CN110970739B - 天线系统 - Google Patents

Abstract

一种天线系统。该天线系统用来收发无线电信号，该天线系统包括第一复合天线，第一复合天线包括第一反射体、第一及第二阵列天线；第二复合天线，第二复合天线包括第二反射体、第三及第四阵列天线，第一反射体以一夹角而相对第二反射体固定；以及馈入装置，馈入装置耦接于第一复合天线及第二复合天线，用来交替输出射频信号至第一复合天线及第二复合天线，以通过第一复合天线或第二复合天线发射无线电信号，并切换输出至第一复合天线及第二复合天线的射频信号的相位，以改变第一复合天线及第二复合天线在一垂直切面上所产生的波束的特性。本发明提供的天线系统具有适应性波束能力，极宽带率应用，高天线增益值及波束覆盖率，低成本，及较小的体积。

Description

天线系统

技术领域

本发明涉及一种天线系统，特别涉及一种具有适应性波束能力，极宽带率应用，高天线增益值及波束覆盖率，低成本，及较小体积的天线系统。

背景技术

具有无线通信功能的电子产品通过天线来发射或接收无线电波，以传递或交换无线电信号，进而存取无线网络。随着无线通信技术不断演进，传输容量及无线网络性能的需求也日益提升，因此许多无线通信系统已支持多输入多输出(Multi-input Multi-output，MIMO)通信技术，其可在不增加带宽或总发射功率耗损(Transmit Power Expenditure)的情况下，大幅地增加系统的数据吞吐量(Throughput)及传送距离，进而有效提升无线通信系统的频谱效率及传输速率而能改善通信质量。

支持多输入多输出通信技术的天线有许多种类。其中，平板式(panel-type)天线结构简单且成本较低，但在水平切面上的波束宽度较窄，意即波束覆盖(Beam Coverage)率较低，因此不易精准架设，且缺乏适应性波束(Adaptive Beam Alignment)的能力。若藉由一驱动马达而使平板式天线可对应旋转至具有最佳信号接收质量的方向，则能弥补平板式天线的缺点，但驱动马达会增加成本，对于架设的场所限制较多，且无法满足电子产品体积缩小的趋势。至于圆柱天线罩(radome)式的复合天线虽不需驱动马达，但其体积较大，且天线增益值较低。

因此，如何在有限体积及成本下，增加天线增益值及波束覆盖率，且兼顾适应性波束能力，也就成为业界所努力的目标之一。

因此，需要提供一种天线系统来解决上述问题。

发明内容

因此，本发明主要提供一种天线系统，其具有适应性波束能力，极宽带率应用，高天线增益值及波束覆盖率，低成本，及较小的体积。

本发明公开一种天线系统，该天线系统用来收发无线电信号，该天线系统包括：一第一复合天线，该第一复合天线包括一第一反射体、一第一阵列天线及一第二阵列天线，其中，该第一阵列天线及该第二阵列天线设置于该第一反射体上；一第二复合天线，该第二复合天线包括一第二反射体、一第三阵列天线及一第四阵列天线，其中，该第三阵列天线及该第四阵列天线设置于该第二反射体上，且该第一反射体以一夹角而相对该第二反射体固定；以及一馈入装置，该馈入装置耦接于该第一复合天线及该第二复合天线，用来交替输出射频信号至该第一复合天线及该第二复合天线，以通过该第一复合天线或该第二复合天线发射无线电信号，并切换输出至该第一复合天线及该第二复合天线的射频信号的相位，以改变该第一复合天线及该第二复合天线在一垂直切面上所产生的波束的特性。

