CN102570058A - 复合式多天线系统及其无线通信装置 - Google Patents

Abstract

一种复合式多天线系统及其无线通信装置，该天线系统包括系统电路板、天线基板、至少一偶极天线与至少一单极槽孔天线。系统电路板上具有至少一系统接地面，且系统接地面用以作为复合式多天线系统的天线反射面。天线基板与系统接地面具有第一间距。偶极天线提供第一操作频带且具有第一信号馈入源，而单极槽孔天线提供第二操作频带且具有第二信号馈入源。偶极天线与单极槽孔天线都位于天线基板的表面上，单极槽孔天线位于偶极天线附近。单极槽孔天线与偶极天线之间具有第二间距，第一信号馈入源与第二信号馈入源的信号馈入方向互相垂直，且信号相位差90度。本发明具有结构简单、尺寸小、制作容易、成本低、易内藏整合在无线通信装置中等优点。

Description

复合式多天线系统及其无线通信装置

技术领域

本发明涉及一种天线，且特别涉及一种复合式多天线系统以及使用此复合式多天线系统的无线通信装置。

背景技术

目前，无线通信技术蓬勃发展，因此人们可以常常通过无线通信装置连接上网或进行通话。不管是何种无线通信装置，都需要天线来收发特定频率的无线信号。举例来说，室外与室内的无线存取装置(Access Point，AP)都具有天线，以作为无线通信装置连接上网的桥接点。

平板天线(patch antenna)或微带天线(microstrip antenna)的天线辐射场型(radiation pattern)具有较高的指向性与较高的增益值，因此室外的无线存取装置通常会使用平板天线或微带天线。

请参照中国台湾公告第M355472号专利，此相关前案揭示一种双极化阵列天线，且双极化阵列天线包括馈入网络与多个天线单元。双极化阵列天线利用馈入网络产生相位差，以使其天线辐射场型在空间中可以达到双极化的效果。同时，因为多个天线单元以阵列方式配置于同一反射板之上，因此可以提升双极化阵列天线的天线辐射场型的指向性与增益值。

然而，上述相关前案所揭示的双极化阵列天线需要使用复杂的馈入网络，且为了提升天线增益值，双极化阵列天线还必须搭配多个天线单元来使用。又加上，一般平板天线或微带天线的共振长度约为特定频率的二分之一波长，使得上述双极化阵列天线的天线面积与尺寸都较为庞大，而不适合用多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)的多天线通信系统。

在多个天线单元中，为了降低天线系统所使用的空间，收发天线与天线之间必须紧密摆放。然而，因为天线与天线之间紧密摆放的缘故，天线与天线之间在收发时的信号将会彼此相互干扰，且特别是在每一天线操作于相同或相近的频带时，天线与天线之间的信号将会有明显的相互耦合(mutualcoupling)，而导致天线接收会有同频干扰的问题。除此之外，因为天线与天线之间的信号相互耦合的原因，系统数据吞吐量(throughout)也将因此降低。以两个平行摆放的偶极天线为例，偶极天线与偶极天线之间的间距通常需要大于操作频率(即无线信号的特定频率)的波长的0.65倍，才能降低彼此之间的干扰，以确保天线隔离度(isolation)可以小于-15分贝(dB)，而避免天线之间彼此干扰的问题。但是，由于上述多天线系统中天线之间的间距有所限制，使得整体尺寸过大，而不易置放于轻薄短小的无线通信装置的内部。

另外，由于平板与微带天线常是采用探针馈入方式，因此系统电路板上的射频信号输出端的位置与天线的馈入端位置必需互相配合，此也代表无法任意替换其它的天线来搭配同一片系统电路板。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供一种复合式多天线系统，此复合式多天线系统包括系统电路板、天线基板以及两项紧邻摆放的至少一偶极天线与至少一单极槽孔天线。系统电路板上具有至少一系统接地面，且系统接地面用以作为复合式多天线系统的天线反射面。天线基板与系统接地面具有第一间距。偶极天线提供第一操作频带且具有第一信号馈入源，而单极槽孔天线提供第二操作频带且具有第二信号馈入源。偶极天线与单极槽孔天线都位于天线基板的表面上，单极槽孔天线位于偶极天线附近。单极槽孔天线与偶极天线之间具有第二间距，且第一信号馈入源与第二信号馈入源的信号馈入方向互相垂直，信号相位差90度。

