TW200805788A - Antenna arrangement - Google Patents

Description

200805788 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係提供一種用於一通訊系統之天線配置，尤指一種用於 一超寬頻（Ultra-Wideband，UWB)無線通訊系統之天線配置。 【先前技術】 超寬頻技術是一種利用非常寬的頻率範圍來傳送數據的無線 電通訊技術，到目前為止，根據美國聯邦電信委員會（Federal CommimicationCommissionJCC)的規定，超寬頻通訊與量測系 統所能使用的頻率範圍為3.1GHz至10.6GHz，且其發射功率限制 在-41.25dBm/MHz ’而因其低傳輸功率之特性，致使其所發射之 無線笔成號之頻率可隱藏於其他系統所發射的傳輸頻率之下而不 受到干擾，也就是說，超寬頻通訊系統係可與其他現存的通訊系 統共存，如無線保真度系統（WirelessFidelity，Wi-Fi)、全球行動 通 afl 糸統（Global System for Mobile communication，GSM )，以及 藍芽系統（Bluetooth)。然而，超寬頻通訊系統亦同樣擁有有限距 離通訊（約5至20公尺）之限制。 常見的超寬頻應用技術有兩種:一種為利用具有超寬頻特性之 脈衝波形以建構訊號傳輸的時間域方法，另一種則為使用以快速 傅立葉轉換為基礎的多頻段正交分頻多工（Multi_Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing，MB-OFDM )的頻率域調變方法， 上述之方法皆會造成譜分量（SpeCtral C〇mp〇nentS )會在頻譜内涵 200805788 蓋-非常寬_寬，因此，超寬_統所财之頻寬需 戰以上⑽央鮮粒）岭相寬，也就是說至少 500MHz以上的頻寬。 而/、侑 由上述之超見頻通訊系統特質可知，超寬頻通訊系統所提供 高速資料倾《錄使其成輕是·室環境中（電 子裝置之間的距離在2〇公尺翻之内）建立多媒體無線傳輸之一 理想通訊枯输。 請參閱第1圖，第！圖為應用於超寬頻通訊之一多頻段正交分 頻多工系統之頻段配置示意圖。該多頻段正交分頻多工系統包含 有十四個次頻段，每-個次頻段皆具有528MHz的頻寬，該多頻 段正交分頻多工系統係利用每隔312奈米秒即在各個次頻段中進 行跳頻之方法來進行資料之存取，並且在每一個次頻段内使用四 • 相移位鍵控（Quadm-Phase Shift Keying，QPSK)或雙載波調變 (Dual Carrier Modulation，DCM)編碼來傳輸資料。值得注意的 疋，5亥多頻段正交分頻多工系統並不使用頻率範圍位於犯出左 右（5.1 5.8GHz)的次頻段來傳輸資料，如此可避免其他現存的 窄頻系統的干擾’如802.lla無線區域網路、安全機構通訊系統、 . 或其他應用於航空工業之通訊系統等。 上述之十四個次頻段係被劃分為五個頻段纟且，其中四組具有三 個528MHz頻寬之次頻段，剩下一組則僅具有兩個528MHz頻寬 6 200805788 第1圖所! ’第一頻段組具有次頻段卜次頻段2， 方法進行二二下針對該多頻段正交分頻多工系統所使用之跳頻 万&進仃呪明，舉例炎士 楚^ ====鴻1 軸^^ 間隔内於該她之㈣312.5奈柿之時間 次312 5太伞/ 中進行傳送，也就是說，在每- 5mm Τ〜少的時間間_，—數據符號係在相對應且且有 中物卿㈣伽鳴物㈣ 超見頻系統在數據通賴域的細可說是相當地叙 於在下騎境巾取代齡之連接細即為常見的例子： 1.電腦與周邊農置（即外部裝置，如硬碟、燒錄 趟 掃描機等連接； Ρ雜、 2·家庭娛樂設傭，如f視與無線勢八之連接； 3·手持裴置（如行動電話、個人數位助理（PDA)、數位相機、 MP3播放II)與電腦之s接。 $用於超寬頻系統之天線配置的訊號發射方向通常是全向性 的’思即主動發射元件係在所有的方向上發射無線電訊號。