TW201743500A

TW201743500A - 行動裝置

Info

Publication number: TW201743500A
Application number: TW105118334A
Authority: TW
Inventors: 顏銘慶; 張琨盛; 林敬基
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2016-06-13
Filing date: 2016-06-13
Publication date: 2017-12-16
Also published as: TWI633705B; US10211517B2; US20170358845A1

Abstract

一種行動裝置，包括一系統接地面和一天線系統。該天線系統包括：一介質基板、一天線接地面、一輻射部，以及至少一饋入部。該天線接地面係耦接至該系統接地面。該饋入部係耦接至一信號源，並介於該輻射部和該天線接地面之間，其中該饋入部係與該輻射部完全分離。該輻射部係由該饋入部所耦合激發。

Description

行動裝置

本發明係關於一種行動裝置，特別係關於一種行動裝置及其天線系統。

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。傳統設計通常藉由將天線元件之間距加長來提升隔離度(Isolation)，但此法又造成天線系統之整體尺寸過大。因此，有必要設計出一種全新之天線系統，以解決前述所有問題。

在較佳實施例中，本發明提供一種行動裝置，包括：一系統接地面；以及一天線系統，包括：一介質基板；一天線接地面，耦接至該系統接地面；一輻射部；以及一第一饋入部，耦接至一第一信號源，並介於該輻射部和該天線接地面之間，其中該第一饋入部係與該輻射部完全分離。

在一些實施例中，該輻射部係由該第一饋入部所耦合激發，以產生一低頻頻帶和一高頻頻帶。

在一些實施例中，該低頻頻帶係介於2400MHz至2500MHz之間，而該高頻頻帶係介於5150MHz至5850MHz之間。

在一些實施例中，該輻射部之長度為該低頻頻帶之0.5倍波長。

在一些實施例中，該第一饋入部之長度為該高頻頻帶之0.25倍波長。

在一些實施例中，該輻射部和該第一饋入部之間形成一第一耦合間隙，而該第一耦合間隙之寬度係介於0.15mm至0.35mm之間。

在一些實施例中，該天線系統更包括：一第二饋入部，耦接至一第二信號源，並介於該輻射部和該天線接地面之間，其中該第二饋入部係與該輻射部完全分離。

在一些實施例中，該輻射部更由該第二饋入部所耦合激發，以產生一低頻頻帶和一高頻頻帶，其中該第二饋入部之長度為該高頻頻帶之0.25倍波長。

在一些實施例中，該輻射部和該第二饋入部之間形成一第二耦合間隙，而該第二耦合間隙之寬度係介於0.15mm至0.35mm之間。

在一些實施例中，該行動裝置為一筆記型電腦，該筆記型電腦更包括一上蓋和一下蓋，一顯示器係內嵌於該上蓋中，而該天線系統係設置於該顯示器和該上蓋之一邊緣之間，且鄰近於該上蓋之一角落處。

100、200、600‧‧‧行動裝置

110‧‧‧系統接地面

111‧‧‧系統接地面之邊緣

120、220‧‧‧天線系統

130‧‧‧介質基板

140‧‧‧天線接地面

150‧‧‧輻射部

151‧‧‧輻射部之第一端

152‧‧‧輻射部之第二端

160‧‧‧第一饋入部

170‧‧‧第二饋入部

180‧‧‧天線窗

191‧‧‧第一信號源

192‧‧‧第二信號源

610‧‧‧上蓋

615‧‧‧顯示器

620‧‧‧下蓋

611、612‧‧‧上蓋之角落

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

CC6‧‧‧第六曲線

D1、D2‧‧‧間距

L1、L2、L3‧‧‧長度

GC1‧‧‧第一耦合間隙

GC2‧‧‧第二耦合間隙

X‧‧‧X軸

Y‧‧‧Y軸

Z‧‧‧Z軸

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置之示意圖；第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置之示意圖；第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置之天線系統之電壓駐波比圖；第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置之天線系統之電壓駐波比圖；第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置之天線系統之S參數圖；第6圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置之示意圖；第7A圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置之天線系統於低頻頻帶之傳輸率圖；第7B圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置之天線系統於高頻頻帶之傳輸率圖；第8圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置之天線系統之電壓駐波比圖；第9A圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置之天線系統之輻射場型圖；以及第9B圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置之天線系統之輻射場型圖。

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。

在說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。本領域技術人員應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及申請專利範圍當中所提及的「包含」及「包括」一詞為開放式的用語，故應解釋成「包含但不僅限定於」。「大致」一詞則是指在可接受的誤差範圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題，達到所述基本之技術效果。此外，「耦接」一詞在本說明書中包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接至一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電性連接至該第二裝置，或經由其它裝置或連接手段而間接地電性連接至該第二裝置。

