TWI714300B

TWI714300B - 迴路天線

Info

Publication number: TWI714300B
Application number: TW108136281A
Authority: TW
Inventors: 林賢昌; 廖恆逸; 袁碩蔓; 王子榮
Original assignee: 美律實業股份有限公司
Priority date: 2019-10-07
Filing date: 2019-10-07
Publication date: 2020-12-21
Also published as: US20210104820A1; CN111082221B; CN111082221A; TW202115964A; US11031695B2

Abstract

一種迴路天線包含電路板、第一天線結構以及第二天線結構。電路板包含第一面及相對第一面之第二面，且電路板包含淨空區及接地區，其中淨空區鄰接接地區。第一天線結構設置於淨空區內且設置於第一面。第一天線結構具有饋入結構及第一接地端。饋入結構耦接設置於接地區之功率饋入端。第一接地端耦接接地區。第二天線結構相對第一天線結構設置並設置於第二面。第二天線結構具有第二接地端。第二接地端耦接該接地區。

Description

迴路天線

本案是有關於一種無線通訊的元件，特別是一種迴路天線。

為了因應通訊設備小型化的需求，無線通訊結構之設計受到限制。例如，在小尺寸的耳機中，設計多個天線結構，以實現藍芽功能。然而，天線被限制於小型空間時，因隔離度不佳而導致無線訊號傳輸之品質及效能低下。

本案提供一種迴路天線，包含一電路板、一第一天線結構以及一第二天線結構。該電路板包含一第一面及相對該第一面之一第二面，且該電路板包含一淨空區及一接地區，該淨空區鄰接該接地區。該第一天線結構設置於該淨空區內且設置於該第一面。該第一天線結構具有一饋入結構及一第一接地端。該饋入結構耦接設置於該接地區之一功率饋入端。該第一接地端耦接該接地區。該第二天線結構相對該第一天線結構設置並設置於該第二面。該第二天線結構具有一第二接地端。該第二接地端耦接該接地區。

100‧‧‧電子裝置

110‧‧‧電路元件

111‧‧‧迴路天線積體電路

112‧‧‧金屬傳輸線

120‧‧‧連接埠

200‧‧‧迴路天線

210‧‧‧第一天線結構

211‧‧‧饋入金屬片

211a‧‧‧第一結構體

211b‧‧‧第二結構體

212‧‧‧饋入點

220‧‧‧第二天線結構

221‧‧‧輻射金屬片

pcb‧‧‧印刷電路板

pcb1‧‧‧第一面

pcb2‧‧‧第二面

CLR‧‧‧淨空區

GND‧‧‧接地區

D1、D2、D3‧‧‧間距

Cimp‧‧‧匹配電容

Cres‧‧‧共振電容

n1‧‧‧功率饋入端

C‧‧‧缺口

X、Y、Z‧‧‧方向

第1圖繪示根據本揭示文件之一實施例之電子裝置之部分結構示意圖。

第2A圖繪示根據第1圖之電路板之第一面之迴路天線之結構示意圖。

第2B圖繪示根據第1圖之電路板之第二面之迴路天線之結構示意圖。

第3圖繪示根據第1圖之電路板之迴路天線之結構示意圖。

第4圖繪示根據第1圖之電路板之迴路天線之返回損失圖。

下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，以更好地理解本案的態樣，但所提供之實施例並非用以限制本揭露所涵蓋的範圍，而結構操作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本揭露所涵蓋的範圍。此外，根據業界的標準及慣常做法，圖式僅以輔助說明為目的，並未依照原尺寸作圖，實際上各種特徵的尺寸可任意地增加或減少以便於說明。下述說明中相同元件將以相同之符號標示來進行說明以便於理解。

此外，在本文中所使用的用詞『包含』、『包括』、『具有』、『含有』等等，均為開放性的用語，即意指『包含但不限於』。此外，本文中所使用之『及/或』，包含相關列舉項目中一或多個項目的任意一個以及其所有組合。

