TWI699043B - 天線結構 - Google Patents

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Abstract

一種天線結構，包括：一偶極天線元件和一浮接金屬部。浮接金屬部係鄰近於偶極天線元件，其中偶極天線元件之一垂直投影係與浮接金屬部至少部份重疊。浮接金屬部可用於微調天線結構之輻射場型並增加天線結構之操作頻寬。

Description

天線結構
本發明係關於一種天線結構(Antenna Structure)，特別係關於一種包括浮接金屬部(Floating Metal Element)之寬頻天線結構。
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：一偶極天線元件；以及一浮接金屬部，鄰近於該偶極天線元件，其中該偶極天線元件之一垂直投影係與該浮接金屬部至少部份重疊。
在一些實施例中，該天線結構至少涵蓋介於2400MHz至2500MHz之間之一操作頻帶。
在一些實施例中，該偶極天線元件包括一第一輻射部和一第二輻射部，該第一輻射部係耦接至一正饋入點，而該第二輻射部係耦接至一負饋入點。
在一些實施例中，該第一輻射部和該第二輻射部皆位於同一平面上。
在一些實施例中，該第一輻射部和該第二輻射部分別位於不同平面上。
在一些實施例中，該第一輻射部更包括一第一末端彎折部份，而該第二輻射部更包括一第二末端彎折部份。
在一些實施例中，該第一輻射部和該第二輻射部係各自呈現一直條形或一L字形。
在一些實施例中，該浮接金屬部係呈現一U字形。
在一些實施例中，該浮接金屬部係呈現一圓弧形。
在一些實施例中，該浮接金屬部包括一主要部份、一第一耦合部份，以及一第二耦合部份，而該主要部份係耦接於該第一耦合部份和該第二耦合部份之間。
在一些實施例中，該浮接金屬部更包括耦接至該第一耦合部份之一第一末端加寬部份。
在一些實施例中，該浮接金屬部更包括耦接至該第二耦合部份之一第二末端加寬部份。
在一些實施例中，該浮接金屬部之該主要部份與該偶極天線元件之該垂直投影之間距係大於或等於該操作頻帶之1/40倍波長。
在一些實施例中，該浮接金屬部之該主要部份與該偶極天線元件之該垂直投影之間距係小於或等於該操作頻帶之1/24倍波長。
在一些實施例中，該浮接金屬部之該主要部份之長度係介於該操作頻帶之9/40至4/15倍波長之間。
在一些實施例中，該浮接金屬部之該第一耦合部份之長度和該第二耦合部份之長度皆大於該操作頻帶之1/30倍波長。
在一些實施例中，該偶極天線元件和該浮接金屬部之間距係大於或等於0.2mm。
在一些實施例中，該天線結構更包括：一介質基板，其中該偶極天線元件和該浮接金屬部係分別設置於該介質基板之不同層上。
在一些實施例中，該介質基板為一雙層印刷電路板或一六層印刷電路板。
在一些實施例中，該天線結構更包括：一接地面，設置於該介質基板上，並具有一淨空區域，其中該偶極天線元件之該垂直投影和該浮接金屬部之一垂直投影皆位於該淨空區域之內。
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之俯視圖。第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之立體圖。請一併參考第1A、1B圖。天線結構100可應用於一通訊裝置(Communication Device)當中，例如：一無線分享器(Wireless Access Point)、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)，但亦不僅限於此。在第1A、1B圖之實施例中，天線結構100至少包括一偶極天線元件(Dipole Antenna Element)110和一浮接金屬部(Floating Metal Element)120，其中浮接金屬部120係鄰近於偶極天線元件110但係與偶極天線元件110完全分離。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)。
偶極天線元件110可用導體材質製成，例如：金屬材質。偶極天線元件110之細部形狀在本發明中並不特別限制。詳細而言，偶極天線元件110包括一第一輻射部111和一第二輻射部112，其中第一輻射部111係耦接至一正饋入點(Positive Feeding Point)FP，而第二輻射部112係耦接至一負饋入點(Negative Feeding Point)FN。第一輻射部111和第二輻射部112可以各自大致呈現一直條形。正饋入點FP和負饋入點FN可以分別耦接至一信號源(Signal Source)之一正極(Positive Electrode)和一負極(Negative Electrode)(未顯示)。例如，前述之信號源可為一射頻(Radio Frequency，RF)模組，其可用於激發天線結構100。偶極天線元件110和浮接金屬部120之間可產生耦合效應(Coupling Effect)，使得浮接金屬部120可用於改善偶極天線元件110之輻射性能。為增強前述耦合效應，偶極天線元件110之一垂直投影(Vertical Projection)須與浮接金屬部120至少部份重疊。亦即，若浮接金屬部120設置於一特定平面上，則第一輻射部111或(且)第二輻射部112於此特定平面上之垂直投影將與浮接金屬部120至少部份重疊。
