TWI807788B

TWI807788B - 天線模組及其應用之通訊裝置

Info

Publication number: TWI807788B
Application number: TW111114730A
Authority: TW
Inventors: 陸瑞漢; 林紘濬
Original assignee: 國立高雄科技大學
Priority date: 2022-04-18
Filing date: 2022-04-18
Publication date: 2023-07-01
Also published as: TW202343886A

Abstract

天線模組包含一天線基板、一反射板及複數個連接部。天線基板包含一第一表面、相對於第一表面的一第二表面、一導電部、一天線陣列、及一饋線陣列。導電部位於第一表面，饋線陣列位於第二表面。天線陣列包含複數個槽孔天線。該些槽孔天線開設於導電部上。每一槽孔天線包含彼此交錯的二輻射段。饋線陣列包含複數個饋線。該些饋線對應於該些槽孔天線。反射板朝向第二表面。該些連接部對應於該些饋線，並位於第二表面及反射板之間。每一連接部連接於對應的饋線。

Description

天線模組及其應用之通訊裝置

本發明是關於通訊領域，尤其是關於天線模組及其應用之通訊裝置。

現在的生活中已有許多無線的通訊設備，且隨著對於高速無線訊號傳輸的需求不斷增長，逐漸開發出不同世代的通訊技術。在第五代行動通訊（5G）技術中，使用毫米波（mmWave）來進行高速率的無線訊號傳輸。在第五代行動通訊的協議中，規範毫米波的多個不同的頻段，例如n257頻段（26.5~29.5GHz（吉赫茲））及n258頻段（24.25~27.5GHz）等。

由於無線訊號容易受到雜訊干擾的影響，若通訊設備的天線模組僅支援單一頻段的通訊，且該頻段受到雜訊干擾時，可能造成該天線模組的無線訊號的通訊品質受到影響。再者，天線模組的結構設計也會影響無線訊號的通訊品質。

鑒於上述，本發明提供一種天線模組及其應用之通訊裝置。天線模組包含一天線基板、一反射板及複數個連接部。天線基板包含一第一表面、相對於第一表面的一第二表面、一導電部、一天線陣列、及一饋線陣列。導電部位於第一表面，饋線陣列位於第二表面。天線陣列包含複數個槽孔天線。該些槽孔天線開設於導電部上。每一槽孔天線包含彼此交錯的二輻射段。饋線陣列包含複數個饋線。該些饋線對應於該些槽孔天線。反射板朝向第二表面。該些連接部對應於該些饋線，並位於第二表面及反射板之間。每一連接部連接於對應的饋線。

通訊裝置包含一主體及三天線模組。主體包含一裝置基板及圍繞裝置基板的一邊框。邊框包含相對的一第一側壁、相對於第一側壁的一第二側壁、及連接於第一側壁與第二側壁之間的一第三側壁。三天線模組分別位於第一側壁、第二側壁及第三側壁。

綜上所述，依據一些實施例，本發明可以同時支援二個不同頻段的通訊，以避免天線模組及通訊裝置的通訊品質受到雜訊的影響。在一些實施例中，本發明可以使天線模組的無線訊號（例如輻射電磁波）在不同極化方向上互不干擾，且無線訊號在水平極化方向及垂直極化方向上皆具有較佳的增益，從而提升天線模組及通訊裝置的通訊品質。

在本文中，術語「第一」、「第二」、「第三」等等僅用於將一個元件、部件、區域、或部分與另一個元件、部件、區域、層或部分區分開，而非表示其必然的先後順序。此外，諸如「下」和「上」的相對術語可在本文中用於描述一個元件與另一元件的關係。應當理解的是，相對術語旨在包括除了圖中所示的方位之外的裝置的不同方位。例如，如果一個附圖中的裝置翻轉，則被描述為在其他元件的「下」側的元件將被定向在其他元件的「上」側。此僅表示相對的方位關係，而非絕對的方位關係。

