CN115377668A - 天线系统 - Google Patents

Abstract

一种天线系统。该天线结构包括近场通信天线、耦合金属部、以及第二介质基板；近场通信天线包括金属线圈和第一介质基板，金属线圈设置于第一介质基板上；耦合金属部邻近于金属线圈，其中耦合金属部未与金属线圈直接接触；耦合金属部设置于第二介质基板上，其中耦合金属部用于调整近场通信天线的操作频率。本发明的天线结构，与先前技术相比，其至少具有小尺寸、低制造成本、以及可调操作频率等优势，故其很适合应用于各种处于不同环境的移动通信装置当中。

Description

天线系统

技术领域

本发明涉及一种天线系统，尤其涉及一种具有可调操作频率的天线系统。

背景技术

近场通信(Near Field Communication，NFC)，又称近距离无线通信，是一种短距离的高频无线通信技术，其允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输，在十公分(3.9英寸)内交换数据。然而，由于使用环境不同，近场通信天线的操作频率可能会随之发生偏移，进而导致整体通信质量下降。因此，势必要提出一种全新的解决方案，以克服先前技术所面临的问题。

发明内容

在较佳实施例中，本发明提出一种天线系统，该天线系统包括：一近场通信天线，该近场通信天线包括一金属线圈和一第一介质基板，其中该金属线圈设置于该第一介质基板上；一耦合金属部，该耦合金属部邻近于该金属线圈，其中该耦合金属部未与该金属线圈直接接触；以及一第二介质基板，其中该耦合金属部设置于该第二介质基板上；其中该耦合金属部用于调整该近场通信天线的一操作频率。

在一些实施例中，该耦合金属部为浮接状态(Floating)。

在一些实施例中，该耦合金属部在该近场通信天线上具有一垂直投影，而该垂直投影与该金属线圈至少部分重叠。

在一些实施例中，若该耦合金属部的宽度减少，则该近场通信天线的该操作频率将会降低。

在一些实施例中，若该耦合金属部的宽度增加，则该近场通信天线的该操作频率将会升高。

在一些实施例中，该耦合金属部呈现一螺旋形。

在一些实施例中，该耦合金属部呈现一蜿蜒形状。

在一些实施例中，该金属线圈的长度小于或等于该近场通信天线的该操作频率的0.25倍波长。

在一些实施例中，该耦合金属部的长度小于或等于该近场通信天线的该操作频率的0.5倍波长。

在一些实施例中，该金属线圈的宽度介于0.2mm至2mm之间。

在一些实施例中，该耦合金属部的宽度介于0.1mm至4mm之间。

在一些实施例中，该金属线圈和该耦合金属部的间距介于0.01mm至1.6mm之间。

在一些实施例中，该天线系统还包括：一铁氧体层，该铁氧体层邻近于该第一介质基板。

在一些实施例中，该天线系统还包括：一绝缘层，该绝缘层用于将该金属线圈与该耦合金属部两者分隔开。

在一些实施例中，该天线系统还包括：一个或更多个电感器，该电感器与该耦合金属部作串联耦接。

在一些实施例中，该天线系统还包括：一个或更多个电容器，该电容器与该耦合金属部作串联耦接。

在一些实施例中，该第一介质基板具有相对的一第一表面和一第二表面，而该第一介质基板的厚度介于0.1mm至0.8mm之间。

在一些实施例中，该天线系统还包括：一个或更多个第一导电贯通元件，该第一导电贯通元件穿透该第一介质基板，其中该金属线圈藉由使用该第一导电贯通元件而分布于该第一介质基板的该第一表面和该第二表面上。

在一些实施例中，该第二介质基板具有相对的一第三表面和一第四表面，而该第二介质基板的厚度介于0.1mm至0.8mm之间。

在一些实施例中，该天线系统还包括：一第二导电贯通元件，该第二导电贯通元件穿透该第二介质基板，其中该耦合金属部藉由使用该第二导电贯通元件而分布于该第二介质基板的该第三表面和该第四表面上。

