CN111725609A - 天线结构 - Google Patents

Abstract

一种天线结构。该天线结构包括：一偶极天线元件以及一浮接金属部；该浮接金属部邻近于该偶极天线元件，其中该偶极天线元件的一垂直投影与该浮接金属部至少部分重叠。本发明的浮接金属部可用于微调天线结构的辐射场型并增加天线结构的操作带宽，而且本发明相较于传统设计至少具有小尺寸、宽频带、低复杂度、高增益以及低制造成本等优势，故其很适合应用于各种各式的通信装置当中。

Description

天线结构

技术领域

本发明涉及一种天线结构，特别涉及一种包括浮接金属部的宽带天线结构。

背景技术

随着移动通信技术的发达，移动装置在近年日益普遍，常见的例如：手提式计算机、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信的功能。有些涵盖长距离的无线通信范围，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的频带进行通信，而有些则涵盖短距离的无线通信范围，例如：Wi-Fi、Bluetooth系统使用2.4GHz、5.2GHz和5.8GHz的频带进行通信。

天线(Antenna)为无线通信领域中不可缺少的元件。倘若用于接收或发射信号的天线其带宽(Bandwidth)不足，则很容易造成移动装置的通信质量下降。因此，如何设计出小尺寸、宽频带的天线元件，对天线设计者而言是一重要课题。

因此，需要提供一种天线结构(Antenna Structure)来解决上述问题。

发明内容

在较佳实施例中，本发明提出一种天线结构，该天线结构包括：一偶极天线元件；以及一浮接金属部，该浮接金属部邻近于该偶极天线元件，其中该偶极天线元件的一垂直投影与该浮接金属部至少部分重叠。

在一些实施例中，该天线结构至少涵盖介于2400MHz至2500MHz之间的一操作频带。

在一些实施例中，该偶极天线元件包括一第一辐射部和一第二辐射部，该第一辐射部耦接至一正馈入点，而该第二辐射部耦接至一负馈入点。

在一些实施例中，该第一辐射部和该第二辐射部皆位于同一平面上。

在一些实施例中，该第一辐射部和该第二辐射部分别位于不同平面上。

在一些实施例中，该第一辐射部还包括一第一末端弯折部分，而该第二辐射部还包括一第二末端弯折部分。

在一些实施例中，该第一辐射部和该第二辐射部各自呈现一直条形或一L字形。

在一些实施例中，该浮接金属部呈现一U字形。

在一些实施例中，该浮接金属部呈现一圆弧形。

在一些实施例中，该浮接金属部(Floating Metal Element)包括一主要部分、一第一耦合部分，以及一第二耦合部分，而该主要部分耦接于该第一耦合部分和该第二耦合部分之间。

在一些实施例中，该浮接金属部还包括耦接至该第一耦合部分的一第一末端加宽部分。

在一些实施例中，该浮接金属部还包括耦接至该第二耦合部分的一第二末端加宽部分。

在一些实施例中，该浮接金属部的该主要部分与该偶极天线元件的该垂直投影的间距大于或等于该操作频带的1/40倍波长。

在一些实施例中，该浮接金属部的该主要部分与该偶极天线元件的该垂直投影的间距小于或等于该操作频带的1/24倍波长。

在一些实施例中，该浮接金属部的该主要部分的长度介于该操作频带的9/40至4/15倍波长之间。

在一些实施例中，该浮接金属部的该第一耦合部分的长度和该第二耦合部分的长度皆大于该操作频带的1/30倍波长。

在一些实施例中，该偶极天线元件和该浮接金属部的间距大于或等于0.2mm。

在一些实施例中，该天线结构还包括：一介质基板，其中该偶极天线元件和该浮接金属部分别设置于该介质基板的不同层上。

在一些实施例中，该介质基板为一双层印刷电路板或一六层印刷电路板。

在一些实施例中，该天线结构还包括：一接地面，该接地面设置于该介质基板上，并具有一净空区域，其中该偶极天线元件的该垂直投影和该浮接金属部的一垂直投影皆位于该净空区域之内。

本发明提出一种新颖的天线结构。藉由使用所提的浮接金属部，本发明可微调偶极天线元件的主波束方向并扩大其操作带宽。相较于传统设计，本发明至少具有小尺寸、宽频带、低复杂度、高增益以及低制造成本等优势，故其很适合应用于各种各式的通信装置当中。

