TWI539667B - 天線結構 - Google Patents

Description

天線結構

本發明係關於一種天線結構，特別係關於一種可降低特定吸收率(Specific Absorption Rate，SAR)之天線結構。

隨著行動通訊技術的發達，行動裝置在近年日益普遍，常見的例如：手提式電腦、行動電話、多媒體播放器以及其他混合功能的攜帶型電子裝置。為了滿足人們的需求，行動裝置通常具有無線通訊的功能。有些涵蓋長距離的無線通訊範圍，例如：行動電話使用2G、3G、LTE(Long Term Evolution)系統及其所使用700MHz、850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz、2100MHz、2300MHz以及2500MHz的頻帶進行通訊，而有些則涵蓋短距離的無線通訊範圍，例如：Wi-Fi、Bluetooth系統使用2.4GHz、5.2GHz和5.8GHz的頻帶進行通訊。

天線為支援無線通訊功能之行動裝置中不可或缺之元件。為避免天線發射之電磁波對人體產生不良影響，現行法令都針對行動裝置之特定吸收率(Specific Absorption Rate，SAR)有嚴格規範。如何設計出兼顧通訊品質及符合法規之天線，已成為現今設計者之一大挑戰。

在較佳實施例中，本發明提供一種天線結構，包 括：一接地元件、一第一輻射支路，以及一第二輻射支路。該第一輻射支路具有一第一端和一第二端，其中該第一輻射支路之該第一端係耦接至一信號源，而該第一輻射支路之該第二端為一開路端。該第二輻射支路具有一第一端和一第二端，其中該第二輻射支路之該第一端係耦接至該信號源，而該第二輻射支路之該第二端係耦接至該接地元件。該第二輻射支路之長度係大致等同於該第一輻射支路之長度。

在一些實施例中，該第一輻射支路大致為一倒C字形。

在一些實施例中，該第二輻射支路大致為一倒J字形。

在一些實施例中，該第一輻射支路係激發產生一低頻頻帶，該第二輻射支路係激發產生一高頻頻帶，該低頻頻帶約介於2400MHz至2500MHz之間，而該高頻頻帶約介於5150MHz至5850MHz之間。

在一些實施例中，該第一輻射支路於該接地元件上具有一第一高度，該第二輻射支路於該接地元件上具有一第二高度，而該第二高度係小於該第一高度之0.5倍。

在一些實施例中，該高頻頻帶之一電流最大值處係位於該第二輻射支路上，以降低該天線結構於該高頻頻帶之一特定吸收率。

在一些實施例中，該天線結構更包括一第三輻射支路。該第三輻射支路具有一第一端和一第二端，其中該第三輻射支路之該第一端係耦接至該第一輻射支路之一中間部份， 而該第三輻射支路之該第二端為一開路端。

在一些實施例中，該第三輻射支路大致為一直條形。

在一些實施例中，該第一輻射支路於該接地元件上具有一第一高度，該第三輻射支路於該接地元件上具有一第三高度，而該第三高度約為該第一高度之0.5倍至1倍。

在一些實施例中，該第三輻射支路係用於調整該高頻頻帶之阻抗匹配。

100、200、300‧‧‧天線結構

110、310‧‧‧接地元件

115、315‧‧‧接地元件之缺口

120‧‧‧第一輻射支路

121‧‧‧第一輻射支路之第一端

122‧‧‧第一輻射支路之第二端

130‧‧‧第二輻射支路

131‧‧‧第二輻射支路之第一端

132‧‧‧第二輻射支路之第二端

140‧‧‧第二輻射支路

141‧‧‧第二輻射支路之第一端

142‧‧‧第二輻射支路之第二端

151‧‧‧虛線框

190‧‧‧信號源

H1‧‧‧第一高度

H2‧‧‧第二高度

H3‧‧‧第三高度

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之示意圖；第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之示意圖；以及第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之示意圖。

為讓本發明之目的、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。

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之示意圖。天線結構100可應用於一行動裝置當中，例如：一智慧型手機(Smart Phone)、一平板電腦(Tablet Computer)，或是一筆記型電腦(Notebook Computer)。如第1圖所示，天線 結構100至少包括：一接地元件110、一第一輻射支路120，以及一第二輻射支路130。天線結構100可設置於一介質基板(Dielectric Substrate)上，例如：一系統電路板，或是一FR4(Flame Retardant 4)基板。接地元件110、第一輻射支路120，以及第二輻射支路130皆可用金屬材質製成，例如：銅、銀、鋁、鐵，或是其合金。第二輻射支路130之總長度係大致等同於第一輻射支路120之總長度。