浮接金屬部120可以大致呈現一U字形。浮接金屬部120具有一第一端121和一第二端122，其為二個開路端(Open End)。詳細而言，浮接金屬部120包括一主要部份(Main Portion)130、一第一耦合部份(Coupling Portion)140，以及一第二耦合部份150，其中主要部份130係耦接於第一耦合部份140和第二耦合部份150之間。前述之主要部份130、第一耦合部份140，以及第二耦合部份150可以各自大致呈現一直條形，其中主要部份130可與偶極天線元件110大致互相平行，而第一耦合部份140和第二耦合部份150則皆可與主要部份130大致互相垂直。在浮接金屬部120中，主要部份130之長度L1可為此三部份之最長者，而第二耦合部份150之長度L3可以大致等於第一耦合部份140之長度L2。另外，第一輻射部111之一垂直投影可與浮接金屬部120之第一耦合部份140至少部份重疊，而第二輻射部112之一垂直投影可與浮接金屬部120之第二耦合部份150至少部份重疊。大致而言，主要部份130之長度L1係用於決定天線結構100之共振頻率(Resonant Frequency)，而第一耦合部份140之長度L2和第二耦合部份150之長度L3係用於決定浮接金屬部120和偶極天線元件110之間之耦合量。
在一些實施例中，天線結構100更包括一介質基板(Dielectric Substrate)160，其中偶極天線元件110和浮接金屬部120可以分別設置於介質基板160之不同層上。舉例而言，若介質基板160為一六層印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)，則第一輻射部111可設置於介質基板160之一第一層E1(亦即，最上層)上，第二輻射部112可設置於介質基板160之一第四層E4(亦即，介於最上層和最下層之間)上，而浮接金屬部120可設置於介質基板160之一第六層E6(最下層)上，但亦不僅限於此。在其他實施例中，介質基板160之總層數亦可根據不同需要進行調整。
在一些實施例中，天線結構100更包括一接地面(Ground Plane)170，其係用金屬材質製成並設置於介質基板160上。舉例而言，若介質基板160為六層印刷電路板，則接地面170可同時分佈於介質基板160之第一層E1至第六層E6上。接地面170具有一淨空區域(Clearance Region)175，其可大致呈現一矩形缺口(Notch)。偶極天線元件110之垂直投影和浮接金屬部120之一垂直投影皆可完全位於接地面170之淨空區域175之內。根據實際量測結果，浮接金屬部120之加入可使偶極天線元件110不易受到接地面170之金屬部份所干擾。必須理解的是，介質基板160和接地面170皆為天線結構100之選用元件(Optional Element)，在其他實施例中亦可省略或移除之。
第1C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，其中一第一曲線CC1代表未使用浮接金屬部120時天線結構100之操作特性，而一第二曲線CC2代表已使用浮接金屬部120時天線結構100之操作特性。根據第1C圖之量測結果，浮接金屬部120之加入可大幅改善天線結構100之頻寬(Bandwidth)，使得天線結構100至少可涵蓋介於2400MHz至2500MHz之間之一操作頻帶。在此設計下，天線結構100將至少可支援Bluetooth和WLAN(Wireless Local Area Networks) 2.4GHz之寬頻操作。
第1D圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之輻射場型(Radiation Pattern)圖。根據第1D圖之量測結果可知，天線結構100可在XY平面上提供近似對稱之輻射場型，且其主波束(Main Beam)之方向係大致與浮接金屬部120之U字形之開口方向互相重合(亦即，+X軸方向)。必須注意的是，若改用傳統之倒F字形天線，則其輻射場型通常為非對稱且其主波束之方向會偏往一側(亦即，+Y軸方向)。因此，所提之浮接金屬部120之加入更可微調天線結構100之輻射場型，以滿足各種不同應用需求。
