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TWI599102B - 射頻收發系統 - Google Patents

射頻收發系統 Download PDF

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TWI599102B
TWI599102B TW104133795A TW104133795A TWI599102B TW I599102 B TWI599102 B TW I599102B TW 104133795 A TW104133795 A TW 104133795A TW 104133795 A TW104133795 A TW 104133795A TW I599102 B TWI599102 B TW I599102B
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Taiwan
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antenna
transceiver system
ant2
radiator
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詹長庚
徐杰聖
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啟碁科技股份有限公司
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Description

射頻收發系統
本發明係指一種射頻收發系統，尤指一種結構簡單、小尺寸、高增益、高頻寬及支援多重頻段之雙極化射頻收發系統。
具有無線通訊功能的電子產品係透過天線來發射或接收無線電波，以傳遞或交換無線電訊號，進而存取無線網路。隨著無線通訊技術不斷演進，傳輸容量及無線網路性能的需求也日益提升。其中，長期演進（Long Term Evolution，LTE）無線通訊系統支援多輸入多輸出（Multi-input Multi-output，MIMO）通訊技術，可在不增加頻寬或總發射功率耗損（Transmit Power Expenditure）的情況下，大幅地增加系統的資料吞吐量（Throughput）及傳送距離，進而有效提升無線通訊系統之頻譜效率及傳輸速率，改善通訊品質。
長期演進無線通訊系統共採用44個頻段，涵蓋的頻率從最低的698MHz，到最高的3800MHz。由於頻段的分散和雜亂，即使在同一國家或地區，系統業者仍可能同時使用多個頻段。在此情形下，若對應不同頻寬配置多個天線時，將不利於電子產品體積的微型化，並且需要使用多工器（multiplexer）或多個雙工器（diplexer），而增加額外能量損耗。因此，如何設計結構簡單且符合傳輸需求的天線，並同時兼顧尺寸及效能，已成為業界所努力的目標之一。
因此，本發明主要提供一種射頻收發系統，其在有限體積下，具有較高的增益及支援多重頻段，且結構簡單。
本發明揭露一種射頻收發系統，包含有一第一天線元件，包含有一第一輻射片，設置於一第一平面；一第二輻射片，設置於該第一平面；一第三輻射片，設置於一第二平面，該第二平面垂直於該第一平面；以及一第四輻射片，設置於該第二平面；以及複數個第二天線元件，該複數個第二天線元件中的每一第二天線元件包含有：一第一輻射體，設置於一第三平面，該第三平面分別垂直於該第一平面及該第二平面；其中，該複數個第二天線元件形成一陣列天線結構，且該陣列天線結構相對於該第一平面及該第二平面對稱。
請參考第1至2B圖，第1圖為本發明實施例一射頻收發系統10之示意圖，第2A、2B圖為射頻收發系統10之輻射元件示意圖。射頻收發系統10包含有一第一天線元件ANT1及一反射體RFU，其可用來收發寬頻或多個頻段之無線電訊號，如長期演進無線通訊系統中Band5（其頻段大致介於824MHz～849MHz及869MHz～894MHz）、Band12（其頻段大致介於698MHz～716MHz及728MHz～746MHz）與Band29（其頻段大致介於717MHz～728MHz）之訊號。反射體RFU包含有一中心反射元件F_C及周邊反射元件F_S1～F_S4。中心反射元件F_C設置於平面PL0（即xy平面）上，周邊反射元件F_S1～F_S4則環繞中心反射元件F_C設置，以形成相對於平面PL1（即yz平面）、平面PL2（即xz平面）對稱的結構。反射體RFU相對於平面PL1及平面PL2對稱。第一天線元件ANT1包含有輻射片RP1～RP4及基板SE12、SE34，其中，輻射片RP1、RP2設置於基板SE12上的同一表面且形成一第一雙臂領結形偶極天線（bowtie dipole），輻射片RP3、RP4則設置於基板SE34上的同一表面且形成一第二雙臂領結形偶極天線。基板SE12、SE34分別位於平面PL1、PL2上而互相垂直，即輻射片RP1（或輻射片RP2）與輻射片RP3、RP4垂直，輻射片RP3（或輻射片RP4）與輻射片RP1、RP2垂直，而形成正交的雙極化偶極天線。
