TWI621305B - 開槽孔天線 - Google Patents

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陳弘典
楊惠文
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Abstract

一種開槽孔天線，包含基板、接地板和訊號饋入網路。接地板設置於基板的一表面上且具有開槽孔，此開槽孔由接地板之一長邊側延伸至接地板之內部。訊號饋入網路設置於基板的另一表面上，其包含第一至第三饋入部。第一饋入部在垂直基板之平面的方向上橫跨開槽孔。第二饋入部具有第一分支、第二分支及電容元件，其中第一分支在垂直基板之平面的方向上位於開槽孔中且與第一饋入部交會，第二分支短路連接接地板，且電容元件連接第一及第二分支。第三饋入部在垂直基板之平面的方向上部分位於開槽孔中，且其之一端連接第一饋入部。

Description

開槽孔天線
本發明是有關於一種開槽孔天線，且特別是有關於一種適用於行動通訊裝置且具有多操作頻帶的開槽孔天線。
隨著通訊技術的蓬勃發展，商用行動通訊系統已發展至***行動通訊系統，其可在高速移動環境下提供高速數據傳輸，且利於網路服務業者提供各式各樣的服務，例如多媒體影音串流、即時路況報導和行車導航以及即時網路通訊等需要龐大資料傳輸量的網路服務。長期演進技術(Long Term Evolution；LTE)系統是國際間***行動通訊系統的主流，行動通訊裝置可在其移動下達到下行和上行資料傳輸速率分別為100Mbps和50Mbps以上。然而，***行動通訊系統與在其之前之行動通訊系統的操作頻帶不同。以台灣而言，全球行動通訊(Global System for Mobile Communications；GSM)系統的操作頻率包含850MHz、900MHz、1800MHz和1900MHz，通用行動通訊(Universal Mobile Telecommunications System； UMTS)系統的操作頻率包含2100MHz，而LTE系統的操作頻率包含700MHz、2300MHz、2500MHz。
另一方面，常見應用在行動通訊裝置上的天線主要為單極天線、迴圈天線及倒F形天線等。然而，這些天線應用在行動通訊裝置上會占據一定空間，而不利於行動通訊裝置的輕薄化。若可整合設計用於行動通訊裝置上的手機和行動裝置的殼體，則可促進行動通訊裝置的輕薄化。
因此，如何設計應用在行動通訊裝置的天線，其可使行動通訊裝置更為輕薄化，且可使行動通訊裝置可操作於LTE/無線廣域網路(Wireless Wide Area Network；WWAN)頻帶上並具有良好的無線訊號傳輸效果，已為業者致力的目標之一。
本發明的目的是在於提供一種開槽孔天線，其採用單一開槽孔、單一電容元件及具有多支路的訊號饋入網路來激發此開槽孔，可使具有此開槽孔天線的行動通訊裝置實現可涵蓋698MHz至960MHz之低頻帶及1710MHz至2690MHz之高頻帶的無線訊號傳輸，且可具有良好的輻射特性表現。
根據本發明之上述目的，提出一種開槽孔天線，此開槽孔天線包含基板、接地板和訊號饋入網路。基板具有彼此相對的第一表面和第二表面。接地板設置於第一表面上，其具有一開槽孔，此開槽孔由接地板之長邊側延伸至 接地板之內部。訊號饋入網路設置於第二表面上，其包含第一饋入部、第二饋入部和第三饋入部。第一饋入部具有訊號饋入點，且其在垂直基板之平面的方向上橫跨開槽孔。第二饋入部具有第一分支、第二分支及電容元件，其中第一分支在垂直基板之平面的方向上位於開槽孔中且與第一饋入部交會，第二分支短路連接接地板，且電容元件位於第一分支與第二分支之間的間隔中且連接第一分支及第二分支。第三饋入部在垂直基板之平面的方向上部分位於開槽孔中，且第三饋入部的一端連接第一饋入部。
依據本發明的又一實施例，上述電容元件在垂直基板之平面的方向上至少部分位於開槽孔中。
依據本發明的又一實施例，上述電容元件之電容量約為1.5皮法拉(picofarad；pF)。
依據本發明的又一實施例，上述第一饋入部是阻抗為50歐姆之微帶金屬線。
依據本發明的又一實施例，上述第三饋入部是二次折彎之微帶金屬線，其中一折彎處在垂直基板之平面的方向上位於開槽孔外，而另一折彎處在垂直基板之平面的方向上位於開槽孔中。
依據本發明的又一實施例，上述開槽孔天線更包含金屬板，此金屬板連接接地板之短邊側且由基板之第一表面往基板之第二表面的方向延伸，且於基板之第二表面外的一處朝向訊號饋入網路折彎。
