TW201712950A

TW201712950A - 天線系統

Info

Publication number: TW201712950A
Application number: TW104131374A
Authority: TW
Inventors: 古光原; 詹長庚; 彭奐喆
Original assignee: 啟碁科技股份有限公司
Priority date: 2015-09-23
Filing date: 2015-09-23
Publication date: 2017-04-01
Also published as: US9786980B2; US20170084985A1

Abstract

一種天線系統，包括：一接地金屬部、一第一信號源、一第一天線、一第二信號源、一第二天線、一隔離金屬部，以及一匹配電路。第一信號源係耦接至接地金屬部。第一天線係耦接至第一信號源，其中第一信號源係用於激發第一天線。第二信號源係耦接至接地金屬部。第二天線係耦接至第二信號源，其中第二信號源係用於激發第二天線。隔離金屬部係設置於第一天線和第二天線之間，並用於改善第一天線和第二天線之間之隔離度。匹配電路係耦接於隔離金屬部和接地金屬部之間。

Description

天線系統

本發明係關於一種天線系統，特別係關於可改良隔離度之天線系統。

隨著行動通訊技術的發達，行動裝置在近年日益普遍，常見的例如：手提式電腦、行動電話、多媒體播放器以及其他混合功能的攜帶型電子裝置。為了滿足人們的需求，行動裝置通常具有無線通訊的功能。有些涵蓋長距離的無線通訊範圍，例如：行動電話使用2G、3G、LTE(Long Term Evolution)系統及其所使用700MHz、850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz、2100MHz、2300MHz以及2500MHz的頻帶進行通訊，而有些則涵蓋短距離的無線通訊範圍，例如：Wi-Fi、Bluetooth系統使用2.4GHz、5.2GHz和5.8GHz的頻帶進行通訊。

天線系統為支援無線通訊之行動裝置中不可或缺之元件。然而，由於行動裝置內部空間狹小，各個天線之配置往往極為接近，容易互相干擾。因此，有必要設計一種全新的天線系統，以改良傳統天線系統中隔離度不佳之問題。

在較佳實施例中，本發明提供一種天線系統，包括：一接地金屬部；一第一信號源，耦接至接地金屬部；一第一天線，耦接至第一信號源，其中第一信號源係用於激發第一天線；一第二信號源，耦接至接地金屬部；一第二天線，耦接至第二信號源，其中第二信號源係用於激發第二天線；一隔離金屬部，設置於第一天線和第二天線之間，並用於改善第一天線和第二天線之間之隔離度；以及一匹配電路，耦接於隔離金屬部和接地金屬部之間。

在一些實施例中，隔離金屬部具有一連接端和一開路端，而隔離金屬部之連接端係經由匹配電路耦接至接地金屬部。

在一些實施例中，隔離金屬部沿天線系統之一中心線呈線對稱結構。

在一些實施例中，匹配電路包括一電感器。

在一些實施例中，匹配電路包括一電容器。

在一些實施例中，隔離金屬部之形狀為T字形、直條形、末端彎折的T字形、交指形、螺旋形或蜿蜒形。

在一些實施例中，第一天線和第二天線涵蓋相同之一操作頻帶。

在一些實施例中，第一天線和第二天線之任一者為一單極天線(Monopole Antenna)、一偶極天線(Dipole Antenna)、一補釘天線(Patch Antenna)、一迴圈天線(Loop Antenna)、一螺旋天線(Helical Antenna)、一晶片天線(Chip Antenna)，或是一混合天線(Hybrid Antenna)。

