TWI464962B - 複合式多天線系統及其無線通訊裝置 - Google Patents

Description

複合式多天線系統及其無線通訊裝置

本發明有關於一種天線，且特別是一種複合式多天線系統以及使用此複合式多天線系統的無線通訊裝置。

目前，無線通訊技術蓬勃發展，因此人們可以常常透過無線通訊裝置連接上網或進行通話。不管是何種無線通訊裝置，都需要天線來收發特定頻率之無線信號。舉例來說，室外與室內的無線存取裝置(Access Point，AP)都具有天線，以作為無線通訊裝置連接上網的橋接點。

平板天線(patch antenna)或微帶天線(microstrip antenna)的天線輻射場型(radiation pattern)具有較高的指向性與較高的增益值，因此室外的無線存取裝置通常會使用平板天線或微帶天線。

請參照中華民國公告第M355472號專利，此相關前案揭露一種雙極化陣列天線，且雙極化陣列天線包括饋入網路與複數個天線單元。雙極化陣列天線利用饋入網路產生相位差，以使其天線輻射場型在空間中可以達到雙極化之效果。同時，因為複數個天線單元以陣列方式配置於同一反射板之上，因此可以提升雙極化陣列天線之天線輻射場型的指向性與增益值。

然而，上述相關前案所揭露的雙極化陣列天線需要使用複雜的饋入網路，且為了提升天線增益值，雙極化陣列天線還必須搭配複數個天線單元來使用。又加上，一般平板天線或微帶天線的共振長度約為特定頻率之二分之一波長，使得上述雙極化陣列天線之天線面積與尺寸都較為龐大，而不適合用多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)之多天線通訊系統。

在複數個天線單元中，為了降低天線系統所使用的空間，收發天線與天線之間必須緊密擺放。然而，因為天線與天線之間緊密擺放的原故，天線與天線之間在收發時的信號將會彼此相互干擾，且特別是在每一天線操作於相同或相近的頻帶時，天線與天線之間的信號將會有明顯的相互耦合(mutual coupling)，而導致天線收訊會有同頻干擾的問題。除此之外，因為天線與天線之間的信號相互耦合的原因，系統資料吞吐量(throughout)也將因此降低。以兩個平行擺放的偶極天線為例，偶極天線與偶極天線之間的間距通常需要大於操作頻率(即無線信號的特定頻率)之波長的0.65倍，才能降低彼此之間的干擾，以確保天線隔離度(isolation)可以小於-15分貝(dB)，而避免天線之間彼此干擾的問題。但是，由於上述多天線系統中天線之間的間距有所限制，使得整體尺寸過大，而不易置放於輕薄短小的無線通訊裝置的內部。

另外，由於平板與微帶天線常是採用探針饋入方式，因此系統電路板上的射頻訊號輸出端的位置與天線的饋入端位置必需互相配合，此亦代表無法任意替換其它的天線來搭配同一片系統電路板。

本發明實施例提供一種複合式多天線系統，此複合式多天線系統包括系統電路板、天線基板、以及兩項緊鄰擺放的至少一偶極天線與至少一單極槽孔天線。系統電路板上具有至少一系統接地面，且系統接地面用以作為複合式多天線系統的天線反射面。天線基板與系統接地面具有第一間距。偶極天線提供第一操作頻帶且具有第一信號饋入源，而單極槽孔天線提供第二操作頻帶且具有第二信號饋入源。偶極天線與單極槽孔天線皆位於天線基板的表面上，單極槽孔天線位於偶極天線附近。單極槽孔天線與偶極天線之間具有第二間距，且第一信號饋入源與第二信號饋入源的信號饋入方向互相垂直，信號相位差90度。

本發明實施例提供一種無線通訊裝置，其中無線通訊裝置的收發晶片位於上述系統電路板，且電氣連接複合式多天線系統。

綜上所述，本發明實施例所提供的複合式多天線系統具有天線結構簡單、尺寸小、製作容易、成本低、易內藏並整合在無線通訊裝置之中等優點。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

