TW201605119A

TW201605119A - 天線系統

Info

Publication number: TW201605119A
Application number: TW103124580A
Authority: TW
Inventors: 林新強; 許良三
Original assignee: 鋐寶科技股份有限公司
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2016-02-01
Also published as: EP2975695A1; PL2975695T3; EP2975695B1; TWI530020B; HUE032981T2

Abstract

一種天線系統，包含有一第一天線單元以及一第二天線單元。第一天線單元之一第一天線元件及一第二天線元件設置於一第一平面，分別用來收發一第一頻段訊號及一第二頻段訊號；第二天線單元之一第三天線元件及一第四天線元件設置於一第二平面，分別用來收發一第三頻段訊號及一第四頻段訊號。其中，第一平面大致垂直於第二平面。

Description

天線系統

本發明關於一種天線系統，尤指一種涵蓋不同極化方向、可操作於多頻段且具小尺寸之天線系統。

隨著無線通訊技術的蓬勃發展，現今的電子產品如筆記型電腦、個人數位助理(Personal Digital Assistant)、無線基地台、行動電話、智慧電表(Smart Meter)、USB無線網路卡(USB dongle)等，大多具有無線通訊功能，使其可支援無線區域網路(WiFi)等技術，以取代經由電纜線傳遞資料的方式。無線通訊技術係透過天線來發射或接收無線電波，以傳遞或交換無線電訊號，進而存取無線網路。一般而言，無線區域網路通訊系統可操作於多個頻段，因此如何發展出可操作在多個頻段的天線也成為目前研究的趨勢。此外，天線的尺寸需往小型化方向發展，以配合電子產品體積縮小之趨勢，同時仍須確保天線的隔離度與輻射場型。

因此，如何在有限空間下設計可操作於多個頻段的天線，同時兼顧天線的效能及製作成本，也就成為業界所努力的目標之一。

本發明主要提供一種可操作於多個頻段的天線系統，其可涵蓋不同的極化方向並佔有較小的體積。

本發明揭露一種天線系統，包含有一第一天線單元，包含有一第一天線元件及一第二天線元件，其中，該第一天線元件及一第二天線元件設置於一第一平面，分別用來收發一第一頻段訊號及一第二頻段訊號；以及一第二天線單元，包含有一第三天線元件及一第四天線元件，其中，該第三天線元件及一第四天線元件設置於一第二平面，分別用來收發一第三頻段訊號及一第四頻段訊號；其中，該第一平面大致垂直於該第二平面。

10‧‧‧天線系統

AU1、AU2、AU3‧‧‧天線單元

AE1_1、AE1_2、AE2_1、AE2_2、AE3_1、AE3_2、AE4_2‧‧‧天線元件

SUB1、SUB2、SUB3‧‧‧基板

110、120、130、140、210、220、230、240、310、320、330、340、420、430、520、530、630、640‧‧‧輻射體

111、121、131、141、211、221、231、241、311、321、331、341‧‧‧饋入點

122、132‧‧‧開口

D1、D2、D3、D4‧‧‧間距

D‧‧‧距離

L1、L2‧‧‧長度

CL_1、CL_2‧‧‧中心軸

第1圖為本發明實施例一天線系統之示意圖。

第2圖為一天線單元之示意圖。

第3圖為一天線單元之示意圖。

第4圖為一天線單元之示意圖。

第5圖為第2圖所示的天線元件之天線隔離度實際測量結果之示意圖。

第6圖與第7圖分別為第2圖所示之天線單元操作於2.45GHz、5.5GHz之模擬輻射2D場型圖。

第8圖為第2圖所示的天線元件之天線反射係數之示意圖。

第9圖與第10圖分別為第1圖所示之天線單元操作於2.4GHz、5GHz之實際測量輻射3D場型圖。

第11圖為本發明實施例輻射體之示意圖。

第12圖為本發明實施例輻射體之示意圖。

第13圖為本發明實施例一天線元件之示意圖。

請參考第1圖，第1圖為本發明實施例一天線系統10之示意圖。天線系統10包含天線單元AU1、AU2、AU3。天線單元AU1包含天線元件AE1_1及AE1_2，天線元件AE1_1及AE1_2設置於一基板SUB1上而共面(即yz平面)，且相互正交。天線單元AU2包含天線元件AE2_1及AE2_2，天線元件AE2_1及AE2_2設置於一基板SUB2上而共面(即xy平面)，且相互正交。天線單元AU3包含天線元件AE3_1及AE3_2，天線元件AE3_1及AE3_2設置於一基板SUB3上而共面(即xz平面)，且相互正交。其中，天線元件AE1_1、AE2_1、AE3_1可收發相同頻段的訊號(如5GHz)，而天線元件AE1_2、AE2_2、AE3_2可收發相同頻段的訊號(如2.4GHz)，以針對特定頻段涵蓋不同極化方向之訊號。換言之，同一天線單元所包含的天線元件(如天線元件AE1_1及AE1_2)用以收發不同頻段之訊號，而所有天線單元AU1、AU2、AU3共可收發兩種頻段之訊號，但本發明不以此為限。此外，由於天線元件AE1_1及AE1_2均設置於基板SUB1上，因此可簡化天線元件AE1_1及AE1_2的製程步驟，並且，由於天線元件AE2_1及AE2_2也均設置於基板SUB2上、天線元件AE3_1及AE3_2也均設置於基板SUB3上，因此可進一步簡化組裝的步驟。

