TWI495197B - 具有良好隔離度的多輸入多輸出之單極槽孔天線 - Google Patents

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Description

具有良好隔離度的多輸入多輸出之單極槽孔天線
本發明係有關於一種具有良好隔離度的多輸入多輸出之單極槽孔天線,特別是指可有效縮小體積,又能維持良好天線隔離度之多輸入多輸出之天線,並供安裝於手機、PDA、筆記型電腦、平板電腦或3G手機上使用。
近年來無線通訊已在生活中成為不可或缺的科技,如手機、PDA、筆記型電腦、平板電腦及3G手機等,為達到無線傳輸的需求,通訊頻段必需多頻和寬頻,因此隨著科技的進步,天線尺寸越來越被要求愈來愈小,並且構造簡單及容易製造等需求;而目前大部份的作法為要增加通訊頻段和頻寬就必須增加天線的數目或以寬頻天線來涵蓋操作頻段;而在習知天線設計上,大多的天線體積都較大佔了電路中很大的面積,對現今輕薄短小的無線通訊產品來說,無疑是不太適用的;現有之多輸入多輸出天線(Multi Input Multi Output,MIMO)設計中,提高天線隔離度的方法,多採用增加兩天線間距離或將天線以不同極化方向設置;另外也有在兩天線間加入隔離元件的方法,例如植入槽孔或單極開槽孔於兩天線之間作為一帶拒濾波器,也有直接使用一帶拒濾波器電路於兩天線饋入埠之間;增加天線間距離代表著無法將多輸入多輸出天線整體尺寸縮小;以不同極化方向設置天線則會無法得到一個對稱的分集輻射場型,進而像 全向性輻射場型一般能改善通訊死角問題;植入帶拒元件的方法則常常無法在兩天線非常近的情況下還能保有良好隔離度,並且第二表面也無法有效縮小;加入電路的方法則會造成製作成本與製作困難度大幅增加。
因此有中華民國98年11月11日所公告之發明第I317188號「天線及其天線組合」專利案,其主要係揭露:設置於一電路板上,該電路板包括一第一表面與一第二表面。天線包括一饋入部、一輻射部、一第一輔助輻射體以及一第二輔助輻射體。饋入部包括一第一饋入段與一第二饋入段,分別設於第一表面與第二表面。輻射部包括一第一輻射體、一第二輻射體、一第三輻射體以及一第四輻射體,第一輻射體與第二輻射體設於第一表面且與第一饋入段電性連接,第三輻射體與第四輻射體設於第二表面,且與第二饋入段電性連接,第一輔助輻射體設於第一表面,與第一輻射體電性連接,第二輔助輻射體設置於第一表面,與第二輻射體電性連接;藉以提供一種天線組合,而達到面積較少,且隔離度好之功效。
惟,該專利前案仍然具有隔離度不良,造成訊號干擾嚴重,訊號品質不良等問題,故使用上並不盡理想。
爰此,有鑑於目前多輸入多輸出之天線係具有上述之缺點,故本發明提供一種具有良好隔離度的多輸入多輸出之單極槽孔天線,係設有一基板,其係相對設有一第一表面及一第二表面;一天線模組,其係設置於該基 板的第一表面上,該天線模組係包含有相對稱之第一天線及第二天線,該第一天線係設有一第一內部單極槽孔及一第一外部單極槽孔,該第一內部單極槽孔係由一第一直線段及複數個第一彎折段連接而成,該第一外部單極槽孔係包圍於該第一內部單極槽孔之外部位置處,另該第二天線係設有一第二內部單極槽孔及一第二外部單極槽孔,該第二內部單極槽孔係由一第二直線段及複數個第二彎折段連接而成,該第二外部單極槽孔係包圍於該第二內部單極槽孔之外部位置處;一隔離元件,其係設置於該基板的第一表面上,該隔離元件係位於該第一天線及第二天線之間,該隔離元件係設有一第三直線段,該第三直線段係連接有一第三彎折段;二饋入元件,其係分別設置於該基板的第二表面上,該二饋入元件係分別對應該第一天線及第二天線之位置。
