TW201511411A - 通訊裝置 - Google Patents

Abstract

一種通訊裝置，包括一接地元件及一天線元件。天線元件具有一第一連接點，並至少包括一第一支路、一第二支路，以及一第三支路。第一支路之一端係經由一電感元件耦接至第一連接點。第二支路之一端係耦接至第一連接點。第二支路之一第二區段係大致平行於第一支路之一第一區段。第二支路係介於第一支路與接地元件之一邊緣之間。第三支路之一端係耦接至位於第一支路上之一第二連接點。第三支路係與第一支路朝向大致相反之方向延伸。第一連接點更經由一高通匹配電路耦接至一訊號源。高通匹配電路之一接地端係耦接至接地元件。

Description

通訊裝置

本發明係關於一種通訊裝置，特別係關於一種包括小型化多支路多頻天線元件(Small-size Multi-branch Multi-band Antenna Element)之通訊裝置。

行動通訊科技日新月異，其於人類生活中所占據之份量越來越重。由於各個世代之通訊技術不同，以及各個地區電信商之營運頻帶不同，行動通訊裝置對於頻寬之需求也日益增加。為了攜帶方便及改善使用者體驗，現今之行動通訊裝置係趨向輕薄化之整體設計，而其螢幕與邊框之尺寸將變得更小，並使得可用於設計天線之空間越來越不足。以傳統多支路多頻帶之LTE/WWAN(Long Term Evolution/Wireless Wide Area Network)天線元件為例，其共振路徑之長度約略等於其操作頻率之四分之一波長。如此使得天線元件之各個支路占據較多空間，而難以應用於各種小型化之行動通訊裝置中。

不僅如此，由於天線元件之多支路之共振路徑係彼此接近，且其所需之共振長度相似，故該等支路所激發之共振模態容易互相影響。這造成共振模態之間無法結合成一寬頻頻帶來涵蓋所需之操作頻寬，或者導致所產生之共振模態之間雖有阻抗匹配，但是輻射效率卻甚低之問題。

因此，如何於行動通訊裝置之有限空間中設計出一種具有低姿勢(Low-profile)、小尺寸(Small-size)，以及寬頻帶(Wide-band)之多支路多天線元件以涵蓋多重操作頻帶(例如：LTE/WWAN頻帶)，是現今天線設計者之一大挑戰。

為了解決先前技術之問題，本發明提供一種通訊裝置，其包括一多支路多頻天線元件。此種天線元件不僅可達成低姿勢和小尺寸之設計，更可涵蓋LTE/WWAN頻帶(約介於704MHz至960MHz之間，以及約介於1710MHz至2690MHz之間)和WLAN(Wireless Local Area Network)2.4GHz頻帶之多頻操作。

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，設置於一介質基板上，其中該介質基板係鄰近於該接地元件之一邊緣，該天線元件具有一第一連接點，而該天線元件至少包括：一第一支路，具有一第一長度，其中該第一支路之一端係經由一第一電感元件耦接至該第一連接點，該第一支路包括一第一區段，而該第一區段係大致平行於該接地元件之該邊緣；一第二支路，具有一第二長度，其中該第二支路之一端係耦接至該第一連接點，該第二支路包括一第二區段，該第二區段係大致平行於該第一區段，而該第二支路係介於該第一支路與該接地元件之該邊緣之間；以及一第三支路，具有一第三長度，其中該第三支路之一端係耦接至位於該第一支路上之一第二連接點，而該第三支路係與該第一支路朝向大致相反之方向延伸；其中該第一連接點更經 由一高通匹配電路(High-pass Matching Circuit)耦接至一訊號源，該高通匹配電路具有一接地端，而該接地端係耦接至該接地元件。

本發明之該天線元件不僅有著獨特之輻射部結構設計(包括該第一支路、該第二支路，以及該第三支路)，更納入該高通匹配電路作整合設計，使得該天線元件可以具有低姿勢、小型化，以及寬頻帶之優點。在一些實施例中，該天線元件可用於涵蓋LTE/WWAN之多重頻帶。在一些實施例中，該天線元件係至少操作於一第一頻帶及一第二頻帶，其中該第一頻帶之頻率係低於該第二頻帶之頻率。在該天線元件之多支路結構中，該第二長度可以小於該第一長度，而該第三長度可以小於該第二長度並小於該第一長度之0.5倍。當該天線元件係由該訊號源進行饋入時，該第一支路可以激發產生位於該第一頻帶內之一第一共振模態，該第二支路可以激發產生位於該第二頻帶內之一第三共振模態，而該第三支路可以激發產生位於該第二頻帶內之一第四共振模態，其中該第四共振模態係與該第三共振模態作結合，從而大幅增加該第二頻帶之操作頻寬。

