CN101072061B

CN101072061B - 多重输入与输出天线系统

Info

Publication number: CN101072061B
Application number: CN200710004213.1A
Authority: CN
Inventors: 刘一如
Original assignee: Accton Technology Corp
Current assignee: Accton Technology Corp
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2007-01-18
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2027-01-18
Also published as: CN101072061A; TW200729621A; US7408511B2; US20070176829A1; TWI315114B

Abstract

本发明提供一种多重输入与输出天线系统，该多重输入与输出天线系统的结构包含：一外壳；一天线单元，垂直连接于该外壳，该天线单元为一偶极天线或一独立天线模块；以及三个平面倒F型天线，设置于一印刷电路板上，该印刷电路板位在该外壳内，其中该天线单元和每一个平面倒F型天线间的距离相等。其中：可以一单偶极天线竖立于三个平面倒F型天线所围成的三角形中心，而三个平面倒F型天线彼此与邻近天线具有相等的斜角，意即，任两个平面倒F型天线轴彼此间为120°圆周角，这样，偶极天线和其它平面倒F型天线形成一四面体。本发明的多重输入与输出天线系统具有较简单的构造并具有高效能。

Description

多重输入与输出天线系统

技术领域

本发明关于一种多重输入与输出天线系统，特别是一种适用于无线局域网络或无线城域网络的基地台的天线结构。

背景技术

无线通讯系统迅速发展。不论在商业或家庭，无线通讯系统在生活中已无所不在，并广泛应用于传输声音、数据等各种通讯。

多重输入与输出(multiple-input multiple-output；MIMO)通讯系统采用多支发射天线及多支接收天线，作为空间多任务数据流的传送与接收。在一点对点系统中，数据流的送出或接收皆由单一的终端站执行，然而，一具有基地站的多任务接取通讯系统可能同时与数个终端站连接。因此基地站与每个终端站间空间多任务数据流的传送或接收，皆通过多支发射天线及多支接收天线来完成。

由于数据传输速率高，因而改善了传输器和接收器之间的无线连接性能，此即为多重输入与输出无线通讯系统的优点。也就是，其频谱效益比非多重输入与输出系统高。

分集增益的定义：

(理想分集增益)×(1-ρ)^(1/2)，

其理想分集增益和尺寸n×m、n或m成正比，其中m为传送分集增益值，n为接收分集增益值，n×m为系统总分集增益值。相关系数ρ为与下列有关的函数并远小于1：(1)分开的天线场型(角度分开)；(2)分开的天线位置(空间分开)；(3)所接收的入射多重路径电波的等向分布(角度展形)；(4)所接收的入射多重路径电波的均匀标准离差分布(延迟展形)。

空间多任务技术以往用于提高多重输入与输出系统的传输速率。空间多任务增益所提高的吞吐量(throughput)取决于多重输入与输出天线的正交性条件。在视线或非散射多重输入与输出环境下，亦或户外区域时，正交性条件为：

