TWI662744B - 可控天線單元及電子裝置的天線模組 - Google Patents

Abstract

一種可控天線單元，包括接地面、高頻反射器、低頻反射器、單極天線與耦合輻射體。高頻反射器具有反射臂、第一二極體、延伸部與第一電容。反射臂經由第一二極體連接接地面邊緣，延伸部連接反射臂且經由第一電容連接接地面邊緣。低頻反射器具有反射環、第二二極體與第二電容。第二二極體與第二電容電性並聯於反射環與接地面邊緣之間，且第二二極體比第二電容更靠近第一電容，第一電容比第一二極體更靠近第二二極體。單極天線位於高頻反射器與低頻反射器之間，且其靠近接地面邊緣的一端為饋入端。耦合輻射體位於單極天線與低頻反射器之間，耦合輻射體的接地部比單極天線的饋入端更靠近第二二極體。可控天線單元的輻射場型具有可控制的優點。

Description

可控天線單元及電子裝置的天線模組

本發明有關於一種無線電子裝置，且特別是一種可控天線單元及電子裝置的天線模組。

天線的輻射場型依據天線基本工作原理而有所差異，例如偶極天線(dipole antenna)能夠產生全向性(omnidirectional)的輻射場型，平板天線(patch antenna)能夠產生側向(broadside)的輻射場型。各種輻射場型有不同的應用，例如，全向性的輻射場型適用於終端裝置，以讓終端裝置可以接收到各方向的無線訊號。相對而言，基地台天線，如無線網路接取器(wireless access point)的天線，則可能需要能夠產生特定方向的輻射場型，以與位於各種特定位置的終端裝置能更進行無線通訊。傳統上，可使用多個天線，且基於波束形成(Beamforming)技術，可實現特定的波束形狀，以達成輻射場型調整的目的。然而，波束形成(Beamforming)技術需要複雜的演算法及控制電路，會相對增加產品的成本。故，一般為了節省成本，可針對無線電子裝置所應用的情況，而對應設計具有特定輻射場型的天線。但是，此種針對特定應用需求而設計的天線並無法用於其他不同的使用需求。

為了解決前述的先前技術問題，本發明實施例提供一種可控天線單元與電子裝置的天線模組。

本發明實施例提供一種可控天線單元，包括接地面、高頻反射器、低頻反射器、單極天線與耦合輻射體。接地面具有接地面邊緣。高頻反射器具有反射臂、第一二極體、延伸部與第一電容，其中反射臂的至少一部份垂直於接地面邊緣，反射臂連接第一二極體的陽極，第一二極體的陰極連接接地面邊緣，延伸部的第一端連接第一二極體的陽極，延伸部的第二端經由第一電容連接接地面邊緣。低頻反射器具有反射環、第二二極體與第二電容，第二二極體與第二電容電性並聯於反射環與接地面邊緣之間，其中第二二極體的陽極連接反射環，第二二極體的陰極連接接地面邊緣，且第二二極體比第二電容更靠近第一電容，第一電容比第一二極體更靠近第二二極體。單極天線位於高頻反射器與低頻反射器之間，單極天線靠近接地面邊緣的一端為饋入端，其中饋入端的位置是位於第一電容與第二二極體之間。耦合輻射體位於單極天線與低頻反射器之間，具有接地部，接地部連接接地面邊緣，接地部比饋入端更靠近第二二極體，其中耦合輻射體的操作頻率是低於單極天線的操作頻率。

本發明實施例提供一種電子裝置的天線模組，用於一電子裝置，天線模組包括至少一個如前述的可控天線單元、應用單元、控制單元以及處理單元。應用單元連接電子裝置的無線晶片，由無線晶片接收可控天線單元的接收信號強度指示或接收資料率，應用單元具有演算法處理程序。控制單元連接高頻反射器的第一二極體與低頻反射器的第二二極體，用以提供第一直流 電壓至第一二極體，且用以提供第二直流電壓至第二二極體。處理單元連接應用單元與控制單元，處理單元受控於應用單元，依據可控天線單元的接收信號強度指示或接收資料率，配合演算法處理程序，以決定控制單元是否導通第一二極體與第二二極體，以控制可控天線單元的輻射場型。

