CN103107411A - 用于行动装置的天线单元、天线阵列及天线模组 - Google Patents

Abstract

一种用于行动装置的天线单元，包括一本体，该本体具有一馈入端、一辐射端及两外侧边缘，该馈入端用以接收一输入讯号，该两外侧边缘分别具有由外往本体内延伸的数个第一狭缝及数个第二狭缝，该些第一狭缝的个数与该些第二狭缝的个数相异，以控制该辐射端的辐射场型。

Description

用于行动装置的天线单元、天线阵列及天线模组

技术领域

本发明关于一种用于行动装置的天线模组，尤其指具有不对称辐射场型的天线模组。 

背景技术

Full HD 1080p影音高速传输的应用，例如Wigi、Wireless HD…等，其操作频率为60GHz且具有高达20Gbit/s资料传输率，是未来第四代行动通讯中必备的传输模组，同时也被纳入IEEE 802.11ad规范中，与其他802.11(b、g、n)系列并驾齐驱。由于60GHz的讯号在大气中容易被氧气吸收而产生大量衰减，所以只能进行短距离传输(＜10m)，故其传输设备中的天线辐射型态与效率就格外重要，这将影响资料传输率(data rate)与应用环境。 

一般现有的60GHz天线模组(如silicon image、sony)皆使用天线阵列配合波束合成演算法(beam forming algorithm)来达到高增益且追踪目标物的目的，但演算法需消耗庞大的电量，不适合用在一般可携式(portable)行动装置。 

此外，在毫米波应用中，介质基板的厚度往往大于操作频率的四分之一波长，如此会导致介电损耗，使天线辐射效率不佳。 

由上述可知，天线模组在传输上及辐射上的效率仍有待改善。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于，提供一种用于行动装置的天线单元及其模组，不需搭配任何演算法，即可形成不同方向的波束，不仅达到省电的效果，还可不受配置面积的限制而设置在电子产品中。 

根据本发明的一实施例，提供一种用于行动装置的天线单元，包括一本体，该本体具有一馈入端、一辐射端及两外侧边缘，该馈入端用以接收一 输入讯号，该两外侧边缘分别具有由外往本体内延伸的数个第一狭缝及数个第二狭缝，该些第一狭缝的个数与该些第二狭缝的个数相异，以控制该辐射端的辐射场型。 

根据本发明的另一个实施例，提供一种用于行动装置的天线模组，包括一基板及至少一个天线单元，该基板包括一介质层及一导体层，其中该介质层形成于该导体层上，且该介质层具有数个穿孔，该些穿孔从该导体层往该介质层的上表面延伸。该天线单元设置于该介质层上，该天线单元的两外侧边缘具有相异个数的数个狭缝。 

本发明的另一目的在于，提供一种用于行动装置的天线阵列，包括数个天线单元，该些天线单元中的至少一个的两外侧边缘具有相异个数的数个狭缝，且该些天线单元彼此分散地排列。 

是故，由上述中可以得知，藉由本发明的天线阵列不需要经过特定方向的排列即可形成各种方向的辐射场型，可在有限的机构空间内具有高增益且宽波数的电气特性，在10m以内可有超过90度的高增益覆盖范围，且不需追踪目标物，进而达到省电且维持天线微小化的优势。 

附图说明

图1A显示本发明用于行动装置的天线单元的一实施例的示意图。 

图1B显示本发明用于行动装置的天线单元的另一实施例的示意图 

图2A显示本发明用于行动装置的天线阵列的一实施例的示意图。 

图2B显示本发明用于行动装置的天线阵列的一实施例的辐射场图。 

图3A显示本发明用于行动装置的天线模组的一实施例的示意图。 

图3B显示本发明用于行动装置的天线系统的一实施例的示意图。 

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明乃提供有附图。此些图乃为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的元件并未按比例绘制，而类似的元件符号通常用来表示类似的元件。需说明的是，所有的图皆为上 视图。 

首先请参考图1A，其显示依据本发明用于行动装置的天线单元的一实施例的示意图。如图1A所示，天线单元10a为一种平板结构，天线单元10a的本体100包括一第一导体101及一第二导体103，本体100具有一馈入端102及一辐射端104，第一导体101及第二导体103彼此互相间隔地设置，且第一导体101的内侧边缘S₃与第二导体103的内侧边缘S₄之间具有一间隙g，此间隙g从馈入端102往辐射端104方向逐渐地扩大，使得第一导体101及第二导体103在辐射端104呈现出分叉的两尖端。然本发明的第一导体101及第二导体103的形状不限于此。 

行动装置可为平板电脑(Tablet computer)、行动电话(Mobile phone)或个人数位化助理(personal digital assistant，PDA)。 

