TWI683478B

TWI683478B - 整合Ｗｉ－Ｆｉ及ＥＨＦ之天線模組及行動裝置

Info

Publication number: TWI683478B
Application number: TW107132255A
Authority: TW
Inventors: 吳建宏; 陳健文
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2018-09-13
Filing date: 2018-09-13
Publication date: 2020-01-21
Also published as: TW202011642A

Abstract

一種整合Wi-Fi及EHF之天線模組，包括：一介質基板、一接地元件、一天線結構，以及一天線陣列。該天線結構係耦接至該接地元件，並用於涵蓋一Wi-Fi頻帶。該天線陣列係用於涵蓋一EHF頻帶。該接地元件、該天線結構，以及該天線陣列皆設置於該介質基板上，其中該天線陣列係由該接地元件和該天線結構所共同包圍。

Description

整合Wi-Fi及EHF之天線模組及行動裝置

本發明係關於一種天線模組(Antenna Module)，特別係關於一種天線模組和行動裝置(Mobile Device)。

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(Antenna)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、寬頻帶之全新天線組合，已成為現今設計者之一大挑戰。

在較佳實施例中，本發明提供一種整合Wi-Fi及EHF之天線模組，包括：一介質基板；一接地元件；一天線結構，耦接至該接地元件，並涵蓋一Wi-Fi頻帶；以及一天線陣列，涵蓋一EHF頻帶；其中該接地元件、該天線結構，以及該天線陣列皆設置於該介質基板上；其中該天線陣列係由該接地元件和該天線結構所共同包圍。

在一些實施例中，該Wi-Fi頻帶包括介於2400MHz至2500MHz之間之一第一頻帶，以及介於5150MHz至5850MHz之間之一第二頻帶。

在一些實施例中，該EHF頻帶包括介於24GHz至28GHz之頻率區間、介於37GHz至40GHz之頻率區間，介於57GHz至66GHz之頻率區間，以及介於64GHz至71GHz之頻率區間之至少一者。

在一些實施例中，該天線結構包括：一第一輻射部，具有一饋入點；一第二輻射部，耦接至該接地元件；以及一第三輻射部，耦接於該第一輻射部和該第二輻射部之間。

在一些實施例中，該第一輻射部、該第二輻射部，以及該第三輻射部之組合係呈現一倒U字形，以界定出一缺口區域。

在一些實施例中，該天線陣列和該第一輻射部之間具有一第一間隙，該第一間隙之寬度係大於或等於2mm，該天線陣列和該第二輻射部之間具有一第二間隙，該第二間隙之寬度係大於或等於2mm，該天線陣列和該第三輻射部之間具有一第三間隙，該第三間隙之寬度係大於或等於2mm，該天線陣列和該接地元件之間具有一第四間隙，而該第四間隙之寬度係大於0mm。

在一些實施例中，該第二輻射部之寬度係大於該第三輻射部之寬度，而該第三輻射部之寬度係大於該第一輻射部之寬度。

在一些實施例中，該介質基板具有相對之一第一表面和一第二表面，而該天線結構係設置於該介質基板之該第一表面上。

在一些實施例中，該天線陣列係設置於該介質基板之該第一表面上或該第二表面上。

在另一較佳實施例中，本發明提供一種行動裝置，包括：一上蓋，包括一顯示器；一底座；一轉軸元件，連接於該上蓋和該底座之間，使得該行動裝置能操作於一開啟模式或一閉合模式；以及一天線模組，整合Wi-Fi及EHF，其中該天線模組包括：一介質基板；一接地元件；一天線結構，耦接至該接地元件，並涵蓋一Wi-Fi頻帶；以及一天線陣列，涵蓋一EHF頻帶；其中該接地元件、該天線結構，以及該天線陣列皆設置於該介質基板上；其中該天線陣列係由該接地元件和該天線結構所共同包圍；其中該天線結構和該天線陣列係位於該顯示器和該上蓋之邊緣之間，或是位於該轉軸元件上。

