TWM593667U

TWM593667U - 天線裝置

Info

Publication number: TWM593667U
Application number: TW109201054U
Authority: TW
Inventors: 張偉軒; 朱芳賢; 阮鵬豪; 范哲耀
Original assignee: 華碩電腦股份有限公司
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2020-04-11

Abstract

本案揭露一種天線裝置，包含第一及第二天線單元、二第一饋入路徑、第三及第四天線單元、二第二饋入路徑以及射頻處理電路。二第一饋入路徑分別用以將第一射頻訊號饋入第一天線單元及將第二射頻訊號饋入第二天線單元。二第二饋入路徑分別用以將第三射頻訊號饋入第三天線單元及將第四射頻訊號饋入第四天線單元。射頻處理電路產生第一、第二、第三及第四射頻訊號，其中，第一射頻訊號饋入第一天線單元之相位與第二射頻訊號饋入第二天線單元之相位相差90度，及第三射頻訊號饋入第三天線單元之相位與第四射頻訊號饋入第四天線單元之相位相差90度。

Description

天線裝置

本案係有關一種應用於毫米波頻段之天線裝置。

隨著無線通訊容量需求的爆炸性增長，加速了5G世代的演進，其中FR2（Frequency Range 2）技術主要應用於毫米波頻段（>20 GHz）。

FR2主要是利用大頻寬來提升通道容量，但若同時要採用MIMO技術來提升頻譜使用效率，由於毫米波傳播主要靠點對點的視距傳播（line of sight），其多重路徑效應弱，且天線設計幾乎都採用波束集成（beamforming）技術，多樣性技術應用自由度低，其效能將會受到很大的限制。

本案提供一種天線裝置，包含一第一天線單元及一第二天線單元、二第一饋入路徑、一第三天線單元及一第四天線單元、二第二饋入路徑以及一射頻處理電路。二第一饋入路徑分別用以將一第一射頻訊號饋入第一天線單元及將一第二射頻訊號饋入第二天線單元。二第二饋入路徑分別用以將一第三射頻訊號饋入第三天線單元及將一第四射頻訊號饋入第四天線單元。射頻處理電路係產生第一射頻訊號、第二射頻訊號、第三射頻訊號及第四射頻訊號，其中，第一射頻訊號饋入第一天線單元之相位與第二射頻訊號饋入第二天線單元之相位相差90度，且第三射頻訊號饋入第三天線單元之相位與第四射頻訊號饋入第四天線單元之相位相差90度。

本案另外提供一種天線裝置，包含一第一天線陣列及一第二天線陣列、二第一饋入路徑、一第三天線陣列及一第四天線陣列、二第二饋入路徑以及一射頻處理電路。二第一饋入路徑分別用以將一第一射頻訊號饋入第一天線陣列及將一第二射頻訊號饋入第二天線陣列。二第二饋入路徑分別用以將一第三射頻訊號饋入第三天線陣列及將一第四射頻訊號饋入第四天線陣列。射頻處理電路係產生第一射頻訊號、第二射頻訊號、第三射頻訊號及第四射頻訊號，其中，第一射頻訊號饋入第一天線陣列之相位與第二射頻訊號饋入第二天線陣列之相位相差90度，且第三射頻訊號饋入第三天線陣列之相位與第四射頻訊號饋入第四天線陣列之相位相差90度。

綜上所述，本案之天線裝置利用同極化天線單元間加入90度的相位差來降低天線主波束附近方位角的傳輸通道相關性，再藉由結合極化正交技術，可使傳輸容量大幅提升，來達到4*4 MIMO的傳輸效果。

天線設計上常以天線場型相關係數（Envelope correlation coefficient，ECC）來作為通道相關性的評斷指標，ECC（ρ _e）的計算公式為

，其中F ₁、F ₂代表兩天線單元的輻射場型資料，此公式的分子為F ₁及F ₂的內積運算，因此若要使ECC為0（代表完全不相關），則可令F ₁與F ₂兩者極化正交，於數學運算上即為正交向量之內積，故為0。亦或是令F ₁與F ₂同極化但相位相差90度，於數學運算上也可得到0的結果。由於FR2毫米波之傳播模式，主要依靠視距傳播且多重路徑效應弱，意即訊號源將多來自於單一方向，故ECC的計算可以著重在欲使用之方向即可，而此方向也必須在天線的主波束附近，因此根據上述原理，本案提出一天線裝置，利用在同極化天線單元間加入90度的相位差，使其在主波束附近的方向有良好的ECC（ECC為0）。

