CN114256618A - 天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种天线系统，包含接地面、第一天线单元、第二天线单元、第一接地单元及第二接地单元。接地面包含第一侧边及第二侧边；第一接地单元与接地面共同形成第一封闭回路，第一接地单元的物理长度匹配于第一高频信号及第二高频信号以提供第一高频信号及第二高频信号接地；第二接地单元形成第二封闭回路并连接第一接地单元，第二接地单元的物理长度大于第一接地单元的物理长度；第二接地单元的物理长度与第一接地单元的物理长度的总和匹配于第一低频信号及第二低频信号以共同提供第一低频信号及第二低频信号接地。

Description

天线系统
技术领域
本发明涉及一种天线系统，特别涉及一种利用接地线去耦合效应实现隔离的天线系统。
背景技术
随着无线通讯技术的进步，数据传输量的需求也随之提高，若要满足庞大的数据传输量，无线通讯系统利用多输入多输出系统(Multi-input Multi-output；MIMO)的天线系统架构实现无线数据传输。在MIMO系统中，两支以上天线架构会各自传送不同信号，但天线隔难度(isolation)较差时会造成天线之间互相干扰，导致信号损失降低系统传输速率。
根据传统的天线设计，两支天线之间需要至少大于特定的距离才能使天线之间不会产生互相干扰，以达到良好的天线隔离度。但目前电子装置朝向小型化设计，例如移动通讯手持式装置、穿戴式装置基于使用者的良好体验缩小了电子装置的体积大小，进而限制天线可设置的空间，当设置的两支天线之间无法保持至少特定的距离，天线隔离度因此相对不佳，天线之间产生了互相干扰，传输品质因此下降。
发明内容
有鉴于上述现在技术中的问题，本发明的目的在于提供一种天线系统。
在一些实施例中，一种天线系统包含接地面、第一天线单元、第二天线单元、第一接地单元及第二接地单元。接地面包含第一侧边及第二侧边，第一天线单元连接第一侧边，第一天线单元用以接收及发送第一高频信号及第一低频信号，第二天线单元连接第二侧边，第二天线单元用以接收及发送第二高频信号及第二低频信号，第一接地单元的封闭端连接第一侧边，且第一接地单元的另一封闭端连接第二侧边，以与接地面共同形成第一封闭回路，第一接地单元的物理长度匹配于第一高频信号及第二高频信号，以提供第一高频信号及第二高频信号接地，第二接地单元形成第二封闭回路，第二接地单元连接第一接地单元，第二接地单元的物理长度大于第一接地单元的物理长度，其中，第二接地单元的物理长度与第一接地单元的物理长度的总和匹配于第一低频信号及第二低频信号，第二接地单元与第一接地单元共同提供第一低频信号及第二低频信号接地。
在一些实施例中，一种天线系统包含接地面、第一天线单元、第二天线单元、第一接地单元及第二接地单元。接地面包含第一侧边及第二侧边，第一天线单元连接第一侧边，第一天线单元用以接收及发送第一高频信号及第一低频信号，第二天线单元连接第二侧边，第二天线单元用以接收及发送第二高频信号及第二低频信号，第一接地单元的封闭端连接第一侧边，且第一接地单元的另一封闭端连接第二侧边，以与接地面共同形成第一接地单元的封闭回路，第一接地单元的物理长度匹配于第一高频信号及第二高频信号，以提供第一高频信号及第二高频信号接地，第二接地单元形成第二接地单元的封闭回路，第二接地单元连接第一接地单元，第二接地单元的物理长度小于第一接地单元的物理长度，其中，第二接地单元的物理长度与第一接地单元的物理长度的总和匹配于第一低频信号及第二低频信号，第二接地单元与第一接地单元共同提供第一低频信号及第二低频信号接地。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为根据本发明的天线系统的一实施例的示意图；
图2为根据本发明的天线系统的另一实施例的示意图；
图3为图1的天线系统的尺寸的一实施例的示意图；
图4为图1的天线系统的一实施例于各操作频率的反射损失图；