附图说明

图1A显示根据本发明一实施例所述的天线结构的俯视图。

图1B显示根据本发明一实施例所述的天线结构的立体图。

图1C显示根据本发明一实施例所述的天线结构的返回损失图

图1D显示根据本发明一实施例所述的天线结构的辐射场型图。

图2A显示根据本发明一实施例所述的天线结构的俯视图。

图2B显示根据本发明一实施例所述的天线结构的返回损失图。

图3显示根据本发明一实施例所述的天线结构的俯视图。

图4显示根据本发明一实施例所述的天线结构的立体图。

图5显示根据本发明一实施例所述的天线结构的俯视图。

图6显示根据本发明一实施例所述的天线结构的俯视图。

图7显示根据本发明一实施例所述的天线结构的俯视图。

主要组件符号说明：

100、200、300、400、500、600、700 天线结构

110、210、410 偶极天线元件

111、211、411 第一辐射部

112、212、412 第二辐射部

120、320、520、620、720 浮接金属部

121、321 浮接金属部的第一端

122、322 浮接金属部的第二端

130、330、530、630、730 浮接金属部的主要部分

140、340、540、640、740 浮接金属部的第一耦合部分

150、350、550、650、750 浮接金属部的第二耦合部分

160、460 介质基板

170 接地面

175 净空区域

215 第一辐射部的第一末端弯折部分

216 第二辐射部的第二末端弯折部分

345 浮接金属部的第一末端加宽部分

355 浮接金属部的第二末端加宽部分

CC1 第一曲线

CC2 第二曲线

D1、D2 间距

E1 介质基板的第一层

E2 介质基板的第二层

E3 介质基板的第三层

E4 介质基板的第四层

E5 介质基板的第五层

E6 介质基板的第六层

FP 正馈入点

FN 负馈入点

H1 厚度

L1、L2、L3、LA、LB 长度

W1 宽度

X X轴

Y Y轴

Z Z轴

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，并配合所附附图，作详细说明如下。

在说明书及权利要求书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书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书当中所提及的“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性连接手段。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性连接至该第二装置，或经由其他装置或连接手段而间接地电性连接至该第二装置。

图1A显示根据本发明一实施例所述的天线结构(Antenna Structure)100的俯视图。图1B显示根据本发明一实施例所述的天线结构100的立体图。请一并参考图1A、图1B。天线结构100可应用于一通信装置(Communication Device)当中，例如：一无线分享器(Wireless Access Point)、一智能型手机(Smart Phone)、一平板计算机(TabletComputer)，或是一笔记本型计算机(Notebook Computer)，但亦不仅限于此。在图1A、图1B的实施例中，天线结构100至少包括一偶极天线元件(Dipole Antenna Element)110和一浮接金属部(Floating Metal Element)120，其中浮接金属部120邻近于偶极天线元件110但与偶极天线元件110完全分离。必须注意的是，本说明书中所谓“邻近”或“相邻”一词可指对应的二元件间距小于一既定距离(例如：5mm或更短)。

偶极天线元件110可用导体材质制成，例如：金属材质。偶极天线元件110的详细形状在本发明中并不特别限制。详细而言，偶极天线元件110包括一第一辐射部111和一第二辐射部112，其中第一辐射部111耦接至一正馈入点(Positive Feeding Point)FP，而第二辐射部112耦接至一负馈入点(Negative Feeding Point)FN。第一辐射部111和第二辐射部112可以各自大致呈现一直条形。正馈入点FP和负馈入点FN可以分别耦接至一信号源(Signal Source)的一正极(Positive Electrode)和一负极(Negative Electrode)(未显示)。例如，前述的信号源可为一射频(Radio Frequency，RF)模块，其可用于激发天线结构100。偶极天线元件110和浮接金属部120之间可产生耦合效应(Coupling Effect)，使得浮接金属部120可用于改善偶极天线元件110的辐射性能。为增强前述耦合效应，偶极天线元件110的一垂直投影(Vertical Projection)须与浮接金属部120至少部分重叠。亦即，若浮接金属部120设置于一特定平面上，则第一辐射部111或(且)第二辐射部112在此特定平面上的垂直投影将与浮接金属部120至少部分重叠。

