多输入多输出天线系统
技术领域
本发明是有关于一种天线结构,尤指一种可涵盖多种无线局域网络频段的多输入多输出天线系统。
背景技术
在许多无线通讯设备产品中,天线为不可或缺的必备组件,也是通讯产品能否顺遂地接收空中电波的主要构成要件。随着无线通讯设备与消费性电子产品的日趋多元,对天线设计的要求亦愈加严苛,一方面必须配合无线产品造型设计并兼顾接收/发射效能,一方面则要满足各种无线通讯技术的电磁波特性,让天线技术不断朝宽带化与微型化方向迈进。
由于无线通讯技术的蓬勃发展,市场对于天线的需求量亦急速提升,现阶段手机、笔记型计算机、全球卫星定位系统、数字电视等应用,都须仰赖天线来发射与接收讯号。天线为无线通讯设备与外界沟通的必备组件,负责无线讯号的发送与接收。由于位处射频系统的第一线,因此天线对于讯号接收的质量以及对整体无线通讯系统的运作效能影响甚巨。而随着终端用户对于商品造型、省电,以及传输速度与范围的要求日益增加,且不同应用领域对于天线特性的要求亦不尽相同,相对使得天线的设计面临更严苛的技术挑战。
传统无线局域网络或802.11a/b/g/n桥接点天线大多为外露式天线结构,最常见的形式为三支塑料/橡胶套筒外被之偶极天线为主,这类型天线系统通常由单频2.4GHz或双频2.4/5GHz天线组成,其天线系统主体高度通常为无线宽带路由器/集线器装置厚度的3倍高,外露在机壳上方。如先前台湾专利M294113所示,为一外露式多输入多输出天线结构,其设计为将三个外露式塑料/橡胶套筒外被的偶极天线经由一支撑部将其结合,进而达成多输入多输出系统结构,以及台湾专利M294111所示,亦是将外露式塑料/橡胶套筒外被之偶极天线经由一支撑部固定,进而达成多输入多输出天线系统。然而上述相关技术天线结构在量产至实际应用上,都需一额外塑料/橡胶套筒套接于天线外围,提高天线的制造成本与复杂度,且在多输入多输出(multi-input multi-output,MIMO)系统操作时,还必须藉由一外部机构件将天线固定。另外,这类型天线无法内藏在一般的无线宽带路由器/集线器装置内,即天线需外露在机壳外部,大幅降低产品外观的美感度。除此之外,使用者在操作上需先安装天线,再调整天线接收位置,使用上较为不便。而且,天线亦容易遭受外力破坏,占据空间、破坏美观。
因此,本发明人有感上述缺失的可改善,提出一种设计合理且有效改善上述缺失的本发明。
发明内容
本发明的主要目的,在于提供一种多输入多输出天线系统,其可产生多种操作频段,以满足于多模块的应用需求。
本发明的主要目的,在于提供一种多输入多输出天线系统,其结构简单且其体积具有微小化的特色,使其可广泛设置于无线产品内部。
为了达成上述的目的,本发明提供一种多输入多输出天线系统,包括一预定数目的双馈入双频天线单体,该每一双馈入双频天线单体包括:一基板;一接地单元,其成型于该基板上且具有相对两侧边;一第一辐射单元,其成型于该基板上且位于该接地单元的一侧边;以及一第二辐射单元,其成型于该基板上且位于该接地单元的另一侧边,该第二辐射单元设有一与该接地单元电性连接的短路细片;其中,该预定数目的双馈入双频天线单体在同一平面上围绕形成以每一双馈入双频天线单体及其纵向延长线为边的一多边形。进一步的,该双馈入双频天线单体预定数目为大于2的自然数。
优选的,该多边形为正多边形。
进一步的,该每一双馈入双频天线单体位于该正多边形的每一边的正中位置。
优选的,形成该多边形相邻两边的相邻两双馈入双频天线单体之间的夹角介于30度至150度之间。
优选的,该双馈入双频天线单体的纵向延长线穿越该第一辐射单元与该第二辐射单元,且该预定数目的双馈入双频天线单体的排列方式是:沿着该多边形的边,一双馈入双频天线单体的第一辐射单元与下一双馈入双频天线单体的第二辐射单元相邻。
