TWI693743B - 高頻天線裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明公開一種高頻天線裝置，包含適用在介於20GHz~45GHz的操作頻段，所述高頻天線裝置包含基板、設置於基板相反兩側的天線陣列與處理晶片、及安裝於基板的兩個連接器。天線陣列包含有間隔設置且排成M列的多個天線，M為正整數，並且每個天線為能夠水平極化與垂直極化的雙極化金屬片。所述操作頻段的中心頻率對應於一波長，並且任兩個相鄰天線的中心點間隔有介於0.25~0.75倍波長的間距。處理晶片電性耦接於多個天線與兩個連接器。兩個連接器分別於電性上對應於每個天線的所述水平極化與垂直極化。此外，本發明也公開一種高頻天線裝置的天線陣列。

Description

高頻天線裝置
本發明涉及一種高頻天線，尤其涉及適用於20GHz~45GHz的一種高頻天線裝置。
現有的高頻天線是應用在***行動通訊系統(4G)標準，所以現有高頻天線的結構設計僅適用在非毫米波頻段(如：2.6GHz)，因而使得現有高頻天線難以被應用在更高的頻段(如：20GHz~45GHz)或毫米波頻段。然而，操作頻率的提升已成為未來的通訊趨勢，所以如何改良現有高頻天線或架構出全新的高頻天線，使其能夠符合設計需求，已然為本領域中需要面對的技術問題。
於是，本發明人認為上述缺陷可改善，乃特潛心研究並配合科學原理的運用，終於提出一種設計合理且有效改善上述缺陷的本發明。
本發明實施例在於提供一種高頻天線裝置及其天線陣列，能有效地改善現有高頻天線所可能產生的缺陷。
本發明實施例公開一種高頻天線裝置，適用在介於20GHz~45GHz的一操作頻段，所述高頻天線裝置包括：一基板，包含有位於相反兩側的一第一板面與一第二板面；一天線陣列，設置於所述基板的所述第一板面，並且所述天線陣列包含有間隔設置的多個天線；其中，多個所述天線排成M列，M為正整數，並且每個所述天線為能夠水平極化與垂直極化的一雙極化金屬片；其 中，所述操作頻段的一中心頻率對應於一波長，並且任兩個相鄰所述天線的中心點間隔有介於0.25~0.75倍波長的一間距；一處理晶片，安裝於所述基板的所述第二板面，並且所述處理晶片電性耦接於多個所述天線；以及兩個連接器，安裝於所述基板，並且兩個所述連接器電性耦接於所述處理晶片；其中，兩個所述連接器分別於電性上對應於每個所述天線的所述水平極化與所述垂直極化。
本發明實施例也公開一種高頻天線裝置的天線陣列，適用在介於20GHz~45GHz的一操作頻段，所述天線陣列包括：多個天線，其呈間隔設置且排成M列，M為正整數；其中，每個所述天線為能夠水平極化與垂直極化的一雙極化金屬片，所述操作頻段的一中心頻率對應於一波長，並且任兩個相鄰所述天線的中心點間隔有介於0.25~0.75倍波長的一間距。
綜上所述，本發明實施例所公開的高頻天線裝置及其天線陣列，通過多個天線的排布與設計(如：多個天線排成M列、每個天線能夠水平極化與垂直極化、及任兩個相鄰天線的中心點間隔有特定數值的間距)，據以能夠被應用在20GHz~45GHz的操作頻段(或毫米波頻段)、並具備有較佳的傳輸效能。
為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的詳細說明與附圖，但是此等說明與附圖僅用來說明本發明，而非對本發明的保護範圍作任何的限制。
100:高頻天線裝置
1:基板
11:第一板面
12:第二板面
2:天線陣列
20:子陣列
21:天線
211:中心點
212:水平極化饋入點
213:垂直極化饋入點
3:處理晶片
4:連接器
5:降頻晶片
S:間距
S1:第一間距
S2:第二間距
D1:第一距離
D2:第二距離
D3:第三距離
200、200a、200b:外部電子裝置(如:行動電話)
圖1為本發明實施例一的高頻天線裝置的功能方塊示意圖。
圖2為本發明實施例一的高頻天線裝置的立體示意圖。
圖3為本發明實施例一的高頻天線裝置的另一視角立體示意圖。
圖4為圖1的高頻天線裝置在天線為矩形態樣時的立體示意圖。
圖5為圖1的高頻天線裝置在天線為圓形態樣時的立體示意圖。
圖6為圖1的高頻天線裝置在天線陣列為直線排列時的立體示意圖。
圖7為圖1的高頻天線裝置在天線陣列為交錯排列時的立體示意圖。
圖8為本發明實施例二的高頻天線裝置的功能方塊示意圖。
