TWI682583B - 利用非輻射耦合邊實現隔離之多天線系統 - Google Patents

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Abstract

本創作是一種利用非輻射耦合邊實現隔離之多天線系統，在一基板的表面上設置有一第一輻射天線、一第二輻射天線及至少一隔離元件，其中該第一輻射天線及第二輻射天線各具有一共振輻射部、一饋入部與至少一非輻射耦合邊，該隔離元件設置在該第一與第二輻射天線之間，由第一輻射天線之非輻射耦合邊向第二輻射天線之非輻射耦合邊延伸；藉由在非輻射耦合邊的旁側設置隔離元件，使第一／第二輻射天線之間的近場耦合能量被抵消，藉此提高天線之隔離度，且藉由改變該隔離元件之長度，可調整系統之共振頻率。

Description

利用非輻射耦合邊實現隔離之多天線系統
本發明為一種具高隔離度之天線系統，特別是指一種利用非輻射耦合邊進行天線隔離之多天線系統。
隨著無線通訊技術的發展，高資料傳線量的需求也隨之提高，為滿足如此龐大的資料傳輸量，無線通訊裝置利用多輸入多輸出(multi-input multi-output, MIMO)的天線系統架構來實現無線資料傳輸。在MIMO天線系統中，係設計有多數個天線元件，每一個天線元件有獨自負責的傳輸頻段，令該多數個天線元件在同一時間均可傳輸資料，實現多頻傳輸，天線元件彼此之間需維持良好的隔離度以避免互相干擾。
若無線通訊裝置內有足夠的空間供設置多數個天線元件時，相鄰天線元件之間仍可保持適當的距離以減少干擾。但是目前無線通訊裝置之開發主要朝向體積微型化的方向設計，例如行動通訊手持裝置，所以目前無線通訊裝置之空間有限，如果天線元件之間的隔離度不佳，將會導致干擾而影響傳輸品質。
除了在相鄰天線元件之間增加空間距離以提高隔離度之外，還有另一種作法是在天線元件之間設置一隔離器。但目前隔離器係設置在鄰近各天線元件之信號輻射邊緣，雖然提高了隔離效果，但該隔離器因為與天線元件產生耦合而影響天線元件本身的特性，例如影響輻射場型，甚至會使得整體天線系統之原設計參數均產生改變，無法符合通訊要求，因此，在越來越小的有限空間內部實現高隔離度的天線系統將更加重要。
本創作之主要目的是提供一種利用非輻射耦合邊實現隔離之多多天線系統，在有限的空間內提高天線元件之間的隔離度且維持天線元件本身的特性。
為達成前述目的，本創作提出之｢利用非輻射耦合邊實現隔離之多天線系統｣包含有一基板，在該基板上設有：：
一第一輻射天線，具有一第一共振輻射部、一第一饋入部與一第一非輻射耦合邊，該第一饋入部用於饋入訊號至第一輻射天線；
一第二輻射天線，具有一第二共振輻部、一第二饋入部與一第二非輻射耦合邊，該第二饋入部用於饋入訊號至第二輻射天線，其中，該第二輻射天線與第一輻射天線分別工作於相近的頻率；
至少一第一隔離元件，係設於該第一輻射天線及第二輻射天線之間，該隔離元件由第一非輻射耦合邊向該第二非輻射耦合邊延伸，形成獨立耦合與共振匹配之機制。
本創作在相鄰的兩輻射天線的之間至少一隔離元件以提升隔離度，且該隔離元件接近各輻射元件的非輻射耦合邊，故不會干擾輻射天線既有之輻射場型特性，而且不必限制隔離元件與輻射天線之間需維持特定長度的間距；當改變該隔離元件的長度，還可達到改變天線共振頻率的效果。
請參考圖1所示，為本創作利用非輻射耦合邊隔離之多天線系統的第一實施例，係在一基板10上設置有一第一輻射天線20、一第二輻射天線30及至少一第一隔離元件40，其中，該第一輻射天線20及第二輻射天線30具有相近之頻率。
該基板10為絕緣材料製成，例如以聚醯亞胺(polyimide, PI)製成而具有可撓性。為便於以下說明，係定義該基板10為一矩形基板，具有一第一邊緣11及一第二邊緣12，該第一邊緣11及第二邊緣12為垂直相接並沿第一方向及第二方向分別延伸。