第一导体101的外侧边缘S₁具有数个由外往本体100内延伸的第一狭缝111，第二导体103的外侧边缘S₂具有数个由外往本体100内延伸的第二狭缝113，此外，第一导体101的馈入端102具有由外往本体100内延伸的倒钩槽115，用以接收一输入讯号(图未示)。多个第一狭缝111可彼此互相平行地设置，且多个第二狭缝113可互相平行地设置。 

本发明的技术特点在于，天线单元10a的两外侧边缘S₁、S₂的狭缝111、113由狭缝内往外看时，其电气特性可等效为短路负载(short load)，不同的狭缝个数会造成不同的电流路径及相位。也就是说，本发明可依照欲达到的辐射方向来设计多个第一狭缝111的个数与多个第二狭缝113的个数。如图1A所示，第一狭缝111的个数小于第二狭缝113的个数，使得第二导体103的外侧边缘S₂的电流相位落后第一导体101的外侧边缘S₁的电流相位，导致天线单元10a的辐射场型120往右边偏向。 

同理，根据另一个实施例，天线单元10b的第一狭缝111’的个数大于第二狭缝113’的个数，使得第一导体101的外侧边缘S₁的电流相位落后第二导体103的外侧边缘S₂的电流相位，导致天线单元10b的辐射场型124往左边偏向，如图1B所示。 

具体地说，本发明的天线单元10a、10b藉由设计不对称分布的多个狭缝111、111’、113、113’，来改变辐射波束的方向，以产生不对称的辐射场型。 

除此之外，本发明的另一个技术特点在于，多个狭缝111、111’、113、113’的长度L可较佳地设计为 

倍的等效波长，其中N为0或任何正整数，即四分之一或奇数倍的四分之一等效波长，使得由天线单元10a、10b的两外侧边缘S₁、S₂往狭缝111、111’、113、113’内部看时，其电气特性可等效为开路负载(open load)，当多个天线单元10a、10b同时使用时，可抑制多个天线单元10a、10b彼此间的杂散耦合能量和介质表面波(surface wave)的干扰。藉此多个天线单元10a、10b可合成高增益且宽辐射波束的天线阵列，以下将进一步说明天线阵列的实施例。 

请参考图2A，其显示依据本发明用于行动装置的天线阵列的一实施例的示意图。如图2A所示，天线阵列2包括一第一天线单元20a、一第二天线单元20b及一第三天线单元20c，多个天线单元20a、20b、20c彼此间隔地设置，第三天线单元20c介于第一天线单元20a与第二天线单元20b之间。其中第一天线单元20a及第二天线单元20b的两外侧边缘具有非对称的狭缝，例如第一天线单元10a的第一狭缝211的个数大于第二狭缝213的个数，可产生向左偏向的辐射场型220，第二天线单元10b的第一狭缝211’的个数小于第二狭缝213’的个数，可产生向右偏向的辐射场型240。而第三天线单元10c的两外侧边缘具有对称的狭缝，即第三天线单元10c的第一狭缝212的个数等于第二狭缝214的个数，可产生对称的辐射场型260。须注意的是，本实施例仅为举例而已，天线阵列2包含的天线单元20a、20b、20c的个数不限，可以是两个或两个以上，且狭缝的个数与天线单元20a、20b、20c的排列方式可依实际需要的辐射场型作设计。 

根据本发明的实施例，多个天线单元20a、20b、20c可彼此平行排列或彼此夹一个角度θ，举例来说角度θ可为0～45度，即可达到在10m以内可具有超过90度的高增益覆盖范围效果。藉此，可降低天线阵列2所需的配置面积，以符合电子装置缩小化的需求。 

天线阵列2的多个天线单元20a、20b、20c的夹角在不同角度下可合成 不同场型的辐射场，如图2B所示，其显示本发明用于行动装置的天线阵列2的一实施例的辐射场图，分别为多个天线单元20a、20b、20c彼此夹的角度θ等于0度、10度、20度、30度、40度所合成的辐射场型。 

接着，请参考图3A，其显示依据本发明用于行动装置的天线模组的一实施例的示意图。如图3A所示，天线模组3包括一基板32及至少一天线单元30，天线单元30设置在基板32上。天线单元30可以是上述天线阵列2中的多个天线单元20a、20b、20c中的一个或多个组合。基板包括一导体层321及一介质层323，介质层323形成于导体层321上。 

根据本发明的一实施例，基板32的厚度t可大于四分之一的等效波长，为了避免介电损耗，介质层323中具有数个穿孔(via hole)325，多个穿孔325可以是藉由低温烧结陶瓷(low temperature cofired ceramic，LTCC)制程所形成的实心导电柱，且多个穿孔325彼此互相间隔且周期性地排列，每个穿孔325从导体层321往介质层323连接天线单元30的表面延伸，且穿孔325的一端可连接至导体层321，如此，当电磁波由介质层323表面往下传递时，将会看到许多开路负载，其介质阻抗近似无穷大，让电磁波无法贯穿，因此多个穿孔325可视为电磁能隙并创造磁墙(magnetic wall)。 