浮接金属部120可以大致呈现一U字形。浮接金属部120具有一第一端121和一第二端122，其为二个开路端(Open End)。详细而言，浮接金属部120包括一主要部分(MainPortion)130、一第一耦合部分(Coupling Portion)140，以及一第二耦合部分150，其中主要部分130耦接于第一耦合部分140和第二耦合部分150之间。前述的主要部分130、第一耦合部分140，以及第二耦合部分150可以各自大致呈现一直条形，其中主要部分130可与偶极天线元件110大致互相平行，而第一耦合部分140和第二耦合部分150则皆可与主要部分130大致互相垂直。在浮接金属部120中，主要部分130的长度L1可为此三部分的最长者，而第二耦合部分150的长度L3可以大致等于第一耦合部分140的长度L2。另外，第一辐射部111的一垂直投影可与浮接金属部120的第一耦合部分140至少部分重叠，而第二辐射部112的一垂直投影可与浮接金属部120的第二耦合部分150至少部分重叠。大致而言，主要部分130的长度L1用于决定天线结构100的共振频率(Resonant Frequency)，而第一耦合部分140的长度L2和第二耦合部分150的长度L3用于决定浮接金属部120和偶极天线元件110之间的耦合量。

在一些实施例中，天线结构100还包括一介质基板(Dielectric Substrate)160，其中偶极天线元件110和浮接金属部120可以分别设置于介质基板160的不同层上。举例而言，若介质基板160为一六层印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)，则第一辐射部111可设置于介质基板160的一第一层E1(亦即，最上层)上，第二辐射部112可设置于介质基板160的一第四层E4(亦即，介于最上层和最下层之间)上，而浮接金属部120可设置于介质基板160的一第六层E6(最下层)上，但亦不仅限于此。在其他实施例中，介质基板160的总层数亦可根据不同需要进行调整。

在一些实施例中，天线结构100还包括一接地面(Ground Plane)170，其用金属材质制成并设置于介质基板160上。举例而言，若介质基板160为六层印刷电路板，则接地面170可同时分布于介质基板160的第一层E1至第六层E6上。接地面170具有一净空区域(Clearance Region)175，其可大致呈现一矩形缺口(Notch)。偶极天线元件110的垂直投影和浮接金属部120的一垂直投影皆可完全位于接地面170的净空区域175之内。根据实际测量结果，浮接金属部120的加入可使偶极天线元件110不易受到接地面170的金属部分所干扰。必须理解的是，介质基板160和接地面170皆为天线结构100的选用元件(OptionalElement)，在其他实施例中亦可省略或移除之。

图1C显示根据本发明一实施例所述的天线结构100的返回损失(Return Loss)图，其中一第一曲线CC1代表未使用浮接金属部120时天线结构100的操作特性，而一第二曲线CC2代表已使用浮接金属部120时天线结构100的操作特性。根据图1C的测量结果，浮接金属部120的加入可大幅改善天线结构100的带宽(Bandwidth)，使得天线结构100至少可涵盖介于2400MHz至2500MHz之间的一操作频带。在此设计下，天线结构100将至少可支持Bluetooth和WLAN(Wireless Local Area Networks)2.4GHz的宽带操作。

图1D显示根据本发明一实施例所述的天线结构100的辐射场型(RadiationPattern)图。根据图1D的测量结果可知，天线结构100可在XY平面上提供近似对称的辐射场型，且其主波束(Main Beam)的方向大致与浮接金属部120的U字形的开口方向互相重合(亦即，+X轴方向)。必须注意的是，若改用传统的倒F字形天线，则其辐射场型通常为非对称且其主波束的方向会偏往一侧(亦即，+Y轴方向)。因此，所提的浮接金属部120的加入还可微调天线结构100的辐射场型，以满足各种不同应用需求。

在一些实施例中，天线结构100的元件尺寸可如下列所述。偶极天线元件110的第一辐射部111的长度LA可以大致等于天线结构100的操作频带的1/4倍波长。偶极天线元件110的第二辐射部112的长度LB可以大致等于天线结构100的操作频带的1/4倍波长。浮接金属部120的主要部分130与偶极天线元件110的垂直投影的间距D1可以大于或等于天线结构100的操作频带的1/40倍波长。浮接金属部120的主要部分130与偶极天线元件110的垂直投影的间距D1可以小于或等于天线结构100的操作频带的1/24倍波长。浮接金属部120的主要部分130的长度L1介于天线结构100的操作频带的9/40至4/15倍波长之间。浮接金属部120的第一耦合部分140的长度L2可以大于天线结构100的操作频带的1/30倍波长。例如，第一耦合部分140的长度L2可介于天线结构100的操作频带的1/24至3/40倍波长之间。浮接金属部120的第二耦合部分150的长度L3可以大于天线结构100的操作频带的1/30倍波长。例如，第二耦合部分150的长度L3可介于天线结构100的操作频带的1/24至3/40倍波长之间。浮接金属部120可为一等宽结构，其宽度W1可介于0.1mm至2mm之间。偶极天线元件110(或第二辐射部112)和浮接金属部120的间距D2可以大于或等于0.2mm。偶极天线元件110和浮接金属部120的间距D2可以小于或等于介质基板160的厚度H1(例如：1.1mm)。接地面170的净空区域175的长度可至少为30mm，而接地面170的净空区域175的宽度可至少为10mm。以上元件尺寸的范围根据多次实验结果而求出，其可用于优化天线结构100的操作带宽(OperationBandwidth)和阻抗匹配(Impedance Matching)。