綜上所述，本發明實施例提供一種可控天線單元及電子裝置的天線模組，利用電容以及配合可控二極體的開關(導通或不導通)狀態實現雙頻的反射器，具有很高的產業應用價值。並且，藉由在無線晶片外部的應用單元實現多天線系統的演算法以取代傳統上僅靠無線晶片分析訊號強度的方式，提高了具有天線模組的電子裝置其無線資料傳輸的速率。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅是用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

11、311‧‧‧接地面

111‧‧‧接地面邊緣

12、312‧‧‧高頻反射器

13、313‧‧‧低頻反射器

14、314‧‧‧單極天線

15、315‧‧‧耦合輻射體

121‧‧‧反射臂

122‧‧‧延伸部

122a‧‧‧延伸部的第一端

122b‧‧‧延伸部的第二端

131‧‧‧反射環

151‧‧‧接地部

D1‧‧‧第一二極體

C1‧‧‧第一電容

D2‧‧‧第二二極體

C2‧‧‧第二電容

141‧‧‧饋入端

142‧‧‧第一彎折部

152‧‧‧第二彎折部

200‧‧‧基板

P1、P2、P4、P5‧‧‧表面黏著元件

P3‧‧‧同軸電纜線

X、Y、Z‧‧‧軸

201、202、31‧‧‧可控天線單元

A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4‧‧‧輻射場型

D3‧‧‧第三二極體

32‧‧‧應用單元

33‧‧‧控制單元

34‧‧‧處理單元

4‧‧‧無線晶片

圖1是本發明實施例提供的可控天線單元的架構示意圖。

圖2是圖1的可控天線單元在實際應用的結構圖。

圖3是本發明實施例提供的可控天線單元設置於電子裝置的示意圖。

圖4A是本發明實施例提供的可控天線單元其操作在2.44GHz的X-Z平面輻射場型圖。

圖4B是本發明實施例提供的可控天線單元其操作在 2.44GHz的X-Y平面輻射場型圖。

圖5A是本發明實施例提供的可控天線單元其操作在5.4GHz的X-Z平面輻射場型圖。

圖5B是本發明實施例提供的可控天線單元其操作在5.4GHz的X-Y平面輻射場型圖。

圖6是本發明另一實施例提供的可控天線單元的架構示意圖。

圖7是本發明另一實施例提供的電子裝置的天線模組及無線晶片的功能方塊圖。

本實施例提供一種可控天線單元，請參照圖1，可控天線單元包括接地面11、高頻反射器12、低頻反射器13、單極天線14與耦合輻射體15。接地面11具有接地面邊緣111。高頻反射器12具有反射臂121、第一二極體D1、延伸部122與第一電容C1，其中反射臂121的至少一部份垂直於接地面邊緣111，反射臂121連接第一二極體D1的陽極，第一二極體D1的陰極連接接地面邊緣111。延伸部122的第一端122a連接第一二極體D1的陽極，延伸部122的第二端122b經由第一電容C1連接接地面邊緣111。低頻反射器13具有反射環131、第二二極體D2與第二電容C2，第二二極體D2與第二電容C2電性並聯於反射環131與接地面邊緣111之間，其中第二二極體D2的陽極連接反射環131，第二二極體D2的陰極連接接地面邊緣111，且第二二極體D2比第二電容C2更靠近第一電容C1，第一電容C1比第一二極體D1更靠近第二二極體D2。單極天線14位 於高頻反射器12與低頻反射器13之間，單極天線14靠近接地面邊緣111的一端為饋入端141，其中饋入端141的位置是位於第一電容C1與第二二極體D2之間，圖1中的單極天線14的形狀僅是用以示範性說明，本發明並不因此限定單極天線14的形狀。耦合輻射體15位於單極天線14與低頻反射器13之間，耦合輻射體15具有接地部151，接地部151連接接地面邊緣111，接地部151比饋入端141更靠近第二二極體D2，其中耦合輻射體15的操作頻率是低於單極天線14的操作頻率，並且圖1中的耦合輻射體15的形狀僅是用以示範性說明，本發明並不因此限定耦合輻射體15的形狀。

