TWI793850B

TWI793850B - 天線陣列

Info

Publication number: TWI793850B
Application number: TW110141789A
Authority: TW
Inventors: 林柏蒼
Original assignee: 緯創資通股份有限公司
Priority date: 2021-11-10
Filing date: 2021-11-10
Publication date: 2023-02-21
Also published as: US11870151B2; US20230147065A1; CN116111326A; TW202320416A

Abstract

一種天線陣列，包括：一第一天線單元、一第二天線單元、一第三天線單元、一第四天線單元、一第一輔助金屬部、一第二輔助金屬部、一第三輔助金屬部，以及一第四輔助金屬部。第一輔助金屬部係鄰近於第一天線單元。第二輔助金屬部係鄰近於第二天線單元。第三輔助金屬部係鄰近於第三天線單元。第四輔助金屬部係鄰近於第四天線單元。第一輔助金屬部、第二輔助金屬部、第三輔助金屬部，以及第四輔助金屬部係用於提升天線陣列之輻射增益。

Description

天線陣列

本發明係關於一種天線陣列(Antenna Array)，特別係關於一種可提高輻射增益(Radiation Gain)之天線陣列。

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。

天線陣列(Antenna Array)係大量為軍事科技、雷達探測、生命探測、健康偵測等領域所採用。因此，如何設計一種具有高輻射增益(Radiation Gain)之天線陣列以提高通訊性能，已成為現今設計者之一大挑戰。

在較佳實施例中，本發明提出一種天線陣列，包括：一第一天線單元；一第二天線單元；一第三天線單元；一第四天線單元；一第一輔助金屬部，鄰近於該第一天線單元；一第二輔助金屬部，鄰近於該第二天線單元；一第三輔助金屬部，鄰近於該第三天線單元；以及一第四輔助金屬部，鄰近於該第四天線單元；其中該第一輔助金屬部、該第二輔助金屬部、該第三輔助金屬部，以及該第四輔助金屬部係用於提升該天線陣列之輻射增益。

在一些實施例中，該第一天線單元、該第二天線單元、該第三天線單元，以及該第四天線單元皆涵蓋毫米波操作之一第一頻帶和一第二頻帶。

在一些實施例中，該第一輔助金屬部、該第二輔助金屬部、該第三輔助金屬部，以及該第四輔助金屬部之每一者係各自呈現一正方形。

在一些實施例中，該第一輔助金屬部、該第二輔助金屬部、該第三輔助金屬部，以及該第四輔助金屬部之每一者係各自呈現一方環形。

在一些實施例中，該第一輔助金屬部、該第二輔助金屬部、該第三輔助金屬部，以及該第四輔助金屬部之每一者係各自呈現一圓環形。

在一些實施例中，該天線陣列更包括：一介質基板，具有相對之一第一表面和一第二表面；以及一接地金屬面，設置於該介質基板之該第二表面上。

在一些實施例中，該第一天線單元包括一第一金屬環圈和一第一饋入金屬部，而該第一饋入金屬部係耦接至一第一信號源並鄰近於該第一金屬環圈；該第二天線單元包括一第二金屬環圈和一第二饋入金屬部，而該第二饋入金屬部係耦接至一第二信號源並鄰近於該第二金屬環圈；該第三天線單元包括一第三金屬環圈和一第三饋入金屬部，而該第三饋入金屬部係耦接至一第三信號源並鄰近於該第三金屬環圈；該第四天線單元包括一第四金屬環圈和一第四饋入金屬部，而該第四饋入金屬部係耦接至一第四信號源並鄰近於該第四金屬環圈；以及該第一金屬環圈、該第二金屬環圈、該第三金屬環圈，以及該第四金屬環圈皆設置於該介質基板之該第一表面上。

在一些實施例中，該第一輔助金屬部於該介質基板之該第一表面上具有一第一垂直投影，該第一垂直投影係與該第一金屬環圈至少部份重疊，該第二輔助金屬部於該介質基板之該第一表面上具有一第二垂直投影，該第二垂直投影係與該第二金屬環圈至少部份重疊，該第三輔助金屬部於該介質基板之該第一表面上具有一第三垂直投影，該第三垂直投影係與該第三金屬環圈至少部份重疊，該第四輔助金屬部於該介質基板之該第一表面上具有一第四垂直投影，而該第四垂直投影係與該第四金屬環圈至少部份重疊。

在一些實施例中，該第一輔助金屬部、該第二輔助金屬部、該第三輔助金屬部、該第四輔助金屬部、該第一金屬環圈、該第二金屬環圈、該第三金屬環圈，以及該第四金屬環圈皆大致具有相等之周長。

在一些實施例中，該第一輔助金屬部和該第一金屬環圈之間具有一第一距離，該第二輔助金屬部和該第二金屬環圈之間具有一第二距離，該第三輔助金屬部和該第三金屬環圈之間具有一第三距離，該第四輔助金屬部和該第四金屬環圈之間具有一第四距離，而該第一距離、該第二距離、該第三距離，以及該第四距離之每一者皆介於該第一頻帶之0.125倍波長至0.5倍波長之間。