該第一輻射天線20以導體材料形成於該基板10的表面，例如以金屬材料製成。該第一輻射天線20具有一第一共振輻射部21、一第一饋入部22及一第一非輻射耦合邊23。在本實施例中的第一輻射天線20是基於具高指向性的錐形槽(Vivaldi)天線實現，該第一共振輻射部21具有對稱設置的兩扇形輻射元件211、212，各扇形輻射元件211、212具有一弧形邊、一底邊與一側邊，其中，兩扇形輻射元件211、212之弧形邊相對且維持一間隔而形成一錐形槽線，各扇形輻射元件211、212的底邊及側邊均不具有或僅具有微弱的輻射效果，且底邊平行第一邊緣11，側邊平行第二邊緣12。其中，第一饋入部22即設置在底邊，該第一饋入部22用於饋入訊號至第一輻射天線20，該第一非輻射耦合邊23係為其中一扇形輻射元件212之側邊。
該第二輻射天線30同樣具有一第二共振輻射部31、一第二饋入部32及一第二非輻射耦合邊33。該第二輻射天線30在本實施例中具有與第一輻射天線20相同的架構，該第二共振輻射部31亦包含兩扇形輻射元件311、312，其中，該第二饋入部32用於饋入訊號至第二輻射天線30，該第二非輻射耦合33係為其中一扇形輻射元件311之側邊。
該第一隔離元件40係設置在第一輻射天線20與第二輻射天線30之間。該第一隔離元件40為一倒U形結構，具有一第一金屬帶41、一第二金屬帶42及一第三金屬帶43。其中，該第一隔離元件40的第一金屬帶41鄰近該第一輻射天線20的第一非輻射耦合邊22但不相連，該第一金屬帶41以平行第二邊緣12的方向延伸；第二金屬帶42從第一金屬帶41的上端水平延伸，延伸方向平行該第一邊緣11；第三金屬帶43從第二金屬帶42的一端向下延伸，延伸方向平行該第二邊緣12，且第三金屬帶43鄰近該第二輻射天線30的第二非輻射耦合邊33但不相連。
因為該第一隔離元件40與第一輻射天線20與第二輻射天線30產生電磁耦合效應，可抵消第一輻射天線20與第二輻射天線30原有的近場耦合路徑而達成去耦合效果，藉此提高隔離度。具體而言，第一金屬帶41由第一輻射天線20之第一非輻射耦合邊以電磁電容耦合的方式，經過該第二金屬帶42，到達第三金屬帶43形成一個濾波共振模態，在第一輻天線20與第二輻射天線30之間形成良好的隔離效果。該第一隔離元件40對第一輻射天線20與第二輻射天線30任何一個而言，均相當於提供有上述濾波共振作用，首先對第一輻射天線20而言，鄰近第一輻射天線20的第一金屬帶41由第一非輻射耦合邊23以電磁電容耦合的方式，經過該第二金屬帶42，到達第三金屬帶43形成一個濾波共振模態。對第二輻射天線30而言，第三金屬帶43由第二非輻射耦合邊33以電磁電容耦合的方式，經過該第二金屬帶42，到達第一金屬帶41形成一個濾波共振模態。其中，該第一金屬帶41的長度值為a，該第二金屬帶42的長度值為b，第三金屬帶43的長度值為c，藉由調整第一隔離元件40的總長度值a+b+c，可以改變天線系統的共振頻率。舉例說明，在一實施例中，長度值a、b、c為相等；在另一實施例中，長度值為相異a≠b≠c。
請參考圖2所示，為本創作的第二實施例，相較於圖1的第一實施例，圖2在第一輻射天線20與第二輻射天線30之間設置複數個第一隔離元件40以形成多階隔離，利用多階隔離再進一步提升隔離度，在此實施例以兩個隔離元件40為例說明，兩隔離元件40之間維持間隔而未相連。
在前述第一、第二實施例中，該基板10係以平面方式設置，但該基板10若是以可撓性材料製成，則可以捲繞或彎折以成形為其它形狀。請參考圖3、圖4所示，為本創作的第三實施例，該基板10係捲繞成一圓柱狀並環繞設置在一圓柱基體50的外表面，該圓柱基體50的材質可以使用聚乙烯(polyethylene)或其它絕緣材料。
