TWI502813B

TWI502813B - 相位陣列式之智慧天線與其運作方法

Info

Publication number: TWI502813B
Application number: TW101125238A
Authority: TW
Inventors: Yen Chih Liu
Original assignee: Wistron Corp
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2015-10-01
Also published as: US20140018019A1; TW201403944A; CN103545613A; US9130280B2

Description

相位陣列式之智慧天線與其運作方法

本發明係關於一種天線架構與運作方式，特別關於一種利用相位控制使天線場型可具有變化之天線架構與運作方式。

傳統無線網路產品所使用的天線通常為單一個全向性的天線裝置，以達到360度的涵蓋範圍。如美國專利公告第7,724,718號之第1圖所示，其中存取點50的涵蓋範圍可以是如圖中虛線所示的360度。然而，由於全向性天線的增益並不高，無線通訊距離因而受限。另外一種常用的設計為於無線網路產品中採用數個指向性天線，並且藉由選擇不同的天線進行傳輸，以控制信號傳輸的方向。然而，由於同一時間僅單一天線被選擇，導致其餘的天線被閒置，而無法有效利用多天線的特性提高增益。

有鑑於此，需要一種全新的天線架構與運作方式，可有效利用多天線的特性提高增益。此外，藉由相位控制使天線場型可產生變化，使發射信號可具有方向性，用以進一步提高天線增益，並提升訊噪比，以對抗無線通訊系統中多重路徑衰退的現象，進而獲得穩定的信號品質。

根據本發明之一實施例，一種相位陣列式之智慧天線，用以傳遞具有一波長之一電波信號，包括第一天線、第二天線以及第三天線。第一天線、第二天線與第三天線形成一三角形，並且第一天線、第二天線與第三天線分別配置於三角形之三個頂點，並同時開啟以傳送電波信號。

根據本發明之另一實施例，一種相位陣列式之智慧天線之運作方法，其中智慧天線包括第一天線、第二天線與第三天線，用以傳遞具有一波長之電波信號，包括：藉由分別控制供應至第一天線之第一端點之第一電壓、供應至第二天線之第二端點之第二電壓以及供應至第三天線之第三端點之第三電壓之電壓位準，以調整電波信號於第一天線之饋入點之第一相位、電波信號於第二天線之饋入點之第二相位以及電波信號於第三天線之饋入點之第三相位，其中第一天線、第二天線與第三天線形成一三角形，並且第一天線、第二天線與第三天線分別配置於三角形之三個頂點；以及同時開啟第一天線、第二天線與第三天線以傳送電波信號。

為使本發明之製造、操作方法、目標和優點能更明顯易懂，下文特舉幾個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

實施例：

第1圖係顯示根據本發明之一實施例所述之相位陣列式之智慧天線示意圖。智慧天線100包括三天線ANT1、ANT2與ANT3，其中天線ANT1、ANT2與ANT3可以是為全向性(omni-directional)天線。根據本發明之一實施例，天線ANT1、ANT2與ANT3可形成一三角形，並且三天線可分別被配置於三角形之三個頂點。

功率放大器110可耦接至三天線ANT1、ANT2與 ANT3，用以透過傳輸線將放大過的信號傳送至天線ANT1、ANT2與ANT3。根據本發明之一實施例，功率放大器110與各天線之間的傳輸線可設計為等長。亦即，功率放大器110與各天線之間的距離相等。此外，根據本發明之一實施例，智慧天線100可更包括控制電路130、140與150，其中控制電路130與天線ANT1耦接於端點N1、控制電路140與天線ANT2耦接於端點N2、控制電路150與天線ANT3耦接於端點N3。

各控制電路130、140與150可分別包括一PIN二極體(P-intrinsic-N diode，簡稱為PIN diode)(如圖所示之PIN二極體D1、D2與D3)，分別耦接於端點N1、N2與N3以及接地點之間。根據本發明之一實施例，智慧天線100可更包括處理器120，用以控制供應至端點N1、N2與N3之電壓V1、V2與V3之電壓位準。於本發明之實施例中，處理器120可以是一中央處理器、一微處理器、一數位信號處理器、或其它具備信號處理功能之裝置。值得注意的是，於本發明之其它實施例中，處理器120亦可不包含於智慧天線100中，因此本發明並不限於以上所述之實施方式。

