TWI672863B

TWI672863B - 天線結構

Info

Publication number: TWI672863B
Application number: TW107112889A
Authority: TW
Inventors: 張琨盛
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2018-04-16
Filing date: 2018-04-16
Publication date: 2019-09-21
Also published as: TW201944652A

Abstract

一種天線結構，包括：一介質基板、一耦合饋入部、一第一輻射部、一第二輻射部，以及一短路部。介質基板具有相對之一第一表面和一第二表面。耦合饋入部包括一第一部份和一第二部份，其中第一部份係設置於介質基板之第一表面，而第二部份係設置於介質基板之第二表面。第一輻射部係耦接至耦合饋入部之第一部份。第二輻射部係耦接至耦合饋入部之第二部份。耦合饋入部之第二部份係經由短路部耦接至一接地電位。第二輻射部之長度係大於第一輻射部之長度。第二輻射部和短路部係分別位於耦合饋入部之不同二側。

Description

天線結構

本發明係關於一種天線結構(Antenna Structure)，特別係關於一種寬頻天線結構(Wideband Antenna Structure)。

隨著行動通訊技術的發達，行動裝置在近年日益普遍，常見的例如：手提式電腦、行動電話、多媒體播放器以及其他混合功能的攜帶型電子裝置。為了滿足人們的需求，行動裝置通常具有無線通訊的功能。有些涵蓋長距離的無線通訊範圍，例如：行動電話使用2G、3G、LTE(Long Term Evolution)系統及其所使用700MHz、850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz、2100MHz、2300MHz以及2500MHz的頻帶進行通訊，而有些則涵蓋短距離的無線通訊範圍，例如：Wi-Fi、Bluetooth系統使用2.4GHz、5.2GHz和5.8GHz的頻帶進行通訊。

天線為支援無線通訊之行動裝置中不可或缺之元件。然而，由於行動裝置之內部空間十分侷限，往往沒有足夠面積來配置所需之天線元件。因此，如何設計一種小尺寸、寬頻帶之全新天線，已成為現今設計者之一大挑戰。

在較佳實施例中，本發明提供一種天線結構，包括：一介質基板，具有相對之一第一表面和一第二表面；一耦合饋入部，包括一第一部份和一第二部份，其中該第一部份係設置於該介質基板之該第一表面，而該第二部份係設置於該介質基板之該第二表面；一第一輻射部，耦接至該耦合饋入部之該第一部份；一第二輻射部，耦接至該耦合饋入部之該第二部份；以及一短路部，其中該耦合饋入部之該第二部份係經由該短路部耦接至一接地電位；其中該第二輻射部之長度係大於該第一輻射部之長度；其中該第二輻射部和該短路部係分別位於該耦合饋入部之不同二側。

在一些實施例中，該耦合饋入部之該第一部份於該介質基板之該第二表面上具有一垂直投影，而該垂直投影係與該耦合饋入部之該第二部份完全重合，使得該耦合饋入部之該第一部份和該第二部份之間形成一等效饋入電容。

在一些實施例中，該第一輻射部係設置於該介質基板之該第一表面。

在一些實施例中，該耦合饋入部之寬度係至少為6mm。

在一些實施例中，該短路部呈現一蜿蜒形狀。

在一些實施例中，該天線結構更包括：一第一寄生部，耦接至該接地電位，其中該第一寄生部係鄰近於該第二輻射部。

在一些實施例中，該天線結構更包括：一第二寄生部，耦接至該接地電位，其中該第二寄生部係鄰近於該第一寄生部。

在一些實施例中，該第二輻射部係至少部份地包圍該第一寄生部和該第二寄生部。

在一些實施例中，該第二輻射部、該第一寄生部，以及該第二寄生部皆設置於該介質基板之該第二表面。

在一些實施例中，該天線結構係涵蓋一第一頻帶、一第二頻帶、一第三頻帶，以及一第四頻帶，該第一頻帶係介於704MHz至960MHz之間，該第二頻帶係介於1420MHz至1620MHz之間，該第三頻帶係介於1710MHz至2170MHz之間，而該第四頻帶係介於2300MHz至2700MHz之間。