更進一步來看，輻射片RP1～RP4分別包含第一輻射臂AR1_rp1～AR1_rp4、第二輻射臂AR2_rp1～AR2_rp4及條狀的連接部分C_rp1～C_rp4，以分別形成頻寬8%～9%的雙臂領結形偶極天線結構。第一輻射臂AR1_rp1、AR1_rp2及第二輻射臂AR2_rp1、AR2_rp2相對於平面PL2對稱，第一輻射臂AR1_rp3、AR1_rp4及第二輻射臂AR2_rp3、AR2_rp4則相對於平面PL1對稱，意即第一天線元件ANT1約設置於反射體RFU的中心。藉由第一輻射臂AR1_rp1～AR1_rp4與第二輻射臂AR2_rp1～AR2_rp4之間的長度差異，第一輻射臂AR1_rp1～AR1_rp4較長則可收發較低頻的無線電訊號，而第二輻射臂AR2_rp1～AR2_rp4較短則可收發較高頻的無線電訊號。第二輻射臂AR2_rp1～AR2_rp4分別設置於第一輻射臂AR1_rp1～AR1_rp4與中心反射元件F_C之間，而與中心反射元件F_C具有較小的距離。連接部分C_rp1～C_rp4連接於第一輻射臂AR1_rp1～AR1_rp4與第二輻射臂AR2_rp1～AR2_rp4之間並包含有饋入點F_rp1～F_rp4。如此一來，能量可由連接部分C_rp1～C_rp4的饋入點F_rp1～F_rp4饋入，再依序傳遞到第二輻射臂AR2_rp1～AR2_rp4及第一輻射臂AR1_rp1～AR1_rp4。基於組裝時方便焊接饋入線的考量，饋入點F_rp1和F_rp2被置放在平面PL2的同一側，且饋入點F_rp3和F_rp4被置放在平面PL1的同一側。並且，為了避免饋入點F_rp2和F_rp4橫越中心的連接線在PCB製程時，有被切斷的情況發生，橫越中心的連接線和饋入點F_rp1～F_rp4相對中心反射元件F_C可具有不同的高度，連接部分C_rp1～C_rp4的形狀可略為不同，且基板SE12、SE34上可形成有槽孔SL12、SL34，但不限於此。
簡言之，藉由第一天線元件ANT1中設置於平面PL1、PL2上的輻射片RP1～RP4，可形成滿足長期演進無線通訊系統中Band5、Band12與Band29頻段要求的雙極化偶極天線。
透過模擬可進一步判斷射頻收發系統10之天線共振特性和輻射場型是否符合系統需求。請參考第3圖及表一，其中，射頻收發系統10的長度L及寬度W設定為300mm，高度H設定為70mm，第一天線元件ANT1至中心反射元件F_C的最遠距離L1設定為99mm。第3圖為射頻收發系統10之天線共振模擬結果示意圖，其中，長虛線代表輻射片RP1、RP2形成之第一雙臂領結形偶極天線的共振模擬結果，短虛線代表輻射片RP3、RP4形成之第二雙臂領結形偶極天線的共振模擬結果，實線代表第一雙臂領結形偶極天線與第二雙臂領結形偶極天線之間的隔離度模擬結果。由第3圖可知，在Band5、Band12與Band29的頻段中，射頻收發系統10的反射損耗（return loss，S11值）小於-10.0dB，隔離度（Isolation）大於42.1dB。表一為射頻收發系統10中第一雙臂領結形偶極天線及第二雙臂領結形偶極天線對應不同頻率之天線特性表。由表一可知，射頻收發系統10的操作於Band12與Band29的最大增益值為7.99～8.43dBi，操作於Band5的最大增益值為8.18～9.16dBi，因此可知，射頻收發系統10可滿足長期演進無線通訊系統對於Band12與Band29的最大增益值大於6dBi及Band5的最大增益值大於7dBi的要求。 （表一）
請參考第4圖，第4圖為本發明實施例一射頻收發系統20之示意圖。射頻收發系統20包含有反射體RFU及第二天線元件ANT2_a～ANT2_d，其可用來收發寬頻或多個頻段之無線電訊號，如長期演進無線通訊系統中Band2（其頻段大致介於1.85GHz～1.91GHz及1.93GHz～1.99GHz）、Band4（其頻段大致介於1.71GHz～1.755GHz及2.11GHz～2.155GHz）與Band30（其頻段大致介於2.305GHz～2.315GHz及2.35GHz～2.36GHz）之訊號。第二天線元件ANT2_a～ANT2_d為相同的天線單元，而具有相同的結構及尺寸，而形成可提高最大增益值的一陣列天線結構，且陣列天線結構相對於平面PL1（即yz平面）、平面PL2（即xz平面）對稱。其中，第二天線元件ANT2_a～ANT2_d分別包含有反射板RFP_a～RFP_d、輻射體RT1_a～RT4_d及支撐件SE_a～SE_d。輻射體RT1_a～RT4_d呈三角形，其分別包含有饋入點F1_a～F4_d。為求簡潔，以下僅以第二天線元件ANT2_a作為示範性說明。藉由第二天線元件ANT2_a之支撐件SE_a，第二天線元件ANT2_a之輻射體RT1_a、RT2_a設置於一平面PL3並相對於平面PL4、PL6對稱，以形成45%頻寬的一第一鑽形偶極天線（diamond dipole antenna），類似地，輻射體RT3_a、RT4_a則大致設置於一平面PL5並相對於平面PL4、PL6對稱，以形成45%頻寬的一第二鑽形偶極天線。其中，平面PL3、PL5平行於平面PL0（即xy平面），且平面PL5設置於平面PL0、PL3之間。而由於平面PL4、PL6互相垂直，因此第一鑽形偶極天線及第二鑽形偶極天線可形成正交的雙極化偶極天線。此外，反射板RFP_a平行於平面PL0設置於輻射體RT1_a～RT4_d上，其係用來增加天線有效的幅射面積，並使對應於Band2、Band4與Band30頻段內的天線最大增益值隨頻率增加而增加。反射板RFP_a之形狀相對於平面PL4、PL6具有對稱性，而可為圓形或頂點數為4的倍數之正多邊形。