本发明的天线结构，与先前技术相比，其至少具有小尺寸、低制造成本、以及可调操作频率等优势，故其很适合应用于各种处于不同环境的移动通信装置当中。

附图说明

图1A显示根据本发明一实施例所述的天线系统的俯视图。

图1B显示根据本发明一实施例所述的天线系统的侧视图。

图2显示根据本发明一实施例所述的天线系统的操作特性图

图3A显示根据本发明一实施例所述的天线系统的侧视图。

图3B显示根据本发明一实施例所述的天线系统的侧视图。

图3C显示根据本发明一实施例所述的天线系统的侧视图。

图3D显示根据本发明一实施例所述的天线系统的侧视图。

图4A显示根据本发明一实施例所述的天线系统的俯视图。

图4B显示根据本发明一实施例所述的天线系统的俯视图。

图4C显示根据本发明一实施例所述的天线系统的俯视图。

图5A显示根据本发明一实施例所述的天线系统的俯视图。

图5B显示根据本发明一实施例所述的天线系统的俯视图。

图5C显示根据本发明一实施例所述的天线系统的俯视图。

图6显示根据本发明一实施例所述的天线系统的俯视图。

图7A显示根据本发明一实施例所述的天线系统的俯视图。

图7B显示根据本发明一实施例所述的天线系统的透视图。

图7C显示根据本发明一实施例所述的天线系统的侧视图。

主要组件符号说明：

110 近场通信天线

120 金属线圈

121 金属线圈的第一端

122 金属线圈的第二端

130 第一介质基板

140、440、540、640、740 耦合金属部

141、641、741 耦合金属部的第一端

142、642、742 耦合金属部的第二端

150 第二介质基板

160 铁氧体层

170 绝缘层

191、192 第一导电贯通元件

193 第二导电贯通元件

745 耦合金属部的第一部分

746 耦合金属部的第二部分

C1、C2、C3 电容器

D1 间距

E1 第一表面

E2 第二表面

E3 第三表面

E4 第四表面

FC 中心频率

FH 高频偏移频率

FL 低频偏移频率

FP1 第一馈入点

FP2 第二馈入点

G1、G2 内部间隙

H1、H2 厚度

L1、L2、L3 电感器

W1、W2 宽度

100、301、302、303、304、401、402、403、501、502、503、600、700 天线系统

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的范围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的范围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的范围当中所提及的“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。

以下的公开内容提供许多不同的实施例或范例以实施本案的不同特征。以下的公开内容叙述各个构件及其排列方式的特定范例，以简化说明。当然，这些特定的范例并非用以限定。例如，若是本说明书叙述了一第一特征形成于一第二特征之上或上方，即表示其可能包含上述第一特征与上述第二特征是直接接触的实施例，亦可能包含了有附加特征形成于上述第一特征与上述第二特征之间，而使上述第一特征与第二特征可能未直接接触的实施例。另外，以下说明书不同范例可能重复使用相同的参考符号和/或标记。这些重复是为了简化与清晰的目的，并非用以限定所讨论的不同实施例和/或结构之间有特定的关系。

此外，说明书及权利要求书的中所提及的与空间相关用词，例如“在…下方”、“下方”、“较低的”、“上方”、“较高的”及类似的用词，是为了便于描述图标中一个元件或特征与另一个(些)元件或特征之间的关系。除了在附图中绘示的方位外，这些空间相关用词意欲包含使用中或操作中的装置的不同方位。装置可能被转向不同方位(旋转90度或其他方位)，则在此使用的空间相关词也可依此相同解释。

