TWI552432B - 應用於全金屬機殼之ｌｔｅ/ｗｗａｎ系統之天線裝置 - Google Patents

Description

應用於全金屬機殼之LTE/WWAN系統之天線裝置

本發明是有關於一種天線裝置，特別是指一種應用於全金屬機殼之LTE/WWAN系統之天線裝置。

現今由於行動電話日漸普及，行動電話或是通訊基地台的電磁波對於人體影響的問題一直被環保團體及媒體當作重要議題經常討論之，不時就會見到一些相關研究報告發表，以說明行動電話的電磁波對於人體的影響有多嚴重，根據世界衛生組織的報告顯示，長期暴露於電磁波環境下，確實是有3至5%的人會生產生過敏後果，出現倦怠、疲勞、頭痛、頭暈、耳鳴及失眠等症狀。

一般而言，金屬機殼具有散熱效果佳、強度高、屏蔽電磁波等等優點，因此廣為被行動電話製造商所採用，但是考量到金屬材料會阻隔無線訊號的問題，因此一般行動電話的機身無法採用全金屬材質，需保留適當切口得以收發無線訊號，而正是因為保留之缺口導致電磁輻射人體吸收率(SAR)無法進一步降低。

觀察現今可應用於LTE/WWAN系統之天線設計方法，如：C.T.Lee和K.L.Wong於2010年在IEEE Trans.Antennas Propagation發表之「Planar monopole with a coupling feed and an inductive shorting strip for LTE/GSM/UMTS operation in the mobile phone」文獻，或 是Z.Chen等人於2012年在Progress In Electromagnetics Research發表之「Bandwidth enhancement of LTE/WWAN printed mobile phone antenna using slotted ground structure」文獻，其設計方式皆無法採用全金屬機殼之設計，換言之，現今大多數的習知技藝皆無法可克服金屬機殼須保留切口以收發無線訊號的問題，而如何克服這個問題，已是當前相關領域人士積極改善的重要議題之一。

因此，本發明之目的，即在提供一種應用於全金屬機殼之LTE/WWAN系統之天線裝置，適用於與一電子裝置之金屬機殼電連接，以收發一天線訊號及一接地訊號，其包含：一基板，包括一第一表面及一第二表面；及一訊號饋入元件，設置於該第一表面上，其包括一第一線段、一與該第一線段之一端以相垂直之方式相連接之第二線段，及一設置於該第一線段上之饋入點；一阻抗匹配模組，與該訊號饋入元件電連接；一第一輻射元件，設置於該第一表面上，其包括：一第八線段，一端與該阻抗匹配模組連接；一第九線段，一端與該第八線段之另一端以相垂直之方式相連接；一第十線段，與該第九線段平行且相間隔一第一間距設置之，且該第十線段之一端與該第八線段相連接；一第十一線段，分別與該第九線段、第十線段之一端以相垂直之方式相連接；一第十二線段，與該第九線段平行且相間隔一第二間距設置之，且該第十二線段之一端與該第十一線段 之一端相連接；一第二輻射元件，設置於該第二表面上，其包括：一第十三線段；一第十四線段，一端與該第十三線段之一端以相垂直之方式相連接；及一連結線段，一端與該第十三線段之另一端相連接，且另一端與該第十二線段相連接；及一接地元件，包括一與該第一表面連接之第十五線段及一與該第十五線段連接且接收該接地訊號之接地面；其中，該天線訊號由饋入點饋入後，經由該阻抗匹配模組、該第一輻射元件而輻射出。

