TWI628861B

TWI628861B - 複合天線

Info

Publication number: TWI628861B
Application number: TW105129421A
Authority: TW
Inventors: 詹長庚; 徐杰聖
Original assignee: 啟碁科技股份有限公司
Priority date: 2016-09-10
Filing date: 2016-09-10
Publication date: 2018-07-01
Also published as: TW201810808A; US10374671B2; US20180076864A1

Abstract

一種複合天線，用來收發無線訊號，包含有四單元天線，對應一圓而環狀排列，用來收發一第一頻段之無線訊號；四側牆，分別設置於該四單元天線中兩相鄰單元天線之間；以及複數個側牆天線，設置於該四側牆上，用來收發一第二頻段之無線訊號。

Description

複合天線

本發明係指一種複合天線，尤指一種可有效提高空間效能、增加共振頻寬及設計自由度，並可達到多頻段或寬頻操作之複合天線。

隨著無線通訊技術不斷演進，長期演進（Long Term Evolution，LTE）無線通訊系統、無線區域網路標準等無線通訊系統已支援多輸入多輸出（Multi-input Multi-output，MIMO）通訊技術，亦即相關電子產品可透過多重（或多組）天線同步收發無線訊號，以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，改善通訊品質。此外，多輸入多輸出通訊技術可搭配空間分工（Spatial Multiplexing）、波束成型（Beam forming）、空間分集（Spatial Diversity）、預編碼（Precoding）等技術，進一步減少訊號干擾及增加通道容量。

要實現多輸入多輸出功能中空間多工、多樣技術，先決條件必需搭配多組天線，以將空間分成許多通道，進而提供多個天線場型。因此，如何設計符合傳輸需求的天線，同時兼顧尺寸及功能，已成為業界所努力的目標之一。除此之外，如何在有限體積及成本下，增加天線操作頻帶，且兼顧適應性波束能力，也成為業界所努力的目標之一。

因此，本發明主要提供一種複合天線，其可有效提高空間效能、增加共振頻寬及設計自由度。

本發明揭露一種複合天線，用來收發無線訊號，包含有四單元天線，對應一圓而環狀排列，用來收發一第一頻段之無線訊號；四側牆，分別設置於該四單元天線中兩相鄰單元天線之間；以及複數個側牆天線，設置於該四側牆上，用來收發一第二頻段之無線訊號。

請參考第1A圖，第1A圖為本發明實施例一複合天線10之示意圖。複合天線10係由單元天線ANT_1～ANT_4、上底板PLT_TP、下底板PLT_BT及側牆天線100～106所組成，其可適用於一多輸入多輸出系統，如長期演進無線通訊系統等。上底板PLT_TP、下底板PLT_BT係用以固定單元天線ANT_1～ANT_4，亦可根據系統所需而適當修改或移除。單元天線ANT_1～ANT_4之結構可以完全相同或略為不同，其基本概念係由多層微帶金屬片所組成。以單元天線ANT_1為例，如第1B圖及第1C圖所示，單元天線ANT_1包含有一接地金屬片500、一第一微帶金屬片502、一第二微帶金屬片504、一第三微帶金屬片506、一第一饋入線508、一第二饋入線510及八個柱狀體BR。柱狀體BR為絕緣固定件，用來固定接地金屬片500、第一微帶金屬片502、第二微帶金屬片504及第三微帶金屬片506，使之互不接觸，以確保訊號可正常發射或接收。此外，接地金屬片500包含兩彎折，使其外觀如同包含兩側翼，作用是使單元天線ANT_1所產生之波束集中於特定預設範圍內；而第二微帶金屬片504亦包含多個彎折，主要目的係減少其展開面積（即投影於接地金屬片500之面積）。第一饋入線508及第二饋入線510則分別電性連接於第一微帶金屬片502及第二微帶金屬片504，用來傳遞無線電訊號，其長度較佳地係為半波長的整數倍。第三微帶金屬片506介於第一微帶金屬片502與第二微帶金屬片504之間，用來提高共振頻寬。

