TWI495277B - 無線收發器之多輸入多輸出天線 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種天線，尤其是指一種應用於無線區域網路(WLAN)頻帶之無線收發器的多輸入多輸出天線，其具有高隔離度，能使兩天線主體間的干擾程度降低。
目前多輸入多輸出(Multi-Input and Multi-Output，MIMO)天線用來提升各天線間隔離度的技術，通常是透過採用增加兩天線之間的距離或採用不同極化的方向來達成，或是在介質基板上加入隔離元件，例如：在兩天線之間加入一帶拒濾波器，藉此來達到提升隔離度之目的。除此之外，也可於介質基板上，破壞接地系統結構或者增加輻射天線之立體面積也可以達到良好的隔離效果。
雖然藉由增加天線之間的距離，能夠產生良好的隔離度，但拉長天線與天線之間距離的同時，意味著基板的整體尺寸也隨著大增，即會相對增加天線尺寸，而無法縮小天線之尺寸，導致無法將該天線放置於小型化產品上。若以不同的極化方向擺設天線，除了會使電路佈線產生困難外，同時會增加產品的尺寸以及在通訊輻射上得到不良結果，而且不同極化方向，無法改善通訊之死角，造成通訊品質不良；若在天線輻射面積上增加隔離元件或增加立體輻射面積，雖然會得到良好的隔離效果，卻同時增加電路及製作上皆產生困難度。
請參看我國公開號第201117472號發明專利申請案，其係一種多輸入多輸出且用於一電子裝置之雙頻印刷電路天線。該天線則是利用長度為低頻四分之一波長亦為高頻四分之三波長之單極天線增加高頻訊號的頻寬，且在多支天線共地的情況下，選擇饋入點的位置，使得高頻的頻段擁有良好的隔離度、輻射效率與頻寬。
請再參看我國證書號第I317188號發明專利案，其係一種天線，該天線利用輻射體與輔助輻射體搭配之方式，可有效減小印刷式天線所佔的面積，同時使得多輸入多輸出天線具有較好的隔離度。
接著，請再參看我國公開號第201134010號發明專利申請案，該發明申請案係將二支天線整合為一支平面天線，並令此平面天線具有二個饋入點與二個接地點，且上述接
地點位於饋入點之間。如此一來便能降低天線之間的干擾，同時改善天線的空間配置。
由上述之前案，顯然在無線通訊快速發展的催化下，相關業者不斷研發創作出應用在無線通訊系統之新式天線，以供隨時隨地快速掌握資訊，甚至是在惡劣的環境之下也能接收優質訊號以及具有高速傳輸速度。
即本發明之主要目的，係提供一種採用最簡易的方式讓隔離度提高，使得兩天線干擾程度可降低之應用於無線區域網路(WLAN)頻帶之無線收發器的多輸入多輸出天線。
上述本發明之主要目的與功效，是由以下之具體技術手段所達成：一種無線收發器之多輸入多輸出天線，係在一基板上設置包含：接地部，位於該基板的其一表面上；第一天線主體，位於該基板其一表面上的第一側，且與該接地部之間設有可供訊號饋入的第一饋入點；第二天線主體，位於該基板其一表面上且相對第一側的第二側處，該第二天線主體與該接地部之間設有可供訊號饋入的第二饋入點；以及
分隔式十字型隔離元件，包括彼此對應而設的第一隔離元件與第二隔離元件，該第一隔離元件與該第二隔離元件均包括由接地部縱向延伸的縱向段及由縱向段往外延伸的橫向段；以及在該第一隔離元件與該第二隔離元件之間的分隔線寬部。
在本發明的一實施例中，該第一天線主體是由該接地部與該第一饋入點垂直向上延伸第一垂直段後，往中間橫向延伸第一橫向段，再繼續往該接地部方向延伸第二垂直段，該第二垂直段與該分隔式十字型隔離元件之第一隔離元件產生一間隔距離；該第一天線主體之第一垂直段的下端處再往中間橫向延伸第二橫向段，該第二橫向段末端轉折往該接地部延伸銜接形成第三垂直段；該第二天線主體是由該接地部與該第二饋入點垂直向上延伸第一垂直段後，往中間橫向延伸第一橫向段，再繼續往該接地部方向延伸第二垂直段，該第二垂直段與該分隔式十字型隔離元件之第一隔離元件產生一間隔距離；該第一天線主體之第一垂直段的下端處再往中間橫向延伸第二橫向段，該第二橫向段末端轉折往該接地部延伸銜接形成第三垂直段。
