TWI628860B - 三極化的mimo天線系統 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種天線系統，設置於基板上，該基板具有依序排列的第一層，第二層、第三層及第四層，並包括有一接地層，及設置於基板的第一輻射部，第二輻射部，第三輻射部；接地部，位於該基板的該接地層；及饋入部，包括第一饋入部、第二饋入部以及第三饋入部，設置於該第四層上，其中，該饋入部通過設置於該接地部的槽孔與該輻射部相互耦合以輻射電磁波。本發明採用層級結構，結構簡單，估用空間小，製造工藝簡單，便於推廣使用，並且具有高增益、低損耗的特點，能穩定用於2.412GHz~2.472GHz頻段的無線通訊應用上。

Description

三極化的MIMO天線系統
本發明涉及無線通訊領域，尤其涉及一種三極化的多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，簡稱MIMO)天線系統。
目前，隨著無線通訊技術的不斷發展，人們對無線通訊的要求越來越高，傳統的天線系統已經不能滿足人們對於通道容量的要求。利用MIMO技術能夠顯著提升通道容量，通過同時在發射端和接收端使用多個天線，能夠大大提升頻譜利用率，提升傳輸效率。已有研究表明，MIMO天線系統的通道容量可以隨著天線數量的增加而增大，具有多極化性質的MIMO天線系統已經越來越得到人們的關注。目前，已經有很多三極化的MIMO天線系統，三級化MIMO天線系統能夠實現三個方向正交極化，在同等體積下增大了通道路徑，從而提升了通道容量和傳輸效率。
然而，現有的三級化MIMO天線系統採用立體結構，不僅天線系統體積大，而且製造成本高，不利於大規模推廣使用。
有鑑於此，有必要提供一種三極化的MIMO天線系統，能夠減小天線系統體積，降低成本，便於推廣使用。
本發明提供一種天線系統，設置於基板上，該基板具有依序排列的第一層，第二層、第三層及第四層，並包括有一接地層，其中，該天線系統包括： 輻射部，包括第一輻射部、第二輻射部以及第三輻射部，用於輻射電磁波，其中：該第一輻射部呈方形，設置於該第一層靠近該第二層的一面；該第二輻射部呈方形，設置於該第三層靠近該第二層的一面；該第三輻射部呈圓環形，設置於該第二層靠近該第一層的一面；接地部，位於該基板的該接地層；及饋入部，包括第一饋入部、第二饋入部以及第三饋入部，設置於該第四層上，其中，該饋入部通過設置於該接地部的槽孔與該輻射部相互耦合以輻射電磁波。
優選地，該第一層、第二層、第三層及第四層之間相互平行，該第一層與該第二層之間有間隔，該第二層與第三層之間有間隔，該接地層位於該第三層與第四層之間。
優選地，該第一層與第二層之間的間隔，以及該第二層與第三層之間的間隔為電介質。
優選地，該接地部上設置的槽孔分別為第一槽孔、第二槽孔以及第三槽孔。
優選地，該第一槽孔、第二槽孔以及第三槽孔為I形。
優選地，該第一輻射部、第二輻射部和第三輻射部的幾何中心位於同一條直線上。
優選地，該第一槽孔的中心位於該第一輻射部在該接地層上的方形投影的一條對角線上，該第一槽孔與該對角線垂直；該第二槽孔的中心位於該第二輻射部在該接地層上的方形投影的一條對角線上，該第二槽孔與該對角線垂直，該第二槽孔與該第一槽孔垂直；該第三槽孔穿過該第三輻射部在該接地層上的圓環形投影，且位於該圓環形投影的一條直徑上。
優選地，該饋入部，呈L形，分為長端和短端，長端與短端的連接處為一傾斜拐角；該第一饋入部的長端垂直穿過該第一槽孔在該第四 層上的槽孔投影的中心位置；該第二饋入部的長端垂直穿過該第二槽孔在該第四層上的槽孔投影的中心位置，該第二饋入部的短端向遠離該第一饋入部的方向延伸，該第一饋入部的短端向遠離該第二饋入部的方向延伸；該第三饋入部的長端垂直穿過該第三槽孔在該第四層上的槽孔投影的中心位置，該第三饋入部的短端向遠離該第三輻射部在該第四層上的圓環形投影的方向延伸。
本發明實施方式中的天線系統，採用三個饋入部通過三個槽孔與三個輻射部相互耦合以輻射電磁波，形成三個方向的極化，能夠提升天線的通道容量和傳輸效率。本發明採用層級結構，結構簡單，佔用空間小，製造工藝簡單，便於推廣使用，並且具有高增益、低損耗的特點，能穩定用於2.412GHz~2.472GHz頻段的無線通訊應用上。
10‧‧‧天線系統
20‧‧‧基板
201‧‧‧第一層
203‧‧‧第二層
205‧‧‧第三層
207‧‧‧第四層
