TWI580111B - 通訊裝置 - Google Patents

Description

通訊裝置

本發明係關於一種通訊裝置，特別係關於一種具有幾近全向性(Isotropic)輻射場型之通訊裝置。

隨著現今行動通訊科技蓬勃發展，各式無線通訊產品之應用越來越多元且豐富，其中，智慧型住宅以及物聯網(Internet of Things)之興起，實令無線網路基地台(Wireless Access Point)扮演舉足輕重之角色。為了符合市場趨勢以及滿足消費者需求，無線網路基地台之設計將趨向具有輕巧、時尚之外型，在此情況下，內藏式天線勢必將成為設計首選。但是，內藏式天線常因其外觀或是機構之因素，必須配置於無線網路基地台之角落處或是零碎區域處，這使得天線之輻射場型易產生不規則之凹陷(即輻射零點，或稱Radiation Null)，從而影響裝置之整體通訊品質。因此，如何於無線網路基地台之有限空間中設計出一種具備全向性(Isotropic)輻射之天線，已成為現今設計者之一大挑戰。

必須注意的是，本發明並非於通訊裝置中設計獨特之天線元件來達成全向性之操作。相反的，本發明係著重於設計一種新穎之電流導引機制來改變系統接地面上之電流分 佈，從而實現全向性輻射之效果。因此，本發明很適合應用於具有各式天線型態之各種小型化通訊裝置，例如：無線網路基地台(Wireless Access Point)。

在較佳實施例中，本發明提供一種通訊裝置，包 括：一系統接地面；一接地元件，耦接至該系統接地面，其中該接地元件具有一第一邊緣、一第二邊緣，以及一連接點，該第一邊緣與該第二邊緣係彼此相對，而該連接點係位於該第二邊緣；一天線元件，鄰近或位於該接地元件之該第一邊緣；以及一金屬導引線，其中該金屬導引線之一端係耦接至該連接點，而該金屬導引線之另一端為一開口端。

本發明主要提出一種新穎之輻射機制，以適當導 引系統接地面之電流，並改變通訊裝置之整體輻射場型。在不調整天線元件之情況下，本發明加入一電流導引線之設計可以實質影響系統接地面上之電流分佈，使表面電流能均勻地分散至系統接地面上各處，從而減少電流零點(Current Null)之產生。 電流導引線之設計可增加通訊裝置中天線配置之對稱性，並使得通訊裝置更容易達成全向性(Isotropic)之輻射場型。

在本發明之一些實施例中，金屬導引線係耦接至 接地元件，其中金屬導引線之長度至少為接地元件之長度之0.2倍。金屬導引線之加入可增加接地元件之等效共振長度，使得天線元件之一共振模態可以被良好激發，並改善天線元件之阻抗匹配。根據實際量測結果，金屬導引線之加入不會影響天線之操作頻寬。另值得注意的是，當接地元件與金屬導引線兩者之總長度約等於天線元件之一中心操作頻率之四分之一 波長之整數倍時，金屬導引線將能吸引更多系統接地面上之表面電流，使得整體表面電流之分佈能趨向均勻化，從而改善天線元件之輻射場型。換言之，金屬導引線係用於輔助去除天線元件之電流零點(Radiation Null)，並令天線元件之輻射場型能更趨於全向性輻射。

在一些實施例中，金屬導引線為一金屬單芯線， 或是與接地元件共同印刷於一介質基板上。在一些實施例中，金屬導引線大致為一直條形。在一些實施例中，金屬導引線大致為一倒L字形。在一些實施例中，金屬導引線大致為一螺旋形。在一些實施例中，天線元件為一平面式天線。在一些實施例中，通訊裝置更包括一裝置外殼，而金屬導引線係由裝置外殼所固定。在一些實施例中，接地元件係由系統接地面之一突出部份所形成，而接地元件和系統接地面之一組合大致為一倒T字形。

