TWI844306B - 天線結構 - Google Patents

Abstract

一種天線結構，包括：一接地元件、一第一輻射部、一第二輻射部、一短路輻射部、一第三輻射部、一接地輻射部、一介質基板，以及一第一導電貫通元件。第一輻射部和第二輻射部皆耦接至一饋入點，其中第二輻射部更可經由短路輻射部耦接至接地元件。第三輻射部係耦接至接地元件。接地輻射部和接地元件之間可形成一第一耦合間隙。介質基板具有相對之一第一表面和一第二表面，其中第一輻射部係設置於第一表面，而第三輻射部係設置於第二表面。第一導電貫通元件可穿透介質基板，其中第三輻射部更可經由第一導電貫通元件耦接至第一輻射部。

Description

天線結構

本發明係關於一種天線結構，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：一接地元件；一第一輻射部，耦接至一饋入點；一第二輻射部，耦接至該饋入點，其中該第二輻射部和該第一輻射部係大致朝相反方向作延伸；一短路輻射部，其中該第二輻射部更經由該短路輻射部耦接至該接地元件；一第三輻射部，耦接至該接地元件；一接地輻射部，其中該接地輻射部和該接地元件之間形成一第一耦合間隙；一介質基板，具有相對之一第一表面和一第二表面，其中該第一輻射部係設置於該介質基板之該第一表面，而該第三輻射部係設置於該介質基板之該第二表面；以及一第一導電貫通元件，穿透該介質基板，其中該第三輻射部更經由該第一導電貫通元件耦接至該第一輻射部。

在一些實施例中，該接地元件包括一第一接地區段和一第二接地區段，該第一接地區段係設置於該介質基板之該第一表面，而該第二接地區段係設置於該介質基板之該第二表面。

在一些實施例中，該天線結構更包括：一或複數個第二導電貫通元件，穿透該介質基板，其中該第二接地區段更經由該等第二導電貫通元件耦接至該第一接地區段。

在一些實施例中，該第二輻射部、該短路輻射部，以及該接地輻射部皆設置於該介質基板之該第一表面。

在一些實施例中，該第一輻射部係呈現一不等寬直條形。

在一些實施例中，該第一輻射部包括一第一增寬部份和一第二增寬部份。

在一些實施例中，該第一輻射部之該第一增寬部份於該介質基板之該第二表面上具有一垂直投影，而該垂直投影係與該第三輻射部至少部份重疊。

在一些實施例中，該第一輻射部之該第一增寬部份和該第一接地區段之間形成一第二耦合間隙。

在一些實施例中，該第一輻射部之該第一增寬部份係大致佔據該天線結構之整體面積之4%。

在一些實施例中，該第三輻射部係呈現一蜿蜒形狀。

在一些實施例中，該接地輻射部係呈現一直條形。

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。

在一些實施例中，該第一頻帶係介於2400MHz至2500MHz之間，該第二頻帶係介於5150MHz至5850MHz之間，而該第三頻帶係介於5925MHz至7125MHz之間。

在一些實施例中，該第一輻射部之長度係小於該第一頻帶之0.25倍波長。

在一些實施例中，該第二輻射部之長度係大致等於該第二頻帶之0.25倍波長。

在一些實施例中，該第三輻射部之長度係小於該第一頻帶之0.25倍波長。

在一些實施例中，該第一輻射部和該第三輻射部之總長度係大致等於該第一頻帶之0.25倍波長。

在一些實施例中，該接地輻射部之長度係大致等於該第三頻帶之0.25倍波長。

在一些實施例中，該第一耦合間隙之寬度係大於或等於0.3mm。

在一些實施例中，該第二耦合間隙之寬度係介於0.2mm至0.5mm之間。

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或(且)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或(且)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100之俯視圖。天線結構100可以套用於一行動裝置(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)，但亦不僅限於此。如第1圖所示，天線結構100包括：一接地元件(Ground Element)110、一第一輻射部(Radiation Element)120、一第二輻射部130、一短路輻射部(Shorting Radiation Element)140、一第三輻射部150、一接地輻射部(Grounding Radiation Element)160、一介質基板(Dielectric Substrate)170，以及一第一導電貫通元件(Conductive Via Element)180，其中接地元件110、第一輻射部120、第二輻射部130、短路輻射部140、第三輻射部150、接地輻射部160，以及第一導電貫通元件180皆可用金屬材質製成，例如：銅、銀、鋁、鐵，或是其合金。

