CN102646872B

CN102646872B - 天线、复合天线及射频收发系统

Info

Publication number: CN102646872B
Application number: CN201110041419.8A
Authority: CN
Inventors: 黄章修; 詹长庚; 徐杰圣
Original assignee: Wistron Neweb Corp
Current assignee: Wistron Neweb Corp
Priority date: 2011-02-21
Filing date: 2011-02-21
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2031-02-21
Also published as: CN102646872A

Abstract

一种天线、复合天线及射频收发系统。该天线用来收发无线电信号，该天线包括一接地金属片；一第一微带金属片；一第二微带金属片；一第一馈入线，该第一馈入线电性连接于该第一微带金属片，用来传递无线电信号；一第二馈入线，该第二馈入线电性连接于该第二微带金属片，用来传递无线电信号；以及一绝缘固定件，该绝缘固定件用来固定该接地金属片、该第一微带金属片以及该第二微带金属片，使该接地金属片、该第一微带金属片以及该第二微带金属片相互不接触。本发明利用多层微带金属片，实现水平及垂直极化天线，并通过适当结合，使结合后的复合天线可有效提高空间效能、增加共振带宽及设计自由度，以适应多输入多输出的应用。

Description

天线、复合天线及射频收发系统

技术领域

本发明涉及一种天线、复合天线及射频收发系统，尤指一种可有效提高空间效能、增加共振带宽及设计自由度，以适应多输入多输出应用的天线、复合天线及射频收发系统。

背景技术

具有无线通信功能的电子产品，如笔记本型计算机、个人数字助理(Personal DigitalAssistant)等，是通过天线来发射或接收无线电波，以传递或交换无线电信号，进而访问无线网络。因此，为了让使用者能更方便地访问无线通信网络，理想天线的带宽应在许可范围内尽可能地增加，而尺寸则应尽量减小，以配合电子产品体积缩小的趋势。除此之外，随着无线通信技术不断演进，电子产品所配置的天线数量可能增加。举例来说，长期演进(Long Term Evolution，LTE)无线通信系统及无线局域网络标准IEEE 802.11n支持多输入多输出(Multi-input Multi-output，MIMO)通信技术，亦即相关电子产品可通过多重(或多组)天线同步收发无线信号，以在不增加带宽或总发射功率耗损(Transmit PowerExpenditure)的情况下，大幅地增加系统的数据吞吐量(Throughput)及传送距离，进而有效提升无线通信系统的频谱效率及传输速率，改善通信质量。此外，多输入多输出通信技术可搭配空间分工(Spatial Multiplexing)、波束成形(Beam forming)、空间分集(SpatialDiversity)、预编码(Precoding)等技术，进一步减少信号干扰及增加信道容量。

由上述可知，要实现多输入多输出功能中空间多工、多样技术，先决条件必需搭配多组天线，以将空间分成许多信道，进而提供多个天线场型。因此，如何设计符合传输需求的天线，同时兼顾尺寸及功能，已成为业界所努力的目标之一。

发明内容

因此，本发明主要提供一种天线、复合天线及射频收发系统。

本发明公开一种天线，该天线用来收发无线电信号，该天线包含有一接地金属片；一第一微带金属片；一第二微带金属片；一第一馈入线，该第一馈入线电性连接于该第一微带金属片，用来传递无线电信号；一第二馈入线，该第二馈入线电性连接于该第二微带金属片，用来传递无线电信号；以及一绝缘固定件，该绝缘固定件用来固定该接地金属片、该第一微带金属片以及该第二微带金属片，使该接地金属片、该第一微带金属片以及该第二微带金属片相互不接触。

本发明还公开一种复合天线，该复合天线用来收发无线电信号，该复合天线包含多个天线，每一天线包含有一接地金属片；一第一微带金属片；一第二微带金属片；一第一馈入线，该第一馈入线电性连接于该第一微带金属片，用来传递无线电信号；一第二馈入线，该第二馈入线电性连接于该第二微带金属片，用来传递无线电信号；以及一绝缘固定件，该绝缘固定件用来固定该接地金属片、该第一微带金属片以及该第二微带金属片，使该接地金属片、该第一微带金属片以及该第二微带金属片相互不接触；其中，该每一天线的该接地金属片电性连接另一天线的该接地金属片。