图1A显示根据本发明一实施例所述的天线系统(Antenna System)100的俯视图。图1B显示根据本发明一实施例所述的天线系统100的侧视图。请一并参考图1A、图1B。天线系统100可应用于一移动装置(Mobile Device)当中，例如：一智能手机(Smart Phone)、一平板计算机(Tablet Computer)，或是一笔记本型计算机(Notebook Computer)。如图1A、图1B所示，天线系统100至少包括：一近场通信天线(NFC Antenna)110，其包括一金属线圈(Metal Coil)120和一第一介质基板(Dielectric Substrate)130、一耦合金属部(Coupling Metal Element)140，以及一第二介质基板150。必须理解的是，虽然未显示于图1A、图1B中，但天线系统100还可包括其他元件，例如：一系统接地面(System GroundPlane)、一射频(Radio Frequency，RF)模块，以及一外壳(Housing)。

金属线圈120设置于第一介质基板130上。金属线圈120的形状和匝数在本发明中均不特别作限制。详细而言，金属线圈120具有一第一端121和一第二端122，其中一第一馈入点(Feeding Point)FP1位于金属线圈120的第一端121处，而一第二馈入点FP2位于金属线圈120的第二端122处。第一馈入点FP1和第二馈入点FP2还可经由一匹配电路(MatchingCircuit)分别耦接至一信号源(Signal Source)的正极和负极(未显示)，使得近场通信天线110可由前述信号源所激发。

第一介质基板130可以是一FR4(阻燃剂4，Flame Retardant 4)基板、一印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)，或是一柔性电路板(Flexible Printed CircuitBoard，FPC)。第一介质基板130具有相对的一第一表面E1和一第二表面E2。在一些实施例中，天线系统100还包括一个或更多个第一导电贯通元件(Conductive Via Element)191、192，其可穿透第一介质基板130，而金属线圈120可藉由使用前述的第一导电贯通元件191、192而同时分布于第一介质基板130的第一表面E1和第二表面E2上(第一导电贯通元件191、192之间的一虚线段代表此两者互相耦接)。然而，本发明并不仅限于此。在另一些实施例中，金属线圈120亦可仅分布于第一介质基板130的第一表面E1或第二表面E2上。

耦合金属部140设置于第二介质基板150上。例如，耦合金属部140可大致呈现一螺旋形。耦合金属部140的形状和匝数在本发明中均不特别作限制。详细而言，耦合金属部140具有一第一端141和一第二端142，其为两个开路端(Open End)。换言之，耦合金属部140可为浮接状态(Floating)。耦合金属部140邻近于金属线圈120，其中耦合金属部140并未与金属线圈120直接接触。必须注意的是，本说明书中所谓“邻近”或“相邻”一词可指对应的两元件的间距小于一既定距离(例如：5mm或更短)，但通常不包括对应的两元件彼此直接接触的情况(亦即，前述间距缩短至0)。在一些实施例中，耦合金属部140在近场通信天线110上具有一垂直投影(Vertical Projection)，其中此垂直投影与金属线圈120至少部分重叠。

第二介质基板150可以是一FR4基板、一印刷电路板，或是一柔性电路板，其可与第一介质基板130互相独立。第二介质基板150具有相对的一第三表面E3和一第四表面E4，其中耦合金属部140可仅分布于第二介质基板150的第三表面E3上。然而，本发明并不仅限于此。在另一些实施例中，耦合金属部140亦可仅分布于第二介质基板150的第四表面E4上。

图2显示根据本发明一实施例所述的天线系统100的操作特性图，其中横轴代表频率(Frequency)，而纵轴代表辐射效率(Radiation Efficiency)。在理想状态下，近场通信天线110的一操作频率位于一中心频率FC处。然而，因应于不同使用环境，近场通信天线110的操作频率可能下降至一低频偏移频率FL，或是上升至一高频偏移频率FH。此时，耦合金属部140可与金属线圈120发生共振，并用于重新调整近场通信天线110的操作频率。例如，若耦合金属部140的宽度W2减少(其可能小于或等于金属线圈120的宽度W1)，则近场通信天线110的操作频率将可由高频偏移频率FH降低回至中心频率FC；反之，若耦合金属部140的宽度W2增加(其可能大于或等于金属线圈120的宽度W1)，则近场通信天线110的操作频率将可由低频偏移频率FL升高回至中心频率FC。根据图2的测量结果，藉由适当改变耦合金属部140的宽度W2，近场通信天线110的操作频率将能达到优化的结果。在另一些实施例中，前述的操作频率的调整还可进一步藉由适当改变耦合金属部140的匝数和/或内部间隙G2来达成。

