TWI719707B

TWI719707B - 天線結構

Info

Publication number: TWI719707B
Application number: TW108140790A
Authority: TW
Inventors: 黃金蓮; 賴國仁
Original assignee: 啓碁科技股份有限公司
Priority date: 2019-11-11
Filing date: 2019-11-11
Publication date: 2021-02-21
Also published as: TW202119697A; US11322826B2; US20210143529A1

Abstract

一種天線結構，包括：一接地元件、一金屬機構件、一饋入部、一第一連接部、一第二連接部，以及一短路部。金屬機構件具有一槽孔，其中槽孔具有相對之一第一邊緣和一第二邊緣。饋入部係延伸跨越槽孔，其中一信號源係經由饋入部耦接至第一邊緣上之一饋入點。第一連接部係延伸跨越槽孔，其中第一連接部係耦接於第一邊緣上之一第一連接點和第二邊緣上之一第二連接點之間。第二連接部係延伸跨越槽孔，其中第二連接部係耦接於第一邊緣上之一第三連接點和第二邊緣上之一第四連接點之間。第二邊緣上之一第一接地點係經由短路部耦接至接地元件。

Description

天線結構

本發明係關於一種天線結構(Antenna Structure)，特別係關於一種寬頻帶(Wideband)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。

為了追求造型美觀，現今設計者常會在行動裝置中加入金屬元件之要素。然而，新增之金屬元件卻容易對於行動裝置中支援無線通訊之天線產生負面影響，進而降低行動裝置之整體通訊品質。因此，有必要提出一種全新之行動裝置和天線結構，以克服傳統技術所面臨之問題。

在較佳實施例中，本發明提出一種天線結構，包括：一接地元件；一金屬機構件，具有一槽孔，其中該槽孔具有相對之一第一邊緣和一第二邊緣；一饋入部，延伸跨越該槽孔，其中一信號源係經由該饋入部耦接至該第一邊緣上之一饋入點；一第一連接部，延伸跨越該槽孔，其中該第一連接部係耦接於該第一邊緣上之一第一連接點和該第二邊緣上之一第二連接點之間；一第二連接部，延伸跨越該槽孔，其中該第二連接部係耦接於該第一邊緣上之一第三連接點和該第二邊緣上之一第四連接點之間；以及一短路部，其中該第二邊緣上之一第一接地點係經由該短路部耦接至該接地元件。

在一些實施例中，該槽孔為一閉口槽孔並具有一第一閉口端和一第二閉口端。

在一些實施例中，該槽孔係大致呈現一L字形。

在一些實施例中，該金屬機構件包括大致互相垂直之一側壁部份和一頂面部份，而該槽孔係形成於該側壁部份和該頂面部份之間。

在一些實施例中，該饋入部係介於該第一連接部和該第二連接部之間。

在一些實施例中，該天線結構更包括：一第三連接部，延伸跨越該槽孔，其中該第三連接部係耦接於該第一邊緣上之一第五連接點和該第二邊緣上之一第六連接點之間。

在一些實施例中，該天線結構更包括一調整元件，其包括：一第一阻抗路徑；一第二阻抗路徑；一第三阻抗路徑；一第四阻抗路徑；以及一切換電路，根據一控制信號來選擇該第一阻抗路徑、該第二阻抗路徑、該第三阻抗路徑，以及該第四阻抗路徑之一者作為一目標路徑，使得該第二邊緣上之一第二接地點經由該目標路徑耦接至該接地元件。

在一些實施例中，該第一阻抗路徑為一開路路徑。

在一些實施例中，該第二阻抗路徑為一短路路徑。

在一些實施例中，該第三阻抗路徑為一電容性路徑。

在一些實施例中，該第四阻抗路徑為一電感性路徑。

在一些實施例中，該饋入部係介於該短路部和該調整元件之間。

在一些實施例中，該天線結構涵蓋於一第一頻帶、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2690MHz之間，而該第三頻帶係介於3300MHz至4200MHz之間。

