TW201539861A - 具有垂直極化輻射場型的通信裝置與系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種通信裝置，其包含：一殼體以及一端射式通信天線模組。該殼體包含至少一支持面，該支持面用於支持該殼體放置在一基準平面上。該端射式通信天線模組位於該殼體的表面，用於傳送或接收電磁波，該電磁波包含垂直於該基準平面的垂直極化場型。

Description

具有垂直極化輻射場型的通信裝置與系統

本發明係關於一種天線設計，特別係關於在放置於一基準平面之通信裝置當中，具有垂直極化之輻射場型的端射式通信天線模組。

現代生活當中，可攜式的電子裝置，例如平板電腦、智慧型手機、筆記型電腦等等已經是現代人不可或缺的物品。這些可攜式的電子裝置通常都利用無線通信介面與外界進行通信作業。在許多場合當中，這些電子裝置通常是被置放在一個平面上進行運作。比方說，許多使用者是將平板電腦或手機放在桌面上進行操作，此桌面可以視為上述的平面。

上述的無線通信介面包含符合各種無線電頻譜與標準的介面。在某些應用上，電子裝置可以包含毫米波(millimeter wave)波段的無線通信介面。當該無線通信介面的一天線距離一個平面不到一個波長的距離，且該平面的長寬大於十個波長的情況下，電磁場會將該平面視為一個無窮大的接地面。

當該天線為端射(end-fire)型天線，且其輻射場型(radiation pattern)大約為平行於該平面的水平極化(horizontal polarization)型時，其輻射場在水平面上形成一極小值或空值(minimum or null)。如果與該電子裝置通 信的另一相對裝置之天線同樣放置在同一平面上，則會造成無線通信的鏈路預算(linking budget)降低，導致信噪比(SNR,signal to noise ratio)下降，進而使得無線通信距離變短的現象。

總上所述，需要一種可以在同一平面上有效進行無線通信的通信裝置以及其天線設計，以在上述情境下獲得較佳的通信效果。

在本發明一實施例中，提供一種通信裝置，其包含：一殼體以及一端射式通信天線模組。該殼體包含至少一支持面，該支持面用於支持該殼體放置在一基準平面上。該端射式通信天線模組位於該殼體的表面，用於傳送或接收電磁波，該電磁波包含垂直於該基準平面的垂直極化場型。

在本發明另一實施例中，提供一種通信系統，包含放置在一基準平面上的一第一通信裝置與一第二通信裝置。該第一通信裝置包含一第一殼體以及一第一端射式通信天線模組。該第一殼體包含至少一第一支持面，該第一支持面用於支持該第一殼體放置在該基準平面上。該第一端射式通信天線模組，位於該第一殼體的表面，用於傳送或接收電磁波，該電磁波具有垂直於該基準平面的垂直極化場型。該第二通信裝置包含一第二殼體以及一第二端射式通信天線模組。該第二殼體包含至少一第二支持面，該第二支持面用於支持該第二殼體放置在該基準平面上。第二端射式通信天線模組，位於該第二殼體的表面，用於傳送或接收電磁波至該第一端射式通信天線模組，該電磁波具有垂直於該基準平面的垂直極化場型。