圖1係為根據本案一實施例之天線裝置的結構示意圖，請參閱圖1所示，一天線裝置10包含一第一天線單元12、一第二天線單元14、二第一饋入路徑16、18、一第三天線單元20、一第四天線單元22、二第二饋入路徑24、26以及一射頻處理電路28。在此實施例中，第一天線單元12、第二天線單元14、第三天線單元20及第四天線單元22係以微帶天線（Patch Antenna）為實施範例，但不能以此為限，第一天線單元12、第二天線單元14、第三天線單元20及第四天線單元22的類型可隨著天線裝置10之應用而有所不同。第一天線單元12及第二天線單元14與第三天線單元20及第四天線單元22依序沿一方向（如X軸方向）排列，相鄰天線單元之間皆保持相同之距離，亦即，第一天線單元12與相鄰的第二天線單元14間隔一間距d，第二天線單元14與相鄰的第三天線單元20間隔此間距d，且第三天線單元20與相鄰的第四天線單元22亦間隔此間距d。在一實施例中，當一第一饋入路徑16用以將一第一射頻訊號X1饋入第一天線單元12且另一第一饋入路徑18用以將第二射頻訊號X2饋入至第二天線單元14時，第一天線單元12及第二天線單元14會產生第一極化輻射場型。在一實施例中，當一第二饋入路徑24用以將一第三射頻訊號X3饋入第三天線單元20且當另一第二饋入路徑26用以將一第四射頻訊號X4饋入第四天線單元22時，第三天線單元20及第四天線單元22會產生第二極化輻射場型。射頻處理電路28分別透過第一饋入路徑16、18及第二饋入路徑24、26分別電性連接至第一天線單元12、第二天線單元14、第三天線單元20及第四天線單元22，射頻處理電路28用以產生第一射頻訊號X1、第二射頻訊號X2、第三射頻訊號X3及第四射頻訊號X4，以單天線單饋入的方式分別傳輸至第一天線單元12、第二天線單元14、第三天線單元20及第四天線單元22，其中，第一射頻訊號X1饋入第一天線單元12之相位與第二射頻訊號X2饋入第二天線單元14之相位相差90度，及第三射頻訊號X3饋入第三天線單元20之相位與第四射頻訊號X4饋入第四天線單元22之相位也相差90度。由於此天線裝置10最多能傳送4組射頻訊號串流（X1~X4），所以具有此天線裝置10的通訊系統係為4*4 MIMO之通訊系統架構。

在一實施例中，上述之間距係為0.5倍波長到1倍波長之間。在一實施例中，射頻處理電路28係為一射頻收發晶片。

請參閱圖2所示，在此天線裝置10中，第一天線單元12、第三天線單元20、第二天線單元14及第四天線單元22依序沿一方向（如X軸方向）排列，使相鄰天線單元之間皆保持相同之距離，亦即，第一天線單元12與相鄰之第三天線單元20間隔一間距d，第三天線單元20與相鄰之第二天線單元14間隔此間距d，且第二天線單元14與相鄰之第四天線單元22間隔此間距d。當第一饋入路徑16將第一射頻訊號X1饋入第一天線單元12且第一饋入路徑18將第二射頻訊號X2饋入第二天線單元14時，第一天線單元12及第二天線單元14會產生第一極化輻射場型。當第二饋入路徑24將一第三射頻訊號饋入第三天線單元20且第二饋入路徑26將第四射頻訊號X4饋入第四天線單元22時，第三天線單元20及第四天線單元22會產生第二極化輻射場型。射頻處理電路28分別透過第一饋入路徑16、18及第二饋入路徑24、26分別電性連接至第一天線單元12、第二天線單元14、第三天線單元20及第四天線單元22，射頻處理電路28分別產生第一射頻訊號X1、第二射頻訊號X2、第三射頻訊號X3及第四射頻訊號X4。其中，第一射頻訊號X1饋入第一天線單元12之相位與第二射頻訊號X2饋入第二天線單元14之相位相差90度，及第三射頻訊號X3饋入第三天線單元20之相位與第四射頻訊號X4饋入第四天線單元22之相位也相差90度。