在一些實施例中，該第一金屬環圈、該第二金屬環圈、該第三金屬環圈，以及該第四金屬環圈之每一者係各自呈現一較大正方形。

在一些實施例中，該第一金屬環圈具有一第一挖空部份，該第二金屬環圈具有一第二挖空部份，該第三金屬環圈具有一第三挖空部份，該第四金屬環圈具有一第四挖空部份，而該第一挖空部份、該第二挖空部份、該第三挖空部份，以及該第四挖空部份之每一者係各自呈現一較小正方形。

在一些實施例中，該第一挖空部份、該第二挖空部份、該第三挖空部份，以及該第四挖空部份之每一者之長度皆大致等於該第一頻帶之0.25倍波長。

在一些實施例中，該第一金屬環圈、該第二金屬環圈、該第三金屬環圈，以及該第四金屬環圈之任相鄰二者之中心對中心間距皆介於該第一頻帶之0.4倍至1倍波長之間。

在一些實施例中，該第一饋入金屬部、該第二饋入金屬部、該第三饋入金屬部，以及該第四饋入金屬部皆內嵌於該介質基板之該第一表面和該第二表面之間。

在一些實施例中，該第一饋入金屬部、該第二饋入金屬部、該第三饋入金屬部，以及該第四饋入金屬部之每一者係各自呈現一L字形。

在一些實施例中，該第一饋入金屬部、該第二饋入金屬部、該第三饋入金屬部，以及該第四饋入金屬部之每一者係與該第一金屬環圈、該第二金屬環圈、該第三金屬環圈，以及該第四金屬環圈之對應一者至少部份垂直且至少部份平行。

在一些實施例中，該第一饋入金屬部、該第二饋入金屬部、該第三饋入金屬部，以及該第四饋入金屬部之每一者之長度皆大致等於該第二頻帶之0.25倍波長。

在一些實施例中，一第一饋入點和一第二饋入點係分別位於該第一饋入金屬部之二末端處，一第三饋入點和一第四饋入點係分別位於該第二饋入金屬部之二末端處，一第五饋入點和一第六饋入點係分別位於該第三饋入金屬部之二末端處，而一第七饋入點和一第八饋入點係分別位於該第四饋入金屬部之二末端處。

在一些實施例中，該第一信號源係耦接至該第一饋入點或該第二饋入點以激發該第一天線單元，該第二信號源係耦接至該第三饋入點或該第四饋入點以激發該第二天線單元，該第三信號源係耦接至該第五饋入點或該第六饋入點以激發該第三天線單元，而該第四信號源係耦接至該第七饋入點或該第八饋入點以激發該第四天線單元。

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陣列(Antenna Array)100之示意圖。天線陣列100可應用於一行動裝置(Mobile Device)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圖所示，天線陣列100包括：一第一天線單元(Antenna Unit)101、一第二天線單元102、一第三天線單元103、一第四天線單元104、一第一輔助金屬部(Auxiliary Metal Element)105、一第二輔助金屬部106、一第三輔助金屬部107，以及一第四輔助金屬部108。前述之天線單元和輔助金屬部之形狀和種類於本發明中並不特別作限制。必須理解的是，雖然未顯示於第1圖中，但天線陣列100更可包括其他元件，例如：一射頻(Radio Frequency，RF)模組，其包括複數個信號源，以及複數個功率放大器(Power Amplifier，PA)。

第一輔助金屬部105係鄰近於第一天線單元101，而它們可以大致互相對齊。第二輔助金屬部106係鄰近於第二天線單元102，而它們可以大致互相對齊。第三輔助金屬部107係鄰近於第三天線單元103，而它們可以大致互相對齊。第四輔助金屬部108係鄰近於第四天線單元104，而它們可以大致互相對齊。必須理解的是，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：10mm或更短)，但通常不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)。例如，第一輔助金屬部105和第一天線單元101之間可具有一第一距離DA，第二輔助金屬部106和第二天線單元102之間可具有一第二距離DB，第三輔助金屬部107和第三天線單元103之間可具有一第三距離DC，而第四輔助金屬部108和第四天線單元104之間可具有一第四距離DD。

第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列100之返回損失(Return Loss)圖，其中橫軸代表操作頻率(GHz)，而縱軸代表返回損失(dB)。根據第2圖之量測結果，天線陣列100之第一天線單元101、第二天線單元102、第三天線單元103，以及第四天線單元104皆可涵蓋毫米波(Millimeter Wave)操作之一第一頻帶(Frequency Band)FB1和一第二頻帶FB2。例如，第一頻帶FB1可約位於28GHz處，而第二頻帶FB2可約位於39GHz處。因此，天線陣列100將至少可支援新世代5G通訊之寬頻操作。

