TWI345338B - Phased-array smart antenna apply to wlan ap/router - Google Patents

Description

1345338 ' 九、發明說明： • ^ 【發明所屬之技術領域】 本發明是指一種相位陣列式智慧天線及運作方 法，特別是指一種應用於無線網路橋接器之相位陣列 式智慧天線及運作方法。 【先前技術】 傳統應用於無線網路產品的天線可使用偶極 _ (dipole)或單極(monopole)天線，這些類型的天線場形 覆蓋範圍約為360度。從應用面來看，它的好處是可 以有更多的使用者都能透過橋接器進入網際網路，但 是由於天線的增益不高，無線通訊距離因此受限。為 了要讓增益提高，可以應用指向性天線讓傳輸距離增 " 加；但缺點則是，指向性天線場型以外方向的用戶無 法有良好的傳輸效率；因此能依照用戶使用的區域， 自動切換場型的智慧天線，因應而生。此種智慧天線 參 的增益高並且能透過軟體的控制，自動切換場型來服 務用戶，有覆蓋範圍大且增益高的好處，廣泛的應用 於無線通訊中。 現行的智慧天線大部份是利用數個指向性天線， 這種智慧天線是透過軟體切換二極體開關以選擇要使 用的天線方向來進行通訊傳輸。此種智慧天線的增益 利用率不高，因為其僅切換任一單方向的天線，無法 同時有效利用其餘的天線以增加效益；即使使用了， 但天線之間的相位、距離和個別天線的場型不能相互 5 1345338 配合，對於增益的加乘上也不能有良好的效果。 另外，現行的智慧天線的電路控制層、分支耦合 器和天線都在同一層，不僅佔用面積，並且增益的效 果益不佳。 職是之故，申請人鑑於習知技術中的缺點，經過 悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，終構思出 本案「相位陣列式智慧天線及運作方法」，以下為本案 之簡要說明。 【發明内容】 本發明的目的在於提供一種相位陣列式之智慧天 線以及其運作方法，以解決目前智慧天線的增益不良 的問題。 本發明提供一種相位陣列式之智慧天線，用以傳 遞一電波，該電波具一波長，該智慧天線包括同時開 啟以傳輸訊號四天線、二輸入端分支耦合器、二輸出 端分支耦合器及一控制電路，其中分支耦合器是指 Branch line coupler 〇 本發明也提供一種相位陣列式之智慧天線的運作 方法，該智慧天線包括四天線，該方法包括同時開啟 該四天線以傳輸訊號。該智慧天線更包括二輸入端分 支耦合器及二輸出端分支耦合器，其中每一輸入端分 支耦合器具有二輸入端，該二輸入端分支耦合器共具 有四輸入端，每一輸出端分支耦合器具有二輸出端， 該二輸出端分支耦合器共具有四輸出端，而該方法更 6 1345338 ==步驟：⑷開啟該四輸入端中的其中-輸入端 =關閉其餘三輸入端；⑻輸入-輪入訊號於該開啟之 輸入端，及（C)藉由該四輸出端輸出訊號。 本發明較佳地可以改變天線的場型，選擇服務的 區域，增益較-般全向性天線高，能使通訊距離增加。 本發明較佳地利用陣列天線的概念，改變相位和 天線之間的輯’讓天線的増益有相加相減的效果，

有別於利用切換單-指向性天線的作法，有效利用天 線的使用率。 【實施方式】 請參閱第…，第！圖是本案智慧天線第一較佳 . 實施例之四個陣列天線的相位關係圖，其中第一天線 ' ^第二天、線2、第三天線3及第四天線4各據於-四 ，形5之四角，而四邊形5的對角線長二分之一波長， 若以第天線1為切線而晝一基準切線6，則可見第 • 二天線2及第四天線4距基準切線6四分之一波長， 而第二天線3則距基準切線6二分之一波長。 。又其中四個單一天線的場型在水平面必須涵蓋 360為全向性天線，如此在每一個方向上，天線的相 加、相減量才能相同，若四個天線的相位由第一天線 1到第四天線4的關係為180。、90。、〇。和90。，第一 =線1和第三天線3相位相差18〇。，而第一天線工為 落後相位，兩天線距離相距二分一之波長，第三天線 3和第一天線1的相位差被二分一之波長的距離所抵

