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TWI509884B - 天線系統 - Google Patents

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TWI509884B
TWI509884B TW099105540A TW99105540A TWI509884B TW I509884 B TWI509884 B TW I509884B TW 099105540 A TW099105540 A TW 099105540A TW 99105540 A TW99105540 A TW 99105540A TW I509884 B TWI509884 B TW I509884B
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line
antenna
notch
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Jean-Francois Pintos
Philippe Chambelin
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Thomson Licensing
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    • H01Q1/52—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure
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  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)

Description

天線系統
本發明係關於精巧的天線系統，尤指無線通訊裝置，諸如多元標準數位平台，所用之天線系統。
現時市場上的數位平台，透過無線連路提供多元服務。所以必須能夠支持各種標準，尤其是為無線高位元率通訊實施之標準，諸如IEEE802.11a,b,g標準，以及如今有WIFI功能用之802.11n標準。此種無線通訊也會發生在封閉前提內側，尤其是在觀察到非常處罰電磁波傳播狀況之處。為改善系統損失，以及二無線裝置間之位元率，使用稱為MIMO(多元輸入多元輸出)之技術。此項技術需要至少二天線，天線間要有良好的解相關性，和良好之絕緣。
為因應二天線間絕緣的問題，典型上使用的解決方法是，使天線間有空間距離，以確保充分絕緣。然而此解決方法不能獲得精巧的系統。
在A.Diallo,C.Luxey,Ph.Le Thuc,R.Staraj,G.Kossiavas所著〈萬國手機電訊系統多樣化終端所用增進二天線結構〉一文中，提到改進二天線間絕緣之另一解決方案(見IET Microwaves,Antennas and Propagation，第二卷第1期93-101頁，2008年2月)。此解決方案是利用導電線，把二PIFA型天線(即F-反相天線)連接。此懸空導電線是在天線短路點，直接連接到天線，可補償二天線間存在的電磁性耦合。此線把訊號之一部份從一天線帶到另一天線，按照導電線的長度或多或少加以絕緣。
另有倡議在二天線間增加四分之一波缺口，以提高天線間之絕緣。
本發明係關於一種特殊解決方式，應用於槽孔型天線，諸如1/4波或1/2波槽口、環形槽口、斜縮槽口(TSA, Vivaldi)，以及接補型天線，或其他印刷天線。
所以，本發明係關於一種天線系統，在基體上包括至少第一和第二印刷輻射元件，各以饋電線供給，二輻射元件之間有至少一傳輸線，包括第一極端和第二極端，其特徵為，傳輸線之第一和第二極端，分別耦合於第一和第二輻射元件，按照1：b比之耦合功能，b>1，和相位Φ，與輻射元件間之物理距離有關，傳輸線長度有相位差異θ，使θ可補正Φ。