本发明的天线系统的外观接近平板状，可缩小体积，可有效提升增益值、隔离度及操作带宽，可提供4×4多输入多输出功能，并可有效提升水平切面及垂直切面的波束覆盖范围。

附图说明

图1A为本发明实施例一天线系统的等视角示意图

图1B为图1A的天线系统的俯视示意图。

图1C为图1A的天线系统中任一单元天线的细节示意图。

图2A为本发明实施例一馈入装置的一实施例的示意图。

图2B为图2A中一馈入模块的功能框图。

图2C为图2B中一相位平移器的一实施例的示意图。

图3为图1A的天线系统中一阵列天线的共振特性及隔离度示意图。

图4A为图1A的天线系统中一阵列天线的垂直极化天线的增益值场型图。

图4B为图1A的天线系统中一阵列天线的水平极化天线的增益值场型图。

图5A为图1A的天线系统中所有阵列天线的垂直极化天线的波束覆盖增益值场型图。

图5B为图1A的天线系统中所有阵列天线的水平极化天线的波束覆盖增益值场型图。

主要元件符号说明：

10 天线系统

12 第一复合天线

14 第二复合天线

16 馈入装置

120、140 反射体

122、124、142、144 阵列天线

ANG 夹角

U 单元天线

RB 反射板

RA_1、RA_2 辐射部

SB 支撑件

MB_11、MB_12、MB_21、MB_22 金属片

202_1、202_2 信号源

200 馈入模块

204 功率分配器

206、208、210、212 相位平移器

203_1、203_2 切换电路

214 切换器

216 低通滤波器

218 高通滤波器

具体实施方式

请参考图1A、图1B，图1A为本发明实施例一天线系统10的等视角示意图，而图1B为天线系统10的俯视示意图。图1A、图1B及后续图示中标示有x、y、z的坐标系，用以表示天线系统10的空间关系。天线系统10用以收发无线电信号，并可提供4×4多输入多输出功能，其包含有一第一复合天线12、一第二复合天线14及一馈入装置16(未绘示于图1A、图1B)。第一复合天线12包含有一反射体120及阵列天线122、124，而第二复合天线14包含有一反射体140及阵列天线142、144。反射体120、140为平面矩形的金属板，其可增加天线的增益值，而阵列天线122、124、142、144则分别设置于反射体120、140上。此外，反射体120以一夹角ANG而相对反射体140固定，即第一复合天线12与第二复合天线14以单边固定，且两者间的夹角为ANG，且夹角ANG大致介于70度至150度之间，其主要相关于天线系统10的增益值与波束覆盖率，较佳地为120度。当夹角ANG增加时，增益值可提高但波束覆盖率会下降；反之，若减小夹角ANG，增益值虽减低但可改善波束覆盖率。阵列天线122、124、142、144皆为1×4阵列天线，即各别包含四个平行排列的单元天线U，而每一单元天线U具有相同的结构及尺寸。

关于单元天线U的结构，请同时参考图1C，图1C为天线系统10中任一单元天线U的细节示意图。单元天线U包含有反射板RB、辐射部RA_1、RA_2、支撑件SB。反射板RB及辐射部RA_1、RA_2分别藉由支撑件SB而设置于反射体120或140上，且彼此电性隔离。反射板RB用来增加天线有效的辐射面积和平衡对应的辐射部RA_1、RA_2到反射体120或140的距离，以使辐射部RA_1、RA_2相距反射体120或140的等效距离相等，其形状具有对称性，而可为圆形或顶点数为4的倍数的正多边形。辐射部RA_1包含有金属片MB_11、MB_12，以形成一钻形偶极天线(diamond dipole antenna)结构；基于对称性，辐射部RA_2包含有金属片MB_21、MB_22，以形成另一钻形偶极天线结构。由于钻石形偶极天线的运用，单元天线U具有极宽带的特性，只要适当设计其尺寸，即可同时满足长期演进(Long Term Evolution，LTE)无线通信系统中Band48及Band46使用频段。需注意的是，在此实施例中，辐射部RA_1与辐射部RA_2呈垂直极化和水平极化，亦可适当修改为倾斜45度极化和倾斜135度极化，只要极化本身互为正交，以提供两个极低相关度的信号信道使用即可；同时，垂直极化天线和水平极化天线(或倾斜45度极化天线和倾斜135度极化天线)两者在高度上应错开一距离，以避免两天线之间的干涉发生。此外，在单元天线U中，在金属片MB_11、MB_12、MB_21、MB_22的尾端皆包含弯折，其为了提升同一复合天线中阵列天线间的隔离度，即阵列天线122与124间，或阵列天线142与144间。

