TWI783716B

TWI783716B - 天線結構和電子裝置

Info

Publication number: TWI783716B
Application number: TW110137309A
Authority: TW
Inventors: 莊世明; 段龍輝; 胡沛成
Original assignee: 緯創資通股份有限公司
Priority date: 2021-10-07
Filing date: 2021-10-07
Publication date: 2022-11-11
Also published as: EP4164059A1; TW202316732A; US20230115428A1; US11757176B2; CN115954656A

Abstract

一種天線結構，包括：一第一輻射部、一第二輻射部、一第三輻射部、一第四輻射部，以及一第五輻射部。第一輻射部具有一饋入點。第二輻射部係耦接至饋入點，其中第二輻射部係至少部份由第一輻射部所包圍。第三輻射部係耦接至一接地電位。第四輻射部係耦接至第三輻射部。第五輻射部係耦接至第三輻射部，其中第五輻射部係至少部份由第三輻射部和第四輻射部所共同包圍。

Description

天線結構和電子裝置

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。

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操作頻寬(Operational Bandwidth)過窄，則很容易造成行動裝置之通訊品質下降。因此，如何設計出一種小尺寸、寬頻帶之天線結構，對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，其中該第二輻射部係至少部份由該第一輻射部所包圍；一第三輻射部，耦接至一接地電位；一第四輻射部，耦接至該第三輻射部；以及一第五輻射部，耦接至該第三輻射部，其中該第五輻射部係至少部份由該第三輻射部和該第四輻射部所共同包圍。

在一些實施例中，該天線結構為一平面式天線結構。

在一些實施例中，該天線結構更包括：一介質基板，其中該第一輻射部、該第二輻射部、該第三輻射部、該第四輻射部，以及該第五輻射部皆設置於該介質基板上。

在一些實施例中，該天線結構涵蓋一第一頻帶、一第二頻帶、一第三頻帶，以及一第四頻帶。

在一些實施例中，該第一頻帶係介於2400MHz至2500MHz之間，該第二頻帶係介於3300MHz至4200MHz之間，該第三頻帶係介於4400MHz至5000MHz之間，而該第四頻帶係介於5150MHz至7125MHz之間。

在一些實施例中，該第一輻射部係呈現一倒U字形。

在一些實施例中，該第一輻射部之長度係介於該第一頻帶之0.15倍至0.17倍波長之間。

在一些實施例中，該第二輻射部包括一末端彎折部份。

在一些實施例中，該第一輻射部和該第二輻射部之該末端彎折部份之間距係介於2.8mm至3.3mm之間。

在一些實施例中，該第二輻射部之長度係介於該第四頻帶之0.15倍至0.17倍波長之間。

在一些實施例中，該第三輻射部包括一第一較寬部份和一第一較窄部份，該第一較寬部份係耦接至該接地電位，而該第四輻射部係經由該第一較窄部份耦接至該第一較寬部份。

在一些實施例中，該第一輻射部和該第三輻射部之該第一較寬部份之間距係介於2.8mm至3.3mm之間。

在一些實施例中，該第四輻射部包括一末端加寬部份。

在一些實施例中，該第三輻射部和該第四輻射部之組合係呈現一倒U字形。

在一些實施例中，該第三輻射部和該第四輻射部之總長度係介於該第三頻帶之0.15倍至0.17倍波長之間。

在一些實施例中，該第五輻射部係呈現一倒L字形。

在一些實施例中，該第五輻射部包括一第二較寬部份和一第二較窄部份，而該第二較窄部份係經由該第二較寬部份耦接至該第三輻射部。

在一些實施例中，該第五輻射部之該第二較窄部份和該第三輻射部之該第一較寬部份之間距係介於3.3mm至3.7mm之間。

在一些實施例中，該第三輻射部和該第五輻射部之總長度係介於該第二頻帶之0.15倍至0.17倍波長之間。

在另一較佳實施例中，本發明提出一種電子裝置，包括：如前所述之天線結構；以及一通訊模組，耦接至該天線結構，使得該電子裝置能支援無線通訊之功能。

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及/或標記。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及/或結構之間有特定的關係。

