TWI528645B - 天線結構 - Google Patents

Description

天線結構

本發明係關於一種天線結構，特別係關於一種包括偶極天線元件(Dipole Antenna Element)之指向性天線結構(Directional Antenna Structure)。

隨著行動通訊技術的發達，行動裝置在近年日益普遍，常見的例如：手提式電腦、行動電話、多媒體播放器以及其他混合功能的攜帶型電子裝置。為了滿足人們的需求，行動裝置通常具有無線通訊的功能。有些涵蓋長距離的無線通訊範圍，例如：行動電話使用2G、3G、LTE(Long Term Evolution)系統及其所使用700MHz、850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz、2100MHz、2300MHz以及2500MHz的頻帶進行通訊，而有些則涵蓋短距離的無線通訊範圍，例如：Wi-Fi、Bluetooth以及WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)系統使用2.4GHz、3.5GHz、5.2GHz和5.8GHz的頻帶進行通訊。

由於行動裝置內部空間有限，故其中用於無線通訊之天線結構必須儘可能地縮小其尺寸。傳統之高指向性天線結構往往受限於其輻射部與反射面之間之距離過大，因此無法應用於各種小型化之行動裝置中。

本發明提供一種天線結構，包括：一第一偶極天線元件，發射一第一電磁信號；一封閉迴圈導體，鄰近於該第一偶極天線元件；以及一反射面，用於反射來自於該第一偶極天線元件之該第一電磁信號，以提升該天線結構之整體增益；其中該第一偶極天線元件係大致介於該封閉迴圈導體和該反射面之間，或是該封閉迴圈導體係大致介於該第一偶極天線元件和該反射面之間。

另外，本發明提供一種天線結構，包括：一第一偶極天線元件，發射一第一電磁信號；以及一反射面，具有一封閉迴圈槽孔，其中該反射面係用於反射來自於該第一偶極天線元件之該第一電磁信號，以提升該天線結構之整體增益。

100、300、350、400、500、600、800、900、950‧‧‧天線結構

110、410‧‧‧第一偶極天線元件

111、411‧‧‧正饋入點

112、412‧‧‧負饋入點

120、320、370‧‧‧封閉迴圈導體

130、630、830‧‧‧反射面

413、414、415、416‧‧‧輻射支路

520‧‧‧第二偶極天線元件

631‧‧‧反射面之外環部份

632‧‧‧反射面之內環部份

635、835‧‧‧反射面之封閉迴圈槽孔

CC1、CC2、CC3、CC4‧‧‧曲線

D1、D3‧‧‧第一或第二偶極天線元件和反射面之間之距離

D2‧‧‧第一或第二偶極天線元件和封閉迴圈導體之間之距離

S1‧‧‧第一電磁信號

S2‧‧‧第二電磁信號

W1‧‧‧封閉迴圈槽孔之寬度

X、Y、Z‧‧‧座標軸方向

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之示意圖；第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之返回損失圖；第3A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之示意圖；第3B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之示意圖；第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之示意圖；第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之示意 圖；第6圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之示意圖；第7圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之返回損失圖；第8圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之示意圖；第9圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之示意圖；第10圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之示意圖。

為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之示意圖。天線結構100可以設置於一行動裝置中，例如：一智慧型手機(Smart Phone)、一平板電腦(Tablet Computer)，或是一筆記型電腦(Notebook Computer)。另外，天線結構100亦可獨立地設置成為一外接式天線模組，其可耦接至一電子裝置。天線結構100更可耦接至該行動裝置或該電子裝置之一通訊模組，以提供無線通訊功能。如第1圖所示，天線結構100至少包括：一第一偶極天線元件(Dipole Antenna Element)110、一封閉迴圈導體(Closed Loop Conductor)120，以 及一反射面(Reflection Plane)130。第一偶極天線元件110可以包括朝向相反方向延伸之二輻射導體，其中每一輻射導體之長度約為第一偶極天線元件110之一中心操作頻率之0.25倍波長。第一偶極天線元件110具有一正饋入點111和一負饋入點112，它們分別耦接至一信號源之一正極和一負極。第一偶極天線元件110係由該信號源所激發，並發射一第一電磁信號S1。反射面130可以是一金屬接地面。反射面130之尺寸通常遠大於第一偶極天線元件110之尺寸和封閉迴圈導體120之尺寸。在一些實施例中，反射面130可以設置於一介質基板上，例如：一FR4(Flame Retardant 4)基板。反射面130係用於反射來自於第一偶極天線元件110之第一電磁信號S1，以提升天線結構100之整體增益(Gain)。

