TWI678838B - 天線波導及相關天線模組 - Google Patents

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Abstract

一種天線波導，用於一天線模組，包含一第一表面，形成於一第一平面；一第二表面，相鄰該第一表面；一第三表面，相鄰該第二表面，不相鄰該第一表面，且平行該第一表面；以及一第四表面，相鄰該第一表面及該第三表面，且不相鄰該第二表面。該天線模組包含一天線，其中該第一表面在該天線的一指向方向上的一第一尺寸實質上為該天線的一射頻訊號的3/4波長，該天線形成於一第二平面，且該第二表面及該第四表面於一第三平面的投影垂直該第一平面及該第二平面。

Description

天線波導及相關天線模組
本發明係指一種天線波導及相關天線模組，尤指一種可提升天線指向性的天線波導及相關天線模組。
射頻(Radio-frequency)訊號的訊號強度與單位波長的傳播距離呈反比，且射頻訊號的波長與頻率呈反比。因此，對於高頻率、短波長的射頻訊號而言(例如，操作頻率在700MHz~6GHz的射頻訊號)，需盡量提高天線輻射效率，以盡可能擴大高頻射頻訊號的涵蓋範圍。
在實作上，若傳播對象的位置固定，可使用指向性天線，將天線效率較高或指向性較高的輻射場形朝向傳播對象，以確保指向方向的通訊品質。另一方面，若傳播對象的位置不固定，可同時使用多個天線來收發高頻射頻訊號，以確保各方向的通訊品質。因此，如何提升天線效率以確保通訊品質，實乃本領域的重要課題。
因此，本發明的主要目的即在於提供一種天線波導及相關天線模組，用來增加天線指向性，以提升指向方向上的天線效率。
本發明揭露一種天線波導，用於一天線模組，包含一第一表面，形成於一第一平面；一第二表面，相鄰該第一表面；一第三表面，相鄰該第二表面，不相鄰該第一表面，且平行該第一表面；以及一第四表面，相鄰該第一表面及該第三表面，且不相鄰該第二表面。該天線模組包含一天線，其中該第一表面在該天線的一指向方向上的一第一尺寸實質上為該天線的一射頻訊號的3/4 波長，該天線形成於一第二平面，且該第二表面及該第四表面於一第三平面的投影垂直該第一平面及該第二平面。
本發明另揭露一種天線模組，用於一無線通訊裝置，包含至少一天線；以及至少一天線波導。該至少一天線波導的一者分別連接該至少一天線天線的一者，且包含一第一表面，形成於一第一平面；一第二表面，相鄰該第一表面；一第三表面，相鄰該第二表面，不相鄰該第一表面，且平行該第一表面；以及一第四表面，相鄰該第一表面及該第三表面，且不相鄰該第二表面；其中該第一表面在該天線的一指向方向上的一第一尺寸實質上為該天線的一射頻訊號的3/4波長，該天線形成於一第二平面，該第二表面及該第四表面於一第三平面的投影垂直該第一平面及該第二平面。
本發明利用天線波導來導引天線的輻射磁場並使其集中，將天線波導在指向方向上的尺寸設計為天線射頻訊號的3/4波長，以提升在指向方向上的天線效率及傳輸能力。此外，透過調整天線波導的張口角度以及設置多個天線在天線模組的位置分布，以擴大通訊範圍。
1‧‧‧天線模組
10‧‧‧固定座
100‧‧‧基座
102‧‧‧支柱
104‧‧‧窗口
106、108‧‧‧孔洞
WG‧‧‧天線波導
ANT‧‧‧天線
F1‧‧‧第一表面
F2‧‧‧第二表面
F3‧‧‧第三表面
F4‧‧‧第四表面
d1‧‧‧第一尺寸
d2‧‧‧第二尺寸
d3‧‧‧第三尺寸
a_WG‧‧‧斜角
X、Y、Z‧‧‧方向
300‧‧‧基板
301‧‧‧第一共線元件
302‧‧‧第二共線元件
RAD1‧‧‧第一輻射體
RAD2‧‧‧第二輻射體
RF1‧‧‧第一射頻訊號
RF2‧‧‧第二射頻訊號
第1圖為本發明實施例一天線模組的示意圖。
第2圖為本發明實施例一天線波導及一天線的示意圖。
第3圖為本發明實施例一天線的示意圖。
第1圖為本發明實施例一天線模組1的示意圖。天線模組1可用於一無線通訊裝置，例如一無線數據收集器或一無線存取點(Access point，AP)等。天線模組1包含一固定座10、至少一天線波導WG以及至少一天線ANT。
天線ANT用來收發射頻訊號，例如操作頻率在20GHz~60GHz的毫米波射頻訊號。天線波導WG耦接於天線ANT，以金屬材料製成，用來讓天線ANT的輻射場形較為集中而具有指向性，例如讓天線ANT的部分射頻訊號可朝指向方向傳播，以提升在指向方向上的天線效率及傳輸能力。
於一實施例中，天線ANT形成於一第二平面(例如，XZ平面)，天線ANT的一指向方向為Y方向，且天線波導WG在指向方向上的一第一尺寸d1為射頻訊號的3/4波長，其中指向方向Y垂直於XZ平面。在此結構下，天線波導WG可有效導引天線ANT的輻射磁場並使其集中，以提升在指向方向上的天線效率及傳輸能力。
