一種天線裝置與系統的製作方法

2023-10-09 07:04:29

本發明系有關於一種無線通通過信領域，尤指一種多輸入多輸出天線設備及系統。

背景技術：

隨著通訊技術的發展，人們對大容量高速率的通信服務需求越來越強烈，現今技術中，多利用MIMO系統獲得空間多任務(space diversity)增益，從而提升傳輸的可靠性，通過多流傳輸提高傳輸速率。使用MIMO技術的無線通信系統在發射端使用多個天線發送多個信號，並在接收端使用多個天線接收並恢復原信號。

多組天線之間亦可利用電波的極化方向使天線獲得一定的獨立性，一樣可得到空間多任務的效果。電波的極化方向不同是指構成天線單元的天線振子電場矢量在空間運動的軌跡或變化的狀態不同。由於兩組正交的極化波提供良好的隔離度，在長距離MIMO通信系統中，發射端的發射天線與接收端的接收天線常採用雙極化天線，如此即可充分發揮空間多任務的效果，提供良好的2x2MIMO點對點通訊及近乎單極化天線二倍的通訊容量。

技術實現要素：

鑑於本發明之目的，本發明提供一種天線裝置，包括：拋物面碟盤，拋物面碟盤具有一焦點；接收器，位於所述焦點，具有多個接收單元，用以接收非正交極化方向之電磁波。

另外，本發明提供一種天線系統，包括：第一天線裝置，包括：第一拋物面碟盤，其中第一拋物面碟盤具有第一焦點；第一接收器，位於所述第一焦點，具有多個第一接收單元，用以發送非正交極化方向的電磁波；第二天線裝置，包括：第二拋物面碟盤，其中第二拋物面碟盤具有第二焦點；第二接收器，位於所述第二焦點，具有多個第二接收單元，用以接收非正交極化方向的電磁波。

在一示例中，第一接收單元及第二接收單元系分別以不同方位設置，並以拋物面碟盤軸線為軸心以相同轉動角度間隔。

在一示例中，第一天線裝置包括第一反射組件，第一反射組件位於第一接收器一側，第二天線裝置包括第二反射組件，第二反射組件位於第二接收器一側，通過反射電磁波以增加信號傳輸的增益。

在一示例中，第一接收單元及第二接收單元使用多輸入多輸出(multi-input and multi-output，MIMO)技術傳輸所述電磁波。第一接收單元分別同時發送獨立數據流並由對應第二接收單元分別同時接收所述獨立數據流。

相較於現有技術，本發明提供的天線設備，利用碟形天線提升電磁波傳輸距離及增益，並利用非正交極化方向數據流提供點對點微波通訊，突破二組極化方向的限制，增加天線在進行遠距離與高增益點對點傳輸時的數據吞吐量，有效提升電磁波訊號發送與接收的質量。

附圖說明

圖1系顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置。

圖2A系顯示根據本發明一實施例所述天線裝置之接收器，其中包含接收單元。

圖2B系顯示根據本發明另一實施例所述之天線裝置接收單元。

圖3A系顯示根據本發明一實施例所述之天線系統。

圖3B系顯示根據本發明另一實施例所述之天線系統。

圖4系顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置之方塊圖。

主要元件符號說明

如下具體實施方式將結合所述附圖進一步說明本發明。

具體實施方式

為了便於本領域普通技術人員理解和實施本發明，下面結合附圖與實施例對本發明進一步的詳細描述，應當理解，此處所描述的實施例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。

圖1系顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置。如圖1所示，根據本發明一實施例所述之天線裝置包括拋物面碟盤110、接收器120、多個接收單元121、反射組件130、印刷電路板140以及固定軸150。

拋物面碟盤110具有一焦點位置111，經由拋物面碟盤110的拋物面盤面反射集中電磁波的能量至焦點位置111的接收器120上，通常來說，拋物面碟盤110越大代表著反射區越大，增益也越大，電磁波發射與接收的頻率越高增益也越大。透過碟形天線所產生的電磁波特性有極窄的波束寬度及很高的增益值，常用於遠距離的點對點通訊連接，透過接收器120接收電磁波訊號，在沒有阻礙物的環境下，傳輸距離可高達25英哩，可稱為高增益的指向性天線。