穿孔325的个数与长度不限，然较佳地实施方式为，穿孔325的长度h为四分之一或奇数倍四分之一等效波长，以有效抑制电磁波往介质层323扩散并散射。 

最后，请参考图3B，其显示依据本发明用于行动装置的天线系统的一实施例的示意图。如图3B所示，天线系统300包括三个如图3A的天线模组3a、3b、3c，天线模组3a、3b、3c的个数不限，在此举三个天线模组3a、3b、3c作说明，实际实施时可为两个或两个以上。 

多个天线模组3a、3b、3c的天线单元30a、30b、30c可分别设置在不同片基板32或同一片基板32上，若天线单元30a、30b、30c设置在不同的基板32上，天线模组3a、3b、3c可彼此互相间隔设置，且互相平行或夹一角度。若天线单元30a、30b、30c设置在同一基板32上，则天线单元30a、30b、30c可彼此互相间隔设置，且互相平行或夹一角度。两种实施方式皆可合成高增益且宽波束的辐射场型。 

是故，由上述可以得知，本发明天线系统及其天线模组、天线单元、天 线阵列具有不对称的狭缝，可不受波束成形演算法控制，即达到较佳的辐射指向性及辐射涵盖率，且设计电磁能隙结构，可有效地抑制介电损耗。 

以上描述依据本发明多个不同实施例，其中各项特征可以单一或不同结合方式实施。因此，本发明实施方式的揭露为阐明本发明原则的具体实施例，应不拘限本发明于所揭示的实施例。进一步言之，先前叙述及其附图仅为本发明示范之用，并不受其限囿。其他元件的变化或组合皆可能，且不悖于本发明的精神与范围。 

主要符号名称列表 

10a、10b天线单元 

100本体 

101第一导体 

103第二导体 

102馈入端 

104辐射端 

111、111’第一狭缝 

113、113’第二狭缝 

115倒钩槽 

120、124、220、240、260辐射场型 

S₁外侧边缘 

S₂外侧边缘 

S₃内侧边缘 

S₄内侧边缘 

L长度 

g间隙 

2天线阵列 

20a第一天线单元 

20b第二天线单元 

20c第三天线单元 

211、211’第一狭缝 

213、213’第二狭缝 

212第一狭缝 

214第二狭缝 

θ夹角 

3天线模组 

30天线单元 

32基板 

321导体层 

323介质层 

325穿孔 

h长度 

t厚度 

300天线系统 

3a、3b、3c天线模组 

30a、30b、30c天线单元。 

Claims (14)

1.一种用于行动装置的天线单元，其特征在于，包括：

一本体，具有一馈入端、一辐射端及两外侧边缘，该馈入端用以接收一输入讯号，该两外侧边缘分别具有由外往本体内延伸的数个第一狭缝及数个第二狭缝，该些第一狭缝的个数与该些第二狭缝的个数相异，以控制该辐射端的辐射场型。

2.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，该些第一狭缝及该些第二狭缝的长度为四分之一或奇数倍的四分之一等效波长。

3.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，该本体包括一第一导体及一第二导体，该第一导体与该第二导体之间具有一间隙，该间隙的宽度延该馈入端往该辐射端方向逐渐扩大。

4.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，该些第一狭缝的个数大于该第二狭缝的个数。

5.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，该些第一狭缝的个数小于该些第二狭缝的个数。

6.一种用于行动装置的天线阵列，其特征在于，包括：数个天线单元，该些天线单元中的至少一个的两外侧边缘具有相异个数的数个狭缝，且该些天线单元彼此分散地排列。

7.如权利要求6所述的天线阵列，其特征在于，该些狭缝的长度为四分之一或奇数倍的四分之一等效波长。

8.如权利要求6所述的天线阵列，其特征在于，该些天线单元彼此互相平行。

9.如权利要求6所述的天线阵列，其特征在于，该些天线单元彼此夹一个预设角度。

10.如权利要求9所述的天线阵列，其特征在于，该预设角度介于0～45度。

11.一种用于行动装置的天线模组，其特征在于，包括：

一基板，包括一介质层及一导体层，其中该介质层形成于该导体层上，且该介质层具有数个穿孔，该些穿孔从该导体层往该介质层的上表面延伸；及

至少一天线，设置于该介质层上，该天线的两外侧边缘具有相异个数的数个狭缝。

12.如权利要求11所述的天线模组，其特征在于，该基板的厚度大于四分之一等效波长。

13.如权利要求12所述的天线模组，其特征在于，该些穿孔的长度为四分之一或奇数倍的四分之一等效波长。

14.如权利要求13所述的天线模组，其特征在于，该些穿孔彼此周期性排列。

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