參照圖1、圖2及圖3。圖1係為本發明一些實施例之天線模組10之立體示意圖。圖2係為本發明一些實施例之天線模組10之後視透視示意圖。圖3係為本發明一些實施例之天線模組10之俯視示意圖。天線模組10包含一天線基板20、一反射板30及複數個連接部40A~40D。天線基板20包含一第一表面21、相對於第一表面21的一第二表面23、一導電部25、一天線陣列27、及一饋線陣列29。天線陣列27用以發送（激發）及接收無線訊號（例如輻射電磁波）。饋線陣列29及連接部40A~40D用以進行通訊裝置（容後詳述）之收發模組與天線陣列27之間的訊號傳輸。反射板30用以將天線陣列27所激發的無線訊號限縮至單側方向。

如圖1所示，導電部25位於第一表面21。在一些實施例中，導電部25可以為金屬膜，且覆蓋天線基板20之本體的第一表面21。其中，金屬膜的材質可以是銅。在一些實施例中，天線基板20之本體可以是耐燃基板，例如FR-4基板。

如圖1所示，天線陣列27包含複數個槽孔天線271A~271D。雖然圖1繪示四個槽孔天線271A~271D，但本案並不限於此，槽孔天線的數量可以依據設計需求來設置。該些槽孔天線271A~271D開設於導電部25上。例如，該些槽孔天線271A~271D是分別透過將導電部25之一槽孔區域移除而形成。在一些實施例中，移除該槽孔區域的導電部25而不移除其下方的天線基板20的本體，以顯露出具有該槽孔區域之部分的天線基板20之本體。每一槽孔天線271A~271D包含彼此交錯的二輻射段51、53。在一些實施例中，每一輻射段51、53是將導電部25移除後所形成的凹槽。由於同一槽孔天線271A~271D的二輻射段51、53是交錯的，因此每一槽孔天線271A~271D的無線訊號在水平極化方向及垂直極化方向上皆具有較佳的增益，以提升天線模組10的通訊品質。

如圖2所示，饋線陣列29位於第二表面23。饋線陣列29包含複數個饋線291A~291D。該些饋線291A~291D分別一對一對應於該些槽孔天線271A~271D設置。例如，以饋線291A及槽孔天線271A進行說明，饋線291A的至少一部分垂直投影至第一表面21的區域與槽孔天線271A的至少一部分重疊。雖然圖2繪示四個饋線291A~291D，但本案並不限於此，饋線的數量是對應於槽孔天線的數量。在一些實施例中，每一饋線291A~291D是位於天線基板20之本體的第二表面23上的金屬層。其中，該金屬層的材料可以是銅，該金屬層的分布形狀可以呈一Y形。在一些實施例中，饋線291A~291D也可以是透過佈線方式，將金屬層鋪設於第二表面23而形成。在一些實施例中，每一饋線291A~291D之特徵阻抗可以是50歐姆（Ω）。在一些實施例中，每一饋線291A~291D之特徵阻抗是匹配於對應的槽孔天線271A~271D之負載阻抗。也就是說，槽孔天線271A~271D之負載阻抗相同於饋線291A~291D之特徵阻抗。

如圖2及圖3所示。反射板30朝向第二表面23。也就是說，對於天線模組10而言，第一表面21是外表面，第二表面23是內表面，反射板30位於天線基板20的內側（即鄰近第二表面23之一側）。如此，反射板30可以提升天線陣列27之無線訊號的指向性。該些連接部40A~40D分別一對一對應於該些饋線291A~291D。雖然圖2及圖3繪示四個連接部40A~40D，但本案並不限於此，連接部的數量是對應於饋線的數量。該些連接部40A~40D位於第二表面23及反射板30之間。每一連接部40A~40D（具體來說，連接部40A~40D之一端）連接於對應的饋線291A~291D。在一些實施例中，每一連接部40A~40D之自由端（即，連接部40A~40D之另一端，換言之即未連接饋線291A~291D的一端）具有一饋入點41，以供通訊裝置（容後詳述）之收發模組電性連接。如此，通訊裝置之收發模組可以透過饋入點41、連接部40A~40D及饋線291A~291D，激發槽孔天線271A~271D產生無線訊號。在一些實施例中，連接部40A~40D的材質可以是金屬材質，例如銅。