接地元件110可由一接地銅箔(Ground Copper Foil)來實施，其可延伸至介質基板170之外，並可耦接至一系統接地面(System Ground Plane)(未顯示)。詳細而言，接地元件110包括彼此相對之一第一接地區段(Ground Segment)114和一第二接地區段115。在一些實施例中，天線結構100更包括一或複數個第二導電貫通元件190，其中第二接地區段115更可經由前述之第二導電貫通元件190耦接至第一接地區段114。然而，本發明並不僅限於此。在另一些實施例中，接地元件110亦可改為一體成形之設計，其可同時分佈於介質基板170之不同表面上，而前述之第二導電貫通元件190則可被省略不用。

介質基板170可以是一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)，但亦不僅限於此。介質基板170具有相對之一第一表面E1和一第二表面E2，其中第一接地區段114、第一輻射部120、第二輻射部130、短路輻射部140，以及接地輻射部160皆可設置於介質基板170之第一表面E1，而第二接地區段115和第三輻射部150則可設置於介質基板170之第二表面E2。另外，前述之第一導電貫通元件180和第二導電貫通元件190還可進一步穿透過介質基板170。

第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100於介質基板170之第一表面E1之一部份元件之俯視圖。第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100於介質基板170之第二表面E2之另一部份元件之透視圖。第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之剖面圖(可沿著第1圖之一剖面線LC1)。請一併參考第1、2、3、4圖以理解本發明。

第一輻射部120可以大致呈現一不等寬直條形。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係耦接至一饋入點(Feeding Point)FP，而第一輻射部120之第二端122為一開路端(Open End)。饋入點FP更可耦接至一信號源(Signal Source)199。例如，前述之信號源199可為一射頻(Radio Frequency，RF)模組，其可用於激發天線結構100。在一些實施例中，第一輻射部120包括鄰近於其第一端121處之一第一增寬部份(Widening Portion)124，以及鄰近於其第二端122處之一第二增寬部份125。亦即，前述之第二增寬部份125可視為第一輻射部120之一末端增寬部份(Terminal Widening Portion)。例如，第一輻射部120之第一增寬部份124可大致呈現一較小矩形，而第一輻射部120之第二增寬部份125可大致呈現一較大矩形，但亦不僅限於此。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：10mm或更短)，惟其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)。

第二輻射部130可以大致呈現一直條形。詳細而言，第二輻射部130具有一第一端131和一第二端132，其中第二輻射部130之第一端131係耦接至饋入點FP，而第二輻射部130之第二端132為一開路端。在一些實施例中，第一輻射部120和第二輻射部130可大致排列於同一條直線上。例如，第二輻射部130之第二端132和第一輻射部120之第二端122兩者可以大致朝相反且互相遠離之方向作延伸。

短路輻射部140可以大致呈現一N字形。詳細而言，短路輻射部140具有一第一端141和一第二端142，其中短路輻射部140之第一端141係耦接至第一接地區段114，而短路輻射部140之第二端142則耦接至第二輻射部130上之一連接點(Connection Point)CP。是以，第二輻射部130更可經由短路輻射部140耦接至接地元件110。

第三輻射部150可以大致呈現一蜿蜒形狀(Meandering Shape)，例如：一M字形。詳細而言，第三輻射部150具有一第一端151和一第二端152，其中第三輻射部150之第一端151係耦接至第二接地區段115，而第三輻射部150之第二端152更可經由第一導電貫通元件180耦接至第一輻射部120之第一增寬部份124之一角落處。在一些實施例中，第一輻射部120之第一增寬部份124於介質基板170之第二表面E2上具有一垂直投影(Vertical Projection)，其中此垂直投影可與第三輻射部150至少部份重疊。例如，第三輻射部150幾乎可完全設置於第一輻射部120之第一增寬部份124之垂直投影之內部。

