TWI806309B - 天線裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明實施例提供一種天線裝置。天線裝置包括空腔元件、輻射元件及饋入元件。空腔元件包括開口。輻射元件位於開口內並設於一導體層。輻射元件的輪廓與開口形成環繞槽孔。假想矩形具有四邊分別抵靠環繞槽孔的外輪廓。饋入元件設於平行的另一導體層。饋入元件包括兩區段。一區段與輻射元件之間有耦合間距，以電場耦合饋入輻射元件。這區段的末端為開路。另一區段為饋入元件伸入開口的初始區段。這另一區段與假想矩形的中心線之間有偏離間距。

Description

天線裝置
本發明是有關於一種天線技術，且特別是有關於一種非窄頻天線裝置。
天線設計會影響天線的性能。而頻寬是天線性能的指標之一。為了達到非窄頻的需求，多數的天線架構較為複雜，不易設計。
本發明實施例的提供一種天線裝置。天線裝置包括(但不僅限於)空腔(cavity)元件、輻射元件及饋入元件。空腔元件包括開口。輻射元件位於開口內並設於一導體層。輻射元件的輪廓與開口形成環繞槽孔。環繞槽孔的外輪廓用以定義假想矩形，假想矩形具有四邊分別抵靠環繞槽孔的外輪廓。饋入元件設於平行的另一導體層。饋入元件包括兩區段。一區段與輻射元件之間有耦合間距，以電場耦合饋入輻射元件。這區段的末端為開路。另一區段為饋入元件伸入開口的初始區段。這另一區段與假想矩形的中心線之間有偏離間距。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A是依據本發明第一實施例的天線裝置1的立體圖，圖1B是依據本發明第一實施例的天線裝置1的俯視圖，且圖1C是依據本發明第一實施例的天線裝置1的側視圖。請參照圖1A至圖1C，天線裝置1包括空腔元件10-1、輻射元件30-1及饋入元件50-1。
空腔元件10-1為包括開口11-1的腔體。圖1A以長方形腔體為例，但其外型不以此為限。開口11-1為矩形。以圖1C的觀點(例如，Y-Z平面)而言，空腔元件10-1的頂側貼抵導體層M1，且空腔元件10-1的底側貼抵導體層M3。須說明的是，導體層M1、M2、M3平行於X-Y平面。導體層M2位於導體層M1及導體層M3之間。
輻射元件30-1可以是貼片(patch)或微帶、或其他輻射體。輻射元件30-1位於開口11-1內並設於導體層M1。輻射元件30-1的輪廓的幾何形狀相同於開口11-1。即，輻射元件30-1為矩形。以圖1B的觀點而言，輻射元件30-1的面積小於開口11-1的面積。此外，輻射元件30-1的輪廓與開口11-1形成環繞槽孔20-1(或稱槽孔-環(slot-ring))。
以圖1C的觀點而言，饋入元件50-1設於導體層M2。饋入元件50-1可以是微帶線（microstrip line）、短截線（stub）或其他傳輸導體。
以圖1B的觀點而言，饋入元件50-1包括(但不僅限於)區段51-1、52-1。區段51-1、52-1形成直條型短截線。
以圖1C的觀點而言，饋入元件50-1的部分位於輻射元件30-1下方。換句而言，區段51-1、52-1在導體層M2的垂直方向上投影至導體層M1的區域與輻射元件30-1部分重疊。例如，區段51-1整體位於輻射元件30-1正下方。區段51-1與輻射元件30-1之間有耦合間距CD1。藉此，饋入元件50-1可以電場耦合方式將無線電訊號饋入至或饋出至輻射元件30-1。區段51-1的末端511-1的為開路。
以圖1B的觀點而言，區段52-1為饋入元件50-1伸入開口11-1的初始區段。此外，區段52-1與假想矩形IR1的中心線CI1之間有偏離間距SI1。也就是說，饋入元件50-1並未置中饋入。值得注意的是，環繞槽孔20-1的外輪廓可用以定義假想矩形IR1，而假想矩形IR1是用於定義環繞槽孔20-1的中心線。假想矩形IR1具有四個邊(例如，相對邊S111、S112、S121、S122)，且這四個邊分別抵靠環繞槽孔20-1的外輪廓。假想矩形IR1是在X-Y平面上可涵蓋環繞槽孔20-1的外輪廓(即，開口S11-1的輪廓)的最小矩形。即，所有可涵蓋環繞槽孔20-1的外輪廓的矩形中的面積最小者。也就是說，假想矩形IR1投影在導體層M1的區域，其可涵蓋環繞槽孔20-1的外輪廓且為面積最小者。舉例來說，假設環繞槽孔20-1的外輪廓亦為矩形，則假想矩形IR1也會與環繞槽孔20-1外輪廓的矩形重合。假設環繞槽孔20-1的外輪廓亦為橢圓形，則假想矩形IR1的長邊與短邊的長度，也會等於此橢圓形的長軸與短軸的長度。