必須注意的是，第一輔助金屬部105、第二輔助金屬部106、第三輔助金屬部107，以及第四輔助金屬部108可分別與第一天線單元101、第二天線單元102、第三天線單元103，以及第四天線單元104發生共振，從而可提升天線陣列100於第一頻帶FB1和第二頻帶FB2內之輻射增益(Radiation Gain)。根據實際量測結果，當前述之第一距離DA、第二距離DB、第三距離DC，以及第四距離DD之每一者皆介於第一頻帶FB1之0.125倍波長至0.5倍波長之間(λ/8～λ/2)時，天線陣列100之輻射增益將能達到最大化。在此設計下，即使天線陣列100由一行動裝置之一非導體外殼(Nonconductive Housing)所包覆或是由一天線窗(Antenna Window)所阻隔，其整體輻射性能亦不易受到負面影響。

以下實施例將介紹天線陣列100之不同組態及細部結構特徵。必須理解的是，這些圖式和敘述僅為舉例，而非用於限制本發明。

第3A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列300之俯視圖。第3B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列300之側視圖。在第3A、3B之實施例中，天線陣列300至少包括：一介質基板(Dielectric Substrate)110、一接地金屬面(Ground Metal Plane)120、一第一天線單元130、一第二天線單元140、一第三天線單元150，以及一第四天線單元160。天線陣列300亦可涵蓋前述之第一頻帶FB1和第二頻帶FB2。為簡化圖式，前述之第一輔助金屬部、第二輔助金屬部、第三輔助金屬部，以及第四輔助金屬部並未繪示於第3A、3B圖當中，它們將會在後面之實施例中作詳細說明。

介質基板110具有相對之一第一表面E1和一第二表面E2，其中接地金屬面120係設置於介質基板110之第二表面E2上，以提供一接地電位(Ground Voltage)。介質基板110可為Rogers基板，例如：以RO4350B材質製成。然而，本發明並不僅限於此。在另一些實施例中，介質基板110亦可改為一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 Printed Circuit，FPC)。接地金屬面120可大致呈現一矩形，其可完全覆蓋住介質基板110之第二表面E2。

第一天線單元130包括一第一金屬環圈(Metal Loop)131和一第一饋入金屬部(Feeding Metal Element)132。例如，第一金屬環圈131可大致呈現一較大正方形。第一金屬環圈131係設置於介質基板110之第一表面E1上。第一金屬環圈131具有一第一挖空部份135，其中第一挖空部份135可以大致呈現一較小正方形。第一饋入金屬部132可以大致呈現一L字形，其中第一饋入金屬部132可與第一金屬環圈131至少部份垂直且至少部份平行。第一饋入金屬部132可以內嵌於介質基板110之第一表面E1和第二表面E2之間。第一饋入金屬部132係耦接至一第一信號源(Signal Source)191並鄰近於第一金屬環圈131，其中第一金屬環圈131和第一饋入金屬部132之間可形成一第一耦合間隙(Coupling Gap)GC1。詳細而言，一第一饋入點(Feeding Point)FP1和一第二饋入點FP2係分別位於第一饋入金屬部132之二末端處，而第一信號源191可耦接至第一饋入點FP1或第二饋入點FP2兩者擇一，以激發第一天線單元130。

第二天線單元140包括一第二金屬環圈141和一第二饋入金屬部142。例如，第二金屬環圈141可大致呈現一較大正方形。第二金屬環圈141係設置於介質基板110之第一表面E1上。第二金屬環圈141具有一第二挖空部份145，其中第二挖空部份145可以大致呈現一較小正方形。第二饋入金屬部142可以大致呈現一L字形，其中第二饋入金屬部142可與第二金屬環圈141至少部份垂直且至少部份平行。第二饋入金屬部142可以內嵌於介質基板110之第一表面E1和第二表面E2之間。第二饋入金屬部142係耦接至一第二信號源192並鄰近於第二金屬環圈141，其中第二金屬環圈141和第二饋入金屬部142之間可形成一第二耦合間隙GC2。詳細而言，一第三饋入點FP3和一第四饋入點FP4係分別位於第二饋入金屬部142之二末端處，而第二信號源192可耦接至第三饋入點FP3或第四饋入點FP4兩者擇一，以激發第二天線單元140。

第三天線單元150包括一第三金屬環圈151和一第三饋入金屬部152。例如，第三金屬環圈151可大致呈現一較大正方形。第三金屬環圈151係設置於介質基板110之第一表面E1上。第三金屬環圈151具有一第三挖空部份155，其中第三挖空部份155可以大致呈現一較小正方形。第三饋入金屬部152可以大致呈現一L字形，其中第三饋入金屬部152可與第三金屬環圈151至少部份垂直且至少部份平行。第三饋入金屬部152可以內嵌於介質基板110之第一表面E1和第二表面E2之間。第三饋入金屬部152係耦接至一第三信號源193並鄰近於第三金屬環圈151，其中第三金屬環圈151和第三饋入金屬部152之間可形成一第三耦合間隙GC3。詳細而言，一第五饋入點FP5和一第六饋入點FP6係分別位於第三饋入金屬部152之二末端處，而第三信號源193可耦接至第五饋入點FP5或第六饋入點FP6兩者擇一，以激發第三天線單元150。

