TWI506858B

TWI506858B - 多模態平面天線

Info

Publication number: TWI506858B
Application number: TW102135473A
Authority: TW
Inventors: Jui Han Lu; Feng Chuan Tsai
Original assignee: Univ Nat Kaohsiung Marine
Priority date: 2013-10-01
Filing date: 2013-10-01
Publication date: 2015-11-01
Also published as: TW201515317A

Description

多模態平面天線

本發明是有關於一種平面天線，特別是有關於利用四個路徑來激發出五個模態以涵蓋LTE/WWAN八個頻段之平面天線。

隨著個人行動通訊時代的來臨，各式無線行動通訊產品如智慧型手機、平板電腦等皆迅速地發展。此類的無線行動通訊產品皆需透過電磁波的傳遞來傳輸資料，這代表著應用於無線行動通訊產品之天線必需涵蓋更寬的頻寬。因此，天線的設計除了涵蓋無線廣域網路(Wireless Wide Area Network，WWAN)之頻段以外，還需要增加長期演進(Long Term Evolution，LTE)所需的操作頻段。然而，要同時涵蓋LTE/WWAN八個頻段(LTE700/2300/2500/GSM850/900/1800/1900/UMTS)以及體積縮小化便成為天線設計上的一大難題。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之其中之一目的在於提供一種多模態平面天線，以涵蓋LTE700/GSM850/900 (704 MHz 至960 MHz)及GSM1800/1900/UMTS/LTE2300/2500 (1710 MHz 至2690 MHz)共八個頻段之操作。

此多模態平面天線至少包含接地元件及天線。其中，天線係設置於具有第一表面及第二表面之介質基板，此天線至少包含：設置於介質基板之第一表面之第一金屬輻射部，此第一金屬輻射部具有圍繞部、第一延伸部及第二延伸部，圍繞部係包圍第一延伸部及第二延伸部，且圍繞部於鄰近接地元件之一側具有開口，其中第一金屬輻射部之一端為電性連接接地元件之短路點，圍繞部、第一延伸部及第二延伸部則各別具有第一自由端、第二自由端及第三自由端；設置於介質基板之第一表面之第二金屬輻射部，此第二金屬輻射部係位於圍繞部之開口處，其中第二金屬輻射部之一端具有饋入點，饋入點係電性連接接地元件之訊號源；以及設置於介質基板之第二表面之第三金屬輻射部，其中第三金屬輻射部具有第四自由端及第五自由端。

其中，第一金屬輻射部之第一延伸部係延伸自第一金屬輻射部相對於開口之另一側，且第一延伸部為階梯形。

其中，第一金屬輻射部之第二延伸部係延伸自第一金屬輻射部鄰接於開口之一側，且第二延伸部為C形。

其中，第二金屬輻射部為L形。

其中，第三金屬輻射部係位於相對於第一金屬輻射部之第二延伸部及第二金屬輻射部之第一表面之第二表面，且第三金屬輻射部為C形。

前述之天線係藉由短路點至第一自由端之路徑及短路點至第三自由端之路徑以各別激發出第一模態及第二模態，其中第一模態及第二模態係共同涵蓋697 MHz至961 MHz頻段。

前述之天線係藉由短路點至第二自由端之路徑及第四自由端至第五自由端之路徑以各別激發出第三模態及第四模態，並且更藉由短路點至第三自由端之路徑激發出頻率為第二模態之頻率之三倍之第五模態，其中第三模態、第四模態及第五模態係共同涵蓋1710 MHz至2707 MHz頻段。

承上所述，依據本發明之多模態平面天線，其可具有一或多個下述優點：

(1) 本發明之多模態平面天線除了利用第一金屬輻射部之三個路徑以饋入方式激發出三個模態以外，更藉由L形之第二金屬輻射部及C形之第三金屬輻射部以耦合方式來激發出兩個模態，藉以涵蓋LTE/WWAN八個頻段之操作。

(2) 本發明之多模態平面天線之第一金屬輻射部、第二金屬輻射部及第三金屬輻射部之設計可大幅縮小天線的體積，使得在增加天線頻寬的情況下維持天線之小型化，以滿足各類型無線行動通訊產品之需求。

(3) 本發明之多模態平面天線由實施例之各項實驗測量數據可知，在大範圍的操作頻段內皆能維持良好的輻射特性，而不易受到接地元件所產生之破壞性耦合之影響。

茲為使貴審查委員對本發明之技術特徵及所達到之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明如後。

10‧‧‧接地元件
20‧‧‧介質基板
21‧‧‧第一表面
22‧‧‧第二表面
30‧‧‧天線
31‧‧‧第一金屬輻射部
311‧‧‧圍繞部
312‧‧‧第一延伸部
313‧‧‧第二延伸部
314‧‧‧開口
32‧‧‧第二金屬輻射部
33‧‧‧第三金屬輻射部
A‧‧‧饋入點
B‧‧‧接地點
C‧‧‧短路點
D‧‧‧第三自由端
E‧‧‧第二自由端
F‧‧‧第一自由端
G‧‧‧第五自由端
H‧‧‧第四自由端