在一實施例中，以圖1B的觀點而言，假想矩形IR1包括兩相對邊S111、S112。中心線CL1形成於任一個相對邊S111、S112的中心。即，中心線CL1為相對邊S111、S112的中垂線。區段52-1由相對邊S111伸入開口11-1，且區段51-1的末端511-1未連接相對邊S112(即，形成開路)。在一實施例中，偏離間距SI1大於或等於相對邊S111、S112長度的十六分之一，以提供適當的非窄頻範圍。舉例來說，若將偏離間距SI1由相對邊S111、S112長度的十六分之一增加至四分之一甚至更大，天線裝置1提供的非窄頻範圍將可由雙頻寬範圍增加至寬頻範圍。
在一實施例中，以圖1B的觀點而言，環繞槽孔20-1的外輪廓至輻射元件30-1的外輪廓至的最短直線距離W可定義出環繞槽孔20-1的一個或複數個寬度。環繞槽孔20-1的一個或複數個寬度中最大者小於天線裝置1的無線電訊號的波長的一半。然，在其他實施例中，這環繞槽孔20-1的一個或複數個寬度中最大者也可能是四分之一的波長、八分之一的波長或是其他長度。
在一實施例中，以圖1B的觀點而言，假想矩形IR1更包括相對邊S121、S122。區段51-1的末端511-1未超出假想矩形IR1的中心線SCL1。這中心線SCL1形成於任一個相對邊S121、S122的中心。即，中心線SCL1為相對邊S121、S122的中垂線。在一實施例中，相對邊S111、S112的長度大於相對邊S121、S122的長度，也就是說，區段52-1可由假想矩形IR1的長邊（相對邊S111）伸入開口11-1，中心線CL1可為矩形IR1長邊的中垂線。
在另一實施例中，以圖1B的觀點而言，區段51-1的末端511-1可超出假想矩形IR1的中心線SCL1，但末端511-1仍是開路(即，未連接相對邊S112)。
此外，以圖1C的觀點而言，天線裝置1更包括接地部40-1。接地部40-1設於平行於導體層M1的導體層M3。此外，接地部40-1位於空腔元件10-1底側。在一實施例中，空腔元件10-1為導體，耦接至接地部40-1。在一實施例中，空腔元件10-1是由環繞輻射元件30-1的至少一導體壁（wall）所定義。在另一實施例中，空腔元件10-1是由環繞輻射元件30-1的複數個平行設置之導體穿孔（via）所定義；饋入元件50-1例如是用以傳輸無線電訊號，而複數個導體間的最短間距小於或等於無線電訊號的波長的二分之一，以提供可接受的訊號隔離效果。在一實施例中，複數個導體的最短間距小於或等於無線電訊號的波長的八分之一，以提供較佳的訊號隔離效果。
圖2A是依據本發明第二實施例的天線裝置2的俯視圖，且圖2B是依據本發明第二實施例的天線裝置2的側視圖。請參照圖2A及圖2B，天線裝置2包括空腔元件10-2、輻射元件30-2(設於導體層M1)及饋入元件50-2(設於導體層M2)。與第一實施例不同之處在於，輻射元件30-1的輪廓與開口11-2的幾何形狀為橢圓形。
相似地，輻射元件30-2的輪廓與開口11-2形成環繞槽孔20-2。饋入元件50-2與輻射元件30-2之間有耦合間距CD2。假想矩形的兩組相對邊S211、S212、S221、S222分別抵靠環繞槽孔20-2的外輪廓。區段52-2與假想矩形IR2的中心線CI2之間有偏離間距SI2。此外，饋入元件50-2的末端未超出假想矩形IR2的中心線SCL2。