优选的,该每一双馈入双频天线单体还包括一第一同轴传输线,其耦接该第一辐射单元与该接地单元,以及一第二同轴传输线,其耦接该第二辐射单元与该接地单元。进一步的,该第一辐射单元设有一第一馈入点且该接地单元设有一第一接地点于该侧边,该第二辐射单元设有一第二馈入点且该接地单元设有一第二接地点于该另一侧边,该第一同轴传输线具有一中心导体与一外层接地导体,该第一同轴传输线的该中心导体连接于该第一馈入点且该第一同轴传输线的该外层接地导体连接于该第一接地点,该第二同轴传输线具有一中心导体与一外层接地导体,该第二同轴传输线的该中心导体连接于该第二馈入点且该第二同轴传输线的该外层接地导体连接于该第二接地点。
优选的,该第二辐射单元与该短路细片皆具有至少一弯折。
优选的,该第一辐射单元具有至少一狭缝。
优选的,本发明还提供一种多输入多输出天线系统,包括一预定数目的双馈入双频天线单体,该每一双馈入双频天线单体包括:一基板,其具有一顶面及一底面;一接地单元,其选择性地成型于该基板的该顶面或该底面且其具有相对两侧边;一第一辐射单元,其选择性地成型于该基板的该顶面或该底面且相对位于该接地单元的一侧边;以及一第二辐射单元,其选择性地成型于该基板之该顶面或该底面且相对位于该接地单元的另一侧边,其中该第二辐射单元设有一与该接地单元电性连接的短路细片;其中,该预定数目的双馈入双频天线单体在同一平面上围成以每一双馈入双频天线单体其纵向延长线为边的一多边形。
本发明具有以下有益的效果:本发明采用的双馈入双频天线单体可利用一小面积的接地面达成天线辐射的要求,以大幅缩减天线的体积尺寸,同时该双馈入双频天线在两个频段的操作均能满足天线特性的要求且彼此之间达成良好的隔离效果,因此将该双馈入双频天线单体组合形成的多输入多输出天线系统也具有结构简单、体积小的特点,因此可内置于无线产品中,不需要套接塑胶套,减低天线系统的复杂程度,成本低,且美观。另外,多个双馈入双频天线单体围绕形成正多边形的对称结构,其电学特性表现良好,收讯度涵盖范围广。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容,请参阅以下有关本发明的详细说明与附图,然而所附图式仅提供参考与说明用,并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1是本发明第一实施例多输入多输出天线系统的结构示意图;
图2是本发明第一实施例采用的双馈入双频天线单体的结构示意图;
图3是本发明第一实施例双馈入双频天线反射系数及隔离度的量测结果图;
图4是本发明第一实施例多输入多输出天线系统隔离度量测结果图;
图5是本发明第一实施例多输入多输出天线系统在2.4GHz频带的包络相关(envelop correlation)数值分析图;
图6是本发明第一实施例多输入多输出天线系统在5GHz频带的包络相关(envelop correlation)数值分析图;
图7是本发明第一实施例多输入多输出天线系统的低频辐射单元同时激发在2.442GHz的3-D辐射场型图;
图8是本发明第一实施例多输入多输出天线系统的高频辐射单元同时激发在5.5GHz的3-D辐射场型;
图9是本发明第二实施例多输入多输出天线系统的结构示意图;以及
图10是本发明多输入多输出天线系统中双馈入双频天线单体另一实施例的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1,本实施例提供的多输入多输出天线系统包括三个双馈入双频天线单体1,2,3,该三个双馈入双频天线单体1,2,3在同一平面上围成一三角形,具体的,沿双馈入双频天线单体1的一长边延伸的纵向延长线a、沿双馈入双频天线单体2的一长边延伸的纵向延长线b以及沿双馈入双频天线单体3的一长边延伸的纵向延长线c组成该三角形的三条边,且a与c的夹角为A,a与b的夹角为B,b与c的夹角为C。A、B、C是大于0度小于180度的角,优选的,大于30度小于150度。优选的,该三角形为正三角形,即a、b、c三边等长,A、B、C三个角均为60度。更优选的,该双馈入双频天线单体1位于延长线a的正中位置,即该双馈入双频天线单体1的一端到角A顶点的距离等于其另一端到角B顶点的距离。
