TWI587575B - 使用調諧接地平面凹口之天線隔離技術 - Google Patents

Description

使用調諧接地平面凹口之天線隔離技術

本發明之各實施例係關於一種使用於行動電話手機、膝上型或平板電腦、萬用序列埠(USB)配接器及其它小型無線電平台上之單頻帶或雙頻帶天線，設計成為在彼此相近之類似頻率操作的兩個以上的天線提供改進的天線隔離。更特定言之，即使在一般可攜式裝置上各天線在電性上彼此相近，本發明之實施例提供高隔離度，藉以讓一無線電鏈路之雙端處的多道天線的使用成為可行，以便藉由使用多輸入輸出(MIMQ)操作或天線多樣性技術而改進訊號品質，並提供高資料傳輸率。

市面上處處可見諸如行動電話手機、膝上型及平板電腦、USB配接器及其它小型無線電平台等各種不同類型的無線行動通訊裝置。期望這些裝置變得輕薄短小，以便於使用者之攜帶。

存在提高系統能力同時保持輕薄短小的裝置之需求。MIMO(多輸入多輸出)是改善訊號品質和資料傳輸率的方法之一。MIMO係對傳輸器與接收器之多道天線的使用，改善資料容量與通訊系統的性能，無須額外 的頻寬或提升傳輸功率。類似地，天線多樣性(通常僅於無線鏈路之接收端)則藉由在兩個以上的天線之間切換、或藉由以最佳方式結合多道天線之訊號的方式改善訊號品質。

然而，彼此相近之天線易因電磁干擾而使性能下降。因此，希望開發能隔離天線並使任何性能下降減至最低的裝置。

為了有效操作，MIMO與多樣性技術兩者對於相鄰天線之隔離度的要求高於一般典型可攜式裝置上之天線之彼此電性上相近時的要求，以令整體效率更佳。

CN201289902 (Cybertan)描述了一種結構，其中兩個天線係配置成，一個天線係設置於一接地表面的每一側且透過一饋入點與該接地表面相接。藉由於第一與第二天線之間對接地表面鑽出一隔離狹長洞來改進天線之間的隔離。然而，CN201289902並未揭露接地表面邊緣上的狹長孔或凹口之設置或這種凹口之調諧。

GB2401994 (Antenova)揭露了二相似天線間的隔離可藉於該二天線之饋入線間之一區域中在一導電接地平面邊緣中形成至少一狹長孔、切口、凹口或不連續性的方法加以改善。

US6624789 (Nokia)揭露了隔離效果可在切口之長度實質上等於操作頻寬之四分之一波長時得到改善的技術。

EP2387101 (Research In Motion)更揭露了在導電接地平面上之狹長孔可被加以迂迴或分叉。

雖然US6624789指出在狹長孔上置放一切換器可用來改變有效狹長孔長度，但該等專利中卻無一指出狹長孔或凹口的調諧方法。

所有上述提及之參考文件皆以參照的方式併入本申請案中，也因此被視為本揭露內容之一部份。

在本發明之第一態樣中，提供一種天線裝置，其包含一基板與至少第一及第二天線，該基板包含一導電接地平面，該導電接地平面具有一邊緣；該至少第一及第二天線連接於該導電接地平面的邊緣，其中至少一凹口在該第一及第二天線間被形成於導電接地平面的邊緣上，該凹口在該導電接地平面之邊緣處具有一口部，且該凹口之口部設有至少一電容性組件，用以調諧該凹口中該導電接地平面之邊緣的一電感，藉以改善該第一及第二天線間的隔離效果。

該凹口可採取在該導電接地平面之邊緣之大致內凹切口(re-entrant cut-out)形狀。該凹口可實質上為矩形，並具有實質上平行之側邊或邊緣。

在某些實施例中，該電容性組件可被形成為一導電帶，該導電帶延伸跨過該凹口並包含至少一電容器。該導電帶將具有與該至少一電容器串聯之電感，並可被視為一該凹口之導電接地平面邊緣之電感並聯的電感。

