TWI569510B

TWI569510B - 可調式ｌｔｅ／ｗｗａｎ天線裝置

Info

Publication number: TWI569510B
Application number: TW103101985A
Authority: TW
Inventors: 陳淑娟; 施家頤; 朱繹中
Original assignee: 國防大學
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2017-02-01
Also published as: TW201530905A

Description

可調式LTE/WWAN天線裝置

本發明係關於一種天線裝置，尤指一種具有操作頻帶之可調式LTE/WWAN天線裝置。

隨著科技進步，可攜式電子裝置日益普及，例如行動電話、個人數位助理(PDA)或筆記型電腦等之行動電子裝置已然成為現代人工作及生活中不可或缺的用品。例如，這幾年來筆記型電腦之發展，在外觀上，市場趨向於輕、薄之輕便取向，舉例來說，蘋果的Macbook Air及華碩的Zenbook，在功能性提升下，依然保持輕薄之特性。也因此，其內藏之無線通訊裝置中的天線空間上也相對應需縮小。

而在縮小化的同時，天線之操作頻帶亦要求能涵蓋於LTE 700、GSM 850、GSM 900、DCS、PCS、UMTS、LTE 2300、LTE 2500等八個規範頻帶。這八個規範頻帶相當於涵蓋698~960MHz與1710~2690MHz的雙寬頻帶。天線裝置若想要以更小尺寸達成上述八頻操作之天線設計已有相當的困難，必須採用可切換不同通訊頻帶的操作方式。

因此，業界需要一種具有較簡單與小尺寸之天線結構，有必要提出一種可調式天線裝置，其中天線元件可以在尺寸不變的情況下操作在不同的通訊頻帶，以解決行動天線裝置空間日益不足的問題。

本發明之目的係在提供一種可調式LTE/WWAN天線裝置，俾能藉由所具有之可重組電路元件組而重組天線元件之路徑以切換兩種不同共振路徑，進而產生兩組所要求之操作頻帶。

為達成上述目的，本發明一實施態樣提供一種可調式LTE/WWAN天線裝置，包括：一接地元件；以及一天線元件，係位於一介質基板上，天線元件包括：一饋入金屬部，饋入金屬部之一端係一饋入端；一耦合接地金屬部，包括一第一輻射部、一第二輻射部，以及一短路部，耦合接地金屬部之一端係短路端，短路端係耦接至接地元件，而耦合接地金屬部之另一端為開口端，耦合接地金屬部接近其開口端之部分區間與饋入金屬部具有一耦合間距，經由耦合間距，耦合接地金屬部由饋入金屬部電磁耦合激發，產生至少一共振模態，增加該天線之操作頻寬，且耦合接地金屬部之長度大於該饋入金屬部之長度，其中，該第二輻射部經由複數次彎折形成至少一U型輻射段，以及分別由U型輻射段兩端延伸之一第一輻射段及一第二輻射段，第一輻射段連接第一輻射部，且第二輻射段連接短路部；以及一可重組電路元件組，耦接於第二輻射部之第一輻射段及第二輻射段之間，以選擇性地導通或不導通第一輻射段及第二輻射段。

在本發明中，所謂之可調式LTE/WWAN係指可切換兩個操作頻帶，也就是一種包括LTE(LTE 700、LTE 2300、LTE 2500)之一操作頻帶，以及包括WWAN(GSM 850、GSM 900、DCS、PCS、UMTS)之另一操作頻帶。

因此，本發明之可調式LTE/WWAN天線裝置，可藉由所具有之可重組電路元件組而重組天線元件之路徑以切換兩種不同共振路徑之天線設計，於小尺寸下能產生兩組所要求之操作頻帶。

在本發明之可調式LTE/WWAN天線裝置中，介質基板可為一FR-4材質之矩形基板。

在本發明之可調式LTE/WWAN天線裝置中，饋入金屬部具有至少一彎折。

在本發明之可調式LTE/WWAN天線裝置中，耦合間距可小於2mm。

在本發明之可調式LTE/WWAN天線裝置中，當可重組電路元件組不導通第一輻射段及第二輻射段時，天線元件操作於一第一頻帶及一第二頻帶。並且，第一頻帶及第二頻帶可至少涵蓋一行動通訊頻帶，或是可涵蓋LTE700頻帶/LTE2300/2500頻帶。

