TWI712218B - 天線結構 - Google Patents

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TWI712218B TW108143306A TW108143306A TWI712218B TW I712218 B TWI712218 B TW I712218B TW 108143306 A TW108143306 A TW 108143306A TW 108143306 A TW108143306 A TW 108143306A TW I712218 B TWI712218 B TW I712218B
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羅中宏
李冠賢
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Abstract

一種天線結構，包括：一接地面、一第一輻射部、一第二輻射部、一第三輻射部、一第四輻射部，以及一介質基板。第一輻射部具有一饋入點。第二輻射部係耦接至饋入點，其中第一輻射部和第二輻射部大致包圍住一非金屬區域。第三輻射部係耦接至接地面上之一第一短路點，其中第三輻射部係鄰近於第一輻射部和第二輻射部。第四輻射部係耦接至接地面上之一第二短路點，其中第四輻射部係鄰近於第二輻射部。接地面、第一輻射部、第二輻射部、第三輻射部，以及第四輻射部皆設置於介質基板上。

Description

天線結構
本發明係關於一種天線結構，特別係關於一種寬頻帶之天線結構。
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：一接地面；一第一輻射部，具有一饋入點；一第二輻射部，耦接至該饋入點，其中該第一輻射部和該第二輻射部大致包圍住一非金屬區域；一第三輻射部，耦接至該接地面上之一第一短路點，其中該第三輻射部係鄰近於該第一輻射部和該第二輻射部；一第四輻射部，耦接至該接地面上之一第二短路點，其中該第四輻射部係鄰近於該第二輻射部；以及一介質基板，其中該接地面、該第一輻射部、該第二輻射部、該第三輻射部，以及該第四輻射部皆設置於該介質基板上。
在一些實施例中，該第一輻射部和該第四輻射部之每一者皆呈現一L字形。
在一些實施例中，該第二輻射部包括互相耦接之一第一區段和一第二區段，而該第一區段和該第二區段之間具有一鈍夾角。
在一些實施例中，該第三輻射部包括互相耦接之一第三區段和一第四區段，該第三區段和該第四區段之間具有一銳夾角，而該銳夾角和該鈍夾角之總和大致等於180度。
在一些實施例中，該天線結構涵蓋一第一頻帶、一第二頻帶，以及一第三頻帶，該第一頻帶係介於700MHz至960MHz之間，該第二頻帶係介於1710MHz至2200MHz之間，而該第三頻帶係介於2400MHz至2700MHz之間。
在一些實施例中，該第三輻射部和該第一輻射部之間形成一第一耦合間隙，且該第三輻射部和該第二輻射部之間形成一第二耦合間隙，使得該第三輻射部係由該第一輻射部和該第二輻射部所耦合激發，而其中該第四輻射部和該第二輻射部之間形成一第三耦合間隙，使得該第四輻射部係由該第二輻射部所耦合激發。
在一些實施例中，該第一輻射部之長度係大致等於該第二頻帶之一低頻部份之0.25倍波長，而該低頻部份係介於1710MHz至1800MHz之間。
在一些實施例中，該第二輻射部之長度係大致等於該第二頻帶之一高頻部份之0.25倍波長，而該高頻部份係介於1900MHz至2200MHz之間。
在一些實施例中，該第三輻射部之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，該第四輻射部之長度係大致等於該第三頻帶之0.25倍波長。
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。
以下的揭露內容提供許多不同的實施例或範例以實施本案的不同特徵。以下的揭露內容敘述各個構件及其排列方式的特定範例，以簡化說明。當然，這些特定的範例並非用以限定。例如，若是本揭露書敘述了一第一特徵形成於一第二特徵之上或上方，即表示其可能包含上述第一特徵與上述第二特徵是直接接觸的實施例，亦可能包含了有附加特徵形成於上述第一特徵與上述第二特徵之間，而使上述第一特徵與第二特徵可能未直接接觸的實施例。另外，以下揭露書不同範例可能重複使用相同的參考符號或(且)標記。這些重複係為了簡化與清晰的目的，並非用以限定所討論的不同實施例或(且)結構之間有特定的關係。