值得注意的是，各天線單元所包含之天線元件相互正交可透過適當設置天線元件的相對關係，而使天線元件的極化方向相互正交。由於同一基板上的天線元件相互正交，因此可確保天線元件之間的隔離度符合無線傳輸需求，而能緊密配置天線元件以縮小天線單元的面積。此外，各基板係互相垂直，所以可減低不同基板上的天線元件之間的干擾，以進一步最小化天線系統10之體積。

詳細來說，請參考第2圖至第4圖，第2圖為天線單元AU1之示意圖，第3圖為天線單元AU2之示意圖，第4圖為天線單元AU3之示意圖。由於天線單元AU1、AU2、AU3之操作方式相近，以下將以天線單元AU1為主進行說明，以求簡潔。首先，如第2圖所示，天線單元AU1之天線元件AE1_1、AE1_2分別包含輻射體110、120、130、140及饋入點111、121、131、141，而形成偶極天線。其中，相對設置的輻射體110與120、130與140係用來收發無線訊號，並透過彎折而能縮小所需面積。舉例來說，輻射體110拉直後與輻射體120拉直後的總長度大致分別為所需收發之訊號(如5GHz頻段之訊號)波長的0.5倍，經過彎折後，輻射體110、120兩末端之間的長度L1則大致為波長的0.37倍，故可設置於22×10mm²的狹小空間中，同理，輻射體130、140彎折後兩末端之間的長度L2則大致為所需收發之訊號(如2.4GHz頻段之訊號)波長的0.3倍，故可設置於38×13mm²的狹小空間中，而有助於縮小整體體積。然而，將偶極天線之輻射體110、120、130、140彎折會損耗天線增益，因此，輻射體110、120分別呈雙分支之U形結構，且輻射體130、140分別呈雙分支之彎折結構，以增加電流路徑，並補償彎折造成的天線增益損耗。其中，輻射體120之雙分支沿(+y)方向延伸(y-directed或oriented in the y direction)，意即輻射體120上的饋入點121與輻射體120雙分支末端形成的開口122形成一指向y方向的向量，並且，輻射體110之雙分支沿(-y)方向延伸，而使天線元件AE1_1沿y方向極化(polarized along the y axis)。另一方面，天線元件AE1_2之輻射體130之雙分支沿z方向延伸，意即輻射體130上的饋入點131與輻射體130雙分支末端形成的開口132形成一指向(+z)方向的向量，並且，輻射體140之雙分支沿(-z)方向延伸，而使天線元件AE1_2沿z方向極化(polarized along the y axis)。顯然地，天線元件AE11、AE12相互正交。

換言之，藉由彎折輻射體110、120、130、140可縮小天線元件AE1_1及AE1_2所需的設置面積，且由於同一基板上的天線元件AE1_1及AE1_2相互正交，因此可緊密配置天線元件AE1_1及AE1_2以縮小天線單元AU1之整體尺寸，同時天線元件AE1_1及AE1_2仍有良好的隔離度。請參考第5圖，第5圖為第2圖所示的天線元件AE1_1及AE1_2之天線隔離度模擬結果之示意圖。如第5圖所示，在5.15GHz~5.82GHz及2.41GHz~2.47GHz的頻段中，天線元件AE1_1及AE1_2的隔離度大於15dB。此外，第6圖與第7圖分別為第2圖所示之天線單元AU1操作於2.45GHz、5.5GHz之模擬輻射2D場型圖。其中，由於天線元件AE1_1及AE1_2之結構具對稱性，且相互正交，因此當操作頻率為2.45GHz時，可於xy平面上形成全向性的(Omni-directional)輻射場型，當操作頻率為5.5GHz時，可於xz平面上形成全向性的輻射場型。同理，如第3圖與第4圖所示，天線元件AE2_1沿x方向極化，天線元件AE2_2沿y方向極化，而使天線元件AE2_1、AE2_2相互正交；天線元件AE3_1沿z方向極化，天線元件AE3_2沿x方向極化，而使天線元件AE3_1、AE3_2相互正交。據此，天線單元AU2、AU3之天線元件亦有良好的隔離度及輻射場型。