在一些实施例中，天线系统100的元件尺寸可如下列所述。金属线圈120的长度(亦即，由第一端121起，经过第一导电贯通元件191、192，再至第二端122的长度)可以小于或等于近场通信天线110的操作频率的0.25倍波长(λ/4)。金属线圈120的宽度(或是线宽，LineWidth)W1可约介于0.2mm至2mm之间。金属线圈120的内部间隙G1的宽度(亦即，金属线圈120的任意相邻两条平行金属线的间距)可约介于0.2mm至2mm之间。第一介质基板130的厚度H1(亦即，第一表面E1和第二表面E2的间距)可介于0.1mm至0.8mm之间。耦合金属部140的长度(亦即，由第一端141起，再至第二端142的长度)可以小于或等于近场通信天线110的操作频率的0.5倍波长(λ/2)。耦合金属部140的宽度(或是线宽)W2可约介于0.1mm至4mm之间。耦合金属部140的内部间隙G2的宽度(亦即，耦合金属部140的任意相邻两条平行金属线的间距)可约介于0.1mm至4mm之间。第二介质基板150的厚度H2(亦即，第三表面E3和第四表面E4的间距)可介于0.1mm至0.8mm之间。金属线圈120和耦合金属部140的间距D1(亦即，此两者间的最短距离)可约介于0.01mm至1.6mm之间。以上元件尺寸的范围是根据多次实验结果而得出，其有助于优化天线系统100的操作频宽(Operational Bandwidth)和阻抗匹配(Impedance Matching)。

图3A显示根据本发明一实施例所述的天线系统301的侧视图。图3A与图1B相似。在图3A的实施例中，天线系统301还包括一铁氧体层(Ferrite Sheet)160，其邻近于第一介质基板130。例如，铁氧体层160可直接贴合于第一介质基板130的第二表面E2上，但亦不仅限于此。铁氧体层160可用于抑制来自其他金属或电路元件的电磁干扰(ElectromagneticInterference，EMI)。图3A的天线系统301的其余特征皆与图1A、图1B的天线系统100类似，故此两实施例均可达成相似的操作效果。

图3B显示根据本发明一实施例所述的天线系统302的侧视图。图3B与图3A相似。在图3B的实施例中，耦合金属部140可仅分布于第二介质基板150的第四表面E4上。必须注意的是，第二介质基板150的第四表面E4与第一介质基板130的第一表面E1两者相面对。为了避免耦合金属部140与金属线圈120直接接触，天线系统302还包括一绝缘层(IsolationLayer)170，其可用于将金属线圈120与耦合金属部140两者完全分隔开。例如，绝缘层170可用厚度极薄(例如，小于或等于0.1mm)的一防焊油墨(Solder Mask Ink)层来实施，但亦不仅限于此。图3B的天线系统302的其余特征皆与图3A的天线系统301类似，故此两实施例均可达成相似的操作效果。

图3C显示根据本发明一实施例所述的天线系统303的侧视图。图3C与图3A相似。在图3C的实施例中，金属线圈120可主要分布于第一介质基板130的第二表面E2上。与之相比，前述图3A的金属线圈120可主要分布于第一介质基板130的第一表面E1上。图3C的天线系统303的其余特征皆与图3A的天线系统301类似，故此两实施例均可达成相似的操作效果。