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之俯視圖。天線結構100可應用於一行動裝置(Mobile Device)當中，例如：一虛擬實境(Virtual Reality，VR)裝置、一擴增實境(Augmented Reality，AR)裝置、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至少包括：一接地面(Ground Plane)110、一第一輻射部(Radiation Element)120、一第二輻射部130、一第三輻射部150、一第四輻射部160，以及一介質基板(Dielectric Substrate)170，其中接地面110、第一輻射部120、第二輻射部130、第三輻射部150，以及第四輻射部160皆可用金屬材質所製成，例如：銅、銀、鋁、鐵，或是其合金。
介質基板170可為一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)。接地面110、第一輻射部120、第二輻射部130、第三輻射部150，以及第四輻射部160皆設置於介質基板170上，故天線結構100可大致為一平面式結構。介質基板170可以大致呈現一梯形。詳細而言，介質基板170具有一第一邊緣171、一第二邊緣172、一第三邊緣173，以及一第四邊緣174，其中第一邊緣171和第二邊緣172係互相平行，而第三邊緣173和第四邊緣174係互相不平行。
接地面110可以大致呈現一矩形。例如，接地面110可為一接地銅箔(Ground Copper Foil)，其更可耦接至一系統接地面(System Ground Plane)(未顯示)。接地面110可鄰近於介質基板170之第三邊緣173，並可用於提供一接地電位(Ground Voltage)。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：15mm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)。
第一輻射部120可以大致呈現一較長L字形。詳細而言，第一輻射部120具有一第一端121和一第二端122，其中一饋入點(Feeding Point)FP係位於第一輻射部120之第一端121處，而第一輻射部120之第二端122為一開路端(Open End)。饋入點FP更可耦接至一信號源(Signal Source)190，例如：一射頻(Radio Frequency，RF)模組，其可用於激發天線結構100。
第二輻射部130可以包括至少一彎折部份。第一輻射部120和第二輻射部130係大致共同包圍住一非金屬區域(Non-Metal Region)140。例如，此非金屬區域140可以大致呈現一矩形或一梯形，但亦不僅限於此。詳細而言，第二輻射部130具有一第一端131和一第二端132，其中第二輻射部130之第一端131係耦接至饋入點FP，而第二輻射部130之第二端132為一開路端。第二輻射部130之第二端132係鄰近於第一輻射部120之第二端122，但與第一輻射部120之第二端122完全分離。在一些實施例中，第二輻射部130包括互相耦接之一第一區段(Segment)134和一第二區段135，其中第一區段134係鄰近於第二輻射部130之第一端131，而第二區段135係鄰近於第二輻射部130之第二端132。第一區段134和第二區段135可以各自大致呈現一直條形，而第一區段134和第二區段135之間具有一鈍夾角θ1，其係介於90度至180度之間。
第三輻射部150可以包括至少一彎折部份。第三輻射部150可沿介質基板170之第二邊緣172和第四邊緣174作延伸，並同時鄰近於第一輻射部120和第二輻射部130。詳細而言，第三輻射部150具有一第一端151和一第二端152，其中第三輻射部150之第一端151係耦接至接地面110上之一第一短路點(Shorting Point)GP1，而第三輻射部150之第二端152為一開路端。在一些實施例中，第三輻射部150包括互相耦接之一第三區段154和一第四區段155，其中第三區段154係鄰近於第三輻射部150之第一端151，而第四區段155係鄰近於第三輻射部150之第二端152。第三區段154和第四區段155可以各自大致呈現一直條形，而第三區段154和第四區段155之間具有一銳夾角θ2，其係介於0度至90度之間。在一些實施例中，此銳夾角θ2和前述鈍夾角θ1之總和大致等於180度(亦即，θ1+θ2=180度)。
