TW201345177A - 多輸入多輸出天線裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種共平面波導饋入式多輸入多輸出(MIMO)天線裝置,其包括:一接地金屬片;一接地面;一第一輻射元件,其連接至該接地面;以及一第二輻射元件,其透過該接地金屬片連接至該接地面。
Description
本發明係相關於一種多輸入多輸出(MIMO)天線尤指一種具雙頻隔離度之MIMO天線。
多重輸入輸出系統的設計中,兩天線間的隔離度與通訊系統中的關聯係數ρ有密切的關係,其較小之關聯係數將有較高之資料吞吐量。一般而言,關聯係數ρ可由天線間的隔離度及匹配程度經由下列公式計算:
其中,S 11 為第一根天線的反射係數、S 22 為第二根天線的反射係數、S 22 與S 21 為兩天線間的耦合量。S 11 或S 22 的值越小,代表第一根天線或第二根天線的匹配程度越好。由上述公式可知,要降低無線通訊系統之關聯係數,各天線單元必須要有良好的匹配及兩天線間具有較低的耦合量,進而增加無線通訊系統的資料量。
目前,降低兩天線間隔離度的技術為在兩天線間或在兩輸入端加入複雜的去耦合之結構或電路。然而,上述的技術在實際應用時會遭遇到的缺點有:1.去耦合結構會造成部分之能量集中於此結構(例如:諧振器)中造成天線的輻射效率下降、2.去耦合之結構有一定的尺寸,在實際應用於手持式裝置中會佔據較大的面積,而手持式裝置之面積通常有限、3.去耦合電路由電容與電感構成,必須針對特定的頻率作被動元件及電路的設計因此增加複雜度及成本;而上述的三大缺點將使得MIMO天線在實際應用於手持式裝置上時,有一定的困難度及增加成本。因此,我們提出一種利用接地金屬片來控制天線共振型態(天線的模態、諧振頻率)以降低隔離度的創新設計。
職是之故,申請人鑑於習知技術中所產生之缺失,經過悉心試驗與研究,並一本鍥而不捨之精神,終構思出本案「多輸入多輸出天線裝置」,能夠克服上述缺點,以下為本案之簡要說明。
本發明藉由接地金屬片來產生在高低頻有不同共振型態及其相對應的電流路徑,藉由調整電流零點的方法,達到具有雙頻隔離度,而不用額外的結構或電路,使得本發明所設計出之兩天線間之距離及整體的尺寸較先前技術來得小,並且可用於雙頻帶的操作。
根據本發明的第一構想,提供一種共平面波導饋入式多輸入多輸出(MIMO)天線裝置,其包括:一接地金屬片;一接地面;一第一輻射元件,其連接至該接地面;以及一第二輻射元件,其透過該接地金屬片連接至該接地面。
較佳地,該共平面波導饋入式MIMO天線裝置,其係選自一智慧型天線、一單輸入多輸出(SIMO)天線以及一多輸入單輸出(MISO)天線其中之一。
較佳地,該共平面波導饋入式MIMO天線在一自由空間中具有一最低共振波長,該接地面呈一矩形且具有一第一邊與一第二邊,該第二邊與該第一邊相鄰且共用一第一角,其中該第一輻射元件連接至該第一邊,而該第二輻射元件透過該接地金屬片連接至該第二邊,其中該接地金屬片距離該第一角至少該最低共振波長的1/61波長。
較佳地,該接地金屬片至該第一角的距離是可調整的。
較佳地,該第一輻射元件與該第二輻射元件係呈倒L型,且其介質基板層數至少為一層。
較佳地,該介質基板之介電係數是可調整的。
較佳地,該共平面波導饋入式MIMO天線係配置於一平面載體上,該第一輻射元件與該第二輻射元件係以單面、雙面印刷或蝕刻彎曲圖形其中之一配置於該平面載體上。
較佳地,該接地面具有相對於該第一邊的一第三邊,該第三邊之中點與該第一邊之中點延伸出一軸,該共平面波導饋入式MIMO天線更包括一第三輻射元件與一第四輻射元件,該第三輻射元件、該第四輻射元件被配置為分別與該第一輻射元件、該第二輻射元件沿該軸成線對稱或鏡像對稱。
較佳地,該第一輻射元件、該第二輻射元件、該第三輻射元件與該第四輻射元件之間的距離是可調整的。
較佳地,該第一輻射元件、該第二輻射元件、該第三輻射元件與該第四輻射元件的圖形是根據操作頻率之共振長度作調整。
較佳地,該接地金屬片之大小係2毫米乘以2毫米。
較佳地,該接地金屬片之面積不超過接地面之1/2。
