TWI505565B - Dual - frequency chip antenna structure - Google Patents

Description

雙頻晶片天線結構

本發明係有關於一種天線結構，特別是關於一種雙共振路徑之雙頻晶片天線結構，在此雙共振路徑上可藉由一垂直接地導通孔連接至接地端電極，可減少天線結構對系統接地面之電容效應，以達到天線較佳的阻抗匹配及輻射效率。

隨著無線通訊產業的蓬勃發展，一般來說，無線通訊用來傳遞訊號之發射器與接收器皆需要有天線元件來達到有效的傳輸，因此，天線性能的優劣將會影響到無線通訊產品的傳輸品質，現今無線通訊產品皆朝向輕、薄、短、小趨勢發展，因此傳統天線(如柱狀天線、碟型天線等)已不能符合可攜帶型通訊產品之需求，因此天線元件勢必朝向微型化趨勢發展。無線網路已經廣泛成為筆記型電腦與手持行動裝置的標準功能，目前無線網路的主要工作頻段係為2.4GHz(2.4-2.484GHz)與5GHz(5.15-5.35GHz,5.725-5.825GHz)，為了能滿足全球同時存在各種不同通訊標準，因此需同時滿足此類標準的雙頻天線一直被眾人發展及探討，現今市面上之雙頻天線皆有其缺點存在，如製程過於複雜、天線體積過大、天線佔據的淨空區過大及輻射效率不佳等問題。

由此可見，上述習用方式仍有缺失，在應用面皆被受限制，實非一良善之設計，而亟待加以改良創新。

本案發明人鑑於上述習用方式所衍生的缺點，乃亟思加以改良創新，並經多年苦心孤詣潛心研究後，終於成功研發完成本案雙頻晶片天線結構。

本發明之一目的即在於提出一種雙頻晶片天線結構，係利用雙共振路徑來達到雙頻帶之特性，此發明除了可達到天線微型化及無須在主板上預留淨空區外，並且可與表面黏著技術結合已提昇大量生產之穩定性，很適合應用在無線區域網路2.4GHz與5GHz之可攜帶式產品上。

本發明之次一目的即在於利用一垂直接地導通孔連接此雙共振路徑與接地端電極，可減少天線結構對系統接地面之電容效應，已達到天線較佳的阻抗匹配及輻射效率。

本發明之再一目的即在於利用兩個垂直導通孔將高頻帶輻射路徑連接至饋入端電極，可增加高頻帶之共振頻寬。

如上所述，本發明在於提供一種雙共振路徑之雙頻晶片天線結構，可以達成適用於無線區域網路2.4GHz與5GHz之頻帶操作，本發明之雙頻晶片天線結構包括：一介電基板、一輻射單元及一絕緣封裝單元，該輻射單元分別設置於介電基材二面之第一導體部與第二導體部，其中第一導體部設置有一訊號饋入端電極，用來連接到系統端傳輸訊號線，一接地端電極，連接至系統主板接地面，一固定端電極，用來固定天線本體於系統主板上，第二導體部設置有互相連接的一第一輻射金屬臂及一第二輻射金屬臂，根據本發明之實施例，第一輻射金屬臂可為一ㄇ字型，第二輻射金屬臂可為一L型且各別藉由第一垂直導通孔與第二垂直導通孔連接至第一導體部之訊號饋入端電極，其中第二垂直導通孔連接到一第二輻射金屬臂主要是利用一個垂直方向的電流輻射路徑來提昇高操作頻帶的輻射效率及共振頻寬，亦可在第二輻射金屬臂加入一第三垂直導通孔，可增加高操作頻帶之共振頻寬；第一與第二輻射金屬臂藉由垂直接地導通孔連接至第一導體部之接地端電極，可減少天線本體對系統接地面的電容效應，已達到天線較佳的阻抗匹配及輻射效率；接著利用一絕緣封裝體封裝於第二導體部上，已達到天線微型化，雙頻帶共振、主板上無須預留淨空區及可與表面黏著技術結合之雙頻晶片天線結構。

