使用于碟盘天线的多元接收器设备与系统的制作方法

本发明系有关于一种无线通信领域，尤指一种多输入多输出天线设备及系统。

背景技术：

随着通讯技术的发展，人们对大容量高速率的通信服务需求越来越强烈，现今技术中，多利用MIMO系统获得空间多任务(space diversity)增益，从而提升传输的可靠性，通过多流传输提高传输速率。使用MIMO技术的无线通信系统在发射端使用多个天线发送多个信号，并在接收端使用多个天线接收并恢复原信号。

多天线单元利用信号上的极化方向使天线单元获得一定的独立性，信号上的极化方向不同是指构成天线单元的天线振子电场矢量在空间运动的轨迹或变化的状态不同。由于两组正交的极化波提供良好的隔离度，在长距离MIMO通信系统中，发射端的发射天线与接收端的接收天线常采用双极化天线，如此即可充分发挥空间多任务的效果，提供良好的2x2MIMO点对点通讯。

技术实现要素：

鉴于本发明之目的，本发明提供一种天线装置，包括：抛物面碟盘，具有一焦点；第一接收器，具有第一接收单元以及第二接收单元，用以接收第一极化方向以及第二极化方向之电磁波；第二接收器，具有第三接收单元以及第四接收单元，用以接收第三极化方向以及第四极化方向之电磁波；其中第一接收器与第二接收器分别距离焦点一实体距离。在一示例中，天线装置包括反射组件，通过反射电磁波以增加信号传输的增益。

另外，本发明提供一种天线系统包括：第一天线装置以及第二天线装置。第一天线装置，包括具有第一焦点之第一抛物面碟盘，第一接收器以及第二接收器。第一接收器用以发送第一极化方向以及第二极化方向之电磁波，第二接收器用以发送第三极化方向以及第四极化方向之电磁波，且第一接收器与第二接收器分别设置于距第一焦点一实体距离。第二天线装置，包括具有第二焦点之第二抛物面碟盘，第三接收器以及第四接收器。第三接收器用以接收对应于第一接收器所发送的第一极化方向以及第二极化方向之电磁波，第四接收器用以接收对应于第二接收器所发送之第三极化方向以及第四极化方向之电磁波，且第三接收器与第四接收器分别距离第二焦点一实体距离。

在一示例中，第一天线装置以及第二天线装置包括第一反射组件以及第二反射组件，通过反射电磁波以增加信号传输的增益。

在一示例中，第一接收器、第二接收器、第三接收器及第四接收器使用多输入多输出(multi-input and multi-output，MIMO)技术传输上述电磁波。不同极化方向之电磁波分别传输不同的数据流(data stream)，例如，第一极化方向之电磁波传输第一数据流，第二极化方向之电磁波传输第二数据流等，因此不同极化方向之电磁波分别用来传输独立之数据流。

相较于现有技术，本发明提供的天线设备，利用碟形天线提升电磁波传输距离及增益，并于离焦点位置一实体偏移距离处设置多个接收器，且每一接收器含多个不同极化之接收单元，增加电磁波无线讯号接收极化之多元性，突破仅于焦点位置接收二组互为正交之电磁波无线讯号的限制，增加天线在进行远距离与高增益点对点传输时的数据吞吐量，有效提升电磁波讯号发送与接收的质量。

附图说明

图1A系显示根据本发明一实施例所述之天线装置。

图1B系显示根据本发明一实施例所述之天线装置侧视图。

图2系显示根据本发明一实施例所述天线装置之第一接收器以及第二接收器。

图3系显示根据本发明一实施例所述天线装置之第一接收器、第二接收器以及第三接收器。

图4系显示根据本发明一实施例所述之天线系统。

图5系显示根据本发明一实施例所述之天线装置之方块图。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图与实施例对本发明进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1A系显示根据本发明一实施例所述之天线装置。如图1A所示，根据本发明一实施例所述之天线装置包括抛物面碟盘110、第一接收器120A、第二接收器120B、反射器130、印刷电路板140以及固定轴150。

