TWI693745B - 天線結構 - Google Patents

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TWI693745B TW108104687A TW108104687A TWI693745B TW I693745 B TWI693745 B TW I693745B TW 108104687 A TW108104687 A TW 108104687A TW 108104687 A TW108104687 A TW 108104687A TW I693745 B TWI693745 B TW I693745B
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Abstract

一種天線結構，包括：一第一輻射部、一第二輻射部，以及一第三輻射部。第一輻射部具有一饋入點。第三輻射部係經由第二輻射部耦接至第一輻射部，其中第三輻射部具有彼此分離之一第一開孔和一第二開孔。天線結構涵蓋一第一頻帶、一第二頻帶，以及一第三頻帶。

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(Wideband)天線結構。
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、850 MHz、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)為無線通訊領域中不可缺少之元件。倘若用於接收或發射信號之天線其頻寬(Bandwidth)不足，則很容易造成行動裝置之通訊品質下降。因此，如何設計出小尺寸、寬頻帶之天線元件，對天線設計者而言是一項重要課題。
在較佳實施例中，本發明提出一種天線結構，包括：一第一輻射部，具有一饋入點；一第二輻射部；以及一第三輻射部，經由該第二輻射部耦接至該第一輻射部，其中該第三輻射部具有彼此分離之一第一開孔和一第二開孔；其中該天線結構涵蓋一第一頻帶、一第二頻帶，以及一第三頻帶。
在一些實施例中，該第一頻帶係位於1575MHz處，該第二頻帶係介於2400MHz至2500MHz之間，而該第三頻帶係介於5150MHz至5850MHz之間。
在一些實施例中，該第一輻射部係呈現一矩形。
在一些實施例中，該第二輻射部係呈現一梯形。
在一些實施例中，該第三輻射部係呈現一直條形。
在一些實施例中，該第一輻射部係與該第三輻射部大致互相平行。
在一些實施例中，該第一輻射部和該第二輻射部之間具有一第一夾角，而該第一夾角係介於0度至90度之間。
在一些實施例中，該第一夾角係大致等於45度。
在一些實施例中，該第三輻射部與該第二輻射部之間具有一第二夾角，而該第二夾角係介於0度至90度之間。
在一些實施例中，該第二夾角係大致等於45度。
在一些實施例中，該第一夾角和該第二夾角之總和係大致等於90度。
在一些實施例中，該第一開孔和該第二開孔係各自呈現一圓形。
在一些實施例中，該第一頻帶係由該第一輻射部、該第二輻射部，以及該第三輻射部所共同激發產生。
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總長度係大致等於該第一頻帶之0.25倍波長。
在一些實施例中，該第二頻帶係由該第一輻射部和該第二輻射部所共同激發產生。
在一些實施例中，該第一輻射部和該第二輻射部之總長度係大致等於該第二頻帶之0.25倍波長。
在一些實施例中，該第三頻帶係由該第一輻射部所激發產生。
在一些實施例中，該第一輻射部之長度係大致等於該第三頻帶之0.25倍波長。
在一些實施例中，該第一輻射部之寬度係大於該第三輻射部之寬度。
在一些實施例中，該第三輻射部之寬度係大於該第二輻射部之寬度。
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1圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構(Antenna Structure)100之示意圖。天線結構100可應用於一行動裝置(Mobile Device)當中，例如：一信用卡刷卡機(Credit Card Machine)、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1圖所示，天線結構100包括一第一輻射部(Radiation Element)110、一第二輻射部120，以及一第三輻射部130，其中第一輻射部110、第二輻射部120，以及第三輻射部130皆可由金屬材質所製成，例如：銅、銀、鋁、鐵，或是其合金。
第一輻射部110可以大致呈現一矩形。第一輻射部110具有一第一端111和一第二端112，其中一饋入點(Feeding Point)FP係鄰近於第一輻射部110之第一端111處。饋入點FP可耦接至一信號源(Signal Source)(未顯示)，例如：一射頻(Radio Frequency，RF)模組，其可用於激發天線結構100。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)。