在本發明之一較佳實施例中，一電感性組件及一電容性組件共同形成一可調諧共振電路，該可調諧 共振電路與沿該導電接地平面邊緣中該凹口之邊緣形成的一電感性路徑平行。將瞭解的是，共振電路造成該等天線與該接地平面之間電性路徑上的改變。共振電路可被調整以令沿該接地平面邊緣流動之互耦電流有些相消作用。這可明顯改善該等天線之間的隔離效果，而不會造成效率嚴重損失。增加該第一及第二天線間之間距能以漸進的方式改進隔離效果。

在本發明的一些實施例中，該等天線可被配置為實質上彼此平行。然而，在其它更進一步實施例中，一對天線能以相對於彼此實質上90度的角度定向，或以相對於彼此90度之外的定向角定向。

該第一及第二天線可被構成為單極、平面倒F型天線、寄生驅動天線、迴路天線或諸如介電負載天線(DLAs)、介電共振器天線(DRAs)或高介電天線(HDAs)等各種介電天線。第一及第二天線亦可彼此為不同。不同天線可能需要不同於二相同天線的調諧電容值，因接地平面邊緣上之共振頻率電流的相位可為不同。

在本發明的某些實施例中，該等天線之間距D可為約波長的五分之一，例如當使用一對2.4GHz的天線。

在本發明的更進一步實施例中，該凹口被形成為在接地平面中的一間隙或切口，並沿該接地平面邊緣延伸一預定寬度(w)，並延伸至該接地平面內一預定深度(d)。

目前已發現若該凹口邊緣周圍的距離在該凹 口之長寬比改變(從方形變為長形)時仍保持固定，則隔離效果不會有明顯改變。然而，若該凹口很長時，則隔離效果的頻寬變得較窄。深的、淺的凹口或狹長孔之性能劣於具有較方形之長寬比的凹口或狹長孔。

導電接地平面之邊緣在所有實施例中不必皆為直線。例如，導電接地平面之邊緣可具有一反向V字形，一天線在大致為三角形之接地平面的任一側邊上，該接地平面具有如先前討論之凹口。

在本發明之更進一步實施例中，隔離效果之共振頻率為沿該凹口邊緣處之電感與設置在該凹口之中或橫跨該凹口的一電容性組件的電容所決定。

該隔離效果的共振頻率可藉改變該電容性組件之值改變。

替代地或此外，該隔離效果之共振頻率可藉由在該凹口中加入一個以上的電容性短截線而改變。此設置可增加隔離效果的頻寬。

在本發明的進一步實施例中，隔離效果的共振頻率可藉由在該凹口中加入電感性組建而調諧或改變。

在本發明的所有實施例中，該凹口可包含額外的電感性組件及/或額外的電容性組件。

在某些實施例中，單一電容器被設於該凹口的一邊緣處。

在其它實施例中，設置二個電容性組件，於該凹口的每一邊緣處設置一個，該等電容性組件藉由一 導電帶相接。該導電帶可選擇性在近於該二個電容性組件間中央處接地。使用二個電容器之取代單一電容器會增加成本，但確有多少增大效率的優點，又同時維持與單一電容器解決方案相似的頻寬。

在本發明的更進一步實施例中，第一及第二凹口或狹長孔設於該接地平面的邊緣處，該第一凹口被調諧至一較低頻帶(如2.4GHz)，且該第二凹口被調諧至一較高頻帶(如5GHz)。這種實施例可在較高頻帶提供良好的隔離效果與天線效率。

在本發明的更進一步實施例中，一接地平面延伸部被設於該等第一及第二天線之間，且一可調諧凹口被設於該接地平面延伸部中。

在更進一步實施例中，一延伸導電帶或迴路可被設置橫跨該凹口，以增加該凹口的自我電感。

在一又更進一步實施例中，提供一實質上為線性的天線陣列，該天線陣列沿一導電接地平面邊緣設置，並在每一對相鄰天線之間具有一調諧凹口隔離設置，整體構造採用天線-狹長孔-天線-狹長孔-天線-狹長孔-天線等之一般型式。

