TWI722776B - 毫米波天線裝置 - Google Patents

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Abstract

毫米波天線裝置包含天線陣列、第一寄生元件以及第二寄生元件。該天線陣列包含m×n個天線並且位於天線區域。該第一寄生元件位於該天線區域之第一側。該第二寄生元件位於該天線區域之第二側。該第一寄生元件與該第二寄生元件皆未與該天線區域重疊。

Description

毫米波天線裝置
本發明涉及無線通訊技術，更具體地，涉及改善天線場型之包含寄生元件之毫米波天線裝置。
隨著無線通訊技術之發展，天線效能變得越來越重要。例如，為了達到5G通訊，天線必須支援高頻訊號，並且希望天線支援所有方向上之無線電通訊。當評估天線效率時，可觀察使用天線量測之天線場型。
為了改善通訊效能，可使用天線陣列代替單一天線。天線陣列可為已連接天線集合，其作為一個天線共同工作以發送或接收無線電訊號。
已經證明天線陣列是有用天線裝置。然而，在該領域，仍需要進一步改善通訊效能之改進解決方案。
一個實施例提出一種毫米波天線裝置。該毫米波天線裝置包括：一天線陣列，包含m×n個天線並且位於一天線區域中；一第一寄生元件，位於該天線區域之一第一側旁邊；一第二寄生元件，位於該天線區域之一第二側旁邊；一第一調諧元件，用於調整對應該第一寄生元件之一阻抗，並且該第一調諧元件包含耦接該第一寄生元件之一第一終端，以及一第二終端；一第二調諧元件，用於調整對應該第二寄生元件之一阻抗，並且該第二調諧元件包含耦接該第二寄生元件之一第一終端，以及一第二終端；以及一收發器，耦接該天線陣列、該第一調諧元件之該第二終端以及該第二調諧元件之該第二終端，並且配置該 收發器處理該天線陣列收發之訊號，以及控制該第一調諧元件與該第二調諧元件。其中，該第一寄生元件與該第二寄生元件皆未與該天線區域重疊，m與n為正整數並且m+n大於2。
另一個實施例提供一種毫米波天線裝置。該毫米波天線裝置包括：一第一天線陣列，包含m×n個第一天線並且位於一第一天線區域中；一第一寄生元件，位於該第一天線區域之一第一側旁邊；一第二寄生元件，位於該第一天線區域之一第二側旁邊；一第二天線陣列，包含p×q個第二天線並且位於一第二天線區域中；一第三寄生元件，位於該第二天線區域之一第一側旁邊；以及一第四寄生元件，位於該第二天線區域之一第二側旁邊。其中，該第一寄生元件與該第二寄生元件皆未與該第一天線區域重疊，該第三寄生元件與該第四寄生元件皆未與該第二天線區域重疊，該第一天線之每一個與該第二天線之每一個彼此隔離，m、n、p與q為正整數並且m+n大於2，p+q大於2。
本發明提供之毫米波天線裝置可改善通訊效能。
下面按照細節描述其他實施例與優點。本發明內容並不旨在限定本發明。本發明由申請專利範圍限定。
100,1100:天線裝置
110,1110:第一寄生元件
120,1120:第二寄生元件
155:天線陣列
155a:天線區域
199:收發器
S1,S11:第一側
S2,S22:第二側
TC1:第一調諧元件
TC2:第二調諧元件
CP1:第一導電路徑
CP2:第二導電路徑
CP3:第三導電路徑
310:電路載板
410:基板
420:蓋板
P1,P2:供電單元
CP41,CP42:導電路徑
510:第一基板
520:第二基板
130,1130,1910:第三寄生元件
140,1140,1920:第四寄生元件
TC3:第三調諧元件
TC4:第四調諧元件
S3:第三側
S4:第四側
150:第五寄生元件
160:第六寄生元件
170:第七寄生元件
180:第八寄生元件
910,1010:寄生元件
1155:第一天線陣列
1955:第二天線陣列
1155a:第一天線區域
1955a:第二天線區域
1210,1220,1230:場型
第1圖依據一實施例描述了毫米波天線裝置。
第2圖描述了第1圖之毫米波天線之區塊圖。
第3圖至第11圖依據不同實施例描述了基於第1圖毫米波天線裝置設計之毫米波天線裝置。
第12圖描述了不同情況之天線場型。
現在將詳細參照本發明之一些，其示例在附圖中示出。