第二輻射部120可以大致呈現一梯形。第二輻射部120具有一第一端121和一第二端122，其中第二輻射部120之第一端121係耦接至第一輻射部110之一角落116處，而第二輻射部120之第二端122係耦接至第三輻射部130，使得第三輻射部130係經由第二輻射部120耦接至第一輻射部110。詳細而言，第二輻射部120具有彼此相對且互相平行之一第一側邊123和一第二側邊124，其中第一側邊123之長度係大於第二側邊124之長度。第一輻射部110和第二輻射部120之第二側邊124之間具有一第一夾角θ1，其中第一夾角θ1可介於0度至90度之間。第三輻射部130和第二輻射部120之第二側邊124之間具有一第二夾角θ2，其中第二夾角θ2可介於0度至90度之間。在一些實施例中，第一夾角θ1和第二夾角θ2之總和(亦即，θ1+θ2)係大致等於90度。
第三輻射部130可以大致呈現一直條形，其中第一輻射部110可與第三輻射部130大致互相平行。第三輻射部130具有一第一端131和一第二端132，其中第三輻射部130之第一端131係耦接至第二輻射部120之第二端122，而第三輻射部130之第二端132為一開路端(Open End)。第三輻射部130之第二端132可與第一輻射部110之第一端111大致朝相同方向作延伸。
第三輻射部130具有彼此分離之一第一開孔(Opening)140和一第二開孔150。舉例而言，第一開孔140和第二開孔150可以各自大致呈現一圓形，然而，本發明並不僅限於此。在其他實施例中，第一開孔140和第二開孔150亦可各自大致呈現一正方形、一矩形，或是一正三角形(未顯示)。第一開孔140和第二開孔150可作為天線結構100之二個定位孔(Positioning Hole)。當天線結構100應用於一行動裝置上時，行動裝置之二條塑膠支柱可分別插入第一開孔140和第二開孔150當中，以達成固定天線結構100之功效。另外，根據實際量測結果，第一開孔140和第二開孔150之加入還可用於調整天線結構100之阻抗匹配(Impedance Matching)，以增加天線結構100之整體操作頻寬(Operation Bandwidth)。
在一些實施例中，第一輻射部110、第二輻射部120，以及第三輻射部130為一平面化結構，其可設置於一非導體支撐元件(Nonconductive Supporting Element)或一介質基板(Dielectric Substrate)上。在另一些實施例中，第一輻射部110、第二輻射部120，以及第三輻射部130亦可改為一立體結構，以搭配行動裝置之內部空間設計。
第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之返回損失(Return Loss)圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz)，而縱軸代表返回損失(dB)。根據第2圖之量測結果，天線結構100可涵蓋一第一頻帶(Frequency Band)FB1、一第二頻帶FB2，以及一第三頻帶FB3，其中第一頻帶FB1可大致位於1575MHz處，第二頻帶FB2可介於2400MHz至2500MHz之間，而第三頻帶FB3可介於5150MHz至5850MHz之間。因此，天線結構100將至少可支援GPS(Global Positioning System)和WLAN(Wireless Local Area Networks) 2.4GHz/5GHz之多頻帶寬頻操作。
在一些實施例中，天線結構100之操作原理可如下列所述。前述之第一頻帶FB1係由第一輻射部110、第二輻射部120，以及第三輻射部130三者所共同激發產生。前述之第二頻帶FB2係由第一輻射部110和第二輻射部120兩者所共同激發產生。前述之第三頻帶FB3係由第一輻射部110所激發產生。根據實際量測結果，由於輻射部之間之互相耦合效應(Coupling Effect)，藉由改變第一開孔140和第二開孔150之尺寸和位置可微調第三頻帶FB3之頻率範圍。
在一些實施例中，天線結構100之元件尺寸可如下列所述。第一輻射部110、第二輻射部120，以及第三輻射部130之總長度L1(亦即，由第一端111起，經由第一端121、第二端122，再至第二端132之總長度L1)可以大致等於第一頻帶FB1之0.25倍波長(λ/4)。第一輻射部110和第二輻射部120之總長度L2(亦即，由第一端111起，經由第一端121，再至第二端122之總長度L2)可以大致等於第二頻帶FB2之0.25倍波長(λ/4)。第一輻射部110之長度L3(亦即，由第一端111起至第二端112之長度L3)可以大致等於第三頻帶FB3之0.25倍波長(λ/4)。以上波長係指天線結構100於自由空間(Free Space)中之波長。若天線結構100設置於一塑膠固定(支撐)元件或一介質基板上，則前述總長度L1可介於第一頻帶FB1之0.15至0.17倍波長之間(0.15λ～0.17λ)，前述總長度L2可介於第二頻帶FB2之0.15至0.17倍波長之間(0.15λ～0.17λ)，而前述長度L3可介於第三頻帶FB3之0.15至0.17倍波長之間(0.15λ～0.17λ)。第一輻射部110之寬度W1可大於第三輻射部130之寬度W3，而第三輻射部130之寬度W3可大於第二輻射部120之寬度W2(亦即，W1＞W3＞W2)。