CN107919525B - 天线系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种天线系统。天线系统包含系统接地面及二天线单元。二天线单元分别设置于系统接地面的对立两侧，且以镜像对称方式设置。此二天线单元各自包含电路板、第一天线图形和第二天线图形。第一天线图形设置于电路板的其中一侧，并包含第一金属部、第二金属部、第三金属部、第一弯折部及第二弯折部。第一金属部通过第一弯折部与第二金属部的一端连接，第二金属部的另一端通过第二弯折部与第三金属部连接。第一天线图形共振产生第一高频共振频率的频带。第二天线图形设置于电路板的另一侧。第一天线图形与部分第二天线图形耦合共振产生低频共振频率的频带。本公开提供的天线系统可以提升无线传输速率的收发质量。

Description

天线系统
技术领域
本公开涉及通信技术领域，具体而言，涉及一种多输入多输出的多频天线系统。
背景技术
多输入多输出(Multi-input Multi-output；MIMO)天线系统的应用十分广泛，而传统上常见使用低通滤波装置及耦合导体线的配置来分别降低天线系统于高操作频带与低操作频带之间的相关性以及降低天线系统中各天线的隔离度。然而，因需设计低通滤波装置及耦合导体线，天线系统的架构较为庞大。
而在现今众多电子装置倾向于小型化的趋势下，需要开发小型化的多输入多输出天线系统以符合产品的规格。若使用传统的PIFA(PlanarInverted-F Antenna)天线，则低频的共振频率会有隔离度(isolation)不理想及封包相关系数(envelope correlationcoefficient,ECC)较大等不佳的问题。此外，各电信业者提供服务的频率系统不尽相同，为了兼容各种信号收发频段，有必要研发一种适合小型化装置、且具有隔离度佳及封包相关系数小等特性的MIMO多频天线。
发明内容
在本发明的一技术实施方式中提出一种天线系统。天线系统包含系统接地面及二天线单元。二天线单元分别设置于系统接地面的对立的两侧，且以镜像对称的方式设置。此二天线单元各自包含有电路板、第一天线图形和第二天线图形。第一天线图形设置于电路板的其中一侧，并包含第一金属部、第二金属部、第三金属部、第一弯折部及第二弯折部。第一金属部通过第一弯折部与第二金属部的一端连接，第二金属部的另一端通过第二弯折部与第三金属部连接，以共振产生第一高频共振频率的频带。第二天线图形设置于电路板的另一侧。其中第一天线图形与部分第二天线图形共振耦合产生低频共振频率的频带。
通过本发明公开的技术，适合小型化装置的多输入多输出的多频天线系统可以被实现，且天线系统在各天线单元的隔离度及封包相关系数上皆有良好的表现，进而提升无线传输速率(throughput)的收发质量。
附图说明
图1A为本发明的一实施例的天线系统架构示意图；
图1B为本发明的一实施例的天线系统架构示意图；
图2A为本发明的一实施例的天线图形的示意图；
图2B为本发明的一实施例的天线图形的示意图；
图3为本发明的一实施例的天线单元的透视示意图；
图4A为本发明的一实施例的天线单元的电压驻波比对频率的关系图；
图4B为本发明的一实施例的天线单元的天线效率对频率的关系图；
图5A为本发明的一实施例的天线单元的隔离度对频率的关系图；
图5B为本发明的一实施例的天线单元的封包相关系数对频率的关系图；
图6为本发明的一实施例的天线系统的辐射场型示意图；
图7为本发明的一实施例的天线单元的透视示意图；
图8为本发明的一实施例的天线单元的透视示意图；
图9为本发明的一实施例的天线单元的透视示意图。
具体实施方式
下文特举实施例配合附图作详细说明，但所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用来限定本发明，而结构操作的描述非用以限制其执行的顺序，任何由元件重新组合的结构，所产生具有均等技术效果的装置，皆为本发明公开内容所涵盖的范围。此外，附图仅仅用以示意性地加以说明，并未依照其真实尺寸进行绘制。
