CN117498012A - 天线结构和通信装置 - Google Patents

Abstract

一种天线结构和通信装置。天线结构包括：介质基板、导体外框、第一辐射部以及第二辐射部；介质基板具有相对的第一表面和第二表面；导体外框设置于介质基板的第一表面，其中导体外框具有槽孔区域；第一辐射部设置于介质基板的第二表面，并耦接至馈入点；第二辐射部设置于介质基板的第一表面，并耦接至导体外框，第二辐射部邻近于第一辐射部，其中第一辐射部至少部分由第二辐射部所包围，第一辐射部和第二辐射部皆大致位于导体外框的槽孔区域之内。本发明提出一种新颖的天线结构和通信装置，与传统设计相比，本发明至少具有全向性、高增益、小尺寸、宽频带、以及低制造成本等优势，故其很适合应用于各种各样的通信系统当中。

Description

天线结构和通信装置

技术领域

本发明涉及一种天线结构，特别是涉及一种具有近似全向性的辐射场型(Omnidirectional Radiation Pattern)的天线结构。

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的指向性太高，则很容易造成相关移动装置的通信质量下降。因此，如何设计出小尺寸、全向性的天线元件，对天线设计者而言是一项重要课题。

因此，需要提供一种天线结构和通信装置来解决上述问题。

发明内容

在较佳实施例中，本发明提出一种天线结构，包括：一介质基板，具有相对的一第一表面和一第二表面；一导体外框，设置于介质基板的第一表面，其中导体外框具有一槽孔区域；一第一辐射部，设置于介质基板的第二表面，并耦接至一馈入点；以及一第二辐射部，设置于介质基板的第一表面，并耦接至导体外框，其中第二辐射部邻近于第一辐射部，而第一辐射部至少部分由第二辐射部所包围；其中第一辐射部和第二辐射部皆大致位于导体外框的槽孔区域之内。

在一些实施例中，天线结构还包括：一电缆线，包括一中心导线和一导体外壳，其中电缆线的导体外壳耦接至导体外框。

在一些实施例中，介质基板还具有一贯通孔，而电缆线的中心导线穿过贯通孔并耦接至馈入点。

在一些实施例中，天线结构还包括：一接地面，设置于介质基板的下方，其中电缆线的导体外壳还耦接至接地面。

在一些实施例中，接地面与介质基板大致互相垂直。

在一些实施例中，天线结构提供近似全向性的一辐射场型，而接地面用于避免电缆线对于辐射场型造成负面影响。

在一些实施例中，导体外框呈现一空心矩形。

在一些实施例中，导体外框的槽孔区域呈现一矩形。

在一些实施例中，第一辐射部呈现一T字形。

在一些实施例中，第二辐射部呈现一倒Y字形。

在一些实施例中，天线结构涵盖一操作频带，而操作频带介于5850MHz至5925MHz之间。

在一些实施例中，第一辐射部包括：一第一主要支路；以及一馈入支路，其中第一主要支路上的一第一中间点经由馈入支路耦接至馈入点。

在一些实施例中，第一主要支路的长度介于操作频带的0.25倍至0.5倍波长之间。

在一些实施例中，第二辐射部包括：一第二主要支路，具有一第一端和一第二端；一连接支路，其中第二主要支路上的一第二中间点经由连接支路耦接至导体外框；一第一延伸支路，耦接至第二主要支路的第一端；以及一第二延伸支路，耦接至第二主要支路的第二端。

在一些实施例中，第二主要支路的长度大致等于操作频带的0.25倍波长。

在一些实施例中，第一延伸支路和第一主要支路之间形成一第一耦合间隙，而第二延伸支路和第一主要支路之间形成一第二耦合间隙。

在一些实施例中，第一耦合间隙和第二耦合间隙的每一者的宽度皆介于0.5mm至2mm之间。

在一些实施例中，导体外框包括相对的一第一较窄部分和一第二较窄部分，还包括相对的一第一较宽部分和一第二较宽部分。

在一些实施例中，导体外框的第一较窄部分和第二较窄部分的每一者的宽度皆介于0.25mm至0.5mm之间。

在另一较佳实施例中，本发明提出一种通信装置，包括：多个如前所述的天线结构；一射频模块，其中该等天线结构由射频模块所激发；以及一系统接地面，耦接至该等天线结构，其中系统接地面设置于该等天线结构之间。