100、400、500‧‧‧通訊裝置

11‧‧‧系統接地面

12‧‧‧接地元件

121‧‧‧接地元件之第一邊緣

122‧‧‧接地元件之第二邊緣

123‧‧‧接地元件上之連接點

13‧‧‧天線元件

131‧‧‧饋入輻射部

132‧‧‧接地輻射部

133‧‧‧倒L字形缺口

134‧‧‧附加支路

14、44、54‧‧‧金屬導引線

15‧‧‧信號源

21‧‧‧第一返回損失曲線

22‧‧‧第二返回損失曲線

FB1‧‧‧操作頻帶

G‧‧‧接地元件之長度

L‧‧‧金屬導引線之長度

X‧‧‧X軸

Y‧‧‧Y軸

Z‧‧‧Z軸

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3A圖係顯示通訊裝置未具有任何金屬導引線時天線元件之遠場輻射場型圖；第3B圖係顯示根據本發明第一實施例所述之通訊裝置加入金屬導引線後天線元件之遠場輻射場型圖； 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；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；以及第6圖係顯示根據本發明第四實施例所述之天線元件之示意圖。

為讓本發明之目的、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可以是一無線網路基地台(Wireless Access Point)。如第1圖所示，通訊裝置100至少包括：一系統接地面11、一接地元件12、一天線元件13，以及一金屬導引線14。系統接地面11、接地元件12，以及天線元件13皆可用導體材質製成，例如：銅、銀、鋁、鐵，或是其合金。接地元件12可以耦接至系統接地面11，或可由系統接地面11之一突出部份所形成，其中接地元件12和系統接地面11之一組合大致為一倒T字形。接地元件12具有一第一邊緣121、一第二邊緣122以及一連接點123，其中第一邊緣121係與第二邊緣122彼此相對。天線元件13係鄰近於或位於接地元件12之第一邊緣121。天線元件13之種類於本發明中並不特別限制。例如，天線元件13可以是一單極天線(Monopole Antenna)、一偶極天線(Dipole Antenna)、一迴圈天線(Loop Antenna)、一螺旋天線(Helical Antenna)，或是一晶片天線(Chip Antenna)。信號源15可以是通訊裝置100之一射頻(Radio Frequency，RF)模組，並可用於激發天線元件13。連接點123係位於接地元件12之第二邊緣122。 金屬導引線14之一端係耦接至接地元件12上之連接點123，而金屬導引線14之另一端為一開口端(Open End)。在一些實施例中，通訊裝置100更包括一裝置外殼(未顯示)，其中金屬導引線14係由此裝置外殼所固定。例如，金屬導引線14可印刷於通訊裝置100之一非導體外殼之一內表面上。在另一些實施例中，金屬導引線14為一外接式金屬單芯線，或是與接地元件12共同印刷於一介質基板(Dielectric Substrate)上，例如：一FR4(Flame Retardant 4)基板。金屬導引線14之長度L係較接地元件12之長度G更短。詳細而言，金屬導引線14之長度L至少為接地元件12之長度G之0.2倍。金屬導引線14與接地元件12之總長度(L+G)約等於天線元件13之一中心操作頻率之四分之一波長之整數倍(亦即，L+G=×N，其中N為一正整數，而λ為天線元件13之中心操作頻率之波長)。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、一電池，以及一非導體外殼(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13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。系統接地面11之長度約為80mm，寬度約為80mm。此大致為一無線網路基地台(Wireless Access Point)之接地面尺寸。接地元件12之長度(G)約為62mm，寬度約為20mm。天線元件13之長度 約為10mm，寬度約為10mm。例如，天線元件13可為小尺寸且結構簡單之一耦合饋入式平面倒F字形天線(Planar inverted F Antenna，PIFA)，並可形成於厚度為0.4mm之一FR4基板上。金屬導引線14之寬度約為0.2mm，長度(L)約為18mm。如第2圖所示，一第一返回損失曲線21係代表通訊裝置100未加入金屬導引線時之天線元件13之操作特性，而一第二返回損失曲線22係代表通訊裝置100已加入金屬導引線14時之天線元件13之操作特性。由第2圖之量測結果可知，天線元件13可以涵蓋Wi-Fi 802.11 b/g/n之操作頻帶FB1，其約介於2400MHz至2484MHz之間。在加入金屬導引線14之後，天線元件13之阻抗匹配並不會受到不良的影響。亦即，即使有金屬導引線14存在，天線元件13依然可以完整涵蓋2400MHz至2484MH之操作頻寬。

