TW201505262A - 通訊裝置 - Google Patents

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    • H01Q9/42—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole with folded element, the folded parts being spaced apart a small fraction of the operating wavelength

Abstract

一種通訊裝置，包括一接地元件以及一天線元件。天線元件包括一環圈金屬部及一支路金屬部。環圈金屬部係鄰近於接地元件之一邊緣。環圈金屬部具有一饋入端及一接地端，其中接地端係耦接至接地元件，而饋入端係經由一電容元件及一第一電感元件耦接至一訊號源。環圈金屬部與接地元件之邊緣共同包圍住一封閉區間。支路金屬部係經由一第二電感元件耦接至環圈金屬部上之一連接點。連接點係位於環圈金屬部之前半部分，其中前半部分包括饋入端。支路金屬部係大致沿著環圈金屬部之外圍而延伸。

Description

通訊裝置
本發明係關於一種通訊裝置，特別係有關於一種平板通訊裝置(Tablet Communication Device)及其小型化之寬頻/多頻環圈天線元件(Small-size Wideband/Multi-band Loop Antenna Element)。
近年來無線通訊產業蓬勃發展，普羅大眾對無線通訊產品之接受度也與日俱增。為了滿足大眾需求，行動通訊裝置必須提供更多元化之功能，同時其外型亦須符合薄型化之設計趨勢。因此，如何在行動通訊裝置內之有限空間中，設計出能相容於各種無線通訊應用之天線元件，實為天線設計者之一大挑戰。
為了克服先前技術所遭遇之問題，本發明提供一種通訊裝置，其包括一小型化之寬頻/多頻環圈天線元件(Small-size Wideband/Multi-band Loop Antenna Element)。此天線元件具有低姿勢(Low-profile)和小尺寸(Small-size)之優點，其可用於涵蓋LTE/WWAN(Wireless Wide Area Network/Long Term Evolution)之多頻操作。
在較佳實施例中，本發明提供一種通訊裝置，包 括：一接地元件；以及一天線元件，包括：一環圈金屬部，鄰近於該接地元件之一邊緣，其中該環圈金屬部具有一饋入端及一接地端，該接地端係耦接至該接地元件，該饋入端係經由一電容元件及一第一電感元件耦接至一訊號源，而該環圈金屬部與該接地元件之該邊緣共同包圍住一封閉區間；以及一支路金屬部，經由一第二電感元件耦接至該環圈金屬部上之一連接點，其中該連接點係位於該環圈金屬部之前半部分，該前半部分包括該饋入端，而該支路金屬部係大致沿著該環圈金屬部之外圍而延伸。
在一些實施例中，該環圈金屬部與該接地元件之該邊緣所包圍之該封閉區間大致為一倒L字形。在一些實施例中，該天線元件之該環圈金屬部本身可作為大致呈倒L字形之一環圈天線(Loop Antenna)，其中該環圈天線可產生一低頻共振模態以及二高階共振模態。在一些實施例中，該低頻共振模態係位於約750MHz處，而該等高階共振模態係共同合成一寬頻頻帶，其中該寬頻頻帶約介於1710MHz至2690MHz之間。然而，該低頻共振模態之頻寬通常較窄，故一般而言無法涵蓋所需之704MHz至960MHz或是824MHz至960MHz之頻率範圍。
該天線元件之操作原理可如下列所述。該低頻共振模態之激發乃借助於該電容元件所提供之一電容值，而該電容值使得該環圈金屬部之長度可以小於該天線元件之一第一(低頻)頻帶之最低頻率(例如：約704MHz)之0.2倍波長。另外，該環圈金屬部之至少二高階共振模態係共同合成一寬頻頻帶，此乃借助於該第一電感元件所提供之一電感值，其中該電 感值可以使得該天線元件之一第二(高頻)頻帶之頻寬增加。
該天線元件更包括該支路金屬部，其係經由該第二電感元件耦接至該環圈金屬部上之該連接點。在一些實施例中，該第二電感元件之一電感值係大於該第一電感元件之一電感值。當該天線元件操作於該第二頻帶時，該第二電感元件因具有一高電感值而近似一開路狀態(Open-circuit)。因此，該支路金屬部大致上不會影響該天線元件於該第二頻帶中之操作。在一些實施例中，該支路金屬部之寬度係小於該環圈金屬部之寬度。在一些實施例中，該支路金屬部之長度係介於該第一頻帶之最低頻率(例如：約704MHz)之0.05至0.15倍波長之間。該環圈金屬部之該連接點係位於該環圈金屬部之該前半部分，這是因為該前半部分之基態表面電流較強，同時高階模態通常較無無零表面電流。該支路金屬部係大致沿著該環圈金屬部之外圍而延伸，故該支路金屬部與該環圈金屬部之間可形成一電容耦合間隙。綜合上述操作原理，該支路金屬部於該天線元件之一操作頻帶(例如：該第一頻帶)之外可產生一並接共振，其中該並接共振更於該操作頻帶內產生一共振模態，從而增加該天線元件之操作頻寬。
在一些實施例中，該天線元件之整體尺寸僅約為10×35mm2。在此低姿勢及小尺寸之結構下，該天線元件仍可至少涵蓋LTE/WWAN之多頻操作。
100、400、500‧‧‧通訊裝置
10‧‧‧接地元件
101‧‧‧接地元件之邊緣
11、41、51‧‧‧天線元件
12‧‧‧環圈金屬部
120‧‧‧封閉區間
121‧‧‧環圈金屬部之饋入端
122‧‧‧連接點
123‧‧‧環圈金屬部之接地端
13、43‧‧‧支路金屬部
14、54‧‧‧電容元件
15、55‧‧‧第一電感元件
16、46‧‧‧第二電感元件
17‧‧‧訊號源
21‧‧‧第一頻帶
22‧‧‧第二頻帶
31‧‧‧第一頻帶中之天線效率曲線
32‧‧‧第二頻帶中之天線效率曲線
t‧‧‧支路金屬部之寬度
w‧‧‧環圈金屬部之寬度
第1圖係顯示根據本發明第一實施例所述之通訊裝置之示 意圖。
第2圖係顯示根據本發明第一實施例所述之通訊裝置之天線元件之返回損失圖。
第3圖係顯示根據本發明第一實施例所述之通訊裝置之天線元件之天線效率圖。
第4圖係顯示根據本發明第二實施例所述之通訊裝置之示意圖。以及第5圖係顯示根據本發明第三實施例所述之通訊裝置之示意圖。