封閉迴圈導體120係鄰近於第一偶極天線元件110。在第1圖之實施例中，第一偶極天線元件110可以大致介於封閉迴圈導體120和反射面130之間。在其他實施例中，封閉迴圈導體120亦可大致介於第一偶極天線元件110和反射面130之間。在第1圖之實施例中，封閉迴圈導體120係大致為一正方形，其中第一偶極天線元件110於封閉迴圈導體120上具有一垂直投影(投影面之法向量係平行於座標軸方向Z)，而該垂直投影係大致對齊於該正方形之一對角線(例如，該垂直投影之長度可以約等於該對角線之長度)。當第一偶極天線元件110被激發時，封閉迴圈導體120和第一偶極天線元件110之間之互相耦合效應(Mutual Coupling Effect)可以使得第一偶極天線元件110和反射面130之間之一距離D1有效地縮短。舉例來說，在第 1圖之實施例中，第一偶極天線元件110和反射面130之間之距離D1可以約為第一偶極天線元件110之一中心操作頻率之0.125倍波長(λ/8)，其相較於傳統設計之0.25倍波長(λ/4)縮小許多。

在一些實施例中，封閉迴圈導體120之長度約為第一偶極天線元件110之一中心操作頻率之1.1倍至1.7倍波長，且較佳約為1.414倍波長(例如，408mm)。在一些實施例中，封閉迴圈導體120之寬度約介於1mm至2mm之間。在一些實施例中，第一偶極天線元件110和反射面130之間之距離D1約為30mm。在一些實施例中，第一偶極天線元件110和封閉迴圈導體120之間之一距離D2約介於1mm至2mm之間。在一些實施例中，反射面130之長度和寬度皆約為160mm。

第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之返回損失(Return Loss)圖。在第2圖之實施例中，曲線CC1代表天線結構100未包括封閉迴圈導體120時之返回損失，而曲線CC2代表天線結構100已包括封閉迴圈導體120時(如第1圖所示)之返回損失。根據第2圖之結果可知，在納入封閉迴圈導體120之後，天線結構100之操作頻寬將明顯地增加。由於封閉迴圈導體120和第一偶極天線元件110之間之互相耦合效應可以改變第一偶極天線元件110之輸入阻抗(Input Impedance)，故封閉迴圈導體120可用於調整第一偶極天線元件110和反射面130之間之距離D1，進而縮小天線結構100之整體尺寸。因此，本發明之天線結構可兼得提高天線增益以及縮小天線尺寸之雙重優勢，使其適合應用於各種小型化之電子裝 置或是行動裝置。

除了前述設計方式以外，本發明之天線結構更可包括具有其他形狀之偶極天線元件和封閉迴圈導體。請參考下列實施例所述。

第3A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構300之示意圖。第3A圖和第1圖相似。在第3A圖之實施例中，天線結構300之一封閉迴圈導體320大致為一圓形。第一偶極天線元件110於封閉迴圈導體320上具有一垂直投影(投影面之法向量係平行於座標軸方向Z)，而該垂直投影係大致對齊於該圓形之一直徑(例如，該垂直投影之長度可以約等於該直徑之長度)。第3A圖之天線結構300之其餘特徵皆與第1圖之天線結構100相似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