第一輻射支路120可以大致為一倒C字形。第一輻射支路120具有一第一端121和一第二端122，其中第一輻射支路120之第一端121係耦接至一信號源190，而第一輻射支路120之第二端122為一開路端(Open End)。第一輻射支路120之第二端122更可朝向其內部作延伸，以降低其總體面積。信號源190可以是行動裝置之一射頻(Radio Frequency，RF)模組，其用於激發天線結構100。第二輻射支路130可以大致為一倒J字形。第二輻射支路130具有一第一端131和一第二端132，其中第二輻射支路130之第一端131係耦接至信號源190，而第二輻射支路130之第二端132係耦接至接地元件110。必須理解的是，第1圖中第一輻射支路120和第二輻射支路130之形狀僅為舉例，而非用於限制本發明。在其他實施例中，第一輻射支路120和第二輻射支路130亦可分別具有不同形狀，例如：一直條形、一半圓形、一N字形，或是一S字形。

天線結構100之操作原理可如下列所述。第一輻射支路120係激發產生一低頻頻帶，第二輻射支路130係激發產生一高頻頻帶，其中前述低頻頻帶約介於2400MHz至2500MHz之 間，而前述高頻頻帶約介於5150MHz至5850MHz之間。因此，天線結構100至少可支援Wi-Fi和Bluetooth之行動通訊頻帶。詳細而言，第一輻射支路120之總長度約等於前述低頻頻帶之一中心操作頻率之四分之一波長(λ/4)，使得第一輻射支路120可產生一基頻共振模態(Fundamental Resonant Mode)來涵蓋前述低頻頻帶；而第二輻射支路130之總長度約等於前述高頻頻帶之一中心操作頻率之二分之一波長(λ/2)，使得第二輻射支路130可產生一高階共振模態(Higher-order Resonant Mode)來涵蓋前述高頻頻帶。在此設計下，第二輻射支路130之總長度將大致等同於第一輻射支路120之總長度。

第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構200之示意圖。第2圖和第1圖相似，兩者之差異在於，第2圖之天線結構200更包括一第三輻射支路140，其中第一輻射支路120係介於第二輻射支路130和第三輻射支路140之間。第三輻射支路140可用金屬材質製成，例如：銅、銀、鋁、鐵，或是其合金。第三輻射支路140可以大致為一直條形。第三輻射支路140之總長度係遠小於第一輻射支路120之總長度，或第二輻射支路之總長度。詳細而言，第三輻射支路140具有一第一端141和一第二端142，其中第三輻射支路140之第一端141係耦接至第一輻射支路120之一中間部份，而第三輻射支路140之第二端142為一開路端。第三輻射支路140係用於調整前述高頻頻帶之阻抗匹配。第2圖之天線結構200之其餘特徵皆與第1圖之天線結構100近似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

必須注意的是，傳統支援Wi-Fi和Bluetooth頻段之 平面倒F字形天線(Planar Inverted F Antenna，PIFA)，通常會面臨5G頻帶(例如：5150MHz至5850MHz之頻段)之一特定吸收率(Specific Absorption Rate，SAR)過高之問題。舉例而言，在傳統平面倒F字形天線中，其5G頻帶之電流最大值處通常位於較短之一副輻射支路上，而其副輻射支路和較長之一主輻射支路具有相同之天線高度，兩者皆很靠近使用者之身體，因倍頻效應，更造成其5G頻帶不容易通過法定之特定吸收率規範。本發明藉由調整高頻共振機制以及降低對應之第三輻射支路140之高度，將可有效克服先前技術面臨之問題。詳細而言，在本發明中，第一輻射支路120於接地元件110上具有一第一高度H1，第二輻射支路130於接地元件110上具有一第二高度H2，而第三輻射支路140於接地元件110上具有一第三高度H3(在此所稱之高度，係指各輻射支路與接地元件110之最大距離)，其中第二高度H2係小於第一高度H1之0.5倍，而第三高度H3約為第一高度H1之0.5倍至1倍。換言之，本發明之第二輻射支路130和第三輻射支路140皆作了調整，其朝向靠近接地元件110之方向作移動，達成輻射支路朝內縮之效果。因此，第二輻射支路130之第二高度H2和第三輻射支路140之第三高度H3兩者皆較第一輻射支路120之第一高度H1更小。根據實際量測結果，在本發明中之天線結構200中，前述高頻頻帶之一電流最大值處係位於第二輻射支路130上(如虛線框151處所示)，其高度較低且較遠離人體，因此可降低天線結構200於前述高頻頻帶之一特定吸收率。在此設計下，高頻之5G頻帶主要由接地之第二輻射支路130所激發，而非由第三輻射支路130所激發。第三輻射支 路140成為僅用於調整5G頻帶之阻抗匹配之一選用元件。在其他實施例中，第三輻射支路140亦可由天線結構200中移除。根據實際量測結果，本發明與傳統技術之天線效能比較係如下列表一所示。