在一些實施例中，天線系統，更包括：一傳輸線，其中隔離金屬部之連接端係經由匹配電路和傳輸線耦接至接地金屬部，而傳輸線係用於調整隔離金屬部之一共振頻帶。

在一些實施例中，傳輸線為一共平面波導(Coplanar Waveguide，CPW)。

100、200、301、302、303、400、500、600、700、800、 900、1000‧‧‧天線系統

110、210、610、710、810、910、1010‧‧‧接地金屬部

120、220‧‧‧第一天線

130、230‧‧‧第二天線

140、240、440、540、710、810、910、1010‧‧‧隔離金屬部

150、250、351、352、353‧‧‧匹配電路

191、291‧‧‧第一信號源

192、292‧‧‧第二信號源

241、541‧‧‧隔離金屬部之連接端

242、243、542、543‧‧‧隔離金屬部之開路端

660‧‧‧傳輸線

C‧‧‧電容器

CC1‧‧‧第一曲線

CC2‧‧‧第二曲線

CC3‧‧‧第三曲線

CC4‧‧‧第四曲線

CC5‧‧‧第五曲線

D1、D2‧‧‧間距

L‧‧‧電感器

L1、L2、L3‧‧‧長度

LN1‧‧‧中心線

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統之示意圖第2A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統之示意圖；第2B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統之S參數圖；第3A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統之示意圖；第3B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統之示意圖；第3C圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統之示意圖；第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統之示意圖；第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統之示意圖；第6A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統之示意圖；第6B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統之S參數圖；第7圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統之示意圖；第8圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統之示意圖；第9圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統之示意圖；以及第10圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統之示意圖。

為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統100之示意圖。天線系統100可應用於一行動裝置中，例如：一智慧型手機(Smart Phone)、一平板電腦(Tablet Computer)、一USB無線接收器(USB Dongle)、一行動熱點(Mobile Hotspot)，或是一筆記型電腦(Notebook Computer)。如第1圖所示，天線系統100至少包括：一接地金屬部110、一第一天線120、一第二天線130、一隔離金屬部140，以及一匹配電路150。接地金屬部110、第一天線120、第二天線130，以及隔離金屬部140。其中隔離金屬部140可用銅、銀、鋁、鐵，或是其合金製成，但不僅限於此。接地金屬部110可設置於一介質基板(Dielectric Substrate)之一上表面或一下表面上，例如：一系統電路板或一 FR4(Flame Retardant 4)基板。第一天線120和第二天線130之種類和形狀於本發明中並不特別作限制。舉例而言，第一天線120和第二天線130之任一者可以是一單極天線(Monopole Antenna)、一偶極天線(Dipole Antenna)、一補釘天線(Patch Antenna)、一迴圈天線(Loop Antenna)、一螺旋天線(Helical Antenna)、一晶片天線(Chip Antenna)，或是一混合天線(Hybrid Antenna)。第一天線120可由一第一信號源191所激發，其中第一信號源191可耦接於第一天線120和接地金屬部110之間。第二天線130可由一第二信號源192所激發，其中第二信號源192可耦接於第二天線130和接地金屬部110之間。第一天線120和第二天線130可以涵蓋相同之一操作頻帶。舉例而言，第一天線120可以作為行動裝置之一主要天線(Main Antenna)，而第二天線130可以作為行動裝置之一輔助天線(Auxiliary Antenna)，其中主要天線和輔助天線皆操作於相同頻帶，以增強天線系統100之分集度(Diversity)。由於第一天線120和第二天線130容易互相干擾，故可將隔離金屬部140設置於第一天線120和第二天線130之間，用於改善第一天線120和第二天線130之間之隔離度。隔離金屬部140較佳可具有一線對稱結構。匹配電路150係耦接於隔離金屬部140和接地金屬部110之間，並用於調整隔離金屬部140之等效共振長度。必須理解的是，匹配電路150之存在有助於縮短隔離金屬部140之總長度並微縮天線系統100之整體面積，其結構和功能將於之後之實施例中作詳細說明。