首先，请参阅图1A，图1A为本发明的一实施例的天线系统100的架构示意图。天线系统100的尺寸长度d1×宽度d2×高度d3例如为75mm×75mm×20mm。因此，天线系统100可装载于小型的电子装置上，例如手机、手表、相机等小型携带型/穿戴式电子装置，当然亦可用于电脑、网络调制解调器等任何需安装天线以进行信号收发的产品上。
天线系统100以例如PCB板(印刷电路板)为基材，其中天线系统100的底部例如为单面PCB板，而垂直底面的两侧例如为双面PCB板，此二双面PCB板的尺寸长度d1×宽度d4×厚度d5例如为75mm×15mm×0.8mm。天线系统100于底部的PCB板上设有系统接地面110以及于两侧双面PCB板上分别设有位于系统接地面110的对立两侧的相同的两天线单元120。天线单元120为例如长期演进(long term evolution,LTE)天线。
各天线单元120以双面PCB板为基材，在双面PCB板面向外部的一侧设有第一天线图形122，而在双面PCB板面向内部的一侧上设有第二天线图形124。第一天线图形122及第二天线图形124例如为铜箔材料的导电路径。关于第一天线图形122及第二天线图形124的构造，将于后文中辅助图2A、图2B作进一步详细说明。
图1B为本发明的一实施例的天线系统100的架构示意图。其中两天线单元120以中心线L为对称中心，与彼此呈现镜像对称。更具体来说，两天线单元120各自的第一天线图形122(位于天线单元120的外侧)以此中心线L与彼此呈镜像对称，及两天线单元120各自的第二天线图形124以此中心线L与彼此呈镜像对称，如图1B所示。
接着，请参阅图2A，图2A为本发明的一实施例的第一天线图形122的示意图。其中，图2A所呈现为例如图1A的天线系统100右边的天线单元120的第一天线图形122，而天线系统100左边的天线单元120上的第一天线图形122将为图2A的镜像对称。因天线系统100左右两侧天线单元120为具相同功能且构造对称的元件，本文仅举其中一侧(右侧)的天线单元120为例以简化说明。
图2A中，第一天线图形122由点A1～A8间形成的路径所构成，即包含第一金属部M1、第二金属部M2、第三金属部M3、第一弯折部U1、第二弯折部U2。其中，第一天线图形122中，第一金属部M1位于点A2～A4间，第二金属部M2位于点A5～A6间，第三金属部M3位于点A7～A8间，第一弯折部U1位于点A4～A5间，而第二弯折部U2位于点A6～A7间。第一金属部M1、第二金属部M2及第三金属部M3三者呈平行排列。第一弯折部U1及第二弯折部U2平行排列。第一金属部M1的一端通过第一弯折部U1与第二金属部M2的一端连接，而第二金属部M2的另一端通过第二弯折部U2与第三金属部M3的一端连接，形成类似S形的天线图形。此外，第一金属部M1的第一端(即点A2处)的宽度w1宽于第一金属部M1的第二端(相反于第一端，即点A3处)的宽度w2。在此实施例中，宽度w1例如为3mm，宽度w2例如为1mm。
第一天线图形122的第一端具有一延伸金属部，即为点A1于点A2的路径。延伸金属部与第一弯折部U1及第二弯折部U2平行。延伸金属部具有天线单元120的信号馈入端，即为点A1处，用以通过同轴传输线(图中未示)耦接至无线收发电路(图中未示)的信号正极。而第三金属部M3相反于连接第二弯折部U2的一端具有接地端，即位于点A8处。接地端通过同轴传输线(图中未示)耦接至无线收发电路(图中未示)的信号负极，并与系统接地面110连接以接地。
承上实施例，请参阅图2B，图2B为本发明的一实施例的第二天线图形124的示意图。同于图2A的实施例，此处仅举天线系统100右边的天线单元120为例以简化说明。图2B中，第二天线图形124由点B1～B7及点C1～C4间形成的路径所构成。第二天线图形124的点B3及点C3之间为一断缝B，在此实施例中，断缝B例如为9mm宽的断缝。