此外，其與空間相關用詞。例如「在…下方」、「下方」、「較低的」、「上方」、「較高的」及類似的用詞，係為了便於描述圖示中一個元件或特徵與另一個(些)元件或特徵之間的關係。除了在圖式中繪示的方位外，這些空間相關用詞意欲包含使用中或操作中的裝置之不同方位。裝置可能被轉向不同方位(旋轉90度或其他方位)，則在此使用的空間相關詞也可依此相同解釋。

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之示意圖。天線結構100可以套用於一行動裝置(Mobile Device)當中，例如：一智慧型手機(Smart Phone)、一平板電腦(Tablet Computer)、一筆記型電腦(Notebook Computer)、一無線分享器(Wireless Access Point)、一路由器(Router)，或是具有通訊功能之任一裝置。抑或，天線結構100可以套用於一電子裝置(Electronic Device)當中，例如：一物聯網(Internet of Things，IOT)中之任一單元。

如第1圖所示，天線結構100至少包括：一第一輻射部(Radiation Element)110、一第二輻射部120、一第三輻射部130、一第四輻射部140，以及一第五輻射部150，其中第一輻射部110、第二輻射部120、第三輻射部130、第四輻射部140，以及第五輻射部150皆可用金屬材質製成，例如：銅、銀、鋁、鐵，或是其合金。

第一輻射部110可以大致呈現一倒U字形，其可界定出一第一缺口區域(Notch Region)118。詳細而言，第一輻射部110具有一第一端111和一第二端112，其中一饋入點(Feeding Point)FP係位於第一輻射部110之第一端111處，而第一輻射部110之第二端112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，信號源190可為一射頻(Radio Frequency，RF)模組，其可用於激發天線結構100。

第二輻射部120可以大致呈現一倒J字形，其可設置於前述之第一缺口區域118內。亦即，第二輻射部120係至少部份由第一輻射部110所包圍。詳細而言，第二輻射部120具有一第一端121和一第二端122，其中第二輻射部120之第一端121係耦接至饋入點FP，而第二輻射部120之第二端122為一開路端。在一些實施例中，第二輻射部120包括一末端彎折部份(Terminal Bending Portion)125，其係鄰近於第二輻射部120之第二端122處。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：5mm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)。例如，第二輻射部120之末端彎折部份125可以大致呈現一C字形。另外，第二輻射部120之寬度W2可以小於第一輻射部110之寬度W1。

第三輻射部130可以大致呈現一倒L字形，其可與第一輻射部110和第二輻射部120皆完全分離。詳細而言，第三輻射部130具有一第一端131和一第二端132，其中第三輻射部130之第一端131係耦接至一接地電位(Ground Voltage)VSS。例如，接地電位VSS可由天線結構100之一系統接地面(System Ground Plane)所提供(未顯示)。在一些實施例中，第三輻射部130為一不等寬結構(Variable-Width Structure)，並包括鄰近於第一端131之一第一較寬部份(Wide Portion)134和鄰近於第二端132之一第一較窄部份(Narrow Portion)135，其中第一較寬部份134係耦接至接地電位VSS，而第四輻射部140係經由第一較窄部份135耦接至第一較寬部份134。

第四輻射部140可以大致呈現一直條形，其可與第三輻射部130之第一較寬部份134大致互相平行。第三輻射部130和第四輻射部140之組合可以大致呈現一倒U字形，其可界定出一第二缺口區域138。詳細而言，第四輻射部140具有一第一端141和一第二端142，其中第四輻射部140之第一端141係耦接至第三輻射部130之第二端132，而第四輻射部140之第二端142為一開路端。在一些實施例中，第四輻射部140包括一末端加寬部份(Terminal Widening Portion)145，其係鄰近於第四輻射部140之第二端142處。

