TW201530910A

TW201530910A - 可攜式電子裝置之多頻天線

Info

Publication number: TW201530910A
Application number: TW103101740A
Authority: TW
Inventors: Jia-Yi Sze; Shu-Chuan Chen; yi-chun Chu
Original assignee: Nat Defence University
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2015-08-01
Also published as: TWI530025B

Abstract

本發明係關於一種可攜式電子裝置之多頻天線，包括：一接地元件及一天線元件。天線元件位於一介質基板上並包括：一饋入金屬部，其一端係一饋入端；一接地金屬部，其一端係電氣耦接至接地端，其中，接地金屬部接近其開口端之部分區間與饋入金屬部具有一第一耦合間距，饋入金屬部藉由第一耦合間距將電磁能量耦合至接地金屬部，且接地金屬部之長度大於饋入金屬部之長度；以及一耦合金屬部，其一端係電氣耦接至饋入金屬部，其沿著鄰近接地金屬部之短路端往其開口端延伸，且其長度小於接地金屬部，並與接地金屬部之部分區間具有一第二耦合間距。

Description

可攜式電子裝置之多頻天線

本發明係關於一種可攜式電子裝置之多頻天線，尤指一種具有平面式單面印刷設計及較簡單之縮小化結構，且適用於行動無線寬頻頻帶上之多頻天線。

隨著科技進步，可攜式電子裝置日益普及，例如行動電話、個人數位助理(PDA)、或筆記型電腦等之行動電子裝置已然成為現代人工作及生活中不可或缺的用品。例如，這幾年來筆記型電腦之發展，在外觀上，市場趨向於輕、薄之輕便取向，舉例來說，蘋果的Macbook Air及華碩的Zenbook，在功能性提升下，依然保持輕薄之特性。也因此，其內藏之無線通訊裝置中的天線空間上也相對應需縮小。

而在縮小化的同時，天線之操作頻帶亦要求能涵蓋於LTE 700、GSM 850、GSM 900、DCS、PCS、UMTS、LTE 2300、LTE 2500等八個規範頻帶。這八個規範頻帶相當於涵蓋698~960MHz與1710~2690MHz的雙寬頻帶。目前現有的天線設計中，可藉由增加一些細長槽孔或是金屬支路的方式，用以增加天線的低頻頻寬，然而，這樣的方式設計出的天線係難以縮小化。舉例來說，也有天線設計係設計為耦合式饋入的倒F形或迴圈天線型式，其利用耦合式饋入的方式，使其四分之一波長的基模態(Fundamental Mode)可達寬頻操作，具有縮小天線尺寸的優勢。然而，其開路端與接地面間有較強的電容耦合效應，其高頻帶通常不具有較寬的阻抗頻寬，所以於天線結構設計上須加入額外的金屬支路，以在原天線激發的高頻帶附近產生新共振頻帶，且使兩者相結合以形成足夠的頻寬。為此，結構上必須有更多的空間去配置這些新增的金屬支路，如此將造成天線尺寸增大或是須採用不利於薄形化之立體結構。

此外，也有相關領域之技術人員提出利用在天線激發模態的低頻共振頻率較高頻附近產生一反共振的方式，使該模態的虛部輸入阻抗多通過一個零點，可使原低頻模態形成雙共振現象且用以拓寬阻抗頻寬，而無需另外設計一個低頻路徑來產生模態增加來產生模態增加頻寬，可具有縮小化的優勢。上述之手段可利用兩種方式，一種方式是利用在饋入端附近設計成集總電路元件組來形成並接共振電路，此方式之優點在於晶片元件所占面積小，然而其缺點是晶片元件有能量耗損之疑慮，且須多加一道製程而增加成本；另一種方式為設計一分佈式的並接共振電路，其主要是在饋入端附近以新增螺旋式之金屬支路或細槽線設計來達成，然而，需額外預留一區域面積，因此其縮小化效果未如集總電路元件組。

因此，業界需要一種具有較簡單之結構與較低之製造成本，且可應用於一包括八個規範頻帶之操作頻帶之可攜式電子裝置之縮小化多頻天線之結構。

本發明之另一目的係在提供一種可攜式電子裝置之多頻天線，俾能藉由耦合迴圈式天線設計及外加一金屬線支路於其中之設計，實質上不增加天線尺寸之設計下，可有效增加天線元件之操作頻寬，而使多頻天線具有小尺寸及可於涵蓋LTE/WWAN八頻之操作頻帶下操作之效果。