断缝B大致可将第二天线图形124分为点B1～B7构成的第一电流路径210、及点C1～C4构成的第二电流路径220路径等两部分。其中，第一电流路径210包含第四金属部M4、第五金属部M5、第六金属部M6及第七金属部M7。第四金属部位于点B1～B2间，第五金属部M5位于点B2～B3间，第六金属部M6位于点B4～B5间，而第七金属部M7位于点B6～B7间。
第四金属部M4与第五金属部M5的一端呈直角相接，而第五金属部M5、第六金属部M6及第七金属部M7三者呈平行排列。第五金属部M5的另一端通过点B3～B4处的弯折部与第六金属部M6的一端连接，而第六金属部M6的另一端通过点B5～B6处的弯折部与第七金属部M7连接。
第二电流路径220路径包含第八金属部M8、第九金属部M9及第十金属部M10。第八金属部M8位于点C1～C2间，第九金属部M9位于点C2～C3间，而第十金属部M10位于点C3～C4间。第八金属部M8的一端与第九金属部M9的一端呈直角相接，形成L形路径。第九金属部M9的另一端与第十金属部M10相连接。第十金属部M10的宽度w3小于第九金属部M9的宽度w4。在此实施例中，宽度w3例如为4mm，宽度w4例如为7mm。
第二天线图形124的点G为接地端，用以通过同轴传输线(图中未示)耦接至无线收发电路(图中未示)的信号负极、以及与系统接地面110连接以接地。其中，第二天线图形124作为天线单元120的接地面。第一天线图形122与第二天线图形124通过双面PCB板产生耦合共振，并产生一共振频带以进行信号的收发。
请见图3，图3为本发明的一实施例的天线单元120的透视示意图。其中，图3是由例如图1A中天线系统100的右侧面向天线系统100右边的天线单元120的角度来示出。图3中，第一天线图形122以实线表示，而位于双面PCB板的另一侧(或相对第一天线图形122的背侧)的第二天线图形124则以虚线表示。从此图可看出第一天线图形122与第二天线图形124在双面PCB板垂直方向上的投影上的重叠关系。举例来说，第一金属部的第一端(即点A2处)与第六金属部M6的一端(即点B4处)在双面PCB板垂直方向上的投影上具有一交叠部分。
第一天线图形122与第二天线图形124可产生共振频带，包括一低频共振频率与多个高频共振频率。其中低频共振频率由第一天线图形122与背侧的断缝B及第二天线图形124的第一电流路径210交叠耦合共振所产生。其中断缝B的宽度与此低频共振频率相关。因此，可通过调整断缝B的宽度来控制低频共振频率。而调整第一金属部的第一端(即点A2处)与第六金属部M6的一端(即点B4处)的交叠部分的面积大小/耦合量、及/或调整第一金属部M1的第一端的宽度w1(如图2A所示)，可改变低频共振频率的阻抗匹配。
承上述，第一天线图形122与第二天线图形124共振产生的多个高频共振频率大致可分为第一高频共振频率、第二高频共振频率、第三高频共振频率及第四高频共振频率等四个频率。第一高频共振频率是由第一天线图形122自身的回路所共振产生。第二高频共振频率例如由第一天线图形122与背侧的断缝B及第二天线图形124的第二电流路径220交叠耦合共振所产生。其中，可通过调整第十金属部M10的宽度w3(如图2B所示)，来调整第二高频共振频率的阻抗匹配。
第三高频共振频率亦是由第一天线图形122与背侧的断缝B及第二天线图形124的第一电流路径210交叠耦合共振所产生，约为前述低频共振频段的二倍频。第四高频共振频率是由第一天线图形122与第二天线图形124的第二电流路径220交叠耦合共振所产生。第一天线图形122的第二金属部M2与第二天线图形124的第二电流路径220所围绕的狭缝R1在垂直方向的投影上具有部分重叠，如图3中所标示处。调整狭缝R1的大小，可控制第四高频共振频率。
由上述实施例可知，天线单元120可同时具有收发多种共振频率的信号的功能，且通过多个路径的交叠耦合共振，天线单元120同时兼顾多个高频共振频率，具有宽带天线的效果，实现了LTE多频天线。而两天线单元120的电压驻波比(VSWR)如图4A所示，图4A为本发明的一实施例的两天线单元120的电压驻波比对频率的关系图。
