CN112290234A - 通信装置 - Google Patents

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Abstract

一种通信装置，包括：一接地面、一天线阵列，以及一电磁带隙结构。该天线阵列包括多个天线元件。该电磁带隙结构包括多个电磁带隙单元，其中多个电磁带隙单元皆耦接至该接地面，而该天线阵列是由该电磁带隙结构所包围。该电磁带隙结构用于抑制该天线阵列的辐射场型的前后比。

Description

通信装置
技术领域
本发明涉及一种通信装置，特别涉及一种可降低天线阵列(Antenna Array)的辐射场型(Radiation Pattern)的前后比(Front-to-Back Ratio)的通信装置。
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)是使移动装置能高速上网的必要元件。在进入下一通信世代后，支援5G的天线阵列(Antenna Array)常面临二大困境，一是较短的通信距离(CommunicationDistance)，二是较差的空间效率(Spatial Efficiency)，其皆导因于天线元件之间的隔离度(Isolation)太低且天线阵列的辐射场型的前后比太高。有鉴于此，势必要提出一种全新的解决方案，以克服现有技术所面临的问题。
发明内容
在优选实施例中，本发明提供一种通信装置，包括：一接地面；一天线阵列，包括多个天线元件；以及一电磁带隙结构，包括多个电磁带隙单元，其中多个电磁带隙单元皆耦接至该接地面；其中该天线阵列是由该电磁带隙结构所包围。
在一些实施例中，该电磁带隙结构用于抑制该天线阵列的辐射场型的前后比。
在一些实施例中，该天线阵列涵盖介于27GHz至29GHz之间的一操作频带。
在一些实施例中，多个天线元件排列成为一第一对称图案。
在一些实施例中，该第一对称图案呈现一正方形。
在一些实施例中，多个天线元件的每一者各自为一补钉天线。
在一些实施例中，多个天线元件的每一者的长度皆大致等于该操作频带的0.25倍波长。
在一些实施例中，多个天线元件的任相邻二者之间距皆大致等于该操作频带的0.5倍波长。
在一些实施例中，多个天线元件的总数量为16。
在一些实施例中，多个电磁带隙单元排列成为一第二对称图案。
在一些实施例中，该第二对称图案呈现一空心正方形。
在一些实施例中，该第二对称图案包括一第一环形和一第二环形，该第二环形位于该第一环形的内部，而多个天线元件皆位于该第二环形的内部。
在一些实施例中，多个电磁带隙单元的每一者各自呈现一蘑菇形。
在一些实施例中，多个电磁带隙单元的每一者各自包括一顶面金属片和一连接金属柱，而该顶面金属片经由该连接金属柱耦接至该接地面。
在一些实施例中，多个电磁带隙单元的每一者的长度皆小于该操作频带的0.1倍波长。
在一些实施例中，多个电磁带隙单元的每一者的高度皆小于该操作频带的0.1倍波长。
在一些实施例中，多个电磁带隙单元的任相邻二者的间距皆小于该操作频带的0.02倍波长。
在一些实施例中，多个天线元件的任一者至该电磁带隙结构的最短距离皆大于该操作频带的0.25倍波长。
在一些实施例中，多个电磁带隙单元的总数量为184。
在一些实施例中，该通信装置还包括：一介质基板，设置于该接地面上，其中多个电磁带隙单元皆穿通过该介质基板。
附图说明
图1显示根据本发明一实施例所述的通信装置的示意图。
图2显示根据本发明一实施例所述的通信装置的俯视图。
图3显示根据本发明一实施例所述的通信装置的部分剖面图。
图4显示根据本发明一实施例所述的通信装置的剖面图。
附图标记说明：
100、200、400～通信装置；
110、210～接地面；
120、220～天线阵列；
130、230～电磁带隙结构；
240～天线元件；
250～第一对称图案；
260～电磁带隙单元；
261～顶面金属片；
262～连接金属柱；
270～第二对称图案；
271～第一环形；
272～第二环形；
480～介质基板；
D1、D2～间距；
DS～最短距离；
H1～高度；
L1、L2～长度；
LC1～剖面线；
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，并配合说明书附图，作详细说明如下。
在说明书及相关申请文件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。本说明书及相关申请文件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。在通篇说明书及相关申请文件当中所提及的“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，或经由其它装置或连接手段而间接地电性连接至该第二装置。
图1显示根据本发明一实施例所述的通信装置100的示意图。如图1所示，通信装置100包括一接地面(Ground Plane)110、一天线阵列(Antenna Array)120，以及一电磁带隙(Electromagnetic Band Gap，EBG)结构130，其皆可用金属材质制成。天线阵列120包括多个天线元件(Antenna Element)(未显示)。多个天线元件的形状和种类于本发明中并不特别限制。例如，每一天线元件可各自为一补钉天线(Patch Antenna)、一单极天线(MonopoleAntenna)、一偶极天线(Dipole Antenna)、一领结天线(Bowtie Antenna)、一环路天线(Loop Antenna)、一螺旋天线(Helical Antenna)，或是一芯片天线(Chip Antenna)，但亦不仅限于此。电磁带隙结构130包括多个电磁带隙单元(未显示)，其中多个电磁带隙单元皆耦接至接地面110。所述多个电磁带隙单元的形状和种类于本发明中亦不特别限制。必须注意的是，天线阵列120是由电磁带隙结构130所完全包围。在此设计下，电磁带隙结构130可用于抑制天线阵列120的辐射场型(Radiation Pattern)的前后比(Front-to-BackRatio)，从而可有效提升通信装置100的通信距离(Communication Distance)和空间效率(Spatial Efficiency)。另外，虽然未显示于图1中，但通信装置100还可包括其他元件，例如：一处理器(Processor)、一供电模块(Power Supply Module)，或(且)一外壳(Housing)。