為達成上述目的，本發明一實施態樣提供一種可攜式電子裝置之多頻天線，包括：一接地元件；以及一天線元件，係位於一介質基板上，天線元件包括：一饋入金屬部，饋入金屬部之一端係一饋入端，其另一端係一開口端；一接地金屬部，其一端係一短路端且電氣耦接至接地元件，其另一端為開口端，其中，接地金屬部接近其開口端之部分區間與饋入金屬部具有一第一耦合間距，饋入金屬部藉由第一耦合間距將電磁能量耦合至接地金屬部，產生至少一共振模態，且接地金屬部之長度大於饋入金屬部之長度；以及一耦合金屬部，係具有至少一次彎折，耦合金屬部之一端係係一耦接端，係電氣耦接至饋入金屬部，其另一端為一開口端，耦合金屬部係由耦接端起沿著鄰近接地金屬部之短路端往其開口端延伸至耦合金屬部之開口端，且其長度小於接地金屬部，並與接地金屬部之部分區間具有一第二耦合間距。

因此，本發明之多頻天線之結構可提供具有較簡單之結構與較低之製造成本，且可涵蓋LTE/WWAN八頻之操作頻帶，實質上不增加天線尺寸之設計下，可有效增加天線元件之操作頻寬，而使多頻天線具有小尺寸及可於多頻頻帶下操作之效果。

在本發明之可攜式電子裝置之多頻天線中，介質基板可為一FR-4材質之矩形基板。

在本發明之可攜式電子裝置之多頻天線中，第一耦合間距可小於2mm。

在本發明之可攜式電子裝置之多頻天線中，第二耦合間距可為等寬或不等寬間距，其間距可小於2mm。

並且，第二耦合間距具有一分佈式電容量，此分佈式電容量與接地金屬部具有一電感量而形成等效於分佈式並接共振電路之作用，此並接共振得以增加第一操作頻帶之部分頻寬，可有效在不增加原有天線尺寸的條件下，增加本天線的操作頻寬，尤其是低頻的頻寬。

在本發明之可攜式電子裝置之多頻天線中，天線元件具有一第一操作頻帶及一第二操作頻帶，第一操作頻帶至少涵蓋約698MHz~960MHz，以及第二操作頻帶至少涵蓋約1710MHz~2690MHz。因此，本發明之多頻天線可涵蓋LTE700、GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE2300、及LTE2500之八頻操作頻帶。

1‧‧‧接地元件

2‧‧‧天線元件

20‧‧‧介質基板

21‧‧‧第一操作頻帶

210‧‧‧第一操作頻帶

22‧‧‧第二操作頻帶

220‧‧‧第二操作頻帶

23‧‧‧實部輸入阻抗

24‧‧‧虛部輸入阻抗

240‧‧‧虛部阻抗零點

3‧‧‧饋入金屬部

31‧‧‧饋入端

32‧‧‧開口端

4‧‧‧接地金屬部

41‧‧‧接地端

42‧‧‧開口端

5‧‧‧耦合金屬部

501‧‧‧耦接端

502‧‧‧開口端

6‧‧‧天線元件

601‧‧‧第三操作頻帶

602‧‧‧第四操作頻帶

603‧‧‧實部輸入阻抗

604‧‧‧虛部輸入阻抗

D1‧‧‧第一耦合間距

D2‧‧‧第二耦合間距

圖1係本發明一較佳實施例之可攜式電子裝置之多頻天線之示意圖。

圖2係本發明一較佳實施例之可攜式電子裝置之多頻天線量測之返回損失量測結果圖。

圖3係本發明之一參考例之可攜式電子裝置之天線之示意圖。

圖4係本發明一較佳實施例及一參考例之可攜式電子裝置之天線模擬之返回損失圖。

圖5係本發明一較佳實施例及一參考例之可攜式電子裝置之天線模擬之實部輸入阻抗圖。

圖6係本發明一較佳實施例及一參考例之可攜式電子裝置之天線模擬之虛部輸入阻抗圖。

圖7係本發明一較佳實施例之可攜式電子裝置之多頻天線之實測效率圖。

圖8係本發明一較佳實施例之可攜式電子裝置之多頻天線之實測最大增益圖。

請參閱圖1，係本發明之一較佳實施例之可攜式電子裝置之多頻天線之示意圖。由圖1所示，一種可攜式電子裝置之多頻天線包括：一接地元件1；以及一天線元件2，係位於一介質基板20上，介質基板可為一FR-4材質之矩形基板，天線元件2包括：一饋入金屬部3、一接地金屬部4、及一耦合金屬部5；饋入金屬部3之一端係一饋入端31，其另一端係一開口端32；接地金屬部4之一端係一短路端41且電氣耦接至接地元件1，其另一端為開口端42，接地金屬部接近其開口端42之部分區間與饋入金屬部3具有一第一耦合間距D1，饋入金屬部3藉由第一耦合間距D1將電磁能量耦合至接地金屬部4，產生至少一共振模態；以及一耦合金屬部5，具有至少一次彎折，耦合金屬部5之一端係一耦接端501，係電氣耦接至饋入金屬部3，其另一端為開口端502。其中，耦合金屬部5係由耦接端501起沿著鄰近接地金屬部4之短路端41往其開口端42延伸至耦合金屬部5之開口端502，且耦合金屬部5的長度小於接地金屬部4，並與此接地金屬部4之部分區間具有一第二耦合間距D2。在本實施例中，耦合金屬部5具有兩次彎折，而其形狀輪廓呈現一倒U形。