簡言之，藉由第二天線元件ANT2_a～ANT2_d中設置於平面PL3、PL5上的輻射體RT1_a～RT4_d，可形成滿足長期演進無線通訊系統中Band2、Band4與Band30頻段要求的雙極化偶極天線。
透過模擬可進一步判斷射頻收發系統20之天線共振特性和輻射場型是否符合系統需求。請參考第5圖及表二，其中，射頻收發系統20的長度L及寬度W設定為300mm，高度H設定為50mm，第二天線元件ANT2_a～ANT2_d至中心反射元件F_C的最遠距離L2設定為42mm。第5圖為射頻收發系統20之天線共振模擬結果示意圖，其中，長虛線代表輻射片RT1_a～RT1_d、RT2_a～RT2_d形成之第一鑽形偶極天線的共振模擬結果，短虛線代表輻射片RT3_a～RT3_d、RT4_a～RT4_d形成之第二鑽形偶極天線的共振模擬結果，實線代表第一鑽形偶極天線與第二鑽形偶極天線之間的隔離度模擬結果。由第5圖可知，在Band2、Band4與Band30的頻段中，射頻收發系統20的反射損耗小於-10.5dB，隔離度（Isolation）大於35.1dB。表二為射頻收發系統20中第一鑽形偶極天線及第二鑽形偶極天線對應不同頻率之天線特性表。由表二可知，射頻收發系統20操作於Band2與Band4的最大增益值為14.5dBi～16.9dBi，操作於Band30的最大增益值為16.8dBi～17.0dBi，因此可知，射頻收發系統20可滿足長期演進無線通訊系統對於Band2與Band4的最大增益值大於12dBi及Band30的最大增益值大於30dBi的要求。 （表二）
請參考第6A至6D圖。第6A圖為本發明實施例一射頻收發系統30之示意圖，第6B圖為射頻收發系統30之上視示意圖，第6C圖為射頻收發系統30沿第6B圖之剖線A-A’之截面示意圖，第6D圖為射頻收發系統30之一傳輸模組TRM之示意圖。射頻收發系統30包含有反射體RFU、第一天線元件ANT1、第二天線元件ANT2_a～ANT2_d及一傳輸模組TRM，以收發寬頻或多個頻段之無線電訊號，如Band5、Band12與Band29之低頻頻段的無線電訊號及Band2、Band4與Band30之高頻頻段的無線電訊號。其中，反射體RFU及第一天線元件ANT1、第二天線元件ANT2_a～ANT2_d分別繪示於第1至2B圖及第4圖，且相同元件沿用相同符號表示，在此不再贅述。如第6B圖所示，射頻收發系統30相對於平面PL1（即yz平面）、平面PL2（即xz平面）對稱，但第一天線元件ANT1與第二天線元件（如第二天線元件ANT2_a）在x方向上的距離Lx與在y方向上的距離Ly可能不同。第一天線元件ANT1中的輻射片RP1、RP2形成之第一雙臂領結形偶極天線及第二天線元件ANT2_a～ANT2_d中的輻射片RT1_a～RT1_d、RT2_a～RT2_d形成之第一鑽形偶極天線均為垂直極化，第一天線元件ANT1中的輻射片RP3、RP4形成之第二雙臂領結形偶極天線及第二天線元件ANT2_a～ANT2_d中的輻射片RT3_a～RT3_d、RT4_a～RT4_d形成之第二鑽形偶極天線則均為水平極化，因此可提供兩組獨立的天線傳輸及接收通道來收發無線電訊號。並且，由於第一天線元件ANT1中的輻射片RP1～RP4設置於平面PL1、PL2上，第二天線元件ANT2_a～ANT2_d中的輻射體RT1_a～RT4_d設置於彼此平行的平面PL3、PL5上，而平面PL1、PL2、PL3（或PL5）互相垂直，讓第一天線元件ANT1以直立方向延伸發展，第二天線元件ANT2_a~ANT2_d則以水平面方向延伸發展，以避免兩者在空間中的干涉發生，因此可充分利用空間以縮小尺寸。
