TWI748700B

TWI748700B - 天線結構

Info

Publication number: TWI748700B
Application number: TW109136575A
Authority: TW
Inventors: 羅文遠; 林暉; 饒瑞駿; 呂鎮安
Original assignee: 廣達電腦股份有限公司
Priority date: 2020-10-22
Filing date: 2020-10-22
Publication date: 2021-12-01
Also published as: TW202218247A; US11329382B1; CN114389020A; US20220131268A1

Abstract

一種天線結構，包括：一第一輻射部、一第二輻射部、一第三輻射部、一第四輻射部、一第五輻射部，以及一介質基板。第一輻射部具有一正饋入點。第二輻射部係耦接至第一輻射部。第三輻射部具有一負饋入點。第四輻射部係耦接至第三輻射部。第五輻射部呈現浮接狀態。介質基板具有相對之一第一表面和一第二表面。第一輻射部和第三輻射部皆設置於介質基板之第一表面上。第二輻射部、第四輻射部，以及第五輻射部皆設置於介質基板之第二表面上。

Description

天線結構

本發明係關於一種天線結構，特別係關於一種小尺寸、寬頻帶之天線結構。

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、850 MHz、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系統使用2.4GHz、5.2GHz和5.8GHz的頻帶進行通訊。

天線為無線通訊領域中不可缺少之元件。倘若用於接收或發射信號之天線其頻寬(Bandwidth)不足，則很容易造成行動裝置之通訊品質下降。因此，如何設計出小尺寸、寬頻帶之天線元件，對天線設計者而言是一項重要課題。

在較佳實施例中，本發明提出一種天線結構，包括：一第一輻射部，具有一正饋入點；一第二輻射部，耦接至該第一輻射部；一第三輻射部，具有一負饋入點；一第四輻射部，耦接至該第三輻射部；一第五輻射部，其中該第五輻射部呈現浮接狀態；以及一介質基板，具有相對之一第一表面和一第二表面；其中該第一輻射部和該第三輻射部皆設置於該介質基板之該第一表面上；其中該第二輻射部、該第四輻射部，以及該第五輻射部皆設置於該介質基板之該第二表面上。

在一些實施例中，該天線結構更包括：一第一導電貫通元件，穿透該介質基板，其中該第二輻射部係經由該第一導電貫通元件耦接至該第一輻射部；以及一第二導電貫通元件，穿透該介質基板，其中該第四輻射部係經由該第二導電貫通元件耦接至該第三輻射部。

在一些實施例中，該第一輻射部係呈現一直條形，而該第二輻射部係呈現一較長L字形。

在一些實施例中，該第三輻射部係呈現一U字形，而該第四輻射部係呈現一較短L字形。

在一些實施例中，該第五輻射部係呈現一T字形，並包括一較寬部份和一較窄部份。

在一些實施例中，該正饋入點和該負饋入點於該介質基板之該第二表面上之垂直投影皆位於該第五輻射部之該較寬部份之內。

在一些實施例中，該天線結構涵蓋一第一頻帶和一第二頻帶，該第一頻帶係介於2400MHz至2500MHz之間，而該第二頻帶係介於5150MHz至5850MHz之間。

在一些實施例中，該第一輻射部和該第二輻射部之總長度係小於或等於該第一頻帶之0.25倍波長。

在一些實施例中，該第三輻射部和該第四輻射部之總長度係小於或等於該第一頻帶之0.25倍波長。

在一些實施例中，該天線結構更包括：一同軸電纜線，包括一中心導線和一導體外殼，其中該中心導線係耦接至該正饋入點，而該導體外殼係耦接至該負饋入點；其中該同軸電纜線之長度係小於或等於50mm。

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。

在說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。本領域技術人員應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及申請專利範圍當中所提及的「包含」及「包括」一詞為開放式的用語，故應解釋成「包含但不僅限定於」。「大致」一詞則是指在可接受的誤差範圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題，達到所述基本之技術效果。此外，「耦接」一詞在本說明書中包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接至一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電性連接至該第二裝置，或經由其它裝置或連接手段而間接地電性連接至該第二裝置。

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構(Antenna Structure)100之正視圖。第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之背視圖(相較於正視圖，天線結構100翻轉180度)。天線結構100可應用於一行動裝置(Mobile Device)當中，例如：一遊戲搖桿(Joystick)、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)。在第1圖之實施例中，天線結構100至少包括：一第一輻射部(Radiation Element)110、一第二輻射部120、一第三輻射部130、一第四輻射部140、一第五輻射部150，以及一介質基板(Dielectric Substrate)170，其中第一輻射部110、第二輻射部120、第三輻射部130、第四輻射部140，以及第五輻射部150皆可用金屬材質製成，例如：銅、銀、鋁、鐵，或是其合金。

