阅读说明：本技术 波束可调式天线装置 (Beam adjustable antenna device ) 是由 郑光凯 于 2019-01-03 设计创作，主要内容包括：一种天线装置,包括一第一天线、一第二天线、一多工器,以及一控制器。该第一天线设置于一第一平面上,具有分布于该第一天线本体上的多个第一馈入端,用以发送或接收一第一频率的电磁信号。该第二天线设置于一第二平面上,包括至少4个第二馈入端,用以发送或接收一第二频率的电磁信号。该多工器的一输入端耦接一信号源,一输出端耦接所述多个第一瑞入端及所述至少4个第二馈入端。该控制器控制该多工器,而将从该信号源所输出的一馈入信号,传送到至少一第一馈入端或所述至少4个第二馈入端的至少一者,用以调整该天线装置的波束场型。(An antenna device includes a first antenna, a second antenna, a multiplexer, and a controller. The first antenna is arranged on a first plane and is provided with a plurality of first feed-in ends distributed on the first antenna body and used for sending or receiving an electromagnetic signal with a first frequency. The second antenna is arranged on a second plane and comprises at least 4 second feed-in ends for sending or receiving electromagnetic signals of a second frequency. An input end of the multiplexer is coupled to a signal source, and an output end of the multiplexer is coupled to the first feeding ends and the at least 4 second feeding ends. The controller controls the multiplexer to transmit a feed-in signal output from the signal source to at least one of the at least one first feed-in terminal or the at least 4 second feed-in terminals for adjusting the beam pattern of the antenna device.)

波束可调式天线装置

技术领域

本发明涉及天线装置，特别涉及一波束可调式天线装置。

背景技术

随着无线通信需求的迅速发展，多媒体信息交流的急遽增加，下一世代的无线通信技术将必须满足高速率、高容量、高品质与高弹性等运用需求，需借助高效率的频谱运用技术来支持，其中频谱势必成为日益宝贵的资源之一。基于此考虑，无线通信系统应特别考虑到无线接取(Radio Access)能力的提升，期待能达到最佳的频谱运用效率。于现今的技术发展中，Wi-Fi支持大多是MIMO(Multiple-input And Multiple-output)系统架构，但是基于现有Wi-Fi运用于现有通信系统中，传统天线已不够满足现今的通信需求，更需要智能天线(Smart Antenna)技术来提升频谱资源效率、系统容量和通信品质的有效途径。

传统天线的实施方式基本上是由多根天线组成，且由多支天线互相补偿场型，来实现所需要的效果。由于天线本身的辐射场型固定不变，所以需要考虑个别天线的摆放位置及尺寸，但是这也是造成空间上的浪费的主要原因。图1A为传统天线3x3贴片(patch)天线的场型示意图。如图1A所示，贴片天线因其天线场型为指向性(例如第一贴片天线组场型100、第二贴片天线组场型102、第三贴片天线组场型104)，如果需要补足场型，需要多支天线来补足各不足的死角，虽然其增益比偶极天线(dipole antenna)高，但是其方向性为指向性(directional)，相对波束宽度(beam width)较窄。图1B为传统天线3x3偶极子天线的场型示意图。如图1B所示，偶极天线的场型为全向性(例如第一偶极子天线组场型106、第二偶极天线组场型108、第三偶极子天线组场型110)，其波束宽度较宽，但是增益却较低，而且需要多支天线来补强场型。

图1C为智能天线(Smart Antenna)作用示意图。如图1C所示，智能天线可以随使用者需求，切换场型至需要的方向(例如第一智慧天线场型112、第二智慧天线场型114、第三智慧天线场型116)，且空间上也不会因场型死角需要更多支天线来补足，且增益也比传统偶极天线高。在传统的无线网络应用中通常是使用空间分集(Spatial Diversity)，产生互补式的辐射场型而获得分集增益(Diversity Gain)，以来对抗无线通道的多路径衰落现象，以加强无线接取能力。但是智能天线可以利用信号方向性支波束形成(Beamforming)技术，产生特定的波束形状；将主波束对准目标信号用以强化接收品质。