本发明提出一种新颖的天线结构和通信装置。与传统设计相比，本发明至少具有全向性、高增益、小尺寸、宽频带、以及低制造成本等优势，故其很适合应用于各种各样的通信系统当中。

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前视图。

图1B显示根据本发明一实施例所述的天线结构的背视图。

图1C显示根据本发明一实施例所述的天线结构的透视图。

图2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3A显示根据本发明一实施例所述的天线结构的前视图。

图3B显示根据本发明一实施例所述的天线结构的背视图。

图4A显示根据本发明一实施例所述的天线结构未使用接地面时的辐射场型图。

图4B显示根据本发明一实施例所述的天线结构已使用接地面时的辐射场型图。

图5显示根据本发明一实施例所述的通信装置的立体图。

主要组件符号说明：

100、300、510、520 天线结构

110 介质基板

115 贯通孔

120 导体外框

121 导体外框的第一较窄部分

122 导体外框的第二较窄部分

123 导体外框的第一较宽部分

124 导体外框的第二较宽部分

125 槽孔区域

130 第一辐射部

140 第一主要支路

141 第一主要支路的第一端

142 第一主要支路的第二端

150 馈入支路

154 馈入支路的较窄部分

155 馈入支路的较宽部分

160 第二辐射部

170 第二主要支路

171 第二主要支路的第一端

172 第二主要支路的第二端

175 连接支路

180 第一延伸支路

181 第一延伸支路的第一端

182 第一延伸支路的第二端

190 第二延伸支路

191 第二延伸支路的第一端

192 第二延伸支路的第二端

310 电缆线

320 中心导线

330 导体外壳

350 接地面

500 通信装置

530 系统接地面

540 射频模块

CP1 第一中间点

CP2 第二中间点

E1 介质基板的第一表面

E2 介质基板的第二表面

FB1 操作频带

FP 馈入点

GC1 第一耦合间隙

GC2 第二耦合间隙

L1、L2、L3、L4、LG、LT 长度

W1、W2、W3、W4、WG、WT 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。

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或(且)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或(且)结构之间有特定的关系。

此外，与空间相关用词例如“在…下方”、“下方”、“较低的”、“上方”、“较高的”以及类似的用词，是为了便于描述图示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结构100的前视图。图1B显示根据本发明一实施例所述的天线结构100的背视图。图1C显示根据本发明一实施例所述的天线结构100的透视图。请一并参考图1A、图1B、图1C。天线结构100可以套用于一车用装置(VehicleDevice)或是一移动装置(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)。在图1A、图1B、图1C的实施例中，天线结构100至少包括：一介质基板(Dielectric Substrate)110、一导体外框(Conductive Frame)120、一第一辐射部(Radiation Element)130、以及一第二辐射部160，其中导体外框120、第一辐射部130、以及第二辐射部160皆可用金属材质制成，例如：铜、银、铝、铁、或是其合金。

介质基板110可以是一FR4(Flame Retardant 4)基板、一印刷电路板(PrintedCircuit Board，PCB)、或是一软性电路板(Flexible Printed Circuit，FPC)。介质基板110具有相对的一第一表面E1和一第二表面E2，其中导体外框120和第二辐射部160皆设置于介质基板110的第一表面E1，而第一辐射部130则设置于介质基板110的第二表面E2。

导体外框120具有一槽孔区域(Slot Region)125。例如，导体外框120可大致呈现一空心矩形，而导体外框120的槽孔区域125可大致呈现一矩形，但亦不仅限于此。必须注意的是，第一辐射部130和第二辐射部160(或其垂直投影)皆可大致位于导体外框120的槽孔区域125之内。在一些实施例中，导体外框120包括一第一较窄部分(Narrow Portion)121、一第二较窄部分122、一第一较宽部分(Wide Portion)123、以及一第二较宽部分124，其中第二较窄部分122与第一较窄部分121相对，而第二较宽部分124与第一较宽部分123相对。前述的槽孔区域125由导体外框120的第一较窄部分121、第二较窄部分122、第一较宽部分123、以及第二较宽部分124所共同包围。