第五輻射部150可以大致呈現一倒L字形，其可設置於前述之第二缺口區域138內。亦即，第五輻射部150係至少部份由第三輻射部130和第四輻射部140所共同包圍。詳細而言，第五輻射部150具有一第一端151和一第二端152，其中第五輻射部150之第一端151係耦接至第三輻射部130之第二端132，而第五輻射部150之第二端152為一開路端。例如，第四輻射部140之第二端142和第五輻射部150之第二端152可以大致朝相同方向作延伸。在一些實施例中，第五輻射部150為另一不等寬結構，並包括鄰近於第一端151之一第二較寬部份154和鄰近於第二端152之一第二較窄部份155，其中第二較窄部份155係經由第二較寬部份154耦接至第三輻射部130。

在一些實施例中，天線結構100更包括一介質基板(Dielectric Substrate)160。例如，介質基板160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 Printed Circuit，FPC)。第一輻射部110、第二輻射部120、第三輻射部130、第四輻射部140，以及第五輻射部150皆可設置於介質基板160之同一表面上，使得天線結構100可為一平面式(Planar)天線結構。然而，本發明並不僅限於此。在另一些實施例中，第一輻射部110、第二輻射部120、第三輻射部130、第四輻射部140，以及第五輻射部150亦可設置於一非導體支撐元件(Nonconductive Support Element)之不同表面上，以形成一立體天線結構。

第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之返回損失(Return Loss)圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz)，而縱軸代表返回損失(dB)。根據第2圖之量測結果，天線結構100可涵蓋一第一頻帶(Frequency Band)FB1、一第二頻帶FB2、一第三頻帶FB3，以及一第四頻帶FB4。例如，第一頻帶FB1可介於2400MHz至2500MHz之間，第二頻帶FB2可介於3300MHz至4200MHz之間，第三頻帶FB3可介於4400MHz至5000MHz之間，而第四頻帶FB4可介於5150MHz至7125MHz之間。因此，天線結構100將至少可支援新世代5G通訊(5th Generation Mobile Networks)及Wi-Fi 6E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。第一輻射部110可激發產生天線結構100之第一頻帶FB1。第二輻射部120可激發產生天線結構100之第四頻帶FB4。第三輻射部130和第四輻射部140可共同激發產生天線結構100之第三頻帶FB3。第三輻射部130和第五輻射部150可共同激發產生天線結構100之第二頻帶FB2。根據實際量測結果，第二輻射部120之末端彎折部份125可用於增加第四頻帶FB4之操作頻寬(Operational Bandwidth)。第三輻射部130之不等寬結構可用於提升第二頻帶FB2和第三頻帶FB3之輻射效率(Radiation Efficiency)。第五輻射部150之不等寬結構則可用於提升第二頻帶FB2之輻射效率。必須注意的是，由於對應5G通訊和Wi-Fi 6E之所有輻射部皆可整合於單一天線結構100當中，故天線結構100之整體尺寸將可有效地作微縮。

第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構100之輻射效率圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz)，而縱軸代表輻射效率(%)。根據第3圖之量測結果，天線結構100於前述之第一頻帶FB1、第二頻帶FB2、第三頻帶FB3，以及第四頻帶FB4內之輻射效率均可達至少30%以上，此已能滿足一般通訊系統之實際應用需求。