7 1345338 消在第一天線1上，兩天線是相互加乘的，而第_ 天線2和第四天線4相位是9(r，基準切線6到天^ =直距離是四分-之波長，所以在45。度朝第—天 、、方向上如第1圖所示，四個天線的增益是加乘 也是增益最大的方向’在理論上四個天線所帶來的陣 列因子為_的增益；同理若第-天線1到第四天線 ^之間的相位關係為9G。、⑽。、％。、Q。，它的輕: 場型和增益最大值會往第二天線2移動，因此处

改變天線的相位，_就能切換我們想要的場=，= 四個陣列天線的輻射場型涵蓋36〇。。

請參閱第2圖’第2圖為本案智慧天線第一較佳 實施例之產生四種相位組合的傳輸線饋人網路示音 圖’傳輪線饋人網路11主要是由四個分域合;；、 (b職Mme)所組成，其+，第一輸入分支耗合器了及 第二輸入分支耦合器8為天線的輸入端，而第一輸出 分支耦合器9及第二輸出分支耦合器1〇為天線的輸出 端二其中’第-輸入分支耦合器7包括第一輸入端釘 及四輸入端24，第二輸入分支輕合器8包括第二輸 入端22及第三輸入端23，第一輸出分支耦合器9包 括第-輸出端31及第二輪出端32，第二輸出分支耦 合器10包括第三輸出端33及第四輪出端34。 請參閱表一’表一為輸入端與輪出端的相位對岸 表’首先看到狀態-中，若藉由控制電路開啟第一輸 入端2i並關閉第二輸入端22、第三輸入端23及第四 輸入端24,則第一輸出端31、第二輸出端32、第三 8 ^45338 輪出端33及第四輪出端34的相位關 UO。和90。；在狀離-、-芬 ^ 矛'為〇 、90。、 入蠕22、第三輸入端23及第四輸入端入以由第二輪 同的輪入端，則輸出相位的關係跟著不^ ’選擇不 丄表一】

=施例之天線及傳輸線饋人㈣之俯視示意圖，j 圈中的各個輸出端皆相對應於第2圖中的各輕 輪出較於第2圖中的各輸出端，本圖中的名 1出端白有延伸出小一段。本圖t可以看到第一 :於第-輸出端31，第二天線2位於第二輸出端 天線3位於第三輸出端33，第四天線位4 在本圖中並將第一、二、三及四天線; &疋義為由X轴及Y軸所構成的XY平面。 請參閱第4圖，第4圖是本案智慧天線第 1345338 實施例之天線及傳輸線饋入網路之側視示意圖，其中 可以看到第三天線3及第四天線4,另外因為本圖是侧 視圖，所以第-天線1及第二天線2被擋住，無法示 出。另外，可以看到智慧天線具有上層41，上層Ο包 括二個輸人端分支搞合器、二個輸出端分支輕曰合器及 四個天線。又可以看到智慧天線具有_層42，中層42 為接地層。又可以看到智慧天線具有下層43,下層43.

包括控制電路。其中控制電路包括 切換該二輸入端分支耦合器。 換裝置用以

請參閱第5圖，第5圖是本案智慧天線第一較佳 貫施例之下層結構圖，圖中可以看到四個二極體Μ， 在本實施例中四個二極體51就㉔換裝置。又圖中可 以看到四傳輸線50,其中切換裝置藉由四傳輸線別分 別與四輸人端連接’該切換裝置與每—該四輸入端之 間的距離相同’該四傳輸線長度為二分之—波長的等 效長度，並且該切換裝置與每一該四輸入端之間的相 目同車乂佳地’本案智慧天線能減少所使用的面積， 益且有利於上層天線的增益的相加乘，有別於其它智 :天線的在同一層饋入方式。又該四傳輸線50不與切 %裝置連結的-端各具有—灌孔及55—直流阻斷電容 、中本案智慧天線運作時會開啟該四輸入端^ 電其餘三輸入端，也就是利用控, 電：以開啟該四輸入端中的其中一輸入端並關閉其名 -輪入端，更進一步說’就是利用控制電路以控制拿 10 1345338 % 其餘三輸入端的三個二極體不導通以形成開路，其中 該三個二極體分別到對應的關閉的三輸入端的距離為 二分之一波長的η倍以形成等效開路。又於本第五圖 中示出該控制電路更包括饋入信號輸入線59，其中饋 入仏说輸入線5 9的·-端連接於該該切換裝_置，該饋入 信號輸入線59是用以饋入一饋入信號58。另外，本圖 還示出饋入信號輸入端匹配電路57，其位於該饋入信 號輸入線59上。