在本發明之可調式LTE/WWAN天線裝置中，當可重組電路元件組導通第一輻射段及第二輻射段時，天線元件操作於一第三頻帶及一第四頻帶。並且，第三頻帶及第四頻帶可至少涵蓋一行動通訊頻帶，或是可涵蓋GSM850/900頻帶及GSM1800/1900/UMTS頻帶。

1‧‧‧天線裝置

2‧‧‧天線元件

20‧‧‧介質基板

201‧‧‧側邊

202‧‧‧側邊

21‧‧‧饋入金屬部

211‧‧‧饋入端

212‧‧‧開口端

3‧‧‧耦合接地金屬部

31‧‧‧第一輻射部

32‧‧‧第二輻射部

320‧‧‧U型輻射段

321‧‧‧第一輻射段

322‧‧‧第二輻射段

33‧‧‧短路部

34‧‧‧短路端

35‧‧‧開口端

4‧‧‧可重組電路元件組

41‧‧‧輻射段

5‧‧‧接地元件

61‧‧‧第一頻帶

62‧‧‧第二頻帶

71‧‧‧第三頻帶

72‧‧‧第四頻帶

D1‧‧‧耦合間距

圖1係本發明一較佳實施例之天線裝置之示意圖。

圖2係本發明一較佳實施例之天線元件之示意圖。

圖3係本發明一較佳實施例之可重組電子元件之放大圖。

圖4係於可重組電路不導通時實施例的天線裝置之示意圖。

圖5係於可重組電路不導通時實施例的天線裝置之返回損失圖。

圖6係於可重組電路導通時實施例的天線裝置之示意圖。

圖7係於之可重組電路導通時實施例的天線裝置之返回損失圖。

請參閱圖1及圖2，係本發明之一較佳實施例之天線裝置及天線元件之示意圖。由圖1及圖2所示，一種天線裝置1，包括：一接地元件5及一天線元件2，其中，天線元件2係位於一介質基板20上，其包括一饋入金屬部 21、一耦合接地金屬部3以及一可重組電路元件組4。在本實施例中，接地元件5係寬度約為200mm、長度約260mm及厚度約為0.2mm之銅板；介質基板20係為一寬度約10mm、長度約為40mm及厚度約為0.4mm。介質基板20可為一FR-4材質之矩形基板，在本實施例中，介質基板20為一玻璃纖維介質基板，饋入金屬部21長度約29mm，耦合接地金屬部3長度約為110mm，耦合間距D1約為0.5mm。

由圖1及圖2所示，天線元件2包括：一饋入金屬部21，饋入金屬部21之一端係一饋入端211，及其另一端係一開口端212，饋入端211係對應設置於介質基板20之一側邊201，饋入端211可藉由一具有50歐姆之同軸纜線而饋入訊號，其中，饋入金屬部21具有一彎折；一耦合接地金屬部3，包括一第一輻射部31、一第二輻射部32，以及一短路部33，耦合接地金屬部3之一端係短路端34，短路端34係耦接至接地元件5，而耦合接地金屬部3之另一端為開口端35，耦合接地金屬部3接近其開口端35之部分區間與饋入金屬部21具有一耦合間距D1，經由耦合間距D1，耦合接地金屬部3由饋入金屬部21電磁耦合，且耦合接地金屬部3之長度大於該饋入金屬部21之長度，其中，該第二輻射部32經由複數次彎折形成一U型輻射段320，以及分別由U型輻射段320兩端延伸之一第一輻射段321及一第二輻射段322，第一輻射段321連接第一輻射部31，且第二輻射段322連接短路部33；以及一可重組電路元件組4，耦接於第二輻射部32之第一輻射段321及第二輻射段322之間，可藉由使用者作一輸入指令或是一微處理器而能決定是否導通或不導通第一輻射段321及第二輻射段322。

請參閱圖3，係本發明一較佳實施例之可重組電子元件之放大圖，請一併參考圖2。由圖所示，可重組電路元件組4耦接於第二輻射部32之第一輻射段321及第二輻射段322間，作為一切換開關用，使得使用者可選擇性地導通或不導通第一輻射段321及第二輻射段322，進而使得本實施例之天線元件2產生兩種不同共振路徑。

