TWI699930B - 通訊裝置 - Google Patents

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Abstract

一種通訊裝置，包括：一接地元件、一介質基板，以及一天線元件。介質基板係鄰近於接地元件之一邊緣。天線元件係設置於介質基板上。天線元件包括：一饋入金屬部、一短路金屬部、一第一輻射金屬部、一第二輻射金屬部，以及一電感元件。饋入金屬部具有一饋入點。短路金屬部係耦接至接地元件。第一輻射金屬部係耦接至短路金屬部，並鄰近於饋入金屬部。第二輻射金屬部係經由電感元件耦接至饋入金屬部，其中第二輻射金屬部更耦接至接地元件。

Description

通訊裝置
本發明係關於一種通訊裝置，特別係關於一種通訊裝置及其天線元件(Antenna Element)。
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)為支援無線通訊之行動裝置中不可或缺之元件。以筆記型電腦(Notebook Computer)為例，為了滿足消費者對於窄邊框(Narrow Border)之需求，其天線設計空間將受到很大壓縮。因此，如何設計出一種小尺寸、寬頻帶之天線元件，已成為現今工程師之一大挑戰。
在較佳實施例中，本發明提供一種通訊裝置，包括：一接地元件；一介質基板，鄰近於該接地元件之一邊緣；以及一天線元件，設置於該介質基板上，其中該天線元件包括：一饋入金屬部，具有一饋入點；一短路金屬部，耦接至該接地元件；一第一輻射金屬部，耦接至該短路金屬部，並鄰近於該饋入金屬部；一電感元件；以及一第二輻射金屬部，經由該電感元件耦接至該饋入金屬部，其中該第二輻射金屬部更耦接至該接地元件。
在一些實施例中，該第一輻射金屬部係呈現一L字形。
在一些實施例中，該天線元件更包括：一匹配金屬部，耦接至該第二輻射金屬部。
在一些實施例中，該匹配金屬部與該接地元件之該邊緣之間距係小於或等於5mm。
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，其中該饋入金屬部、該短路金屬部、該第二輻射金屬部，以及該匹配金屬部皆設置於該介質基板之該第一表面上，而該第一輻射金屬部係設置於該介質基板之該第二表面上。
在一些實施例中，該天線元件更包括：一導電貫通元件，穿透該介質基板，其中該第一輻射金屬部係經由該導電貫通元件耦接至該短路金屬部。
在一些實施例中，該天線元件涵蓋一第一頻帶和一第二頻帶，該第一頻帶係介於2400MHz至2500MHz之間，而該第二頻帶係介於5150MHz至5850MHz之間。
在一些實施例中，該電感元件為一晶片電感器或一印刷電感器。
在一些實施例中，介質基板具有相對之一第一表面和一第二表面，而該饋入金屬部、該短路金屬部、該第一輻射金屬部，以及該第二輻射金屬部皆設置於該介質基板之該第一表面上。
在一些實施例中，該第二輻射金屬部包括一第一部份和一第二部份，而一分隔間隙係形成於該第一部份和該第二部份之間。
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通訊裝置100之俯視圖。第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之通訊裝置100之背視圖。請一併參考第1A、1B圖。通訊裝置100可以是一智慧型手機(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，通訊裝置100至少包括：一接地元件(Ground Element)110、一介質基板(Dielectric Substrate)120，以及一天線元件(Antenna Element)130。必須理解的是，雖然未顯示於第1A、1B圖中，通訊裝置100更可包括其他元件，例如：一顯示器(Display Device)、一揚聲器(Speaker)、一觸控模組(Touch Control Module)、一供電模組(Power Supply Module)，以及一外殼(Housing)。