於是，本發明之功效在於不但可以應用涵蓋LTE/WWAN通訊系統所規範之八個頻段，同時，其天線增益介於-5.12~3.93dBi，天線效率介於19.6~63.5%等等，相關天線效能參數與當前習知技術相去不遠，而天線面積大小僅為65mm(長)×5mm(寬)，與可應用於LTE/WWAN系統的其他天線面積相比亦相差不多，然而，本發明最重要的特色為，本發明之天線裝置可應用於全金屬機殼設計之電子裝置上，不致因金屬屏蔽效應而遮蔽天線訊號的收發，因此，相較於傳統金屬機殼尚須設置至少一個切口的方式而言，本發明之電磁輻射人體吸收率勢必可以大幅降低，這也是其他習知技術而不可及之處，對於LTE/WWAN等先進通訊系統而言，除了追求系統效能的最佳化之外，仍須兼顧使用者受到電磁波輻射的影響性。

〔本創作〕

51‧‧‧基板

52‧‧‧訊號饋入元件

521‧‧‧第一線段

522‧‧‧第二線段

53‧‧‧阻抗匹配模組

531‧‧‧第三線段

532‧‧‧第四線段

533‧‧‧第五線段

534‧‧‧第六線段

535‧‧‧第七線段

54‧‧‧第一輻射元件

541‧‧‧第八線段

542‧‧‧第九線段

543‧‧‧第十線段

544‧‧‧第十一線段

545‧‧‧第十二線段

55‧‧‧第二輻射元件

551‧‧‧第十三線段

552‧‧‧第十四線段

553‧‧‧連結線段

56‧‧‧接地元件

561‧‧‧第十五線段

562‧‧‧接地面

57‧‧‧開關元件

91‧‧‧金屬機殼

A‧‧‧饋入點

C‧‧‧電容元件

L1‧‧‧第一電感元件

L2‧‧‧第二電感元件

S1‧‧‧第一表面

S2‧‧‧第二表面

d1‧‧‧第一間距

d2‧‧‧第二間距

圖1是本發明之一較佳實施例之上視及側視圖；圖2是該較佳實施例之一第一表面之示意圖；圖3是該較佳實施例之一第二表面之示意圖；圖4是開關元件切換為關閉狀態時，其低頻頻段之反射損失圖；圖5是開關元件切換為關閉狀態時，其中頻頻段之反射損失圖；圖6是開關元件切換為關閉狀態時，其高頻頻段之反射損失圖；圖7是開關元件切換為開啟狀態時，其低頻頻段之反射損失圖；圖8是開關元件切換為開啟狀態時，其中頻頻段之反射損失圖；圖9是開關元件切換為開啟狀態時，其高頻頻段之反射損失圖；圖10是本較佳實施例操作於低頻頻段之天線增益圖；圖11是本較佳實施例操作於中頻頻段之天線增益圖；圖12是本較佳實施例操作於高頻頻段之天線增益圖；圖13是本較佳實施例操作於低頻頻段之天線效率圖；圖14是本較佳實施例操作於中頻頻段之天線效率圖；及圖15是本較佳實施例操作於高頻頻段之天線效率圖。

有關本發明之相關申請專利特色與技術內容，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

聯合參閱圖1、2、3，本發明之一較佳實施例，一種應用於全金屬機殼之LTE/WWAN系統之天線裝置，適 用於與一電子裝置之金屬機殼91電連接，以收發一天線訊號及一接地訊號，其包含：一基板51、一訊號饋入元件52、一阻抗匹配模組53、一第一輻射元件54、一第二輻射元件55、一接地元件56，及一開關元件57。

其中，該基板51具有一第一表面S1及一第二表面S2，且，較佳地，該基板51是一FR4基板。

該訊號饋入元件52、該阻抗匹配模組53及該第一輻射元件54設置於該基板51之第一表面S1上，且該第二輻射元件55、該接地元件56及該開關元件57設置於該基板51之第二表面S2上。

該訊號饋入元件52包括一第一線段521、一第二線段522及一饋入點A。其中，該第一線段521之一端與該第二線段522之一端以相垂直之方式相連接，且該饋入點A設置於該第一線段521不與該第二線段522相連接之另一端上。