上述第一直線段係由該基板之側邊延伸出,然後該第一直線段再連接有四個連續呈U字型相對彎折之第一彎折段,又該第一外部單極槽孔係設呈為呈為L形狀,另該第二直線段係由該基板之另一側邊延伸出,然後該第二直線段再連接有四個連續呈U字型相對彎折之第二彎折段,又該第二外部單極槽孔係設呈為L形狀。
上述饋入元件係為一微帶線。
上述第三彎折段係設呈為工字形。
上述基板之長度係為50mm,寬度則為20mm。
上述天線模組之長度係為10.5mm,寬度則為20mm。
本發明具有下列之優點:
1.本發明係可大幅縮小體積、減少成本,以及可以有效抑制金屬的干擾,並維持良好天線隔離度之多輸入多輸出之天線。
2.本發明之天線使用平面印刷式設計,係能降低製程的難度,而且平面式天線易於與系統接地面整合,或可以使用軟板等材料製作,方便應用於各種不同尺寸的小型無線行動裝置。
3.本發明之天線的面積僅有10.5×20mm2,利用電磁屏蔽的原理,天線與天線之間距離可以非常接近,有助於天線小形化製作,所佔空間能大幅減少。
首先,請參閱第一圖至第二圖所示,本發明係包括有基板(1)、天線模組(2)、隔離元件(3)及饋入元件(4),其中:
基板(1),其係為一厚度為0.4mm,介電係數(Relative permittivity)為4.4,損耗正切(Loss tangent)為0.0245的FR4玻璃纖維之板材所製成,該基板(1)之長度為係50mm,寬度則為20mm〔如附件所示〕,其係相對設有一第一表面(11)及一第二表面(12)。
天線模組(2),其係設置於該基板(1)的第一表面(11)上,該天線模組(2)之長度係為10.5mm,寬度則為20mm〔如附件所示〕,其係包含有相對稱之第一天線(21)及第二天線(21A),其中該第一天線(21)係設有一第一內部單極槽 孔(22)及一第一外部單極槽孔(23),該第一內部單極槽孔(22)係由該基板(1)之側邊延伸出一第一直線段(221),然後該第一直線段(221)再連接有四個連續呈U字型相對彎折之第一彎折段(222),又該第一外部單極槽孔(23)係設呈為L形狀,且該第一外部單極槽孔(23)係包圍於該第一內部單極槽孔(22)之外部位置處;另該第二天線(21A)同樣係對稱設有一第二內部單極槽孔(22A)及一第二外部單極槽孔(23A),該第二內部單極槽孔(22A)係由該基板(1)之另一側邊延伸出一第二直線段(221A),然後該第二直線段(221A)再連接有四個連續呈U字型相對彎折之第二彎折段(222A),又該第二外部單極槽孔(23A)係設呈為L形狀,且該第二外部單極槽孔(23A)係包圍於該第二內部單極槽孔(22A)之外部位置處。
隔離元件(3),其係設置於該基板(1)的第一表面(11)上,並位於該第一天線(21)及第二天線(21A)之間的中心線上,又該隔離元件(3)係設有一第三直線段(31),該第三直線段(31)係連接有一呈工字形的第三彎折段(32)。
饋入元件(4),其係設有二組,而分別設置於該基板(1)的第二表面(12)上,該饋入元件(4)係為一微帶線,該微帶線之阻抗值係為50Ω。
使用時,如第一圖及第二圖所示,根據電磁屏蔽效應的原理,當該天線模組(2)之第一內部單極槽孔(22)及第二內部單極槽孔(22A)被激發時,由於該第一內部單極 槽孔(22)及第二內部單極槽孔(22A)係會分別被其外圍之第一外部單極槽孔(23)及第二外部單極槽孔(23A)所包圍住,故此時無法將能量耦合過去,進而提高此時的隔離度,而當該第一外部單極槽孔(23)及第二外部單極槽孔(23A)被激發時,則是由中間的隔離元件(3)來阻隔兩邊的第一外部單極槽孔(23)及第二外部單極槽孔(23A)的互耦量,藉以可提高其隔離度;如此,即使是將該第一天線(21)及第二天線(21A)放置的非常接近,也同時能擁有良好的天線隔離度。