抛物面碟盘110具有一焦点111，经由抛物面碟盘110的抛物面盘面反射电磁波的能量至焦点111，通常来说，抛物面碟盘110越大代表着反射区越大，增益也越大，电磁波发射与接收的频率越高增益也越大。透过碟形天线所产生的电磁波特性有极窄的波束宽度及很高的增益值，常用于远距离的点对点通讯连接，透过第一接收器120A及第二接收器120B接收电磁波讯号，在没有阻碍物的环境下，传输距离可高达25英哩，可称为高增益的指向性天线。反射器130为天线谐振器结构的一部分，通过反射电磁波的能量至第一接收器120A及第二接收器120B，用以增加信号传输的增益。印刷电路板140，设置于天线装置本体上与其作导电性连接，并作为基板固定于固定轴150上，固定轴150设置于碟盘天线接收轴心在线。需特别申明，以上所称之轴线系其电波接收轴线。若为中央聚焦型(Central Focal)碟盘,其接收轴线与焦点都位于抛物面碟盘之几何中央轴在线；若为偏焦型(Offset Focal)碟盘，其接收轴线与焦点依其偏焦设计会与抛物面碟盘之几何中央轴线有一夹角。本说明书仅以中央聚焦型碟盘为例做说明，因此其接收轴线与抛物面碟盘反射电波传送轴线同为抛物面碟盘之几何中央轴线。熟悉天线技艺者可轻易将本案概念应用在偏焦型碟盘。

如图1B所示，根据本发明一实施例所述天线装置之侧视图，在此以平行抛物面碟盘110之轴线方向朝向z轴为例。第一接收器120A与第二接收器120B分别设置于离焦点111第一实体距离d1与第二实体距离d2的位置，第一实体距离d1等于第二实体距离d2，用以接收焦点111邻近区域之各种极化方向之电磁波，然而间隔距离仅为范例，实际应用上根据第一接收器120A与第二接收器120B设置位置而定，并不以等距为限，第一实体距离d1亦可大于或小于第二实体距离d2。为增加第一接收器120A与第二接收器120B之间的隔离度，d1加上d2大体上为电磁波之波长但并不受限于此。

图2系显示根据本发明一实施例所述之天线装置。如图2所示，第一接收器120A以及第二接收器120B位于xy平面，在一实施例中，第一接收器120A具有第一接收单元及第二接收单元(未图标)，用以接收第一极化方向121之电磁波以及第二极化方向122之电磁波。第一接收单元与第二接收单元之电波极化为正交，以增加彼此之间的隔离度。第二接收器120B具有第三接收单元及第四接收单元(未图标)，用以接收第三极化方向123之电磁波以及第四极化方向124之电磁波。第三接收单元与第四接收单元之电波极化为正交，以增加彼此之间的隔离度。然而，接收器数量仅为范例，实际应用上并不以两个接收器为限，亦可设置两个以上的接收器。

图3系显示根据本发明一实施例所述之天线装置。如图3所示，第一接收器310、第二接收器320以及第三接收器330位于xy平面，在一实施例中，第一接收器310，具有第一接收单元311，用以接收第一极化方向之电磁波；第二接收器320，具有第二接收单元321，用以接收第二极化方向之电磁波；以及第三接收器330，具有第三接收单元331，用以接收第三极化方向之电磁波。第一接收器310、第二接收器320及第三接收器330分别距离焦点f一实体距离d。为增加第一接收器310、第二接收器320与第三接收器330之间的隔离度，三者两两之间的距离大体上为电磁波之波长λ但并不受限于此。依据几何学运算此时距离焦点之实体距离d为电磁波之波长λ除以√3。第一接收器310、第二接收器320与第三接收器330之电波极化夹角约为120°，以增加彼此之间的隔离度。