根據本發明的第二構想,提供一種多輸入多輸出天線裝置,其包括:一接地面;一接地片;以及至少二天線,經由該接地片分別連接至該接地面,並以共平面方式與該接地面配置在同一平面上。
根據本發明的第三構想,提供一種多輸入多輸出天線裝置,其包括:一接地面;一短路裝置;以及至少二天線,其中該至少二天線中之至少一天線係經由該短路裝置連接至該接地面,且該至少二天線中之該至少一天線係以共平面方式與該接地面配置在同一平面上。
較佳地,該短路裝置是一接地金屬片。
根據本發明的第四構想,提供一種製造一多輸入多輸出天線裝置之方法,其包括:提供一接地面及至少二天線,其中該至少二天線中之該至少一天線係以共平面方式與該接地面配置在同一平面上;以及使該至少二天線中之至少一天線與該接地面短路。
本案將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解,使得熟習本技藝之人士可以據以完成之,然本案之實施並非可由下列實施案例而被限制其實施型態。其中相同的標號始終代表相同的組件。
本發明所提供的多輸入多輸出(MIMO)天線裝置的一較佳實施例之示意圖如第一圖所示。多輸入多輸出天線裝置11較佳配置於一平面載體上且為一共平面波導饋入式MIMO天線裝置,其包含輻射導體111、接地面112、接地面116、接地金屬片1141與接地金屬片1142,其中接地金屬片1141與接地金屬片1142亦可為線狀的金屬線。多輸入多輸出天線裝置11包含天線1與天線2,其中天線1包含第一輻射元件1111與第二輻射元件1112,天線2包含第三輻射元件1113與第四輻射元件1114。第一輻射元件1111連接至接地面112,而第二輻射元件1112透過接地金屬片1141連接至接地面112。類似的,第三輻射元件1113連接至接地面112,而第四輻射元件1114透過接地金屬片1142連接至接地面112。第一輻射元件1111、第二輻射元件1112、第三輻射元件1113與第四輻射元件1114係以單面、雙面印刷或蝕刻彎曲圖形其中之一配置於該平面載體上,而該平面載體較佳為一介電基板。此外,多輸入多輸出天線裝置11尚包含天線饋入端113。
多輸入多輸出天線裝置11在一自由空間中具有一最低共振波長,接地面112較佳呈一矩形且具有第一邊1122與第二邊1123,第二邊1123與第一邊1122相鄰且共用第一角1121,其中第一輻射元件1111連接至第一邊1122,而第二輻射元件1112透過接地金屬片1141連接(短路)至第二邊1123,其中接地金屬片1141至第一角1121的距離為至少該最低共振波長的1/61波長。而接地金屬片1141至第一角1121的距離是可依據天線的共振型態而作調整的。其中,接地金屬片1141之面積不超過接地面112之1/2,而接地金屬片1141之面積尺寸較佳為2毫米(Millimeter)乘以2毫米之矩形大小。
第一輻射元件1111與第二輻射元件1112係呈倒L型,且其介質基板層數至少為一層,而該介質基板之介電係數是可調整的。
如第一圖所示,接地面112尚具有第三邊1124與第四邊1125,其分別與第一邊1122與第二邊1123相對,第一邊1122與第四邊1125共用第二角1126。第三邊1124之中點與第一邊1122之中點延伸出一軸1127,而第三輻射元件1113與第四輻射元件1114被配置為分別與第一輻射元件1111與第二輻射元件1112沿軸1127成線對稱或鏡像對稱。
類似的,第三輻射元件1113連接至第一邊1122,而第四輻射元件1114透過接地金屬片1142連接(短路)至第四邊1125,其中接地金屬片1141至第一角1121的距離為至少該最低共振波長的1/61波長。而接地金屬片1141至第一角1121的距離是可依據天線的共振型態而作調整的。其中,接地金屬片1141之面積不超過接地面112之1/2,而接地金屬片1141之面積尺寸較佳為2毫米(Millimeter)乘以2毫米之矩形大小。
第一輻射元件1111、第二輻射元件1112、第三輻射元件1113與第四輻射元件1114之間的距離是可調整的,且第一輻射元件1111、第二輻射元件1112、第三輻射元件1113與第四輻射元件1114的圖形可根據操作頻率之共振波長長度作調整。
