TWI738153B - 天線系統以及相關聯的輻射模組 - Google Patents

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Abstract

一種使用者設備的天線系統，包括：所述使用者設備的一殼體；以及一輻射模組，所述輻射模組包括一第一數量的輻射器，其中：所述殼體包括一第二數量的開口；所述輻射模組被佈置為激勵所述殼體以在一目標頻帶上進行無線發信；以及在所述目標頻帶上，所述天線系統的一性能優於沒有所述殼體的單獨的輻射模組的一性能。

Description

天線系統以及相關聯的輻射模組
本發明係相關於使用者設備(User Equipment，UE)的天線系統(antenna system)以及相關聯的輻射模組(radiated module)，尤指被佈置(arrange)為激勵(excite)UE的殼體(housing)以進行無線發信(signal)的天線系統以及相關聯的輻射模組，以便由輻射模組和殼體共同形成的天線系統的性能優於沒有殼體的單獨的輻射模組的性能。
第1圖示出UE 110的傳統的天線模組100。天線模組100將一個或複數個天線101集成(integrate)為模組以放置(dispose)在UE 110的殼體120中。然而，天線模組100獨自在沒有殼體120的自由空間中作為獨立的天線系統進行設計和優化。因此，當天線模組100被放置在殼體120中用於實際應用時，殼體120變成降低天線模組100性能的影響因素，其中上述性能比如輻射功率(radiated power)、靈敏度(sensitivity)、天線增益(antenna gain)、效率(efficiency)、方向性(directivity)、覆蓋性(coverage)、回波損耗(return loss)、電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)等。換句話說，在傳統的設計方法下，天線模組100實際上放置於殼體120中時的性能將會比天線模組100單獨位於自由空間中時的性能差。
一種使用者設備的天線系統，包括：所述使用者設備的一殼體；以及一輻射模組，所述輻射模組包括一第一數量的輻射器，其中：所述殼體包括一第二數量的開口；所述輻射模組被佈置為激勵所述殼體以在一目標頻帶上進行無線發信；以及在所述目標頻帶上，所述天線系統的一性能優於沒有所述殼體的單獨的輻射模組的一性能。
一種使用者設備的天線系統，包括：所述使用者設備的一殼體；以及一輻射模組，所述輻射模組包括一第一數量的輻射器，所述輻射器平行於一個平面，其中：所述殼體包括一第二數量的開口；所述輻射模組被佈置為激勵所述殼體以在一目標頻帶上進行無線發信；以及在所述平面上，所述第二數量的開口的投影的一總面積小於所述輻射模組的一投影的一面積。
一種使用者設備的輻射模組，包括：一基底；以及一第一數量的輻射器，在平行於一個平面的所述基底上，所述第一數量的輻射器被佈置為激勵所述使用者設備的一殼體來共同用作一天線系統以在一目標頻帶上進行無線發信，其中：所述殼體包括一第二數量的開口；以及在所述平面上，所述第二數量的開口的投影的一總面積小於所述輻射模組的一投影的一面積。
100:天線模組
101:天線
110、210:UE
120、220:殼體
200:輻射模組
202:基底
204:晶片
220a、220b、220c:部分
230:天線系統
240:主機板
242、246:連接器
248:通路
在閱讀下文的具體實施方式和附圖之後，本發明的上述目標和優勢對於所屬領域具有通常知識者來說將變得更為明顯，其中：第1圖(先前技術)示出傳統的天線模組。
第2A圖和第2B圖示出根據本發明實施例的天線系統和相關聯的輻射模組的概念性視圖。
第3圖示出根據本發明實施例的天線系統和相關聯的輻射模組的概念性視圖。
第4圖為根據本發明實施例的輻射模組和天線系統的性能對比。
第2A圖-第2B圖示出根據本發明實施例的UE 210的天線系統230和相關聯的輻射模組200的概念性視圖。UE 210可以是手機、可穿戴設備(wearable gadget)、數位相機、攝像機(camcorder)、遊戲機(game console)、無人機(drone)、傳感網路的傳感元件、行動Wi-Fi設備、客戶終端設備(Customer Premise Equipment，CPE)、通用序列匯流排(Universal Serial Bus，USB)軟體狗(USB dongle)、固定無線存取(Fixed-Wireless Access，FWA)、平板電腦、筆記型電腦或者任何需要天線系統230在目標頻帶(target band)上傳送和/或接收電磁波以無線發信(比如通訊)的終端設備。
