TWI508374B - 可切換波束的智慧型天線裝置與相關的無線通信電路 - Google Patents

Description

可切換波束的智慧型天線裝置與相關的無線通信電路

本發明是有關無線通信技術，尤指一種可切換束波的高增益智慧型天線和相關的無線通信電路。

天線是無線通信設備中重要的元件之一，但物理上的限制使得天線經常是電路模組中面積、尺寸最大的元件之一。現今無線通信相關產品愈來愈強調實用性與技術性，固定天線場型的天線設計已經漸漸不能滿足高階產品的需求。

為了獲得更好的訊號傳輸品質或更遠的傳輸距離，使無線通信裝置能在運作的過程中彈性改變天線輻射能量的場型，將天線的輻射能量集中到想要的方向，以增加訊號的傳送距離和品質，一直是天線設計上最重要也最複雜之處。

有鑑於此，如何增加天線輻射場型的變化自由度，並簡化天線的設計，實為業界有待解決的問題。

本說明書提供了一種可切換波束的智慧型天線裝置之實施例，其包含有：一第一、一第二、一第三、以及一第四波束調整元件，分別與一基板實質上垂直；一輻射條，位於該第一至第四波束調整元件所圍成的一區域中，並與該基板實質上垂直；一第一波束控制模組，設置於該第一波束調整元件與該基板之間；一第二波 束控制模組，設置於該第二波束調整元件與該基板之間；一第三波束控制模組，設置於該第三波束調整元件與該基板之間；以及一第四波束控制模組，設置於該第四波束調整元件與該基板之間；其中當該第一波束控制模組開啟該第一波束調整元件時，該第二至第四波束控制模組中的至少其一會關閉相對應的波束調整元件。

另一種可切換波束的智慧型天線裝置的實施例包含有：複數個波束調整元件，分別與一基板實質上垂直；複數個波束控制模組，每一波束控制模組設置於該複數個波束調整元件的其中之一與該基板之間；一輻射條，位於該複數個波束調整元件所定義的一區域中，並與該基板實質上垂直；以及其中當該複數個波束控制模組中的一波束控制模組開啟相對應的波束調整元件時，其他波束控制模組中的至少其一會關閉相對應的波束調整元件。

本說明書另提供了一種無線通信電路，用來透過一可切換波束的智慧型天線裝置接收信號，該智慧型天線裝置包含有分別與一基板實質上垂直的複數個波束調整元件；複數個波束控制模組，設置於該基板上，分別用來開啟或關閉該複數個波束調整元件；位於該複數個波束調整元件所定義的一區域中且與該基板實質上垂直的一輻射條；該無線通信電路包含有：一信號處理電路，用以處理該智慧型天線裝置所接收到的信號；以及一控制電路，耦接於該信號處理電路，用於控制該複數個波束控制模組的運作；其中當該控制電路控制該複數個波束控制模組中的至少其一開啟相對應的波束調整元件時，該控制電路會控制其他波束控制模組中的至少其一關閉相對應的波束調整元件。

100、700、900‧‧‧無線通信裝置

102‧‧‧基板

110、710‧‧‧智慧型天線裝置

120‧‧‧無線通信電路

122‧‧‧信號處理電路

124‧‧‧控制電路

131、132、133、134、731、732、733、734‧‧‧波束調整元件

141、142、143、144‧‧‧波束控制模組

151‧‧‧輻射條

圖1為本發明之無線通信裝置的一實施例簡化後的立體示意圖。

圖2為圖1中的無線通信裝置的俯視圖。

圖3至圖6為圖1中的智慧型天線裝置的不同輻射場型態樣簡化後的示意圖。

圖7為本發明之無線通信裝置的另一實施例簡化後的示意圖。

圖8為圖7中的無線通信裝置的俯視圖。

圖9為本發明之無線通信裝置的另一實施例簡化後的立體示意圖。

以下將配合相關圖式來說明本發明之實施例。在這些圖式中，相同的標號表示相同或類似的元件或流程步驟。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，同樣的元件可能會用不同的名詞來稱呼。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的基準。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於…」。另外，「耦接」一詞在此包含任何直接及間接的連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接(包含透過電性連接或無線傳輸、光學傳輸等訊號連接方式)連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電性或訊號連接至該第二裝置。