现今大多数的智能天线，是利用多支天线为一组做切换机制，通过切换其内不同的天线来改变整体场型，但结构极为复杂，且体积也会相对应地变大，因此需要耗费过大的空间来组成天线单元。

发明内容

依据本发明一实施例的天线装置，包括一第一天线、一第二天线、一多工器，以及一控制器。该第一天线设置于一基板上，具有距离该基板一第一平面的高度，以及分布于该第一天线的本体上的多个第一馈入端，用以发送或接收一第一频率的电磁信号；其中，所述多个第一馈入端中相邻的每一者彼此之间在该第一天线的本体上为等距离。该第二天线设置于该基板上，具有距离该基板一第二平面的高度，用以发送或接收一第二频率的电磁信号，其中该第二天线包括一中心部，至少4个辐射部，包围于该中心部的四周，至少4个连接部，以及至少4个第二馈入端。其中至少所述4个连接部，从所述至少4个辐射部各自的中心点，将所述至少4个辐射部与该中心部相连接。其中所述至少4个第二馈入端，各自配置在所述至少4个辐射部的中心点。该多工器的一输入端耦接一信号源，一输出端耦接该第一天线的所述多个第一馈入端及该第二天线的所述至少4个第二馈入端。该控制器输出一控制信号给该多工器，使得该多工器得以切换不同的传输路径，将从该信号源所输出的一馈入信号，传送到至少一第一馈入端或所述至少4个第二馈入端的至少一者，用以调整该第一天线或该第二天线的波束场型。

如上所述的天线装置，其中，该第二天线的所述至少4个辐射部排列为一正多边形或一环形，将该中心部包围于该正多边形或该环形的中心点。

如上所述的天线装置，其中，该第二平面平行于该第一平面；该第二天线的该中心部的中心点与该第一天线的圆心处相对齐。

如上所述的天线装置，其中，从该第一平面及第二平面向该基板俯视而看，当该第一频率小于该第二频率时，该第二天线配置于该第一天线之内；当该第一频率大于该第二频率时，该第一天线配置于该第二天线的所述至少4个辐射部之内。

如上所述的天线装置，还包括多个导体柱，设置于该基板上；其中，当该第一频率小于该第二频率时，则所述第一馈入端通过所述多个导体柱而与该第一天线及该多工器的另一端相耦接，使得该第一天线在该基板上的垂直位置高于该第二天线，并且该第二平面配置于该基板的上表面。

如上所述的天线装置，还包括多个导体柱，设置于该基板上；其中，当该第一频率大于该第二频率时，则所述至少4个第二馈入端通过所述多个导体柱而与该第二天线及该多工器的另一端相耦接，使得该第二天线在该基板上的垂直位置高于该第一天线，并且该第一平面是配置于该基板的上表面。

如上所述的天线装置，其中，该导体柱的长度为该第一频率的电磁信号的四分之一至八分之一波长。

如上所述的天线装置，其中，该导体柱的长度为该第二频率的电磁信号的四分之一至八分之一波长。

如上所述的天线装置，其中，该第一天线发送或接收该第一频率的电磁信号时，其对应的电流路径长度为该第一频率的电磁信号的0.45至0.5波长；该第二天线发送或接收该第二频率的电磁信号时，其对应的电流路径长度为该第二频率的电磁信号的0.45至0.5波长。