本发明还公开一种射频收发系统，该射频收发系统用来收发无线电信号，该射频收发系统包含有一复合天线，该复合天线包含多个天线，每一天线包含有一接地金属片；一第一微带金属片；一第二微带金属片；一第一馈入线，该第一馈入线电性连接于该第一微带金属片，用来传递无线电信号；一第二馈入线，该第二馈入线电性连接于该第二微带金属片，用来传递无线电信号；以及一绝缘固定件，该绝缘固定件用来固定该接地金属片、该第一微带金属片以及该第二微带金属片，使该接地金属片、该第一微带金属片以及该第二微带金属片相互不接触；其中，该每一天线的该接地金属片电性连接另一天线的该接地金属片；一射频信号处理模块；以及一切换电路，该切换电路电性连接于该每一天线的该第一馈入线及该第二馈入线与该射频信号处理模块之间，用来切换该射频信号处理模块与该第一馈入线或该第二馈入线的连结。

本发明利用多层微带金属片，实现水平及垂直极化天线，并通过适当结合，使结合后的复合天线可有效提高空间效能、增加共振带宽及设计自由度，以适应多输入多输出的应用。

附图说明

图1A及图1B分别为本发明实施例的一天线的斜角及侧视示意图。

图2A至图2E为图1A的天线的不同变化实施例的示意图。

图3A及图3B分别为本发明实施例的另一天线的斜角及侧视示意图。

图4为本发明实施例的一复合天线的示意图。

图5A及图5B为图4的复合天线中一天线的示意图。

图5C为图4的复合天线的截面示意图。

图6为图4的复合天线增加一切换电路的示意图。

图7至图13为图4的复合天线的特性示意图。

主要组件符号说明：

10、30、ANT_1～ANT_4 天线

100、500 接地金属片

102、502 第一微带金属片

104、504 第二微带金属片

106、508 第一馈入线

108、510 第二馈入线

110 绝缘固定件

200、506 第三微带金属片

BR 柱状体

40 复合天线

PLT_TP 上底板

PLT_BT 下底板

600 切换电路

具体实施方式

请参考图1A及图1B，图1A及图1B分别为本发明实施例的一天线10的斜角及侧视示意图。天线10用来收发无线电信号，其包含有一接地金属片100、一第一微带金属片102、一第二微带金属片104、一第一馈入线106、一第二馈入线108以及一绝缘固定件110。如图1A及图1B所示，绝缘固定件110用来固定接地金属片100、第一微带金属片102以及第二微带金属片104，使其互不接触并构成一多层结构；而第一馈入线106及第二馈入线108分别电性连接于第一微带金属片102及第二微带金属片104，用来传递无线电信号，以通过天线10输出或接收无线电信号。

在天线10中，第一微带金属片102及第二微带金属片104为主要辐射体，藉由此种多层辐射体的设计，可有效增加共振带宽，增加设计上的自由度。更重要的是，通过多层的馈入，可轻易达到水平及垂直极化，并可提高水平及垂直极化间的隔离度。需注意的是，图1A和图1B的天线10为本发明的实施例，本领域普通技术人员应当可据以作不同的修饰，而不限于此。举例来说，天线10的各组件的尺寸、材质、形状等与所需接收或发送的信号频段、功率等相关。例如，若要使波束集中于一范围，则可如图2A所示，使接地金属片100包含至少一弯折。若要减小天线10所占空间，可如图2B所示，使第二微带金属片104包含至少一弯折，则可减小第二微带金属片104所占空间(即投影于接地金属片100的面积)。当然，亦可仿图2B，调整第一微带金属片102的形状。或者，可将图2A及图2B结合，即如图2C所示，则可撷取两者优点。

图2A至图2C的例子说明接地金属片100、第一微带金属片102或第二微带金属片104的形状可调整，而需注意的是，调整的方式不限于此，只要能确保天线10仍能正常运作即可。例如，在图2D中，接地金属片100及第二微带金属片104为弧形。另外，若要更进一步提高共振带宽，亦可如图2E所示，在第一微带金属片102及第二微带金属片104间增加一第三微带金属片200，并由绝缘固定件110固定。除此之外，第一馈入线106及第二馈入线108的线长亦未有所限，较佳地与所传递的无线电信号的半波长相关即可。

在图1A、图1B及图2A至图2E中，绝缘固定件110为一柱状体，然而，不限于此，绝缘固定件110亦可由多个柱状体所构成，只要能以绝缘方式固定接地金属片100、第一微带金属片102、第二微带金属片104、第三微带金属片200即可。举例来说，请参考图3A及图3B，图3A及图3B分别为本发明实施例的一天线30的斜角及侧视示意图。天线30的结构与图1A及图1B的天线10相同，而不同的是，天线30的绝缘固定件由八个柱状体BR所构成，其功能与天线10的绝缘固定件110相同。

