TWI712215B - 天線結構及通訊裝置 - Google Patents

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Abstract

一種天線結構，包括一第一輻射體及一第二輻射體。第一輻射體包括一第一段部、一第二段部及一第三段部。第一段部包括一饋入端，第二段部鄰近於第一段部且連接於第一段部的靠近饋入端的部位，第三段部連接於第二段部及饋入端而環繞出一空間。第二輻射體框設在第一段部與第二段部之外。第二輻射體包括相對的一第一端及一第二端。第一端為一接地端，第二端與第三段部之間具有一耦合間距。第一輻射體與第二輻射體共振出一第一頻段、一第二頻段及一第三頻段。

Description

天線結構及通訊裝置
本發明是有關於一種天線結構及通訊裝置，且特別是有關於一種可共振出多個頻段的天線結構及通訊裝置。
Sub 6GHz為5G通訊的其中一種主流頻段，其除了1710MHz至2700MHz的頻段之外，還增加了3300 MHz至5000MHz的頻段及5150 MHz至5850MHz的頻段。要如何設計一種天線結構可共振出上述多個頻段，是目前天線設計的研究目標。
本發明提供一種天線結構，其可共振出多個頻段的訊號。
本發明提供一種通訊裝置，具有上述的天線結構。
本發明的一種天線結構，包括一第一輻射體及一第二輻射體。第一輻射體包括一第一段部、一第二段部及一第三段部，其中第一段部包括一饋入端，第二段部鄰近於第一段部且連接於第一段部的靠近饋入端的部位，第三段部連接於第二段部及饋入端而環繞出一空間。第二輻射體框設在第一段部與第二段部之外，第二輻射體包括相對的一第一端及一第二端，其中第一端為一接地端，第二端與第三段部之間具有一耦合間距，第一輻射體與第二輻射體共振出一第一頻段、一第二頻段及一第三頻段。
在本發明的一實施例中，上述的天線結構更包括一第一調頻輻射體及一第二調頻輻射體。第一調頻輻射體位於空間且連接於饋入端。第二調頻輻射體位於空間且連接於饋入端，且第二調頻輻射體環繞第一調頻輻射體。
在本發明的一實施例中，上述的第一調頻輻射體與第二調頻輻射體的間距介於0.3公厘至0.5公厘之間。
在本發明的一實施例中，上述的第三段部具有彎折地連接的一第一區、一第二區及一第三區，第一區連接於第二段部，第三區連接於饋入端，一槽縫形成於第三區內。
在本發明的一實施例中，上述的天線結構更包括一天線接地面，其中第二輻射體包括一第四段部、一第五段部及一第六段部，第五段部分別連接第四段部及第六段部，第一端位於第四段部，第二端位於第六段部，第四段部連接天線接地面。
在本發明的一實施例中，上述的耦合間距介於0.5公厘至1公厘之間。
在本發明的一實施例中，上述的天線結構的長度介於36公厘至42公厘之間，寬度介於8公厘至10公厘之間。
在本發明的一實施例中，上述的第一頻段介於1710MHz至2700MHz之間，第二頻段介於3300MHz至5000MHz之間，且第三頻段介於5150MHz至5850MHz之間。
本發明的一種通訊裝置，包括天線結構、一天線多工器、一第一晶片及一第二晶片。天線多工器連接於天線結構，且包括一第一濾波單元、一第二濾波單元、一第三濾波單元、一第四濾波單元、一第五濾波單元及一切換單元，切換單元連接於第五濾波單元。第一晶片連接第一濾波單元、第二濾波單元、第三濾波單元及切換單元。第二晶片連接第四濾波單元及切換單元，切換單元可切換地連接於第一晶片或第二晶片。
本發明的一種通訊裝置，包括兩天線結構及一隔離元件，兩天線結構隔開一第一距離。隔離元件配置於兩天線結構之間，且與各天線結構相隔一第二距離。
在本發明的一實施例中，上述的第一距離介於60公厘至70公厘之間，且第二距離介於8公厘至12公厘之間。
在本發明的一實施例中，上述的隔離元件為長度介於40公厘至50公厘的導體。
基於上述，本發明的天線結構藉由上述第一輻射體及第二輻射體的設計，可共振出第一頻段、第二頻段及第三頻段，而能夠符合多個頻段的要求。在一實施例中，可將兩天線結構間隔第一距離，且於兩天線結構之間配置隔離單元，而使兩天線結構具有良好的隔離度。在一實施例中，通訊裝置的天線結構透過天線多工器的切換單元來可切換地連接於第一晶片或第二晶片，而可利用單一天線來產生多天線的效果，達到共用天線空間及縮減天線用量的目標。