100、200‧‧‧天線模組

110‧‧‧介質基板

120‧‧‧接地元件

130‧‧‧天線結構

140‧‧‧第一輻射部

141‧‧‧第一輻射部之第一端

142‧‧‧第一輻射部之第二端

150‧‧‧第二輻射部

151‧‧‧第二輻射部之第一端

152‧‧‧第二輻射部之第二端

160‧‧‧第三輻射部

161‧‧‧第三輻射部之第一端

162‧‧‧第三輻射部之第二端

170‧‧‧天線陣列

180‧‧‧缺口區域

191‧‧‧第一信號源

192‧‧‧第二信號源

600‧‧‧行動裝置

610‧‧‧上蓋

611‧‧‧上蓋之第一邊緣

612‧‧‧上蓋之第二邊緣

615‧‧‧顯示器

620‧‧‧底座

625‧‧‧鍵盤

630‧‧‧轉軸元件

671‧‧‧第一位置

672‧‧‧第二位置

673‧‧‧第三位置

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

FP‧‧‧饋入點

GC1‧‧‧第一間隙

GC2‧‧‧第二間隙

GC3‧‧‧第三間隙

GC4‧‧‧第四間隙

LC1‧‧‧剖面線

LW‧‧‧第一輻射部、第二輻射部、第三輻射部之總長度

PT1‧‧‧天線陣列之垂直投影

W1‧‧‧第一輻射部之寬度

W2‧‧‧第二輻射部之寬度

W3‧‧‧第三輻射部之寬度

第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線模組之俯視圖。

第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線模組之剖面圖。

第2圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線模組之剖面圖。

第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之電壓駐波比圖。

第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之天線效率圖。

第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列之吞吐量圖。

第6A圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置於一觀察角度之立體圖。

第6B圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置於另一觀察角度之立體圖。

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模組(Antenna Module)100之俯視圖。第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線模組100之剖面圖(沿一剖面線LC1)。請一併參考第1A、1B圖。天線模組100可以應用於一行動裝置(Mobile Device)，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)。如第1A、1B圖所示，天線模組100至少包括：一介質基板(Dielectric Substrate)110、一接地元件(Ground Element)120、一天線結構(Antenna Structure)130，以及一天線陣列(Antenna Array)170。必須理解的是，雖然未顯示於第1A、1B圖中，但具有天線模組100之行動裝置更可包括其他元件，例如：一處理器(Processor)、一揚聲器(Speaker)、一電池模組(Battery Module)，以及一外殼(Housing)。

介質基板110可以是一FR4(Flame Retardant 4)基板、一印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)，或是一軟性電路板(Flexible Circuit Board，FCB)。介質基板110可以大致呈現一矩形。在一些實施例中，介質基板110具有相對之一第一表面E1和一第二表面E2，其中接地元件120、天線結構130，以及天線陣列170皆設置於介質基板110之第一表面E1上。

接地元件120、天線結構130，以及天線陣列170可以至少部份或全部由金屬材質所製成，例如：銅、銀、鋁、鐵，或是其合金。接地元件120可以大致呈現一直條形。在一些實施例中，接地元件120為一接地銅箔(Ground Copper Foil)，其係耦接至行動裝置100之一系統接地面(System Ground Plane)(未顯示)。

天線結構130係耦接至接地元件120，而天線結構130可涵蓋一Wi-Fi頻帶。天線陣列170可涵蓋一EHF(Extremely High Frequency，EHF)頻帶，其中EHF頻帶之頻率係遠高於Wi-Fi頻帶之頻率。例如，前述Wi-Fi頻帶可包括介於2400MHz至2500MHz之間之一第一頻帶，以及介於5150MHz至5850MHz之間之一第二頻帶，而前述EHF頻帶可介於57GHz至66GHz之間，但亦不僅限於此。在其他實施例中，前述EHF頻帶亦可依不同國家需求而涵蓋介於24GHz至28GHz之頻率區間、介於37GHz至40GHz之頻率區間，或是介於64GHz至71GHz之頻率區間。