在一些實施例中，該槽孔之長度係大致等於該第一頻帶之最低頻率之0.25倍波長。

在一些實施例中，該槽孔之寬度係介於1mm至2mm之間。

在一些實施例中，該金屬機構件之該側壁部份之高度係介於4mm至6mm之間。

在一些實施例中，該接地元件與該金屬機構件之該側壁部份之間距係介於1mm至2mm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之立體圖。天線結構100可應用於一行動裝置(Mobile Device)，例如：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)。在第1圖之實施例中，天線結構100包括：一接地元件(Ground Element)110、一金屬機構件(Metal Mechanism Element)120、一饋入部(Feeding Element)140、一第一連接部(Connection Element)150、一第二連接部160、一第三連接部170、一短路部(Shorting Element)180，以及一調整元件(Tunable Element)190，其中接地元件110、饋入部140、第一連接部150、第二連接部160、第三連接部170，以及短路部180皆可用金屬材料製成，例如：銅、銀、鋁、鐵，或是其合金。

接地元件110可以是天線結構100之一系統接地面(System Ground Plane)，其可用於提供一接地電位(Ground Voltage)VSS(例如：0V)。在一些實施例中，接地元件110為一接地金屬平面，並設置於一介質基板(Dielectric Substrate)上，例如：一FR4(Flame Retardant 4)基板或是一印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)。

金屬機構件120可為一立體結構。在一些實施例中，金屬機構件120包括大致互相垂直之一側壁部份125和一頂面部份126。例如，側壁部份125可分佈於XZ平面和YZ平面上，而頂面部份126可分佈於XY平面上。金屬機構件120之側壁部份125可以是一行動裝置之一外觀元件。所謂「外觀元件」係指當一使用者觀察包括天線結構100之行動裝置時，使用者之眼睛可直接看到之行動裝置之一部份。另外，金屬機構件120具有一槽孔(Slot)130，其係形成於側壁部份125和頂面部份126之間。槽孔130可以大致呈現一L字形。例如，槽孔130可為一閉口槽孔(Closed Slot)並具有一第一閉口端131和一第二閉口端132。詳細而言，槽孔130具有相對之一第一邊緣133和一第二邊緣134，其皆介於第一閉口端131和第二閉口端132之間。然而，本發明並不僅限於此。在另一些實施例中，金屬機構件120亦可改為一平面式結構，使得側壁部份125、頂面部份126，以及槽孔130皆可位於同一平面上。

饋入部140可以大致呈現一直條形或一矩形。饋入部140係延伸跨越金屬機構件120之槽孔130，其中一信號源(Signal Source)199係經由饋入部140耦接至第一邊緣133上之一饋入點(Feeding Point)FP。例如，信號源199可以是一射頻(Radio Frequency，RF)模組，其可用於激發天線結構100。

第一連接部150可以大致呈現一直條形或一矩形。第一連接部150係延伸跨越金屬機構件120之槽孔130。詳細而言，第一連接部150係耦接於第一邊緣133上之一第一連接點(Connection Point)CP1和第二邊緣134上之一第二連接點CP2之間。

第二連接部160可以大致呈現一直條形或一矩形。第二連接部160係延伸跨越金屬機構件120之槽孔130。詳細而言，第二連接部160係耦接於第一邊緣133上之一第三連接點CP3和第二邊緣134上之一第四連接點CP4之間，其中第三連接點CP3和第四連接點CP4係異於前述之第一連接點CP1和第二連接點CP2。在一些實施例中，饋入部140係介於第一連接部150和第二連接部160之間。

第三連接部170可以大致呈現一直條形或一矩形。第三連接部170係延伸跨越金屬機構件120之槽孔130。詳細而言，第三連接部170係耦接於第一邊緣133上之一第五連接點CP5和第二邊緣134上之一第六連接點CP6之間，其中第五連接點CP5和第六連接點CP6係異於前述之第一連接點CP1、第二連接點CP2、第三連接點CP3，以及第四連接點CP4。必須注意的是，第三連接部170為一選用元件(Optional)，在其他實施例中亦可移除之。