圖1是依照本發明的一實施例的一種天線結構的示意圖。請參閱圖1，本實施例的天線結構100可設置於一基板105上。基板105例如是一硬質基板或是一軟質基板，基板105的種類不以此為限制。在其他實施例中，基板105也可被省略。
如圖1所示，天線結構100包括一第一輻射體110及一第二輻射體120。第一輻射體110包括一第一段部111(位置A1至位置A6的區段)、一第二段部112(位置A2至位置A3的區段)及一第三段部113(位置A5、A4、A7至位置A1的區段)。
在本實施例中，第一段部111包括一饋入端，也就是在位置A1處。第二段部112鄰近於第一段部111且連接於第一段部111的靠近饋入端的部位。更明確地說，是由第二段部112的位置A2的部位連接至第一段部111的位置A1的部位。
第三段部113連接於第二段部112及饋入端(位置A1)而環繞出一空間S。更明確地說，在本實施例中，第三段部113具有彎折地連接的一第一區114(位置A5至位置A4的區段)、一第二區115(位置A4至位置A7的區段)及一第三區116(位置A7至位置A1的區段)。第一區114由位置A5與位置A4之間的部位連接至第二段部112的位置A2，且第三區116連接於饋入端(位置A1)。
由圖1可見，第一輻射體110在位置A1、A2、A4、A7共同環繞出空間S。在本實施例中，一槽縫117形成於第三段部113的第三區116(位置A7至位置A1的區段)內，但在其他實施例中，第三段部113的第三區116也可不具有內部的槽縫117。
在本實施例中，第二輻射體120呈C型而框設在第一段部111與第二段部112之外。第二輻射體120包括相對的一第一端(位置B1)及一第二端(位置B4)。第一端(位置B1)為一接地端。第二輻射體120包括一第四段部122(位置B1至位置B2的區段)、一第五段部124(位置B2至位置B3的區段)及一第六段部126(位置B3至位置B4的區段)。第五段部124分別連接該第四段部122及第六段部126，第一端位於第四段部122，且第二端位於第六段部126。
此外，天線結構100更包括一天線接地面170，第四段部122(位置B1至位置B2的區段)連接天線接地面170，而與系統接地面(未繪示)導通。天線接地面170例如是一銅箔或一鋁箔，但不以此為限制。
同軸傳輸線180的訊號正端連接至饋入端(位置A1)，且同軸傳輸線180的訊號負端透過位置B1、B2接地。在本實施例中，同軸傳輸線180是使用直徑1.13公厘，且線長為400公厘的低損耗線材，但同軸傳輸線180的種類不以此為限制。
一耦合間距G1形成於第二輻射體120的第二端與第一輻射體110的第三段部113之間，更明確地說，耦合間距G1形成在位置B4與位置A5之間。在本實施例中，耦合間距G1介於0.5公厘至1公厘之間，但不以此為限制。
本實施例的天線結構100的第一輻射體110與第二輻射體120透過耦合間距G1，構成一開迴路(Open-Loop)的天線架構，而共振出一第一頻段、一第二頻段及一第三頻段。在本實施例中，第一頻段介於1710MHz至2700MHz之間，第二頻段介於3300MHz至5000MHz之間，且第三頻段介於5150MHz至5850MHz之間。當然，第一頻段、第二頻段及第三頻段的範圍不以上述為限制。
更具體地說，第一頻段(1710MHz至2700MHz)是由第一輻射體110在位置A1、A7、A4、A2至A3的路徑與第二輻射體120在位置B1、B2、B3至B4的路徑，產生第一開迴路共振。此外，設計者可藉由調整位置A2至位置A3的路徑長短，來控制第一頻段(1710MHz至2700MHz)的頻率點位置。
第二頻段(3300MHz至5000MHz)是由第一輻射體110在位置A1、A7、A4、A5至A2的路徑與第二輻射體120在位置B1、B2、B3至B4的路徑，產生第二開迴路共振。此外，設計者可藉由調整位置A4至位置A5的路徑的長短，來控制第二頻段(3300MHz至5000MHz)的頻率點位置。