接地輻射部160可以大致呈現一等寬直條形。詳細而言，接地輻射部160具有一第一端161和一第二端162，其可為互相遠離之二開路端，而接地輻射部160之第一端161係鄰近於第一接地區段114。例如，接地輻射部160之第二端162和第二輻射部130之第二端132兩者可以大致朝相同方向作延伸。在一些實施例中，接地輻射部160之第一端161和第一接地區段114之間可形成一第一耦合間隙(Coupling Gap)GC1，而第一輻射部120之第一增寬部份124和第一接地區段114之間則可形成一第二耦合間隙GC2。

在一些實施例中，天線結構100可涵蓋一第一頻帶(Frequency Band)、一第二頻帶，以及一第三頻帶。例如，前述之第一頻帶可介於2400MHz至2500MHz之間，前述之第二頻帶可介於5150MHz至5850MHz之間，而前述之第三頻帶FB3可介於5925MHz至7125MHz之間。因此，天線結構100將至少可支援傳統WLAN(Wireless Local Area Network)和新世代Wi-Fi 6E之寬頻操作。

在一些實施例中，天線結構100之操作原理可如下列所述。第一輻射部120和第三輻射部150可共同激發產生前述之第一頻帶，其中第三輻射部150之加入可用於增加前述之第一頻帶之共振路徑(Resonant Path)之等效長度。第二輻射部130可用於激發產生前述之第二頻帶。接地輻射部160可用於激發產生前述之第三頻帶。根據實際量測結果，第一輻射部120之第一增寬部份124可用於微調前述之第三頻帶之阻抗匹配(Impedance Matching)，而第一輻射部120之第二增寬部份125則可用於擴大前述之第一頻帶之操作頻寬(Operational Bandwidth)。第一耦合間隙GC1必須將接地輻射部160和接地元件110互相分隔開。假設將第一耦合間隙GC1省略，則前述之第三頻帶之共振模態(Resonant Mode)將會受到嚴重負面影響。另外，第二耦合間隙GC2之設計則有助於同時微調前述之第一頻帶和第三頻帶之阻抗匹配。

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120之長度L1可以小於天線結構100之第一頻帶之0.25倍波長(λ/4)。第二輻射部130之長度L2可以大致等於天線結構100之第二頻帶之0.25倍波長(λ/4)。第三輻射部150之長度L3可以小於天線結構100之第一頻帶之0.25倍波長(λ/4)。第一輻射部120和第三輻射部150兩者之總長度(L1+L3)可以大致等於天線結構100之第一頻帶之0.25倍波長(λ/4)。接地輻射部160之長度L4可以大致等於天線結構100之第三頻帶之0.25倍波長(λ/4)。介質基板170之厚度H1可以介於0.2mm至0.8mm之間。第一耦合間隙GC1之寬度可以大於或等於0.3mm。第二耦合間隙GC2之寬度可以介於0.2mm至0.5mm之間。在第一輻射部120當中，第一增寬部份124之寬度W1可以介於1.25mm至1.75之間，第二增寬部份125之寬度W2可以介於1.75mm至2.25之間，而其餘部份之寬度W3則可介於0.75mm至1.25之間。另外，第一輻射部120之第一增寬部份124可以大致佔據天線結構100之整體面積之4%。以上元件尺寸之範圍係根據多次實驗結果而求出，其有助於最佳化天線結構100之操作頻寬和阻抗匹配。

本發明提出一種新穎之天線結構。與傳統設計相比，本發明至少具有小尺寸、寬頻帶、低姿勢，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，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1-4圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-4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:接地元件 114:第一接地區段 115:第二接地區段 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 124:第一輻射部之第一增寬部份 125:第一輻射部之第二增寬部份 130:第二輻射部 131:第二輻射部之第一端 132:第二輻射部之第二端 140:短路輻射部 141:短路輻射部之第一端 142:短路輻射部之第二端 150:第三輻射部 151:第三輻射部之第一端 152:第三輻射部之第二端 160:接地輻射部 161:接地輻射部之第一端 162:接地輻射部之第二端 170:介質基板 180:第一導電貫通元件 190:第二導電貫通元件 199:信號源 CP:連接點 E1:介質基板之第一表面 E2:介質基板之第二表面 FP:饋入點 GC1:第一耦合間隙 GC2:第二耦合間隙 H1:厚度 L1,L2,L3,L4:長度 LC1:剖面線 W1,W2,W3: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俯視圖。 第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構於介質基板之第一表面之一部份元件之俯視圖。 第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構於介質基板之第二表面之另一部份元件之透視圖。 第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之剖面圖。