請參閱圖3所示，一天線裝置10包含一第一天線陣列30、一第二天線陣列32、二第一饋入路徑34、36、一第三天線陣列38、一第四天線陣列40、二第二饋入路徑42、44以及一射頻處理電路28，在此實施例係以天線陣列的方式取代單一天線單元，以藉此增加天線增益，提升傳輸距離。第一天線陣列30、第二天線陣列32、第三天線陣列38及第四天線陣列40依序沿一方向（如X軸方向）排列，第一天線陣列30與相鄰的第二天線陣列32間隔一間距d，第二天線陣列32與相鄰的第三天線陣列38間隔此間距d，且第三天線陣列38與相鄰的第四天線陣列40間隔此間距d，並且第一天線陣列30包含四個同相激發的天線單元301～304，第二天線陣列32包含四個同相激發的天線單元321～324，第三天線陣列38包含四個同相激發的天線單元381～384，第四天線陣列40包含四個同相激發的天線單元401～404，在此實施例中天線陣列係以四個天線單元為例，但不以此為限。在一實施例中，當第一饋入路徑34將一第一射頻訊號X1饋入第一天線陣列30且另一第一饋入路徑36將第二射頻訊號X2饋入第二天線陣列32時，第一天線陣列30及第二天線陣列32會產生第一極化輻射場型。當第二饋入路徑42將一第三射頻訊號X3饋入第三天線陣列38且另一第二饋入路徑44將一第四射頻訊號X4饋入第四天線陣列40時，第三天線陣列38及第四天線陣列40會產生第二極化輻射場型。射頻處理電路28透過第一饋入路徑34、36分別電性連接至第一天線陣列30及第二天線陣列32，並透過第二饋入路徑42、44分別電性連接至第三天線陣列38及第四天線陣列40，射頻處理電路28用以產生第一射頻訊號X1、第二射頻訊號X2、第三射頻訊號X3及第四射頻訊號X4。其中，第一射頻訊號X1饋入至第一天線陣列30之相位與第二射頻訊號X2饋入第二天線陣列32之相位相差90度，且第三射頻訊號X3饋入第三天線陣列38之相位與第四射頻訊號X4饋入第四天線陣列40之相位也相差90度。

請參閱圖4所示，此實施例之天線裝置10中，第一天線陣列30、第三天線陣列38、第二天線陣列32及第四天線陣列40依序沿一方向（如X軸方向）排列，第一天線陣列30與相鄰之第三天線陣列38間隔有間距d，第三天線陣列38與相鄰之第二天線陣列32間隔此間距d，且第二天線陣列32與相鄰之第四天線陣列40間隔此間距d。當第一饋入路徑34將第一射頻訊號X1饋入第一天線陣列30且第一饋入路徑36將第二射頻訊號X2饋入第二天線陣列32時，第一天線陣列30及第二天線陣列32會產生第一極化輻射場型。當第二饋入路徑42將一第三射頻訊號X3饋入第三天線陣列38且第二饋入路徑44將第四射頻訊號X4饋入第四天線陣列40時，第三天線陣列38及第四天線陣列40會產生第二極化輻射場型。射頻處理電路28則分別產生第一射頻訊號X1、第二射頻訊號X2、第三射頻訊號X3及第四射頻訊號X4，且第一射頻訊號X1饋入至第一天線陣列30之相位與第二射頻訊號X2饋入第二天線陣列32之相位相差90度，及第三射頻訊號X3饋入第三天線陣列38之相位與第四射頻訊號X4饋入第四天線陣列40之相位也相差90度。

請同時參閱圖1～圖4所示，在上述各實施例中，第一極化輻射場型與第二極化輻射場型垂直正交。由於第一極化輻射場型與第二極化輻射場型垂直正交，所以使用天線裝置10之通訊系統可以達到2*2的MIMO（一個極化使用一個通道），再配合本案利用同極化天線單元間激發相位相差90度之技術特徵，則可以將通訊系統提升至4*4的MIMO架構，使傳輸容量大幅提升。

在上述各實施例中，射頻處理電路28具有控制相位延遲之能力，因此其所產生的第一射頻訊號X1、第二射頻訊號X2、第三射頻訊號X3及第四射頻訊號X4係已具有特定相位延遲角度的射頻訊號，故無須再配合任何相移器，即可以使第一射頻訊號X1與第二射頻訊號X2饋入天線之相位相差90度，及第三射頻訊號X3與第四射頻訊號X4饋入天線之相位也相差90度。