100、200‧‧‧天線結構

110‧‧‧介質基板

120‧‧‧耦合饋入部

130‧‧‧耦合饋入部之第一部份

131‧‧‧耦合饋入部之第一部份之第一端

132‧‧‧耦合饋入部之第一部份之第二端

140‧‧‧耦合饋入部之第二部份

141‧‧‧耦合饋入部之第二部份之第一端

142‧‧‧耦合饋入部之第二部份之第二端

150‧‧‧第一輻射部

151‧‧‧第一輻射部之第一端

152‧‧‧第一輻射部之第二端

160‧‧‧第二輻射部

161‧‧‧第二輻射部之第一端

162‧‧‧第二輻射部之第二端

170‧‧‧短路部

171‧‧‧短路部之第一端

172‧‧‧短路部之第二端

199‧‧‧信號源

265‧‧‧缺口

280‧‧‧第一寄生部

281‧‧‧第一寄生部之第一端

282‧‧‧第一寄生部之第二端

290‧‧‧第二寄生部

291‧‧‧第二寄生部之第一端

292‧‧‧第二寄生部之第二端

CC1‧‧‧第一曲線

CC2‧‧‧第二曲線

E1‧‧‧介質基板之第一表面

E2‧‧‧介質基板之第二表面

FB1‧‧‧第一頻帶

FB2‧‧‧第二頻帶

FB3‧‧‧第三頻帶

FB4‧‧‧第四頻帶

FP‧‧‧饋入點

GC1‧‧‧第一耦合間隙

GC2‧‧‧第二耦合間隙

H1‧‧‧總高度

L1、L2、L3、L4‧‧‧長度

VSS‧‧‧接地電位

W1‧‧‧寬度

第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之正面圖。

第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之背面透視圖。

第1C圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之立體圖。

第2A圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線結構之正面圖。

第2B圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線結構之背面透視圖。

第2C圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線結構之立體圖。

第3圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線結構之天線效率圖。

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。

在說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。本領域技術人員應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及申請專利範圍當中所提及的「包含」及「包括」一詞為開放式的用語，故應解釋成「包含但不僅限定於」。「大致」一詞則是指在可接受的誤差範圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題，達到所述基本之技術效果。此外，「耦接」一詞在本說明書中包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接至一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電性連接至該第二裝置，或經由其它裝置或連接手段而間接地電性連接至該第二裝置。

第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構(Antenna Structure)100之正面圖。第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之背面透視圖。第1C圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之立體圖。請一併參考第1A、1B、1C圖以理解本發明。天線結構100可應用於一行動裝置(Mobile Device)當中，例如：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)。在第1A、1B、1C圖之實施例中，天線結構100至少包括：一介質基板(Dielectric Substrate)110、一耦合饋入部(Coupling Feeding Element)120、一第一輻射部(Radiation Element)150、一第二輻射部160，以及一短路部(Shorting Element)170。介質基板110可大致呈現一矩形，其中介質基板110具有相對之一第一表面E1和一第二表面E2。例如，介質基板110可為一FR4(Flame Retardant 4)基板或一印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)。耦合饋入部120、第一輻射部150、第二輻射部160，以及短路部170皆可用金屬材質製成，它們並可印刷於介質基板110上。