UE 210可以包括主機板(main board)(比如印刷電路板(printed circuit board))240和包圍(enclose)主機板240的殼體(盒子(case))220。輻射模組200可以包括基底(base)202、半導體晶片(裸片(die))204和數量M(一個或複數個)的導電性的輻射器(radiator)r[1]至r[M]，其中上述輻射器可以形成在基底202上。根據本發明，輻射模組200和輻射器r[1]至r[M]可以被佈置(設計、優化和配置)為激勵殼體220來共同作為天線系統230以在目標頻帶上進行無線發信，使得在目標頻帶上，天線系統230的性能可以優於沒有殼體220的單獨的輻射模組200的性能。換句話說，根據本發明，在設計(和優化)天線系統230時，殼體220可以視為天線系統230的一部分來與輻射模組200共同作用，比如輻射模組200可以作為天線系統230的激勵器(excitor)，而殼體220可以用作天線系統230的諧振部分(resonating part)。因此，輻射 模組200可以如在實際應用中那樣與殼體220一起進行設計和優化，而不是在沒有殼體220的自由空間中單獨地進行設計和優化。由於輻射模組200並非被設計為單獨工作而沒有殼體220，而是被設計為與殼體220作為一個整體來工作，因此，與輻射模組200單獨在自由空間中所實現的性能相比，當輻射模組200實際上放置在殼體220中時所實現的性能將會更好。
殼體220可以包括一個或複數個部分(portion)，諸如第2A圖和第2B圖中的概念性示例中的220a至220c。舉例來講，在一實施例中，部分220a和220c分別可以是UE 210的後蓋(rear cover)和前蓋(front cover)(比如顯示面板)，220b可以是部分220a和220c之間的框架(frame)。在一實施例中，部分220a可以是導電性的(比如由金屬形成)，輻射模組200可以放置在主機板240上靠近導電部分220a的位置。殼體220的其他部分(比如220b和/或220c)可以是導電性的或者是介電質(dielectric)。殼體220還可以包括數量N(一個或複數個)的開口(opening)o[1]至o[N]，各開口o[n](其中n=1至N)的邊緣(edge)的一段(segment)或整個邊緣可以在導電部分220a中。舉例來講，在一實施例中，各開口o[1]至o[N]可以在導電部分220a中；在另一實施例中，開口o[1]至o[N]的子集(subset)(一個、一些或者全部)中的各開口的邊緣可能有一段在殼體220的導電部分220a中，而且可能有另一段在殼體220的介電質部分中。各開口o[1]至o[N]可以由介電質材料(比如空氣、塑膠和/或丙烯酸塑膠(acrylic)等)填充。在一實施例中，數量N可以不小於數量M；舉例來講，在一實施例中，數量M和數量N可以相等，各開口o[1]至o[N]可以與輻射器r[1]至r[M]中的一個相對應。在一實施例中，各輻射器r[1]至r[M]可以包括由一個或複數個相互絕緣(insulate)的導電層形成的一個或複數個微帶(microstrip)和/或一個或複數個導電貼片(patch)。
如第2B圖所示，各輻射器r[1]至r[M]可以與x-y平面平行；在 x-y平面上，輻射器r[1]至r[M]分別可以投射(project)到投影(projection)Pr[1]至Pr[M]，開口o[1]至o[N]分別可以投射到投影Po[1]至Po[N]。在一實施例中，投影Pr[1]至Pr[M]的其中一個和投影Po[1]至Po[N]的其中一個至少可以部分重疊。舉例來講，在一實施例中，投影Pr[1]至Pr[M]中的投影Pr[m1]可以僅有一部分處於投影Po[1]至Po[N]中的投影Po[n1]內，而其餘部分則留在外面；在一實施例中，投影Po[1]至Po[N]中的投影Po[n2]可以僅有一部分在投影Pr[1]至Pr[M]中的投影Pr[m2]內，而其餘部分則留在外面；在一實施例中，投影Pr[1]至Pr[M]中的投影Pr[m3]可以完全處於投影Po[1]至Po[N]中的投影Po[n3]內；和/或在一實施例中，投影Po[1]至Po[N]中的投影Po[n4]可以完全處於投影Pr[1]至Pr[M]中的投影Pr[m4]內。