[複合式多天線系統的實施例]

請參照圖1，圖1是本發明實施例提供的複合式多天線系統的立體結構圖。複合式多天線系統1包括偶極天線11、單極槽孔天線12、天線基板13與系統電路板14。系統電路板14具有系統接地面141，系統接地面141為導體材料。天線基板13位於系統電路板14之上，系統接地面141可以作為複合式多天線系統1的天線反射面。因為系統接地面141作為複合式多天線系統1的天線反射面，因此系統接地面141範圍必須涵蓋偶極天線11與單極槽孔天線12之垂直投影面積。偶極天線11與單極槽孔天線12以平面印刷方式製作在天線基板13上。

複合式多天線系統1的天線基板13置放在無線通訊裝置之系統電路板14(系統接地面141)上方，且彼此之間距離有間距，故天線基板13與系統電路板14之間為相互獨立之結構。系統電路板14之系統接地面141作為天線反射面，故可以使天線輻射能量較為集中在天線基板13之法線方向上，進而使複合式多天線系統1具有較高的指向性與天線增益，並可有效提升無線信號的傳輸距離。

在此實施例中，系統接地面141至天線基板13下表面的間距為6.4釐米，系統接地面141可為多邊形、圓形或橢圓形金屬板，且系統接地面141至天線基板13下表面之間是用以空氣作為區隔。另外，系統電路板14與天線基板13都可以是1.6釐米的FR4基板，因此，系統電路板14之上表面與天線基板13之上表面的間距為8釐米。要說明的是，上述間距大小、基板材質、系統接地面141的形狀與材質都僅是用以說明本發明的其中一個實施例，其並非用以限定本發明。

偶極天線11用以提供第一操作頻帶且具有第一信號饋入源110，單極槽孔天線12用以提供第二操作頻帶且具有第二信號饋入源120。偶極天線11與單極槽孔天線12皆位於天線基板13的上表面，且第一信號饋入源110與第二信號饋入源120的信號饋入方向互相垂直，且信號相位差90度。單極槽孔天線12位於偶極天線11附近，且單極槽孔天線12與偶極天線11之間具有微小的間距。

偶極天線11具有第一信號饋入源110、輻射單元111與112，其中第一信號饋入源110的信號饋入點110a與110b分別設置於輻射單元111與112相對的兩個邊上。第一信號饋入源110的兩端(亦即信號饋入點110a與110b)分別電氣連接輻射單元111與112。輻射單元111與112彼此往相反方向延伸，且輻射單元111與112的長度總和約為第一操作頻帶之中心頻率的二分之一波長。

單極槽孔天線12具有信號饋入源120、輻射導體片121與槽孔122，其中第二信號饋入源120的信號饋入點120a與120b分別設置於槽孔122之相對的兩個長邊上(亦即後述的第一長邊與第二長邊)。輻射導體片121例如為輻射金屬片，其具有第一側邊(靠近輻射單元112且垂直對稱於中心線SYM_LINE)。槽孔122具有槽孔開口、第一長邊與相對於第一長邊的第二長邊，其中槽孔開口位於相對於第一側邊的第二側邊，槽孔122的長度(第一或第二長邊的長度)約為第二操作頻帶之中心頻率的四分之一波長。信號饋入源120的兩端(亦即信號饋入點120a與120b)分別電氣連接至第一長邊與第二長邊。

在圖1的實施例中，為了使第一信號饋入源110與第二信號饋入源120的信號饋入方向互相垂直。信號饋入點110a與110b的連線方向會與信號饋入點120a與120b的連線方向互相垂直。