接地元件110可以用金屬材質所製成，例如：銅、銀、鋁、鐵，或是其合金。接地元件110具有一邊緣111。接地元件110之形狀和尺寸在本發明中並不特別作限制。介質基板120可以是一印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)、一軟性電路板(Flexible Circuit Board，FCB)，或是一FR4(Flame Retardant 4)基板。介質基板120係鄰近於接地元件110之邊緣111。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)。介質基板120具有相對之一第一表面E1和一第二表面E2。在一些實施例中，介質基板120係大致呈現一矩形。
天線元件130係設置於介質基板120上。詳細而言，天線元件130至少包括一饋入金屬部(Feeding Metal Element)140、一短路金屬部(Shorting Metal Element)150、一第一輻射金屬部(Radiation Metal Element)160、一電感元件(Inductive Element)174，以及一第二輻射金屬部180，其中饋入金屬部140、短路金屬部150、電感元件174，以及第二輻射金屬部180皆設置於介質基板120之第一表面E1上，而第一輻射金屬部160則設置於介質基板120之第二表面E2上。
饋入金屬部140可大致呈現一蜿蜒形狀，例如：一N字形或一Z字形，但亦不僅限於此。饋入金屬部140具有一第一端141和一第二端142，其中一饋入點(Feeding Point)FP係位於饋入金屬部140之第一端141處，而饋入金屬部140之第二端142為一開路端(Open End)。饋入點FP可耦接至一信號源(Signal Source)199之一正極(Positive Electrode)。例如，信號源199可為一射頻(Radio Frequency)模組，其可用於激發天線元件130。在一些實施例中，饋入金屬部140係部份平行於接地元件110之邊緣111，且部份垂直於接地元件110之邊緣111。
短路金屬部150可大致呈現一矩形、一正方形，或是一L字形，但亦不僅限於此。短路金屬部150具有一第一端151和一第二端152，其中短路金屬部150之第一端151係耦接至接地元件110之邊緣111。信號源199之一負極(Negative Electrode)可耦接至短路金屬部150上之任意位置。短路金屬部150可視為接地元件110於介質基板120之第一表面E1上之一延伸部份。
第一輻射金屬部160可大致呈現一L字形或一直條形，但亦不僅限於此。第一輻射金屬部160係相鄰或相對於饋入金屬部140。詳細而言，若饋入金屬部140於介質基板120之第二表面E2上具有一垂直投影(Vertical Projection)，則饋入金屬部140之垂直投影將與第一輻射金屬部160至少部份重疊，以強化饋入金屬部140和第一輻射金屬部160之間之耦合效應。第一輻射金屬部160具有一第一端161和一第二端162，其中第一輻射金屬部160之第一端161係耦接至短路金屬部150之第二端152，而第一輻射金屬部160之第二端162為一開路端並朝大致平行於接地元件110之邊緣111之方向作延伸。在一些實施例中，通訊裝置100之天線元件130更包括一導電貫通元件(Conductive Via Element)172，其中導電貫通元件172係穿透介質基板120，使得第一輻射金屬部160之第一端161係經由導電貫通元件172耦接至短路金屬部150之第二端152。必須理解的是，導電貫通元件172為一選用元件(Optional)，在其他實施例中亦可移除之。
電感元件174可為一晶片電感器(Chip Inductor)、一印刷電感器(Printed Inductor)，或是其組合。電感元件174係耦接至饋入金屬部140上之一第一連接點CP1，而第一連接點CP1可大致位於饋入金屬部140之一彎折部份處，其係介於饋入金屬部140之第一端141和第二端142之間。電感元件174之一電感值(Inductance)可介於2nH至20nH之間，例如：4.3nH，但亦不僅限於此。
第二輻射金屬部180可大致呈現一蜿蜒形狀，其可具有一等寬結構或一不等寬結構。第二輻射金屬部180具有一第一端181和一第二端182，其中第二輻射金屬部180之第一端181係經由電感元件174耦接至饋入金屬部140上之第一連接點CP1，而第二輻射金屬部180之第二端182係耦接至接地元件110之邊緣111。因此，饋入金屬部140、電感元件174、第二輻射金屬部180，以及接地元件110可共同形成一封閉迴圈路徑(Closed-Loop Path)，其中此封閉迴圈路徑可包圍住一無金屬區域185。