由於輻射模組200和殼體220可以共同工作以在目標頻帶上進行無線發信，因此在一實施例中，投影Po[1]至Po[N]的其中一個的幾何中心和投影Pr[1]至Pr[M]的其中一個的幾何中心之間在x-y平面上的最近距離可以小於目標頻帶的波長的一半；舉例來講，如果投影Pr[m](其中m=1至M)距離投影Po[1]至Po[N]中的投影Po[n]最近，則投影Pr[m]和Po[n]的幾何中心之間的距離d[m,n]可以小於目標頻帶的波長的一半。舉例來講，在一實施例中，目標頻帶可以覆蓋為第5代(5th Generation，5G)行動電信分配(allocate)的頻帶，目標頻帶的波長可以是毫米量級，其範圍可從幾毫米到幾分之一毫米。
在一實施例中，在x-y平面，各投影Po[n](其中n=1到N)可以與輻射模組200的投影P220部分或者完全重疊；舉例來講，投影Po[1]至Po[N]的第一子集(無、一個、一些或者全部)可以與投影P220部分重疊(即第一子集中的各投影的邊界可以與投影P220的邊界交叉(intersect))，和/或投影Po[1]至Po[N]的不同的第二子集(全部、一些、一個或者無)可以完全落入投影P220的邊界，因此與投影P220完全重疊。在一實施例中，各投影Po[n]的面積(area) 可以小於投影P220的面積。在一實施例中，投影Po[1]至Po[N]的總面積(即投影Po[1]至Po[N]的面積之和)可以小於投影P220的面積。請注意，第2B圖中所示的投影Pr[1]至Pr[M]以及Po[1]至Po[N]的形狀僅僅是概念性的，以便於理解；實際上，各投影Pr[m](其中m=1至M)的形狀可以不限於矩形，各投影Po[n](其中n=1至N)的形狀可以不限於橢圓形或者圓形。各投影Pr[1]至Pr[M]以及Po[1]至Po[N]可以是任何形狀，諸如通過原始形狀(比如直線、曲線、三角形、矩形、橢圓和/或多邊形)的組合、相交和/或減去而形成的形狀。投影Po[1]至Po[N]中不同的兩個投影的形狀可以是相同的或者是不同的，投影Pr[1]至Pr[M]中不同的兩個投影的形狀可以是相同的或者是不同的，和/或兩個投影Pr[m]和Po[n](其中m=1至M，n=1至N)的形狀可以是相同的或者是不同的。
在一實施例中，除了輻射器r[1]至r[M]之外，輻射模組200還可以包括其他的導電元件(未示出)來促進輻射器r[1]至r[M]的無線發信。舉例來講，輻射模組200還可以包括一個或複數個寄生元件(parasitic element)(未示出)來增強輻射器r[1]至r[M]以及天線系統230的性能(比如頻寬等)；各寄生元件可以是導電性的，可以放置在一個或複數個輻射器r[1]至r[M]附近，並且可以與各輻射器r[1]至r[M]絕緣。
如第2B圖所示，在一實施例中，導電部分220a的表面(surface)S2(比如底面)和輻射模組200的表面S1(比如輻射器r[1]至r[M]的上表面)之間的最近的間隙(gap)g1可以小於目標頻帶的波長的四分之一。舉例來講，在一實施例中，表面S1和S2之間的間隙g1可以由非零厚度的介電質材料填充，因此各輻射器r[1]至r[M]可以與導電部分220a絕緣；輻射器r[1]至r[M]可以通過非接觸性的電磁耦合(感應(induction))激勵導電部分220a的開口o[1]至o[N]來用作天線。在另一實施例中，間隙g1可以減小到0，因此輻射器r[1]至r[M]的子集(一個、一些或者全部)可以與導電部分220a物理接觸。
如第2B圖所示，在一實施例中，導電部分220a的表面S2的法線(normal)v2(即垂直於表面S2的向量(vector))和輻射模組200的表面S1的法線v1之間的角度a1可以小於90度；舉例來講，在一實施例中，法線v1和法線v2可以基本平行，其中角度a1可等於或者近似為0。
如第2B圖所示，除了基底202、晶片204和輻射器r[1]至r[M]之外，輻射模組200還可以包括連接在晶片204和基底202之間的導電性的連接器(connector)(比如引腳(pin)或者焊球(solder ball))246，以及連接在主機板240和基底202之間的導電性的連接器(比如引腳或者焊球)242。電流可以經由連接器246的子集(比如一個或一些)和基底202內部的導電性通路(conductive routing)248的子集(比如一個或一些)在晶片204和輻射器r[1]至r[M]之間流動；電流可以經由連接器246的子集(比如一個或一些)、導電性通路248的子集(比如一個或一些)和連接器242的子集在晶片204和主機板240之間流動。晶片204可以是射頻(Radio Frequency，RF)積體電路(Integrated Circuit，IC)，並且可以包括諸如功率放大器(power amplifier)(未示出)之類的電路。在一實施例中，輻射模組200的輻射器r[1]至r[M]可以形成與x-y平面平行的輻射器陣列，導電部分220a的開口o[1]至o[N]可以形成開口陣列；在晶片204的控制下，由輻射模組200的輻射器r[1]至r[M]和導電部分220a的開口o[1]至o[N]共同形成的天線系統230可以用作天線陣列，比如波束形成(beam-forming)天線陣列。
