CN107845854B - 复合天线 - Google Patents

Abstract

一种复合天线，该复合天线用来收发无线信号，该复合天线包括：四单元天线，该四单元天线对应一圆而环状排列，用来收发一第一频段的无线信号；四侧墙，该四侧墙分别设置于该四单元天线中两相邻单元天线之间；以及多个侧墙天线，该多个侧墙天线设置于该四侧墙上，用来收发一第二频段的无线信号。本发明的复合天线可有效提高空间效能、增加共振带宽及设计自由度，同时本发明的复合天线在侧墙上设置侧墙天线，可进一步达到多频段或宽带操作。

Description

复合天线

技术领域

本发明涉及一种复合天线，尤其涉及一种可有效提高空间效能、增加共振带宽及设计自由度，并可达到多频段或宽带操作的复合天线。

背景技术

随着无线通信技术不断演进，长期演进(Long Term Evolution，LTE)无线通信***、无线局域网络标准等无线通信***已支持多输入多输出(Multi-input Multi-output，MIMO)通信技术，亦即相关电子产品可通过多重(或多组)天线同步收发无线信号，以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***的数据吞吐量(Throughput)及传送距离，进而有效提升无线通信***的频谱效率及传输速率，改善通信质量。此外，多输入多输出通信技术可搭配空间分工(Spatial Multiplexing)、波束成型(Beam forming)、空间分集(Spatial Diversity)、预编码(Precoding)等技术，进一步减少信号干扰及增加通道容量。

要实现多输入多输出功能中空间多任务、多样技术，先决条件必需搭配多组天线，以将空间分成许多通道，进而提供多个天线场型。因此，如何设计符合传输需求的天线，同时兼顾尺寸及功能，已成为业界所努力的目标之一。除此之外，如何在有限体积及成本下，增加天线操作频带，且兼顾适应性波束能力，也成为业界所努力的目标之一。

因此，需要提供一种复合天线来解决上述问题。

发明内容

因此，本发明主要提供一种复合天线，其可有效提高空间效能、增加共振带宽及设计自由度。

本发明公开一种复合天线，该复合天线用来收发无线信号，该复合天线包括：四单元天线，该四单元天线对应一圆而环状排列，用来收发一第一频段的无线信号；四侧墙，该四侧墙分别设置于该四单元天线中两相邻单元天线之间；以及多个侧墙天线，该多个侧墙天线设置于该四侧墙上，用来收发一第二频段的无线信号。

本发明的复合天线可有效提高空间效能、增加共振带宽及设计自由度，同时本发明的复合天线在侧墙上设置侧墙天线，可进一步达到多频段或宽带操作。

附图说明

图1A为本发明实施例一复合天线的示意图。

图1B为图1A的复合天线中一单元天线的示意图。

图1C为图1A的复合天线的截面示意图。

图2、图3A～图3D及图4为图1A～图1C中一侧墙及一侧墙天线的不同实施例示意图。

图5为本发明实施例一复合天线的示意图。

图6为图5的复合天线中一单元天线的侧视示意图。

主要组件符号说明：

10、60 复合天线

ANT_1～ANT_4 单元天线

PLT_TP 上底板

PLT_BT 下底板

100～106 侧墙天线

W1～W4 侧墙

500 接地金属片

502 第一微带金属片

504 第二微带金属片

508 第一馈入线

510 第二馈入线

506 第三微带金属片

BR 柱状体

600 金属反射板

602 第一辐射金属部

604 第二辐射金属部

606 第一三角形金属片

608 第二三角形金属片

610 第三三角形金属片

612 第四三角形金属片

614 支撑件

M1 第一中线

M2 第二中线

G1 第一间隙

G2 第二间隙

具体实施方式

请参考图1A，图1A为本发明实施例一复合天线10的示意图。复合天线10由单元天线ANT_1～ANT_4、上底板PLT_TP、下底板PLT_BT及侧墙天线100～106所组成，其可适用于一多输入多输出***，如长期演进无线通信***等。上底板PLT_TP、下底板PLT_BT用以固定单元天线ANT_1～ANT_4，亦可根据***所需而适当修改或移除。单元天线ANT_1～ANT_4的结构可以完全相同或略为不同，其基本概念由多层微带金属片所组成。以单元天线ANT_1为例，如图1B及图1C所示，单元天线ANT_1包含有一接地金属片500、一第一微带金属片502、一第二微带金属片504、一第三微带金属片506、一第一馈入线508、一第二馈入线510及八个柱状体BR。柱状体BR为绝缘固定件，用来固定接地金属片500、第一微带金属片502、第二微带金属片504及第三微带金属片506，使之互不接触，以确保信号可正常发射或接收。此外，接地金属片500包含两弯折，使其外观如同包含两侧翼，作用是使单元天线ANT_1所产生的波束集中于特定预设范围内；而第二微带金属片504亦包含多个弯折，主要目的是减少其展开面积(即投影于接地金属片500的面积)。第一馈入线508及第二馈入线510则分别电性连接于第一微带金属片502及第二微带金属片504，用来传递无线电信号，其长度较佳地为半波长的整数倍。第三微带金属片506介于第一微带金属片502与第二微带金属片504之间，用来提高共振带宽。

