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    • 专利摘要:
    本發明公開了一種雙頻天線、MIMO天線裝置及2.4GHz/5.8GHz雙頻無線通訊裝置。該雙頻天線包括一饋電點、與該饋電點相連接的饋線及一金屬結構，饋線與該金屬結構相互耦合，該雙頻天線至少使兩個不同波段的電磁波諧振。本發明採用人工電磁材料技術設計出相關電磁波諧振響應金屬結構庫，這些結構尺寸相對傳統的天線結構較小，使得天線的物理尺寸不受半波長的物理長度限制，便於內置於各種無線電子設備中；根據應用產品選取阻抗匹配的金屬結構後並通過不斷的篩選、測試及調整，最終來優化出雙頻天線適合的金屬結構，使得所選的金屬結構至少使兩種不同波長的電磁波諧振，滿足了無線電子設備的小型化、天線內置和多模式的工作需求。
    公开号:TW201308757A
    申请号:TW100135534
    申请日:2011-09-30
    公开日:2013-02-16
    发明作者:ruo-peng Liu；guan-xiong Xu；Neng-Hui Fang；yue-feng Li
    申请人:Kuang Chi Inst Advanced Tech；Kuang Chi Innovative Tech Ltd；
    IPC主号:H01Q1-00
    专利说明:
    雙頻天線、MIMO天線裝置及2.4GHz/5.8GHz雙頻無線通訊裝置
    本發明涉及通信領域，特別是涉及一種雙頻天線、MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)天線裝置及2.4GHz/5.8GHz雙頻無線通訊裝置。
    隨著半導體製程的高度發展，對當今的電子系統集成度提出了越來越高的要求，器件的小型化成為了整個產業非常關注的技術問題。然而，不同於IC芯片遵循“摩爾定律”的發展，作為電子系統的另外重要組成─射頻模塊，卻面臨著器件小型化的高難度技術挑戰。射頻模塊主要包括了混頻、功放、濾波、射頻信號傳輸、匹配網絡與天線等主要器件。其中，天線作為最終射頻信號的輻射單元和接收器件，其工作特性將直接影響整個電子系統的工作性能。然而天線的尺寸、帶寬、增益等重要指標卻受到了基本物理原理的限制(固定尺寸下的增益極限、帶寬極限等)。這些指標極限的基本原理使得天線的小型化技術難度遠遠超過了其它器件，而由於射頻器件的電磁場分析的複雜性，逼近這些極限值都成為了巨大的技術挑戰。比如，傳統的終端通信天線主要基於電單極子或偶極子的輻射原理進行設計，最常用的平面反F天線(PIFA)。傳統天線的輻射工作頻率直接和天線的尺寸正相關，帶寬和天線的面積正相關，使得天線的設計通常需要半波長的物理長度。
    另外，各種無線電子設備的天線內置需求越來越强烈，例如現在各種無線接入點(AP)、無線路由器等電子設備基本上採用外置天線，極大限制產品的工業設計和機構設計發揮的餘力，而且外置天線還需要設計適應的阻抗匹配連接器及機構模組，這些連接器及機構模組幾乎占了整個天線百分之九十以上的成本，所以整個天線成本上升促使整個無線接入點(AP)、無線路由器等電子設備成本上升，而天線內置方式將極大地省掉了連接器及機構模組成本。
    在一些更為複雜的電子系統中，天線需要多模工作，就需要在饋入天線前額外的阻抗匹配網絡設計。但阻抗匹配網絡額外的增加了電子系統的饋線設計、增大了射頻系統的面積同時匹配網絡還引入了不少的能量損耗，很難滿足低功耗的系統設計要求。因此，小型化、多模式及天線內置的天線技術成為了當代電子集成系統的一個亟待解決的問題。
