TWI540789B - 寬頻天線及無線通訊裝置 - Google Patents

Description

寬頻天線及無線通訊裝置

本發明係指一種寬頻天線及無線通訊裝置，尤指一種利用金屬邊框的一部分作為天線本體，且可符合產品機構之寬頻天線及無線通訊裝置。

天線係用來發射或接收無線電波，以傳遞或交換無線電訊號。一般具無線通訊功能的電子產品，如筆記型電腦、個人數位助理(Personal Digital Assistant)等，通常透過內建之天線來存取無線網路。而隨著無線通訊技術的演進，不同無線通訊系統的操作頻率可能不同，因此，理想的天線應能以單一天線涵蓋不同無線通訊網路所需的頻帶。

現今大部分可攜式無線通訊裝置為兼顧美觀、耐用性等，常使用金屬殼體或外框，因此當天線整合入可攜式無線通訊裝置時，往往會因金屬殼體或外框的影響，而遭遇天線增益降低或不穩定的問題。在此情形下，天線設計者除了需面對寬頻需求的挑戰外，尚需考慮與金屬外框的整合性。

因此，如何將天線與金屬外框環境結合，設計為具有寬頻特性之寬頻天線，同時滿足無線通訊裝置的空間限制，已成為業界所努力的目標之一。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種利用金屬邊框的一部分作為天線本體，且可符合產品機構之寬頻天線及無線通訊裝置。

本發明揭露一種寬頻天線，包含有一第一輻射體，構成一金屬外框的一部份，用來共振一射頻訊號的一第一訊號分量；一第二輻射體，設置於該金屬外框所環繞之區域內，用來共振該射頻訊號的一第二訊號分量；以 及一饋入端，電性連接於該第二輻射體與一接地部之間，用來饋入該射頻訊號；其中，該第一輻射體與該第二輻射體間隔一距離，該距離使該第一輻射體與該第二輻射體產生耦合作用，以使該第一訊號分量經由該第二輻射體耦合饋入至該第一輻射體。

本發明另揭露一種無線通訊裝置，包含有一金屬外框；一天線，包含有一第一輻射體，構成該金屬外框的一部份，用來共振一射頻訊號的一第一訊號分量；一第二輻射體，設置於該金屬外框所環繞之區域內，用來共振該射頻訊號的一第二訊號分量；以及一饋入端，電性連接於該第二輻射體與一接地部之間，用來饋入該射頻訊號；其中，該第一輻射體與該第二輻射體間隔一距離，該距離使該第一輻射體與該第二輻射體產生耦合作用，以使該第一訊號分量經由該第二輻射體耦合饋入至該第一輻射體。

MS‧‧‧無線通訊裝置

HUS‧‧‧殼體

10、40、50‧‧‧天線

11、12、51、52‧‧‧輻射體

121、122、141、142‧‧‧支臂

13‧‧‧饋入端

14、44‧‧‧寄生輻射體

LG‧‧‧距離

L11、L51、L121、L122‧‧‧長度

GND‧‧‧接地部

FRM‧‧‧金屬外框

GP1、GP2‧‧‧接地端

RF_sig‧‧‧射頻訊號

X、Y‧‧‧方向

第1圖為本發明實施例一無線通訊裝置之示意圖。

第2圖為本發明實施例第1圖之天線之結構示意圖。

第3圖為本發明實施例第1圖之天線之電壓駐波比示意圖。

第4圖為本發明實施例另一天線之結構示意圖。

第5圖為本發明實施例另一天線之結構示意圖。

請參考第1圖，其為本發明實施例一無線通訊裝置MS之示意圖。為便於說明，無線通訊裝置MS為一手持式行動裝置，然而不限於此，無線通訊裝置MS亦可以是平板電腦、筆記型電腦、個人數位助理或是任何具有無線通訊功能之電子裝置。無線通訊裝置MS包含有一金屬外框FRM、一殼體HUS以及一天線10。金屬外框FRM構成殼體HUS的一部分，其完整無缺口或一體成形地環繞無線通訊裝置MS周圍。殼體HUS上設置有一接地部GND(未繪於第1圖)，用來提供接地。天線10用來收發無線訊號，以實現 無線通訊。