如上所述的天线装置，其中，该控制器选择该至少一第一馈入端或所述至少4个第二馈入端的至少一者时，其余的所述第一馈入端及第二馈入端为开路状态。

如上所述的天线装置，其中，所述多个第一馈入端的个数为至少4个。

如上所述的天线装置，还包括多个第三天线及一第二控制器；其中，所述多个第三天线配置于该第一天线及该第二天线的周围，所述多个第三天线的每一者包括一天线激发元件、至少3个场型调整板。该天线激发元件耦接该信号源，用以发送或接收该第一频率及该第二频率的电磁信号；其中该天线激发元件配置于该基板的表面。所述场型调整板的每一者直立于该基板的表面、环绕于该天线激发元件的周围，并且各自通过一开关而与该基板相耦接。该第二控制器通过控制所述3个场型调整板的至少一者所耦接的该开关，使得所述3个场型调整板能与该基板相连接而接地，进而调整该天线激发元件的波束场型。

附图说明

图1A为传统天线3x3贴片(patch)天线的场型示意图；

图1B为传统天线3x3偶极(dipole)天线的场型示意图；

图1C为智能天线(Smart Antenna)作用示意图；

图2A为本发明实施例的天线装置方框图；

图2B为本发明实施例的第一天线及第二天线俯视图；

图2C为本发明实施例的第一天线及第二天线立体图；

图2D为本发明实施例的第一天线及第二天线剖面图；

图2E为本发明其他实施例的第一天线及第二天线俯视图；

图2F为本发明其他实施例的第一天线及第二天线俯视图；

图3为本发明实施例的第一天线切换第一馈入端所对应的波束场型变化示意图；

图4为本发明实施例的第二天线切换第二馈入端所对应的波束场型变化示意图；

图5A为本发明实施例的第三天线俯视图；

图5B为本发明实施例的第一天线、第二天线及第三天线的配置俯视图；

图5C为本发明实施例的第一天线、第二天线及第三天线的配置剖面图。

符号说明

100～第一贴片天线组场型

102～第二贴片天线组场型

104～第三贴片天线组场型

106～第一偶极天线组场型

108～第二偶极天线组场型

110～第三偶极天线组场型

112～第一智慧天线场型

114～第二智慧天线场型

116～第三智慧天线场型

200～天线装置

202～第一天线

204～第二天线

206～多工器

208～控制器

210～信号源

212～多个第一馈入端

212-1、212-2、212-3、212-4～第一馈入端

214～至少4个第二馈入端

214-1、214-2、214-3、214-4～第二馈入端

216～馈入信号

218～第一平面

220～第二平面

222～基板

224～导体柱

226-1、226-2、226-3、226-4～连接部

228-1、228-2、228-3、228-4～辐射部

230～中心部

500～第三天线

502～天线激发元件

504-1、504-2、504-3～场型调整板

506～开关

具体实施方式

图2A为本发明实施例的天线装置方框图。如图2A所示，天线装置200包括一第一天线202、一第二天线204、一多工器206，以及一控制器208。第一天线202具有分布于其天线本体上的多个第一馈入端212，在本实施例中，多个第一馈入端212的个数为4个，并且第一天线202用以发送或接收一第一频率的电磁信号。第二天线204具有至少4个第二馈入端214，用以发送或接收一第二频率的电磁信号。多工器206的一端耦接一信号源210，另一端耦接第一天线202的所述多个第一馈入端212及该第二天线的所述至少4个第二馈入端。控制器208输出一控制信号SEL给多工器206，使得多工器206得以切换不同的传输路径，将信号源210所输出的一馈入信号216(可为该第一频率或该第二频率的信号)，传送到至少一第一馈入端212或所述至少4个第二馈入端214的至少一者，用以调整第一天线202或第二天线204的波束场型。