固定座10包含一基座(base)100、至少一支柱(rib)102，其中一窗口(window)104及孔洞106、108形成於基座100。基座100形成於一第一平面(例如XY平面)，支柱102與基座100相連接並從基座100朝一Z方向延伸。基座100用來承載天線ANT及天線波導WG，而天線ANT可安裝於支柱102，例如透過鎖螺絲、黏貼、卡勾固定等方式，以固定於基座100。
於本實施例中，當基座100形成於XY平面並需設置多個天線ANT時，可以基座100的中心為圓心，在等角方位上分別設置支柱102，以將多個天線ANT固定於基座100上。例如，可以60度等角方位上設置六個支柱102，以將六個天線ANT固定於基座100上，以確保各方向的通訊品質。於其他實施例中，可以15度、30度、45度、90度或180度等角方位上分別設置24個、12個、8個、4個或2個天線ANT在固定座10上。
於產線組裝時，操作員可先組合天線ANT及天線波導WG(例如，以鎖螺絲、黏貼、卡鉤等方式)，將天線ANT連同天線波導WG安裝於固定座10，再將天線ANT的傳輸線(未繪於第1圖)通過窗口104而連接到一射頻訊號處理模組，但不限於此。此外，操作員可將無線通訊裝置的殼體或機構件的固定柱(未 繪於第1圖)***孔洞106、108，以利固定與對位，如此可提升組裝可靠度。
因此，在天線模組1的結構下，可利用天線波導WG來導引天線ANT的輻射磁場並使其集中，以提升在指向方向上的天線效率及傳輸能力。本領域具通常知識者可據此加以修飾變化，而不限於本發明實施例。
第2圖為本發明實施例天線波導wG及天線ANT的示意圖。於本實施例中，天線ANT形成於一印刷電路板(Printed circuit board，PCB)，該印刷電路板呈現一矩形，且天線波導WG包一第一表面F1、一第二表面F2、一第三表面F3以及一第四表面F4，但不限於此。於一實施例中，天線波導WG在天線ANT的指向Y方向上的第一尺寸d1為射頻訊號的3/4波長，天線波導WG在X方向上的一第二尺寸d2及在Z方向上的一第三尺寸d3分別為印刷電路板在X、Z方向上的尺寸，但不限於此。
第一表面F1形成於第一平面XY，相鄰第二表面F2及第四表面F4，第一表面F1不相鄰第三表面F3，第二表面F2相鄰第一表面F1及第三表面F3，第二表面F2不相鄰第四表面F4，且第一表面F1平行第三表面F3。天線ANT形成於第二平面XZ，第二表面F2及第四表面F4於一第三平面YZ的投影垂直第一平面XY及第二平面XZ。
於第1圖的實施例中，當基座100形成於XY平面並需設置多個天線ANT時，第一表面F1及第三表面F3呈現一梯形，其中該梯形的一斜角a_WG(或第二表面F2與YZ平面的夾角)實質上介於5~15度的範圍。第二表面F2及第四表面F4呈現一矩形，但不限於此。
於其他實施例中，當基座100形成於一曲面或球面並需設置多個天線ANT時，該梯形的斜角a_WG(或第二表面F2與YZ平面的夾角)實質上介於15~45度的範圍。由於在基座100的半徑固定的情況下，曲面或球面的表面積大於平面表面積，表示天線模組1的收訊範圍較大，因此可擴大天線波導WG的張口範圍 (即，斜角a_WG越大，則張口範圍越大)，以擴大收訊範圍。此外，也可視情況增加天線ANT的數量，並對應選擇適當的斜角a_WG角度，以兼顧天線指向性及收訊範圍。
第3圖為本發明實施例天線ANT的示意圖。天線ANT形成於一基板300(例如，印刷電路板)，且包含第一輻射體RAD1以及一第二輻射體RAD2。第一輻射體RAD包含多個第一共線元件301，用來輻射一第一射頻訊號RF1；而第二輻射體RAD2包含多個第二共線元件302，用來輻射一第二射頻訊號RF2。
於本實施例中，第一輻射體RAD1以及第二輻射體RAD2可以是端點饋入共線天線(End-fed collinear antenna)，但不限於此。由於共線天線本身具有高指向性(或高增益)之特性，當使用天線波導WG來導引指向方向並適當配置多個共線天線時，不僅可提升天線效率，也可擴大收訊範圍，以確保多個指向方向的通訊品質。
在實際應用中，當天線模組1用於育嬰中心的無線數據監測器時，由於每個嬰兒床位皆配置有各自的生命跡象監測儀器，因此設計者可依照育嬰中心的嬰兒床位配置，設計多個天線的指向方向，以確保可收集到嬰兒生命跡象資料。
綜上所述，本發明利用天線波導來導引天線的輻射磁場並使其集中，將天線波導在指向方向上的尺寸設計為天線射頻訊號的3/4波長，以提升在指向方向上的天線效率及傳輸能力。此外，透過調整天線波導的張口角度以及設置多個天線在天線模組的位置分布，以擴大通訊範圍。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