此外，偶極天線11為電流激發的天線，且單極槽孔天線12則為磁流激發的天線，當偶極天線11的第一信號饋入源110與單極槽孔天線12的第二信號饋入源120的信號饋入方向互相垂直，且信號相位差90度時，偶極天線11與單極槽孔天線12在空間中的輻射極化會具有正交之特性，因此能有效降低兩相鄰天線之間的耦合量，解決天線之間因過靠近而產生隔離度差的問題。換言之，若將偶極天線11的長邊延伸方向轉動90度設置後，則複合式多天線系統1將可能無法獲得良好的效能。據此，本發明實施例的複合式多天線系統1的偶極天線11與單極槽孔天線12之間的間距可以縮小至2釐米，且隔離度可以保持在-20分貝以下。相較之下，傳統的多天線系統的兩個偶極天線之間仍必須要有較大的間距，才能夠具有較好的隔離度。

另外，為了達到較好的隔離度，偶極天線11與單極槽孔天線12之間的相對位置可以擺放如下。偶極天線11與單極槽孔天線12大致對稱於天線基板13的對稱中心線SYM_LINE，而且偶極天線11與單極槽孔天線12大致排列於同一軸向。然而，本發明卻不限定於此。

在其他的實施例中，偶極天線11與單極槽孔天線12可能僅排列於同一軸向，而未對稱於天線基板13的對稱中心線SYM_LINE，或者，偶極天線11與單極槽孔天線12不排列於同一軸向且也不對稱於天線基板13的對稱中心線SYM_LINE。

總而言之，本發明的偶極天線11與單極槽孔天線12的擺放位置並不限定，只要偶極天線11的信號饋入源110與單極槽孔天線12的信號饋入源120的信號饋入方向互相垂直，且信號相位差90度，即可以達到良好的隔離度。

請參照圖2與圖3，圖2是本發明實施例提供的複合式多天線系統的上視圖，而圖3是本發明實施例提供的複合式多天線系統之偶極天線11與單極槽孔天線12之詳細上視圖。

於圖2中，天線基板13與系統電路板14的長度與寬度相等，天線基板13的長度與寬度分別為110釐米與70釐米。偶極天線11與單極槽孔天線12的總長度為27釐米，且偶極天線11與單極槽孔天線12位於天線基板13的中心。換言之，第二側邊與天線基板13之底邊之間的間距為41.5釐米，且輻射單元111之頂邊與天線基板13之頂邊之間的間距也同樣為41.5釐米。

在圖3中，輻射單元111與112的長度為6.25釐米，且輻射單元111與112之間的間距為2釐米。輻射單元112與第一側邊之間的間距為2釐米，槽孔開口的寬度為2釐米。輻射導體片121的寬度為10.5釐米，輻射導體片121的長度為12.5釐米。第一側邊與槽孔122之間的間距為1釐米，槽孔122的長度為9.5釐米，且信號饋入源120中心點與槽孔122之間的間距為4.5釐米。圖2與圖3所述各種間距、寬度與長度僅是用以舉例說明，其並非用以限定本發明。

請參照圖4與圖5，圖4是圖1之偶極天線11操作於5490MHz的輻射場型示意圖，而圖5是圖1之單極槽孔天線12操作於5490MHz的輻射場型示意圖。由圖4與圖5中，可以得知圖1之偶極天線11與單極槽孔天線12之天線輻射能量將會集中在天線基板13之法線方向上(即正x方向)。前面所述，偶極天線11與單極槽孔天線12在空間中的輻射極化會具有正交之特性，因此能降低偶極天線11與單極槽孔天線12之間的耦合效應。

接著，請參照圖6，圖6是圖1之複合式多天線系統在不同中心頻率下的S參數之曲線圖。圖6之各反射參數之曲線C61～C63是在電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)為1.5:1的情況下所獲得，曲線C61表示S射參數S₂₂ (第2埠的輸入訊號與反射訊號之比值)，曲線C62表示S參數S₁₁ (第1埠的輸入訊號與反射訊號之比值)，曲線C63表示S參數S₂₁ (第1埠的輸入訊號與第2埠接收訊號的比值)。由圖6可知，圖1之複合式多天線系統1可以操作於5GHz的頻帶內，且特別是5.15GHz~5.825GHz的頻帶內。