詳細的說，第二二極體D2的位置位於第一電容C1與第二電容C2之間，第一電容C1的位置位於第一二極體D1與第二二極體D2之間。饋入端141的位置是位於第一電容C1與第二二極體D2之間。接地部151的位置是位於第二二極體D2與饋入端141之間。換句話說，第一二極體D1、第一電容C1、饋入端141、接地部151、第二二極體D2與第二電容C2沿著接地面邊緣111的排列依序是第一二極體D1、第一電容C1、饋入端141、接地部151、第二二極體D2與第二電容C2(例如圖中是由右到左依序排列，相對地以對稱的設計可以反過來以由左到右排列)。饋入端141通常用於連接同軸電纜線的中心導線，同軸電纜線的外層導體則連接接地面邊緣111，同軸電纜線的饋入方式是習知技術，不做贅述。

接下來說明反射功能，在高頻反射器12方面，第一電容C1以射頻信號而言是使延伸部122為短路至接地11的狀態，當第一二極體D1導通時，利用第一二極體D1短路至接地面11的反射臂121的長度較佳的是等效於單極天線14的操作頻率所對應的波 長的四分之一，使得反射臂121反射單極天線14的電磁波；反之，當第一二極體D1不導通時，延伸部122延長反射臂121的接地路徑以使高頻反射器12不反射單極天線14的電磁波。在低頻反射器13方面，反射環131的環周長度較佳的是等效於耦合輻射體15的操作頻率所對應的波長的二分之一。並且，以射頻信號而言，反射環131總是經由第二電容C2短路至接地面11，當第二二極體D2不導通時，反射環131經由第二電容C2短路至接地面11以反射耦合輻射體15的電磁波；反之，當第二二極體D2導通時，反射環131是經由第二二極體D2與第二電容C2短路至接地面11，以不反射耦合輻射體15的電磁波。較佳的，延伸部122平行於接地面邊緣111，且較佳的是延伸部122的第一端122a可直接連接反射臂121。延伸部122用以延長接地路徑之用，延伸部122可以不完全平行於接地面邊緣111，也可以具有彎折(或多處彎折)。

再者，反射環131的結構用以提升低頻反射器13以平行於接地面邊緣111方向的橫向反射集中程度，在圖1中的接地面邊緣111方向是平行於X軸，則反射環131用以提升朝X軸負向的反射集中程度。本發明實施例的反射環131的形狀較佳的是矩形環，但形狀不限於圓環、矩形環、多邊形環或三角環等。

基於圖1的架構，請參照圖2，圖2是圖1的可控天線單元在實際應用的結構圖。接地面11、高頻反射器12、低頻反射器13、單極天線14與耦合輻射體15可設置於基板200上，基板200例如是印刷電路板。反射臂121的至少一部分是垂直於接地面邊緣111。第一二極體D1以表面黏著元件P1實現，第一電容C1以表面黏著元件P2實現。饋入端141則以同軸電纜線P3完成信號饋入。以表 面黏著元件P4則是第二二極體D2，以表面黏著元件P5則是第二電容C2。控制第一二極體D1與第二二極體D2的導通狀態的直流導線可例如直接連接上述二極體的陽極與陰極，在圖2中省略了連接上述二極體的直流導線，導通二極體的方式是提供足夠的導通電壓，當電壓低於導通電壓時則二極體不導通。再者，在圖2中，單極天線14遠離接地面邊緣111的一端具有第一彎折部142，第一彎折部142是平行於接地面邊緣111。耦合輻射體15更具有第二彎折部152，接地部151遠離接地面邊緣111的一端連接第二彎折部152，第二彎折部152平行於接地面邊緣111，其中第二彎折部152比第一彎折部141更遠離接地面邊緣111，且第二彎折部152與第一彎折部141彼此相向延伸，且使第一彎折部141位於接地面邊緣111與第二彎折部151之間。