耦合饋入部120包括一第一部份130和一第二部份140，其中耦合饋入部120之第一部份130係設置於介質基板110之第一表面E1，而耦合饋入部120之第二部份140係設置於介質基板110之第二表面E2。耦合饋入部120之第一部份130和第二部份140可為尺寸相同之二個矩形，它們係彼此分離。詳細而言，耦合饋入部120之第一部份130具有一第一端131和一第二端132，其中一饋入點(Feeding Point)FP係位於第一部份130之第一端131(例如：第一部份130之一角落處)，而此饋入點FP可耦接至一信號源(Signal Source)199，以激發天線結構100。另一方面，耦合饋入部120之第二部份140具有一第一端141和一第二端142，其中第二部份140之第一端141為一開路端(Open End)。在一些實施例中，耦合饋入部120之第一部份130於介質基板110之第二表面E2上具有一垂直投影(Vertical Projection)，而此垂直投影係與耦合饋入部120之第二部份140完全重合，使得耦合饋入部120之第一部份130和第二部份140之間形成一等效饋入電容(Effective Feeding Capacitance)。根據實際量測結果，若耦合饋入部120之寬度W1夠大且至少為6mm，則前述之等效饋入電容將足以大幅增加天線結構100之低頻操作頻寬。

第一輻射部150係設置於介質基板110之第一表面E1。第一輻射部150可大致呈現一L字形。詳細而言，第一輻射部150具有一第一端151和一第二端152，其中第一輻射部150之第一端151係耦接至第一部份130之第二端132，而第一輻射部150之第二端152為一開路端。第一輻射部150之第二端152可具有一90度彎折並朝靠近一接地銅箔之方向作延伸(接地銅箔未顯示，其可提供一接地電位VSS)。第一輻射部150之一部份可大致與耦合饋入部120之第一部份130互相垂直，而第一輻射部150之另一部份可大致與耦合饋入部120之第一部份130互相平行。

第二輻射部160係設置於介質基板110之第二表面E2。第二輻射部160可大致呈現一L字形，其中第二輻射部160之長度係大於第一輻射部150之長度，使得第一輻射部150可對應於天線結構100之相對高頻頻帶，而第二輻射部160可對應於天線結構100之相對低頻頻帶。詳細而言，第二輻射部160具有一第一端161和一第二端162，其中第二輻射部160之第一端161係耦接至第二部份140之第二端142，而第二輻射部160之第二端162為一開路端。第二輻射部160之第二端162具有一90度彎折並朝靠近接地銅箔之方向作延伸(接地銅箔未顯示，其可提供接地電位VSS)。第二輻射部160之一部份可大致與耦合饋入部120之第二部份140互相垂直，而第二輻射部160之另一部份可大致與耦合饋入部120之第二部份140互相平行。另外，第一輻射部150和第二輻射部160可分別位於耦合饋入部120之不同二側。

短路部170係設置於介質基板110之第二表面E2。短路部170可大致呈現一蜿蜒形狀，例如：一倒U字形或是一S字形，但亦不僅限於此。詳細而言，短路部170具有一第一端171和一第二端172，其中短路部170之第一端171係耦接至耦合饋入部120之第二部份140(第一端141和第二端142之間)，而短路部170之第二端172係耦接至接地電位VSS，使得耦合饋入部120之第二部份140可經由短路部170耦接至接地電位VSS。第二輻射部160和短路部170可分別位於耦合饋入部120之不同二側。換言之，耦合饋入部120之第二部份140可介於第二輻射部160和短路部170之間，並可將第二輻射部160和短路部170分隔開。短路部170係用於微調天線結構100之低頻阻抗匹配(Impedance Matching)。由於短路部170係鄰近於第一輻射部150而非第二輻射部160，此種設計可避免短路部170對天線結構100之低頻操作頻帶造成不良影響，並可提升天線結構100之低頻輻射效率。

根據實際量測結果，因為天線結構100係採用等效電容之饋入機制且將短路部170與第二輻射部160分隔開，所提之設計方式可有效改善天線結構100之低頻輻射特性，同時可縮短天線結構100之總高度H1。一般而言，傳統可涵蓋全球頻帶之平面倒F字形天線(Planar Inverted F Antenna，PIFA)之總高度通常須達14mm或更大，但所提之天線結構100之總高度H1可僅約為11mm，其相較於先前技術之微縮幅度可達約21.4%。