在本發明的一實施例中，該第一饋入點與該第二饋入點使用同軸線饋入。
在本發明的一實施例中，該第一天線主體與該第二天線主體之共振模態的共振波長為四分之一波長模態；該分隔式十字型隔離元件之隔離模態為四分之一波長。
本發明之優點為：
1、本發明之天線是運用於平面式印刷天線上，可降低成本並容易製造，且平面式印刷天線方便設置於各種小尺寸的無線行動通訊裝置上。
2、本發明之天線不需任何主被動元件，僅由接地部延伸一分隔式十字型隔離元件即產生良好的隔離度，所以本發明之天線在MIMO參數上獲得良好的表現。
(1)‧‧‧基板
(2)‧‧‧接地部
(3)‧‧‧第一天線主體
(31)‧‧‧第一饋入點
(32)‧‧‧第一垂直段
(33)‧‧‧第一橫向段
(34)‧‧‧第二垂直段
(35)‧‧‧第二橫向段
(36)‧‧‧第三垂直段
(4)‧‧‧第二天線主體
(41)‧‧‧第二饋入點
(42)‧‧‧第一垂直段
(43)‧‧‧第一橫向段
(44)‧‧‧第二垂直段
(45)‧‧‧第二橫向段
(46)‧‧‧第三垂直段
(5)‧‧‧分隔式十字型隔離元件
(51)‧‧‧第一隔離元件
(511)‧‧‧縱向段
(512)‧‧‧橫向段
(52)‧‧‧第二隔離元件
(521)‧‧‧縱向段
(522)‧‧‧橫向段
(53)‧‧‧分隔線寬部
第一圖：本發明天線之架構示意圖
第二圖：本發明天線之實測與模擬之S參數曲線圖
第三圖：本發明天線之模擬電流強度分佈示意圖
第四圖：未設置分隔式十字型隔離元件時的S參數曲線圖
第五圖：未設置分隔式十字型隔離元件時的模擬電流強度分佈示意圖
第六圖：設置分隔式倒L字型隔離元件時的S參數曲線圖
第七圖：設置分隔式倒L字型隔離元件時的模擬電流強度分佈示意圖
第八圖：設置分隔式I字型隔離元件時的S參數曲線圖
第九圖：設置分隔式I字型隔離元件時的模擬電流強度分佈示意圖
第十圖：本發明天線之實測遠場輻射場型圖
第十一圖：本發明天線之實測分集增益圖
第十二圖：本發明天線之實測輻射效率圖
第十三圖：本發明天線之實測包絡相關性圖
第十四圖：本發明天線之實測通道容量圖
為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：
請參看第一圖所示，其係揭示本發明之天線架構示意圖；該天線為雙饋入之PIFA式MIMO天線。
該天線係在一基板(1)上設置包含：接地部(2)，該接地部(2)位於該基板(1)的其一表面上；第一天線主體(3)，位於該基板(1)其一表面上的第一側，且與該接地部(2)之間設有可供訊號饋入的第一饋
入點(31)；其中，該第一天線主體(3)是由該接地部(2)與該第一饋入點(31)垂直向上延伸第一垂直段(32)後，往中間橫向延伸第一橫向段(33)，再繼續往該接地部(2)方向延伸第二垂直段(34)；該第一垂直段(32)的下端處再往中間橫向延伸第二橫向段(35)，該第二橫向段(35)末端轉折往該接地部(2)延伸銜接形成第三垂直段(36)；第二天線主體(4)，位於該基板(1)其一表面上且相對該第一側的第二側處，該第二天線主體(4)與該接地部(2)之間設有可供訊號饋入的第二饋入點(41)；其中，該第二天線主體(4)是由該接地部(2)與該第二饋入點(41)垂直向上延伸第一垂直段(42)後，往中間橫向延伸第一橫向段(43)，再繼續往該接地部(2)方向延伸第