TW201909474A

TW201909474A - 天線裝置和行動裝置

Info

Publication number: TW201909474A
Application number: TW106124727A
Authority: TW
Inventors: 李冠宏; 楊政達; 曾上晉; 江毓彧
Original assignee: 啓碁科技股份有限公司
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2017-07-24
Publication date: 2019-03-01
Also published as: US10283847B2; TWI652853B; US20190027810A1

Abstract

一種天線裝置，包括：一金屬機構件、一接地面、一饋入部、一接地突出部，以及一介質基板。金屬機構件具有一槽孔。饋入部具有耦接至一信號源之一饋入點，其中饋入部係延伸跨越槽孔。接地突出部係耦接至接地面，其中接地突出部之一垂直投影係與槽孔至少部份地重疊。饋入部、接地突出部，以及金屬機構件之槽孔係共同形成一天線結構。天線結構涵蓋一低頻頻帶和一高頻頻帶。饋入點至槽孔之一端之間距係小於或等於低頻頻帶之一中心頻率之0.1倍波長。槽孔之長度係小於低頻頻帶之中心頻率之0.5倍波長。

Description

天線裝置和行動裝置

本發明係關於一種天線裝置，特別係關於根據一種行動裝置及其天線結構。

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。

為了追求造型美觀，現今設計者常會在行動裝置中加入金屬元件之要素。然而，新增之金屬元件卻容易對於行動裝置中支援無線通訊之天線產生負面影響，進而降低行動裝置之整體通訊品質。因此，有必要提出一種全新之天線裝置和行動裝置，以克服傳統技術所面臨之問題。

在較佳實施例中，本發明提供一種天線裝置，包括：一金屬機構件，具有一槽孔，其中該槽孔具有一第一端和一第二端；一接地面，耦接至該金屬機構件；一饋入部，具有耦接至一信號源之一饋入點，其中該饋入部係延伸跨越該槽孔；一接地突出部，耦接至該接地面，其中該接地突出部之一垂直投影係與該槽孔至少部份地重疊；以及一介質基板，其中該接地面、該饋入部，以及該接地突出部皆設置於該介質基板上；其中該饋入部、該接地突出部，以及該金屬機構件之該槽孔係共同形成一天線結構；其中該天線結構涵蓋一低頻頻帶和一高頻頻帶；其中該饋入點至該槽孔之該第一端之間距係小於或等於該低頻頻帶之一中心頻率之0.1倍波長；其中該槽孔之長度係小於該低頻頻帶之該中心頻率之0.5倍波長。

在一些實施例中，該槽孔為一直條形，而該槽孔之該第一端和該第二端皆為閉口端。

在一些實施例中，該槽孔之該長度係等於該低頻頻帶之該中心頻率之0.375倍波長。

在一些實施例中，該低頻頻帶係介於2310MHz至2680MHz之間，而該高頻頻帶係介於5080MHz至5860MHz之間。

在一些實施例中，饋入部、該接地突出部，以及該金屬機構件之該槽孔係激發產生該低頻頻帶，而其中該饋入部係激發產生該高頻頻帶。

在一些實施例中，該接地突出部為一矩形。

在一些實施例中，該饋入部為一矩形、一三角形、一倒梯形，或是一U字形。

在一些實施例中，該饋入部為一不等寬結構且包括一較寬部份和一較窄部份，而該較窄部份之一垂直投影係與該槽孔至少部份地重疊。

在另一較佳實施例中，本發明提供一種行動裝置，包括：一射頻訊號處理單元；以及一天線裝置，耦接至該射頻訊號處理單元，該天線裝置包括：一金屬機構件，具有一槽孔，其中該槽孔具有一第一端和一第二端；一接地面，耦接至該金屬機構件；一饋入部，具有耦接至一信號源之一饋入點，其中該饋入部係延伸跨越該槽孔；一接地突出部，耦接至該接地面，其中該接地突出部之一垂直投影係與該槽孔至少部份地重疊；以及一介質基板，其中該接地面、該饋入部，以及該接地突出部皆設置於該介質基板上；其中該饋入部、該接地突出部，以及該金屬機構件之該槽孔係共同形成一天線結構；其中該天線結構涵蓋一低頻頻帶和一高頻頻帶；其中該饋入點至該槽孔之該第一端之間距係小於或等於該低頻頻帶之一中心頻率之0.1倍波長；其中該槽孔之長度係小於該低頻頻帶之該中心頻率之0.5倍波長。

