CN112563736B - 通讯装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种通讯装置，其包括一接地金属元件和一天线元件。天线元件包括：一第一金属部、一第二金属部、一第三金属部、一第一电容元件、一第二电容元件、一电感元件，以及一信号馈入源。第一金属部的一第一连接点经由第一电容元件耦接至第三金属部。第一金属部的一第二连接点经由第二电容元件耦接至接地金属元件。第二金属部的一第三连接点经由电感元件耦接至第三金属部。第三金属部的一短路端耦接至接地金属元件。信号馈入源耦接于第一金属部与第三金属部或接地金属元件之间。

Description

通讯装置
技术领域
本发明涉及一种通讯装置，特别是涉及一种通讯装置及其天线元件。
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持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。举例而言，近年来各大品牌厂不断朝向加大显示荧幕、窄化边框的方向作研发，但此种趋势却也同时压缩到天线的设计空间。因此，有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，本发明提出一种通讯装置，包括：一接地金属元件；以及一天线元件，包括：一第一金属部，具有一第一连接点与一第二连接点；一第二金属部，具有一第三连接点与一第一开路端；一第三金属部，具有一短路端与一第二开路端，其中该短路端耦接至该接地金属元件，而该第二开路端与该接地金属元件相隔一天线高度；一第一电容元件，其中该第一连接点经由该第一电容元件耦接至该第三金属部；一第二电容元件，其中该第二连接点经由该第二电容元件耦接至该接地金属元件；一电感元件，其中该第三连接点经由该电感元件耦接至该第三金属部；以及一信号馈入源，耦接于该第一金属部与该第三金属部或该接地金属元件之间。
在一些实施例中，该天线元件涵盖一第一操作频带与一第二操作频带，而该第一操作频带低于该第二操作频带。
在一些实施例中，该第一操作频带的一第一电流共振路径由该信号馈入源起，经由该第一金属部、该第一电容元件、该第三金属部、该电感元件，以及该第二金属部，再至该第一开路端止，而其中该第二操作频带的一第二电流共振路径由该信号馈入源起，经由该第一金属部、该第一电容元件，以及该第三金属部，再至该第二开路端止。
在一些实施例中，该第一金属部、该第二金属部，以及该第三金属部都朝同一方向作延伸。
在一些实施例中，该第一金属部和该第二金属部都由该第三金属部与该接地金属元件所至少部分包围。
在一些实施例中，该第一电容元件的电容值介于该第二电容元件的电容值的2至5倍之间。
在一些实施例中，该第一电容元件和该第二电容元件都通过分布式电容器来实施。
在一些实施例中，该电感元件的电感值介于4nH至12nH之间。
在一些实施例中，当该天线元件操作于该第一操作频带时，该电感元件近似于一短路元件，而当该天线元件操作于该第二操作频带时，该电感元件近似于一开路元件。
在一些实施例中，该天线元件的总长度介于该第一操作频带的最低频率的0.1至0.3倍波长之间。
附图说明
图1为本发明第一实施例所述的通讯装置的示意图；
图2为本发明第一实施例所述的通讯装置的天线元件的返回损失图；
图3为本发明第一实施例所述的通讯装置的天线元件的天线效率图；
图4为本发明第二实施例所述的通讯装置的示意图；
图5为本发明第三实施例所述的通讯装置的示意图；
图6为本发明第四实施例所述的通讯装置的示意图；
图7为本发明第五实施例所述的通讯装置的示意图。
符号说明
100、400、500、600、700～通讯装置；
10～接地金属元件；
101、401、501、601、602～天线元件；
108～第一突出部分；
11～信号馈入源；
12、52～第一金属部；
121、521～馈入端；
122、522～连接端；
13～第二金属部；
131～第一开路端；
14～第三金属部；
141～短路端；
142～第二开路端；
143～天线高度；
148～第二突出部分；
15～第一电容元件；
151～第一连接点；
16～第二电容元件；
161～第二连接点；
18～电感元件；
