CN102055064A - 用于一多输入多输出无线通信系统的圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种圆极化天线，用于一多输入多输出的无线通信系统，其包括一第一基板、一第二基板、一第一线性极化天线及一第二线性极化天线。该第二基板垂直形成在该第一基板上。该第一线性极化天线形成在该第一基板上，用来根据一第一馈入信号，产生具有一第一极化方向的辐射电场。该第二线性极化天线形成在该第二基板上，与该第一线性极化天线具有相同架构，用来根据一第二馈入信号，产生具有一第二极化方向的辐射电场。其中，该第一极化方向及该第二极化方向为正交，而该第一馈入信号及该第二馈入信号为具有一特定相位差的相同馈入信号。
Description
技术领域
本发明是一种用于一多输入多输出无线通信系统的圆极化天线，特别是一种借由正交结合两相同线性极化天线所形成的圆极化天线。
背景技术
具有无线通信功能的电子产品，如笔记本电脑、个人数字助理(PersonalDigital Assistant)等，是通过天线来发射或接收无线电波，以传递或交换无线电信号，进而访问无线网络。因此，为了让使用者能更方便地访问无线通信网络，理想天线的频宽应在许可范围内尽可能地增加，而尺寸则应尽量减小，以配合电子产品体积缩小的趋势。
在无线通信系统中，圆极化天线(circular polarization antenna)可避免发射天线与接收天线因极化不匹配而造成的极化损耗。因此，在应用上可使接收装置的摆放位置更具弹性。然而，一般圆极化天线都是应用在单频系统架构之下，例如卫星通信系统，且不具有高指向性的辐射场型，因而已无法满足目前无线通信产品的需求。
除此之外，随着无线通信技术不断演进，电子产品所配置的天线数量可能增加。举例来说，无线区域网络标准IEEE 802.11n支援多输入多输出(Multi-input Multi-output，MIMO)通信技术，也就是说相关电子产品可通过多组天线同步收发无线信号，以在不增加频宽或总发射功率耗损(TransmitPower Expenditure)的情况下，大幅地增加系统的数据吞吐量(Throughput)及传送距离，进而有效提升无线通信系统的频谱效率及传输速率，改善通信品质。
然而，上述多输入多输出系统中的每一天线均具有固定极化方向，而无法根据系统需求进行调整，以致可能会因极化不匹配而影响传输效率。
发明内容
因此，本发明的主要目的在于提供一种用于一多输入多输出无线通信系统的圆极化天线。
本发明公开一种圆极化天线，用于一多输入多输出的无线通信系统。该圆极化天线包括一第一基板、一第二基板、一第一线性极化天线及一第二线性极化天线。该第二基板垂直形成在该第一基板上。该第一线性极化天线形成在该第一基板上，用来根据一第一馈入信号，产生具有一第一极化方向的辐射电场。该第二线性极化天线形成在该第二基板上，与该第一线性极化天线具有相同架构，用来根据一第二馈入信号，产生具有一第二极化方向的辐射电场。其中，该第一极化方向及该第二极化方向系正交，而该第一馈入信号及该第二馈入信号为具有一特定相位差的相同馈入信号。
附图说明
图1说明了本发明圆极化天线的设计概念。
图2为本发明实施例一圆极化天线的示意图。
图3为图2中的圆极化天线的反射系数图。
图4为图2中的圆极化天线的耦合系数图。
图5A到图5D为图2中的圆极化天线的天线增益图。
图6A到图6B为图2中的圆极化天线的轴比例图。
主要元件符号说明
10、20 圆极化天线
11、23 水平极化天线
12、24 垂直极化天线
13、21 水平基板
22 垂直基板
FED1、FED2 馈入端
DRV1、DRV2 驱动器
DIR1、DIR2 引向器
REF1、REF2 反射器
25 结合机构
具体实施方式