由上述可知，天线系统10不需形成环状结构，因此可节省成本与缩小体积。并且，由于天线系统10不须设置于一圆柱天线罩中(或者，天线系统10即使设置于一圆柱天线罩中，天线系统10因为仅有复合天线12、14，反射体120、140可经任意调整而相较公知技术可有较大的尺寸)，而使反射体120、140的尺寸限制较少，因此，通过适当设计反射体120、140及夹角ANG，可有效提高增益值及波束覆盖率。

进一步地，为了增加水平切面(即x-y平面)上波束的覆盖范围，本发明实施例通过馈入装置16，使同一时间只有一个复合天线被开启，而另一复合天线被关闭；并且，同一复合天线内的两个阵列天线则是被同时开启，或者是被同时关闭，加上单元天线是一双极化天线，因此，可以提供4×4多输入多输出功能。除此之外，针对垂直切面(即x-z平面)的波束覆盖范围，天线系统10可通过馈入装置16改变每个阵列天线内单元天线U的相位排列，而改变波束形成方式，进而增加波束覆盖的范围。

详细来说，请参考图2A，图2A为馈入装置16的一实施例的示意图。馈入装置16包含两组馈入模块，分别对应于垂直极化天线及水平极化天线，且每组馈入模块的结构及运作方式相同。为求简洁，图2A仅显示馈入装置16的其中一组馈入模块，其包含四个馈入模块200，用于所有垂直极化天线，分别耦接于阵列天线122、124、142、144，并通过切换电路203_1、203_2而耦接信号源202_1、202_2。切换电路203_1、203_2分别为三端元件，各包含一输入端及二输出端，可切换输入端连接至其中的一输出端。其中，信号源202_1和切换电路203_1用于阵列天线122与阵列天线142之间切换，信号源202_2和切换电路203_2用于阵列天线124与阵列天线144之间切换，并且，当信号源202_1和切换电路203_1切换于阵列天线122时，信号源202_2和切换电路203_2切换于阵列天线124，或者是当信号源202_1和切换电路203_1切换于阵列天线142时，信号源202_2和切换电路203_2切换于阵列天线144，形成同一时间只有一个复合天线被开启。需注意的是，馈入装置16包含两组馈入模块(每组包含四个馈入模块)，而图2A是馈入装置16中相关于垂直极化天线的一组馈入模块，而针对水平极化天线也具有相同结构，即馈入装置16的另一组馈入模块亦包含四个馈入模块，用于所有水平极化天线，分别耦接于两组信号源和切换电路与阵列天线122、124、142、144之间，且切换电路以前述相同的切换方式运作，以形成4×4多输入多输出的天线系统。简言之，馈入装置16包含两组馈入模块，每组馈入模块的结构及运作方式相同，即分别包含四个馈入模块，耦接于两个信号源及两个切换电路与阵列天线122、124、142、144之间，藉由切换电路的切换使同一时间只有一个复合天线被开启，藉此达成形成4×4多输入多输出功能。然而，不限于此，任何可使同一时间只有一个复合天线被开启而另一复合天线被关闭的方式皆可用于本发明，藉此可增加水平切面上波束的覆盖范围。

请继续参考图2B，图2B为馈入模块200的功能框图。馈入模块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为一对四功率分配器，即包含一输入端及四个输出端，用以由输入端接收信号源200的信号，并将信号源200产生的射频信号分配至四个输出端，以提供给单元天线U。需注意的是，每一相位平移器206、208、210、212可切换操作于不同相位平移方式，以切换输出至第一复合天线12及第二复合天线14的射频信号的相位，而可使功率分配器204输出的射频信号以多个相位状态传送至单元天线U。其中，在一相位状态中，相位平移器206、208、210、212所输出的射频信号不具有相位差，而在其他相位状态，相位平移器206、208、210、212所输出的射频信号则具有相位差。如此一来，利用不同相位状态，阵列天线122、124、142、144所接收的射频信号可具有不同相位差或不具有相位差，而可在垂直切面产生向上偏、向下偏或不偏的波束，因而增加垂直切面的波束覆盖范围。