在一些實施例中，該金屬機構件為該行動裝置之一金屬背蓋。

在一些實施例中，該金屬機構件為該行動裝置之一外殼之一部份。

100、500、600、700‧‧‧天線裝置

110‧‧‧金屬機構件

111‧‧‧金屬機構件之邊緣

120‧‧‧槽孔

121‧‧‧槽孔之第一端

122‧‧‧槽孔之第二端

140‧‧‧接地面

150、550、650、750‧‧‧饋入部

151‧‧‧饋入部之較寬部份

152‧‧‧饋入部之較窄部份

160‧‧‧接地突出部

161‧‧‧接地突出部之第一端

162‧‧‧接地突出部之第二端

170‧‧‧介質基板

190‧‧‧信號源

D1、D2‧‧‧間距

E1‧‧‧介質基板之第一表面

E2‧‧‧介質基板之第二表面

FB1‧‧‧低頻頻帶

FB2‧‧‧高頻頻帶

FP‧‧‧饋入點

L1、L2、L3、L4‧‧‧長度

LC1‧‧‧剖面線

W1、W2、W3、W4‧‧‧寬度

第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置之透視圖；第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置之下層部份之示意圖；第1C圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置之上層部份之示意圖；第1D圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置之剖面圖；第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置之天線結構之電壓駐波比圖；第3圖係顯示傳統槽孔天線之電壓駐波比圖；第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置之天線結構之天線效率圖；第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置之透視圖；第6圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置之透視圖；以及第7圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置之透視圖。

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1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置100之透視圖。第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置100之下層部份之示意圖。第1C圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置100之上層部份之示意圖。第1D圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置100之剖面圖(沿一剖面線LC1)。請一併參考第1A、1B、1C、1D圖。天線裝置100可實施於一行動裝置(Mobile Device)，例如：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)。在第1A、1B、1C、1D圖之實施例中，天線裝置100包括：一金屬機構件(Metal Mechanism Element)110、一接地面(Ground Plane)140、一饋入部(Feeding Element)150、一接地突出部(Grounding Extension Element)160，以及一介質基板(Dielectric Substrate)170。必須理解的是，雖然未顯示於第1A、1B、1C、1D圖中，但實際上天線裝置100所在之行動裝置更可包括其他元件，例如：一射頻訊號處理單元耦接於天線裝置100、一處理器(Processor)、一觸控面板(Touch Control Panel)、一揚聲器(Speaker)、一電池模組(Battery Module)，以及一外殼(Housing)。

金屬機構件110具有一槽孔120，其中槽孔120可以大致為一直條形。詳細而言，槽孔120為一閉口槽孔(Closed Slot)，其具有互相遠離之一第一端121和一第二端122，而槽孔120之第一端121和第二端122皆為閉口端(Close End)。槽孔120可與金屬機構件110之至少一邊緣111互相平行。在一些實施例中，天線裝置100係實施於一行動裝置，而金屬機構件110為此行動裝置之一金屬背蓋(Metal Back Cover)，或為此行動裝置之一外殼之一部份。

接地面140、饋入部150，以及接地突出部160皆由金屬材質所製成，例如：銅、銀、鋁、鐵，或是其合金。介質基板170可為一FR4(Flame Retardant 4)基板，一印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)，或是一軟性電路板(Flexible Circuit Board，FCB)。介質基板170可具有相對之一第一表面E1和一第二表面E2，其中接地面140、饋入部150，以及接地突出部160皆設置於介質基板170之第一表面E1上，而介質基板170之第二表面E2可靠近或直接貼合於金屬機構件110上(鄰近或接觸槽孔120)。