接收器120，具有多個接收單元121，位於拋物面碟盤110的焦點位置111，多個接收單元以拋物面碟盤之軸線為軸心以不同轉動角度設置，並以相同角度間隔，用以發送或接收各種極化方向之電磁波，在一實施例中，相鄰角度之極化方向的電磁波系以非正交極化方向配置。反射組件130位於接收器120之一側，通過反射電磁波的能量至接收單元121用以增加信號傳輸的增益。印刷電路板140，設置於天線裝置本體上與其作導電性連接，並作為基板固定於固定軸150上，固定軸150設置於拋物面碟盤天線接收軸心在線，印刷電路板140於拋物面碟盤110之焦點位置111處電性連接接收器120。需特別申明，以上所稱之軸線系其電波接收軸線。若為中央聚焦型(Central Focal)碟盤,其接收軸線與焦點都位於拋物面碟盤之幾何中央軸在線；若為偏焦型(Offset Focal)碟盤，其接收軸線與焦點所在之反射波傳送軸線依其偏焦設計會與拋物面碟盤之幾何中央軸線有一夾角。本說明書僅以中央聚焦型碟盤為例做說明，因此其接收軸線與拋物面碟盤反射電波傳送軸線同為拋物面碟盤之幾何中央軸線。熟悉天線技藝者可輕易將本案概念應用在偏焦型碟盤。

圖2A系顯示根據本發明一實施例所述天線裝置之接收器120，其中包含接收單元121A。

天線裝置透過電場與磁場之間能量的來回運動形成所謂的電磁波進行無線通信，電場與電磁波的極化方向有直接的關係，而接收單元121以水平或垂直方向之配置，即可產生特定極化方向之電場。舉例來說，若電場平行於地面則形成水平極化，若電場垂直於地面則產生垂直極化，因此透過改變接收單元121的實體方位，可產生各種不同極化方向的電磁波。在自由空間中，任何天線裝置將遭遇來自各個方向的電磁波幅射，但電場極化方向與該天線之電場極化方向一致的電磁波可以最有效的被接收。本說明書系以線性極化為例，然熟悉天線技藝者亦可以其他極化天線實施而能達到相同效果。以碟形天線為例，其接收單元121位於拋物面碟盤110的焦點位置111，所形成的電磁波為窄波束，此類天線裝置主要用於點對點的長途通訊。在電信服務上，可作為同軸電纜或光纖的替代方案，在同樣距離下透過碟形天線進行語音或視訊傳輸所需的通訊設備如放大器或中繼器會比同軸電纜或光纖少很多。

如圖2A所示，根據本發明一實施例所述天線裝置之接收單元121A系以拋物面碟盤接收軸線z為軸心以三種不同轉動角度設置，例如以Y坐標軸的正半軸為0°方向，接收單元121A分別設置於0°方向、60°方向及-60°方向，接收單元之間的間隔角度為60°根據設置不同方向之接收單元121A用以接收及發射來自各種極化方向之電磁波，然而間隔之角度僅為範例，在實際應用上間隔角度並不以此為限，可為其他角度。接收單元121A可使用多輸入多輸出(multi-input and multi-output，MIMO)技術傳輸電磁波，其中多個接收單元121A分別依其極化方向同時接收及發射獨立數據流。

圖2B系顯示根據本發明另一實施例所述之天線裝置接收器120。如圖2B所示，根據本發明一實施例所述之天線裝置之接收單元121B系以拋物面碟盤接收軸線z為軸心以四種不同轉動角度設置，並以相同角度間隔，例如以Y坐標軸的正半軸為0°方向，接收單元121B分別設置於22.5°方向、67.5°方向、-22.5°方向及-67.5°方向，接收單元之間的間隔角度為45°，根據設置不同方向之接收單元121B用以涵蓋接收來自四種極化之電磁波。同樣的，接收單元121B可使用多輸入多輸出(multi-input and multi-output，MIMO)技術傳輸電磁波，其中多個接收單元121B分別依其極化方向同時接收及發射獨立數據流。

圖3A系顯示根據本發明一實施例所述之天線系統。如圖3A所示，根據本發明一實施例所述之天線系統包括第一天線裝置300與第二天線裝置301。第一天線裝置300包括第一拋物面碟盤310及第一接收器320，其中第一接收器320位於第一拋物面碟盤焦點位置並具有多個第一接收單元，第一接收單元之配置方式如同圖2A中接收單元121A所述之配置方式，第一天線裝置300發送非正交極化方向的電磁波至第二天線裝置301。第二天線裝置301包括第二拋物面碟盤311及第二接收器321，其中第二接收器位於第二拋物面碟盤焦點位置並具有多個第二接收單元，用以接收由第一天線裝置300所發送之非正交極化方向的電磁波，第二接收單元之配置方式如同圖2A中接收單元121A所述之配置方式。在圖3A的實施例中，第一接收器320發送0°、60°及-60°三個(線性)極化方向的電磁波至第二接收器321，三個極化方向的電磁波之間各相鄰接收單元的夾角間隔是60°。