相較於第一實施例，圖3、圖4所示的實施例進一步包含至少另一個第二隔離元件40a，這是因為基板10經捲繞成圓柱形之後，第一輻射天線20的另一側與第二輻射天線30的另一側將互相靠近，故需要在兩者之間再加入該第二隔離元件40a。該第一輻射天線20之扇形輻射元件211的直邊係作為一第三非輻射耦合邊24，該第二輻射天線30之扇形輻射元件312的直邊係作為一第四非輻射耦合邊34，該第二隔離元件40a即是設置在該第三非輻射耦合邊24及第四非輻射耦合邊34之間。
請參考圖5、圖6所示的第四實施例，同理，在該第三非輻射耦合邊24及第四非輻射耦合邊34之間可以設置多數個第二隔離元件40a以形成多階隔離，使圓柱形之天線系統具有更高的隔離度。
參考圖7所示，以本創作第四實施例與無設置隔離器之天線系統相比較，可得到圖中所示的S參數特性曲線。特性曲線1-S11 、1-S22 、1-S12 表示無隔離器之天線系統所測得的特性曲線，其中兩特性曲線1-S11 、1-S22 幾乎一致；另一組特性曲線2-S11 、2-S22 、2-S12 表示本創作第四實施例天線系統所測得的特性曲線，兩特性曲線2-S11 、2-S22 幾乎重疊。其中，本創作與該無隔離器之天線系統測量數據如下表所示，根據2-S12 的曲線可以看出其下凹程度明顯大於1-S12 的曲線，由此可以看出本創作的隔離度有明顯改善。：
Figure 106141903-A0304-0001
參考圖8所示，以本創作第三實施例為例與第四實施例相比較，可得到圖中所示的S參數特性曲線。特性曲線3-S11 、3-S22 、3-S12 表示第三實施例中在兩輻射天線20、30之間僅設置一個U形第一隔離元件40、第二隔離元件40a所測得的特性曲線，其中兩特性曲線3-S11 、3-S22 幾乎一致；另一組特性曲線4-S11 、4-S22 、4-S12 表示第四實施例中在兩輻射天線20、30之間設置二個U形第一隔離元件40與二個第二隔離元件40a所測得的特性曲線，兩特性曲線4-S11 、4-S22 幾乎重疊。其中，本創作兩實施例之天線系統測量數據如下表所示，可以證明當隔離元件40, 40a的數目提高時，可以有效提升隔離度。比較3-S12 及4-S12 這兩條曲線，也可以看出曲線4-S12 下凹程度明顯大於3-S12 的曲線，由此可以看出多階隔離會具有較高的隔離效果。
Figure 106141903-A0304-0002
以圖4第三實施例進行量測，分別得到如圖9A、9B之XZ平面輻射場型圖與YZ平面輻射場型圖，在沿著Z軸方向，本創作之天線系統具有良好的指向性，即使加入第一、第二隔離元件40、40a亦不會影響天線之輻射場型；同樣的，以圖6第四實施例進行量測，分別得到如圖10A、10B之XZ平面輻射場型圖與YZ平面輻射場型圖，在沿著Z軸方向具有良好的指向性。
請參考圖11所示的第五實施例，在本實施例中該第一隔離元件40的第二金屬帶42由直條狀改為連續彎折狀，如此可在有限的空間之內提高第二金屬帶42的長度值b，藉此調整該第一隔離元件40的整體長度，即使第一輻射天線20與第二輻射天線30之間的空間有限，仍可滿足共振匹配的需求，有利於天線微型化。
本創作之多天線系統的應用範圍廣泛，例如可應用在手持行動通訊裝置、穿戴式裝置之外，也可以應用在醫療領域作為無線定位標籤，舉例而言，作為脊椎微創手術之脊突夾定位標籤天線，採用ISM-band 24 GHz的操作頻率可達到mm等級的定位精準度。
綜上所述，本創作在相鄰的兩輻射天線之間設置至少一隔離元入，該隔離元件鄰近各輻射元件的非輻射耦合邊以實現濾波隔離的效果，提升天線系統的隔離特性，因為該隔離元件對應於非輻射耦合邊，因此不需限制隔離元件與輻射天線之間需維持特定長度的距離，藉由調整該隔離元件之長度值a、b、c即可設計出所需的共振頻率。
10‧‧‧基板11‧‧‧第一邊緣12‧‧‧第二邊緣20‧‧‧第一輻射天線21‧‧‧第一共振輻射部211、212‧‧‧扇形輻射元件22‧‧‧第一饋入部23‧‧‧第一非輻射耦合邊24‧‧‧第三非輻射耦合邊30‧‧‧第二輻射天線31‧‧‧第一共振輻射部311、312‧‧‧扇形輻射元件32‧‧‧第二饋入部33‧‧‧第二非輻射耦合邊34‧‧‧第四非輻射耦合邊40‧‧‧第一隔離元件40a‧‧‧第二隔離元件41‧‧‧第一金屬帶42‧‧‧第二金屬帶43‧‧‧第三金屬帶50‧‧‧圓柱基體