    本發明要解決的技術問題在於，傳統天線技術在無線設備尺寸受限的前提下難以實施，以及習知技術的上述很難滿足現代通信系統低功耗的系統設計要求，本發明提供一種突破傳統天線設計的框架，省去阻抗匹配網絡的複雜設計，保證其小型化，使其能够應用在尺寸受限的天線內置無線設備之中，且天線輻射面積利用率高、抗干擾能力强的一種雙頻天線、MIMO天線裝置及2.4GHz/5.8GHz雙頻無線通訊裝置。
    為解決上述技術問題，本發明採用的一個技術方案是：提供一種雙頻天線，該雙頻天線包括一饋電點、與該饋電點相連接的饋線及一金屬結構，饋線與金屬結構相互耦合，該金屬結構至少使兩個不同波段的電磁波諧振。
    其中，該兩種不同波段的電磁波的頻率段為2.4GHz-2.49GHz和4.9GHz-5.9GHz。
    其中，該雙頻天線還包括接地單元，該接地單元上設置有若干個金屬化的通孔。
    其中，該接地單元對稱地分佈該饋電點兩側。
    其中，該雙頻天線還包括一介質基板，該饋電點、接地單元、饋線及一金屬結構均設置於該介質基板一表面上。
    其中，該介質基板由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料製成。
    其中，該高分子材料為FR-4和F4B中任意一種。
    其中，該雙頻天線表面上設置有非金屬的防氧化薄膜。
    其中，該金屬結構為平面板狀形狀。
    為解決上述技術問題，本發明採用的另一個技術方案是：提供一種MIMO天線裝置，該MIMO天線裝置包括兩天線元件、MIMO調製解調電路和切換單元，該MIMO調製解調電路通過該切換單元接收該天線元件的電信號和傳送電信號給該天線元件。其中，每一該天線元件包括一饋電點、與該饋電點相連接的饋線及一金屬結構。該饋線與該金屬結構相互耦合；該金屬結構至少使兩種不同波段的電磁波諧振。
    其中，該每一天線元件的諧振頻段為2.4GHz-2.49GHz和4.9G-5.9GHz。
    其中，該金屬結構為互補式金屬結構。
    其中，該兩天線元件的金屬結構相同或者為一對互補式的金屬結構。
    其中，該兩天線元件相互獨立設置於介質基板上。
    其中，每一該天線元件還包括接地單元，該接地單元對稱地分佈該饋電點兩側，該接地單元上設置有若干個金屬化的通孔。
    其中，在該介質基板上的該饋電點、該饋線、該金屬結構和該接地單元之外的空餘部分上設置有穿孔。
    為解決上述技術問題，本發明採用的另一個技術方案是：提供一種2.4GHz/5.8GHz雙頻無線通訊裝置，該雙頻無線通訊裝置包括一雙頻天線單元，該雙頻天線單元包括一饋電點、與該饋電點相連接的饋線及一金屬結構；饋線與金屬結構相互耦合；該金屬結構至少使兩個不同波段的電磁波諧振。
    其中，該雙頻天線單元的諧振頻點為2.4GHz和5.8GHz。
    其中，該金屬結構為互補式金屬結構。
    其中，該天線裝置還包括接地單元，該接地單元對稱地分佈該饋電點兩側，該接地單元上設置有若干個金屬化的通孔。
    本發明的有益效果是：區別於習知技術的情况，本發明的採用人工電磁材料理論設計出使至少使兩個不同波段的電磁波諧振的金屬結構，並根據應用無線電子產品選取阻抗匹配的金屬結構；由於這些金屬結構尺寸的物理尺寸不受半波長的物理長度限制；將該金屬結構與饋線進行信號耦合而形成本發明中的雙頻天線。該雙頻天線能同時接收和發送至少使兩個不同波段的電磁波，可以同時滿足多頻段的多模式工作；減少目前市場上的無線通訊電子設備在多頻段的多模式工作需要多根天線的局面。另外，金屬結構是設計不受半波長的物理長度限制及採用天線內置方式，因此根據電子設備的本身尺寸可以設計相應大小天線，以滿足電子設備的小型化需求。
    下面結合附圖及具體實施例對本發明做進一步的描述：本發明的天線是基於人工電磁材料技術設計而成，人工電磁材料是指將金屬片鏤刻成特定形狀的拓撲金屬結構，並將所述特定形狀的拓撲金屬結構設置於一定介電常數和磁導率基材上而加工製造的等效特種電磁材料，其性能參數主要取決於其亞波長的特定形狀的拓撲金屬結構。