如上述實施例所述,本發明提出了一種具雙頻隔離度之MIMO天線,使用兩接地金屬片設計,可以使得天線在低頻及高頻帶時產生兩個不同的共振型態,分別是迴路(Loop)及倒F型天線inverted-F antenna(IFA)。藉由此兩共振型態之電流路徑的特性來達到具有雙頻隔離度的效果,其電流路徑請參考第二圖與第三圖,圖中所示的箭頭代表電流的流向,而箭頭之顏色代表電流強度,其強度由強至弱為:紅(較強)→黃→綠→藍(較弱)。其中第二圖為天線操作於低頻帶時的電流路徑,而第三圖為天線操作於高頻帶時的電流路徑。由第二圖可以看出當天線操作於低頻帶時,電流路徑分別於第一輻射元件1111與第二輻射元件1112間以及第三輻射元件1113與第四輻射元件1114之間形成迴路(Loop)。由第三圖可以看出當天線操作於高頻帶時,電流路徑於接地面114的中央處形成一零點。如此一來使得天線的第一輻射元件1111與第二輻射元件1112兩者以及第三輻射元件1113與第四輻射元件1114兩者彼此之間在高頻與低頻操作時皆具有良好的隔離度。
第四圖為本發明之MIMO天線,由模擬軟體模擬求解所得之反射係數及隔離度對頻率響應圖,其中S 11 與S 22 分別代表天線1與天線2的反射係數,而S 21 代表天線1與天線2之間的耦合量,其值越小代表兩天線間的隔離度越好。一般來說S 11 與S 22 之值在-10分貝(dB)以下是可接受之範圍,而S 21 之值在-15分貝(dB)以下是可接受範圍。
第五圖為本發明由模擬軟體模擬求解所得之反射係數與隔離度對頻率之響應圖,以及未加入接地金屬片之反射係數與隔離度對頻率之響應圖,其中S 11 與S 22 代表反射係數,S 21 代表兩天線之間的耦合量。由第五圖可看出,本接地金屬片的設計可產生雙頻隔離度之MIMO天線設計。
第六圖為本發明由模擬軟體求解所得兩天線在不同間隔的狀況下之反射係數及隔離度對頻率的結果圖,其中S 11 與S 22 代表反射係數,S 21 代表兩天線之間的耦合量。
第七圖為本發明由模擬軟體模擬求解所得之輻射效率及峰值(Peak)增益圖,其中箭頭指向所應參照的縱軸。
第八圖與第九圖為本發明之MIMO天線之天線1在2.45GHz之輻射場型圖。
第十圖與第十一圖為本發明之MIMO天線之天線1在5.25GHz之輻射場型圖。
第十二圖與第十三圖為本發明之MIMO天線之天線2在2.45GHz之輻射場型圖。
第十四圖與第十五圖為本發明之MIMO天線之天線2在5.25GHz之輻射場型圖。
本發明之MIMO天線可以使用現有的印電路板製程(PCB)製作,製作簡單,可以降低成本,並且不需要複雜的饋入網路及額外的去耦合電路及結構之設計。利用兩接地金屬片設計之MIMO天線,可以產生具有操作於雙頻帶隔離度之天線裝置。未來4G通訊系統(LTE、WiMAX)已將MIMO之技術納入其規範,有鑑於業界對MIMO天線的需求,及考慮在手持式裝置內有限空間下之MIMO天線設計,本案設計出兩天線距離為2mm(0.016λ 0 )時,可於無線區域網路頻帶(2.4~2.484千兆赫(GHz)及5.15~5.35千兆赫(GHz))有良好的匹配(S 11 <-10dB)及隔離度(S 21 <-18dB)。
總結而言,本案實為一難得一見,值得珍惜的難得發明,惟以上所述者,僅為本發明之最佳實施例而已,當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾,皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內,謹請貴審查委員明鑑,並祈惠准,是所至禱。
11...多輸入多輸出天線裝置
1、2...天線
111...輻射導體
112、116...接地面
1141、1142...接地金屬片
1111...第一輻射元件
1112...第二輻射元件
1113...第三輻射元件
1114...第四輻射元件
113...饋入端
第一圖為本發明一較佳實施例之示意圖;
第二圖為本發明之天線裝置操作於低頻帶時的電流路徑;
第三圖為本發明之天線裝置操作於高頻帶時的電流路徑;