圖3是依據本發明第三實施例的天線裝置3的俯視圖。天線裝置3包括空腔元件10-3、輻射元件30-3及饋入元件50-3。輻射元件30-3的輪廓與開口11-3形成環繞槽孔20-3。與第一及第二實施例不同之處在於，輻射元件30-3的輪廓的幾何形狀不同於空腔元件10-3的開口11-3。輻射元件30-3的輪廓的幾何形狀為矩形，但開口11-3為橢圓形。
圖4是依據本發明第四實施例的天線裝置4的俯視圖。請參照圖4，天線裝置4包括空腔元件10-4、輻射元件30-4及饋入元件50-4。輻射元件30-4的輪廓與開口11-4形成環繞槽孔20-4。與第一及第二實施例不同之處在於，輻射元件30-3的輪廓的幾何形狀不同於空腔元件10-4的開口11-4。輻射元件30-4的輪廓的幾何形狀為矩形，但開口11-4為橢圓形。
圖5A是依據本發明第五實施例的天線裝置5的俯視圖，且圖5B是依據本發明第五實施例的天線裝置5的側視圖。請參照圖5A及圖5B，天線裝置5包括空腔元件10-5、輻射元件30-5及饋入元件50-5。輻射元件30-5的輪廓與開口11-5形成環繞槽孔20-5。與第一及第二實施例不同之處在於，以圖5B的觀點而言，輻射元件30-5設於導體層M2。饋入元件50-5設於導體層M1。也就是說，輻射元件30-5所處的導體層M2位於饋入元件50-5所處的導體層M1及空腔元件10-5底側的導體層M3之間。此時，饋入元件50-5位於輻射元件30-5上方。
圖6A是依據本發明第六實施例的天線裝置6的俯視圖，且圖6B是依據本發明第六實施例的天線裝置6的側視圖。請參照圖6A及圖6B，天線裝置6包括空腔元件10-6、輻射元件30-6及饋入元件50-6。輻射元件30-6的輪廓與開口11-6形成環繞槽孔20-6。相似地，以圖6B的觀點而言，輻射元件30-6設於導體層M2。饋入元件50-6設於導體層M1。然而，與第五實施例不同之處在於，空腔元件10-6更包括開口延伸部60-6，開口延伸部60-6由開口11-6延伸至饋入元件50-6，並供饋入元件50-6容置。
值得注意的是，本發明實施例的空腔元件與輻射元件之間所形的環繞槽孔的設計，可產生兩個頻率接近的電場模態，進而達到非窄頻的效果。此外，本發明實施例的饋入元件為偏離饋入的設計，也有助於提升頻寬。
圖7是依據本發明第一實施例的天線裝置1的S參數圖。請參照圖7，曲線702、703、704的對應偏離間距不同，其中曲線702對應的偏離間距最短，且曲線704對應的偏離間距最長。以曲線703所示的頻寬為例，相對於置中饋入，也就是未有偏離間距的設計，頻寬大約會由3GHz提昇至11 GHz。因此若有偏離間距，則可明顯提升頻寬。
圖8A是依據本發明第七實施例的天線裝置7的俯視圖。請參照圖8A，天線裝置7包括空腔元件10-7、輻射元件30-7及饋入元件50-7。輻射元件30-7的輪廓與開口11-7形成環繞槽孔20-7。與第一實施例不同之處在於，偏離間距SI7大於偏離間距SI1。饋入元件50-7在導體層M2的垂直方向上投影至導體層M1的區域與輻射元件30-7未重疊，使得饋入元件50-7外露。在一實施例中，饋入元件50-7在導體層M2的垂直方向上投影至導體層M1的區域與輻射元件30-7部份重疊，使得饋入元件50-7部份外露。
圖8B是依據本發明第七實施例的天線裝置7的S參數圖。請參照圖8B，與圖7相比，曲線801所示的頻寬仍大於置中饋入。由此可知，應用者可依據需求調整偏離間距的長度，以達到所欲的頻寬。
圖9A是依據本發明第八實施例的天線裝置8的俯視圖。請參照圖9A，天線裝置8包括空腔元件10-8、輻射元件30-8及饋入元件50-8。輻射元件30-8的輪廓與開口11-8形成環繞槽孔20-8。與第一實施例不同之處在於，饋入元件形成L型短截線(其末端朝環繞槽孔20-8中心線(以軸X為例)延伸)。此外，饋入元件50-8在導體層M2的垂直方向上投影至導體層M1的區域與輻射元件30-8未重疊，使得饋入元件50-8外露。
圖9B是依據本發明第八實施例的天線裝置8的S參數圖。請參照圖9B，所量測出的曲線901形成較明顯的兩個低點，以提供大於置中饋入的頻寬。