    具體而言，如圖1所示，為本發明第一實施方式的雙頻天線結構示意圖。本發明中的雙頻天線110包括一饋電點15、與該饋電點15相連接的饋線14及一平面板狀的金屬結構16。其中饋線14與金屬結構16相互耦合。
    其中，金屬結構16為採用前述的人工電磁材料技術進行設計。尤其在金屬結構的諧振頻段，人工電磁材料通常體現出高度的色散特性，換言之，金屬結構的阻抗、容感性、等效的介電常數和磁導率隨著頻率會發生劇烈的變化。因而可基於人工電磁材料設計方法將金屬結構的基本特性進行設計，使得金屬結構與其依附的介質基板形成的整體，即本申請案中的超材料天線等效地組成了一個高度色散的特種電磁材料，從而實現輻射特性豐富的天線。
    在本實施方式中，金屬結構16為軸對稱的平面板狀金屬結構。其中金屬結構16為銅或銀材料製成。優選為銅，價格低廉，導電性能好。為了實現更好阻抗匹配，金屬結構16也為銅和銀組合。
    雙頻天線110還包括接地單元18，接地單元18上設置有若干個金屬化的通孔181。在本實施方式中，接地單元18對稱地分佈饋電點15兩側。
    本實施例利用人工電磁材料的特性，採用在金屬片上鏤刻成金屬結構的方式，使得金屬結構及與金屬結構所依附的介質共同組成一個等效介電常數按照洛侖茲材料諧振模型色散的電磁材料，從而設計出多諧振頻段的天線。
    在本實施方式中，如圖1所示金屬結構16與其依附的介質基板形成超材料天線使2.4GHz-2.49GHz和4.9GHz-5.9GHz兩個頻段電磁波諧振，金屬結構16的長和寬都可以根據電子設備機構布局做任意調整(如圖7所示)。並且，調節金屬結構16的長、寬及金屬結構相互之間線寬等因素都可以使超材料天線諧振頻段略微偏移，如超材料天線電磁波諧振的可以為兩個頻段：2.4GHz-2.49GHz和5.72GHz-5.85GHz。
    請參閱圖2，雙頻天線110還包括一介質基板17，饋電點15、接地單元18、饋線14及一金屬結構16均設置於介質基板17一表面上；饋線14採用耦合方式饋入金屬結構16。介質基板17可以採用空氣、陶瓷或者絕緣功能的介質基板。本發明中，介質基板17由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料製成。優選地，由高分子材料製成，具體地可以是FR-4、F4B等高分子材料。
    請一並參考圖3、圖4及圖5，饋線14與金屬結構16之間信號饋入方式可以採用多種方式。如圖3所示，饋線14直接與金屬結構16相連；且饋線14與金屬結構16的相連接點位置可以位於金屬結構16上的任意位置。如圖4、5所示，饋線14採用包圍方式設置於與金屬結構16外圍且饋線14的末端設置於金屬結構16外圍任意位置。
    請參閱圖6，根據人工電磁材料設計理論，與上述雙頻天線110的金屬結構16互補式的一金屬結構16a，金屬結構16a的諧振頻點包含2.4GHz和5.8GHz兩個。因此基於此，金屬結構16a可包含於諧振頻點包含2.4GHz和5.8GHz的雙頻天線中。
    本實施例中，關於雙頻天線110的加工製造，只要滿足本發明的設計原理，可以採用各種製造方式。最普通的方法是使用各類印刷電路板(PCB)的製造方法，如覆銅的PCB製造均可滿足本發明的加工要求。另外還可將上述形狀金屬結構16、饋線14和饋電點15都印刷於FPC板上。
    除此加工方式，還可以根據實際的需要引入其它加工手段，如導電銀漿油墨加工方式、各類可形變器件的柔性PCB加工、鐵片天線的加工方式以及鐵片與PCB組合的加工方式。其中，鐵片與PCB組合加工方式是指利用PCB的精確加工來完成芯片微結構部分的加工，用鐵片來完成其它輔助部分。由於採用低成本的銅材料形成金屬結構16，因此暴露空氣中容易被氧化而使雙頻天線110諧振頻率偏移或者性能急劇下降，因此雙頻天線表面上設置有非金屬的防氧化薄膜。由於本發明的主要性能都集中在金屬結構16拓撲和芯片部分的設計，因此，饋線14的引線對雙頻天線110的輻射頻率影響相對較小。基於這個特點，雙頻天線可以被靈活的擺放在系統的任何位置，簡化的安裝測試的複雜度。