詳細來說，請參考第2圖，其為天線10之結構示意圖。如第2圖所示，天線10包含有二主要輻射體11、12以及一饋入端13及一寄生輻射體14。輻射體11用來共振一射頻訊號RF_sig的低頻訊號分量(本實施例為699~960MHz)。輻射體12設置於金屬外框FRM所環繞之區域內，用來共振射頻訊號RF_sig的高頻訊號分量(本實施例為1710~2700MHz)。饋入端13電性連接於輻射體12與接地部GND之間，用來饋入射頻訊號RF_sig。輻射體11與12間隔一距離LG，在特定距離LG下，可使輻射體11與12之間產生耦合作用，讓射頻訊號RF_sig經由輻射體12耦合饋入至輻射體11，或由輻射體11耦合傳遞至輻射體12。

在操作上，當無線通訊裝置MS發射無線訊號時，射頻訊號RF_sig饋入至饋入端13，射頻訊號RF_sig的高頻訊號分量直接透過輻射體12輻射至空中，且低頻訊號分量同時透過輻射體12耦合饋入至輻射體11，而使輻射體11得以輻射低頻訊號分量至空中。反之，當無線通訊裝置MS接收無線訊號時，輻射體11及12分別由空中感應射頻訊號RF_sig的低、高頻訊號分量，輻射體11經由耦合作用將低頻訊號分量耦合傳送至輻射體12，低、高頻訊號分量接著由饋入端13傳送至後端射頻處理模組，以進一步執行訊號分析及解調等動作。如此一來，天線10可同時透過輻射體11及12分別收發射頻訊號RF_sig的低、高頻訊號分量，以進行無線通訊。

值得注意的是，在外觀上，輻射體11係為金屬外框FRM的一部份；或者，換個角度而言，本發明係利用金屬外框FRM的一部份作為天線10的主要輻射體11。因此，本發明可充分利用無線通訊裝置MS的機構元件，讓金屬外框FRM不僅具有美觀、耐用性等功用，亦可用來共振無線訊號，以將天線10巧妙地整合入無線通訊裝置的外觀造型。

由上述可知，本發明利用金屬外框FRM的一部份作為天線10的主要輻射體11，同時將另一主要輻射體12設置於金屬外框FRM所環繞之區 域內，當輻射體11與12之間具有特定距離LG時，可使輻射體11與12之間產生耦合作用，讓射頻訊號RF_sig的低頻訊號分量透過耦合作用傳遞於輻射體11及12之間。如此一來，金屬外框FRM即可用來共振無線訊號，以將天線10巧妙地整合入無線通訊裝置的外觀造型。

請注意，由於輻射體11為天線10的主要輻射體(其可視為天線10本體的一部份)，並非額外增加的寄生輻射體，因此若將輻射體11(或金屬外框FRM)移除，則無法讓天線10產生用來共振低頻訊號分量的共振模態。換言之，輻射體11(或金屬外框FRM)為天線10之必要元件，必須與輻射體12相互配合才得以讓天線10產生低頻共振模態以進行無線通訊。

進一步地，輻射體11的一端電性連接於一接地端GP1，另一端電性連接於一接地端GP2；其中輻射體11經由接地端GP1及GP2耦接至接地部GND。輻射體11具有一長度L11，其係由接地端GP1延伸至接地端GP2的長度。

長度L11相關於射頻訊號RF_sig的低頻訊號分量之頻率大小，其中長度L11的大小取決於接地端GP1及GP2的位置。由於長度L11對應於輻射體11所提供的電流路徑長度，在輻射體11所提供的電流路徑長度對應於低頻訊號分量之操作頻率的情況下，當低頻訊號分量耦合饋入至輻射體11時，輻射體11可產生對應於低頻訊號分量之操作頻率的共振模態，以將低頻訊號分量輻射至空中。同時，低頻訊號分量在輻射體11上的回返電流可經由接地端GP1及GP2回流至接地部GND。在上述架構下，輻射體11提供了低頻訊號分量環狀式電流路徑，因此天線10可視為一耦合饋入式環狀天線。

另一方面，輻射體12包含有支臂121以及122。支臂121電性連接於饋入端13，由饋入端13沿方向X延伸至支臂122。支臂122電性連接於支臂121，由靠近支臂121的末端沿方向Y延伸。支臂121具有一長度L121，其係由饋入端13延伸至支臂122的長度；支臂122具有一長度L122，其係由靠近支臂121的末端沿方向Y延伸至另一末端的長度。