请参考图1，图1说明了本发明一圆极化天线10的设计概念。圆极化天线10可用于一多输入多输出的无线通信系统，如符合IEEE 802.11n标准的无线通信系统，但不以此为限，用来进行无线信号的同步收发。如图1所示，圆极化天线10包括一水平极化天线11及一垂直极化天线12。水平极化天线11及垂直极化天线12可借由两支相同的线性极化天线实现，并分别布置在以正交方式结合的一水平基板13及一垂直基板(未显示)上。因此，水平极化天线11及垂直极化天线12可分别用来提供能量相同的一水平极化(Horizontal Polarization)辐射电场及一垂直极化(Vertical Polarization)辐射电场。在此情形下，将具有一特定相位差的信号分别馈入水平极化天线11及垂直极化天线12，即可产生一圆极化的辐射电场。
详细来说，本发明圆极化天线10可根据信号馈入方式，提供两种形式的圆极化辐射电场，以满足无线通信系统的需求。举例来说，若馈入信号的大小相同，且水平极化天线11的馈入信号领先垂直极化天线12的馈入信号九十度相位差，则可产生一左手圆极化(Left-Hand Circular Polarization)的辐射电场；而若水平极化天线11的馈入信号落后垂直极化天线12的馈入信号九十度相位差，则可产生一右手圆极化(Right-Hand Circular Polarization)的辐射电场。
当然，本发明圆极化天线10亦可根据实际需求，调整馈入信号的输入方式，而产生各种极化方向的辐射电场，例如水平极化、垂直极化或椭圆极化(Elliptical Polarization)等等。如此相对应变化亦属本发明的范围。举例来说，若仅对水平极化天线11馈入信号，而不对垂直极化天线12馈入任何信号，则圆极化天线10将会产生一水平极化辐射电场；同样地，若仅对垂直极化天线12馈入信号，而不对水平极化天线11馈入任何信号，则圆极化天线10将会产生一垂直极化电场。此外，若适当地调整水平极化天线11及垂直极化天线12的馈入信号的相位及大小，则可产生各种线性极化或椭圆极化的辐射电场。
请注意，上述水平极化天线11及垂直极化天线12可借由任意形式的线性极化天线实现。然而，为了满足多输入多输出系统中单一天线高增益及多频带的需求，本发明在以下实施例中提供一以印刷式双频指向性天线，例如一印刷式双频八木天线(Yagi-Uda Antenna)，实现的圆极化天线，以提升极化匹配并改善传输效率。
请参考图2，图2为本发明实施例一圆极化天线20的示意图。圆极化天线20包括一水平基板21、一垂直基板22、一水平极化天线23及一垂直极化天线24。水平基板21及垂直基板22分别由一FR4玻璃纤维双层板实现，以正交方式互相结合。水平极化天线23及垂直极化天线24则分别形成在水平基板21及垂直基板22的两金属层中，用来产生水平极化电场及垂直极化电场。在本发明实施例中，水平极化天线23及垂直极化天线24分别由一印刷式双频八木天线实现，其包括馈入端FED1及FED2、驱动器DRV1及DRV2、引向器DIR1及DIR2，以及反射器REF1及REF2。
馈入端FED1及FED2用来接收具有一特定相位差的相同馈入信号。驱动器DRV1及DRV2各别由两支不同操作频率的偶极天线组成，用来提供两个频带的辐射场型。引向器DIR1及DIR2用来将驱动器DRV1及DRV2产生的辐射场型往+Y轴方向牵引。反射器REF1及REF2耦接到一系统地端，则用来将驱动器DRV1及DRV2产生的辐射场型往+Y轴方向反射。如此一来，双频印刷式八木天线可在同一平面提供高指向性的天线辐射场场型。关于印刷式双频八木天线的作法，可参考中国台湾专利申请第098135250号《双频印刷式八木天线》的说明，在此不多加赘述。
在本发明实施例中，圆极化天线20还包括一结合机构25，用来将水平基板21及垂直基板22作正交结合。举例来说，结合机构25可借由形成在水平基板21的一插槽及形成在垂直基板22的一插件实现，而不限于此。此外，本发明实施例更可将垂直基板22的板长加长，例如5毫米(mm)，以防止两天线的火线与地线短路在一起。
在此情形下，若适当调整圆极化天线20的辐射体的尺寸，而将圆极化天线20应用于符合IEEE 802.11标准的一双频(约2.4GHz及5.12GHz)无线区域网络系统时，水平极化天线23的整体尺寸大小约为50mm×50mm×1.6mm，垂直极化天线24的整体尺寸大小约为50mm×55mm×1.6mm，而结合机构25的尺寸约为15mm×10mm×1.6mm。关于圆极化天线20的天线特性模拟结果，请参考图3至图6。图3为圆极化天线20的反射系数图，图4为圆极化天线20的耦合系数(Coupling Coefficient)图，图5A至图5D为圆极化天线20的天线增益图，而图6A及图6B则为圆极化天线20的轴比例(Axial Ratio)图。