在單元天線ANT_1中，當要發射垂直極化方向波束時，射頻訊號係透過第一饋入線508饋入到第一微帶金屬片502，並藉由電磁耦合方式將訊號饋入第三微帶金屬片506及第二微帶金屬片504，此時垂直方向不同層有不同的饋入方式，而第二微帶金屬片504可視為主要輻射體。另一方面，當要發射水平極化方向波束時，射頻訊號係透過第二饋入線510饋入第二微帶金屬片504，此時第二微帶金屬片504為主要輻射體。由此可知，藉由此種多層輻射體的設計，此例之單元天線ANT_1可有效增加共振頻寬，增加設計上的自由度。更重要的是，透過不同層互相垂直方向的不同饋入，可輕易達到水平及垂直極化，並可提高水平及垂直極化間的隔離度。

此外，單元天線ANT_2～ANT_4之結構與單元天線ANT_1相同，經組合後使複合天線10構成一環型對稱結構，如第1C圖所示，其為複合天線10之中央截面圖。需注意的是，在複合天線10中，單元天線ANT_1～ANT_4之接地金屬片係電性連接在一起，亦即共地。在此情形下，可適度調整單元天線ANT_1～ANT_4之接地金屬片之尺寸，以節省製造成本。例如，如第1C圖所示，單元天線ANT_2、ANT_4之接地金屬片僅與單元天線ANT_1、ANT_3之接地金屬片相接，而未包含兩側翼部分。當然，若單元天線ANT_1～ANT_4之結構完全相同亦可，只要確保其接地金屬片電性連接於同一地端即可。

另一方面，要將複合天線10用於多輸入多輸出系統，可搭配一切換電路，如二極體電路、單刀單擲交換電路加上功率分配器等，用來切換射頻訊號處理模組與各饋入線之連結，以控制由單元天線ANT_1～ANT_4中一特定單元天線操作於水平或垂直極化，從而正確收發無線電訊號。藉此，除了可透過複合天線10產生特定波束外，相鄰的天線場型甚至組合成一新的合成場型，來彌補各別天線增益峰值因為在45度角遠離後的增益值衰減。同時，透過切換電路的控制，可利用單元天線ANT_1～ANT_4而獲得8路的單一天線波束（其中4路是垂直極化和4路是水平極化）及8路的合成天線波束（其中4路是垂直極化和4路是水平極化），總共16路的天線波束。

由上述可知，在複合天線10中，單元天線ANT_1～ANT_4係沿一中心線環狀排列（即對應一圓的四等分），並可利用切換電路而獲得8路的單一天線波束（其中4路是垂直極化和4路是水平極化）及8路的合成天線波束（其中4路是垂直極化和4路是水平極化），總共16路的天線波束，藉此可有效提高空間效能、增加共振頻寬及設計自由度，以適應多輸入多輸出之應用。

此外，複合天線10另包含側牆天線100～106，側牆天線100～106可以是槽孔天線、平面倒F天線等各式平面天線。經由適當設計側牆天線100～106形式、尺寸等，可增加複合天線10的操作頻段或頻寬。詳細來說，單元天線ANT_1～ANT_4的接地金屬片（以第1B圖為例，即接地金屬片500）形成了單元天線ANT_1～ANT_4間之側牆W1～W4，而側牆天線100～106分別形成於側牆W1～W4上；換言之，任一側牆與其它三側牆之夾角為90∘、180∘及270∘，則側牆天線100～106分別設置於四個垂直方向。在此情形下，透過適當設計側牆天線100～106的天線形式、尺寸，側牆天線100～106可增加操作頻段或頻寬。

舉例來說，請參考第2圖，第2圖為以槽孔天線實現側牆天線100～106時側牆W1及側牆天線100之示意圖。其餘側牆W2～W4及側牆天線102～106亦有相同結構，可依此類推。由於側牆W1～W4分別朝向四個垂直方向，當以槽孔天線實現側牆天線100～106時，位於同一水平面上的側牆天線組，如側牆天線100及104為一組而側牆天線102及106為另一組，有相類似的輻射場形，而不同側牆天線組的場形又互相形成互補，即側牆天線100及104的最弱場形位置大致與側牆天線102及106的最強場形位置相同，且側牆天線102及106的最弱場形位置大致與側牆天線100及104的最強場形位置相同。在此情形下，側牆天線100及104可結合為一二進二出天線，同理，側牆天線102及106可結合為另一二進二出天線，藉此可提高整體最低天線增益值。