181～第三连接点；
21～第一操作频带；
22～第二操作频带；
31～第一天线效率曲线；
32～第二天线效率曲线；
45～第一分布式电容器；
46～第二分布式电容器；
61、62～同轴传输线；
611、621～接地部；
612、622～塑胶部；
613、623～中心导线；
LT～总长度；
PA1～第一电流共振路径；
PA2～第二电流共振路径。
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「包括」及「包含」一词为开放式的用语，故应解释成「包括但不仅限定于」。「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括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1显示根据本发明第一实施例所述的通讯装置100的示意图。如图1所示，通讯装置100包括一接地金属元件10和一天线元件101。例如，接地金属元件10可选用14英寸笔记型电脑的接地面尺寸(300×200mm2)，但亦不仅限于此。天线元件101可以形成于一介质基板(Dielectric Substrate)上(未显示)，例如：一FR4(Flame Retardant 4)基板。详细而言，天线元件101包括：一信号馈入源(Signal Feeding Source)11、一第一金属部12、一第二金属部13、一第三金属部14、一第一电容元件(Capacitive Element)15、一第二电容元件16，以及一电感元件(Inductive Element)18。信号馈入源11可以是一射频(RadioFrequency，RF)模组、一弹片(Metal Spring)、一同轴线(Coaxial Line)、一微带线(Microstrip Line)、一波导管(Waveguide)，或其任意的组合。信号馈入源11可耦接于第一金属部12与第三金属部14之间，以激发天线元件101。第一金属部12可大致呈现一较短直条形。第一金属部12具有一馈入端121、一连接端122、一第一连接点151，以及一第二连接点161，其中馈入端121可耦接至信号馈入源11。第二金属部13可大致呈现一较长直条形。第二金属部13具有一第三连接点181与一第一开路端131。第三金属部14可大致呈现一不等宽L字形。第三金属部14具有一短路端141与一第二开路端142，其中短路端141的宽度可大于第二开路端142的宽度。第一金属部12的连接端122、第二金属部13的第一开路端131，以及第三金属部14的第二开路端142都可朝同一方向作延伸(例如：图1的右方)，其中第一金属部12和第二金属部13都可由第三金属部14与接地金属元件10所至少部分包围。第一连接点151与第二连接点161可分别位于第一金属部12的连接端122的相对二侧。第三连接点181可位于第二金属部13的另一端(相对于第一开路端131)的一侧。然而，本发明并不仅限于此。在另一些实施例中，第一连接点151与第二连接点161可设定于第一金属部12上的其他位置，而第三连接点181也可设定于第二金属部13上的其他位置。第一金属部12的第一连接点151经由第一电容元件15耦接至第三金属部14。第一金属部12的第二连接点161经由第二电容元件16耦接至接地金属元件10。第一电容元件15的电容值可以大于第二电容元件16的电容值。第二金属部13的第三连接点181经由电感元件18耦接至第三金属部14。必须注意的是，第一电容元件15和电感元件18耦接至第三金属部14上的不同位置。第三金属部14的短路端141耦接至接地金属元件10，而第三金属部14的第二开路端142与接地金属元件10相隔一天线高度(Antenna Height)143。
图2显示根据本发明第一实施例所述的通讯装置100的天线元件101的返回损失(Return Loss)图。根据图2的测量结果，天线元件101可涵盖一第一操作频带21与一第二操作频带22，其中第一操作频带21低于第二操作频带22。例如，第一操作频带21可介于2400MHz至2484MHz之间，而第二操作频带22可介于5150MHz至5875MHz之间。因此，天线元件101将至少可支持WLAN(Wireless Local Area Network)2.4GHz/5GHz的宽频操作。
