TWI533506B - 通訊裝置及其寬頻低耦合雙天線元件 - Google Patents

Description

通訊裝置及其寬頻低耦合雙天線元件

本發明係關於一種通訊裝置，特別是一種具有寬頻低耦合雙天線元件之通訊裝置。

隨著現今行動通訊上網的演進，用戶對於頻寬及傳輸速度的需求日益增加，故多天線系統(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)同時接收及同時發射訊號之能力逐漸被受到關注。目前第四代行動通訊技術即以支援MIMO技術，來進一步提升系統服務之傳輸速率。而大規模多天線MIMO系統(Massive MIMO)更是下世代行動通訊系統中重要之天線技術，由此可見，多天線之操作已成為未來之趨勢，然而由於需要在通訊裝置內部有限的空間置入數個天線，造成天線之間彼此的距離過近，天線之間干擾也越來越大，因此天線之間之隔離度成為通訊裝置設計時的一項重要的考量因素。

典型之改善天線系統之隔離度或降低耦合之問題為在兩天線之間置入一寄生隔離金屬元件，使隔離金屬元件之共振接近天線之共振頻帶，來阻擋天線之間之電流耦合，而提升天線系統之隔離度，不過此種利用阻擋電流達成降低耦合之技術亦僅能於一窄頻帶內達成高隔離度，未能在寬頻帶 內達成高隔離度。因此，有必要提出一種通訊裝置，可操作於寬頻帶，且在寬頻帶內具有高隔離度之特性，也能維持天線不錯的輻射效率，達到良好的通訊品質。

為了解決上述先前技術之問題，本發明之目的在於提供一種通訊裝置，可操作於寬頻帶，且在寬頻帶內可具有高隔離度之特性，也能維持天線不錯的輻射效率，達到良好的通訊品質。

為達成上述之目的，本發明之通訊裝置包括一接地元件以及一雙天線元件。該雙天線元件鄰近該接地元件之一邊緣。該雙天線元件包括一第一天線元件、一第二天線元件及一連接線。該第一天線元件包括一第一接地金屬部及一第一金屬部，該第一接地金屬部短路至該接地元件之一第一接地點，該第一金屬部由一第一訊號源饋入能量，該第一金屬部並大致由該第一接地金屬部所包圍；該第二天線元件包括一第二接地金屬部及一第二金屬部，該第二接地金屬部短路至該接地元件之一第二接地點，該第二金屬部由一第二訊號源饋入能量，該第二金屬部並大致由該第二接地金屬部所包圍，該第一及第二金屬部並由該第一及第二接地金屬部所分隔；該連接線具有一電容元件，該連接線電氣連接該第一及第二接地金屬部，該連接線與該接地元件之該邊緣之間，並形成一封閉迴路。

在4G及下世代行動通訊技術中，多天線系統或是大規模多天線系統為一項重要關鍵技術。本發明之雙天線元件可以形成一模組元件，視多天線系統之天線數目需求，置入於行動通訊裝置中。例如，若需 求4天線元件，則可由置入2個本發明之雙天線元件來達成；若需求6天線元件，則可由置入3個本發明之雙天線元件來達成。本發明之雙天線元件之一實施例在所佔之淨空區間10×35mm²下，可以具有至少1GHz(例如：1.7~2.7GHz)之操作頻寬，且在操作頻寬內可達成低耦合(S₂₁<-10dB)，二天線之阻抗頻寬低於-6dB(S₁₁,S₂₂<-6dB)，且二天線之封包耦合係數(Envelope Correlation Coefficient)小於0.5，二天線之輻射效率大於50%，可以滿足MIMO系統之操作需求。

本發明之雙天線元件之第一及第二天線元件操作於至少一相同頻帶。在一實施例中，第一金屬部之長度係小於第一接地金屬部之長度，而第一接地金屬部為一寄生輻射元件，可以被第一訊號源激發產生一共振模態，其頻率低於第一金屬部所產生之共振模態之頻率，使得二個共振模態可以合成一寬頻頻帶(在一實施例中，可以至少涵蓋1710~2690MHz之LTE頻帶)。同時，在第一天線元件操作時，第二天線元件之第二接地金屬部可以用於引導接地元件上之被激發之表面電流，使得二天線元件之間之耦合降低。