第四天線單元160包括一第四金屬環圈161和一第四饋入金屬部162。例如，第四金屬環圈161可大致呈現一較大正方形。第四金屬環圈161係設置於介質基板110之第一表面E1上。第四金屬環圈161具有一第四挖空部份165，其中第四挖空部份165可以大致呈現一較小正方形。第四饋入金屬部162可以大致呈現一L字形，其中第四饋入金屬部162可與第四金屬環圈161至少部份垂直且至少部份平行。第四饋入金屬部162可以內嵌於介質基板110之第一表面E1和第二表面E2之間。第四饋入金屬部162係耦接至一第四信號源194並鄰近於第四金屬環圈161，其中第四金屬環圈161和第四饋入金屬部162之間可形成一第四耦合間隙GC4。詳細而言，一第七饋入點FP7和一第八饋入點FP8係分別位於第四饋入金屬部162之二末端處，而第四信號源194可耦接至第七饋入點FP7或第八饋入點FP8兩者擇一，以激發第四天線單元160。

整體觀之，第一金屬環圈131、第二金屬環圈141、第三金屬環圈151，以及第四金屬環圈161可具有相同結構，而它們皆大致排列於同一直線上。在一些實施例中，第一金屬環圈131、第二金屬環圈141、第三金屬環圈151，以及第四金屬環圈161於介質基板110之第二表面E2上之垂直投影(Vertical Projection)皆完全位於接地金屬面120之內。第一金屬環圈131、第二金屬環圈141、第三金屬環圈151，以及第四金屬環圈161之形狀在本發明中並不特別限制。在另一些實施例中，第一金屬環圈131、第二金屬環圈141、第三金屬環圈151，以及第四金屬環圈161之每一者係各自大致呈現一圓形、一矩形、一橢圓形、一正三角形，或是一正六邊形。

在一些實施例中，天線陣列300之操作原理可如下列所述。若第一信號源191耦接至第一饋入點FP1、第二信號源192耦接至第三饋入點FP3、第三信號源193耦接至第五饋入點FP5，且第四信號源194耦接至第七饋入點FP7，則天線陣列300之一輻射場型(Radiation Pattern)將提供一第一極化方向(Polarized Direction)。反之，若第一信號源191耦接至第二饋入點FP2、第二信號源192耦接至第四饋入點FP4、第三信號源193耦接至第六饋入點FP6，且第四信號源194耦接至第八饋入點FP8，則天線陣列300之輻射場型將提供與前述第一極化方向大致互相垂直之一第二極化方向。例如，第一極化方向可為水平極化(平行於XY平面)，而第二極化方向可為垂直極化(平行於Z軸)，但亦不僅限於此。是以，藉由選擇適當饋入點，天線陣列300可用於發射或接收不同極化方向之信號。另外，天線陣列300之主波束(Main Beam)方向還可藉由改變第一信號源191、第二信號源192、第三信號源193，以及第四信號源194之間之饋入相位差(Feeding Phase Difference)來進行調整。

在一些實施例中，天線陣列300之元件尺寸和元件參數可如下列所述。介質基板110之厚度H1可介於0.6mm至1mm之間，例如：約0.8mm。介質基板110之介電常數(Dielectric Constant)可介於3至5之間，例如：約3.48。第一金屬環圈131之第一挖空部份135之長度L1、第二金屬環圈141之第二挖空部份145之長度L2、第三金屬環圈151之第三挖空部份155之長度L3，以及第四金屬環圈161之第四挖空部份165之長度L4皆可大致等於天線陣列100之第一頻帶FB1之0.25倍波長(λ/4)。第一金屬環圈131之寬度W1、第二金屬環圈141之寬度W2、第三金屬環圈151之寬度W3，以及第四金屬環圈161之寬度W4皆可介於0.1mm至0.5mm之間，例如：0.3mm。第一饋入金屬部132之長度L5、第二饋入金屬部142之長度L6、第三饋入金屬部152之長度L7，以及第四饋入金屬部162之長度L8皆可大致等於天線陣列300之第二頻帶FB2之0.25倍波長(λ/4)。第一金屬環圈131和第二金屬環圈141之中心對中心間距(Center-to-Center Spacing)D1、第二金屬環圈141和第三金屬環圈151之中心對中心間距D2，以及第三金屬環圈151和第四金屬環圈161之中心對中心間距D3皆可介於天線陣列300之第一頻帶FB1之0.4倍至1倍波長之間(0.4λ～1λ)。第一耦合間隙GC1之寬度、第二耦合間隙GC2之寬度、第三耦合間隙GC3之寬度，以及第四耦合間隙GC4之寬度皆可介於0.1mm至0.3mm之間，例如：0.2mm。以上元件尺寸和元件參數之範圍係根據多次實驗結果而求出，其有助於最佳化天線陣列300之總波束寬(Total Beam Width)、操作頻寬(Operation Bandwidth)，以及阻抗匹配(Impedance Matching)。第3A、3B圖之天線陣列300之其餘特徵皆與第1圖之天線陣列100類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