短路部180可以具有一彎折結構或一平面結構。第二邊緣134上之一第一接地點(Grounding Point)GP1係經由短路部180耦接至接地元件110。

調整元件190可以具有一彎折結構或一平面結構。在一些實施例中，饋入部140係介於短路部180和調整元件190之間。第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之調整元件190之等效電路圖。調整元件190包括一第一阻抗路徑(Impedance Path)191、一第二阻抗路徑192、一第三阻抗路徑193、一第四阻抗路徑194，以及一切換電路(Switch Circuit)195。第一阻抗路徑191、第二阻抗路徑192、第三阻抗路徑193，以及第四阻抗路徑194可具有不同之阻抗值，而它們可分別耦接至接地元件110之接地電位VSS。切換電路195之一端係耦接至第二邊緣134上之一第二接地點GP2，而切換電路195之另一端係於第一阻抗路徑191、第二阻抗路徑192、第三阻抗路徑193，以及第四阻抗路徑194之間作切換，其中第二接地點GP2可異於前述之第一接地點GP1。詳細而言，切換電路195係根據一控制信號SC來選擇第一阻抗路徑191、第二阻抗路徑192、第三阻抗路徑193，以及第四阻抗路徑194之一者作為一目標路徑(Target Path)，使得第二接地點GP2可經由此目標路徑耦接至接地元件110。例如，控制信號SC可由一處理器(Processor)根據一使用者輸入而產生。在一些實施例中，第一阻抗路徑191為一開路路徑(Open-Circuited Path)，第二阻抗路徑192為一短路路徑(Short-Circuited Path)，第三阻抗路徑193為一電容性路徑(Capacitive Path)，而第四阻抗路徑194為一電感性路徑(Inductive Path)，但亦不僅限於此。必須注意的是，調整元件190為一選用元件，在其他實施例中亦可移除之。

第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之輻射效率(Radiation Efficiency)圖。根據第3圖之量測結果，天線結構100可涵蓋一第一頻帶(Frequency Band)、一第二頻帶，以及一第三頻帶，其中第一頻帶可係介於700MHz至960MHz之間，第二頻帶可介於1710MHz至2690MHz之間，而第三頻帶可係介於3300MHz至4200MHz之間。因此，天線結構100至少可支援LTE (Long Term Evolution)和新世代5G系統之寬頻操作。另外，天線結構100於前述頻帶之輻射效率可達40%或更高，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，天線結構100之操作原理可如下列所述。金屬機構件120之槽孔130係由饋入部140所激發，以產生前述之第一頻帶、第二頻帶，以及第三頻帶。詳細而言，介於第一閉口端131和第二閉口端132之間之整個槽孔130可對應於前述之第一頻帶；介於第一連接部150和第二連接部160之間之一部份槽孔130可對應於前述之第二頻帶；而介於第三連接部170和饋入部140之間之另一部份槽孔130可對應於前述之第三頻帶。根據實際量測結果，第一連接部150、第二連接部160，以及第三連接部170之加入有助於微調槽孔130之等效共振長度，從而可增加天線結構100之高頻操作頻寬(Operation Bandwidth)(特別針對第二頻帶和第三頻帶)。

第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之輻射效率(Radiation Efficiency)圖。如第4圖所示，一第一曲線CC1代表當切換電路195選擇第一阻抗路徑191時天線結構100之操作特性，一第二曲線CC2代表當切換電路195選擇第二阻抗路徑192時天線結構100之操作特性，一第三曲線CC3代表當切換電路195選擇第三阻抗路徑193時天線結構100之操作特性，而一第四曲線CC4代表當切換電路195選擇第四阻抗路徑194時天線結構100之操作特性。在第4圖之實施例中，第一阻抗路徑191為一開路路徑，第二阻抗路徑192為一較大電感性路徑(例如：9.1nH)，第三阻抗路徑193為一適中電感性路徑(例如：1nH)，而第四阻抗路徑194為一較小電感性路徑(例如：0.5nH)。根據第4圖之量測結果，藉由使用調整元件190進行切換，天線結構100可有效擴大其低頻操作頻寬(特別針對第一頻帶)。

