TWI756931B

TWI756931B - 天線結構

Info

Publication number: TWI756931B
Application number: TW109140713A
Authority: TW
Inventors: 楊城榤; 陳志銘
Original assignee: 緯創資通股份有限公司
Priority date: 2020-11-20
Filing date: 2020-11-20
Publication date: 2022-03-01
Also published as: TW202221979A; CN114520411A; US11342670B1; US20220166142A1

Abstract

一種天線結構，包括：一饋入輻射部、一第一輻射部、一第二輻射部、一非導體支撐元件，以及一週邊元件。饋入輻射部具有一饋入點。第一輻射部包括一分支部份和一增寬部份，其中饋入輻射部係經由第一輻射部耦接至一接地電位。第二輻射部係耦接至饋入輻射部和第一輻射部。非導體支撐元件可承載饋入輻射部、第一輻射部，以及第二輻射部。週邊元件包括一非導體外殼和一內部金屬元件，其中第一輻射部之分支部份和增寬部份皆設置於週邊元件之非導體外殼上。

Description

天線結構

本發明係關於一種天線結構(Antenna Structure)，特別係關於一種寬頻帶(Wideband)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(Antenna)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：一饋入輻射部，具有一饋入點；一第一輻射部，包括一分支部份和一增寬部份，其中該饋入輻射部係經由該第一輻射部耦接至一接地電位；一第二輻射部，耦接至該饋入輻射部和該第一輻射部；一非導體支撐元件，承載該饋入輻射部、該第一輻射部，以及該第二輻射部；以及一週邊元件，包括一非導體外殼和一內部金屬元件，其中該第一輻射部之該分支部份和該增寬部份皆設置於該週邊元件之該非導體外殼上。

在一些實施例中，該週邊元件為一揚聲器模組、一相機模組、一掃描器模組，或是一通用序列匯流排插槽模組。

在一些實施例中，該天線結構涵蓋一第一頻帶、一第二頻帶，以及一第三頻帶，該第一頻帶係介於699MHz至960MHz之間，該第二頻帶係介於1400MHz至2170MHz之間，而該第三頻帶係介於2300MHz至2700MHz之間。

在一些實施例中，該第一輻射部與該週邊元件之該內部金屬元件之間產生耦合效應，使得該天線結構於該第一頻帶內之輻射效率會大幅上升。

在一些實施例中，該饋入輻射部係呈現一Z字形。

在一些實施例中，該饋入輻射部具有一第一端和一第二端，而該饋入點係位於該饋入輻射部之該第一端處。

在一些實施例中，該第一輻射部係呈現一立體蜿蜒結構。

在一些實施例中，該第一輻射部具有一第一端和一第二端，該第一輻射部之該第一端係耦接至該饋入輻射部之該第二端，而耦接至該接地電位之一接地點係位於該第一輻射部之該第二端處。

在一些實施例中，該第一輻射部之該分支部份係呈現一U字形。

在一些實施例中，該第一輻射部之該增寬部份係呈現一五邊形。

在一些實施例中，該饋入輻射部和該第一輻射部之總長度係小於或等於該第一頻帶之0.5倍波長。

在一些實施例中，該第二輻射部係呈現一直條形。

在一些實施例中，該第二輻射部係與該第一輻射部至少部份平行。

在一些實施例中，該第二輻射部具有一第一端和一第二端，該第二輻射部之該第一端係耦接至該饋入輻射部之該第二端，而該第二輻射部之該第二端為一開路端。

在一些實施例中，該饋入輻射部和該第二輻射部之總長度係大於或等於該第三頻帶之0.25倍波長。

在一些實施例中，該天線結構更包括：一切換器；一第一阻抗元件；一第二阻抗元件；以及一第三阻抗元件，其中該切換器係根據一控制信號來選擇該第一阻抗元件、該第二阻抗元件，以及該第三阻抗元件之一者，而該接地點係經由所選擇之阻抗元件耦接至該接地電位。