根據本發明之一實施例，天線ANT1、ANT2與ANT3以被配置於正三角形之三個頂點為較佳。正三角形之邊長可設計為，其中n為一正整數，並且λ為欲發射之電波信號之波長。舉例而言，假設欲發射信號之頻率f為2.4GHz，則藉由關係式fλ=C可得到發射信號之波長，其中C代表光速(C=3×10⁸ )。此外，根據本發明之一實施例，天線ANT1、ANT2與ANT3可同時被開啟以傳送放大過的信號，以獲得較佳的天線增益。

第2圖係顯示根據本發明之一實施例所述之天線示意圖。圖中的箭頭表示出信號傳送的方向，而信號饋入天線200之端點IN稱為饋入點(feeding point)。根據本發明之概念，藉由分別控制電壓V1、V2與V3之電壓位準，以調整放大過的信號於各天線之饋入點之相位，使得三天線之發射信號可具有方向性，並且最終三天線所發射之信號能量可相加，並沿著同一方向被傳送出去。以下段落針對本發明所提出之智慧天線之操作方法作更詳細的介紹。

第3圖係顯示根據本發明之一實施例所述之天線配置圖。於此實施例中，天線ANT1、ANT2與ANT3被配置於正三角形之三個頂點，而三角形之邊長被設計為，因此可得到三角形的高為。根據本發明之一實施例，當三角形之高被設計為時，其中i可為0或正整數，處理器120可藉由控制電壓V1、V2與V3之電壓位準分別調整電波信號於天線ANT1、ANT2與ANT3之饋入點之相位，使得電波信號於一天線之相位與電波信號於其它天線之相位相差180度。

如上述，由於功率放大器110被設計為與各天線之間的距離相等，因此當供應至PIN二極體D1、D2與D3之電壓V1、V2與V3相等時，傳遞至三組天線之饋入點之電波信號將不具有相位差。假設5V電壓差會產生180度的相位變化，則為了使電波信號於天線ANT1之相位與電波信號於天線ANT2以及ANT3之相位相差180度，處理器120可藉由將電壓V1、V2與V3分別控制為0V、5V與5V，使得電波信號於天線ANT1之饋入點之相位為0度，並且於天線ANT2與ANT3之饋入點之相位為180度，圖中括號內的相位代表於此實施例中電波信號於天線之饋入點之相位。

如第3圖所示，由於三角形的高為，當電波信號自天線ANT2與ANT3傳遞到切線301時，會再產生180度之相位變化，其中切線301與天線ANT2與ANT3之邊長平行。因此，當由天線ANT2與ANT3所發射之電波信號抵達切線301時，將與由天線ANT1所發射之電波信號具有相同的相位，並且會如圖中的箭頭所示沿著同一方向向上輻射。

值得注意的是，本發明實施例中所舉之電壓與相位數值僅為相對數值，而非絕對數值。舉例而言，熟習此技藝者亦可藉由控制電壓V1、V2與V3之電壓位準，使得電波信號於天線ANT1之饋入點相位為90度，並且於天線ANT2與ANT3之饋入點相位為270度，同樣可達到讓天線ANT1、ANT2與ANT3所發射之電波信號沿著如第3圖所示之方向向上輻射的結果。因此，本發明並不限於實施例所舉之數值。

此外，值得注意的是，本發明所提出之控制電路並不限於由PIN二極體實施。舉例而言，控制電路亦可包含多條長度不同的傳輸線以及一開關裝置。藉由改變控制電壓 V1、V2與V3之電壓位準，以控制開關裝置的切換，使得電波信號的傳輸距離可被改變，藉此改變電波信號的相位。因此，本發明並不限於第1圖所示之電路。