如圖1所示，在一些實施例中，相鄰的兩槽孔天線271A~271D之間保持一天線間隔距離，以避免相互干擾。在一些實施例中，槽孔天線271A~271D與天線基板20之本體的邊界（其包含短邊界22A及長邊界22B）之間具有一邊界距離，以避免受到雜訊的干擾。在一些實施例中，邊界距離的長度可以是相同於或是不同於天線間隔距離的長度。在一些實施例中，天線基板20之本體的短邊界22A的長度可以是8mm（毫米），天線基板20之本體的長邊界22B的長度可以是30mm。在一些實施例中，同一槽孔天線271A~271D的二輻射段51、53係分別位於不同的軸線上，並沿著軸線延伸，且各該軸線與天線基板20之本體的長邊界22B之間的夾角可以是銳角或鈍角，以確保槽孔天線271A~271D之無線訊號具有較佳的增益。在一實施例中，該夾角可以是45度。

如圖1及圖3所示，在一些實施例中，反射板30之尺寸可以相同於天線基板20之尺寸。具體來說，反射板30之本體的短邊界32A可以相同於天線基板20的短邊界22A，而反射板30之長邊界32B可以相同於天線基板20之長邊界22B。如此，反射板30可以將天線陣列27於某一側方向（例如第二表面23朝向反射板30的方向）的無線訊號皆反射至相對的另一側方向，以增強天線陣列27的無線訊號的輻射距離。然而，本發明並不限於此，反射板30之尺寸也可以大於或是小於天線基板20之尺寸。在一些實施例中，天線基板20及反射板30是朝同一方向延伸，且反射板30平行於天線基板20。在一些實施例中，與天線基板20相似地，反射板30也可以是耐燃板，例如FR-4板。在一些實施例中，反射板30的表面也可以是由金屬包覆，例如由銅包覆。在一些實施例中，第二表面23與反射板30之間具有一間隙，以容置連接部40A~40D。其中，間隙之長度可以是3mm。在一些實施例中，間隙之長度大於每一連接部40A~40D之長度。

參照圖1及圖4。圖4係為本發明一些實施例之天線基板20之示意圖。如圖1所示，在一些實施例中，槽孔天線以單維陣列排列。例如，每一槽孔天線271A~271D的二輻射段51、53之間的一交點55沿一直線L1排列。其中，直線L1平行於天線基板20的本體的長邊界22B。如圖4所示，在一些實施例中，槽孔天線也可以以二維陣列排列。例如，每一槽孔天線271A~271H的二輻射段51、53之間的交點55在第一維度上沿著直線L1A、L1B排列，每一槽孔天線271A~271H的二輻射段51、53之間的交點55在第二維度上沿著直線L2A~L2D排列。其中，直線L1A、L1B平行於天線基板20的本體的長邊界22B，直線L2A~L2D平行於天線基板20的本體的短邊界22A。如此，可以增強天線陣列27的無線訊號的訊號強度。

如圖1所示，在一些實施例中，每一槽孔天線271A~271D的二輻射段51、53彼此垂直，以進一步強化槽孔天線271A~271D的無線訊號在水平極化方向及垂直極化方向上的增益。

如圖1所示，在一些實施例中，每一槽孔天線271A~271D的二輻射段51、53（於後稱為第一輻射段51及第二輻射段53）分別具有不同的長度，以接收及激發不同頻段的無線訊號。例如，第一輻射段51用以激發第五代行動通訊的協議中所規範的n258頻段（24.25~27.5GHz），第二輻射段53用以激發第五代行動通訊的協議中所規範的n257頻段（26.5~29.5GHz）。在一些實施例中，第一輻射段51之長度為4.2mm，係為對應其激發頻率（例如26.47GHz）的0.37λ。第二輻射段53之長度為4mm，係為對應其激發頻率（例如28.47GHz）的0.37λ。如此，天線模組10可以同時支援二個不同的頻段的通訊。

