TWI425710B

TWI425710B - 天線結構

Info

Publication number: TWI425710B
Application number: TW099109089A
Authority: TW
Inventors: Shuen Sheng Chen
Original assignee: Wistron Neweb Corp
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2014-02-01
Also published as: US8421705B2; TW201134002A; US20110234470A1

Description

天線結構

本發明係有關於天線結構，尤指一種將第二輻射體圍繞在第一輻射體的周圍，來使得第一輻射體之複數個第一側邊與第二輻射體之複數個第二側邊之間具有複數個預定間隔以形成耦合效應的天線結構。

隨著無線通訊的蓬勃發展以及行動通訊產品微型化之趨勢，天線的擺設位置與空間受到壓縮，相對地造成設計上的困難，一些內嵌式的微型天線因而被提出。一般而言，目前較普遍所使用的微型天線有晶片天線(chip antenna)以及平面式天線(planar antenna)等，這類型天線均具有體積小之特點。平面式天線結構因為具備體積小、重量輕、製作容易、價格低廉、可信度高，同時可附著於任何物體之表面上，使得微帶天線與印刷式天線被大量應用於無線通訊系統中。

因此，如何增進天線效能、調整阻抗匹配、改善輻射場型及增加天線頻寬，即成為天線設計領域的重要課題。

本發明的目的之一在於提供一種天線結構，以解決先前技術中之問題。

本發明之一實施例提供了一種天線結構。天線結構包含有一正饋入接點、一負饋入接點、一輻射元件以及一接地元件。輻射元件包含一第一輻射體以及一第二輻射體，第一輻射體具有一第一端耦接於該正饋入接點，且具有複數個第一側邊；而第二輻射體具有一第一端耦接於該負饋入接點，且具有複數個第二側邊，其中該第二輻射體係至少部分圍繞該第一輻射體，以及該第一輻射體之該複數個第一側邊與該第二輻射體之該複數個第二側邊之間具有複數個預定間隔以形成耦合效應。接地元件耦接於第二輻射體。其中，其中該第一輻射體與該第二輻射體係可位於同一平面上，或者該第一輻射體與該第二輻射體係可位於不同平面上。

本發明之另一實施例提供了一種天線結構。天線結構包含有一正饋入接點、一負饋入接點、一輻射元件以及一接地元件。輻射元件包含一第一輻射體以及一第二輻射體，第一輻射體具有一第一端耦接於該正饋入接點；而第二輻射體具有一第一端耦接於該負饋入接點，該第二輻射體係至少部分圍繞在該第一輻射體，且該第一輻射體與該第二輻射體之間具有複數個預定間隔以形成耦合效應。其中該複數個預定間隔係構成一螺旋狀空間，且該第一輻射體與該第二輻射體係沿著該螺旋狀空間而環繞設置。接地元件耦接於第二輻射體。

應注意的是，為了方便說明，於以下之各實施例中，相同或類似的元件係使用相同或類似的符號來標示，且相同之部分將不再重複贅述。本發明係針對小尺寸且可運用於多頻帶之天線設計加以改良，進而解決習知問題。

請一併參考第1圖與第2圖，第1圖為本發明一天線結構100之第一實施例的示意圖，而第2圖則為第1圖所示之天線結構100的電流路徑之示意圖。如第1圖所示，天線結構100包含有(但不侷限於)一輻射元件130、一接地元件140、一正饋入接點P1以及一負饋入接點P2。輻射元件130包含一第一輻射體110以及一第二輻射體120，第一輻射體110具有一第一端110A以及一第二端110B，其中第一端110A係耦接於正饋入接點P1；而第二輻射體120亦具有一第一端120A以及一第二端120B，其中第一端120A係耦接於負饋入接點P2。接地元件140耦接於第二輻射體120。另外，一饋入訊號源150係用來激發天線結構100，且饋入訊號源150的正訊號端係耦接於正饋入接點P1(亦即，第一輻射體110之第一端110A)，而饋入訊號源150的負訊號端則係耦接於負饋入接點P2(亦即，第二輻射體120之第一端120A)。