第1A圖為本發明之多模態平面天線之較佳實施例於介質基板之第一表面之示意圖。
第1B圖為本發明之多模態平面天線之較佳實施例於介質基板之第二表面之示意圖。
第2圖為本發明之多模態平面天線之較佳實施例之返回損失圖。
第3A圖為本發明之多模態平面天線之較佳實施例之LTE700/GSM850/900頻段之天線增益及天線效率圖。
第3B圖為本發明之多模態平面天線之較佳實施例之GSM1800/1900/UMTS/LTE2300/2500頻段之天線增益及天線效率圖。
第4A圖為本發明之多模態平面天線之較佳實施例於750 MHz及925 MHz輻射場型圖。
第4B圖為本發明之多模態平面天線之較佳實施例於1795 MHz、2045 MHz及2350 MHz輻射場型圖。

以下將參照相關圖式，說明依本發明之多模態平面天線之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

請參閱第1A圖及第1B圖，第1A圖為本發明之多模態平面天線之較佳實施例於介質基板之第一表面之示意圖。第1B圖為本發明之多模態平面天線之較佳實施例於介質基板之第二表面之示意圖。

此多模態平面天線至少包含接地元件10及天線30，其中天線30係可例如以印刷、蝕刻、金屬片沖壓或切割等方式設置於具有第一表面21及第二表面22之介質基板20。其中，介質基板20可例如為無線行動通訊裝置之系統電路板。

續言之，此天線30至少包含設置於介質基板20之第一表面21之第一金屬輻射部31、設置於介質基板20之第一表面21之第二金屬輻射部32及設置於介質基板20之第二表面22之第三金屬輻射部33。

其中，第一金屬輻射部31具有圍繞部311、第一延伸部312及第二延伸部313。圍繞部311係包圍第一延伸部312及第二延伸部313，且圍繞部311於鄰近接地元件10之一側具有開口314；第一延伸部312係延伸自第一金屬輻射部31相對於開口314之另一側；以及第二延伸部係313延伸自第一金屬輻射部31鄰接於開口314之一側。前述之第一延伸部312可例如為階梯形，第二延伸部313可例如為C形。

續言之，第二金屬輻射部32係可例如位於第一金屬輻射部31之圍繞部311之開口314處附近；第三金屬輻射部33則可例如位於相對於第一金屬輻射部31之第二延伸部313及第二金屬輻射部32之第一表面21之第二表面22上。前述之第二金屬輻射部32可例如為L形，第三金屬輻射部33可例如為C形。

此外，第一金屬輻射部31之一端為電性連接接地元件10之短路點C，而第一金屬輻射部31之圍繞部311、第一延伸部312及第二延伸部313則各別具有第一自由端F、第二自由端E及第三自由端D；第二金屬輻射部32之一端具有饋入點A，此饋入點A係可例如位於接地元件10之接地點B附近，且饋入點A係電性連接接地元件10之訊號源(未繪示)；以及第三金屬輻射部33具有第四自由端H及第五自由端G。

請參閱第1A圖、第1B圖及第2圖，第2圖為本發明之多模態平面天線之較佳實施例之返回損失圖。

本發明之多模態平面天線之較佳實施例係選擇下列尺寸來進行實驗測量結果及理論模擬結果：接地元件10之面積約為170 × 231 mm² ；介質基板20及天線30之整體體積約為35 × 10 × 0.8 mm³ ，且天線30係距離接地元件10之中心線約為35 mm；短路點C至第一自由端F之路徑約為61 mm；短路點C至第三自由端D之路徑約為58 mm；短路點C至第二自由端E之路徑約為40 mm；第四自由端H至第五自由端G之路徑約為47 mm。

第2圖之縱軸為返回損失值，單位為dB；橫軸為操作頻率，單位為MHz。其中，虛線為理論模擬結果，實線為實驗測量結果。由第2圖可知，本發明之天線20在6 dB返回損失的定義下，涵蓋了697 MHz至961 MHz頻段及1710 MHz至2707 MHz頻段，分別滿足LTE700/GSM850/900 (704 MHz至960 MHz)及GSM1800/1900/UMTS/LTE2300/2500 (1710 MHz至2690 MHz)共八個頻段之操作。

此外，請參閱第2圖之各個頻段之峰值，本發明之天線20係藉由短路點C至第一自由端F之路徑激發出740 MHz之第一模態；藉由短路點C至第三自由端D之路徑激發出910 MHz之第二模態及2620 MHz之第五模態；藉由短路點C至第二自由端D之路徑激發出1780 MHz之第三模態；以及藉由第四自由端H至第五自由端G之路徑激發出1960 MHz之第四模態。其中，第五模態之頻率為第二模態之頻率之三倍，且第一模態及第二模態係共同涵蓋697 MHz至961 MHz頻段，第三模態、第四模態及第五模態則共同涵蓋1710MHz至2707MHz頻段。