圖9為本發明實施例二的高頻天線裝置的立體示意圖。
圖10為本發明實施例三的高頻天線裝置的功能方塊示意圖。
圖11為本發明實施例三的高頻天線裝置的立體示意圖。
圖12為本發明實施例三的高頻天線裝置的另一視角立體示意圖。
圖13為圖10的高頻天線裝置在多個子陣列為直線排列時的平面示意圖。
圖14為圖10的高頻天線裝置在多個子陣列為矩陣狀排列時的平面示意圖。
圖15為圖11的高頻天線裝置的天線陣列於第一模式運作的示意圖。
圖16為圖11的高頻天線裝置的天線陣列於第一模式及第二模式運作的示意圖。
圖17為圖11的高頻天線裝置的天線陣列於第三模式運作的示意圖。
請參閱圖1至圖17所示，其為本發明的實施例，需先說明的是，本實施例對應附圖所提及的相關數量與外型，僅用來具體地說明本發明的實施方式，以便於了解本發明的內容，而非用來侷限本發明的保護範圍。
[實施例一]
如圖1至圖7所示，其為本發明的實施例一。本實施例為一種高頻天線裝置100，其適用在介於20GHz~45GHz的一操作頻段。也就是說，本實施例的高頻天線裝置100是排除非應用於20GHz~45GHz的任何天線裝置。其中，所述操作頻段於本實施例中進一步限定為介於24GHz~26.5GHz、26.5GHz~28.5GHz、37GHz~40GHz、及40GHz~43.5GHz的其中一個頻段，但本發明不受限於此。
所述高頻天線裝置100包含有一基板1、設置於所述基板1相反兩側的一天線陣列2與一處理晶片3、及安裝於所述基板1的兩個連接器4。其中，所述天線陣列2於本實施例中是以搭配上述構件來說明，但本發明不受限於此。舉例來說，在於本發明未繪示的其他實施例中，所述天線陣列2也可以單獨地應用或搭配其他構件使用。
如圖2和圖3所示，所述基板1包含有位於相反兩側的一第一板面11與一第二板面12，並且所述基板1於本實施例中是以矩形的一印刷電路板來說明，但本發明不受限於此。
如圖2和圖3所示，所述天線陣列2設置於上述基板1的第一板面11，並且所述天線陣列2於本實施例中是用來傳輸毫米波信號。其中，所述天線陣列2包含有間隔設置的多個天線21，並且上述每個天線21為能夠水平極化與垂直極化的一雙極化金屬片。
於本實施例中，所述天線陣列2的天線21數目於圖2中是以16個來說明，但上述天線21數目也可依據設計需求而加以調整變化。再者，上述多個天線21的外型皆大致相同，並且每個天線21的外型可以是一正方形(如：圖2)、一矩形(如：圖4)、或一圓形(如：圖5)，但本發明不以此為限。
更詳細地說，上述每個天線21定義有一中心點211(上述中 心點211相當於圖2中的天線21之兩條對角線的交點)、一水平極化饋入點212、及一垂直極化饋入點213。而於所述每個天線21中，上述水平極化饋入點212與垂直極化饋入點213相對於中心點211較佳是構成一直角。換個角度來說，本實施例的天線21是排除非同時具有水平極化與垂直極化功能的任何天線，例如：本實施例的天線21排除僅具有水平極化(或垂直極化)的天線。
另，所述操作頻段的一中心頻率對應於一波長；也就是說，波長相當於上述中心頻率的倒數。上述任兩個相鄰天線21的中心點211間隔有介於0.25~0.75倍波長的一間距S。其中，所述間距S較佳是介於0.35~0.65倍波長(如：0.5倍波長)，但本發明不受限於此。
請接著參閱圖2所示，本實施例天線陣列2的多個天線21排成M列及N行，並且M與N皆為大於1的正整數；也就是說，多個天線21構成一矩陣狀排列，但本發明不以此為限。舉例來說：如圖6所示，M等於1，也就是所述天線陣列2的多個天線21可以是排成一列；或者，如圖7所示，M大於1，並且每列的多個天線21是與相鄰另一列的多個天線21呈交錯排列設置。
如圖2和圖3所示，所述處理晶片3安裝於上述基板1的第二板面12，並且所述處理晶片3電性耦接於多個天線21。也就是說，本實施例的處理晶片3是焊接於基板1、並通過形成於基板1的導電線路(圖中未示出)而電性連接於上述多個天線21。據此，所述處理晶片3能對上述天線陣列2所傳送或接收的信號進行相位與振幅的控制。
