TWI823588B - 寬頻天線結構 - Google Patents

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TWI823588B
TWI823588B TW111136846A TW111136846A TWI823588B TW I823588 B TWI823588 B TW I823588B TW 111136846 A TW111136846 A TW 111136846A TW 111136846 A TW111136846 A TW 111136846A TW I823588 B TWI823588 B TW I823588B
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Abstract

本案提供一種寬頻天線結構，包含：第一輻射部位於介質基板上且靠近第一短側邊，並具有沿著第一長側邊設置之一第一彎折段；第二輻射部位於介質基板上且靠近第二短側邊，並具有沿著第一長側邊設置之一第二彎折段，且第一彎折段及第二彎折段係形成一開口；接地部位於介質基板上且沿著第二長側邊設置，接地部具有靠近第一短側邊之一第一側緣及另一端的一第二側緣，第一側緣連接第一輻射部；耦合部位於介質基板上，且位於第一輻射部及該接地部之間；第三輻射部之一側邊係設有一第一凸緣及一第二凸緣，第一凸緣連接第二側緣，第二凸緣連接第二輻射部，使第二輻射部、接地部及第三輻射部係形成一U形部；訊號源連接耦合部及接地部，以收發一射頻訊號。

Description

寬頻天線結構
本案係有關一種有效縮小天線尺寸來滿足窄邊框設計需求之寬頻天線結構。
傳統應用在筆記型電腦的天線設計，平面天線的面積尺寸通常為8mm*40mm(320mm2)或是10mm*30mm(300mm2)。然而，現今筆記型電腦多以高屏佔比的外觀設計為主，螢幕周邊的非螢幕寬度僅約4至6mm而已，天線可利用的空間大幅減少，使得傳統筆記型電腦之天線設計方式及其尺寸，已無法滿足當今之需求。
因此，如何設計同時滿足窄邊框、縮小化及寬頻天線，為當前天線設計之重點。
本案提供一種寬頻天線結構，包含一介質基板、一第一輻射部、一第二輻射部、一接地部、一耦合部、一第三輻射部以及一訊號源。介質基板係包含相對之一第一長側邊與一第二長側邊以及相對之一第一短側邊與一第二短側邊。第一輻射部位於介質基板上且靠近第一短側邊，第一輻射部具有至少一次彎折且沿著第一長側邊設置之一第一彎折段。第二輻射部位於介質基板上且靠近第二短側邊，第二輻射部具有 至少一次彎折且沿著第一長側邊設置之一第二彎折段，且第一彎折段及第二彎折段係形成一開口。接地部位於介質基板上且沿著第二長側邊設置，接地部具有靠近第一短側邊之一第一側緣及另一端的一第二側緣，第一側緣連接第一輻射部。耦合部位於介質基板上，且位於第一輻射部及該接地部之間。第三輻射部之一側邊係設有一第一凸緣及一第二凸緣，第一凸緣連接第二側緣，第二凸緣連接第二輻射部，使第二輻射部、接地部及第三輻射部係形成一U形部。訊號源位於介質基板上且連接耦合部及接地部，以收發一射頻訊號。
綜上所述，本案係為一種寬頻天線結構，其係利用三個輻射部及一耦合部的設計，增加天線共振模態，以在增加天線可操作頻寬之前提下，達到天線縮小化之目的。因此，本案係為一種同時滿足窄邊寬、縮小化及寬頻天線的天線結構設計，可以有效支援2.4/5/6GHz(2400~2500/5150~7125MHz)之頻段，輕易滿足最新Wi-Fi 6E所需之頻寬需求，對現今行動通訊裝置而言，相當具有實際應用性及競爭力。
10:寬頻天線結構
12:介質基板
121:第一長側邊
122:第二長側邊
123:第一短側邊
124:第二短側邊
14:第一輻射部
141:第一彎折段
16:第二輻射部
161:第二彎折段
162:第三彎折段
18:接地部
181:第一側緣
182:第二側緣