接地面140係耦接至金屬機構件110，此二者可提供天線裝置100之一接地電位。例如，接地面140可為一接地銅箔(Ground Copper Foil)，其可由介質基板170上延伸至金屬機構件110上。饋入部150具有一饋入點FP，其係耦接至一信號源(Signal Source)190。信號源190可為一射頻(Radio Frequency，RF)模組，能用於產生一發射信號或是處理一接收信號。例如，信號源190之一正極(Positive Electrode)可耦接至饋入點FP，而信號源190之一負極(Negative Electrode)可耦接至接地面140。饋入部150係延伸跨越金屬機構件110之槽孔120。例如，饋入部150於金屬機構件110上之一垂直投影(Vertical Projection)可跨越槽孔120之整個寬度W1。接地突出部160係耦接至接地面140，其中接地突出部160係延伸跨越金屬機構件110之槽孔120之至少一部份。例如，接地突出部160於金屬機構件110上之一垂直投影可與槽孔120至少部份地重疊(或可跨越槽孔120之寬度W1之至少一部份或全部)。

饋入部150可為一不等寬結構(Width-Varying Structure)且包括一較寬部份(Wide Portion)151和一較窄部份(Narrow Portion)152。例如，饋入部150之較寬部份151可為面積較大之一矩形，而饋入部150之較窄部份152可為面積較小之另一矩形。饋入部150之較窄部份152於金屬機構件110上之一垂直投影係與槽孔120至少部份地重疊。饋入部150之較寬部份151和較窄部份152兩者可大致朝相反之方向作延伸。饋入點FP可大致位於饋入部150之較寬部份151和較窄部份152兩者之交界處。接地突出部160可以大致為一矩形。接地突出部160具有一第一端161和一第二端162，其中接地突出部160之第一端161係耦接至接地面140，而接地突出部160之第二端162為一開路端(Open End)並朝遠離接地面140之方向作延伸。接地突出部160於金屬機構件110上之垂直投影係大致位於槽孔120之第一端121和第二端122兩者之正中央處，惟本發明並不僅限於此。在其他實施例中，接地突出部160之位置亦可根據實際需求調整，以創造不同之邊界條件(Boundary Condition)。在較佳實施例中，饋入部150、接地突出部160，以及金屬機構件110之槽孔120係共同形成一天線結構(Antenna Structure)。

第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置100之天線結構之電壓駐波比(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。根據第2圖之量測結果，當接收或傳送無線信號時，天線裝置100之天線結構可涵蓋一低頻頻帶FB1和一高頻頻帶FB2，其中低頻頻帶FB1係介於2310MHz至2680MHz之間，而高頻頻帶FB2係介於5080MHz至5860MHz之間。因此，天線裝置100之天線結構至少可支援WLAN(Wireless Local Area Network)2.4GHz/5GHz之雙頻帶操作。

在一些實施例中，天線裝置100之天線結構之操作原理可如下列所述。饋入部150、接地突出部160，以及金屬機構件110之槽孔120係共同激發產生前述之低頻頻帶FB1，而饋入部150自身係單獨激發產生前述之高頻頻帶FB2。必須注意的是，饋入部150之饋入點FP至槽孔120之第一端121之間距D1須小於或等於低頻頻帶FB1之一中心頻率之0.1倍波長(0.1λ)，以形成一偏旁饋入之機制。所謂「偏旁饋入」之機制係指饋入部150之饋入點FP較靠近槽孔120之第一端121，而非靠近槽孔120 之中央處，其恰與傳統之「中央饋入」之機制相反。根據實際量測結果，此種偏旁饋入之機制可改變金屬機構件110之槽孔120附近之電流分佈(Current Distribution)，並有助於使天線結構之輻射能量更集中化。在此設計下，槽孔120之尺寸可以較傳統之槽孔天線更為縮小。詳細而言，槽孔120之長度L1可小於低頻頻帶FB1之中心頻率之0.5倍波長(0.5λ)，且較佳可為低頻頻帶FB1之中心頻率之0.375倍波長(0.375λ)，即槽孔120之整體尺寸可縮小約25%。接地突出部160可至少部份地遮蓋住槽孔120，進而能微調低頻頻帶FB1之阻抗匹配(Impedance Matching)。例如，若接地突出部160之長度L2變大，則低頻頻帶FB1將會往相對低頻之方向作漂移；反之，若接地突出部160之長度L2變小，則低頻頻帶FB1將會往相對高頻之方向作漂移。饋入部150之較窄部份152亦可至少部份地遮蓋住槽孔120，進而能微調高頻頻帶FB2之阻抗匹配。例如，若較窄部份152之長度L4變大，則高頻頻帶FB2將會往相對低頻之方向作漂移；反之，若較窄部份152之長度L4變小，則高頻頻帶FB2將會往相對高頻之方向作漂移。在另一些實施例中，饋入部150之較窄部份152亦可完全移除(亦即，長度L4可設定為0)，使得饋入部150僅包括較寬部份151，故可大致呈現一矩形。

