TWI698047B - 波束可調式天線裝置 - Google Patents

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TWI698047B TW108102325A TW108102325A TWI698047B TW I698047 B TWI698047 B TW I698047B TW 108102325 A TW108102325 A TW 108102325A TW 108102325 A TW108102325 A TW 108102325A TW I698047 B TWI698047 B TW I698047B
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Abstract

一種波束可調式天線，包括一雙頻天線、一第一反射單元組，及一第二反射單元組。該雙頻天線輻射或接收一第一頻率或一第二頻率的電磁訊號。該第一反射單元組具有複數第一反射板，用以反射該雙頻天線所輻射出的該第一頻率的電磁訊號。該第二反射單元組具有複數第二反射板，用以反射該雙頻天線所輻射出的該第二頻率的電磁訊號。其中，該等複數第一反射板與該等複數第二反射板分別設置於該雙頻天線旁，並且等複數第一、第二反射板的每一者的平面法向量皆指向該雙頻天線；該第一反射單元組比該第二反射單元組更靠近於該雙頻天線。

Description

波束可調式天線裝置
本發明係有關於天線裝置，特別是有關於一波束可調式天線裝置。
由於近十餘年來無線通訊技術的蓬勃發展，現今無線訊號不再僅限於語音通訊，而更多需求轉向於多媒體資訊的傳輸。而在多媒體的傳輸中，訊號的傳輸穩定度、能量強度…等，都會直接與使用者的感受息息相關。在一般的無線路由器中，一般常見的天線應用為多天線多輸入多輸出(Multi-input Multi-output：MIMO)系統，藉由多隻天線的全向性(omnidirectional)場型去涵蓋所應用之環境，或是指向性天線來針對方向性上的使用環境。
可切換場型天線與傳統天線應用差異在於，其天線場型及能量傳輸強度穩定度，皆會因使用者所在位置而達成波束切換功能，該功能是一種充分利用資源進行訊號品質提升、干擾抑制及適應性波束調整的機制。最初的運用模式是利用天線陣列提供之天線增益(Antenna Gain)用以提升訊號雜訊比(SNR)；而為對抗無線通道的多路徑衰落現象，亦可利用天線陣列進行空間分集(Spatial Diversity)，以獲得分集增益(Diversity Gain)。然而，天線陣列往往體積非常龐大。
另一種方式是利用訊號方向性之波束形成(Beam forming)技術，運用具有自我適應、調節功能之演算法驅動陣列天線，使之產生特定的波束形狀，將主波束對準目標訊號用以強化接收品質，同時調整零陷(Null)點，始知對準干擾訊號用以抑制干擾。現今大多數的可切換場型天線，是利用複數支天線為一組做切換機制，藉由切換其內不同的天線來改變整體場型，但結構極為複雜，且體積也會相對應地變大，因此需要耗費過大的空間來組成天線單元。
依據本發明一實施例之波束可調式天線，包括一雙頻天線、一第一反射單元組，及一第二反射單元組。該雙頻天線輻射或接收一第一頻率或一第二頻率的電磁訊號，且該第一頻率大於該第二頻率。該第一反射單元組具有複數第一反射板，用以反射該雙頻天線所輻射出的該第一頻率的電磁訊號。該第二反射單元組具有複數第二反射板，用以反射該雙頻天線所輻射出的該第二頻率的電磁訊號，該第一反射單元組比該第二反射單元組更靠近於該雙頻天線。其中，該等複數第一反射板與該等複數第二反射板分別設置於該雙頻天線旁，並且該等複數第一、第二反射板的每一者的平面法向量皆指向該雙頻天線。
如上述之波束可調式天線，其中，該雙頻天線設置於一基板上；該基板設置於該等複數第一反射板之二者之間，並且該等複數第一反射板之該二者的平面法向量正交於該基板的平面法向量；該等複數第一反射板之其他者設置於該基板的一側。
如上述之波束可調式天線，其中，該等複數第一反射板之該二者與該基板的距離為八分之一至四分之一該第一頻率的電磁訊號波長的長度。
如上述之波束可調式天線，其中，該等複數第一反射板之該二者分別為一第a反射板及一第b反射板；該等複數第一反射板之其他者分別為一第c反射板及第d反射板；該第c、第d反射板的中心處與該基板所在而延伸的一第一平面的距離為八分之一至四分之一該第一頻率的電磁訊號波長的長度。
如上述之波束可調式天線，其中，該第c、第d反射板的平面法向量與該第一平面的夾角分別為60±5度及120±5度。