在一些實施例中，天線結構100之元件尺寸可如下列所述。金屬機構件120之槽孔130之長度L1(亦即，由第一閉口端131至第二閉口端132之長度)可大致等於天線結構100之第一頻帶之最低頻率之0.25倍波長(λ/4)。金屬機構件120之槽孔130之寬度W1(亦即，第一邊緣133和第二邊緣134之間距)可介於1mm至2mm之間。金屬機構件120之側壁部份125之高度H1可介於4mm至6mm之間，例如：約5mm。接地元件110與金屬機構件120之側壁部份125之間距D1可介於1mm至2mm之間，例如：約1.6mm。第一連接點CP1至饋入點FP之間距可定義為一第一間距D2，而第三連接點CP3至饋入點FP之間距可定義為一第二間距D3，其中第一間距D2可介於第二間距D3之1倍至2倍之間，例如：約1.8倍。第六連接點CP6至第一閉口端131之間距可定義為一第三間距D4，而第四連接點CP4至第二閉口端132之間距可定義為一第四間距D5，其中第四間距D5可介於第三間距D4之2倍至3倍之間，例如：約2.2倍。在調整元件190中，第三阻抗路徑193之電容值(Capacitance)可介於0.5pF至10pF之間，而第四阻抗路徑194之電感值(Inductance)可介於1nH至36nH之間。以上元件之參數範圍係根據多次實驗結果而計算得出，其有助於最佳化天線結構100之操作頻寬和阻抗匹配。

在一些實施例中，接地元件110係設置於一鍵盤邊框(Keyboard Frame)上，其中「鍵盤邊框」可指筆記型電腦領域中俗稱之「C件」。當一底座外殼(Base Housing)係相對於鍵盤邊框而設置時，此底座外殼可用金屬材質所製成，但又留有一非導體天線窗(Antenna Window)，使得金屬機構件120之槽孔130之垂直投影(Vertical Projection)完全位於天線窗之內部，其中「底座外殼」可指筆記型電腦領域中俗稱之「D件」。天線結構100之電磁波可透過底座外殼之天線窗進行傳遞。必須注意的是，根據實際量測結果，無論有沒有加入底座外殼，天線結構100於所需操作頻帶中之輻射性能皆可大致維持不變。

第5圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線結構500之立體圖。第5圖和第1圖相似。在第5圖之實施例中，天線結構500不包括前述之第三連接部170和調整元件190；然而，在適當微調元件尺寸之後，天線結構500仍可涵蓋LTE和5G之寬頻操作，如前所述。第5圖之天線結構500之其餘特徵皆與第1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。

本發明提出一種新穎之天線結構，其可涵蓋寬頻帶操作。當此天線結構應用於具有一金屬機構件之行動裝置時，由於金屬機構件可視為天線結構之一延伸部份，故能有效避免金屬機構件對行動裝置之通訊品質產生負面影響。相較於傳統平面倒F字形天線(Planar Inverted F Antenna，PIFA)之整體高度通常須達8mm至10mm，本發明之天線結構之整體高度可微縮約50%。總而言之，本發明能兼得小尺寸、寬頻帶，以及美化裝置外型之優勢，故其很適合應用各種窄邊框(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。本發明之天線結構並不僅限於第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、500:天線結構

110:接地元件

120:金屬機構件

125:金屬機構件之側壁部份

126:金屬機構件之頂面部份

130:槽孔

131:槽孔之第一閉口端

132:槽孔之第二閉口端

133:槽孔之第一邊緣

134:槽孔之第二邊緣

140:饋入部

150:第一連接部

160:第二連接部

170:第三連接部

180:短路部

190:調整元件

191:第一阻抗路徑

192:第二阻抗路徑

193:第三阻抗路徑

194:第四阻抗路徑

195:切換電路

199:信號源

CC1:第一曲線

CC2:第二曲線

CC3:第三曲線

CC4:第四曲線

CP1:第一連接點

CP2:第二連接點

CP3:第三連接點

CP4:第四連接點

CP5:第五連接點

CP6:第六連接點

D1:間距

D2:第一間距

D3:第二間距

D4:第三間距

D5:第四間距

FP:饋入點

GP1:第一短路點

GP2:第二短路點

H1:高度

L1:長度

SC:控制信號

W1:寬度

X:X軸

Y:Y軸

Z:Z軸

第1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2圖係顯示根據本發明一實施例所述之調整元件之等效電路圖。第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之輻射效率圖。第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之輻射效率圖。第5圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線結構之立體圖。

100:天線結構