请参阅图2,以该双馈入双频天线单体1为例,绘示该双馈入双频天线单体的基本结构。该双馈入双频天线单体1包括:一基板10;一接地单元11,其成型于该基板10上且具有相对两侧边11a及11b;一第一辐射单元12,其成型于该基板10上且位于该接地单元11之一侧边11a;一第二辐射单元13,其成型于该基板10上且位于该接地单元11的另一侧边11b,其中该侧边11a与另一侧边11b为相对设置,而该第二辐射单元13设有与该接地单元11电性连接之短路细片131;一第一同轴传输线20A,其耦接该第一辐射单元12与该接地单元11;以及一第二同轴传输线20B,其耦接该第二辐射单元13与该接地单元11;其中,该第一辐射单元12与该第二辐射单元13用以产生一第一频带以及一第二频带,其中该第一频带与该第二频带可以为不同操作频带,亦可为相同频带。在本实施列中,该第一频带与该第二频带可包括如无线局域网络的2.4GHz以及无线局域网络的5GHz的两操作频带。以下将针对各部件作一细部的说明。
如图2所示,该第一辐射单元12与该第二辐射单元13成型于该接地单元11的相对两侧边11a和11b。接地单元11的外型并无特别限定,该接地单元11可为一四边形结构,包括长方形、正方形、平行四边形、菱形等,也可以为圆形或椭圆形结构,还可以为多边形结构。在本实施例中,以长方矩形为例说明,由图中可看出该第一辐射单元12与该第二辐射单元13成型于该矩形的较短两侧边11a和11b;但只要控制该接地单元11的接地面最佳为小于该低频频段的0.5波长的范围,可达成天线辐射的功能即可。换句话说,该第一辐射单元12与该第二辐射单元13也可成型于该矩形的较长的两侧边。接地单元11为椭圆形时,该第一辐射单元12与该第二辐射单元13可以成型于该椭圆形的长轴两侧边,也可成型于该椭圆形的短轴两侧边。还可定义该椭圆形或圆形具有一通过中心的预定轴,只要该第一辐射单元12与该第二辐射单元13成型该预定轴的两侧边,控制该接地单元11的接地面最佳为小于该低频频段的0.5波长的范围,即可达成天线辐射的功能。
另外,该第一辐射单元12设有一第一馈入点121且该接地单元11设有一第一接地点111,其中该第一接地点111位于该侧边11a且该第一馈入点121对应于该第一接地点111,而该第一同轴传输线20A则电性连接于该第一接地点111与该第一馈入点121。如图2所示,该第一同轴传输线20A具有一中心导体200以及一外层接地导体201,其中该中心导体200电性连接于该第一馈入点121,而该外层接地导体201则电性连接于该第一接地点111。优选的,该第一辐射单元12具有至少一个狭缝122,该些狭缝122可使该双馈入双频天线单体1的尺寸进一步微小化。另外,该第一辐射单元12的形态不限于图2中的矩形,还可以为圆形、椭圆形等。
再者,该接地单元11的另一侧边11b则成型该第二辐射单元13,该第二辐射单元13设有一与该接地单元11电性连接的短路细片131,且该第二辐射单元13具有一第二馈入点132,而该接地单元11则对应该第二馈入点132设有一第二接地点112。同样地,该第二同轴传输线20B具有一中心导体200以及一外层接地导体201,其中该第二同轴传输线20B的该中心导体200电性连接于该第二馈入点132,而该第二同轴传输线20B的该外层接地导体201则电性连接于该第二接地点112。值得注意的是,该第二辐射单元13与该短路细片131均具有至少一弯折,亦即从图2来看,该第二辐射单元13与该短路细片131均具有一弯折而呈现出L形的外观。