在一些實施例中，天線元件130更包括一匹配金屬部(Matching Metal Element)190，其係設置於介質基板120之第一表面E1上並位於前述封閉迴圈路徑之內。匹配金屬部190可大致呈現一直條形或一L字形。匹配金屬部190具有一第一端191和一第二端192，其中匹配金屬部190之第一端191係耦接至第二輻射金屬部180上之一第二連接點CP2，而匹配金屬部190之第二端192為一開路端並朝大致平行於接地元件110之邊緣111之方向作延伸。例如，第二連接點CP2可鄰近於第二輻射金屬部180之第一端181處。必須理解的是，匹配金屬部190為一選用元件，在其他實施例中亦可移除之。
第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之通訊裝置100之天線元件130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，天線元件130可涵蓋一第一頻帶(Frequency Band)FB1和一第二頻帶FB2，其中第一頻帶FB1可介於2400MHz至2500MHz之間，而第二頻帶FB2可介於5150MHz至5850MHz之間。因此，天線元件130將至少可支援WLAN(Wireless Local Area Networks) 2.4GHz/5GHz之雙頻帶操作。根據實際量測結果，天線元件130於第一頻帶FB1中之輻射效率(Radiation Efficiency)可約達35%，而於第二頻帶FB2中之輻射效率可約達30%，此已可滿足一般行動通訊裝置之實際應用需求。
在一些實施例中，天線元件130之操作原理係如下列所述。第二輻射金屬部180係由饋入金屬部140所直接激發，以產生前述之第一頻帶FB1。第一輻射金屬部160係由饋入金屬部140所耦合激發，以產生前述之第二頻帶FB2。電感元件174可用於增加第二輻射金屬部180之等效共振長度，以微縮天線元件130之整體尺寸。另外，電感元件174亦可避免第二頻帶FB2之共振電流流入第二輻射金屬部180，以降低第一頻帶FB1和第二頻帶FB2之間之互相干擾。匹配金屬部190主要用於微調第二頻帶FB2之阻抗匹配(Impedance Matching)，從而可增加第二頻帶FB2之操作頻寬。
在一些實施例中，通訊裝置100之元件尺寸可如下列所述。接地元件110之長度可約為280mm，寬度可約為180mm。介質基板120之厚度(亦即，第一表面E1和第二表面E2之間距)可小於2mm，例如：約0.4mm。天線元件130之長度可約為55mm，高度可約為3mm(亦即，在接地元件110之邊緣111上平行於Y軸之高度)。第一輻射金屬部160之長度(亦即，由第一端161至第二端162之長度)可小於或等於第二頻帶FB2之中心頻率之0.25倍波長(λ/4)，例如：約11mm。第二輻射金屬部180之長度(亦即，由第一端181至第二端182之長度)可小於或等於第一頻帶FB1之中心頻率之0.5倍波長(λ/2)，例如：約45mm。第二輻射金屬部180之長度可以大於第一輻射金屬部160之長度。詳細而言，第二輻射金屬部180之長度可為第一輻射金屬部160之長度之1.5至3倍。匹配金屬部190與接地元件110之邊緣111之間距D1可小於或等於5mm，例如：約0.5mm。以上尺寸範圍係根據多次實驗結果而求出，其有助於最佳化通訊裝置100之天線元件130之操作頻寬(Operation Bandwidth)和阻抗匹配。
第3圖係顯示根據本發明另一實施例所述之通訊裝置300之俯視圖。第3圖和第1A圖相似。在第3圖之實施例中，通訊裝置300之一匹配金屬部390之位置略有移動。匹配金屬部390具有一第一端391和一第二端392，其中匹配金屬部390之第一端391係耦接至第二輻射金屬部180上之一第二連接點CP3，而匹配金屬部390之第一端392為一開路端並朝大致平行於接地元件110之邊緣111之方向作延伸。例如，第二連接點CP3可鄰近於第二輻射金屬部180之一彎折部份處。根據實際量測結果，若第二連接點CP3與第二輻射金屬部180之第一端181之間距D2小於第二輻射金屬部180之長度之0.2倍以下，則天線元件130均可發揮較佳之輻射性能。另外，通訊裝置300更可包括一同軸電纜線(Coaxial Cable)380。同軸電纜線380可包括一中心導線(Central Conductive Line)381和一導體外殼(Conductive Housing)382，其中信號源199之正極可經由中心導線381耦接至饋入點FP，而信號源199之負極可經由導體外殼382耦接至短路金屬部150。