第3圖示出天線系統230和輻射模組200的概念性視圖。在該概念性的示例中，殼體220的導電部分220a可以是框在殼體220周圍的邊框(或者邊框的一部分)，部分220b和220c可以是殼體220的前蓋和後蓋，各開口o[1]至o[N]的形狀可以類似於狹縫(slit)，其延伸(extend)跨越導電部分220a的兩個對側。
由於殼體220和導電部分220a對於不同的UE來說可以具有各種形成因素(form factor)、形狀和/或尺寸，所以輻射模組200可以連同各UE的殼體220一起定制(customize)來共同形成和優化整個天線系統230，並使得天線系統230能夠比單獨的輻射模組200有更好的性能。舉例來講，天線系統230的定制和優化可以包括調整(tune)以下幾何參數中的一個或複數個：各輻射器r[m]和/或各開口o[n]的位置、形狀和/或尺寸(比如寬度和/或長度)，輻射器r[1]至r[M]中相鄰的兩個輻射器之間的距離，開口o[1]至o[N]中相鄰的兩個開口之間的距離，相鄰的兩個投影Pr[m]和Po[n]之間的距離(比如第2B圖中的d[m,n])，輻射器r[1]至r[M]和/或開口o[1]至o[N]的陣列形式(比如線性陣列(linear array)、矩形陣列(rectangular array)或者環形陣列(polar array)等)，數量M，數量N，間隙g1(第2B圖)的高度等。換句話說，輻射器r[1]至r[M]和/或開口o[1]至o[N]的幾何可以被配置，以使得天線系統230的性能優於單獨的輻射模組200的性能。
如上所述，基於本發明，由殼體220和輻射模組200共同形成的天線系統230的性能可以優於沒有殼體220的單獨的輻射模組200的性能。在一實施例中，上述性能可以由歸一化的天線陣列增益的累積分佈函數(Cumulative Distribution Function，CDF)反映；在第4圖中，曲線4a示出由殼體220和輻射模組200共同形成的天線系統230所實現的歸一化的天線陣列增益(用dBi表示)的CDF(用百分位數(percentile)表示)，曲線4b示出由沒有殼體220的單獨的輻射模組200所實現的歸一化的天線陣列增益的CDF。如第4圖所示，因為曲線4a在曲線4b的右側，所以可以理解的是，由輻射模組200和殼體220共同形成的天線系統230的性能優於沒有殼體220的單獨的輻射模組200的性能。天線系統230和輻射模組200的性能還可以分別由曲線4a和4b的峰值p4a和p4b反映；再次，如第4圖所示，因為峰值p4a大於峰值 p4b，所以天線系統230的性能優於輻射模組200的性能。總之，為了評估和比較天線系統230和輻射模組200的性能，上述性能可以與輻射性能、阻抗匹配(impedance matching)性能或者輻射性能和阻抗匹配性能的組合(比如加權和(weighted sum))有關。輻射性能可以與以下中的一個或複數個有關(比如可以是以下之一或者可以從以下中的一個或複數個中導出(derive)，諸如以下中的一個以上的加權和)：等效全向輻射功率(Equivalent Isotropically Radiated Power，EIRP)、有效全向靈敏度(Effective Isotropic Sensitivity，EIS)、總輻射功率(Total Radiated Power，TRP)、總全向靈敏度(Total Isotropic Sensitivity，TIS)、實現的天線陣列增益、實現的天線增益、等效天線陣列效率、天線效率、天線陣列方向性、天線方向性、球形覆蓋率(spherical coverage)、EIRP的CDF和峰值EIRP等。阻抗匹配性能可以與以下一個或複數個有關：天線回波損耗和天線VSWR等。
總之，與在沒有殼體的自由空間中進行設計和優化的傳統天線模組(並且因此當放置於殼體中以進行實際應用時將會遭受性能降低)相比，根據本發明的輻射模組可以如實際應用時那樣與殼體一起進行設計和優化，因此由輻射模組和殼體共同形成的天線系統的性能可以優於沒有殼體的單獨的輻射模組的性能，因此可以更好地滿足實際應用的要求。