依據本發明的又一實施例，上述金屬板在垂直基板之平面的方向上與第一饋入部部分重疊。
依據本發明的又一實施例，上述電容元件是晶片電容。
依據本發明的又一實施例，上述基板是玻璃纖維基板。
100‧‧‧開槽孔天線
110‧‧‧基板
112‧‧‧第一表面
114‧‧‧第二表面
120‧‧‧接地板
122‧‧‧開槽孔
130‧‧‧訊號饋入網路
132‧‧‧第一饋入部
132A‧‧‧訊號饋入點
134‧‧‧第二饋入部
134A‧‧‧第一分支
134B‧‧‧第二分支
134C‧‧‧電容元件
136‧‧‧第三饋入部
136A、136B‧‧‧折彎處
140‧‧‧金屬板
D1、D2‧‧‧平面距離
H140‧‧‧高度
L110、L122、L132、L134、L136、L136-1、L136-2‧‧‧長度
mode 1‧‧‧第一模態
mode 2‧‧‧第二模態
mode 3‧‧‧第三模態
mode 4‧‧‧第四模態
T110‧‧‧厚度
W110、W122、W140‧‧‧寬度
為了更完整了解實施例及其優點，現參照結合所附圖式所做之下列描述，其中：〔圖1A〕係繪示依據本發明實施例之開槽孔天線的立體視圖；〔圖1B〕係繪示〔圖1A〕之開槽孔天線的平面視圖；〔圖2〕為本發明實施例之開槽孔天線的量測與模擬返回損失示意圖；〔圖3A〕為本發明實施例之開槽孔天線與比較例之開槽孔天線的模擬電阻值示意圖；〔圖3B〕為本發明實施例之開槽孔天線與比較例之開槽孔天線的模擬電抗值示意圖；〔圖4〕為本發明實施例之開槽孔天線與比較例之開槽孔天線的模擬返回損失示意圖；〔圖5〕為本發明實施例之開槽孔天線在具有不同電容量的模擬返回損失示意圖；以及 〔圖6〕為本發明實施例之開槽孔天線的天線效率示意圖。
以下仔細討論本發明的實施例。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論、揭示之實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。
請參照圖1A和圖1B，圖1A係繪示依據本發明實施例之開槽孔天線100的立體視圖，而圖1B係繪示開槽孔天線100的平面視圖。開槽孔天線100係設置於一行動通訊裝置中，此行動通訊裝置可以是例如智慧型手機、平板電腦或穿戴式裝置等，但不限於此。特別地，開槽孔天線100可與行動通訊裝置的殼體(例如背蓋)整合為一體。開槽孔天線100其包含基板110、接地板120、訊號饋入網路130和金屬板140。基板110具有彼此相對的第一表面112和第二表面114，而接地板120和訊號饋入網路130分別設置於第一表面112和第二表面114上。基板110可以是玻璃纖維基板、陶瓷基板或其他類似的基板。
接地板120作為行動通訊裝置中的系統接地面，其可與行動通訊裝置的殼體整合為一體。接地板120的材料可以是例如銅、銀、金等金屬。如圖1A和圖1B所示，接地板120具有開槽孔122，此開槽孔122由接地板110之長邊側延伸至接地板110之內部。
接地板130的材料也可以是例如銅、銀、金等金屬。如圖1B所示，訊號饋入網路130包含第一饋入部132、第二饋入部134和第三饋入部136。第一饋入部132在垂直基板110之平面的方向上橫跨開槽孔122且與開槽孔122垂直，且第一饋入部132具有訊號饋入點132A，其用以電性連接行動通訊裝置的電路。在一些實施例中，第一饋入部132是阻抗為50歐姆之微帶金屬線。
第二饋入部134具有第一分支134A、第二分支134B及電容元件134C。第一分支134A在垂直基板110之平面的方向上位於開槽孔122中且與第一饋入部132垂直交會，第二分支134B短路連接至接地板120。第二分支134B在垂直基板110之平面的方向上可位於開槽孔122外或部分位於開槽孔122中。電容元件134C位於第一分支134A與第二分支134B之間的間隔中並連接第一分支134A及第二分支134B，且電容元件134C在垂直基板110之平面的方向上位於開槽孔122中。電容元件134C可以是晶片電容或其他類似的電容元件。在其他實施例中，電容元件134C在垂直基板110之平面的方向上可位於開槽孔122外或部分位於開槽孔122中。