    上述雙頻天線110直接可應用包含2.4GHz和5.8GHz的無線通訊裝置，雙頻天線110可以直接設置於無線通訊裝置的PCB板上，也可以採用接口使雙頻天線110通過一接口與無線通訊裝置的PCB板相連接。
    請參閱圖8，MIMO天線裝置包括至少兩個天線單元210、切換單元219及MIMO調製解調電路218。每一天線單元210是前面所述的雙頻天線110，其饋電點向外延伸成引脚，每一天線單元210通過引脚一一與切換單元219連接；MIMO調製解調電路218通過切換單元219接收至少兩天線單元210的電信號和傳送電信號給至少兩天線單元210。
    請參閱圖9，為兩個天線元件形成一具體實施例的結構示意圖。天線元件212包括一介質基板27和設置於介質基板27一表面上的兩天線單元210。兩天線單元210相互獨立設置於介質基板27上。
    天線單元210包括一饋電單元25、設置於饋電單元25兩側的接地單元28、與該饋電單元25相連接的饋線24及一金屬結構26。其中饋線24與金屬結構26相互電信號耦合連接；金屬結構26同樣採用上述的人工電磁材料方式設計。在本實施方式中，金屬結構26為軸對稱金屬結構圖形，對應的兩諧振頻段為2.4GHz-2.49GHz和4.9G-5.9GHz。其中金屬結構26為銅或銀材料製成。
    在本實施方式中，為減少兩天線單元210工作時相互干擾，使兩天線單元210的饋線24長度不相等，進而使得兩天線單元210錯位排列設置以使得兩天線單元在介質基板27上保持信號最大隔離度。於接地單元28包部分夾的饋線24略寬於其它部分的饋線24，且饋線24一端設置一用於接收電信號饋電單元25。在本實施方式中，饋電單元25為一覆銅線。
    接地單元28根據饋線24設置寬度和長度。在本實施方式中，由於兩天線單元210錯位排列，因此兩天線單元210對應的形狀接地單元。
    請參閱圖10，為天線元件另一具體實施例的結構示意圖。每一天線單元210的接地單元28上可設有金屬化的通孔281。
    請參閱圖11，為天線元件21優選的實施例的結構示意圖。介質基板27的空餘部分上設置於穿孔282，穿孔282目的可以減輕產品重量以及有助於配合其應用的電子設備進行散熱。
    請參閱圖12，為天線元件包含一對互補式天線單元結構圖。將金屬結構26和互補式金屬結構26a兩種相互互補的金屬結構設置於同一介質基板27上形成一天線元件。
    當然，如圖13所示，將形狀相同且與圖11中的金屬結構26互補的金屬結構設置於同一介質基板上也可形成本發明的天線元件。
    上述實施方式中，通過在介質基板27上附著金屬結構26或與金屬結構26互補的金屬結構26a及饋線24和饋電單元25，從而形成本發明的天線單元210。本實施方式中，將兩相同的金屬結構26a及對應的饋線24和饋電單元25設置於同一介質基板27上，也就是說，將兩個天線單元210設置於同一介質基板27上形成一天線元件212。天線元件212可通過接口插接於包含兩諧振頻段(例如2.4GHz-2.49GHz和4.9G-5.9GHz)的無線通訊裝置。而金屬結構26與饋線24的方式可以相同，也可以不同，根據最後的MIMO天線裝置的測試最佳效果來修改饋電方式。在本實施方式中，金屬結構26與饋線24都採用非直接電連接方式，即電信號電感電容方式饋入。