本發明之天線經實測〔如第三圖所示〕與模擬〔如第四圖所示〕之S參數結果。從該第三圖中可知本發明之天線之實測結果符合WLAN之2.4GHz頻帶的頻寬需求,並且實測結果與模擬結果在模態的表現上相當接近。
本發明之天線設計在有無內部或外部單極槽孔時之模擬S參數比較,從第五圖中可以明顯看到該天線設計在返回損失(S11)的第一個模態是由外部單極槽孔天線所產生,而第二個模態則是由內部單極槽孔天線所提供的,另外從沒有內部單極槽孔的例子中也可以明顯看到,在外部單極槽孔天線被激發時,因為有中間的隔離元件存在,故在返回損失的第一個模態的同頻率之下,隔離度也會有一個模態被產生,如第五圖中所示,而當沒有外部單極槽孔天線的例子中,因為沒有外部單極槽孔可以阻隔左右兩邊之內部單極槽孔天線的互耦,故在返回損失的第二個模態的同頻率之下,隔離度並沒有模 態,所以隔離度不好,但在此例子裡,因為還有中間的隔離元件存在,它對內部單極槽孔而言,等於一個LC帶拒濾波器並且共振出2.59GHz的模態,因此使本發明提出之天線設計中會有一個在2.57GHz的隔離度之第三個模態產生。
第六圖係為本發明之天線設計在未嵌入隔離元件與外部單極槽孔時之模擬S參數比較圖,從第五圖中可以看出,即使在沒有嵌入隔離元件的狀況下,只要有外部單極槽孔的存在,該內部單極槽孔所激發的第二個模態就能得到一個對應的隔離度模態,最後將該內部單極槽孔、外部單極槽孔及隔離元件結合,形成本發明提出之天線模組後,在返回損失(S11)中能得到兩個操作模態形成一個符合WLAN IEEE802.11n所需的頻寬,而在天線隔離度(S21或S12)方面,會在同樣共振頻率之下得到對應的兩個隔離度模態,進而在操作頻帶內擁有一個良好的天線隔離度。
第七圖係為本發明天線之實測天線增益與輻射效率圖,該天線在操作頻帶內的最大天線增益為1.23dBi,而兩天線模組的天線增益變化量都能小於3dB,另外實測之輻射效率約有50%以上。
第八圖係為本發明天線之實測遠場輻射場型圖,從該第八圖中明顯可以看到,因為本發明提出之天線模組的第一天線及第二天線係為左右對稱放置,因此能產生左右對稱的分集輻射場型,此特性在應用於多輸入多輸 出天線技術時能有效的分集成兩條明顯的空間分集路徑,進而提高傳輸時的頻道容量,另外也可以看成是一個全向性輻射場型,進而能減少通訊死角的產生。
惟,以上所述僅為本發明其中之一最佳實施例,當不能以此限定本發明之申請專利保護範圍,舉凡依本發明之申請專利範圍及說明書內容所作之簡單的等效變化與替換,皆應仍屬於本發明申請專利範圍所涵蓋保護之範圍內。
(1)‧‧‧基板
(11)‧‧‧第一表面
(12)‧‧‧第二表面
(2)‧‧‧天線模組
(21)‧‧‧第一天線
(22)‧‧‧第一內部單極槽孔
(221)‧‧‧第一直線段
(222)‧‧‧第一彎折段
(23)‧‧‧第一外部單極槽孔
(21A)‧‧‧第二天線
(22A)‧‧‧第二內部單極槽孔
(221A)‧‧‧第二直線段
(222A)‧‧‧第二彎折段
(23A)‧‧‧第二外部單極槽孔
(3)‧‧‧隔離元件
(31)‧‧‧第三直線段
(32)‧‧‧第三彎折段
(4)‧‧‧饋入元件
第一圖係為本發明之立體外觀圖。
第二圖係為本發明饋入元件位於該第二表面上之示意圖。
第三圖係為本發明天線S參數實測之示意圖。
第四圖係為本發明天線S參數模擬之示意圖。
第五圖係為本發明天線完整時及未嵌入內部單極槽孔、外部單極槽孔時之模擬S參數示意圖。
第六圖係為本發明天線完整時及未嵌入外部單極槽孔、隔離元件時之模擬S參數示意圖。
第七圖係為本發明天線實測時之天線增益與輻射效率示意圖。
第八圖係為本發明天線之實測遠場輻射場型示意圖。
附件係為本發明天線所製成之實物相片。
(1)‧‧‧基板