第4A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列400之立體圖。第4A圖和第3A、3B圖相似。在第4A圖之實施例中，天線陣列400更包括一第一輔助金屬部405、一第二輔助金屬部406、一第三輔助金屬部407，以及一第四輔助金屬部408，其可各自大致呈現一正方形(實心)。天線陣列400亦可涵蓋前述之第一頻帶FB1和第二頻帶FB2。

第一輔助金屬部405於介質基板110之第一表面E1上具有一第一垂直投影，其中第一垂直投影係與第一金屬環圈131至少部份重疊。例如，第一輔助金屬部405之中心點可恰好對齊第一金屬環圈131之中心點。第二輔助金屬部406於介質基板110之第一表面E1上具有一第二垂直投影，其中第二垂直投影係與第二金屬環圈141至少部份重疊。例如，第二輔助金屬部406之中心點可恰好對齊第二金屬環圈141之中心點。第三輔助金屬部407於介質基板110之第一表面E1上具有一第三垂直投影，其中第三垂直投影係與第三金屬環圈151至少部份重疊。例如，第三輔助金屬部407之中心點可恰好對齊第三金屬環圈151之中心點。第四輔助金屬部408於介質基板110之第一表面E1上具有一第四垂直投影，其中第四垂直投影係與第四金屬環圈161至少部份重疊。例如，第四輔助金屬部408之中心點可恰好對齊第四金屬環圈161之中心點。

在一些實施例中，第一輔助金屬部405和第一金屬環圈131之間具有一第一距離DA，第二輔助金屬部406和第二金屬環圈141之間具有一第二距離DB，第三輔助金屬部407和第三金屬環圈151之間具有一第三距離DC，而第四輔助金屬部408和第四金屬環圈161之間具有一第四距離DD，其中第一距離DA、第二距離DB、第三距離DC，以及第四距離DD之每一者皆介於第一頻帶FB1之0.125倍波長至0.5倍波長之間(λ/8～λ/2)。在一些實施例中，第一輔助金屬部405、第二輔助金屬部406、第三輔助金屬部407、第四輔助金屬部408、第一金屬環圈131、第二金屬環圈141、第三金屬環圈151，以及第四金屬環圈161皆大致具有相等之周長LE(亦即，最外圍周長)。根據實際量測結果，以上尺寸範圍有助於最大化天線陣列400之輻射增益。

必須理解的是，第一輔助金屬部405、第二輔助金屬部406、第三輔助金屬部407，以及第四輔助金屬部408彼此之間距係大致對應於第一金屬環圈131、第二金屬環圈141、第三金屬環圈151，以及第四金屬環圈161彼此之間距。在另一些實施例中，藉由改變第一輔助金屬部405、第二輔助金屬部406、第三輔助金屬部407，以及第四輔助金屬部408之間距，將能微調天線陣列400之主波束之偏移角度。

第4B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列400於第一頻帶FB1中之輻射增益(Radiation Gain)圖(可於XZ平面上量測)，其中橫軸代表天頂角(Theta)(度)，而縱軸代表輻射增益(dBi)。如第4B圖所示，一第一曲線CC1代表前述饋入相位差等於-120度時天線陣列400之輻射場型，一第二曲線CC2代表前述饋入相位差等於-60度時天線陣列400之輻射場型，一第三曲線CC3代表前述饋入相位差等於0度時天線陣列400之輻射場型，一第四曲線CC4代表前述饋入相位差等於60度時天線陣列400之輻射場型，而一第五曲線CC5代表前述饋入相位差等於120度時天線陣列400之輻射場型。因此，天線陣列400可藉由控制其饋入相位差而能提供近似全向性(Omnidirectional)之輻射場型。必須注意的是，在使用第一輔助金屬部405、第二輔助金屬部406、第三輔助金屬部407，以及第四輔助金屬部408之後，天線陣列400之最大輻射增益可增強約2.7dBi。第4A圖之天線陣列400之其餘特徵皆與第3A、3B圖之天線陣列300類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

在一些實施例中，第一輔助金屬部405可向外移動一第一偏移距離DM1，而第四輔助金屬部408亦可向外移動一第二偏移距離DM2(第一輔助金屬部405和第四輔助金屬部408皆可平行於介質基板110而作移動)。亦即，根據介質基板110之法線方向，第一輔助金屬部405可產生一第一偏移角度θ1，而第四輔助金屬部408可產生一第二偏移角度θ2，其關係可如下列方程式(1)、(2)所述：

………………………………(1)

………………………………(2) 其中「DM1」代表第一偏移距離DM1，「DM2」代表第二偏移距離DM2，「DA」代表第一距離DA，「DD」代表第四距離DD，「θ1」代表第一偏移角度θ1，而「θ2」代表第二偏移角度θ2。