206‧‧‧接地層
301‧‧‧第一輻射部
302‧‧‧第二輻射部
303‧‧‧第三輻射部
401‧‧‧第一槽孔
402‧‧‧第二槽孔
403‧‧‧第三槽孔
501‧‧‧第一饋入部
502‧‧‧第二饋入部
503‧‧‧第三饋入部
P1‧‧‧第一饋入部埠
P2‧‧‧第二饋入部埠
P3‧‧‧第三饋入部埠
圖1為本發明天線系統的一實施方式的立體圖。
圖2為本發明天線系統的一實施方式的投影示意圖。
圖3為本發明天線系統的一實施方式的側視圖。
圖4為本發明天線系統的一實施方式的尺寸圖。
圖5為本發明天線系統的一實施方式的各天線單元回波損耗測試結果。
圖6為本發明天線系統的一實施方式的各天線單元之間隔離度測試結果。
圖7為本發明天線系統的一實施方式的天線增益測試結果。
圖8為本發明天線系統的一實施方式的天線增益測試結果。
圖9為本發明天線系統的一實施方式的最大增益測試結果。
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下將結合附圖及實施方式，對本發明中的功率分配器作進一步詳細描述及相關說明。
請參閱圖1，圖1為本發明天線系統10一實施方式的立體圖。在本實施方式中，天線系統10位於基板20上。基板20分為四層，各層之間相互平行，第一層201與第二層203之間、第二層203與第三層205之間有間隔，第三層205與第四層207之間為接地層206。在本實施方式中，第一層201與第二層203之間、第二層203與第三層205之間該間隔為電介質。
在本實施方式中，天線系統10包括輻射部、接地部以及饋入部。天線系統10的輻射部是設置於基板20上的多個金屬層，用於輻射電磁波信號，包括第一輻射部301、第二輻射部302以及第三輻射部303。其中，第一輻射部301呈方形，位於第一層201的下表面，該下表面為第一層201靠近第二層203的一面；第二輻射部302呈方形，位於第三層205的上表面，該上表面為第三層205靠近第二層203的一面；第三輻射部303呈圓環形，位於第二層203的上表面，該上表面為第二層203靠近第一層201的一面。應該明白此處輻射部的形狀並不用以限制本發明，可以根據實際情況作出適應性的改變，例如第一輻射部301、第二輻射部302、第三輻射部303除可為方形、圓形外，也可以是橢圓形、菱形、矩形等其他形狀。
在本實施方式中，接地層206為金屬層，其上設置有均呈I形的第一槽孔401、第二槽孔402以及第三槽孔403。設置有槽孔的接地層206是天線系統10的接地部。第一槽孔401位於第一輻射部301在接地層206所在平面的方形投影內，與該方形投影的一條對角線垂直，且第一槽孔401的中心位於該對角線上；第二槽孔402位於第二輻射部302在接地層206所在平面的方形投影內，與該方形投影的一條對角線垂直，且第二槽孔402的中心位於該對角線上，第二槽孔402的大小與第一槽孔401相同，且與第一槽孔401相互垂直；第三槽孔403穿過第三輻射部303在接地層206所在平面的圓環形投影，且位於該圓環投影的一條直徑上。需要說明的是，不同於本實施方式中第三槽孔403與第二槽孔402方向垂直，第三槽孔403還可以位於其他位置，只要位於第三輻射部303在接地層206所在平面的圓環形投影的一條直徑上即可，且第三槽孔403的位置決定了第三饋入部503的位置，也決定第三輻射部303的輻射方向和與第一輻射部301、第二輻射部302之間的隔離度，本發明僅以圖1所示為例，並不以 此為限，同樣，設置於接地層206的第一槽孔401、第二槽孔402以及第三槽孔403除了可以設置為I形外，在其他實施方式中，也可以設置為其他形狀，比如長條形等。
在本實施方式中，饋入部是設置於第四層207下表面上的多個導電金屬層，呈L形，由長端以及與長端垂直的短端組成。饋入部包括第一饋入部501、第二饋入部502以及第三饋入部503，用於饋入電磁波信號。第一饋入部501，第一饋入部501的長端垂直穿過第一槽孔401在第四層207上的I形投影的中心位置；第二饋入部502，第二饋入部502的大小與第一饋入部501相同，第二饋入部502的長端垂直穿過第二槽孔402在第四層207上的I形投影的中心位置，第二饋入部502的短端向遠離第一饋入部501的方向延伸，第一饋入部501的短端向遠離第二饋入部502的方向延伸；第三饋入部503，第三饋入部503的長端垂直穿過第三槽孔403在第四層207所在平面的I形投影的中心位置，其短端向遠離第三輻射部303在第四層207上的圓環形投影的方向延伸。饋入部通過槽孔與輻射部相互耦合以輻射電磁波信號。