又於本圖中示出第一高頻阻斷電路53 _ 六六·负呵 端，其一端連接於該饋入信號輸入端匹配電路57，另 二端接於一 3.3伏特之電源。又於本圖中示出四個第二 南頻阻斷電路54’每一該四個第二高頻阻斷電路54各 -、有兩端，其中一端接地，每一該四第二高頻阻斷電 路f 一端分別藉由高阻抗細線52連接於該四傳輸線， 四向阻抗細線52分別為四分之一波長。

請參閱第6圖，第6圖為狀態—由第—輸入端入 所仔到的場型圖。 請參閱第7圖，第7圖為狀態 所得到的場型圖。 輸入&入 4參閱第8圖，第8圖為狀態 所得到的場型圖。 第二輸入&入 請參閱第9圖，笫」 所得到的卿圖。 圖核㈣由第四輸入端入 場型二第1〇圖為™為225。平面上的 一 以看到在XY平面仰角30度為此天線

II (S 1345338 … 最大的增益值。 • 本發明較佳地可以有效的減少其它相同頻率信號 的干擾。 本發明較佳地可以改變天線的場型，選擇服務的 區域，增益較一般全向性天線高，能使通訊距離增加。 本發明較佳地利用陣列天線的概念，改變相位和 天線之間的距離，讓天線的增益有相加相減的效果， 有別於利用切換單一指向性天線的作法，有效利用天 g 線的使用率。 本案得由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般 修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。 【圖式簡單說明】 第1圖.本案智慧天線第一較佳實施例之四個陣 列天線的相位關係圖。 第2圖·本案智慧天線第一較佳實施例之產生四 % 種相位組合的傳輸線饋入網路示意圖。 第3圖：本案智慧天線第一較佳實施例之天線及 傳輸線饋入網路之俯視示意圖。 第4圖：本案智慧天線第一較佳實施例之天線及 傳輸線饋入網路之侧視示意圖。 第5圖.本案智慧天線第一較佳實施例之下層結 構圖。 第6圖：狀態一由第一輸入端入所得到的場型圖。 第7圖：狀態二由第二輸入端入所得到的場型圖。 12 1345338 第8圖：狀態三由第三輸入端入所得到的場型圖。 第9圖·狀態四由第四輸入端入所得到的場型圖。 第1 〇圖· Phi為225。平面上的場型圖。 【主要元件符號說明】 1 :第一天線 2 :第二天線 3 :第三天線 4 :第四天線 5 :四邊形 6 :基準切線 7:第一輪入分支耦合器 8:第二輪入分支耦合器 9:第一输出分支耦合器 第二輸出分支耦合器 傳輸線饋入網路 第一輸入端 第二輸入端 第三輸入端 24 :第四輸入端 1U 11 21 22 31 :第一輸出端 32 :第二輸出端 33 :第三輸出端 34 :第四輪出端 41 :上層 42 :中層 43 :下層 50 :四傳輪線 51 :四二極體 52 :高阻抗細線 52 :高阻抗細線 53 :第一高頻阻斷電路 54:四第二高頻阻斷電路 55 :灌孔 56 :直流阻斷電容 57 :饋入信號輸入端匹配電路 58 :饋入信號 59 :饋入信號輸入線 13 (S)

Claims (1)