此外，傳輸模組TRM包含有一分四功率分配器（power divider）PD1、PD2及雙工器DPX1、DPX2。雙工器DPX1、DPX2分別包含有低通濾波器（low pass filter）LF1、LF2、高通濾波器（high pass filter）HF1、HF2及功率合成器（power combiner）PWC1、PWC2，用來整合第一天線元件ANT1所收發之Band5、Band12與Band29低頻頻段的無線電訊號與第二天線元件ANT2_a～ANT2_d所收發之Band2、Band4與Band30高頻頻段的無線電訊號。其中，對應垂直極化，雙工器DPX1之輸入端I1耦接至第一天線元件ANT1的饋入點F_rp1、F_rp2，雙工器DPX1之輸入端I2則先連接到一分四功率分配器PD1之輸出端O2，再由一分四功率分配器PD1的輸入端I3〜I6分別耦接至第二天線元件ANT2_a～ANT2_d的饋入點F1_a～F1_d、F2_a~F2_d。當無線電訊號由輸入端I1傳輸至低通濾波器LF1時，僅低頻頻段的無線電訊號可以通過，而高頻頻段的無線電訊號會因低通濾波器LF1的30dB以上的反射損耗而被反射；類似地，當無線電訊號由輸入端I2傳輸至高通濾波器HF1時，僅高頻頻段的無線電訊號可以通過，而低頻頻段的無線電訊號會因高通濾波器HF1的30dB以上的反射損耗而被反射。如此一來，低通濾波器LF1及高通濾波器HF1分別將高頻頻段及低頻頻段的無線電訊號經由功率合成器PWC1而傳輸至輸出端O1。相反地，當無線電訊號由輸出端O1傳輸至雙工器DPX1時，由於低通濾波器LF1對應高頻頻段的反射損耗及高通濾波器HF1對應低頻頻段的反射損耗至少30dB，因此，低頻頻段的無線電訊號傳遞至輸入端I1而由第一天線元件ANT1向外輻射，高頻頻段的無線電訊號則傳遞至輸入端I2而由第二天線元件ANT2_a～ANT2_d向外輻射。類似地，對應水平極化，雙工器DPX2之輸入端I7耦接至第一天線元件ANT1的饋入點F_rp3、F_rp4，雙工器DPX2之輸入端I8則先連接到一分四功率分配器PD2之輸出端O4，再由一分四功率分配器PD2的輸入端I9〜I12分別耦接至第二天線元件ANT2_a～ANT2_d的饋入點F3_a~F3_d、F4_a～F4_d。並且，低通濾波器LF2及高通濾波器HF2可分別將高頻頻段及低頻頻段的無線電訊號經由功率合成器PWC2而傳輸至輸出端O3，或者，低頻頻段的無線電訊號傳遞至輸入端I7而由第一天線元件ANT1向外輻射，高頻頻段的無線電訊號則傳遞至輸入端I8而由第二天線元件ANT2_a～ANT2_d向外輻射。
簡言之，射頻收發系統30除了雙工器DPX1、DPX2外，可不需設置其他的雙工器或多工器，因此可避免額外能量損耗。並且，射頻收發系統30的第一天線元件ANT1及第二天線元件ANT2_a～ANT2_d不但可提供兩組獨立的天線傳輸及接收通道來收發多重頻段之無線電訊號，由於第一天線元件ANT1及第二天線元件ANT2_a～ANT2_d設置的平面可以互相垂直，讓第一天線元件ANT1以直立方向延伸發展，第二天線元件ANT2_a~ANT2_d則以水平面方向延伸發展，以避免兩者在空間中的干涉發生，因此可充分利用空間以縮小尺寸。
透過模擬可進一步判斷射頻收發系統30之天線輻射場型是否符合系統需求。針對Band5、Band12與Band29低頻頻段，請參考第7、8圖、表三及表四，其中，射頻收發系統30的長度L及寬度W設定為300mm，高度H設定為50mm，第一天線元件ANT1至中心反射元件F_C的最遠距離L1設定為99mm，第二天線元件ANT2_a～ANT2_d至中心反射元件F_C的最遠距離L2設定為42mm。第7圖為射頻收發系統30操作於Band5、Band12與Band29低頻頻段時之天線共振模擬結果示意圖，其中，粗長虛線代表第一天線元件ANT1之第一雙臂領結形偶極天線的共振模擬結果，粗短虛線代表第一天線元件ANT1之第二雙臂領結形偶極天線的共振模擬結果，粗實線代表第一天線元件ANT1之第一雙臂領結形偶極天線與第二雙臂領結形偶極天線之間的隔離度模擬結果，細長虛線代表第二天線元件ANT2_a～ANT2_d之第一鑽形偶極陣列天線的共振模擬結果，細短虛線代表第二天線元件ANT2_a～ANT2_d之第二鑽形偶極陣列天線的共振模擬結果，細實線代表第二天線元件ANT2_a～ANT2_d之第一鑽形偶極陣列天線與第二鑽形偶極陣列天線之間的隔離度模擬結果。由第7圖可知，在Band5、Band12與Band29的頻段中，第一天線元件ANT1的反射損耗小於-9.87dB，隔離度（Isolation）大於38.8dB；相較之下，第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線的反射損耗則大致為-0.0dB，意即能量幾乎完全反射。
第8圖為射頻收發系統30操作於Band5、Band12與Band29低頻頻段時之天線隔離度模擬結果示意圖，其中，細單點鍊線（dash-dot line）代表第一天線元件ANT1之第一雙臂領結形偶極天線與第二天線元件ANT2_a～ANT2_d之第一鑽形偶極陣列天線之間的隔離度模擬結果，粗單點鍊線代表第一天線元件ANT1之第二雙臂領結形偶極天線與第二天線元件ANT2_a～ANT2_d之第二鑽形偶極陣列天線之間的隔離度模擬結果，細兩點鍊線（dash-dot-dot line）代表第一天線元件ANT1之第二雙臂領結形偶極天線與第二天線元件ANT2_a～ANT2_d之第一鑽形偶極陣列天線之間的隔離度模擬結果，粗兩點鍊線代表第一天線元件ANT1之第一雙臂領結形偶極天線與第二天線元件ANT2_a～ANT2_d之第二鑽形偶極陣列天線之間的隔離度模擬結果。