CN109309284A - 天线装置和移动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种天线装置和移动装置。该天线装置包括：一金属机构件、一接地面、一馈入部、一接地突出部，以及一介质基板。金属机构件具有一槽孔。馈入部具有耦接至一信号源的一馈入点，其中馈入部延伸跨越槽孔。接地突出部耦接至接地面，其中接地突出部的一垂直投影与槽孔至少部分地重叠。馈入部、接地突出部，以及金属机构件的槽孔共同形成一天线结构。天线结构涵盖一低频频带和一高频频带。馈入点至槽孔的一端的间距小于或等于低频频带的一中心频率的0.1倍波长。槽孔的长度小于低频频带的中心频率的0.5倍波长。

Description

天线装置和移动装置

技术领域

本发明涉及一种天线装置，特别是涉及一种移动装置及其天线结构。

背景技术

随着移动通讯技术的发达，移动装置在近年日益普遍，常见的例如：手提式电脑、移动电话、多媒体播放器以及其他混合功能的携带型电子装置。为了满足人们的需求，移动装置通常具有无线通讯的功能。有些涵盖长距离的无线通讯范围，例如：移动电话使用2G、3G、LTE(Long Term Evolution)系统及其所使用700MHz、850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz、2100MHz、2300MHz以及2500MHz的频带进行通讯，而有些则涵盖短距离的无线通讯范围，例如：Wi-Fi、Bluetooth系统使用2.4GHz、5.2GHz和5.8GHz的频带进行通讯。

为了追求造型美观，现今设计者常会在移动装置中加入金属元件的要素。然而，新增的金属元件却容易对于移动装置中支援无线通讯的天线产生负面影响，进而降低移动装置的整体通讯品质。因此，有必要提出一种全新的天线装置和移动装置，以克服传统技术所面临的问题。

发明内容

在优选实施例中，本发明提供一种天线装置，包括：一金属机构件，具有一槽孔，其中该槽孔具有一第一端和一第二端；一接地面，耦接至该金属机构件；一馈入部，具有耦接至一信号源的一馈入点，其中该馈入部延伸跨越该槽孔；一接地突出部，耦接至该接地面，其中该接地突出部的一垂直投影与该槽孔至少部分地重叠；以及一介质基板，其中该接地面、该馈入部，以及该接地突出部都设置于该介质基板上；其中该馈入部、该接地突出部，以及该金属机构件的该槽孔共同形成一天线结构；其中该天线结构涵盖一低频频带和一高频频带；其中该馈入点至该槽孔的该第一端的间距小于或等于该低频频带的一中心频率的0.1倍波长；其中该槽孔的长度小于该低频频带的该中心频率的0.5倍波长。

在一些实施例中，该槽孔为一直条形，而该槽孔的该第一端和该第二端都为闭口端。

在一些实施例中，该槽孔的该长度等于该低频频带的该中心频率的0.375倍波长。

在一些实施例中，该低频频带介于2310MHz至2680MHz之间，而该高频频带介于5080MHz至5860MHz之间。

在一些实施例中，馈入部、该接地突出部，以及该金属机构件的该槽孔激发产生该低频频带，而其中该馈入部激发产生该高频频带。

在一些实施例中，该接地突出部为一矩形。

在一些实施例中，该馈入部为一矩形、一三角形、一倒梯形，或是一U字形。

在一些实施例中，该馈入部为一不等宽结构且包括一较宽部分和一较窄部分，而该较窄部分的一垂直投影与该槽孔至少部分地重叠。

在另一优选实施例中，本发明提供一种移动装置，包括：一射频信号处理单元；一天线装置耦接该射频信号处理单元，该天线装置包括:一金属机构件，具有一槽孔，其中该槽孔具有一第一端和一第二端；一接地面，耦接至该金属机构件；一馈入部，具有耦接至一信号源的一馈入点，其中该馈入部延伸跨越该槽孔；一接地突出部，耦接至该接地面，其中该接地突出部的一垂直投影与该槽孔至少部分地重叠；以及一介质基板，其中该接地面、该馈入部，以及该接地突出部都设置于该介质基板上；其中该馈入部、该接地突出部，以及该金属机构件的该槽孔共同形成一天线结构；其中该天线结构涵盖一低频频带和一高频频带；其中该馈入点至该槽孔的该第一端的间距小于或等于该低频频带的一中心频率的0.1倍波长；其中该槽孔的长度小于该低频频带的该中心频率的0.5倍波长。