在一些實施例中，該高通匹配電路包括：並接之至少一第二電感元件，以及串接之一電容元件。在一些實施例中，該高通匹配電路係設置於該介質基板上，或是該接地元件上。該高通匹配電路可用於調整該天線元件之阻抗匹配。由於該高通匹配電路中之該第二電感元件更可耦接至該接地元件，故該天線元件可以具有類似於一倒F形天線結構，從而可具有低姿勢之優點。在一些實施例中，該高通匹配電路可使得該天 線元件激發產生位於該第一頻帶內之一第二共振模態，其中該第二共振模態可以與該第一共振模態結合，從而大幅增加該第一頻帶之操作頻寬。該第一電感元件可用於縮短該第一支路及該第三支路之共振長度，使得該天線元件可具有小型化之優點。該第一電感元件可以提供一電感值。當該天線元件係操作於該第二頻帶時，該第一電感元件可用於隔離該第一支路，並降低該第一支路對該第二支路所激發之該第三共振模態之影響，使得該第三共振模態可以被良好地激發。另一方面，由於該第三支路係耦接至該第一支路，且該第三長度係小於該第一長度之0.5倍，故該第四共振模態與該第一共振模態之激發將不會互相影響，而兩者均能被良好地激發。在一些實施例中，該天線元件可以在小尺寸之平面結構下(例如：10×40mm²)產生寬頻之該第一頻帶及該第二頻帶(例如：約介於704MHz至960MHz之間，以及約介於1710MHz至2690MHz之間)。因此，該天線元件可至少用於涵蓋LTE/WWAN頻帶以及WLAN 2.4GHz頻帶之多頻操作。

100、200、500‧‧‧通訊裝置

10‧‧‧接地元件

101‧‧‧邊緣

11、21、51‧‧‧天線元件

12‧‧‧介質基板

13‧‧‧第一支路

131‧‧‧第一區段

132‧‧‧第二連接點

14‧‧‧第二支路

141‧‧‧第二區段

15‧‧‧第三支路

16‧‧‧第一連接點

17‧‧‧第一電感元件

18、28、58‧‧‧高通匹配電路

181、281、581‧‧‧接地端

19‧‧‧訊號源

282‧‧‧第二電感元件

283‧‧‧電容元件

301‧‧‧第一共振模態

302‧‧‧第二共振模態

303‧‧‧第三共振模態

304‧‧‧第四共振模態

31‧‧‧第一頻帶

32‧‧‧第二頻帶

41‧‧‧第一天線效率曲線

42‧‧‧第二天線效率曲線

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二實施例所述之通訊裝置之示意圖；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返回損失圖； 第4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；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至少包括：一接地元件10和一天線元件11。接地元件10可為一金屬平面，其可用於配置通訊裝置100之一些電子零件(未顯示)。天線元件11可由金屬製成。在一些實施例中，通訊裝置100更可包括：一介質基板12、一第一電感元件17、一高通匹配電路18，以及一訊號源19。介質基板12可為一FR4(Flame Retardant 4)基板。第一電感元件17可為一晶片電感器(Chip Inductor)。高通匹配電路18可包括一或複數個電容器和電感器，例如：晶片電容器(Chip Capacitor)和晶片電感器。訊號源19可為一射頻(Radio Frequency，RF)模組，並用於激發天線元件11。天線元件11係設置於介質基板12上。介質基板12係鄰近於接地元件10之一邊緣101。天線元件11具有一第一連接點16，並至少包括：一第一支路13、一第二支路14，以及一第三支路15。第一支路13具有一第一長度。第一支路13之一端係經由第一電感元件17耦接至第一連接點16。第一支路13包括一第一區段131，其中第一區段131係大致平行於接地元件10之邊緣101。在一些實施例中， 第一支路13大致為一倒L字形，第一支路13與第三支路15則大致合成為一倒U字形。第二支路14具有一第二長度。在一些實施例中，該第二長度係小於該第一長度。第二支路14之一端係耦接至第一連接點16。第二支路14包括一第二區段141，其中第二區段141係大致平行於第一支路13之第一區段131。第二支路14係介於第一支路13與接地元件10之邊緣101之間。在一些實施例中，第二支路14大致為一倒N字形。第三支路15具有一第三長度。在一些實施例中，該第三長度係小於該第二長度，並小於該第一長度之0.5倍。第三支路15之一端係耦接至位於第一支路13上之一第二連接點132。第三支路15係與第一支路13朝向大致相反之方向延伸。換言之，第三支路15之一開口端係與第一支路13之一開口端互相遠離。在一些實施例中，第三支路15大致為一倒L字形。天線元件11之第一連接點16更經由高通匹配電路18耦接至訊號源19。高通匹配電路18具有一接地端181，其中接地端181係耦接至接地元件10。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二實施例所述之通訊裝置200之示意圖。第二實施例與第一實施例之間之主要差異在於，通訊裝置200之一高通匹配電路28包括：並接之至少一第二電感元件282，以及串接之一電容元件283。更詳細地說，第二電感元件282之一第一端為耦接至接地元件10之一接地端281，而第二電感元件282之一第二端係耦接至第一連接點16。另一方面，電容元件283之一第一端係耦接至訊號源19，而電 容元件283之一第二端係耦接至第一連接點16。第二電感元件282可為一晶片電感器，而電容元件283可為一晶片電容器。第二實施例之通訊裝置200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之返回損失(Return Loss)圖。在一些實施例中，通訊裝置100之元件尺寸和元件參數可以如下列所述。接地元件10之長度約為200mm，寬度約為150mm。介質基板12之長度約為40mm，寬度約為10mm，厚度約為0.8mm。第一支路13之該第一長度約為44mm。第二支路14之該第二長度約為23mm。第三支路15之該第三長度約為16mm(小於第一支路13之該第一長度之0.5倍)。第一電感元件17為一晶片電感器，其中該晶片電感器之一電感值約為10nH。高通匹配電路18係由並接之一晶片電感器和串接之一晶片電容器所共同形成，其中該晶片電感器之一電感值約為10nH，而該晶片電容器之一電容值約為2.7pF。如第3圖所示，天線元件11可以至少操作於一第一頻帶31及一第二頻帶32，其中第一頻帶31之頻率係低於第二頻帶32之頻率。更詳細地說，天線元件11之操作原理可如下列所述。天線元件11之第一支路13係激發產生位於第一頻帶31內之一第一共振模態301。天線元件11之高通匹配電路18係激發產生位於第一頻帶31內之一第二共振模態302。在第一共振模態301與第二共振模態302結合之後，第一頻帶31大致可涵蓋LTE700/GSM850/900頻帶(約介於704MHz至960MHz之間)之寬頻操作。另一方面，天線元件11之第二支路14係激發產生位於 第二頻帶32內之一第三共振模態303。天線元件11之第三支路15係激發產生位於第二頻帶32內之一第四共振模態304。在第三共振模態303與第四共振模態304結合之後，第二頻帶32大致可涵蓋GSM1800/GSM1900/UMTS/LTE2300/LTE2500頻帶(約介於1710MHz至2690MHz之間)以及WLAN 2.4GHz頻帶之寬頻操作。

