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線局域網(wǎng)絡或無線城域網(wǎng)絡的基地臺的天線結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
無線通訊系統(tǒng)迅速發(fā)展。不論在商業(yè)或家庭，無線通訊系統(tǒng)在生活中已無所不在，并廣泛應用于傳輸聲音、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，作為空間多任務數(shù)據(jù)流的傳送與接收。在一點對點系統(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接取通訊系統(tǒng)可能同時與數(shù)個終端站連接。因此基地站與每個終端站間空間多任務數(shù)據(jù)流的傳送或接收，皆通過多支發(fā)射天線及多支接收天線來完成。
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線連接性能，此即為多重輸入與輸出無線通訊系統(tǒng)的優(yōu)點。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)并遠小于1(1)分開的天線場型(角度分開)；(2)分開的天線位置(空間分開)；(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準離差分布(延遲展形)。
空間多任務技術(shù)以往用于提高多重輸入與輸出系統(tǒng)的傳輸速率?？臻g多任務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，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。
在基地臺和筆記型計算機的例子中，令F＝5GHz或λ＝0.06m，R＝100m，則當M＝2且Sr＝0.24m時，St≥12.5m或208λ；當M＝4且Sr＝0.06m時，St≥25m或417λ；一般在室外多重輸λ與輸出環(huán)境時，可設定100λ＜St為一設計準則。
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，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。假設散射體距離天線很遠，以支持平面波假設，并假設Dt(或Dr)遠小于R，以符合區(qū)域性散射狀態(tài)。
在基地臺和筆記型計算機的例子中，令F＝5GHz或λ＝0.06m，R＝100m，Dr＝Dt，則當N＝M＝2時，Dt＝Dr≥0.866m或14.4λ；當N＝2≠M＝4時，Dt＝Dr≥1.061m或17.7λ；當N＝4≠M＝2時，Dt＝Dr≥1.500m或25.0λ；當N＝M＝4時，Dt＝Dr≥1.837m或30.6λ；
一般來說St＜Dt，在室內(nèi)多重輸入與輸出環(huán)境時，可設定1λ≤St≤10λ為一設計準則。
依據(jù)設計準則，就一個用于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或橋接器的裝置來說，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并連接于基地臺外殼1較長的一邊。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)，包含兩個位于外殼1兩個角落的平面倒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)，以交錯排列的方式，于基地臺外殼1較長一邊，設置兩支偶極天線2及兩個平面倒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及兩個平面倒F型天線3分開排列于基地臺外殼1較長的一邊。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的四個端點。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較長一邊的兩端點，而兩個平面倒F型天線3則位于外殼1的另一較長邊的兩端點。圖10顯示一歪立方體(askewcubical antenna)天線結(jié)構(gòu)，兩支偶極天線2及兩個平面倒F型天線3交錯位于外殼1的四個端點。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)的缺點為系統(tǒng)效能低。而且，系統(tǒng)較為復雜且成本高。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)勢及優(yōu)點將通過以下具體詳細說明及較佳實施例并伴隨圖示而更顯而易見。

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線區(qū)域及城域網(wǎng)絡的立體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)點為，僅使用一支偶極天線，可降低成本并利于基地臺。此外，簡單的結(jié)構(gòu)使得基地臺的機械/工業(yè)設計較為容易。
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；以及三個平面倒F型天線，設置于一印刷電路板(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立天線模塊。
外殼若為一個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)。三個平面倒F型天線位于圍成一正三角形的端點位置上。在典型的室內(nèi)基地臺多重輸入與輸出區(qū)域，該偶極天線與每一個平面倒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多重輸入與輸出區(qū)域，該偶極天線與每一個平面倒F型天線間的距離皆大于100λ。三個平面倒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。此外，簡單的結(jié)構(gòu)使得基地臺的機械/工業(yè)設計較為容易。
二、本發(fā)明的其它優(yōu)點為，每一對立體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。因為，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，也提供均勻標準離差(或延遲時間的均等展形)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；天花板或計算機桌面擁有優(yōu)異的多重輸入與輸出效能，使得基地臺在水平方位和高度方面都具有相等的空間多任務及天線分集。
四、而本發(fā)明也提供對稱的三個120°圓周角；此部署適于蜂巢式組織并使基地臺頻率能有效再利用。


讀完以下的詳細敘述并參考圖示后，將更清楚上述宗旨及其它本發(fā)明的特色和優(yōu)點，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。
主要元件符號說明1外殼2偶極天線3平面倒F型天線
具體實施例方式
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節(jié)，應知道所有最佳實施例僅用于說明，而非用以限定本發(fā)明。所主張的專利權(quán)利范圍當視權(quán)利要求書的范圍而定。
依據(jù)多重輸入與輸出天線的設計原則，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。
請參考圖12，其顯示一依據(jù)本發(fā)明最佳實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，而三個平面倒F型天線3則嵌于外殼1內(nèi)的印刷電路板。三個平面倒F型天線形成一正三角形，也就是說，三個平面倒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。在實施例中，無線應用裝置的外殼1，如基地臺，為一具矩形剖面的三維空間立體外盒。
三個平面倒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，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的中心點至每一個平面倒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。此為輻射場形/極化分集效應最好的方向。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，任兩個平面倒F型天線軸所夾的扇形角為120°。
另外可用一獨立天線模塊來代替偶極天線2，即以獨立平面倒F型天線模塊或其它具備適當安裝機構(gòu)的獨立垂直極化天線模塊代替，如圖14所示。在本實施例中，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)可置于天花板或計算機桌面上以提供深半球面的多重輸入與輸出天線基地臺。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及天線分集性能。
請參考圖13，其為本發(fā)明的另一較佳實施例。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，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的實施例相似，因此省略相似敘述。應注意可用如圖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x-z(垂直)平面的角度。
最后，本發(fā)明提到可用一獨立天線模塊取代偶極天線，即是以第四個獨立平面倒F型天線模塊或其它具備適當安裝機構(gòu)的獨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及天線分集性能。
雖然本發(fā)明的較佳實施例已被闡述，熟悉此領(lǐng)域的技藝者應了解，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；以及三個平面倒F型天線，設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，其中該三個平面倒F型天線位于圍成一三角形的端點位置上。
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，其中該獨立天線模塊為一獨立平面倒F型天線模塊或一獨立垂直極化模塊。
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；以及三個平面倒F型天線，設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平面倒F型天線所圍成的三角形中心，而三個平面倒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)具有較簡單的構(gòu)造并具有高效能。
文檔編號H04B7/10GK101072061SQ20071000421
公開日2007年11月14日 申請日期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 申請人:智邦科技股份有限公司