第3B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構350之示意圖。第3B圖和第1圖相似。在第3B圖之實施例中，天線結構350之一封閉迴圈導體370大致為十六邊星形。第一偶極天線元件110於封閉迴圈導體370上具有一垂直投影(投影面之法向量係平行於座標軸方向Z)，而該垂直投影係大致對齊於該十六邊星形之一對角線(例如，該垂直投影之長度可以約等於該對角線之長度)。第3B圖之天線結構350之其餘特徵皆與第1圖之天線結構100相似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構400之示意圖。第4圖和第1圖相似。在第4圖之實施例中，天線結構400之一第一偶極天線元件410包括至少四輻射支路 413、414、415、416，以涵蓋雙操作頻帶。更詳細地說，輻射支路413、415皆耦接至第一偶極天線元件410之一正饋入點411，並大致形成一J字形。另外，輻射支路414、416係耦接至第一偶極天線元件410之一負饋入點412，並大致形成另一J字形。第一偶極天線元件410之正饋入點411和負饋入點412係分別耦接至一信號源之一正極和一負極。當第一偶極天線元件410被激發時，較長之輻射支路413、414係共同產生一低頻頻帶，而較短之輻射支路415、416係共同產生一高頻頻帶。必須注意的是，第4圖之實施例之該低頻頻帶之一中心頻率係等同於前述實施例所稱之第一偶極天線元件110之中心操作頻率。第4圖之天線結構400之其餘特徵皆與第1圖之天線結構100相似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構500之示意圖。第5圖和第1圖相似。在第5圖之實施例中，天線結構500更包括一第二偶極天線元件520。第一偶極天線元件410和第二偶極天線元件520可以分別由不同之二信號源所激發。第二偶極天線元件520係大致垂直於第一偶極天線元件410，並發射一第二電磁信號S2。封閉迴圈導體120亦可鄰近於第二偶極天線元件520，而反射面130亦可用於反射來自於第二偶極天線元件520之第二電磁信號S2。封閉迴圈導體120和第二偶極天線元件520之間之互相耦合效應亦可使得第二偶極天線元件520和反射面130之間之距離D1有效地縮短。在第5圖之實施例中，第二偶極天線元件520係與第一偶極天線元件410完全相同(例如，詳細結構可如第4圖所示)，其差異僅在於第二偶極 天線元件520更旋轉了約90度。在其他實施例中，第二偶極天線元件520和第一偶極天線元件410亦可各自與第1圖所示之第一偶極天線元件110(僅包括二輻射支路)相同，而其間夾角約為90度。在第5圖之實施例中，封閉迴圈導體120係大致為一正方形。第一偶極天線元件410於封閉迴圈導體120上具有一第一垂直投影(投影面之法向量係平行於座標軸方向Z)，而第二偶極天線元件520於封閉迴圈導體120上具有一第二垂直投影(投影面之法向量係平行於座標軸方向Z)，其中該第一垂直投影和該第二垂直投影係分別大致對齊於該正方形之二垂直對角線。由於第二偶極天線元件520和第一偶極天線元件410係大致正交，天線結構500將可具有雙線性極化方向，有助於接收或傳送不同方向之電磁信號。第5圖之天線結構500之其餘特徵皆與第1圖之天線結構100相似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

第6圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構600之示意圖。如第6圖所示，天線結構600至少包括：一第一偶極天線元件110，以及一反射面630。第一偶極天線元件110可以由一信號源所激發，並發射一第一電磁信號S1。第一偶極天線元件110之詳細結構可如第1圖之實施例所述。反射面630可以是一金屬接地面，而其尺寸通常遠大於第一偶極天線元件110之尺寸。在一些實施例中，反射面630可以設置於一介質基板上，例如：一FR4基板。反射面630係用於反射來自於第一偶極天線元件110之第一電磁信號S1，以提升天線結構600之整體增益。反射面630具有一封閉迴圈槽孔(Closed Loop Slot)635。 更詳細地說，反射面630包括位於封閉迴圈槽孔635以外之一外環部份631，以及位於封閉迴圈槽孔635以內之一內環部份632，其中外環部份631和內環部份632係由封閉迴圈槽孔635所完全隔離開。在第6圖之實施例中，封閉迴圈槽孔635大致為一正方形，其中第一偶極天線元件110於反射面630上具有一垂直投影(投影面之法向量係平行於座標軸方向Z)，而該垂直投影係大致對齊於該正方形之一對角線(例如，該垂直投影之長度可以大於該對角線之長度)。當第一偶極天線元件110被激發時，反射面630之外環部份631和第一偶極天線元件110之間之互相耦合效應可以使得第一偶極天線元件110和反射面630之間之一距離D3有效地縮短。舉例來說，在第6圖之實施例中，第一偶極天線元件110和反射面630之間之距離D3可以約為第一偶極天線元件110之一中心操作頻率之0.125倍波長(λ/8)，其相較於傳統設計之0.25倍波長(λ/4)縮小許多。在其他實施例中，反射面630之內環部份632亦可省略，使得反射面630大致形成一中空結構。