第1圖係顯示根據本發明第一實施例所述之通訊裝置100之示意圖。通訊裝置100可以是一智慧型手機(Smart phone)、一平板電腦(Tablet Computer)，或是一筆記型電腦(Notebook Computer)。如第1圖所示，通訊裝置100包括：一接地元件10、一天線元件11、一電容元件14、一第一電感元件15、一第二電感元件16，以及一訊號源17。接地元件10可以是一金屬平面，並設置於一介質基板上(未顯示)，例如：一FR4(Flame Retardant 4)基板。為節省設計空間，電容元件14可以是一晶片電容器(Chip Capacitor)，而第一電感元件15和第二電感元件16可以各自為一晶片電感器(Chip Inductor)。天線元件11包括一環圈金屬部12及一支路金屬部13。環圈金屬部12係鄰近於接地元件10之一邊緣101。環圈金屬部12具有一饋入端121及一接地端123，其中接地端123係耦接至接地元件10，而饋入端121係經由電容元件14及第一電感元件15耦接至訊號源17。訊號源17 可以是一射頻(Radio Frequency，RF)模組，其用於激發天線元件11以產生一操作頻帶。環圈金屬部12與接地元件10之邊緣101係共同包圍住一封閉區間120。在一些實施例中，封閉區間120大致為一倒L字形。在其他實施例中，封閉區間120亦可大致為其他形狀，例如：一直條形、一倒J字形，或是一C字形。支路金屬部13係經由第二電感元件16耦接至環圈金屬部12上之一連接點122。連接點122係位於環圈金屬部12之前半部分。環圈金屬部12之該前半部分包括饋入端121。支路金屬部13係大致沿著環圈金屬部12之外圍而延伸。在一些實施例中，支路金屬部13大致為一直條形或一倒L字形。在一些實施例中，支路金屬部13之寬度t係小於環圈金屬部12之寬度w。在一些實施例中，第二電感元件16之一電感值係大於第一電感元件15之一電感值。必須注意的是，通訊裝置100更可包括其他元件，例如：一觸控面板、一處理器、一揚聲器、一電池，以及一外殼(未顯示)。
第2圖係顯示根據本發明第一實施例所述之通訊裝置100之天線元件11之返回損失(Return Loss)圖。如第2圖所示，天線元件11可操作於至少一第一頻帶21及一第二頻帶22。在較佳實施例中，第一頻帶21可涵蓋LTE700/GSM850/900之頻率範圍(約介於704MHz至960MHz之間)，而第二頻帶22可涵蓋GSM1800/1900/UMTS/LTE2300/2500之頻率範圍(約介於1710MHz至2690MHz之間)。在一些實施例中，通訊裝置100之元件尺寸和元件參數可如下列所述。接地元件10之長度約為200mm，寬度約為150mm，此為一典型平板通訊裝置之接地元 件尺寸。天線元件11之高度約為10mm，長度約為35mm。環圈金屬部12之長度約為65mm。支路金屬部13之長度約為38mm。電容元件14之一電容值約為1.2pF。第一電感元件15之一電感值約為5.6nH。第二電感元件16之一電感值約為22nH。環圈金屬部12之連接點122與饋入端121之間之距離約為7.5mm。環圈金屬部12之長度係小於第一頻帶21之最低頻率(例如：約704MHz)之0.2倍波長。支路金屬部13之長度係介於第一頻帶21之最低頻率之0.05至0.15倍波長之間。
在一些實施例中，天線元件11之操作原理可如下列所述。支路金屬部13於天線元件11之一操作頻帶(例如：第一頻帶21)之外產生一並接共振。該並接共振更於該操作頻帶內產生一共振模態，從而增加天線元件11之操作頻寬。第一電感元件15所提供之一電感值可使得第二頻帶22之頻寬增加。當天線元件11操作於第二頻帶22時，第二電感元件16將近似於一開路狀態(Open-circuit)，使得支路金屬部13大致上不會影響天線元件11於第二頻帶中22之操作。
第3圖係顯示根據本發明第一實施例所述之通訊裝置100之天線元件11之天線效率(Antenna Efficiency)圖。天線效率曲線31代表天線元件11於第一頻帶21(約介於704MHz至960MHz之間)中之天線效率(已包括返回損失)，而天線效率曲線32代表天線元件11於第二頻帶22(約介於1710MHz至2690MHz之間)中之天線效率(已包括返回損失)。如第3圖所示，天線元件11於第一頻帶21中之平均天線效率約為50%，而天線元件11於第二頻帶22中之平均天線效率約為80%，可符合 實際應用需要。
第4圖係顯示根據本發明第二實施例所述之通訊裝置400之示意圖。在第二實施例之一天線元件41中，環圈金屬部12上之連接點122係鄰近於環圈金屬部12之饋入端121。另外，一支路金屬部43係經由一第二電感元件46耦接至連接點122，而支路金屬部43係大致沿著環圈金屬部12之外圍而延伸。更詳細地說，支路金屬部43係部份地包圍住環圈金屬部12之前半部分。支路金屬部43可以大致為一倒L字形。第二實施例之通訊裝置400之其餘特徵皆與第一實施例之通訊裝置100相似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。
第5圖係顯示根據本發明第三實施例所述之通訊裝置500之示意圖。在第三實施例之一天線元件51中，環圈金屬部12之饋入端121與訊號源17之間所耦接之一電容元件54及一第一電感元件55係設置於接地元件10上方之一淨空區間內。亦即，電容元件54及第一電感元件55均設置於接地元件10之外，且其垂直投影均不與接地元件10重疊。第三實施例之通訊裝置500之其餘特徵皆與第一實施例之通訊裝置100相似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。
值得注意的是，以上所述之元件尺寸、元件形狀，以及頻率範圍皆非為本發明之限制條件。天線設計者可以根據不同需要調整這些設定值。
在本說明書以及申請專利範圍中的序數，例如「第一」、「第二」、「第三」等等，彼此之間並沒有順序上的先後關係，其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧通訊裝置
10‧‧‧接地元件
101‧‧‧接地元件之邊緣
11‧‧‧天線元件
12‧‧‧環圈金屬部
120‧‧‧封閉區間
121‧‧‧環圈金屬部之饋入端
122‧‧‧連接點
123‧‧‧環圈金屬部之接地端
13‧‧‧支路金屬部
14‧‧‧電容元件
15‧‧‧第一電感元件
16‧‧‧第二電感元件
17‧‧‧訊號源
t‧‧‧支路金屬部之寬度
w‧‧‧環圈金屬部之寬度