該阻抗匹配模組53包括：一第三線段531、一第四線段532、一第五線段533、一第六線段534、一第七線段535、一第一電感元件L1、一第二電感元件L2，及一電容元件C。

其中，該第三線段531之一端與該第四線段532之一端以相垂直之方式相連接，且該第二線段522之另一端連接於該第三線段531上；該第五線段533之一端與該第六線段534之一端以相垂直之方式相連接；該第一電感元件L1之二端分別與該第三線段531之另一端、該第七線段535之一端電連接；該第二電感元件L2之二端分別與該第四線段532之另一端、該第五線段533之另一端電連接；以及，該電容元件C之二端分別與該第七線段535之另一端、該第六線段534之另一端電連接。

該第一輻射元件54包括：一第八線段541、一第九線段542、一第十線段543、一第十一線段544及一第十二線段545。

其中，該第八線段541之一端與該第六線段534相連接，且其另一端與該第九線段542之一端以相垂直之方式相連接，該第十線段543與該第九線段542平行且相間隔一第一間距d1設置之，且該第十線段543之一端與該第八線段541相連接，該第十一線段544分別與該第九線段542、第十線段543之一端以相垂直之方式相連接，該第十二線段545與該第九線段542平行且相間隔一第二間距d2設置之，且該第十二線段542之一端與該第十一線段544之一端相連接。整體而言，該第八線段541、第九線段542、第十線段543概呈一倒F形設置之，且該第九線段542、第十線段543、第十一線段544、第十二線段545概呈一倒E形設置之。

該第二輻射元件55包括：一第十三線段551、一第十四線段552，及一連結線段553。該第十三線段551之一端與該第十四線段552之一端以相垂直之方式相連接，且該第十三線段551之另一端與該連結線段553相連接，而該連結線段553之另一端與該第十二線段545相連接於I點，值得說明的是，該連結線段553是以經由該基板51側緣延伸之方式，有效連接該第一表面S1上之第十二線段545與該第二表面S2上之該第十三線段551。

該接地元件56包括：一第十五線段561及一接地面562，該第十五線段561之一端與該第一表面S1連接，且另一端與該接地面562相連接，另外，該接地面562用以接收該接地訊號(Ground)，且較佳地，其為一矩形平面。

較佳地，在本較佳實施例中，第一線段521至 七線段535長度為2mm，第八線段541長度為1.5mm，第九線段542長度為12.5mm且寬度為5mm，第十線段543長度為12.5mm且寬度為0.5mm，第十一線段544長度為5mm且寬度為2mm，第十二線段545長度為16mm且寬度為1mm，第十三線段551長度為3.5mm且寬度為1mm，第十四線段552長度為10mm且寬度為1mm，第十五線段561長度為5mm。

較佳地，本較佳實施例之天線面積大小為65mm(長)×5mm(寬)，且該基板51之厚度為0.8mm。

該開關元件57設置於該第二表面S2周緣且一端與該電子裝置之金屬機殼91電連接，另一端與該接地面562電連接，可於一開啟狀態(Switch on)與一關閉狀態(Switch off)間切換之。

該天線訊號由該訊號饋入元件52饋入後，經該阻抗匹配模組53進行阻抗匹配後，該天線訊號經由該第一輻射元件54與該第二輻射元件55輻射出，其中，該阻抗匹配模組53可利用調整該第一電感元件L1、該第二電感元件L2，及該電容元件C而調整其共振模態，其調整方式為：

較佳地，該第一電感元件L1為3.9nH，該第二電感元件L2為1.5nH，及該電容元件C為3.3pF，然本專利之有效範圍包括但不限於上述數值範圍，且該等元件之述值可依需求而調整之，以達阻抗匹配之目的。

此外，該開關元件57將該金屬機殼91與該接地面562電連接，使得當該開關元件57切換為該開啟狀態時，其可將高阻抗轉換為低阻抗；反之，當該開關元件57切換為該關閉狀態時，其可將低阻抗轉換為高阻抗。