图4A中，曲线410A为例如图1的实施例中天线系统100右侧的天线单元120的电压驻波比对频率作图，而曲线420A为例如图1的实施例中天线系统100左侧的天线单元120的电压驻波比对频率作图。
其中，前述第一天线图形122与第二天线图形124产生的共振频带中的低频共振频率的电压驻波比如图4A的L1频率区段所示；第一高频共振频率的电压驻波比如H1频率区段所示；第二高频共振频率的电压驻波比如H2频率区段所示；第三高频共振频率的电压驻波比如H3频率区段所示；第四高频共振频率的电压驻波比如H4频率区段所示。由图4A中可看出，天线单元120的低频共振频率及高频共振频率的电压驻波比接趋近于1，显示出能量反射低，具有良好的阻抗匹配。
图4B为本发明的一实施例的天线单元120的天线效率对频率的关系图。图4B中，曲线410B为例如图1的实施例中天线系统100右侧的天线单元120的天线效率对频率作图，而曲线420B为例如图1的实施例中天线系统100左侧的天线单元120的天线效率对频率作图。
其中，前述第一天线图形122与第二天线图形124产生的共振频带中的低频共振频率的天线效率如图4B的L1频率区段所示；第一高频共振频率的天线效率如H1频率区段所示；第二高频共振频率的天线效率如H2频率区段所示；第三高频共振频率的天线效率如H3频率区段所示；第四高频共振频率的天线效率如H4频率区段所示。由图4B中可看出，天线单元120的低频共振频率的天线效率大于-5dB，而高频共振频率的天线效率皆大于-3dB，因此在其频带内的天线增益有十分不错的表现。
而由同向且镜像对称设置的两天线单元120所构成的天线系统100中各天线单元的隔离度如图5A所示，图5A为本发明的一实施例的两天线单元120的隔离度对频率的关系图。在图5A中，可看出天线系统100的两天线单元120在低频共振频率的隔离度小于-10dB，而高频共振频率的隔离度小于-15dB，显现两天线单元120具备良好的隔离度。
接着，请参阅图5B，图5B为本发明的一实施例的两天线单元120的封包相关系数(ECC)对频率的关系图。由图5B可看出，天线系统100的两天线单元120在低频共振频率处的封包相关系数小于0.5，而在高频共振频率处的封包相关系数小于0.3。
请一并参阅图6，图6为本发明的一实施例的天线系统100的低频频率(例如756MHz)的辐射场型示意图。图6中，曲线610表示例如图1的实施例中天线系统100右侧的天线单元120的辐射场型，而曲线620为例如图1的实施例中天线系统100左侧的天线单元120的辐射场型。在水平面(X-Y平面)上，可看出两天线单元120各自的辐射场型与彼此呈现正交，使得两天线单元120之间的互相干扰程度降低。因此天线系统100能具有较小的封包相关系数。
而由图5A、图5B、图6可了解到，天线系统100的两天线单元120无论在隔离度、封包相关系数或辐射场型的测量上皆有不错的表现，因此，本公开文件公开的天线系统100在无线传输速率上，将呈现出良好的信号收发质量。
在本公开文件的另一实施例中，天线系统100的天线单元120还可开设一槽缝，如图7所示。图7为本发明的一实施例的天线单元120的透视示意图。其中，天线单元120于第二天线图形124的第一电流路径210上挖有点D1至点D2距离的槽缝S，即位在第七金属部M7的一侧。此槽缝S可使天线单元120的低频共振频率往更低频偏移。在槽缝S的一端及中段处设有开关元件S1、S2。详细地说，开关元件S1位于点D1处，开关元件S2位于点D1至点D2路径的中央位置。开关元件S1、S2可例如为二极管或晶体管开关或任何其他具有开关功能的元件，本公开文件并不加以限制。
如前文所述，因低频共振频率由第一天线图形122与背侧的断缝B及第二天线图形124的第一电流路径210交叠耦合共振所产生，因此通过切换第二天线图形124中的开关元件S1、S2，可切换不同长度的接地路径，并进一步控制低频共振频率或低频频带。故通过槽缝S及开关元件S1、S2的设置，可改善低频频宽不足的问题。