图2A显示根据本发明一实施例所述的天线结构200的俯视图。图2A和图1A相似。在图2A的实施例中，天线结构200的一偶极天线元件210包括一第一辐射部211和一第二辐射部212，其中第一辐射部211还包括一第一末端弯折部分(Terminal Bending Portion)215，而第二辐射部212还包括一第二末端弯折部分216，使得第一辐射部211和第二辐射部212各自大致呈现一L字形。第一末端弯折部分215的一垂直投影与浮接金属部120的第一耦合部分140至少部分重叠。第二末端弯折部分216的一垂直投影与浮接金属部120的第二耦合部分150至少部分重叠。此种设计可进一步强化偶极天线元件210和浮接金属部120之间的耦合效应。图2B显示根据本发明一实施例所述的天线结构200的返回损失图。根据图2B的测量结果，第一末端弯折部分215和第二末端弯折部分216的加入有助于扩大天线结构200的操作带宽(例如：由原本320MHz增加至400MHz以上)。图2A的天线结构200的其余特征皆与图1A、图1B的天线结构100类似，故此二实施例均可达成相似的操作效果。

图3显示根据本发明一实施例所述的天线结构300的俯视图。图3和图2A相似。在图3的实施例中，天线结构300的一浮接金属部320为一不等宽结构，其包括一主要部分330、一第一耦合部分340、一第一末端加宽部分345、一第二耦合部分350，以及一第二末端加宽部分355。第一末端加宽部分345可以大致呈现一矩形或一正方形。第一末端加宽部分345耦接至第一耦合部分340并位于浮接金属部320的一第一端321处，其中第一辐射部211的第一末端弯折部分215的垂直投影可与第一末端加宽部分345至少部分重叠。第二末端加宽部分355可以大致呈现一矩形或一正方形。第二末端加宽部分355耦接至第二耦合部分350并位于浮接金属部320的一第二端322处，其中第二辐射部212的第二末端弯折部分216的垂直投影可与第二末端加宽部分355至少部分重叠。根据实际测量结果，此种设计可进一步强化偶极天线元件210和浮接金属部320之间的耦合效应，从而再扩大天线结构300的操作带宽。图3的天线结构300的其余特征皆与图2A的天线结构200类似，故此二实施例均可达成相似的操作效果。

图4显示根据本发明一实施例所述的天线结构400的立体图。图4和图1B相似。在图4的实施例中，天线结构400的一偶极天线元件410为一共平面天线(Coplanar Antenna)。亦即，偶极天线元件410包括一第一辐射部411和一第二辐射部412，其中第一辐射部411和第二辐射部412皆位于同一平面上。若天线结构400的一介质基板460为一双层印刷电路板，则第一辐射部411和第二辐射部412皆可设置于介质基板460的一第一层E1(最上层)上，而浮接金属部120可设置于介质基板460的一第二层E2(最下层)上，但亦不仅限于此。根据实际测量结果，此种设计可微缩天线结构400的整体尺寸，但不致对其辐射场型和操作带宽造成负面影响。图4的天线结构400的其余特征皆与图1A、图1B的天线结构100类似，故此二实施例均可达成相似的操作效果。

图5显示根据本发明一实施例所述的天线结构500的俯视图。图5和图2A相似。在图5的实施例中，天线结构500的一浮接金属部520包括一主要部分530、一第一耦合部分540，以及一第二耦合部分550，其中主要部分530大致呈现相对较短的一圆弧形(与图6相比)，而第一耦合部分540和第二耦合部分550各自大致呈现一直条形。例如，主要部分530的长度可以大致等于天线结构500的操作频带的9/40倍波长。图5的天线结构500的其余特征皆与图2A的天线结构200类似，故此二实施例均可达成相似的操作效果。

图6显示根据本发明一实施例所述的天线结构600的俯视图。图6和图2A相似。在图6的实施例中，天线结构600的一浮接金属部620包括一主要部分630、一第一耦合部分640，以及一第二耦合部分650，其中主要部分630大致呈现相对较长的一圆弧形(与图5相比)，而第一耦合部分640和第二耦合部分650各自大致呈现一直条形。例如，主要部分630的长度可以大致等于天线结构600的操作频带的4/15倍波长。图6的天线结构600的其余特征皆与图2A的天线结构200类似，故此二实施例均可达成相似的操作效果。