長度L121與長度L122之總和相關於射頻訊號RF_sig的高頻訊號分量之操作頻率大小。由於長度L121與長度L122之總和對應於輻射體12所提供的電流路徑長度，在輻射體12所提供的電流路徑長度對應於高頻訊號分量之操作頻率的情況下，當高頻訊號分量饋入輻射體12時，輻射體12可產生對應於高頻訊號分量之操作頻率的共振模態，以將高頻訊號分量輻射至空中。

除此之外，長度L122相關於輻射體12將低頻訊號分量耦合至輻射體11的耦合量。輻射體11與12相鄰的接面形成了平行電容板之結構，當長度L122長度越長時，可增加該平行電容板之等效電容值，如此相當於降低低頻訊號分量之耦合路徑阻抗，因而增加低頻訊號分量耦合至輻射體11的耦合量。反之，當長度L122長度越短時，則降低該平行電容板之等效電容值，如此相當於增加低頻訊號分量之耦合路徑阻抗，因而降低低頻訊號分量耦合至輻射體11的耦合量。

天線10之寄生輻射體14用來產生另一共振模態，除了可增加天線10的操作頻寬，例如增進高頻操作頻帶的頻寬，如此亦可增進輻射體12與射頻訊號RF_sig的高頻訊號分量之匹配，以達到增加頻寬之目的。寄生輻射體14包含有一支臂141以及一支臂142。支臂141電性連接於接地部GND，由接地部GND沿方向X延伸，其中支臂121設置於支臂141與輻射體11之間。支臂142電性連接於支臂141，由支臂141沿方向Y延伸，且設置於支臂141與支臂122之間。

請參考第3圖，其為天線10之電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)之示意圖。如第3圖所示，寬頻天線10在低頻頻帶(本實施例為699~960MHz)以及高頻頻帶(本實施例為1710~2700MHz)的電壓駐波比大致小於3。因此，本發明之天線10可操作於兩個以上的操作頻帶，以具有寬頻之特性。於本實施例中，輻射體11可提供較長的電流路徑，因此低頻頻帶對應於低頻訊號分量之操作頻率；而輻射體12則提供較短的電流路徑， 因此高頻頻帶對應於高頻訊號分量之操作頻率。

請注意，本發明利用金屬外框FRM的一部份作為天線10的主要輻射體11(即天線本體)，同時透過輻射體11與12之間的耦合作用，讓射頻訊號RF_sig的低頻訊號分量傳遞於輻射體11及12之間。如此一來，金屬外框FRM即可用來共振無線訊號，以將天線10巧妙地整合入無線通訊裝置的外觀造型。舉凡符合上述架構之天線皆屬本發明之範疇，而不限於本實施例。

舉例來說，舉凡有關於天線之輻射體11及12的尺寸大小無所限制，天線設計者可視實際需要的操作頻段進行調整。例如，天線設計者可根據低頻訊號分量之操作頻率，調整長度L11，如此相當於調整接地端GP1及GP2的位置(即金屬外框FRM的接地位置)，以使輻射體11提供的電流路徑長度匹配低頻訊號分量之操作頻率。天線設計者亦可根據高頻訊號分量之操作頻率，調整長度L121、L122之總和，以使輻射體12提供的電流路徑長度匹配高頻訊號分量之操作頻率。

輻射體11及12相對位置皆無所限制，天線設計者可調整輻射體11與12之間的距離LG及長度L122二者或二者之一，以調整輻射體12將低頻訊號分量耦合至輻射體11的耦合量。

或者，於本實施例中，輻射體12設置於靠近輻射體11之轉折處，以使輻射體12的支臂122在相鄰輻射體11之轉折處的末端產生微量的耦合作用，如此亦可增加低頻訊號分量耦合至輻射體11的耦合量。當然，天線設計者亦可將輻射體12沿方向Y平移，以調整低頻訊號分量耦合至輻射體11的耦合量。

除此之外，寄生輻射體的配置方式無所限制，天線設計者可視情況增加或移除寄生輻射體，或設計寄生輻射體的尺寸形狀，來調整天線10整體與射頻訊號RF_sig之匹配，以適應不同應用需求。

