專利名稱：多重輸入與輸出天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種多重輸入與輸出天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，特別是一種適用于無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)或無(wú)線城域網(wǎng)絡(luò)的基地臺(tái)的天線結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
無(wú)線通訊系統(tǒng)迅速發(fā)展。不論在商業(yè)或家庭，無(wú)線通訊系統(tǒng)在生活中已無(wú)所不在，并廣泛應(yīng)用于傳輸聲音、數(shù)據(jù)等各種通訊。
多重輸入與輸出(multiple-input multiple-output；MIMO)通訊系統(tǒng)采用多支發(fā)射天線及多支接收天線，作為空間多任務(wù)數(shù)據(jù)流的傳送與接收。在一點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)流的送出或接收皆由單一的終端站執(zhí)行，然而，一具有基地站的多任務(wù)接取通訊系統(tǒng)可能同時(shí)與數(shù)個(gè)終端站連接。因此基地站與每個(gè)終端站間空間多任務(wù)數(shù)據(jù)流的傳送或接收，皆通過(guò)多支發(fā)射天線及多支接收天線來(lái)完成。
由于數(shù)據(jù)傳輸速率高，因而改善了傳輸器和接收器之間的無(wú)線連接性能，此即為多重輸入與輸出無(wú)線通訊系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。也就是，其頻譜效益比非多重輸入與輸出系統(tǒng)高。
分集增益的定義(理想分集增益)×(1-ρ)(1/2)，其理想分集增益和尺寸n×m、n或m成正比，其中m為傳送分集增益值，n為接收分集增益值，n×m為系統(tǒng)總分集增益值。相關(guān)系數(shù)ρ為與下列有關(guān)的函數(shù)并遠(yuǎn)小于1(1)分開(kāi)的天線場(chǎng)型(角度分開(kāi))；(2)分開(kāi)的天線位置(空間分開(kāi))；(3)所接收的入射多重路徑電波的等向分布(角度展形)；(4)所接收的入射多重路徑電波的均勻標(biāo)準(zhǔn)離差分布(延遲展形)。
空間多任務(wù)技術(shù)以往用于提高多重輸入與輸出系統(tǒng)的傳輸速率。空間多任務(wù)增益所提高的吞吐量(throughput)取決于多重輸入與輸出天線的正交性條件。在視線或非散射多重輸入與輸出環(huán)境下，亦或戶外區(qū)域時(shí)，正交性條件為St×Sr/R≥λ/M，其St和Sr分別為傳送及接收天線間隔，R為傳送天線至接收天線的射程，M為接收天線的數(shù)量，而傳送天線的數(shù)量N在本狀況中不需用到。
在基地臺(tái)和筆記型計(jì)算機(jī)的例子中，令F＝5GHz或λ＝0.06m，R＝100m，則當(dāng)M＝2且Sr＝0.24m時(shí)，St≥12.5m或208λ；當(dāng)M＝4且Sr＝0.06m時(shí)，St≥25m或417λ；一般在室外多重輸λ與輸出環(huán)境時(shí)，可設(shè)定100λ＜St為一設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
在非視線或散射多重輸入與輸出環(huán)境下，亦或室內(nèi)區(qū)域時(shí)，正交性條件為[2×Dt/(N-1)]×[2×Dr/(M-1)]≥R×λ/M，其Dt和Dr分別為傳送和接收散射半徑，R為傳送散射中心至接收散射中心的射程，N和M分別為傳送和接收天線數(shù)量。
可用全向理想反射來(lái)模擬在多重輸入與輸出環(huán)境下由散射體制造出的散射。假設(shè)散射體距離天線很遠(yuǎn)，以支持平面波假設(shè)，并假設(shè)Dt(或Dr)遠(yuǎn)小于R，以符合區(qū)域性散射狀態(tài)。
在基地臺(tái)和筆記型計(jì)算機(jī)的例子中，令F＝5GHz或λ＝0.06m，R＝100m，Dr＝Dt，則當(dāng)N＝M＝2時(shí)，Dt＝Dr≥0.866m或14.4λ；當(dāng)N＝2≠M(fèi)＝4時(shí)，Dt＝Dr≥1.061m或17.7λ；當(dāng)N＝4≠M(fèi)＝2時(shí)，Dt＝Dr≥1.500m或25.0λ；當(dāng)N＝M＝4時(shí)，Dt＝Dr≥1.837m或30.6λ；
一般來(lái)說(shuō)St＜Dt，在室內(nèi)多重輸入與輸出環(huán)境時(shí)，可設(shè)定1λ≤St≤10λ為一設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