此外，需注意的是，第2圖係表示側牆天線100～106可以槽孔天線實現，本領域具通常知識者當可根據系統所需，適當調整槽孔天線之尺寸、形式等。例如，在一實施例中，可設定槽孔天線之槽孔長寬分別大致為108mm、8mm，則其可符合長期演進無線通訊系統之Band 4頻段（1710MHz～1755MHz、2110MHz～2155MHz）的需求。藉此，若單元天線ANT_1～ANT_4操作於Band 13，則可同時滿足長期演進無線通訊系統之Band 13及Band 4頻段之需求。另一方面，除了第2圖所示之單一槽孔外，其它形式之槽孔天線，例如，牛角狀、雙槽孔等槽孔天線亦可用來實現側牆天線100～106。

除此之外，對槽孔天線的各種調整手段亦可適用於本發明，例如可將饋入點位置內縮，以讓槽孔天線的總長縮短，而可在側牆上容納其它天線元件；並且，饋入點位置內縮可讓天線饋入點的位置更接近中心軸，讓饋入傳輸線的長度縮短，以減少損耗，而增加天線的增益值。同時，槽孔天線亦可為領結（Bowtie）型式，以提升頻寬。舉例來說，請參考第3A圖至第3D圖，其分別為以領結型式槽孔天線實現側牆天線100～106時側牆W1及側牆天線100之不同實施例示意圖。其餘側牆W2～W4及側牆天線102～106亦有相同結構，可依此類推。第3A圖至第3D圖顯示了領結型式槽孔天線，且其饋入點位置內縮後，可在側牆W1上容納不同天線元件。詳細來說，第3A圖之槽孔天線係將饋入點位置內縮同時採用領結型式饋入，饋入點位置內縮可以讓槽孔天線的總長縮短，並可讓饋入點的位置更接近中心軸，讓饋入傳輸線的長度縮短，從而增加天線的增益值。此外，傳統上，領結型式的偶極天線（Dipole antenna）通常有較大的頻寬特性，第3A圖之例即是將此特性應用於開槽的槽孔天線支臂，且為半面領結的形狀，其可改善共振特性，並增加共振頻寬，同時亦滿足隔離度需求。

進一步地，第3B圖之例係在第3A圖之槽孔天線的基礎上增加寄生的耦合共振器。傳統上，在偶極天線（Dipole antenna）上增加寄生的耦合共振器可以提高偶極天線的頻寬特性，第3B圖之例即是將此特性應用於第3A圖之槽孔天線中，在領結型式饋入之槽孔天線支臂的末端，加上一對開槽的直角三角形寄生耦合共振器，因而可從直角三角形寄生耦合共振器的短邊向半面領結型式槽孔天線做耦合，藉此可較第3A圖之槽孔天線改善共振特性，並增加共振頻寬，同時也增加與相鄰天線間的隔離度。

接著，第3C圖之例係在第3B圖之槽孔天線的基礎上再增加寄生的耦合共振器，以進一步增加天線的共振頻寬。換句話說，第3C圖之例係在第3B圖的（第一對）三角形寄生耦合共振器旁再加上另一對（第二對）開槽的三角形寄生耦合共振器。如此一來，兩對三角形寄生耦合共振器係透過斜邊互相耦合，可進一步改善共振特性，增加共振頻寬，同時增加與相鄰天線間的隔離度，而天線的增益值也可再次被提高了。

另外，第3D圖之例係在第3C圖之槽孔天線的基礎上再增加寄生的耦合共振器，以進一步增加天線的共振頻寬。換句話說，第3D圖之例係在第3C圖的第二對三角形寄生耦合共振器旁再加上另一對（第三對）開槽的三角形寄生耦合共振器。如此一來，第二、三對三角形寄生耦合共振器係透過直角長邊互相耦合，可進一步改善共振特性，增加共振頻寬，同時增加與相鄰天線間的隔離度，而天線的增益值也可被提高了。