第1圖依據實施例描述了毫米波(mmWave)天線裝置100。第1圖可為俯視圖。天線裝置100可包含天線陣列155、第一寄生元件110與第二寄生元件120。天線陣列155可包含m×n個天線並且位於天線區域155a中。第一寄生元件110可位於天線區域155a之第一側S1旁邊。第二寄生元件120可位於天線區域155a之第二側S2旁邊。第一寄生元件110與第二寄生元件120皆不與天線區域155a重疊。m與n是正整數，並且m+n大於2。
如第1圖所示，依據實施例，第一側S1可與第二側S2相對。依據另一實施例，第一側S1可與第二側S2垂直。
依據實施例，天線陣列155中m×n個天線之每一個可為貼片天線、槽孔天線、環路天線或平面倒F天線(PIFA)。
如第1圖所示，第一寄生元件110與第二寄生元件120之每一個可具有寬度W。寬度W可大於天線陣列155收發訊號之波長λ之四分之一(即，1/4)。換句話說，W大於λ/4。透過沿著垂直於天線區域155a相應側之參考線量測寄生元件，可獲取寬度W。例如，如第1圖所示，透過沿著垂直於天線區域155a第一側S1之參考線R量測第一寄生元件110，可獲取第一寄生元件110之寬度W。依據實施例，寬度W可為波長λ之一半，以改善收發效能。換句話說，W等於λ/2。
第2圖描述了第1圖之毫米波天線裝置100之區塊圖。如第2圖所示，天線裝置100可進一步包含第一調諧元件TC1、第二調諧元件TC2以及收發器199。第2圖可顯示天線裝置100之剖視圖。
可使用第一調諧元件TC1調整對應於第一寄生元件110之阻抗。第一調諧元件TC1可包含耦接第一寄生元件110之第一終端與第二終端。
可使用第二調諧元件TC2調整對應於第二寄生元件120之阻抗。第二 調諧元件TC2可包含耦接第二寄生元件120之第一終端與第二終端。
收發器199可耦接天線陣列155、第一調諧元件TC1之第二終端以及第二調諧元件TC2之第二終端。可使用收發器199處理天線陣列155收發之訊號，並且控制第一調諧元件TC1與第二調諧元件TC2。
當第一調諧元件TC1工作於開路狀態時，對應第一寄生元件110之阻抗可為無限，並且當第一調諧元件TC1工作於閉路狀態(short state)時，該阻抗可為零。
當第二調諧元件TC2工作於開路狀態時，對應第二寄生元件120之阻抗可為無限，並且當第二調諧元件TC2工作於閉路狀態(short state)時，該阻抗可為零。
在第2圖中，單獨顯示引入之第一調諧元件TC1、第二調諧元件TC2以及收發器199；然而，依據實施例，可將第一調諧元件TC1、第二調諧元件TC2以及收發器199集成在積體電路(IC)中。
第3圖至第11圖可依據不同實施例描述基於第1圖之毫米波天線裝置100設計之毫米波天線裝置。
第3圖是依據實施例之第2圖中天線裝置100之剖視圖。如第3圖所示，天線裝置100可進一步包含電路載板(circuit carrier)310。可使用電路載板310提供導電路徑，並且該導電路徑可為可程式的。例如，電路載板310可為(但不限於)具有可程式導電路徑之印刷電路板(PCB)、印刷線路板(PWB)或半導體封裝結構。
如第3圖所示，可使用電路載板310提供收發器199與天線陣列155間耦接之m×n個第一導電路徑CP1、第一調諧元件TC1與第一寄生元件110間耦接之第二導電路徑CP2以及第二調諧元件TC2與第二寄生元件120間耦接之第三導電路徑CP3。
如第3圖所示，第一寄生元件110與第二寄生元件120可位於電路載板310之第一側S11。第一調諧元件TC1、第二調諧元件TC2以及收發器199可位於電路載板310之第二側S22。
第4圖是依據另一實施例之第2圖中毫米波天線裝置100之剖視圖。如第4圖所示，天線裝置100可進一步包含基板(substrate)410與蓋板(cover)420。第一寄生元件110、第二寄生元件120、第一調諧元件TC1、第二調諧元件TC2可位於基板410之第一側。蓋板420可位於基板410之第二側。例如，蓋板420可為行動電話之背板。如第4圖所示，天線裝置100可進一步包含位於基板410上並且耦接調諧元件TC1與TC2之供電單元P1與P2，以向調諧元件TC1與TC2供電。例如，該電能係從外部源(例如，電池)發送至該供電單元P1與P2。依據實施例，收發器199或另一裝置(例如，特定電路或調整相關阻抗之控制器)可控制調諧元件TC1與TC2。