在此所使用的「及/或」的描述方式，包含所列舉的其中之一或 多個項目的任意組合。另外，除非本說明書中有特別指明，否則任何單數格的用語都同時包含複數格的涵義。

在通篇說明書及後續的請求項當中，若描述第一元件位於第二元件上、在第二元件上方、連接、接合、耦接於第二元件或與第二元件相接，則可表示第一元件直接位在第二元件上、直接連接、直接接合、直接耦接於第二元件，亦可表示第一元件與第二元件間有其他中介元件存在。相對之下，若描述第一元件直接位在第二元件上、直接連接、直接接合、直接耦接、或直接相接於第二元件，則代表第一元件與第二元件間沒有其他中介元件存在。

請參考圖1與圖2，圖1為本發明一實施例之無線通信裝置100簡化後的立體示意圖，圖2為無線通信裝置100的俯視圖。無線通信裝置100包含有設置在基板102上的可切換束波(switched beam)的高增益智慧型天線裝置110和無線通信電路120。在本實施例中，智慧型天線裝置110包含有四個波束調整元件(beam adjusting element)131、132、133和134、四個波束控制模組(beam control module)141、142、143和144，以及用以構成一單極天線的輻射條(radiation strip)151。如圖1所示，波束調整元件131~134和輻射條151皆與基板102實質上垂直，且輻射條151位於波束調整元件131~134所圍成的一區域中。其中，基板102具有一金屬層，以供設置該些波束調整元件131~134和波束控制模組141~144。

波束控制模組141~144分別設置於波束調整元件131~134和基板102的連接處，用來開啟或關閉所耦接的相應波束調整元件，換言之，控制模組141~144分別為波束調整元件131~134與基板 102的橋接元件。實作上，波束控制模組141~144可以是用二極體、電晶體、或是微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)來實現的開關電路。

無線通信電路120包含信號處理電路122和控制電路124。信號處理電路122耦接於智慧型天線裝置110，用以處理智慧型天線裝置110所接收到的信號。控制電路124耦接於智慧型天線裝置110,用於控制智慧型天線裝置110中的波束控制模組141~144的運作方式。

當波束控制模組141~144設置在基板102上時，控制電路124與波束控制模組141~144間的控制信號線可直接布線在基板102上，而無須延伸至波束調整元件131~134的本體上。因此，波束調整元件131~134內不須設置用來搭載控制信號路的電路板，也無需在波束調整元件131~134的本體上設置開關電路，故可有效簡化波束調整元件131~134的結構和電路控制上的複雜度。實作上，各波束調整元件131~134和輻射條151可以用截面為圓形、四邊形或多邊形的單一金屬柱來實現。在圖1與圖2的實施例中，各波束調整元件131~134和輻射條151是用直條狀的單一金屬片來實現，這樣的結構更便於製造及節省所需的材料量。在其他實施例中，各波束調整元件131~134及/或輻射條151也可以用蜿蜒狀的單一金屬片或螺旋狀的單一金屬條來實現。

為簡潔起見，圖1和圖2中將無線通信裝置100中的其他元件以及無線通信電路120與智慧型天線裝置110間的控制信號線路省略。

在智慧型天線裝置110中，波束調整元件131~134個別的等效電流路徑長度大於或等於輻射條151的等效電流路徑長度。

在圖1的實施例中，輻射條151至波束調整元件131的間距D1和輻射條151至波束調整元件133的間距D3約略相等。此外，輻射條151至波束調整元件132的間距D2，亦和輻射條151至波束調整元件134的間距D4約略相等。