二垂直段(44)；該第一垂直段(42)的下端處再往中間橫向延伸第二橫向段(45)，該第二橫向段(45)末端轉折往該接地部(2)延伸銜接形成第三垂直段(46)；以及分隔式十字型隔離元件(5)，該分隔式十字型隔離元件(5)包括彼此對應而設的第一隔離元件(51)與第二隔離元件(52)，該第一隔離元件(51)與該第二隔離元件(52)均包括由接地部(2)縱向延伸的縱向段(511)、(521)及由該縱向段(511)、(521)往外延伸的橫向段(512)、(522)；以及在該第一隔離元件(5
1)與該第二隔離元件(52)之間的分隔線寬部(53)；該分隔式十字型隔離元件(5)之第一隔離元件(51)與該第二垂直段(34)產生一間隔距離D，該分隔式十字型隔離元件(5)之第二隔離元件(52)與該第二垂直段(44)產生一間隔距離D。
在本發明的一實施例中，該第一饋入點(31)與該第二饋入點(41)使用同軸線饋入或是使用微帶線饋入。
此外，該第一天線主體(3)與該第二天線主體(4)之共振模態的共振波長為四分之一波長模態；該分隔式十字型隔離元件(5)之隔離模態為四分之一波長。
本發明於下提出一具體實施例，於該實施例中，本發明之天線將被製作在厚度為1.6mm，介電係數(Relative permittivity)為4.4，損耗正切(Loss tangent)為0.0245的FR4玻璃纖維基板上。且本發明之天線所佔面積為20×10mm2，包含接地面的尺寸則為20×35mm2。
第二圖為本天線實測與模擬之S參數結果。從第二圖可知本天線之實測結果符合WLAN之2.4GHz~2.48GHz頻帶的頻寬需求，並且與實測結果在模態的表現上相當接近。
從此S參數2.45GHz模態來分析，於第三圖之表面電流圖可以很清楚看到，當此MIMO天線若在該所屬頻帶點
上有隔離度時，則表面電流之相位會呈現反相，換句話說也就是藉由添加一分隔式十字型隔離元件(5)來降低天線之間的互耦效應。本圖之虛線框顯示，分隔式十字型隔離元件(5)與第一天線主體(3)、第二天線主體(4)之末端採用耦合方式，且距離僅為0.5mm，便可以呈現電容性匹配來增加隔離機制以及第一天線主體(3)與第二天線主體(4)之頻寬。
第四圖，為探討採用本發明之分隔式十字型隔離元件(5)作為第一天線主體(3)與第二天線主體(4)之隔離機制分析，其中，第一天線主體(3)、第二天線主體(4)兩天線為對稱式設置，具有相同模擬結果。虛線為本發明MIMO天線之模擬結果；實線為未添加分隔式十字型隔離元件(5)時所得到之結果。由此兩S參數之結果來做一比較，當未添加分隔式十字型隔離元件(5)時，有一模態共振於2.7GHz左右頻率點，且在隔離度上並無法產生應有之隔離範圍，但可以得知此共振頻率點與該第一天線主體(3)或第二天線主體(4)之四分之一波長共振路徑很近似，約2.5mm；如第五圖所示，為頻率點在2.7GHz之表面電流分佈圖，由第五圖顯示之表面電流分佈可以得到一結果，第一天線主體(3)、第二天線主體(4)兩天線之電流相位會互相干擾且改變方向，甚至電流最強能量皆集中於接地部(2)上而導致無法產生較佳之隔離度，故對於S21隔離度來說，當加上此
分隔式十字型隔離元件(5)時，於511與S22所共振模態上卻可有效發揮此隔離度作用，故以初步探討結果可以得知，此設置確實有效發揮於MIMO天線上的重要參數之一。