所述兩個連接器4安裝於上述基板1，並且上述每個連接器4於本實施例中是安裝於基板1的周緣部位。其中，所述兩個連接器4電性耦接於處理晶片3，並且上述兩個連接器4分別於電性上 對應於每個天線21的水平極化與垂直極化。也就是說，本實施例的兩個連接器4是通過形成於基板1的導電線路(圖中未示出)而性連接於上述處理晶片3，並且上述兩個連接器4通過處理晶片3而分別電性耦接於每個天線21的水平極化饋入點212與垂直極化饋入點213。
[實施例二]
如圖8和圖9所示，其為本發明的實施例二，本實施例類似於上述實施例一，所以兩個實施例的相同處則不再加以贅述，而兩個實施例的差異處大致說明如下：
於本實施例中，所述高頻天線裝置100進一步包含兩個降頻晶片5，並且所述兩個連接器4分別通過上述兩個降頻晶片5而電性耦接於所述處理晶片3。也就是說，上述兩個降頻晶片5是安裝於將上述兩個連接器4電性連接至處理晶片3的導電線路上，據以使得在兩個連接器4與處理晶片3之間傳輸的信號皆須經過上述降頻晶片5的降頻處理。
更詳細地說，每個降頻晶片5能使來上述處理晶片3且介於20GHz~45GHz的一高頻信號降頻為介於2GHz~6GHz的一降頻信號，並且每個連接器4用於傳輸來自相對應所述降頻晶片5的降頻信號。據此，本實施例高頻天線裝置100可以採用規格要求較低的連接器4(如：運用於***行動通訊系統標準的連接器4)，藉以有效地降低生產成本，進而利於推廣上述高頻天線裝置100。
[實施例三]
如圖10至圖17所示，其為本發明的實施例三，本實施例類似於上述實施例一，所以兩個實施例的相同處則不再加以贅述，而兩個實施例的差異處大致說明如下：
於本實施例中，如圖10至圖12所示，所述天線陣列2包含有間隔設置的多個子陣列20，每個子陣列20包含有排成多列的多個天線21，並且上述多個子陣列20的排列布局皆相同。換個角度來說，上述實施例一中的天線陣列2的多個天線21於本實施例是分別被排布成多個子陣列20。此外，所述子陣列20的數量於本實施例的圖11中是以四個來說明，但本發明不受限於此。例如：在本發明未繪示的其他實施例中，所述天線陣列2的多個子陣列20的數量可以是兩個或三個以上。
其中，任一個子陣列20中的任兩個相鄰天線21的中心點211間隔有一第一間距S1，並且相鄰但分屬不同子陣列20的兩個天線21的中心點211間隔有相等於上述第一間距S1的一第二間距S2，藉以利於所述天線陣列2於以下說明中的第二模式與第三模式之運作。換個角度來說，上述第一間距S1(或第二間距S2)於本實施例中是等同於實施例一的間距S。
再者，所述天線陣列2的多個子陣列20排成方式可以依據設計需求而加以調整變化。舉例來說：如圖13所示，所述多個子陣列20可以排成一列；或是，如圖11和圖14所示，所述多個子陣列20可以構成一矩陣狀排列。
另，所述處理晶片3的數量於本實施例中是等同於上述多個子陣列20的數量，並且上述多個處理晶片3分別電性耦接於多個子陣列20，以使每個子陣列20能夠獨立被相對應的一個處理晶片3所控制。再者，所述連接器4的數量於本實施例中則是為多個子陣列20數量的兩倍，並且每個處理晶片3電性耦接於兩個所述連接器4。
進一步地說，所述天線陣列2於本實施例之高頻天線裝置100的架構中包含有多個運作模式，並且上述多個運作模式於本實施例中包含一第一模式、一第二模式、及一第三模式，但本發明不受限於此。其中，所述天線陣列2能以上述多個運作模式的至少 其中之一進行運作；也就是說，所述天線陣列2也可以同步執行兩種不同的運作模式(如圖16中的天線陣列2同步執行第一模式與第二模式)。
所述第一模式：如圖15所示，任一個子陣列20與相距一第一距離D1內的一個外部電子裝置200(如：行動電話)進行無線信號傳輸。也就是說，當所述天線陣列2的所有子陣列20分別和多個外部電子裝置200進行無線信號傳輸時，所述高頻天線裝置100則可以同步和等同子陣列20數量的多個外部電子裝置200進行無線信號傳輸。
所述第二模式：如圖16所示，至少兩個相鄰子陣列20(如：圖16中的上方兩個子陣列20)彼此配合來共同與相距一第二距離D2內的一個外部電子裝置200a(如：行動電話)進行無線信號傳輸，所述第一距離D1小於第二距離D2。也就是說，當所述外部電子裝置200a與高頻天線裝置100的距離介於第一距離D1與第二距離D2時，上述天線陣列2能夠以至少兩個相鄰子陣列20彼此配合來共同與該外部電子裝置200a進行無線信號傳輸。