第2A圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線結構200之正面圖。第2B圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線結構200之背面透視圖。第2C圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線結構200之立體圖。第2A、2B、2C圖和第1A、1B、1C圖相似，兩者之差異在於，天線結構200更包括一第一寄生部(Parasitic Element)280和一第二寄生部290之至少一者。第一寄生部280和第二寄生部290皆可用金屬材質製成，它們並可印刷於介質基板110上。

第一寄生部280係設置於介質基板110之第二表面E2。第一寄生部280可大致呈現一直條形。詳細而言，第一寄生部280具有一第一端281和一第二端282，其中第一寄生部280之第一端281係耦接至接地電位VSS，而第一寄生部280之第二端282為一開路端並朝靠近第二輻射部160之方向作延伸。第一寄生部280係鄰近於第二輻射部160，其中第一寄生部280和第二輻射部160之間形成一第一耦合間隙(Coupling Gap)GC1，而第一耦合間隙GC1之寬度係小於2mm，以增強元件間之能量耦合效應。第一寄生部280可大致與耦合饋入部120之第二部份140互相平行。

第二寄生部290係設置於介質基板110之第二表面E2。第二寄生部290可大致呈現一L字形。詳細而言，第二寄生部290具有一第一端291和一第二端292，其中第二寄生部290之第一端291係耦接至接地電位VSS，而第二寄生部290之第二端 292為一開路端並朝靠近第一寄生部280之方向作延伸。第二寄生部290係鄰近於第一寄生部280，其中第二寄生部290和第一寄生部280之間形成一第二耦合間隙GC2，而第二耦合間隙GC2之寬度係小於1mm，以增強元件間之能量耦合效應。第二寄生部290之一部份可大致與第一寄生部280互相平行，而第二寄生部290之另一部份可大致與第一寄生部280互相垂直。

第二輻射部160係至少部份地包圍第一寄生部280和第二寄生部290。在一些實施例中，第二輻射部160和耦合饋入部120之第二部份140兩者之一組合大致呈現一倒U字形，其中第一寄生部280和第二寄生部290皆至少部份地位於前述倒U字形之一缺口265之內。例如，第一寄生部280可大致位於缺口265之中央處，而第二寄生部290可介於第二輻射部160之第二端162和第一寄生部280之間。在此設計下，第一寄生部280和第二寄生部290之加入既可增寬天線結構200之操作頻帶，但又不致額外增加天線結構200之整體尺寸。

第3圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線結構200之天線效率(Antenna Efficiency)圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz)，而縱軸代表天線效率(dB)。必須注意的是，一第一曲線CC1代表傳統之平面倒F字形天線之操作特性，而一第二曲線CC2代表所提之天線結構200之操作特性。在第3圖之實施例中，天線結構200可涵蓋介於704MHz至960MHz之間之一第一頻帶FB1、介於1420MHz至1620MHz之間之一第二頻帶FB2、介於1710MHz至2170MHz之間之一第三頻帶FB3，以及介於2300MHz至2700MHz之間之一第四頻帶FB4。因此，天線結構200將可支援全球之LTE(Long Term Evolution)之寬頻操作，例如：美國LTE Band 2/4/13/25/26/41/5/29/30/17/66/7/12，以及歐洲LTE Band 7/28/8/20/38/40/3/1/32/65。藉由比較第一曲線CC1和第二曲線CC2，可發現本發明之天線結構200之操作頻寬已然大幅提升，特別是在低頻頻帶(第一頻帶FB1)處尤其明顯。另外，天線結構200之高頻天線效率(第二頻帶FB2、第二頻帶FB3，以及第四頻帶FB4)相較於傳統設計亦有微幅上揚。

在一些實施例中，天線結構200之操作原理係如下列所述。第二輻射部160和耦合饋入部120之第二部份140係共同激發產生前述之第一頻帶FB1。第二寄生部290係激發產生前述之第二頻帶FB2。第一輻射部150和耦合饋入部120之第一部份130係共同激發產生前述之第三頻帶FB3。第一寄生部280係激發產生前述之第四頻帶FB4。