    請參閱圖14，為本發明的2.4GHz/5.8GHz雙頻無線通訊裝置的示意圖。2.4GHz/5.8GHz雙頻無線通訊裝置300包括一本體301和內置於本體301的雙頻天線單元310。雙頻天線單元310能接收2.4GHz-2.49GHz和4.9GHz-5.9GHz兩個頻段電磁波，諧振頻點優選為2.4GHz和5.8GHz，從而實現2.4GHz/5.8GHz雙頻無線通訊裝置100同時進行雙頻段通訊。當然，為了提高無線信號接收性能，可以將雙頻天線單元310外置於本體301上。
    2.4GHz/5.8GHz雙頻無線通訊裝置包括但不限於無線接入點(AP)、機頂盒、無線數據卡、無線路由器、手機、個人數字助理、導航裝置、藍牙裝置及WIFI無線基站等各種工作於2.4GHz和5.8GHz無線電子設備。其中，雙頻天線單元310可為上述實施例中所提到的雙頻天線或天線元件。
    通過上述方式，本發明採用人工電磁材料技術設計出相關電磁波諧振響應金屬結構庫，這些結構尺寸相對傳統的天線結構較小，使得天線的物理尺寸不受半波長的物理長度限制；根據應用產品選取阻抗匹配的金屬結構後並通過不斷的篩選、測試及調整，最終來優化出雙頻天線適合的金屬結構，使得所選的金屬結構至少使兩種不同波長的電磁波諧振，滿足了無線電子設備的小型化、天線內置和多模式的工作的需求。
    儘管上文藉由較佳實施例揭示了本發明，但並不意圖限制本發明。本領域熟知此項技藝者可在不脫離本發明的精神及範圍的情況下進行一些潤飾及變化。因而，本發明的保護範圍落入所附的申請專利範圍內。
    14．．．饋線
    15．．．饋電點
    16．．．金屬結構
    16a．．．金屬結構
    17．．．介質基板
    18．．．接地單元
    24．．．饋線
    25．．．饋電單元
    26．．．金屬結構
    26a．．．金屬結構
    27．．．介質基板
    28．．．接地單元
    110．．．雙頻天線
    181．．．通孔
    210．．．天線單元
    212．．．天線元件
    218．．．MIMO調製解調電路
    219．．．切換單元
    281．．．通孔
    282．．．穿孔
    300．．．2.4GHz/5.8GHz雙頻無線通訊裝置
    301．．．本體
    310．．．雙頻天線單元
    圖1為本發明第一實施方式的雙頻天線平面結構圖；
    圖2為圖1所示雙頻天線依附於一介質基板上的結構圖；
    圖3為本發明第二實施方式的雙頻天線上的金屬結構與饋線的饋入方式平面結構圖；
    圖4為本發明第三實施方式的雙頻天線的金屬結構與饋線的饋入方式平面結構圖；
    圖5為本發明第四實施方式的雙頻天線的金屬結構與饋線的饋入方式平面結構圖；
    圖6為圖1所示雙頻天線的一互補式金屬結構的雙頻天線平面結構圖；
    圖7為本發明第五實施方式的雙頻天線的部分平面結構圖；
    圖8為本發明第六實施方式的MIMO天線裝置模塊示意圖；
    圖9為圖8所示天線元件一具體實施例的結構示意圖；
    圖10為圖8所示天線元件另一具體實施例的結構示意圖；
    圖11為圖8所示天線元件第三具體實施例的結構示意圖；
    圖12為本發明天線元件包含一對互補式天線單元結構圖；
    圖13為本發明天線元件包含兩個互補式天線單元結構圖；
    圖14為本發明的2.4GHz/5.8GHz雙頻無線通訊裝置的示意圖。
    14．．．饋線
    15．．．饋電點
    16．．．金屬結構
    17．．．介質基板
    18．．．接地單元
    110．．．雙頻天線
    权利要求:
    Claims (20)
    [1] 一種雙頻天線，其中，所述雙頻天線包括一饋電點、與該饋電點相連接的饋線及一金屬結構；所述饋線與所述金屬結構相互耦合；所述雙頻天線至少使兩個不同波段的電磁波諧振。