依據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，就一個(gè)用于4×4多重輸入與輸出天線系統(tǒng)，具有一外殼及四支天線作為基地臺(tái)或橋接器的裝置來(lái)說(shuō)，已有數(shù)種典型結(jié)構(gòu)。圖1顯示一直排天線(co-linear)結(jié)構(gòu)，其具有四支直線排列的偶極天線2，該偶極天線2并連接于基地臺(tái)外殼1較長(zhǎng)的一邊。圖2顯示另一種直排天線(co-linear)結(jié)構(gòu)，其具有四個(gè)平面倒F型天線3(Planar Inverted F Antennas；PIFAs)取代了圖1的偶極天線2。圖3顯示一垂直共平面天線(vertically coplanarantenna)結(jié)構(gòu)，其具有兩支垂直立于外殼1邊緣兩端的偶極天線2及二個(gè)位于外殼1內(nèi)的平面倒F型天線3。另有，圖4顯示的另一種垂直共平面天線(vertically coplanar antenna)結(jié)構(gòu)，包含兩個(gè)位于外殼1兩個(gè)角落的平面倒F型天線3及兩支等距垂直立于平面倒F型天線3之間的偶極天線2。
請(qǐng)參考圖5，顯示了其它垂直共平面天線(vertically coplanar antenna)結(jié)構(gòu)，以交錯(cuò)排列的方式，于基地臺(tái)外殼1較長(zhǎng)一邊，設(shè)置兩支偶極天線2及兩個(gè)平面倒F型天線3。圖6顯示另一種垂直共平面天線(verticallycoplanar antenna)結(jié)構(gòu)，兩支偶極天線2及兩個(gè)平面倒F型天線3分開(kāi)排列于基地臺(tái)外殼1較長(zhǎng)的一邊。參考圖7，顯示一水平共平面天線(horizontally coplanar antenna)結(jié)構(gòu)，其具有四支偶極天線2并垂直立于外殼1的四個(gè)端點(diǎn)。圖8相似于圖7顯示另一種水平共平面天線(horizontally coplanar antenna)結(jié)構(gòu)，只是以平面倒F型天線3取代偶極天線2。另外圖9顯示一斜立方體(slant cubical antenna)天線結(jié)構(gòu)，其兩支偶極天線2垂直立于外殼1較長(zhǎng)一邊的兩端點(diǎn)，而兩個(gè)平面倒F型天線3則位于外殼1的另一較長(zhǎng)邊的兩端點(diǎn)。圖10顯示一歪立方體(askewcubical antenna)天線結(jié)構(gòu)，兩支偶極天線2及兩個(gè)平面倒F型天線3交錯(cuò)位于外殼1的四個(gè)端點(diǎn)。圖11顯示一凹面立方體(concave cubical antenna)天線結(jié)構(gòu)，三支偶極天線2垂直立于外殼1的上表面，并形成一三角形，而一平面倒F型天線3則位于外殼1中，偶極天線2所圍成的三角形中心點(diǎn)上。
圖1至圖11所顯示4×4多重輸入與輸出系統(tǒng)天線結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)為系統(tǒng)效能低。而且，系統(tǒng)較為復(fù)雜且成本高。我們需要一具最佳效能及低成本的多重輸入與輸出天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
更多本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)及優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)以下具體詳細(xì)說(shuō)明及較佳實(shí)施例并伴隨圖示而更顯而易見(jiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種天線的結(jié)構(gòu)，特別是提供一種用于高處理量無(wú)線區(qū)域及城域網(wǎng)絡(luò)的立體4×4多重輸入與輸出天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為，僅使用一支偶極天線，可降低成本并利于基地臺(tái)。此外，簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)使得基地臺(tái)的機(jī)械/工業(yè)設(shè)計(jì)較為容易。
本發(fā)明提供的一種多重輸入與輸出天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包含一外殼；一天線單元，垂直連接于該外殼；以及三個(gè)平面倒F型天線，設(shè)置于一印刷電路板(printed circuit board；PCB)上，該印刷電路板位在該外殼內(nèi)，其中該天線單元和每一個(gè)平面倒F型天線間的距離相等。
其中該天線單元為一偶極天線或一獨(dú)立天線模塊。