第4圖係顯示根據本發明之另一實施例所述之天線配置圖。於此實施例中，天線ANT1、ANT2與ANT3同樣被配置於正三角形之三個頂點，而三角形之邊長被設計為，因此可得到三角形的高為。處理器120可藉由控制電壓V1、V2與V3之電壓位準分別調整電波信號於天線ANT1、ANT2與ANT3之饋入點之相位，使得電波信號於天線ANT2之饋入點之相位為0度，並且於天線ANT1與ANT3之饋入點之相位為180度。

如第4圖所示，由於三角形的高為，當電波信號自天線ANT1與ANT3傳遞到切線401時，會再產生180度之相位變化，其中切線401與天線ANT1與ANT3之邊長平行。因此，當由天線ANT1與ANT3所發射之電波信號抵達切線401時，將與由天線ANT2所發射之電波信號具有相同的相位，並且會如圖中的箭頭所示沿著同一方向往左下方輻射。

第5圖係顯示根據本發明之另一實施例所述之天線配置圖。於此實施例中，天線ANT1、ANT2與ANT3同樣被配置於正三角形之三個頂點，而三角形之邊長被設計為，因此可得到三角形的高為。處理器120可藉由控制電壓V1、V2與V3之電壓位準分別調整電波信號於天線ANT1、ANT2與ANT3之饋入點之相位，使得電波信號於天線ANT3之饋入點之相位為0度，並且於天線ANT1與ANT2之饋入點之相位為180度。

如第5圖所示，由於三角形的高為，當電波信號自天線ANT1與ANT2傳遞到切線501時，會再產生180度之相位變化，其中切線501與天線ANT1與ANT2之邊長平行。因此，當由天線ANT1與ANT2所發射之電波信號抵達切線501時，將與由天線ANT3所發射之電波信號具有相同的相位，並且會如圖中的箭頭所示沿著同一方向往右下方輻射。

第6圖係顯示根據本發明之又另一實施例所述之天線配置圖。於此實施例中，天線ANT1、ANT2與ANT3同樣被配置於正三角形之三個頂點，而三角形之邊長被設計為，因此可得到三角形的高為。根據本發明之實施例，當三角形之高被設計為時，其中i可為0或正整數，處理器120可藉由控制電壓V1、V2與V3之電壓位準分別調整電波信號於天線ANT1、ANT2與ANT3之饋入點之相位，使得電波信號於一天線之相位與電波信號於其它天線之相位相差90度。如第6圖所示，電波信號於天線ANT1之饋入點之相位為90度，並且於天線ANT2與ANT3之饋入點之相位為0度。

由於三角形的高為，當電波信號自天線ANT2與ANT3傳遞到切線601時，會再產生90度之相位變化，其中切線601與天線ANT2與ANT3之邊長平行。因此，當由天線ANT2與ANT3所發射之電波信號抵達切線601時，將與由天線ANT1所發射之電波信號具有相同的相位，並且會如圖中的箭頭所示沿著同一方向向上輻射。

第7圖係顯示根據本發明之又另一實施例所述之天線配置圖。於此實施例中，天線ANT1、ANT2與ANT3同樣被配置於正三角形之三個頂點，而三角形之邊長被設計為，因此可得到三角形的高為。根據本發明之實施例，當三角形之高被設計為時，其中i可為0或正整數，處理器120可藉由控制電壓V1、V2與V3之電壓位準分別調整電波信號於天線ANT1、ANT2與ANT3之饋入點之相位，使得電波信號於一天線之相位與電波信號於其它天線之相位相差45度。如第7圖所示，電波信號於天線ANT1之饋入點之相位為45度，並且於天線ANT2與ANT3之饋入點之相位為0度。

由於三角形的高為，當電波信號自天線ANT2與ANT3傳遞到切線701時，會再產生45度之相位變化，其中切線701與天線ANT2與ANT3之邊長平行。因此，當由天線ANT2與ANT3所發射之電波信號抵達切線701時，將與由天線ANT1所發射之電波信號具有相同的相位，並且會如圖中的箭頭所示沿著同一方向向上輻射。