Claims (10)

  1. 一種通訊裝置，包括：一接地元件；以及一天線元件，包括：一環圈金屬部，鄰近於該接地元件之一邊緣，其中該環圈金屬部具有一饋入端及一接地端，該接地端係耦接至該接地元件，該饋入端係經由一電容元件及一第一電感元件耦接至一訊號源，而該環圈金屬部與該接地元件之該邊緣共同包圍住一封閉區間；以及一支路金屬部，經由一第二電感元件耦接至該環圈金屬部上之一連接點，其中該連接點係位於該環圈金屬部之前半部分，該前半部分包括該饋入端，而該支路金屬部係大致沿著該環圈金屬部之外圍而延伸。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該支路金屬部之寬度係小於該環圈金屬部之寬度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該支路金屬部於該天線元件之一操作頻帶之外產生一並接共振，其中該並接共振更於該操作頻帶內產生一共振模態，從而增加該天線元件之操作頻寬。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該天線元件至少操作於一第一頻帶及一第二頻帶，而該第一頻帶之頻率係低於該第二頻帶之頻率。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之通訊裝置，其中該支路金屬部之長度係介於該第一頻帶之最低頻率之0.05至0.15倍波長 之間。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之通訊裝置，其中當該天線元件操作於該第二頻帶時，該第二電感元件近似於一開路狀態，使得該支路金屬部大致上不會影響該天線元件於該第二頻帶中之操作。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之通訊裝置，其中該電容元件提供一電容值，而該電容值使得該環圈金屬部之長度小於該第一頻帶之最低頻率之0.2倍波長。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之通訊裝置，其中當該天線元件操作於該第二頻帶時，該第一電感元件提供一電感值，使得該第二頻帶之頻寬增加。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該第二電感元件之一電感值係大於該第一電感元件之一電感值。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該環圈金屬部與該接地元件之該邊緣所包圍之該封閉區間大致為一倒L字形。
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