100:天線結構

110:接地元件

120:第一輻射部

130:第二輻射部

140:短路輻射部

150:第三輻射部

160:接地輻射部

170:介質基板

180:第一導電貫通元件

199:信號源

FP:饋入點

LC1:剖面線

Claims (20)

1. 一種天線結構，包括： 一接地元件； 一第一輻射部，耦接至一饋入點； 一第二輻射部，耦接至該饋入點，其中該第二輻射部和該第一輻射部係大致朝相反方向作延伸； 一短路輻射部，其中該第二輻射部更經由該短路輻射部耦接至該接地元件； 一第三輻射部，耦接至該接地元件； 一接地輻射部，其中該接地輻射部和該接地元件之間形成一第一耦合間隙； 一介質基板，具有相對之一第一表面和一第二表面，其中該第一輻射部係設置於該介質基板之該第一表面，而該第三輻射部係設置於該介質基板之該第二表面；以及 一第一導電貫通元件，穿透該介質基板，其中該第三輻射部更經由該第一導電貫通元件耦接至該第一輻射部。
2. 如請求項1所述之天線結構，其中該接地元件包括一第一接地區段和一第二接地區段，該第一接地區段係設置於該介質基板之該第一表面，而該第二接地區段係設置於該介質基板之該第二表面。
3. 如請求項2所述之天線結構，更包括： 一或複數個第二導電貫通元件，穿透該介質基板，其中該第二接地區段更經由該等第二導電貫通元件耦接至該第一接地區段。
4. 如請求項1所述之天線結構，其中該第二輻射部、該短路輻射部，以及該接地輻射部皆設置於該介質基板之該第一表面。
5. 如請求項1所述之天線結構，其中該第一輻射部係呈現一不等寬直條形。
6. 如請求項2所述之天線結構，其中該第一輻射部包括一第一增寬部份和一第二增寬部份。
7. 如請求項6所述之天線結構，其中該第一輻射部之該第一增寬部份於該介質基板之該第二表面上具有一垂直投影，而該垂直投影係與該第三輻射部至少部份重疊。
8. 如請求項6所述之天線結構，其中該第一輻射部之該第一增寬部份和該第一接地區段之間形成一第二耦合間隙。
9. 如請求項6所述之天線結構，其中該第一輻射部之該第一增寬部份係大致佔據該天線結構之整體面積之4%。
10. 如請求項1所述之天線結構，其中該第三輻射部係呈現一蜿蜒形狀。
11. 如請求項1所述之天線結構，其中該接地輻射部係呈現一直條形。
12. 如請求項1所述之天線結構，其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。
13. 如請求項12所述之天線結構，其中該第一頻帶係介於2400MHz至2500MHz之間，該第二頻帶係介於5150MHz至5850MHz之間，而該第三頻帶係介於5925MHz至7125MHz之間。
14. 如請求項12所述之天線結構，其中該第一輻射部之長度係小於該第一頻帶之0.25倍波長。
15. 如請求項12所述之天線結構，其中該第二輻射部之長度係大致等於該第二頻帶之0.25倍波長。
16. 如請求項12所述之天線結構，其中該第三輻射部之長度係小於該第一頻帶之0.25倍波長。
17. 如請求項12所述之天線結構，其中該第一輻射部和該第三輻射部之總長度係大致等於該第一頻帶之0.25倍波長。
18. 如請求項12所述之天線結構，其中該接地輻射部之長度係大致等於該第三頻帶之0.25倍波長。
19. 如請求項1所述之天線結構，其中該第一耦合間隙之寬度係大於或等於0.3mm。
20. 如請求項8所述之天線結構，其中該第二耦合間隙之寬度係介於0.2mm至0.5mm之間。

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