在单元天线ANT_1中，当要发射垂直极化方向波束时，射频信号通过第一馈入线508馈入到第一微带金属片502，并藉由电磁耦合方式将信号馈入第三微带金属片506及第二微带金属片504，此时垂直方向不同层有不同的馈入方式，而第二微带金属片504可视为主要辐射体。另一方面，当要发射水平极化方向波束时，射频信号通过第二馈入线510馈入第二微带金属片504，此时第二微带金属片504为主要辐射体。由此可知，藉由此种多层辐射体的设计，此例的单元天线ANT_1可有效增加共振带宽，增加设计上的自由度。更重要的是，通过不同层互相垂直方向的不同馈入，可轻易达到水平及垂直极化，并可提高水平及垂直极化间的隔离度。

此外，单元天线ANT_2～ANT_4的结构与单元天线ANT_1相同，经组合后使复合天线10构成一环型对称结构，如图1C所示，其为复合天线10的中央截面图。需注意的是，在复合天线10中，单元天线ANT_1～ANT_4的接地金属片电性连接在一起，亦即共地。在此情形下，可适度调整单元天线ANT_1～ANT_4的接地金属片的尺寸，以节省制造成本。例如，如图1C所示，单元天线ANT_2、ANT_4的接地金属片仅与单元天线ANT_1、ANT_3的接地金属片相接，而未包含两侧翼部分。当然，若单元天线ANT_1～ANT_4的结构完全相同亦可，只要确保其接地金属片电性连接于同一地端即可。

另一方面，要将复合天线10用于多输入多输出***，可搭配一切换电路，如二极管电路、单刀单掷交换电路加上功率分配器等，用来切换射频信号处理模块与各馈入线的连接，以控制由单元天线ANT_1～ANT_4中一特定单元天线操作于水平或垂直极化，从而正确收发无线电信号。藉此，除了可通过复合天线10产生特定波束外，相邻的天线场型甚至组合成一新的合成场型，来弥补各别天线增益峰值因为在45度角远离后的增益值衰减。同时，通过切换电路的控制，可利用单元天线ANT_1～ANT_4而获得8路的单一天线波束(其中4路是垂直极化和4路是水平极化)及8路的合成天线波束(其中4路是垂直极化和4路是水平极化)，总共16路的天线波束。

由上述可知，在复合天线10中，单元天线ANT_1～ANT_4沿一中心线环状排列(即对应一圆的四等分)，并可利用切换电路而获得8路的单一天线波束(其中4路是垂直极化和4路是水平极化)及8路的合成天线波束(其中4路是垂直极化和4路是水平极化)，总共16路的天线波束，藉此可有效提高空间效能、增加共振带宽及设计自由度，以适应多输入多输出的应用。

此外，复合天线10还包含侧墙天线100～106，侧墙天线100～106可以是槽孔天线、平面倒F天线等各式平面天线。经由适当设计侧墙天线100～106的形式、尺寸等，可增加复合天线10的操作频段或带宽。详细来说，单元天线ANT_1～ANT_4的接地金属片(以图1B为例，即接地金属片500)形成了单元天线ANT_1～ANT_4间的侧墙W1～W4，而侧墙天线100～106分别形成于侧墙W1～W4上；换言之，任一侧墙与其他三侧墙的夹角为90°、180°及270°，则侧墙天线100～106分别设置于四个垂直方向。在此情形下，通过适当设计侧墙天线100～106的天线形式、尺寸，侧墙天线100～106可增加操作频段或带宽。