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110之長度L1可介於天線結構100之第一頻帶FB1之0.15倍至0.17倍波長之間(0.15λ~0.17λ)。第一輻射部110之寬度W1可介於1.2mm至2.1mm之間。第二輻射部120之長度L2可介於天線結構100之第四頻帶FB4之0.15倍至0.17倍波長之間(0.15λ~0.17λ)。第二輻射部120之寬度W2可介於0.8mm至1.2mm之間。第三輻射部130和第四輻射部140之總長度L3可介於天線結構100之第三頻帶FB3之0.15倍至0.17倍波長之間(0.15λ~0.17λ)。在第三輻射部130中，第一較寬部份134之寬度W31可介於2.8mm至3.5mm之間，而第一較窄部份135之寬度W32可介於0.8mm至1.2mm之間。第四輻射部140之末端加寬部份145之寬度W33可介於1.4mm至2mm之間。第三輻射部130和第五輻射部150之總長度L4可介於天線結構100之第二頻帶FB2之0.15倍至0.17倍波長之間(0.15λ~0.17λ)。在第五輻射部150中，第二較寬部份154之寬度W41可介於0.8mm至1.2mm之間，而第二較窄部份155之寬度W42可介於0.6mm至1mm之間。介質基板160之厚度H1可介於0.4mm至0.6mm之間。介質基板160之介電常數(Dielectric Constant)可介於4至5之間。第一輻射部110和第二輻射部120之末端彎折部份125之間距D1可介於2.8mm至3.3mm之間。第一輻射部110和第三輻射部130之第一較寬部份134之間距D2可介於2.8mm至3.3mm之間。第三輻射部130之第一較寬部份134和第五輻射部150之第二較窄部份155之間距D3可介於3.3mm至3.7mm之間。天線結構100之總長度LT可以小於或等於30mm。天線結構100之總寬度WT可以小於或等於10mm。以上尺寸和參數範圍係根據多次實驗結果而得出，其有助於最佳化天線結構100之操作頻寬和阻抗匹配(Impedance Matching)。

第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之電子裝置400之示意圖。電子裝置400可應用於一物聯網。如第4圖所示，電子裝置400包括一天線結構100和一通訊模組(Communication Module)410，其中天線結構100之各種特徵可如先前第1-3圖之實施例所述。另一方面，通訊模組410係耦接至天線結構100，使得電子裝置400能支援無線通訊(Wireless Communication)之功能。例如，通訊模組410可包括一信號源、一射頻電路(RF Circuit)、一濾波器(Filter)、一放大器(Amplifier)，或(且)一處理器(Processor)，但亦不僅限於此。在本發明之該實施例中，通訊模組410可同時支援無線區域網路(WLAN，Wireless Local Area Network)服務以及無線廣域網路(WWAN，Wireless Wide Area Network)服務，但亦不僅限於此。第4圖之電子裝置400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。在本發明之另一實施例中，電子裝置400包括一天線結構100、一第一通訊模組，以及一第二通訊模組(未圖示)，其中該第一通訊模組支援無線區域網路服務，該第二通訊模組支援無線廣域網路服務，且天線結構100分別耦接/連接至該第一通訊模組和該第二通訊模組。

本發明提出一種新穎之天線結構與電子裝置。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或物聯網當中。

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。本發明之天線結構和電子裝置並不僅限於第1-4圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-4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和電子裝置當中。

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:第一輻射部 111:第一輻射部之第一端 112:第一輻射部之第二端 118:第一缺口區域 120:第二輻射部 121:第二輻射部之第一端 122:第二輻射部之第二端 125:第二輻射部之末端彎折部份 130:第三輻射部 131:第三輻射部之第一端 132:第三輻射部之第二端 134:第三輻射部之第一較寬部份 135:第三輻射部之第一較窄部份 138:第二缺口區域 140:第四輻射部 141:第四輻射部之第一端 142:第四輻射部之第二端 145:第四輻射部之末端加寬部份 150:第五輻射部 151:第五輻射部之第一端 152:第五輻射部之第二端 154:第五輻射部之第二較寬部份 155:第五輻射部之第二較窄部份 160:介質基板 190:信號源 400:電子裝置 410:通訊模組 D1,D2,D3:間距 FB1:第一頻帶 FB2:第二頻帶 FB3:第三頻帶 FB4:第四頻帶 FP:饋入點 H1:厚度 L1,L2,L3,L4,LT:長度 W1,W2,W31,W32,W33,W41,W42,WT:寬度 VSS:接地電位

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之示意圖。第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線結構之返回損失圖。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電子裝置之示意圖。