接著請參照圖3，圖3的電子裝置是筆記型電腦，具有兩個設置於其螢幕上方的可控天線單元201、202，可控天線單元201的工作原理請參照前述圖1實施例的說明，可控天線單元201與可控天線單元202是彼此對稱，輻射場型控制的功能也是彼此對稱。由於本發明的可控天線單元可以改善傳統天線的輻射場型容易受到接地面(例如圖3的電子裝置的螢幕及其相關電路板對於天線而言是接地)影響的問題，可達到更容易控制輻射場型的目的。以下將以設置在螢幕左側上緣的可控天線單元201的輻射場型作為說明，對於可控天線單元201，設定單極天線(14)的操作頻率為5GHz，且耦合輻射體(15)的操作頻率為2.44GHz。圖4A是在頻率為2.44GHz的X-Z平面輻射場型圖，輻射場型A1是高頻反射器(12)與低頻反射器(13)都不產生反射作用時的輻射場型，輻射場型A2 是低頻反射器(13)產生反射作用時的輻射場型。將輻射場型A2、A1相比，輻射場型A2顯示了低頻反射器(13)將輻射能量朝負X方向反射的效果，其中在低頻反射器(13)產生反射作用的情況，第二二極體(D2)為不導通狀態，第二電容(C2)的電容值例如是至少大於5pF。圖4B是在頻率為2.44GHz的X-Y平面輻射場型圖，輻射場型A3是高頻反射器(12)與低頻反射器(13)都不產生反射作用時的輻射場型，輻射場型A4是低頻反射器(13)產生反射作用時的輻射場型。將輻射場型A4、A3相比，輻射場型A4顯示了低頻反射器(13)將輻射能量朝負X方向反射的效果。接著，圖5A是在頻率為5.4GHz的X-Z平面輻射場型圖，輻射場型B1是高頻反射器(12)與低頻反射器(13)都不產生反射作用時的輻射場型，輻射場型B2是高頻反射器(12)產生反射作用時的輻射場型。將輻射場型B2、B1相比，輻射場型B2顯示了高頻反射器(12)將輻射能量朝正X方向反射的效果，其中在高頻反射器(12)產生反射作用的情況，第一二極體(D1)為導通狀態。圖5B是在頻率為5.4GHz的X-Y平面輻射場型圖，輻射場型B3是高頻反射器12與低頻反射器13都不產生反射作用時的輻射場型，輻射場型B4是高頻反射器12產生反射作用時的輻射場型。將輻射場型B4、B3相比，輻射場型B4顯示了高頻反射器12將輻射能量朝正X方向反射的效果。

在另一實施例中，請參考圖6，基於圖1的架構，低頻反射器13更包括第三二極體D3，第三二極體D3與第二電容C2電性並聯，第三二極體D3的陽極連接反射環131，第三二極體D3的陰極連接接地面邊緣111，且第三二極體D3比第二電容C2更遠離第二二極體D2，其中第三二極體D3與第二二極體D2是同時被導通或 者是同時不導通。第三二極體D3可用於進一步提升低頻反射器13以平行於接地面邊緣111方向的橫向反射集中程度，也就是提升X軸負向的反射集中程度。

