TWI539678B - 通訊裝置 - Google Patents

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TWI539678B TW103117263A TW103117263A TWI539678B TW I539678 B TWI539678 B TW I539678B TW 103117263 A TW103117263 A TW 103117263A TW 103117263 A TW103117263 A TW 103117263A TW I539678 B TWI539678 B TW I539678B
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole

Description

通訊裝置
本發明係關於一種通訊裝置，特別係關於一種包括小型化雙寬頻單極天線元件(Small-size Dual-wideband Monopole Antenna Element)之通訊裝置。
近年來，行動通訊裝置之天線元件為達成小型化及多頻帶之特性，通常會採用主動式切換開關。藉由操作主動式切換開關，天線元件可於各個頻帶中切換至不同之匹配電路，或是重組天線元件本身來得到不同之共振路徑，從而達成多頻帶之天線設計。然而，由於主動式切換開關之電路設計較為複雜，其常會導致整體天線系統之複雜度及成本上升，並容易降低天線元件之輻射效率。因此，如何改善行動通訊裝置中主動式切換開關之缺點，已成為現今天線設計者之一大挑戰。
本發明提供一種通訊裝置，其包括一小型化雙寬頻單極天線元件。此種天線元件可於小尺寸結構下，涵蓋LTE/WWAN(Long Term Evolution/Wireless Wide Area Network)頻帶(例如：約介於698MHz至960MHz之間，以及約介於1710MHz至2690MHz之間)之雙寬頻操作。
在較佳實施例中，本發明提供一種通訊裝置，包 括：一接地元件；以及一天線元件，包括一金屬部，其中該金屬部係鄰近於該接地元件之一邊緣，該天線元件具有一饋入點，該金屬部具有一第一連接點及一第二連接點，該饋入點係經由一電感元件耦接至該第一連接點，以形成一第一饋入支路，該饋入點更經由一電容元件耦接至該第二連接點，以形成一第二饋入支路，而該饋入點更經由一匹配電路耦接至一訊號源。
在一些實施例中，該天線元件係操作於一第一頻帶及一第二頻帶，其中該第一頻帶之頻率係低於該第二頻帶之頻率。在一些實施例中，該第一頻帶約介於698MHz至960MHz之間，而該第二頻帶約介於1710MHz至2690MHz之間。藉由適當地選擇該電容元件之電容值(Capacitance)及該電感元件之電感值(Inductance)，當該天線元件操作於該第一頻帶時，例如：在該第一頻帶中，該電容元件之電抗值(Reactance)之絕對值可以大於該電感元件之電抗值之絕對值。另外，當該天線元件操作於該第二頻帶時，例如：在該第二頻帶中，該電容元件之電抗值之絕對值可以小於該電感元件之電抗值之絕對值。由於來自該訊號源之饋入電流主要係由電抗值較低之饋入支路通過，因此，當該天線元件操作於該第一頻帶(低頻頻帶)時，該金屬部主要經由該第一饋入支路(包括該電感元件之饋入支路)從該訊號源接收饋入能量。反之，當該天線元件操作於該第二頻帶(高頻頻帶)時，該金屬部主要經由該第二饋入支路(包括該電容元件之饋入支路)從該訊號源接收饋入能量。本發明之該天線元件可以在僅有被動元件之設計下，於低頻頻帶中切換至該第一饋入支路，於高頻頻帶中切換至該第二饋入支路，從而可激 發不同共振路徑並涵蓋雙頻帶操作。
值得注意的是，該第一饋入支路之該電感元件所提供之電感值可以有效降低該金屬部操作於該第一頻帶時所需之共振長度，因此該天線元件可具有小型化之優點。在一些實施例中，該金屬部之長度係小於該第一頻帶之最低頻率之1/8倍波長(0.125λ)，其遠小於傳統設計所需之1/4倍波長(0.25λ)。
當該天線元件操作於該第二頻帶時，該電感元件所提供之電抗值將會隨著頻率之上升而增加，故其具有高電抗值。相反地，該電容元件所提供之電抗值將會隨著頻率之上升而減少，故其具有較低之電抗值。因此，在該第二頻帶中，該訊號源之饋入能量主要經由該第二饋入支路於該第二連接點饋入該金屬部。在一些實施例中，該電容元件可以為一晶片電容器(Chip Capacitor)或是一分布式電容器(Distributed Capacitor)。在一些實施例中，該電容元件、該電感元件，以及該匹配電路可以整合於同一介質基板(Dielectric Substrate)上，並皆設置於該金屬部與該接地元件之該邊緣之間。在一些實施例中，該匹配電路可以同時使得該第一頻帶及該第二頻帶之頻寬增加。在一些實施例中，該天線元件僅佔據尺寸約為10×30mm2之狹小淨空區間，即可涵蓋約由698MHz至960MHz以及約由1710MHz至2690MHz之雙寬頻操作。
100、400、500‧‧‧通訊裝置
10‧‧‧接地元件
101‧‧‧接地元件之邊緣
11、41、51‧‧‧天線元件
12‧‧‧金屬部
121‧‧‧第一連接點
122‧‧‧第二連接點
13、43‧‧‧饋入點
14、44‧‧‧電感元件
15、45‧‧‧電容元件
16、46‧‧‧匹配電路
17‧‧‧訊號源
21‧‧‧第一頻帶
22‧‧‧第二頻帶
31、32‧‧‧天線效率曲線
55‧‧‧分布式電容器
551‧‧‧電容耦合金屬片
第1圖係顯示根據本發明第一實施例所述之通訊裝置之示 意圖；第2圖係顯示根據本發明第一實施例所述之通訊裝置之天線元件之返回損失圖；第3圖係顯示根據本發明第一實施例所述之通訊裝置之天線元件之天線效率圖；第4圖係顯示根據本發明第二實施例所述之通訊裝置之示意圖；以及第5圖係顯示根據本發明第三實施例所述之通訊裝置之示意圖。