第六圖所示，係當將該分隔式十字型隔離元件(5)改為分隔式倒L字型時，會產生兩個模態出來，由第四圖可以得知，有一低頻模態是由第一天線主體(3)與第二天線主體(4)之共振路徑產生，另一高頻模態是因添加倒L字型元件而產生至此頻率點上，而對於有、無添加此倒L字型元件最大差別在於可以將路徑延伸至所需要頻帶範圍上，且因添加此機制，於S參數之表現上只需要在調整匹配阻抗皆可以達到所需頻寬範圍；但S參數的隔離度卻還是維持與第四圖一樣沒有隔離度效果產生，但此隔離機制卻可以讓共振路徑達到延伸效果，故由接地部(2)延伸此機制可以將此MIMO天線之共振路徑延伸。由第六、七圖所示，微低頻模態在2.46GHz時所產生之表面電流分佈圖，第一天線主體(3)與第二天線主體(4)之末端與倒L字型產生弱電流，即為零點電流，而此兩間距為0.5mm距離可以產生一耦合性阻抗匹配且可以調整天線達到最佳頻寬，但在隔離度表現上無法大於15dB以上。
第八圖若只添加一分隔式I字型機制並與第四圖相比較，顯然未添加任何隔離機制時，在S參數所產生結果是一致，此模態之最佳頻率位於2.685GHz左右與第四圖結果相近，並且以最佳頻率點以表面電流分佈圖來解析，當添加分隔式I
字型元件時，I元件較無強電流集中於此，反而往其它電流較強的方向流動而無法產生較佳隔離度〔參第九圖〕。
如第十圖所示，此為本發明天線於中心頻率為2.45GHz時所運用模擬軟體以及實際測量所得到之二維遠場輻射場型圖。由圖可以得知，採左右對稱式之共平面天線結構設計作為MIMO天線，且皆都於最兩旁為激發端，並以50歐姆之細銅軸線作為本天線端的饋入端。從圖五中，二維遠場輻射之X-Y切面可以明顯觀察到，左右兩邊的輻射場型產生對稱式的方向，各別往另一輻射方向，因此當無線收發器〔USB Dongle〕天線採以水平方向擺放時，在無線接收上有較好表現上，又因本章節設計為對稱式天線於X-Y面有分別較強之輻射方向，因此很適合應用於無線收發器〔USB Dongle〕之無線產品上。
此外，上述之X-Y切面為電場φ分量，我們於另一Y-Z切面之電場θ分量來做一探討，此切面於共平面天線結構〔PIFA〕中，產生較接近全向性輻射場型的特性。然而，本發明之第一天線主體(3)設計方向較靠近-Y方向，因此由圖中所看到之輻射場型較偏向-Y方向集中且輻射強度也最強，反之，另一第二天線主體(4)設計方向較接近+Y方向，故所得到輻射場型能量結果也較偏向+Y方向集中且也最強的方向。且因本天線所設計為對稱式PIFA架構，當兩天線之輻射場型同時激發時，就像全向性輻射場型的天線一樣，
此結果與上一章相同皆可解決當今遇到訊號微弱產生通訊死角之問題，亦能提高傳輸與通訊效率。
第十一~十四圖分別為本天線設計之實測相關數據圖。如第十一圖為實際測量的天線分集增益結果。可以很清楚看到，當有效分集增益(Effective Diversity Gain)在操作頻帶內會大於單一天線時之有效分集增益的9.5dB至8.5dB左右。此第十二圖為實測天線之輻射效率圖。本MIMO天線在效率表現上皆都50%以上，以小尺寸的MIMO天線而言，這樣的表現是可以被業界所使用。第十三圖為天線實測之封包相關性(Envelop correction coef，ECC)。在IEEE802.11n之操作規範裡，該封包數據之最大值為0.11，最低可達到0.05左右。故本天線之實測封包相關係數，在本操作頻帶內可產生良好隔離度，相對來說也反映在封包相關性，且在分集增益的表現上可得知。第十四圖為本天線實測MIMO通道容量之結果，由實測圖所示，假設只使用一支單一陣列天線與此MIMO天線相對條件之比較下，MIMO天線應明顯於傳輸通道容量當中會加一倍左右。根據以往的文獻探討中表示，當此MIMO天線效率為50%、SNR為20dB的條件下，與其他多天線或陣列天線僅差些微容量。此天線在SNR為20dB可達到6.859bit/s/Hz，所以本天線已經可
以得到不錯的傳輸速率；綜合上述所有結果皆可以完全符合MIMO系統之需求與規範。