如图3所示，若以-10dB为基准，圆极化天线20的低频频宽约落在2.39GHZ～2.51GHz之间，而高频频宽则落在4.79GHz～6.46GHz之间。由于高频与低频的反射系数都在-10dB以下，代表大部分的能量都可馈入天线主体，而产生不错的辐射效果。
图4说明了水平极化天线23及垂直极化天线24之间的耦合系数，其绘制方式为令垂直极化天线24为信号输出端，而水平极化天线23为信号输入端，借由量测或模拟由水平极化天线23传输(耦合)至垂直极化天线24的能量比例而获得。由于两支天线的极化方向为正交，因此，在操作频段上的耦合系数都在-20dB以下，而具有良好的隔离度。
如图5A至图5D所示，不论是高频还是低频，圆极化天线20的天线辐射场型均具有优异的指向性。此外，相较于在平面上实现的双频印刷式八木天线，本发明实施例的圆极化天线20具有更强的辐射场指向性及更高的天线增益。
最后，图6A及6B图分别说明了圆极化天线20在高频带与低频带的轴比例。在图6A中，虚线代表2.4GHZ，实线代表2.45GHz，而点线代表2.5GHZ；在图6B中，虚线代表5GHZ，实线代表5.5GHz，而点线代表5.8GHZ。如图所示，圆极化天线20在具有指向性的方向上都具有足够低的轴向比例，而能提供不错的圆极化辐射场型。
综上所述，本发明借由将两支相同的线性极化天线做正交结合，而实现一种用于多输入多输出系统的圆极化天线。除此之外，本发明圆极化天线可根据馈入信号的输入方式，产生各种极化方向的辐射电场，例如左手圆极化、右手圆极化或椭圆极化等等，以提升极化匹配而改善传输效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明所做的均等变化与修饰，均应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种圆极化天线，用于一多输入多输出的无线通信系统，包括：
一第一基板；
一第二基板，垂直形成在该第一基板上；
一第一线性极化天线，形成在该第一基板上，用来根据一第一馈入信号，产生具有一第一极化方向的辐射电场；以及
一第二线性极化天线，形成在该第二基板上，与该第一线性极化天线具有相同架构，用来根据一第二馈入信号，产生具有一第二极化方向的辐射电场；
其中，该第一极化方向与该第二极化方向正交，且该第一馈入信号及该第二馈入信号为具有一特定相位差的相同馈入信号。
2.根据权利要求1所述的圆极化天线，其中该第一馈入信号领先该第二馈入信号九十度相位差。
3.根据权利要求1所述的圆极化天线，其中该第一馈入信号落后该第二馈入信号九十度相位差。
4.根据权利要求1所述的圆极化天线，其中该第一基板包括一插槽，该第二基板包括一插件，该插槽及该插件形成该第一基板及该第二基板的一结合机构。
5.根据权利要求1所述的圆极化天线，其中该第一线性极化天线及该第二线性极化天线为一印刷式双频指向性天线。
6.根据权利要求5所述的圆极化天线，其中该第一线性极化天线及该第二线性极化天线为一印刷式双频八木天线。
7.根据权利要求6所述的圆极化天线，其中该第一线性极化天线及该第二线性极化天线各包括一馈入端、一驱动器、一引向器及一反射器，该第一线性极化天线的该馈入端用来接收该第一馈入信号，该第二线性极化天线的该馈入端用来接收该第二馈入信号，该第一线性极化天线及该第二线性极化天线的该反射器耦接到一系统地端。
8.根据权利要求1所述的圆极化天线，其中该第一线性极化天线及该第二线性极化天线具有指向一第三方向的辐射场型，该第三方向与该第一极化方向及该第二极化方向正交。
9.根据权利要求1所述的圆极化天线，其中该第一基板及该第二基板分别系一FR4玻璃纤维基板。
10.根据权利要求1所述的圆极化天线，其中该第一极化方向平行该第一基板，而该第二极化方向平行该第二基板。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110511 |