在一些實施例中，天線結構100之元件尺寸可如下列所述。偶極天線元件110之第一輻射部111之長度LA可以大致等於天線結構100之操作頻帶之1/4倍波長。偶極天線元件110之第二輻射部112之長度LB可以大致等於天線結構100之操作頻帶之1/4倍波長。浮接金屬部120之主要部份130與偶極天線元件110之垂直投影之間距D1可以大於或等於天線結構100之操作頻帶之1/40倍波長。浮接金屬部120之主要部份130與偶極天線元件110之垂直投影之間距D1可以小於或等於天線結構100之操作頻帶之1/24倍波長。浮接金屬部120之主要部份130之長度L1係介於天線結構100之操作頻帶之9/40至4/15倍波長之間。浮接金屬部120之第一耦合部份140之長度L2可以大於天線結構100之操作頻帶之1/30倍波長。例如，第一耦合部份140之長度L2可介於天線結構100之操作頻帶之1/24至3/40倍波長之間。浮接金屬部120之第二耦合部份150之長度L3可以大於天線結構100之操作頻帶之1/30倍波長。例如，第二耦合部份150之長度L3可介於天線結構100之操作頻帶之1/24至3/40倍波長之間。 浮接金屬部120可為一等寬結構，其寬度W1可介於0.1mm至2mm之間。偶極天線元件110(或第二輻射部112)和浮接金屬部120之間距D2可以大於或等於0.2mm。偶極天線元件110和浮接金屬部120之間距D2可以小於或等於介質基板160之厚度H1(例如：1.1mm)。接地面170之淨空區域175之長度可至少為30mm，而接地面170之淨空區域175之寬度可至少為10mm。以上元件尺寸之範圍係根據多次實驗結果而求出，其可用於最佳化天線結構100之操作頻寬(Operation Bandwidth)和阻抗匹配(Impedance Matching)。
第2A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構200之俯視圖。第2A圖和第1A圖相似。在第2A圖之實施例中，天線結構200之一偶極天線元件210包括一第一輻射部211和一第二輻射部212，其中第一輻射部211更包括一第一末端彎折部份(Terminal Bending Portion)215，而第二輻射部212更包括一第二末端彎折部份216，使得第一輻射部211和第二輻射部212各自大致呈現一L字形。第一末端彎折部份215之一垂直投影係與浮接金屬部120之第一耦合部份140至少部份重疊。第二末端彎折部份216之一垂直投影係與浮接金屬部120之第二耦合部份150至少部份重疊。此種設計可進一步強化偶極天線元件210和浮接金屬部120之間之耦合效應。第2B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構200之返回損失圖。根據第2B圖之量測結果，第一末端彎折部份215和第二末端彎折部份216之加入有助於擴大天線結構200之操作頻寬(例如：由原本320MHz增加至400MHz以上)。第2A圖之天線結構200之其餘特徵皆與第1A、1B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。
第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構300之俯視圖。第3圖和第2A圖相似。在第3圖之實施例中，天線結構300之一浮接金屬部320為一不等寬結構，其包括一主要部份330、一第一耦合部份340、一第一末端加寬部份345、一第二耦合部份350，以及一第二末端加寬部份355。第一末端加寬部份345可以大致呈現一矩形或一正方形。第一末端加寬部份345係耦接至第一耦合部份340並位於浮接金屬部320之一第一端321處，其中第一輻射部211之第一末端彎折部份215之垂直投影可與第一末端加寬部份345至少部份重疊。第二末端加寬部份355可以大致呈現一矩形或一正方形。第二末端加寬部份355係耦接至第二耦合部份350並位於浮接金屬部320之一第二端322處，其中第二輻射部212之第二末端彎折部份216之垂直投影可與第二末端加寬部份355至少部份重疊。根據實際量測結果，此種設計可進一步強化偶極天線元件210和浮接金屬部320之間之耦合效應，從而再擴大天線結構300之操作頻寬。第3圖之天線結構300之其餘特徵皆與第2A圖之天線結構200類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。
第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構400之立體圖。第4圖和第1B圖相似。在第4圖之實施例中，天線結構400之一偶極天線元件410為一共平面天線(Coplanar Antenna)。亦即，偶極天線元件410包括一第一輻射部411和一第二輻射部412，其中第一輻射部411和第二輻射部412皆位於同一平面上。若天線結構400之一介質基板460為一雙層印刷電路板，則第一輻射部411和第二輻射部412皆可設置於介質基板460之一第一層E1(最上層)上，而浮接金屬部120可設置於介質基板460之一第二層E2(最下層)上，但亦不僅限於此。根據實際量測結果，此種設計可微縮天線結構400之整體尺寸，但不致對其輻射場型和操作頻寬造成負面影響。第4圖之天線結構400之其餘特徵皆與第1A、1B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。