較佳者，在一操作頻段在2.4~2.5GHz的實施例中，將間距D1、D2、D3和D4設置為介於10毫米~25毫米之間，以獲得較佳的天線增益。

在運作時，控制電路124控制波束控制模組141~144的切換運作，來切換與輻射條151搭配的波束調整元件，以改變輻射條151的輻射能量集中方向。例如，圖3係控制電路124使波束控制模組141和142分別開啟波束調整元件131和132，並使波束控制模組143和144分別關閉波束調整元件133和134時，智慧型天線裝置110的輻射場型態樣簡化後的示意圖。

圖4為控制電路124使波束控制模組142和143分別開啟波束調整元件132和133，並使波束控制模組141和144分別關閉波束調整元件131和134時，智慧型天線裝置110的輻射場型態樣簡化後的示意圖。

圖5為控制電路124使波束控制模組143和144分別開啟波束調整元件133和134，並使波束控制模組141和142分別關閉波束調整元件131和132時，智慧型天線裝置110的輻射場型態樣簡化後的示意圖。

圖6為控制電路124使波束控制模組141和144分別開啟波束調整元件131和134，並使波束控制模組142和143分別關閉波束調整元件132和133時，智慧型天線裝置110的輻射場型態樣簡化後的示意 圖。

另外，控制電路124也可以在使波束控制模組141~144的其中之一開啟對應的波束調整元件的同時，控制其他三個波束控制模組關閉對應的波束調整元件。或者，控制電路124也可以使波束控制模組141~144的其中之一關閉對應的波束調整元件，同時控制其他三個波束控制模組開啟對應的波束調整元件。在這兩種情況下，智慧型天線裝置110的輻射場型會有些許不同。

由前述說明可知，控制電路124可藉由控制波束控制模組141~144的切換運作，來改變智慧型天線裝置110的輻射場型和輻射能量的集中方向，因而擴大智慧型天線裝置110的天線輻射能量可涵蓋的區域範圍，增加無線通信裝置100的收發距離。或者，無線通信裝置100也可利用前述方式，在多路徑反射區域內選擇最佳的信號通道，進而大幅改善信號傳輸的品質。

請參考圖7和圖8。圖7所繪示為本發明另一實施例之無線通信裝置700簡化後的立體示意圖。圖8為無線通信裝置700的俯視圖。無線通信裝置700中的可切換束波的高增益智慧型天線裝置710的架構，與前述的智慧型天線裝置110類似，但智慧型天線裝置710另包含有四個外圈波束調整元件(outer beam adjusting element)731、732、733和734，設置於波束調整元件131~134的外圍，並分別與基板102實質上垂直。外圈波束調整元件731~734個別的等效電流路徑長度會小於輻射條151的等效電流路徑長度，也會小於波束調整元件131~134個別的等效電流路徑長度。

在圖7的實施例中，輻射條151與外圈波束調整元件731間的間距D5，和輻射條151與外圈波束調整元件733間的間距D7約略相等 。另外，輻射條151與外圈波束調整元件732的間距D6，亦會和輻射條151與外圈波束調整元件734的間距D8約略相等。

以操作頻段在2.4~2.5GHz的實施例而言，可將前述的D5、D6、D7和D8設置為介於55毫米~65毫米之間，以獲得較佳的天線增益。

實作上，各外圈波束調整元件731~734可以用截面為圓形、四邊形或多邊形的單一金屬柱來實現，也可以用直條狀的單一金屬片來實現(如圖7和圖8所繪示)，以便於製造及節省所需的材料量。在其他實施例中，各外圈波束調整元件731~734也可以設計為蜿蜒狀的單一金屬片或螺旋狀的單一金屬條。

外圈波束調整元件731~734的存在，可使輻射條151的輻射能量進一步集中。例如，當波束控制模組141和142開啟波束調整元件131和132且波束控制模組143和144關閉波束調整元件133和134時，外圈波束調整元件731和732的存在，使得輻射條151的輻射場型比圖3之輻射場型態樣更集中。