St×Sr/R≥λ/M，

其St和Sr分别为传送及接收天线间隔，R为传送天线至接收天线的射程，M为接收天线的数量，而传送天线的数量N在本状况中不需用到。

在基地台和笔记型计算机的例子中，令F＝5GHz或λ＝0.06m，R＝100m，则

当M＝2且Sr＝0.24m时，St≥12.5m或208λ；

当M＝4且Sr＝0.06m时，St≥25m或417λ；

一般在室外多重输入与输出环境时，可设定100λ＜St为一设计准则。

在非视线或散射多重输入与输出环境下，亦或室内区域时，正交性条件为：

[2×Dt/(N-1)]×[2×Dr/(M-1)]≥R×λ/M，

其Dt和Dr分别为传送和接收散射半径，R为传送散射中心至接收散射中心的射程，N和M分别为传送和接收天线数量。

可用全向理想反射来模拟在多重输入与输出环境下由散射体制造出的散射。假设散射体距离天线很远，以支持平面波假设，并假设Dt(或Dr)远小于R，以符合区域性散射状态。

在基地台和笔记型计算机的例子中，令F＝5GHz或λ＝0.06m，R＝100m，Dr＝Dt，则

当N＝M＝2时，Dt＝Dr≥0.866m或14.4λ；

当N＝2≠M＝4时，Dt＝Dr≥1.061m或17.7λ；

当N＝4≠M＝2时，Dt＝Dr≥1.500m或25.0λ；

当N＝M＝4时，Dt＝Dr≥1.837m或30.6λ；

一般来说St＜Dt，在室内多重输入与输出环境时，可设定1λ≤St≤10λ为一设计准则。

依据设计准则，就一个用于4×4多重输入与输出天线系统，具有一外壳及四支天线作为基地台或桥接器的装置来说，已有数种典型结构。图1显示一直排天线(co-linear)结构，其具有四支直线排列的偶极天线2，该偶极天线2并连接于基地台外壳1较长的一边。图2显示另一种直排天线(co-linear)结构，其具有四个平面倒F型天线3(Planar Inverted F Antennas；PIFAs)取代了图1的偶极天线2。图3显示一垂直共平面天线(vertically coplanarantenna)结构，其具有两支垂直立于外壳1边缘两端的偶极天线2及二个位于外壳1内的平面倒F型天线3。另有，图4显示的另一种垂直共平面天线(vertically coplanar antenna)结构，包含两个位于外壳1两个角落的平面倒F型天线3及两支等距垂直立于平面倒F型天线3之间的偶极天线2。

请参考图5，显示了其它垂直共平面天线(vertically coplanar antenna)结构，以交错排列的方式，于基地台外壳1较长一边，设置两支偶极天线2及两个平面倒F型天线3。图6显示另一种垂直共平面天线(verticallycoplanar antenna)结构，两支偶极天线2及两个平面倒F型天线3分开排列于基地台外壳1较长的一边。参考图7，显示一水平共平面天线(horizontally coplanar antenna)结构，其具有四支偶极天线2并垂直立于外壳1的四个端点。图8相似于图7显示另一种水平共平面天线(horizontally coplanar antenna)结构，只是以平面倒F型天线3取代偶极天线2。另外图9显示一斜立方体(slant cubical antenna)天线结构，其两支偶极天线2垂直立于外壳1较长一边的两端点，而两个平面倒F型天线3则位于外壳1的另一较长边的两端点。图10显示一歪立方体(askewcubical antenna)天线结构，两支偶极天线2及两个平面倒F型天线3交错位于外壳1的四个端点。图11显示一凹面立方体(concave cubical antenna)天线结构，三支偶极天线2垂直立于外壳1的上表面，并形成一三角形，而一平面倒F型天线3则位于外壳1中，偶极天线2所围成的三角形中心点上。

图1至图11所显示4×4多重输入与输出系统天线结构的缺点为系统效能低。而且，系统较为复杂且成本高。我们需要一具最佳效能及低成本的多重输入与输出天线系统结构。

更多本发明的优势及优点将通过以下具体详细说明及较佳实施例并伴随图示而更显而易见。

发明内容

本发明的目的是提供一种天线，特别是提供一种用于高处理量无线区域及城域网络的立体4×4多重输入与输出天线系统，本发明的优点为，仅使用一支偶极天线，可降低成本并利于基地台。此外，简单的结构使得基地台的机械/工业设计较为容易。

本发明提供的一种多重输入与输出天线系统，包含：

一外壳；

一天线单元，垂直连接于该外壳，该天线单元为一偶极天线或一独立天线模块；以及

三个平面倒F型天线，设置于一印刷电路板(printed circuit board；PCB)上，该印刷电路板位在该外壳内，其中该天线单元和每一个平面倒F型天线间的距离相等。

外壳若为一个具矩形剖面的外盒构造，则偶极天线立于该外壳外。该外壳的形状若为四面体、半球体、锥体或立方体，则偶极天线立于该外壳内。三个平面倒F型天线位于围成一正三角形的端点位置上。在典型的室内基地台多重输入与输出区域，该偶极天线与每一个平面倒F型天线间的距离皆大于1λ并小于10λ。在典型的户外基地台多重输入与输出区域，该偶极天线与每一个平面倒F型天线间的距离皆大于100λ。三个平面倒F型天线贴附于该外壳内的共平面表面。