由第8圖可知，在Band5、Band12與Band29的低頻頻段中，第一天線元件ANT1與第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線之間的隔離度至少為25.9dB，因此，第一天線元件ANT1的低頻率頻段能量最大約有-25.9dB的能量耦合至第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線。表三為射頻收發系統30中第一天線元件ANT1在Band5，Band12與Band29低頻率頻段對應不同頻率之天線特性表，表四為射頻收發系統30中第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線在Band5，Band12與Band29低頻率頻段對應不同頻率之天線特性表。由表三可知，第一天線元件ANT1的操作於Band12與Band29的最大增益值為7.90～8.37dBi，操作於Band5的最大增益值為8.12～9.00dBi（以下以9dBi來說明），因此可滿足長期演進無線通訊系統對於Band12與Band29的最大增益值大於6dBi及Band5的最大增益值大於7dBi的要求；由表四可知，相較之下，第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線雖是用來收發高頻頻段的無線電訊號，但在低頻頻段也會產生冗餘（undesired）的共振，其中，第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線操作於824MHz時最易產生冗餘的共振，而其最大增益值約為-7.52dBi（以下以-7dBi來說明）。 （表三） （表四）
依據第8圖，第一天線元件ANT1最大約有-25.9dB的低頻率頻段能量耦合至第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線，然而，高通濾波器HF1、HF2將分別阻擋能量由輸入端I2、I8傳輸至輸出端O1、O3，因此，第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線會直接將-25.9dB的低頻率頻段能量向外幅射。由於耦合的影響很小，因此可視為第一天線元件ANT1同時向外幅射0dB的低頻率頻段能量。而依據表三及表四，第一天線元件ANT1的最大增益值為9.00dBi，第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線的最大增益值為-7dBi，因此，在考慮輻射能量和輻射場型之後，在接收端接收到第一天線元件ANT1的輻射能量約為9dB，第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線的輻射能量約為-32.9dB。在此情況下，第一天線元件ANT1的輻射能量遠高於第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線的輻射能量，因此，在Band5、Band12與Band29低頻頻段時，射頻收發系統30的整體天線輻射場型是以第一天線元件ANT1為主。
針對Band2、Band4與Band30高頻頻段，請參考第9圖、表五及表六，其中，射頻收發系統30的長度L及寬度W設定為300mm，高度H設定為50mm，第一天線元件ANT1至中心反射元件F_C的最遠距離L1設定為99mm，第二天線元件ANT2_a～ANT2_d至中心反射元件F_C的最遠距離L2設定為42mm。第9圖為射頻收發系統30操作於Band2、Band4與Band30高頻頻段時之天線共振模擬結果示意圖，其中，粗長虛線代表第一天線元件ANT1之第一雙臂領結形偶極天線的共振模擬結果，粗短虛線代表第一天線元件ANT1之第二雙臂領結形偶極天線的共振模擬結果，粗實線代表第一天線元件ANT1之第一雙臂領結形偶極天線與第二雙臂領結形偶極天線之間的隔離度模擬結果，細長虛線代表第二天線元件ANT2_a～ANT2_d之第一鑽形偶極陣列天線的共振模擬結果，細短虛線代表第二天線元件ANT2_a～ANT2_d之第二鑽形偶極陣列天線的共振模擬結果，細實線代表第二天線元件ANT2_a～ANT2_d之第一鑽形偶極陣列天線與第二鑽形偶極陣列天線之間的隔離度模擬結果。由第9圖可知，在Band2、Band4與Band30的頻段中，第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線的反射損耗小於-10.7dB，隔離度大於25.3dB；相較之下，第一天線元件ANT1操作於Band2與Band4的反射損耗大致為-5dB，操作於Band30的反射損耗大致為-13dB，因此，第一天線元件ANT1操作於Band30時最易產生不需要的幅射。