經由第4圖之結構，可將天線陣列155、電路載板310以及收發器199集成入應用或售賣之第一模組。可使用寄生元件110與120、基板410作為第二模組。可將蓋板420稱為第三模組。可組裝上述第一模組至第三模組。因此，可改善設計靈活度。
第5圖是依據另一實施例之第2圖中毫米波天線裝置100之剖視圖。第5圖之天線裝置100可與第4圖之天線裝置100相似。然而，第5圖之天線裝置可包含兩個單獨基板510與520。可將第一寄生元件110與第一調諧元件TC1置於第一基板510之第一側。可將第二寄生元件120與第二調諧元件TC2置於第二基板520之第一側。可將蓋板420(例如，行動電話之背板)置於第一基板510之第二側以及第二基板520之第二側。在第5圖中，透過使用兩個單獨基板510與520，進一步改善設計靈活度。
如第4圖與第5圖所示，天線裝置100可進一步包含導電路徑CP41與 CP42。導電路徑CP41可耦接於收發器199以及第一調諧元件TC1。導電路徑CP42可耦接於收發器199以及第二調諧元件TC2。在第4圖與第5圖中，收發器199可透過導電路徑CP41控制第一調諧元件TC1，並且透過導電路徑CP42控制第二調諧元件TC2。
例如，依據實施例，使用電路載板(例如但不限於，靈活印刷線路板)之路徑可形成導電路徑CP41與CP42之每一個。例如，每個導電路徑CP41與CP42可穿過焊球或合適導電墊。
第6圖依據另一實施例描述了毫米波天線裝置100。除了第1圖所示的寄生元件110與120，第6圖之天線裝置100可進一步包含第三寄生元件130與第四寄生元件140。第三寄生元件130可位於天線區域155a之第三側S3旁邊。第四寄生元件140可位於天線區域155a之第四側S4旁邊。第三寄生元件130不與天線區域155a重疊，並且第四寄生元件140不與天線區域155a重疊。
如第6圖所示，第一側S1可與第二側S2相對。第三側S3可與第一側S1以及第二側S2垂直。第四側S4垂直於第一側S1以及第二側S2。第三側S3可與第四側S4相對。
如第6圖所示，天線裝置100可進一步包含第一調諧元件TC1、第二調諧元件TC2、第三調諧元件TC3以及第四調諧元件TC4，用於分別調整對應寄生元件110至140之阻抗。調諧元件TC1與TC2可類似於第2圖之內容，因此這裡不進行重複描述。第三調諧元件TC3可包含耦接第三寄生元件130之第一終端，以及第二終端。第四調諧元件TC4可包含耦接第四寄生元件140之第一終端，以及第二終端。與第2圖類似，天線裝置100可進一步包含收發器199。收發器199可耦接天線陣列155以及調諧元件TC1至TC4之第二終端。收發器199可用於處理天線陣列155收發之訊號，並且控制調諧元件TC1至TC4。
在第6圖，收發器199與調諧元件TC1至TC4之位置僅作為示例，以描 述元件間之關係，並不限定實施例範圍。例如，第6圖提到之收發器199與調諧元件TC1至TC4可位於電路載板及/或一個或複數個基板上，以支援基於不同實施例之第3圖與第5圖所示各種類型應用。
第7圖依據另一實施例描述了毫米波天線裝置100。第7圖之天線裝置100可與第6圖之天線裝置100相似。然而，天線裝置100可進一步包含α個第五寄生元件150、β個第六寄生元件160、γ個第七寄生元件170與δ個第八寄生元件180。如第7圖所示，該α個第五寄生元件150可位於天線區域155a之第一側S1旁邊。該β個第六寄生元件160可位於天線區域155a之第二側S2旁邊。該γ個第七寄生元件170可位於天線區域155a之第三側S3旁邊。該δ個第八寄生元件180可位於天線區域155a之第四側S4旁邊。寄生元件150、160、170與180皆不與天線區域155a重疊。α、β、γ、δ為正整數，並且皆大於0。
如第7圖所示，複數個寄生元件可位於天線區域之一側旁邊，以改善天線場型。第8圖可提供另一示例。
第8圖依據另一實施例描述了毫米波天線裝置100。第8圖可與第1圖類似。然而，天線裝置100可進一步包含x個第三寄生元件1130與y個第四寄生元件1140。該x個第三寄生元件1130位於天線區域155a之第一側S1旁邊。該y個第四寄生元件1140位於天線區域155a之第二側S2旁邊。x與y為正整數，並且皆大於0。
關於第7圖與第8圖，位於天線區域155a相同側之寄生元件可耦接相同調諧元件，以作為集合被控制。依據另一實施例，可使用更多調諧元件，並且兩個或複數個調諧元件可控制位於天線區域155a相同側之寄生元件，以更精細地控制阻抗。