請參閱圖2，係本發明之一較佳實施例之可攜式電子裝置之多頻天線量測之返回損失量測結果圖，請一併參閱圖1。在本實施例中，接地元件1係寬度約為200mm、長度約260mm及厚度約為0.2mm之銅板；介質基板20係為一寬度約10mm、長度約為50mm及厚度約為0.4mm之玻纖介質基板。饋入金屬部3、接地金屬部4及耦合金屬部5係以印刷或蝕刻技術形成於介質基板20上，其中，饋入金屬部長度約30mm，接地金屬部長度約為93mm，第一耦合間距約為0.7mm，耦合金屬部長度約為55mm，第二耦合間距約為0.5mm。而在本實施例中，天線元件2之饋入端31可經由一具有50歐姆之同軸纜線而饋入訊號。

由圖2所示，經由實際測量後，在一般要求之VSWR為6dB返回損失的定義下，天線元件2可具有一第一操作頻帶21及一第二操作頻帶22，第一操作頻帶21足以涵蓋LTE700/GSM850/900(698~960MHz)之三頻操作，而第二操作頻帶22則可涵蓋GSM1800/GSM1900/UMTS/LTE2300/LTE2500(1710~2690MHz)之五頻操作。因此，該天線可滿足LTE/GSM/UMTS之八頻操作需求。

請參閱圖3，係本發明之一參考例之可攜式電子裝置之天線之示意圖。本參考例與圖1之本實施例之最大差異在於，本參考例之一天線元件2之結構上未包括耦合金屬部，其餘結構與較佳實施例之可攜式電子裝置之多頻天線1相同。

請參閱圖4、圖5及圖6，係分別為本發明一較佳實施例及一參考例之可攜式電子裝置之天線模擬之返回損失圖、實部輸入阻抗圖及虛部輸入阻抗圖的比較圖。由圖4所示，利用軟體模擬所得本發明之一較佳實施例及一參考例之天線之返回損失，於VSWR(電壓駐波比)為6dB標準定義下，參考例之天線能提供一第三操作頻帶601及一第四操作頻帶602。請繼續參閱圖5及圖6，並一併參考圖4。由圖5及圖6所示，參考例之一實部輸入阻抗603及一虛部輸入阻抗604可於約800MHz產生最低共振模態，但是由於輸入阻抗過於激烈，造成較窄之頻寬，由圖4所示，參考例之天線的第三操作頻帶601之頻寬無法涵蓋低頻所需要之LTE700/GSM850/900三頻操作，同時第四操作頻帶602亦無法涵蓋GSM1800/GSM1900/UMTS/LTE2300/LTE2500五頻之操作。

而本發明之一較佳實施例之天線，由圖4所示，利用軟體模擬所得本發明之一較佳實施例之返回損失，於VSWR(電壓駐波比)為6dB標準定義下，本發明之較佳實施例之天線能提供一第一操作頻帶210及一第二操作頻帶220。由圖5及圖6所示，請一併參考圖1，本發明之較佳實施例之天線所具有一實部輸入阻抗23及一虛部輸入阻抗24，由於第二耦合間距D2產生之分佈式電容量與接地金屬部4具有電感量形成等效於分佈式並接共振電路之作用，並在約1300MHz產生一劇烈的實部輸入阻抗23及虛部輸入阻抗24變化之並接共振，同時使本實施例在參考例之第三操作頻帶601內之實部輸入阻抗變化較為平緩，且使其虛部輸入阻抗在約900MHz處多通過一個虛部阻抗零點240，得以增加低頻之頻寬。並且增加耦合金屬部5，可在第二操作頻帶220約2600MHz處多產生一共振模態，藉以增加高頻頻寬。

請參閱圖7及圖8，係分別為本發明一較佳實施例之可攜式電子裝置之多頻天線之實測效率圖及實測最大增益圖。由圖7所示，本實施例之可攜式電子裝置之多頻天線之結構所能提供之第一操作頻帶21以及第二操作頻帶22，實際量測下，第一操作頻帶21範圍內(698MHz~960MHz)之輻射效率為51%~64%，而第二操作頻帶22範圍內(1710MHz~~2690MHz)之輻射效率為62%~81%。由圖8所示，第一操作頻帶21以及第二操作頻帶22亦能達到2dBi以上之增益。綜上所述，本實施例之可攜式電子裝置之多頻天線之結構不論是在低頻或是高頻之操作頻帶範圍內，能提供良好的輻射特性。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。