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置100之示意圖。行動裝置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，行動裝置100至少包括一系統接地面110和一天線系統120。系統接地面110可為一接地銅箔(Ground Copper Plane)。在一些實施例中，於系統接地面110之一邊緣111處設計有一天線窗(Antenna Window)180，其中天線窗180可用非導體材質製成，使得電磁波能夠穿透天線窗180而進行傳遞。在一些實施例中，天線系統120之垂直投影可以部份或全部位於天線窗180之內部。必須理解的是，雖然未顯示於第1圖中，但行動裝置100更可包括其他元件，例如：一觸控面板、一處理器、一供電模組，以及一外殼。

天線系統120至少包括一介質基板(Dielectric Substrate)130、一天線接地面140、一輻射部150，以及一第一饋入部160。介質基板130可為一FR4(Flame Retardant 4)基板，其中天線接地面140、輻射部150，以及第一饋入部160皆設置於介質基板130之一表面上。天線接地面140、輻射部150，以及第一饋入部160皆可由導體材質製成，例如：銅、銀、鋁、鐵，或是其合金。天線接地面140可經由一或複數個穿透件(Via Element)耦接至系統接地面110。第一饋入部160係耦接至一第一信號源191，其中第一饋入部160係介於輻射部150和天線接地面140之間，而第一饋入部160係與輻射部150完全分離。換言之，輻射部150係處於一浮接狀態(Float)。輻射部150係由第一饋入部160所耦合激發，以產生一低頻頻帶和一高頻頻帶。

第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置200之示意圖。第2圖和第1圖相似。在第2圖之實施例中，行動裝置200之一天線系統220更包括一第二饋入部170。第二饋入部170可由導體材質製成，例如：銅、銀、鋁、鐵，或是其合金。第二饋入部170係耦接至一第二信號源192，其中第二饋入部170係介於輻射部150和天線接地面140之間，而第二饋入部170係與輻射部150完全分離。輻射部150更可由第二饋入部170所耦合激發，以產生前述之低頻頻帶和高頻頻帶。第一饋入部160和第二饋入部170可具有相同尺寸及形狀，並可左右對稱地配於介質基板130之表面上。在一些實施例中，輻射部150、第一饋入部160，以及第二饋入部170之垂直投影係完全位於天線窗180之內部，使得天線系統220之輻射場型不會受到鄰近之金屬元件所干擾。

在天線原理方面，天線系統220為一雙耦合饋入式天線(Dual-Coupled-Feed Antenna)，其中輻射部150和第一饋入部160之間形成一第一耦合間隙GC1，而輻射部150和第二饋入部170之間形成一第二耦合間隙GC2。當天線系統220由第一信號源191所激發時，將形成從第一饋入部160經由第一耦合間隙GC1至輻射部150之一第一端151之一第一共振路徑，以及形成從第一饋入部160經由第一耦合間隙GC1至輻射部150之一第二端151之一第二共振路徑，其中第一共振路徑係用於產生前述之高頻頻帶，而第二共振路徑係用於產生前述之低頻頻帶。另外，當天線系統220由第二信號源192所激發時，將形成從第二饋入部170經由第二耦合間隙GC2至輻射部150之第二端152之一第三共振路徑，以及形成從第二饋入部170經由第二耦合間隙GC2至輻射部150之第一端151之一第四共振路徑，其中第三共振路徑可產生前述之高頻頻帶，而第四共振路徑可產生前述之低頻頻帶。因此，天線系統220可以在沒有耦合接地(Coupling Grounding)機制之前提下，仍可同時涵蓋高低頻之雙頻帶操作。

在一些實施例中，行動裝置200之元件尺寸可如下列所述。介質基板130之長度約為40mm，寬度約為9mm。輻射部150為一直條形，其長度L1約為前述低頻頻帶之0.5倍波長(λ/2)。第一饋入部160為一直條形，其長度L2約為前述高頻頻帶之0.25倍波長(λ/4)。第二饋入部170為一直條形，其長度L3約為前述高頻頻帶之0.25倍波長(λ/4)。第一耦合間隙GC1之寬度約介於0.15mm至0.35mm之間。第二耦合間隙GC2之寬度係介於0.15mm至0.35mm之間。第一饋入部160和天線接地面140之間距D1約介於0.45mm至0.65mm之間。第二饋入部170和天線接地面140之間距D2約介於0.45mm至0.65mm之間。以上元件尺寸範圍係根據多次實驗結果而得出，其可最佳化天線系統220之互相耦合效應和阻抗匹配(Impedance Matching)。

第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置200之天線系統220之電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz)，而縱軸代表電壓駐波比。在第3圖之實施例中，當天線系統220由第一信號源191所激發時，第一饋入部160將與輻射部150發生共振，以產生約介於2400MHz至2500MHz之間之低頻頻帶，以及約介於5150MHz至5850MHz之間之高頻頻帶。

第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置200之天線系統220之電壓駐波比圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz)，而縱軸代表電壓駐波比。在第4圖之實施例中，當天線系統220由第二信號源192所激發時，第二饋入部170將與輻射部150發生共振，以產生約介於2400MHz至2500MHz之間之低頻頻帶，以及約介於5150MHz至5850MHz之間之高頻頻帶。