天線陣列170係由接地元件120和天線結構130所共同包圍。在一些實施例中，接地元件120和天線結構130係共同界定出一缺口區域(Notch Region)180，而天線陣列170或其垂直投影(Vertical Projection)係完全位於此缺口區域180之內部。例如，缺口區域180可大致呈現一矩形或是一正方形，但亦不僅限於此。

在一些實施例中，天線結構130包括一第一輻射部(Radiation Element)140、一第二輻射部150，以及一第三輻射部160。第一輻射部140可大致呈現一直條形。第一輻射部140具有一第一端141和一第二端142，其中一饋入點(Feeding Point)FP係位於第一輻射部140之第一端141處。饋入點FP可耦接至一第一信號源(Signal Source)191。例如，第一信號源191可以是一射頻(Radio Frequency，RF)模組，其可用於激發天線結構130。第二輻射部150可大致呈現一直條形，其可大致平行於第一輻射部140。第二輻射部150具有一第一端151和一第二端152，其中第二輻射部150之第一端151係耦接至接地元件120。第三輻射部160可大致呈現一直條形，其可大致垂直於第一輻射部140和第二輻射部150。第三輻射部160具有一第一端161和一第二端162，其中第三輻射部160之第一端161係耦接至第一輻射部140之第二端142，而第三輻射部160之第二端162係耦接至第二輻射部150之第二端152。第一輻射部140、第二輻射部150，以及第三輻射部160之組合可以大致呈現一倒U字形，以界定出前述缺口區域180。

天線陣列170可耦接至一第二信號源192。例如，第二信號源192可以是另一射頻模組，其可用於激發天線陣列170。在一些實施例中，天線陣列170包括複數個EHF天線元件，例如：32個或64個天線元件(未顯示)。天線陣列170更可包括一控制器(Controller)來控制這些EHF天線元件(未顯示)，以支援波束成型(Beamforming)之功能。天線陣列170可與接地元件 120和天線結構130皆完全分離。例如，天線陣列170和第一輻射部140之間可形成一第一間隙(Gap)GC1，天線陣列170和第二輻射部150之間可形成一第二間隙GC2，天線陣列170和第三輻射部160之間可形成一第三間隙GC3，而天線陣列170和接地元件120之間可形成一第四間隙GC4。這些間隙之存在可避免天線結構130干擾天線陣列170之輻射場型(Radiation Pattern)。

在一些實施例中，天線模組100之操作原理係如下列所述。天線結構130之第一輻射部140、第二輻射部150，以及第三輻射部160可共同激發產生一基頻共振模態(Fundamental Resonant Mode)，以形成前述Wi-Fi頻帶之第一頻帶。另外，天線結構130之第一輻射部140、第二輻射部150，以及第三輻射部160更可共同激發產生一高階共振模態(Higher-Order Resonant Mode)(亦即，倍頻效應)，以形成前述Wi-Fi頻帶之第二頻帶。天線陣列170則可激發產生前述EHF頻帶。由於天線陣列170之共振頻率係遠高於天線結構130之共振頻率，即使將天線陣列170設置於天線結構130之缺口區域180當中，此二者之相互干擾仍可降至最低。此種設計有助於最小化天線結構130和天線陣列170之整體尺寸。必須注意的是，傳統設計中之二個不同天線通常須彼此分離且相隔一既定間距，其整體尺寸勢必將遠大於本發明。

在一些實施例中，天線模組100之元件尺寸係如下列所述。介質基板110之長度可約為35mm，寬度可約為13.3mm。第一輻射部140、第二輻射部150，以及第三輻射部160三者之總長度LW可大致等於前述第一頻帶之0.5倍波長(λ/2)。第二輻射部150之寬度W2可大於第三輻射部160之寬度W3，而第三輻射部160之寬度W3可大於第一輻射部140之寬度W1。第一間隙GC1之寬度可大於或等於2mm。第二間隙GC2之寬度可大於或等於2mm。第三間隙GC3之寬度可大於或等於2mm。第四間隙GC4之寬度可大於0mm。以上元件尺寸之範圍係根據多次實驗結果而得出，其有助於最佳化天線結構130和天線陣列170之操作頻帶和阻抗匹配(Impedance Matching)。

