TWI466380B - 行動通訊裝置及其天線結構 - Google Patents

Description

行動通訊裝置及其天線結構

本發明係關於一種行動通訊裝置及其天線結構，特別是一種其內建天線具有屏蔽金屬牆及多頻操作頻帶之行動通訊裝置。

隨著無線通訊技術的快速發展，已促使長期演進(LTE,Long Term Evolution)行動通訊技術的誕生，代表著行動通訊裝置天線將需要更低的操作頻率且更寬的頻寬，其所需之頻帶包含約704~960 MHz及1710~2690 MHz來涵蓋LTE700/2300/2500的三頻操作及無線廣域網路(WWAN,Wireless Wide Area Network)的五頻操作。在可攜式通訊裝置訴求輕薄短小且多頻操作的同時，可容納天線的空間相對縮減，因此通訊裝置之內建多頻天線的縮小化技術相當重要；此外在多功能化的需求下，行動通訊裝置內所需整合的元件相對增加，因此如何設計具有屏蔽金屬牆的多頻天線，來有效整合行動通訊裝置內之各項元件，是天線設計在滿足多頻操作外，另一重要的挑戰。

於台灣專利公告號第I327786號“一種電磁相容之內藏式多頻蜿蜒迴圈天線”，揭示一種藉由蜿蜒迴圈輻射體達成多頻操作，同時藉由整合一天線接地面來作為一屏蔽金屬牆的概念，其操作頻帶可涵蓋WWAN五頻操作，惟其頻寬仍未涵蓋LTE/WWAN八頻操作。目前在有限的天線容許空間下，要滿足現行行動通訊裝置需求之LTE/WWAN八頻操作，同時具有降低行動通訊裝置內整合之元件對天線特性的影響，更是在行動通訊裝置多功能化、多頻天線縮小化下必須解決的問題。

為了解決上述先前技術之問題，本發明提出一種行動通訊裝置及其天線結構，其內建天線不但可以涵蓋LTE/WWAN之八頻操作，同時具有屏蔽金屬牆，可以有效整合通訊裝置內的各種元件。

本發明之行動通訊裝置，包含有一天線結構，且該天線結構具有：一接地元件及一天線元件，且該天線元件係設置於該接地元件之一側。該天線元件包含有一天線接地面、一輻射部以及一短路輻射部，其中該天線接地面係電性連接至接地元件。該輻射部及該短路輻射部係設置於一介質基底上，其中該輻射部包含有一信號饋入點、一第一輻射支路以及一第二輻射支路。該信號饋入點係設置於靠近該接地元件之一端；而該第一輻射支路及該第二輻射支路均連接至該信號饋入點，該第一輻射支路及該第二輻射支路之開口端則朝向相同方向延伸，且該第一輻射支路及該第二輻射支路提供至少二個不同長度但延伸方向相同之共振路徑，產生至少二個共振模態，增加天線之操作頻寬。該短路輻射部，其長度至少為輻射部最短共振路徑的2倍，短路輻射部之一第一端係電性短路至該天線接地面，其第二端為一開口端，短路輻射部接近其第一端之特定區段與該輻射部之間具有一耦合間距，經由耦合間距，短路輻射部由輻射部耦合激發，產生至少一個共振模態，增加天線之操作頻寬。其中，該天線元件係為一立體結構，且該天線接地面與該輻射部係位於該立體結構的不同平面上。

本發明之天線結構包含有：一接地元件及一天線元件，且該天線元件係設置於該接地元件之一側。該天線元件包含有一天線接地面、一輻射部以及一短路輻射部，其中該天線接地面係電性連接至接地元件。該輻射部及該短路輻射部係設置於一介質基底上，其中該輻射部包含有一信號饋入點、一第一輻射支路以及一第二輻射支路。該信號饋入點係設置於靠近該接地元件之一端；而該第一輻射支路及該第二輻射支路均連接至該信號饋入點，該第一輻射支路及該第二輻射支路之開口端則朝向相同方向延伸，且該第一輻射支路及該第二輻射支路提供至少二個不同長度但延伸方向相同之共振路徑，產生至少二個共振模態，增加天線之操作頻寬。該短路輻射部，其長度至少為輻射部最短共振路徑的2倍，短路輻射部之一第一端係電性短路至該天線接地面，其第二端為一開口端，短路輻射部接近其第一端之特定區段與該輻射部之間具有一耦合間距，經由耦合間距，短路輻射部由輻射部耦合激發，產生至少一個共振模態，增加天線之操作頻寬。其中，該天線元件係為一立體結構，且該天線接地面與該輻射部係位於該立體結構的不同平面上。