举例来说，若相位平移器206具有0度和-90度两种相位平移方式，相位平移器208具有0度和180度两种相位平移方式，相位平移器210具有0度和+90度两种相位平移方式，以及相位平移器212具有0度和-180度两种相位平移方式。在一第一相位状态中，相位平移器206、208、210、212皆操作于0度相位平移方式，即相位平移器206、208、210、212所输出的射频信号不具有相位差，则对应阵列天线(阵列天线122、124、142、144其中之一)所接收的射频信号为0度差的连续相位输入。在一第二相位状态中，相位平移器206操作于-90度相位平移方式，相位平移器208操作于180度相位平移方式，相位平移器210操作于+90度相位平移方式，以及相位平移器212操作于0度相位平移方式，则对应阵列天线所接收的射频信号为+90度差的连续相位输入。在一第三相位状态中，相位平移器206操作于-90度相位平移方式，相位平移器208操作于0度相位平移方式，相位平移器210操作于+90度相位平移方式，以及相位平移器212操作于180度相位平移方式，则对应阵列天线所接收的射频信号为-90度差的连续相位输入。换句话说，在第一相位状态、第二相位状态、第三相位状态中，阵列天线12或14的输入相位值分别为波束不偏的0度差连续输入、波束向上偏的+90度差连续输入和波束向下偏的-90度差连续输入，因而可以形成三种波束来增加波束覆盖的范围。因此，只要适度切换或调整相位平移器206、208、210、212的相位平移方式，即可使对应阵列天线具有不同角度的相位差输入，据此可产生不同波束，以增加垂直切面的波束覆盖范围。

要达成相位平移器206、208、210、212分别具有两种相位平移方式，在一实施例中，可利用切换器与高、低通滤波器的组合。举例来说，请参考图2C，图2C为相位平移器206的一实施例的示意图。在此实施例中，相位平移器206包含有一切换器214、一低通滤波器216及一高通滤波器218。切换器214耦接于功率分配器204，其可根据不同相位状态，而将功率分配器204输出的射频信号输出至低通滤波器216或高通滤波器218。如此一来，只要适当选择低通滤波器216和高通滤波器218内部的元件值，就可以让切换的前后有90度或180度的相位差。此外，相位平移器208、210、212的实现方式可与相位平移器206相同或略为修改，例如，-90度的相位平移方式可由90度时的结构，让低通滤波器和高通滤波器的位置交换来产生，且不限于此。

由上述可知，天线系统10不需形成环状结构，因此可节省成本与缩小体积，使外观上接近平板状，适合外挂于墙上。就天线结构而言，阵列天线122、124、142、144皆为1×4阵列天线，其可有效提升波束覆盖范围内的增益值；而单元天线U的辐射部RA_1和辐射部RA_2的末端向下折弯，可提升天线隔离度，且单元天线U采用钻形偶极天线结构，可达成宽带操作。另外，馈入装置16在同一时间仅开启一个复合天线，而复合天线包含两个1×4阵列天线，加上每个单元天线U都为双极化天线，因而可提供4×4多输入多输出功能，同时可有效提升水平切面的波束覆盖范围。此外，馈入装置16通过改变阵列天线的单元天线U所接收的射频信号的相位排列，而改变波束形成方式，进而增加垂直切面的波束覆盖范围。

为了验证天线系统10的功能，首先，经由HFSS模拟软件的计算，可以获得天线系统10中阵列天线122的共振特性及隔离度示意图，如图3所示，其中粗实线及细实线分别表示垂直及水平极化天线的共振特性(S-参数)，可知阵列天线122的S11小于-10.3dB，且适用于长期演进无线通信系统中Band48及Band46使用频段。同时，图3中虚线表示阵列天线122中单元天线U内部垂直极化天线和水平极化天线之间的隔离度(S-参数)，可知两者间的隔离度大于30.7dB；而图3中点线表示阵列天线122与其他阵列天线的隔离度，其大于21.0dB。而其他阵列天线亦有相近特性，不再赘述。