图7显示根据本发明一实施例所述的天线结构700的俯视图。图7和图2A相似。在图7的实施例中，天线结构700的一浮接金属部720包括一主要部分730、一第一耦合部分740，以及一第二耦合部分750，其中主要部分730、第一耦合部分740，以及第二耦合部分750三者的一组合大致呈现相对较平滑的一圆弧形(与图5、图6相比)。图7的天线结构700的其余特征皆与图2A的天线结构200类似，故此二实施例均可达成相似的操作效果。

本发明提出一种新颖的天线结构。藉由使用所提的浮接金属部，本发明可微调偶极天线元件的主波束方向并扩大其操作带宽。相较于传统设计，本发明至少具有小尺寸、宽频带、低复杂度、高增益、以及低制造成本等优势，故其很适合应用于各种各式的通信装置当中。

值得注意的是，以上所述的元件尺寸、元件形状，以及频率范围皆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。本发明的天线结构并不仅限于图1A-图7所图示的状态。本发明可以仅包括图1A-图7的任何一个或多个实施例的任何一项或多项特征。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结构当中。

在本说明书以及申请专利范围中的序数，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。

本发明虽以较佳实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明的范围，任何所属领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当视所附的权利要求书所界定者为准。

Claims (20)

1.一种天线结构，该天线结构包括：

一偶极天线元件；以及

一浮接金属部，该浮接金属部邻近于该偶极天线元件，其中该偶极天线元件的一垂直投影与该浮接金属部至少部分重叠。

2.如权利要求1所述的天线结构，其中该天线结构至少涵盖介于2400MHz至2500MHz之间的一操作频带。

3.如权利要求1所述的天线结构，其中该偶极天线元件包括一第一辐射部和一第二辐射部，该第一辐射部耦接至一正馈入点，而该第二辐射部耦接至一负馈入点。

4.如权利要求3所述的天线结构，其中该第一辐射部和该第二辐射部皆位于同一平面上。

5.如权利要求3所述的天线结构，其中该第一辐射部和该第二辐射部分别位于不同平面上。

6.如权利要求3所述的天线结构，其中该第一辐射部还包括一第一末端弯折部分，而该第二辐射部还包括一第二末端弯折部分。

7.如权利要求3所述的天线结构，其中该第一辐射部和该第二辐射部各自呈现一直条形或一L字形。

8.如权利要求1所述的天线结构，其中该浮接金属部呈现一U字形。

9.如权利要求1所述的天线结构，其中该浮接金属部呈现一圆弧形。

10.如权利要求2所述的天线结构，其中该浮接金属部包括一主要部分、一第一耦合部分，以及一第二耦合部分，而该主要部分耦接于该第一耦合部分和该第二耦合部分之间。

11.如权利要求10所述的天线结构，其中该浮接金属部还包括耦接至该第一耦合部分的一第一末端加宽部分。

12.如权利要求10所述的天线结构，其中该浮接金属部还包括耦接至该第二耦合部分的一第二末端加宽部分。

13.如权利要求10所述的天线结构，其中该浮接金属部的该主要部分与该偶极天线元件的该垂直投影的间距大于或等于该操作频带的1/40倍波长。

14.如权利要求10所述的天线结构，其中该浮接金属部的该主要部分与该偶极天线元件的该垂直投影的间距小于或等于该操作频带的1/24倍波长。

15.如权利要求10所述的天线结构，其中该浮接金属部的该主要部分的长度介于该操作频带的9/40至4/15倍波长之间。

16.如权利要求10所述的天线结构，其中该浮接金属部的该第一耦合部分的长度和该第二耦合部分的长度皆大于该操作频带的1/30倍波长。

17.如权利要求1所述的天线结构，其中该偶极天线元件和该浮接金属部的间距大于或等于0.2mm。

18.如权利要求1所述的天线结构，该天线结构还包括：

一介质基板，其中该偶极天线元件和该浮接金属部分别设置于该介质基板的不同层上。

19.如权利要求18所述的天线结构，其中该介质基板为一双层印刷电路板或一六层印刷电路板。

20.如权利要求18所述的天线结构，该天线结构还包括：

一接地面，该接地面设置于该介质基板上，并具有一净空区域，其中该偶极天线元件的该垂直投影和该浮接金属部的一垂直投影皆位于该净空区域之内。

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