本發明行動通訊裝置之多頻天線是使用其天線接地面作為屏蔽金屬牆，並將輻射部及短路輻射部具有強電流區間(亦即弱電場區間)設置於鄰近天線接地面附近，使得天線接地面對天線之多頻特性大致不受影響，同時有利於與裝置內鄰近元件做緊密整合。多頻天線設計機制主要是利用具有二個不同長度但延伸方向相同的輻射部在高頻產生二個不同中心頻率的共振模態來涵蓋第二(高頻)操作頻帶之大部份頻寬，同時輻射部亦可當成短路輻射部的耦合激發的能量來源。另外，輻射部之延伸方向為使得輻射部之開口端遠離天線接地面，利用短路輻射部接近短路端之部分區間與輻射部具有一耦合間距來激發短路輻射部，此耦合間距少於3 mm，短路輻射部長度至少為輻射部最短共振路徑的2倍，主要為使其能將輻射部的能量耦合至短路輻射部，得以有效激發短路輻射部，使其產生第一(低頻)操作頻帶足以涵蓋LTE700/GSM850/900(約704~960 MHz)三頻操作，並在高頻產生另一高階共振模態，並與輻射部所產生的共振模態合為第二(高頻)操作頻帶，其足以涵蓋GSM1800/1900/UMTS/LTE2300/2500(約1710~2690 MHz)五頻操作，達成LTE/WWAN之八頻操作，使得本行動通訊裝置可以涵蓋目前所有行動通訊之操作頻帶。同時，本發明行動通訊裝置之多頻天線尺寸僅約3×15×35 mm³ ，同時具有屏蔽金屬牆之結構，容易整合鄰近元件，符合實際應用需求。

為讓本發明之上述和其他目的、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。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的元件。本說明書及後續的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。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。另外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。

請參考第1圖，第1圖為本發明行動通訊裝置1及其天線結構之第一實施例之結構圖。如第1圖所示，行動通訊裝置1包含有一天線結構，該天線結構包含有一接地元件10及一天線元件20。於本實施例中，接地元件10包含一主接地面101及一突出接地面102，該突出接地面102係電性連接至該主接地面101之一邊緣，且該突出接地面102與該主接地面101係呈一L字型，但此僅為範例說明，並非本發明之限制條件。

而天線元件20則係設置於該接地元件10之一側，且該天線元件20包含有一天線接地面12、一輻射部13以及一接地輻射部14。於本實施例中，天線元件20之輻射部13與接地輻射部14係設置於一介質基底11上，而該天線接地面12則係設置於該接地元件10之一側，且天線接地面12藉由兩接地點121、122電氣連接至接地元件10。值得注意的是，該天線元件20係為一立體結構，且該天線接地面12與該輻射部13係位於該立體結構的不同平面上。該輻射部13包含有一信號饋入點131、一第一輻射支路132以及一第二輻射支路133，該信號饋入點131係設置於靠近該接地元件10之一端，而該第一輻射支路132及該第二輻射支路133均連接至該信號饋入點131，且該第一輻射支路132及該第二輻射支路133之開口端係朝向相同方向延伸。需注意的是，於本實施例中，該輻射部13之該第一輻射支路132及該第二輻射支路133的延伸方向為使得該第一輻射支路132及該第二輻射支路133之開口端遠離該天線接地面12；此外，該第一輻射支路132之一第一長度係小於該第二輻射支路133之一第二長度，換句話說，輻射部13提供至少二個不同長度但延伸方向相同之共振路徑，以產生至少二個共振模態來增加天線之操作頻寬。

此外，該短路輻射部14亦是設置在該介質基底11上，且該短路輻射部14之一第一端141可經由一短路點143電性短路至該天線接地面12，其一第二端142為一開口端。於本實施例中，該短路輻射部14可具有複數個(二個以上)彎折，用以縮小尺寸，其長度至少為輻射部13之最短共振路徑的2倍，換句話說，該短路輻射部14的長度至少為該第一輻射支路132之該第一長度的兩倍。需注意的是，短路輻射部14接近該第一端141之一特定區段144與輻射部13之間具有一耦合間距15，經由耦合間距15，短路輻射部14由輻射部13耦合激發，來產生至少一個共振模態以增加天線之操作頻寬，其中該耦合間距15係小於3 mm。