本發明所提供之一種雙頻晶片天線結構，與其他習用技術相互比較時，更具備下列優點：

1.主板無需預留淨空區，且並不局限放置於主板之角落位置，大為增加應用之自由度。

2.在饋入端即分成雙共振路徑，透過單一或多個導通孔來增加高頻帶之垂直方向電流輻射路徑，以提昇高頻帶之輻射效率及共振寬頻。

3.增加天線本體高度，降低周遭元件靠近天線本體時所造成之特性偏移。

第一實施例：

請同時參閱圖一及圖二，圖一為本發明之雙頻晶片天線結構圖，圖二為雙頻晶片天線結構第一實施例示意圖，雙頻晶片天線結構1包括一介電基材11，其形狀為一矩形立方體，其尺寸約為10(L)×3(W)×4(H)mm，該介電基材11之介電常數可選定介於2~30之間，並可依實際需要而任意選定為介電材料或絕緣材料，例如PCB電路板玻璃纖維材質、陶瓷材質及陶瓷-高分子複合材質等，一輻射單元12，其材質為金屬、合金或其他導電材質，例如常用的金屬銅、銀，並以曝光、顯影、蝕刻、電鍍或網版印刷及燒結等各種組合方式成型於介電基材11上，該輻射單元12分別設置於介電基材11二面之第一導體部121與第二導體部122，該第一導體部121包括有一訊號饋入端電極1211、一接地端電極1212及一固定端電極1213，其中訊號饋入端電極1211連接到系統端主板15之訊號傳輸線16，其系統端主板15尺寸約為100(L)×40(W)×0.8(H)mm，接地端電極1212連接到系統主板接地面151，而固定端電極1213將天線本體固定於系統端主板15上；該第二導體部122包括有一第一輻射金屬臂1221及一第二輻射金屬臂1222，其第一輻射金屬臂1221之路徑為一ㄇ字型，第二輻射金屬臂1222之路徑為一L型，且彼此相互連接，然後各別藉由第一垂直導通孔141與第二垂直導通孔142連接至第一導體部121之訊號饋入端電極1211，另藉由垂直接地導通孔143連接至第一導體部121之接地端電極1212，其中該第一垂直導通孔141、第二垂直導通孔142與垂直接地導通孔143使用穿孔製程並以電鍍或網版印刷及燒結等製程填充金屬、合金或其他導電材質於孔中；第二垂直導通孔142連接到一第二輻射金屬臂1222主要的功效在於利用一個垂直方向的電流輻射路徑來提昇高操作頻帶的輻射效率及共振頻寬；此第一輻射金屬臂1221與第二輻射金屬臂1222藉由垂直接地導通孔143連接至第一導體部121之接地端電極1212，主要是可減少天線本體對系統接地面的電容效應，已達到天線較佳的阻抗匹配及輻射效率；最後，利用一絕緣封裝單元13封裝於第二導體部122上；該絕緣封裝單元13之介電常數可選定介於2~30之間，並可依實際需要而任意選定為介電材料或絕緣材料，例如PCB電路板玻璃纖維材質、陶瓷材質及陶瓷-高分子複合材質等，另外，在本發明中，可以藉由調整該第一輻射金屬臂1221之長度，得到該天線低操作頻帶，且第一輻射金屬臂之長度1221接近該低操作頻帶中心頻率之1/4波長；以及藉由調整第二輻射金屬臂1222之長度，得到該天線高操作頻帶，且第二輻射金屬臂1222之長度接近該高操作頻帶中心頻率之1/4波長。其中，第一輻射金屬臂1221與第二輻射金屬臂1222之間更有設有狹縫。前述之狹縫更設於第一垂直導通孔141、第二垂直導通孔142之間。