另一方面，在第二天線元件中，第二金屬部之長度小於第二接地金屬部之長度，而第二接地金屬部亦為一寄生輻射元件，可以被第二訊號源激發產生一共振模態，其頻率亦低於第二金屬部所產生之共振模態之頻率，使得二個共振模態可以合成一寬頻頻帶，亦可以至少涵蓋1710~2690MHz之LTE頻帶。同時，在第二天線元件操作時，第一天線元件之第一接地金屬部可以用以引導接地元件上之被激發之表面電流，使得二天線元件之間之耦合降低。

而為達成在整個寬頻頻帶內之低耦合，連接線與第一接地金屬部之連接點係鄰近第一接地點，且連接線與第二接地金屬部之連接點亦鄰近第二接地點。同時，連接線上之電容元件可以為一晶片電容元件或一分布式電容元件，晶片電容元件之電容值介於0.1~1.0pF之間，而分布式電容元件之等效電容值亦介於0.1~1.0pF之間。同時，連接線與接地元件之邊緣所形成之封閉迴路之長度介於第一接地金屬部之長度的0.4~1.0倍之間，這使得封閉迴路有足夠長度可以提供一適當之電感值，使得封閉迴路可以在雙天線元件之操作頻帶內達成LC共振，而可以吸引及束縛(trap)接地元件上所被激發之表面電流於封閉迴路中，而有效降低二天線元件之間之耦合。因此，藉由封閉迴路之LC共振以及第一及第二接地金屬部之引導接地元件之被激發之表面電流，可以使得本發明之雙天線元件在二天線元件距離僅2.5mm下，可以達成在一寬頻帶(>1GHz)之低耦合(S₂₁<-10dB)，使得本發明之雙天線元件適合應用於MIMO系統之操作。

在本發明之一實施例中，連接線更可以具有一晶片電感元件，其電感值介於1-15nH之間，該晶片電感元件可以在不改變連接線之長度下，改變LC共振之頻率，而調整降低雙天線元件在寬頻頻帶中之耦合。

本發明之一實施例中，在整體雙天線元件(包括第一天線元件、第二天線元件及連接線)佔用一淨空區間面積約10×35mm²，可以滿足GSM 1800/1900//UMTS/LTE2300/2500頻帶(約1710~2690MHz)之操作。

1‧‧‧第一實施例

4‧‧‧第二實施例

10‧‧‧接地元件

101‧‧‧邊緣

102‧‧‧第一接地點

103‧‧‧第二接地點

11‧‧‧第一天線元件

12‧‧‧第二天線元件

13‧‧‧第一接地金屬部

14‧‧‧第一金屬部

15‧‧‧第一訊號源

16‧‧‧第二接地金屬部

17‧‧‧第二金屬部

18‧‧‧第二訊號源

19,49‧‧‧封閉迴路

191,491‧‧‧連接線

192,192‧‧‧電容元件

193,194,193,194‧‧‧連接點

201‧‧‧第一實施例之反射係數S₁₁曲線

202‧‧‧第一實施例之隔離度S₂₁曲線

21‧‧‧第一頻帶

31‧‧‧第一實施例之第一天線元件於頻帶內之天線效率曲線

495‧‧‧電感元件

第1圖為本發明之通訊裝置之第一實施例之結構圖。

第2圖為本發明之第一實施例之S參數圖。

第3圖為本發明之第一實施例之天線效率圖。

第4圖為本發明之第二實施例之結構圖。

第1圖為本發明之通訊裝置之第一實施例1之結構圖。通訊裝置包括一接地元件10以及一雙天線元件。該雙天線元件鄰近該接地元件10之一邊緣101。該雙天線元件包括一第一天線元件11、一第二天線元件12及一連接線191。該第一天線元件11包括一第一接地金屬部13及一第一金屬部14，該第一接地金屬部13短路至該接地元件10之一第一接地點102，該第一金屬部14由一第一訊號源15饋入能量，該第一金屬部14並大致由該第一接地金屬部13所包圍；該第二天線元件12包括一第二接地金屬部16及一第二金屬部17，該第二接地金屬部16短路至該接地元件10之一第二接地點103，該第二金屬部17由一第二訊號源18饋入能量，該第二金屬部17並大致由該第二接地金屬部16所包圍，該第一14及第二金屬部17並由該第一13及第二接地金屬部16所分隔；該連接線191具有一電容元件192，該連接線191電氣連接該第一13及第二接地金屬部16，該連接線191與該接地元件10之該邊緣101之間，並形成一封閉迴路19。