為讓本發明之上述目的、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第一實施例所述之通訊裝置100之示意圖。通訊裝置100可以是一智慧型手機(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，通訊裝置100至少包括一接地元件10以及一天線元件11。天線元件11包括一金屬部12，並具有一饋入點13。金屬部12係鄰近於接地元件10之一邊緣101。金屬部12具有一第一連接點121及一第二連接點122，其中饋入點13係經由一電感元件14耦接至第一連接點121，以形成一第一饋入支路，而饋入點13更經由一電容元件15耦接至第二連接點122，以形成一第二饋入支路。亦即，第一饋入支路和第二饋入支路係並聯耦接於金屬部12和饋入點13之間。電感 元件14可以是一晶片電感器(Chip Inductor)，而電容元件15可以是一晶片電容器(Chip Capacitor)。饋入點13更經由一匹配電路16耦接至一訊號源17。訊號源17可以是通訊裝置100之一射頻(Radio Frequency，RF)模組，其可產生一饋入訊號來激發天線元件11。匹配電路16可以包括一或複數個電感器和電容器，以調整天線元件11之阻抗匹配。必須注意的是，通訊裝置100更可包括其他元件，例如：一觸控面板、一處理器、一揚聲器、一電池，以及一外殼(未顯示)。
第2圖係顯示根據本發明第一實施例所述之通訊裝置100之天線元件11之返回損失(Return Loss)圖。在一些實施例中，通訊裝置100之元件尺寸和元件參數可如下列所述。接地元件10之長度約為200mm，寬度約為150mm。天線元件11所佔據之一淨空區間其長度約為30mm，寬度約為10mm。金屬部12之長度約為30mm。電感元件14之電感值約為8nH。電容元件15之電容值約為0.9pF。根據第2圖之量測結果，當天線元件11由訊號源17所激發時，天線元件11至少可操作於一第一頻帶21和一第二頻帶22。舉例而言，第一頻帶21可以涵蓋約介於698MHz至960MHz之間之頻率範圍，而第二頻帶22可以涵蓋約介於1710MHz至2690MHz之間之頻率範圍。更詳細而言，電感元件14之電抗值和電容元件15之電抗值會隨著天線元件11之操作頻率不同而發生變化。在第一頻帶21中，電容元件15之電抗值之絕對值可以大於電感元件14之電抗值之絕對值。在第二頻帶22中，電容元件15之電抗值之絕對值可以小於電感元件14之電抗值之絕對值。必須注意的是，來自訊號源17之饋入電流 主要係由電抗值較低之饋入支路通過，因此，當天線元件11操作於第一頻帶21時，金屬部12主要係經由第一饋入支路(包括電感元件14之饋入支路)從訊號源17接收饋入能量，而當天線元件11操作於第二頻帶22時，金屬部12主要係經由第二饋入支路(包括電容元件15之饋入支路)從訊號源17接收饋入能量。電感元件14所提供之電感值更可降低金屬部12操作於第一頻帶21時所需之共振長度。舉例而言，金屬部12之長度可以小於第一頻帶21之最低頻率之1/8倍波長。匹配電路16可使得第一頻帶21及第二頻帶22之頻寬皆增加。因此，本發明之天線元件11可於小尺寸結構下涵蓋LTE/WWAN之雙寬頻帶操作。
第3圖係顯示根據本發明第一實施例所述之通訊裝置100之天線元件11之天線效率(Antenna Efficiency)圖。前述之天線效率為已包含返回損失之輻射效率。根據第3圖之量測結果，天線元件11於第一頻帶21中(約介於698MHz至960MHz之間)之天線效率曲線31約介於60%至75%之間，而天線元件11於第二頻帶22中(約介於1710MHz至2690MHz之間)之天線效率曲線32約介於73%至97%之間。因此，天線元件11之天線效率已可符合行動通訊裝置之實際應用需求。
第4圖係顯示根據本發明第二實施例所述之通訊裝置400之示意圖。第4圖與第1圖相似。在第二實施例之通訊裝置400中，一匹配電路46係位於一淨空區間內，而非位於接地元件10上。匹配電路46更與一電感元件44、一電容元件45三者皆設置於同一基板上。第二實施例之通訊裝置400之其餘特徵皆與第一實施例之通訊裝置100相似，故此二實施例均可達 成相似之操作效果。
第5圖係顯示根據本發明第三實施例所述之通訊裝置500之示意圖。第5圖與第1圖相似。在第三實施例之通訊裝置500中，其電容元件為為一分布式電容器55。更詳細而言，分布式電容器55包括一電容耦合金屬片551，其中電容耦合金屬片551與金屬部12之間更形成一耦合間隙。第三實施例之通訊裝置500之其餘特徵皆與第一實施例之通訊裝置100相似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。
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。本發明之通訊裝置及天線元件並不僅限於第1-5圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-5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通訊裝置及天線元件當中。
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‧‧‧通訊裝置
10‧‧‧接地元件
101‧‧‧接地元件之邊緣
11‧‧‧天線元件
12‧‧‧金屬部
121‧‧‧第一連接點
122‧‧‧第二連接點
13‧‧‧饋入點
14‧‧‧電感元件
15‧‧‧電容元件
16‧‧‧匹配電路
17‧‧‧訊號源