在一些實施例中，天線結構200之元件尺寸係如下列所述。介質基板110之厚度(即第一表面E1和第二表面E2之間距)可約為0.4mm。第一部份130和第一輻射部150之總長度L1(由第一端131起，經過第二端132和第一端151，再至第二端152之總長度)係大致等於前述之第三頻帶FB3之中心頻率之0.25倍波長(λ/4)。第二部份140和第二輻射部160之總長度L2(由第一端141起，經過第二端142和第一端161，再至第二端162之總長度)係大致等於前述之第一頻帶FB1之中心頻率之0.25倍波長(λ/4)。第一寄生部280之長度L3(由第一端281起，再至第二端282之長度)係大致等於前述之第四頻帶FB4之中心頻率之0.25倍波長(λ/4)。第二寄生部290之長度L4(由第一端 291起，再至第二端292之長度)係大致等於前述之第二頻帶FB2之中心頻率之0.25倍波長(λ/4)。耦合饋入部120之寬度W1約介於6mm至8mm之間。短路部170之長度約介於10mm至15mm之間。天線結構200之總高度H1約為11mm。以上元件尺寸係根據多次實驗結果而得出，其有助於最佳化天線結構200之操作頻帶和阻抗匹配。第2A、2B、2C圖之天線結構200之其餘特徵皆與第1A、1B、1C圖之天線結構100類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

本發明提出一種新穎之寬頻天線結構，相較於傳統設計其至少具有下列優勢：(1)可涵蓋幾乎全球之LTE頻帶；(2)可縮小整體天線高度；(3)可用平面化結構實施；以及(4)可具有低複雜度，以及(5)可降低整體生產製造成本。因此，本發明很適合應用於各種小尺寸或窄邊框(Narrow Border)之行動通訊裝置當中。

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。本發明之天線結構並不僅限於第1-3圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-3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天線結構當中。

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。

Claims

一種天線結構，包括：一介質基板，具有相對之一第一表面和一第二表面；一耦合饋入部，包括一第一部份和一第二部份，其中該第一部份係設置於該介質基板之該第一表面，而該第二部份係設置於該介質基板之該第二表面；一第一輻射部，耦接至該耦合饋入部之該第一部份；一第二輻射部，耦接至該耦合饋入部之該第二部份；一短路部，其中該耦合饋入部之該第二部份係經由該短路部耦接至一接地電位；以及一第一寄生部，耦接至該接地電位，其中該第一寄生部係鄰近於該第二輻射部；其中該第二輻射部之長度係大於該第一輻射部之長度；其中該第二輻射部和該短路部係分別位於該耦合饋入部之不同二側。
如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該耦合饋入部之該第一部份於該介質基板之該第二表面上具有一垂直投影，而該垂直投影係與該耦合饋入部之該第二部份完全重合，使得該耦合饋入部之該第一部份和該第二部份之間形成一等效饋入電容。
如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該第一輻射部係設置於該介質基板之該第一表面。
如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該耦合饋入部之寬度係至少為6mm。
如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該短路部呈現一蜿蜒形狀。
如申請專利範圍第1項所述之天線結構，更包括：一第二寄生部，耦接至該接地電位，其中該第二寄生部係鄰近於該第一寄生部。
如申請專利範圍第6項所述之天線結構，其中該第二輻射部係至少部份地包圍該第一寄生部和該第二寄生部。
如申請專利範圍第6項所述之天線結構，其中該第二輻射部、該第一寄生部，以及該第二寄生部皆設置於該介質基板之該第二表面。
如申請專利範圍第6項所述之天線結構，其中該天線結構係涵蓋一第一頻帶、一第二頻帶、一第三頻帶，以及一第四頻帶，其中該第一頻帶係介於704MHz至960MHz之間，其中該第二頻帶係介於1420MHz至1620MHz之間，其中該第三頻帶係介於1710MHz至2170MHz之間，而其中該第四頻帶係介於2300MHz至2700MHz之間。