在一些实施例中，该金属机构件为该移动装置的一金属背盖。

在一些实施例中，该金属机构件为该移动装置的一外壳的一部分。

附图说明

图1A为本发明一实施例所述的天线装置的透视图；

图1B为本发明一实施例所述的天线装置的下层部分的示意图；

图1C为本发明一实施例所述的天线装置的上层部分的示意图；

图1D为本发明一实施例所述的天线装置的剖视图；

图2为本发明一实施例所述的天线装置的天线结构的电压驻波比图；图3为传统槽孔天线的电压驻波比图；

图4为本发明一实施例所述的天线装置的天线结构的天线效率图；图5为本发明一实施例所述的天线装置的透视图；

图6为本发明一实施例所述的天线装置的透视图；以及

图7为本发明一实施例所述的天线装置的透视图。

符号说明

100、500、600、700～天线装置；

110～金属机构件；

111～金属机构件的边缘；

120～槽孔；

121～槽孔的第一端；

122～槽孔的第二端；

140～接地面；

150、550、650、750～馈入部；

151～馈入部的较宽部分；

152～馈入部的较窄部分；

160～接地突出部；

161～接地突出部的第一端；

162～接地突出部的第二端；

170～介质基板；

190～信号源；

D1、D2～间距；

E1～介质基板的第一表面；

E2～介质基板的第二表面；

FB1～低频频带；

FB2～高频频带；

FP～馈入点；

L1、L2、L3、L4～长度；

LC1～剖面线；

W1、W2、W3、W4～宽度。

具体实施方式

为让本发明的目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出本发明的具体实施例，并配合所附的附图，作详细说明如下。

在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的「包含」及「包括」一词为开放式的用语，故应解释成「包含但不仅限定于」。「大致」一词则是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，达到所述基本的技术效果。此外，「耦接」一词在本说明书中包含任何直接及间接的电连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接至一第二装置，则代表该第一装置可直接电连接至该第二装置，或经由其它装置或连接手段而间接地电连接至该第二装置。

图1A显示的是根据本发明一实施例所述的天线装置100的透视图。图1B显示的是根据本发明一实施例所述的天线装置100的下层部分的示意图。图1C显示的是根据本发明一实施例所述的天线装置100的上层部分的示意图。图1D显示的是根据本发明一实施例所述的天线装置100的剖视图(沿一剖面线LC1)。请一并参考图1A、图1B、图1C、图1D。天线装置100可实施于一移动装置(Mobile Device)，例如：一智能型手机(Smart Phone)、一平板电脑(Tablet Computer)，或是一笔记型电脑(Notebook Computer)。在图1A、图1B、图1C、图1D的实施例中，天线装置100包括：一金属机构件(Metal Mechanism Element)110、一接地面(Ground Plane)140、一馈入部(Feeding Element)150、一接地突出部(GroundingExtension Element)160，以及一介质基板(Dielectric Substrate)170。必须理解的是，虽然未显示于图1A、图1B、图1C、图1D中，但实际上天线装置100所在的移动装置还可包括其他元件，例如：一射频信号处理单元耦接于天线装置100、一处理器(Processor)、一触控面板(Touch Control Panel)、一扬声器(Speaker)、一电池模块(Battery Module)，以及一外壳(Housing)。

金属机构件110具有一槽孔120，其中槽孔120可以大致为一直条形。详细而言，槽孔120为一闭口槽孔(Closed Slot)，其具有互相远离的一第一端121和一第二端122，而槽孔120的第一端121和第二端122都为闭口端(Close End)。槽孔120可与金属机构件110的至少一边缘111互相平行。在一些实施例中，天线装置100实施于一移动装置，而金属机构件110为此移动装置的一金属背盖(Metal Back Cover)，或为此移动装置的一外壳的一部分。

接地面140、馈入部150，以及接地突出部160都由金属材质所制成，例如：铜、银、铝、铁，或是其合金。介质基板170可为一FR4(Flame Retardant4)基板，一印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)，或是一软性电路板(Flexible Circuit Board，FCB)。介质基板170可具有相对的一第一表面E1和一第二表面E2，其中接地面140、馈入部150，以及接地突出部160都设置于介质基板170的第一表面E1上，而介质基板170的第二表面E2可靠近或直接贴合于金属机构件110上(邻近或接触槽孔120)。