於本文中，當一元件被稱為『連接』或『耦接』時，可指『電性連接』或『電性耦接』。『連接』或『耦接』亦可用以表示二或多個元件間相互搭配操作或互動。此外，雖然本文中使用『第一』、『第二』、…等用語描述不同元件，該用語僅是用以區別以相同技術用語描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否則該用語並非特別指稱或暗示次序或順位，亦非用以限定本發明。

本文所述之「大約」、「近似」等用語一般表示為一定值或平均值之20%範圍內，或較佳地為10%內，或更加地為5%內。本文所述之數值若為近似值，則可推斷其係指「大約」、「近似」等用語。

電子裝置中具有實現無線通訊功能之元件。電子裝置例如電腦、手機、無線電話等等，其中無線通訊功能包含無線熱點(Wi-Fi)、藍芽(Bluetooth)等等，用以透過無線通訊功能元件與另一個電子裝置傳輸訊號(或稱資料)。

藍芽功能之元件通常以天線結構實現，其中藍芽的工作頻段約在2.4~2.485千兆赫(GHz)。傳統天線為了實現前述之工作頻段，以工作頻率2.4GHz為例，天線結構的長度需要大於工作頻率之四分之一波長，即大約為20~25毫米(mm)。如此一來，傳統天線無法設置在小型化的電子裝置中。故，本揭示文件之實施例提出之迴路天線可以克服前述之缺失。

為了簡潔說明，第1圖僅繪示電子裝置100之部分結構，為根據本揭示文件之一實施例之結構示意圖。

在本揭示文件之實施例中，電子裝置100是以藍芽耳機為示例，其中的無線通訊功能則以藍芽為示例說明，其他電子裝置100以及無線通訊功能之實例亦包含在本揭示文件之實施例中。

如第1圖所示，電子裝置100包含印刷電路板pcb、電路元件110、連接埠120及迴路天線200。電路元件110、連接埠120及迴路天線200設置於印刷電路板pcb中，其中電路元件110耦接連接埠120及迴路天線200。

連接埠120用以對外耦接傳輸線(圖中未示)，以在傳輸線及電路元件110之間傳輸訊號(或稱為資料)。一些實施例中，連接埠120為通用序列匯流排(universal serial bus；USB)。一些實施例中，連接埠120為高畫質多媒體介面(high definition multimedia interface；HDMI)。一些實施例中，連接埠120為3.5毫米音頻接口或是其他用以傳輸訊號之接口，不以本揭示文件之實施例為限。

電路元件110包含積體電路(integrated circuit；IC)、金屬傳輸線等，其中積體電路更包含迴路天線積體電路111，用以操控迴路天線200。迴路天線積體電路111透過金屬傳輸線112耦接於迴路天線200，且二者之耦接處為功率饋入端n1。

印刷電路板pcb為平板結構，具有第一面pcb1及相對於第一面pcb1之第二面pcb2，其中第一面pcb1及第二面pcb2在第三方向(即Z方向)上呈平行。此外，在第一方向(即X方向)與第二方向(即Y方向)之平面(即X-Y平面)上，印刷電路板pcb向內凹形成一缺口C，並設置有迴路天線200。

由於印刷電路板pcb本身為絕緣體，印刷電路板pcb相對於迴路天線200而言為接地區；缺口C處相對於迴路天線200而言則為輻射區，用以耦合訊號。

迴路天線200包含第一天線結構210及第二天線結構220(圖中以網格填滿表示)，且分別設於印刷電路板pcb之相異面上，即第一面pcb1與第二面pcb2。

藉由迴路天線積體電路111驅動迴路天線200，其中透過金屬傳輸線112將訊號(或稱為資料、能量等)由迴路天線積體電路111傳輸至功率饋入端n1，並由功率饋入端n1將訊號饋入於第一天線結構210。當訊號饋入於第一天線結構210時，訊號由第一天線結構210之饋入點(如第2A圖所示之饋入點212)饋入，並將訊號耦合至第二天線結構220。接著，第二天線結構220將訊號耦合至另一個無線通訊裝置(圖中未示)，以實現無線通訊功能。