第四輻射部160可以大致呈現一較短L字形。第四輻射部160可沿介質基板170之第三邊緣173和第一邊緣171作延伸，並鄰近於第二輻射部130。第三輻射部150和第四輻射部160可以至少部份包圍住第一輻射部120和第二輻射部130。詳細而言，第四輻射部160具有一第一端161和一第二端162，其中第四輻射部160之第一端161係耦接至接地面110上之一第二短路點GP2，而第四輻射部160之第二端162為一開路端。必須注意的是，第二短路點GP2係異於前述之第一短路點GP1，而它們可以分別位於接地面110之相對二末端處。
第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz)，而縱軸代表電壓駐波比。根據第2圖之量測結果，天線結構100可涵蓋一第一頻帶FB1、一第二頻帶FB2，以及一第三頻帶FB3。例如，第一頻帶FB1可介於700MHz至960MHz之間，第二頻帶FB2可介於1710MHz至2200MHz之間，而第三頻帶FB3可介於2400MHz至2700MHz之間。詳細而言，第二頻帶FB2可包括介於1710MHz至1800MHz之間之一低頻部份FBA，以及介於1900MHz至2200MHz之間之一高頻部份FBB。因此，天線結構100將至少可支援LTE(Long Term Evolution)之寬頻操作。
在一些實施例中，天線結構100之操作原理可如下列所述。第三輻射部150和第一輻射部120之間可形成一第一耦合間隙(Coupling Gap)GC1，且第三輻射部150和第二輻射部130可之間形成一第二耦合間隙GC2，故第三輻射部150可由第一輻射部120和第二輻射部130所耦合激發，以產生前述之第一頻帶FB1和第二頻帶FB2。另外，第四輻射部160和第二輻射部130之間可形成一第三耦合間隙GC3，故第四輻射部160可由第二輻射部130所耦合激發，以產生前述之第三頻帶FB3。大致而言，第三輻射部150可用於微調第一頻帶FB1和第二頻帶FB2之阻抗匹配(Impedance Matching)，並增加第一頻帶FB1和第二頻帶FB2之操作頻寬(Operation Bandwidth)，而第四輻射部160可用於微調第三頻帶FB3之阻抗匹配，並增加第三頻帶FB3之操作頻寬。
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120之長度(亦即，由第一端121至第二端122之長度)可大致等於第二頻帶FB2之低頻部份FBA之0.25倍波長(λ/4)。第二輻射部130之長度(亦即，由第一端131至第二端132之長度)可大致等於第二頻帶FB2之高頻部份FBB之0.25倍波長(λ/4)。第三輻射部150之長度(亦即，由第一端151至第二端152之長度)可大致等於第一頻帶FB1之0.25倍波長(λ/4)。第四輻射部160之長度(亦即，由第一端161至第二端162之長度)可大致等於第三頻帶FB3之0.25倍波長(λ/4)。第一耦合間隙GC1之寬度可介於0.1mm至0.3mm之間。第二耦合間隙GC2之寬度可介於0.1mm至0.3mm之間。第三耦合間隙GC3之寬度可介於0.1mm至0.3mm之間。第一輻射部120之第二端122和第二輻射部130之第二端132之間距D1可介於5mm至15mm之間。鈍夾角θ1可介於120度至135度之間。銳夾角θ2可介於45度至60度之間。以上元件尺寸之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。
本發明提出一種新穎之天線結構，其可有效利用裝置中零碎之設計空間，同時涵蓋多重頻帶操作，與傳統設計相比，本發明至少具有小尺寸、寬頻帶，以及低製造成本等優勢，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。本發明之天線結構並不僅限於第1-2圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-2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:接地面 120:第一輻射部 121:第一輻射部之第一端 122:第一輻射部之第二端 130:第二輻射部 131:第二輻射部之第一端 132:第二輻射部之第二端 134:第二輻射部之第一區段 135:第二輻射部之第二區段 140:非金屬區域 150:第三輻射部 151:第三輻射部之第一端 152:第三輻射部之第二端 154:第三輻射部之第三區段 155:第三輻射部之第四區段 160:第四輻射部 161:第四輻射部之第一端 162:第四輻射部之第二端 170:介質基板 171:介質基板之第一邊緣 172:介質基板之第二邊緣 173:介質基板之第三邊緣 174:介質基板之第四邊緣 190:信號源 D1:間距 FB1:第一頻帶 FB2:第二頻帶 FB3:第三頻帶 FBA:第二頻帶之低頻部份 FBB:第二頻帶之低頻部份 FP:饋入點 GC1:第一耦合間隙 GC2:第二耦合間隙 GC3:第二耦合間隙 GP1:第一短路點 GP2:第二短路點 θ1:鈍夾角 θ2:銳夾角