根據實際量測結果，藉由改變第一偏移角度θ1和第二偏移角度θ2，設計者將可微調並旋轉天線陣列400之主波束方向。在一些實施例中，若第一偏移角度θ1和第二偏移角度θ2介於0度至30度之間，則天線陣列400之主波束方向將可隨之旋轉0度至30度，以符合不同設計需求。

第5A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列500之立體圖。第5A圖和第4A圖相似。在第5A圖之實施例中，天線陣列500更包括一第一輔助金屬部505、一第二輔助金屬部506、一第三輔助金屬部507，以及一第四輔助金屬部508，其可各自大致呈現一方環形(空心)。天線陣列500亦可涵蓋前述之第一頻帶FB1和第二頻帶FB2。

第一輔助金屬部505於介質基板110之第一表面E1上具有一第一垂直投影，其中第一垂直投影係與第一金屬環圈131至少部份重疊(或完全重疊)。例如，第一輔助金屬部505之中心點可恰好對齊第一金屬環圈131之中心點。第二輔助金屬部506於介質基板110之第一表面E1上具有一第二垂直投影，其中第二垂直投影係與第二金屬環圈141至少部份重疊(或完全重疊)。例如，第二輔助金屬部506之中心點可恰好對齊第二金屬環圈141之中心點。第三輔助金屬部507於介質基板110之第一表面E1上具有一第三垂直投影，其中第三垂直投影係與第三金屬環圈151至少部份重疊(或完全重疊)。例如，第三輔助金屬部507之中心點可恰好對齊第三金屬環圈151之中心點。第四輔助金屬部508於介質基板110之第一表面E1上具有一第四垂直投影，其中第四垂直投影係與第四金屬環圈161至少部份重疊(或完全重疊)。例如，第四輔助金屬部508之中心點可恰好對齊第四金屬環圈161之中心點。在一些實施例中，第一輔助金屬部505、第二輔助金屬部506、第三輔助金屬部507、第四輔助金屬部508、第一金屬環圈131、第二金屬環圈141、第三金屬環圈151，以及第四金屬環圈161皆大致具有相等之周長LE。

第5B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列500於第一頻帶FB1中之輻射增益圖，其中橫軸代表天頂角(Theta)(度)，而縱軸代表輻射增益(dBi)。如第5B圖所示，一第六曲線CC6代表前述饋入相位差等於-120度時天線陣列500之輻射場型，一第七曲線CC7代表前述饋入相位差等於-60度時天線陣列500之輻射場型，一第八曲線CC8代表前述饋入相位差等於0度時天線陣列500之輻射場型，一第九曲線CC9代表前述饋入相位差等於60度時天線陣列500之輻射場型，而一第十曲線CC10代表前述饋入相位差等於120度時天線陣列500之輻射場型。必須注意的是，在使用第一輔助金屬部505、第二輔助金屬部506、第三輔助金屬部507，以及第四輔助金屬部508之後，天線陣列500之最大輻射增益可增強約2.9dBi。第5A圖之天線陣列500之其餘特徵皆與第4A圖之天線陣列400類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

第6A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列600之立體圖。第6A圖和第4A圖相似。在第6A圖之實施例中，天線陣列600更包括一第一輔助金屬部605、一第二輔助金屬部606、一第三輔助金屬部607，以及一第四輔助金屬部608，其可各自大致呈現一圓環形(空心)。天線陣列600亦可涵蓋前述之第一頻帶FB1和第二頻帶FB2。

第一輔助金屬部605於介質基板110之第一表面E1上具有一第一垂直投影，其中第一垂直投影係與第一金屬環圈131至少部份重疊。例如，第一輔助金屬部605之中心點可恰好對齊第一金屬環圈131之中心點。第二輔助金屬部606於介質基板110之第一表面E1上具有一第二垂直投影，其中第二垂直投影係與第二金屬環圈141至少部份重疊。例如，第二輔助金屬部606之中心點可恰好對齊第二金屬環圈141之中心點。第三輔助金屬部607於介質基板110之第一表面E1上具有一第三垂直投影，其中第三垂直投影係與第三金屬環圈151至少部份重疊。例如，第三輔助金屬部607之中心點可恰好對齊第三金屬環圈151之中心點。第四輔助金屬部608於介質基板110之第一表面E1上具有一第四垂直投影，其中第四垂直投影係與第四金屬環圈161至少部份重疊。例如，第四輔助金屬部608之中心點可恰好對齊第四金屬環圈161之中心點。在一些實施例中，第一輔助金屬部605、第二輔助金屬部606、第三輔助金屬部607、第四輔助金屬部608、第一金屬環圈131、第二金屬環圈141、第三金屬環圈151，以及第四金屬環圈161皆大致具有相等之周長LE。