第一辐射部130可大致呈现一T字形。详细而言，第一辐射部130包括一第一主要支路(Main Branch)140和一馈入支路(Feeding Branch)150。第一主要支路140可大致呈现一直条形。第一主要支路140具有一第一端141和一第二端142，其可为二个开路端(OpenEnd)。第一主要支路140上的一第一中间点CP1经由馈入支路150耦接至一馈入点(FeedingPoint)FP。馈入点FP还可耦接至一信号源(未显示)。例如，前述的信号源可为一射频(RadioFrequency，RF)模块，其可用于激发天线结构100。在一些实施例中，馈入支路150包括一较窄部分154和一较宽部分155，其中较窄部分154耦接至馈入点FP，而较宽部分155耦接至第一中间点CP1，以微调天线结构100的一馈入阻抗(Feeding Impedance)。然而，本发明并不仅限于此。在另一些实施例中，馈入支路150亦可改为一等宽直条形。

第二辐射部160可大致呈现一倒Y字形。第二辐射部160邻近于第一辐射部130，其中第一辐射部130至少部分由第二辐射部160所包围。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：10mm或更短)，但通常不包括对应的二元件彼此直接接触的情况(亦即，前述间距缩短至0)。详细而言，第二辐射部160包括一第二主要支路170、一连接支路(Connection Branch)175、一第一延伸支路(Extension Branch)180、以及一第二延伸支路190。

第二主要支路170可大致呈现另一直条形，其可与第一主要支路140大致互相平行。第二主要支路170具有一第一端171和一第二端172。第二主要支路170上的一第二中间点CP2经由连接支路175耦接至导体外框120的第一较宽部分123。第一延伸支路180可大致呈现一较短直条形。第一延伸支路180具有一第一端181和一第二端182，其中第一延伸支路180的第一端181耦接至第二主要支路170的第一端171，而第一延伸支路180的第二端182为一开路端，其可朝靠近第一主要支路140的方向作延伸。第二延伸支路190可大致呈现另一较短直条形，其可与第一延伸支路180大致互相平行。第二延伸支路190具有一第一端191和一第二端192，其中第二延伸支路190的第一端191耦接至第二主要支路170的第二端172，而第二延伸支路190的第二端192为一开路端，其亦可朝靠近第一主要支路140的方向作延伸。在一些实施例中，第一延伸支路180的第二端182和第一主要支路140的第一端141之间可形成一第一耦合间隙(Coupling Gap)GC1，而第二延伸支路190的第二端192和第一主要支路140的第二端142之间可形成一第二耦合间隙GC2。

图2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，其中横轴代表操作频率(MHz)，而纵轴代表返回损失(dB)。根据图2的测量结果，天线结构100可涵盖一操作频带(Operational Frequency Band)FB1，而此操作频带FB1可介于5850MHz至5925MHz之间。因此，天线结构100将至少可支持车联网(V2X)或WLAN(WirelessLocal Area Network)5GHz的宽频操作。必须注意的是，由于第一辐射部130和第二辐射部160皆由导体外框120所包围，故天线结构100的整体尺寸将能被大幅微缩。

在一些实施例中，天线结构100的操作原理可如下列所述。第二辐射部160的第二主要支路170主要用于激发产生前述的操作频带FB1。第一辐射部130的第一主要支路140则可用于控制前述的操作频带FB1的高频偏移或低频偏移。在导体外框120当中，若第一较窄部分121的宽度W1和第二较窄部分122的宽度W2两者皆变大，则天线结构100的辐射增益(Radiation Gain)将会进一步增加；反之，若第一较窄部分121的宽度W1和第二较窄部分122的宽度W2两者皆变小，则天线结构100的全向性(Omnidirectional Characteristics)将会进一步改善。