請參閱第3A圖及第3B圖，第3A圖為本發明之多模態平面天線之較佳實施例之LTE700/GSM850/900頻段之天線增益及天線效率圖。第3B圖為本發明之多模態平面天線之較佳實施例之GSM1800/1900/UMTS/LTE2300/2500頻段之天線增益及天線效率圖。

由天線增益曲線及天線效率曲線之理論模擬結果及實驗測量結果可知，在LTE700/GSM850/900頻段內，天線增益及天線效率分別為1.0 dBi至2.0 dBi及45%至60%；在GSM1800/1900/UMTS/LTE2300/2500頻段內，天線增益及天線效率分別為0.5 dBi至3.2 dBi及47%至65%。一般而言，皆已滿足各類型無線行動通訊產品之需求。

請參閱第4A圖及第4B圖，第4A圖為本發明之多模態平面天線之較佳實施例於750 MHz及925 MHz輻射場型圖。第4B圖為本發明之多模態平面天線之較佳實施例於1795 MHz、2045 MHz及2350 MHz輻射場型圖。

由天線輻射場型之理論模擬結果及實驗測量結果可知，天線之輻射場型於x-z平面、y-x平面及y-z平面皆與一般無線行動通訊產品之輻射場型一致，這表示天線在大範圍的操作頻段內皆能維持良好的輻射特性及良好的指向性(Direction)，而不易受到接地元件所產生之破壞性耦合之影響。

綜上所述，本發明之多模態平面天線利用四個路徑來激發出五個模態，不僅體積小，更能夠涵蓋LTE/WWAN八個頻段之操作，實具高度產業應用價值。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

無

10‧‧‧接地元件

20‧‧‧介質基板

21‧‧‧第一表面

30‧‧‧天線

31‧‧‧第一金屬輻射部

311‧‧‧圍繞部

312‧‧‧第一延伸部

313‧‧‧第二延伸部

314‧‧‧開口

32‧‧‧第二金屬輻射部

33‧‧‧第三金屬輻射部

A‧‧‧饋入點

B‧‧‧接地點

C‧‧‧短路點

D‧‧‧第三自由端

E‧‧‧第二自由端

F‧‧‧第一自由端

Claims

一種多模態平面天線，包含：
一接地元件；以及
一天線，係設置於具有一第一表面及一第二表面之一介質基板，該天線包含：
一第一金屬輻射部，係設置於該介質基板之該第一表面，該第一金屬輻射部具有一圍繞部、一第一延伸部及一第二延伸部，該圍繞部係包圍該第一延伸部及該第二延伸部，且該圍繞部於鄰近該接地元件之一側具有一開口，其中該第一金屬輻射部之一端為電性連接該接地元件之一短路點，該圍繞部、該第一延伸部及該第二延伸部各別具有一第一自由端、一第二自由端及一第三自由端；
一第二金屬輻射部，係設置於該介質基板之該第一表面，該第二金屬輻射部係位於該圍繞部之該開口處，其中該第二金屬輻射部之一端具有一饋入點，該饋入點係電性連接該接地元件之一訊號源；以及
一第三金屬輻射部，係設置於該介質基板之該第二表面，其中該第三金屬輻射部具有一第四自由端及一第五自由端。

2. 如申請專利範圍第1項所述之多模態平面天線，其中該第一金屬輻射部之該第一延伸部係延伸自該第一金屬輻射部相對於該開口之另一側，且該第一延伸部為階梯形。

3. 如申請專利範圍第1項所述之多模態平面天線，其中該第一金屬輻射部之該第二延伸部係延伸自該第一金屬輻射部鄰接於該開口之一側，且該第二延伸部為C形。

4. 如申請專利範圍第1項所述之多模態平面天線，其中該第二金屬輻射部為L形。

5. 如申請專利範圍第1項所述之多模態平面天線，其中該第三金屬輻射部係位於相對於該第一金屬輻射部之該第二延伸部及該第二金屬輻射部之該第一表面之該第二表面，且該第三金屬輻射部為C形。

6. 如申請專利範圍第1項所述之多模態平面天線，其中該天線係藉由該短路點至該第一自由端之路徑及該短路點至該第三自由端之路徑以各別激發出一第一模態及一第二模態。

7. 如申請專利範圍第6項所述之多模態平面天線，其中該天線係藉由該短路點至該第二自由端之路徑及該第四自由端至該第五自由端之路徑以各別激發出一第三模態及一第四模態。

8. 如申請專利範圍第7項所述之多模態平面天線，其中該天線更藉由該短路點至該第三自由端之路徑激發出一第五模態，其中該第五模態之頻率為該第二模態之頻率之三倍。

9. 如申請專利範圍第8項所述之多模態平面天線，其中該第一模態及該第二模態係共同涵蓋697MHz至961MHz頻段。

10. 如申請專利範圍第8項所述之多模態平面天線，其中該第三模態、該第四模態及該第五模態係共同涵蓋1710MHz至2707MHz頻段。