如圖2所示，在一些實施例中，相鄰的兩饋線291A~291D之間保持一饋線間隔距離，以避免相互干擾。如圖2所示，在一些實施例中，每一饋線291A~291D包含一第一饋線段293、一第二饋線段295及一第三饋線段297。第一饋線段293、第二饋線段295及第三饋線段297相互連接。具體來說，第一饋線段293、第二饋線段295及第三饋線段297共接於一點299（於後稱為共接點299），並呈一Y形配置。如圖1、圖2及圖3所示，第一饋線段293從共接點299延伸出，且第一饋線段293之延伸方向係相同於第一輻射段51之延伸方向。第二饋線段295從共接點299延伸出，且第二饋線段295之延伸方向係相同於第二輻射段53之延伸方向。第三饋線段297沿著平行於天線基板20之本體的短邊界22A的方向，從共接點299延伸至天線基板20之本體的長邊界22B。其中，每一饋線291A~291D的第三饋線段297之延伸端298（即相對於共接點299之一端，換言之即延伸至天線基板20之本體的長邊界22B之一端）與對應的連接部40A~40D連接。其中，延伸端298位於天線基板20的底部。

如圖2所示，在一些實施例中，與槽孔天線相似地，饋線可以以單維陣列排列。例如，每一饋線291A~291D的第一饋線段293、第二饋線段295及第三饋線段297之間的共接點299沿一直線LY排列。其中，直線LY平行於天線基板20的本體的長邊界22B。

如圖2及圖3所示，在一些實施例中，相鄰的兩連接部40A~40D之間保持一連接部間隔距離，以避免相互干擾。在一些實施例中，連接部間隔距離、饋線間隔距離及天線間隔距離皆具有同一長度。在一些實施例中，與饋線相似地，連接部可以以單維陣列排列。例如，連接部40A~40D沿一直線LC排列。其中，直線LC平行於天線基板20的本體的長邊界22B。

在一些實施例中，由於第一饋線段293對應於第一輻射段51，第二饋線段295對應於第二輻射段53，且第一輻射段51及第二輻射段53分別具有不同的長度，因此為了使饋線291A~291D之特徵阻抗能匹配於槽孔天線271A~271D之負載阻抗，第一饋線段293及第二饋線段295分別具有不同的長度。在一些實施例中，第一饋線段293、第二饋線段295、第三饋線段297及連接部40A~40D分別具有不同的長度。舉例來說，為了使第一輻射段51在激發出第五代行動通訊的協議中所規範的n258頻段（24.25~27.5GHz）的無線訊號及第二輻射段53在激發出第五代行動通訊的協議中所規範的n257頻段（26.5~29.5GHz）的無線訊號時，天線陣列27與通訊裝置（容後詳述）之收發模組之間的訊號傳輸的功率可以最大化（即饋線291A~291D之特徵阻抗能匹配於槽孔天線271A~271D之負載阻抗），因此第一饋線段293的長度可以是2.6mm，第二饋線段295的長度可以是2.3mm，第三饋線段297的長度可以是1mm，且每一連接部40A~40D的長度可以是2.375mm。

參照圖5，係為本發明一些實施例之通訊裝置60之立體示意圖。通訊裝置60包含一主體61及三天線模組10（即第一天線模組10A、第二天線模組10B及第三天線模組10C）。通訊裝置60可以是提供有無線通訊功能的電子設備，例如行動裝置等。主體61包含一裝置基板62及圍繞裝置基板62的一邊框63。邊框63包含相對的一第一側壁631、相對於第一側壁631的一第二側壁632、及連接於第一側壁631與第二側壁632之間的一第三側壁633。在一些實施例中，邊框63還包含相對於第三側壁633的一第四側壁634。例如，第三側壁633是連接於第一側壁631之一端與第二側壁632之一端之間，第四側壁634是連接於第一側壁631之另一端與第二側壁632之另一端之間。在一些實施例中，第一側壁631、第二側壁632、第三側壁633及第四側壁634分別由裝置基板62的四側邊朝一垂直於裝置基板62的方向延伸出。三天線模組10分別位於第一側壁631、第二側壁632及第三側壁633。在一些實施例中，每一天線模組10偏置於對應的側壁的一側，使得每一天線模組10可與相鄰側壁上的天線模組10保持一適當距離。例如，如圖5所示，第一天線模組10A偏置於第一側壁631的左側，第二天線模組10B偏置於第二側壁632的右側，第三天線模組10C偏置於第三側壁633的左側。如此，三天線模組10之間的隔離度能夠得到改善，且較不會受到手握效應影響而改變天線特性。