在一些实施例中，天线结构100的元件尺寸可如下列所述。在导体外框120之中，第一较窄部分121的宽度W1可介于0.25mm至0.5mm之间，第二较窄部分122的宽度W2可介于0.25mm至0.5mm之间，第一较宽部分123的宽度W3可介于1.5mm至2.5mm之间，而第二较宽部分124的宽度W4可介于2.5mm至3.5mm之间。另外，导体外框120的整体长度LT可约等于19.5mm，而导体外框120的整体宽度WT可约等于14.5mm。第一辐射部130的第一主要支路140的长度L1可介于天线结构100的操作频带FB1的0.25倍至0.5倍波长之间(λ/4～λ/2)。第二辐射部160的第二主要支路170的长度L2可大致等于天线结构100的操作频带FB1的0.25倍波长(λ/4)。第二辐射部160的第一延伸支路180的长度L3可介于1.5mm至2.5mm之间。第二辐射部160的第二延伸支路190的长度L4可介于1.5mm至2.5mm之间。第一耦合间隙GC1的宽度可介于0.5mm至2mm之间。第二耦合间隙GC2的宽度可介于0.5mm至2mm之间。以上元件尺寸和元件参数的范围是根据多次实验结果而求出，其有助于最佳化天线结构100的辐射增益和全向性。

以下实施例将介绍天线结构100的不同组态及应用方式。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3A显示根据本发明一实施例所述的天线结构300的前视图。图3B显示根据本发明一实施例所述的天线结构300的背视图。请一并参考图3A、图3B。图3A、图3B和图1A、图1B、图1C相似。在图3A、图3B的实施例中，天线结构300还包括一电缆线(Cable)310和一接地面(Ground Plane)350，其皆可用金属材质所制成。例如，电缆线310可为一同轴电缆线(Coaxial Cable)，其可耦接至前述的信号源。另外，介质基板110还可具有一贯通孔(ViaHole)115。电缆线310包括一中心导线(Central Conductive Line)320和一导体外壳(Conductive Housing)330，其中电缆线310的导体外壳330分别耦接至导体外框120和接地面350，而电缆线310的中心导线320则穿过介质基板110的贯通孔115并耦接至馈入点FP和第一辐射部130，从而可激发天线结构300。在一些实施例中，电缆线310的中心导线320不会与导体外框120彼此电性连接。接地面350设置于介质基板110的下方，其中接地面350可与介质基板110大致互相垂直。在一些实施例中，导体外框120不会与接地面350作直接接触。必须注意的是，天线结构300可提供近似全向性的一辐射场型(Radiation Pattern)，其中接地面350可用于避免电缆线310对于此辐射场型造成负面影响。在一些实施例中，接地面350的长度LG可大于或等于19.5mm，而接地面350的宽度WG可大于或等于9mm。图3A、图3B的天线结构300的其余特征皆与图1A、图1B、图1C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4A显示根据本发明一实施例所述的天线结构300未使用接地面350时的辐射场型图(其可沿XY平面进行测量)。根据图4A的测量结果，电缆线310的加入可能会改变天线结构300的辐射场型，使得此辐射场型出现非理想的零点(Null)。

图4B显示根据本发明一实施例所述的天线结构300已使用接地面350时的辐射场型图(其可沿XY平面进行测量)。根据图4B的测量结果，若同时使用电缆线310与其互相耦接的接地面350，则几乎可完全抵消电缆线310的非理想效应，使得天线结构300仍可提供近似全向性的辐射场型。

图5显示根据本发明一实施例所述的通信装置(Communication Device)500的立体图。例如，通信装置500可为一车用装置或一移动装置，但亦不仅限于此。在图5的实施例中，通信装置500包括多个天线结构510、520、一系统接地面(System Ground Plane)530、以及一射频模块540，其中该等天线结构510、520皆可由射频模块540所激发。该等天线结构510、520的详细特征可如先前的实施例所述，在此不再重复说明。该等天线结构510、520的数量在本发明中并不特别作限制。在另一些实施例中，通信装置500还可包括更多个天线结构(未显示)。系统接地面530耦接至该等天线结构510、520。另外，系统接地面530还可设置于该等天线结构510、520之间，其可作为该等天线结构510、520的一整合接地面。在此设计下，通信装置500还可支持多输入多输出(Multi-Input and Multi-Output，MIMO)的功能。