第三頻段(5150MHz至5850MHz)是由第一輻射體110在位置A1、A7、A4、A5、A2、A1至A6的路徑與第二輻射體120在位置B1、B2、B3至B4的路徑，產生第三開迴路共振。此外，設計者可藉由調整位置A1至位置A6的路徑的長短，來調整第三頻段(5150MHz至5850MHz)的頻率點位置。
另外，天線結構100更包括一第一調頻輻射體130及一第二調頻輻射體132。第一調頻輻射體130與第二調頻輻射體132位於空間S且連接於饋入端(位置A1)，且第二調頻輻射體132環繞第一調頻輻射體131。第一調頻輻射體130等間距地設置在鄰近第二調頻輻射體132處。第一調頻輻射體130與第二調頻輻射體132的間距G2介於0.3公厘至0.5公厘之間，但不以此為限制。
在本實施例中，位在位置A1、A2、A4至A7所圍繞出的空間S內的第一調頻輻射體130(位置C1至位置C2)與第二調頻輻射體132(位置C1至位置C3)，可用來各別調整第二頻段和第三頻段的阻抗匹配。
值得一提的是，在本實施例中，天線結構100的長度L1介於36公厘至42公厘之間，例如是39公厘。寬度WW介於8公厘至10公厘之間，例如是9公厘。這樣小尺寸的天線結構100可藉由上述第一輻射體110及第二輻射體120的設計，可共振出第一頻段、第二頻段及第三頻段，而能夠在小尺寸的前提下符合多個頻段的要求。
圖2是依照本發明的一實施例的一種通訊裝置的局部示意圖。請參閱圖2，本實施例的通訊裝置10以筆記型電腦的上機體為例，但在其他實施例中，也可以是平板電腦或是其他電子裝置，不以此為限。通訊裝置10包括一殼體12、一螢幕20、如圖1所示的兩天線結構100、一隔離元件30及兩導體。兩天線結構100、隔離元件30及兩導體配置於殼體12的邊緣與螢幕20之間的縫隙中，也就是邊框處的位置。在本實施例中，兩天線結構100可採對稱方式配置，且兩同軸傳輸線180(圖1)會沿著邊框從兩天線結構100往左右兩側延伸至主機板(未繪示)上的模組。
兩天線結構100隔開一第一距離L5。在本實施例中，第一距離L5介於60公厘至70公厘之間，例如是65公厘。隔離元件30配置於兩天線結構100之間，隔離元件30例如是銅箔或是鋁箔，但不以此為限制。隔離元件30作為一模擬金屬牆，用來阻隔兩天線結構100之間互相的影響，提升其彼此間的隔離度。此外，隔離元件30為長度L2介於40公厘至50公厘的導體，例如是45公厘。隔離元件30的寬度W介於8公厘至10公厘，例如是9公厘。
隔離元件30與各天線結構100相隔一第二距離L3。第二距離L3介於8公厘至12公厘之間，例如是10公厘。此外，兩天線結構100的外側配置有導體40、42，天線結構100與導體40、42之間的距離L4介於5公厘至7公厘之間，例如是6公厘。
由上述尺寸可見，兩天線結構100及隔離元件30不需要占用很大的面積，而可應用於例如是窄邊框的裝置。當然，上述尺寸關係不以此為限制。
圖3是圖2的通訊裝置的兩天線結構的頻率-電壓駐波比的關係示意圖。請參閱圖3，兩天線結構100在第一頻段(1710MHz至2700MHz)、第二頻段(3300MHz至5000MHz)及第三頻段(5150MHz至5850MHz)的電壓駐波比(VSWR)皆可在3以下，而具有良好的表現。
圖4是圖2的通訊裝置的兩天線結構的頻率-隔離度的關係示意圖。請參閱圖4，當兩天線結構100之間的第一距離L1為65公厘，且與隔離元件30之間的第二距離L3為10公厘，而與外側的導體的距離L4為6公厘時，在第一頻段(1710MHz至2700MHz)、第二頻段(3300MHz至5000MHz)及第三頻段(5150MHz至5850MHz)，兩天線結構100之間的隔離度(Isolation，即S21)可在-15dB以下，而具有良好的表現。
圖5是圖2的通訊裝置的兩天線結構的頻率-天線效率的關係示意圖。請參閱圖5，兩天線結構100在第一頻段(1710MHz至2700MHz)的天線效率為-3.2dBi至-5.0dBi，在第二頻段(3300MHz至5000MHz)的天線效率為-3.0dBi至-5.5dBi，且在第三頻段(5150MHz至5850MHz)的天線效率為-3.6dBi至-5.2dBi，而擁有寬頻的天線效率表現。