請再注意，在第一實施例中，該天線結構之該天線元件20與該接地元件10係位於立體空間中的不同平面上。舉例來說，該天線元件20之該輻射部13以及該接地輻射部14係位於一第一平面上(如第1圖所示之XY平面)，而該天線接地面12係位於垂直於該第一平面之一第二平面上(如第1圖所示之YZ平面)，以及該接地元件10之該主接地面101以及該突出接地面102則係位於平行於該第一平面且垂直於該第二平面之一第三平面上(如第1圖所示之另一XY平面)。

請一併參考第2圖，第2圖為本發明一種行動通訊裝置第一實施例之量測返回損失圖。於本實施例中，選擇介質基底11之長度約為35 mm、寬度約為15 mm及高度約為3 mm；主接地面101長度約為100 mm、寬度約為60 mm；突出接地面102長度約為15 mm、寬度約為25 mm；輻射部13及短路輻射部14形成於介質基底11上，其中輻射部13具有第一輻射支路132以及第二輻射之路133，提供二個共振路徑，分別在高頻共振出二個模態222、223；短路輻射部14的長度約為100 mm，短路輻射部14接近其第一端141(亦即，短路端)之特定區段144與輻射部13之間具有約1 mm的耦合間距15，可在低頻激發出一共振模態，形成天線元件20之一第一操作頻帶21，並在高頻激發出其倍頻模態221，使其與輻射部13所激發的二個模態222、223在高頻合為天線元件20之一第二操作頻帶22。由實驗結果，在一般要求之6 dB返回損失的定義下，第一操作頻帶21之頻寬可涵蓋LTE700/GSM850/900(約704~960 MHz)之三頻操作，而由模態221、222及223所形成的第二操作頻帶22之頻寬可涵蓋GSM1800/GSM1900/UMTS/LTE2300/LTE2500(約1710~2690 MHz)之五頻操作，因此該天線可滿足LTE/WWAN之八頻操作需求。

接著請參考第3圖，第3圖為本發明一種行動通訊裝置3及其天線結構之第二實施例之結構圖。第二實施例之行動通訊裝置3的結構基本上與第一實施例之行動通訊裝置1類似，兩者不同之處在於第3圖之行動通訊裝置3之該天線接地面32包含有依第一天線子接地面321以及一第二天線子接地面322，分別位於該天線元件20之二個相鄰側面，經由短路點121、122及123電氣短路至接地元件30，此外，行動通訊裝置3之該接地元件30係由一主接地面301及一突出接地面302組成，且該主接地面301與該突出接地面302大致上為一凸字形，該突出接地面302電性連接至該主接地面301之一邊緣。由於第二實施例之行動通訊裝置3與第一實施例之行動通訊裝置1之結構相似，因此亦可達成與第一實施例之行動通訊裝置1相似之功效，亦可產生與第一實施例1相似之二個寬頻操作頻帶，涵蓋LTE/WWAN之八頻操作。

接著請參考第4圖，第4圖為本發明一種行動通訊裝置4之第三實施例之結構圖。第三實施例之行動通訊裝置4的結構基本上與第一實施例之行動通訊裝置1類似，兩者不同之處在於第4圖之行動通訊裝置4的該天線接地面42包含有一第一天線子接地面421以及一第二天線子接地面422，分別位於該天線元件20之二個相鄰側面，經由短路點121、122及123電氣短路至接地元件40，此外，行動通訊裝置4之該接地元件40係由一主接地面401及二個突出接地面402及403組成，該二個突出接地面402及403係電性連接至該主接地面401之一邊緣。需注意的是，該輻射部43大致上受到該天線接地面42之延伸而微調輻射部43之信號饋入點431。由於第三實施例之行動通訊裝置4與第一實施例之行動通訊裝置1之輻射部具有相似結構，亦可共振出兩不同中心頻率的共振模態，而短路輻射部之結構相同，因此第三實施例之行動通訊裝置4亦可達成與第一實施例之行動通訊裝置1相似之功效，亦可產生與第一實施例1相似之二個寬頻操作頻帶，涵蓋LTE/WWAN之八頻操作。

請再注意，在上述各實施例中，該突出接地面102、302、402可另用於置放與該行動通訊裝置1、3、4外部訊號傳輸之一資料傳輸元件，來提供該行動通訊裝置1、3、4與一外部設備之訊號傳輸介面。上述之外部訊號傳輸元件可由一通用序列匯流排(USB,universal serial bus)接頭元件來實現之，但此並非本發明之限制條件。其中，該資料傳輸元件可設置於與該天線元件20位於同一側，或者該資料傳輸元件可設置於相對於該天線元件20之另一側，此皆隸屬本發明所涵蓋之範疇。