表一為實際量測之特定吸收率和天線效率之比較表。根據表一之量測結果可知，在高頻頻帶中(例如：5G頻帶)，本發明之天線結構之特定吸收率係較傳統之平面倒F字型天線更低，而天線效率則較傳統之平面倒F字型天線更高，因此，本發明可達成同時改良天線結構之特定吸收率和效率之雙重功效。

請再次參考第1、2圖。本發明之天線結構100、200係藉由於接地元件110上開挖一角落缺口115之方式，來增長第二輻射支路130之總長度。亦即，第二輻射支路130之寬度必須較接地元件110之寬度更窄，以形成與接地元件110有區隔之一共振路徑。接地元件110之角落缺口115可以大致為一矩形。

第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構300之示意圖。第3圖和第1圖相似，兩者之差異在於，第3圖之天線結構300之一接地元件310具有一缺口315，其係位於接地元件310之一側邊中間處，而非位於接地元件310之一角落處。 接地元件310之缺口315可以大致為一矩形、一正方形，或是一半圓形，用以調整第二輻射支路130之共振長度。第3圖之天線結構300之其餘特徵皆與第1圖之天線結構100近似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

本發明提供一種改良式之平面倒F字形天線結構。藉由降低部份輻射支路之高度以及改變接地元件之形狀，本發明可在不增加總設計面積之情況下，相較於傳統平面倒F字形天線具有更高之天線效率及更低之特定吸收率。因此，本發明很適合應用於各種小型化之行動通訊裝置當中。

值得注意的是，以上所述之元件尺寸、元件形狀，以及頻率範圍皆非為本發明之限制條件。天線設計者可以根據不同需要調整這些設定值。本發明之天線結構並不僅限於第1-3圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-3圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之，並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之天線結構當中。

在本說明書以及申請專利範圍中的序數，例如「第一」、「第二」、「第三」等等，彼此之間並沒有順序上的先後關係，其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧天線結構

110‧‧‧接地元件

115‧‧‧接地元件之缺口

120‧‧‧第一輻射支路

121‧‧‧第一輻射支路之第一端

122‧‧‧第一輻射支路之第二端

130‧‧‧第二輻射支路

131‧‧‧第二輻射支路之第一端

132‧‧‧第二輻射支路之第二端

151‧‧‧虛線框

190‧‧‧信號源

H1‧‧‧第一高度

H2‧‧‧第二高度

Claims (8)

1. 一種天線結構，包括：一接地元件；一第一輻射支路，具有一第一端和一第二端，其中該第一輻射支路之該第一端係耦接至一信號源，而該第一輻射支路之該第二端為一開路端；以及一第二輻射支路，具有一第一端和一第二端，其中該第二輻射支路之該第一端係耦接至該信號源，而該第二輻射支路之該第二端係耦接至該接地元件；其中該第二輻射支路之長度係大致等同於該第一輻射支路之長度；其中該第一輻射支路係激發產生一低頻頻帶，該第二輻射支路係激發產生一高頻頻帶，該低頻頻帶約介於2400MHz至2500MHz之間，而該高頻頻帶約介於5150MHz至5850MHz之間；其中該高頻頻帶之一電流最大值處係位於該第二輻射支路上，以降低該天線結構於該高頻頻帶之一特定吸收率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該第一輻射支路大致為一倒C字形。
3. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該第二輻射支路大致為一倒J字形。
4. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該第一輻射支路於該接地元件上具有一第一高度，該第二輻射支路於該接地元件上具有一第二高度，而該第二高度係小於該第一高度 之0.5倍。
5. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，更包括：一第三輻射支路，具有一第一端和一第二端，其中該第三輻射支路之該第一端係耦接至該第一輻射支路之一中間部份，而該第三輻射支路之該第二端為一開路端。
6. 如申請專利範圍第5項所述之天線結構，其中該第三輻射支路大致為一直條形。
7. 如申請專利範圍第5項所述之天線結構，其中該第一輻射支路於該接地元件上具有一第一高度，該第三輻射支路於該接地元件上具有一第三高度，而該第三高度約為該第一高度之0.5倍至1倍。
8. 如申請專利範圍第5項所述之天線結構，其中該第三輻射支路係用於調整該高頻頻帶之阻抗匹配。