請繼續參考第1圖，第一輻射體110具有複數個第一側邊111～114，且第二輻射體120具有複數個第二側邊121～124。於本實施例中，第一輻射體110具有複數個區段，且每一區段包含有一內側邊(inside edge)以及一外側邊(outside edge)，於第1圖中係以粗線來代表第一輻射體110的複數個外側邊(亦即，第一側邊111～114)，並以細線來代表第一輻射體110的複數個內側邊；而第二輻射體120亦具有複數個區段，且每一區段亦包含有一內側邊以及一外側邊，於第1圖中係以粗線來代表第二輻射體的複數個內側邊(亦即，第二側邊121～124)，並以細線來代表第二輻射體120的複數個外側邊。值得注意的是，第二輻射體120係至少部分圍繞在第一輻射體110的周圍，且第一輻射體110之複數個第一側邊111～114與第二輻射體之複數個第二側邊121～124之間具有複數個預定間隔D1、D2、D3以形成耦合效應(或電容效應)。

請注意，上述之「圍繞」並非指第二輻射體120必須完全包圍第一輻射體110，而可以是第二輻射體120設置於第一輻射體110的部分周圍。

如第2圖所示，第一輻射體110之第一電流I1係沿著複數個第一側邊111～114來流經第一輻射體110，且第二輻射體120之第二電流I2係沿著複數個第二側邊121～124來流經第二輻射體120。此外，由於第一電流I1係由饋入訊號源150的正訊號端流至饋入訊號源150的負訊號端，換句話說，第一電流I1在第一輻射體110之複數個區段上的電流路徑係構成一迴路。

請注意，於本實施例中，第一輻射體110係可視為一環繞天線，其係利用環繞所造成的電流路徑(亦即，第一電流I1)來共振出對應一第一共振模態之一第一操作頻段(例如，第3圖中的操作頻段BW1)；而第二輻射體120則係利用耦合效應(或電容效應)所造成的電流路徑(亦即，第二電流I2)來共振出對應一第二共振模態之一第二操作頻段(例如，第3圖中的操作頻段BW2)。此外，第一輻射體110與第二輻射體120係構成一螺旋狀，且上述之複數個預定間隔D1、D2、D3係構成一螺旋狀空間(spiral space)。換言之，第一輻射體110與第二輻射體120係沿著該螺旋狀空間而環繞設置。

請參考第3圖，第3圖為第1圖之天線結構100的電壓駐波比之示意圖。於第3圖中，橫軸表示頻率(GHz)，介於2GHz至6GHz，縱軸表示電壓駐波比VSWR。由第3圖可得知，天線結構100具有一第一共振模態以及一第二共振模態，其中對應於該第一共振模態之第一操作頻段BW1約落在5.15GHz～5.85GMHz，而對應於該第二共振模態之第二操作頻段BW2約落在2.4～2.5GHz。

第1圖所示之天線結構100僅為本發明之一實施範例，然而熟知此項技藝者應可了解，在不違背本發明之精神下，天線結構100之各種各樣的變化皆是可行的。接下來，將針對天線結構100的可行變化實施例進行說明。其中，第4圖以及第5圖係說明改變天線結構之正饋入接點與負饋入接點的位置的變化實施例；第6圖、第7圖以及第8圖係說明改變天線結構之預定間隔的變化實施例；第10圖以及第11圖係說明改變第二輻射體的變化實施例；第12圖、第13圖以及第14圖係說明改變第一輻射體的變化實施例；而第15A圖、第15B圖、第16A圖以及第16B圖則說明將第一輻射體與第二輻射體設置於不同平面的變化實施例。