本发明提出一种新颖的天线结构和通信装置。与传统设计相比，本发明至少具有全向性、高增益、小尺寸、宽频带、以及低制造成本等优势，故其很适合应用于各种各样的通信系统当中。

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。本发明的天线结构和通信装置并不仅限于图1A-图5所图示的状态。本发明可以仅包括图1A-图5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和通信装置当中。

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，任何本领域的技术人员，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)

1.一种天线结构，该天线结构包括：

一介质基板，该介质基板具有相对的一第一表面和一第二表面；

一导体外框，该导体外框设置于该介质基板的该第一表面，其中该导体外框具有一槽孔区域；

一第一辐射部，该第一辐射部设置于该介质基板的该第二表面，并耦接至一馈入点；以及

一第二辐射部，该第二辐射部设置于该介质基板的该第一表面，并耦接至该导体外框，其中该第二辐射部邻近于该第一辐射部，而该第一辐射部至少部分由该第二辐射部所包围；

其中该第一辐射部和该第二辐射部皆大致位于该导体外框的该槽孔区域之内。

2.如权利要求1所述的天线结构，该天线结构还包括：

一电缆线，该电缆线包括一中心导线和一导体外壳，其中该电缆线的该导体外壳耦接至该导体外框。

3.如权利要求2所述的天线结构，其中该介质基板还具有一贯通孔，而该电缆线的该中心导线穿过该贯通孔并耦接至该馈入点。

4.如权利要求2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的下方，其中该电缆线的该导体外壳还耦接至该接地面。

5.如权利要求4所述的天线结构，其中该接地面与该介质基板大致互相垂直。

6.如权利要求4所述的天线结构，其中该天线结构提供近似全向性的一辐射场型，而该接地面用于避免该电缆线对于该辐射场型造成负面影响。

7.如权利要求1所述的天线结构，其中该导体外框呈现一空心矩形。

8.如权利要求1所述的天线结构，其中该导体外框的该槽孔区域呈现一矩形。

9.如权利要求1所述的天线结构，其中该第一辐射部呈现一T字形。

10.如权利要求1所述的天线结构，其中该第二辐射部呈现一倒Y字形。

11.如权利要求1所述的天线结构，其中该天线结构涵盖一操作频带，而该操作频带介于5850MHz至5925MHz之间。

12.如权利要求11所述的天线结构，其中该第一辐射部包括：

一第一主要支路；以及

一馈入支路，其中该第一主要支路上的一第一中间点经由该馈入支路耦接至该馈入点。

13.如权利要求12所述的天线结构，其中该第一主要支路的长度介于该操作频带的0.25倍至0.5倍波长之间。

14.如权利要求12所述的天线结构，其中该第二辐射部包括：

一第二主要支路，该第二主要支路具有一第一端和一第二端；

一连接支路，其中该第二主要支路上的一第二中间点经由该连接支路耦接至该导体外框；

一第一延伸支路，该第一延伸支路耦接至该第二主要支路的该第一端；以及

一第二延伸支路，该第二延伸支路耦接至该第二主要支路的该第二端。

15.如权利要求14所述的天线结构，其中该第二主要支路的长度大致等于该操作频带的0.25倍波长。

16.如权利要求14所述的天线结构，其中该第一延伸支路和该第一主要支路之间形成一第一耦合间隙，而该第二延伸支路和该第一主要支路之间形成一第二耦合间隙。

17.如权利要求16所述的天线结构，其中该第一耦合间隙和该第二耦合间隙的每一者的宽度皆介于0.5mm至2mm之间。

18.如权利要求1所述的天线结构，其中该导体外框包括相对的一第一较窄部分和一第二较窄部分，该导体外框还包括相对的一第一较宽部分和一第二较宽部分。

19.如权利要求18所述的天线结构，其中该导体外框的该第一较窄部分和该第二较窄部分的每一者的宽度皆介于0.25mm至0.5mm之间。

20.一种通信装置，该通信装置包括：

多个如权利要求1所述的天线结构；

一射频模块，其中该等天线结构由该射频模块所激发；以及

一系统接地面，该系统接地面耦接至该等天线结构，其中该系统接地面设置于该等天线结构之间。