第3圖係顯示傳統槽孔天線之電壓駐波比圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz)，而縱軸代表電壓駐波比。傳統槽孔天線一般都採用中央饋入之機制，其槽孔之長度須等於操作頻率之0.5倍波長(0.5λ)，故總天線尺寸將較本發明更大。另外，根據第3圖之量測結果，傳統槽孔天線之低頻頻寬亦較本發明更加狹窄。

第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置100之天線結構之天線效率(Antenna Efficiency)圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz)，而縱軸代表天線效率(%)。根據第4圖之量測結果，天線裝置100之天線結構於低頻頻帶FB1中之天線效率約可達40%或更高，而於高頻頻帶FB2中之天線效率約可達50%或更高，此已可滿足一般行動通訊裝置之實際應用需求。

在一些實施例中，天線裝置100之其他元件尺寸可如下列所述。槽孔120之寬度W1約為1.8mm。接地突出部160之長度L2係介於低頻頻帶FB1之中心頻率之0至1/8倍波長(0λ~λ/8)波長之間，且較佳為1/24倍波長(λ/24)。接地突出部160之寬度W2約為2.1mm。饋入部150之較寬部份151之長度L3大致為高頻頻帶FB2之中心頻率之0.25倍波長(0.25λ)。饋入部150之較寬部份151之寬度W3約為4.2mm。饋入部150之較窄部份152之長度L4係介於高頻頻帶FB2之中心頻率之0至1/3倍波長(0λ~λ/3)波長之間，且較佳為1/6倍波長(λ/6)。饋入部150之較窄部份152之寬度W4約為1.6mm。饋入部150之較窄部份152與接地突出部160之間距D2係介於8mm至10mm之間，且較佳為9mm。以上元件尺寸範圍係根據多次實驗結果而求出，其有助於最佳化天線裝置100之天線結構之操作頻帶及阻抗匹配。

第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置500之透視圖。第5圖和第1A圖相似。在第5圖之實施例中，天線裝置500之一饋入部550大致為一三角形，而饋入點FP係大致位於此三角形之三個頂點之其中一者處。饋入部550於金屬機構件110上之一垂直投影係與槽孔120至少部份地重疊，故饋入部550亦可用於微調前述高頻頻帶FB2之阻抗匹配。第5圖之天線裝置500之其餘特徵皆與第1A、1B、1C、1D圖之天線裝置100相似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

第6圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置600之透視圖。第6圖和第1A圖相似。在第6圖之實施例中，天線裝置600之一饋入部650大致為一倒梯形，而饋入點FP係大致位於此倒梯形之二個平行邊之其中較短者處。饋入部650於金屬機構件110上之一垂直投影係與槽孔120至少部份地重疊，故饋入部650亦可用於微調前述高頻頻帶FB2之阻抗匹配。第6圖之天線裝置600之其餘特徵皆與第1A、1B、1C、1D圖之天線裝置100相似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

第7圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線裝置700之透視圖。第7圖和第1A圖相似。在第7圖之實施例中，天線裝置700之一饋入部750大致為一U字形，而饋入點FP係大致位於此U字形之二個直角轉折之其中一者處。饋入部750於金屬機構件110上之一垂直投影係與槽孔120至少部份地重疊，故饋入部750亦可用於微調前述高頻頻帶FB2之阻抗匹配。第7圖之天線裝置700之其餘特徵皆與第1A、1B、1C、1D圖之天線裝置100相似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

