TWI549369B - 通訊裝置 - Google Patents

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Description

通訊裝置
本發明係為一種通訊裝置，特別是一種具有雙寬頻小尺寸天線元件(Dual-Wideband Small-Size Antenna Element)之通訊裝置。
近年來隨著無線通訊技術快速進步，人們對於行動通訊裝置不再僅僅以通話為目的，而是有更多功能上之需求。為了於行動通訊裝置中擺放更多模組元件來支援多種功能，行動通訊裝置內之有限設計空間將顯得越來越珍貴。有鑑於此，如何在行動通訊裝置內設計出一種小尺寸天線元件，其可支援雙寬頻操作，並可用於涵蓋行動通訊之主要操作頻帶，是為現今天線設計者之一大挑戰。
為了解決先前技術之問題，本發明提供一種通訊裝置，其內之一天線元件具有結構簡單以及小尺寸之優點。藉由搭配一電路元件組，該天線元件可輕易地涵蓋至少二寬頻頻帶，且不會佔用太多設計面積。舉例來說，該天線元件可以支援行動通訊裝置於一低頻頻帶(約介於704MHz至960MHz之間)及一高頻頻帶(約介於1710MHz至2690MHz之間)中之雙寬頻操作。
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，包括一金屬部及一電路元件組，其中該金屬部係鄰近於該接地元件之一邊緣，該金屬部與該接地元件不互相重疊，而該電路元件組係大致由該金屬部及該接地元件之該邊緣所包圍；其中該電路元件組包括一第一電路及一第二電路，該第一電路包括一切換開關元件，該第二電路為一電抗電路，該金屬部係經由該第一電路耦接至一第一訊號源，而該金屬部更經由該第二電路耦接至一第二訊號源。
在一些實施例中，該金屬部及該電路元件組係形成或整合於同一介質基板上。因此，該金屬部及該電路元件組可以無須佔用該通訊裝置之該接地元件或一系統電路板上之額外設計空間。該天線元件可於小尺寸之結構下(例如：該天線元件之總面積可僅約為150mm2)即能支援雙寬頻操作。舉例來說，該天線元件可以涵蓋LTE700/GSM850/900之低頻行動通訊頻帶(約介於704MHz至960MHz之間)，以及涵蓋GSM1800/1900/UMTS/LTE2300/2500之高頻行動通訊頻帶(約介於1710MHz至2690MHz之間)。
在一些實施例中，當該切換開關元件導通時，該金屬部係透過該第一電路由該第一訊號源接收饋入能量，並激發產生一第一頻帶。在一些實施例中，當該切換開關元件斷路時，該金屬部係透過該第二電路由該第二訊號源接收饋入能量，並激發產生一第二頻帶，其中該第二頻帶之頻率係低於該第一頻帶之頻率。在一些實施例中，該第一頻帶約介於1710MHz至2690MHz之間，而該第二頻帶約介於704MHz至960MHz之間。 在一些實施例中，該第二電路包括至少一電感元件及一匹配電路，其中該電感元件係串聯耦接至該匹配電路，而該電感元件更耦接至該金屬部。由於該電感元件可以提供額外之一電感值，該金屬部將可於小尺寸之結構下(例如，該金屬部之共振長度可遠小於其中心操作頻帶之四分之一波長(λ/4)或是八分之一波長(λ/8))激發產生位於低頻之該第二頻帶中之一共振模態。當該切換開關元件斷路時，該金屬部與該接地元件可以共同形成一接地面天線元件(Ground Plane Antenna Element)，並可藉由搭配該第二電路之該匹配電路來達成寬頻之低頻操作。在一些實施例中，該匹配電路包括一帶通(Band Pass)匹配電路。
另一方面，當該天線元件操作於高頻之該第一頻帶時(亦即，該切換開關元件導通時)，該電感元件具有高阻抗之特性，並使得該第二電路對於該第一訊號源之高頻饋入訊號而言為一近似開路狀態。因此，該金屬部可以僅單純地透過該第一電路由該第一訊號源接收饋入能量，而不易受到該第二電路及該第二訊號源之影響。
在一些實施例中，該金屬部大致為一倒L字形，而該電路元件組係大致位於該金屬部與該接地元件之該邊緣所包圍之一區間內。在一些實施例中，該第一電路和該第二電路係耦接至該金屬部上之同一饋入點。在一些實施例中，該第一電路和該第二電路係分別耦接至該金屬部上之相異二饋入點。藉由將該金屬部與該電路元件組作緊密地整合，本發明之該天線元件可輕易地設計為具有小型化尺寸結構，其非常適合應用於各種薄型化之行動通訊裝置當中。
100、200、500‧‧‧通訊裝置
10‧‧‧接地元件
101‧‧‧接地元件之邊緣
11、21、51‧‧‧天線元件
12‧‧‧金屬部
13、23、53‧‧‧電路元件組
131、231、531‧‧‧第一電路
132、232、532‧‧‧第二電路
133、233、533‧‧‧切換開關元件
134、234、236、534‧‧‧電感元件