請參照圖7與圖8，圖7是圖1之偶極天線11的天線增益與輻射效率之曲線圖，而圖8是圖1之單極槽孔天線12的天線增益與輻射效率之曲線圖。曲線C71與C81分別表示圖1之偶極天線11與單極槽孔天線12的各中心頻率之天線增益，曲線C72與C82分別表示圖1之偶極天線11與單極槽孔天線12的各中心頻率之輻射效率。

由圖7與圖8可知，圖1之偶極天線11與單極槽孔天線12在5GHz的頻帶內，天線增益最高皆可達到8分貝(dBi)，且其輻射效率皆在60%以上。

[複合式多天線系統的其他實施例]

在前面實施例中，單極槽孔天線12的槽孔形狀為矩形(長條形)，且單極槽孔天線12的槽孔開口位於輻射導體片121的第二側邊。然而，要說明的是，單極槽孔天線12的槽孔形狀與槽孔開口位置並非用以限定本發明。在以下的實施例中，偶極天線11的第一信號饋入源110與單極槽孔天線12的第二信號饋入源120的信號饋入方向互相垂直，且信號相位差90度。

請參照圖9A～圖9C，圖9A～圖9C皆是本發明另一實施例的複合式多天線系統的立體結構圖。圖9A中的複合式多天線系統2的單極槽孔天線22之槽孔222為L形槽孔。圖9B的複合式多天線系統3的單極槽孔天線32之槽孔322為T形槽孔。圖9C的複合式多天線系統3的單極槽孔天線32之矩形槽孔322的開口位於輻射導體片421的第一側邊。

另外，在前面實施例中，偶極天線的輻射單元為矩形輻射導體片，但要說明的是，偶極天線的輻射單元之形狀並非用以限定本發明，而且偶極天線的兩個輻射單元之形狀也未必要相同。換言之，偶極天線的兩個輻射單元可以為兩個長條形、三角形、橢圓形或勾形的輻射導體片。在以下的實施例中，偶極天線的信號饋入源與單極槽孔天線的信號饋入源的信號饋入方向互相垂直，且信號相位差90度。

請參照圖10A～圖10C，圖10A～圖10C皆是本發明另一實施例的複合式多天線系統的立體結構圖。圖10A中的複合式多天線系統5的偶極天線51之輻射單元511與512為三角形輻射單元。圖10B中的複合式多天線系統6的偶極天線61之輻射單元611與612也為三角形輻射單元，但是與圖10A的差異在於其三角形輻射單元的頂點位置不同。圖10C的複合式多天線系統7的偶極天線71之輻射單元711與712為勾形輻射導體片。

在前面實施例中，單極槽孔天線與偶極天線排列於同一軸向且對稱於對稱中心線，但如同前面所述的，單極槽孔天線與偶極天線的位置與排列方式並非用以限定本發明。在以下的實施例中，偶極天線的信號饋入源與單極槽孔天線的信號饋入源的信號饋入方向互相垂直，且信號相位差90度。

請參照圖11A與圖11B，圖11A與圖11B皆是本發明另一實施例的複合式多天線系統的立體結構圖。圖11A中的複合式多天線系統8的偶極天線81與單極槽孔天線82並未排列在同一軸向且也未對稱於對稱中心線，同樣地，圖11B中的複合式多天線系統9的偶極天線91與單極槽孔天線92也同樣未排列在同一軸向且也未對稱於對稱中心線。

在前面實施例中，複合式多天線系統是以一組偶極天線與單極槽孔天線所構成，但在本發明其他實施例中，複合式多天線系統更可以包括至少一組以上的偶極天線與單極槽孔天線。在以下的實施例中，偶極天線的信號饋入源與單極槽孔天線的信號饋入源的信號饋入方向互相垂直，且信號相位差90度。

請參照圖12，圖12是本發明另一實施例的複合式多天線系統的立體結構圖。複合式多天線系統10包括兩組偶極天線與單極槽孔天線。偶極天線101、103與單極槽孔天線102、104彼此交錯排列排列於同一軸向且對稱於中心對稱線SYM_LINE。