介質基板170可為一FR4(Flame Retardant 4)基板、一印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)，或是一軟性電路板(Flexible Circuit Board，FCB)。介質基板170具有相對之一第一表面E1和一第二表面E2，其中第一輻射部110和第三輻射部130皆可設置於介質基板170之第一表面E1上，而第二輻射部120、第四輻射部140，以及第五輻射部150皆可設置於介質基板170之第二表面E2上。

第一輻射部110可以大致呈現一直條形。詳細而言，第一輻射部110具有一第一端111和一第二端112，其中一正饋入點(Positive Feeding Point)FP係位於第一輻射部110之第一端111處。正饋入點FP更可耦接至一信號源190之正極(Positive Electrode)。例如，信號源190可為一射頻(Radio Frequency，RF)模組，其可用於激發天線結構100。

第二輻射部120可以大致呈現一較長L字形，其可與第一輻射部110部份垂直且部份平行。詳細而言，第二輻射部120具有一第一端121和一第二端122，其中第二輻射部120之第一端121係耦接至第一輻射部110之第二端112，而第二輻射部120之第二端122為一開路端(Open End)。第一輻射部110之第一端111和第二輻射部120之第二端122可大致朝相同方向作延伸。

在一些實施例中，天線結構100更包括一第一導電貫通元件(Conductive Via Element)161。例如，第一導電貫通元件161可鄰近於介質基板170之一角落處。第一導電貫通元件161可穿透介質基板170，並可耦接於第一輻射部110之第二端112和第二輻射部120之第一端121之間。必須注意的是，本說明書中所謂「鄰近」或「相鄰」一詞可指對應之二元件間距小於一既定距離(例如：5mm或更短)，亦可包括對應之二元件彼此直接接觸之情況(亦即，前述間距縮短至0)。

第三輻射部130可以大致呈現一U字形。詳細而言，第三輻射部130具有一第一端131和一第二端132，其中一負饋入點(Negative Feeding Point)FN係位於第三輻射部130之第一端131處。負饋入點FN係與正饋入點FP分離且相對，其更可耦接至信號源190之負極(Negative Electrode)。第三輻射部130之第一端131和第二端132可大致朝相同方向作延伸。

第四輻射部140可以大致呈現一較短L字形(其相較於第二輻射部120較短)。詳細而言，第四輻射部140具有一第一端141和一第二端142，其中第四輻射部140之第一端141係耦接至第三輻射部130之第二端132，而第四輻射部140之第二端142為一開路端。在一些實施例中，第四輻射部140於介質基板170之第一表面E1上具有一垂直投影(Vertical Projection)，而此垂直投影係與第三輻射部130至少部份重疊。

在一些實施例中，天線結構100更包括一第二導電貫通元件162。例如，第二導電貫通元件162可鄰近於介質基板170之一下方邊緣處。第二導電貫通元件162可穿透介質基板170，並可耦接於第三輻射部130之第二端132和第四輻射部140之第一端141之間。

第五輻射部150可以大致呈現一T字形。詳細而言，第五輻射部150具有一第一端151、一第二端152，以及一第三端153，其屬於三個開路端。第五輻射部150之第一端151和第二端152可朝相反且互相遠離之方向作延伸。必須注意的是，第五輻射部150為浮接狀態(Floating)，其未與其他任何輻射部有直接接觸。第五輻射部150包括一較寬部份154和一較窄部份155。在一些實施例中，正饋入點FP於介質基板170之第二表面E2上具有一第一垂直投影P1，而負饋入點FN於介質基板170之第二表面E2上具有一第二垂直投影P2。第一垂直投影P1和第二垂直投影P2皆位於第五輻射部150之較寬部份154之內部，其中第一垂直投影P1係鄰近於第五輻射部150之第一端151，而第二垂直投影P2係鄰近於第五輻射部150之第二端152。

在一些實施例中，天線結構100更包括一同軸電纜線(Coaxial Cable)180。第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之同軸電纜線180之示意圖。在第3圖之實施例中，同軸電纜線180包括一中心導線(Central Conductive Line)181和一導體外殼(Conductive Housing)182，其中信號源190之正極可經由中心導線181耦接至正饋入點FP，而信號源190之負極可經由導體外殼182耦接至負饋入點FN。