在一些實施例中，通訊裝置60還包含至少一收發模組（圖未示）。收發模組位於裝置基板62，並電性連接通訊裝置60之三天線模組10之連接部40A~40D的饋入點41，以激發三天線模組10的天線陣列27產生無線訊號。

在一些實施例中，通訊裝置60還包含至少一匹配電路（圖未示）。匹配電路可以包含電容及電感。匹配電路位於裝置基板62，並電性連接通訊裝置60之三天線模組10的饋線陣列29的饋線291A~291D。匹配電路與饋線291A~291D相配合，以調解三天線模組10的天線陣列27的負載阻抗，從而使收發模組的阻抗與天線陣列27的負載阻抗匹配。

參照圖5及圖6。圖6係為本發明一些實施例之通訊裝置60之局部示意圖。為了方便說明，圖6僅繪示通訊裝置60之第一天線模組10A的部分結構。在一些實施例中，裝置基板62具有一頂表面621及一底表面622。頂表面621是指被邊框63圍繞的表面（內表面），底表面622是指相對於頂表面621的另一表面（外表面）。三天線模組10的天線基板20及反射板30皆立於頂表面621，且三天線模組10的天線基板20可以分別形成部分的對應的側壁。例如，第一天線模組10A的天線基板20可以形成部分的第一側壁631，第二天線模組10B的天線基板20可以形成部分的第二側壁632，第三天線模組10C的天線基板20可以形成部分的第三側壁633。在一些實施例中，三天線模組10的天線基板20的底部及反射板30的底部皆具有黏合層，並藉由黏合層穩固地立於頂表面621。

在一些實施例中，每一天線模組10還包含一輔助件（圖未示）。在一些實施例中，如圖3所示，反射板30包含一第三表面31及相對於第三表面31的一第四表面33。第三表面31朝向第二表面23。也就是說，對於天線模組10而言，第四表面33是外表面，第三表面31是內表面。輔助件抵頂反射板30的第四表面33，以輔助反射板30立於頂表面621。

如圖6所示，在一些實施例中，每一天線模組10（例如第一天線模組10A、第二天線模組10B或第三天線模組10C）還包含一接合件70。接合件70連接天線基板20的底部，以與天線基板20共同呈一L形配置。接合件70可以是由金屬材質形成，例如銅。接合件70還連接底表面622，以輔助天線模組10的天線基板20立於頂表面621。

如圖6所示，在一些實施例中，裝置基板62還具有一導電層623，位於底表面622並連接接合件70。導電層623可以是用以接地。在一些實施例中，導電層623可以為金屬膜，且大致覆蓋底表面622。其中，金屬膜的材質可以是銅。如圖6所示，在一些實施例中，通訊裝置60還包含複數個支撐部80，連接於底表面622，以將裝置基板62架高，並提升裝置基板62的散熱度及降低裝置基板62受到雜訊干擾的機會。

參照圖7，係為本發明一些實施例之通訊裝置60之俯視局部示意圖。為了方便說明，圖7僅繪示通訊裝置60之第一天線模組10A的部分結構。在一些實施例中，每一天線模組10（例如第一天線模組10A、第二天線模組10B或第三天線模組10C）的連接部40A~40D位於頂表面621。具體來說，連接部40A~40D可以是由裝置基板62的金屬層實現，且該金屬層可以是透過佈線方式而被鋪設於頂表面621。其中，該金屬層的材質可以是銅。

在一些實施例中，通訊裝置60除了具有三天線模組10之外，還可以具有其他種類的天線模組，以支援不同種類的通訊傳輸，例如藍芽通訊、紅外線通訊、無線熱點（Wi-Fi）通訊等等。