圖6是圖2的通訊裝置的兩天線結構的頻率-封包相關係數的關係示意圖。請參閱圖6，兩天線結構100在第一頻段(1710MHz至2700MHz)、第二頻段(3300MHz至5000MHz)及第三頻段(5150MHz至5850MHz)的封包相關係數ECC(Envelope Correlation Coefficient)可在0.1以下，甚至是0.02以下，而具有良好的表現。
圖7是依照本發明的另一實施例的一種通訊裝置的局部示意圖。請參閱圖7，本實施例的通訊裝置包括圖1的天線結構100、一天線多工器50(Antenna-Plexer)、一第一晶片60及一第二晶片65。天線多工器50連接於天線結構100，且包括一第一濾波單元51、一第二濾波單元52、一第三濾波單元53、一第四濾波單元54、一第五濾波單元55及一切換單元56。
圖8是圖7的通訊裝置的天線多工器的頻率-S21的關係示意圖。請同時參考圖7與圖8，在本實施例中，第一濾波單元51為低通濾波單元(LPF)，其可用來使小於2.4GHz的訊號通過。第二濾波單元52為帶通濾波單元(BPF)，其可用來使2.5GHz至2.7GHz的訊號通過。第三濾波單元53為帶通濾波單元(BPF)，其可用來使3.3GHz至5GHz的訊號通過。第四濾波單元54為帶通濾波單元(BPF)，其可用來使2.4GHz至2.5GHz的訊號通過。第五濾波單元55為高通濾波單元(HPF)，其可用來使大於5GHz的訊號通過。當然，第一濾波單元51、第二濾波單元52、第三濾波單元53、第四濾波單元54及第五濾波單元55的種類與濾波範圍不以此為限制。
請回到圖7，切換單元56連接於第五濾波單元55。第一晶片60例如是LTE晶片，第一晶片60連接第一濾波單元51、第二濾波單元52、第三濾波單元53及切換單元56。第二晶片65例如是WiFi晶片，第二晶片65連接第四濾波單元54及切換單元56。切換單元56可切換地連接於第一晶片60或第二晶片65，以可選擇地將第五濾波單元55的訊號傳遞至第一晶片60或第二晶片65。
在本實施例中，天線結構100搭配天線多工器50，使天線結構100可選擇地作為LTE天線或是WiFi天線，可在有限空間下達到兩種天線的功能，而達到MIMO多天線的應用。
綜上所述，本發明的天線結構藉由上述第一輻射體及第二輻射體的設計，可共振出第一頻段、第二頻段及第三頻段，而能夠符合多個頻段的要求。在一實施例中，可將兩天線結構間隔第一距離，且於兩天線結構之間配置隔離單元，而使兩天線結構具有良好的隔離度。在一實施例中，通訊裝置的天線結構透過天線多工器的切換單元來可切換地連接於第一晶片或第二晶片，而可利用單一天線來產生多天線的效果，達到共用天線空間及縮減天線用量的目標。
A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3:位置 G1:耦合間距 G2:間距 L1、L2:長度 L3:第二距離 L4:距離 L5:第一距離 S:空間 W:寬度 10:通訊裝置 12:殼體 20:螢幕 30:隔離元件 40、42:導體 50:天線多工器 51:第一濾波單元 52:第二濾波單元 53:第三濾波單元 54:第四濾波單元 55:第五濾波單元 56:切換單元 60:第一晶片 65:第二晶片 100:天線結構 105:基板 110:第一輻射體 111:第一段部 112:第二段部 113:第三段部 114:第一區 115:第二區 116:第三區 117:槽縫 120:第二輻射體 122:第四段部 124:第五段部 126:第六段部 130:第一調頻輻射體 132:第二調頻輻射體 170:天線接地面 180:同軸傳輸線
圖1是依照本發明的一實施例的一種天線結構的示意圖。 圖2是依照本發明的一實施例的一種通訊裝置的局部示意圖。 圖3是圖2的通訊裝置的兩天線結構的頻率-電壓駐波比的關係示意圖。 圖4是圖2的通訊裝置的兩天線結構的頻率-隔離度的關係示意圖。 圖5是圖2的通訊裝置的兩天線結構的頻率-天線效率的關係示意圖。 圖6是圖2的通訊裝置的兩天線結構的頻率-封包相關係數的關係示意圖。 圖7是依照本發明的另一實施例的一種通訊裝置的局部示意圖。 圖8是圖7的通訊裝置的天線多工器的頻率-S21的關係示意圖。