在一實施例中，該第一及第二天線可為共振寄生天線，且各被一關聯的單極所驅動。

可在特定實施例中藉由提供額外的電性通道達成雙頻帶隔離，該額外的電性通道橫跨凹口，平行於橫跨該凹口之口部的電容性組件，且具有電抗。該額外通道可包含共振串聯電路，例如電容器與電感器串聯， 該共振串聯電路連接該凹口之一個側邊邊緣與該凹口中平行橫跨該凹口之口部設置的至少一電容器的相對側邊邊緣。當第一與第二天線在一非共振串聯電路之中央頻率的頻率上互相作用時，共振串聯電路會呈現一高阻抗，且該等天線所感生的電流會沿凹口邊緣流動。一第一頻率可藉設置橫跨該凹口之口部的至少一電容性組件利用此種機制隔離。當第一與第二天線在該共振串聯電路之中央頻率或相近頻率互相作用時，共振串聯電路會呈現一低阻抗，且該等天線所感生的電流會沿該額外通道流經該共振電路，這比該凹口邊緣周圍的路徑更短。接著，第一第二頻率可藉由凹口之口部之電容性組件與共振串聯電路的組合隔離。

第二隔離頻率可藉由移動該額外通道移更靠近於或進一步遠離凹口之口部的方式加以調整。移動額外通道進一步遠離口部(更接近凹口之底部處)基本上會降低隔離頻率。

1‧‧‧基板

2‧‧‧接地平面

3‧‧‧無接地平面端部區

4‧‧‧天線

5‧‧‧天線

6‧‧‧端部

7‧‧‧端部

8‧‧‧邊緣

9‧‧‧凹口

9’‧‧‧凹口

10‧‧‧饋電部

11‧‧‧電容器

11’‧‧‧電容器

12‧‧‧口部

13‧‧‧導電帶

13’‧‧‧連接部

14‧‧‧電容性短截線

15‧‧‧電感器

16‧‧‧延伸部

17‧‧‧單極

17’‧‧‧單極

18‧‧‧共振寄生天線

18’‧‧‧共振寄生天線

20‧‧‧額外電性通道

21‧‧‧電容器

22‧‧‧電感器

本發明之實施例將藉參考所附圖式而在後文中更進一步敘述，其中：第1圖顯示本發明之第一實施例；第2圖顯示第1圖中凹口的特寫；第3圖顯示在狹長孔中一用以調諧天線隔離效果之電容性短截線的使用；第4圖顯示二個電容器及中央接地的使用；第5圖顯示第4圖中具一外加的電感器之凹口的特 寫；第6圖顯示一接地平面延伸部及調諧狹長孔的使用；第7圖顯示一延伸導電帶；第8圖顯示寄生天線間之隔離效果的改進方式；第9圖顯示第8圖中天線的返回損耗及隔離效果；第10圖顯示二個凹口被調諧為不同頻寬的實施例；第11圖顯示實質上為線性的天線陣列，其在每一對相鄰天線之間具有一狹長孔或凹口；第12圖顯示構造成用於雙頻帶隔離的一實施例；第13圖顯示第12圖之實施例的一第一電流；第14圖顯示第12圖之實施例的一第二電流；第15圖顯示第1圖之實施例之天線隔離效果之圖；第16圖顯示第12至14圖之實施例之天線隔離效果之圖；第17圖顯示第12圖之實施例之額外通道的上下移動方式；及第18圖顯示藉由第17圖之通道移動所得到的隔離效果之改變。