以下实施例将介绍通信装置100的细节结构和具体实施方式。必须理解的是，这些附图和叙述仅为举例，而非用于限制本发明的范围。
图2显示根据本发明一实施例所述的通信装置200的俯视图。在图2的实施例中，通信装置200包括一接地面210、一天线阵列220，以及一电磁带隙结构230，其皆可用金属材质制成。天线阵列220包括多个天线元件240。例如，多个天线元件240的每一者可各自为一补钉天线。多个天线元件240可排列成为一第一对称图案(Symmetrical Pattern)250。例如，第一对称图案250可大致呈现一正方形。在一些实施例中，多个天线元件240的总数量为16，它们可以形成4x4的正方形矩阵(Matrix)。在另一些实施例中，多个天线元件240的总数量亦可根据不同需求进行调整。
电磁带隙结构230包括多个电磁带隙单元260，其中多个电磁带隙单元260皆耦接至接地面210。例如，多个电磁带隙单元260的每一者可各自呈现一蘑菇形(Mushroom-Shape)。多个电磁带隙单元260可排列成为一第二对称图案270。例如，第二对称图案270可呈现一空心正方形。详细而言，第二对称图案270可包括一第一环形271和一第二环形272，其中第二环形272可位于第一环形271的内部，而天线阵列220的多个天线元件240皆可位于第二环形272的内部。根据实际测量结果，这种双环形的电磁带隙单元260的排列方式可作为一带拒滤波器(Band Rejection Filter)，其可有效阻挡一目标频带(Target Band)内的表面波(Surface Wave)。在一些实施例中，多个电磁带隙单元260的总数量为184。在另一些实施例中，多个电磁带隙单元260的总数量亦可根据不同需求进行调整。
图3显示根据本发明一实施例所述的通信装置200的部分剖面图(可沿图2的一剖面线LC1)。在图3的实施例中，多个电磁带隙单元260的每一者各自包括一顶面金属片261和一连接金属柱262，其中顶面金属片261经由连接金属柱262耦接至接地面210。例如，顶面金属片261可大致呈现一较小正方形，其可与接地面210大致互相平行；而连接金属柱262可大致呈现一圆柱形，其可与接地面210和顶面金属面261皆大致互相垂直。然而，本发明并不仅限于此。在其他实施例中，顶面金属片261亦可呈现一正三角形、一圆形、一椭圆形，或是一梯形，而连接金属柱262亦可呈现一三角柱形或一四角柱形。
在一些实施例中，天线阵列220涵盖介于27GHz至29GHz之间的一操作频带，故其可支援5G毫米波(Millimeter Wave)的宽频操作。在操作原理方面，由多个电磁带隙单元260所形成的带拒滤波器的目标频带可等同于天线阵列220的操作频带，以避免不必要的表面波扩散。因此，电磁带隙结构230可用于抑制天线阵列220的辐射场型的前后比，从而可有效提升通信装置200的通信距离和空间效率。根据实际测量结果，在加入电磁带隙结构230的包围设计后，天线阵列220的辐射场型的前后比将下降约6dB至8dB，此已可满足一般通信装置的实际应用需求。
在一些实施例中，通信装置200的元件尺寸可如下列所述。多个天线元件240的每一者的长度L1皆可大致等于天线阵列220的操作频带的0.25倍波长(λ/4)。多个天线元件240的任相邻二者之间距D1皆大致等于天线阵列220的操作频带的0.5倍波长(λ/2)。多个电磁带隙单元260的每一者的长度L2(或顶面金属片261的长度L2)皆小于天线阵列220的操作频带的0.1倍波长(λ/10)。多个电磁带隙单元260的每一者的高度H1(或顶面金属片261的高度H1)皆小于天线阵列220的操作频带的0.1倍波长(λ/10)。多个电磁带隙单元260的任相邻二者之间距D2皆小于天线阵列220的操作频带的0.02倍波长(λ/50)。多个天线元件240的任一者至电磁带隙结构230的最短距离DS皆大于天线阵列220的操作频带的0.25倍波长(λ/4)。以上距离的范围是根据多次实验结果而得出，其有助于最小化天线阵列220的辐射场型的前后比，以及最大化通信装置200的通信距离和空间效率。
图4显示根据本发明一实施例所述的通信装置400的剖面图。图4和图2、图3相似。在图4的实施例中，通信装置400还包括一介质基板(Dielectric Substrate)480，其中介质基板480设置于接地面210上。天线阵列220的多个天线元件240皆可设置于介质基板480上。电磁带隙结构230的多个电磁带隙单元260皆可穿通过介质基板480。在一些实施例中，介质基板480的介电常数(Dielectric Constant)是介于2至6之间。必须注意的是，若加入介质基板480，则前述元件尺寸和波长的对应关系可根据介质基板480的介电常数来进行调整，从而可微缩通信装置400的整体尺寸。图4的通信装置400的其余特征皆与图2、图3的通信装置200类似，故此二实施例均可实现相似的操作效果。
本发明提出一种新颖的通信装置，其包括围绕天线阵列的电磁带隙结构。与传统设计相比，本发明至少具有可抑制天线阵列的辐射场型的前后比的优势，故本发明很适合应用于各种各式的通信装置当中，以改善其通信距离和空间效率。
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。本发明的通信装置并不仅限于图1-图4所图示的状态。本发明可以仅包括图1-图4的任何一或多个实施例的任何一或多个项特征。换言之，并非所有图示的特征均须同时实施于本发明的通信装置当中。
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。
本发明虽以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内，当可做些许的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (20)