图5为图1的天线系统的第一天线单元的一实施例所形成的辐射场型图；
图6为图1的天线系统的第二天线单元的一实施例所形成的辐射场型图；
图7为图1的天线系统的第一天线单元的另一实施例所形成的辐射场型图；
图8为图1的天线系统的第二天线单元的另一实施例所形成的辐射场型图。
其中，附图标记
1:第一天线单元
2:第二天线单元
3:接地面
41:第一接地单元
411:凸出部
42:第二接地单元
421:凸出部
51:第一接地单元
511:凸出部
52:第二接地单元
521:凸出部
E1:封闭端
E2:封闭端
A1:夹角
S1:第一侧边
S2:第二侧边
G1:第一耦合间距
G2:第二耦合间距
G3:第三耦合间距
G4:第四耦合间距
D1:第一投影方向
D2:第二投影方向
L1:长度
L2:长度
L3:长度
L4:长度
L5:长度
L6:长度
L7:长度
L8:长度
L9:长度
L10:长度
L11:长度
L12:长度
L13:长度
L14:长度
a:曲线
b:曲线
c:曲线
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
请参照图1，图1为利用接地线去耦合效应实现隔离的天线系统。天线系统包含支援双频信号的两天线单元(为方便描述，以下分别称为第一天线单元1及第二天线单元2)、两接地单元(以下分别称为第一接地单元41及第二接地单元42)及接地面3。接地面3包含第一侧边S1及第二侧边S2，第一天线单元1连接于第一侧边S1而接地，第二天线单元2连接于第二侧边S2而接地。
第一接地单元41包含两封闭端E1、E2，封闭端E1连接第一侧边S1，且封闭端E2连接第二侧边S2，因此，第一接地单元41与第一侧边S1、第二侧边S2之间共同形成一封闭回路(以下称为第一封闭回路)。第二接地单元42连接第一接地单元41，第二接地单元42的物理长度大于第一接地单元41的物理长度，第二接地单元42单独地形成另一封闭回路(以下称为第二封闭回路)。第一接地单元41及第二接地单元42可进一步提供第一天线单元1及第二天线单元2接地。
详细而言，第一天线单元1可接收及发送高频信号(以下称为第一高频信号)，且第一天线单元1可接收及发送低频信号(以下称为第一低频信号)，第一天线单元1与接地单元41、42之间具有一第一耦合间距G1。基于第一高频信号，第一接地单元41的物理长度匹配于第一高频信号，即第一封闭回路匹配于第一高频信号，也就是第一接地单元41的物理长度实质上为第一高频信号的1/4波长距离，相较于第一天线单元1原有的接地，第一接地单元41可进一步提供第一高频信号接地。并且，基于第一低频信号，第一接地单元41的物理长度及第二接地单元42的物理长度的总和匹配于第一低频信号，即第一封闭回路及第二封闭回路共同匹配于第一低频信号，也就是第一接地单元41的物理长度及第二接地单元42的物理长度的总和实质上为第一低频信号的1/4波长距离，第一接地单元41及第二接地单元42可共同进一步提供第一低频信号接地。
第二天线单元2可接收及发送高频信号(以下称为第二高频信号)，且第二天线单元2可接收及发送低频信号(以下称为第二低频信号)。第二天线单元2与接地单元41、42之间具有一第二耦合间距G2。基于第二高频信号，第一接地单元41的物理长度匹配于第二高频信号，即第一封闭回路匹配于第二高频信号，也就是第一接地单元41的物理长度实质上为第二高频信号的1/4波长距离，相较于第二天线单元2原有的接地，第一接地单元41可进一步提供第二高频信号接地。并且，基于第二低频信号，第一接地单元41的物理长度及第二接地单元42的物理长度的总和亦匹配于第二低频信号，即第一封闭回路及第二封闭回路亦共同匹配于第二低频信号，也就是第一接地单元41的物理长度及第二接地单元42的物理长度的总和实质上为第二低频信号的1/4波长距离，第一接地单元41及第二接地单元42可共同进一步提供第二低频信号接地。