图2B、图2C、图2D为本发明实施例的第一天线及第二天线俯视图、立体图及剖面图。同时参考图2B、图2D可得知，第一天线202设置于一第一平面218上，其多个第一馈入端212(包括第一馈入端212-1、212-2、212-3、212-4)中相邻的每一者彼此之间在第一天线的本体上为等距离。举例来说，如图2B所示，假设第一馈入端212-1在第一天线202的0°的位置上，则第一馈入端212-2、212-3、212-4则分别分布于第一天线90°、180°、270°的位置上，因此从第一馈入端212-1到第一馈入端212-2、第一馈入端212-2到第一馈入端212-3、第一馈入端212-3到第一馈入端212-4，以及第一馈入端212-4到第一馈入端212-1皆为等距离。因此，当第一天线202在辐射时，其对应的电流路径长度也会相等，例如当馈入信号216从第一馈入端212-1馈入时，其辐射时所对应的电流路径长度即为第一馈入端212-1至212-2在第一天线202本体上的距离。在本实施例中，从第一平面218及第二平面220向基板222俯视而看，第二天线204配置于第一天线202之内。

举例来说，当第一天线202所发射或接收的第一频率的电磁波信号为2.4GHz的电磁波信号的情况下，由于第一馈入端212-1至212-2在第一天线202本体上的距离需为第一频率的电磁波信号的二分之一波长，即约为0.0625米。当第一天线202所发射或接收的第一频率的电磁波信号为5GHz的电磁波信号，由于第一馈入端212-1至212-2在第一天线202本体上的距离需为第一频率的电磁波信号的二分之一波长，即约为0.03米。

第二天线204设置于一第二平面220上(在此例如设置在基板222的表面上)，且第二天线204包括一中心部230、至少4个辐射部228-1、228-2、228-3、228-4、至少4个连接部226-1、226-2、226-3、226-4，以及至少4个第二馈入端。所述至少4个辐射部228-1、228-2、228-3、228-4的排列可概略定义出一正多边形或一环形，并且将中心部230包围于该正多边形或环形的中心点。所述至少4个连接部226-1、226-2、226-3、226-4从所述至少4个辐射部228-1、228-2、228-3、228-4各自的中心点，将所述至少4个辐射部228-1、228-2、228-3、228-4与中心部230相连接，使得第二天线204概略呈现“田”字状的外型。所述至少4个第二馈入端214(包括第二馈入端214-1、214-2、214-3、214-4)各自配置在所述至少4个辐射部228-1、228-2、228-3、228-4的中心点。如图2C所示，第二天线204形成于一印刷电路板(PCB)(未图示)两侧对应的平面上，通过穿孔(through-hole)技术将该印刷电路板的两侧所对应的平面相耦接。第二频率电磁波信号由第二馈入端214-1、214-2、214-3、214-4馈入第二天线204，通过所述穿孔的连接，使得第二频率电磁波信号得以由第二天线204在该印刷电路板两侧的线路进行辐射。

当第二天线204开始辐射时，举例来说，若馈入信号216通过控制器208的选择而从第二馈入端214-1馈入第二天线204，则其辐射时所对应的电流路径则是由第二馈入点214-1，流经中心部230，至第二馈入端214-3所在的辐射部228-3的端点A。举例来说，当第二天线204所发射或接收的第二频率电磁波信号为5GHz的电磁波信号，其所对应的波长约为0.06米(λ(波长)＝C(光速)÷f(频率)，亦即波长＝(3*10⁸)÷(5*10⁹))，因此第二馈入点214-1至第二馈入端214-3所在的辐射部228-3的端点A的距离需为第二频率电磁波信号的二分之一波长，即约为0.03米。当第二天线204所发射或接收的第二频率电磁波信号为2.4GHz的电磁波信号，其所对应的波长约为0.125米，因此第二馈入点214-1至第二馈入端214-3所在的辐射部228-3的端点A的距离需为第二频率电磁波信号的二分之一波长，即约为0.0625米。