Claims (9)

  1. 一種通訊裝置，包括：一接地元件；以及一天線元件，包括一金屬部，其中該金屬部係鄰近於該接地元件之一邊緣，該天線元件具有一饋入點，該金屬部具有一第一連接點及一第二連接點，該饋入點係經由一電感元件耦接至該第一連接點，以形成一第一饋入支路，該饋入點更經由一電容元件耦接至該第二連接點，以形成一第二饋入支路，而該饋入點更經由一匹配電路耦接至一訊號源；其中該金屬部之長度係小於該第一頻帶之最低頻率之1/8倍波長。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該天線元件係操作於一第一頻帶及一第二頻帶，而該第一頻帶之頻率係低於該第二頻帶之頻率。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之通訊裝置，其中該第一頻帶約介於698MHz至960MHz之間，而該第二頻帶約介於1710MHz至2690MHz之間。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之通訊裝置，其中在該第一頻帶中，該電容元件之電抗值之絕對值係大於該電感元件之電抗值之絕對值。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之通訊裝置，其中當該天線元件操作於該第一頻帶時，該金屬部係經由該第一饋入支路從該訊號源接收饋入能量。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之通訊裝置，其中在該第二 頻帶中，該電容元件之電抗值之絕對值係小於該電感元件之電抗值之絕對值。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之通訊裝置，其中當該天線元件操作於該第二頻帶時，該金屬部係經由該第二饋入支路從該訊號源接收饋入能量。
  8. 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器或一分布式電容器。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該匹配電路使得該第一頻帶之頻寬及該第二頻帶之頻寬皆增加。
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