請參閱圖二A係繪示雙頻晶片天線結構第一實施例之反射損失之頻率響應圖，其中縱軸為雙頻晶片天線結構第一實施例之反射損失，單位為dB，而橫軸為雙頻晶片天線結構第一實施例之頻率，單位為GHz，從結果得知，-10dB反射損失頻率範圍可符合無線區域網路2.4GHz(2.4-2.484GHz)與5GHz(5.15-5.35GHz,5.725-5.825GHz)之需求頻帶；請同時參閱圖二B與圖二C係繪示雙頻晶片天線結構第一實施例於低與高操作頻帶之X-Z平面(Phi=0°)、Y-Z平面(Phi=90°)及X-Y平面(Theta=0°)2D輻射場型，其中縱軸為雙頻晶片天線1第一實施利增益，單位為dBi，其掃描角度範圍從0度到360度，從結果得知，三個主要切面(X-Z、Y-Z、X-Y平面)在2.4GHz與5GHz操作頻帶上之最大增益分別約為0.3dBi與5dBi，且場型呈現全方向性。

第二實施例：

請參閱圖三所示，為雙頻晶片天線結構第二實施例之示意圖，天線結構2包括一介電基材11，其形狀為一矩形立方體，尺寸約為10(L)×3(W)×4(H)mm，該介電基材11之介電常數可選定介於2~30之間，並可依實際需要而任意選定為介電材料或絕緣材料，例如PCB電路板玻璃纖維材質、陶瓷材質及陶瓷-高分子複合材質等，一輻射單元12，其材質為金屬、合金或其他導電材質，例如常用的金屬銅等，並以曝光、顯影、蝕刻、電鍍或網版印刷及燒結等各種組合方式成型於介電基材11上，該輻射單元12分別設置於介電基材11二面之第一導體部121與第二導體部122，該第一導體部121包括有一訊號饋入端電極1211、一接地端電極1212及一固定端電極1213，其中訊號饋入端電極1211連接到系統端主板15之訊號傳輸線16，其系統端主板15尺寸約為100(L)×40(W)×0.8(H)mm，接地端電極1212連接到系統主板接地面151，而固定端電極1213將天線本體固定於系統端主板15上；第二導體部122包括有一第一輻射金屬臂1221及一第二輻射金屬臂1222，其第一輻射金屬臂1221之路徑為一ㄇ字型，該第一輻射金屬臂之末端係遠離該垂直接地導通孔方向延伸，第二輻射金屬臂1222之路徑為一L型，且彼此相互連接，其第一輻射金屬臂1221藉由第一垂直導通孔141及第二輻射金屬臂1222藉由第二垂直導通孔142與第三垂 直導通孔144分別連接至第一導體部121之訊號饋入端電極1211，另藉由垂直接地導通孔143連接至第一導體部121之接地端電極1212，其中該第一垂直導通孔141、第二垂直導通孔142、垂直接地導通孔143與第三垂直導通孔144使用穿孔製程並以電鍍或網版印刷及燒結等製程填充金屬、合金或其他導電材質於孔中；第二垂直導通孔142連接到一第二輻射金屬臂1222主要的功效在於利用一個垂直方向的電流輻射路徑來提昇高操作頻帶的輻射效率及共振頻寬，另外，加入第三垂直導通孔144可使5GHz的頻帶偏向高頻及增加頻寬，朝高頻設計之目的在於若考慮實際產品外殼效應時，不至於使操作頻率偏離規範頻帶外；此第一輻射金屬臂1221與第二輻射金屬臂1222藉由垂直接地導通孔143連接至第一導體部121之接地端電極1212，主要是可減少天線本體對系統接地面的電容效應，已達到天線較佳的阻抗匹配及輻射效率；最後，利用一絕緣封裝單元13封裝於第二導體部122上；該絕緣封裝單元13之介電常數可選定介於2~30之間，並可依實際需要而任意選定為介電材料或絕緣材料，例如PCB電路板玻璃纖維材質、陶瓷材質及陶瓷-高分子複合材質等，另外，在本發明中，可以藉由調整該第一輻射金屬臂1221之長度，得到該天線低操作頻帶，且第一輻射金屬臂1221之長度接近該低操作頻帶中心頻率之1/4波長；以及藉由調整第二輻射金屬臂1222之長度，得到該天線高操作頻帶， 且第二輻射金屬臂1222之長度接近該高操作頻帶中心頻率之1/4波長。