然而， 就應用於超寬_統的鱗配置而言，其雜希望能知改變無 7 200805788 . 線電減之發射㈣之方式而_於-特定方向上發射益線電m 號之目的，同時亦希魏夠將具有至少—主動發射元件之天線配 置由-全向性發射模式切換為具有不同發射角度區段模式。 藉由導引無線電訊號於-特定方向上發射之方式，其係可減少 其他毅通!辑接肝擾贿舰祕之軌能力（在可 月b通訊鍵接之數目方面）。 雖然可利用固定波束指向性天線來達成上述之要求，如號角天 線、反射天線，或級複數個均發射元件（其巾每—元件係個 別饋入訊號並具有相對應之相位）之平面線性貼身型陣列天線 =然而上述這些具錢定配置之天線健能提供—有限角度涵 盍觀圍之指向訊號波束，同時亦無法快速地切換波束之發射方 向:此外，-些波束指向技術均會遭遇到發射波束之主峰值之寬 鲁度係，決於所發射之無線電訊號之波長的限制，而基於複數個具 有特疋振t田及相位分佈的個別饋入主動元件之相位天線陣列雖然 原=可提_整波束形狀及發射肢之魏，但其價格係相當 也F貝另外，上述之天線配置還會因互耦或閘溢波問題而導致 無法涵蓋超寬頻系統之所有頻寬。因此，上述之天線配置並不適 用於欲應用在消費性電子產品上的超寬頻系統。 因此’本發明係提供一種用於一超寬頻系統之一指向性天線配 置’以解決上述之問題。 200805788 【發明内容】 本發明係提供一種用於一超寬頻網路之天線配置，其包含有〜 主動元件以及複數個被動元件環繞設置於該主動元件周圍。每— 被動元件係以可控制之方式選擇性地反射或傳送由該主動元件所 發射之無線電訊號，藉以從該主動元件產生一相對應之波束圖形。 本發明另提供一種用於一超寬頻網路之天線配置，其包含有— 主動元件以及複數個被動元件環繞設置於該主動元件周圍。每一 被動元件係以可控制之方式選擇性地反射或傳送入射無線電訊 號，藉以將該入射無線電訊號從一指定方向導入至該主動元件。 【實施方式】 以下内容係針對本發明所提供之天線配置於一超寬頻網路上 之應用進行制，但本發明之天線配置之細並不受此限，也就 是說，本發明之天線配置亦可適胁其他__路系統。 請參閱第2圖以及第3圖，第2圖係為本發明—實施例之一天 線配置2之示意圖，第3圖係為第2圖天線配置2之上視圖。天 線配置2包含有-主動讀4，主動元件4係設置於—基板6上， 於此一實施例中，主動元件4射為-單極天線，亦或是其他類 里之主動《射讀，也歧說，轉元件4亦可包含其他元件。 200805788 "'件4係連接於相對應之傳送電路（未顯示於第2圖中）， 主動7L件4 _來發㈣送電路所提供之峨。_，若是天線 配置2係用來接收或是收發無線電訊號，則主動元件4亦可改為 連接至相對應之接收電路或收發電路。 天線配置2另包含複數個被動元件8，複數個被動元件8係設 置於基板6上且環繞設置於主動元件4厢。在此實施例中，'共又 有96個被動元件8配置於一個ι〇χΐ〇且以主動元件4為中心的陣 2，然而鶴元件8之數目及配置方·不受上騎限，也就 =，亦可_任—數量之被動元件8祕置於其他_的二維 母一個破動元件8係以可控制之方式選擇性地傳送或反射由主 ’對於每一個被動元件8而言，所

被動元件8係以圓圈符號表示，中空圓 牛8可傳送頻率位於一指定頻段内之無 動兀件4所發射之無線電訊號 謂的“傳送無線電訊號，，係指

10 200805788 •、線電訊號，而實心圓圈魏‘籲，則是代表被動元件s可反麵 率位於該指定頻段内之無線電訊號。 目此，由第3圖可知’所有的被動元件8係全部用來傳送主動 元件4所發射之無線電訊號，故在第3圖所示之架構中，當主動 元件4發射無線電訊號時，天線配置2係形成一全向性發射天線， 也就是說^主動元件4係可全方位地發射無線電訊號而不會被任 • 個被動疋件8所反射。反之’當主動元件4係用來接收無線電 訊號時，如第3騎示之被航件8之配置係可允許無線電訊號 全方位地入射至主動元件4而被主動元件4接收。 , 減在第4圖中’其係控制十二倾動it件8為反射無線電訊 號之猶，上述之十二個被動元件8係設置於如第4圖所示之位 置以壤繞在主動元件4周圍而共同形成一拋物線反射器架構，如 此一來’當主動元件4發射位於該指定頻段内之無線電訊號時， 無2電訊號即會因著上述之十二個被動元件8之反射而往第4圖 中刖頭10所心不之方向發射，也就是說，如第4圖所示之拋物線 反射器架構係可產生在-指定方向上發射的-聚焦波束。反之， 當主動元件4係用來接收無線電訊號時，在上述之十二個被動元 * 件8所形成之拋物線反射器架構下，只有從如第4圖所示之特定 方向人射之無線電訊號才能被主動元件4所接收。 接著在第5圖中，其係控制十五個被動元件8為反射無線電訊 11 200805788 • 唬之元件，上述之十五個被動元件8係設置於如第5圖所示之位 置以環繞在主動元件4周圍而共同形成一角形反射器架構，如此 -來，當絲元件4發射位於賴段内之無線電訊號時，無 線電訊號即會因著上述之十五個被動元件8之反射而往第5圖中 箭頭12所指示之方向發射。反之，#主動元件4係用來接收無線 電訊號時’在上述之十五倾動元件8所形成之㈣反射器架構 下’只樣如第5 ®卿之特定卿區段从射之鱗電訊號才 φ 能被主動元件4所接收。 接著在第6圖中，其係控制十個被動元件8為反射無線電訊號 之兀件’上述之十個鶴元件8係設置於如第6嶋示之位置以 =同形成位於主動元件4之—側之—平面反射雜構，如此一來， 田主動70件4¾射位於該指定頻段内之無線電訊號時，無線電訊 號即會因著上述之十個被航件8之反射而往第6圖中之箭頭14 鲁麻示之方向發射。反之，當主件4 _來接收無線電訊號 :^上述之糊雜元件8卿成之平面反能雜下，只有 -第圖所不之特定扇形區段内入射之無線電訊號才能被主動 元件4所接收。 接著在第7目巾’其係㈣十六個麵树8為反射無線電訊 儿、一件/上述之十六铜總元件8係設置於如第7®所示之位 ‘ /、同軸 X形反射器架構，主動元件4係設置於該 X形反射器架構之中心，如此一來，當主動元件4發射位於該 12 200805788 指定頻段内之無線電訊號時，無線電訊號即會因著上述之十六個 被動元件8之反射而往第7圖中箭頭16所指示之兩個方向發射。 反之，當主動元件4係用來接收無線電訊號時，在上述之十六個 被動元件8所形成之平面反射器架構下，只有從如第7圖所示之 兩個特定扇形區段内入射之無線電訊號才能被主動元件4所接收。 由此可知，若於天線配置2中使用足夠數量的被動元件8，即 • 可藉由上述控㈣當數量之被動元件8狀射絲電訊號之元件 的方式，進而在天線配置2中形成任一指定形狀之反射器架構。 由上述實施例可知，每一個被動元件8係須由可允許被動元件 8在可反射無線電訊號之反射狀態以及可傳送無線電訊號之傳送 狀心之間進行切換之材料所組成，也就是說，每一被動元件8係 車乂佳地由聚合物桿材料所組成，聚合物桿材料係可包含聚烷基或 鲁 是聚吡咯基塑性化合物，然而被動元件8之組成可不受此限，意 即被動70件8也可由包含其他材料之聚合物桿所組成。此外，被 動元件8亦可由個別受激等離子柱所合成。 被動元件8係較佳地使用電流控制之方式而使其從反射狀態切 、-換至傳送狀態或是從傳送狀態切換至反射狀態，此方式係允許被 件8可在上述之兩種狀態之間進行快速的+ 刀換，也就是說， 错由在反射狀態下的被動元件8之配置而對應形成的反射器架構 之形狀亦可隨之快速地變更，如從—拋物線反射器架構變更為一 13 200805788 ‘X’形反射器架構。 此外’本發明另可透過控制位於被動元件8上的一些開關裝置 之方式以改變被動元件8之通電長度，進而調整被動元件8反射 無線電訊號之能力，舉例來說，當一被動元件8之通電長度係小 於入射之無線電訊號之四分之—波長時，則被動元件8相對於該 入射之無線電訊號，其係為—可穿透之元件，反之，#被動元件8 • t通電長度係遠大於入射之無線電訊號之四分之-波長時，職 動π件8相對於該人射之無線電訊號，其係相當於—反射器元件。 接著請參閱第請與第9圖’第8圖係為本發明另一實施例之 一天線配置18位於-第—架構下之上視圖，第9圖係為第8圖天 線配置18位於-第二架構下之上視圖。