圖10A是依據本發明第九實施例的天線裝置9的俯視圖。請參照圖10A，天線裝置9包括空腔元件10-9、輻射元件30-9及饋入元件50-9。輻射元件30-9的輪廓與開口11-9形成環繞槽孔20-9。與第一實施例不同之處在於，饋入元件形成L型短截線(其末端朝遠離環繞槽孔20-9中心線(以軸X為例)的方向延伸)。此外，饋入元件50-9在導體層M2的垂直方向上投影至導體層M1的區域與輻射元件30-9未重疊，使得饋入元件50-9外露。
圖10B是依據本發明第九實施例的天線裝置9的S參數圖。請參照圖10B，所量測出的曲線1001形成較明顯的兩個低點，以提供大於置中饋入的頻寬。
圖11A是依據本發明第十實施例的天線裝置10的俯視圖。請參照圖11A，天線裝置10包括空腔元件10-10、輻射元件30-10及饋入元件50-10。輻射元件30-10的輪廓與開口11-10形成環繞槽孔20-10。與第一實施例不同之處在於，饋入元件形成T型短截線(其兩個末端分別朝接近及遠離環繞槽孔20-10中心線(以軸X為例)的方向延伸)。此外，饋入元件50-10在導體層M2的垂直方向上投影至導體層M1的區域與輻射元件30-10未重疊，使得饋入元件50-10外露。
圖11B是依據本發明第十實施例的天線裝置10的S參數圖。請參照圖11B，所量測出的曲線1101形成較明顯的兩個低點，以提供大於置中饋入的頻寬。
值得注意的是，前述實施例的饋入元件、輻射元件及開口的輪廓皆為幾何形狀。然，他們的形狀仍可能有其他變化。圖12是依據本發明第十一實施例的天線裝置11的俯視圖。請參照圖12，天線裝置11包括空腔元件10-11、輻射元件30-11及饋入元件50-11。輻射元件30-11的輪廓與開口11-11形成環繞槽孔20-11。與前述實施例不同之處在於，輻射元件30-11、饋入元件50-11及開口11-11的輪廓皆為不規則形狀。無論如何，饋入元件50-11的初始區段仍與涵蓋環繞槽孔20-11的假想矩形IR11的中心線CL11之間有偏離間距SI11。因此，相較於置中饋入的天線設計，第十一實施例可提供較大的頻寬。
綜上所述，在本發明實施例的天線裝置中，在空腔元件及輻射元件之間形成環繞槽孔，饋入元件以電場耦合方式饋入並與假想矩形的中心線之間有偏離間距(即，偏離饋入)。因此，本發明實施例的天線設計所用的參數較為單純且易於最佳化。本發明實施例可提升頻寬，進而達到非窄頻的效果（例如是雙頻寬範圍、多頻寬範圍、或寬頻範圍）。此外，本發明實施例較不易受周遭元件影響，且天線元件之間的隔離度高。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
1~11:天線裝置 10-1~10-11:空腔元件 30-1~30-11:輻射元件 50-1~50-11:饋入元件 11-1~11-11:開口 60-6:開口延伸部 X、Y、Z:軸 M1~M3:層 20-1~20-11:環繞槽孔 51-1、52-1:區段 511-1:末端 CD1、CD2:耦合間距 IR1~IR11:假想矩形 S111、S112、S121、S122、S211、S212、S221、S222:相對邊 CL1~CL11、SCL1、SCL2:中心線 W:最短直線距離 40-1:接地部 701~704、801、901、1001、1101:曲線
圖1A是依據本發明第一實施例的天線裝置的立體圖。 圖1B是依據本發明第一實施例的天線裝置的俯視圖。 圖1C是依據本發明第一實施例的天線裝置的側視圖。 圖2A是依據本發明第二實施例的天線裝置的俯視圖。 圖2B是依據本發明第二實施例的天線裝置的側視圖。 圖3是依據本發明第三實施例的天線裝置的俯視圖。 圖4是依據本發明第四實施例的天線裝置的俯視圖。 圖5A是依據本發明第五實施例的天線裝置的俯視圖。 圖5B是依據本發明第五實施例的天線裝置的側視圖。 圖6A是依據本發明第六實施例的天線裝置的俯視圖。 圖6B是依據本發明第六實施例的天線裝置的側視圖。 圖7是依據本發明第一實施例的天線裝置的S參數圖。 圖8A是依據本發明第七實施例的天線裝置的俯視圖。 圖8B是依據本發明第七實施例的天線裝置的S參數圖。 圖9A是依據本發明第八實施例的天線裝置的俯視圖。 圖9B是依據本發明第八實施例的天線裝置的S參數圖。 圖10A是依據本發明第九實施例的天線裝置的俯視圖。 圖10B是依據本發明第九實施例的天線裝置的S參數圖。 圖11A是依據本發明第十實施例的天線裝置的俯視圖。 圖11B是依據本發明第十實施例的天線裝置的S參數圖。 圖12是依據本發明第十一實施例的天線裝置的俯視圖。