接著，本發明實施例更提供一種用於電子裝置的天線模組，所述天線模組包括至少一個前面實施例所述的可控天線單元、應用單元、控制單元以及處理單元。請參考圖7，圖7是電子裝置的天線模組及無線晶片的功能方塊圖。所述具有天線模組的電子裝置例如但不限於是筆記型電腦、膝上型電腦、平板電腦、一體電腦、智慧電視、小型基站、無線路由器或智慧型手機。在圖7中，用於電子裝置的天線模組包括兩個可控天線單元31、應用單元32、控制單元33以及處理單元34。可控天線單元31包括接地面311、高頻反射器312、低頻反射器313、單極天線314與耦合輻射體315，細節技術特徵請參照前面的實施例。應用單元32連接電子裝置的無線晶片4，由無線晶片4接收可控天線單元31的接收信號強度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)或接收資料率(data rate)，應用單元32具有演算法處理程序。控制單元33連接高頻反射器312的第一二極體(參照圖1實施例的第一二極體D1)與低頻反射器313的第二二極體(參照圖1實施例的第二二極體D2)，用以提供第一直流電壓至第一二極體，且用以提供第二直流電壓至第二二極體。控制單元33產生第一直流電壓與第二直流電壓，且受控於處理單元34以決定是否輸出第一直流電壓與第二直流電壓。控制單元33與處理單元34例如可用一個微處理器(MCU)實現。處理單元34連接應用單元32與控制單元33，處理單元34受控於應用單元32，依據可控天線單元31的接收信號強度指示或接收 資料率，配合演算法處理程序，以決定控制單元33是否導通第一二極體與第二二極體，以控制可控天線單元31的輻射場型。在本實施例中，應用單元32例如是一個運算平台(例如是個人電腦)，應用單元32的演算法處理程序是安裝於運算平台的作業系統的一個應用程式。

再者，一併參照圖6與圖7，低頻反射器313除了包括第二二極體D2，更可包括第三二極體D3，控制單元33連接低頻反射器313的第三二極體D3，用以提供第二直流電壓至第三二極體D3。控制單元33除了控制是否導通第一二極體D1與第二二極體D2，更控制是否導通第三二極體D3，以控制可控天線單元31的輻射場型。

以下接著說明天線模組應用於電子裝置時的應用例子，當可控天線單元的數量為複數個，應用單元32選擇複數個可控天線單元31之中具有接收信號強度指示最大者或是具有接收資料率最大者為指定天線，以指定無線晶片4選擇此指定天線作無線傳輸資料。更進一步，應用單元32選擇這些複數個可控天線單元31之中具有接收信號強度指示次大者或是具有接收資料率次大者為待命天線，並且在一個已設定好的傳輸週期指定無線晶片4選擇(先前已設定好的)指定天線作無線傳輸資料，並且更在此傳輸週期之中***至少一個測試區間段，並在此測試區間段利用待命天線作無線傳輸資料；其中，當無線晶片4在測試區間段所獲得的接收資料率大於在傳輸週期的接收資料率時，應用單元32將待命天線指定為更新後的指定天線。

綜上所述，本發明實施例所提供的可控天線單元及 電子裝置的天線模組，利用電容以及配合可控二極體的開關(導通或不導通)狀態實現雙頻的反射器，且使用反射環以提升平行於接地面邊緣方向的橫向反射集中程度，具有很高的產業應用價值。並且藉由在無線晶片外部的應用單元實現多天線系統的演算法以取代傳統上僅靠無線晶片分析訊號強度的方式，提高了具有天線模組的電子裝置其無線資料傳輸的速率。尤其，可應用於使用多個可控天線單元的電子裝置，以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

Claims (10)