在一些實施例中，封閉迴圈槽孔635之長度約為第一偶極天線元件110之一中心操作頻率之0.8倍至1.2倍波長，且較佳約為1倍波長(例如，288mm)。在一些實施例中，封閉迴圈槽孔635之寬度W1約介於1mm至2mm之間。在一些實施例中，第一偶極天線元件110和反射面630之間之距離D3約為30mm。在一些實施例中，反射面630之長度和寬度皆約為160mm。

第7圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構600之返回損失圖。在第7圖之實施例中，曲線CC3代表天線 結構600之反射面630未具有封閉迴圈槽孔635時之返回損失，而曲線CC4代表天線結構600之反射面630已具有封閉迴圈槽孔635時(如第6圖所示)之返回損失。根據第7圖之結果可知，在封閉迴圈槽孔635形成於反射面630內之後，天線結構600之操作頻寬將明顯地增加。由於反射面630之外環部份631和第一偶極天線元件110之間之互相耦合效應可以改變第一偶極天線元件110之輸入阻抗，故反射面630之外環部份631可用於調整第一偶極天線元件110和反射面630之間之距離D3，進而縮小天線結構600之整體尺寸。就天線操作原理而言，第6圖之反射面630之外環部份631之功用可大致等同於第1圖之封閉迴圈導體120之功用，故第6圖和第1圖之實施例均可達成相似之操作效果。

除了前述設計方式以外，本發明之天線結構更可包括具有其他形狀之偶極天線元件和封閉迴圈槽孔。請參考下列實施例所述。

第8圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構800之示意圖。第8圖和第6圖相似。在第8圖之實施例中，天線結構800之一反射面830之一封閉迴圈槽孔835大致為一圓形。第一偶極天線元件110於反射面830上具有一垂直投影(投影面之法向量係平行於座標軸方向Z)，而該垂直投影係大致對齊於該圓形之一直徑(例如，該垂直投影之長度可以大於該直徑之長度)。第8圖之天線結構800之其餘特徵皆與第6圖之天線結構600相似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

第9圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構900之示意圖。第9圖和第6圖相似。在第9圖之實施例中，天 線結構900之一第一偶極天線元件410包括至少四輻射支路413、414、415、416，以涵蓋雙操作頻帶。第一偶極天線元件410之詳細結構可如第4圖之實施例所述。第9圖之天線結構900之其餘特徵皆與第6圖之天線結構600相似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

第10圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構950之示意圖。第10圖和第6圖相似。在第10圖之實施例中，天線結構950更包括一第二偶極天線元件520。第二偶極天線元件520係與第一偶極天線元件410完全相同，其差異僅在於第二偶極天線元件520更旋轉了約90度。第一偶極天線元件410和第二偶極天線元件520之詳細結構可如第1、4、5圖之實施例所述。第二偶極天線元件520係大致垂直於第一偶極天線元件410，並發射一第二電磁信號S2。反射面630亦可用於反射來自於第二偶極天線元件520之第二電磁信號S2。反射面630之外環部份631和第二偶極天線元件520之間之互相耦合效應亦可使得第二偶極天線元件520和反射面630之間之距離D3有效地縮短。由於第二偶極天線元件520和第一偶極天線元件410係大致正交，天線結構950將可具有雙線性極化方向，有助於接收或傳送不同方向之電磁信號。第10圖之天線結構950之其餘特徵皆與第6圖之天線結構600相似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

值得注意的是，以上所述之元件尺寸、元件參數、以及元件形狀皆非為本發明之限制條件。天線設計者可以根據不同需要調整這些設定值。另外，本發明之天線結構並不僅限 於第1-10圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-10圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之，並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之天線結構中。

在本說明書以及申請專利範圍中的序數，例如「第一」、「第二」、「第三」等等，彼此之間並沒有順序上的先後關係，其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧天線結構