接地面140耦接至金属机构件110，此二者可提供天线装置100的一接地电位。例如，接地面140可为一接地铜箔(Ground Copper Foil)，其可由介质基板170上延伸至金属机构件110上。馈入部150具有一馈入点FP，其耦接至一信号源(Signal Source)190。信号源190可为一射频(Radio Frequency，RF)模块，能用于产生一发射信号或是处理一接收信号。例如，信号源190的一正极(Positive Electrode)可耦接至馈入点FP，而信号源190的一负极(Negative Electrode)可耦接至接地面140。馈入部150延伸跨越金属机构件110的槽孔120。例如，馈入部150于金属机构件110上的一垂直投影(Vertical Projection)可跨越槽孔120的整个宽度W1。接地突出部160耦接至接地面140，其中接地突出部160延伸跨越金属机构件110的槽孔120的至少一部分。例如，接地突出部160于金属机构件110上的一垂直投影可与槽孔120至少部分地重叠(或可跨越槽孔120的宽度W1的至少一部分或全部)。

馈入部150可为一不等宽结构(Width-Varying Structure)且包括一较宽部分(Wide Portion)151和一较窄部分(Narrow Portion)152。例如，馈入部150的较宽部分151可为面积较大的一矩形，而馈入部150的较窄部分152可为面积较小的另一矩形。馈入部150的较窄部分152于金属机构件110上的一垂直投影与槽孔120至少部分地重叠。馈入部150的较宽部分151和较窄部分152两者可大致朝相反的方向作延伸。馈入点FP可大致位于馈入部150的较宽部分151和较窄部分152两者的交界处。接地突出部160可以大致为一矩形。接地突出部160具有一第一端161和一第二端162，其中接地突出部160的第一端161耦接至接地面140，而接地突出部160的第二端162为一开路端(Open End)并朝远离接地面140的方向作延伸。接地突出部160于金属机构件110上的垂直投影大致位于槽孔120的第一端121和第二端122两者的正中央处，但是本发明并不仅限于此。在其他实施例中，接地突出部160的位置也可根据实际需求调整，以创造不同的边界条件(Boundary Condition)。在优选实施例中，馈入部150、接地突出部160，以及金属机构件110的槽孔120共同形成一天线结构(AntennaStructure)。

图2显示的是根据本发明一实施例所述的天线装置100的天线结构的电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)图，其中横轴代表操作频率(MHz)，而纵轴代表电压驻波比。根据图2的测量结果，当接收或传送无线信号时，天线装置100的天线结构可涵盖一低频频带FB1和一高频频带FB2，其中低频频带FB1介于2310MHz至2680MHz之间，而高频频带FB2介于5080MHz至5860MHz之间。因此，天线装置100的天线结构至少可支援WLAN(WirelessLocal Area Network)2.4GHz/5GHz的双频带操作。

在一些实施例中，天线装置100的天线结构的操作原理可如下列所述。馈入部150、接地突出部160，以及金属机构件110的槽孔120共同激发产生前述的低频频带FB1，而馈入部150自身单独激发产生前述的高频频带FB2。必须注意的是，馈入部150的馈入点FP至槽孔120的第一端121的间距D1须小于或等于低频频带FB1的一中心频率的0.1倍波长(0.1λ)，以形成一偏旁馈入的机制。所谓「偏旁馈入」的机制是指馈入部150的馈入点FP较靠近槽孔120的第一端121，而非靠近槽孔120的中央处，其恰与传统的「中央馈入」的机制相反。根据实际测量结果，此种偏旁馈入的机制可改变金属机构件110的槽孔120附近的电流分布(CurrentDistribution)，并有助于使天线结构的辐射能量更集中化。在此设计下，槽孔120的尺寸可以较传统的槽孔天线更为缩小。详细而言，槽孔120的长度L1可小于低频频带FB1的中心频率的0.5倍波长(0.5λ)，且较佳可为低频频带FB1的中心频率的0.375倍波长(0.375λ)，即槽孔120的整体尺寸可缩小约25％。接地突出部160可至少部分地遮盖住槽孔120，进而能微调低频频带FB1的阻抗匹配(Impedance Matching)。例如，若接地突出部160的长度L2变大，则低频频带FB1将会往相对低频的方向作漂移；反之，若接地突出部160的长度L2变小，则低频频带FB1将会往相对高频的方向作漂移。馈入部150的较窄部分152也可至少部分地遮盖住槽孔120，进而能微调高频频带FB2的阻抗匹配。例如，若较窄部分152的长度L4变大，则高频频带FB2将会往相对低频的方向作漂移；反之，若较窄部分152的长度L4变小，则高频频带FB2将会往相对高频的方向作漂移。在另一些实施例中，馈入部150的较窄部分152也可完全移除(亦即，长度L4可设定为0)，使得馈入部150仅包括较宽部分151，故可大致呈现一矩形。