100:天線結構

110:第一輻射部

111:第一輻射部之第一端

112:第一輻射部之第二端

118:第一缺口區域

120:第二輻射部

121:第二輻射部之第一端

122:第二輻射部之第二端

125:第二輻射部之末端彎折部份

130:第三輻射部

131:第三輻射部之第一端

132:第三輻射部之第二端

134:第三輻射部之第一較寬部份

135:第三輻射部之第一較窄部份

138:第二缺口區域

140:第四輻射部

141:第四輻射部之第一端

142:第四輻射部之第二端

145:第四輻射部之末端加寬部份

150:第五輻射部

151:第五輻射部之第一端

152:第五輻射部之第二端

154:第五輻射部之第二較寬部份

155:第五輻射部之第二較窄部份

160:介質基板

190:信號源

D1,D2,D3:間距

FP:饋入點

H1:厚度

L1,L2,L3,L4,LT:長度

W1,W2,W31,W32,W33,W41,W42,WT:寬度

VSS:接地電位

Claims

一種天線結構，包括：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，其中該第二輻射部係至少部份由該第一輻射部所包圍；一第三輻射部，耦接至一接地電位；一第四輻射部，耦接至該第三輻射部；以及一第五輻射部，耦接至該第三輻射部，其中該第五輻射部係至少部份由該第三輻射部和該第四輻射部所共同包圍；其中該天線結構涵蓋一第一頻帶、一第二頻帶、一第三頻帶，以及一第四頻帶；其中該第一輻射部之長度係介於該第一頻帶之0.15倍至0.17倍波長之間。
如請求項1之天線結構，其中該天線結構為一平面式天線結構。
如請求項1之天線結構，更包括：一介質基板，其中該第一輻射部、該第二輻射部、該第三輻射部、該第四輻射部，以及該第五輻射部皆設置於該介質基板上。
如請求項1之天線結構，其中該第一頻帶係介於2400MHz至2500MHz之間，該第二頻帶係介於3300MHz至4200MHz之間，該第三頻帶係介於4400MHz至5000MHz之間，而該第四頻帶係介於5150MHz至7125MHz之間。
如請求項1之天線結構，其中該第一輻射部係呈現一倒U字形。
如請求項1之天線結構，其中該第二輻射部包括一末端彎折部份。
如請求項6之天線結構，其中該第一輻射部和該第二輻射部之該末端彎折部份之間距係介於2.8mm至3.3mm之間。
如請求項1之天線結構，其中該第二輻射部之長度係介於該第四頻帶之0.15倍至0.17倍波長之間。
如請求項1之天線結構，其中該第三輻射部包括一第一較寬部份和一第一較窄部份，該第一較寬部份係耦接至該接地電位，而該第四輻射部係經由該第一較窄部份耦接至該第一較寬部份。
如請求項9之天線結構，其中該第一輻射部和該第三輻射部之該第一較寬部份之間距係介於2.8mm至3.3mm之間。
如請求項1之天線結構，其中該第四輻射部包括一末端加寬部份。
如請求項1之天線結構，其中該第三輻射部和該第四輻射部之組合係呈現一倒U字形。
如請求項1之天線結構，其中該第三輻射部和該第四輻射部之總長度係介於該第三頻帶之0.15倍至0.17倍波長之間。
如請求項1之天線結構，其中該第五輻射部係呈現一倒L字形。
如請求項9之天線結構，其中該第五輻射部包括一第二較寬部份和一第二較窄部份，而該第二較窄部份係經由該第二較寬部份耦接至該第三輻射部。
如請求項15之天線結構，其中該第五輻射部之該第二較窄部份和該第三輻射部之該第一較寬部份之間距係介於3.3mm至3.7mm之間。
如請求項1之天線結構，其中該第三輻射部和該第五輻射部之總長度係介於該第二頻帶之0.15倍至0.17倍波長之間。
一種電子裝置，包括：如請求項1所述之天線結構；以及一通訊模組，耦接至該天線結構，使得該電子裝置能支援無線通訊之功能。