毫無疑問地，熟知此項技藝者應可了解，在不違背本發明之精神下，第1圖、第3圖與第4圖所提到的行動通訊裝置及其天線結構之各種各樣的變化皆是可行的。此外，輻射部及短路線的彎折個數並不侷限，且各彎折的彎折方向、彎折角度以及彎折形狀也非本創作之限制條件。

以上所述的實施例僅用來說明本發明之技術特徵，並非用來侷限本發明之範疇。綜合上述，本發明之一種行動通訊裝置及其天線結構，其具有一個可以產生二個寬頻操作頻帶的天線，該天線具有結構簡單，同時具有屏蔽金屬牆，可以有效整合通訊裝置內的各種元件，且該天線的二個操作頻帶可以分別涵蓋LTE700/GSM850/900之三頻操作(約704~960 MHz)及GSM1800/1900/UMTS/LTE2300/2500之五頻操作(約1710~2690 MHz)，涵蓋目前所有行動通訊頻帶。

以上說明所述之實施例僅為說明本發明之原理及功效，而非限制本發明。即凡依本發明申請專利範圍所作之變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1、3、4．．．行動通訊裝置

10,30,40．．．接地元件

101,301,401．．．主接地面

102,302,402,403．．．突出接地面

20．．．天線元件

11．．．介質基底

12,32,42．．．天線接地面

121,122,123．．．接地點

13,43．．．輻射部

131,431．．．信號饋入點

132．．．第一輻射支路

133．．．第二輻射支路

14‧‧‧短路輻射部

141‧‧‧短路輻射部之第一端

142‧‧‧短路輻射部之第二端

143‧‧‧短路點

144‧‧‧短路輻射部接近其第一端之特定區段

15‧‧‧耦合間距

21‧‧‧第一操作頻帶

22‧‧‧第二操作頻帶

221,222,223‧‧‧第二操作頻帶內之共振模態

X、Y、Z‧‧‧座標軸

第1圖為本發明一種行動通訊裝置及其天線結構之第一實施例之結構圖。

第2圖為本發明一種行動通訊裝置及其天線結構之第一實施例之量測返回損失圖。

第3圖為本發明一種行動通訊裝置及其天線結構之第二實施例之結構圖。

第4圖為本發明一種行動通訊裝置及其天線結構之第三實施例之結構圖。

1．．．行動通訊裝置

10．．．接地元件

101．．．主接地面

102．．．突出接地面

20．．．天線元件

11．．．介質基底

12．．．天線接地面

121,122．．．接地點

13．．．輻射部

131．．．信號饋入點

132．．．第一輻射支路

133．．．第二輻射支路

14．．．短路輻射部

141．．．短路輻射部之第一端

142．．．短路輻射部之第二端

143．．．短路點

144．．．短路輻射部接近第一端之特定區段

15．．．耦合間距

X、Y、Z．．．座標軸

Claims (18)