第3A圖係顯示通訊裝置100未具有任何金屬導引 線時天線元件13之遠場輻射場型圖。第3B圖係顯示根據本發明第一實施例所述之通訊裝置100加入金屬導引線14後天線元件13之遠場輻射場型圖。前述遠場輻射場型圖之頻率為IEEE 802.11 b/g/n頻帶之中心頻率，即2440MHz。根據第3A圖之結果可知，若通訊裝置100沒有任何金屬導引線，則天線元件13之輻射場型會在某些特定方向將會產生較大的凹陷處(亦即，輻射零點Null，此處約-7dBi)，此將導致通訊裝置100(Wireless Access Point)在特定方向上較難以與其他裝置形成良好之無線連結。為了改善這種缺陷，本發明於行動裝置100中加入金屬導引線14，其等同於在系統接地面11上形成一金屬支路來導引接地面電流。在此設計下，系統接地面11和接地元件12上之表 面電流將分佈得更均勻，從而可除去天線元件13之電流零點，並改善整體場型凹陷的問題。如第3B圖所示，在通訊裝置100納入金屬導引線14之後，天線元件13原本之輻射零點即消失(約由-7dBi增加為-3dBi，其間差異達4dBi)，並可達成近似全向性(Isotropic)之輻射場型。

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。在第二實施例中，通訊裝置400之一金屬導引線44大致為一倒L字形。彎折之金屬導引線44可更進一步縮小其整體體積。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。在第三實施例中，通訊裝置500之一金屬導引線54大致為一螺旋形。彎折之金屬導引線54可更進一步縮小其整體體積。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。

第6圖係顯示根據本發明第四實施例所述之天線 元件13之示意圖。天線元件13為一平面式天線。詳細而言，天線元件13為一耦合饋入式迴圈天線。天線元件13包括一饋入輻射部131和一接地輻射部132。饋入輻射部131和接地輻射部132係完全分離，其間更形成一耦合間隙，使得饋入能量可由饋入輻射部131傳送至接地輻射部132。例如，此耦合間隙之寬度可小於2mm。饋入輻射部131大致為一倒L字形。饋入輻射部131 之一端係耦接至信號源15，而饋入輻射部131之另一端為一開口端。接地輻射部132大致為一倒Y字形。接地輻射部132之一端係耦接至一接地電位VSS，其中接地電位VSS可由接地元件12所提供。接地輻射部132界定出一倒L字形缺口133，其中饋入輻射部131之開口端係延伸進入倒L字形缺口133之內。接地輻射部132更可包括一附加支路134。附加支路134大致為一直條形，並朝靠近接地元件12之方向作延伸。第6圖所示之天線元件13可套用至前述通訊裝置100、400、500之任一者當中。

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1-6圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-6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

11‧‧‧系統接地面

12‧‧‧接地元件

121‧‧‧接地元件之第一邊緣

122‧‧‧接地元件之第二邊緣

123‧‧‧接地元件上之連接點

13‧‧‧天線元件

14‧‧‧金屬導引線

15‧‧‧信號源

G‧‧‧接地元件之長度

L‧‧‧金屬導引線之長度

Claims (10)

1. 一種通訊裝置，包括：一系統接地面；一接地元件，耦接至該系統接地面，其中該接地元件具有一第一邊緣、一第二邊緣，以及一連接點，該第一邊緣與該第二邊緣係彼此相對，而該連接點係位於該第二邊緣；一天線元件，鄰近或位於該接地元件之該第一邊緣；以及一金屬導引線，其中該金屬導引線之一端係耦接至該連接點，而該金屬導引線之另一端為一開口端；其中該天線元件之一饋入點係鄰近於該接地元件之該第一邊緣；其中該接地元件係連接至該系統接地面，而該接地元件和該系統接地面之一組合大致為一倒T字形。
2. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該金屬導引線之長度至少為該接地元件之長度之0.2倍。
3. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該金屬導引線與該接地元件之總長度約為該天線元件之一中心操作頻率之四分之一波長之整數倍，而其中該接地元件大致為一矩形。
4. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該金屬導引線為一金屬單芯線，或是與該接地元件共同印刷於一介質基板上。
5. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該金屬導引線大致為一直條形。
6. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該金屬導引線大致為一倒L字形。
7. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該金屬導引線大致為一螺旋形。
8. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該天線元件為一平面式天線。
9. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該通訊裝置更包括一裝置外殼，而該金屬導引線係由該裝置外殼所固定。
10. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該接地元件係由該系統接地面之一突出部份所形成。