(11)‧‧‧第一表面
(12)‧‧‧第二表面
(2)‧‧‧天線模組
(21)‧‧‧第一天線
(22)‧‧‧第一內部單極槽孔
(221)‧‧‧第一直線段
(222)‧‧‧第一彎折段
(23)‧‧‧第一外部單極槽孔
(21A)‧‧‧第二天線
(22A)‧‧‧第二內部單極槽孔
(221A)‧‧‧第二直線段
(222A)‧‧‧第二彎折段
(23A)‧‧‧第二外部單極槽孔
(3)‧‧‧隔離元件
(31)‧‧‧第三直線段
(32)‧‧‧第三彎折段

Claims (6)

  1. 一種具有良好隔離度的多輸入多輸出之單極槽孔天線,包括有:一基板,其係相對設有一第一表面及一第二表面;一天線模組,其係設置於該基板的第一表面上,該天線模組係包含有相對稱之第一天線及第二天線,該第一天線係設有一第一內部單極槽孔及一第一外部單極槽孔,該第一內部單極槽孔係由一第一直線段及複數個第一彎折段連接而成,該第一外部單極槽孔係包圍於該第一內部單極槽孔之外部位置處,另該第二天線係設有一第二內部單極槽孔及一第二外部單極槽孔,該第二內部單極槽孔係由一第二直線段及複數個第二彎折段連接而成,該第二外部單極槽孔係包圍於該第二內部單極槽孔之外部位置處,該第一直線段係由該基板之側邊延伸出,然後該第一直線段再連接有四個連續呈U字型相對彎折之第一彎折段,又該第一外部單極槽孔係設呈為呈為L形狀,另該第二直線段係由該基板之另一側邊延伸出,然後該第二直線段再連接有四個連續呈U字型相對彎折之第二彎折段,又該第二外部單極槽孔係設呈為L形狀;一隔離元件,其係設置於該基板的第一表面上,該隔離元件係位於該第一天線及第二天線之間,該隔離元件係設有一第三直線段,該第三直線段係連接有一第三彎折段; 二饋入元件,其係分別設置於該基板的第二表面上,該二饋入元件係分別對應該第一天線及第二天線之位置。
  2. 一種具有良好隔離度的多輸入多輸出之單極槽孔天線,包括有:一基板,其係相對設有一第一表面及一第二表面;一天線模組,其係設置於該基板的第一表面上,該天線模組係包含有相對稱之第一天線及第二天線,該第一天線係設有一第一內部單極槽孔及一第一外部單極槽孔,該第一內部單極槽孔係由一第一直線段及複數個第一彎折段連接而成,該第一外部單極槽孔係包圍於該第一內部單極槽孔之外部位置處,另該第二天線係設有一第二內部單極槽孔及一第二外部單極槽孔,該第二內部單極槽孔係由一第二直線段及複數個第二彎折段連接而成,該第二外部單極槽孔係包圍於該第二內部單極槽孔之外部位置處;一隔離元件,其係設置於該基板的第一表面上,該隔離元件係位於該第一天線及第二天線之間,該隔離元件係設有一第三直線段,該第三直線段係連接有一第三彎折段,該第三彎折段係設呈為工字形;二饋入元件,其係分別設置於該基板的第二表面上,該二饋入元件係分別對應該第一天線及第二天線之位置。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述具有良好隔離度 的多輸入多輸出之單極槽孔天線,其中,該饋入元件係為一微帶線。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述具有良好隔離度的多輸入多輸出之單極槽孔天線,其中,該基板之長度係為50mm,寬度則為20mm。
  5. 如申請專利範圍第4項所述具有良好隔離度的多輸入多輸出之單極槽孔天線,其中,該天線模組之長度係為10.5mm,寬度則為20mm。
  6. 如申請專利範圍第1或2項所述具有良好隔離度的多輸入多輸出之單極槽孔天線,其中,該天線模組之長度係為10.5mm,寬度則為20mm。
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