本揭示文件所述之訊號在迴路天線200中是指電磁波。亦可理解為，迴路天線200中訊號之耦合是指能量耦合，其中耦合之作動不需要實體結構之接觸。

請一併參閱第2A圖及第2B圖，更詳細說明第1圖中的迴路天線200結構，分別說明第一天線結構210及第二天線結構220。為了使第2A圖及第2B圖更簡潔，故圖中與第1圖部分相同元件不重覆標號與顯示，僅在第2A圖及第2B圖中繪示迴路天線200之結構。

第2A圖為根據第1圖之部分結構中，迴路天線200在於印刷電路板pcb之第一面pcb1之俯視結構示意圖，其中所示平面為X-Y平面。

如第2A圖所示，印刷電路板pcb因缺口C(如第1圖所示)而形成淨空區CLR以及接地區GND。接地區GND為印刷電路板pcb未設有金屬傳輸線112及電路元件110之區域，為絕緣結構。淨空區CLR為不具有實體結構的區域，以將空氣作為迴路天線200之傳輸介質。

淨空區CLR之立體形狀、空間等設計是與迴路天線200之結構以及印刷電路板pcb中的其他電路元件110相關。當淨空區CLR之大小越大，迴路天線200用以耦合訊號之空間越大，進而具有更良好的通訊效能。同時，淨空區CLR越大會造成其他電路元件110之設計空間被壓縮。故，在本揭示文件之小型化之電子裝置100之實施例中，淨空區CLR相對於印刷電路板pcb之空間為電子裝置100之最佳化設置方式。

一些實施例中，淨空區CLR是呈不規則的立體空間。一些實施例中，淨空區CLR是呈長方體狀。淨空區CLR之空間形狀皆於本揭示文件之實施例之範疇內。在本揭示文件之實施例中，淨空區CLR為如第2A圖至第2B圖所示之不規則空間為示例說明，藉以在有限的空間中具有良好的訊號耦合效能。

如第2A圖所示，第一天線結構210設置於淨空區CLR內，且第一天線結構210設置於印刷電路板pcb之第一面pcb1上。第一天線結構210為一體成形的金屬片結構，在此稱為饋入金屬片211，包含第一結構體211a及第二結構體211b，且第一結構體211a與第二結構體211b皆為長條片狀結構。

第一結構體211a沿著印刷電路板pcb之長邊延伸，即沿著X方向延伸，並與印刷電路板pcb之二邊分別相距第一間距D1及第二間距D2。

接續上述之說明，由於第一結構體211a之二端與印刷電路板pcb之間分別相隔第一間距D1及第二間距D2，第一結構體211a不與印刷電路板pcb實體接觸。亦可以理解為，第一結構體211a沒有接地。因此，透過第一結構體211a耦合饋入之訊號時，可以將完整的訊號耦合至第二天線結構220，以增進訊號耦合效能。

一些實施例中，第一間距D1等於第二間距D2。一些實施例中，第一間距D1小於第二間距D2。實務上，第一間距D1與第二間距D2之長度會依據第一結構體 211a以及淨空區CLR之大小而被決定。舉例來說，當淨空區CLR相對於X-Y平面上之尺寸大約為4毫米(mm)*7毫米(mm)(即4*7平方毫米(mm²))時，第一間距D1為0.4~0.6毫米(mm)，且第二間距D2為0.9~1.1毫米(mm)。當淨空區CLR之面積以及第一結構體211a(相對於X方向)之長度縮小時，第一間距D1與第二間距D2亦對應減小。

饋入金屬片211具有二個第二結構體211b，且每一個第二結構體211b皆延伸自第一結構體211a。第二結構體211b沿著印刷電路板pcb之短邊延伸，即沿著負Y方向延伸。第二結構體211b延伸至印刷電路板pcb，並耦接印刷電路板pcb。也就是說，第二結構體211b之一端與印刷電路板pcb實體接觸。