本发明实施例提供一种无线通信装置，其中无线通信装置的收发芯片位于上述系统电路板，且电气连接复合式多天线系统。

综上所述，本发明实施例所提供的复合式多天线系统具有天线结构简单、尺寸小、制作容易、成本低、易内藏并整合在无线通信装置之中等优点。

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，但是此等说明与附图仅系用来说明本发明，而非对本发明的权利范围作任何的限制。

附图说明

图1是本发明实施例提供的复合式多天线系统的立体结构图。

图2是本发明实施例提供的复合式多天线系统的俯视图。

图3是本发明实施例提供的复合式多天线系统的偶极天线与单极槽孔天线的详细俯视图。

图4是图1的偶极天线操作于5490MHz的辐射场型示意图。

图5是图1的单极槽孔天线操作于5490MHz的辐射场型示意图。

图6是图1的复合式多天线系统在不同频率下的S参数的曲线图。

图7是图1的偶极天线的天线增益与辐射效率的曲线图。

图8是图1的单极槽孔天线的天线增益与辐射效率的曲线图。

图9A～图12都是本发明另一实施例的复合式多天线系统的立体结构图。

上述附图中的附图标记说明如下：

1～10：复合式多天线系统

11、51、61、71、81、91、101、103：偶极天线

110：第一信号馈入源

110a、110b、120a、120b：信号馈入点

111、112、511、512、611、612、711、712：辐射单元

12、22、32、42、82、92、102、104：单极槽孔天线

120：第二信号馈入源

121、421：辐射导体片

122、222、322、422：槽孔

13：天线基板

14：系统电路板

141：系统接地面

C61～C63、C71、C72、C81、C82：曲线

具体实施方式

〔复合式多天线系统的实施例〕

请参照图1，图1是本发明实施例提供的复合式多天线系统的立体结构图。复合式多天线系统1包括偶极天线11、单极槽孔天线12、天线基板13与系统电路板14。系统电路板14具有系统接地面141，系统接地面141为导体材料。天线基板13位于系统电路板14之上，系统接地面141可以作为复合式多天线系统1的天线反射面。因为系统接地面141作为复合式多天线系统1的天线反射面，因此系统接地面141范围必须涵盖偶极天线11与单极槽孔天线12的垂直投影面积。偶极天线11与单极槽孔天线12以平面印刷方式制作在天线基板13上。

复合式多天线系统1的天线基板13置放在无线通信装置的系统电路板14(系统接地面141)上方，且彼此之间距离有间距，故天线基板13与系统电路板14之间为相互独立的结构。系统电路板14的系统接地面141作为天线反射面，故可以使天线辐射能量较为集中在天线基板13的法线方向上，进而使复合式多天线系统1具有较高的指向性与天线增益，并可有效提升无线信号的传输距离。

在此实施例中，系统接地面141至天线基板13下表面的间距为6.4厘米，系统接地面141可为多边形、圆形或椭圆形金属板，且系统接地面141至天线基板13下表面之间是用以空气作为区隔。另外，系统电路板14与天线基板13都可以是1.6厘米的FR4基板，因此，系统电路板14的上表面与天线基板13的上表面的间距为8厘米。要说明的是，上述间距大小、基板材质、系统接地面141的形状与材质都仅是用以说明本发明的其中一个实施例，其并非用以限定本发明。

偶极天线11用以提供第一操作频带且具有第一信号馈入源110，单极槽孔天线12用以提供第二操作频带且具有第二信号馈入源120。偶极天线11与单极槽孔天线12都位于天线基板13的上表面，且第一信号馈入源110与第二信号馈入源120的信号馈入方向互相垂直，且信号相位差90度。单极槽孔天线12位于偶极天线11附近，且单极槽孔天线12与偶极天线11之间具有微小的间距。