第8圖係顯示根據本發明之一實施例所述之相位陣列式之智慧天線之運作方法流程圖。於本發明之實施例中，智慧天線包括三天線，用以傳送電波信號，並且三天線以配置成正三角形為較佳。首先，藉由分別控制供應至三天線之電壓位準，以分別調整電波信號於三天線之一饋入點之相位(步驟S802)。接著，同時開啟三天線以傳送電波信號(步驟S804)。如上述，藉由調整電波信號於三天線之一饋入點之相位，使得天線場型可具有變化。如此一來，可彈性控制電波信號的輻射方向。

此外，所述之智慧天線可應用於無線網路產品，例如無線區域網路(Wireless Local Network，簡稱WLAN)之存取點(Access Point，簡稱為AP)或路由器(router)等裝置。當無線網路產品偵測到一遠端裝置於某一特定方位的信號強度最強時，可藉由以上操作方法操作智慧天線，用以控制電波信號的朝著該方向輻射。此外，由於三隻天線同時被開啟，天線增益可被加乘，進而提升訊噪比，以對抗無線通訊系統中多重路徑衰退的現象，且信號傳輸距離也可被增加，進而獲得較佳的信號品質。

本發明之上述實施例能夠以多種方式執行，例如使用硬體、軟體或其結合來執行。熟悉此項技藝者應了解執行上述功能之任何組件或組件之集合可被視為一個或多個控制上述功能之處理器。此一個或多個處理器可以多種方式執行，例如藉由指定硬體，或使用微碼或軟體來編程之通用硬體來執行上述功能。

申請專利範圍中用以修飾元件之“第一”、“第二”、“第三”等序數詞之使用本身未暗示任何優先權、優先次序、各元件之間之先後次序、或方法所執行之步驟之次序，而僅用作標識來區分具有相同名稱(具有不同序數詞)不同元件。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧智慧天線