接着，图4A为阵列天线122的垂直极化天线在3500MHz时水平切面上的增益值场型图，而图4B为阵列天线122的水平极化天线在3500MHz时水平切面上的增益值场型图。由图4A及图4B可以看出，阵列天线122的垂直极化天线及水平极化天线皆具有高增益值，良好的正交极化隔离度(Co/Cx)，以及良好的场型前后比和适当的波束宽。同样地，其他阵列天线亦有相近特性，而具有相同或相似的接收效果，因此可同时开启同一复合天线中的阵列天线(即阵列天线122与124，或阵列天线142与144)，而达到最大增益值约13dBi。

此外，如前所述，馈入装置16切换于两复合天线之间，同一时间仅开启一复合天线中的两阵列天线，用以增加水平切面上波束的覆盖，并提供4×4多输入多输出功能。在此情形下，请参考图5A、图5B，图5A为阵列天线122、124、142、144的垂直极化天线在3500MHz时在水平切面上的波束覆盖增益值场型图，而图5B为阵列天线122、124、142、144的水平极化天线在3500MHz时在水平切面上的波束覆盖增益值场型图。在图5A、图5B中，实线、粗实线、点线、粗点线分别对应于阵列天线122、124、142、144的增益值场型图。由此可看出，天线系统10为半面波束覆盖，波束可以覆盖至少120度的范围，且其余频率点也有类似的结果。

此外，经软件模拟可知，阵列天线122、124、142、144中的垂直或水平极化天线在垂直切面上的3dB波束宽度约为20度。然而，如前所述，馈入装置16可改变阵列天线122、124、142、144所接收的射频信号的相位排列方式，而可在垂直切面产生向上偏、向下偏或不偏的波束，因而可形成三种波束来增加波束覆盖的范围。

需注意的是，天线系统10为本发明的实施例，本领域普通技术人员应当可根据该实施例以做不同的变化及修饰。举例来说，天线系统10的第一复合天线12与第二复合天线14除了以反射体120、140的单边连接而相互固定外，亦可以一连接轴而互相连接，或是两者可不电性连接而固定在一底座上。此外，第一复合天线12与第二复合天线14依据特定的夹角ANG而相对固定，但第一复合天线12与第二复合天线14亦可经适当机构设计后，使夹角ANG可在一定的角度区间内变动，以增加信号收发的灵活性，并确保架设与使用上的便利性，亦属本发明的范畴。再者，依据无线通信系统操作的频段及带宽，单元天线U的反射板RB亦可从天线元件中移除。反射体120、140亦可增加周边反射元件，而形成锥台(frustum)结构，以提高增益值。并且，单元天线U的辐射部RA_1、RA_2的金属片MB_11、MB_12、MB_21、MB_22可为钻形偶极天线结构以外的其他天线结构。另一方面，馈入装置16在同一时间仅开启一个复合天线而可达成4×4多输入多输出功能，并通过改变相位排列而改变波束形成方式，凡可达成此功能者皆适用于本发明。

综上所述，本发明的天线系统的外观接近平板状，可缩小体积，可有效提升增益值、隔离度及操作带宽，可提供4×4多输入多输出功能，并可有效提升水平切面及垂直切面的波束覆盖范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是根据本发明权利要求书所做的等同变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种天线系统，该天线系统用来收发无线电信号，该天线系统包括：

一第一复合天线，该第一复合天线包括一第一反射体、一第一阵列天线及一第二阵列天线，其中，该第一阵列天线及该第二阵列天线设置于该第一反射体上；

一第二复合天线，该第二复合天线包括一第二反射体、一第三阵列天线及一第四阵列天线，其中，该第三阵列天线及该第四阵列天线设置于该第二反射体上，且该第一反射体以一夹角而相对该第二反射体固定；以及