按照較佳具體例，輻射元件係槽口型天線，傳輸線為槽口線。輻射元件亦可為補接型，在此情況下，傳輸線是微條或共平面線。
耦合功能之達成，是將一部份輻射元件定位於與傳輸線相對於末端平行，平行組件間之距離，以及平行組件之長度，決定耦合功能之參數。
此外，傳輸線的總長度，使來自其他電線之複合訊號減到最少，可得二槽口型輻射元件間之良好絕緣。
本發明其他特徵和優點，由參照附圖所示本發明較佳具體例之說明，即可明白。
為簡化說明起見，圖上同樣元件以同樣符號標誌。
先參照第1圖說明本發明中實施之原理，第1圖表示使用MIMO技術之二天線A1和A2。
為獲益於MIMO技術之最大貢獻，各天線必須於其專用的傳播頻道內傳送訊號，即在天線系統水平，天線必須脫耦，首先加以絕緣。第1圖簡略表示有用來接收的二天線系統。在此情況下，各天線接收微分化訊號P，即在天線A1上的P1和天線A2上的P2。
由於二接收天線是閉合，係按照1：a比耦合在一起，其中a>1，而相位Φ與二天線間之距離有關。結果，天線A1接收訊號P1+aP2eiΦ，同理，天線A2接收訊號P2+aP1eiΦ。
按照本發明，提供耦合功能的元件，添加於耦合比1：b 的各天線之實際結構，其中b>1。此二耦合元件係利用傳輸線連接，其電氣長度之相位差異θ。故調節相對於Φ之θ值，可使複合訊號來自另一天線之組份減到最少。
按照本發明具體例，如第2圖所示，二天線是以二槽口型輻射元件1,2達成。槽口1,2最好是蝕刻在金屬化基體3上。輻射槽口可為四分之一波或二分之一波槽口，長為λg/4或λg/2，其中λg係在天線系統作業頻率之導引波長。為限制其尺寸，槽口1和2摺90°，其短路極端彼此面對。惟可設想其他結構，不離本發明範圍，尤其是線形槽口。
如第2圖所示，槽口型輻射元件1,2係以使用微條技術在金屬化側相反基體側製成的饋電線4,5，藉電磁性耦合供給。各微條線以形成阻抗變量器的線段8,9，延伸至激磁埠6,7。在此情況下，可按Thomson Licensing申請的國際專利公告WO 2006/018567號所載，達成線/槽口耦合。
第2圖所示系統，基於目前方法，使用IE3D商用軟體(Zeland產品)模擬。
電磁性模糊是使用FR4型基體進行，其特徵如下：
介電係數=4.4
損失正切=0.023
基體厚度=1.4mm
金屬化厚度=17.5μm
在此情況下，製成二輻射元件1,2，由四分之一波槽口組成，槽口寬度0.3mm。二輻射元件相距長度為29.5mm。
模擬結果如第3圖曲線所示，表示按照二輻射元件頻率之阻抗匹配參數S11和S22，以及按照二輻射元件中間頻率之絕緣S21。第3圖曲線表示對2.4GHz的作業頻率，絕緣只有1.5dB。
按照本發明和第4圖所示，由槽口線構成之傳輸線10，置於二輻射元件1,2之間，如參見第1圖所述，形成與輻射元件之耦合元件。
更準確而言，如第4圖所示，二輻射元件1,2包括槽口部1a,2a，相當於摺90°之組件，以限制系統尺寸。傳輸線10的各極端10a,10b位於與天線系統的輻射元件1,2之槽口部1a,2a平行。組件10a,10b的長度L，以及傳輸線的元件10a,10b和輻射元件部位1a,2a間之距離d，經選擇可與各輻射元件耦合，如參見第1圖所述。
此外，為使二輻射元件1,2積合，把傳輸線10彎曲，如第4圖所示。二耦合元件間的傳輸線10之長度L'，經選用藉補正相移Φ，使二輻射元件1和2間之絕緣最佳，詳後述。
第4圖結構係傳輸槽口線和二輻射元件之最佳構型例，使天線系統之總尺寸最小。此結構係模擬像第2圖之結構。模擬結果如第5圖所示。
須知在相當於802.11b,g標準之頻率帶，即2.4GHz帶時，二激磁埠6,7之50歐姆阻抗匹配，大於-14dB。在參照第2圖所述，考慮的頻率帶內，無槽口傳輸線，二存取間之絕緣大於27dB，而同樣尺寸者，絕緣只有11.5dB。
諸參數，例如傳輸線末端10a與槽口型輻射元件部位2a和1a間之距離，對所需結果之影響，參見第6-9圖說明如下。
第6圖表示槽口型輻射元件對槽口型傳輸線耦合之衝擊，可以調節二極端10a和槽口部位2a,1a間之距離表示，見第6a,b,c,d圖。在此情況下，在耦合水平之槽口部長度L固定，等於52mm，而D以0.6mm分段變化，d=1mm，為最佳距離。