第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置200之天線系統220之S參數圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz)而縱軸代表S21(或S12)參數(dB)。在第5圖之實施例中，係將第一信號源191設定為一第一埠(Port 1)，並將第二信號源192設定為一第二埠(Port 2)。如第5圖所示，在前述之低頻頻帶和高頻頻帶內，第一埠和第二埠之間之S21(或S12)參數皆在-7dB以下，此代表天線系統220之天線間隔離度(Isolation)尚在可接受範圍內。

根據第3、4、5圖之量測結果可知，天線系統220可視為一2x2之MIMO(Multi-Input and Multi-Output)天線組，其有助於提升行動裝置200之天線分集增益(Antenna Diversity Gain)。詳細而言，第一饋入部160和輻射部150可形成MIMO天線組之一第一耦合天線元件，而第二饋入部170和輻射部150可形成MIMO天線組之一第二耦合天線元件。另外，由於天線系統220之天線間隔離度還算足夠，本發明將二支耦合天線元件設置於同一介質基板130上之MIMO配置方式可以大幅縮小天線系統220之整體尺寸。

第6圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置600之示意圖。在第6圖之實施例中，行動裝置600為一筆記型電腦，其包括一上蓋(Upper Cover)610和一下蓋(Lower Cover)620，其中一顯示器615係內嵌於上蓋610中。前述之天線系統220係設置於顯示器615和上蓋610之一邊緣之間。必須注意的是，傳統之MIMO天線系統通常係將二支獨立之天線分別配置於上蓋610之二相對角落611、612處，其天線間距可達200mm或更長，故將佔用較大之淨空區域(Clearance Region)。與此相比，本案之天線系統220可設計於單一介質基板130上，並只鄰近於上蓋610之一角落611或612處，其整體尺寸將可大幅縮小。因此，本發明很適合應用於各種小型化之行動通訊裝置。

第7A圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置600之天線系統220於低頻頻帶之傳輸率(Throughput)圖。第7B圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置600之天線系統220於高頻頻帶之傳輸率圖。請一併參考第2、6、7A、7B圖。在第7A、7B圖之實施例中，天線系統220係由0度(-Y軸方向)、90度(+X軸方向)、180度(+Y軸方向)，以及270度(-X軸方向)等不同方向角，並分別從近距離(近)、中距離(中)，以及遠距離(遠)等不同距離來進行傳輸率(Throughput)之量測。與傳統包括二支獨立天線之設計相比，可發現本發明之天線系統220具有相近甚至較佳之傳輸率，故其可同時具有縮小天線尺寸及提升傳輸率之雙重優勢。另一方面，根據實際量測結果，本發明之天線系統220於低頻頻帶中之天線效率(Antenna Efficiency)可達約-2dB，於高頻頻帶之天線效率可達約-4dB，且其輻射增益 (Radiation Gain)之最大值可達約3dBi，以上量測結果已可符合一般行動通訊之實際應用需求。

第8圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置200之天線系統220之電壓駐波比圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz)，而縱軸代表電壓駐波比。在第8圖之實施例中，當天線系統220由第一信號源191所激發和第二信號源192所激發時，第一饋入部160將與輻射部150發生共振(其操作頻帶如一第一曲線CC1所示)，而第二饋入部170將與輻射部150發生共振(其操作頻帶如一第二曲線CC2所示)，以產生約介於2400MHz至2500MHz之間之低頻頻帶，以及約介於5150MHz至5850MHz之間之高頻頻帶。與第3、4圖之量測結果相比較，可發現其間差異並不大。換言之，即使天線系統220同時由第一信號源191和第二信號源192所激發，亦不致影響天線系統220之各個天線元件原本之共振頻率和操作特性。

第9A圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置200之天線系統220之輻射場型(Radiation Pattern)圖。在第9A圖之實施例中，天線系統220係由第一信號源191所激發，其中一第三曲線CC3係代表天線系統220於低頻頻帶之輻射場型，而一第四曲線CC4係代表天線系統220於高頻頻帶之輻射場型。根據第9A圖之量測結果可知，無論在高、低頻帶，當天線系統220由第一信號源191所激發時，天線系統220之主波束方向大致係對準180度(+Y軸方向)之方位角，且其最大增益值可達約3dBi。

第9B圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置200之天線系統220之輻射場型圖。在第9B圖之實施例中，天線系統220係由第二信號源192所激發，其中一第五曲線CC5係代表天線系統220於低頻頻帶之輻射場型，而一第六曲線CC6係代表天線系統220於高頻頻帶之輻射場型。根據第9B圖之量測結果可知，當天線系統220係由第二信號源192所激發時，無論在高、低頻帶，天線系統220之主波束方向亦大致對準180度(+Y軸方向)之方位角，且其最大增益值可達約3dBi。

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。本發明之行動裝置及天線系統並不僅限於第1-7圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-7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行動裝置及天線系統當中。

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‧‧‧行動裝置