第2圖為本發明之第一實施例1之雙天線元件之S參數圖，在 此實施例中，接地元件10之尺寸約為150×200mm²，大致為一9.7吋平板通訊裝置之接地元件尺寸，雙天線元件佔用一淨空區間面積約10×35mm²，置於一0.8mm厚度之FR4基板上。其中，第一短路金屬部13長度約為34mm，第一金屬部14長度約為22mm，第一金屬部14經由第一訊號源15饋入能量，第二金屬部17經由第二訊號源18饋入能量，第一天線元件11與第二天線元件12之相對應尺寸均相同，在此實施例中，雙天線元件操作在第一頻帶21，如反射係數曲線201所示；此外，第一接地金屬部13、第二接地金屬部16與連接線191可以使得雙天線元件之S₂₁曲線202在第一頻帶21大致低於-10dB。其中，第一頻帶21可以涵蓋GSM1800/1900/UMTS/LTE2300/2500頻帶(約1710~2690MHz)之操作。

第3圖為本發明之第一實施例1之雙天線元件之天線效率(包含返回損失之輻射效率)曲線圖，天線效率曲線31為雙天線元件操作於GSM1800/1900/UMTS/LTE2300/LTE2500頻帶之效率，約為51~85%。由結果可知，雙天線元件在操作頻帶內之天線效率，具有實際應用之價值。

第4圖為本發明之第二實施例4之結構圖，第二實施例之連接線491具有一電容元件492及一電感元件495，該連接線491電氣連接該第一接地金屬部13及第二接地金屬部16，該連接線491與該接地元件10之該邊緣101之間，並形成一封閉迴路49，其他結構與第一實施例1相同。在此相似結構下，第二實施例4亦可以達成與第一實施例1相似之功效。

本發明無論就目的、手段及功效，在在均顯示其迥異於習知技術之特徵，且上述諸多實施例僅係為了便於說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

1‧‧‧第一實施例

10‧‧‧接地元件

101‧‧‧邊緣

102‧‧‧第一接地點

103‧‧‧第二接地點

11‧‧‧第一天線元件

12‧‧‧第二天線元件

13‧‧‧第一接地金屬部

14‧‧‧第一金屬部

15‧‧‧第一訊號源

16‧‧‧第二接地金屬部

17‧‧‧第二金屬部

18‧‧‧第二訊號源

19‧‧‧封閉迴路

191‧‧‧連接線

192‧‧‧電容元件

193,194‧‧‧連接點

Claims (9)

1. 一種通訊裝置，包括：一接地元件；及一雙天線元件，鄰近該接地元件之一邊緣，該雙天線元件包括：一第一天線元件，包括一第一接地金屬部及一第一金屬部，該第一接地金屬部短路至該接地元件之一第一接地點，該第一金屬部由一第一訊號源饋入能量，該第一金屬部並大致由該第一接地金屬部所包圍；一第二天線元件，包括一第二接地金屬部及一第二金屬部，該第二接地金屬部短路至該接地元件之一第二接地點，該第二金屬部由一第二訊號源饋入能量，該第二金屬部並大致由該第二接地金屬部所包圍；該第一及第二金屬部並由該第一及第二接地金屬部所分隔；以及一連接線，其上具有一電容元件，該連接線電氣連接該第一及第二接地金屬部，該連接線與該接地元件之該邊緣之間，並形成一封閉迴路。
2. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該電容元件為一晶片電容元件，該晶片電容元件之電容值介於0.1~1.0pF之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該封閉迴路之長度介於該第一接地金屬部之長度的0.4~1.0倍之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該連接線更具有一晶片電感元件，該晶片電感元件之電感值介於1~15nH之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該連接線與該第一接地金屬部之一連接點係鄰近該第一接地點。
6. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該連接線與該第二接地金屬部之一連接點係鄰近該第二接地點。
7. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該第一金屬部之長度係小於該第一接地金屬部之長度。
8. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該第二金屬部之長度係小於該第二接地金屬部之長度。
9. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該第一天線元件與該第二天線元件操作於至少一相同頻帶。