第三饋入部136在垂直基板110之平面的方向上部分位於開槽孔122中，且第三饋入部136的一端連接第一饋入部132。如圖1B所示，第三饋入部136為二次折彎之金屬線，其中折彎處136A在垂直基板110之平面的方向上位於開槽孔122中，而另一折彎處136B在垂直基板110之平 面的方向上位於開槽孔122外。此外，第三饋入部136與第一饋入部132的連接處在垂直基板110之平面的方向上位於開槽孔122外。
金屬板140連接接地板120之短邊側，且其由基板110之第一表面112往基板110之第二表面114的方向延伸。如圖1A所示，金屬板140在基板110之第二表面114外的一處朝向訊號饋入網路130折彎，且其在垂直基板110之平面的方向上與第一饋入部132部分重疊。在其他實施例中，金屬板140可自開槽孔天線100移除。
在以下說明中，本發明實施例之開槽孔天線100中各元件的物理性質如下：基板110為相對介電係數(relative permittivity)為4.4以及損耗正切(loss tangent)為0.02的玻璃纖維基板(FR4基板)，其長度L110、寬度W110和厚度T110分別為75mm、140mm和0.8mm；開槽孔122的長度L122和寬度W122分別為66mm和2mm，且開槽孔122的頂端與基板110的頂端之間的平面距離D1為9mm；第一饋入線132為阻抗為50歐姆之微帶金屬線，其長度L132為10mm，且第一饋入線132的頂端與開槽孔122的頂端之間的平面距離D2為7mm；第二饋入線134的長度L134為50mm，其中第一分支134A和第二分支134B的線寬為1mm，而電容元件134C為電容量為1.5pF的晶片電容；第三饋入線136的總長度為32.3mm，其中分支長度L136-1和L136-2分別為16mm和1.9mm，與第一饋入線132的交會處至折彎處136B的的線寬為0.5mm，而折彎處 136B至最末端的線寬為0.8mm；金屬板140的高度H140和寬度W140分別為6mm和7mm。然而，應注意的是，上述各元件的長度、寬度和厚度等物理性質可依據行動通訊裝置的設計需求而對應調整，並不以上述為限。
圖2為為本發明實施例之開槽孔天線的返回損失示意圖。由圖2可看出量測與模擬的返回損失結果趨勢相近。以5dB的返回損失為基準，本發明實施例之開槽孔天線的量測頻寬包含約為626MHz至1012MHz和1692MHz至2734MHz兩者，其涵蓋850/900/1800/1900MHz的GSM系統操作頻率、2100MHz的UMTS系統操作頻率和700/2300/2500MHz的LTE系統操作頻率。因此，本發明實施例之開槽孔天線適用於八頻操作的行動通訊裝置。
圖3A和圖3B分別為本發明實施例之開槽孔天線與比較例1、2之開槽孔天線的模擬電阻值和電抗值示意圖，而圖4為本發明實施例之開槽孔天線與比較例1、2之開槽孔天線的模擬返回損失示意圖，其中比較例1為圖1A之訊號饋入網路130僅包含第一饋入線132的開槽孔天線，而比較例2為圖1A之訊號饋入網路130僅包含第一饋入線132和第三饋入線136的開槽孔天線。由圖3A、圖3B和圖4可知，比較例1的第一饋入線132分別在頻率約為720MHz處和在頻率約為2350MHz處激發出一基頻模態(即圖3A之mode 1；以下稱第一模態)和一高階模態(即圖3A之mode 4；以下稱第四模態)，且第一模態的第四模態的操作頻帶範圍分別為648MHz至710MHz和1895MHz至2455MHz， 其頻寬相對較窄。比較例2的第三饋入線136可在頻率約為1730MHz處額外激發一模態(即圖3A之mode 3；以下稱第三模態)，且對第一模態及第四模態的影響程度不大。同時，由第三模態及第四模態所形成的高頻頻帶增為1755MHz至2630MHz，但第一模態所形成的低頻頻帶仍未涵蓋850MHz、900MHz等操作頻帶。本發明實施例之開槽孔天線具有第二饋入線134，其可在頻率約為1010MHz處額外激發一模態(即圖3A之mode 2；以下稱第二模態)，且對第一模態、第三模態和第四模態的影響程度不大。由第一模態及第二模態所形成的低頻頻帶增為627MHz至1005MHz，同時由第三模態及第四模態所形成的高頻頻帶增為1693MHz至3000MHz。故本發明實施例之開槽孔天線在LTE/WWAN的八頻頻帶皆可完成阻抗匹配。
圖5為本發明實施例之開槽孔天線的電容元件134C在具有不同電容量(包含0.5pF、1pF、1.5pF和2.5pF)時的模擬返回損失示意圖。由圖5可看出，電容元件的電容量改變對第二模態(即圖5之mode 2)的操作有顯著的影響。隨著電容元件的電容量的增加，第二模態的操作頻率會往低頻移動；當電容元件的電容量為1.5pF時，第二模態的頻率約為1010MHz，且此時第二模態可與第一模態結合為一寬頻操作模態，其具有最佳的低頻帶操作頻寬。