根据上述方案，本发明的效果是显著的：

一、本发明仅使用一支偶极天线，可降低成本并利于基地台。此外，简单的结构使得基地台的机械/工业设计较为容易。

二、本发明的其它优点为，每一对立体4×4多重输入与输出多天线之间具有相等且充足的空间，彼此提供相等及最佳不相关以及正交性。因为，本发明的结构提供等向(或立体角的均等展形)入射多重路径电波分布，也提供均匀标准离差(或延迟时间的均等展形)入射多重路径电波分布。

三、此外，本发明的结构提供半球状的覆盖范围；天花板或计算机桌面拥有优异的多重输入与输出效能，使得基地台在水平方位和高度方面都具有相等的空间多任务及天线分集。

四、而本发明也提供对称的三个120°圆周角；此部署适于蜂巢式组织并使基地台频率能有效再利用。

附图说明

读完以下的详细叙述并参考图示后，将更清楚上述宗旨及其它本发明的特色和优点，其中：

图1为现有技术的一种直排天线(co-linear，0°≤φ≤180°，θ＝90°对称)结构示意图。

图2为现有技术的另一种直排天线(co-linear，0°≤φ≤180°，θ＝90°对称)结构示意图。

图3为现有技术的一种垂直共平面天线(vertically coplanar antenna，0°≤φ≤180°，0°≤θ≤90°对称)结构示意图。

图4为现有技术的第二种垂直共平面天线(vertically coplanarantenna，0°≤φ≤180°，0°≤θ≤90°对称)结构示意图。

图5为现有技术的第三种垂直共平面天线(vertically coplanarantenna，0°≤φ≤90°，0°≤θ≤90°对称)结构示意图。

图6为现有技术的第四种垂直共平面天线(vertically coplanarantenna，0°≤φ≤90°，0°≤θ≤90°对称)结构示意图。

图7为现有技术的一种水平共平面天线(horizontally coplanarantenna，0°≤φ≤360°，θ＝90°对称)结构示意图。

图8为现有技术的另一种水平共平面天线(horizontally coplanarantenna，0°≤φ≤360°，θ＝90°对称)结构示意图。

图9为现有技术的斜立方体天线(slant cubical antenna，0°≤φ≤90°，0°≤θ≤90°对称)结构示意图。

图10为现有技术的歪立方体天线(askew cubical antenna，0°≤φ≤360°，0°≤θ≤90°对称)结构示意图。

图11为现有技术的凹面立方体天线(concave cubical antenna，0°≤φ≤360°，0°≤θ≤90°对称)结构示意图。

图12为本发明的凸面立方体天线(convex cubical antenna，0°≤φ≤360°，0°≤θ≤90°对称)结构示意图。

图13为本发明的立方体天线(solid cubical antenna，0°≤φ≤360°，0°≤θ≤90°对称)结构示意图。

图14为本发明的凸面立方体天线(convex cubical antenna)结构示意图。

主要元件符号说明

1 外壳

2 偶极天线

3 平面倒F型天线

具体实施方式

以下描述一多重输入与输出天线的制造方法及其结构。下文中提及许多特殊细节，应知道所有最佳实施例仅用于说明，而非用以限定本发明。所主张的专利权利范围当视权利要求书的范围而定。

依据多重输入与输出天线的设计原则，传送和接收天线间的间距必须够宽以提高多重输入与输出系统的传输速率。此外，系统必须满足多重输入与输出天线的正交性条件。户外环境的传输天线间距St必须大于100λ。室内环境的传输天线间距St必须大于1λ并小于10λ。

请参考图12，其显示一依据本发明最佳实施例的多重输入与输出天线的凸面立方体天线(convex cubical antenna)结构。一支偶极天线2垂直连接于外壳1的表面，而三个平面倒F型天线3则嵌于外壳1内的印刷电路板。三个平面倒F型天线形成一正三角形，也就是说，三个平面倒F型天线位置围成一三角形圈，而偶极天线2则位于三角形的中心。在实施例中，无线应用装置的外壳1，如基地台，为一具矩形剖面的三维空间立体外盒。