必須理解的是，饋入部150之形狀於本發明中並不特別作限制。在另一些實施例中，饋入部150還可具有其他不同形狀，例如：一圓形、一橢圓形，或一不規則形。設計者可藉由更改饋入部150之形狀來達成增加天線結構之操作頻寬之效果。

本發明提出一種新穎之天線結構，其包括偏旁饋入之機制，可集中天線結構之輻射能量並同時縮小天線結構之整體尺寸。當此天線結構應用於具有一金屬機構件之行動裝置時，由於金屬機構件可視為天線結構之一延伸部份，故能有效避免金屬機構件對行動裝置之通訊品質產生負面影響。總而言之，本發明能兼得小尺寸、寬頻帶，以及美化裝置外型之優勢，故其很適合應用於各種各式之行動通訊裝置當中。

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。本發明之天線裝置和行動裝置並不僅限於第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天線裝置和行動裝置當中。

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。

Claims

一種天線裝置，包括：一金屬機構件，具有一槽孔，其中該槽孔具有一第一端和一第二端；一接地面，耦接至該金屬機構件；一饋入部，具有耦接至一信號源之一饋入點，其中該饋入部係延伸跨越該槽孔；一接地突出部，耦接至該接地面，其中該接地突出部之一垂直投影係與該槽孔至少部份地重疊；以及一介質基板，其中該接地面、該饋入部，以及該接地突出部皆設置於該介質基板上；其中該饋入部、該接地突出部，以及該金屬機構件之該槽孔係共同形成一天線結構；其中該天線結構涵蓋一低頻頻帶和一高頻頻帶；其中該饋入點至該槽孔之該第一端之間距係小於或等於該低頻頻帶之一中心頻率之0.1倍波長；其中該槽孔之長度係小於該低頻頻帶之該中心頻率之0.5倍波長。
如申請專利範圍第1項所述之天線裝置，其中該槽孔為一直條形，而該槽孔之該第一端和該第二端皆為閉口端。
如申請專利範圍第1項所述之天線裝置，其中該槽孔之該長度係等於該低頻頻帶之該中心頻率之0.375倍波長。
如申請專利範圍第1項所述之天線裝置，其中該低頻頻帶係介於2310MHz至2680MHz之間，而該高頻頻帶係介於 5080MHz至5860MHz之間。
如申請專利範圍第1項所述之天線裝置，其中饋入部、該接地突出部，以及該金屬機構件之該槽孔係激發產生該低頻頻帶，而其中該饋入部係激發產生該高頻頻帶。
如申請專利範圍第1項所述之天線裝置，其中該接地突出部為一矩形。
如申請專利範圍第1項所述之天線裝置，其中該饋入部為一矩形、一三角形、一倒梯形，或是一U字形。
如申請專利範圍第1項所述之天線裝置，其中該饋入部為一不等寬結構且包括一較寬部份和一較窄部份，而該較窄部份之一垂直投影係與該槽孔至少部份地重疊。
一種行動裝置，包括：一射頻訊號處理單元；以及一天線裝置，耦接於該射頻訊號處理單元，該天線裝置包括：一金屬機構件，具有一槽孔，其中該槽孔具有一第一端和一第二端；一接地面，耦接至該金屬機構件；一饋入部，具有耦接至一信號源之一饋入點，其中該饋入部係延伸跨越該槽孔；一接地突出部，耦接至該接地面，其中該接地突出部之一垂直投影係與該槽孔至少部份地重疊；以及一介質基板，其中該接地面、該饋入部，以及該接地突出部皆設置於該介質基板上；其中該饋入部、該接地突出部，以及該金屬機構件之該槽孔係共同形成一天線結構；其中該天線結構涵蓋一低頻頻帶和一高頻頻帶；其中該饋入點至該槽孔之該第一端之間距係小於或等於該低頻頻帶之一中心頻率之0.1倍波長；其中該槽孔之長度係小於該低頻頻帶之該中心頻率之0.5倍波長。
如申請專利範圍第9項所述之行動裝置，其中該金屬機構件為該行動裝置之一金屬背蓋。
如申請專利範圍第9項所述之行動裝置，其中該金屬機構件為該行動裝置之一外殼之一部份。