在一些实施例中，通讯装置100的天线元件101的操作原理可如下列所述。由于接地金属元件10的面积比第三金属部14的面积更大，故接地金属元件10的阻抗(Impedance)将会小于第三金属部14的阻抗。第一金属部12利用电容值较大的第一电容元件15来形成阻抗较低的一第一路径至第三金属部14，并利用电容值较小的第二电容元件16来形成阻抗较高的一第二路径至接地金属元件10。根据实际测量结果，此种设计可使来自信号馈入源11的共振电流大致均匀地分布于前述三个金属部与接地金属元件10上。相较于传统天线设计，本发明可有效均匀化接地面电流的分布，并降低各个金属部与接地金属元件10之间的电容耦合效应，从而可降低天线元件101的Q值。
当天线元件101操作于第一操作频带21时，电感元件18可拥有较小的阻抗并近似于一短路元件。此时，第一操作频带21的一第一电流共振路径PA1可由信号馈入源11起，经由第一金属部12、第一电容元件15、第三金属部14、电感元件18，以及第二金属部13，再至第一开路端131止。当天线元件101操作于第二操作频带22时，电感元件18可拥有较大的阻抗并近似于一开路元件。此时，第二操作频带22的一第二电流共振路径PA2可由信号馈入源11起，经由第一金属部12、第一电容元件15，以及第三金属部14，再至第二开路端142止。因此，电感元件18的加入可增加第一操作频带21与第二操作频带22的独立性，故天线设计者将更容易能分别微调此二操作频带。
在一些实施例中，通讯装置100的元件参数可如下列所述。用于承载天线元件101的介质基板，其长度可约为18mm，宽度可约为3mm，而厚度可约为0.4mm。第一电容元件15的电容值可介于第二电容元件16的电容值的2至5倍之间。电感元件18的电感值可介于4nH至12nH之间。例如，第一电容元件15的电容值可约为0.7pF，第二电容元件16的电容值可约为0.2pF，而电感元件18的电感值可约为5nH，但亦不仅限于此。天线元件101的总长度LT可介于第一操作频带21的最低频率的0.1至0.3倍波长之间(0.1λ～0.3λ)。天线元件101的天线高度143可仅介于2mm至3mm之间。以上元件参数的范围根据多次实验结果而得出，其有助于最佳化天线元件101的操作频宽和阻抗匹配。
图3显示根据本发明第一实施例所述的通讯装置100的天线元件101的天线效率(Antenna Efficiency)图。根据图3的测量结果，天线元件101于第一操作频带21中的一第一天线效率曲线31可达50至60％，而天线元件101于第二操作频带22中的一第二天线效率曲线32可达80至90％，此已可满足一般移动通讯装置的实际应用需求。
图4显示根据本发明第二实施例所述的通讯装置400的示意图。图4和图1相似。在第二实施例的通讯装置400的一天线元件401中，前述的第一电容元件15与第二电容元件16分别由一第一分布式电容器45与一第二分布式电容器46来实施。详细而言，接地金属元件10还可包括朝向第一金属部12作延伸的一第一突出部分108，其中第二分布式电容器46可由第一金属部12和第一突出部分108所共同形成，而第三金属部14还可包括朝向第一金属部12作延伸的一第二突出部分148，其中第一分布式电容器45可由第一金属部12和第二突出部分148所共同形成。例如，第一突出部分108和第二突出部分148的任一者可为一梯形、一矩形、一正方形，或是一半圆形，但亦不仅限于此。图4的通讯装置400的其余特征都与图1的通讯装置100类似，故此二实施例均可达成相似的操作效果。
图5显示根据本发明第三实施例所述的通讯装置500的示意图。图5和图1相似。在第三实施例的通讯装置500的一天线元件501中，一第一金属部52大致呈现一L字型，而信号馈入源11耦接于第一金属部52的一馈入端521与接地金属元件10之间。图5的通讯装置500的其余特征都与图1的通讯装置100类似，故此二实施例均可达成相似的操作效果。