總之，由於單極天線槽孔天線的面積與間距較小，因此，複合式多天線系統可以具有至少一組以上的偶極天線與單極槽孔天線。如此，可以藉由增加偶極天線與單極槽孔天線的組數，來增加系統資料吞吐量。

[使用複合式多天線系統之無線通訊裝置的實施例]

上述各實施例所提供的複合式多天線系統皆可以應用於無線通訊裝置，且可以將此複合式多天線系統整合於無線通訊裝置內，其中無線通訊裝置的收發晶片可位於系統電路板，且可以透過小型同軸線電氣連接複合式多天線系統的信號饋入源。在先前的實施例中，無線通訊裝置更可以是無線接取裝置。

[實施例的可能功效]

綜合上述之說明，本發明實施例所提供複合式多天線系統的可以具有天線結構簡單、尺寸小、製作容易、成本低、易內藏並整合在無線通訊裝置之中等優點。除此之外，本發明實施例所提供複合式多天線系統還可以擁有較高天線增益與輻射效率。

以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

1～10．．．複合式多天線系統

11、51、61、71、81、91、101、103．．．偶極天線

110．．．第一信號饋入源

110a、110b、120a、120b．．．信號饋入點

111、112、511、512、611、612、711、712．．．輻射單元

12、22、32、42、82、92、102、104．．．單極槽孔天線

120．．．第二信號饋入源

121、421．．．輻射導體片

122、222、322、422．．．槽孔

13．．．天線基板

14．．．系統電路板

141．．．系統接地面

C61～C63、C71、C72、C81、C82．．．曲線

圖1是本發明實施例提供的複合式多天線系統的立體結構圖。

圖2是本發明實施例提供的複合式多天線系統的上視圖。

圖3是本發明實施例提供的複合式多天線系統之偶極天線與單極槽孔天線之詳細上視圖。

圖4是圖1之偶極天線操作於5490MHz的輻射場型示意圖。

圖5是圖1之單極槽孔天線操作於5490MHz的輻射場型示意圖。

圖6是圖1之複合式多天線系統在不同頻率下的S參數之曲線圖。

圖7是圖1之偶極天線的天線增益與輻射效率之曲線圖。

圖8是圖1之單極槽孔天線的天線增益與輻射效率之曲線圖。

圖9A～圖12皆是本發明另一實施例的複合式多天線系統的立體結構圖。

1．．．複合式多天線系統

11．．．偶極天線

110．．．第一信號饋入源

110a、110b、120a、120b．．．信號饋入點

111、112．．．輻射單元

12．．．單極槽孔天線

120．．．第二信號饋入源

121．．．輻射導體片

122．．．槽孔

13．．．天線基板

14．．．系統電路板

141．．．系統接地面

Claims (10)