請參閱圖2，圖2為為本發明一實施方式的投影示意圖。在本實施方式中，第一輻射部301呈方形，第二輻射部302呈方形，第三輻射部303呈圓環形。第一槽孔401位於第一輻射部301對接地層206投影內，該投影呈方形，與該方形投影的一條對角線垂直，且第一槽孔401的中心位於該對角線上；第二槽孔402位於第二輻射部302的方形投影內，與該方形投影的一條對角線垂直，且第二槽孔402的中心位於該對角線上，第二槽孔402的大小與第一槽孔401相同，且與第一槽孔401相互垂直；第三槽孔403穿過第三輻射部303的圓環形投影，且位於該圓環投影的一條直徑上。需要說明的是，不同於本實施方式中第三槽孔403與第二槽孔402方向垂直，第三槽孔403還可以位於其他位置，只要位於第三輻射部303在接地層206所在平面的圓環形投影的一條直徑上即可，且第三槽孔403的位置決定了第三饋入部503的位置，也決定第三輻射部303的輻射方向和與第一輻射部301、第二輻射部302之間的隔離度，本發明僅以圖2所示為例，並不以此為限，另外，設置於接地層206的第一槽孔401、第二槽孔402以及第三槽孔403除了可以設置為I形外，在其他實施方式中，也可以設置為其他形狀，比如長條形等。
在本實施方式中，第一饋入部501、第二饋入部502以及第三饋入部503，用於饋入電磁波信號。第一饋入部501，第一饋入部埠為P1，第一饋入部501的長端垂直穿過第一槽孔401的I形投影的中心位置；第二饋入部502，第二饋入部埠為P2，第二饋入部502的大小與第一饋入部501相同，第二饋入部502的長端垂直穿過第二槽孔402的I形投影的中心位置，第二饋入部502的短端向遠離第一饋入部501的方向延伸，第一饋入部501的短端向遠離第二饋入部502的方向延伸；第三饋入部503，第三饋入部埠為P3，第三饋入部503的長端垂直穿過第三槽孔403的I形投影的中心位置，其短端向遠離第三輻射部303的圓環形投影的方向延伸。饋入部通過槽孔與輻射部相互耦合以輻射電磁波信號。
請參閱圖3，圖3為本發明一實施方式的側視圖。在本實施方式中，第一輻射部301位於第一層201的下表面，該下表面為第一層201靠近第二層203的一面；第二輻射部302位於第三層205的上表面，該上表面為第三層205靠近第二層203的一面；第三輻射部303位於第二層203的上表面，該上表面為第二層203靠近第一層201的一面，如圖所示，第一輻射部301、第二輻射部302和第三輻射部303的幾何中心均位於一條直線上，在本實施方式中，該直線為如圖所示的豎直的直線L，該直線L為穿過基板20幾何中心的垂直於基板20的直線，當然圖3所示直線L並非要限制本發明，因基板20可以採用不同形狀，當天線系統10位於基板20時，直線L將具有不同的位置。
請參閱圖4，所示為本發明天線系統10一實施方式的尺寸圖。
在本實施方式中，第一層201、第二層203、第三層205以及第四層207的介電常數依次為：2.33、2.33、2.33、2.2。其中，第一層201、第二層203、第三層205厚度均為1.6mm，第四層207厚度為0.8mm，第一層201與第二層203之間間隔為3.4mm，第二層203與第三層205之間間隔為2mm；第一輻射部301對角線長為39mm，第二輻射部302對角線長為32mm，第三輻射部303外環直徑為78mm，內環直徑為76mm；第一槽孔401中間部分長度為12mm、寬度為1mm，兩端部分長度為3mm、寬度為4mm，第二槽孔402尺寸與第一槽孔401相同，第三槽孔403中間部分長度為10mm、寬度為1mm，頭部長度為2mm，寬度為8mm；第一饋入部501寬度為2.4mm，短端長度為6mm，拐角處長度為3.4mm，超過第一槽孔401的投影的長度為7.5mm，第二饋入部502的 尺寸與第一饋入部501相同，第三饋入部503寬度為2mm，短端長度為3.25mm，拐角處長度為2.8mm，超過第三槽孔403的投影的長度為3.5mm。在其他實施方式中，基板若為其他類型電路板，根據上述設計理論，基板及輻射部尺寸可以有所不同，本發明並不以此為限。
請參閱圖5，所示為各天線單元的回波損耗測試結果。由圖5可知，天線系統10工作於2.412GHz~2.472GHz頻段時，其各埠回波損耗(Return Loss)S11、S22、S33均低於-10dB。