举例来说，请参考图2，图2为以槽孔天线实现侧墙天线100～106时侧墙W1及侧墙天线100的示意图。其余侧墙W2～W4及侧墙天线102～106亦有相同结构，可依此类推。由于侧墙W1～W4分别朝向四个垂直方向，当以槽孔天线实现侧墙天线100～106时，位于同一水平面上的侧墙天线组，如侧墙天线100及104为一组而侧墙天线102及106为另一组，有相类似的辐射场型，而不同侧墙天线组的场型又互相形成互补，即侧墙天线100及104的最弱场型位置大致与侧墙天线102及106的最强场型位置相同，且侧墙天线102及106的最弱场型位置大致与侧墙天线100及104的最强场型位置相同。在此情形下，侧墙天线100及104可结合为一二进二出天线，同理，侧墙天线102及106可结合为另一二进二出天线，藉此可提高整体最低天线增益值。

此外，需注意的是，图2表示侧墙天线100～106可以槽孔天线实现，本领域普通技术人员应当可根据***所需，适当调整槽孔天线的尺寸、形式等。例如，在一实施例中，可设定槽孔天线的槽孔长宽分别大致为108mm、8mm，则其可符合长期演进无线通信***的Band(带)4频段(1710MHz～1755MHz、2110MHz～2155MHz)的需求。藉此，若单元天线ANT_1～ANT_4操作于Band 13，则可同时满足长期演进无线通信***的Band13及Band 4频段的需求。另一方面，除了图2所示的单一槽孔外，其他形式的槽孔天线，例如，牛角状、双槽孔等槽孔天线亦可用来实现侧墙天线100～106。

除此之外，对槽孔天线的各种调整手段亦可适用于本发明，例如可将馈入点位置内缩，以让槽孔天线的总长缩短，而可在侧墙上容纳其他天线组件；并且，馈入点位置内缩可让天线馈入点的位置更接近中心轴，让馈入传输线的长度缩短，以减少损耗，而增加天线的增益值。同时，槽孔天线亦可为领结(Bowtie)形式，以提升带宽。举例来说，请参考图3A至图3D，其分别为以领结形式槽孔天线实现侧墙天线100～106时侧墙W1及侧墙天线100的不同实施例示意图。其余侧墙W2～W4及侧墙天线102～106亦有相同结构，可依此类推。图3A至图3D显示了领结形式槽孔天线，且其馈入点位置内缩后，可在侧墙W1上容纳不同天线组件。详细来说，图3A的槽孔天线是将馈入点位置内缩同时采用领结形式馈入，馈入点位置内缩可以让槽孔天线的总长缩短，并可让馈入点的位置更接近中心轴，让馈入传输线的长度缩短，从而增加天线的增益值。此外，传统上，领结形式的偶极天线(Dipole antenna)通常有较大的带宽特性，图3A之例即是将此特性应用于开槽的槽孔天线支臂，且为半面领结的形状，其可改善共振特性，并增加共振带宽，同时亦满足隔离度需求。

进一步地，图3B之例是在图3A的槽孔天线的基础上增加寄生的耦合共振器。传统上，在偶极天线(Dipole antenna)上增加寄生的耦合共振器可以提高偶极天线的带宽特性，图3B之例即是将此特性应用于图3A的槽孔天线中，在领结形式馈入的槽孔天线支臂的末端，加上一对开槽的直角三角形寄生耦合共振器，因而可从直角三角形寄生耦合共振器的短边向半面领结形式槽孔天线做耦合，藉此可较图3A的槽孔天线改善共振特性，并增加共振带宽，同时也增加与相邻天线间的隔离度。

接着，图3C之例是在图3B的槽孔天线的基础上再增加寄生的耦合共振器，以进一步增加天线的共振带宽。换句话说，图3C之例是在图3B的(第一对)三角形寄生耦合共振器旁再加上另一对(第二对)开槽的三角形寄生耦合共振器。如此一来，两对三角形寄生耦合共振器通过斜边互相耦合，可进一步改善共振特性，增加共振带宽，同时增加与相邻天线间的隔离度，而天线的增益值也可再次被提高了。

另外，图3D之例是在图3C的槽孔天线的基础上再增加寄生的耦合共振器，以进一步增加天线的共振带宽。换句话说，图3D之例是在图3C的第二对三角形寄生耦合共振器旁再加上另一对(第三对)开槽的三角形寄生耦合共振器。如此一来，第二、三对三角形寄生耦合共振器通过直角长边互相耦合，可进一步改善共振特性，增加共振带宽，同时增加与相邻天线间的隔离度，而天线的增益值也可被提高了。

需注意的是，图3B至图3D是在图3A的基础上依序增加直角三角形寄生耦合共振器，以改善共振带宽、隔离度、增益值等特性。然而，不限于此，其他形状的寄生耦合共振器亦可用于本发明，如梯形、等腰三角形等。同时，图3A至图3D用以说明侧墙天线100～106的形式不限于特定天线，本领域普通技术人员可根据***所需而适度调整。