1345338 年月日修正本 100 ^ ΠΑ- 十、申請專利範圍： 1. 一種相位陣列式之智慧天線，用以傳遞一電波，該電波 具一波長，該智慧天線包括： 一天線組，該天線組包含四天線，該四天線彼此之間 形成一虛擬四邊形，且該四天線分別位於該虛擬四邊形的 四個角， 其中，該虛擬四邊形之對角線長度為該波長二分之一的η 倍，η為一正整數，每一天線的場型在水平面涵蓋360度， 且該四天線同時開啟以傳輸訊號。 2. 如申請專利範圍第1項的智慧天線，更包括： 二輸入端分支耦合器，每一輸入端分支耦合器包括二 輸入端，該二輸入端分支耦合器共包括四輸入端；及 二輸出端分支耦合器，與該二輸入端分支耦合器相互 耦合以形成一傳輸線饋入網路，每一輸出端分支耦合器包 括二輸出端，該二輸出端分支耦合器共包括四輸出端，該 四天線分別位於該四輸出端。 3. 如申請專利範圍第2項的智慧天線，更包括： 一控制電路，連接於該傳輸線饋入網路，用以控制該 二輸入端分支耦合器。 4. 如申請專利範圍第3項的智慧天線，其中該智慧天線具 有一上層，該上層包括該二輸入端分支耦合器、該二輸出 端分支耦合器及該四天線。 5. 如申請專利範圍第3項的智慧天線，其中該智慧天線具 有一中層，該中層為一接地層。 6. 如申請專利範圍第3項的智慧天線，其中該智慧天線具 14 1345338 有—下層’該下層包括該控制電路。 7.如申請專利範圍第3項的智慧天線，其中該控制電路 匕括切換裝置，用以切換該二輸入端分支麵合器。 =如申請專利範圍第7項的智慧天線，更包括四傳輸線， 其中該切換裝置藉由該四傳輸線分別與該四輸入端連 接，該切換裝置與每一該四輸入端之間的距離相同，該四 長度為二分之—波長的等效長度，並且該切換裝置 拖母-該四輸入端之間的相位侧，該四傳輸線不與該切 、裝置連接之一端各具有一灌孔及一直流阻斷電容。 9四如申請專利範圍第7項的智慧天線，其中該 四二極體。 *且π L〇.包如/請相範㈣7項的錢錢，其中該控制電路 以於饋入信號輸入線，其一端連接於該該切換裝置，用 以饋入一饋入信號； 饋 上 入信號輪人端匹配，位於該饋人信號輸入線 一第一高頻阻斷電路’具有 入信號輸人輕配電路，另—端接於-電源Γ 且有=二且斷電路’每—該四第二高頻阻斷電路各 /、有兩鈿，其中一端接地，每一該 古 分 別藉由四高阻抗細線之；接於::傳“電= 該四咼阻抗細線分別為四分之一波長。 ’’ /、中 Π ·如申請專利範圍第！項的智慧天線°，其中 】2· —種相位陣列式智 、為1。 惠天線的運作方法，該智慧天線 15 1345338 係用以傳遞-電波，該電波具—波長，該智慧天線包括一 天線組，該天線組包含四天線，該四天線彼此之間形成一 虛擬四邊形，該虛擬四邊敎對祕長度為該波長二分之 :的η倍’ n為-正整數’且每—天線的場型在水平面涵 盍360度，而該方法包括下列步驟： 同時開啟該四天線以傳輸訊號。 13.如申請專利範圍们2項智慧天線的運作#法其中該 U天線更包括二輸人端分支輕合器及二輸出端分支輕 口 ： ’其中每-輸入端分支耦合器具有二輸入端，該二輸 1分支輕合器共具有四輸人端，每—輸出端分支輕合器 有二輸出端’該二輸出端分支輕合器共具有四輸出端， 且該四天線分触於該四輸出端㈣成該虛擬四邊形，而 該方法更包括下列步驟： 入端開啟該四輸入端中的其令-輸入端並關閉其餘三輸 及