一馈入装置，该馈入装置耦接于该第一复合天线及该第二复合天线，用来交替输出射频信号至该第一复合天线及该第二复合天线，以通过该第一复合天线或该第二复合天线发射无线电信号，并切换输出至该第一复合天线及该第二复合天线的射频信号的相位，以改变该第一复合天线及该第二复合天线在一垂直切面上所产生的波束的特性；

其中该第一阵列天线、该第二阵列天线、该第三阵列天线及该第四阵列天线分别包括四个单元天线，该馈入装置包括两组馈入模块，且每组馈入模块包括四个馈入模块，每一馈入模块包括一功率分配器以及四个相位平移器，该四个相位平移器耦接于该功率分配器，并且分别耦接于该四个单元天线的一单元天线，用来将该功率分配器输出的射频信号以多个相位状态传送至该四个单元天线。

2.如权利要求1所述的天线系统，其中该夹角介于70度至150度之间。

3.如权利要求1所述的天线系统，其中该第一阵列天线、该第二阵列天线、该第三阵列天线及该第四阵列天线分别为一1×4阵列天线，且该四个单元天线具有相同的结构及尺寸。

4.如权利要求3所述的天线系统，其中该两组馈入模块分别耦接于该第一阵列天线、该第二阵列天线、该第三阵列天线及该第四阵列天线中的垂直极化天线和水平极化天线，该四个馈入模块分别对应于该第一阵列天线、该第二阵列天线、该第三阵列天线及该第四阵列天线；

其中，该功率分配器包括一输入端，耦接于一信号源，以及四个输出端，用来将该信号源产生的射频信号分配至该四个输出端，并且该四个相位平移器分别耦接于该四个输出端的一输出端；

其中，在该多个相位状态中一相位状态，该四个相位平移器所输出的射频信号不具有相位差，而在该多个相位状态中其他相位状态，该四个相位平移器所输出的射频信号具有相位差；

其中，该四个相位平移器分别在至少二相位平移方式间切换，以切换输出至该第一复合天线及该第二复合天线的射频信号的相位。

5.如权利要求4所述的天线系统，其中该四个相位平移器的每一相位平移器包括：

一低通滤波器，该低通滤波器耦接于该单元天线，该低通滤波器对应于该至少二相位平移方式的一相位平移方式；

一高通滤波器，该高通滤波器耦接于该单元天线，该高通滤波器对应于该至少二相位平移方式的另一相位平移方式；以及

一切换器，该切换器耦接于该低通滤波器及该高通滤波器，该切换器用来将该功率分配器输出的射频信号输出至该低通滤波器及该高通滤波器其中之一。

6.如权利要求4所述的天线系统，该天线系统还包括：

一第一切换电路，该第一切换电路包括一输入端，耦接于一第一信号源，及二输出端，耦接于该四个馈入模块中对应于该第一阵列天线及该第三阵列天线的二个馈入模块，用来切换该输入端连接至该二输出端其中之一；以及

一第二切换电路，该第二切换电路包括一输入端，耦接于一第二信号源，及二输出端，耦接于该四个馈入模块中对应于该第二阵列天线及该第四阵列天线的二个馈入模块，用来切换该输入端连接至该二输出端其中之一。

7.如权利要求6所述的天线系统，其中在该第一切换电路连接该第一信号源与该四个馈入模块中对应于该第一阵列天线的该馈入模块时，该第二切换电路连接该第二信号源与该四个馈入模块中对应于该第二阵列天线的该馈入模块；以及在该第一切换电路连接该第一信号源与该四个馈入模块中对应于该第三阵列天线的该馈入模块时，该第二切换电路连接该第二信号源与该四个馈入模块中对应于该第四阵列天线的该馈入模块。

8.如权利要求3所述的天线系统，其中每一单元天线包括：

至少一辐射部，该至少一辐射部设置于该第一反射体或该第二反射体上；以及

一反射板，该反射板设置于该至少一辐射部上，该反射板的一形状具有对称性。

9.如权利要求8所述的天线系统，其中该至少一辐射部的一第一金属片与一第二金属片形成一钻形偶极天线结构，且该第一金属片与该第二金属片分别包括一弯折。

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