偶极天线11具有第一信号馈入源110、辐射单元111与112，其中第一信号馈入源110的信号馈入点110a与110b分别设置于辐射单元111与112相对的两个边上。第一信号馈入源110的两端(也即信号馈入点110a与110b)分别电气连接辐射单元111与112。辐射单元111与112彼此往相反方向延伸，且辐射单元111与112的长度总和约为第一操作频带的中心频率的二分之一波长。

单极槽孔天线12具有信号馈入源120、辐射导体片121与槽孔122，其中第二信号馈入源120的信号馈入点120a与120b分别设置于槽孔122的相对的两个长边上(也即后述的第一长边与第二长边)。辐射导体片121例如为辐射金属片，其具有第一侧边(靠近辐射单元112且垂直对称于中心线SYM_LINE)。槽孔122具有槽孔开口、第一长边与相对于第一长边的第二长边，其中槽孔开口位于相对于第一侧边的第二侧边，槽孔122的长度(第一或第二长边的长度)约为第二操作频带的中心频率的四分之一波长。信号馈入源120的两端(也即信号馈入点120a与120b)分别电气连接至第一长边与第二长边。

在图1的实施例中，为了使第一信号馈入源110与第二信号馈入源120的信号馈入方向互相垂直。信号馈入点110a与110b的连线方向会与信号馈入点120a与120b的连线方向互相垂直。

此外，偶极天线11为电流激发的天线，且单极槽孔天线12则为磁流激发的天线，当偶极天线11的第一信号馈入源110与单极槽孔天线12的第二信号馈入源120的信号馈入方向互相垂直，且信号相位差90度时，偶极天线11与单极槽孔天线12在空间中的辐射极化会具有正交的特性，因此能有效降低两相邻天线之间的耦合量，解决天线之间因过靠近而产生隔离度差的问题。换言之，若将偶极天线11的长边延伸方向转动90度设置后，则复合式多天线系统1将可能无法获得良好的效能。据此，本发明实施例的复合式多天线系统1的偶极天线11与单极槽孔天线12之间的间距可以缩小至2厘米，且隔离度可以保持在-20分贝以下。相较之下，传统的多天线系统的两个偶极天线之间仍必须要有较大的间距，才能够具有较好的隔离度。

另外，为了达到较好的隔离度，偶极天线11与单极槽孔天线12之间的相对位置可以摆放如下。偶极天线11与单极槽孔天线12大致对称于天线基板13的对称中心线SYM_LINE，而且偶极天线11与单极槽孔天线12大致排列于同一轴向。然而，本发明却不限定于此。

在其他的实施例中，偶极天线11与单极槽孔天线12可能仅排列于同一轴向，而未对称于天线基板13的对称中心线SYM_LINE，或者，偶极天线11与单极槽孔天线12不排列于同一轴向且也不对称于天线基板13的对称中心线SYM_LINE。

总而言之，本发明的偶极天线11与单极槽孔天线12的摆放位置并不限定，只要偶极天线11的信号馈入源110与单极槽孔天线12的信号馈入源120的信号馈入方向互相垂直，且信号相位差90度，即可以达到良好的隔离度。

请参照图2与图3，图2是本发明实施例提供的复合式多天线系统的俯视图，而图3是本发明实施例提供的复合式多天线系统的偶极天线11与单极槽孔天线12的详细俯视图。

于图2中，天线基板13与系统电路板14的长度与宽度相等，天线基板13的长度与宽度分别为110厘米与70厘米。偶极天线11与单极槽孔天线12的总长度为27厘米，且偶极天线11与单极槽孔天线12位于天线基板13的中心。换言之，第二侧边与天线基板13的底边之间的间距为41.5厘米，且辐射单元111的顶边与天线基板13的顶边之间的间距也同样为41.5厘米。