如上述之波束可調式天線，其中，該雙頻天線設置於一基板上；該基板及該等複數第一反射板之該二者係設置於該等複數第二反射板之二者之間，並且該等複數第二反射板之該二者的平面法向量正交於該基板的平面法向量；該等複數第二反射板之其他者設置於該基板的該側。
如上述之波束可調式天線，其中，該等複數第二反射板之二者與該基板的距離為八分之一至四分之一該第二頻率的電磁訊號波長的長度。
如上述之波束可調式天線，其中，該等複數第二反射板之該二者分別為一第e反射板及一第f反射板；該等複數第二反射板之其他者分別為一第g反射板、一第h反射板、一第i反射板，及一第j反射板；該第g、第h、第i、第j反射板的中心處與該基板所在而延伸的一第一平面的距離為八分之一至四分之一該第二頻率的電磁訊號波長的長度。
如上述之波束可調式天線，其中，該第g、第h反射板的平面法向量與該第一平面的夾角分別為50±5度及130±5度；該第i、第j反射板的平面法向量與該第一平面的夾角分別為83±5度及97±5度。
如上述之波束可調式天線，其中，該等複數第一、第二反射板之每一者分別與一開關相耦接；當該開關導通時，所對應的該等複數第一或第二反射板之一者接地，使得該雙頻天線對應於該第一頻率或該第二頻率的波束場型發生改變。
如上述之波束可調式天線，其中，該雙頻天線包括倒F型天線(PIFA)、環形天線(loop)，以及開路環形天線(open loop)。
如上述之波束可調式天線，其中，該雙頻天線包括一第一頻率的幅射部、一第二頻率的幅射部，並且正交於一第二平面；該第二頻率的幅射部距離該第二平面的高度大於該第一頻率的幅射部距離該第二平面的高度。
如上述之波束可調式天線，其中，該第一反射單元組及該第二反射單元組皆正交於該第二平面；該第一反射單元組距離該第二平面的高度相等於該第一頻率的幅射部距離該第二平面的高度；該第二反射單元組距離該第二平面的高度相等於該第二頻率的幅射部距離該第二平面的高度。
第1A、1B圖為本發明實施例之波束可調式天線的俯視圖暨反射板距離配置圖。如第1A圖所示，波束可調式天線100包括一雙頻天線102、一第一反射單元組104，以及一第二反射單元組106。雙頻天線102輻射或接收一第一頻率( f 1)或一第二頻率( f 2)的電磁訊號。在本實施例中，該第一頻率( f 1)為5GHz，該第二頻率( f 2)為2.4GHz，係為Wi-Fi之應用頻段。在本實施例中，該雙頻天線102可包括倒F型天線(PIFA)、環形天線(loop antenna)，以及開路環形天線(open loop antenna)。一般來說，雙頻天線102為一全向性天線(omnidirectional antenna)。
第一反射單元組104具有複數第一反射板，用以反射雙頻天線102所輻射出的該第一頻率( f 1)的電磁訊號。第二反射單元組106具有複數第二反射板，用以反射雙頻天線102所輻射出的該第二頻率( f 2)的電磁訊號。該等複數第一反射板與該等複數第二反射板分別設置於雙頻天線102旁，並且該等複數第一、第二反射板的每一者的平面法向量皆指向雙頻天線102。在本實施例中，雙頻天線102係形成於一基板110上，基板110設置於該等複數第一反射板之任二者之間，並且該等複數第一反射板之該任二者的平面法向量(例如第1A圖之法向量112、114)正交於基板110的平面法向量(例如法向量116)。該等複數第一反射板之其他者設置於基板110的一側。
基板110及該等複數第一反射板之該二者係設置於該等複數第二反射板之二者之間，並且該等複數第二反射板之該二者的平面法向量正交於基板110的平面法向量；該等複數第二反射板之其他者設置於基板110的該側。在本實施例中，如第1A圖所示，該等複數第一反射板之該二者分別為一反射板a及一反射板b。該等複數第一反射板之其他者分別為一反射板c及一反射板d。該等複數第二反射板之該二者分別為一反射板e及一反射板f。該等複數第二反射板之其他者分別為一反射板g、一反射板h、一反射板i，及一反射板j。其中，該反射板a及該反射板b與雙頻天線102的基板110的距離X 1、X 2為八分之一至四分之一該第一頻率( f 1)的電磁訊號波長的長度，亦即
Figure 02_image001
。該第e反射板及該第f反射板與雙頻天線102的基板110的距離X 3、X 4為八分之一至四分之一該第二頻率( f 2)的電磁訊號波長的長度，亦即
Figure 02_image003
。
前述基板110可為FR4板，或其他常用的印刷電路板(PCB)板材。該雙頻天線102的線路係設置於基板110的表面上。該等複數第一、第二反射板的每一者(即反射板a~d及反射板e~j)的一板面具有一金層層，形成金屬層的該板面係面對雙頻天線102。該等複數第一、第二反射板亦可使用FR4板或其他常用的PCB板材來實現。