在如第8圖所示之實施例 中’天線配置18包含-域元件4，絲元件4具有四個主動發 • 射元件4a、4b、4c、4d分別設置於基板6上，主動發射元件如、 4b、4c、4cH系可以連動之方式控制（意即在發射無線電訊號時， 主動發射元件4a、4b、、4d皆發射_之峨）、或可分開單 獨控制（意即在發射無線電訊號時，主動發射元件如、处、4C、 勿各自發射相對應之一訊號），亦或可用群組之方式控制（音、即在 發射無線電訊號時，主動發射元件4&、你均發射一第一訊號，而 主動發射元件4c、4d均發射一第二訊號）。 天線配置18另包含複數麵動元件8,複數赌動元件8係設 14 200805788 置於基板6上且環繞設置在主動發射元件如、处、4c、如的周圍£ 同上所述，中空圓圈符號‘〇，代表被動元件8可傳送頻率位於 -指定頻段内之無線電喊’而實心圓_號‘·，則是代表被 動元件8可反軸雜機紋頻如之鱗電峨。九

在如第8圖所示之實施例中，共有77個被動元件8配置於一 個㈣且主動發射元件4a、4b、4c、4d設置於中心點附近的陣列 中，亚由第8圖可知，至少一被動元件設置於主動發射元件4a、 4b、4c、4d之間（如第8圖所示之被動元件22)。 同理’被航件8之數目及配置方式係不受上述所限，也就是 說，亦可制任—數量之被動元件8而配置於其他適料二 三維之架構中。 此外，同上所述，每-被動元件8係以可控制之方式選擇性地 傳送或反射無線電訊號。 在第8圖中所有的被動元件8係全部用來傳送主動發射元件 4a、4b、4e、4d·射之鱗魏號，因此在第8騎示之架構 中，當任-主動發射元件4a、4b、如或似發射無線電訊號時， 天線配置18係形成-全向性發射天線，也就是說，該無線電訊號 係可全方位地傭而不會被任—倾動元件8所反射。反之，若b 主動兀件4係用來接收無線電訊號，如第8圖所示之被動元件8 15 200805788 . 之配置係可允許無線電訊號全方位地入射至主動元件4,進而被主 動元件4所接收。 最後，如第9圖所示，被動元件8亦可形成一多扇形區段之反 射器架構。在如第9圖所示之實施例中，主動發射元件如、牝、 4c、4d係可以分開單獨之方式或以群組之方式進行控制，由第9 圖可知，天線配置18具有四個不同之扇形區段a、B、c、D，其 φ 係分別對應主動發射元件4a、4b、4c、4d。在第9圖中，其係控 制十七個被動元件8為反射無線電訊號之元件，上述之十七個被 動元件8係設置於如第9圖所示之位置以共同形成一 ‘+，形反射 器架構，而主動發射元件4a、4b、4c、4d係分別位於該‘+,形 反射器架構之四個扇形區段a、b、c、d中，如此一來，該 形反射器架構係可將天線配置18分成四個獨立天線，其係分別對 應四個扇形區段a、b、c、d。韻，當主動發射元件4a、4b、 藝 4c、4d發射位於該指定頻段内之無線電訊號時，主動發射元件如、 4b、4c、4d所發射之無線電訊號即會因著上述之十七個被動元件 8之反射而分別往第9圖中箭頭20a、20b、2〇c、20d所指示之方 向叙射。反之，當主動發射元件4&、41)、4()、4(1係用來接收無線 電訊號時，在上述之十七個被動元件8所形成之‘+，开級射器架 、構下’’、有從如第9圖所示之特定扇形區段内入射的無線電訊號 才此被相對應之主動發射元件如、处、4c或初所接收。 上述之被動元件8之間的距離至少需以最短工作波長之長度為 16 200805788 單位，意即本發明之天線須在波長之影響降至最低的條件下來進 行配置之動作，舉例來說，上述之拋物線反射器架構中的主動元 件4係須位於該拋物線之焦點上，以確保將波長之影響降至最低。 綜上所述，本發明所提供之用於一超寬頻通訊網路之天線配置 不僅可用來全方位地收發無線電訊號、指向性地收發無線電訊 號’或於一特定扇形區段内收發無線電訊號，而且亦可快速地從 •一種收發訊號的架構變更為另一種收發訊號的架構。 值得注意的是上述實施例僅用於說明但不限制本發明，且該領 域具通常知識者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。在本文中所提及之，，包含，，一詞並未排 除其匕本發明申請專利範圍中未出現之元件或步驟、，，一個，，並未 排除”多個”。