圖1：本創作多天線系統第一實施例之平面示意圖。 圖2：本創作多天線系統第二實施例之平面示意圖。 圖3：本創作多天線系統第三實施例之平面示意圖。 圖4： 圖3所示之第三實施例的立體示意圖。 圖5：本創作多天線系統第四實施例之平面示意圖。 圖6：圖5所示之第四實施例的立體示意圖。 圖7：本創作第四實施例與無隔離器之天線系統相比較的S參數特性曲線。 圖8：本創作第三實施例與第四實施例相比較的S11 、S12 、S22 參數特性曲線。 圖9A、9B：本創作第三實施例之XZ平面輻射場型圖與YZ平面輻射場型圖。 圖10A、10B：本創作第四實施例之XZ平面輻射場型圖與YZ平面輻射場型圖。 圖11：本創作多天線系統第五實施例之平面示意圖。
10‧‧‧基板
11‧‧‧第一邊緣
12‧‧‧第二邊緣
20‧‧‧第一輻射天線
21‧‧‧第一共振輻射部
211,212‧‧‧扇形輻射元件
22‧‧‧第一饋入部
23‧‧‧第一非輻射耦合邊
30‧‧‧第二輻射天線
31‧‧‧第二共振輻射部
311,312‧‧‧扇形輻射元件
32‧‧‧第二饋入部
33‧‧‧第二非輻射耦合邊
40‧‧‧隔離元件
41‧‧‧第一金屬帶
42‧‧‧第二金屬帶
43‧‧‧第三金屬帶

Claims (7)

  1. 一種利用非輻射耦合邊實現隔離之多天線系統，係包含有一基板，在該基板上設有：一第一輻射天線，具有一第一共振輻射部、一第一饋入部、一第一非輻射耦合邊與一第三非輻射耦合邊，該第一饋入部用於饋入訊號至第一輻射天線；一第二輻射天線，具有一第二共振輻射部、一第二饋入部、一第二非輻射耦合邊與一第四非輻射耦合邊，該第二饋入部用於饋入訊號至第二輻射天線，其中，該第二輻射天線與第一輻射天線工作於相近的頻率；至少一第一隔離元件，係設於該第一輻射天線及第二輻射天線之間，該隔離元件由第一非輻射耦合邊向該第二非輻射耦合邊延伸；其中，該基板為一可撓基板並捲繞成圓柱狀，在該第三輻射耦合邊及第四輻射耦合邊之間設置至少一第二隔離元件；該第一共振輻射部及該第二共振輻射部各包含有：對稱設置的兩扇形輻射元件，各扇形輻射元件具有一弧形邊、一底邊與一側邊，其中，兩扇形輻射元件之弧形邊相對且維持一間隔而形成一錐形槽線；其中，該第一輻射天線中的一扇形輻射元件的側邊作為該第一非輻射耦合邊，另一扇形輻射元件的側邊作為該第三非輻射耦合邊；該第二輻射天線中的其中一扇形輻射元件的側邊作為該第二非輻射耦合邊，另一扇形輻射元件的側邊作為該第四非輻射耦合邊。
  2. 如請求項1所述利用非輻射耦合邊實現隔離之多天線系統，其中，該至少一第一隔離元件包含複數個第一隔離元件，兩相鄰第一隔離元件之間維持一間隔。
  3. 如請求項1所述利用非輻射耦合邊實現隔離之多天線系統，該至少一第二隔離元件包含複數個第二隔離元件，兩相鄰第二隔離元件之間維持一間隔。
  4. 如請求項3所述利用非輻射耦合邊實現隔離之多天線系統，其中，各第一隔離元件及各第二隔離元件包含有一第一金屬帶、一第二金屬帶及一第三金屬帶，其中，該第一金屬帶、第二金屬帶及第三金屬帶連接成倒U形；該第一金屬帶與第三金屬帶的延伸方向係平行該第一非輻射耦合邊與該第二非輻射耦合邊。
  5. 如請求項4所述利用非輻射耦合邊實現隔離之多天線系統，其中，該第二金屬帶為直條狀的金屬帶。
  6. 如請求項4所述利用非輻射耦合邊實現隔離之多天線系統，其中，該第二金屬帶為連續彎折狀的金屬帶。
  7. 如請求項5或6所述利用非輻射耦合邊實現隔離之多天線系統，其中，該第一輻射天線及第二輻射天線皆為錐形槽(Vivaldi)天線。
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