在一些實施例中，該第一阻抗元件、該第二阻抗元件，以及該第三阻抗元件具有不同之阻抗值。

在一些實施例中，該第一阻抗元件為一電感器。

在一些實施例中，該第二阻抗元件為一短路路徑。

在一些實施例中，該第三阻抗元件為一電容器。

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。

以下的揭露內容提供許多不同的實施例或範例以實施本案的不同特徵。以下的揭露內容敘述各個構件及其排列方式的特定範例，以簡化說明。當然，這些特定的範例並非用以限定。例如，若是本揭露書敘述了一第一特徵形成於一第二特徵之上或上方，即表示其可能包含上述第一特徵與上述第二特徵是直接接觸的實施例，亦可能包含了有附加特徵形成於上述第一特徵與上述第二特徵之間，而使上述第一特徵與第二特徵可能未直接接觸的實施例。另外，以下揭露書不同範例可能重複使用相同的參考符號及/或標記。這些重複係為了簡化與清晰的目的，並非用以限定所討論的不同實施例及/或結構之間有特定的關係。

此外，其與空間相關用詞。例如「在…下方」、「下方」、「較低的」、「上方」、「較高的」及類似的用詞，係為了便於描述圖示中一個元件或特徵與另一個(些)元件或特徵之間的關係。除了在圖式中繪示的方位外，這些空間相關用詞意欲包含使用中或操作中的裝置之不同方位。裝置可能被轉向不同方位(旋轉90度或其他方位)，則在此使用的空間相關詞也可依此相同解釋。

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之立體圖。第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之俯視圖。第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之側視圖。第4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。請一併參考第1-4圖。天線結構100可應用於一行動裝置(Mobile Device)當中，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)。如第1-4圖所示，天線結構100包括：一饋入輻射部(Feeding Radiation Element)110、一第一輻射部(Radiation Element)120、一第二輻射部150、一非導體支撐元件(Nonconductive Support Element)180，以及一週邊元件(Accessory Element)190，其中饋入輻射部110、第一輻射部120，以及第二輻射部150皆可用金屬材質製成，例如：銅、銀、鋁、鐵，或是其合金。

饋入輻射部110可以大致呈現一Z字形或一N字形。詳細而言，饋入輻射部110具有一第一端111和一第二端112，其中一饋入點(Feeding Point)FP係位於饋入輻射部110之第一端111處。饋入點FP更可耦接至一信號源(Signal Source)(未顯示)。例如，前述信號源可為一射頻(Radio Frequency，RF)模組，其可用於激發天線結構100。

第一輻射部120可以大致呈現一立體蜿蜒結構(3D Meandering Structure)。詳細而言，第一輻射部120具有一第一端121和一第二端122，其中第一輻射部120之第一端121係耦接至饋入輻射部110之第二端112，而耦接至一接地電位(Ground Voltage)VSS之一接地點(Grounding Point)GP係位於第一輻射部120之第二端122處。亦即，饋入輻射部110可經由第一輻射部120耦接至接地電位VSS。接地電位VSS可由天線結構100之一系統接地面(System Ground Plane)所提供(未顯示)。

第一輻射部120至少包括一分支部份(Branch Portion)130和一增寬部份(Widening Portion)140。第一輻射部120之分支部份130可以大致呈現一U字形。在一些實施例中，第一輻射部120之分支部份130具有一缺口區域(Notch Region)135，其可大致呈現一直條形。第一輻射部120之增寬部份140可以大致呈現一五邊形，其寬度明顯大於第一輻射部120之其餘部份。另外，前述之五邊形可具有互相平行之至少二個對邊。在一些實施例中，第一輻射部120包圍住一半封閉區域(Semi-Enclosed Region)125，其中第一輻射部120之分支部份130和增寬部份140皆鄰近於此半封閉區域125。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)。

在一些實施例中，第一輻射部120更包括一第一彎折部份(Bending Portion)160和一第二彎折部份170。例如，第一輻射部120之第一彎折部份160可以大致呈現一L字形，而第一輻射部120之第二彎折部份170可以大致呈現一W字形，但亦不僅限於此。在一些實施例中，饋入輻射部110係依序經由第一輻射部120之第一彎折部份160、第二彎折部份170、分支部份130，以及增寬部份140耦接至接地點GP。必須理解的是，第一輻射部120之第一彎折部份160和第二彎折部份170皆屬於選用元件(Optional Element)，其形狀尚可依不同需求進行調整。

