陣列天線之二饋入模組，用來切換該輸入端連結至該二輸出端其中之一；以及一第二切換電路，包含一輸入端耦接於一第二訊號源，及二輸出端耦接於 該四饋入模組中對應於該第二陣列天線及該第四陣列天線之二饋入模組，用來切換該輸入端連結至該二輸出端其中之一。
7. 如請求項6所述之天線系統，其中於該第一切換電路連結該第一訊號源與該四饋入模組中對應於該第一陣列天線之該饋入模組時，該第二切換電路連結該第二訊號源與該四饋入模組中對應於該第二陣列天線之該饋入模組；以及於該第一切換電路連結該第一訊號源與該四饋入模組中對應於該第三陣列天線之該饋入模組時，該第二切換電路連結該第二訊號源與該四饋入模組中對應於該第四陣列天線之該饋入模組。
8. 如請求項3所述之天線系統，其中每一單元天線另包含有：一反射板，設置於該至少一輻射部上，該反射板之一形狀具有對稱性。
9. 如請求項8所述之天線系統，其中該至少一輻射部的該第一金屬片與該第二金屬片形成一鑽形偶極天線(diamond dipole antenna)結構。

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