需注意的是，第3B圖至第3D圖係在第3A圖之基礎上依序增加直角三角形寄生耦合共振器，以改善共振頻寬、隔離度、增益值等特性。然而，不限於此，其它形狀的寄生耦合共振器亦可用於本發明，如梯形、等腰三角形等。同時，第3A圖至第3D圖係用以說明側牆天線100～106之形式不限於特定天線，本領域具通常知識者可根據系統所需而適度調整。

除了槽孔天線，平面倒F天線亦可用來實現側牆天線100～106，例如，第4圖為以平面倒F天線實現側牆天線100～106時側牆W1及側牆天線100之示意圖。其餘側牆W2～W4及側牆天線102～106亦有相同結構，可依此類推。平面倒F天線之運作原理為本領域所熟知，其具有輻射效率高、容易實現多頻段工作等優點，並且，其長度為一般完整半波長天線長度的一半，故可配合單元天線ANT_1～ANT_4之操作，增加複合天線10之操作頻段或頻寬，和縮小複合天線的高度。同時，可在饋入線搭配如同軸軛流圈（Coaxial Choke）進一步進行濾波，以符合不同頻段需求，此皆屬本發明之範疇。

前述第2圖至第4圖之實施例說明利用槽孔天線、平面倒F天線實現側牆天線100～106，但不限於此，凡可於側牆W1～W4上設置之平面天線皆可用於本發明。此外，本領域具通常知識者應知天線之類型、尺寸、材質等，皆可能影響天線之效能或場型，因此本領域具通常知識者應根據系統所需而選擇適當之天線來實現側牆天線100～106。再者，前述實施例中，側牆W1～W4上分別僅包含單一側牆天線，但不限於此，各側牆亦可包含多個側牆天線，且不同側牆所包含之側牆天線的數量亦可不同，皆屬本發明之範疇。

此外，如前所述，單元天線ANT_1～ANT_4亦可以其它天線實現，而不限於前述之例。舉例來說，請參考第5圖，第5圖為本發明實施例一複合天線60之示意圖。複合天線60與複合天線10之主要架構相同，不同處在於單元天線ANT_1～ANT_4改由雙鑽形偶極天線架構之立體天線所實現，而側牆天線100～106則由平面倒F天線所實現。詳細來說，請一併參考第6圖，第6圖為第5圖中單元天線ANT_1之側視圖。在此例中，單元天線ANT_1包含有一金屬反射板600、一第一輻射金屬部602、一第二輻射金屬部604以及一支撐件614。金屬反射板600用來反射無線電訊號，以增加寬頻雙極化天線60之增益值。第一輻射金屬部602位於金屬反射板600之上，並與金屬反射板600間相距一第一間隙G1，第一輻射金屬部602包含有一第一三角形金屬片606及一第二三角形金屬片608。第一三角形金屬片606之底邊及第二三角形金屬片608之底邊互相平行，使第一輻射金屬部602呈一菱形。第二輻射金屬部604位於第一輻射金屬部602之上，並與第一輻射金屬部602相距一第二間隙G2，第二輻射金屬部604包含有一第三三角形金屬片610及一第四三角形金屬片612，第三三角形金屬片610之底邊及第四三角形金屬片612之底邊互相平行，使第二輻射金屬部604呈一菱形。在本實施例中，第一、第二、第三及第四三角形金屬片606、608、610及612為等腰三角形金屬片，但不以此為限。其中，第一輻射金屬部602之一第一中線M1與第二輻射金屬部604之一第二中線M2大致呈90度。支撐件614與金屬反射板600大致垂直，用來支撐金屬反射板600、第一輻射金屬部602及第二輻射金屬部604，使金屬反射板600、第一輻射金屬部602及第二輻射金屬部604間不互相電性連結。在此結構下，單元天線ANT_1的天線極化為垂直和水平雙極化。

此外，需注意的是，垂直和水平雙極化之單元天線ANT_1為一實施例，單元天線ANT_1的極化亦可以為傾斜45度和傾斜135度，且不限於此。簡言之，複合天線60之單元天線ANT_1透過第一輻射金屬部602及第二輻射金屬部604進行無線訊號收發，且極化方向被傾斜45度來使用。因此，第一中線M1及第二中線M2在金屬反射板600上之投影大致與金屬反射板600之對角線重合，即第一輻射金屬部602極化變成45度傾斜，而第二輻射金屬部604變成135度傾斜。