第2A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統200之示意圖。第2A圖與第1圖相似。在第2A圖之實施例中，天線系統200包括：一接地金屬部210、一第一天線220、一第二天線230、一隔離金屬部240，以及一匹配電路250。接地金屬部210為一矩形金屬平面。第一天線220和第二天線230皆為單極天線，並分別由一第一信號源291和一第二信號源292所激發。隔離金屬部240係沿天線系統200之一中心線LN1呈線對稱結構。例如，隔離金屬部240可為一T字形、直條形、末端彎折的T字形、交指形、螺旋形或蜿蜒形，但不僅限於此。隔離金屬部240具有一連接端(Connection End)241和二開路端(Open End)242、243，其中隔離金屬部240之連接端241係經由匹配電路250耦接至接地金屬部210之一邊緣，而隔離金屬部240之開路端242、243係朝相反方向作延伸。一般而言，為降低第一天線220和第二天線230之間之相互干擾，隔離金屬部240須與第一天線220和第二天線230共振於相同頻帶，以吸引接地金屬部210上之表面電流並增加天線系統200之隔離度。例如，隔離金屬部之一左支路(由連接端241至開路端242)之長度L1可等於第一天線220和第二天線230之操作頻帶之四分之一波長(λ/4)，而隔離金屬部之一右支路(由連接端241至開路端243)之長度L2可等於第一天線220和第二天線230之操作頻帶之四分之一波長。然而，若第一天線220和第二天線230之操作頻帶相對較低頻，則此種設計將會佔用行動裝置內部過大之面積。為了改良傳統設計之缺點，本發明於隔離金屬部240之連接端241和接地金屬部210之間新增加一匹配電路250，此匹配電路250可用來調適隔離金屬部240所產生之共振長度，使得前述之左支路長度L1和右支路長度L2皆可縮短為第一天線220和第二天線 230之操作頻帶之四分之一波長以下(例如：六分之一波長或八分之一波長)，從而可微縮天線系統200之整體尺寸。

第2B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統200之S參數(S-parameter)圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz)，而縱軸代表S參數(dB)。若將第一天線220設定為一第一埠(Port 1)且將第二天線230設定為一第二埠(Port 2)，則第一天線220和第二天線230之間之隔離度可用S21(或S12)參數來表示。在第2B圖之實施例中，第一天線220和第二天線230之操作頻帶係介於2400MHz至2484MHz之間。一第一曲線CC1係代表天線系統200不具有隔離金屬部240時第一天線220和第二天線230之間之S21參數，而一第二曲線CC2係代表天線系統200具有隔離金屬部240和匹配電路250時第一天線220和第二天線230之間之S21參數。根據第一曲線CC1和第二曲線CC2之比較結果可知，若無隔離金屬部240，天線系統200於2400MHz至2484MHz頻帶內之S21參數僅可達約-9dB，但若加入隔離金屬部240和匹配電路250之後，天線系統200於2400MHz至2484MHz頻帶內之S21參數即可大幅改善至-43dB。本發明之隔離金屬部240和匹配電路250可兼得增強天線系統200之隔離度與微縮天線系統200之整體尺寸之優點，故其很適合應用於各種小型化之行動裝置當中。

在元件尺寸方面，第一天線220和隔離金屬部240之間距D1應大於10mm，第二天線230和隔離金屬部240之間距D2應大於10mm。隔離金屬部240之線寬約為1mm。隔離金屬部之左支路之長度L1約為15.5mm。隔離金屬部之右支路之長度 L2約為15.5mm。

第3A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統301之示意圖。第3A圖和第2A圖相似。在第3A圖之實施例中，天線系統301之一匹配電路351包括一電感器L，其中電感器L係耦接於隔離金屬部240之連接端241和接地金屬部210之間，以調整隔離金屬部240之等效共振長度。電感器L之一電感值可約介於1nH至20nH之間。第3A圖之天線系統301之其餘特徵皆與第2A圖之天線系統200類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

第3B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統302之示意圖。第3B圖和第2A圖相似。在第3B圖之實施例中，天線系統302之一匹配電路352包括一電容器C，其中電容器C係耦接於隔離金屬部240之連接端241和接地金屬部210之間，以調整隔離金屬部240之等效共振長度。電容器C之一電容值可約介於1pF至10pF之間。第3B圖之天線系統302之其餘特徵皆與第2A圖之天線系統200類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