如第1B圖所示，該反射板c、反射板d的中心處與雙頻天線102的基板110所在而延伸的一第一平面108的距離Y 1、Y 2為八分之一至四分之一該第一頻率( f 1)的電磁訊號波長的長度，亦即
Figure 02_image001
。該反射板g、反射板h、反射板i、反射板j的中心處與雙頻天線102的基板110所在而延伸的該第一平面108的距離 Y 3、Y 4、Y 5、Y 6為八分之一至四分之一該第二頻率( f 2)的電磁訊號波長的長度，亦即
Figure 02_image003
。在本實施例中，
Figure 02_image005
公尺、
Figure 02_image007
公尺。在本實施例中，Y 3＜Y 5，並且Y 4＜Y 6。第一平面108為雙頻天線102的基板110所在的一平面，由於第1B圖為波束可調式天線100的俯視圖，因此第一平面108在第1B圖上會呈現一直線。
第2A、2B圖為本發明實施例波束可調式天線的反射板角度配置圖。如第2A圖所示，該第c、第d反射板的平面法向量與第一平面108的夾角分別為θ 1=60±5度及θ 2=120±5度。如第2B圖所示，該第g、第h反射板的平面法向量與該第一平面108的夾角分別為θ 3=50±5度及θ 4=130±5度。該第i、第j反射板的平面法向量與第一平面108的夾角分別為83±5度及97±5度。
第3圖為本發明實施例波束可調式天線的立體圖。其中，前述第1圖即為第3圖所示之波束可調式天線的俯視圖。如第3圖所示，雙頻天線102包括一第一頻率的輻射部300及一第二頻率的輻射部302，並且雙頻天線102正交於一第二平面304。第二頻率的輻射部302距離第二平面304的高度大於第一頻率的輻射部300距離第二平面304的高度。第一反射單元組104及第二反射單元組106皆正交於第二平面304。第一反射單元組104距離第二平面304的高度相等於第一頻率的幅射部300距離第二平面304的高度；第二反射單元組106距離第二平面304的高度相等於第二頻率的幅射部302距離第二平面304的高度。第二平面304係正交於第一平面108。
進一步說，由於雙頻天線102的第二頻率的輻射部302輻射時在天線本體上的電流路徑會大於其第一頻率的輻射部300輻射時在天線本體上的電流路徑，並且第一頻率的輻射部300及第二頻率的輻射部302又同時設置形成在雙頻天線312的基板110上，因此第二頻率的輻射部302相對於第二平面304的高度會大於第一頻率的輻射部300相對於第二平面304的高度。第一反射單元組104為了反射第一頻率的輻射部300所發射的第一頻率( f 1)的電磁訊號，故第一反射單元組104相對於第二平面304的高度會相等於雙頻天線102的第一頻率的輻射部300相對於第二平面304的高度。第二反射單元組106為了反射第二頻率的輻射部302所發射的第二頻率( f 2)的電磁訊號，故第二反射單元組106相對於第二平面304的高度會相等於雙頻天線102的第二頻率的輻射部302相對於第二平面304的高度。
該等複數第一、第二反射板之每一者分別與一開關相耦接。當該開關導通時，所對應的該等複數第一或第二反射板之一者接地，使得雙頻天線102對應於第一頻率( f 1)或該第二頻率( f 2)的波束場型發生改變。第4A、4B、4C、4D、4E、4F、4G圖為本發明實施例波束可調式天線切換開關所對應的天線場型變化圖。如第4A圖所示，反射板a與開關400相耦接，反射板b與開關402相耦接，反射板c與開關404相耦接，反射板d與開關406相耦接；反射板e與開關408相耦接，反射板f與開關410相耦接，反射板g與開關412相耦接，反射板h與開關414相耦接，反射板i與開關416相耦接，以及反射板j與開關418相耦接。
舉例來說，由於雙頻天線102為一全向性天線，並無明顯指向性，當開關400~418皆未導通的情況下，其場型約略近似於一球型。在本實施例中，以第一頻率當( f 1)做為例示。當開關400導通，反射板a接地，使得反射板a在電磁邊界條件上近似於一完美導體(perfect electric conductor：PEC)，因而將雙頻天線102在反射板a的場型反射至相反的方向，亦即反射板b的方向。簡單來說，當開關400導通時，反射板a可將雙頻天線102的輻射場型向反射板b的方向擠壓。另一方面，開關402~418並未導通，因此反射板b~d，以及反射板e~j處於浮接(floating)的狀態，並不會影響雙頻天線102的輻射場型。