图3D显示根据本发明一实施例所述的天线系统304的侧视图。图3D与图3C相似。在图3D的实施例中，耦合金属部140可仅分布于第二介质基板150的第四表面E4上，而天线系统304还包括一绝缘层170，其可用于将金属线圈120与耦合金属部140两者完全分隔开。图3D的天线系统304的其余特征皆与图3C的天线系统303类似，故此两实施例均可达成相似的操作效果。

图4A显示根据本发明一实施例所述的天线系统401的俯视图。图4B显示根据本发明一实施例所述的天线系统402的俯视图。图4C显示根据本发明一实施例所述的天线系统403的俯视图。为了简化附图，对应的近场通信天线皆予以省略。在图4A、图4B、图4C的实施例中，天线系统401、402、403可各自包括一个或更多个电感器(Inductor)L1、L2、L3，其可与一耦合金属部440作串联耦接。前述电感器L1、L2、L3的数量及设置方式皆可自由地进行调整。根据实际测量结果，由于耦合金属部440的电感特性被强化，故对应的近场通信天线的操作频率将会明显地升高。图4A、图4B、图4C的天线系统401、402、403的其余特征皆与图1A、图1B的天线系统100类似，故这些实施例均可达成相似的操作效果。

图5A显示根据本发明一实施例所述的天线系统501的俯视图。图5B显示根据本发明一实施例所述的天线系统502的俯视图。图5C显示根据本发明一实施例所述的天线系统503的俯视图。为了简化附图，对应的近场通信天线皆予以省略。在图5A、图5B、图5C的实施例中，天线系统501、502、503可各自包括一个或更多个电容器(Capacitor)C1、C2、C3，其可与一耦合金属部540作串联耦接。前述电容器C1、C2、C3的数量及设置方式皆可自由地进行调整。根据实际测量结果，由于耦合金属部540的电感特性被弱化，故对应的近场通信天线的操作频率将会明显地降低。图5A、图5B、图5C的天线系统501、502、503的其余特征皆与图1A、图1B的天线系统100类似，故这些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系统600的俯视图。为了简化附图，对应的近场通信天线予以省略。在图6的实施例中，天线系统600的一耦合金属部640呈现一蜿蜒形状(Meandering Shape)，其可包括多个互相连接的U字形。详细而言，耦合金属部640具有一第一端641和一第二端642，其为两个开路端。根据实际测量结果，即使耦合金属部640具有不同形状(例如：非螺旋形)，其亦可用于微调对应的近场通信天线的操作频率。图6的天线系统600的其余特征皆与图1A、图1B的天线系统100类似，故此两实施例均可达成相似的操作效果。

图7A显示根据本发明一实施例所述的天线系统700的俯视图。图7B显示根据本发明一实施例所述的天线系统700的透视图。图7C显示根据本发明一实施例所述的天线系统700的侧视图。请一并参考图7A、图7B、图7C。为了简化附图，对应的近场通信天线予以省略。在图7A、图7B、图7C的实施例中，天线系统700的一耦合金属部740包括一第一部分745和一第二部分746，其中第一部分745设置于第二介质基板150的第三表面E3上，而第二部分746设置于第二介质基板150的第四表面E4上。详细而言，耦合金属部740具有一第一端741和一第二端742，其中耦合金属部740的第一端741邻近于第一部分745，而耦合金属部740的第二端742邻近于第二部分746。例如，耦合金属部740的第一部分745可大致呈现一螺旋形，而耦合金属部740的第二部分746可大致呈现一蜿蜒形状，但亦不仅限于此，在其他实施例中，耦合金属部740的第一部分745及第二部分746可以皆呈现一螺旋形或一蜿蜒形状。必须注意的是，天线系统700还包括一第二导电贯通元件193，其可穿透第二介质基板150，并可耦接于耦合金属部740的第一部分745和第二部分746之间。耦合金属部740可藉由使用第二导电贯通元件193而同时分布于第二介质基板150的第三表面E3和第四表面E4上。根据实际测量结果，此种双面式的耦合金属部740可更进一步调整对应的近场通信天线的操作频率。图7A、图7B、图7C的天线系统700的其余特征皆与图1A、图1B的天线系统100类似，故此两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系统。与先前技术相比，本发明的天线结构至少具有小尺寸、低制造成本、以及可调操作频率等优势，故其很适合应用于各种处于不同环境的移动通信装置当中。