當該開關元件57切換為開啟狀態時，其適用於一WWAN通訊系統，且其天線訊號之模態激發路徑有二：

其一為天線訊號經由饋入點A饋入並經該阻抗匹配模組53匹配後，由該第一輻射元件54上之B、Q點，傳遞至第二表面S2上之D點，然後再經由該接地元件56之第十五線段上E、F點，最終傳遞至該接地面上G、H點，故其路徑可表示為B→Q→D→E→F→G→H。

其二為天線訊號經由饋入點A饋入並經該阻抗匹配模組53匹配後，由該第一輻射元件54上之B、Q點，傳遞至第一表面S1上之I點，然後再經由該第二輻射元件55之第十三線段551上之J點，傳遞至該第十四線段552上之K點，故其路徑可表示為B→I→J→K。

所以，當該開關元件57切換為開啟狀態時，其模態激發頻率包括：725MHz、1036MHz、1612MHz、2232MHz、2945MHz、3475MHz。

相似地，當該開關元件57切換為關閉狀態時，其適用於一LTE通訊系統，其天線訊號之模態激發路徑有二：

其一為天線訊號經由饋入點A饋入並經該阻抗匹配模組53匹配後，由該第一輻射元件54上之B、Q點，傳遞至第二表面S2上之D點，然後再經由該接地元件56之第十五線段上E、F點，最終傳遞至該接地面上G、H點，故其路徑可表示為B→Q→D→E→F→G→H。

其二為天線訊號經由饋入點A饋入並經該阻抗匹配模組53匹配後，由該第一輻射元件54上之B、Q點，傳遞至第一表面S1上之I點，然後再經由該第二幅射元件55之第十三線段551上之J點，傳遞至該第十四線段552上之K點，故其路徑可表示為B→I→J→K。 抗匹配模組53匹配後，由該第一輻射元件54上之B、Q點，傳遞至第二表面S2上之I點，然後再經由該第二幅射元件55之第十三線段551上之J點，傳遞至該第十四線段552上之K點，故其路徑可表示為B→I→J→K。

所以，當該開關元件57切換為關閉狀態時，其模態激發頻率包括：832MHz、1056MHz、1787MHz、2262MHz、2982MHz、3628MHz。

參閱表1，當該開關元件57切換為關閉狀態時，其低、中、高頻頻段之操作頻寬為：

且其反射損失(Return loss)之波形圖，如圖4、5、6所示。

參閱表2，當該開關元件57切換為開啟狀態時，其低、中、高頻頻段之操作頻寬為：

且其反射損失(Return loss)之波形圖，如圖7、8、9所示。

參閱表3，本較佳實施例分別於低、中、高頻頻段之天線增益(Antenna gain)為：

且其天線增益之波形圖，如圖10、11、12所示。

參閱表4，本較佳實施例分別於低、中、高頻頻段之天線效率(Antenna efficiency)為：

且其天線效率之波形圖，如圖13、14、15所 示。

在本較佳實施例中，由於天線訊號傳遞路徑會經由與金屬機殼91，且該金屬機殼91與該接地面562電連接，因此採用全金屬背蓋方式設計而成亦不會屏蔽天線訊號導致無法收發，因此，相較於現今習知技藝而言，本較佳實施例確實可以有效降低電磁輻射人體吸收率(SAR)，特別是對於經常貼附於耳際之行動電話而言，本較佳實施例可以降低電磁輻射人體吸收率，更有助於行動電話產品可符合更高規格之無線通訊安全規範。