外殼若為一個(gè)具矩形剖面的外盒構(gòu)造，則偶極天線立于該外殼外。該外殼的形狀若為四面體、半球體、錐體或立方體，則偶極天線立于該外殼內(nèi)。三個(gè)平面倒F型天線位于圍成一正三角形的端點(diǎn)位置上。在典型的室內(nèi)基地臺(tái)多重輸入與輸出區(qū)域，該偶極天線與每一個(gè)平面倒F型天線間的距離皆大于1λ并小于10λ。在典型的戶外基地臺(tái)多重輸入與輸出區(qū)域，該偶極天線與每一個(gè)平面倒F型天線間的距離皆大于100λ。三個(gè)平面倒F型天線貼附于該外殼內(nèi)的共平面表面。
根據(jù)上述方案，本發(fā)明的效果是顯著的一、本發(fā)明僅使用一支偶極天線，可降低成本并利于基地臺(tái)。此外，簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)使得基地臺(tái)的機(jī)械/工業(yè)設(shè)計(jì)較為容易。
二、本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)為，每一對(duì)立體4×4多重輸入與輸出多天線之間具有相等且充足的空間，彼此提供相等及最佳不相關(guān)以及正交性。因?yàn)?，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)提供等向(或立體角的均等展形)入射多重路徑電波分布，也提供均勻標(biāo)準(zhǔn)離差(或延遲時(shí)間的均等展形)入射多重路徑電波分布。
三、此外，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)提供半球狀的覆蓋范圍；天花板或計(jì)算機(jī)桌面擁有優(yōu)異的多重輸入與輸出效能，使得基地臺(tái)在水平方位和高度方面都具有相等的空間多任務(wù)及天線分集。
四、而本發(fā)明也提供對(duì)稱的三個(gè)120°圓周角；此部署適于蜂巢式組織并使基地臺(tái)頻率能有效再利用。


讀完以下的詳細(xì)敘述并參考圖示后，將更清楚上述宗旨及其它本發(fā)明的特色和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1為現(xiàn)有技術(shù)的一種直排天線(co-linear，0°≤φ≤180°，θ＝90°對(duì)稱)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為現(xiàn)有技術(shù)的另一種直排天線(co-linear，0°≤φ≤180°，θ＝90°對(duì)稱)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為現(xiàn)有技術(shù)的一種垂直共平面天線(vertically coplanar antenna，0°≤φ≤180°，0°≤φ≤90°對(duì)稱)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為現(xiàn)有技術(shù)的第二種垂直共平面天線(vertically coplanarantenna，0°≤φ≤180°，0°≤θ≤90°對(duì)稱)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為現(xiàn)有技術(shù)的第三種垂直共平面天線(vertically coplanarantenna，0°≤φ≤90°，0°≤θ≤90°對(duì)稱)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為現(xiàn)有技術(shù)的第四種垂直共平面天線(vertically coplanarantenna，0°≤φ≤90°，0°≤θ≤90°對(duì)稱)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為現(xiàn)有技術(shù)的一種水平共平面天線(horizontally coplanarantenna，0°≤φ≤360°，θ＝90°對(duì)稱)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8為現(xiàn)有技術(shù)的另一種水平共平面天線(horizontally coplanarantenna，0°≤φ≤360°，θ＝90°對(duì)稱)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9為現(xiàn)有技術(shù)的斜立方體天線(slant cubical antenna，0°≤φ≤90°，0°≤θ≤90°對(duì)稱)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10為現(xiàn)有技術(shù)的歪立方體天線(askew cubical