第10圖為射頻收發系統30操作於Band2、Band4與Band30高頻頻段時之天線隔離度模擬結果示意圖，其中，細單點鍊線（dash-dot line）代表第一天線元件ANT1之第一雙臂領結形偶極天線與第二天線元件ANT2_a～ANT2_d之第一鑽形偶極陣列天線之間的隔離度模擬結果，粗單點鍊線代表第一天線元件ANT1之第二雙臂領結形偶極天線與第二天線元件ANT2_a～ANT2_d之第二鑽形偶極陣列天線之間的隔離度模擬結果，細雙點鍊線（dash-dot-dot line）代表第一天線元件ANT1之第二雙臂領結形偶極天線與第二天線元件ANT2_a～ANT2_d之第一鑽形偶極陣列天線之間的隔離度模擬結果，粗雙點鍊線代表第一天線元件ANT1之第一雙臂領結形偶極天線與第二天線元件ANT2_a～ANT2_d之第二鑽形偶極陣列天線之間的隔離度模擬結果。由第10圖可知，在Band2、Band4與Band30的高頻頻段中，第一天線元件ANT1與第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線之間的隔離度至少為14.4dB，因此，第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線的高頻率頻段能量最大約有-14.4dB的能量耦合至第一天線元件ANT1。表五為射頻收發系統30中第一天線元件ANT1在Band2，Band4與Band30高頻率頻段對應不同頻率之天線特性表。表六為射頻收發系統30中第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線在Band2，Band4與Band30高頻率頻段對應不同頻率之天線特性表。由表五可知，第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線操作於Band2與Band4的最大增益值為13.6～15.9dBi，操作於Band5的最大增益值為15.2～15.8dBi（以下以15dBi來說明），因此可滿足長期演進無線通訊系統對於Band2與Band4的最大增益值大於12dBi及Band30的最大增益值大於30dBi的要求；由表六可知，相較之下，第一天線元件ANT1雖是用來收發低頻頻段的無線電訊號，但在高頻頻段也會產生冗餘的共振，其中，第一天線元件ANT1操作於2.305GHz及2.315GHz時最易產生冗餘的共振，而其最大增益值約為10.1dBi（以下以10dBi來說明）。 （表五） （表六）
依據第10圖，第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線最大約有-14.4dB的高頻率頻段能量耦合至第一天線元件ANT1，然而，低通濾波器LF1、LF2將分別阻擋能量由輸入端I1、I7傳輸至輸出端O1、O3，因此，第一天線元件ANT1會直接將-14.4dB的高頻率頻段能量向外幅射。由於耦合的影響很小，因此可視為第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線同時向外幅射0dB的高頻率頻段能量。而依據表五及表六，第一天線元件ANT1的最大增益值為10dBi，第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線的最大增益值為15dBi，因此，在考慮輻射能量和輻射場型之後，在接收端接收到第一天線元件ANT1的輻射能量約為-4.49dB，第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線的輻射能量約為15dB。在此情況下，第一天線元件ANT1的輻射能量遠低於第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線的輻射能量，因此，在Band2、Band4與Band30高頻頻段時，射頻收發系統30的整體天線輻射場型是以第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線為主。
由上述可知，第一天線元件ANT1與第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線之間的交互影響可忽略。並且，在Band5、Band12與Band29低頻頻段時，射頻收發系統30的整體天線輻射場型是以第一天線元件ANT1為主；而在Band2、Band4與Band30高頻頻段時，射頻收發系統30的整體天線輻射場型是以第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線為主。