如图2D所示，第一平面218平行于第二平面220，并且第二天线204的中心部230的中心点与环状天线202的圆心处相对齐。基板222配置于第一平面218及第二平面220的下方。从第一平面218及第二平面220向基板222俯视而看，当该第一频率小于该第二频率时，例如该第一频率为2.4GHz、该第二频率为5GHz，由于第一天线202所对应该第一频率的电流路径较长，第二天线204所对应的该第二频率的电流路径较短，第一天线202的尺寸会大于第二天线204，因此第二天线204配置于第一天线202之内。相反地，在另一实施例中，从第一平面218及第二平面220向基板222俯视而看，当该第一频率大于该第二频率时，例如该第一频率为5GHz、该第二频率为2.4GHz，由于第二天线204所对应该第二频率的电流路径较长，第一天线202所对应的该第一频率的电流路径较短，第二天线204的尺寸会大于第一天线202，因此第一天线202会配置于第二天线204的所述至少4个辐射部228-1、228-2、228-3、228-4之内。

在本发明的实施例中，如图2D所示，天线装置200还包括多个导体柱224，当该第一频率小于该第二频率时，例如该第一频率为2.4GHz、该第二频率为5GHz，则所述第一馈入端212通过导体柱224而与第一天线202及多工器206的另一端相耦接，使得第一天线202所在的第一平面218在基板222上的垂直位置高于第二天线204所在的第二平面220，并且第二平面220配置于基板222的上表面。在本实施例中，导体柱224的长度为第一频率电磁信号的四分之一至八分之一波长，亦即约0.015625米至0.03125米。其中，所述多个导体柱224通过基板222上的布局电路而与多工器206的另一端相耦接。

在另一实施例中，当该第一频率大于该第二频率时，例如该第一频率为5GHz、该第二频率为2.4GHz，则至少4个第二馈入端214通过导体柱224而与第二天线204及多工器206的另一端相耦接，使得第二天线204所在的第二平面220在基板222上的垂直位置高于第一天线202所在的第一平面218，并且第一平面218配置于基板222的上表面。在本实施例中，导体柱224的长度为第二频率电磁信号的四分之一至八分之一波长，亦即0.015625米至0.03125米。

图2E为本发明其他实施例的第一天线及第二天线俯视图。如图2E所示，在实施例(1)中，该第一天线202为圆形，该第二天线204亦为圆形，并且该第一天线202的中心处对齐于该第二天线204的中心处。在实施例(2)中，该第一天线202为正多边形，该第二天线204为圆形，并且该第一天线202的中心处对齐于该第二天线204的中心处。在实施例(3)中，该第一天线202为正多边形，该第二天线204亦为正多边形，并且该第一天线202的中心处对齐于该第二天线204的中心处。在实施例(4)中，该第一天线202为正多边形，该第二天线204亦为正多边形，并且该第一天线202的中心处对齐于该第二天线204的中心处。实施例(3)与实施例(4)相比，实施例(4)的该第二天线204所配置的位置依其中心点旋转了45°。

图2F为本发明其他实施例的第一天线及第二天线俯视图。如图2F所示，在实施例(5)中，该第一天线202为正六边形，具有6个第一馈入端；该第二天线204亦为正六边形，亦具有6个第二馈入端。在实施例(6)中，该第一天线202为正六边形，具有6个第一馈入端；该第二天线204为正方形，具有4个第二馈入端。在实施例(7)中，该第一天线202为正六边形，具有6个第一馈入端；该第二天线204为圆形，具有4个第二馈入端。

图3为本发明实施例的第一天线202切换第一馈入端212所对应的波束场型变化示意图。如图3所示，x-y平面即为图2D中的第一平面218。当第一频率为2.4GHz时，通过切换多工器206，控制器208将馈入信号216输入至不同的第一馈入端212-1、212-2、212-3或212-4，使得第一天线202产生如图3所示相对应方向的波束场型，而实现调整波束方向性的目的。

图4为本发明实施例的第二天线204切换第二馈入端214所对应的波束场型变化示意图。如图4所示，x-y平面即为图2D中的第二平面220。当第二频率为5GHz时，控制器208将馈入信号216输入至不同的第二馈入端214-1、214-2、214-3或214-4，使得第二天线204产生如图4所示相对应方向的波束场型，而实现调整波束方向性的目的。