必須注意的是，由於同軸電纜線380之導體外殼382可以耦接至短路金屬部150，而不必如傳統般直接耦接至接地元件110，故此種設計可大幅節省同軸電纜線380在介質基板120之第一表面E1上所佔據之面積。根據實際量測結果，在此設計下，天線元件130於Y軸上之高度可微縮至約3mm(傳統之天線高度通常大於5mm以上)，以滿足低姿勢(Low-Profile)天線設計之需求。第3圖之通訊裝置300之其餘特徵皆與第1A、1B圖之通訊裝置100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另一實施例所述之通訊裝置400之俯視圖。第4圖和第1A圖相似。在第4圖之實施例中，通訊裝置400之一第一輻射金屬部460係改為設置於介質基板120之第一表面E1上。亦即，饋入金屬部140、短路金屬部150、第一輻射金屬部460，以及第二輻射金屬部180為共平面(Coplanar)之設計。第一輻射金屬部460可大致呈現一L字形。第一輻射金屬部460具有一第一端461和一第二端462，其中第一輻射金屬部460之第一端461係直接耦接至短路金屬部150之第二端152(不必經由導電貫通元件172，其可省略)，而第一輻射金屬部460之第二端462為一開路端並朝大致平行於接地元件110之邊緣111之方向作延伸。必須理解的是，通訊裝置400之其他元件之位置和形狀可略作調整以最佳化其整體之阻抗匹配。第4圖之通訊裝置400之其餘特徵皆與第1A、1B圖之通訊裝置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另一實施例所述之通訊裝置500之俯視圖。第5圖和第1A圖相似。在第5圖之實施例中，通訊裝置500之一第二輻射金屬部580具有一第一端581和一第二端582，並包括一第一部份583和一第二部份584。在第二輻射金屬部580中，第一部份583係鄰近於第一端581，而第二部份584係鄰近於第二端582。相似地，第二輻射金屬部580之第一端581係經由電感元件174耦接至饋入金屬部140上之第一連接點CP1，而第二輻射金屬部580之第二端582係耦接至接地元件110之邊緣111。一分隔間隙(Partition Gap)585則形成於第二輻射金屬部580之第一部份583和第二部份584之間，並將此二者完全分離。根據實際量測結果，若分隔間隙585之寬度小於2mm，則第二輻射金屬部580之第一部份583和第二部份584之間仍能存有耦合效應，使得通訊裝置500之天線輻射性能不會受到第二輻射金屬部580之不連續結構之負面影響。必須理解的是，通訊裝置500之其他元件之位置和形狀可略作調整以最佳化其整體之阻抗匹配。第5圖之通訊裝置500之其餘特徵皆與第1A、1B圖之通訊裝置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通訊裝置及天線元件。相較於傳統設計，本發明至少具有小尺寸、低姿勢、寬頻帶，以及低製造成本等優勢，故其很適合應用於各種窄邊框(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。本發明之通訊裝置及天線元件並不僅限於第1-5圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-5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通訊裝置及天線元件當中。
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、300、400、500:通訊裝置
110:接地元件
111:接地元件之邊緣
120:介質基板
130:天線元件
140:饋入金屬部
141:饋入金屬部之第一端
142:饋入金屬部對第二端
150:短路金屬部
151:短路金屬部之第一端
152:短路金屬部之第二端
160、460:第一輻射金屬部
161、461:第一輻射金屬部之第一端
162、462:第一輻射金屬部之第二端
172:導電貫通元件
174:電感元件
180、580:第二輻射金屬部
181、581:第二輻射金屬部之第一端
182、582:第二輻射金屬部之第二端
185:無金屬區域
190、390:匹配金屬部