举例来说，当开关元件S1、S2皆关断时，接地路径较短，则天线单元120的低频共振频段例如约700MHz；当开关元件S1关断而S2导通时，天线单元120的低频共振频段例如约800MHz；而当开关元件S1导通时，天线单元120的低频共振频段例如约900MHz。应理解的是，开关元件的数量及设置位置亦可根据实际应用作调整，本公开文件并不加以限制。
于本公开文件的又一实施例中，天线系统100的天线单元120的尺寸亦可再进一步缩小，以符合更小的电子装置的需求。图8为本发明的一实施例的天线单元120的透视示意图。在图8中，天线单元120的尺寸长度d1×宽度d4×厚度d5例如为65mm×15mm×0.8mm，且其仍具有前述实施例的天线单元120的特性。同于图7的实施例，图8示出的天线单元120于第二天线图形124的第一电流路径210设有点D1至点D2距离的槽缝S以使低频往更低频率偏移。
如图8所示，当天线单元120的尺寸缩小后，第二天线图形124的第六金属部M6的一端(左端)具有一凸出部分，此凸出部分与第一天线图形122在垂直方向的投影上具有部分重叠(可见于图8中区域E1处)。而第一天线图形122的第二金属部M2的相反两端(左端和右端)亦各有一凸出部分，其中右端凸出部分与第二天线图形124在垂直方向的投影上具有部分重叠(可见于图8中区域E2处)，左端凸出部分则与第二天线图形124在垂直方向的投影上亦具有部分重叠(可见于图8中区域E3处)。通过调整区域E1、E2、E3中第一天线图形122与背侧第二天线图形124在垂直方向上的投影的交叠面积(亦即，调整区域E1、E2、E3处第一天线图形122与背侧第二天线图形124的耦合程度)，可控制高频共振频率和阻抗匹配带宽。
而在本公开文件的再一实施例中，天线系统100的天线单元120的尺寸可再进一步缩小，例如图9所示出本公开文件的一实施例的天线单元120的透视示意图。图9中，天线单元120的尺寸长度d1×宽度d4×厚度d5例如为60mm×15mm×0.8mm，且其同样可保持前述实施例的天线单元120的特性。同于图8的实施例，图9的天线单元120的第二天线图形124亦具有点D1至点D2距离的槽缝S。
在此实施例中，第二天线图形124的第六金属部M6的一端(左端)同样具有一凸出部分，与第一天线图形122在垂直方向的投影上具有部分重叠(可见于图9中区域E1处)。而第一天线图形122的第二金属部M2的一端(右端)会有一凸出部分与第二天线图形124在垂直方向的投影上具有部分重叠(可见于图9中区域E2处)，第二金属部M2处的另一端(左端)则有一曲折凸出部分与第二天线图形124在垂直方向的投影上具有部分重叠(可见于图9中区域E3处)。通过调整区域E1、E2、E3中第一天线图形122与背侧第二天线图形124在垂直方向上的投影的交叠面积，可控制高频共振频率和阻抗匹配带宽。
在图8和图9的实施例中，即使天线单元120的尺寸进一步缩小化，然由此二图实施例的两天线单元120构成的天线系统100的天线单元隔离度仍有小于-8dB的表现，尚具有不错的信号收发质量。
将图7的实施例归类为第一类型、将图8的实施例归类为第二类型、及将图9的实施例归类为第三类型，各类型的尺寸比较请见下方表一：
Figure BDA0001327764210000091
Figure BDA0001327764210000101
(表一)
而下方表二为第一类型、第二类型、第三类型实施例中天线系统100的右侧天线单元120与左侧天线单元120之间的隔离度、封包相关系数(ECC)、天线效率等各参数的比较表：
Figure BDA0001327764210000102
Figure BDA0001327764210000111
(表二)
虽然本发明的实施例已公开如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明的构思和范围内，当可做些许的变动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定为准。