以上所舉者僅係本發明之部份實施例，並非用以限制本發明，致依本發明之創意精神及特徵，稍加變化修飾而成者，亦應包括在本專利範圍之內。
綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體技術手段，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
(1)‧‧‧基板
(2)‧‧‧接地部
(3)‧‧‧第一天線主體
(31)‧‧‧第一饋入點
(32)‧‧‧第一垂直段
(33)‧‧‧第一橫向段
(34)‧‧‧第二垂直段
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(41)‧‧‧第二饋入點
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(52)‧‧‧第二隔離元件
(521)‧‧‧縱向段
(522)‧‧‧橫向段
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Claims (7)
- 一種無線收發器之多輸入多輸出天線，係在一基板上設置包含：接地部，位於該基板的其一表面上；第一天線主體，位於該基板其一表面上的第一側，且與該接地部之間設有可供訊號饋入的第一饋入點；第二天線主體，位於該基板其一表面上且相對第一側的第二側處，該第二天線主體與該接地部之間設有可供訊號饋入的第二饋入點；以及分隔式十字型隔離元件，包括彼此對應而設的第一隔離元件與第二隔離元件，該第一隔離元件與該第二隔離元件均包括由接地部縱向延伸的縱向段及由縱向段往外延伸的橫向段；以及在該第一隔離元件與該第二隔離元件之間的分隔線寬部。
- 如申請專利範圍第1項所述之天線，其中，該第一天線主體是由該接地部與該第一饋入點垂直向上延伸第一垂直段後，往中間橫向延伸第一橫向段，再繼續往該接地部方向延伸第二垂直段，該第二垂直段與該分隔式十字型隔離元件之第一隔離元件產生一間隔距離，該第一垂直段的下端處再往中間橫向延伸第二橫向段，該第二橫向段末端轉折往該接地部延伸銜接形成第三垂直段；該第二天線主體是 由該接地部與該第二饋入點垂直向上延伸第一垂直段後，往中間橫向延伸第一橫向段，再繼續往該接地部方向延伸第二垂直段，該第二垂直段與該分隔式十字型隔離元件之第一隔離元件產生一間隔距離，該第一垂直段的下端處再往中間橫向延伸第二橫向段，該第二橫向段末端轉折往該接地部延伸銜接形成第三垂直段。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之天線，其中，該第一饋入點與該第二饋入點使用同軸線饋入。
- 如申請專利範圍第3項所述之天線，其中，該第一天線主體與該第二天線主體之共振模態的共振波長為四分之一波長模態；該分隔式十字型隔離元件之隔離模態為四分之一波長。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之天線，其中，該第一饋入點與該第二饋入點使用微帶線饋入。
- 如申請專利範圍第4項所述之天線，其中，該第一天線主體與該第二天線主體之共振模態的共振波長為四分之一波長模態；該分隔式十字型隔離元件之隔離模態為四分之一波長。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之天線，其中，該第一天線主體與該第二天線主體之共振模態的共振波長為四分之一波長模態；該分隔式十字型隔離元件之隔離模態為四分之一波長。
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