第1圖顯示第一實施例，其包含一介電基板1，該介電基板1具有一導電接地平面2及一無接地平面的端部區3。該接地平面2具有一邊緣8，在本實施例中該邊緣8跟隨橫跨基板1的一實質上為直線的線條。第一及第二2.4GHz天線4,5形成於基板之無接地平面端部 區3上，且天線4,5的端部6,7具有饋電部10，並與接地平面2之邊緣8以適於未確定之特定類型天線的標準方式相接。天線4,5被設為大致互相平行。天線4,5可彼此以一約為五分之一波長的距離D隔開。在此一近距離，天線4,5間的隔離效果不佳，約為-5dB，對於有效的多輸入輸出(MIMO)操作或多樣性操作是不足夠的。MIMO或多樣性操作因能改善訊號品質及資料傳輸率而是一般所需的。然而，MIMO及多樣性操作技術對相鄰天線4,5間之隔離度要求大於小型可攜式裝置上各天線為電性上相近時者。在上述該二天線間之區域之接地平面中加入一小凹口9的做法本身並無法明顯改善該等天線間的隔離效果。此乃因一小凹口9不能使接地平面2邊緣8上的天線4,5間的電性路徑長度有明顯的改變。然而，本案申請人很驚訝地發現凹口9附近的一電感路徑可藉凹口9口部12內的一電容性組件11加以調諧，如此構成一共振電路。該共振電路可被進一步調整，以令沿接地平面2流動的互耦電流有些相消作用。這明顯改善了天線4,5間的隔離效果，又不令天線效率有嚴重的損耗。就典型上來看，該隔離效果優於-15dB，且效率優於55%。此一受調諧凹口設置顯示於第1圖的中央區域上，並在第2圖有更細部的顯示。

凹口9被形成為接地平面2邊緣8內的一間隙或切口，並沿接地平面邊緣延伸一預定寬度(w)，亦在接地平面2內延伸入一預定深度(D)。若凹口9邊緣周圍的距離(即2d+w)在凹口9的長寬比改變(如自方形改變 至長形)時仍維持固定，則天線4,5間的隔離效果實質上不改變。然而，當凹口9的深度(d)變大，而寬度(w)維持為相對小時，變為長形的凹口9，且隔離效果的頻寬變窄。又，凹口9在既深且窄之時的隔離性能與效果變得較差。

隔離效果的共振頻率係由凹口9邊緣附近的電感及一電容性組件11之值決定。該電容性組件11在本實施例中包含一導電帶13，且該導電帶本身具有電感，與電容器11串聯連接，且設置橫跨凹口9之口部10。該共振頻率亦可藉改變電容性組件11之值的方式改變，如可使用變容二極體等可變電容器的方式、或透過在凹口9中加入一個以上的電容性短截線13之方式改變，如第3圖所示。此配置增加了隔離效果的頻寬。共振頻率亦可透過加入另外的電感性組件的方式來調諧。

第4圖顯示使用兩個電容器11,11’的實施例，在凹口9之每一邊緣處各用上一個電容器。一導電帶13被設置橫跨口部12上以連接電容器11,11’，導電帶13在兩個電容器11,11’之間的中心附近透過一連接部13’而連接至接地平面2而接地。本實施例雖然需要兩電容性組件，並因此增加了成本，但在一些應用上，與單一電容器實施例相比，改進效率同時維持類似的頻寬之憂顯令人滿意。

不難思及，包含分散式組件(如第3圖中所示電容性短截線14)或使用固定焊接之實體”凸塊”組件之更複雜的凹口設計。增加更多此等組件會增加濾波器 的極點數目，並得到更好的頻寬、深孔或雙頻帶性能。第5圖顯示一可使用之複雜凹口設計。二個電容器11,11’及一電感器15被設於凹口9中，並透過導電帶13,13’相接。

第6圖顯示一種天線裝置，其中一接地平面延伸部16被設於天線4,5之間，並被用於收容狹長孔或凹口9。在此一實施例中，隔離效果係藉由調諧狹長孔或凹口9而改善，狹長孔或凹口9具有橫跨狹長孔或凹口9之口部12上而連接的一電容器11及一導電帶13，就如前述實施例所描述。

第7圖顯示一種天線裝置，其中凹口9包含一凸出凹口9之口部12之延伸導電帶13。這被使用來增加凹口9的自我電感。一電容器11則被設於導電帶13的一端。

第8圖顯示本發明之一進一步實施例，其中短單極17,17’被使用來驅動共振寄生天線18,18’，共振寄生天線18,18’在該等天線間具有一經調諧凹口9。該等天線之返回損耗與隔離效果之圖顯示於第9圖中。