舉例來說，請參考第4圖，其為本發明實施例另一天線40之結構示意圖。天線40另包含一寄生輻射體44。寄生輻射體44電性連接於接地部 GND，由接地部GND沿方向X延伸，且設置於支臂121與輻射體11之間。寄生輻射體44用來產生另一共振模態，除了可增加天線10的操作頻寬，例如增加高頻操作頻帶的頻寬，如此亦可增進輻射體12與射頻訊號RF_sig的高頻訊號分量之匹配，以達到增加頻寬之目的。

輻射體12的形狀不限於第2、4圖中所繪示的長方形，亦可為其他規則或不規則形狀。或者，金屬外框FRM的形狀亦無所限，其可為矩形、橢圓形、圓形等規則形狀或為其他不規則形狀。只要輻射體12與輻射體11(即金屬外框FRM的一部份)之間存有特定間距LG，讓輻射體11與12之間產生足夠耦合量即可。

舉例來說，請參考第5圖，其為本發明實施例另一天線50之結構示意圖。如第5圖所示，天線50的輻射體51(即金屬外框FRM的一部份)具有二圓弧形狀的彎折。在此架構下，天線50的輻射體52在靠近圓弧彎折的末端亦呈現圓弧形狀，讓輻射體51與52在圓弧彎折處以及平行方向Y的相鄰接面保持固定距離LG，因此輻射體51與52之間可產生適當的耦合量以傳遞低頻訊號分量。如此一來，輻射體52即可適應金屬外框FRM(或輻射體51)的機構設計，以將天線50巧妙地整合入無線通訊裝置的外觀造型。請注意，在輻射體51與第2圖之輻射體11形狀不同的情況下，天線設計者可調整接地端GP1及GP2的位置，使得輻射體51的長度L51(即所提供的電流路徑長度)匹配射頻訊號RF_sig的低頻訊號分量，以將低頻訊號分量輻射至空中。

總而言之，本發明利用金屬外框的一部份作為天線的主要輻射體，同時將另一主要輻射體設置於金屬外框所環繞之區域內，當二主要輻射體之間具有特定距離時，可使二主要輻射體之間產生耦合作用，讓射頻訊號透過耦合作用傳遞於二主要輻射體之間。此外，屬於金屬外框的一部份之輻射體提供了射頻訊號迴圈式電流路徑，因此本發明之天線可視為一耦合饋入式環狀天線。如此一來，金屬外框即可用來收發無線訊號，以將天線巧妙地整合 入無線通訊裝置的外觀造型，進而達到寬頻效果且可符合產品機構。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10‧‧‧天線

11、12‧‧‧輻射體

121、122、141、142‧‧‧支臂

13‧‧‧饋入端

14‧‧‧寄生輻射體

LG‧‧‧距離

L11、L121、L122‧‧‧長度

FRM‧‧‧金屬外框

GND‧‧‧接地部

GP1、GP2‧‧‧接地端

RF_sig‧‧‧射頻訊號

X、Y‧‧‧方向

Claims (18)