在另一實施例中，本案更可配合使用相移器來調整射頻訊號之相位延遲。如圖5所示，射頻處理電路28產生一饋入訊號X，饋入訊號X透過第一饋入路徑16並經過第一相移器46產生具有第一角度θ ₁的相位延遲的第一射頻訊號X1饋入第一天線單元12，饋入訊號X透過第一饋入路徑18且經過第二相移器48產生具有第二角度θ ₂的相位延遲的第二射頻訊號X2饋入第二天線單元14，饋入訊號X透過第二饋入路徑24且經過第三相移器50產生具有第三角度θ ₃的相位延遲的第三射頻訊號X3饋入第三天線單元20，饋入訊號X透過第二饋入路徑26且經過第四相移器52產生具有第四角度θ ₄的相位延遲的第四射頻訊號X4饋入第四天線單元22，其中，第一角度θ ₁-第二角度θ ₂=+/-90度，第三角度θ ₃-第四角度θ ₄=+/-90度，使第一射頻訊號X1饋入第一天線單元12之相位與第二射頻訊號X2饋入第二天線單元14之相位相差90度，及第三射頻訊號X3饋入第三天線單元20之相位與第四射頻訊號X4饋入第四天線單元之相位相差90度。

在其他實施例中，圖2～圖4所示之實施例亦可以配合使用相移器來調整射頻訊號之相位延遲，其詳細內容與圖5所示實施例相同，可以參考前述說明，故於此不再贅述。

承上，本案之技術為藉由改變同極化天線單元間的射頻訊號激發相位來改善某一方位之ECC特性，以藉此降低通道相關性，並非著重採用相位陣列的波束集成（beamforming）技術，因此於天線單元的排列上有較佳的自由度，可以如圖1至圖4所示之依不同順序沿一方向排列。此外，只要符合同極化天線單元間激發相位有90度的相位差，傳輸通道仍然可以達到低相關性之特性，所以不管使用圖1及圖2的單一天線單元或是圖3及圖4的天線陣列皆可適用，本天線裝置並不限定於天線單元之使用數量。

綜上所述，本案之天線裝置利用同極化天線單元間激發相位相差90度，來降低天線主波束附近方位角的傳輸通道相關性。再藉由結合極化正交技術，可使傳輸容量大幅提升，達到良好的頻譜使用效率。

以上所述之實施例僅係為說明本案之技術思想及特點，其目的在使熟悉此項技術者能夠瞭解本案之內容並據以實施，當不能以之限定本案之專利範圍，即大凡依本案所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本案之申請專利範圍內。

10:天線裝置 12:第一天線單元 14:第二天線單元 16,18:第一饋入路徑 20:第三天線單元 22:第四天線單元 24,26:第二饋入路徑 28:射頻處理電路 30:第一天線陣列 301~304:天線單元 32:第二天線陣列 321~324:天線單元 34,36:第一饋入路徑 38:第三天線陣列 381~384:天線單元 40:第四天線陣列 401~404:天線單元 42,44:第二饋入路徑 46:第一相移器 48:第二相移器 50:第三相移器 52:第四相移器 d:間距 X:饋入訊號 X1:第一射頻訊號 X2:第二射頻訊號 X3:第三射頻訊號 X4:第四射頻訊號 θ ₁:第一角度 θ ₂:第二角度 θ ₃:第三角度 θ ₄:第四角度

圖1為根據本案一實施例之天線裝置的結構示意圖。圖2為根據本案另一實施例之天線裝置的結構示意圖。圖3為根據本案再一實施例之天線裝置的結構示意圖。圖4為根據本案又一實施例之天線裝置的結構示意圖。圖5為根據本案一實施例使用相移器之天線裝置的結構示意圖。