antenna，0°≤φ≤360°，0°≤θ≤90°對(duì)稱)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖11為現(xiàn)有技術(shù)的凹面立方體天線(concave cubical antenna，0°≤φ≤360°，0°≤θ≤90°對(duì)稱)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖12為本發(fā)明的凸面立方體天線(convex cubical antenna，0°≤φ≤360°，0°≤θ≤90°對(duì)稱)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖13為本發(fā)明的立方體天線(solid cubical antenna，0°≤φ≤360°，0°≤θ≤90°對(duì)稱)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖14為本發(fā)明的凸面立方體天線(convex cubical antenna)結(jié)構(gòu)示意圖。
主要元件符號(hào)說(shuō)明1外殼2偶極天線3平面倒F型天線
具體實(shí)施例方式
以下描述一多重輸入與輸出天線的制造方法及其結(jié)構(gòu)。下文中提及許多特殊細(xì)節(jié)，應(yīng)知道所有最佳實(shí)施例僅用于說(shuō)明，而非用以限定本發(fā)明。所主張的專利權(quán)利范圍當(dāng)視權(quán)利要求書(shū)的范圍而定。
依據(jù)多重輸入與輸出天線的設(shè)計(jì)原則，傳送和接收天線間的間距必須夠?qū)捯蕴岣叨嘀剌斎肱c輸出系統(tǒng)的傳輸速率。此外，系統(tǒng)必須滿足多重輸入與輸出天線的正交性條件。戶外環(huán)境的傳輸天線間距St必須大于100λ。室內(nèi)環(huán)境的傳輸天線間距St必須大于1λ并小于10λ。
請(qǐng)參考圖12，其顯示一依據(jù)本發(fā)明最佳實(shí)施例的多重輸入與輸出天線的凸面立方體天線(convex cubical antenna)結(jié)構(gòu)。一支偶極天線2垂直連接于外殼1的表面，而三個(gè)平面倒F型天線3則嵌于外殼1內(nèi)的印刷電路板。三個(gè)平面倒F型天線形成一正三角形，也就是說(shuō)，三個(gè)平面倒F型天線位置圍成一三角形圈，而偶極天線2則位于三角形的中心。在實(shí)施例中，無(wú)線應(yīng)用裝置的外殼1，如基地臺(tái)，為一具矩形剖面的三維空間立體外盒。
三個(gè)平面倒F型天線最好附屬于外殼1內(nèi)的共平面表面，并位于正三角形的封閉圈上，平面倒F型天線大約位于正三角形的端點(diǎn)位置。共平面表面最好與外殼1的最大表面平行，也就是外殼的上表面或下表面。平面倒F型天線3通常彼此平行，并嵌于印刷電路板。同時(shí)，嵌入的平面倒F型天線3彼此間的距離相等。
偶極天線2垂直連接于外殼1的上表面，偶極天線2的中心點(diǎn)至每一個(gè)平面倒F型天線3的距離相等。該距離在典型室內(nèi)多重輸入與輸出區(qū)域皆大于1λ并小于10λ，而該距離在典型戶外多重輸入與輸出區(qū)域皆大于100λ。
三個(gè)平面倒F型天線3的方向可由印刷電路板的中心以輻射狀排列。此為輻射場(chǎng)形/極化分集效應(yīng)最好的方向。在本例中，每一平面倒F型天線間的輻射涵蓋角度約為120度，意即，任兩個(gè)平面倒F型天線軸所夾的扇形角為120°。
另外可用一獨(dú)立天線模塊來(lái)代替偶極天線2，即以獨(dú)立平面倒F型天線模塊或其它具備適當(dāng)安裝機(jī)構(gòu)的獨(dú)立垂直極化天線模塊代替，如圖14所示。在本實(shí)施例中，天線模塊包含一柱體結(jié)構(gòu)2a，該柱體結(jié)構(gòu)2a內(nèi)的上部具有一天線。
本發(fā)明的系統(tǒng)可置于天花板或計(jì)算機(jī)桌面上以提供深半球面的多重輸入與輸出天線基地臺(tái)。本發(fā)明提供較佳的多重輸入與輸出效能，在方位角和在俯仰角皆提供接近相同的空間多任務(wù)及天線分集性能。
請(qǐng)參考圖13，其為本發(fā)明的另一較佳實(shí)施例。外殼1的形狀可為一四面體、半球體、錐體或立方體。一支偶極天線2垂直連接于外殼1內(nèi)的中心位置。本裝置包含三個(gè)平面倒F型天線3，是嵌于一印刷電路板上，該印刷電路板位于外殼1的端點(diǎn)，或?qū)ΨQ排列于外殼1的邊緣。除了外殼1的形狀，偶極天線2及平面倒F型天線3的幾何構(gòu)形與圖12的實(shí)施例相似，因此省略相似敘述。應(yīng)注意可用如圖14的柱體結(jié)構(gòu)取代偶極天線，該柱體結(jié)構(gòu)內(nèi)具有平面倒F型天線。本發(fā)明的對(duì)稱性約為0°≤φ≤360°及0°≤θ≤90°，其中φ為x-y(水平)面的角度，而θ為其中一個(gè)x-z(垂直)平面的角度。