需注意的是，射頻收發系統10～30為本發明之實施例，本領域具通常知識者當可據以做不同的變化及修飾。舉例來說，第一天線元件ANT1之輻射片（如輻射片RP1、RP2）可具有雙臂領結形偶極天線以外的其他天線結構，第二天線元件（如第二天線元件ANT2_a）之輻射體（如輻射體RT1_a、RT2_a）可具有鑽形偶極天線以外的其他天線結構。並且，為了增加第一天線元件ANT1支援的頻段，第一天線元件ANT1之輻射片（如輻射片RP1）還可包含有第三輻射臂。相較於第二輻射臂（如第二輻射臂AR2_rp1），第三輻射臂若用於收發更高頻的無線電訊號，則第三輻射臂的長度會小於第二輻射臂的長度，且第三輻射臂會設置於第二輻射臂與中心反射元件F_C之間。依據對增益值的要求，射頻收發系統20、30包含有四個第二天線元件ANT2_a～ANT2_d，但本發明不以此為限，射頻收發系統亦可包含有多於四個的第二天線元件，以形成陣列天線之結構。依據射頻收發系統操作的頻段及頻寬，第二天線元件（如第二天線元件ANT2_a）之反射板（如反射板RFP_a～RFP_d）亦可從天線元件中移除。
更進一步而言，在射頻收發系統30中，第一天線元件ANT1之第一雙臂領結形偶極天線及第二天線元件ANT2_a～ANT2_d之第一鑽形偶極陣列天線均為垂直極化，第一天線元件ANT1之第二雙臂領結形偶極天線及第二天線元件ANT2_a～ANT2_d之第二鑽形偶極陣列天線則均為水平極化，但本發明不以此為限，射頻收發系統亦可藉由傾斜45度極化天線與傾斜135度極化天線來收發無線電訊號。舉例來說，請參考第11圖，第11圖為本發明實施例一射頻收發系統40之示意圖。射頻收發系統40之架構類似於射頻收發系統30，故相同元件沿用相同符號表示。不同於射頻收發系統30，射頻收發系統40之第一天線元件ANT1及第二天線元件ANT2_a～ANT2_d陣列天線大致相對於平面PL7、PL8對稱，而反射體RFU之中心反射元件F_C的對角線位於平面PL7、PL8上，因此，第一天線元件ANT1之第一雙臂領結形偶極天線及第二天線元件ANT2_a～ANT2_d之第一鑽形偶極陣列天線均為傾斜135度極化，第一天線元件ANT1之第二雙臂領結形偶極天線及第二天線元件ANT2_a～ANT2_d之第二鑽形偶極陣列天線則均為傾斜45度極化。
透過模擬可進一步判斷射頻收發系統40之天線共振特性和輻射場型是否符合系統需求。請參考第12、13圖，其中，射頻收發系統40的長度L及寬度W設定為300mm，高度H設定為50mm，第一天線元件ANT1至中心反射元件F_C的最遠距離L1設定為99mm，第二天線元件ANT2_a～ANT2_d至中心反射元件F_C的最遠距離L2設定為42mm。第12、13圖分別為射頻收發系統40操作在Band5，Band12與Band29低頻率頻段和Band2，Band4與Band30高頻率頻段之天線共振模擬結果示意圖，在第12圖中，長虛線代表輻射片RP1、RP2形成之第二雙臂領結形偶極天線的共振模擬結果，短虛線代表輻射片RP3、RP4形成之第一雙臂領結形偶極天線的共振模擬結果，實線代表第一雙臂領結形偶極天線與第二雙臂領結形偶極天線之間的隔離度模擬結果。由第12圖可知，在Band5、Band12與Band29的頻段中，射頻收發系統40的反射損耗小於-10.3dB，隔離度大於38.5dB；在第13圖中，長虛線代表第二天線元件ANT2_a～ANT2_d之第二鑽形偶極陣列天線的共振模擬結果，短虛線代表第二天線元件ANT2_a～ANT2_d之第一鑽形偶極陣列天線的共振模擬結果，實線代表第二天線元件ANT2_a～ANT2_d之第一鑽形偶極陣列天線與第二鑽形偶極陣列天線之間的隔離度模擬結果。由第13圖可知，在Band2、Band4與Band30的頻段中，射頻收發系統40的反射損耗小於-13.7dB，隔離度大於20.9dB。
在習知技術中，對應多個頻段，需配置多個天線以收發無線電訊號，然而，天線數量過多將不利於電子產品體積的微型化，並且需要使用多工器或多個雙工器，而增加額外能量損耗。
相較之下，本發明之射頻收發系統是藉由第一天線元件及第二天線元件來提供兩組獨立的天線，以收發多重頻段之無線電訊號。其中，第一天線元件及第二天線元件設置的平面互相垂直，因此可充分利用空間以縮小尺寸。並且，第一天線元件與第二天線元件之間的交互影響可忽略，因此，對應低頻頻段或高頻頻段，射頻收發系統的整體天線輻射場型分別以第一天線元件或第二天線元件為主。此外，本發明之射頻收發系統更能夠減少雙工器或多工器使用之數量，因此可避免額外能量損耗。 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。
10、20、30、40‧‧‧射頻收發系統
ANT1‧‧‧第一天線元件
RFU‧‧‧反射體
F_C‧‧‧中心反射元件
F_S1～F_S4‧‧‧周邊反射元件
PL0、PL1、PL2、PL3、PL4、PL5、PL6、PL7、PL8‧‧‧平面
RP1～RP4‧‧‧輻射片
SE12、SE34‧‧‧基板
AR1_rp1～AR1_rp4‧‧‧第一輻射臂
AR2_rp1～AR2_rp4‧‧‧第二輻射臂
C_rp1～C_rp4‧‧‧連接部分
F_rp1～F_rp4、F1_a～F4_d‧‧‧饋入點
SL12、SL34‧‧‧槽孔
L‧‧‧長度
W‧‧‧寬度
H‧‧‧高度
L1、L2、Lx、Ly‧‧‧距離
ANT2_a～ANT2_d‧‧‧第二天線元件
RFP_a～RFP_d‧‧‧反射板
RT1_a～RT4_d‧‧‧輻射體