另外,双馈入双频天线单体1的接地单元11、第一辐射单元12以及第二辐射单元13更可以设置于该基板10的不同平面上,亦即其可形成一非共平面的天线结构。因此在本实施方式中,该双馈入双频天线单体1,包括:一基板10,其具有一顶面及一底面;一接地单元11,其选择性地成型于该基板10的该顶面或该底面且具有相对两侧边11a和11b;一第一辐射单元12,其选择性地成型于该基板10的该顶面10a或该底面10b且位于该接地单元11的一侧边11a;一第二辐射单元13,其选择性地成型于该基板10的该顶面或该底面且位于该接地单元11的另一侧边11b,其中该第二辐射单元13设有一与该接地单元11电性连接的短路细片131;一第一同轴传输线20A,其耦接该第一辐射单元12与该接地单元11;以及一第二同轴传输线20B,其耦接该第二辐射单元13与该接地单元11;其中,该第一辐射单元12与该第二辐射单元13是用以产生一第一频带以及一第二频带。
具体的,请参阅图10,本发明该双馈入双频天线单体另一实施例的示意图,该接地单元11成型于该基板10的底面10b,而该第一辐射单元12以及第二辐射单元13均设置于该基板10的顶面10a。该基板10最佳具有一第一穿孔101A以及一第二穿孔101B,而该第一同轴传输线20A的该中心导体200以及该外层接地导体201其中之一则穿设于该第一穿孔101A,以将该第一同轴传输线20A耦接于该第一接地点111与该第一馈入点121;另外,该第二同轴传输线20B的该中心导体200以及该外层接地导体201其中之一则穿设于该第二穿孔101B以将第二同轴传输线20B耦接于该第二馈入点132以及该第二接地点112。而上述每一单元的特征均与前述的实施例相同,故在此不加以赘述。值得注意的是,图10仅为说明之用,并不用以限定本发明,亦即该接地单元11、该第一辐射单元12与该第二辐射单元13可根据制程或应用的需求而选择性的设置于该基板10的不同侧面。
如图1所示,该双馈入双频天线单体1、2、3可以结构相同,也可以不相同。沿着双馈入双频天线单体1、2、3所围绕出的该三角形的边缘,一双馈入双频天线单体的第一辐射单元与邻近之另一双馈入双频天线单体的第二辐射单元相邻,即,双馈入双频天线单体1的第一辐射单元与双馈入双频天线单体2的第二辐射单元相邻,双馈入双频天线单体2的第一辐射单元则与双馈入双频天线单体3的第二辐射单元相邻,双馈入双频天线单体3的第一辐射单元则与双馈入双频天线单体1的第二辐射单元相邻。
该些双馈入双频天线主要藉由该第一辐射单元12与该第二辐射单元13构成一双频天线,以共振出一第一频带(如低频基频模态)以及一第二频带(如高频基频模态)。该两频带可分别涵盖室内无线局域网络的低频(如2400~2484MHz)以及无线局域网络的高频(如5150~5875MHz)所需的宽频频宽,并藉由该短路细片131达成天线缩小化的目的。
该些双馈入双频天线单体并不需要大面积的接地面做为天线辐射的条件,该接地单元11的接地面最佳为小于该低频频段的0.5波长的范围,即可达成天线辐射的功能,藉此可缩小天线整体体积。此外该双馈入双频天线单体结构简单、制作容易、成本低廉,且由多个该双馈入双频天线单体组成的多输入多输出天线系统,因方便设置于无线通讯产品的机壳内,从而省去外被塑胶套,减低天线系统的复杂程度,成本低,且美观。
请参考图3,本发明第一实施例双馈入双频天线单体反射系数及隔离度的量测结果图。其中曲线C11代表该双馈入双频天线单体在低频范围的表现,曲线C22则代表该双馈入双频天线单体在高频范围的表现,而曲线C21则为两频率的干扰情况。一般来说,天线阻抗频宽特性在-10dB以下则可以提供较佳的传输质量,由图3可看出,本实施例双馈入双频天线单体的C11曲线在小于-10dB的阻抗频宽定义下满足2400~2484MHz;同样地,曲线C22在5150~5875MHz时亦满足必须小于-10dB的条件;另一方面,曲线C21在高频段或低频段的部分均小于-15dB,亦说明两者之间具有相当良好的隔离度,使两频段在操作时不易发生干扰。
请参考图4至图8,其为本实施例的多输入多输出天线系统在进行天线实验时所量测的特性表现。