第一夾角θ1可以大致等於45度。第二夾角θ2亦可大致等於45度。饋入點FP和第一輻射部110之第一端111之間具有一第一距離D1，其中第一距離D1可介於1mm至2mm之間。第一開孔140和第二開孔150之間具有一第二距離D2，其中第二距離D2可介於5mm至10mm之間，較佳可為8.5mm。第一開孔140和第三輻射部130之第一端131之間具有一第三距離D3，其中第三距離D3可介於1mm至2mm之間，較佳可為1.2mm。第二開孔150和第三輻射部130之第二端132之間具有一第四距離D4，其中第四距離D4可介於1mm至5mm之間，較佳可為2.3mm。第二距離D2可大於第三距離D3和第四距離D4，而第四距離D4可大於或等於第三距離D3。例如，第二距離D2可為第三距離D3之5至10倍，較佳為7倍，而第二距離D2可為第四距離D4之2至5倍，較佳為3.7倍。第一開孔140之半徑(Radius)R1可介於0.2mm至0.8mm之間，較佳可為0.5mm。第二開孔150之半徑R2可介於0.2mm至0.8mm之間，較佳可為0.5mm。第一開孔140之半徑R1可大致等於第二開孔150之半徑R2。以上尺寸範圍係根據多次實驗結果而求出，其有助於最佳化天線結構100之操作頻寬和阻抗匹配。
第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之輻射效率(Radiation Efficiency)圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz)，而縱軸代表輻射效率(dB)。根據第3圖之量測結果，天線結構100於第一頻帶FB1中之輻射效率可達約-2.5dB，於第二頻帶FB2中之輻射效率可達約-3.58dB，而於第三頻帶FB3中之輻射效率可達約-2.68dB，此已可滿足一般行動通訊裝置之實際應用需求。
本發明提供一種新穎之天線結構，相較於傳統天線設計，其至少具有下列優勢：(1)接近平面化式之設計；(2)易於大量生產製造；(3)足以涵蓋GPS和WLAN全頻帶；(4)小型化之整體尺寸；以及(5)製造成本低廉。因此，本發明之天線結構很適合應用於現今各種小型化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。
100:天線結構 110:第一輻射部 111:第一輻射部之第一端 112:第一輻射部之第二端 116:第一輻射部之角落 120:第二輻射部 121:第二輻射部之第一端 122:第二輻射部之第二端 123:第二輻射部之第一側邊 124:第二輻射部之第二側邊 130:第三輻射部 131:第三輻射部之第一端 132:第三輻射部之第二端 140:第一開孔 150:第二開孔 D1:第一距離 D2:第二距離 D3:第三距離 D4:第四距離 FP:饋入點 FB1:第一頻帶 FB2:第二頻帶 FB3:第三頻帶 L1:第一輻射部、第二輻射部，以及第三輻射部之總長度 L2:第一輻射部和第二輻射部之總長度 L3:第一輻射部之長度 R1、R2:半徑 W1、W2、W3:寬度 θ1:第一夾角 θ2:第二夾角
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之示意圖。 第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之返回損失圖。 第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之輻射效率圖。
100:天線結構
110:第一輻射部
111:第一輻射部之第一端
112:第一輻射部之第二端
116:第一輻射部之角落
120:第二輻射部
121:第二輻射部之第一端
122:第二輻射部之第二端
123:第二輻射部之第一側邊
124:第二輻射部之第二側邊
130:第三輻射部
131:第三輻射部之第一端
132:第三輻射部之第二端
140:第一開孔
150:第二開孔
D1:第一距離
D2:第二距離
D3:第三距離
D4:第四距離
FP:饋入點
L1:第一輻射部、第二輻射部，以及第三輻射部之總長度
L2:第一輻射部和第二輻射部之總長度
L3:第一輻射部之長度
R1、R2:半徑
W1、W2、W3:寬度
θ1:第一夾角
θ2:第二夾角

Claims (28)

  1. 一種天線結構，包括：一第一輻射部，具有一饋入點；一第二輻射部；以及一第三輻射部，經由該第二輻射部耦接至該第一輻射部，其中該第三輻射部具有彼此分離之一第一開孔和一第二開孔；其中該天線結構涵蓋一第一頻帶、一第二頻帶，以及一第三頻帶；其中該第一輻射部、該第二輻射部，以及該第三輻射部之總長度係大致等於該第一頻帶之0.25倍波長。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該第一頻帶係位於1575MHz處，該第二頻帶係介於2400MHz至2500MHz之間，而該第三頻帶係介於5150MHz至5850MHz之間。
  3. 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呈現一矩形。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該第二輻射部係呈現一梯形。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該第三輻射部係呈現一直條形。