SE_a～SE_d‧‧‧支撐件
TRM‧‧‧傳輸模組
DPX1、DPX2‧‧‧雙工器
I1～I12‧‧‧輸入端
O1～O4‧‧‧輸出端
LF1、LF2‧‧‧低通濾波器
HF1、HF2‧‧‧高通濾波器
PWC1、PWC 2‧‧‧功率合成器
PD1、PD2‧‧‧一分四功率分配器
第1圖為本發明實施例一射頻收發系統之示意圖； 第2A、2B圖為第1圖之射頻收發系統之輻射元件示意圖； 第3圖為第1圖之射頻收發系統之天線共振模擬結果示意圖； 第4圖為本發明實施例一射頻收發系統之示意圖； 第5圖為第4圖之射頻收發系統之天線共振模擬結果示意圖； 第6A圖為本發明實施例一射頻收發系統之示意圖； 第6B圖為第6A圖之射頻收發系統之上視示意圖； 第6C圖為射頻收發系統沿第6B圖之剖線A-A’之截面示意圖； 第6D圖為第6A圖之射頻收發系統之一傳輸模組之示意圖； 第7圖為第6A圖之射頻收發系統之第一天線元件操作於Band5、Band12與Band29低頻頻段時之天線共振模擬結果示意圖； 第8圖為第6A圖之射頻收發系統之第一天線元件和第二天線元件操作於Band5、Band12與Band29低頻頻段時之天線隔離度模擬結果示意圖； 第9圖為第6A圖之射頻收發系統之第二天線元件操作於Band2、Band4與Band30高頻頻段時之天線共振模擬結果示意圖； 第10圖為第6A圖之射頻收發系統之第一天線元件和第二天線元件操作於Band2、Band4與Band30高頻頻段時之天線隔離度模擬結果示意圖； 第11圖為本發明實施例一射頻收發系統之示意圖；以及 第12、13圖分別為第11圖之射頻收發系統操作於Band5、Band12與Band29低頻頻段和Band2、Band4與Band30高頻頻段時之天線共振模擬結果示意圖。
30‧‧‧射頻收發系統
ANT1‧‧‧第一天線元件
RFU‧‧‧反射體
F_C‧‧‧中心反射元件
F_S1~F_S4‧‧‧周邊反射元件
RP1~RP4‧‧‧輻射片
SE12、SE34‧‧‧基板
ANT2_a~ANT2_d‧‧‧第二天線元件
RFP_a~RFP_d‧‧‧反射板
RT1_a~RT4_d‧‧‧輻射體
TRM‧‧‧傳輸模組

Claims (11)

  1. 一種射頻收發系統，包含有：一第一平面；一第二平面，其垂直於該第一平面；一第三平面，其垂直於該第一平面及該第二平面一第一天線元件，包含有：一第一輻射片，設置於該第一平面；一第二輻射片，設置於該第一平面；一第三輻射片，設置於該第二平面；及一第四輻射片，設置於該第二平面；以及複數個第二天線元件，設置於該第三平面；其中該複數個第二天線元件形成一陣列天線結構，且該陣列天線結構相對於該第一平面及該第二平面對稱，各該第二天線元件為雙極化偶極天線。
  2. 如請求項1所述之射頻收發系統，其中該第一輻射片與該第二輻射片相對於該第二平面對稱，且該第三輻射片與該第四輻射片相對於該第一平面對稱。
  3. 如請求項1所述之射頻收發系統，另包含有一反射體，且該反射體包含有：一中心反射元件，平行於該第三平面設置；以及複數個周邊反射元件，環繞該中心反射元件設置；其中，該反射體相對於該第一平面及該第二平面對稱。
  4. 如請求項3所述之射頻收發系統，其中該複數個第二天線元件中的各該第二天線元件另包含有：一第一輻射體，設置於該第三平面； 一第二輻射體，設置於該第三平面，該第一輻射體與該第二輻射體相對於一第四平面對稱；一第三輻射體，設置於一第五平面，該第五平面平行該第三平面並位於該第三平面與該中心反射元件之間；一第四輻射體，設置於該第五平面，該第三輻射體與該第四輻射體相對於一第六平面對稱；以及一反射板，設置於該第一輻射體及該第二輻射體上，該反射板之一形狀具有對稱性。
  5. 如請求項4所述之射頻收發系統，其中該第一平面平行或垂直於該第四平面。
  6. 如請求項4所述之射頻收發系統，其中該反射板為一正多邊形或圓形，且該正多邊形之頂點數為4的倍數。
  7. 如請求項4所述之射頻收發系統，其中該第一輻射體與該第二輻射體形成一鑽形偶極天線(diamond dipole antenna)結構，該第三輻射體與該第四輻射體形成另一鑽形偶極天線結構。
  8. 如請求項1所述之射頻收發系統，其中該第一輻射片與該第二輻射片形成一領結形偶極天線(bowtie dipole)結構，該第三輻射片該該第四輻射片形成另一領結形偶極天線結構。
  9. 如請求項1所述之射頻收發系統，其中該第一輻射片、該第二輻射片、該第三輻射片及該第四輻射片分別包含有：一第一輻射臂；以及一第二輻射臂，設置於該第一輻射臂及該中心反射元件之間，該第二輻射臂之長度小於該第一輻射臂。
  10. 如請求項1所述之射頻收發系統，其中該複數個第二天線元件的個數 為4的倍數。
  11. 如請求項1所述之射頻收發系統，其中該射頻收發系統包含單一雙工器(diplexer)，用來整合該第一天線元件所收發的第一頻段訊號與該複數個第二天線元件所收發的第二頻段訊號。
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