最后，本發(fā)明提到可用一獨(dú)立天線模塊取代偶極天線，即是以第四個(gè)獨(dú)立平面倒F型天線模塊或其它具備適當(dāng)安裝機(jī)構(gòu)的獨(dú)立垂直極化天線模塊代替偶極天線。本發(fā)明置于天花板或桌面上可提供較佳的多重輸入與輸出效能，在方位角和在俯仰角皆提供接近相同的空間多任務(wù)及天線分集性能。
雖然本發(fā)明的較佳實(shí)施例已被闡述，熟悉此領(lǐng)域的技藝者應(yīng)了解，在不違背權(quán)利要求范圍的精神和領(lǐng)域內(nèi)，均可做許多改變。
權(quán)利要求
1.一種多重輸入與輸出天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其特征在于，包含一外殼；一天線單元，垂直連接于該外殼；以及三個(gè)平面倒F型天線，設(shè)置于一印刷電路板上，該印刷電路板位在該外殼內(nèi)，其中該天線單元和每一個(gè)平面倒F型天線間的距離相等。
2.如權(quán)利要求1所述的多重輸入與輸出天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中該外殼為一具有矩形剖面的外盒構(gòu)造。
3.如權(quán)利要求2所述的多重輸入與輸出天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中該天線單元立于該外殼的外面。
4.如權(quán)利要求1所述的多重輸入與輸出天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中該外殼的形狀為一四面體、一半球體、一錐體或一立方體。
5.如權(quán)利要求4所述的多重輸入與輸出天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中該天線單元立于該外殼的內(nèi)部。
6.如權(quán)利要求1所述的多重輸入與輸出天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中該三個(gè)平面倒F型天線位于圍成一三角形的端點(diǎn)位置上。
7.如權(quán)利要求1所述的多重輸入與輸出天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中該天線單元與每一平面倒F型天線的距離大于1λ并小于10λ。
8.如權(quán)利要求1所述的多重輸入與輸出天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中該天線單元與每一該平面倒F型天線的該距離大于100λ。
9.如權(quán)利要求1所述的多重輸入與輸出天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其中該三個(gè)平面倒F型天線貼附于該外殼內(nèi)的一共平面表面。
10.如權(quán)利要求1所述的多重輸入與輸出天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中該天線單元為一偶極天線或一獨(dú)立天線模塊。
11.如權(quán)利要求10所述的多重輸入與輸出天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中該獨(dú)立天線模塊為一獨(dú)立平面倒F型天線模塊或一獨(dú)立垂直極化模塊。
全文摘要
本發(fā)明提供一種多重輸入與輸出天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，該多重輸入與輸出天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包含一外殼；一天線單元，垂直連接于該外殼；以及三個(gè)平面倒F型天線，設(shè)置于一印刷電路板上，該印刷電路板位在該外殼內(nèi)，其中該天線單元和每一個(gè)平面倒F型天線間的距離相等。其中可以一單偶極天線豎立于三個(gè)平面倒F型天線所圍成的三角形中心，而三個(gè)平面倒F型天線彼此與鄰近天線具有相等的斜角，意即，任兩個(gè)平面倒F型天線軸彼此間為120°圓周角，這樣，偶極天線和其它平面倒F型天線形成一四面體。本發(fā)明的多重輸入與輸出天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有較簡(jiǎn)單的構(gòu)造并具有高效能。
文檔編號(hào)H04B7/10GK101072061SQ20071000421
公開(kāi)日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2007年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月31日
發(fā)明者劉一如 申請(qǐng)人:智邦科技股份有限公司