在图3中，辐射单元111与112的长度为6.25厘米，且辐射单元111与112之间的间距为2厘米。辐射单元112与第一侧边之间的间距为2厘米，槽孔开口的宽度为2厘米。辐射导体片121的宽度为10.5厘米，辐射导体片121的长度为12.5厘米。第一侧边与槽孔122之间的间距为1厘米，槽孔122的长度为9.5厘米，且信号馈入源120中心点与槽孔122之间的间距为4.5厘米。图2与图3所述各种间距、宽度与长度仅是用以举例说明，其并非用以限定本发明。

请参照图4与图5，图4是图1的偶极天线11操作于5490MHz的辐射场型示意图，而图5是图1的单极槽孔天线12操作于5490MHz的辐射场型示意图。由图4与图5中，可以得知图1的偶极天线11与单极槽孔天线12的天线辐射能量将会集中在天线基板13的法线方向上(即正x方向)。前面所述，偶极天线11与单极槽孔天线12在空间中的辐射极化会具有正交的特性，因此能降低偶极天线11与单极槽孔天线12之间的耦合效应。

接着，请参照图6，图6是图1的复合式多天线系统在不同中心频率下的S参数的曲线图。图6的各反射参数的曲线C61～C63是在电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)为1.5∶1的情况下所获得，曲线C61表示S射参数S22(第2端口的输入信号与反射信号的比值)，曲线C62表示S参数S11(第1端口的输入信号与反射信号的比值)，曲线C63表示S参数S21(第1端口的输入信号与第2端口接接收号的比值)。由图6可知，图1的复合式多天线系统1可以操作于5GHz的频带内，且特别是5.15GHz～5.825GHz的频带内。

请参照图7与图8，图7是图1的偶极天线11的天线增益与辐射效率的曲线图，而图8是图1的单极槽孔天线12的天线增益与辐射效率的曲线图。曲线C71与C81分别表示图1的偶极天线11与单极槽孔天线12的各中心频率的天线增益，曲线C72与C82分别表示图1的偶极天线11与单极槽孔天线12的各中心频率的辐射效率。

由图7与图8可知，图1的偶极天线11与单极槽孔天线12在5GHz的频带内，天线增益最高都可达到8分贝(dBi)，且其辐射效率都在60％以上。

〔复合式多天线系统的其他实施例〕

在前面实施例中，单极槽孔天线12的槽孔形状为矩形(长条形)，且单极槽孔天线12的槽孔开口位于辐射导体片121的第二侧边。然而，要说明的是，单极槽孔天线12的槽孔形状与槽孔开口位置并非用以限定本发明。在以下的实施例中，偶极天线11的第一信号馈入源110与单极槽孔天线12的第二信号馈入源120的信号馈入方向互相垂直，且信号相位差90度。

请参照图9A～图9C，图9A～图9C都是本发明另一实施例的复合式多天线系统的立体结构图。图9A中的复合式多天线系统2的单极槽孔天线22的槽孔222为L形槽孔。图9B的复合式多天线系统3的单极槽孔天线32的槽孔322为T形槽孔。图9C的复合式多天线系统3的单极槽孔天线32的矩形槽孔322的开口位于辐射导体片421的第一侧边。

另外，在前面实施例中，偶极天线的辐射单元为矩形辐射导体片，但要说明的是，偶极天线的辐射单元的形状并非用以限定本发明，而且偶极天线的两个辐射单元的形状也未必要相同。换言之，偶极天线的两个辐射单元可以为两个长条形、三角形、椭圆形或勾形的辐射导体片。在以下的实施例中，偶极天线的信号馈入源与单极槽孔天线的信号馈入源的信号馈入方向互相垂直，且信号相位差90度。

请参照图10A～图10C，图10A～图10C都是本发明另一实施例的复合式多天线系统的立体结构图。图10A中的复合式多天线系统5的偶极天线51的辐射单元511与512为三角形辐射单元。图10B中的复合式多天线系统6的偶极天线61的辐射单元611与612也为三角形辐射单元，但是与图10A的差异在于其三角形辐射单元的顶点位置不同。图10C的复合式多天线系统7的偶极天线71的辐射单元711与712为勾形辐射导体片。