第3C圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統303之示意圖。第3C圖和第2A圖相似。在第3C圖之實施例中，天線系統303之一匹配電路353包括一電感器L和一電容器C，其中電感器L和電感器C係並聯耦接於隔離金屬部240之連接端241和接地金屬部210之間，以調整隔離金屬部240之等效共振長度。電感器L之一電感值可約介於1nH至20nH之間。電容器C之一電容值可約介於1pF至10pF之間。第3C圖之天線系統303 之其餘特徵皆與第2A圖之天線系統200類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統400之示意圖。第4圖和第2A圖相似。在第4圖之實施例中，天線系統400之一隔離金屬部440為一直條形。第4圖之天線系統400之其餘特徵皆與第2A圖之天線系統200類似，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一實施例所述之天線系統500之示意圖。第5圖和第2A圖相似。在第5圖之實施例中，天線系統500之一隔離金屬部540為具有末端彎折之一T字形。詳細而言，隔離金屬部540具有一連接端541和二開路端542、543，其中開路端542、543先朝互相遠離之方向延伸後，再共同朝向接地金屬部210之方向作延伸。此種設計可進一步縮小隔離金屬部540之總面積。第5圖之天線系統500之其餘特徵皆與第2A圖之天線系統200類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

第6A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統600之示意圖。第6圖和第2A圖相似。在第6圖之實施例中，天線系統600更包括一傳輸線660，其中隔離金屬部240之連接端241係經由匹配電路250和傳輸線660耦接至一接地金屬部610。舉例而言，傳輸線660可為一共平面波導(Coplanar Waveguide，CPW)，但不僅限於此。在其他實施例中，傳輸線660亦可置換為一微帶線(Microstrip Line)或一同軸電纜線(Coaxial Cable)。藉由控制傳輸線660之之長度L3，可以微調整隔離金屬部240之一共振頻率及相位長度。

第6B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統600之S參數(S-parameter)圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz)，而縱軸代表S參數(dB)。若將第一天線220設定為一第一埠(Port 1)且將第二天線230設定為一第二埠(Port 2)，則第一天線220和第二天線230之間之隔離度可用S21(或S12)參數來表示。在第6B圖之實施例中，第一天線220和第二天線230之操作頻帶係介於2400MHz至2484MHz之間。一第三曲線CC3係代表傳輸線660之長度L3為15mm時第一天線220和第二天線230之間之S21參數，一第四曲線CC4係代表傳輸線660之長度L3為10mm時第一天線220和第二天線230之間之S21參數，而一第五曲線CC5係代表傳輸線660之長度L3為5mm時第一天線220和第二天線230之間之S21參數。根據第三曲線CC3、第四曲線CC4，以及第五曲線CC5之比較結果可知，若傳輸線660之長度L3之長度變長，則隔離金屬部240之共振頻帶將往低頻方向移動，而若傳輸線660之長度L3之長度變短，則隔離金屬部240之共振頻帶將往高頻方向移動。藉由控制傳輸線660之長度L3，可使得隔離金屬部240與第一天線220和第二天線230操作於相同頻帶。第6A圖之天線系統600之其餘特徵皆與第2A圖之天線系統200類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

以下第7-10圖之實施例更顯示本案尚可有各種變化形之隔離金屬部之應用方式。

第7圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統700之示意圖。天線系統700至少包括一接地金屬部710和一隔離金屬部740。在第7圖之實施例中，天線系統700之隔離金屬部740為一蜿蜒之T字形，以操作於較低頻頻帶(例如：介於700MHz至800MHz之間)，其中隔離金屬部740係與接地金屬部710互相平行。須理解的是，即使未顯示於第7圖中，天線系統700更可包括其他元件，例如：一第一天線、一第二天線、一第一信號源、一第二信號源，以及一匹配電路。

第8圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統800之示意圖。天線系統800至少包括一接地金屬部810和一隔離金屬部840。在第8圖之實施例中，天線系統800之隔離金屬部840為一蜿蜒之T字形，以操作於較低頻頻帶(例如：介於700MHz至800MHz之間)，其中隔離金屬部840係與接地金屬部810互相垂直。須理解的是，即使未顯示於第8圖中，天線系統800更可包括其他元件，例如：一第一天線、一第二天線、一第一信號源、一第二信號源，以及一匹配電路。