請參閱圖三A係繪示雙頻晶片天線結構第二實施例反射損失之頻率響應圖，其中縱軸為雙頻晶片天線結構第二實施例之反射損失，單位為dB，而橫軸為雙頻晶片天線結構第二實施例之頻率，單位為GHz，從結果得知，-10dB反射損失頻率範圍可符合無線區域網路2.4GHz(2.4-2.484GHz)與5GHz(5.15-5.35GHz,5.725-5.825GHz)之需求頻帶；請同時參閱圖三B與圖三C係繪示雙頻晶片天線結構2第二實施例於低與高操作頻帶之X-Z平面(Phi=0°)、Y-Z平面(Phi=90°)及X-Y平面(Theta=0°)2D輻射場型，其中縱軸為雙頻晶片天線結構第二實施例之增益，單位為dBi，其掃描角度範圍從0度到360度，從結果得知，三個主要切面(X-Z、Y-Z、X-Y平面)在2.4GHz與5GHz頻帶上之最大增益分別約為0.4dBi與5.2dBi，且場型呈現全方向性。

第三實施例：

請參閱圖四所示，為雙頻晶片天線結構應用於低操作頻帶示意圖，天線結構3包括一介電基材11，其形狀為一矩形立方體，尺寸約為10(L)×3(W)×4(H)mm，該介電基材11之介電常數可選定介於2~30之間，並可依實際需要而任意選定為介電材料或絕緣材料，例如PCB電路板玻璃纖維材質、陶 瓷材質及陶瓷-高分子複合材質等，一輻射單元12，其材質為金屬、合金或其他導電材質，例如常用的金屬銅、銀等，並以曝光、顯影、蝕刻、電鍍或網版印刷及燒結等各種組合方式成型於介電基材11上，該輻射單元12分別設置於介電基材11二面之第一導體部121與第二導體部122，其中第一導體部121包括有一訊號饋入端電極1211、一接地端電極1212及一固定端電極1213，其中訊號饋入端電極1211連接到系統端主板15之訊號傳輸線16，其系統端主板15尺寸約為100(L)×40(W)×0.8(H)mm，接地端電極1212連接到系統主板接地面151，而固定端電極1213將天線本體固定於系統端主板15上；第二導體部122包括有一第一輻射金屬臂1221，其第一輻射金屬臂1221藉由第一垂直導通孔141連接至第一導體部121之訊號饋入端電極1211，另藉由垂直接地導通孔143連接至第一導體部121之接地端電極1212，其中該第一垂直導通孔141與垂直接地導通孔143使用穿孔製程並以電鍍或網版印刷及燒結等製程填充金屬、合金或其他導電材質於孔中，此第一輻射金屬臂1221與第二輻射金屬臂1222藉由垂直接地導通孔143連接至第一導體部121之接地端電極1212，主要是可減少天線本體對系統接地面的電容效應，已達到天線較佳的阻抗匹配及輻射效率；最後，利用一絕緣封裝單元13封裝於第二導體部122上；該絕緣封裝單元13之介電常數可選定介於2~30之間，並可依實際需要而任意 選定為介電材料或絕緣材料，例如PCB電路板玻璃纖維材質、陶瓷材質及陶瓷-高分子複合材質等，另外，在本發明中，可以藉由調整該第一輻射金屬臂1221之長度，得到該天線低操作頻帶，且第一輻射金屬臂1221之長度接近該低操作頻帶中心頻率之1/4波長，本實施例在於驗證若只考慮第一輻射金屬臂1221之效應其天線反射損失之頻率響應變化。

請參閱圖四A係繪示雙頻晶片天線結構第三實施例天線反射損失之頻率響應圖，其中縱軸為雙頻晶片天線結構第三實施例之反射損失，單位為dB，而橫軸為雙頻晶片天線結構第三實施例之頻率，單位為GHz，從結果得知，-10dB反射損失頻率範圍約高於2.4GHz頻帶，且5GHz呈現較差的共振特性，此特性研判為天線本身倍頻共振模態，請參閱圖四B係繪示雙頻晶片天線結構第三實施例之X-Z平面(Phi=0°)、Y-Z平面(Phi=90°)及X-Y平面(Theta=0°)2D輻射場型，其中縱軸為雙頻晶片天線結構第三實施例增益，單位為dBi，其掃描角度範圍從0度到360度，從結果得知，三個主要切面(X-Z、Y-Z、X-Y平面)之最大增益約為2.7dBi，且場型呈現全方向性，從以上結果得知，若加入第二輻射金屬臂1222會造成高頻呈現較佳的共振模態，並且透過第二輻射金屬臂1222耦合至第一輻射金屬臂1221之效應，使原本位於較高共振頻率之低操作頻帶偏向於規範頻帶上。