除了槽孔天线，平面倒F天线亦可用来实现侧墙天线100～106，例如，图4为以平面倒F天线实现侧墙天线100～106时侧墙W1及侧墙天线100的示意图。其余侧墙W2～W4及侧墙天线102～106亦有相同结构，可依此类推。平面倒F天线的运作原理为本领域所熟知，其具有辐射效率高、容易实现多频段工作等优点，并且，其长度为一般完整半波长天线长度的一半，故可配合单元天线ANT_1～ANT_4的操作，增加复合天线10的操作频段或带宽，和缩小复合天线的高度。同时，可在馈入线搭配如同轴轭流圈(Coaxial Choke)进一步进行滤波，以符合不同频段需求，此皆属本发明的范畴。

前述图2至图4的实施例说明利用槽孔天线、平面倒F天线实现侧墙天线100～106，但不限于此，凡可在侧墙W1～W4上设置的平面天线皆可用于本发明。此外，本领域普通技术人员应知天线的类型、尺寸、材质等，皆可能影响天线的效能或场型，因此本领域普通技术人员应根据***所需而选择适当的天线来实现侧墙天线100～106。再者，前述实施例中，侧墙W1～W4上分别仅包含单一侧墙天线，但不限于此，各侧墙亦可包含多个侧墙天线，且不同侧墙所包含的侧墙天线的数量亦可不同，皆属本发明的范畴。

此外，如前所述，单元天线ANT_1～ANT_4亦可以其他天线实现，而不限于前述之例。举例来说，请参考图5，图5为本发明实施例一复合天线60的示意图。复合天线60与复合天线10的主要架构相同，不同处在于单元天线ANT_1～ANT_4改由双钻形偶极天线架构的立体天线所实现，而侧墙天线100～106则由平面倒F天线所实现。详细来说，请一并参考图6，图6为图5中单元天线ANT_1的侧视图。在此例中，单元天线ANT_1包含有一金属反射板600、一第一辐射金属部602、一第二辐射金属部604以及一支撑件614。金属反射板600用来反射无线电信号，以增加宽带双极化天线60的增益值。第一辐射金属部602位于金属反射板600之上，并与金属反射板600间相距一第一间隙G1，第一辐射金属部602包含有一第一三角形金属片606及一第二三角形金属片608。第一三角形金属片606的底边及第二三角形金属片608的底边互相平行，使第一辐射金属部602呈一菱形。第二辐射金属部604位于第一辐射金属部602之上，并与第一辐射金属部602相距一第二间隙G2，第二辐射金属部604包含有一第三三角形金属片610及一第四三角形金属片612，第三三角形金属片610的底边及第四三角形金属片612的底边互相平行，使第二辐射金属部604呈一菱形。在本实施例中，第一、第二、第三及第四三角形金属片606、608、610及612为等腰三角形金属片，但不以此为限。其中，第一辐射金属部602的一第一中线M1与第二辐射金属部604的一第二中线M2大致呈90度。支撑件614与金属反射板600大致垂直，用来支撑金属反射板600、第一辐射金属部602及第二辐射金属部604，使金属反射板600、第一辐射金属部602及第二辐射金属部604间不互相电性连接。在此结构下，单元天线ANT_1的天线极化为垂直和水平双极化。

此外，需注意的是，垂直和水平双极化的单元天线ANT_1为一实施例，单元天线ANT_1的极化亦可以为倾斜45度和倾斜135度，且不限于此。简言之，复合天线60的单元天线ANT_1通过第一辐射金属部602及第二辐射金属部604进行无线信号收发，且极化方向被倾斜45度来使用。因此，第一中线M1及第二中线M2在金属反射板600上的投影大致与金属反射板600的对角线重合，即第一辐射金属部602极化变成45度倾斜，而第二辐射金属部604变成135度倾斜。

需注意的是，复合天线60为本发明的一实施例，本领域普通技术人员可根据不同应用，而适度调整。举例来说，金属反射板600的边长可根据***所需而调整，非一定值。另一方面，第一间隙G1相关于复合天线60所操作的频率。一般来说，在第一间隙G1大约等于无线电信号约1/4波长时，复合天线60能达到最高的增益值。此外，第二间隙G2可用来提高第一辐射金属部602与第二辐射金属部604的隔离度，减少双极化天线之间的互相影响。当然，为了得到更高的隔离度，可适度增加第二间隙G2(即第一辐射金属部602与第二辐射金属部604的距离)，但增加第二间隙G2可能造成宽带双极化天线的其他特性(如增益值、场型等)产生变化，故本领域普通技术人员应根据不同应用需求，适当调整第二间隙G2的大小。最后，支撑件614由一绝缘材料所制造，如木头、玻璃、橡胶等，且不限于此，只要使金属反射板600、第一辐射金属部602及第二辐射金属部604间不互相电性连接即可。

