TWI523320B - 一種天線及具有該天線的ｍｉｍｏ天線 - Google Patents

Description

一種天線及具有該天線的MIMO天線

本發明屬於通信領域，具體地，涉及一種天線及具有該天線的MIMO天線。

隨著半導體製程的高度發展，對當今的電子系統集成度提出了越來越高的要求，器件的小型化成為了整個產業非常關注的技術問題。然而，不同於IC芯片遵循“摩爾定律”的發展，作為電子系統的另外重要組成-射頻模塊，卻面臨著器件小型化的高難度技術挑戰。射頻模塊主要包括了混頻、功放、濾波、射頻信號傳輸、匹配網絡與天線等主要器件。其中，天線作為最終射頻信號的輻射單元和接收器件，其工作特性將直接影響整個電子系統的工作性能。然而天線的尺寸、帶寬、增益等重要指標卻受到了基本物理原理的限制(固定尺寸下的增益極限、帶寬極限等)。這些指標極限的基本原理使得天線的小型化技術難度遠遠超過了其它器件，而由於射頻器件的電磁場分析的複雜性，逼近這些極限值都成為了巨大的技術挑戰。

同時，隨著現代電子系統的複雜化，多模服務的需求在無線通信、無線接入、衛星通信、無線數據網絡等系統中變得越來越重要。而多模服務的需求進一步增大了小型化天線多模設計的複雜度。除去小型化的技術挑戰，天線的多模阻抗匹配也成為了天線技術的瓶頸。另一方面，多輸入多輸出系統(MIMO)在無線通信、無線數據服務領域的高速發展更進一 步苛刻地要求了天線尺寸的小型化並同時保證良好的隔離度、輻射性能以及抗干擾能力。然而，傳統的終端通信天線主要基於電單極子或偶極子的輻射原理進行設計，比如最常用的平面反F天線(PIFA)。傳統天線的輻射工作頻率直接和天線的尺寸正相關，帶寬和天線的面積正相關，使得天線的設計通常需要半波長的物理長度。在一些更為複雜的電子系統中，天線需要多模工作，就需要在饋入天線前額外的阻抗匹配網絡設計。但阻抗匹配網絡額外的增加了電子系統的饋線設計、增大了射頻系統的面積同時匹配網絡還引入了不少的能量損耗，很難滿足低功耗的系統設計要求。因此，小型化、多模式的新型天線技術成為了當代電子集成系統的一個重要技術瓶頸。

本發明要解決的技術問題是，針對現有技術在低頻工作時天線受控於空間面積的物理局限的缺陷，提供一種在低頻工作時保證其小型化的天線。

本發明提供一種天線，其包括介質基板、附著在介質基板相對兩表面的第一金屬片及第二金屬片，圍繞第一金屬片設置有第一饋線，圍繞第二金屬片設置有第二饋線，第一饋線及第二饋線通過耦合方式分別饋入第一金屬片及第二金屬片，第一金屬片及第二金屬片上分別鏤空有第一微槽結構及第二微槽結構，第一饋線與第二饋線電連接。

根據本發明一優選實施例，介質基板的製造材料包括陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料。

根據本發明一優選實施例，第一微槽結構為互補式開口諧振環結構、互補式螺旋線結構、開口螺旋環結構、雙開口螺旋環結構以及互補式彎折線結構中的一種或是通過前述五種結構的其中一種結構衍生、多種結構複合或一種結構組陣得到的金屬微結構。

根據本發明一優選實施例，第二微槽結構為互補式開口諧振環結構、互補式螺旋線結構、開口螺旋環結構、雙開口螺旋環結構以及互補式彎折線結構中中的一種或是通過前述五種結構的其中一種結構衍生、多種結構複合或一種結構組陣得到的金屬微結構。

根據本發明一優選實施例，第一金屬片與第二金屬片通過金屬化通孔或導線連接。

根據本發明一優選實施例，第一饋線與第二饋線通過金屬化通孔或導線連接。

根據本發明一優選實施例，第一金屬片為銅片或銀片。

根據本發明一優選實施例，第二金屬片為銅片或銀片。

根據本發明一優選實施例，第一饋線與第二饋線選用與第一金屬片及第二金屬片同樣的材料製成。

本發明提供一種MIMO天線，其包括介質基板、附著在介質基板相對兩表面的第一金屬片及第二金屬片，圍繞第一金屬片設置有第一饋線，圍繞第二金屬片設置有第二饋線，第一饋線及第二饋線通過耦合方式分別饋入第一金屬片及第二金屬片，第一金屬片及第二金屬片上分別鏤空有第一微槽結構及第二微槽結構，第一饋線與第二饋線電連接。