将前述实施例适度改变，可进一步衍生出适用于多输入多输出系统的天线。请参考图4，图4为本发明实施例的一复合天线40的示意图。复合天线40由天线ANT_1～ANT_4、上底板PLT_TP以及下底板PLT_BT所构成，其可适用于一多输入多输出系统，如长期演进无线通信系统及IEEE 802.11n无线局域网络系统等。详细来说，天线ANT_1～ANT_4的结构可以完全相同或略为不同，其基本概念与图1A、图1B的天线10或图3A、图3B的天线30相同，亦即多层微带金属片所构成。以天线ANT_1为例，如图5A及图5B所示，天线ANT_1包含有一接地金属片500、一第一微带金属片502、一第二微带金属片504及一第三微带金属片506、一第一馈入线508、一第二馈入线510以及八个柱状体BR所构成的绝缘固定件。柱状体BR用来固定接地金属片500、第一微带金属片502、第二微带金属片504以及第三微带金属片506，使之互不接触，以确保信号可正常发射或接收。此外，接地金属片500包含两弯折，使其外观如同包含两侧翼，作用是使天线ANT_1所产生的波束集中于特定预设范围内；而第二微带金属片504亦包含多个弯折，主要目的是减少其展开面积(即投影于接地金属片500的面积)。第一馈入线508及第二馈入线510则分别电性连接于第一微带金属片502及第二微带金属片504，用来传递无线电信号，其长度较佳地为半波长的整数倍。第三微带金属片506介于第一微带金属片502与第二微带金属片504之间，用来提高共振带宽。

天线ANT_2～ANT_4的结构与天线ANT_1相同，经组合后使复合天线40构成一环形对称结构，如图5C所示，其为复合天线40的中央截面图。需注意的是，在复合天线40中，天线ANT_1～ANT_4的接地金属片电性连接在一起，亦即共地。在此情形下，可适度调整天线ANT_1～ANT_4的接地金属片的尺寸，以节省制造成本。例如，如图5C所示，天线ANT_2、ANT_4的接地金属片仅与天线ANT_1、ANT_3的接地金属片相接，而未包含两侧翼部分。当然，若天线ANT_1～ANT_4的结构完全相同亦可，只要确保其接地金属片电性连接于同一地端即可。

另一方面，要将复合天线40用于多输入多输出系统，需搭配一切换电路600，如图6所示，以实现一射频收发系统。切换电路600可以是二极管电路、单刀单掷交换电路加上功率分配器等，其电性连接于天线ANT_1～ANT_4的馈入线与一射频信号处理模块(未绘示于图6)之间，用来切换射频信号处理模块与各馈入线的连结，以控制由天线ANT_1～ANT_4中一特定天线工作于水平或垂直极化，从而正确收发无线电信号。藉此，除了可通过复合天线40产生特定波束外，相邻的天线场型甚至组合成一新的合成场型，来弥补个别天线增益峰值，因为在45度角远离后的增益值衰减。

举例来说，以长期演进无线通信系统为例，其要求垂直极化天线的共振频率从746MHz到787MHz，水平极化天线的共振频率从746MHz到756MHz。若以传统平板天线实现此应用时，在746MHz时，电磁波的波长约为40cm，要达共振所需的微带金属片的尺寸需为半波长，即为20cm，若加上接地面后需要的尺寸会稍为大些，所以总长度约为22cm。再加上同时具备有垂直和水平极化时，天线就要有22cmx22cm的大小。如果将四个天线环状并排时，天线高度维持22cm，但是四只天线在水平面上所围出的圆柱形半径将有15.5cm。此时，整体外观的感觉十分巨大。除此之外，一般的平板微带天线相对于共振频率的共振带宽约3％，而长期演进无线通信系统的垂直极化天线的共振频率中心需在766.5MHz，带宽为41MHz，所以相对于共振频率中心的共振带宽约5.3％；水平极化天线的共振频率中心在751MHz，带宽为10MHz，所以相对于共振频率中心的共振带宽约1.3％。明显地，对于垂直极化方向，一般的平板微带天线结构是无法满足目前的带宽需求。

反之，当利用复合天线40实现此应用时，若将复合天线40的半径设定为9cm，则在垂直方向的共振长度依然维持22cm，而水平方向的共振长度只剩下12.7cm，但通过水平面多重折弯后，复合天线40可产生寄生电磁场，来增加天线共振的有效长度，使水平方向的极化向低频偏移。同时，复合天线40的多层微带结构可增加天线共振的带宽，也可以增加天线设计的自由度，方便天线特性的调整。