第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz)，而縱軸代表電壓駐波比。根據第4圖之量測結果，當由信號源190所激發時，天線結構100將可涵蓋一第一頻帶FB1和一第二頻帶FB2。例如，第一頻帶FB1可介於2400MHz至2500MHz之間，第二頻帶FB2可介於5150MHz至5850MHz之間。因此，天線結構100將至少可支援WLAN(Wireless Wide Area Network) 2.4GHz/5GHz之寬頻操作。

在天線原理方面，第一輻射部110、第二輻射部120、第三輻射部130，以及第四輻射部140可激發產生一基頻共振模態(Fundamental Resonant Mode)，以形成前述之第一頻帶FB1。第一輻射部110、第二輻射部120、第三輻射部130，以及第四輻射部140更可激發產生一高諧共振模態(Higher-Order Resonant Mode)(二倍頻效應)，以形成前述之第二頻帶FB2。另外，第五輻射部150之加入可增加第一輻射部110和第三輻射部130之間之耦合量(Coupling Amount)。根據實際量測結果，此種設計可用於微調天線結構100之阻抗匹配(Impedance Matching)。由於不需設計較大之系統接地面(System Ground Plane)，故天線結構100不僅能縮小其整體尺寸，同時還能支援其所需之寬頻操作。

在一些實施例中，天線結構100之元件尺寸可如下列所述。第一輻射部110和第二輻射部120兩者之總長度L1可以小於或等於天線結構100之第一頻帶FB1之0.25倍波長(λ/4)。第一輻射部110之寬度W1可介於1mm至2mm之間。第二輻射部120之寬度W2可介於1mm至2mm之間。第三輻射部130和第四輻射部140兩者之總長度L2可以小於或等於天線結構100之第一頻帶FB1之0.25倍波長(λ/4)。第三輻射部130之寬度W3可介於1mm至2mm之間。第四輻射部140之寬度W4可介於1mm至2mm之間。在第五輻射部150當中，較寬部份154之寬度W51和較窄部份155之寬度W52兩者之比值(W51/W52)可約等於3，而較寬部份154之長度L51和較窄部份155之長度L52兩者之比值(L51/L52)可約等於0.25。第二輻射部120之第二端122與第四輻射部140之第一端141兩者之間距D1可介於2mm至3mm之間。介質基板170之厚度(亦即，第一表面E1和第二表面E2之間距)可約為0.4mm。天線結構100之總長度LT可約為20mm，而天線結構100之總寬度WT可約為6mm。為了減少傳輸損耗，同軸電纜線180之長度LC必須小於或等於50mm。以上元件尺寸之範圍係根據多次實驗結果而得出，其有助於最佳化天線結構100之操作頻寬和阻抗匹配。

第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100被使用者握於手中時之電壓駐波比圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz)，而縱軸代表電壓駐波比。根據第5圖之量測結果，即使天線結構100非常靠近人體，其操作頻率亦不會有明顯偏移，故天線結構100將能提供足夠之可靠度(Reliability)。

本發明提出一種新穎之天線結構，相較於傳統設計，本發明至少具有小尺寸、寬頻帶、低製造成本，以及高可靠度等優勢，故其很適合應用於各種各式之行動通訊裝置當中。

值得注意的是，以上所述之元件尺寸、元件形狀，以及頻率範圍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。本發明之天線結構並不僅限於第1-5圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-5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當中。

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:行動裝置

110:第一輻射部

111:第一輻射部之第一端

112:第一輻射部之第二端

120:第二輻射部

121:第二輻射部之第一端

122:第二輻射部之第二端

130:第三輻射部

131:第三輻射部之第一端

132:第三輻射部之第二端

140:第四輻射部

141:第四輻射部之第一端

142:第四輻射部之第二端

150:第五輻射部

151:第五輻射部之第一端

152:第五輻射部之第二端

153:第五輻射部之第三端

154:第五輻射部之較寬部份

155:第五輻射部之較窄部份

161:第一導電貫通元件

162:第二導電貫通元件

170:介質基板

180:同軸電纜線

181:中心導線

182:導體外殼

190:信號源

D1:間距

E1:介質基板之第一表面

E2:介質基板之第二表面

FB1:第一頻帶

FB2:第二頻帶

FP:正饋入點

FN:負饋入點

L1,L2,L51,L52,LC,LT:長度

P1:第一垂直投影

P2:第二垂直投影

W1,W2,W3,W4,W51,W52,WT:寬度

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之正視圖。第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之背視圖。第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之同軸電纜線之示意圖。第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之電壓駐波比圖。第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構被使用者握於手中時之電壓駐波比圖。