第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構500之俯視圖。第5圖和第2A圖相似。在第5圖之實施例中，天線結構500之一浮接金屬部520包括一主要部份530、一第一耦合部份540，以及一第二耦合部份550，其中主要部份530係大致呈現相對較短之一圓弧形(與第6圖相比)，而第一耦合部份540和第二耦合部份550係各自大致呈現一直條形。例如，主要部份530之長度可以大致等於天線結構500之操作頻帶之9/40倍波長。第5圖之天線結構500之其餘特徵皆與第2A圖之天線結構200類似，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一實施例所述之天線結構600之俯視圖。第6圖和第2A圖相似。在第6圖之實施例中，天線結構600之一浮接金屬部620包括一主要部份630、一第一耦合部份640，以及一第二耦合部份650，其中主要部份630係大致呈現相對較長之一圓弧形(與第5圖相比)，而第一耦合部份640和第二耦合部份650係各自大致呈現一直條形。例如，主要部份630之長度可以大致等於天線結構600之操作頻帶之4/15倍波長。第6圖之天線結構600之其餘特徵皆與第2A圖之天線結構200類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。
第7圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構700之俯視圖。第7圖和第2A圖相似。在第7圖之實施例中，天線結構700之一浮接金屬部720包括一主要部份730、一第一耦合部份740，以及一第二耦合部份750，其中主要部份730、第一耦合部份740，以及第二耦合部份750三者之一組合係大致呈現相對較平滑之一圓弧形(與第5、6圖相比)。第7圖之天線結構700之其餘特徵皆與第2A圖之天線結構200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天線結構。藉由使用所提之浮接金屬部，本發明可微調偶極天線元件之主波束方向並擴大其操作頻寬。相較於傳統設計，本發明至少具有小尺寸、寬頻帶、低複雜度，高增益，以及低製造成本等優勢，故其很適合應用於各種各式之通訊裝置當中。
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1-7圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-7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、200、300、400、500、600、700:天線結構 110、210、410:偶極天線元件 111、211、411:第一輻射部 112、212、412:第二輻射部 120、320、520、620、720:浮接金屬部 121、321:浮接金屬部之第一端 122、322:浮接金屬部之第二端 130、330、530、630、730:浮接金屬部之主要部份 140、340、540、640、740:浮接金屬部之第一耦合部份 150、350、550、650、750:浮接金屬部之第二耦合部份 160、460:介質基板 170:接地面 175:淨空區域 215:第一輻射部之第一末端彎折部份 216:第二輻射部之第二末端彎折部份 345:浮接金屬部之第一末端加寬部份 355:浮接金屬部之第二末端加寬部份 CC1:第一曲線 CC2:第二曲線 D1、D2:間距 E1:介質基板之第一層 E2:介質基板之第二層 E3:介質基板之第三層 E4:介質基板之第四層 E5:介質基板之第五層 E6:介質基板之第六層 FP:正饋入點 FN:負饋入點 H1:厚度 L1、L2、L3、LA、LB:長度 W1:寬度 X:X軸 Y:Y軸 Z:Z軸
第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之俯視圖。 第1B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1C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1D圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之輻射場型圖。 第2A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之俯視圖。 第2B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俯視圖。 第4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5圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之俯視圖。 第6圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之俯視圖。 第7圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之俯視圖。