在第10圖所示之一進一步實施例中，二個凹口或狹長孔9,9’被設於接地平面2的邊緣8內，第一凹口9可被調諧至一較低頻帶(如2.4GHz頻帶)，且一較小之第二凹口9’可被調諧至一較高頻帶(如5GHz頻帶)。此二經調諧狹長孔或凹口9,9’在小頻帶下提供有效隔離效果，此外在高頻帶下提供良好的隔離效果與天線效率。應注意的是，二個以上的凹口或狹長孔亦會限制天線間 的最小距離。

第11圖顯示一種配置，包含一沿接地平面2邊緣8之一實質上為線性的天線陣列4，且一經調諧凹口9位於相鄰天線4之間。此一配置可包含任何適合數量的具插置的狹長孔或凹口9之天線。

可使用各種類型的天線，包含平面倒F型天線、迴路天線、所有形狀之單極、介電共振器天線、與介電負載天線等。

天線4,5未必要彼此平行。在另一實施例中，二個天線彼此以90度定向而非平行。此配置進一步改善隔離效果。90度以外之定向角度皆可利用。

第12圖顯示構造成讓天線隔離實現在二頻帶上的進一步實施例。一般的配置與第1圖相同，相同零件亦與第1圖中者標示相同。更具有一額外電性通道20形式之串聯共振電路，其為一導電帶，並透過互相串聯之一電容器21與一電感器22將凹口9的一側邊邊緣連接至相對立的側邊邊緣。該所示實施例中的額外通道20大致平行於橫跨凹口9口部12上的導電帶13。

當第一及第二天線4,5互相作用於非共振串聯電路20,21,22的中央頻率的頻率時，共振串聯電路會呈現一高阻抗，且該等天線感生之電流會沿凹口9的邊緣流動，如第13圖所示。一第一頻率可藉由設置橫跨凹口9口部的至少一電容性組件11利用此機制被隔離。

當第一及第二天線4,5互相作用在一共振串聯電路201,21,22之中央頻率或近於該中央頻率的頻率 上時，共振串聯電路會呈現一低阻抗，且該等天線感生的電流會透過共振串聯電路21,22沿額外通道20流動，如第14圖所示。一第二頻率可為與額外通道20中共振串聯電路21,22共同作用的電容器11隔離。

第15圖顯示與無隔離效果之配置相比，第1圖之配置之天線隔離效果與頻率的關係圖。可見調諧電容11已被構造成改善2.4GHz附近的隔離效果，而在5GHz處則無實質上的隔離效果改變。

第16圖顯示與無隔離效果之配置相比，第12至14圖之配置之天線隔離效果與頻率的關係圖。除2.4GHz處因電容11而得到更佳的隔離效果外，由於共振串聯電路20,21,22亦在5GHz的頻寬改善隔離效果。

亦可藉由移動額外通道20更靠近或更遠離凹口9口部12的方式調整第二隔離頻率，如第17圖所示。移動額外通道20更遠離口部12的方式(更靠近凹口9之底部)基本上會降低隔離頻率，這可由第18圖證明。

在本說明書中所有的詳細說明與申請專利範圍，”包括”及”包含”與該等用詞之變體代表”包含但不限於”，並非欲意(且不會)排除其它份額、添加物、組件、整體或步驟。在本說明書中所有的詳細說明與申請專利範圍，單數用法包含複數用法，除非上下文有其它要求。特別說來，非限定物件被使用時，本說明書指的是複數與單數皆包含，除非上下文中另有要求。