图6显示根据本发明第四实施例所述的通讯装置600的示意图。图6和图1相似。在第四实施例的通讯装置600的一天线元件601中，前述的信号馈入源11以一同轴传输线(Coaxial Transmission Line)61来实施。详细而言，同轴传输线61包括一接地部611、一塑胶部612，以及一中心导线613，其中接地部611耦接至第三金属部14，而中心导线613耦接至第一金属部12的馈入端121。必须注意的是，同轴传输线61可与天线元件601互相整合，以避免占用接地金属元件10上的设计空间。图6的通讯装置600的其余特征都与图1的通讯装置100类似，故此二实施例均可达成相似的操作效果。
图7显示根据本发明第五实施例所述的通讯装置700的示意图。图7和图5相似。在第五实施例的通讯装置700的一天线元件602中，前述的信号馈入源11以一同轴传输线62来实施。详细而言，同轴传输线62包括一接地部621、一塑胶部622，以及一中心导线623，其中接地部621耦接至接地金属元件10，而中心导线623耦接至第一金属部52的馈入端521。必须注意的是，同轴传输线62可与接地金属元件10互相整合，以增加整体设计弹性。图7的通讯装置700的其余特征都与图5的通讯装置500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通讯装置及天线元件。相较于传统设计，本发明至少具有小尺寸、宽频带、低姿势，以及最小化天线高度等多重优势，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、元件参数，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。本发明的通讯装置并不仅限于图1～图7所图示的状态。本发明可以仅包括图1～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需同时实施于本发明的通讯装置当中。
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 (9)

1.一种通讯装置，其特征在于，包括：
接地金属元件；以及
天线元件，包括：
第一金属部，具有第一连接点与第二连接点，该第一连接点和该第二连接点均设置于连接端，且位于该连接端的相对两侧；
第二金属部，具有第三连接点与第一开路端；
第三金属部，具有短路端与第二开路端，其中该短路端耦接至该接地金属元件，而该第二开路端与该接地金属元件相隔一天线高度；
第一电容元件，其中该第一连接点经由该第一电容元件耦接至该第三金属部；
第二电容元件，其中该第二连接点经由该第二电容元件耦接至该接地金属元件；
电感元件，其中该第三连接点经由该电感元件耦接至该第三金属部；以及
信号馈入源，耦接于该第一金属部与该第三金属部或该接地金属元件之间，
其中该第一金属部的该连接端、该第二金属部的该第一开路端，以及该第三金属部的该第二开路端都朝同一方向作延伸。
2.如权利要求1所述的通讯装置，其中该天线元件涵盖第一操作频带与第二操作频带，而该第一操作频带低于该第二操作频带。
3.如权利要求2所述的通讯装置，其中该第一操作频带的第一电流共振路径由该信号馈入源起，经由该第一金属部、该第一电容元件、该第三金属部、该电感元件，以及该第二金属部，再至该第一开路端止，而其中该第二操作频带的第二电流共振路径由该信号馈入源起，经由该第一金属部、该第一电容元件，以及该第三金属部，再至该第二开路端止。
4.如权利要求1所述的通讯装置，其中该第一金属部和该第二金属部都由该第三金属部与该接地金属元件所至少部分包围。
5.如权利要求1所述的通讯装置，其中该第一电容元件的电容值介于该第二电容元件的电容值的2至5倍之间。
6.如权利要求1所述的通讯装置，其中该第一电容元件和该第二电容元件都通过分布式电容器来实施。
7.如权利要求1所述的通讯装置，其中该电感元件的电感值介于4nH至12nH之间。
8.如权利要求2所述的通讯装置，其中当该天线元件操作于该第一操作频带时，该电感元件近似于一短路元件，而当该天线元件操作于该第二操作频带时，该电感元件近似于一开路元件。
9.如权利要求2所述的通讯装置，其中该天线元件的总长度介于该第一操作频带的最低频率的0.1至0.3倍波长之间。
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