關於第7圖與第8圖，寄生元件可位於如第3圖所示之電路載板，或者位於如第4圖所示之基板。可組合寄生元件並且將其置於如第5圖所示之不同基 板，其中，相同組中之寄生元件組合可位於相同基板。換句話說，第3圖至第5圖所描述結構對於第7圖與第8圖之情況是可行的。
在上述天線裝置100中，依據實施例，每個寄生元件可為矩形、圓形、菱形或平行四邊形。第9圖與第10圖依據兩個實施例描述了毫米波天線裝置100。如第9圖所示，位於天線區域155a旁邊之每個寄生元件可為平行四邊形，其中每個平行四邊形可為角度旋轉之矩形。如第10圖所示，位於天線區域155a旁邊之每個寄生元件可為圓形。此外，如第9圖與第10圖中之寄生元件910與1010，寄生元件可位於天線區域155a之角落。
依據實施例，每個上述天線陣列(例如，155、1155以及1955)可工作於高於7GHz之頻率。換句話說，天線陣列發送及/或接收之訊號可位於高於7GHz之頻率。第1圖至第11圖之毫米波天線裝置可支援5G通訊。
第11圖依據另一實施例描述了毫米波天線裝置1100。天線裝置1100包含第一天線陣列1155、第一寄生元件1110、第二寄生元件1120、第二天線陣列1955、第三寄生元件1910與第四寄生元件1920。
第一天線陣列1155可包含m×n個第一天線並且位於第一天線區域1155a中。第一寄生元件1110可位於第一天線區域1155a之第一側旁邊。第二寄生元件1120可位於第一天線區域1155a之第二側旁邊。第二天線陣列1955可包含p×q個第二天線並且位於第二天線區域1955a中。第三寄生元件1910可位於第二天線區域1955a之第一側旁邊。第四寄生元件1920可位於第二天線區域1955a之第二側旁邊。
第一寄生元件1110與第二寄生元件1120皆不與第一天線區域1155a重疊。第三寄生元件1910與第四寄生元件1920皆不與第二天線區域1955a重疊。天線陣列1155之每個天線與天線陣列1955之每個天線彼此隔離。m、n、p、q為正整數，並且m+n大於2，p+q大於2。
如第11圖所示，第一天線區域1155a與第二天線區域1955a部分重疊，並且第一天線區域1155a與第二天線區域1955a未對齊。
第12圖描述了不同情況之天線場型。在第12圖中，當天線裝置不具有寄生元件時，量測場型1210。當天線裝置具有與天線區域(包含天線陣列)重疊之寄生元件時，量測場型1220。為第6圖之天線裝置100量測場型1230。
如第12圖所示，在90度角度(標為+90°)，場型1210至1230分別對應天線增益2.5dB、3.8dB與6.2dB。因此，在+90°，當與場型1210比較時，改善天線增益3.7dB。既然為具有四個寄生元件之天線裝置獲取場型1230，則每個寄生元件改善天線增益大約0.9dB。
總之，依靠實施例揭示之天線裝置，極大改善天線增益，並且提供設計與應用之靈活度。
儘管為了說明之目的，結合特定實施例描述了本發明，但本發明並不局限於此。因此，在不脫離申請專利範圍之本發明範圍情況下，可對所描述實施例之各種特徵執行各種修改、調整以及組合。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。
100:天線裝置
110:第一寄生元件
120:第二寄生元件
155:天線陣列
199:收發器
TC1:第一調諧元件
TC2:第二調諧元件

Claims (13)

  1. 一種毫米波天線裝置，包括：一天線陣列，包含m×n個天線並且位於一天線區域中；一第一寄生元件，位於該天線區域之一第一側旁邊；一第二寄生元件，位於該天線區域之一第二側旁邊；一第一調諧元件，用於調整對應該第一寄生元件之一阻抗，並且該第一調諧元件包含耦接該第一寄生元件之一第一終端，以及一第二終端；一第二調諧元件，用於調整對應該第二寄生元件之一阻抗，並且該第二調諧元件包含耦接該第二寄生元件之一第一終端，以及一第二終端；以及一收發器，耦接該天線陣列、該第一調諧元件之該第二終端以及該第二調諧元件之該第二終端，並且配置該收發器處理該天線陣列收發之訊號，以及控制該第一調諧元件與該第二調諧元件；其中，該第一寄生元件與該第二寄生元件皆未與該天線區域重疊，m與n為正整數並且m+n大於2。