請參閱圖五所示，為雙頻晶片天線結構擺放於系統主板15之不同位置上，由於此雙頻晶片天線本體有一固定高度，因此，天線輻射體較不容易受到周遭的元件及接地面之影響，並且所擺放位置之下方接地面無須淨空，也相對增加此天線在使用上之自由度，圖示中之位置A是擺放於系統主板角落，位置B是擺放於系統主板短邊之中間位置，而位置C是擺放於系統主板長邊之中間位置。

上列詳細說明乃針對本發明之一可行實施例進行具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

綜上所述，本案不僅於技術思想上確屬創新，並具備習用之傳統方法所不及之上述多項功效，已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

1‧‧‧雙頻晶片天線結構

2‧‧‧雙頻晶片天線結構

3‧‧‧雙頻晶片天線結構

11‧‧‧介電基材

12‧‧‧輻射單元

121‧‧‧第一導體部

122‧‧‧第二導體部

1211‧‧‧饋入端電極

1212‧‧‧接地端電極

1213‧‧‧固定端電極

1221‧‧‧第一輻射金屬臂

1222‧‧‧第二輻射金屬臂

13‧‧‧絕緣封裝單元

141‧‧‧第一垂直導通孔

142‧‧‧第二垂直導通孔

143‧‧‧垂直接地導通孔

144‧‧‧第三垂直導通孔

15‧‧‧系統主板

151‧‧‧系統主板接地面

16‧‧‧訊號傳輸線

圖一為雙頻晶片天線結構圖

圖二為雙頻晶片天線結構第一實施例示意圖

圖二A為雙頻晶片天線結構第一實施例天線反射損失之頻率響應圖

圖二B為雙頻晶片天線結構第一實施例於低操作頻帶之輻射場型圖

圖二C為雙頻晶片天線結構第一實施例於高操作頻帶之輻射場型圖

圖三為雙頻晶片天線結構第二實施例示意圖

圖三A為雙頻晶片天線結構第二實施例天線反射損失之頻率響應圖

圖三B為雙頻晶片天線結構第二實施例於低操作頻帶之輻射場型圖

圖三C為雙頻晶片天線結構第二實施例於高操作頻帶之輻射場型圖

圖四為雙頻晶片天線結構第三實施例應用於低操作頻帶示意圖

圖四A為雙頻晶片天線結構第三實施例天線反射損失之頻率響應圖

圖四B為雙頻晶片天線結構第三實施例天線之輻射場型圖

圖五為雙頻晶片天線結構擺放不同位置於系統主板上示意圖

11．．．介電基材

12．．．輻射單元

13．．．絕緣封裝單元

Claims (20)