在另一实施例中，请参照图2，图2为根据本发明的天线系统的另一实施例的示意图。图2的天线系统与图1的天线系统之间的差异在于图2示例出第一接地单元51及第二接地单元52，第一接地单元51的物理长度大于第二接地单元52的物理长度。详细而言，第一接地单元51包含两封闭端E1、E2，封闭端E1连接第一侧边S1，且封闭端E2连接第二侧边S2，因此，第一接地单元51与第一侧边S1、第二侧边S2之间共同形成一封闭回路(以下称为第一封闭回路)。第二接地单元52连接第一接地单元51，第二接地单元52的物理长度小于第一接地单元51的物理长度，第二接地单元52单独地形成另一封闭回路(以下称为第二封闭回路)。第一接地单元51及第二接地单元52可进一步提供第一天线单元1及第二天线单元2接地。
第一天线单元1与接地单元51、52之间具有一第三耦合间距G3。基于第一高频信号，第一接地单元51的物理长度匹配于第一高频信号，即第一封闭回路匹配于第一高频信号，也就是第一接地单元51的物理长度实质上为第一高频信号的1/4波长距离，相较于第一天线单元1原有的接地，第一接地单元51可进一步提供第一高频信号接地。并且，基于第一低频信号，第一接地单元51的物理长度及第二接地单元52的物理长度的总和匹配于第一低频信号，即第一封闭回路及第二封闭回路共同匹配于第一低频信号，也就是第一接地单元51的物理长度及第二接地单元52的物理长度的总和实质上为第一低频信号的1/4波长距离，第一接地单元51及第二接地单元52可共同进一步提供第一低频信号接地。
第二天线单元2与接地单元51、52之间具有一第四耦合间距G4。基于第二高频信号，第一接地单元51的物理长度匹配于第二高频信号，即第一封闭回路亦匹配于第二高频信号，也就是第一接地单元51的物理长度实质上为第二高频信号的1/4波长距离，相较于第二天线单元2原有的接地，第一接地单元51可进一步提供第二高频信号接地。并且，基于第二低频信号，第一接地单元51的物理长度及第二接地单元52的物理长度的总和亦匹配于第二低频信号，即第一封闭回路及第二封闭回路亦共同匹配于第二低频信号，也就是第一接地单元51的物理长度及第二接地单元52的物理长度的总和实质上为第二低频信号的1/4波长距离，第一接地单元51及第二接地单元52可共同进一步提供第二低频信号接地。
基此，当馈入信号分别激发天线单元1、2时，藉由额外设置的第一接地单元41、51及第二接地单元42、52，第一接地单元41、51及第二接地单元42、52可进一步提供天线单元1、2在收发高频及低频信号时接地，可使第一天线单元1与第二天线单元2之间的间距较小而不会互相干扰，可使天线系统具有良好的天线隔离度，因而维持天线系统良好的传输品质。
在一些实施例中，如图1及图2所示，接地面3包含至少二以上的多个侧边，其中，多个侧边中相邻的第一侧边S1与第二侧边S2之间形成一夹角A1，夹角A1可为小于180度的夹角，即第一侧边S1与第二侧边S2相交但不为一直线。在一些实施例中，接地面3的第一侧边S1可垂直于第二侧边S2，第一侧边S1与第二侧边S2相交并形成为90度的夹角A1。
在一些实施例中，如图1及图2所示，第一接地单元41、51的封闭端E1连接第一侧边S1，且封闭端E2连接第二侧边S2，换句话说，第一接地单元41、51设置于与夹角A1具有同一顶点且与夹角A1互补为一圆(360度角)的反角上，封闭端E1、E2分别连接于所述反角的两边上，反角的两边即为第一侧边S1及第二侧边S2。其中，第二接地单元42、52与第一接地单元41、51连接，第一接地单元41、51及第二接地单元42、52沿着平行于第一侧边S1的第一投影方向D1垂直投影时，第一接地单元41、51及第二接地单元42、52的垂直投影至少一部份重叠于第一天线单元1；当第二天线单元2沿着第一投影方向D1垂直投影时，第二天线单元2的垂直投影不重叠于第一天线单元1。另一方面，当第一接地单元41、51及第二接地单元42、52沿着平行于第二侧边S2的第二投影方向D2垂直投影时，第一接地单元41、51及第二接地单元42、52的垂直投影至少一部份重叠于第二天线单元2；当第一天线单元1沿着第二投影方向D2垂直投影时，第一天线单元1的垂直投影不重叠于二天线单元2。