第二輻射部150可以大致呈現一直條形，其可與第一輻射部120至少部份平行。詳細而言，第二輻射部150具有一第一端151和一第二端152，其中第二輻射部150之第一端151係耦接至饋入輻射部110之第二端112和第一輻射部120之第一端121，而第二輻射部150之第二端152為一開路端(Open End)，其可朝遠離饋入輻射部110之方向作延伸。在一些實施例中，一槽孔區域(Slot Region)155係形成於第一輻射部120和第二輻射部150之間。例如，前述之槽孔區域155具有一開口端(Open End)和一閉口端(Closed End)，並可大致呈現一直條形。

非導體支撐元件180係至少部份承載饋入輻射部110、第一輻射部120，以及第二輻射部150。在一些實施例中，饋入輻射部110、第一輻射部120，以及第二輻射部150皆設置於一軟性電路板(Flexible Printed Circuit Board，FPC)上(未顯示)，而此軟性電路板再貼合於非導體支撐元件180上。

週邊元件190可以是與天線結構100功能相異之另一模組。例如，週邊元件190可以是一揚聲器模組(Speaker Module)、一相機模組(Camera Module)、一掃描器模組(Scanner Module)，或是一通用序列匯流排插槽模組(Universal Serial Bus Module)，但亦不僅限於此。詳細而言，週邊元件190包括一非導體外殼(Nonconductive Housing)192和一內部金屬元件(Internal Metal Element)194，其中第一輻射部120之分支部份130和增寬部份140皆設置於週邊元件190之非導體外殼192上。在一些實施例中，前述之軟性電路板更貼合於週邊元件190之非導體外殼192上。

第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之頻率調整機制之示意圖。在第5圖之實施例中，天線結構100更包括一切換器(Switch Element)510、一第一阻抗元件(Impedance Element)520、一第二阻抗元件530，以及一第三阻抗元件540。切換器510具有一第一端和一第二端，其中切換器510之第一端係耦接至接地點GP，而切換器510之第二端可於第一阻抗元件520、第二阻抗元件530，以及第三阻抗元件540之間作切換。第一阻抗元件520、第二阻抗元件530，以及第三阻抗元件540可具有不同之阻抗值。例如，第一阻抗元件520可為一固定電感器(Fixed Inductor)或一可變電感器(Variable Inductor)，第二阻抗元件530可為一短路路徑(Short-Circuited Path)，而第三阻抗元件540可為一固定電容器(Fixed Capacitor)或一可變電容器(Variable Capacitor)，但亦不僅限於此。切換器510可根據一控制信號(Control Signal)SC來選擇第一阻抗元件520、第二阻抗元件530，以及第三阻抗元件540之一者，使得接地點GP可經由所選擇之阻抗元件耦接至接地電位VSS。例如，前述之控制信號SC可由一處理器(Processor)根據一使用者輸入而產生(未顯示)。在另一些實施例中，切換器510亦可改為互相獨立之三個子切換器，其分別耦接至第一阻抗元件520、第二阻抗元件530，以及第三阻抗元件540，此亦不致影響本發明功效。必須理解的是，切換器510、第一阻抗元件520、第二阻抗元件530，以及第三阻抗元件540皆為選用元件，在其他實施例中亦可改由一直接接地路徑所取代。

第6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，其中橫軸代表操作頻率(MHz)，而縱軸代表返回損失(dB)。一第一曲線(Curve)CC1係代表當切換器510選擇第一阻抗元件520時天線結構100之操作特性。一第二曲線CC2係代表當切換器510選擇第二阻抗元件530時天線結構100之操作特性。一第三曲線CC3係代表當切換器510選擇第三阻抗元件540時天線結構100之操作特性。根據第6圖之量測結果，天線結構100可涵蓋一第一頻帶(Frequency Band)FB1、一第二頻帶FB2，以及一第三頻帶FB3。例如，第一頻帶FB1可介於699MHz至960MHz之間，第二頻帶FB2可介於1400MHz至2170MHz之間，而第三頻帶FB3可介於2300MHz至2700MHz之間。因此，天線結構100將至少可支援LTE(Long Term Evolution)之寬頻操作。