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之毫米波天線裝置，其中，該第一側與該第二側相對。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之毫米波天線裝置，其中，當該第一調諧元件工作於一開路狀態時，對應該第一寄生元件之該阻抗為無限，並且當該第一調諧元件工作於一閉路狀態時，對應該第一寄生元件之該阻抗為零。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之毫米波天線裝置，其中，當該第二調諧元件工作於該開路狀態時，對應該第二寄生元件之該阻抗為無限，並且當該第二調諧元件工作於該閉路狀態時，對應該第二寄生元件之該阻抗 為零。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之毫米波天線裝置，其中，該第一調諧元件、該第二調諧元件與該收發器集成為一積體電路。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之毫米波天線裝置，其中，進一步包含：一電路載板，用於提供該收發器與該天線陣列間耦接之m×n個第一導電路徑、該第一調諧元件與該第一寄生元件間耦接之一第二導電路徑、該第二調諧元件與該第二寄生元件間耦接之一第三導電路徑；其中，該天線陣列、該第一寄生元件與該第二寄生元件位於該電路載板之一第一側，並且該第一調諧元件、該第二調諧元件與該收發器位於該電路載板之一第二側。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之毫米波天線裝置，其中，進一步包含：一基板，其中，該第一寄生元件、該第二寄生元件、該第一調諧元件與該第二調諧元件位於該基板之一第一側；以及一蓋板，位於該基板之一第二側。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之毫米波天線裝置，其中，進一步包含：一第一基板，其中，該第一寄生元件與該第一調諧元件位於該第一基板之一第一側；一第二基板，其中，該第二寄生元件與該第二調諧元件位於該第二基板之一第一側；以及一蓋板，位於該第一基板之一第二側以及該第二基板之一第二側。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之毫米波天線裝置，其中，該第一寄 生元件與該第二寄生元件之每一個之一寬度大於該天線陣列收發之一訊號之四分之一之波長。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之毫米波天線裝置，其中，該第一寄生元件與該第二寄生元件之每一個之一寬度為該天線陣列收發之一訊號之一半波長。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之毫米波天線裝置，其中，進一步包含：一第三寄生元件，位於該天線區域之一第三側；以及一第四寄生元件，位於該天線區域之一第四側；其中，該第三寄生元件不與該天線區域重疊，並且該第四寄生元件不與該天線區域重疊。
  12. 一種毫米波天線裝置，包括：一第一天線陣列，包含m×n個第一天線並且位於一第一天線區域中；一第一寄生元件，位於該第一天線區域之一第一側旁邊；一第二寄生元件，位於該第一天線區域之一第二側旁邊；一第二天線陣列，包含p×q個第二天線並且位於一第二天線區域中；一第三寄生元件，位於該第二天線區域之一第一側旁邊；以及一第四寄生元件，位於該第二天線區域之一第二側旁邊；其中，該第一寄生元件與該第二寄生元件皆未與該第一天線區域重疊，該第三寄生元件與該第四寄生元件皆未與該第二天線區域重疊，該第一天線之每一個與該第二天線之每一個彼此隔離，m、n、p與q為正整數並且m+n大於2，p+q大於2。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之毫米波天線裝置，其中，該第一天線區域與該第二天線區域部分重疊，並且該第一天線區域與該第二天線區 域不對齊。
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