1. 一種雙頻晶片天線結構，其包括：一介電基材，其包含第一導體部以及第二導體部；輻射單元，其分別設置於該介電基材二面之該第一導體部與該第二導體部；其中該第一導體部設置有一訊號饋入端電極，一接地端電極及一固定端電極，該第二導體部設置有互相連接之一第一輻射金屬臂及一第二輻射金屬臂，且各別藉由第一垂直導通孔與第二垂直導通孔連接至該第一導體部之該訊號饋入端電極，並藉由垂直接地導通孔連接至該第一導體部之接地端電極，其中該第一輻射金屬臂與該第二輻射金屬臂間設有一狹縫，該狹縫係設於該第一垂直導通孔以及該第二垂直導通孔之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之雙頻晶片天線結構，其中該第一輻射金屬臂係圍繞在第二輻射金屬臂上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之雙頻晶片天線結構，其中該第一輻射金屬臂與該第二輻射金屬臂係依不同的長度及面積調整其操作頻帶。
4. 如申請專利範圍第1項所述之雙頻晶片天線結構，其中該第一輻射金屬臂係為一ㄇ字型路徑，其中該第一輻射金屬臂之操作頻率係低於該第二輻射金屬臂之操作頻率，且該第一輻射金屬臂之末端係遠離該垂直接地導通孔方向延伸。
5. 如申請專利範圍第1項所述之雙頻晶片天線結構，其中該第二輻射金屬臂係為一L型路徑。
6. 如申請專利範圍第1項所述之雙頻晶片天線結構，其中該第一垂直導通孔、該第二垂直導通孔以及該垂直接地導通孔其表面係鍍有金屬鍍膜。
7. 如申請專利範圍第1項所述之雙頻晶片天線結構更包含一絕緣封裝單元，該絕緣封裝單元係用於封裝於該第二導體部上，以達到天線微型化。
8. 如申請專利範圍第1項所述之雙頻晶片天線結構，其中該輻射單元之材質係為金屬。
9. 如申請專利範圍第1項所述之雙頻晶片天線結構，其中該輻射單元係使用曝光、顯影、蝕刻、電鍍、網版印刷或燒結成型。
10. 如申請專利範圍第1項所述之雙頻晶片天線結構，其中該絕緣封裝單元係為PCB電路板玻璃纖維材質、陶瓷材質及陶瓷-高分子複合材質。
11. 一種雙頻晶片天線結構，其包括：一介電基材，其包含第一導體部以及第二導體部；一輻射單元，其分別設置於該介電基材二面之該第一導體部與第二導體部；其中該第一導體部設置有一訊號饋入端電極，一接地端電極及一固定端電極，該第二導體部設置有互相連 接之一第一輻射金屬臂及一第二輻射金屬臂，其中該第一輻射金屬臂藉由該第一垂直導通孔及該第二輻射金屬臂藉由該第二垂直導通孔與該第三垂直導通孔分別連接至該第一導體部之該訊號饋入端電極，並藉由垂直接地導通孔連接至該第一導體部之接地端電極，其中該第一輻射金屬臂與該第二輻射金屬臂間設有一狹縫，該狹縫係設於該第一垂直導通孔以及該第二垂直導通孔之間。
12. 如申請專利範圍第11項所述之雙頻晶片天線結構，其中該第一輻射金屬臂係圍繞在該第二輻射金屬臂上。
13. 如申請專利範圍第11項所述之雙頻晶片天線結構，其中該第一輻射金屬臂與該第二輻射金屬臂係依不同的長度及面積調整其操作頻帶。
14. 如申請專利範圍第11項所述之雙頻晶片天線結構，其中該第一輻射金屬臂係為一ㄇ字型路徑，其中該第一輻射金屬臂之操作頻率係低於該第二輻射金屬臂之操作頻率，且該第一輻射金屬臂之末端係遠離該垂直接地導通孔方向延伸。
15. 如申請專利範圍第11項所述之雙頻晶片天線結構，其中該第二輻射金屬臂係為一L型路徑。
16. 如申請專利範圍第11項所述之雙頻晶片天線結構，其中該第一垂直導通孔、該第二垂直導通孔、該第三垂直導通 孔及該垂直接地導通孔其表面鍍有金屬鍍膜。
17. 如申請專利範圍第11項所述之雙頻晶片天線結構，更包含一絕緣封裝單元，該絕緣封裝單元係用於封裝於該第二導體部上，以達到天線微型化。
18. 如申請專利範圍第11項所述之雙頻晶片天線結構，其中該輻射單元之材質係為金屬。
19. 如申請專利範圍第11項所述之雙頻晶片天線結構，其中該輻射單元係使用曝光、顯影、蝕刻、電鍍、網版印刷或燒結成型。
20. 如申請專利範圍第11項所述之雙頻晶片天線結構，其中該絕緣封裝單元係為PCB電路板玻璃纖維材質、陶瓷材質及陶瓷-高分子複合材質。