輸入一輸入訊號於該開啟之輸入端 藉由該四輸出端輸出訊號。 14.如申料鄉㈣12項的智慧天㈣難方法， 該二慧天線更包括—控制電路，該控制電路制以開啟該 四輸入端中的其中—輸人端並關閉其餘三輸人端。 t如申請專利範圍第14項的智慧天線的運作方法， 該控制電路包括-切㈣置，該切縣置為四二極體，，、 以切換該二輸入端分支耦合器。 =如申請專利範圍第15項的智慧天線的運作方法，並中 刀換裝置㈣以控制該其餘三輸人端的三二極體不導通 16 1345338 以形成開路。 =如甲請專韻㈣16項的智慧天㈣ :二：極體分別到對應的關閉的三輸入端的距二 之一波長的η倍以形成等效開路。 的距離為 申請專㈣圍第12項的智慧天線的運作 Π J[ 〇 19· 一種相位饋入網路，包括： =輸人端分支鶴合器，每—輸人端分絲合器包括二

月《端’該二輸入端分支耗合器共包括四輪入端；及 二輸出端分支耦合器，盥該-鲶八 耦合/、这一輸入鳊分支耦合器相互 成-傳輸線饋入網路，每一輸出端分支輕合器包 括：，出端’該二輸出端分支麵合器共包括四輸出端該 四天線分別位於該四輸出端。 2〇·如申請專利範圍第19項的相位饋入網路，更包括： -控制電路’連接於該傳輸線饋人網路，用以控制該 輸入端分支耦合器。

其中 二分 其中 21·如申凊專利範圍第20項的相位饋入網路，其中該控制 電路包括一切換裝置，用以切換該二輸入端分支耦合^。 22·如申請專利範圍第21項的相位饋入網路，其中該切換 裝置為四二極體。 如申凊專利範圍第21項的相位饋入網路，更包括四傳 輸線，其中該切換裝置藉由該四傳輸線分別與該四輸入端 連接，該切換裝置與每一該四輸入端之間的距離相同，並 且該切換襄置與每一該四輸入端之間的相位相同，該四傳 輸線不與該切換裝置連接之一端各具有一灌孔及一直流 17 1345338 阻斷電容。 24. 如申請專利範圍第23項的相位饋入網路，其中該控制 電路更包括： 一饋入信號輸入線，其一端連接於該該切換裝置，用 以饋入一饋入信號； 一饋入信號輸入端匹配電路，位於該饋入信號輸入線 上； 一第一高頻阻斷電路，具有兩端，其一端連接於該饋 入信號輸入端匹配電路，另一端接於一電源；及 四第二高頻阻斷電路，每一該四第二高頻阻斷電路各 具有兩端，其中一端接地，每一該四第二高頻阻斷電路另 一端分別藉由四高阻抗細線之一連接於該四傳輸線，其中 該四高阻抗細線分別為四分之一波長。 25. —種相位饋入網路的運作方法，其中該相位饋入網路 包括二輸入端分支耦合器及二輸出端分支耦合器，其中每 一輸入端分支耦合器具有二輸入端，該二輸入端分支耦合 器共具有四輸入端，每一輸出端分支耦合器具有二輸出 端，該二輸出端分支耦合器共具有四輸出端，且該四天線 分別位於該四輸出端以形成該虛擬四邊形，而該方法更包 括下列步驟： 開啟該四輸入端中的其中一輸入端並關閉其餘三輸 入端； 輸入一訊號於該開啟之輸入端；及 藉由該四輸出端輸出訊號。 26. 如申請專利範圍第25項的相位饋入網路的運作方法， 1345338 ====== 27. 如申請專職圍第26項的杨饋人網路線的運作方 法’其中該控制電路包括-切換裝置，該切換裝置為四二 極體，用以切換該二輸入端分支耦合器。 28. 如申凊專利範圍第27項的相位饋入網路的運作方法， 八中切換裝f中用以控制該其餘三輸人端的三二極體不 φ 導通以形成開路。 如申凊專利範圍第28項的相位饋入網路的運作方法， 其I该三二極體分別到對應的關閉的三輸入端的距離為 一分之一波長的η倍以形成等效開路。