除此之外，利用切换电路600，可以决定天线ANT_1～ANT_4是被启动或是关闭。如此，可以获得8路的单一天线波束(其中4路是垂直极化和4路是水平极化)及8路的合成天线波束(其中4路是垂直极化和4路是水平极化)，总共16路的天线波束。需注意的是，当许多天线相互靠近时，从特定天线辐射出的能量，会被其他相邻天线接收，这样会降低天线的总辐射能量。若将被其他天线所接收的能量完全反射回天线，经由天线再回到原空间。此时，虽然辐射的总能量可以补偿回来，但是再辐射的电磁场相位有可能和原来天线的辐射场型产生破坏性干涉，而造成天线场型被变形了。因此，在设计上，应确保切换电路600在断路时能有几乎完全反射能量的特性。同时，可利用馈入线的长度来控制未启动的相邻天线的辐射相位，以获得最佳的天线辐射特性。

详细来说，请参考图7至图13，图7至图13为量测所得的复合天线40的特性示意图。首先，图7及图8为复合天线40的垂直极化及水平极化共振示意图。如图7所示，复合天线40的垂直极化共振从746MHz到787MHz都在-10dB以下，共振带宽相当宽。而如图8所示，复合天线40的水平极化共振从746MHz到756MHz都在-13dB以下。换言之，复合天线40可在长期演进无线通信系统所要求的频段中产生共振。另外，图9为复合天线40的垂直极化与水平极化之间的隔离度示意图，由此可知，两者间的隔离度达到30dB以上。

此外，图10为天线ANT_1～ANT_4中任一天线的场型特性表，而图11为天线ANT_1～ANT_4合成为复合天线40后的场型特性表。由图10可知，天线ANT_1～ANT_4中单一天线的最大增益值至少约5.5dBi，3dB波束宽度约80deg～110deg(deg表示角度)，前后场型比(即前波峰值比后波峰值)至少10dB，Co/Cx比值至少28dB。而由图11可知，天线ANT_1～ANT_4合成为复合天线40后的最大增益值至少约4.9dBi，3dB波束宽度约90deg～120deg，前后场型比至少11.6dB，Co/Cx比值至少22dB。要说明的一点是，这些复合天线的增益值包含了切换电路和馈入线的损耗，如果补偿回来，单是天线的增益值可达7～8dBi。

最后，图12为复合天线40的垂直极化波束场型示意图，而图13为复合天线40的水平极化波束场型示意图。在图12中，虚线图形为单一天线波束，其最大增益值在45度远离之后减至3.0dBi，而实线图形为合成波束，合成之后的增益值又回到5.5dBi；因此，同时组合单一和合成波束，可使垂直极化波束的增益值最小值达到4.7dBi，可得八个波束。同理，如图13所示，虚线图形为单一天线波束，其最大增益值在45度远离之后减至3.0dBi，而实线图形为合成波束，合成之后的增益值又回到5.2dBi；因此，同时组合单一和合成波束，可使水平极化波束的增益值最小值达到4.9dBi。由此可知，复合天线40可提供16个不同的空间信道，个别信道都有最佳的天线特性，以满足多输入多输出系统所需。或者，换个角度来说，复合天线40可同时在水平面上提供16个最佳的天线波束，让系统有最佳的波束选择。

如前所述，要实现多输入多输出功能中空间多工、多样技术，先决条件必需搭配多组天线，以将空间分成许多信道，进而提供多个天线场型，同时需考虑空间效能。在此情形下，本发明的复合天线将天线并排共用接地面而形成一环状天线组，以有效利用空间。同时，本发明的复合天线可在有限的水平面空间内，在水平方向上，激发出所需频段的水平极化电磁波，并利用多层的微带金属层，增加了天线共振带宽及天线设计的自由度。此外，利用不同层的馈入，可使水平和垂直极化之间的隔离度更高，并适度调整电缆线的长度，以消去其他天线靠太近时场型的相互干扰。再者，经实测可知，本发明的复合天线中个别天线可提供相当高的水平和垂直极化的天线增益值，且个别天线的前波峰值对后波峰值比值至少可达9dB，而对于水平和垂直极化的天线，个别天线提供相当约80～120度的3dB场型，让相邻天线的场型组合时有最高的增益。