圖3B系顯示根據本發明另一實施例所述之天線系統。根據第一接收器320之第一接收單元個數，發送不同極化方向的電磁波，如圖3B所示，由第一接收器320發送67.5°、22.5°、-22.5°及-67.5°四個(線性)極化方向的電磁波至第二接收器321，而第二接收器321具有對應個數之第二接收單元(在本實施例中為四個)，四個極化方向的電磁波之間各相鄰接收單元的夾角間隔是45°。

在一實施例中，第一接收單元及第二接收單元系分別以不同方位設置，並以相同角度間隔，然而角度間隔僅為範例，並不以此為限，在實際應用上仍可依實際應用環境需求調整角度。

圖4系顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置之方塊圖。如圖4所示，根據本發明一實施例所述之天線裝置，其中天線裝置包含處理單元410、數字/模擬轉換器420、模擬/數字轉換器430及多極化天線440。多極化天線440包含第一極化接收單元441、第二極化接收單元442、第三極化接收單元443。

處理單元410，可存取多個獨立數據流通道，可存取的獨立通道數量取決於多極化天線440中的極化接收單元數量。如圖4所示，本實施例具有三個獨立信道，每一獨立信道可透過極化接收單元發送與接收電磁波能量，在無線通信系統中，相同的接收單元可同時當作發送與接收天線，並利用雙工器或是分岔器(圖中未顯示)分離傳送及發送的訊號。處理單元410將信號發送到數字/模擬轉換器420，數字/模擬轉換器420將數字訊號轉換成三個指定信道的模擬訊號，分別為第一輸出訊號、第二輸出訊號、第三輸出訊號，利用頻率轉換器及功率放大器將訊號放大(功能方塊未圖標)後，透過接收機分別輸出到對應的極化接收單元，第一輸出訊號根據第一極化接收單元441發送，第二輸出訊號根據第二極化接收單元442發送，第三輸出訊號根據第三極化接收單元443發送。

多極化天線440接收到電磁波訊號時，透過第一極化接收單元441接收第一輸入訊號、透過第二極化接收單元442接收第二輸入訊號、透過第三極化接收單元443接收，分別將接收到的三筆電磁波訊號經由功率放大器及頻率轉換器將訊號放大(功能方塊未圖標)後，將第一輸入訊號、第二輸入訊號及第三輸入訊號透過模擬/數字轉換器430轉換成數字訊號後發送給處理單元410。

相同的載波頻率、不幾何正交極化的電磁波可能彼此幹擾。然而，精心安排的振幅和相位關係可以使一主載波的每個子載波(Sub-Carrier)之間具有正交性(Orthogonality)，多個電波之間成為數學「垂直」，使多路徑幹擾降至最低。若在各子載波承載不同數據流，即可同時傳輸不同組數據，增加傳輸帶寬。這就是所謂的正交分頻多任務(OFDM)方法。此外，多重輸入輸出(MIMO)多個天線裝置已被證明可以根據空間多任務原理有效的同時傳送多組數據流。目前MIMO-OFDM已經成為高帶寬無線通信，如LTE和WiFi的主導方案。

在一點對點微波鏈路，兩個獨立(例如垂直與水平線性極化，或左旋或右旋的旋極化波)的極化電波可提供一良好的2x2的MIMO的空間多任務通訊。若MIMO數大於2，即使因電磁波不幾何正交極化而使空間多任務的效果鈍化，仍能享有部分空間多任務的益處。在本案中，設在拋物面碟盤焦點處的多個天線接收單元提供了一點至點的MIMO-OFDM無線鏈路。同在焦點位置的多個天線接收單元可以充分發揮空間多任務通訊的益處。根據本發明實施例所述之天線裝置與系統採用非正交極化之電磁波傳遞數據，實驗證實，在接收單元數大於2時,仍能產生大於2倍於單一極化電波所能提供的吞吐量，對於電磁波訊號的發送與接收質量，仍有顯著的提升。用於長距離傳輸且高方向性的點對點通訊，搭配多輸入多輸出技術而以多重路徑傳遞多個數據流，能夠有效提升無線傳輸的吞吐量。

綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上該者僅為本發明之較佳實施方式，本發明之範圍並不以所述實施方式為限，舉凡熟悉本案技藝之人士爰依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。