110‧‧‧功率放大器

120‧‧‧處理器

130、140、150‧‧‧控制電路

200、ANT1、ANT2、ANT3‧‧‧天線

301、401、501、601、701‧‧‧切線

D1、D2、D3‧‧‧PIN二極體

IN、N1、N2、N3‧‧‧端點

V1、V2、V3‧‧‧電壓

第1圖係顯示根據本發明之一實施例所述之相位陣列式之智慧天線示意圖。

第2圖係顯示根據本發明之一實施例所述之天線示意圖。

第3圖係顯示根據本發明之一實施例所述之天線配置圖。

第4圖係顯示根據本發明之另一實施例所述之天線配置圖。

第5圖係顯示根據本發明之另一實施例所述之天線配置圖。

第6圖係顯示根據本發明之又另一實施例所述之天線配置圖。

第7圖係顯示根據本發明之又另一實施例所述之天線配置圖。

第8圖係顯示根據本發明之一實施例所述之相位陣列式之智慧天線之運作方法流程圖。

100‧‧‧智慧天線

110‧‧‧功率放大器

120‧‧‧處理器

130、140、150‧‧‧控制電路

ANT1、ANT2、ANT3‧‧‧天線

D1、D2、D3‧‧‧PIN二極體

N1、N2、N3‧‧‧端點

V1、V2、V3‧‧‧電壓

Claims

一種相位陣列式之智慧天線，用以傳遞具有一波長之一電波信號，包括：一第一天線；一第二天線；一第三天線；一第一控制電路，與該第一天線耦接於一第一端點；一第二控制電路，與該第二天線耦接於一第二端點；一第三控制電路，與該第三天線耦接於一第三端點；以及一處理器，用以分別控制供應至該第一端點之一第一電壓、供應至該第二端點之一第二電壓以及供應至該第三端點之一第三電壓之電壓位準，其中該第一天線、該第二天線與該第三天線形成一三角形，並且該第一天線、該第二天線與該第三天線分別配置於該三角形之三個頂點，並同時開啟以傳送該電波信號；其中當該三角形之一高為時，其中λ 為該電波信號之該波長，並且i為非負之一整數，該處理器藉由控制該第一電壓、該第二電壓與該第三電壓之電壓位準調整該電波信號於該第一天線之一饋入點之一第一相位、該電波信號於該第二天線之一饋入點之一第二相位以及該電波信號於該第三天線之一饋入點之一第三相位，使得該第一相位分別與該第二相位以及該第三相位相差180度。
如申請專利範圍第1項所述之智慧天線，其中該第一天線、該第二天線與該第三天線為全向性天線。
如申請專利範圍第1項所述之智慧天線，其中該三角形為一等邊三角形。
如申請專利範圍第3項所述之智慧天線，其中該三角形之一邊長為，其中n為一正整數，並且λ 為該電波信號之該波長。
如申請專利範圍第1項所述之智慧天線，其中該第一控制電路、該第二控制電路與該第三控制電路分別包括一PIN二極體，該第一控制電路之該PIN二極體耦接於該第一端點與一接地點之間，該第二控制電路之該PIN二極體耦接於該第二端點與該接地點之間，並且該第三控制電路之該PIN二極體耦接於該第三端點與該接地點之間。
如申請專利範圍第1項所述之智慧天線，其中當該三角形之一高為時，其中λ 為該電波信號之該波長，並且i為非負之一整數，該處理器藉由控制該第一電壓、該第二電壓與該第三電壓之電壓位準調整該電波信號於該第一天線之一饋入點之一第一相位、該電波信號於該第二天線之一饋入點之一第二相位以及該電波信號於該第三天線之一饋入點之一第三相位，使得該第一相位分別與該第二相位以及該第三相位相差90度。
如申請專利範圍第1項所述之智慧天線，其中當該三角形之一高為時，其中λ 為該電波信號之該波長，並且i為非負之一整數，該處理器藉由控制該第一電壓、該第二電壓與該第三電壓之電壓位準調整該電波信號於該第一天線之一饋入點之一第一相位、該電波信號於該第二天線之一饋入點之一第二相位以及該電波信號於該第三天線之一饋入點之一第三相位，使得該第一相位分別與該第二相位以及該第三相位相差45度。
一種相位陣列式之智慧天線之運作方法，其中該智慧天線包括一第一天線、一第二天線與一第三天線，用以傳遞具有一波長之一電波信號，該方法包括：藉由分別控制供應至該第一天線之一第一端點之一第一電壓、供應至該第二天線之一第二端點之一第二電壓以及供應至該第三天線之一第三端點之一第三電壓之電壓位準，以調整該電波信號於該第一天線之一饋入點之一第一相位、該電波信號於該第二天線之一饋入點之一第二相位以及該電波信號於該第三天線之一饋入點之一第三相位，其中該第一天線、該第二天線與該第三天線形成一三角形，並且該第一天線、該第二天線與該第三天線分別配置於該三角形之三個頂點；以及同時開啟該第一天線、該第二天線與該第三天線以傳送該電波信號，其中該三角形為一等邊三角形，其中該三角形之一邊長為，其中n為一正整數，並且λ 為該電波信號之該波長。
如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該第一天線、該第二天線與該第三天線為全向性天線。
如申請專利範圍第8項所述之方法，其中當該三角形之一高為時，其中λ 為該電波信號之該波長，並且 i為非負之一整數，藉由分別控制該第一電壓、該第二電壓與該第三電壓之電壓位準，以調整該第一相位、該第二相位與該第三相位，使得該第一相位分別與該第二相位以及該第三相位相差180度。
如申請專利範圍第8項所述之方法，其中當該三角形之一高為時，其中λ 為該電波信號之該波長，並且i為非負之一整數，藉由分別控制該第一電壓、該第二電壓與該第三電壓之電壓位準，以調整該第一相位、該第二相位與該第三相位，使得該第一相位分別與該第二相位以及該第三相位相差90度。
如申請專利範圍第8項所述之方法，其中當該三角形之一高為時，其中λ 為該電波信號之該波長，並且i為非負之一整數，藉由分別控制該第一電壓、該第二電壓與該第三電壓之電壓位準，以調整該第一相位、該第二相位與該第三相位，使得該第一相位分別與該第二相位以及該第三相位相差45度。