第6a圖相當於距離D1等於距離d+1.2mm。第6b圖相當於D2=d+0.6mm。第6c圖相當於D3=d，最佳距離，而第6d圖相當於D4=d-0.6mm。
在第7a和7b圖，上述D1,D2,D3,D4四種構型，各以槽口型輻射元件在2.4GHz帶的50歐姆阻抗S11匹配曲線，和同樣帶內二槽口型輻射元件間之S12絕緣曲線表示。
此等曲線表示對於比-17dB為佳的阻抗匹配水平而言，調節距離D可得優於17.5dB之最佳絕緣。
第8圖表示輻射元件間積合的槽口型傳輸線之各種長度和位置，以示實體長度亦即耦合於二輻射元件的槽口線相位之影響。二耦合器間之槽口線相位，從90°+θ(L1構型)至-90°+θ(L5構型)，以45°分段(L2,L3,L4構型)，其中在2.45GHz頻率，即長度52mm時，θ值為225°。就第8圖所示L1,L2,L3,L4,L5五種構型而言，槽口傳輸線極端與輻射槽口部間之距離一致，等於d=1mm。
第9a和9b圖分別對此五種構型，各顯示以在2.4GHz內存取的輻射元件之50歐姆阻抗匹配曲線，以及在同樣頻率帶的二輻射元件間之絕緣曲線。此等曲線表示對優於-12dB的阻抗匹配水平而言，調節槽口型傳輸線的長度，可得優於18dB的最佳絕緣。
茲參照第10和11圖說明本發明另一具體例。在此情況下，各輻射元件20,21由斜縮槽口組成，例如Vivaldi型天線。按標準方式，斜縮槽口是利用微條22,23以電磁式耦合供電。按照本發明，由槽口線構成的傳輸線24，設在二斜縮槽口之間，使槽口線的極端24a與斜縮槽口的斜縮邊緣20a,21a平行。在此情況下，於線/槽口過渡之後，即在輻射元件輪廓之組件上，發生耦合功能。
第11a和11b圖分別表示無傳輸線的構型和第10圖構型之參數S。此等曲線表示對二構型而言，在2.4GHz頻率帶優於-10dB之阻抗匹配水平。故按照在此構型實施之原理，天線間之絕緣，起先大於6dB(第11a圖)，在此實施例中改進到大於19dB的水平。
茲參照第12和13圖說明本發明又一具體例。在此情況下，輻射元件係由接補30,31構成。
第12a圖表示在基體FR4的側面30mm之二接補30,31，其特徵同上。二接補從邊緣到邊緣相隔4mm。第13a 圖表示如此結構之參數S，其中有二接補天線匹配於-10dB，在2.45GHz周圍。在此頻率左右之絕緣為-9.5dB。
第12b圖表示和上述同樣構型之二接補30,31。在此情況下，耦合功能係置於接補的側面30a,31a之一，以便具有電磁式耦合，二耦合器C間之傳輸線32是微條線，其長度容許調節絕緣。第13b圖表示如此結構之參數S，其中二天線匹配於-10dB，在2.45GHz周圍。在此頻率左右之絕緣是19dB，即改進約10dB。
本發明其他具體例參照第14-17圖說明如下。
第14圖使用第4圖所示天線系統。惟在此具體例中，第二槽口型傳輸線11按第一槽口傳輸線10同樣方式，積合於一面積，使其可製成二耦合器11a,10a,1a和11b,10b,2a，並利用二傳輸線10和11聯結在一起。傳輸線長度，以及各傳輸線與輻射元件間之距離，可以調節，以排除接近天線作業頻率之頻率，或更遠之頻率，以排除天線系統作業時不需要的頻率。傳輸線為槽口線時，可在線/槽口過渡，與槽口型輻射元件1,2的短路平面之間，或在線/槽口過渡之另一側為之。
第15圖表示有三個輻射元件A10,A20,A30之另一具體例，中間元件A20必須與其他二元件絕緣。
因此，與第4圖相較，增加第三個四分之一波槽口A30，如第15圖所示。二耦合功能(C1'和C1")配置於輻射元件A20上，而耦合功能(C2和C3)各在另二輻射元件A10和A30上。第一槽口線L'1把耦合功能C1'至C2，分別聯結到輻射元件A10和輻射元件A20。第二槽口線L'2把耦合功能C1'至C3，分別聯結到輻射元件A10和輻射元件A30。第二槽口線L'2和第一槽口線L'1同樣方式積合於一面積，可置設二耦合器，並利用傳輸線聯結在一起。