天线装置透过电场与磁场之间能量的来回运动形成所谓的电磁波进行无线通信，电场与电磁波的极化方向有直接的关系，而第一接收器120A及第二接收器120B内之第一、第二、第三及第四接收单元以水平或垂直方向之配置，即可产生特定极化方向之电场。举例来说，若电场平行于地面则形成水平极化，若电场垂直于地面则产生垂直极化，因此透过改变第一接收器120A及第二接收器120B的旋转角度，可产生各种不同极化方向的电磁波。在自由空间中，任何天线装置在各个方向皆有辐射电磁波，特定的电场会在某个极化方向上获得较大的电磁波。以碟形天线为例，通过抛物面碟盘110将电磁波能量反射至焦点111，由设置于离焦点111实体距离之第一接收器120A及第二接收器120B接收电磁波能量。第一接收器120A之第一接收单元接收第一极化方向121与第二接收单元接收第二极化方向122的电磁波。第二接收器120B之第三接收单元接收第三极化方向123与第四接收单元接收第四极化方向124的电磁波。第一极化方向121与第三极化方向123设置为不同方向且非正交，藉此设置以接收更大的数据量。此类天线装置主要用于点对点的长途通讯。在电信服务上，可作为同轴电缆或光纤的替代方案，在同样距离下透过碟形天线进行语音或视讯传输所需的通讯设备如放大器或中继器会比同轴电缆或光纤少很多。

图4系显示根据本发明一实施例所述之天线系统。如图4所示，根据本发明一实施例所述之天线系统包括第一天线装置400，第二天线装置401。第一天线装置400包括第一抛物面碟盘410及第一焦点420，第一天线装置400发送电磁波至第二天线装置401。第二天线装置401包括第二抛物面碟盘411及第二焦点421，用以接收由第一天线装置400所发送之电磁波。在图4的实施例中，第三接收器431接收由第一接收器430发送的第一极化方向1210°及第二极化方向12290°的电磁波，第四接收器441接收由第二接收器440发送的第三极化方向12345°及第四极化方向124135°的电磁波。第一接收器430、第二接收器440、第三接收器431及第四接收器441使用多输入多输出(multi-input and multi-output，MIMO)技术传输上述电磁波。不同极化方向之电磁波分别传输不同的数据流，例如，第一极化方向之电磁波传输第一数据流，第二极化方向之电磁波传输第二数据流，第三极化方向之电磁波传输第三数据流以及第四极化方向之电磁波传输第四数据流，因此，不同极化方向之电磁波分别用来传输独立数据流。

在一实施例中，第一接收器及第二接收器系分别以非正交之不同方向设置，然而所设置之角度仅为范例，并不以此为限，在实际应用上仍可依实际应用环境需求调整角度。

根据本发明一实施例所述之另一天线系统，包括第一天线装置以及第二天线装置。其中第一天线装置包括具有第一焦点之第一抛物面碟盘，用以收发第一极化方向电磁波之第一接收器，用以收发第二极化方向电磁波之第二接收器以及用以收发第三极化方向电磁波之第三接收器，其中第一接收器、第二接收器以及第三接收器分别距离上述第一焦点实体距离，三者两两之间的距离大体上为电磁波之波长但并不受限于此。第一极化、第二极化与第三极化之夹角约为120°，以增加彼此之间的隔离度。第二天线装置包括具有第二焦点之第二抛物面碟盘，第四接收器对应于第一接收器，用以收发第一极化方向之电磁波。第五接收器对应于第二接收器，用以收发第二极化方向之电磁波。以及第六接收器对应于第三接收器，用以收发第三极化方向之电磁波。其中第四接收器、第五接收器以及第六接收器分别距离上述第二焦点实体距离，三者两两之间的距离大体上为电磁波之波长。

图5系显示根据本发明一实施例所述之天线装置之方块图。如图5所示，根据本发明一实施例所述之天线装置，其中天线装置包含处理单元510、数字/模拟转换器520、模拟/数字转换器530及多极化天线540。多极化天线540包含第一接收器550以及第二接收器560。