20:耦合部
201:本體
202:細長段
22:第三輻射部
221:第一凸緣
222:第二凸緣
24:訊號源
26:開口
28:U形部
30:電子裝置
301:金屬平面
302:機殼邊框
32:導體結構
D1:第一間距
D2:第二間距
L1:第一長度
L2:第二長度
L3:第三長度
L4:第四長度
L5:第五長度
L6:第六長度
圖1為根據本案一實施例之寬頻天線結構的立體示意圖。
圖2為根據本案一實施例之寬頻天線結構的結構示意圖。
圖3為根據本案一實施例之寬頻天線結構安裝在電子裝置上的結構示意圖。
圖4為根據本案另一實施例之寬頻天線結構安裝在電子裝置上的結 構示意圖。
圖5為根據本案圖4所示之寬頻天線結構安裝在電子裝置上的結構側視圖。
圖6為根據本案一實施例之寬頻天線結構於各操作狀態下的S參數模擬示意圖。
圖7為根據本案再一實施例之寬頻天線結構的結構示意圖。
圖8為根據本案圖7所示之寬頻天線結構於各操作狀態下的S參數模擬示意圖。
圖9為根據本案一實施例之寬頻天線結構改變第一長度(L1)於各操作狀態的S參數模擬示意圖。
圖10為根據本案一實施例之寬頻天線結構改變第二長度(L2)於各操作狀態的S參數模擬示意圖。
圖11為根據本案一實施例之寬頻天線結構改變第三長度(L3)於各操作狀態的S參數模擬示意圖。
圖12為根據本案一實施例之寬頻天線結構改變第四長度(L4)於各操作狀態的S參數模擬示意圖。
圖13為根據本案一實施例之寬頻天線結構改變第五長度(L5)於各操作狀態的S參數模擬示意圖。
圖14為根據本案一實施例之寬頻天線結構改變第六長度(L6)於各操作狀態的S參數模擬示意圖。
以下將配合相關圖式來說明本案的實施例。此外，實施例 中的圖式有省略部份元件或結構，以清楚顯示本案的技術特點。在這些圖式中，相同的標號表示相同或類似的元件或電路，必須瞭解的是，儘管術語“第一”、“第二”等在本文中可以用於描述各種元件、部件、區域或功能，但是這些元件、部件、區域及/或功能不應受這些術語的限制，這些術語僅用於將一個元件、部件、區域或功能與另一個元件、部件、區域或功能區隔開來。
請同時參閱圖1及圖2所示，一寬頻天線結構10係包含一介質基板12、一第一輻射部14、一第二輻射部16、一接地部18、一耦合部20、一第三輻射部22以及一訊號源24。
如圖1及圖2所示，在寬頻天線結構10中，介質基板12係包含相對之一第一長側邊121與一第二長側邊122以及相對之一第一短側邊123與一第二短側邊124，且第一短側邊123連接第一長側邊121及第二長側邊122之同一側，第二短側邊124連接第一長側邊121及第二長側邊122的另一同側。第一輻射部14係位於介質基板12上且靠近第一短側邊123，第一輻射部14具有至少一次彎折(朝向第二短側邊124之方向彎折)且沿著第一長側邊121設置之一第一彎折段141。第二輻射部16係位於介質基板12上且靠近第二短側邊124，第二輻射部16具有至少一次彎折(朝向第一短側邊123之方向彎折)且沿著第一長側邊121設置之一第二彎折段161，且第一彎折段141及第二彎折段161係形成一開口26。接地部18係位於介質基板12上、靠近第一短側邊123且沿著第二長側邊122設置，接地部18具有靠近第一短側邊123之一第一側緣181及另一端的一第二側緣182，使接地部 18透過第一側緣181連接第一輻射部14。耦合部20係位於介質基板12上，且位於第一輻射部14及接地部18之間，使耦合部20與第一輻射部14之間係具有一第一間距D1，且耦合部20與接地部18之間係具有一第二間距D2，以藉由調整第一間距D1及第二間距D2來調整射頻訊號耦合至寬頻天線結構10之耦合能量。在此實施例中，此耦合部20更包含一本體201及其一端朝向第二短側邊124延伸之一細長段202，使細長段202與第一輻射部14之第一彎折段141之間具有第一間距D1，本體201與接地部18之間具有第二間距D2。第三輻射部22之一側邊係設有一第一凸緣221及一第二凸緣222，第一凸緣221連接接地部18之第二側緣182，第二凸緣222連接第二輻射部16，使第二輻射部16、接地部18及第三輻射部22係共同形成一U形部28。訊號源24位於介質基板12上，訊號源24之一端連接耦合部20，另一端連接至接地部18，以利用同軸傳輸線或微帶傳輸線等訊號傳輸媒介來收發一射頻訊號。