因此，本發明之天線裝置1，可藉由所具有之可重組電路元件組4而重組天線元件之路徑以切換兩種不同共振路徑，進而產生兩組所要求之操作頻帶。

在本實施例中，短路端34係位於介質基板20之側邊201上而與接地元件5連接，而由短路端34遠離側邊201而延伸至相對於側邊201之另一側邊202之一端而形成短路部33及第二輻射部32，再繼續沿著側邊202而至側邊202之另一端做延伸後，遠離側邊202直至開口端35而形成第一輻射部31。

為了仔細說明本發明之天線裝置1如何能達到兩組所要求之操作頻帶，請參閱以下內容及圖4至圖7。

請參閱圖4及圖5，係本發明於可重組電路不導通時之實施例的天線裝置之示意圖及返回損失圖，請一併參閱圖3。由圖4及圖5所示，當可重組電路元件組4不導通第一輻射段321及第二輻射段322時，天線元件2操作於一第一頻帶61及一第二頻帶62。第一頻帶61主要係由耦合接地金屬部3及饋入金屬部電磁耦合而激發共振產生之一最低共振模態所形成，而第二頻帶62係由耦合接地金屬部3電磁耦合而激發共振產生之一高階共振模態，及饋入金屬部21產生之一共振模態所形成。

在本實施例中，係選擇圖1所示之接地元件5為寬度約為200mm、長度約260mm及厚度約為0.2mm之銅板；介質基板20係為一寬度約10mm、長度約為40mm及厚度約為0.4mm之玻纖介質基板。饋入金屬部21及耦合接地金屬部3係以印刷或蝕刻技術形成於介質基板20上，其中，饋入金屬部21長度約29mm，耦合接地金屬部3長度約為110mm，耦合間距D1約為0.5mm。本實施例之天線裝置設計的實驗結果，在一般要求之VSWR為6dB返回損失的定義下，第一操作頻帶61足以涵蓋LTE700(698~787MHz)之頻帶操作，而第二操作頻帶62則可涵蓋GSM1800/GSM1900/UMTS/LTE2300/LTE2500(1710~2690MHz)之五頻操作，因此該天線至少可滿足LTE700/2300/2500之LTE三頻操作需求。而本實施例在實際量測上，第一頻帶61及第二頻帶62之輻射效率皆高於51%，具有相當優異之特性。

請參閱圖6及圖7，係本發明於可重組電路導通時之實施例的天線裝置之示意圖及返回損失圖，請一併參閱圖3。由圖6及圖7所示，當可重組電路元件組4導通第一輻射段321及第二輻射段322時，等同於第一輻射段 321及第二輻射段322間形成一輻射線段41。因此，由於可重組電路元件組4導通第一輻射段321及第二輻射段322時使得天線元件2之共振路徑改變，造成共振路徑縮短，使得天線元件2操作於一第三頻帶71及一第四頻帶72。第三頻帶71主要係由耦合接地金屬部3及饋入金屬部21電磁耦合而激發共振產生之一最低共振模態所形成，而第四頻帶72係由耦合接地金屬部3電磁耦合而激發共振產生之一高階共振模態，及饋入金屬部21產生之一共振模態所形成。

在本可重組電路導通時之實施例中，所選擇圖1所示之接地元件5、介質基板20之尺寸及大小皆與圖4之可重組電路不導通時之實施例相同，唯一不同處在於天線元件1之耦合接地金屬部3，其具有一輻射線段41導通於第一輻射段321及第二輻射段322間，本實施例之天線裝置設計的實驗結果，在一般要求之VSWR為6dB返回損失的定義下，第三操作頻帶71足以涵蓋GSM850/900(824~960MHz)之兩頻操作，而第四操作頻帶72則可涵蓋GSM1800/GSM1900/UMTS/LTE2300/LTE2500(1710~2690MHz)之五頻操作，因此該天線至少可滿足GSM850/900/1800/1900/UMTS之WWAN五頻操作需求。而本實施例在實際量測上，第三頻帶71及第四頻帶72之輻射效率亦皆高於51%，具有相當優異之特性。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。