1. 一種寬頻天線，包含有：一第一輻射體，構成一金屬外框的一部份，用來共振一射頻訊號之一第一訊號分量；一第二輻射體，設置於該金屬外框所環繞之一區域內，用來共振該射頻訊號之一第二訊號分量；以及一饋入端，電性連接於該第二輻射體與一接地部之間，用來饋入該射頻訊號；其中，該第一輻射體與該第二輻射體間隔一距離，該距離使該第一輻射體與該第二輻射體產生耦合作用，以使該射頻訊號之該第一訊號分量經由該第二輻射體耦合饋入至該第一輻射體。
2. 如請求項1所述之寬頻天線，其中該第一輻射體的一端電性連接於一第一接地端，另一端電性連接於一第二接地端；其中該第一輻射體經由該第一、第二接地端耦接至該接地部。
3. 如請求項2所述之寬頻天線，其中該第一輻射體具有一第一長度，其係由該第一接地端延伸至該第二接地端的長度；其中該第一長度相關於該射頻訊號的該第一訊號分量之頻率大小。
4. 如請求項1所述之寬頻天線，其中該第二輻射體包含有：一第一支臂，電性連接於該饋入端，由該饋入端沿一第一方向延伸；以及一第二支臂，電性連接於該第一支臂，由該第一支臂沿一第二方向延伸；其中，該第一方向與該第二方向垂直。
5. 如請求項4所述之寬頻天線，其中該第一支臂具有一第一長度，該第一長度係由該饋入端延伸至該第二支臂的長度；該第二支臂具有一第二長度，該第二長度係由該第二支臂之一末端沿該第二方向延伸至另一末端 的長度，該第二長度相關於該射頻訊號之該第一訊號分量耦合饋入該第一輻射體的能量大小，以及該第一長度與該第二長度之總和相關於該射頻訊號之該第二訊號分量之頻率大小。
6. 如請求項4所述之寬頻天線，其另包含一第一寄生輻射體，包含有：一第三支臂，電性連接於該接地部，由該接地部沿該第一方向延伸，其中該第一支臂設置於該第三支臂與該第一輻射體之間；以及一第四支臂，電性連接於該第三支臂，由該第三支臂沿該第二方向延伸，且設置於該第三支臂與該第二支臂之間。
7. 如請求項6所述之寬頻天線，其另包含一第二寄生輻射體，電性連接於該接地部，由該接地部沿該第一方向延伸，且設置於該第一支臂與該第一輻射體之間。
8. 如請求項1所述之寬頻天線，其用於包含有該金屬外框之一無線通訊裝置，該無線通訊裝置包含有一殼體；該金屬外框構成該殼體的一部分，且完整無缺口或一體成形地環繞該無線通訊裝置。
9. 如請求項1所述之寬頻天線，其為一耦合饋入式環狀天線。
10. 一種無線通訊裝置，包含有：一金屬外框；一天線，包含有：一第一輻射體，構成該金屬外框的一部份，用來共振一射頻訊號之一第一訊號分量；一第二輻射體，設置於該金屬外框所環繞之一區域內，用來共振該射頻訊號之一第二訊號分量；以及一饋入端，電性連接於該第二輻射體與一接地部之間，用來饋入該射頻訊號；其中，該第一輻射體與該第二輻射體間隔一距離，該距離使該第一輻射體與該第二輻射體產生耦合作用，以使該射頻訊號之該第一訊號分 量經由該第二輻射體耦合饋入至該第一輻射體。
11. 如請求項10所述之無線通訊裝置，其中該第一輻射體的一端電性連接於一第一接地端，另一端電性連接於一第二接地端；其中該第一輻射體經由該第一、第二接地端耦接至該接地部。
12. 如請求項11所述之無線通訊裝置，其中該第一輻射體具有一第一長度，其係由該第一接地端延伸至該第二接地端的長度；其中該第一長度相關於該射頻訊號的該第一訊號分量之頻率大小。
13. 如請求項10所述之無線通訊裝置，其中該第二輻射體包含有：一第一支臂，電性連接於該饋入端，由該饋入端沿一第一方向延伸；以及一第二支臂，電性連接於該第一支臂，由該第一支臂沿一第二方向延伸；其中，該第一方向與該第二方向垂直。
14. 如請求項13所述之無線通訊裝置，其中該第一支臂具有一第一長度，該第一長度係由該饋入端延伸至該第二支臂的長度；該第二支臂具有一第二長度，該第二長度係由該第二支臂之一末端沿該第二方向延伸至另一末端的長度，該第二長度相關於該射頻訊號之該第一訊號分量耦合饋入該第一輻射體的能量大小，以及該第一長度與該第二長度之總和相關於該射頻訊號之該第二訊號分量之頻率大小。
15. 如請求項13所述之無線通訊裝置，其中該天線另包含一第一寄生輻射體，包含有：一第三支臂，電性連接於該接地部，由該接地部沿該第一方向延伸，其中該第一支臂設置於該第三支臂與該第一輻射體之間；以及一第四支臂，電性連接於該第三支臂，由該第三支臂沿該第二方向延伸，且設置於該第三支臂與該第二支臂之間。
16. 如請求項15所述之無線通訊裝置，其中該天線另包含一第二寄生輻射體，電性連接於該接地部，由該接地部沿該第一方向延伸，且設置於該第一 支臂與該第一輻射體之間。
17. 如請求項10所述之無線通訊裝置，其包含有一殼體；該金屬外框構成該殼體的一部分，且完整無缺口或一體成形地環繞該無線通訊裝置。
18. 如請求項10所述之無線通訊裝置，其中該天線為一耦合饋入式環狀天線。