1.一种通信装置，包括：
一接地面；
一天线阵列，包括多个天线元件；以及
一电磁带隙结构，包括多个电磁带隙单元，其中所述多个电磁带隙单元皆耦接至该接地面；
其中该天线阵列是由该电磁带隙结构所包围。
2.如权利要求1所述的通信装置，其中该电磁带隙结构用于抑制该天线阵列的辐射场型的前后比。
3.如权利要求1所述的通信装置，其中该天线阵列涵盖介于27GHz至29GHz之间的一操作频带。
4.如权利要求1所述的通信装置，其中所述多个天线元件排列成为一第一对称图案。
5.如权利要求4所述的通信装置，其中该第一对称图案呈现一正方形。
6.如权利要求1所述的通信装置，其中所述多个天线元件的每一者各自为一补钉天线。
7.如权利要求3所述的通信装置，其中所述多个天线元件的每一者的长度皆大致等于该操作频带的0.25倍波长。
8.如权利要求3所述的通信装置，其中所述多个天线元件的任相邻二者的间距皆大致等于该操作频带的0.5倍波长。
9.如权利要求1所述的通信装置，其中所述多个天线元件的总数量为16。
10.如权利要求1所述的通信装置，其中所述多个电磁带隙单元排列成为一第二对称图案。
11.如权利要求10所述的通信装置，其中该第二对称图案呈现一空心正方形。
12.如权利要求10所述的通信装置，其中该第二对称图案包括一第一环形和一第二环形，该第二环形位于该第一环形的内部，而所述多个天线元件皆位于该第二环形的内部。
13.如权利要求1所述的通信装置，其中所述多个电磁带隙单元的每一者各自呈现一蘑菇形。
14.如权利要求1所述的通信装置，其中所述多个电磁带隙单元的每一者各自包括一顶面金属片和一连接金属柱，而该顶面金属片经由该连接金属柱耦接至该接地面。
15.如权利要求3所述的通信装置，其中所述多个电磁带隙单元的每一者的长度皆小于该操作频带的0.1倍波长。
16.如权利要求3所述的通信装置，其中所述多个电磁带隙单元的每一者的高度皆小于该操作频带的0.1倍波长。
17.如权利要求3所述的通信装置，其中所述多个电磁带隙单元的任相邻二者之间距皆小于该操作频带的0.02倍波长。
18.如权利要求3所述的通信装置，其中所述多个天线元件的任一者至该电磁带隙结构的最短距离皆大于该操作频带的0.25倍波长。
19.如权利要求1所述的通信装置，其中所述多个电磁带隙单元的总数量为184。
20.如权利要求1所述的通信装置，还包括：
一介质基板，设置于该接地面上，其中所述多个电磁带隙单元皆穿通过该介质基板。
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