100:天線結構
110:偶極天線元件
111:第一輻射部
112:第二輻射部
120:浮接金屬部
121:浮接金屬部之第一端
122:浮接金屬部之第二端
130:浮接金屬部之主要部份
140:浮接金屬部之第一耦合部份
150:浮接金屬部之第二耦合部份
160:介質基板
170:接地面
175:淨空區域
D1:間距
L1、L2、L3、LA、LB:長度
W1:寬度
X:X軸
Y:Y軸
Z:Z軸

Claims (18)

  1. 一種天線結構，包括：一偶極天線元件；以及一浮接金屬部，鄰近於該偶極天線元件，其中該偶極天線元件之一垂直投影係與該浮接金屬部至少部份重疊；其中該天線結構至少涵蓋一操作頻帶；其中該浮接金屬部包括一主要部份、一第一耦合部份，以及一第二耦合部份，而該主要部份係耦接於該第一耦合部份和該第二耦合部份之間；其中該浮接金屬部之該主要部份與該偶極天線元件之該垂直投影之間距係大於或等於該操作頻帶之1/40倍波長。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該操作頻帶介於2400MHz至2500MHz之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該偶極天線元件包括一第一輻射部和一第二輻射部，該第一輻射部係耦接至一正饋入點，而該第二輻射部係耦接至一負饋入點。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之天線結構，其中該第一輻射部和該第二輻射部皆位於同一平面上。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之天線結構，其中該第一輻射部和該第二輻射部分別位於不同平面上。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之天線結構，其中該第一輻射部更包括一第一末端彎折部份，而該第二輻射部更包括一第二 末端彎折部份。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之天線結構，其中該第一輻射部和該第二輻射部係各自呈現一直條形或一L字形。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該浮接金屬部係呈現一U字形。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該浮接金屬部係呈現一圓弧形。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該浮接金屬部更包括耦接至該第一耦合部份之一第一末端加寬部份。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該浮接金屬部更包括耦接至該第二耦合部份之一第二末端加寬部份。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該浮接金屬部之該主要部份與該偶極天線元件之該垂直投影之間距係小於或等於該操作頻帶之1/24倍波長。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該浮接金屬部之該主要部份之長度係介於該操作頻帶之9/40至4/15倍波長之間。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該浮接金屬部之該第一耦合部份之長度和該第二耦合部份之長度皆大於該操作頻帶之1/30倍波長。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該偶極天線元件和該浮接金屬部之間距係大於或等於0.2mm。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，更包括：一介質基板，其中該偶極天線元件和該浮接金屬部係分別設置於該介質基板之不同層上。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之天線結構，其中該介質基板為一雙層印刷電路板或一六層印刷電路板。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之天線結構，更包括：一接地面，設置於該介質基板上，並具有一淨空區域，其中該偶極天線元件之該垂直投影和該浮接金屬部之一垂直投影皆位於該淨空區域之內。
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