100‧‧‧無線通信系統

110‧‧‧平面、基準平面

120‧‧‧通信裝置

120A‧‧‧通信裝置

120B‧‧‧通信裝置

300‧‧‧端射式通信天線模組

310‧‧‧天線指向器

310A‧‧‧天線指向器

310B‧‧‧天線指向器

320‧‧‧貫孔

330‧‧‧天線

330A‧‧‧第一天線

330B‧‧‧第二天線

330C‧‧‧第三天線

330D‧‧‧第四天線

340A‧‧‧第一介質基板

340B‧‧‧第二介質基板

350A‧‧‧第一金屬層

350B‧‧‧第二金屬層

410‧‧‧操控面

420‧‧‧支持面

425‧‧‧支撐元件

430‧‧‧側面

430A~D‧‧‧側面

440‧‧‧顯示螢幕或觸控螢幕

第一圖為根據本發明一實施例的無線通信系統100的一示意圖。

第二A圖為第一圖所示之無線通信系統100在空氣中的輻射場型之一示意圖。

第二B圖為第一圖所示之無線通信系統100放置在平面110上的輻射場型之一示意圖。

第二C圖為兩個通信裝置120A與120B的多重傳播路徑之一示意圖。

第三A圖與第三B圖為根據本發明一實施例的一端射式通信天線模組300之示意圖。

第四圖為根據本發明一實施例的通信裝置120之一示意圖。

本發明將詳細描述一些實施例如下。然而，除了所揭露的實施例外，本發明的範圍並不受該些實施例的限定，乃以其後的申請專利範圍為準。而為了提供更清楚的描述及使該項技藝的普通人員能理解本發明的發明內容，圖示內各部分並沒有依照其相對的尺寸進行繪圖，某些尺寸或其他相關尺度的比例可能被凸顯出來而顯得誇張，且不相關的細節部分並沒有完全繪出，以求圖示的簡潔。

請參考第一圖所示，其為根據本發明一實施例的無線通信系統100的一示意圖。該無線通信系統100包含放置在一平面110上的兩個通信裝置120A與120B。這兩個通信裝置120A與120B各自包含至少一端射式通信天線模組，用於發射與/或接收電磁波。在某些實施例中，上述的電磁波波段包含毫米波波段，且該平面110的長寬皆大於10個波長。

雖然在第一圖當中，這兩個通信裝置120A與120B的端射式通信天線模組是互相對應，但此項技藝的普通技術人員可以理解到，本發明並不限定要兩個端射式通信天線模組彼此對齊。在某些實施例中，上述的端射式通信天線模組可以是多輸入多輸出(MIMO,multiple input multiple output)天線陣列，可以調整其增益最大的角度，以在某一範圍內對準對方的天線。

請參考第二A圖所示，其為第一圖所示之無線通信系統100在空氣中的輻射場型之一示意圖。由於兩個通信裝置120A與120B的端射式通信天線模組未放在該平面110之上，所以其水平極化與垂直極化的輻射場型都未被該平面110所影響。

請參考第二B圖所示，其為第一圖所示之無線通信系統100放置在平面110上的輻射場型之一示意圖。具有垂直極化的輻射場型在平面110上形成一極大值(maximum)，而具有水平極化的輻射場型在平面110上形成一極小值或空值。可以見到，水平極化的輻射場型之增益方向和平面110呈一上仰角。因此，兩個通信裝置120A與120B若透過水平極化的輻射場型進行無線通信的話，則會有鏈路預算降低、信噪比下降、以及無線通信距離變短的現象。相對地，具有垂直極化的端射式通信天線在此情境下，仍然維持原來的輻射場型，所以其鏈路預算不受到影響。除此之外，在第二B圖所示的實施例當中，端射式通信天線模組與該平面110的垂直距離小於一個波長。

請參考第二C圖所示，其為兩個通信裝置120A與120B的多重傳播路徑之一示意圖。和第二B圖所示實施例相同，端射式通信天線模組 的一基點與該平面110的垂直距離或最短距離小於一個波長。在這個情況下，兩者之間的直視波(LoS,line of sight)與非直視波(NLoS,non-line of sight)，例如一次反射波(first order reflective wave)所經過的傳播路徑非常接近。當其輻射場型為垂直極化時，可以使得直視波的入射波與非直視波的反射波接近相同相位，因此可以在接收端產生建設性干涉或相加性干涉，而不會產生相減性干涉。綜合上述兩項優點，具有垂直極化的端射天線之通信品質比起具有水平極化的端射天線，更適合在基準平面上使用。

在一實施例中，上述的端射式通信天線模組的型式包含下列其中之一或其任意組合：基板整合波導(SIW,substrate integrated waveguide)天線、單極(monopole)天線、雙極(dipole)天線、環形(loop)天線、以及微帶(microstrip)天線。本發明並不限定端射式通信天線模組的型式，只要它具有垂直極化的輻射場型即可。上述的基板整合波導天線可以置於印刷電路板(PCB,printed circuit board)上，不但成本較低，而且可以解決基板整合波導天線在有限的寬度下不易實現端射天線輻射特性的問題。