需注意的是，複合天線60為本發明之一實施例，本領域具通常知識者可根據不同應用，而適度調整。舉例來說，金屬反射板600之邊長可根據系統所需而調整，非一定值。另一方面，第一間隙G1係相關於複合天線60所操作之頻率。一般來說，在第一間隙G1係大約等於無線電訊號約1/4波長時，複合天線60能達到最高之增益值。此外，第二間隙G2可用來提高第一輻射金屬部602與第二輻射金屬部604之隔離度，減少雙極化天線之間的互相影響。當然，為了得到更高的隔離度，可適度增加第二間隙G2（即第一輻射金屬部602與第二輻射金屬部604之距離），但增加第二間隙G2可能造成寬頻雙極化天線之其它特性（如增益值、場形等）產生變化，故本領域具通常知識者應根據不同應用需求，適當調整第二間隙G2之大小。最後，支撐件614係由一絕緣材料所製造，如木頭、玻璃、橡膠等，且不限於此，只要使金屬反射板600、第一輻射金屬部602及第二輻射金屬部604間不互相電性連結即可。

複合天線60中單元天線ANT_2～ANT_4之結構與單元天線ANT_1相同，經組合後使複合天線60構成一環型對稱結構，此概念可參考前述說明，於此不贅述。

此外，在複合天線60中側牆天線100～106係以平面倒F天線實現，即如第4圖之例，然而，其亦可由槽孔天線實現，不限於此。

綜上所述，本發明之複合天線可有效提高空間效能、增加共振頻寬及設計自由度，同時本發明之複合天線在側牆上設置側牆天線，可進一步達到多頻段或寬頻操作。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。

<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 10、60 </td><td> 複合天線 </td></tr><tr><td> ANT_1～ANT_4 </td><td> 單元天線 </td></tr><tr><td> PLT_TP </td><td> 上底板 </td></tr><tr><td> PLT_BT </td><td> 下底板 </td></tr><tr><td> 100～106 </td><td> 側牆天線 </td></tr><tr><td> W1～W4 </td><td> 側牆 </td></tr><tr><td> 500 </td><td> 接地金屬片 </td></tr><tr><td> 502 </td><td> 第一微帶金屬片 </td></tr><tr><td> 504 </td><td> 第二微帶金屬片 </td></tr><tr><td> 508 </td><td> 第一饋入線 </td></tr><tr><td> 510 </td><td> 第二饋入線 </td></tr><tr><td> 506 </td><td> 第三微帶金屬片 </td></tr><tr><td> BR </td><td> 柱狀體 </td></tr><tr><td> 600 </td><td> 金屬反射板 </td></tr><tr><td> 602 </td><td> 第一輻射金屬部 </td></tr><tr><td> 604 </td><td> 第二輻射金屬部 </td></tr><tr><td> 606 </td><td> 第一三角形金屬片 </td></tr><tr><td> 608 </td><td> 第二三角形金屬片 </td></tr><tr><td> 610 </td><td> 第三三角形金屬片 </td></tr><tr><td> 612 </td><td> 第四三角形金屬片 </td></tr><tr><td> 614 </td><td> 支撐件 </td></tr><tr><td> M1 </td><td> 第一中線 </td></tr><tr><td> M2 </td><td> 第二中線 </td></tr><tr><td> G1 </td><td> 第一間隙 </td></tr><tr><td> G2 </td><td> 第二間隙 </td></tr></TBODY></TABLE>

第1A圖為本發明實施例一複合天線之示意圖。第1B圖為第1A圖之複合天線中一單元天線之示意圖。第1C圖為第1A圖之複合天線之截面示意圖。第2圖、第3A～3D圖及第4圖為第1圖中一側牆及一側牆天線之不同實施例示意圖。第5圖為本發明實施例一複合天線之示意圖。第6圖為第5圖之複合天線中一單元天線之側視示意圖。