图3显示的是传统槽孔天线的电压驻波比图，其中横轴代表操作频率(MHz)，而纵轴代表电压驻波比。传统槽孔天线一般都采用中央馈入的机制，其槽孔的长度须等于操作频率的0.5倍波长(0.5λ)，故总天线尺寸将较本发明更大。另外，根据图3的测量结果，传统槽孔天线的低频频宽也较本发明更加狭窄。

图4显示的是根据本发明一实施例所述的天线装置100的天线结构的天线效率(Antenna Efficiency)图，其中横轴代表操作频率(MHz)，而纵轴代表天线效率(％)。根据图4的测量结果，天线装置100的天线结构于低频频带FB1中的天线效率约可达40％或更高，而于高频频带FB2中的天线效率约可达50％或更高，此已可满足一般移动通讯装置的实际应用需求。

在一些实施例中，天线装置100的其他元件尺寸可如下列所述。槽孔120的宽度W1约为1.8mm。接地突出部160的长度L2介于低频频带FB1的中心频率的0至1/8倍波长(0λ～λ/8)波长之间，且较佳为1/24倍波长(λ/24)。接地突出部160的宽度W2约为2.1mm。馈入部150的较宽部分151的长度L3大致为高频频带FB2的中心频率的0.25倍波长(0.25λ)。馈入部150的较宽部分151的宽度W3约为4.2mm。馈入部150的较窄部分152的长度L4介于高频频带FB2的中心频率的0至1/3倍波长(0λ～λ/3)波长之间，且较佳为1/6倍波长(λ/6)。馈入部150的较窄部分152的宽度W4约为1.6mm。馈入部150的较窄部分152与接地突出部160的间距D2介于8mm至10mm之间，且较佳为9mm。以上元件尺寸范围是根据多次实验结果而求出，其有助于最佳化天线装置100的天线结构的操作频带及阻抗匹配。

图5显示的是根据本发明一实施例所述的天线装置500的透视图。图5和图1A相似。在图5的实施例中，天线装置500的一馈入部550大致为一三角形，而馈入点FP大致位于此三角形的三个顶点的其中一者处。馈入部550于金属机构件110上的一垂直投影与槽孔120至少部分地重叠，故馈入部550也可用于微调前述高频频带FB2的阻抗匹配。图5的天线装置500的其余特征都与图1A、图1B、图1C、图1D的天线装置100相似，故此二实施例均可达成相似的操作效果。

图6显示的是根据本发明一实施例所述的天线装置600的透视图。图6和图1A相似。在图6的实施例中，天线装置600的一馈入部650大致为一倒梯形，而馈入点FP大致位于此倒梯形的二个平行边的其中较短者处。馈入部650于金属机构件110上的一垂直投影与槽孔120至少部分地重叠，故馈入部650也可用于微调前述高频频带FB2的阻抗匹配。图6的天线装置600的其余特征都与图1A、图1B、图1C、图1D的天线装置100相似，故此二实施例均可达成相似的操作效果。

图7显示的是根据本发明一实施例所述的天线装置700的透视图。图7和图1A相似。在图7的实施例中，天线装置700的一馈入部750大致为一U字形，而馈入点FP大致位于此U字形的二个直角转折的其中一者处。馈入部750于金属机构件110上的一垂直投影与槽孔120至少部分地重叠，故馈入部750也可用于微调前述高频频带FB2的阻抗匹配。图7的天线装置700的其余特征都与图1A、图1B、图1C、图1D的天线装置100相似，故此二实施例均可达成相似的操作效果。