請參考第三A圖與第三B圖所示，其為根據本發明一實施例的一端射式通信天線模組300之示意圖。該端射式通信天線模組300包含相疊的一第一介質基板340A與一第二介質基板340B，在第一介質基板340A的上方與第二介質基板340B的下方分別為一第一金屬層350A與一第二金屬層350B。換言之，此兩個金屬層350A與350B分別位於兩個基板340A與340B的外面。

在第一金屬層350A上，包含有複數個天線指向器310A與310B。在一實施例中，天線指向器310A與310B分別用於接收與發射電磁 波。在另一實施例中，可以包含有四個天線指向器，其中兩個用於接收電磁波，另外兩個用於發射電磁波。本發明並不限定有多少個天線指向器。

在第一金屬層350A的邊緣，包含有複數個天線330A至330D。在第三A圖與第三B圖所示的實施例中，第一天線330A與第二天線330B相應於天線指向器310A，第三天線330C與第四天線330D相應於天線指向器310B。當天線指向器310A用於發射電磁波時，可以透過第一天線330A與第二天線330B將電磁波發射出去。當天線指向器310B用於接收電磁波時，可以透過第三天線330C與第四天線330D接收電磁波。

位在天線指向器310與天線330之間的結構是複數個貫孔320。這些貫孔320貫穿了上述的第一基板340A與第二基板340B。使得電磁波能夠在天線指向器310與天線330之間傳導。端射式通信天線模組300為一種多輸入多輸出天線，其輻射場型為平行於貫孔方向的垂直極化方向，自天線330A至330D的基點向外延伸。

請參考第四圖所示，其為根據本發明一實施例的通信裝置120之一示意圖。此通信裝置120包含一殼體，該殼體包含一操控面410與相對於該操控面410的一支持面420。在支持面420用於支持該通信裝置120於上述的平面110。該操控面410大致上可以是一第一多邊形，例如第四圖所示的矩形，其中可以包含一顯示螢幕或觸控螢幕440。相對於該操控面410的支持面420大致上可以是一第二多邊形，例如第四圖所示的矩形。

該支持面420可以包含至少一支撐元件425，使得該殼體藉由該至少一支撐元件425置放在該基準平面上。本發明並不限定是否一定包含支撐元件425，也不限定支撐元件425的個數、大小、形狀、與安裝在支持 面420的位置。在一實施例中，該支持面420平行於該基準平面110。但在另一實施例中，由於支撐元件425的關係，該支持面420可以不平行於該基準平面110。

上述的第一多邊形可以等於第二多邊形，但本發明並不限定兩者必須相等或相似，本發明也不限定多邊形的邊數，甚至於本發明不限定上述之操控面410與420的形狀。在一實施例中，操控面410與420可以分別為圓形、橢圓形或其他形狀。在另一實施例中，上述的操控面410僅是因為方便而命名，該通信裝置120未必具有任何的人機介面，操控面410也無須具有任何的人機介面。

在一實施例中，第一多邊形與該第二多邊形具有相同個數的邊。該支持面與該操控面的面積相同。在一實施例中，該殼體更包含多個側面430，每一個該側面430分別連接該第一多邊形與該第二多邊形相應的邊，其中至少一個該側面垂直於該支持面。該端射式通信天線模組300位於該多個側面430的至少一個側面430A之表面。該端射式通信天線模組300所發出電磁波的一基點與該平面的最短距離d小於該電磁波的波長，其中輻射出的電磁波主要電場具有垂直於該支持面的垂直極化場型，垂直的定義包含：90度；以及與90度相差一誤差角的角度，該誤差角小於45度。