所述第三模式：如圖17所示，所述全部子陣列20彼此配合來共同與相距一第三距離D3內的一個外部電子裝置200b(如：行動電話)進行無線信號傳輸，所述第二距離D2小於第三距離D3。也就是說，當所述外部電子裝置200b與高頻天線裝置100的距離介於第二距離D2與第三距離D3時，上述天線陣列2能夠以全部的子陣列20相互配合來共同與該外部電子裝置200b進行無線信號傳輸。
依上所述，本實施例高頻天線裝置100的天線陣列2能夠依據外部電子裝置200、200a、200b的位置與數量來選擇執行上述多個運作模式的至少其中之一，以使上述高頻天線裝置100能夠有效地達到較佳的運行效率。
[本發明實施例的技術效果]
綜上所述，本發明實施例所公開的高頻天線裝置及其天線陣列，通過多個天線的排布與設計(如：多個天線排成M列、每個天線能夠水平極化與垂直極化、及任兩個相鄰天線的中心點間隔有特定數值的間距)，據以能夠被應用在20GHz~45GHz的操作頻段(或毫米波頻段)、並具備有較佳的傳輸效能。
再者，本發明實施例所公開的高頻天線裝置，其設有降頻晶片，並且每個連接器需通過相對應的降頻晶片而電性耦接於處理晶片，以使每個連接器能夠用來傳輸來自相對應降頻晶片的降頻信號。據此，所述高頻天線裝置能夠採用規格要求較低的連接器，以有效地降低生產成本，進而利於推廣上述高頻天線裝置。
另，本發明實施例所公開的高頻天線裝置及其天線陣列，包含有多個運作模式，並且天線陣列能以上述多個運作模式的至少其中之一進行運作，以使所述高頻天線裝置的天線陣列能夠依據外部電子裝置的位置與數量來選擇執行上述多個運作模式的至少其中之一，進而令上述高頻天線裝置能夠有效地達到較佳的運行效率。
以上所述僅為本發明的優選可行實施例，並非用來侷限本發明的保護範圍，凡依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的權利要求書的保護範圍。
100:高頻天線裝置
1:基板
11:第一板面
12:第二板面
2:天線陣列
21:天線
211:中心點
212:水平極化饋入點
213:垂直極化饋入點
4:連接器
S:間距

Claims (7)

  1. 一種高頻天線裝置，適用在介於20GHz~45GHz的一操作頻段，所述高頻天線裝置包括：一基板，包含有位於相反兩側的一第一板面與一第二板面；一天線陣列，設置於所述基板的所述第一板面，並且所述天線陣列包含有間隔設置的多個天線；其中，多個所述天線排成M列，M為正整數，並且每個所述天線為能夠水平極化與垂直極化的一雙極化金屬片；其中，所述操作頻段的一中心頻率對應於一波長，並且任兩個相鄰所述天線的中心點間隔有介於0.25~0.75倍波長的一間距；一處理晶片，安裝於所述基板的所述第二板面，並且所述處理晶片電性耦接於多個所述天線；以及兩個連接器與兩個降頻晶片，安裝於所述基板，並且兩個所述連接器分別通過兩個所述降頻晶片而電性耦接於所述處理晶片；其中，兩個所述連接器分別於電性上對應於每個所述天線的所述水平極化與所述垂直極化；其中，每個所述降頻晶片能使來所述處理晶片且介於20GHz~45GHz的一高頻信號降頻為介於2GHz~6GHz的一降頻信號，並且每個所述連接器用於傳輸來自相對應所述降頻晶片的所述降頻信號。
  2. 如請求項1所述的高頻天線裝置，其中，M大於1，並且每列的多個所述天線是與相鄰另一列的多個所述天線呈交錯排列設置。
  3. 如請求項1所述的高頻天線裝置，其中，所述天線陣列的多個所述天線排成N行，並且M與N皆為大於1的正整數，以使多個所述天線構成一矩陣狀排列。
  4. 如請求項1所述的高頻天線裝置，其中，每個所述天線定義有一水平極化饋入點與一垂直極化饋入點；於每個所述天線中， 所述水平極化饋入點與所述垂直極化饋入點相對於所述中心點構成一直角。
  5. 如請求項1所述的高頻天線裝置，其中，所述操作頻段進一步限定為介於24GHz~26.5GHz、26.5GHz~28.5GHz、37GHz~40GHz、及40GHz~43.5GHz的其中一個頻段。
  6. 如請求項1所述的高頻天線裝置，其中，所述天線陣列是用來傳輸毫米波信號。
  7. 如請求項1所述的高頻天線裝置，其中，多個所述多個天線的外型皆相同，並且每個所述天線的外型為一正方形、一矩形、或一圓形。
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