本發明提出一個應用於全金屬機殼之LTE/WWAN系統之天線裝置，其不但可以應用涵蓋LTE/WWAN通訊系統所規範之八個頻段，同時，其天線增益介於-5.12~3.93dBi，天線效率介於19.6~63.5%等等，相關天線效能參數與當前習知技術相去不遠，而天線面積大小僅為65mm(長)×5mm(寬)，與可應用於LTE/WWAN系統的其他天線面積相比亦相差不多，然而，本發明最重要的特色為，本發明之天線裝置可應用於全金屬機殼設計之電子裝置上，不致因金屬屏蔽效應而遮蔽天線訊號的收發，因此，相較於傳統金屬機殼尚須設置致少一個切口的方式而言，本發明之電磁輻射人體吸收率勢必可以大幅降低，這也是其他習知技術而不可及之處，對於LTE/WWAN等先進通訊系統而言，除了追求系統效能的最佳化之外，仍須兼顧使用者受到電磁波輻射的影響性，因此，本發明可說是兼具天線效能以及降低使用者受電磁波傷害的兩全其美的技術。

綜合上述，故可以達成本發明之目的。惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專 利涵蓋之範圍內。

51‧‧‧基板

52‧‧‧訊號饋入元件

53‧‧‧阻抗匹配模組

54‧‧‧第一輻射元件

55‧‧‧第二輻射元件

553‧‧‧連結線段

56‧‧‧接地元件

561‧‧‧第十五線段

562‧‧‧接地面

57‧‧‧開關元件

91‧‧‧金屬機殼

A‧‧‧饋入點

S1‧‧‧第一表面

S2‧‧‧第二表面

Claims (4)

1. 一種應用於全金屬機殼之LTE/WWAN系統之天線裝置，適用於與一電子裝置之金屬機殼電連接，以收發一天線訊號及一接地訊號，其包含：一基板，包括一第一表面及一第二表面；及一訊號饋入元件，設置於該第一表面上，其包括一第一線段、一與該第一線段之一端以相垂直之方式相連接之第二線段，及一設置於該第一線段上之饋入點；一阻抗匹配模組，與該訊號饋入元件電連接；一第一輻射元件，設置於該第一表面上，其包括：一第八線段，一端與該阻抗匹配模組連接；一第九線段，一端與該第八線段之另一端以相垂直之方式相連接；一第十線段，與該第九線段平行且相間隔一第一間距設置之，且該第十線段之一端與該第八線段相連接；一第十一線段，分別與該第九線段、第十線段之一端以相垂直之方式相連接；一第十二線段，與該第九線段平行且相間隔一第二間距設置之，且該第十二線段之一端與該第十一線段之一端相連接；一第二幅射元件，設置於該第二表面上，其包括：一第十三線段；一第十四線段，一端與該第十三線段之一端以相垂直之方式相連接；及 一連結線段，一端與該第十三線段之另一端相連接，且另一端與該第十二線段相連接；及一接地元件，包括一與該第一表面連接之第十五線段及一與該第十五線段連接且接收該接地訊號之接地面；其中，該天線訊號由饋入點饋入後，經由該阻抗匹配模組、該第一輻射元件而輻射出。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之應用於全金屬機殼之LTE/WWAN系統之天線裝置，還包含一開關元件，其設置於該第二表面且一端與該電子裝置之金屬機殼電連接，另一端與該接地面電連接，並於一開啟狀態與一關閉狀態間切換之。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之應用於全金屬機殼之LTE/WWAN系統之天線裝置，其中，該阻抗匹配模組包括：一第三線段，與該第二線段之另一端以相垂直之方式相連接；一第四線段，與該第三線段之一端以相垂直之方式相連接；一第一電感元件，一端與該第三線段之另一端電連接；一第二電感元件，一端與該第四線段之另一端電連接； 一第五線段，與該第二電感元件之另一端電連接，一第六線段，一端與該第五線段之一端以相垂直之方式相連接；一第七線段，與該第一電感元件之另一端電連接；及一電容元件，二端分別與該第七線段之另一端、第六線段之另一端電連接。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之應用於全金屬機殼之LTE/WWAN系統之天線裝置，其中，該連結線段是以經由該基板側緣延伸並連接至該第一表面。