請一併參考第4圖以及第5圖，第4圖與第5圖分別為本發明一天線結構的一變化實施例之示意圖。由第4圖可得知，饋入訊號源450的正訊號端(耦接至正饋入接點P1)以及負訊號端(耦接至負饋入接點P2)的位置並非不可改變的，其位置可根據圖中箭頭所指示的方式，移動到位置A1-A2之間的任何一處(鄰近第一輻射體410的第一端410A)。換言之，上述之正饋入接點P1、負饋入接點P2的位置可視實際應用來調整之，值得注意的是，改變正饋入接點P1、負饋入接點P2的位置會改變天線結構400中流經第一輻射體410與流經第二輻射體420的電流路徑，且由於電流路徑的長度改變，會影響到第一輻射體410與第二輻射體420的操作頻段。舉例來說，於第5圖中，若是將饋入訊號源550的位置移到位置B之處(遠離第一輻射體510的第一端510A)，流經第一輻射體510的第一電流I1a及流經第二輻射體520的第二電流I2a，其電流路徑的長度改變會較大。

請一併參考第6圖、第7圖以及第8圖，第6圖、第7圖以及第8圖分別為本發明一天線結構的另一變化實施例之示意圖。於第6圖中，天線結構600之架構與第1圖之天線結構100類似，係為天線結構100之變形，兩者不同之處在於天線結構600之第一輻射體610與第二輻射體620之間的預定間隔D3’係大於第1圖所示之天線結構100的預定間隔D3。換句話說，預定間隔D3、D3’係可視實際應用來調整之，值得注意的是，當預定間隔D3、D3’愈大時，其耦合效應愈差，且會導致高操作頻段(亦即，第一操作頻段BW1)的頻寬變窄。

於第7圖中，天線結構700之架構與第1圖之天線結構100類似，兩者不同之處在於天線結構700之第一輻射體710與第二輻射體720之間的預定間隔D2’係大於第1圖所示之天線結構100的預定間隔D2。換句話說，預定間隔D2、D2’係可視實際應用來調整之，值得注意的是，當預定間隔D2、D2’愈大，並不會影響高操作頻段(亦即，第一操作頻段BW1)的頻寬，但是由於低操作頻段(亦即，第二操作頻段BW2)的電流路徑I2b變長，會導致低操作頻段的頻率降低。

於第8圖中，天線結構800之架構與第1圖之天線結構100類似，兩者不同之處在於天線結構800之第一輻射體810與第二輻射體820之間的預定間隔D1’係大於第1圖所示之天線結構100的預定間隔D1。換句話說，預定間隔D1、D1’係可視實際應用來調整之，值得注意的是，預定間隔D1、D1’愈大時，其耦合效應愈差，且會導致高操作頻段(亦即，第一操作頻段BW1)阻抗不匹配；另外，由於低操作頻段(亦即，第二操作頻段BW2)的電流路徑I2c變長，會導致低操作頻段的頻率降低。

請一併參考第9圖、第10圖以及第11圖，第9圖、第10圖以及第11圖分別為本發明一天線結構的另一變化實施例之示意圖。於第9圖中，天線結構900之架構與第1圖之天線結構100類似，兩者不同之處在於在靠近天線結構900的之第二輻射體920的第二端之處具有一彎折960。因此，第一輻射體910與第二輻射體920之間的預定間隔D3a與預定間隔D3b兩者大小不同。由於天線結構900之預定間隔D3b係較天線結構100之預定間隔D3小，因此經由預定間隔D3b所造成的耦合效應更強。

於第10圖中，天線結構1000之架構與第1圖之天線結構100類似，天線結構1000包含一第一輻射體1010與一第二輻射體1020，兩者不同之處在於天線結構1000的之第二輻射體1020的第二端1020B更朝正X軸方向延伸。此外，由於流經第二輻射體1020的第二電流I2d的電流路徑變長，會導致低操作頻段的頻率降低。