Claims (12)

1.一种天线系统，其特征在于，包含：
系统接地面；以及
二天线单元，分别设置于所述系统接地面的对立的两侧，且所述二天线单元是以镜像对称的方式设置，所述二天线单元各自包含：
电路板；
第一天线图形，设置于所述电路板的其中一侧，所述第一天线图形包含第一金属部、第二金属部、第三金属部、第一弯折部以及第二弯折部，所述第一金属部通过所述第一弯折部与所述第二金属部的一端连接，所述第二金属部的另一端通过所述第二弯折部与所述第三金属部连接，以共振产生第一高频共振频率的频带；以及
第二天线图形，设置于所述电路板的另一侧，所述第一天线图形与部分所述第二天线图形共振耦合产生低频共振频率的频带，其中，所述第二天线图形具有断缝，所述断缝将所述第二天线图形分为第一路径及第二路径，且所述电路板的所述另一侧面向所述系统接地面，其中，所述第一路径包含槽缝，所述槽缝中设有多个开关元件，所述第一路径通过所述多个开关元件来切换不同的接地路径以及控制所述低频共振频率。
2.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述二天线单元各自的所述第一天线图形以所述天线系统的中心线与彼此呈镜像对称，所述二天线单元各自的所述第二天线图形以所述天线系统的所述中心线与彼此呈镜像对称。
3.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述第一金属部具有相反的第一端及第二端，所述第一端的宽度大于所述第二端的宽度。
4.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述第一金属部与所述第二天线图形在所述电路板垂直方向上的投影上具有交叠部分，所述交叠部分的大小与所述低频共振频率的阻抗匹配带宽相关。
5.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述第一路径上的所述第二天线图形包含第四金属部、第五金属部、第六金属部及第七金属部，所述第四金属部与所述第五金属部呈直角相接，所述第五金属部、所述第六金属部及所述第七金属部呈平行排列。
6.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述断缝的宽度与所述低频共振频率相关。
7.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述第二路径上的所述第二天线图形包含第八金属部、第九金属部及第十金属部，所述第八金属部与所述第九金属部呈直角相接，所述第十金属部连接于所述第九金属部，且所述第十金属部的宽度小于所述第九金属部。
8.根据权利要求7所述的天线系统，其特征在于，所述第一天线图形与所述第二路径及所述断缝耦合共振以产生第二高频共振频率的频带，所述第十金属部的宽度与所述第二高频共振频率的阻抗匹配带宽相关。
9.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述第一天线图形与所述第一路径及所述断缝耦合共振以产生第三高频共振频率的频带。
10.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述第一天线图形与所述第二路径耦合共振产生第四高频共振频率的频带。
11.根据权利要求10所述的天线系统，其特征在于，所述第二天线图形还包含狭缝，所述第一天线图形与所述狭缝在所述电路板垂直方向上的投影上具有交叠部分，所述狭缝的大小与所述第四高频共振频率相关。
12.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述二天线单元各自的辐射场型彼此正交。
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