又例如，當波束控制模組142和143開啟波束調整元件132和133且波束控制模組141和144關閉波束調整元件131和134時，外圈波束調整元件732和733的存在，可使輻射條151的輻射場型比圖4的實施例態樣更集中。因而進一步加強智慧型天線裝置710的輻射能量集中效果。如此一來，便可更擴大智慧型天線裝置710的天線輻射能量可涵蓋的區域範圍，增加無線通信裝置700的收發距離，和改善信號傳輸的品質。

實作上，智慧型天線裝置中的輻射條、波束調整元件、和波束控制模組的數量和位置，並不侷限於前述實施例中的態樣。例如可 增加波束調整元件和波束控制模組的個數，以增加智慧型天線裝置的天線輻射場型的變化方式；也可以將具有前揭架構的兩個智慧型天線裝置，以背對背的方式組合使用，以增加無線通信裝置的天線輻射場型的可變化組合。例如圖9繪示兩個智慧型天線裝置710以背對背方式組合，且其中之一旋轉45度配置的實施例。實作上，兩個智慧型天線裝置間的旋轉角度也可以視電路設計上的需要而調整，並不侷限於圖9的實施例。此外，也可以將兩組智慧型天線裝置同時設置在同一個基板的不同平面上，以節省材料的使用。

前述的可切換波束的智慧型天線裝置可應用在各種無線通信裝置中，例如無線網路卡、無線基地台(AP)、和各種支援無線通信功能的家電產品(如TV或DVD)等等。

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。

100‧‧‧無線通信裝置

102‧‧‧基板

110‧‧‧智慧型天線裝置

120‧‧‧無線通信電路

122‧‧‧信號處理電路

124‧‧‧控制電路

131、132、133、134‧‧‧波束調整元件

141、142、143、144‧‧‧波束控制模組

151‧‧‧輻射條

Claims (17)