1. 一種可控天線單元，包括：一接地面，具有一接地面邊緣；一高頻反射器，具有一反射臂、一第一二極體、一延伸部與一第一電容，其中該反射臂的至少一部份垂直於該接地面邊緣，該反射臂連接該第一二極體的一陽極，該第一二極體的一陰極連接該接地面邊緣，該延伸部的一第一端連接該第一二極體的該陽極，該延伸部的一第二端經由該第一電容連接該接地面邊緣；一低頻反射器，具有一反射環、一第二二極體與一第二電容，該第二二極體與該第二電容電性並聯於該反射環與該接地面邊緣之間，其中該第二二極體的一陽極連接該反射環，該第二二極體的一陰極連接該接地面邊緣，且該第二二極體比該第二電容更靠近該第一電容，該第一電容比該第一二極體更靠近該第二二極體；一單極天線，位於該高頻反射器與該低頻反射器之間，該單極天線靠近該接地面邊緣的一端為一饋入端，其中該饋入端的位置是位於該第一電容與該第二二極體之間；以及一耦合輻射體，位於該單極天線與該低頻反射器之間，具有一接地部，該接地部連接該接地面邊緣，該接地部比該饋入端更靠近該第二二極體，其中該耦合輻射體的操作頻率是低於該單極天線的操作頻率。
2. 根據請求項第1項所述之可控天線單元，其中當該第一二極體導通時，該反射臂反射該單極天線的電磁波；當該第一二極體不導通時，該延伸部延長該反射臂的接地路徑；其中當該第二二極體不導通時，該反射環經由該第二電容短路至該接地面以反射該 耦合輻射體的電磁波；當該第二二極體導通時，該反射環經由該第二二極體與該第二電容短路至該接地面。
3. 根據請求項第1項所述之可控天線單元，其中利用該第一二極體短路至該接地面的該反射臂的長度等效於該單極天線的操作頻率所對應的波長的四分之一，該反射環的環周長度等效於該耦合輻射體的操作頻率所對應的波長的二分之一。
4. 根據請求項第1項所述之可控天線單元，其中該反射環的結構用以提升該低頻反射器以平行於該接地面邊緣方向的橫向反射集中程度。
5. 根據請求項第1項所述之可控天線單元，其中該低頻反射器更包括一第三二極體，該第三二極體與該第二電容電性並聯，該第三二極體的一陽極連接該反射環，該第三二極體的一陰極連接該接地面邊緣，且該第三二極體比該第二電容更遠離該第二二極體，其中該第三二極體與該第二二極體是同時被導通或者是同時不導通。
6. 一種電子裝置的天線模組，用於一電子裝置，該天線模組包括：至少一如請求項第1項所述之可控天線單元；一應用單元，連接該電子裝置的一無線晶片，由該無線晶片接收該可控天線單元的接收信號強度指示或接收資料率，該應用單元具有一演算法處理程序；一控制單元，連接該高頻反射器的該第一二極體與該低頻反射器的該第二二極體，用以提供一第一直流電壓至該第一二極體，且用以提供一第二直流電壓至該第二二極體；以及 一處理單元，連接該應用單元與該控制單元，該處理單元受控於該應用單元，依據該可控天線單元的接收信號強度指示或接收資料率，配合該演算法處理程序，以決定該控制單元是否導通該第一二極體與該第二二極體，以控制該可控天線單元的輻射場型。
7. 根據請求項第6項所述之電子裝置的天線模組，其中當該第一二極體導通時，該反射臂反射該單極天線的電磁波；當該第一二極體不導通時，該延伸部延長該反射臂的接地路徑；其中當該第二二極體不導通時，該反射環經由該第二電容短路至該接地面以反射該耦合輻射體的電磁波；當該第二二極體導通時，該反射環經由該第二二極體與該第二電容短路至該接地面。
8. 根據請求項第6項所述之電子裝置的天線模組，其中利用該第一二極體短路至該接地面的該反射臂的長度等效於該單極天線的操作頻率所對應的波長的四分之一；其中該反射環的結構用以提升該低頻反射器以平行於該接地面邊緣方向的橫向反射集中程度，該反射環的環周長度等效於該耦合輻射體的操作頻率所對應的波長的二分之一。
9. 根據請求項第6項所述之電子裝置的天線模組，其中該可控天線單元的數量為複數個，該應用單元選擇該些可控天線單元之中具有接收信號強度指示最大者或是具有接收資料率最大者為一指定天線，以指定該無線晶片選擇該指定天線作無線傳輸資料；其中該應用單元選擇該些可控天線單元之中具有接收信號強度指示次大者或是具有接收資料率次大者為一待命天線，並且在一傳輸週期指定該無線晶片選擇該指定天線作無線傳輸資料，並且更在該傳輸週期之中***至少一測試區間段，並在該測試區間段利用 該待命天線作無線傳輸資料；其中，當該無線晶片在該測試區間段所獲得的接收資料率大於在該傳輸週期的接收資料率時，該應用單元將該待命天線指定為更新後的指定天線。
10. 根據請求項第6項所述之電子裝置的天線模組，其中該電子裝置是筆記型電腦、膝上型電腦、平板電腦、一體電腦、智慧電視、小型基站、無線路由器或智慧型手機。