第9圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統900之示意圖。天線系統900至少包括一接地金屬部910和一隔離金屬部940。在第9圖之實施例中，天線系統900之隔離金屬部940為一蜿蜒之T字形，以操作於較低頻頻帶(例如：介於700MHz至800MHz之間)，其中隔離金屬部940之至少一部份係與接地金屬部910互相平行，而隔離金屬部940之另一部份係與接地金屬部910互相垂直。須理解的是，即使未顯示於第9圖中，天線系統900更可包括其他元件，例如：一第一天線、一第二天線、一第一信號源、一第二信號源，以及一匹配電路。

第10圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線系統1000之示意圖。天線系統1000至少包括一接地金屬部1010和一隔離金屬部1040。在第10圖之實施例中，天線系統1000之隔離金屬部1040為一蜿蜒之T字形，以操作於較低頻頻帶(例如：介於700MHz至800MHz之間)，其中隔離金屬部1040之至少二部份係與接地金屬部1010互相平行，而隔離金屬部1040之另一部份係與接地金屬部1010互相垂直。須理解的是，即使未顯示於第10圖中，天線系統1000更可包括其他元件，例如：一第一天線、一第二天線、一第一信號源、一第二信號源，以及一匹配電路。

第7-10圖之天線系統700、800、900、1000之其餘特徵皆與第2A圖之天線系統200類似，故這些實施例均可達成相似之操作效果。

綜觀上述，本發明之天線系統可以包含低頻及高頻之操作頻帶。舉例言之，本發明之天線系統的操作頻帶可以介於700MHz及2700MHz之間。

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。本發明之天線系統並不僅限於第1-6圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-6圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之，並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之天線系統當中。

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‧‧‧天線系統

110‧‧‧接地金屬部

120‧‧‧第一天線

130‧‧‧第二天線

140‧‧‧隔離金屬部

150‧‧‧匹配電路

191‧‧‧第一信號源

192‧‧‧第二信號源

Claims

一種天線系統，包括：一接地金屬部；一第一信號源，耦接至該接地金屬部；一第一天線，耦接至該第一信號源，其中該第一信號源係用於激發該第一天線；一第二信號源，耦接至該接地金屬部；一第二天線，耦接至該第二信號源，其中該第二信號源係用於激發該第二天線；一隔離金屬部，設置於該第一天線和該第二天線之間，並用於改善該第一天線和該第二天線之間之隔離度；以及一匹配電路，耦接於該隔離金屬部和該接地金屬部之間。
如申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中該隔離金屬部具有一連接端和一開路端，而該隔離金屬部之該連接端係經由該匹配電路耦接至該接地金屬部。
如申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中該隔離金屬部沿該天線系統之一中心線呈線對稱結構。
如申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中該匹配電路包括一電感器。
如申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中該匹配電路包括一電容器。
如申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中該隔離金屬部之形狀為T字形、直條形、末端彎折的T字形、交指形、螺旋形或蜿蜒形。
如申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中該第一天線和該第二天線涵蓋相同之一操作頻帶。
如申請專利範圍第1項所述之天線系統，其中該第一天線和該第二天線之任一者為一單極天線(Monopole Antenna)、一偶極天線(Dipole Antenna)、一補釘天線(Patch Antenna)、一迴圈天線(Loop Antenna)、一螺旋天線(Helical Antenna)、一晶片天線(Chip Antenna)，或是一混合天線(Hybrid Antenna)。
如申請專利範圍第2項所述之天線系統，更包括：一傳輸線，其中該隔離金屬部之該連接端係經由該匹配電路和該傳輸線耦接至該接地金屬部，而該傳輸線係用於調整該隔離金屬部之一共振頻帶。
如申請專利範圍第9項所述之天線系統，其中該傳輸線為一共平面波導(Coplanar Waveguide，CPW)。