根據本發明一優選實施例，介質基板的製造材料包括陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料。

根據本發明一優選實施例，第一微槽結構為互補式開口諧振環結構、互補式螺旋線結構、開口螺旋環結構、雙開口螺旋環結構以及互補式彎折線結構中的一種或是通過前述五種結構的其中一種結構衍生、多種結構複合或一種結構組陣得到的金屬微結構。

根據本發明一優選實施例，第二微槽結構為互補式開口諧振環結構、互補式螺旋線結構、開口螺旋環結構、雙開口螺旋環結構以及互補式彎折線結構中中的一種或是通過前述五種結構的其中一種結構衍生、多種結構複合或一種結構組陣得到的金屬微結構。

根據本發明一優選實施例，第一金屬片與第二金屬片通過金屬化通孔或導線連接。

根據本發明一優選實施例，第一饋線與第二饋線通過金屬化通孔或導線連接。

根據本發明一優選實施例，第一金屬片為銅片或銀片。

根據本發明一優選實施例，第二金屬片為銅片或銀片。

根據本發明一優選實施例，第一饋線與第二饋線選用與第一金屬片及第二金屬片同樣的材料製成。

實施本發明的天線，相對於現有的天線，具有以下有益效果：在介質基板兩面均設置有金屬片，充分利用了天線的空間面積，在此環境下天線能在較低工作頻率下工作，滿足天線小型化、低工作頻率、寬帶多模的要求。此外，本發明的MIMO 天線，除了具備上述天線本身的特點外，還具有很高的隔離度，多個天線之間的抗干擾能力强。

如圖1及圖2所示，本發明的所述天線包括介質基板1、附著在介質基板1相對兩表面的第一金屬片4及第二金屬片7，圍繞第一金屬片4設置有第一饋線2，圍繞第二金屬片7設置有第二饋線8，所述第一饋線2通過耦合方式饋入所述第一金屬片4，所述第二饋線8通過耦合方式饋入所述第二金屬片7，所述第一金屬片4及第二金屬片7上分別鏤空有第一微槽結構41及第二微槽結構71，第一金屬片4除第一微槽結構41以外的部分為第一金屬走線42，第二金屬片7除第二微槽結構71以外的部分為第一金屬走線72，所述第一饋線2與第二饋線8電連接。在同一介質基板的兩面都設置金屬片，等效於增加了天線物理長度(實際長度尺寸不增加)，這樣就可以在極小的空間內設計出工作在極低工作頻率下的射頻天線。解決傳統天線在低頻工作時天線受控空間面積的物理局限。

如圖1及2所示，所述第一饋線2與第二饋線8通過在介質基板1上開的金屬化通孔10電連接。當然也可以采用導線連接。

圖1至圖2中，第一金屬片畫剖面線的部分為第一金屬走線，第一金屬片上的空白部分(鏤空的部分)表示第一微槽結構及第二微槽結構。另外，第一饋線也用剖面線表示。同樣的，第二金屬片畫剖面線的部分為第二金屬走線，第二金屬片上的 空白部分(鏤空的部分)表示第三微槽結構及第四微槽結構。另外，第二饋線也用剖面線表示。

圖1所示為本發明的天線的立體圖，圖2為其另一視角圖。綜合兩個圖可以看出，介質基板的a表面及b表面上附著的結構相同。即第一饋線、第一金屬片在b表面的投影分別與第二饋線、第二金屬片重合。當然，這只是一個優選的方案，a表面與b表面的結構根據需要也可以不同。

第一饋線2圍繞第一金屬片4設置以實現信號耦合。另外第一金屬片4與第一饋線2可以接觸，也可以不接觸。當第一金屬片4與第一饋線2接觸時，第一饋線2與第一金屬片4之間感性耦合；當第一金屬片4與第一饋線2不接觸時，第一饋線2與金屬片4之間容性耦合。

第二饋線8圍繞第二金屬片7設置以實現信號耦合。另外第二金屬片7與第二饋線8可以接觸，也可以不接觸。當第二金屬片7與第二饋線8接觸時，第二饋線8與第二金屬片7之間感性耦合；當第二金屬片7與第二饋線8不接觸時，第二饋線8與金屬片7之間容性耦合。