处理单元510，可存取多个独立数据流通道，可存取的独立通道数量取决于多极化天线540中的接收器数量。如图5所示，本实施例具有四个独立信道，每一独立信道可透过接收器发送与接收电磁波能量，在无线通信系统中，相同的接收器可同时当作发送与接收天线，并利用双工器或是分岔器(图中未显示)分离传送及发送的讯号。处理单元510将信号发送到数字/模拟转换器520，数字/模拟转换器520将数字讯号转换成四个指定信道的模拟讯号，分别为第一输出讯号、第二输出讯号、第三输出讯号及第四输出讯号，利用频率转换器及功率放大器将讯号放大(功能方块未图标)后，分别输出到对应的接收器，第一输出讯号及第二输出信号经由第一接收器550的第一接收单元551及第二接收单元552发送，第三输出讯号及第四输出信号经由第二接收器560的第三接收单元561及第四接收单元562发送。

多极化天线540接收到电磁波讯号时，透过第一接收器550的第一接收单元551及第二接收单元552接收第一输入讯号及第二输入信号、透过第二接收器560的第三接收单元561及第四接收单元562接收第三输入讯号及第四输入信号，分别将接收到的四组电磁波讯号经由功率放大器及频率转换器将讯号放大(功能方块未图标)后，将第一输入讯号、第二输入讯号、第三输入讯号及第四输入讯号透过模拟/数字转换器530转换成数字讯号后发送给处理单元510。

相同的载波频率、不几何正交极化的电磁波可能彼此干扰。然而，精心安排的振幅和相位关系可以使一主载波的每个子载波(Sub-Carrier)之间具有正交性(Orthogonality)，多个电波之间成为数学“垂直”，使多路径干扰降至最低。这就是所谓的正交分频多任务(OFDM)方法。此外，多重输入输出(MIMO)多个天线装置已被证明可以根据空间多任务原理有效的同时传送多组数据流。目前MIMO-OFDM已经成为高带宽无线通信，如LTE和WiFi的主导方案。

在一点对点微波链路，两个独立(例如垂直与水平线性极化，或左旋或右旋的旋极化波)的极化电波可提供一良好的2x2的MIMO的空间多任务通讯。为突破一般抛物面碟盘仅能容纳二组独立极化电磁波之限制，在本案中，设在距抛物面碟盘焦点处一实体距离、且互以一波长之距离互相隔离的二组天线接收器提供了一点至点的MIMO-OFDM无线链路。上述二组天线接收器互不干扰，且每组接收器具有二个极化相互垂直之接收单元；二组接收器之间其设计的极化又相互错开(不互为平行或垂直)，如此可以充分发挥空间多任务通讯的益处并提高电磁波之收发容量。根据本发明实施例所述之天线装置与系统采用二组距抛物面碟盘焦点一实体距离之天线接收器，且每组接收器具有二个极化相互垂直之接收单元之多组正交极化之电磁波传递数据，二组接收器之间其设计的极化又相互错开，实验证实，虽然二组接收器偏离抛物面碟盘焦点，降低抛物面碟盘焦聚效果，且二组接收器之间之极化互相干扰，但相较于在焦点处设置二个极化相互垂直之接收单元之单一接收器之传统方式，本安排仍能产生更大的吞吐量，对于电磁波讯号的发送与接收质量，仍有显著的提升。用于长距离传输且高方向性的点对点通讯，搭配多输入多输出技术而以多重路径传递多个数据流，能够有效提升无线传输的吞吐量。

综上所述，本发明符合发明专利要件，爰依法提出专利申请。惟，以上该者仅为本发明之较佳实施方式，本发明之范围并不以所述实施方式为限，举凡熟悉本案技艺之人士爰依本发明之精神所作之等效修饰或变化，皆应涵盖于以下申请专利范围内。