該通信裝置120可以是但不限於下列其中之一：手機、平板電腦、筆記型電腦、滑鼠、以及鍵盤。

120‧‧‧通信裝置

300‧‧‧端射式通信天線模組

340A‧‧‧第一介質基板

340B‧‧‧第二介質基板

410‧‧‧操控面

420‧‧‧支持面

425‧‧‧支撐元件

430‧‧‧側面

430A~D‧‧‧側面

440‧‧‧顯示螢幕或觸控螢幕

Claims (18)

1. 一種通信裝置，包含：一殼體，該殼體包含至少一支持面，該支持面用於支持該殼體放置在一基準平面上；以及一端射式通信天線模組，位於該殼體的表面，用於傳送或接收電磁波，該電磁波包含垂直於該基準平面的垂直極化場型。
2. 如申請專利範圍第1項的通信裝置，其中該電磁波波段包含毫米波波段。
3. 如申請專利範圍第1項的通信裝置，其中該端射式通信天線模組所發出電磁波的一基點與該基準平面的最短距離小於該電磁波的波長。
4. 如申請專利範圍第1項的通信裝置，其中該端射式通信天線模組的型式包含下列其中之一或其任意組合：基板整合波導(SIW,substrate integrated waveguide)天線；單極(monopole)天線；雙極(dipole)天線；環形(loop)天線；以及微帶(microstrip)天線。
5. 如申請專利範圍第1項的通信裝置，其中該端射式通信天線模組為多輸入多輸出(MIMO,multiple input multiple output)天線。
6. 如申請專利範圍第1項的通信裝置，其中該端射式通信天線模組的型式為包含一第一基板與一第二基板的基板整合波導天線，包含複數個傳送天線與複數個接收天線。
7. 如申請專利範圍第1項的通信裝置，其中該支持面為一第一多邊形，該殼體更包含相對於於該支持面的一操控面，該操控面包含至少一人機介面。
8. 如申請專利範圍第7項的通信裝置，其中該操控面為形狀相應於該第一多邊形的一第二多邊形，該殼體更包含多個側面，每一個該側面分別連接該第一多邊形與該第二多邊形相應的邊。
9. 如申請專利範圍第8項的通信裝置，其中該端射式通信天線模組位於該多個側面的至少一個側面之表面。
10. 如申請專利範圍第8項的通信裝置，其中至少一個該側面垂直於該支持面。
11. 如申請專利範圍第8項的通信裝置，其中該第一多邊形與該第二多邊形具有相同個數的邊。
12. 如申請專利範圍第7項的通信裝置，其中該支持面與該操控面的面積相 同。
13. 如申請專利範圍第7項的通信裝置，其中該端射式通信天線模組所發出電磁波的一基點與該平面的最短距離小於該電磁波的波長。
14. 如申請專利範圍第1項的通信裝置，其中該支持面平行於該基準平面。
15. 如申請專利範圍第1項的通信裝置，其中該支持面更包含至少一支撐元件，使得該殼體藉由該至少一支撐元件置放在該基準平面上。
16. 如申請專利範圍第1項的通信裝置，其中輻射出的電磁波主要電場具有垂直於該支持面的垂直極化場型，垂直的定義包含：90度；以及與90度相差一誤差角的角度，該誤差角小於45度。
17. 如申請專利範圍第1項的通信裝置，其中該通信裝置為下列其中之一：手機；平板電腦；筆記型電腦滑鼠；以及鍵盤。
18. 一種通信系統，包含：放置在一基準平面上的一第一通信裝置，該第一通信裝置包含：一第一殼體，該第一殼體包含至少一第一支持面，該第一支持面用於支持該第一殼體放置在該基準平面上；以及一第一端射式通信天線模組，位於該第一殼體的表面，用於傳送或接收電磁波，該電磁波具有垂直於該基準平面的垂直極化場型；以及放置在該基準平面上的一第二通信裝置，該第二通信裝置包含：一第二殼體，該第二殼體包含至少一第二支持面，該第二支持面用於支持該第二殼體放置在該基準平面上；以及一第二端射式通信天線模組，位於該第二殼體的表面，用於傳送或接收電磁波至該第一端射式通信天線模組，該電磁波具有垂直於該基準平面的垂直極化場型。