1. 一種可切換波束的智慧型天線裝置，其包含有：一第一、一第二、一第三、以及一第四波束調整元件，分別與一基板實質上垂直；一輻射條，位於該第一至第四波束調整元件所圍成的一區域中，並與該基板實質上垂直，用以構成一單極天線；一第一波束控制模組，設置於該第一波束調整元件與該基板之間，且該第一波束調整元件的等效電流路徑長度大於或等於該輻射條的等效電流路徑長度；一第二波束控制模組，設置於該第二波束調整元件與該基板之間，且該第二波束調整元件的等效電流路徑長度大於或等於該輻射條的等效電流路徑長度；一第三波束控制模組，設置於該第三波束調整元件與該基板之間，且該第三波束調整元件的等效電流路徑長度大於或等於該輻射條的等效電流路徑長度；以及一第四波束控制模組，設置於該第四波束調整元件與該基板之間，且該第四波束調整元件的等效電流路徑長度大於或等於該輻射條的等效電流路徑長度；其中當該第一波束控制模組開啟該第一波束調整元件時，該第二至第四波束控制模組中的至少其一會關閉相對應的波束調整元件。
2. 如請求項1所述的可切換波束的智慧型天線裝置，其中當該第一波束控制模組開啟該第一波束調整元件且該第二波束控制模組開啟該第二波束調整元件時，該第三波束控制模組會關閉該第三波 束調整元件。
3. 如請求項1所述的可切換波束的智慧型天線裝置，其中該輻射條設置於該第一波束調整元件和該第三波束調整元件之間，且該輻射條和該第一波束調整元件的間距，與該輻射條和該第三波束調整元件的間距實質上相等。
4. 如請求項3所述的可切換波束的智慧型天線裝置，其中該輻射條設置於該第二波束調整元件和該第四波束調整元件之間，且該輻射條和該第二波束調整元件的間距，與該輻射條和該第四波束調整元件的間距實質上相等；其中該輻射條與該第一波束調整元件的間距介於10毫米~25毫米之間，且該輻射條與該第二波束調整元件的間距介於10毫米~25毫米之間。
5. 如請求項4所述的可切換波束的智慧型天線裝置，另包含有：一第一、一第二、一第三以及一第四外圈波束調整元件，設置於該第一至第四波束調整元件的外圍；其中該第一至第四外圈波束調整元件個別的等效電流路徑長度，小於該輻射條的等效電流路徑長度。
6. 如請求項5所述的可切換波束的智慧型天線裝置，其中該第一至第四外圈波束調整元件分別為一金屬片，且該輻射條與該第一外圈波束調整元件的間距介於55毫米~65毫米之間。
7. 如請求項1所述的可切換波束的智慧型天線裝置，其中該輻射條及該第一至第四波束調整元件分別為單一金屬片、金屬柱或金屬條。
8. 如請求項7所述的可切換波束的智慧型天線裝置，其中該第一至 第四波束控制模組設置在該基板上。
9. 一種可切換波束的智慧型天線裝置，其包含有：複數個波束調整元件，分別與一基板實質上垂直；複數個波束控制模組，每一波束控制模組設置於該複數個波束調整元件的其中之一與該基板之間；一輻射條，位於該複數個波束調整元件所圍成的一區域中，並與該基板實質上垂直，用以構成一單極天線，且該複數個波束調整元件的至少其中之一的等效電流路徑長度，大於或等於該輻射條的等效電流路徑長度；以及其中當該複數個波束控制模組中的一波束控制模組開啟相對應的波束調整元件時，其他波束控制模組中的至少其一會關閉相對應的波束調整元件。
10. 如請求項9所述的可切換波束的智慧型天線裝置，其中該複數個波束控制模組中會同時有兩個波束控制模組開啟相對應的波束調整元件。
11. 如請求項9所述的可切換波束的智慧型天線裝置，其中該輻射條設置於該複數個波束調整元件所圍成的區域的中央，且該輻射條與該複數個波束調整元件的其中之一的間距介於10毫米~25毫米之間。
12. 如請求項9所述的可切換波束的智慧型天線裝置，另包含有：複數個外圈波束調整元件，設置於該複數個波束調整元件的外圍；其中該複數個外圈波束調整元件中的一第一外圈波束調整元件的等效電流路徑長度，小於該輻射條的等效電流路徑長度。
13. 如請求項12所述的可切換波束的智慧型天線裝置，其中該複數個外圈波束調整元件分別為一金屬片，且該輻射條與該複數個外圈波束調整元件的其中之一的間距介於55毫米~65毫米之間。
14. 如請求項9所述的可切換波束的智慧型天線裝置，其中該輻射條及該複數個波束調整元件分別為單一金屬片、金屬柱或金屬條。
15. 如請求項14所述的可切換波束的智慧型天線裝置，其中該複數個波束控制模組設置在該基板上。
16. 一種無線通信電路，用來透過一可切換波束的智慧型天線裝置接收信號，該智慧型天線裝置包含有分別與一基板實質上垂直的複數個波束調整元件；複數個波束控制模組，設置於該基板上，分別用來開啟或關閉該複數個波束調整元件；以及位於該複數個波束調整元件所圍成的一區域中且與該基板實質上垂直的一輻射條，該輻射條用以構成一單極天線，且該複數個波束調整元件的至少其中之一的等效電流路徑長度，大於或等於該輻射條的等效電流路徑長度；該無線通信電路包含有：一信號處理電路，用以處理該智慧型天線裝置所接收到的信號；以及一控制電路，耦接於該信號處理電路，用於控制該複數個波束控制模組的運作；其中當該控制電路控制該複數個波束控制模組中的至少其一開啟相對應的波束調整元件時，該控制電路會控制其他波束控制模組中的至少其一關閉相對應的波束調整元件。
17. 如請求項16所述的無線通信電路，其中該控制電路會同時控制兩個波束控制模組開啟相對應的波束調整元件。