    [2] 根據申請專利範圍第1項所述的雙頻天線，其中，所述兩種不同波段的電磁波的頻率段為2.4GHz-2.49GHz和4.9GHz-5.9GHz。
    [3] 根據申請專利範圍第1項所述的雙頻天線，其中，所述雙頻天線還包括接地單元，所述接地單元上設置有若干個金屬化的通孔。
    [4] 根據申請專利範圍第3項所述的雙頻天線，其中，所述接地單元對稱地分佈所述饋電點兩側。
    [5] 根據申請專利範圍第3項所述的雙頻天線，其中，所述雙頻天線還包括一介質基板，所述饋電點、所述接地單元、所述饋線及一所述金屬結構均設置於所述介質基板一表面上。
    [6] 根據申請專利範圍第5項所述的雙頻天線，其中，所述介質基板由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料製成。
    [7] 根據申請專利範圍第6項所述的雙頻天線，其中，所述高分子材料為FR-4和F4B中任意一種。
    [8] 根據申請專利範圍第1項所述的雙頻天線，其中，所述雙頻天線表面上設置有非金屬的防氧化薄膜。
    [9] 根據申請專利範圍第1項所述的雙頻天線，其中，所述金屬結構為平面板狀形狀。
    [10] 一種MIMO天線裝置，其中，所述MIMO天線裝置包括兩天線元件、MIMO調製解調電路和切換單元，所述MIMO調製解調電路通過所述切換單元接收所述天線元件的電信號和傳送電信號給所述天線元件；其中，每一所述天線元件包括一饋電點、與該饋電點相連接的饋線及一金屬結構；所述饋線與所述金屬結構相互耦合；所述雙頻天線至少使兩種不同波段的電磁波諧振。
    [11] 根據申請專利範圍第10項所述的MIMO天線裝置，其中，所述每一天線元件的諧振頻段為2.4GHz-2.49GHz和4.9G-5.9GHz。
    [12] 根據申請專利範圍第10項所述的MIMO天線裝置，其中，所述金屬結構為互補式金屬結構。
    [13] 根據申請專利範圍第10項所述的MIMO天線裝置，其中，所述兩天線元件的金屬結構相同或者為一對互補式的金屬結構。
    [14] 根據申請專利範圍第10項所述的MIMO天線裝置，其中，所述兩天線元件相互獨立設置於介質基板上。
    [15] 根據申請專利範圍第14項所述的MIMO天線裝置，其中，每一所述天線元件還包括接地單元，所述接地單元對稱地分佈所述饋電點兩側，所述接地單元上設置有若干個金屬化的通孔。
    [16] 根據申請專利範圍第15項所述的MIMO天線裝置，其中，在所述介質基板上的所述饋電點、所述饋線、所述金屬結構和所述接地單元之外的空餘部分上設置有穿孔。
    [17] 一種2.4GHz/5.8GHz雙頻無線通訊裝置，其中，所述雙頻無線通訊裝置包括一雙頻天線單元，所述雙頻天線單元包括一饋電點、與該饋電點相連接的饋線及一金屬結構；所述饋線與所述金屬結構相互耦合；所述雙頻天線至少使兩個不同波段的電磁波諧振。
    [18] 根據申請專利範圍第17項所述的天線裝置，其中，所述雙頻天線單元的諧振頻點為2.4GHz和5.8GHz。
    [19] 根據申請專利範圍第17項所述的天線裝置，其中，所述金屬結構為互補式金屬結構。
    [20] 根據申請專利範圍第17項所述的天線裝置，其中，所述天線裝置還包括接地單元，所述接地單元對稱地分佈所述饋電點兩側，所述接地單元上設置有若干個金屬化的通孔。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    引用文献:
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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