复合天线60中单元天线ANT_2～ANT_4的结构与单元天线ANT_1相同，经组合后使复合天线60构成一环型对称结构，此概念可参考前述说明，在此不赘述。

此外，在复合天线60中侧墙天线100～106以平面倒F天线实现，即如图4之例，然而，其亦可由槽孔天线实现，不限于此。

综上所述，本发明的复合天线可有效提高空间效能、增加共振带宽及设计自由度，同时本发明的复合天线在侧墙上设置侧墙天线，可进一步达到多频段或宽带操作。

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 (17)

1.一种复合天线，该复合天线用来收发无线信号，该复合天线包括：

四单元天线，该四单元天线对应一圆而环状排列，用来收发一第一频段的无线信号；

四侧墙，该四侧墙分别设置于该四单元天线中两相邻单元天线之间；以及

多个侧墙天线，该多个侧墙天线设置于该四侧墙上，用来收发一第二频段的无线信号；

其中，该多个侧墙天线的馈入点被内缩至接近侧墙的中心轴；

其中，该多个侧墙天线包括寄生耦合共振器。

2.如权利要求1所述的复合天线，其中该第一频段与该第二频段相异。

3.如权利要求1所述的复合天线，其中该多个侧墙天线选自一平面天线群组，该平面天线群组至少包括一槽孔天线或一平面倒F天线。

4.如权利要求1所述的复合天线，其中该四侧墙的任一侧墙与其他三侧墙的夹角为90°、180°及270°。

5.如权利要求1所述的复合天线，其中该四单元天线的每一单元天线包括：

一接地金属片；

一第一微带金属片；

一第二微带金属片；

一第一馈入线，该第一馈入线电性连接于该第一微带金属片，用来传递该第一频段的无线信号；

一第二馈入线，该第二馈入线电性连接于该第二微带金属片，用来传递该第一频段的无线信号；以及

一绝缘固定件，该绝缘固定件用来固定该接地金属片、该第一微带金属片及该第二微带金属片，使该接地金属片、该第一微带金属片及该第二微带金属片相互不接触。

6.如权利要求5所述的复合天线，其中该接地金属片包括至少一弯折。

7.如权利要求6所述的复合天线，其中该接地金属片所包括的该至少一弯折用来使该天线所产生的波束集中于一预设范围。

8.如权利要求5所述的复合天线，其中该第一微带金属片或该第二微带金属片包括至少一弯折。

9.如权利要求8所述的复合天线，其中该第一微带金属片或该第二微带金属片所包括的该至少一弯折用来减少该第一微带金属片或该第二微带金属片投影于该接地金属片的一面积。

10.如权利要求5所述的复合天线，还包括一第三微带金属片，该绝缘固定件还用来固定该第三微带金属片，使该第三微带金属片介于该第一微带金属片与该第二微带金属片之间且互不接触。

11.如权利要求5所述的复合天线，其中该第一馈入线及该第二馈入线的线长与所传递的无线电信号的半波长相关。

12.如权利要求1所述的复合天线，其中该四单元天线的每一单元天线包括：

一金属反射板，该金属反射板用来反射无线信号，以增加该复合天线的增益值；

一第一辐射金属部，该第一辐射金属部位于该金属反射板之上，与该金属反射板间形成有一第一间隙；

一第二辐射金属部，该第二辐射金属部位于该第一辐射金属部之上，与该第一辐射金属部间形成有一第二间隙；以及

一支撑件，该支撑件用来支撑该金属反射板、该第一辐射金属部及该第二辐射金属部，使该金属反射板、该第一辐射金属部及该第二辐射金属部间不互相电性连接。

13.如权利要求12所述的复合天线，其中该第一辐射金属部的一第一中线与该第二辐射金属部的一第二中线呈90°。

14.如权利要求1所述的复合天线，其中该第一辐射金属部包括：

一第一三角形金属片；以及

一第二三角形金属片。

15.如权利要求14所述的复合天线，其中该第一三角形金属片与该第二三角形金属片的形状是等腰三角形。

16.如权利要求12所述的复合天线，其中该第二辐射金属部包括：

一第三三角形金属片；以及

一第四三角形金属片。

17.如权利要求16所述的复合天线，其中该第三三角形金属片与该第四三角形金属片的形状是等腰三角形。

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