在一些实施例中，请参照图3，长度L1可为2.25毫米(mm)、长度L2可为3.5mm、长度L3可为5.25mm、长度L4可为3.5mm、长度L5可为8.05mm、长度L6可为9.25mm、长度L7可为9.8mm、长度L8可为7.25mm、长度L9可为10mm、长度L10可为15.5mm、长度L11可为11.25mm、长度L12可为10.5mm、长度L13可为10mm、长度L14可为15.5mm、第一耦合间距G1、第二耦合间距G2、第三耦合间距G3及第四耦合间距G4的长度可为5mm-10mm。
在一些实施例中，请参照图4，图4为图1的天线系统于各操作频率的反射损失图。其中，曲线a代表第一天线单元1，曲线b代表第二天线单元2，曲线c代表为天线干扰情况指标的天线隔离度(isolation)，由图4可得知，第一天线单元1与第二天线单元2的高频操作频带可分布在5-6GHz，而低频操作频带分别分布在2.4-2.5GHz。
在一些实施例中，请合并参照图5-图8，图5、图6为分别根据图1的天线系统的第一天线单元1及第二天线单元2于低频操作频带为2.45GHz所产生的辐射场形，图7、图8为根据图1的天线系统的第一天线单元1及第二天线单元2于高频操作频带为5.5GHz所产生的辐射场形。其中，图5的辐射场型的最大增益(peak gain)可为2.57dBi，效能(efficiency)可为55.66％；图6的辐射场型的最大增益可为0.71dBi，效能可为59.27％；图7的辐射场型的最大增益可为2.62dBi，效能可为60.33％；图8的辐射场型的最大增益可为3.58dBi，效能可为61.41％。根据图5-图8可得知，设置有接地单元41、42的天线系统具有优良的辐射场形能量、最大增益及效能数值，基此，在天线系统设置接地单元可有效隔离多个天线单元之间产生的互相干扰，因而增强天线系统整体的收讯品质。
在一些实施例中，第一接地单元41、51及第二接地单元42、52可为任意几何形状，其中，当天线系统在电子装置设置的空间有限时，可通过增加第一接地单元41、51及第二接地单元42、52的部分宽度，以减短第一接地单元41、51的封闭回路的长度(即，减短第一接地单元41、51的封闭端E1至封闭端E2之间的长度)及第二接地单元42、52的封闭回路的长度。详细而言，如图1及图2所示的第一接地单元41、51及第二接地单元42、52分别以正方形为示例，凸出部411设置于第一接地单元41其中一处直角，凸出部421设置于第二接地单元42的四处直角，凸出部511设置于第一接地单元51其中三处直角，凸出部521设置于第二接地单元52其中一处直角。基此，当天线系统在电子装置设置的空间有限时，第一接地单元41、51及第二接地单元42、52可通过增加部分宽度的凸出部411、421、511、521提供第一接地单元41、51及第二接地单元42、52高频或低频信号接地，以使天线单元在收发高频或低频信号时能持续提供天线系统整体好的收讯品质。
在一些实施例中，天线系统可印刷在印刷电路板(Printed Circuit Board；PCB)上，第一天线单元1、第二天线单元2、第一接地单元41、51及第二接地单元42、52可为印刷电路板上的金属走线(trace)，第一天线单元1、第二天线单元2、第一接地单元41、51及第二接地单元42、52可以导电性材料(银、铜、铝、铁或是其合金)制成，接地面3可为应用于天线系统的电子装置的金属机壳或电子装置各电子元件的共地面。在一些实施例中，第一天线单元1、第二天线单元2可设计为平面型倒F天线(Planar inverted-F antenna；PIFA)。