Claims (8)

  1. 一種天線波導，用於一天線模組，包含：一第一表面，形成於一第一平面；一第二表面，相鄰該第一表面；一第三表面，相鄰該第二表面，不相鄰該第一表面，且平行該第一表面；以及一第四表面，相鄰該第一表面及該第三表面，且不相鄰該第二表面；其中該天線模組包含一天線，該第一表面在該天線的一指向方向上的一第一尺寸實質上為該天線的一射頻訊號的3/4波長，該天線形成於一第二平面，該第二表面及該第四表面於一第三平面的投影垂直該第一平面及該第二平面；其中該第一表面及該第三表面呈現一梯形，且該第二表面及該第四表面呈現一矩形，且該第二表面與該第三平面的一夾角實質上介於5~45度的範圍。
  2. 如請求項1所述的天線波導，其中該至少一天線是一端點饋入共線天線。
  3. 如請求項1所述的天線波導，其中該天線形成於一基板，該基板在一第一方向上的尺寸為該第一平面的一第二尺寸，該基板在一第二方向上的尺寸為該第二平面的一第三尺寸，且該指向方向垂直該第一方向及該第二方向。
  4. 一種天線模組，用於一無線通訊裝置，包含：至少一天線；以及至少一天線波導，其中該至少一天線波導的一者分別連接該至少一天線天線的一者，且包含：一第一表面，形成於一第一平面；一第二表面，相鄰該第一表面；一第三表面，相鄰該第二表面，不相鄰該第一表面，且平行該第一表面；以及一第四表面，相鄰該第一表面及該第三表面，且不相鄰該第二表面；其中該第一表面在該天線的一指向方向上的一第一尺寸實質上為該天線的一射頻訊號的3/4波長，該天線形成於一第二平面，該第二表面及該第四表面於一第三平面的投影垂直該第一平面及該第二平面；其中該第一表面及該第三表面呈現一梯形，且該第二表面及該第四表面呈現一矩形，且該第二表面與該第三平面的一夾角實質上介於5~45度的範圍。
  5. 如請求項4所述的天線模組，其中該至少一天線是一端點饋入共線天線。
  6. 如請求項4所述的天線模組，其中該天線形成於一基板，該基板在一第一方向上的尺寸為該第一平面的一第二尺寸，該基板在一第二方向上的尺寸為該第二平面的一第三尺寸，且該指向方向垂直該第一方向及該第二方向。
  7. 如請求項4所述的天線模組，其另包含一固定座，包含：一基座，形成於該第一平面，用來承載該至少一天線及該至少一天線波導，其中一窗口及多個孔洞形成於該基座；以及至少一支柱，連接該基座並從該基座朝一第二方向延伸，其中該至少一支柱的一者分別連接該至少一天線的一者。
  8. 如請求項7所述的天線模組，其中當該至少一天線包含多個天線，該至少一天線波導包含多個天線波導，且該至少一支柱包含多個支柱時，以該基座的中心為圓心，在多個等角方位上分別設置該多個支柱，以將該多個天線及該多個天線波導設置於該基座。
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