此外，如第2圖所示，天線元件AE1_1之輻射體110與120(或饋入點111與121)之間相隔一間距D1，此間距D1可影響輻射體110與120間之寄生電容。同理，天線元件AE1_2之輻射體130與140(或饋入點131與141)之間相隔一間距D2，此間距D2可影響輻射體130與140間之寄生電容。因此，藉由適當調整間距D1、D2，可分別改變天線元件AE1_1、AE1_2的阻抗特性，以提升輻射效率。請參考第8圖，第8圖為第2圖所示的天線元件AE1_1及AE1_2之天線反射係數之示意圖。其中，虛線代表天線元件AE1_1之反射係數的模擬結果，實線代表天線元件AE1_2之反射係數的模擬結果。由第8圖可知，藉由調整間距D1、D2至合適的大小，天線元件AE1_1在4.00GHz~6.50GHz的頻段中及天線元件AE1_1在2.17GHz~2.84GHz的頻段中的反射損失(Return Loss)均小於-10dB，意即可將90%的能量傳遞出去，因此可得較佳的輻射效率。換言之，本發明之天線元件AE1_1、AE1_2無須如習知技術增加π型匹配電路來改善阻抗匹配問題，而是藉由天線元件AE1_1、AE1_2的圖案設計以及調整間距D1、D2，來確保阻抗匹配，並提升輻射效率。

更進一步來看，如第1圖所示，由於天線元件AE1_1及AE1_2所處的yz平面、天線元件AE2_1及AE2_2所處的xy平面、天線元件AE3_1及AE3_2所處的xz平面互相垂直，所以可進一步減低不同基板上的天線元件之間的干擾，並縮小天線系統10之體積。其中，天線單元AU2之天線元件AE2_1的極化(即x方向)正交於與其相鄰之天線單元AU1之天線元件AE1_1及AE1_2的極化(即y、z方向)，且天線單元AU2之天線元件AE2_2的極化(即y方向)正交於與其相鄰之天線單元AU3之天線元件AE3_2的極化(即x方向)，但本發明並不以此為限，亦可藉由其他排列方式來組合天線單元AU1、AU2、AU3。此外，第9圖與第10圖分別為第1圖所示之天線單元AU1、AU2、AU3操作於2.4GHz、5GHz之實際測量3D輻射場型圖。如第9圖與第10圖所示，天線單元AU1、AU2、AU3可涵蓋不同的極化方向。

需注意的是，天線系統10係為本發明之實施例，本領域具通常知識者當可據以做不同之變化。舉例來說，本發明之天線元件AE1_1、AE2_1、AE3_1呈軸對稱(reflection symmetry)，而天線元件AE1_2、AE2_2、AE3_2呈點對稱(rotational symmetry)，意即天線元件AE1_2、AE2_2、AE3_2相對其中心點旋轉180°後能完全重合，但天線元件亦可依據實際上設計需求，設計成非對稱的結構。此外，天線元件之圖形與種類不限於此，亦可為其他之天線結構，並且，輻射體之尺寸可依操作頻率的需求而作適應性的調整。而基板可為符合一FR4板材規格之玻璃纖維板，亦可根據需求改用其他介質基板。

另外，天線元件AE1_1之中心軸CL_1通過饋入點111、121，而天線元件AE1_2之中心軸CL_2通過饋入點131、141，其中，天線元件AE1_1之中心軸CL_1與AE1_2之中心軸CL_2相隔一距離D，距離D與饋入點111、 121及饋入點131、141之極性可依不同系統需求而適當調整，以針對不同設計考量最佳化天線元件AE1_1及AE1_2之效能。此外，饋入點111、121分別連接至一同軸傳輸線之中心導體與外層接地導體(圖未示)，用來將輻射體110、120接收的訊號輸入至後端處理電路(圖未示)，或提供訊號至輻射體110、120；饋入點131、141分別連接至另一同軸傳輸線之中心導體與外層接地導體，用來將輻射體130、140接收的訊號輸入至後端處理電路，或提供訊號至輻射體130、140。換言之，針對收發不同頻段訊號的天線元件AE1_1及AE1_2，饋入點111、121及饋入點131、141可使天線元件AE1_1及AE1_2形成雙饋入雙頻天線結構，以避免習知雙頻天線因只有單一饋入，而需要額外在電路中增加一切換電路或雙工器電路，以將不同頻段的訊號分離的問題。據此，本發明之雙饋入雙頻天線結構可降低成本，並可避免切換電路或雙工器電路影響天線特性，且能進一步確保頻寬、增益與輻射效率。