參照圖8、圖9及圖10。圖8係為本發明一些實施例之回波損耗的實驗數據示意圖。圖9係為本發明一些實施例之天線增益的實驗數據示意圖。圖10係為本發明一些實施例之天線效率的實驗數據示意圖。為了方便說明，圖8~圖10僅繪示對於第一天線模組10A進行回波損耗測試、天線增益測試及天線效率測試之後的實驗數據圖。Port A、B、C、D是指由不同的饋入點41，即例如圖3之由左至右的饋入點41的訊號。如圖8所示，可見回波損耗可以滿足第五代行動通訊的協議中的n258頻段及n257頻段的相關規範。如圖9所示，可見天線增益可以高達4dBi（Decibel isotropic）。如圖10所示，可見天線效率可以高達50%。

參照圖11A~圖11D及圖12A~圖12D。圖11A~圖11D係為本發明之比較例的二維天線場型的示意圖。圖12A~圖12D係為本發明一些實施例之二維天線場型的示意圖。圖11A~圖11D是僅對單一天線模組10的單一饋入點（例如，圖3之最左側的饋入點41）進行26.47GHz及28.47GHz的激發測試。圖12A~圖12D是對單一天線模組10的全部的饋入點（例如，圖3之由左至右的所有的饋入點41）進行26.47GHz及28.47GHz的激發測試。E _1θ是比較例的垂直極化天線增益，E _1φ是比較例的水平極化天線增益，E _1T是比較例的總天線增益。E _2θ是本案之實施例的垂直極化天線增益，E _2φ是本案之實施例的水平極化天線增益，E _2T是本案之實施例的總天線增益。相較於圖11A~圖11D，從圖12A~圖12D可見其較具有波束成型的趨勢。如此，可以提升所激發的無線訊號的指向性，及減少其對其他種類的無線訊號的干擾。

10:天線模組

20:天線基板

22A:短邊界

22B:長邊界

21:第一表面

23:第二表面

25:導電部

27:天線陣列

271A~271H:槽孔天線

51、53:輻射段

55:交點

L1:直線

L1A~L1B:直線

L2A~L2D:直線

29:饋線陣列

291A~291D:饋線

293:第一饋線段

295:第二饋線段

297:第三饋線段

298:延伸端

299:共接點

LY:直線

30:反射板

32A:短邊界

32B:長邊界

31:第三表面

33:第四表面

40A~40D:連接部

41:饋入點

LC:直線

60:通訊裝置

61:主體

62:裝置基板

621:頂表面

622:底表面

623:導電層

63:邊框

631:第一側壁

632:第二側壁

633:第三側壁

634:第四側壁

70:接合件

80:支撐部

10A:第一天線模組

10B:第二天線模組

10C:第三天線模組

PortA、PortB、PortC、PortD:饋入點的訊號

E _1θ:垂直極化天線增益

E _1φ:水平極化天線增益

E _1T:總天線增益

E _2θ:垂直極化天線增益

E _2φ:水平極化天線增益

E _2T:總天線增益

[圖1]係為本發明一些實施例之天線模組之立體示意圖。 [圖2]係為本發明一些實施例之天線模組之後視透視示意圖。 [圖3]係為本發明一些實施例之天線模組之俯視示意圖。 [圖4]係為本發明一些實施例之天線基板之示意圖。 [圖5]係為本發明一些實施例之通訊裝置之立體示意圖。 [圖6]係為本發明一些實施例之通訊裝置之局部示意圖。 [圖7]係為本發明一些實施例之通訊裝置之俯視局部示意圖。 [圖8]係為本發明一些實施例之回波損耗（Return loss）的實驗數據示意圖。 [圖9]係為本發明一些實施例之天線增益的實驗數據示意圖。 [圖10]係為本發明一些實施例之天線效率的實驗數據示意圖。 [圖11A~11D]係為本發明之比較例的二維天線場型的示意圖。 [圖12A~12D]係為本發明一些實施例之二維天線場型的示意圖。