三个平面倒F型天线最好附属于外壳1内的共平面表面，并位于正三角形的封闭圈上，平面倒F型天线大约位于正三角形的端点位置。共平面表面最好与外壳1的最大表面平行，也就是外壳的上表面或下表面。平面倒F型天线3通常彼此平行，并嵌于印刷电路板。同时，嵌入的平面倒F型天线3彼此间的距离相等。

偶极天线2垂直连接于外壳1的上表面，偶极天线2的中心点至每一个平面倒F型天线3的距离相等。该距离在典型室内多重输入与输出区域皆大于1λ并小于10λ，而该距离在典型户外多重输入与输出区域皆大于100λ。

三个平面倒F型天线3的方向可由印刷电路板的中心以辐射状排列。此为辐射场形/极化分集效应最好的方向。在本例中，每一平面倒F型天线间的辐射涵盖角度约为120度，意即，任两个平面倒F型天线轴所夹的扇形角为120°。

另外可用一独立天线模块来代替偶极天线2，即以独立平面倒F型天线模块或其它具备适当安装机构的独立垂直极化天线模块代替，如图14所示。在本实施例中，天线模块包含一柱体结构2a，该柱体结构2a内的上部具有一天线。

本发明的系统可置于天花板或计算机桌面上以提供深半球面的多重输入与输出天线基地台。本发明提供较佳的多重输入与输出效能，在方位角和在俯仰角皆提供接近相同的空间多任务及天线分集性能。

请参考图13，其为本发明的另一较佳实施例。外壳1的形状可为一四面体、半球体、锥体或立方体。一支偶极天线2垂直连接于外壳1内的中心位置。本装置包含三个平面倒F型天线3，是嵌于一印刷电路板上，该印刷电路板位于外壳1的端点，或对称排列于外壳1的边缘。除了外壳1的形状，偶极天线2及平面倒F型天线3的几何构形与图12的实施例相似，因此省略相似叙述。应注意可用如图14的柱体结构取代偶极天线，该柱体结构内具有平面倒F型天线。本发明的对称性约为0°≤φ≤360°及0°≤θ≤90°，其中φ为x-y(水平)面的角度，而θ为其中一个x-z(垂直)平面的角度。

最后，本发明提到可用一独立天线模块取代偶极天线，即是以第四个独立平面倒F型天线模块或其它具备适当安装机构的独立垂直极化天线模块代替偶极天线。本发明置于天花板或桌面上可提供较佳的多重输入与输出效能，在方位角和在俯仰角皆提供接近相同的空间多任务及天线分集性能。

虽然本发明的较佳实施例已被阐述，熟悉此领域的技艺者应了解，在不违背权利要求范围的精神和领域内，均可做许多改变。

Claims

1.一种多重输入与输出多天线系统，其特征在于，包含：

一外壳，该外壳为一具有矩形剖面的外盒构造；

一天线单元，该天线单元为一偶极天线或一独立天线模块，其中该独立天线模块包含一独立平面倒F型天线模块或一独立垂直极化模块，该天线单元纵向垂直连接于该外壳的外面，其中该外面包含上表面；以及

三个平面倒F型天线，设置于一印刷电路板上，该印刷电路板位在该外壳内，其中该三个平面倒F型天线形成一正三角形且位于正三角形的端点，且该天线单元位于该三个平面倒F型天线的中心。

2.一种多重输入与输出多天线系统，其特征在于，包含：

一外壳，该外壳的形状为一四面体、一半球体、一锥体或一立方体；

一天线单元，该天线单元为一偶极天线或一独立天线模块，其中该独立天线模块包含一独立平面倒F型天线模块或一独立垂直极化模块；以及

三个平面倒F型天线，设置于一印刷电路板上，该印刷电路板位在该外壳内，其中该三个平面倒F型天线形成一正三角形且位于正三角形的端点，且该天线单元位于该三个平面倒F型天线的中心，其中该三个平面倒F型天线在该外壳内形成一共平面表面，该天线单元纵向垂直连接于该共平面表面。

3.如权利要求2所述的系统，其中该三个平面倒F型天线贴附于该外壳内的该共平面表面。