110‧‧‧第一偶極天線元件

111‧‧‧正饋入點

112‧‧‧負饋入點

120‧‧‧封閉迴圈導體

130‧‧‧反射面

D1‧‧‧第一偶極天線元件和反射面之間之距離

D2‧‧‧第一偶極天線元件和封閉迴圈導體之間之距離

S1‧‧‧第一電磁信號

Claims (19)

1. 一種天線結構，包括：一第一偶極天線元件，發射一第一電磁信號；一封閉迴圈導體，鄰近於該第一偶極天線元件；以及一反射面，用於反射來自於該第一偶極天線元件之該第一電磁信號，以提升該天線結構之整體增益；其中該第一偶極天線元件係大致介於該封閉迴圈導體和該反射面之間，或是該封閉迴圈導體係大致介於該第一偶極天線元件和該反射面之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該封閉迴圈導體和該第一偶極天線元件之間之互相耦合效應使得該第一偶極天線元件和該反射面之間之一距離縮短。
3. 如申請專利範圍第2項所述之天線結構，其中該第一偶極天線元件和該反射面之間之該距離約為該第一偶極天線元件之一中心操作頻率之0.125倍波長。
4. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該第一偶極天線元件和該封閉迴圈導體之間之一距離約介於1mm至2mm之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該封閉迴圈導體之長度約為該第一偶極天線元件之一中心操作頻率之1.1倍至1.7倍波長。
6. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該封閉迴圈導體大致為一正方形，該第一偶極天線元件於該封閉迴圈導體上具有一垂直投影，而該垂直投影係大致對齊於 該正方形之一對角線。
7. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該封閉迴圈導體大致為一圓形，該第一偶極天線元件於該封閉迴圈導體上具有一垂直投影，而該垂直投影係大致對齊於該圓形之一直徑。
8. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該第一偶極天線元件包括至少四輻射支路，以涵蓋雙操作頻帶。
9. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，更包括：一第二偶極天線元件，大致垂直於該第一偶極天線元件，並發射一第二電磁信號，其中該封閉迴圈導體更鄰近於該第二偶極天線元件，該反射面更用於反射來自於該第二偶極天線元件之該第二電磁信號，而該天線結構更具有雙線性極化方向。
10. 如申請專利範圍第9項所述之天線結構，其中該第二偶極天線元件包括至少四輻射支路，以涵蓋雙操作頻帶。
11. 一種天線結構，包括：一第一偶極天線元件，用以發射一第一電磁信號；以及一反射面，具有一封閉迴圈槽孔，其中該反射面係用於反射來自於該第一偶極天線元件之該第一電磁信號，以提升該天線結構之整體增益。
12. 如申請專利範圍第11項所述之天線結構，其中該反射面包括位於該封閉迴圈槽孔以外之一外環部份，而該外環部份和該第一偶極天線元件之間之互相耦合效應使得該第一偶極天線元件和該反射面之間之一距離縮短。
13. 如申請專利範圍第12項所述之天線結構，其中該第一偶極天線元件和該反射面之間之該距離約為該第一偶極天線元件之一中心操作頻率之0.125倍波長。
14. 如申請專利範圍第11項所述之天線結構，其中該封閉迴圈槽孔之長度約為該第一偶極天線元件之一中心操作頻率之0.8倍至1.2倍波長。
15. 如申請專利範圍第11項所述之天線結構，其中該封閉迴圈槽孔大致為一正方形，該第一偶極天線元件於該反射面上具有一垂直投影，而該垂直投影係大致對齊於該正方形之一對角線。
16. 如申請專利範圍第11項所述之天線結構，其中該封閉迴圈槽孔大致為一圓形，該第一偶極天線元件於該反射面上具有一垂直投影，而該垂直投影係大致對齊於該圓形之一直徑。
17. 如申請專利範圍第11項所述之天線結構，其中該第一偶極天線元件包括至少四輻射支路，以涵蓋雙操作頻帶。
18. 如申請專利範圍第11項所述之天線結構，更包括：一第二偶極天線元件，大致垂直於該第一偶極天線元件，並發射一第二電磁信號，其中該反射面更用於反射來自於該第二偶極天線元件之該第二電磁信號，而該天線結構更具有雙線性極化方向。
19. 如申請專利範圍第18項所述之天線結構，其中該第二偶極天線元件包括至少四輻射支路，以涵蓋雙操作頻帶。