1. 一種行動通訊裝置，包含有一天線結構，該天線結構包含有：一接地元件；以及一天線元件，該天線元件係設置於該接地元件之一側，該天線元件包含有：一天線接地面，該天線接地面係電性連接至該接地元件；一輻射部，設置於一介質基底上，該輻射部包含有：一信號饋入點，設置於靠近該接地元件之一端；以及一第一輻射支路以及一第二輻射支路，該第一輻射支路及該第二輻射支路均連接至該信號饋入點，該第一輻射支路及該第二輻射支路之開口端則朝向相同方向延伸；以及一短路輻射部，設置於該介質基底上，該短路輻射部之一第一端係電性短路至該天線接地面，其一第二端為開口端，該短路輻射部接近該第一端之一特定區段與該輻射部之間具有一耦合間距，經由該耦合間距，該短路輻射部由該輻射部耦合激發，產生至少一個共振模態，增加該天線之操作頻寬；其中，該天線元件係為一立體結構，該天線接地面、該輻射部與該接地元件位於該立體結構的不同平面上；其中該天線接地面包含有一第一天線子接地面以及一第二天線子接地面，分別位於該天線元件之二個相鄰側面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之行動通訊裝置，其中該天線元件具有一第一操作頻帶及一第二操作頻帶，該第一操作頻帶涵蓋 約704~960MHz，該第二操作頻帶涵蓋約1710~2690MHz。
3. 如申請專利範圍第1項所述之行動通訊裝置，其中該接地元件具有一主接地面及至少一突出接地面，該突出接地面係電性連接至該主接地面之一邊緣，且該突出接地面係靠近該天線接地面。
4. 如申請專利範圍第3項所述之行動通訊裝置，其中該至少一突出接地面係用於置放與該行動通訊裝置外部訊號傳輸之一資料傳輸元件。
5. 如申請專利範圍第1項所述之行動通訊裝置，其中該耦合間距小於3mm。
6. 如申請專利範圍第1項所述之行動通訊裝置，其中該輻射部之該第一輻射支路及該第二輻射支路的延伸方向為使得該第一輻射支路及該第二輻射支路之開口端遠離該天線接地面。
7. 如申請專利範圍第1項所述之行動通訊裝置，其中該第一輻射支路之一第一長度係小於該第二輻射支路之一第二長度，且該第一輻射支路與該第二輻射支路係提供兩個不同長度但延伸方向相同之共振路徑，以產生至少兩個共振模態來增加天線之操作頻寬。
8. 如申請專利範圍第7項所述之行動通訊裝置，其中該短路輻射部的長度至少為該第一輻射支路之該第一長度的兩倍。
9. 如申請專利範圍第1項所述之行動通訊裝置，其中該短路輻射部具有複數個彎折。
10. 如申請專利範圍第1項所述之行動通訊裝置，其中該天線元件 之該輻射部以及該接地輻射部係位於一第一平面上，該天線接地面係位於垂直於該第一平面之一第二平面上，以及該接地元件係位於平行於該第一平面且垂直於該第二平面之一第三平面上。
11. 一種天線結構，包含有：一接地元件；以及一天線元件，該天線元件係設置於該接地元件之一側，該天線元件包含有：一天線接地面，該天線接地面係電性連接至該接地元件；一輻射部，設置於一介質基底上，該輻射部包含有：一信號饋入點，設置於靠近該接地元件之一端；以及一第一輻射支路以及一第二輻射支路，該第一輻射支路及該第二輻射支路均連接至該信號饋入點，該第一輻射支路及該第二輻射支路之開口端則朝向相同方向延伸；以及一短路輻射部，設置於該介質基底上，該短路輻射部之一第一端係電性短路至該天線接地面，其一第二端為開口端，該短路輻射部接近該第一端之一特定區段與該輻射部之間具有一耦合間距，經由該耦合間距，該短路輻射部由該輻射部耦合激發，產生至少一個共振模態，增加該天線之操作頻寬；其中，該天線元件係為一立體結構，該天線接地面、該輻射部與該接地元件位於該立體結構的不同平面上； 其中該天線接地面包含有一第一天線子接地面以及一第二天線子接地面，分別位於該天線元件之二個相鄰側面。
12. 如申請專利範圍第11項所述之天線結構，其中該天線元件具有一第一操作頻帶及一第二操作頻帶，該第一操作頻帶涵蓋約704~960MHz，該第二操作頻帶涵蓋約1710~2690MHz。
13. 如申請專利範圍第11項所述之天線結構，其中該接地元件具有一主接地面及至少一突出接地面，該突出接地面係電性連接至該主接地面之一邊緣，且該突出接地面係靠近該天線接地面。
14. 如申請專利範圍第11項所述之天線結構，其中該耦合間距小於3mm。
15. 如申請專利範圍第11項所述之天線結構，其中該輻射部之該第一輻射支路及該第二輻射支路的延伸方向為使得該第一輻射支路及該第二輻射支路之開口端遠離該天線接地面。
16. 如申請專利範圍第11項所述之天線結構，其中該第一輻射支路之一第一長度係小於該第二輻射支路之一第二長度，且該第一輻射支路與該第二輻射支路係提供兩個不同長度但延伸方向相同之共振路徑，以產生至少兩個共振模態來增加天線之操作頻寬。
17. 如申請專利範圍第16項所述之天線結構，其中該短路輻射部的長度至少為該第一輻射支路之該第一長度的兩倍。
18. 如申請專利範圍第11項所述之天線結構，其中該天線元件之該輻射部以及該接地輻射部係位於一第一平面上，該天線接 地面係位於垂直於該第一平面之一第二平面上，以及該接地元件係位於平行於該第一平面且垂直於該第二平面之一第三平面上。