在天線原理方面，饋入輻射部110和第一輻射部120可共同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。饋入輻射部110和第一輻射部120更可共同激發產生一高階共振模態(Higher-Order Resonant Mode)，以形成前述之第二頻帶FB2。另外，饋入輻射部110和第二輻射部150則可共同激發產生前述之第三頻帶FB3。必須注意的是，由於第一輻射部120之分支部份130和增寬部份140皆鄰近於週邊元件190，故第一輻射部120與週邊元件190之內部金屬元件194之間會產生耦合效應(Coupling Effect)。根據實際量測結果，在此設計下，天線結構100於第一頻帶FB1內之輻射效率(Radiation Efficiency)會大幅上升。

第7圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之輻射效率圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz)，而縱軸代表輻射效率(%)。一第四曲線CC4係代表當第一輻射部120未鄰近週邊元件190時天線結構100之操作特性(無耦合效應)。一第五曲線CC5係代表當第一輻射部120已鄰近週邊元件190時天線結構100之操作特性(如本發明之設計，即第一輻射部120與週邊元件190之內部金屬元件194之間會產生耦合效應)。根據第7圖之量測結果，因為週邊元件190之內部金屬元件194可視為天線結構100之一延伸輻射部(Extension Radiation Element)，所以天線結構100於前述之第一頻帶FB1內之輻射效率可有效提升大約13%，此已能滿足一般行動通訊置之實際應用需求。

在一些實施例中，天線結構100之元件尺寸和元件參數可如下列所述。饋入輻射部110和第一輻射部120之總長度L1可小於或等於天線結構100之第一頻帶FB1之0.5倍波長(λ/2)。饋入輻射部110和第二輻射部150之總長度L2可大於或等於天線結構100之第三頻帶FB3之0.25倍波長(λ/4)。在第一輻射部120中，分支部份130之長度L3可介於8mm至12mm之間，而分支部份130之寬度W3可介於3mm至4mm之間。缺口區域135之長度L4可介於4mm至6mm之間，而缺口區域135之寬度W4可介於1mm至2mm之間。在第一輻射部120中，增寬部份140之長度L5可介於12mm至16mm之間，而分支部份140之寬度W5可介於4mm至6mm之間。槽孔區域155之寬度WS可介於0.5mm至1mm之間。第一阻抗元件520之電感值(Inductance)可介於8nH至12nH之間。第二阻抗元件530之電阻值(Resistance)可大致等於0Ω。第三阻抗元件540之電容值(Capacitance)可介於2pF至6pF之間。以上尺寸和參數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(Operation Bandwidth)和阻抗匹配(Impedance Matching)。

本發明提出一種新穎之天線結構，其包括一週邊元件。由於週邊元件可與天線結構之輻射部之間產生耦合效應，故天線結構之輻射效率將能有效改善。與傳統技術相比，本發明至少具有小尺寸、寬頻帶、低製造成本，以及能適應不同使用環境等優勢，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、元件參數，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1-7圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-7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:天線結構

110:饋入輻射部

111:饋入輻射部之第一端

112:饋入輻射部之第二端

120:第一輻射部

121:第一輻射部之第一端

122:第一輻射部之第二端

125:半封閉區域

130:第一輻射部之分支部份

135:缺口區域

140:第一輻射部之增寬部份

150:第二輻射部

151:第二輻射部之第一端

152:第二輻射部之第二端

155:槽孔區域

160:第一輻射部之第一彎折部份

170:第一輻射部之第二彎折部份

180:非導體支撐元件

190:週邊元件

192:週邊元件之非導體外殼

194:週邊元件之內部金屬元件

510:切換器

520:第一阻抗元件

530:第二阻抗元件

540:第三阻抗元件

CC1:第一曲線

CC2:第二曲線

CC3:第三曲線

CC4:第四曲線

CC5:第五曲線

FB1:第一頻帶

FB2:第二頻帶

FB3:第三頻帶

FP:饋入點

GP:接地點

L1,L2,L3,L4,L5:長度

SC:控制信號

VSS:接地電位

W3,W4,W5,WS: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立體圖。第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之俯視圖。第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之側視圖。第4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5圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之頻率調整機制之示意圖。第6圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之返回損失圖。第7圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之輻射效率圖。