综上所述，根据本发明的天线系统的一实施例，可使两支天线单元在设置时不受限于电子装置的体积大小，当两支天线之间因电子装置的体积较小而无法保持至少特定的距离时，天线系统可根据接地单元提供高频或低频信号接地，以使天线单元在收发高频或低频信号时保持良好的天线隔离度，可避免天线单元之间距离太近而产生互相干扰，因此增强天线系统良好的传输品质，且由于维持较小的电子装置体积，因此也节省了电子装置的制程成本。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种天线系统，其特征在于，包含：
一接地面，包含一第一侧边及一第二侧边；
一第一天线单元，连接该第一侧边，该第一天线单元用以接收及发送一第一高频信号及一第一低频信号；
一第二天线单元，连接该第二侧边，该第二天线单元用以接收及发送一第二高频信号及一第二低频信号；
一第一接地单元，该第一接地单元的一封闭端连接该第一侧边，且该第一接地单元的另一封闭端连接该第二侧边，以与该接地面共同形成一第一封闭回路，该第一接地单元的物理长度匹配于该第一高频信号及该第二高频信号，以提供该第一高频信号及该第二高频信号接地；及
一第二接地单元，形成一第二封闭回路，该第二接地单元连接该第一接地单元，该第二接地单元的物理长度大于该第一接地单元的物理长度；
其中，该第二接地单元的物理长度与该第一接地单元的物理长度的总和匹配于该第一低频信号及该第二低频信号，该第二接地单元与该第一接地单元共同提供该第一低频信号及该第二低频信号接地。
2.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，该第一侧边与该第二侧边之间具有小于180度的一夹角。
3.根据权利要求2所述的天线系统，其特征在于，该第一侧边垂直于该第二侧边。
4.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，该第一接地单元及该第二接地单元沿着平行于该第一侧边的一第一投影方向的垂直投影重叠于该第一天线单元。
5.根据权利要求4所述的天线系统，其特征在于，该第一接地单元及该第二接地单元沿着平行于该第二侧边的一第二投影方向的垂直投影重叠于该第二天线单元，该第一投影方向垂直于该第二投影方向。
6.一种天线系统，其特征在于，包含：
一接地面，包含一第一侧边及一第二侧边；
一第一天线单元，连接该第一侧边，该第一天线单元用以接收及发送一第一高频信号及一第一低频信号；
一第二天线单元，连接该第二侧边，该第二天线单元用以接收及发送一第二高频信号及一第二低频信号；
一第一接地单元，该第一接地单元的一封闭端连接该第一侧边，且该第一接地单元的另一封闭端连接该第二侧边，以与该接地面共同形成该第一接地单元的封闭回路，该第一接地单元的物理长度匹配于该第一高频信号及该第二高频信号，以提供该第一高频信号及该第二高频信号接地；及
一第二接地单元，形成该第二接地单元的封闭回路，该第二接地单元连接该第一接地单元，该第二接地单元的物理长度小于该第一接地单元的物理长度；
其中，该第二接地单元的物理长度与该第一接地单元的物理长度的总和匹配于该第一低频信号及该第二低频信号，该第二接地单元与该第一接地单元共同提供该第一低频信号及该第二低频信号接地。
7.根据权利要求6所述的天线系统，其特征在于，该第一侧边与该第二侧边之间具有大于零度的一夹角。
8.根据权利要求7所述的天线系统，其特征在于，该第一侧边垂直于该第二侧边。
9.根据权利要求6所述的天线系统，其特征在于，该第一接地单元及该第二接地单元沿着平行于该第一侧边的一第一投影方向的垂直投影重叠于该第一天线单元。
10.根据权利要求9所述的天线系统，其特征在于，该第一接地单元及该第二接地单元沿着平行于该第二侧边的一第二投影方向的垂直投影重叠于该第二天线单元，该第一投影方向垂直于该第二投影方向。
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