第6B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列600於第一頻帶FB1中之輻射增益圖，其中橫軸代表天頂角(Theta)(度)，而縱軸代表輻射增益(dBi)。如第6B圖所示，一第十一曲線CC11代表前述饋入相位差等於-120度時天線陣列600之輻射場型，一第十二曲線CC12代表前述饋入相位差等於-60度時天線陣列600之輻射場型，一第十三曲線CC13代表前述饋入相位差等於0度時天線陣列600之輻射場型，一第十四曲線CC14代表前述饋入相位差等於60度時天線陣列600之輻射場型，而一第十五曲線CC15代表前述饋入相位差等於120度時天線陣列600之輻射場型。必須注意的是，在使用第一輔助金屬部605、第二輔助金屬部606、第三輔助金屬部607，以及第四輔助金屬部608之後，天線陣列600之最大輻射增益可增強約2.9dBi。第6A圖之天線陣列600之其餘特徵皆與第4A圖之天線陣列400類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

本發明提出一種新穎之天線陣列。相較於傳統設計，本發明至少具有高輻射增益、多極化方向、小尺寸、寬頻帶，以及低製造成本等優勢，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。本發明之天線陣列並不僅限於第1-6圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-6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陣列當中。

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。

100,300,400,500,600:天線陣列 101,130:第一天線單元 102,140:第二天線單元 103,150:第三天線單元 104,160:第四天線單元 105,405,505,605:第一輔助金屬部 106,406,506,606:第二輔助金屬部 107,407,507,607:第三輔助金屬部 108,408,508,608:第四輔助金屬部 110:介質基板 120:接地金屬面 131:第一金屬環圈 132:第一饋入金屬部 135:第一金屬環圈之第一挖空部份 141:第二金屬環圈 142:第二饋入金屬部 145:第二金屬環圈之第二挖空部份 151:第三金屬環圈 152:第三饋入金屬部 155:第三金屬環圈之第三挖空部份 161:第四金屬環圈 162:第四饋入金屬部 165:第四金屬環圈之第一挖空部份 191:第一信號源 192:第二信號源 193:第三信號源 194:第四信號源 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 CC6:第六曲線 CC7:第七曲線 CC8:第八曲線 CC9:第九曲線 CC10:第十曲線 CC11:第十一曲線 CC12:第十二曲線 CC13:第十三曲線 CC14:第十四曲線 CC15:第十五曲線 D1,D2,D3:中心對中心間距 DA:第一距離 DB:第二距離 DC:第三距離 DD:第四距離 DM1:第一偏移距離 DM2:第二偏移距離 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 GC1:第一耦合間隙 GC2:第二耦合間隙 GC3:第三耦合間隙 GC4:第四耦合間隙 H1:厚度 L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8:長度 LE:周長 FP1:第一饋入點 FP2:第二饋入點 FP3:第三饋入點 FP4:第四饋入點 FP5:第五饋入點 FP6:第六饋入點 FP7:第七饋入點 FP8:第八饋入點 W1,W2,W3,W4:寬度 X:X軸 Y:Y軸 Z:Z軸 θ1:第一偏移角度 θ2:第二偏移角度

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列之示意圖。第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列之返回損失圖第3A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列之俯視圖。第3B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列之側視圖。第4A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列之立體圖。第4B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列於第一頻帶中之輻射增益圖。第5A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列之立體圖。第5B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列於第一頻帶中之輻射增益圖。第6A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列之立體圖。第6B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列於第一頻帶中之輻射增益圖。