复合天线40包含了四个天线，以提供16个不同的空间信道。需注意的是，本发明的复合天线不限于包含四个天线，亦可根据不同应用，适当地调整所包含的天线数。

综上所述，本发明利用多层微带金属片，实现水平及垂直极化天线，并通过适当结合，使结合后的复合天线可有效提高空间效能、增加共振带宽及设计自由度，以适应多输入多输出的应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是根据本发明权利要求书的范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种天线，用来收发无线电信号，该天线包括：

一接地金属片；

一第一微带金属片；

一第二微带金属片；

一第一馈入线，该第一馈入线电性连接于该第一微带金属片，用来传递无线电信号；

一第二馈入线，该第二馈入线电性连接于该第二微带金属片，用来传递无线电信号；以及

一绝缘固定件，该绝缘固定件用来固定该接地金属片、该第一微带金属片以及该第二微带金属片，使该接地金属片、该第一微带金属片以及该第二微带金属片相互不接触；

其中，该第一微带金属片和该第二微带金属片构成多层微带金属片。

2.如权利要求1所述的天线，其中该接地金属片包括至少一弯折。

3.如权利要求2所述的天线，其中该接地金属片所包括的该至少一弯折用来使该天线所产生的波束集中于一预设范围。

4.如权利要求1所述的天线，其中该第一微带金属片或该第二微带金属片包括至少一弯折。

5.如权利要求4所述的天线，其中该第一微带金属片或该第二微带金属片所包括的该至少一弯折用来减少该第一微带金属片或该第二微带金属片投影于该接地金属片的一面积。

6.如权利要求1所述的天线，该天线还包括一第三微带金属片，该绝缘固定件还用来固定该第三微带金属片，使该第三微带金属片介于该第一微带金属片与该第二微带金属片之间且互不接触。

7.如权利要求1所述的天线，其中该第一馈入线及该第二馈入线的线长与所传递的无线电信号的半波长相关。

8.一种复合天线，用来收发无线电信号，该复合天线包括多个天线，每一天线包括：

一接地金属片；

一第一微带金属片；

一第二微带金属片；

其中，该每一天线的该接地金属片电性连接另一天线的该接地金属片；

9.如权利要求8所述的复合天线，其中该每一天线的该接地金属片包括至少一弯折。

10.如权利要求9所述的复合天线，其中该每一天线的该接地金属片所包括的该至少一弯折用来使该每一天线所产生的波束集中于一预设范围。

11.如权利要求8所述的复合天线，其中该每一天线的该第一微带金属片或该第二微带金属片包括至少一弯折。

12.如权利要求11所述的复合天线，其中该每一天线的该第一微带金属片或该第二微带金属片所包括的该至少一弯折用来减少该第一微带金属片或该第二微带金属片投影于该接地金属片的一面积。

13.如权利要求8所述的复合天线，其中该每一天线还包括一第三微带金属片，该绝缘固定件还用来固定该第三微带金属片，使该第三微带金属片介于该第一微带金属片与该第二微带金属片之间且互不接触。

14.如权利要求8所述的复合天线，其中该每一天线的该第一馈入线及该第二馈入线的线长与所传递的无线电信号的半波长相关。

15.一种射频收发系统，用来收发无线电信号，该射频收发系统包括：

一复合天线，该复合天线包括多个天线，每一天线包括：

一接地金属片；

一第一微带金属片；

一第二微带金属片；

其中，该第一微带金属片和该第二微带金属片构成多层微带金属片；

一射频信号处理模块；以及

一切换电路，该切换电路电性连接于该每一天线的该第一馈入线及该第二馈入线与该射频信号处理模块之间，用来切换该射频信号处理模块与该第一馈入线或该第二馈入线的连结。

16.如权利要求15所述的射频收发系统，其中该每一天线的该接地金属片包括至少一弯折。

17.如权利要求16所述的射频收发系统，其中该每一天线的该接地金属片所包括的该至少一弯折用来使该每一天线所产生的波束集中于一预设范围。

18.如权利要求15所述的射频收发系统，其中该每一天线的该第一微带金属片或该第二微带金属片包括至少一弯折。

19.如权利要求18所述的射频收发系统，其中该每一天线的该第一微带金属片或该第二微带金属片所包括的该至少一弯折用来减少该第一微带金属片或该第二微带金属片投影于该接地金属片的一面积。

20.如权利要求15所述的射频收发系统，其中该每一天线还包括一第三微带金属片，该绝缘固定件还用来固定该第三微带金属片，使该第三微带金属片介于该第一微带金属片与该第二微带金属片之间且互不接触。

21.如权利要求15所述的射频收发系统，其中该每一天线的该第一馈入线及该第二馈入线的线长与所传递的无线电信号的半波长相关。