必须理解的是，馈入部150的形状于本发明中并不特别作限制。在另一些实施例中，馈入部150还可具有其他不同形状，例如：一圆形、一椭圆形，或一不规则形。设计者可通过更改馈入部150的形状来达成增加天线结构的操作频宽的效果。

本发明提出一种新颖的天线结构，其包括偏旁馈入的机制，可集中天线结构的辐射能量并同时缩小天线结构的整体尺寸。当此天线结构应用于具有一金属机构件的移动装置时，由于金属机构件可视为天线结构的一延伸部分，故能有效避免金属机构件对移动装置的通讯品质产生负面影响。总而言之，本发明能兼得小尺寸、宽频带，以及美化装置外型的优势，故其很适合应用于各种各式的移动通讯装置当中。

值得注意的是，以上所述的元件尺寸、元件形状，以及频率范围都非为本发明的限制条件。天线设计者可以根据不同需要调整这些设定值。本发明的天线装置和移动装置并不仅限于图1A～图7所图示的状态。本发明可以仅包括图1A～图7的任何一或多个实施例的任何一或多项特征。换言之，并非所有图示的特征均须同时实施于本发明的天线装置和移动装置当中。

在本说明书以及权利要求中的序数，例如「第一」、「第二」、「第三」等等，彼此之间并没有顺序上的先后关系，其仅用于标示区分两个具有相同名字的不同元件。

虽然结合以上优选实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉此项技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (11)

1.一种天线装置，包括：

金属机构件，具有槽孔，其中该槽孔具有第一端和第二端；

接地面，耦接至该金属机构件；

馈入部，具有耦接至一信号源的一馈入点，其中该馈入部延伸跨越该槽孔；

接地突出部，耦接至该接地面，其中该接地突出部的一垂直投影与该槽孔至少部分地重叠；以及

介质基板，其中该接地面、该馈入部，以及该接地突出部都设置于该介质基板上；

其中该馈入部、该接地突出部，以及该金属机构件的该槽孔共同形成一天线结构；

其中该天线结构涵盖一低频频带和一高频频带；

其中该馈入点至该槽孔的该第一端的间距小于或等于该低频频带的一中心频率的0.1倍波长；

其中该槽孔的长度小于该低频频带的该中心频率的0.5倍波长。

2.如权利要求1所述的天线装置，其中该槽孔为一直条形，而该槽孔的该第一端和该第二端都为闭口端。

3.如权利要求1所述的天线装置，其中该槽孔的该长度等于该低频频带的该中心频率的0.375倍波长。

4.如权利要求1所述的天线装置，其中该低频频带介于2310MHz至2680MHz之间，而该高频频带介于5080MHz至5860MHz之间。

5.如权利要求1所述的天线装置，其中馈入部、该接地突出部，以及该金属机构件的该槽孔激发产生该低频频带，而其中该馈入部激发产生该高频频带。

6.如权利要求1所述的天线装置，其中该接地突出部为一矩形。

7.如权利要求1所述的天线装置，其中该馈入部为一矩形、一三角形、一倒梯形，或是一U字形。

8.如权利要求1所述的天线装置，其中该馈入部为一不等宽结构且包括较宽部分和较窄部分，而该较窄部分的一垂直投影与该槽孔至少部分地重叠。

9.一种移动装置，包括：

射频信号处理单元；

天线装置，耦接于该射频信号处理单元，该天线装置包括:

金属机构件，具有槽孔，其中该槽孔具有第一端和第二端；

接地面，耦接至该金属机构件；

馈入部，具有耦接至一信号源的一馈入点，其中该馈入部延伸跨越该槽孔；

接地突出部，耦接至该接地面，其中该接地突出部的一垂直投影与该槽孔至少部分地重叠；以及

介质基板，其中该接地面、该馈入部，以及该接地突出部都设置于该介质基板上；

其中该馈入部、该接地突出部，以及该金属机构件的该槽孔共同形成一天线结构；

其中该天线结构涵盖一低频频带和一高频频带；

其中该馈入点至该槽孔的该第一端的间距小于或等于该低频频带的一中心频率的0.1倍波长；

其中该槽孔的长度小于该低频频带的该中心频率的0.5倍波长。

10.如权利要求9所述的移动装置，其中该金属机构件为该移动装置的金属背盖。

11.如权利要求9所述的移动装置，其中该金属机构件为该移动装置的外壳的一部分。