在本發明中一特定態樣、實施例或範例中描述之特徵、整體、特性、化合物、化學份額或群組被了 解為可應用於此處任何其它態樣、實施例或範例上，除非其於其它態樣、實施例或範例上不可相為用，所有在本說明書(包含所有所附申請專利範圍、摘要與圖式)中所揭露之特徵及/或所有方法或流程中的步驟得以任合結合的方式結合，除非該等特徵及/或步驟之至少一部份為互斥。本發明不限於所有前述實施例之細節，其延伸至本說明書(包含所有所附申請專利範圍、摘要與圖式)中所揭露之所有特徵的任一新穎者或所有新穎者的結合，或延伸至本說明書(包含所有所附申請專利範圍、摘要與圖式)中所揭露之所有方法或流程的任一新穎者或所有新穎者的結合。

關於本申請案，所有與本說明書同時或較早申請、或對本說明書為公開於大眾檢視之論文與文件公開給公眾審查，且所有該等論文與文件之內容以參照的方式被併於此處。

1‧‧‧基板

2‧‧‧接地平面

3‧‧‧無接地平面端部區

4‧‧‧天線

5‧‧‧天線

6‧‧‧端部

7‧‧‧端部

8‧‧‧邊緣

9‧‧‧凹口

10‧‧‧饋電部

11‧‧‧電容器

12‧‧‧口部

Claims (20)

1. 一種天線裝置，包含：一基板，包含一導電接地平面及一無接地平面端部區，該導電接地平面具有一邊緣，該邊緣將該導電接地平面與該無接地平面端部區隔開；以及至少第一及第二天線，連接於該導電接地平面的邊緣處，其中至少一凹口係在該第一及第二天線間形成於該導電接地平面的邊緣上，該凹口在該導電接地平面之邊緣處具有一口部，且其中該凹口之口部具有至少一凸塊電容組件，用以調諧在該凹口中的該導電接地平面之部分的該邊緣的一電感。
2. 如申請專利範圍第1項之天線裝置，其中該凹口之口部具有一導電軌，該導電軌延伸穿過該口部，且該導電軌包含該至少一凸塊電容組件。
3. 如申請專利範圍第2項之天線裝置，其中在該凹口中的該導電接地平面之部分的該邊緣的該電感係可藉由調諧一電性通道而可調整的，該電性通道包含該導電軌及該凸塊電容組件。
4. 如申請專利範圍第2或3項之天線裝置，其中該導電軌包含位於該凹口之口部之相對側邊之間的以串聯連接的至少二電容器。
5. 如申請專利範圍第2至3項中任一項之天線裝置，其中該導電軌具有一分支連接，該分支連接包含與在該 凹口中的該導電接地平面之該邊緣的該部分連接的額外的導電軌。
6. 如申請專利範圍第5項之天線裝置，其中與在該凹口中的該導電接地平面之該邊緣連接的該分支連接包含至少一電感器。
7. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之天線裝置，更包含在該凹口中之至少一電容性短截線。
8. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之天線裝置，其中該導電接地平面之邊緣具有一延伸於該等天線之間的導電接地平面延伸部，且該凹口係形成於該導電接地平面延伸部中。
9. 如申請專利範圍第2或3項之天線裝置，其中該導電軌延伸出該凹口之口部外。
10. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之天線裝置，其中至少第一及第二凹口被設於該等天線之間。
11. 如申請專利範圍第10項之天線裝置，其中該第一及第二凹口具有不同的尺寸。
12. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之天線裝置，其中該第一及第二天線係選自於包含倒F型天線、迴路天線、所有形狀之單極、介電共振器天線、介電負載天線、及寄生驅動天線之群組。
13. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之天線裝置，其中該第一及第二天線彼此類型相同。
14. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之天線裝置，其中該第一及第二天線具有不同類型。
15. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之天線裝置，其中該第一及第二天線彼此實質上平行。
16. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之天線裝置，其中該第一及第二邊線彼此非平行。
17. 如申請專利範圍第16項之天線裝置，其中該第一及第二天線彼此實質上正交。
18. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之天線裝置，其中該導電接地平面之邊緣實質上為直的。
19. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之天線裝置，其中該導電接地平面邊緣係為彎曲，或在該第一及第二天線之間具有一角落。
20. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之天線裝置，包含沿該導電接地平面邊緣設置的一線性天線陣列，該導電接地平面邊緣在每一相鄰天線對之間具有一凹口。