在前面实施例中，单极槽孔天线与偶极天线排列于同一轴向且对称于对称中心线，但如同前面所述的，单极槽孔天线与偶极天线的位置与排列方式并非用以限定本发明。在以下的实施例中，偶极天线的信号馈入源与单极槽孔天线的信号馈入源的信号馈入方向互相垂直，且信号相位差90度。

请参照图11A与图11B，图11A与图11B都是本发明另一实施例的复合式多天线系统的立体结构图。图11A中的复合式多天线系统8的偶极天线81与单极槽孔天线82并未排列在同一轴向且也未对称于对称中心线，同样地，图11B中的复合式多天线系统9的偶极天线91与单极槽孔天线92也同样未排列在同一轴向且也未对称于对称中心线。

在前面实施例中，复合式多天线系统是以一组偶极天线与单极槽孔天线所构成，但在本发明其他实施例中，复合式多天线系统更可以包括至少一组以上的偶极天线与单极槽孔天线。在以下的实施例中，偶极天线的信号馈入源与单极槽孔天线的信号馈入源的信号馈入方向互相垂直，且信号相位差90度。

请参照图12，图12是本发明另一实施例的复合式多天线系统的立体结构图。复合式多天线系统10包括两组偶极天线与单极槽孔天线。偶极天线101、103与单极槽孔天线102、104彼此交错排列排列于同一轴向且对称于中心对称线SYM_LINE。

总之，由于单极天线槽孔天线的面积与间距较小，因此，复合式多天线系统可以具有至少一组以上的偶极天线与单极槽孔天线。如此，可以通过增加偶极天线与单极槽孔天线的组数，来增加系统数据吞吐量。

〔使用复合式多天线系统的无线通信装置的实施例〕

上述各实施例所提供的复合式多天线系统都可以应用于无线通信装置，且可以将此复合式多天线系统整合于无线通信装置内，其中无线通信装置的收发芯片可位于系统电路板，且可以通过小型同轴线电气连接复合式多天线系统的信号馈入源。在前述的实施例中，无线通信装置更可以是无线接入点装置。

〔实施例的可能功效〕

综合上述的说明，本发明实施例所提供复合式多天线系统的可以具有天线结构简单、尺寸小、制作容易、成本低、易内藏并整合在无线通信装置之中等优点。除此之外，本发明实施例所提供复合式多天线系统还可以拥有较高天线增益与辐射效率。

以上所述仅为本发明的实施例，其并非用以局限本发明的专利范围。

Claims (15)

1.一种复合式多天线系统，其特征在于，该复合式多天线系统包括：

一系统电路板，其上具有至少一系统接地面，该系统接地面用以作为该复合式多天线系统的一天线辐射反射面；

一天线基板，其与该系统接地面具有一第一间距；

至少一偶极天线，提供一第一操作频带，包括一第一信号馈入源；以及

至少一单极槽孔天线，提供一第二操作频带，包括一第二信号馈入源；

其中该偶极天线与该单极槽孔天线都位于该天线基板的一表面上，该单极槽孔天线位于该偶极天线附近，该单极槽孔天线与该偶极天线之间具有一第二间距，该第一信号馈入源与该第二信号馈入源的信号馈入方向互相垂直，且其信号相位差90度。

2.如权利要求1所述的复合式多天线系统，其特征在于，其中该第一信号馈入源具有两个第一信号源馈入点分别设置于该偶极天线的两个辐射单元相对的两边，且该第二信号馈入源具有两个第二信号源馈入点分别设置于该单极槽孔天线的槽孔的两个相对长边，其中所述第一信号源馈入点的连线方向与所述第二信号源馈入点的连线方向互相垂直。

3.如权利要求1所述的复合式多天线系统，其特征在于，其中该偶极天线包括：

一第一辐射单元与一第二辐射单元，彼此往不同且相反的该两延伸方向延伸，其中该第一与第二辐射单元的一长度总和为该第一操作频带的中心频率的二分之一波长；其中该第一信号馈入源的一端电气连接至该第一辐射单元，另一端电气连接至该第二辐射单元。