雖然已經就目前被認為是最實際和優選的實施例描述了本發明，但是可以理解的是，本發明並不必限於所公開的實施例。相反，本發明旨在覆蓋包含在申請專利範圍的精神和範圍內的各種修改和相似配置，申請專利範圍與其最寬的解釋相一致，因此可以涵蓋所有這樣的修改和相似的結構。
200:輻射模組
202:基底
204:晶片
210:UE
220:殼體
220a、220b、220c:部分
230:天線系統
240:主機板

Claims (9)

  1. 一種使用者設備的天線系統，包括：所述使用者設備的一殼體；以及一輻射模組，所述輻射模組包括一第一數量的輻射器，其中：所述殼體包括一第二數量的開口；所述輻射模組被佈置為激勵所述殼體以在一目標頻帶上進行無線發信；以及在所述目標頻帶上，所述天線系統的一性能優於沒有所述殼體的單獨的輻射模組的一性能，其中，所述第一數量的輻射器平行於一個平面；在所述平面上，所述第二數量的開口的其中一個開口的一投影的一幾何中心和所述第一數量的輻射器的其中一個輻射器的一投影的一幾何中心之間的一最近的距離小於所述目標頻帶的一波長的一半；以及在所述平面上，所述第二數量的開口的投影的一總面積小於所述輻射模組的一投影的一面積。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之使用者設備的天線系統，其中：所述第一數量的輻射器平行於一個平面；以及在所述平面上，所述第二數量的開口的其中一個開口的一投影和所述第一數量的輻射器的其中一個輻射器的一投影至少部分重疊。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之使用者設備的天線系統，其中：所述殼體還包括一導電部分；所述第二數量的開口中的每個開口的一邊緣的至少一段在所述導電部分中；以及 所述導電部分的一表面和所述輻射模組的一表面之間的一最近的間隙小於所述目標頻帶的一波長的四分之一。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之使用者設備的天線系統，其中：所述殼體還包括一導電部分；所述第二數量的開口中的每個開口的一邊緣的至少一段在所述導電部分中；以及所述導電部分的一表面的一法線和所述輻射模組的一表面的一法線之間的一角度小於90度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之使用者設備的天線系統，其中，所述第二數量不小於所述第一數量。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之使用者設備的天線系統，其中，所述性能與以下至少一個有關：輻射性能和阻抗匹配性能。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之使用者設備的天線系統，其中，所述性能與以下一個或複數個有關：等效全向輻射功率、有效全向靈敏度、總輻射功率、總全向靈敏度、實現的天線陣列增益、實現的天線增益、等效天線陣列效率、天線效率、天線陣列方向性、天線方向性、球形覆蓋率、等效全向輻射功率的累積分佈函數、峰值等效全向輻射功率、天線回波損耗和天線電壓駐波比。
  8. 一種使用者設備的天線系統，包括：所述使用者設備的一殼體；以及一輻射模組，所述輻射模組包括一第一數量的輻射器，所述輻射器平行於一個平面，其中：所述殼體包括一第二數量的開口；所述輻射模組被佈置為激勵所述殼體以在一目標頻帶上進行無線發信； 其中，在所述平面上，所述第二數量的開口的其中一個開口的一投影的一幾何中心和所述第一數量的輻射器的其中一個輻射器的一投影的一幾何中心之間的一最近的距離小於所述目標頻帶的一波長的一半；以及在所述平面上，所述第二數量的開口的投影的一總面積小於所述輻射模組的一投影的一面積。
  9. 一種使用者設備的輻射模組，包括：一基底；以及一第一數量的輻射器，在平行於一個平面的所述基底上，所述第一數量的輻射器被佈置為激勵所述使用者設備的一殼體來共同用作一天線系統以在一目標頻帶上進行無線發信，其中：所述殼體包括一第二數量的開口；在所述平面上，所述第二數量的開口的其中一個開口的一投影的一幾何中心和所述第一數量的輻射器的其中一個輻射器的一投影的一幾何中心之間的一最近的距離小於所述目標頻帶的一波長的一半；以及在所述平面上，所述第二數量的開口的投影的一總面積小於所述輻射模組的一投影的一面積。
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