  6. 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與該第三輻射部大致互相平行。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該第一輻射部和該第二輻射部之間具有一第一夾角，而該第一夾角係介於0度至90度之間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之天線結構，其中該第一夾角係大致等於45度。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之天線結構，其中該第三輻射部與該第二輻射部之間具有一第二夾角，而該第二夾角係介於0度至90度之間。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之天線結構，其中該第二夾角係大致等於45度。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之天線結構，其中該第一夾角和該第二夾角之總和係大致等於90度。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該第一開孔和該第二開孔係各自呈現一圓形。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該第一頻帶係由該第一輻射部、該第二輻射部，以及該第三輻射部所共同激發產生。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該第二頻帶係由該第一輻射部和該第二輻射部所共同激發產生。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該第一輻射部和該第二輻射部之總長度係大致等於該第二頻帶之0.25倍波長。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該第三頻帶係由該第一輻射部所激發產生。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該第一輻射部之長度係大致等於該第三頻帶之0.25倍波長。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該第一輻射部之寬度係大於該第三輻射部之寬度。
  19. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該第三輻射部之寬度係大於該第二輻射部之寬度。
  20. 一種天線結構，包括：一第一輻射部，具有一饋入點；一第二輻射部；以及一第三輻射部，經由該第二輻射部耦接至該第一輻射部，其中該第三輻射部具有彼此分離之一第一開孔和一第二開孔；其中該天線結構涵蓋一第一頻帶、一第二頻帶，以及一第三頻帶；其中該第一輻射部和該第二輻射部之間具有一第一夾角，而該第一夾角係介於0度至90度之間；其中該第三輻射部與該第二輻射部之間具有一第二夾角，而該第二夾角係介於0度至90度之間。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之天線結構，其中該第二夾角係大致等於45度。
  22. 如申請專利範圍第20項所述之天線結構，其中該第一夾角和該第二夾角之總和係大致等於90度。
  23. 一種天線結構，包括：一第一輻射部，具有一饋入點；一第二輻射部；以及一第三輻射部，經由該第二輻射部耦接至該第一輻射部，其中該第三輻射部具有彼此分離之一第一開孔和一第二開孔；其中該天線結構涵蓋一第一頻帶、一第二頻帶，以及一第三頻帶；其中該第一輻射部和該第二輻射部之總長度係大致等於該第二頻帶之0.25倍波長。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之天線結構，其中該第一頻帶係位於1575MHz處。
  25. 如申請專利範圍第23項所述之天線結構，其中該第二頻帶係介於2400MHz至2500MHz之間，而該第三頻帶係介於5150MHz至5850MHz之間。
  26. 一種天線結構，包括：一第一輻射部，具有一饋入點；一第二輻射部；以及一第三輻射部，經由該第二輻射部耦接至該第一輻射部，其中該第三輻射部具有彼此分離之一第一開孔和一第二開孔； 其中該天線結構涵蓋一第一頻帶、一第二頻帶，以及一第三頻帶；其中該第一輻射部之長度係大致等於該第三頻帶之0.25倍波長。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之天線結構，其中該第一頻帶係位於1575MHz處。
  28. 如申請專利範圍第26項所述之天線結構，其中該第二頻帶係介於2400MHz至2500MHz之間，而該第三頻帶係介於5150MHz至5850MHz之間。
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