本發明中，所述介質基板兩相對表面的第一金屬片與第二金屬片可以連接，也可以不連接。在第一金屬片與第二金屬片不連接的情况下，所述第一金屬片與第二金屬片之間通過容性耦合的方式饋電；此種情况下，通過改變介質基板的厚度可以實現第一金屬片與第二金屬片的諧振。在第一金屬片與第二金屬片電連接的情况下(例如通過導線或金屬化通孔的形式連接)，所述第一金屬片與第二金屬片之間通過感性耦合的方式 饋電。

本發明中的所述第一微槽結構41、第二微槽結構71可以是圖3所示的互補式開口諧振環結構、圖4所示的互補式螺旋線結構、圖5所示的開口螺旋環結構、圖6所示的雙開口螺旋環結構、圖7所示的互補式彎折線結構中的一種或者是通過前述五種結構的其中一種結構衍生、多種結構複合或一種結構組陣得到的金屬微結構。衍生分為兩種，一種是幾何形狀衍生，另一種是擴展衍生，此處的幾何形狀衍生是指功能類似、形狀不同的結構衍生，例如由方框類結構衍生到曲線類結構、三角形類結構及其它不同的多邊形類結構；此處的擴展衍生即在圖3至圖7的基礎上開設新的槽以形成新的微槽結構；以圖3所示的互補式開口諧振環結構為例，圖8為其幾何形狀衍生示意圖，圖9為其幾何形狀衍生示意圖。此處的複合是指，圖3至圖7的微槽結構多個叠加形成一個新的微槽結構，如圖10所示，為三個圖3所示的互補式開口諧振環結構複合後的結構示意圖；如圖11所示，為兩個圖3所示的互補式開口諧振環結構與圖4所示為互補式螺旋線結構共同複合後的結構示意圖。此處的組陣是指由多個圖3至圖7所示的微槽結構在同一金屬片上陣列形成一個整體的微槽結構，如圖12所示，為多個如圖3所示的互補式開口諧振環結構組陣後的結構示意圖。以下均以圖5所示的開口螺旋環結構為例闡述本發明。

另外，本發明中，介質基板的製造材料包括陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料。優選地，由高分子材料製成，具體地可以是FR-4、F4B等高分子材料。

本發明中，第一金屬片及第二金屬片為銅片或銀片。優選為銅片，價格低廉，導電性能好。

本發明中，第一饋線、第二饋線選用與第一金屬片及第二金屬片同樣的材料製成。優選為銅。

本發明中，關於天線的加工製造，只要滿足本發明的設計原理，可以采用各種製造方式。最普通的方法是使用各類印刷電路板(PCB)的製造方法，當然，金屬化的通孔，雙面覆銅的PCB製造也能滿足本發明的加工要求。除此加工方式，還可以根據實際的需要引入其它加工手段，比如RFID(RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別技術，俗稱電子標簽)中所使用的導電銀漿油墨加工方式、各類可形變器件的柔性PCB加工、鐵片天線的加工方式以及鐵片與PCB組合的加工方式。其中，鐵片與PCB組合加工方式是指利用PCB的精確加工來完成天線微槽結構的加工，用鐵片來完成其它輔助部分。另外，還可以通過蝕刻、電鍍、鑽刻、光刻、電子刻或離子刻的方法來加工。

本發明還提供了一種MIMO天線，所述的MIMO天線由多個上述的天線組成。此處的MIMO即是指多輸入多輸出。即MIMO天線上的所有單個的天線1同時發射，同時接收。MIMO天線可以在不需要增加帶寬或總發送功率損耗的前提下大幅度增加系統的信息吞吐量及傳輸距離。另外本發明的MIMO天線還具有很高的隔離度，多個天線之間的抗干擾能力强。

本發明的MIMO天線，其每個天線的第一饋線與第二饋 線電連接後再與一個接收/發射機連接，所有的接收/發射機均連接到一個基帶信號處理器上。

儘管上文藉由較佳實施例揭示了本發明，但並不意圖限制本發明。本領域熟知此項技藝者可在不脫離本發明的精神及範圍的情況下進行一些潤飾及變化。因而，本發明的保護範圍落入所附的申請專利範圍內。