135、235、535‧‧‧匹配電路
14、541、542‧‧‧饋入點
15‧‧‧第一訊號源
16‧‧‧第二訊號源
237‧‧‧電容元件
31‧‧‧天線元件由第一訊號源激發時之返回損失曲線
32‧‧‧天線元件由第二訊號源激發時之返回損失曲線
33‧‧‧第一頻帶
34‧‧‧第二頻帶
41‧‧‧第一頻帶之天線效率曲線
42‧‧‧第二頻帶之天線效率曲線
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二實施例所述之通訊裝置之示意圖；第3圖係顯示根據本發明第二實施例所述之通訊裝置之天線元件之返回損失圖；第4圖係顯示根據本發明第二實施例所述之通訊裝置之天線元件之天線效率圖；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及一天線元件11。天線元件11包括一金屬部12及一電路元件組13。金屬部12及電路元件組13可以形成或整合於同一介質基板上，例如：一FR4(Flame Retardant4)基板。金屬部12係鄰近於接地元件10之一邊緣101，而金屬部12與接地元件 10係彼此不互相重疊。金屬部12可以大致為一倒L字形。電路元件組13可以大致位於金屬部12與接地元件10之邊緣101所包圍之一區間內，或是可以大致位於倒L字形之金屬部12之一角落缺口內。電路元件組13包括一第一電路131及一第二電路132。更詳細地說，第一電路131包括一切換開關元件133，而第二電路132為一電抗電路(Reactance Circuit)。切換開關元件133可以用一傳輸閘(Transmission Gate)或是一電晶體實施之，並可由一處理器(未顯示)根據一使用者輸入或一控制訊號來進行切換。第二電路132可以包括至少一電感元件134及一匹配電路135，其中電感元件134可以串聯耦接至匹配電路135，而電感元件134更可直接耦接至金屬部12。電感元件134可以是形成於一介質基板上之一分布式電感器(Distibuted Inductor)，而匹配電路135可以包括一或複數個電感器或(且)電容器，例如：晶片電感器或(且)晶片電容器。金屬部12上之一饋入點14係經由第一電路131耦接至一第一訊號源15，而金屬部12上之饋入點14更經由第二電路132耦接至一第二訊號源16。第一訊號源15和第二訊號源16可以是相異二射頻(Radio Frequency)模組，其可分別產生用於激發天線元件11之一高頻饋入訊號和一低頻饋入訊號。當切換開關元件133導通時，金屬部12可透過第一電路131由第一訊號源15接收饋入能量，並可激發產生一高頻頻帶；而當切換開關元件133斷路時，金屬部12可透過第二電路132由第二訊號源16接收饋入能量，並可激發產生一低頻頻帶。必須注意的是，除了前述元件以外，通訊裝置100更可包括其他功能元件，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二實施例所述之通訊裝置200之示意圖。第2圖基本上與第1圖相似。兩者之主要差異在於，在通訊裝置200之一天線元件21中，一電路元件組23之一第二電路232之一匹配電路235包括一帶通(Band Pass)匹配電路。更詳細地說，此帶通匹配電路可以包括至少一電感元件236及一電容元件237(例如：一晶片電感器和一晶片電容器)，其中電感元件236和電容元件237可以並聯耦接於第二電路232之一電感元件234和接地面10之邊緣101之間，而此種設計方式可以更增加天線元件21之操作頻寬。第2圖之通訊裝置200之其餘特徵皆與第1圖之通訊裝置100類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。
第3圖係顯示根據本發明第二實施例所述之通訊裝置200之天線元件21之返回損失(Return Loss)圖。在一些實施例中，通訊裝置200之元件尺寸和元件參數可如下列所述。天線元件21(包括金屬部12及電路元件組23)之長度約為15mm，寬度約為10mm。接地元件10之長度約為200mm，寬度約為150mm。接地元件10之尺寸大致符合一10吋平板電腦之接地面尺寸。第二電路232之電感元件234為形成於一介質基板上之一分布式電感器，其中此分布式電感器之長度約為2mm，寬度約為4mm，而此分布式電感器之一電感值約為35nH。匹配電路235之電感元件236之一電感值約為7.5nH。匹配電路235之電容元件237之一電容值約為2.5pF。根據第3圖之量測結果可知，當一切換開關元件233導通且天線元件21係由第一訊號源15所激發時，天 線元件21可以至少涵蓋包括GSM1800/1900/UMTS/LTE2300/2500頻段(約介於1710MHz至2690MHz之間)之一第一頻帶33(如返回損失曲線31所示)；而當切換開關元件233斷路且天線元件21係由第二訊號源16所激發時，天線元件21可以至少涵蓋包括LTE700/GSM850/900頻段(約介於704MHz至960MHz之間)之一第二頻帶34(如返回損失曲線32所示)。因此，天線元件21可以在小尺寸之結構下支援行動通訊之雙寬頻操作。