第四圖為本發明之MIMO天線由模擬軟體模擬求解所得之反射係數及隔離度對頻率響應圖;
第五圖為本發明由模擬軟體模擬求解所得之反射係數與隔離度對頻率之響應圖,以及未加入接地金屬片之反射係數與隔離度對頻率之響應圖;
第六圖為本發明由模擬軟體求解所得兩天線在不同間隔的狀況下之反射係數及隔離度對頻率的結果圖;
第七圖為輻射效率及峰值(Peak)增益圖;以及
第八圖至第十五圖為輻射場型圖。
11...多輸入多輸出天線裝置
1、2...天線
111...輻射導體
112、116...接地面
1141、1142...接地金屬片
1111...第一輻射元件
1112...第二輻射元件
1113...第三輻射元件
1114...第四輻射元件
113...饋入端
Claims (16)
- 一種共平面波導饋入式多輸入多輸出(MIMO)天線裝置,其包括:一接地金屬片;一接地面;一第一輻射元件,其連接至該接地面;以及一第二輻射元件,其透過該接地金屬片連接至該接地面。
- 如申請專利範圍第1項所述的共平面波導饋入式MIMO天線裝置,其係選自一智慧型天線、一單輸入多輸出(SIMO)天線以及一多輸入單輸出(MISO)天線其中之一。
- 如申請專利範圍第1項所述的共平面波導饋入式MIMO天線裝置,其中該共平面波導饋入式MIMO天線在一自由空間中具有一最低共振波長,該接地面呈一矩形且具有一第一邊與一第二邊,該第二邊與該第一邊相鄰且共用一第一角,其中該第一輻射元件連接至該第一邊,而該第二輻射元件透過該接地金屬片連接至該第二邊,其中該接地金屬片距離該第一角至少該最低共振波長的1/61波長。
- 如申請專利範圍第3項所述的共平面波導饋入式MIMO天線裝置,其中該接地金屬片至該第一角的距離是可調整的。
- 如申請專利範圍第3項所述的共平面波導饋入式MIMO天線裝置,其中該第一輻射元件與該第二輻射元件係呈倒L型,且其介質基板層數至少為一層。
- 如申請專利範圍第5項所述的共平面波導饋入式MIMO天線裝置,其中該介質基板之介電係數是可調整的。
- 如申請專利範圍第1項所述的共平面波導饋入式MIMO天線裝置,其中該共平面波導饋入式MIMO天線係配置於一平面載體上,該第一輻射元件與該第二輻射元件係以單面、雙面印刷或蝕刻彎曲圖形其中之一配置於該平面載體上。
- 如申請專利範圍第3項所述的共平面波導饋入式MIMO天線裝置,其中該接地面具有相對於該第一邊的一第三邊,該第三邊之中點與該第一邊之中點延伸出一軸,該共平面波導饋入式MIMO天線更包括一第三輻射元件與一第四輻射元件,該第三輻射元件、該第四輻射元件被配置為分別與該第一輻射元件、該第二輻射元件沿該軸成線對稱或鏡像對稱。
- 如申請專利範圍第8項所述的共平面波導饋入式MIMO天線裝置,其中該第一輻射元件、該第二輻射元件、該第三輻射元件與該第四輻射元件之間的距離是可調整的。
- 如申請專利範圍第8項所述的共平面波導饋入式MIMO天線裝置,其中該第一輻射元件、該第二輻射元件、該第三輻射元件與該第四輻射元件的圖形是根據操作頻率之共振長度作調整。
- 如申請專利範圍第1項所述的共平面波導饋入式MIMO天線裝置,其中該接地金屬片之大小係2毫米乘以2毫米。
- 如申請專利範圍第1項所述的共平面波導饋入式MIMO天線裝置,其中該接地金屬片之面積不超過接地面之1/2。
- 一種多輸入多輸出天線裝置,其包括:一接地面;一接地片;以及至少二天線,經由該接地片分別連接至該接地面,並以共平面方式與該接地面配置在同一平面上。
- 一種多輸入多輸出天線裝置,其包括:一接地面;一短路裝置;以及至少二天線,其中該至少二天線中之至少一天線係經由該短路裝置連接至該接地面,且該至少二天線中之該至少一天線係以共平面方式與該接地面配置在同一平面上。
- 如申請專利範圍第14項所述的多輸入多輸出天線裝置,其中該短路裝置是一接地金屬片。
- 一種製造一多輸入多輸出天線裝置之方法,其包括:提供一接地面及至少二天線,其中該至少二天線中之該至少一天線係以共平面方式與該接地面配置在同一平面上;以及使該至少二天線中之至少一天線與該接地面短路。
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