1‧‧‧介質基板

2‧‧‧第一饋線

4‧‧‧第一金屬片

7‧‧‧第二金屬片

8‧‧‧第二饋線

10‧‧‧金屬化通孔

41‧‧‧第一微槽結構

42‧‧‧第一金屬走線

71‧‧‧第二微槽結構

72‧‧‧第一金屬走線

a‧‧‧表面

b‧‧‧表面

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。其中：圖1是本發明的天線的立體圖；圖2是圖1的另一視角圖；圖3為互補式開口諧振環結構的示意圖；圖4所示為互補式螺旋線結構的示意圖；圖5所示為開口螺旋環結構的示意圖；圖6所示為雙開口螺旋環結構的示意圖；圖7所示為互補式彎折線結構的示意圖；圖8為圖3所示的互補式開口諧振環結構其幾何形狀衍生示意圖；圖9為圖3所示的互補式開口諧振環結構其擴展衍生示意圖； 圖10為三個圖3所示的互補式開口諧振環結構的複合後的結構示意圖；圖11為兩個圖3所示的互補式開口諧振環結構與圖4所示為互補式螺旋線結構的複合示意圖；圖12為四個圖3所示的互補式開口諧振環結構組陣後的結構示意圖。

1‧‧‧介質基板

2‧‧‧第一饋線

4‧‧‧第一金屬片

10‧‧‧金屬化通孔

41‧‧‧第一微槽結構

42‧‧‧第一金屬走線

a‧‧‧表面

Claims (14)

1. 一種天線，其中，所述天線包括介質基板、附著在所述介質基板相對兩表面的第一金屬片及第二金屬片，圍繞所述第一金屬片設置有第一饋線，圍繞所述第二金屬片設置有第二饋線，所述第一饋線及所述第二饋線通過耦合方式分別饋入所述第一金屬片及所述第二金屬片，所述第一金屬片及所述第二金屬片上分別鏤空有第一微槽結構及第二微槽結構，所述第一饋線與所述第二饋線通過金屬化通孔電連接。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之天線，其中，所述介質基板的製造材料包括陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之天線，其中，所述第一微槽結構為互補式開口諧振環結構、互補式螺旋線結構、開口螺旋環結構、雙開口螺旋環結構以及互補式彎折線結構中的一種或是通過前述五種結構的其中一種結構衍生、多種結構複合或一種結構組陣得到的金屬微結構。
4. 根據申請專利範圍第1項所述之天線，其中，所述第二微槽結構為互補式開口諧振環結構、互補式螺旋線結構、開口螺旋環結構、雙開口螺旋環結構以及互補式彎折線結構中的一種或是通過前述五種結構的其中一種結構衍生、多種結構複合或一種結構組陣得到的金屬微結構。
5. 根據申請專利範圍第1項所述之天線，其中，所述第一金屬片為銅片或銀片。
6. 根據申請專利範圍第1項所述之天線，其中，所述第 二金屬片為銅片或銀片。
7. 根據申請專利範圍第1項所述之天線，其中，所述第一饋線與所述第二饋線選用與所述第一金屬片及所述第二金屬片同樣的材料製成。
8. 一種MIMO天線，其中，所述MIMO天線包括介質基板、附著在所述介質基板相對兩表面的第一金屬片及第二金屬片，圍繞所述第一金屬片設置有第一饋線，圍繞所述第二金屬片設置有第二饋線，所述第一饋線及所述第二饋線通過耦合方式分別饋入所述第一金屬片及所述第二金屬片，所述第一金屬片及所述第二金屬片上分別鏤空有第一微槽結構及第二微槽結構，所述第一饋線與所述第二饋線通過金屬化通孔電連接。
9. 根據申請專利範圍第8項所述之MIMO天線，其中，所述介質基板的製造材料包括陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料。
10. 根據申請專利範圍第8項所述之MIMO天線，其中，所述第一微槽結構為互補式開口諧振環結構、互補式螺旋線結構、開口螺旋環結構、雙開口螺旋環結構以及互補式彎折線結構中的一種或是通過前述五種結構的其中一種結構衍生、多種結構複合或一種結構組陣得到的金屬微結構。
11. 根據申請專利範圍第8項所述之MIMO天線，其中，所述第二微槽結構為互補式開口諧振環結構、互補式螺旋線結構、開口螺旋環結構、雙開口螺旋環結構以及互補式彎折線結構中的一種或是通過前述五種結構的其中一種結構衍生、多種 結構複合或一種結構組陣得到的金屬微結構。
12. 根據申請專利範圍第8項所述之MIMO天線，其中，所述第一金屬片為銅片或銀片。
13. 根據申請專利範圍第8項所述之MIMO天線，其中，所述第二金屬片為銅片或銀片。
14. 根據申請專利範圍第8項所述之MIMO天線，其中，所述第一饋線與所述第二饋線選用與所述第一金屬片及所述第二金屬片同樣的材料製成。