A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3:位置
G1:耦合間距
G2:間距
L1:長度
S:空間
W:寬度
100:天線結構
105:基板
110:第一輻射體
111:第一段部
112:第二段部
113:第三段部
114:第一區
115:第二區
116:第三區
117:槽縫
120:第二輻射體
122:第四段部
124:第五段部
126:第六段部
130:第一調頻輻射體
132:第二調頻輻射體
170:天線接地面
180:同軸傳輸線

Claims (11)

  1. 一種天線結構，包括：一第一輻射體，包括一第一段部、一第二段部及一第三段部，其中該第一段部包括一饋入端，該第二段部鄰近於該第一段部且連接於該第一段部的靠近該饋入端的部位，該第三段部連接於該第二段部及該饋入端而環繞出一空間；一第二輻射體，框設在該第一段部與該第二段部之外，該第二輻射體包括相對的一第一端及一第二端，其中該第一端為一接地端，該第二端與該第三段部之間具有一耦合間距，該第一輻射體與該第二輻射體共振出一第一頻段、一第二頻段及一第三頻段；一第一調頻輻射體，位於該空間且連接於該饋入端；以及一第二調頻輻射體，位於該空間且連接於該饋入端，且該第二調頻輻射體環繞該第一調頻輻射體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的天線結構，其中該第一調頻輻射體與該第二調頻輻射體的間距介於0.3公厘至0.5公厘之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的天線結構，其中該第三段部具有彎折地連接的一第一區、一第二區及一第三區，該第一區連接於該第二段部，該第三區連接於該饋入端，一槽縫形成於該第三區內。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的天線結構，更包括一天線接地面，其中該第二輻射體包括一第四段部、一第五段部及一第六段部，該第五段部分別連接該第四段部及該第六段部，該第一 端位於該第四段部，該第二端位於該第六段部，該第四段部連接該天線接地面。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的天線結構，其中該耦合間距介於0.5公厘至1公厘之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的天線結構，其中該天線結構的長度介於36公厘至42公厘之間，寬度介於8公厘至10公厘之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的天線結構，其中該第一頻段介於1710MHz至2700MHz之間，該第二頻段介於3300MHz至5000MHz之間，且該第三頻段介於5150MHz至5850MHz之間。
  8. 一種通訊裝置，包括：一如申請專利範圍第1項至第7項中任一項所述的天線結構；一天線多工器，連接於該天線結構，且包括一第一濾波單元、一第二濾波單元、一第三濾波單元、一第四濾波單元、一第五濾波單元及一切換單元，該切換單元連接於該第五濾波單元；一第一晶片，連接該第一濾波單元、該第二濾波單元、該第三濾波單元及該切換單元；以及一第二晶片，連接該第四濾波單元及該切換單元，該切換單元可切換地連接於該第一晶片或該第二晶片。
  9. 一種通訊裝置，包括：兩個如申請專利範圍第1項至第7項中任一項所述的天線結構，該兩天線結構隔開一第一距離；以及 一隔離元件，配置於該兩天線結構之間，且與各該天線結構相隔一第二距離。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的通訊裝置，其中該第一距離介於60公厘至70公厘之間，且該第二距離介於8公厘至12公厘之間。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的通訊裝置，其中該隔離元件為長度介於40公厘至50公厘的導體。
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