在本发明的实施例中，当控制器208选择至少一第一馈入端212或所述至少4个第二馈入端214的至少一者，用以输入馈入信号216时，其余的所述第一馈入端212及第二馈入端214为开路状态。举例来说，当控制器208选择第一馈入端212-3及第二馈入端214-1用以输入馈入信号216时，则此时第一馈入端212-1、212-2、212-4、第二馈入端214-2、214-3、214-4皆为开路状态，隔离度较佳，而不会干扰第一天线202及第二天线204的正常运行。

天线装置200还包括多个第三天线500及一第二控制器。同时参考图5A、图5B、图5C，图5A为本发明实施例的第三天线500俯视图；图5B为本发明实施例的第一天线202、第二天线204及第三天线500的配置俯视图；图5C为本发明实施例的第一天线202、第二天线204及第三天线500的配置剖面图。如图5B所示，多个第三天线500配置于第一天线202及第二天线204的周围。如图5A所示，每一第三天线500包括一天线激发元件502及3个场型调整板504-1、504-2、504-3。其中，天线激发元件502发送或接收该第一频率及该第二频率的电磁信号，且天线激发元件502配置于该基板222的表面(如图5C所示)。举例来说，天线激发元件502可发送或接收2.4GHz或5GHz的电磁波信号。3个场型调整板504-1、504-2、504-3直立于基板222的表面，且环绕于天线激发元件的周围，并且各自通过一开关506而与基板222相耦接。该第二控制器通过控制3个场型调整板504-1、504-2、504-3的至少一者所耦接的开关506，使得3个场型调整板504-1、504-2、504-3能与基板222相连接而接地，进而调整天线激发元件502的波束场型。开关506可为一二极管。

如图5B所示，相邻的每一第三天线500之间的距离为D，其中D的距离可为第一频率或第二频率电磁波的1.3倍～1.8倍波长。举例来说，当第一频率为2.4GHz时，则其对应的波长为0.125米，故D的距离可为0.1625～0.225米。此外，每一第三天线500环绕于第一天线202及第二天线204的位置，可以360°/N的角度来分配(N为第三天线的个数)，以图5B来说，每一第三天线500平均分配于第一天线202及第二天线204的周围，相邻的每一第三天线500彼此间的夹角为90°。

举例来说，如图5C所示，当每一第三天线500的天线激发元件502耦接该信号源210(未图示)发射该第一频率(例如为2.4GHz)的电磁波信号，并通过该第二控制器切换3个场型调整板(例如为场型调整板504-1)的接地与否，使得其波束场型指向一特定方向，此时第一天线202亦通过控制器208选择至少一第一馈入端(例如为第一馈入端212-1)作为馈入信号216的馈入点，使得第一天线202对应于第一频率(2.4GHz)的波束场型也指向该特定方向，用以加强整个天线装置200在第一频率时的波束指向性。同理，在第二频率(例如5GHz)时，第二天线204亦可加强整个天线装置200在第二频率时的波束指向性，故不再赘述。

在本实施例中，对第一天线202及第二天线204来说，为了判断哪一第一馈入端212或第二馈入端214为最佳馈入点，控制器208可持续切换不同的第一馈入端212或第二馈入端214作为不同的馈入点，并且同时接收一待测物信号并且记录其相对应的RSSI值。控制器208依据上述所记录的RSSI值，用以选取上述至少一第一馈入端212或第二馈入端214作为最佳馈入点。

虽然本发明的实施例如上述所描述，我们应该明白上述所呈现的只是范例，而不是限制。依据本实施例上述示范实施例的许多改变可以在没有违反发明精神及范围下被执行。因此，本发明的广度及范围不该被上述所描述的实施例所限制。更确切地说，本发明的范围应该要以以下的权利要求及其相等物来定义。