1. 一種複合式多天線系統，包括：一系統電路板，其上具有至少一系統接地面，該系統接地面用以作為該複合式多天線系統的一天線輻射反射面；一天線基板，其與該系統接地面具有一第一間距；至少一偶極天線，提供一第一操作頻帶，包括：一第一信號饋入源；一第一輻射單元；及一第二輻射單元，該第二輻射單元與該第一輻射單元彼此往不同且相反的該兩延伸方向延伸；其中該第一與第二輻射單元的一長度總和約為該第一操作頻帶之中心頻率所對應之波長的二分之一；其中該第一信號饋入源之一端電氣連接至該第一輻射單元，另一端電氣連接至該第二輻射單元；以及至少一單極槽孔天線，提供一第二操作頻帶，包括：一第二信號饋入源；一輻射導體片，具有一第一側邊與相對於該第一側邊的一第二側邊；及一槽孔，具有該槽孔開口、一第一長邊與相對於該第一長邊的一第二長邊，其中該槽孔開口位於該第二或第一側邊，且該槽孔的長度約為該第二操作頻帶之中心頻率所對應之波長的四分之一；其中該第二信號饋入源之一端電氣連接至該第一長邊，另一端電氣連接至第二長邊；其中該偶極天線與該單極槽孔天線皆位於該天線基板的一表面上且排列於同一軸向，該單極槽孔天線位於該偶 極天線附近，該單極槽孔天線與該偶極天線之間具有一第二間距，該第一信號饋入源與該第二信號饋入源的信號饋入方向互相垂直，且其信號相位差90度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之複合式多天線系統，其中該第一信號饋入源具有兩個第一信號源饋入點分別設置於該偶極天線的兩個輻射單元相對的兩邊，且該第二信號饋入源具有兩個第二信號源饋入點分別設置於該單極槽孔天線之槽孔的兩個相對長邊，其中該些第一信號源饋入點的連線方向與該些第二信號源饋入點的連線方向互相垂直。
3. 如申請專利範圍第1項所述之複合式多天線系統，其中該槽孔的長度大於該槽孔的一寬度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之複合式多天線系統，其中該天線基板更具有一對稱中心線，且該偶極天線與該單極槽孔天線大致上對稱該對稱中心線。
5. 如申請專利範圍第1項所述之複合式多天線系統，其中該第一操作頻帶的中心頻率接近5GHz，且該第二操作頻帶的中心頻率也接近5GHz。
6. 如申請專利範圍第1項所述之複合式多天線系統，其中該槽孔為一矩形、L形或T形槽孔，且該第一輻射單元與該第二輻射單元為兩個長條形、三角形、橢圓形或勾形的輻射導體片。
7. 如申請專利範圍第1項所述之複合式多天線系統，其中至少一偶極天線包括多個偶極天線，至少一單極槽孔天線包括多個單極槽孔天線，且該些偶極天線與該些單極槽孔天線彼此交錯排列排列於同一軸向。
8. 一種無線通訊裝置，包括：一收發晶片，位於一系統電路板，電氣連接一複合式多天線系統；以及該複合式多天線系統，包括：該系統電路板，其上具有至少一系統接地面，該系統接地面用以作為該複合式多天線系統的一天線反射面；一天線基板，其與該系統接地面具有一第一間距；至少一偶極天線，提供一第一操作頻帶，包括：一第一信號饋入源；一第一輻射單元；及一第二輻射單元，該第二輻射單元與該第一輻射單元彼此往不同且相反的該兩延伸方向延伸；其中該第一與第二輻射單元的一長度總和約為該第一操作頻帶之中心頻率所對應之波長的二分之一；其中該第一信號饋入源之一端電氣連接至該第一輻射單元，另一端電氣連接至該第二輻射單元；以及至少一單極槽孔天線，提供一第二操作頻帶，包括：一第二信號饋入源；一輻射導體片，具有一第一側邊與相對於該第一側邊的一第二側邊；及一槽孔，具有該槽孔開口、一第一長邊與相對於該第一長邊的一第二長邊，其中該槽孔開口位於該第二或第一側邊，且該槽孔的長度約為該第二操作頻帶之中心頻率所對應之波長的四分之一；其中 該第二信號饋入源之一端電氣連接至該第一長邊，另一端電氣連接至第二長邊；其中該偶極天線與該單極槽孔天線皆位於該天線基板的一表面上且排列於同一軸向，該單極槽孔天線位於該偶極天線附近，該單極槽孔天線位於該偶極天線之間具有一第二間距，該第一信號饋入源與該第二信號饋入源的信號饋入方向互相垂直，且其信號相位差90度。
9. 如申請專利範圍第8項所述之無線通訊裝置，其中該第一信號源具有兩個第一信號源饋入點分別設置於該偶極天線的兩個輻射單元相對的兩邊，且該單極槽孔天線具有兩個第二信號源饋入點分別設置於該單極槽孔天線之槽孔的兩個相對長邊，其中該些第一信號源饋入點的連線方向與該些第二信號源饋入點的連線方向互相垂直。
10. 如申請專利範圍第8項所述之無線通訊裝置，其中該槽孔的長度大於該槽孔的一寬度，且該天線基板更具有一對稱中心線，其中該偶極天線與該單極槽孔天線大致上對稱該對稱中心線。