於第11圖中，天線結構1100之架構與第1圖之天線結構100類似，兩者不同之處在於天線結構1100的之第二輻射體1120的第二端1120B更朝正Y軸方向延伸。此外，由於流經第二輻射體1120的第二電流I2e的電流路徑變長，會導致低操作頻段的頻率降低，且會影響到第一輻射體1110的第一電流I1e，導致高操作頻段的阻抗不匹配。

請一併參考第12圖、第13圖以及第14圖，第12圖、第13圖以及第14圖分別為本發明一天線結構的另一變化實施例之示意圖。於第12圖中，天線結構1200之架構與第1圖之天線結構100類似，天線結構1200包含一第一輻射體1210與一第二輻射體1220，兩者不同之處在於天線結構1200的第一輻射體1210並非為一環繞天線，而係視為一有短路的單極天線。此外，由於流經第一輻射體1210的第一電流I1f的電流路徑變短，會導致高操作頻段的頻率增加。

於第13圖中，天線結構1300之架構與第12圖之天線結構1200類似，兩者不同之處在於天線結構1300的第一輻射體1310與第二輻射體1320並沒有電性連接在一起。於本實施例中，第一輻射體1310係視為一單極天線。

於第14圖中，天線結構1400之架構與第1圖之天線結構100類似，兩者不同之處在於天線結構1400的第一輻射體1410與第二輻射體1420並沒有電性連接在一起。於本實施例中，第一輻射體1410係視為一單極天線。

請注意，於第1圖～第14圖中係針對第一輻射體與第二輻射體均位於同一平面(亦即，同一XY平面)上的實施例進行說明，然此並非本發明之限制條件。於其他的實施例中，亦可將第一輻射體與第二輻射體設置在不同平面上，來可達到多頻帯之目的。

請一併參考第15A圖以及第15B圖，第15A圖以及第15B圖分別為本發明一天線結構1500之又一實施例的正視圖與反視圖。於本實施例中，天線結構1500包含有輻射元件1530、接地元件1540、基板1560、正饋入接點P1以及負饋入接點P2。基板1560具有第一平面1560A以及相對於第一平面1560A之一第二平面1560B。值得注意的是，接地元件1540亦包含第一接地子元件1540A以及第二接地子元件1540B，兩者係上下至少部份重疊，且第一接地子元件1540A與第一輻射體1510係位於第一平面1560A上，且第二接地子元件1540B與第二輻射體1520係位於第二平面1560B上。接地元件1540之第一接地子元件1540A耦接第一輻射體1510，且第二接地子元件1540B耦接第二輻射體1520。

請一併參考第16A圖以及第16B圖，第16A圖以及第16B圖分別為本發明一天線結構1600之又一實施例的正視圖與反視圖。天線結構1600之架構係與第15圖之天線結構1500類似，兩者不同之處在於天線結構1600另包含一導通孔(via hole)1670，設置於接地元件1640之第一接地子元件1640A以及第二接地子元件1640B之間，並貫穿基板1660之第一平面1660A與第二平面1660B，用來電性連接第一接地子元件1640A以及第二接地子元件1640B。

上述之實施例僅為用來說明本創作之可行的設計變化，並非本創作之限制條件。毫無疑問地，熟知此項技藝者應可了解，在不違背本創作之精神下，第1圖至第16A圖、第16B圖所提到的天線結構100～1600之各種各樣的變化皆是可行的。舉例而言，可將第1圖至第16A圖、第16B圖的天線任意排列組合成一個新的變化實施例。

由上可知，本發明提供一種天線結構100～1600，透過將第二輻射體圍繞在第一輻射體的周圍，並藉由第二輻射體的第二側邊與第一輻射體的第一側邊之間的預定間隔所形成的耦合效應來改變天線的阻抗匹配，來進一步地達到多頻帶的目的。此外，在不違背本發明之精神下，本發明所揭露之天線結構之各種各樣的變化皆是可行的。舉例而言，可改變天線結構的正饋入接點與負饋入接點的位置、可改變兩輻射體之間的預定間隔的大小、可改變第一輻射體及/或第二輻射體的形狀、或者可將第一輻射體與第二輻射體設置於不同平面上，此皆應隸屬本發明所涵蓋之範疇。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100、400～1600．．．天線結構