4.如权利要求3所述的复合式多天线系统，其特征在于，其中该单极槽孔天线包括：

一辐射导体片，具有一第一侧边与相对于该第一侧边的一第二侧边；

一槽孔，具有一槽孔开口、一第一长边与相对于该第一长边的一第二长边，其中该槽孔开口位于该第二或第一侧边，且该槽孔的长度为该第二操作频带的中心频率的四分之一波长；

其中该第二信号馈入源的一端电气连接至该第一长边，另一端电气连接至第二长边。

5.如权利要求4所述的复合式多天线系统，其特征在于，其中该槽孔的长度大于该槽孔的一宽度。

6.如权利要求4所述的复合式多天线系统，其特征在于，其中该偶极天线与该单极槽孔天线排列于同一轴向。

7.如权利要求4所述的复合式多天线系统，其特征在于，其中该天线基板更具有一对称中心线，且该偶极天线与该单极槽孔天线对称该对称中心线。

8.如权利要求4所述的复合式多天线系统，其特征在于，其中该第一操作频带的中心频率为5GHz，且该第二操作频带的中心频率为5GHz。

9.如权利要求4所述的复合式多天线系统，其特征在于，其中该槽孔为一矩形、L形或T形槽孔，且该第一辐射单元与该第二辐射单元为两个长条形、三角形、椭圆形或勾形的辐射导体片。

10.如权利要求4所述的复合式多天线系统，其特征在于，其中所述偶极天线为多个，所述单极槽孔天线为多个，且所述多个偶极天线与所述多个单极槽孔天线彼此交错排列于同一轴向。

11.一种无线通信装置，其特征在于，该无线通信装置包括：

一收发芯片，位于一系统电路板，电气连接一复合式多天线系统；以及

该复合式多天线系统，包括：

该系统电路板，其上具有至少一系统接地面，该系统接地面用以作为该复合式多天线系统的一天线反射面；

一天线基板，其与该系统接地面具有一第一间距；

至少一偶极天线，提供一第一操作频带，具有一第一信号馈入源；以及

至少一单极槽孔天线，提供一第二操作频带，具有一第二信号馈入源；

其中该偶极天线与该单极槽孔天线都位于该天线基板的一表面上，该单极槽孔天线位于该偶极天线附近，该单极槽孔天线位于该偶极天线之间具有一第二间距，该第一信号馈入源与该第二信号馈入源的信号馈入方向互相垂直，且其信号相位差90度。。

12.如权利要求11所述的无线通信装置，其特征在于，其中该第一信号馈入源具有两个第一信号源馈入点分别设置于该偶极天线的两个辐射单元相对的两边，且该单极槽孔天线具有两个第二信号源馈入点分别设置于该单极槽孔天线的槽孔的两个相对长边，其中所述第一信号源馈入点的连线方向与上述第二信号源馈入点的连线方向互相垂直。

13.如权利要求11所述的无线通信装置，其特征在于，其中该偶极天线包括：

一第一辐射单元与一第二辐射单元，彼此往不同且相反的该两延伸方向延伸，其中该第一与第二辐射单元的一长度总和为该第一操作的频带中心频率的二分之一波长；以及

该第一信号馈入源，其一端电气连接至该第一辐射单元，且其另一端电气连接至该第二辐射单元。

14.如权利要求13所述的无线通信装置，其特征在于，其中该单极槽孔天线包括：

一辐射导体片，具有一第一侧边与相对于该第一侧边的一第二侧边；

一槽孔，具有一槽孔开口、一第一长边与相对于该第一长边的一第二长边，其中该槽孔开口位于该第二或第一侧边，且该槽孔的长度为该第二操作频带的中心频率的四分之一波长；以及

该第二信号馈入源，其一端电气连接至该第一长边，且其另一端电气连接至第二长边。

15.如权利要求14所述的无线通信装置，其特征在于，其中该槽孔的长度大于该槽孔的一宽度，该偶极天线与该单极槽孔天线排列于同一轴向，且该天线基板更具有一对称中心线，其中该偶极天线与该单极槽孔天线对称该对称中心线。

Images