Claims

一種複合天線，用來收發無線訊號，包含有：四單元天線，對應一圓而環狀排列，用來收發一第一頻段之無線訊號；四側牆，分別設置於該四單元天線中兩相鄰單元天線之間；以及複數個側牆天線，設置於該四側牆上，用來收發一第二頻段之無線訊號；其中，該四單元天線之每一單元天線包含有：一接地金屬片；一第一微帶金屬片；一第二微帶金屬片；一第一饋入線，電性連接於該第一微帶金屬片，用來傳遞該第一頻段之無線訊號；一第二饋入線，電性連接於該第二微帶金屬片，用來傳遞該第一頻段之無線訊號；以及一絕緣固定件，用來固定該接地金屬片、該第一微帶金屬片及該第二微帶金屬片，使該接地金屬片、該第一微帶金屬片及該第二微帶金屬片相互不接觸。
如請求項1所述之複合天線，其中該第一頻段與該第二頻段相異。
如請求項1所述之複合天線，其中該複數個側牆天線選自一平面天線群組，該平面天線群組至少包含一槽孔天線或一平面倒F天線。
如請求項1所述之複合天線，其中該四側牆之任一側牆與其它三側牆之夾角為90°、180°及270°。
如請求項1所述之複合天線，其中該接地金屬片包含至少一彎折。
如請求項5所述之複合天線，其中該接地金屬片所包含之該至少一彎折用來使該天線所產生之波束集中於一預設範圍。
如請求項1所述之複合天線，其中該第一微帶金屬片或該第二微帶金屬片包含至少一彎折。
如請求項7所述之複合天線，其中該第一微帶金屬片或該第二微帶金屬片所包含之該至少一彎折用來減少該第一微帶金屬片或該第二微帶金屬片投影於該接地金屬片之一面積。
如請求項1所述之複合天線，其另包含一第三微帶金屬片，該絕緣固定件另用來固定該第三微帶金屬片，使該第三微帶金屬片介於該第一微帶金屬片與該第二微帶金屬片之間且互不接觸。
如請求項1所述之複合天線，其中該第一饋入線及該第二饋入線之線長與所傳遞之無線電訊號的半波長相關。
一種複合天線，用來收發無線訊號，包含有：四單元天線，對應一圓而環狀排列，用來收發一第一頻段之無線訊號；四側牆，分別設置於該四單元天線中兩相鄰單元天線之間；以及複數個側牆天線，設置於該四側牆上，用來收發一第二頻段之無線訊號；其中該四單元天線之每一單元天線包含有：一金屬反射板，用來反射無線訊號，以增加該寬頻雙極化天線之增益值；一第一輻射金屬部，位於該金屬反射板之上，與該金屬反射板間形成有一第一間隙；一第二輻射金屬部，位於該第一輻射金屬部之上，與該第一輻射金屬部間形成有一第二間隙；以及一支撐件，用來支撐該金屬反射板、該第一輻射金屬部及該第二輻射金屬部，使該金屬反射板、該第一輻射金屬部及該第二輻射金屬部間不互相電性連結；其中，該四單元天線及該複數個側牆天線連接於不同饋入線，以收發該第一頻段及該第二頻段之無線訊號。
如請求項11所述之複合天線，其中該第一頻段與該第二頻段相異。
如請求項11所述之複合天線，其中該複數個側牆天線選自一平面天線群組，該平面天線群組至少包含一槽孔天線或一平面倒F天線。
如請求項11所述之複合天線，其中該四側牆之任一側牆與其它三側牆之夾角為90°、180°及270°。
如請求項11所述之複合天線，其中該第一輻射金屬部之一第一中線與該第二輻射金屬部之一第二中線呈90°。
如請求項11所述之複合天線，其中該第一輻射金屬部包含有：一第一三角形金屬片；以及一第二三角形金屬片。
如請求項16所述之複合天線，其中該第一三角形金屬片與該第二三角形金屬片之形狀係等腰三角形。
如請求項11所述之複合天線，其中該第二輻射金屬部包含有：一第三三角形金屬片；以及一第四三角形金屬片。
如請求項18所述之複合天線，其中該第三三角形金屬片與該第四三角形金屬片之形狀係等腰三角形。