如第4B圖所示，當開關404導通時，反射板c接地而將雙頻天線102的輻射場型向反射板b與雙頻天線102的基板110另一側之間的方向擠壓。如第4C圖所示，當開關406導通時，反射板d接地而將雙頻天線102的輻射場型向反射板a與雙頻天線102的基板110另一側之間的方向擠壓。如第4D圖所示，當開關402導通時，反射板b接地而將雙頻天線102的輻射場型向反射板a的方向擠壓。
如第4E圖所示，當開關400、404同時導通時，反射板a、反射板c同時接地而將雙頻天線102的輻射場型向反射板b的方向，以及反射板b與雙頻天線102的基板110另一側之間的方向擠壓。如第4F圖所示，當開關402、406同時導通時，反射板b、反射板d同時接地而將雙頻天線102的輻射場型向反射板a的方向，以及反射板a與雙頻天線102的基板110另一側之間的方向擠壓。
如第4G圖所示，當開關400、402同時導通時，反射板a、反射板b同時接地而將雙頻天線102的輻射場型向雙頻天線102的基板110的平面正負法向量的方向擠壓。同理，當雙頻天線輻射第二頻率( f 2)的電磁訊號時，第二反射單元組106的運作方式與第4A~4G圖的第一反射單元組104相同，故不再贅述。
在本實施例中，開關400~418分別為一二極體(diode)，由一控制器分別施加偏壓電壓(bias voltage)予開關400~418，用以控制開關400~418的導通與否。
第5圖為本發明實施例波束可調式天線所組成的2x2波束可調式陣列天線示意圖。如第5圖所示，波束可調式陣列天線500包括4個波束可調式天線100。波束可調式陣列天線500所包括的波束可調式天線100的數量僅為例示，非做為本發明之限制。依據每一反射板上的一開關的導通與否，波束可調式天線100可產生多達數十種方向性的場型。進一步來說，波束可調式陣列天線500更可加強原波束可調式天線100的指向性場型，而達成以下的優點：1.提高天線增益，降低訊號傳輸所需功率；2.擴大系統的覆蓋區域，減少路由器部署個數；3.減少用戶間干擾，提高系統容量；4.有效控制波束，提高頻譜使用效率；5.提供空間分集，降低多路徑衰落影響；6.提升鏈結品質，達到高速傳輸目的；7.實現行動用戶定位，提供嶄新的電信服務。
雖然本發明的實施例如上述所描述，我們應該明白上述所呈現的只是範例，而不是限制。依據本實施例上述示範實施例的許多改變是可以在沒有違反發明精神及範圍下被執行。因此，本發明的廣度及範圍不該被上述所描述的實施例所限制。更確切地說，本發明的範圍應該要以以下的申請專利範圍及其相等物來定義。
100:波束可調式天線
102:雙頻天線
104:第一反射單元組
106:第二反射單元組
a、b:反射板
c、d:反射板
e、f:反射板
g、h、i、j:反射板
X1、X2:距離
X3、X4:距離
Y1、Y2:距離
Y 3、Y 4、Y 5、Y 6:距離
λ 1:第一頻率的電磁訊號的波長
λ 2:第二頻率的電磁訊號的波長
108:第一平面
110:基板
112、114、116:法向量
θ 1:角度
θ 2:角度
θ 3:角度
θ 4:角度
300:第一頻率的輻射部
302:第二頻率的輻射部
304:第二平面
400、402、404、406:開關
408、410、412、414、416、418:開關
500:波束可調式陣列天線
第1A、1B圖為本發明實施例波束可調式天線的俯視圖暨反射板距離配置圖； 第2A、2B圖為本發明實施例波束可調式天線的反射板角度配置圖； 第3圖為本發明實施例波束可調式天線的立體圖； 第4A、4B、4C、4D、4E、4F、4G圖為本發明實施例波束可調式天線切換開關所對應的天線場型變化圖； 第5圖為本發明實施例波束可調式天線所組成的2x2波束可調式陣列天線示意圖。
100:波束可調式天線
102:雙頻天線
104:第一反射單元組
106:第二反射單元組
a、b、c、d:反射板
e、f、g、h、i、j:反射板
X1、X2、X3、X4:距離
Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6:距離
λ1:第一頻率的電磁訊號的波長
λ2:第二頻率的電磁訊號的波長
108:第一平面
110:基板
112、114、116:法向量
θ1、θ2、θ3、θ4:角度

Claims (13)