本發明申請專利範圍所提及之内容不應視為其限制。 . 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。 【圖式簡單說明】 第1圖為應用於超寬頻通訊之一多頻段正交分頻多工系統之頻 段配置示意圖。 ,、 第2圖為本發明一實施例一天線配置之示意圖。 第3圖為第2圖具有位於一第一架構下之被動元件之天線配置 17 200805788 之tl視圖。 第4圖為第2圖具有位於， 之上視圖。 第二架構下之被動元件之天線配置 第5圖為第2圖具有位於_第三架構下之被動元件之天線配置 之上視圖。 第6圖為第2圖具有位於_第四架構下之被動元件之 之上視圖。 . 第7圖為第2圖具有位於一第五架構下之被動元件之天線配 之上視圖。株Γ係為本*明另—實施例具有位於—第—架構下之被動元 件之天線配置之上視圖。 署第圖係為第8圖具有位於一第二架構下之被動元件之天線配 置之上視圖。 置 置 L 土要元件符號說明】 2、18 4a、4b、4e、 4d 天線配置 4 主動發射元件6 主動元件 基板 22 被動元件 10、12、14、16、箭頭 20a、20b、20c、 A、B、C、 0屬形區段 20d 18

Claims (1)

1. 200805788 十、申請專利範圍： 1· 一種用於一超寬頻網路（Ultra-WidebandNetwork)之天線配 置，其包含有： 一主動元件；以及 複數個被動元件，環繞設置於該主動元件周圍，每一被動元件 係以可控制之方式選擇性地反射或傳送由該主動元件所 發射之無線電訊號，藉以從該主動元件產生一相對應之波 • 束圖形（beam pattern )。 2.如請求項1所述之天線配置，射該複數個被動元件係以一二 維陣列之配置環繞設置於該主動元件周圍。 •如明求項1所述之天線配置，其中該複數個被動元件係以一三 維陣列之配置環繞設置於該主動元件周圍。 鲁《如财項丨_之天線配置，財魅動元件包含—單一發射 發射元件係為一全向 5·如請求項4所述之天線配置，其 性發射元件。 ~ 元:求員1所述之天線配置’其中該主動元件包含複數個發射 19 200805788 7·如請求項6所述之天線配置，其中每一發射元件分別發射一無 線電訊號，該複數個被動元件係以可控制之方式選擇性地反射 或傳送由每一發射元件所發射之無線電訊號，藉以從每一發射 元件分別產生一相對應之波束圖形。 8·如請求項1所述之天線配置，其中每一被動元件包含一電控導 通聚合物桿。 9·如請求項1所述之天線配置，其中一被動元件包含至少一開關 裝置’該開關裝置係設置於該被動元件上，該開關裝置係以可 控制之方式選擇性地改變該被動元件之有效長度。 1〇· —種用於一超寬頻網路之天線配置，其包含有： 一主動元件；以及 複數個被動元件，環繞設置於該主動元件周圍，每一被動元件 係以可控制之方式選擇性地反射或傳送入射無線電訊 ?虎’猎以將該入射無線電訊號從一指定方向導入至該主動 元件。 · 11·如請求項10所述之天線配置，其中該複數個被動元件係以— 二維陣列之配置環繞設置於該主動元件周圍。 12·如請求項ίο所述之天線配置，其中該複數個被動元件係以— 20 200805788 ^ 三維陣列之配置環繞設置於該主動元件周圍。 13. 如請求項1〇所述之天線配置，其中該主動元件包含一單一 收元件。 14. 如請求項13所述之天線配置，針該單一接收元件係為一全 向性接收元件。 15. 如請求項1G所述之天線配置，射該主航件包含複數個接 收元件。 16. ^請求項15所述之天線配置，其中該複數個被動元件係以可 L制之方式將無線電訊號從各自指定之方向分別導入至相對 應之接收元件。 Π.如請求項10所述之天線配置，其中每一被動元件包含一電控 導通聚合物桿。 8·如明求項10所述之天線配置，其中一被動元件包含至少一開 、 關衣置，該開關裝置係設置於該被動元件上，該開關裝置係以 可才二制之方式選擇性地改變該被動元件之有效長度。 種超I頻裝置，其包含如請求項1至18中任一項所述之天 線配置。 、 21