第2圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線模組200之剖面圖。第2圖和第1B圖相似。在第2圖之實施例中，天線結構130係設置於介質基板110之第一表面E1上，而天線陣列170係設置於介質基板110之第二表面E2上，其中天線陣列170於介質基板110之第一表面E1上具有一垂直投影PT1，而此垂直投影PT1係由接地元件120和天線結構130所共同包圍。根據實際量測結果，若將天線結構130和天線陣列170設置於介質基板110之不同表面上，則可進一步降低天線結構130對天線陣列170所造成之干擾。第2圖之天線模組200之其餘特徵皆與第1A、1B圖之天線模組100類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構130之電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)圖。第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構130之天線效率(Antenna Efficiency)圖。根據第3、4圖之量測結果可知，在前述Wi-Fi頻帶內，天線結構130之電壓駐波比均可小於2.5，且天線結構130之天線效率均可大於40%，此已可滿足一般行動通訊裝置之實際應用需求。

第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線陣列170之吞吐量(Throughput)圖，其中一第一曲線CC1係代表若將天線結構130移除時天線陣列170於各種角度量測之吞吐量，而一第二曲線CC2係代表若將天線結構130加回時天線陣列170於各種角度量測之吞吐量。根據第5圖之比較結果可知，天線結構130之存在幾乎不會改變天線陣列170之資料吞吐量，故此二者可作成一整合式設計，以節省行動裝置之內部空間。

第6A圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置600於一觀察角度之立體圖。第6B圖係顯示根據本發明一實施例所述之行動裝置600於另一觀察角度之立體圖。請一併參考第6A、6B圖。在第6A、6B圖之實施例中，行動裝置600為一筆記型電腦，其更包括一上蓋(Upper Cover)610、一底座(Base)620、一轉軸元件(Hinge Element)630，以及前述之天線模組100(或200)。上蓋610可包括一顯示器(Display Device)615。底座620可包括一鍵盤(Keyboard)625。轉軸元件630係連接於上蓋610和底座620之間，使得行動裝置600能操作於一開啟模式(Open Mode)或一閉合模式(Closed Mode)。必須理解的是，筆記型電腦之形狀和種類於本發明中並不特別限制。在一些實施例中，前述之天線模組100(或200)可設置於行動裝置600之一第一位置671處，其中第一位置671係介於顯示器615和上蓋610之一第一邊緣611之間(第一邊緣611係遠離轉軸元件630)。在另一些實施例中，前述之天線模組100(或200)可設置於行動裝置600之一第二位置672處，其中第二位置672係介於顯示器615和上蓋610之一第二邊緣612之間(第二邊緣612係鄰近於轉軸元件630)。必須注意的是，本說明書中所謂「鄰近」或「相鄰」一詞可指對應之二元件間距小於一既定距離(例如：5mm或更短)，亦可包括對應之二元件彼此直接接觸之情況(亦即，前述間距縮短至0)。在一些實施例中，前述之天線模組100(或200)可設置於行動裝置600之一第三位置673處，其中第三位置673係位於轉軸元件630上，並朝向行動裝置600之外側(所謂「外側」通常係指行動裝置600遠離使用者之一側)。根據實際量測結果，以上三種位置均可最佳化天線模組100(或200)之輻射場型和輻射效率，從而可有效改善行動裝置600之通訊品質。

本發明提出一種新穎之天線模組和行動裝置。藉由整合兩種不同型態之天線，本發明更可有效地應用行動裝置內部有限之設計空間。相較先前技術，本發明至少具有小尺寸、寬頻帶，以及高效率等優勢，故其很適合應用於各種各式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。本發明之天線模組和行動裝置並不僅限於第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天線模組和行動裝置當中。

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‧‧‧天線模組