  1. 一種波束可調式天線，包括：一雙頻天線，用以輻射或接收一第一頻率或一第二頻率的電磁訊號，且該第一頻率大於該第二頻率；一第一反射單元組，具有複數第一反射板，用以反射該雙頻天線所輻射出的該第一頻率的電磁訊號；一第二反射單元組，具有複數第二反射板，用以反射該雙頻天線所輻射出的該第二頻率的電磁訊號，該第一反射單元組比該第二反射單元組更靠近於該雙頻天線；其中，該等複數第一反射板與該等複數第二反射板分別設置於該雙頻天線旁，並且該等複數第一、第二反射板的每一者的平面法向量皆指向該雙頻天線；其中，該雙頻天線設置於一基板上；該基板設置於該等複數第一反射板之二者之間；該等複數第一反射板之其他者設置於該基板的一側。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之波束可調式天線，其中，該等複數第一反射板之該二者的平面法向量正交於該基板的平面法向量。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之波束可調式天線，其中，該等複數第一反射板之該二者與該基板的距離為八分之一至四分之一該第一頻率的電磁訊號波長的長度。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之波束可調式天線，其中，該等複數第一反射板之該二者分別為一第a反射板及一第b反射板；該等複數第一反射板之其他者分別為一第c反射板及第d反射板；該第c、第d反射板的中心處與該基板所在而延伸的一第一平面的距離為八分之一至四分之一該第一頻率的電磁訊號波長的長度。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之波束可調式天線，其中，該第c、第d反射板的平面法向量與該第一平面的夾角分別為60±5度及120±5度。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之波束可調式天線，其中，該雙頻天線設置於一基板上；該基板及該等複數第一反射板之該二者係設置於該等複數第二反射板之二者之間，並且該等複數第二反射板之該二者的平面法向量正交於該基板的平面法向量；該等複數第二反射板之其他者設置於該基板的該側。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之波束可調式天線，其中，該等複數第二反射板之二者與該基板的距離為八分之一至四分之一該第二頻率的電磁訊號波長的長度。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之波束可調式天線，其中，該等複數第二反射板之該二者分別為一第e反射板及一第f反射板；該等複數第二反射板之其他者分別為一第g反射板、一第h反射板、一第i反射板，及一第j反射板；該第g、第h、第i、第j反射板的中心處與該基板所在而延伸的一第一平面的距離為八分之一至四分之一該第二頻率的電磁訊號波長的長度。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之波束可調式天線，其中，該第g、第h反射板的平面法向量與該第一平面的夾角分別為50±5度及130±5度；該第i、第j反射板的平面法向量與該第一平面的夾角分別為83±5度及97±5度。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之波束可調式天線，其中，該等複數第一、第二反射板之每一者分別與一開關相耦接；當該開關導通時，所對應的該等複數第一或第二反射板之一者接地，使得該雙頻天線對應於該第一頻率或該第二頻率的波束場型發生改變。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之波束可調式天線，其中，該雙頻天線包括倒F型天線(PIFA)、環形天線(loop)，以及開路環形天線(open loop)。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之波束可調式天線，其中，該雙頻天線包括一第一頻率的幅射部、一第二頻率的幅射部，並且正交於一第二平面；該第二頻率的幅射部距離該第二平面的高度大於該第一頻率的幅射部距離該第二平面的高度。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之波束可調式天線，其中，該第一反射單元組及該第二反射單元組皆正交於該第二平面；該第一反射單元組距離該第二平面的高度相等於該第一頻率的幅射部距離該第二平面的高度；該第二反射單元組距離該第二平面的高度相等於該第二頻率的幅射部距離該第二平面的高度。
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