191、391:匹配金屬部之第一端
192、392:匹配金屬部之第二端
199:信號源
380:同軸電纜線
381:中心導線
382:導體外殼
583:第二輻射金屬部之第一部份
584:第二輻射金屬部之第二部份
585:分隔間隙
CP1:第一連接點
CP2、CP3:第二連接點
D1、D2:間距
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
FP:饋入點
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通訊裝置之俯視圖。 第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之通訊裝置之背視圖。 第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之通訊裝置之天線元件之返回損失圖。 第3圖係顯示根據本發明另一實施例所述之通訊裝置之俯視圖。 第4圖係顯示根據本發明另一實施例所述之通訊裝置之俯視圖。 第5圖係顯示根據本發明另一實施例所述之通訊裝置之俯視圖。
100:通訊裝置
110:接地元件
111:接地元件之邊緣
120:介質基板
130:天線元件
140:饋入金屬部
141:饋入金屬部之第一端
142:饋入金屬部對第二端
150:短路金屬部
151:短路金屬部之第一端
152:短路金屬部之第二端
160:第一輻射金屬部
161:第一輻射金屬部之第一端
162:第一輻射金屬部之第二端
172:導電貫通元件
174:電感元件
180:第二輻射金屬部
181:第二輻射金屬部之第一端
182:第二輻射金屬部之第二端
185:無金屬區域
190:匹配金屬部
191:匹配金屬部之第一端
192:匹配金屬部之第二端
199:信號源
CP1:第一連接點
CP2:第二連接點
D1:間距
E1:介質基板之第一表面
FP:饋入點
X:X軸
Y:Y軸
Z:Z軸

Claims (8)

  1. 一種通訊裝置，包括：一接地元件；一介質基板，鄰近於該接地元件之一邊緣；以及一天線元件，設置於該介質基板上，其中該天線元件包括：一饋入金屬部，具有一饋入點；一短路金屬部，耦接至該接地元件；一第一輻射金屬部，耦接至該短路金屬部，並鄰近於該饋入金屬部；一電感元件；一第二輻射金屬部，經由該電感元件耦接至該饋入金屬部，其中該第二輻射金屬部更耦接至該接地元件；以及一匹配金屬部，耦接至該第二輻射金屬部；其中該匹配金屬部與該接地元件之該邊緣之間距係小於或等於5mm。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該第一輻射金屬部係呈現一L字形。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該介質基板具有相對之一第一表面和一第二表面，其中該饋入金屬部、該短路金屬部、該第二輻射金屬部，以及該匹配金屬部皆設置於該介質基板之該第一表面上，而該第一輻射金屬部係設置於該介質基板之該第二表面上。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之通訊裝置，其中該天線元件更包括：一導電貫通元件，穿透該介質基板，其中該第一輻射金屬部係經由該導電貫通元件耦接至該短路金屬部。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該天線元件涵蓋一第一頻帶和一第二頻帶，該第一頻帶係介於2400MHz至2500MHz之間，而該第二頻帶係介於5150MHz至5850MHz之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該電感元件為一晶片電感器或一印刷電感器。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中介質基板具有相對之一第一表面和一第二表面，而該饋入金屬部、該短路金屬部、該第一輻射金屬部，以及該第二輻射金屬部皆設置於該介質基板之該第一表面上。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該第二輻射金屬部包括一第一部份和一第二部份，而一分隔間隙係形成於該第一部份和該第二部份之間。
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