100:天線陣列

101:第一天線單元

102:第二天線單元

103:第三天線單元

104:第四天線單元

105:第一輔助金屬部

106:第二輔助金屬部

107:第三輔助金屬部

108:第四輔助金屬部

DA:第一距離

DB:第二距離

DC:第三距離

DD:第四距離

Claims

一種天線陣列，包括：一第一天線單元；一第二天線單元；一第三天線單元；一第四天線單元；一第一輔助金屬部，鄰近於該第一天線單元；一第二輔助金屬部，鄰近於該第二天線單元；一第三輔助金屬部，鄰近於該第三天線單元；以及一第四輔助金屬部，鄰近於該第四天線單元；其中該第一輔助金屬部、該第二輔助金屬部、該第三輔助金屬部，以及該第四輔助金屬部係用於提升該天線陣列之輻射增益；其中：該第一天線單元包括一第一金屬環圈和一第一饋入金屬部，而該第一饋入金屬部係耦接至一第一信號源並鄰近於該第一金屬環圈；該第二天線單元包括一第二金屬環圈和一第二饋入金屬部，而該第二饋入金屬部係耦接至一第二信號源並鄰近於該第二金屬環圈；該第三天線單元包括一第三金屬環圈和一第三饋入金屬部，而該第三饋入金屬部係耦接至一第三信號源並鄰近於該第三金屬環圈；以及該第四天線單元包括一第四金屬環圈和一第四饋入金屬部，而該第四饋入金屬部係耦接至一第四信號源並鄰近於該第四金屬環圈。
如請求項1之天線陣列，其中該第一天線單元、該第二天線單元、該第三天線單元，以及該第四天線單元皆涵蓋毫米波操作之一第一頻帶和一第二頻帶。
如請求項1之天線陣列，其中該第一輔助金屬部、該第二輔助金屬部、該第三輔助金屬部，以及該第四輔助金屬部之每一者係各自呈現一正方形。
如請求項1之天線陣列，其中該第一輔助金屬部、該第二輔助金屬部、該第三輔助金屬部，以及該第四輔助金屬部之每一者係各自呈現一方環形。
如請求項1之天線陣列，其中該第一輔助金屬部、該第二輔助金屬部、該第三輔助金屬部，以及該第四輔助金屬部之每一者係各自呈現一圓環形。
如請求項2之天線陣列，更包括：一介質基板，具有相對之一第一表面和一第二表面；以及一接地金屬面，設置於該介質基板之該第二表面上。
如請求項6之天線陣列，其中：該第一金屬環圈、該第二金屬環圈、該第三金屬環圈，以及該第四金屬環圈皆設置於該介質基板之該第一表面上。
如請求項7之天線陣列，其中該第一輔助金屬部於該介質基板之該第一表面上具有一第一垂直投影，該第一垂直投影係與該第一金屬環圈至少部份重疊，該第二輔助金屬部於該介質基板之該第一表面上具有一第二垂直投影，該第二垂直投影係與該第二金屬環圈至少部份重疊，該第三輔助金屬部於該介質基板之該第一表面上具有一第三垂直投影，該第三垂直投影係與該第三金屬環圈至少部份重疊，該第四輔助金屬部於該介質基板之該第一表面上具有一第四垂直投影，而該第四垂直投影係與該第四金屬環圈至少部份重疊。
如請求項7之天線陣列，其中該第一輔助金屬部、該第二輔助金屬部、該第三輔助金屬部、該第四輔助金屬部、該第一金屬環圈、該第二金屬環圈、該第三金屬環圈，以及該第四金屬環圈皆大致具有相等之周長。
如請求項7之天線陣列，其中該第一輔助金屬部和該第一金屬環圈之間具有一第一距離，該第二輔助金屬部和該第二金屬環圈之間具有一第二距離，該第三輔助金屬部和該第三金屬環圈之間具有一第三距離，該第四輔助金屬部和該第四金屬環圈之間具有一第四距離，而該第一距離、該第二距離、該第三距離，以及該第四距離之每一者皆介於該第一頻帶之0.125倍波長至0.5倍波長之間。
如請求項7之天線陣列，其中該第一金屬環圈、該第二金屬環圈、該第三金屬環圈，以及該第四金屬環圈之每一者係各自呈現一較大正方形。
如請求項7之天線陣列，其中該第一金屬環圈具有一第一挖空部份，該第二金屬環圈具有一第二挖空部份，該第三金屬環圈具有一第三挖空部份，該第四金屬環圈具有一第四挖空部份，而該第一挖空部份、該第二挖空部份、該第三挖空部份，以及該第四挖空部份之每一者係各自呈現一較小正方形。
如請求項12之天線陣列，其中該第一挖空部份、該第二挖空部份、該第三挖空部份，以及該第四挖空部份之每一者之長度皆大致等於該第一頻帶之0.25倍波長。
如請求項7之天線陣列，其中該第一金屬環圈、該第二金屬環圈、該第三金屬環圈，以及該第四金屬環圈之任相鄰二者之中心對中心間距皆介於該第一頻帶之0.4倍至1倍波長之間。
如請求項7之天線陣列，其中該第一饋入金屬部、該第二饋入金屬部、該第三饋入金屬部，以及該第四饋入金屬部皆內嵌於該介質基板之該第一表面和該第二表面之間。
如請求項7之天線陣列，其中該第一饋入金屬部、該第二饋入金屬部、該第三饋入金屬部，以及該第四饋入金屬部之每一者係各自呈現一L字形。
如請求項7之天線陣列，其中該第一饋入金屬部、該第二饋入金屬部、該第三饋入金屬部，以及該第四饋入金屬部之每一者係與該第一金屬環圈、該第二金屬環圈、該第三金屬環圈，以及該第四金屬環圈之對應一者至少部份垂直且至少部份平行。
如請求項7之天線陣列，其中該第一饋入金屬部、該第二饋入金屬部、該第三饋入金屬部，以及該第四饋入金屬部之每一者之長度皆大致等於該第二頻帶之0.25倍波長。
如請求項7之天線陣列，其中一第一饋入點和一第二饋入點係分別位於該第一饋入金屬部之二末端處，一第三饋入點和一第四饋入點係分別位於該第二饋入金屬部之二末端處，一第五饋入點和一第六饋入點係分別位於該第三饋入金屬部之二末端處，而一第七饋入點和一第八饋入點係分別位於該第四饋入金屬部之二末端處。
如請求項19之天線陣列，其中該第一信號源係耦接至該第一饋入點或該第二饋入點以激發該第一天線單元，該第二信號源係耦接至該第三饋入點或該第四饋入點以激發該第二天線單元，該第三信號源係耦接至該第五饋入點或該第六饋入點以激發該第三天線單元，而該第四信號源係耦接至該第七饋入點或該第八饋入點以激發該第四天線單元。