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。本发明的天线系统并不仅限于图1A-7所图示的状态。本发明可以仅包括图1A-7的任何一个或更多个实施例的任何一项或更多项特征。换言之，并非所有图式的特征均须同时实施于本发明的天线系统当中。

在本说明书以及权利要求书中的序数，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，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，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的范围所界定者为准。

Claims (20)

1.一种天线系统，该天线系统包括：

一近场通信天线，该近场通信天线包括一金属线圈和一第一介质基板，其中该金属线圈设置于该第一介质基板上；

一耦合金属部，该耦合金属部邻近于该金属线圈，其中该耦合金属部未与该金属线圈直接接触；以及

一第二介质基板，其中该耦合金属部设置于该第二介质基板上；

其中该耦合金属部用于调整该近场通信天线的一操作频率。

2.如权利要求1所述的天线系统，其中该耦合金属部为浮接状态。

3.如权利要求1所述的天线系统，其中该耦合金属部在该近场通信天线上具有一垂直投影，而该垂直投影与该金属线圈至少部分重叠。

4.如权利要求1所述的天线系统，其中若该耦合金属部的宽度减少，则该近场通信天线的该操作频率将会降低。

5.如权利要求1所述的天线系统，其中若该耦合金属部的宽度增加，则该近场通信天线的该操作频率将会升高。

6.如权利要求1所述的天线系统，其中该耦合金属部呈现一螺旋形。

7.如权利要求1所述的天线系统，其中该耦合金属部呈现一蜿蜒形状。

8.如权利要求1所述的天线系统，其中该金属线圈的长度小于或等于该近场通信天线的该操作频率的0.25倍波长。

9.如权利要求1所述的天线系统，其中该耦合金属部的长度小于或等于该近场通信天线的该操作频率的0.5倍波长。

10.如权利要求1所述的天线系统，其中该金属线圈的宽度介于0.2mm至2mm之间。

11.如权利要求1所述的天线系统，其中该耦合金属部的宽度介于0.1mm至4mm之间。

12.如权利要求1所述的天线系统，其中该金属线圈和该耦合金属部的间距介于0.01mm至1.6mm之间。

13.如权利要求1所述的天线系统，该天线系统还包括：

一铁氧体层，该铁氧体层邻近于该第一介质基板。

14.如权利要求1所述的天线系统，该天线系统还包括：

一绝缘层，该绝缘层用于将该金属线圈与该耦合金属部两者分隔开。

15.如权利要求1所述的天线系统，该天线系统还包括：

一个或更多个电感器，该电感器与该耦合金属部作串联耦接。

16.如权利要求1所述的天线系统，该天线系统还包括：

一个或更多个电容器，该电容器与该耦合金属部作串联耦接。

17.如权利要求1所述的天线系统，其中该第一介质基板具有相对的一第一表面和一第二表面，而该第一介质基板的厚度介于0.1mm至0.8mm之间。

18.如权利要求17所述的天线系统，该天线系统还包括：

一个或更多个第一导电贯通元件，该第一导电贯通元件穿透该第一介质基板，其中该金属线圈藉由使用该第一导电贯通元件而分布于该第一介质基板的该第一表面和该第二表面上。

19.如权利要求1所述的天线系统，其中该第二介质基板具有相对的一第三表面和一第四表面，而该第二介质基板的厚度介于0.1mm至0.8mm之间。

20.如权利要求19所述的天线系统，该天线系统还包括：

一第二导电贯通元件，该第二导电贯通元件穿透该第二介质基板，其中该耦合金属部藉由使用该第二导电贯通元件而分布于该第二介质基板的该第三表面和该第四表面上。

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