请先参考图4,其表示本发明第一实施例多输入多输出天线系统隔离度量测结果图,由于该实施方例中三个双馈入双频天线单体排列成正三角形,因此任意两个相邻双馈入双频天线单体之间的隔离度量测结果是相同的,而图4表示其中一个双馈入双频天线单体的第一辐射单元和第二辐射单元与相邻的另一个双馈入双频天线单体的第二辐射单元和第一辐射单元之间的隔离度,即该四条曲线分别表示一双馈入双频天线单体的第一辐射单元与相邻的另一个双馈入双频天线单体的第一辐射单元、第二辐射单元以及该双馈入双频天线单体的第二辐射单元与相邻的该另一个双馈入双频天线单体的第一辐射单元、第二辐射单元的隔离度。无论在高频还是低频段,曲线C31、C32、C41、C42均小于-20dB,说明双馈入双频天线单体的第一辐射单元和第二辐射单元与其相邻的另一个双馈入双频天线单体的第二辐射单元和第一辐射单元之间具有相当良好的隔离度,操作时不易发生干扰。
请参考图5,本发明第一实施例多输入多输出天线系统在2.4GHz频带的包络相关(envelop correlation)数值分析图,其表示当此一天线系统于低频操作时,双馈入双频天线单体之间的独立性,一般来说此一数值大约小于0.3,表示该天线系统实际操作时,有良好的独立性,亦即天线之间不会相互影响。
请参考图6,本发明第一实施例多输入多输出天线系统在5GHz频带的包络相关(envelop correlation)数值分析图,其表示天线系统于高频操作时,双馈入双频天线单体之间亦可达成良好的独立性,实际操作时,不受邻近天线单体的影响。
请参考图7,本发明第一实施例多输入多输出天线系统的低频辐射单元同时激发在2.442GHz的3-D辐射场型图,由所得的结果,立体(x-y-Z)的辐射场型,为良好的全向性辐射场型,满足一般无线局域网络操作的应用需求。
请参阅图8,本发明第一实施例多输入多输出天线系统的高频辐射单元同时激发在5.5GHz的3-D辐射场型,由所得的结果,立体(x-y-Z)的辐射场型,为良好的全向性辐射场型,满足一般无线局域网络操作的应用需求。
请参阅图9,本发明第二实施例多输入多输出天线系统的结构示意图,该多输入多输出天线系统包括四个双馈入双频天线单体1,2,3,4,该四个双馈入双频天线单体1,2,3,4在同一平面上围成一四边形形,具体的,沿双馈入双频天线单体1的一长边延伸的纵向延长线c1、沿双馈入双频天线单体2的一长边延伸的纵向延长线c2、沿双馈入双频天线单体3的一长边延伸的纵向延长线c3以及沿双馈入双频天线单体4的一长边延伸的纵向延长线c4组成该四边形的四条边,且c1与c4的夹角为a1,c1与c2的夹角为a2,c2与c3的夹角为a3,c3与c4的夹角为a4。a1、a2、a3、a4是大于0度小于180度的角,优选的,大于30度小于150度。优选的,该四边形为正方形,即c1、c2、c3、c4四边等长,a1、a2、a3、a4四个角均为90度。更优选的,该双馈入双频天线单体1位于边c1的正中位置,即该双馈入双频天线单体1的一端到角a1顶点的距离等于其另一端到角a2顶点的距离。同样,该双馈入双频天线单体2位于边c2的正中位置,该双馈入双频天线单体3位于边c3的正中位置,该双馈入双频天线单体4位于边c4的正中位置。
该多输入多输出天线系统包括的双馈入双频天线单体不限于三个或四个,可以是五个或六个等等自然数个,其类似第一实施例或第二实例,多个双馈入双频天线单体在同一平面上排列围成一多边形。
在本发明天线设计中,单一双馈入双频天线具有结构简单、制作容易、成本低廉等优点,于实际应用时可直接内藏于无线宽带路由器/集线器装置的机壳内部,此外单一双馈入双频天线更包含两个天线辐射单元,可分别涵盖2.4GHz与5GHz,实际应用时更可节省电路成本。另外,在本发明中利用两个以上双馈入双频天线单体组成的多输入多输出天线系统,天线间隔离度并维持在-15dB的良好特性,亦有效增加数据存取吞吐量(throughput),满足现今影音多媒体数据密集的无线局域网络/802.11a/b/g/n数据存取。
惟以上所述仅为本发明的较佳实施例,非意欲局限本发明的专利保护范围,故举凡运用本发明说明书及图式内容所为的等效变化,均同理皆包含于本发明的权利保护范围内,合予陈明。