1:天線裝置
10-1:空腔元件
30-1:輻射元件
50-1:饋入元件
11-1:開口
X、Y、Z:軸
20-1:環繞槽孔

Claims (20)

  1. 一種天線裝置，包括： 一空腔(cavity)元件，包括一開口； 一輻射元件，位於該開口內並設於一第一導體層，該輻射元件的輪廓與該開口形成一環繞槽孔，其中該環繞槽孔的外輪廓用以定義一假想矩形，該假想矩形具有四邊分別抵靠該環繞槽孔的外輪廓；以及 一饋入元件，設於平行於該第一導體層的一第二導體層，並包括： 一第一區段，與該輻射元件之間有一耦合間距，以電場耦合饋入至該輻射元件，且其一末端為開路；以及 一第二區段，為該饋入元件伸入該開口的初始區段，並與該假想矩形的一第一中心線之間有一偏離間距。
  2. 如請求項1所述的天線裝置，其中該假想矩形包括二第一相對邊，該第一中心線形成於任一該第一相對邊的中心，該第二區段由該二第一相對邊的一者伸入，且該第一區段的該末端未連接該二第一相對邊的另一者。
  3. 如請求項2所述的天線裝置，其中該偏離間距大於或等於該第一相對邊長度的十六分之一。
  4. 如請求項2所述的天線裝置，其中該假想矩形更包括二第二相對邊，該第一區段的該末端未超出該假想矩形的一第二中心線，其中該第二中心線形成於任一該第二相對邊的中心。
  5. 如請求項4所述的天線裝置，其中該第一相對邊的長度大於或等於該第二相對邊的長度。
  6. 如請求項4所述的天線裝置，其中該第一區段及該第二區段形成一直條型。
  7. 如請求項6所述的天線裝置，其中該饋入元件在該第二導體層的垂直方向上投影至該第一導體層的區域與該輻射元件部分重疊。
  8. 如請求項6所述的天線裝置，其中該饋入元件在該第二導體層的垂直方向上投影至該第一導體層的區域與該輻射元件未重疊。
  9. 如請求項4所述的天線裝置，其中該饋入元件形成一L型或一T型，且該饋入元件在該第二導體層的垂直方向上投影至該第一導體層的區域未與該輻射元件重疊。
  10. 如請求項1所述的天線裝置，其中該環繞槽孔的外輪廓至該輻射元件的外輪廓至的最短直線距離用以定義該環繞槽孔的一個或複數個寬度，該寬度或該等複數個寬度中最大者小於該天線裝置的無線電訊號的波長的一半。
  11. 如請求項1所述的天線裝置，其中該輻射元件的輪廓的幾何形狀相同於該開口。
  12. 如請求項1所述的天線裝置，其中該輻射元件的輪廓的幾何形狀不同於該開口。
  13. 如請求項1所述的天線裝置，更包括： 一接地部，設於平行於該第一導體層的一第三導體層，並位於該空腔元件底側。
  14. 如請求項13所述的天線裝置，其中該第二導體層位於該第一導體層及該第三導體層之間。
  15. 如請求項13所述的天線裝置，其中該第一導體層位於該第二導體層及該第三導體層之間。
  16. 如請求項13所述的天線裝置，其中該空腔元件為導體，耦接至該接地部。
  17. 如請求項1所述的天線裝置，其中該輻射元件為一貼片。
  18. 如請求項1所述的天線裝置，其中該空腔元件是由環繞該輻射元件的至少一導體壁所定義。
  19. 如請求項1所述的天線裝置，其中該空腔元件是由環繞該輻射元件的複數個平行設置之導體穿孔所定義。
  20. 如請求項19所述的天線裝置，其中該饋入元件用以傳輸一無線電訊號，該複數個導體間的最短間距小於或等於該無線電訊號的波長的二分之一。
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