第4圖係顯示根據本發明第二實施例所述之通訊裝置200之天線元件21之天線效率(Antenna Efficiency)圖。必須注意的是，前述之天線效率為已包含返回損失之輻射效率。根據第4圖之量測結果可知，當天線元件21係由第一訊號源15所激發時，天線元件21之天線效率於第一頻帶33內皆高於70%(如天線效率曲線41所示)；而當天線元件21係由第二訊號源16所激發時，天線元件21之天線效率於第二頻帶34內約介於35%至63%之間(如天線效率曲線42所示，35%之天線效率出現於700MHz頻率附近)。因此，天線元件21之天線效率已可符合行動通訊裝置之實際應用需要。
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圖基本上與第1圖相似。兩者之主要差異在於，在通訊裝置500之一天線元件51中，一電路元件組53之一第一電路531和一第二電路532係分別耦接至金屬部12上之相異二饋入點541、542。第5圖之通訊裝置500之其餘特徵皆與第1圖之通訊裝置100類似，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、元件參數，以及頻率範圍均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。另外，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
13‧‧‧電路元件組
131‧‧‧第一電路
132‧‧‧第二電路
133‧‧‧切換開關元件
134‧‧‧電感元件
135‧‧‧匹配電路
14‧‧‧饋入點
15‧‧‧第一訊號源
16‧‧‧第二訊號源

Claims (9)

  1. 一種通訊裝置，包括：一接地元件；以及一天線元件，包括一金屬部及一電路元件組，其中該金屬部係鄰近於該接地元件之一邊緣，該金屬部與該接地元件不互相重疊，而該電路元件組係大致由該金屬部及該接地元件之該邊緣所包圍；其中該電路元件組包括一第一電路及一第二電路，該第一電路包括一切換開關元件，該第二電路為一電抗電路，該金屬部係經由該第一電路耦接至一第一訊號源，而該金屬部更經由該第二電路耦接至一第二訊號源；其中該第二電路包括至少一電感元件及一匹配電路，該電感元件係串聯耦接至該匹配電路，而該電感元件更耦接至該金屬部。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中當該切換開關元件導通時，該金屬部係透過該第一電路由該第一訊號源接收饋入能量，並激發產生一第一頻帶。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之通訊裝置，其中當該切換開關元件斷路時，該金屬部係透過該第二電路由該第二訊號源接收饋入能量，並激發產生一第二頻帶，其中該第二頻帶之頻率係低於該第一頻帶之頻率。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之通訊裝置，其中該第一頻帶約介於1710MHz至2690MHz之間，而該第二頻帶約介於704MHz至960MHz之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該匹配電路包括一帶通匹配電路。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該金屬部大致為一倒L字形，而該電路元件組係大致位於該金屬部與該接地元件之該邊緣所包圍之一區間內。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該金屬部及該電路元件組係形成或整合於同一介質基板上。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該第一電路和該第二電路係耦接至該金屬部上之同一饋入點。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該第一電路和該第二電路係分別耦接至該金屬部上之相異二饋入點。
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