第16a和16b圖表示第15圖構型但無傳輸線時之參數S，而第17a和17b圖是表示第15圖構型之同樣參數。如第 17a和17b圖所示，在2.4GHz頻率帶內的50歐姆阻抗匹配，優由13dB。因此，按照此構型實施之原理，天線間之絕緣起先大於9dB(第16a圖)，在此實施例中經改善達大於18dB之水平。
A1,A2‧‧‧天線
P1,P2‧‧‧微分化訊號
Φ‧‧‧相位
θ‧‧‧相位差異
1,2‧‧‧輻射元件
1a,2a‧‧‧槽口部
3‧‧‧基體
4,5‧‧‧饋電線
6,7‧‧‧激磁埠(excitation port)
8,9‧‧‧線段
10,11‧‧‧傳輸線(transmission line)
10a,10b‧‧‧傳輸線第一極端、第二極端
d‧‧‧距離
20,21‧‧‧輻射元件
20a,21a‧‧‧斜縮邊緣
22,23‧‧‧微條
24‧‧‧傳輸線
24a‧‧‧傳輸線極端
30,31‧‧‧接補
30a,31a‧‧‧接補的側面
32‧‧‧傳輸線
A10,A20,A30‧‧‧輻射元件
C'1,C"1‧‧‧耦合功能
C2,C3‧‧‧耦合功能
L'1‧‧‧第一槽口線
L'2‧‧‧第二槽口線
第1圖係說明本發明原理的二天線MIMO系統之簡示圖；第2圖係本發明所應用二槽口型輻射元件之簡略俯視圖；第3圖係按照頻率賦予各天線阻抗匹配以及二輻射元件間絕緣之曲線圖；第4圖係本發明天線系統之簡略俯視平面圖；第5圖係第4圖系統按照頻率之阻抗匹配和絕緣曲線圖；第6圖係簡略表示本發明諸具體例，其中在傳輸線和輻射元件的平行組件間之距離D有異；第7a和7b圖分別表示(a)按照頻率和D值之阻抗匹配曲線圖，和(b)按照距離D的二輻射元件間之絕緣曲線圖；第8圖為本發明諸具體例按照傳輸線電氣長度θ之簡略圖；第9a和9b圖分別表示第8圖諸具體例之阻抗匹配和絕緣曲線圖；第10圖為本發明另一具體例之天線系統簡略俯視平面圖；第11a和11b圖分別表示第11a圖所示無傳輸線，以及第10圖和第11b圖所示天線系統，按照頻率之阻抗匹配和絕緣曲線圖；第12圖為本發明又一具體例之天線系統簡略俯視平面圖；第13a和13b圖分別表示第13a圖所示無傳輸線，以及 第12圖和第13b圖所示天線系統，按照頻率之阻抗匹配和絕緣曲線圖；第14圖為本發明變化具體例之簡略俯視平面圖；第15圖為本發明另一變化具體例之簡略俯視平面圖；第16a和16b圖以及第17a和17b圖分別表示第15圖無傳輸線具體例和第15圖所示傳輸線之阻抗匹配曲線圖(曲線a)及絕緣曲線圖(曲線b)。
1,2‧‧‧輻射元件
1a,2a‧‧‧槽口部
3‧‧‧基體
4,5‧‧‧饋電線
6,7‧‧‧激磁埠
8,9‧‧‧線段
10‧‧‧傳輸線
10a,10a‧‧‧傳輸線極端

Claims (5)

  1. 一種天線系統，在基體(3)上包括至少第一和第二印刷輻射元件(1,2)，各利用饋電線(4,5)供給，二輻射元件之間，有至少一傳輸線(10)，包括第一極端(10a)和第二極端(10b)，其特徵在於：傳輸線之第一和第二極端，按照1：b比之耦合功能，耦合於第一和第二輻射元件，其中b>1，以及相位Φ，與輻射元件間之物理距離有關，傳輸線長度帶有相位差異θ，使θ補正Φ者。
  2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中輻射元件係由槽口(1,2,20)或接補(30,31)型印刷天線構成者。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之系統，其中傳輸線係一槽口線(10,24)，一微條(32)者。
  4. 如申請專利範圍第1項之系統，其中提供耦合功能之元件，係由與傳輸線(10a；10b)的極端平行之輻射元件(1a,2a,30a,31a)一部份形成者。
  5. 如申請專利範圍第1項之系統，其中耦合係視平行部份的長度L，以及平行部份間之距離d而定者。
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