110、410、510、610、710、810、910、1010、1110、1210、1310、1410、1510．．．第一輻射體

120、420、520、620、720、820、920、1020、1120、1220、1320、1420、1520．．．第二輻射體

130、1530．．．輻射元件

140、1540、1640．．．接地元件

1540A、1640A．．．第一接地子元件

1540B、1640B．．．第二接地子元件

150、450、550．．．饋入訊號源

111～114．．．第一側邊

121～124．．．第二側邊

110A、120A、410A、510A．．．第一端

110B、120B、1020B、1120B．．．第二端

P1．．．正饋入接點

P2．．．負饋入接點

X、Y、Z．．．座標軸

D1、D2、D3、D1’、D2’、D3’、D3a、D3b．．．預定間隔

I1、I1a、I1b、I1c、I1e、I1f．．．第一電流

I2、I2a、I2b、I2c、I2d、I2e．．．第二電流

BW1、BW2．．．操作頻段

A1、A2、B．．．位置

960．．．彎折

1560、1660．．．基板

1560A、1660A‧‧‧第一平面

1560B、1660B‧‧‧第二平面

1670‧‧‧導通孔

第1圖為本發明一天線結構之第一實施例的示意圖。

第2圖為第1圖所示之天線結構的電流路徑之示意圖。

第3圖為第1圖所示之天線結構的電壓駐波比之示意圖。

第4圖為本發明一天線結構之第二實施例的示意圖。

第5圖為第4圖所示之天線結構的變化實施例的示意圖。

第6圖為本發明一天線結構之第三實施例之示意圖。

第7圖為本發明一天線結構之第四實施例之示意圖。

第8圖為本發明一天線結構之第五實施例之示意圖。

第9圖為本發明一天線結構之第六實施例之示意圖。

第10圖為本發明一天線結構之第七實施例之示意圖。

第11圖為本發明一天線結構之第八實施例之示意圖。

第12圖為本發明一天線結構之第九實施例之示意圖。

第13圖為本發明一天線結構之第十實施例之示意圖。

第14圖為本發明一天線結構之第十一實施例之示意圖。

第15A圖以及第15B圖分別為本發明一天線結構之第十二實施例的正視圖與反視圖。

第16A圖以及第16B圖分別為本發明一天線結構之第十三實施例的正視圖與反視圖。

100．．．天線結構

110．．．第一輻射體

120．．．第二輻射體

130．．．輻射元件

140．．．接地元件

150．．．饋入訊號源

111～114．．．第一側邊

121～124．．．第二側邊

110A、120A．．．第一端

110B、120B．．．第二端

P1．．．正饋入接點

P2．．．負饋入接點

D1、D2、D3．．．預定間隔

X、Y、Z．．．座標軸

Claims

一種天線結構，包含有：一正饋入接點以及一負饋入接點；一輻射元件，包含有：一第一輻射體，具有一第一端耦接於該正饋入接點，且具有複數個區段形成至少一彎折，每一區段包含有一內側邊(inside edge)以及一外側邊(outside edge)；以及一第二輻射體，具有一第一端耦接於該負饋入接點，且具有複數個區段，每一區段包含有一內側邊以及一外側邊，其中該第二輻射體係至少部分圍繞該第一輻射體，以及該第一輻射體之該複數個外側邊與該第二輻射體之該複數個內側邊之間具有複數個預定間隔以形成耦合效應；以及一接地元件，耦接於該第二輻射體。
如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中一第一電流係沿著該第一輻射體之該複數個外側邊來流經該第一輻射體，以及一第二電流係沿著該第二輻射體之該複數個內側邊來流經該第二輻射體。
如申請專利範圍第2項所述之天線結構，其中該第一電流在該複數個區段上的電流路徑係構成一迴路。