另外，輻射體彎折之分段數目亦不受限，如第2圖所示之輻射體110包含3個分段，而輻射體130包含15個分段，但亦可適當調整而增加或減少分段數，或進一步縮小天線元件的整體面積。此外，各天線元件之分段可具有不同的寬度，舉例來說，第2圖所示之饋入點131、141分別設置於輻射體130、輻射體140較寬的分段上。再者，如第2圖所示，分段的夾角呈90度，但不限於此，亦可以是任何介於90度至180度之間的數值。此外，第11圖為本發明實施例輻射體420、430之示意圖。輻射體420可取代第2圖中的輻射體110、120，且輻射體430可取代第2圖中的輻射體130、140。其中，分段的側邊轉折處可形成一切斜角，以降低不連續面的影響，而減少寄生的電容效應。第12圖為本發明實施例輻射體520、530之示意圖。輻射體520可取代第2圖中的輻射體110、120，且輻射體530可取代第2圖中的輻射體130、140，其中，輻射體520、530可具有弧形之輪廓。此外，第13圖為本發明實施例天線元件AE4_2之示意圖。天線元件AE4_2可取代第1 圖中的天線元件AE1_2、AE2_2、AE3_2。其中，天線元件AE4_2之輻射體630、640之間的間距由D3變化至D4，再由D4變化至D3，而不為一定值，因此可改變寄生電容之幾何結構。

綜上所述，本發明之一基板上設置有天線單元之多個天線元件，因此可簡化製程及組裝步驟。並且，天線單元的天線元件相互正交，因此可確保天線元件之間的隔離度符合無線傳輸需求，而能使天線單元的面積最小化。此外，各基板係相互垂直，所以可減低天線元件之間的干擾，以進一步縮小天線系統之體積。對應於天線元件之配置，本發明適當設計天線元件的圖案，以縮小天線元件的整體面積，並同時確保天線增益及阻抗匹配，以提升輻射效率。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10‧‧‧天線系統

AU1、AU2、AU3‧‧‧天線單元

AE1_1、AE1_2、AE2_1、AE2_2、AE3_1、AE3_2、AE4_2‧‧‧天線元件

SUB1、SUB2、SUB3‧‧‧基板

Claims

一種天線系統，包含有：一第一天線單元，包含有一第一天線元件及一第二天線元件，其中，該第一天線元件及該第二天線元件設置於一第一平面，分別用來收發一第一頻段訊號及一第二頻段訊號；以及一第二天線單元，包含有一第三天線元件及一第四天線元件，其中，該第三天線元件及該第四天線元件設置於一第二平面，分別用來收發一第三頻段訊號及一第四頻段訊號；其中，該第一平面大致垂直於該第二平面。
如請求項1所述之天線系統，其中該第一天線元件之一第一極化方向及該第二天線元件之一第二極化方向相互正交，且該第三天線元件之一第三極化方向及該第四天線元件之一第四極化方向相互正交。
如請求項1所述之天線系統，其中該第一頻段訊號與該第三頻段訊號位於一第一頻段，且該第二頻段訊號與該第四頻段訊號位於一第二頻段，該第一頻段與該第二頻段相異。
如請求項1所述之天線系統，另包含有一第三天線單元，包含有一第五天線元件及一第六天線元件，其中，該第五天線元件及該第六天線元件設置於一第三平面，分別用來收發一第五頻段訊號及一第六頻段訊號，其中，該第三平面大致垂直於該第一平面與該第二平面。
如請求項2所述之天線系統，其中該第一天線元件包含有：一第一輻射體，大致呈一U形雙分支結構；一第二輻射體，大致呈該U形雙分支結構，其中，該第一天線元件呈軸對稱(reflection symmetry)，且該第一輻射體與該第二輻射體相隔一第一間距，以形成寄生電容；一第一饋入點，設置於該第一輻射體上；以及一第二饋入點，設置於該第二輻射體上。
如請求項5所述之天線系統，其中該第一輻射體沿該第一極化方向延伸，且該第二輻射體反向於該第一極化方向延伸。
如請求項2所述之天線系統，其中該第二天線元件包含有：一第三輻射體，包含有複數個分段，以形成一彎折雙分支結構；以及一第四輻射體，包含有複數個分段，以形成該彎折雙分支結構，其中，該第二天線元件呈點對稱(rotational symmetry)，且該第三輻射體與該第四輻射體間形成寄生電容；一第三饋入點，設置於該第三輻射體上；以及一第四饋入點，設置於該第四輻射體上。
如請求項7所述之天線系統，其中該第三輻射體沿該第二極化方向延伸，且該第四輻射體反向於該第二極化方向延伸。