此外，第二結構體211b並非自第一結構體211a(相對於X方向)之長度中心處延伸。也就是說，第二結構體211b自第一結構體211a之特定位置(圖中未標示)向負Y方向延伸，且前述之特定位置並非位在第一結構體211a相對於X方向上的中心位置。因此，整體的第一天線結構210相對於X方向或Y方向皆呈非對稱的結構。

接續上述之說明，每一個第二結構體211b在Y方向上相互平行，並具有相同的(Y方向上)長度。第二結構體211b之其中一者耦接於功率饋入端n1，其中第二結構體211b與功率饋入端n1耦接之處為饋入端212，用以接收來自功率饋入端n1所饋入之訊號。第二結構體211b之另一者耦接於印刷電路板pcb之接地區GND，其中第二結構體 211b與接地區GND耦接之處為第一接地端(圖中未標示)，用以將訊號接地。

一些實施例中，第二結構體211b(相對於Y方向)之長度小於第一結構體211a(相對於X方向)之長度。

第一天線結構210更包含匹配電容Cimp。匹配電容Cimp設置於第一結構體211a上，且位於二個第二結構體211b分別與第一結構體211a連接延伸位置的中間處。匹配電容Cimp耦接第一結構體211a以及第二結構體211b。

一些實施例中，匹配電容Cimp在X方向上的長度等於二個第二結構體211b之間在X方向上的間距。另外，於X方向上，匹配電容Cimp相對於第一結構體211a之左端的距離小於相對於第一結構體211a之右端之距離。

一些實施例中，匹配電容Cimp在Y方向上的寬度等於第一結構體211a在Y方向上的寬度。

第2B圖為根據第1圖之部分結構中，迴路天線200在於印刷電路板pcb之第二面pcb2之俯視結構示意圖，其中所示平面為X-Y平面。第2B圖為第2A圖沿著Z方向上的相對面，也就是第2B圖為第2A圖之反面。故，第2B圖相似於第2A圖，於此不另贅述相同處，僅說明相異處。

如第2B圖所示，第二天線結構220設置於淨空區CLR內，且第二天線結構220設置於印刷電路板pcb之第二面pcb2上。第二天線結構220包含一體成形的輻射金屬片221。輻射金屬片221相似於第一結構體211a，為沿著X 方向延伸之長條片狀結構，且輻射金屬片221為在Z方向上平行於第一結構體211a。輻射金屬片221之一端耦接於印刷電路板之接地區GND，其中輻射金屬片221與接地區GND耦接之處為第二接地端(圖中未標示)，用以將訊號接地。

應注意的是，在Z方向上，輻射金屬片221在印刷電路板pcb之第一面pcb1之投影會與第一結構體211a以及匹配電容Cimp重疊。也就是說，在Z方向上，輻射金屬片221與第一結構體211a分離，且輻射金屬片221與第一結構體211a呈平行並對齊重疊設置。藉此，由第一天線結構211a饋入之訊號能完整的耦合至輻射金屬片221。

輻射金屬片221(相對於X方向)之長度小於或等於無線傳輸訊號之工作頻率的十六分之一波長。以藍芽之工作頻率2.4GHz為例，輻射金屬片221(相對於X方向)的長度可以在工作頻率之十六分之一波長(大約為7.8毫米(mm))以內，藉以縮小整個迴路天線200的尺寸。

一些實施例中，輻射金屬片221(相對於X方向)之長度大於第一結構體211a(相對於X方向)之長度。

第二天線結構220更包含共振電容Cres。共振電容Cres設置於第二天線結構220之一端，並耦接於印刷電路板pcb之接地區GND，即共振電容Cres之另一端與印刷電路板pcb實體接觸。亦可以理解為，共振電容Cres之一端耦接輻射金屬片221，而另一端則耦接接地區GND。