第4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。通訊裝置100之元件尺寸和元件參數可如同第3圖之實施例所述。第一天線效率曲線41代表天線元件11於第一頻帶31(約介於704MHz至960MHz之間)中之天線效率(已包括返回損失)，而第二天線效率曲線42代表天線元件11於第二頻帶32(約介於1710MHz至2690MHz之間)中之天線效率(已包括返回損失)。如第4圖所示，天線元件11於第一頻帶31中之平均天線效率約為55%以上，而天線元件11於第二頻帶32中之平均天線效率約為60%以上，已可符合行動通訊裝置之實際應用需要。

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。第三實施例與第一實施例之間之主要差異在於，通訊裝置500之一高通匹配電路58係設置於接地元件10上，而非設置於介質基板12上。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、元件參數，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‧‧‧邊緣

11‧‧‧天線元件

12‧‧‧介質基板

13‧‧‧第一支路

131‧‧‧第一區段

132‧‧‧第二連接點

14‧‧‧第二支路

141‧‧‧第二區段

15‧‧‧第三支路

16‧‧‧第一連接點

17‧‧‧第一電感元件

18‧‧‧高通匹配電路

181‧‧‧接地端

19‧‧‧訊號源

Claims (10)

1. 一種通訊裝置，包括：一接地元件；以及一天線元件，設置於一介質基板上，其中該介質基板係鄰近於該接地元件之一邊緣，該天線元件具有一第一連接點，而該天線元件至少包括：一第一支路，具有一第一長度，其中該第一支路之一端係經由一第一電感元件耦接至該第一連接點，該第一支路包括一第一區段，而該第一區段係大致平行於該接地元件之該邊緣；一第二支路，具有一第二長度，其中該第二支路之一端係耦接至該第一連接點，該第二支路包括一第二區段，該第二區段係大致平行於該第一區段，而該第二支路係介於該第一支路與該接地元件之該邊緣之間；以及一第三支路，具有一第三長度，其中該第三支路之一端係耦接至位於該第一支路上之一第二連接點，而該第三支路係與該第一支路朝向大致相反之方向延伸；其中該第一連接點更經由一高通匹配電路耦接至一訊號源，該高通匹配電路具有一接地端，而該接地端係耦接至該接地元件。
2. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該高通匹配電路包括並接之至少一第二電感元件以及串接之一電容元件。
3. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該高通匹 配電路係設置於該介質基板上或是該接地元件上。
4. 如申請專利範圍第3項所述之通訊裝置，其中該第二長度係小於該第一長度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該第三長度係小於該第二長度，並係小於該第一長度之0.5倍。
6. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該天線元件係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。
7. 如申請專利範圍第6項所述之通訊裝置，其中該第一支路係激發產生位於該第一頻帶內之一第一共振模態。
8. 如申請專利範圍第6項所述之通訊裝置，其中該高通匹配電路使得該天線元件激發產生位於該第一頻帶內之一第二共振模態，從而增加該第一頻帶之頻寬。
9. 如申請專利範圍第6項所述之通訊裝置，其中該第二支路係激發產生位於該第二頻帶內之一第三共振模態。
10. 如申請專利範圍第6項所述之通訊裝置，其中該第三支路係激發產生位於該第二頻帶內之一第四共振模態，從而增加該第二頻帶之頻寬。