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之俯視圖。 第2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。
100:天線結構
110:接地面
120:第一輻射部
121:第一輻射部之第一端
122:第一輻射部之第二端
130:第二輻射部
131:第二輻射部之第一端
132:第二輻射部之第二端
134:第二輻射部之第一區段
135:第二輻射部之第二區段
140:非金屬區域
150:第三輻射部
151:第三輻射部之第一端
152:第三輻射部之第二端
154:第三輻射部之第三區段
155:第三輻射部之第四區段
160:第四輻射部
161:第四輻射部之第一端
162:第四輻射部之第二端
170:介質基板
171:介質基板之第一邊緣
172:介質基板之第二邊緣
173:介質基板之第三邊緣
174:介質基板之第四邊緣
190:信號源
D1:間距
FP:饋入點
GC1:第一耦合間隙
GC2:第二耦合間隙
GC3:第二耦合間隙
GP1:第一短路點
GP2:第二短路點
θ1:鈍夾角
θ2:銳夾角

Claims (8)

  1. 一種天線結構，包括：一接地面；一第一輻射部，具有一饋入點；一第二輻射部，耦接至該饋入點，其中該第一輻射部和該第二輻射部大致包圍住一非金屬區域；一第三輻射部，耦接至該接地面上之一第一短路點，其中該第三輻射部係鄰近於該第一輻射部和該第二輻射部；一第四輻射部，耦接至該接地面上之一第二短路點，其中該第四輻射部係鄰近於該第二輻射部；以及一介質基板，其中該接地面、該第一輻射部、該第二輻射部、該第三輻射部，以及該第四輻射部皆設置於該介質基板上；其中該第二輻射部包括互相耦接之一第一區段和一第二區段，而該第一區段和該第二區段之間具有一鈍夾角；其中該第三輻射部包括互相耦接之一第三區段和一第四區段，該第三區段和該第四區段之間具有一銳夾角，而該銳夾角和該鈍夾角之總和大致等於180度。
  2. 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四輻射部之每一者皆呈現一L字形。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，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，該第一頻帶 係介於700MHz至960MHz之間，該第二頻帶係介於1710MHz至2200MHz之間，而該第三頻帶係介於2400MHz至2700MHz之間。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之天線結構，其中該第三輻射部和該第一輻射部之間形成一第一耦合間隙，且該第三輻射部和該第二輻射部之間形成一第二耦合間隙，使得該第三輻射部係由該第一輻射部和該第二輻射部所耦合激發，而其中該第四輻射部和該第二輻射部之間形成一第三耦合間隙，使得該第四輻射部係由該第二輻射部所耦合激發。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之天線結構，其中該第一輻射部之長度係大致等於該第二頻帶之一低頻部份之0.25倍波長，而該低頻部份係介於1710MHz至1800MHz之間。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之天線結構，其中該第二輻射部之長度係大致等於該第二頻帶之一高頻部份之0.25倍波長，而該高頻部份係介於1900MHz至2200MHz之間。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之天線結構，其中該第三輻射部之長度係大致等於該第一頻帶之0.25倍波長。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之天線結構，其中該第四輻射部之長度係大致等於該第三頻帶之0.25倍波長。
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