如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該正饋入接點、該負饋入接點、該輻射元件以及該接地元件係位於同一平面上。
如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其另包含：一基板，具有一第一平面以及相對於該第一平面之一第二平面，其中該第一輻射體係位於該第一平面上，以及該第二輻射體係位於該第二平面上。
如申請專利範圍第5項所述之天線結構，其中該接地元件包含一第一接地子元件以及一第二接地子元件，兩者係上下至少部份重疊；該第一接地子元件與該第一輻射體係位於該第一平面上；以及該第二接地子元件與該第二輻射體係位於該第二平面上。
如申請專利範圍第6項所述之天線結構，其另包含：一導通孔(via hole)，設置於該第一接地子元件以及該第二接地子元件之間，並貫穿該基板之該第一平面與該第二平面，用來電性連接該第一接地子元件以及該第二接地子元件。
如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該第一輻射體與該第二輻射體係構成一螺旋狀。
如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該複數個預定間隔係構成一螺旋狀空間。
如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該第二輻射體另具有一第二端，且於靠近該第二輻射體之該第二端之處具有一彎折。
一種天線結構，包含有：一正饋入接點以及一負饋入接點；一輻射元件，包含有：一第一輻射體，具有一第一端耦接於該正饋入接點；以及一第二輻射體，具有一第一端耦接於該負饋入接點，該第二輻射體係至少部分圍繞在該第一輻射體，且該第一輻射體與該第二輻射體之間具有複數個預定間隔以形成耦合效應，其中該複數個預定間隔係構成一螺旋狀空間(spiral space)，以及該第一輻射體與該第二輻射體係沿著該螺旋狀空間而環繞設置；以及一接地元件，耦接於該第二輻射體。
如申請專利範圍第11項所述之天線結構，其中該第一輻射體具有複數個第一側邊，該第二輻射體具有複數個第二側邊，以及該第一輻射體之該複數個第一側邊與該第二輻射體之該複數個第二側邊之間具有該複數個預定間隔以形成耦合效應。
如申請專利範圍第12項所述之天線結構，其中一第一電流係沿著該複數個第一側邊來流經該第一輻射體，以及一第二電流係沿著該複數個第二側邊來流經該第二輻射體。
如申請專利範圍第13項所述之天線結構，其中該第一輻射體具有複數個區段，以及該第一電流在該複數個區段上的電流路徑係構成一迴路。
如申請專利範圍第12項所述之天線結構，其中該第一輻射體具有複數個區段，每一區段具有一內側邊以及一外側邊，以及該複數個第一側邊係為該複數個區段之該複數個外側邊。
如申請專利範圍第12項所述之天線結構，其中該第二輻射體具有複數個區段，每一區段具有一內側邊以及一外側邊，以及該複數個第二側邊係為該複數個區段之該複數個內側邊。
如申請專利範圍第11項所述之天線結構，其中該正饋入接點、該負饋入接點、該輻射元件以及該接地元件係位於同一平面上。
如申請專利範圍第11項所述之天線結構，其另包含：一基板，具有一第一平面以及相對於該第一平面之一第二平面，其中該第一輻射體係位於該第一平面上，以及該第二輻射體係位於該第二平面上。
如申請專利範圍第18項所述之天線結構，其中該接地元件包含一第一接地子元件以及一第二接地子元件，兩者係上下至少部份重疊；該第一接地子元件與該第一輻射體係位於該第一平面上；以及該第二接地子元件與該第二輻射體係位於該第二平面上。
如申請專利範圍第19項所述之天線結構，其另包含：一導通孔，設置於該第一接地子元件以及該第二接地子元件之間，並貫穿該基板之該第一平面與該第二平面，用來電性連接該第一接地子元件以及該第二接地子元件。
如申請專利範圍第11項所述之天線結構，其中該第二輻射體另具有一第二端，且於靠近該第二輻射體之該第二端之處具有一彎折。