10:天線裝置

12:第一天線單元

14:第二天線單元

16,18:第一饋入路徑

20:第三天線單元

22:第四天線單元

24,26:第二饋入路徑

28:射頻處理電路

d:間距

X1:第一射頻訊號

X2:第二射頻訊號

X3:第三射頻訊號

X4:第四射頻訊號

Claims

一種天線裝置，包含：一第一天線單元及一第二天線單元；二第一饋入路徑，用以將一第一射頻訊號饋入該第一天線單元及將一第二射頻訊號饋入該第二天線單元；一第三天線單元及一第四天線單元；二第二饋入路徑，用以將一第三射頻訊號饋入該第三天線單元及將一第四射頻訊號饋入該第四天線單元；以及一射頻處理電路，用以產生該第一射頻訊號、該第二射頻訊號、該第三射頻訊號及該第四射頻訊號；其中，該第一射頻訊號饋入該第一天線單元之相位與該第二射頻訊號饋入該第二天線單元之相位相差90度，及該第三射頻訊號饋入該第三天線單元之相位與該第四射頻訊號饋入該第四天線單元之相位相差90度。
如請求項1所述之天線裝置，其中該第一天線單元、該第二天線單元、該第三天線單元及該第四天線單元依序沿一方向排列，該第一天線單元與該第二天線單元間隔一間距，該第二天線單元與該第三天線單元間隔該間距，且該第三天線單元與該第四天線單元間隔該間距。
如請求項2所述之天線裝置，其中該間距係為0.5倍波長到1倍波長之間。
如請求項1所述之天線裝置，其中該第一天線單元、該第三天線單元、該第二天線單元及該第四天線單元係依序沿一方向排列，該第一天線單元與相鄰的該第三天線單元間隔一間距，該第三天線單元與相鄰的該第二天線單元間隔該間距，且該第二天線單元與相鄰的該第四天線單元間隔該間距。
如請求項4所述之天線裝置，其中該間距係為0.5倍波長到1倍波長之間。
如請求項1所述之天線裝置，其中當該第一射頻訊號饋入該第一天線單元且該第二射頻訊號饋入該第二天線單元時，該第一天線單元及該第二天線單元會產生一第一極化輻射場型；當該第三射頻訊號饋入該第三天線單元且該第四射頻訊號饋入該第四天線單元時，該第三天線單元及該第四天線單元會產生一第二極化輻射場型，其中該第一極化輻射場型與該第二極化輻射場型垂直正交。
一種天線裝置，包含：一第一天線陣列及一第二天線陣列；二第一饋入路徑，用以將一第一射頻訊號饋入該第一天線陣列及將一第二射頻訊號饋入該第二天線陣列；一第三天線陣列及一第四天線陣列；二第二饋入路徑，用以將一第三射頻訊號饋入該第三天線陣列及將一第四射頻訊號饋入該第四天線陣列；以及一射頻處理電路，用以產生該第一射頻訊號、該第二射頻訊號、該第三射頻訊號及該第四射頻訊號；其中，該第一射頻訊號饋入該第一天線陣列之相位與該第二射頻訊號饋入該第二天線陣列之相位相差90度，及該第三射頻訊號饋入該第三天線陣列之相位與該第四射頻訊號饋入該第四天線陣列之相位相差90度。
如請求項7所述之天線裝置，其中該第一天線陣列、該第二天線陣列、該第三天線陣列及該第四天線陣列係依序沿一方向排列，該第一天線陣列與該第二天線陣列間隔一間距，該第二天線陣列與該第三天線陣列間隔該間距，且該第三天線陣列與該第四天線陣列間隔該間距。
如請求項8所述之天線裝置，其中該間距係為0.5倍波長到1倍波長之間。
如請求項7所述之天線裝置，其中該第一天線陣列、該第三天線陣列、該第二天線陣列及該第四天線陣列係依序沿一方向排列，該第一天線陣列與相鄰的該第三天線陣列間隔一間距，該第三天線陣列與相鄰的該第二天線陣列間隔該間距，且該第二天線陣列與相鄰的該第四天線陣列間隔該間距。
如請求項10所述之天線裝置，其中該間距係為0.5倍波長到1倍波長之間。
如請求項7所述之天線裝置，其中當該第一射頻訊號饋入該第一天線陣列且該第二射頻訊號饋入該第二天線陣列時，該第一天線陣列及該第二天線陣列會產生一第一極化輻射場型；當該第三射頻訊號饋入該第三天線陣列且該第四射頻訊號饋入該第四天線陣列時，該第三天線陣列及該第四天線陣列會產生一第二極化輻射場型，其中該第一極化輻射場型與該第二極化輻射場型垂直正交。