一些實施例中，共振電容Cres在Y方向上的寬度等於輻射金屬片221在Y方向上的寬度。

如此一來，由於共振電容Cres之一端接地，能縮小輻射金屬片221(相對於X方向)之長度，進而減少整體迴路天線200之尺寸。

另外，在Z方向上，由於共振電容Cres與輻射金屬片221相對於第一結構體211a與匹配電容Cimp為分離且對齊重疊設置，訊號在第一天線結構210與第二天線結構220之間的耦合過程中會以最大能量形式傳輸，因此具有良好的耦合效能。

綜合上述之迴路天線200之各元件尺寸實施例中，迴路天線200能設置在有限的淨空區CLR內小型化設置，進而縮小迴路天線200所應用的電子裝置100(如第1圖所示)的尺寸。

請一併參閱第3圖，第3圖為根據第1圖之電子裝置100之立體示意圖之另一個視角。為了使第3圖更簡潔，故圖中與第1圖、第2A~2B圖中部分相同元件不重覆標號與顯示。

如第3圖所示，第一天線結構210與第二天線結構220在Z方向上為分離設置，並間隔一個高度D3。

一些實施例中，高度D3即等同於印刷電路板pcb之厚度。一些實施例中，高度D3小於印刷電路板pcb之厚度。一些實施例中，高度D3之範圍為0.5~1.5毫米(mm)，並於一些實例中，高度D3大約為0.6毫米(mm)。

當電子裝置100要執行無線傳輸功能時，電子裝置100之處理器(圖中未示)將訊號由迴路天線積體電路111(如第1圖所示)耦合至功率饋入端n1。訊號自第二結構體211b(如第2A圖所示)之饋入端212耦合至第一結構體211a(如第2A圖所示)，其中透過第一結構體211a上的匹配電容Cimp調整整體迴路天線200之阻抗，使訊號能以最大能量之形式耦合至輻射金屬片221。

接著，透過輻射金屬片221上的共振電容Cres調整訊號之共振頻率，使訊號能以特定的頻率耦合出去，以傳輸至特定的訊號接收端。

第4圖為根據第1圖、第2A、2B圖及第3圖之迴路天線之返回損失(return loss)圖。在第4圖中，迴路天線之各元件之尺寸及其相對於印刷電路板之距離為根據上述實施例所述，且迴路天線應用於藍芽之工作頻段。

如第4圖所示，迴路天線之頻寬可以涵蓋2.4GHz至2.48GHz，且在此工作頻寬內的損失皆低於-7dB。更進一步根據第4圖計算迴路天線之效率，計算結果如《表一》所示，為此工作頻寬內的迴路天線效率之近似值。

如第4圖及《表一》所示，在工作頻段2.4GHz至2.48GHz中，天線效率約為54.86%至57.65%，符合實際藍芽應用之需求。因此，本揭示文件之實施例中的迴路天線能在有限的小型化空間中實現。

如上所述，匹配電容Cimp可以調整迴路天線200之阻抗匹配，例如將返回損失調整至低於-7dB。共振電容Cres可以調整目標的頻率大小，例如將耦合頻率調整至藍芽之工作頻率(約2.4GHz)。因此，對於無線通訊元件之開發者或生產者，能分別透過匹配電容Cimp以及共振電容Cres調整訊號耦合之相異參數，也就是將對應的訊號匹配參數及共振參數分為相互獨立之變異數。如此一來，開發者或生產者能各自獨立測試匹配參數以及共振參數，以提升研發或製造過程中的效率。

綜上，本案所述之迴路天線，利用在空間中分離且對齊設置之第一天線結構及第二天線結構，能在小型化的電子裝置中實現無線通訊功能。藉由匹配電容與第一結構體相對於共振電容與輻射金屬片之設置方式，訊號在第一結構體與輻射金屬片之間能具有良好的耦合效能。

雖然本案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本案，任何熟習此技藝者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。