請參閱圖6，所示為各天線單元之間隔離度測試結果。由圖6可知，天線系統10工作於2.412GHz~2.472GHz頻段時，第一饋入部埠P1與第二饋入部埠P2之間隔離度(Isolation)S12低於-30dB，第一饋入部埠P1與第三饋入部埠P3之間隔離度S13低於-18dB，第二饋入部埠P2與第三饋入部埠P3之間隔離度S23低於-55dB。測試結果表明，各埠之間隔離效果良好，均能獨立工作。
請參閱圖7、圖8，所示為天線增益測試結果。其中，天線系統工作頻率為2.44GHz，圖7為X-Z平面，圖8為Y-Z平面。由圖7與圖8可知，天線系統10工作於中心頻段為2.44GHz時，具有三個方向輻射的特性。
請參閱圖9，所示為天線最大增益測試結果。由圖9可知，天線系統10工作於2.412GHz~2.472GHz頻段時，最大增益均高於8dB。
本發明實施方式的天線系統10，採用三個饋入部通過三個槽孔與三個輻射部相互耦合以輻射電磁波，形成三個方向的極化，能夠提升天線的通道容量和傳輸效率。本發明採用層級結構，結構簡單，佔用空間小，製造工藝簡單，便於推廣使用，並且具有高增益、低損耗的特點，能穩定用於2.412GHz~2.472GHz頻段的無線通訊應用上。
綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上該者僅為本發明之較佳實施例，舉凡熟悉本案技藝之人士，在爰依本發明精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下之申請專利範圍內。

Claims (7)

  1. 一種天線系統，設置於基板上，該基板具有依序排列的第一層，第二層、第三層及第四層，該第一層與該第二層之間有間隔，該第二層與第三層之間有間隔，並包括有一接地層，其中，該天線系統包括：輻射部，包括第一輻射部、第二輻射部以及第三輻射部，用於輻射電磁波，其中：該第一輻射部呈方形，設置於該第一層靠近該第二層的一面；該第二輻射部呈方形，設置於該第三層靠近該第二層的一面；該第三輻射部呈圓環形，設置於該第二層靠近該第一層的一面；接地部，位於該基板的該接地層；及饋入部，包括第一饋入部、第二饋入部以及第三饋入部，設置於該第四層上，其中，該饋入部通過設置於該接地部的槽孔與該輻射部相互耦合以輻射電磁波，該接地部上設置的槽孔分別為第一槽孔、第二槽孔以及第三槽孔；該第一槽孔的中心位於該第一輻射部在該接地層上的方形投影的一條對角線上，該第一槽孔與該對角線垂直；該第二槽孔的中心位於該第二輻射部在該接地層上的方形投影的一條對角線上，該第二槽孔與該對角線垂直；該第三槽孔穿過該第三輻射部在該接地層上的圓環形投影，且位於該圓環形投影的一條直徑上；該第一饋入部垂直穿過該第一槽孔在該第四層上的槽孔投影的中心位置；該第二饋入部垂直穿過該第二槽孔在該第四層上的槽孔投影的中心位置；該第三饋入部垂直穿過該第三槽孔在該第四層上的槽孔投影的中心位置。
  2. 如專利申請範圍第1項所述之天線系統，其中，該第一層、第二層、第三層及第四層之間相互平行，該接地層位於該第三層與第四層之間。
  3. 如專利申請範圍第2項所述之天線系統，其中，該第一層與第二層之間的間隔，以及該第二層與第三層之間的間隔為電介質。
  4. 如專利申請範圍第1項所述之天線系統，其中，該第一槽孔、第二槽孔以及第三槽孔為I形。
  5. 如專利申請範圍第1項所述之天線系統，其中，該第一輻射部、第二輻射部和第三輻射部的幾何中心位於同一條直線上。
  6. 如專利申請範圍第1項所述之天線系統，其中：該第二槽孔與該第一槽孔垂直。
  7. 如專利申請範圍第6項所述之天線系統，其中：該饋入部，呈L形，分為長端和短端，長端與短端的連接處為一傾斜拐角；該第一饋入部的長端垂直穿過該第一槽孔在該第四層上的槽孔投影的中心位置；該第二饋入部的長端垂直穿過該第二槽孔在該第四層上的槽孔投影的中心位置，該第二饋入部的短端向遠離該第一饋入部的方向延伸，該第一饋入部的短端向遠離該第二饋入部的方向延伸；該第三饋入部的長端垂直穿過該第三槽孔在該第四層上的槽孔投影的中心位置，該第三饋入部的短端向遠離該第三輻射部在該第四層上的圓環形投影的方向延伸。
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