圖6為本發明實施例之開槽孔天線在700MHz至960MHz之低頻帶和在1710MHz至2690MHz之高頻帶的天線效率示意圖。由圖6可看出，本發明實施例之開槽孔 天線在兩個頻帶的模擬結果與量測結果的趨勢相近，其中量測的天線效率在700MHz至960MHz之頻帶中大約介於64%至73%之間，而在1710MHz至2690MHz之頻帶中大約介於中41%至79%之間。由於在上述兩個頻帶中的天線效率皆大於40%，故可證實本發明實施例之開槽孔天線可應用於在LTE/WWAN的操作頻寬上收發訊號的通訊產品上。
由上述實驗結果可知，本發明的開槽孔天線適用於涵蓋698MHz至960MHz之低頻帶及1710MHz至2690MHz之高頻帶的雙寬頻操作，且其具有良好的輻射特性表現。再者，本發明的開槽孔天線之結構僅配置一個電容元件就可增加低頻帶的頻寬，而不需另外配置其他電路，故其具有容易製作和低成本等優點。此外，由於開槽孔天線之結構中的開槽孔為長條狀且其寬度僅為2mm，故其具有結構簡單的優點。將本發明的開槽孔天線應用至行動通訊裝置，可使行動通訊裝置更為輕薄，且有利於行動通訊裝置的殼體設計。
綜上所述，本發明的開槽孔天線可應用在LTE/WWAN頻帶上的無線訊號收發，且具有良好的輻射特性表現，並可與行動通訊裝置的殼體整合設計，使行動通訊裝置更為輕薄。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims (9)

  1. 一種開槽孔天線，包含：一基板，其具有彼此相對的一第一表面和一第二表面；一接地板，設置於該第一表面上，該接地板具有一開槽孔，該開槽孔由該接地板之一長邊側延伸至該接地板之內部；以及一訊號饋入網路，設置於該第二表面上，該訊號饋入網路包含：一第一饋入部，該第一饋入部在垂直該基板之平面的方向上橫跨該開槽孔，且該第一饋入部具有一訊號饋入點；一第二饋入部，具有一第一分支、一第二分支及一電容元件，該第一分支在垂直該基板之平面的方向上位於該開槽孔中且與該第一饋入部交會，該第二分支短路連接該接地板，該電容元件位於該第一分支與該第二分支之間的間隔中且連接該第一分支及該第二分支；以及一第三饋入部，該第三饋入部在垂直該基板之平面的方向上部分位於該開槽孔中，且該第三饋入部之一端連接該第一饋入部。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之開槽孔天線，其中該電容元件在垂直該基板之平面的方向上至少部分位於該開槽孔中。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之開槽孔天線，其中該電容元件之電容量約為1.5皮法拉(picofarad；pF)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之開槽孔天線，其中該第一饋入部係一阻抗為50歐姆之微帶金屬線。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之開槽孔天線，其中該第三饋入部係一二次折彎之金屬線，該第三饋入部之一第一折彎處在垂直該基板之平面的方向上位於該開槽孔外，且第三饋入部之一第二折彎處在垂直該基板之平面的方向上位於該開槽孔中。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之開槽孔天線，更包含：一金屬板，連接該接地板之一短邊側，該金屬板由該基板之第一表面往該基板之第二表面的方向延伸，且於該基板之第二表面外的一處朝向該訊號饋入網路折彎。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之開槽孔天線，其中該金屬板在垂直該基板之平面的方向上與該第一饋入部部分重疊。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之開槽孔天線，其中該電容元件係一晶片電容。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之開槽孔天線，其中該基板係一玻璃纖維基板。
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