在本實施例中，寬頻天線結構10之第三輻射部22的一部分係位於介質基板12上，其餘部分則延伸至介質基板12外面，也就是第一凸緣221連接接地部18之一部分以及第二凸緣222連接第二輻射部16的一部份係位於介質基板12上，其餘部分則向外延伸至介質基板12外面。請同時參閱圖1、圖2及圖3所示，第三輻射部22延伸至介質基板12外面的其餘部分係位於一電子裝置30內之一平面上，此平面係為一金屬平面301，且第三輻射部22之其餘部分係連接金屬平面301。在一實施例中，第三輻射部22之延伸長度係為一最低操作頻率之 0.25倍波長的長度。
在一實施例中，前述之電子裝置30係為一行動電話、一個人數位助理、平板電腦、筆記型電腦等，但本案不以此為限，任何具有行動通訊功能之攜帶型電子裝置皆涵蓋在本案之中。其中，在此電子裝置30係以一筆記型電腦為例，使寬頻天線結構10之介質基板12及其上之各元件係設置在電子裝置30的機殼邊框302上，延伸至介質基板12外部之第三輻射部22則位於金屬平面301上，使第三輻射部22連接金屬平面301，以確保寬頻天線結構10與周邊之金屬平面301接地的穩定性。第三輻射部22係為一般導電材料，例如銅箔、鋁箔或是導電布等可延伸至金屬平面301上且具有導電特性之材料。
再者，請同時參閱圖4及圖5所示，本案更可以利用一導體結構32，設置於電子裝置30之金屬平面301及第三輻射部22之間，且金屬平面301與第三輻射部22之間有空隙存在，此實施例係利用導體結構32連接第三輻射部22及金屬平面301，使第三輻射部22確實電性連接至金屬平面301。
在另一實施例中，第三輻射部22亦可以位於介質基板12上，此時介質基板12也可以延伸至第三輻射部22下方以承載第三輻射部22(圖中未示)。
在一實施例中，如圖1及圖2所示，第一輻射部14(包含第一彎折段141)、第二輻射部16(包含第二彎折段161)、接地部18及耦合部20(包含本體201及細長段202)等元件係由導電性金屬材料製成，例如銀、銅、鋁、鐵或是其合金等，但本案不以此為限。
請同時參閱圖1、圖2及圖6所示，在寬頻天線結構10中，第一輻射部14、接地部18、耦合部20及第三輻射部22係負責激發一第一操作模態，其中心頻率約在2.4GHz，以藉由調整第一輻射部14、接地部18、耦合部20及第三輻射部22之長度與寬度，即可調整第一操作模態之頻率與阻抗匹配。第二輻射部16、第三輻射部22及接地部18係負責激發一第二操作模態及一第三操作模態，其中心頻率分別在5.5GHz及7.5GHz，以藉由調整第二輻射部16、第三輻射部22及接地部18所形成之U形部28尺寸，即可調整第二操作模態及第三操作模態之頻率及阻抗匹配。因此，綜合前述之第一操作模態、第二操作模態及第三操作模態，本案之寬頻天線結構10之操作頻寬可以滿足Wi-Fi 6E(2.4/5/6GHz，2400-2500/5150-5850/5925-7125MHz)三頻段操作範圍。
本案提出之寬頻天線結構10確實具有良好的反射係數。請同時參閱圖1、圖2及圖6所示，在此寬頻天線結構10中，位於介質基板12上的寬頻天線結構10之尺寸係為3.6mm*25mm(90mm2)，第三輻射部22延伸至介質基板12外部之長度為30mm，寬度為16mm，以此寬頻天線結構10於射頻訊號傳輸時，來進行S參數(反射係數)的模擬分析。當寬頻天線結構10分別在低頻操作頻段及高頻操作頻段時，其S參數模擬結果分別如圖6所示，由圖6所顯示的曲線可知，在低頻操作頻段及高頻操作頻段時，於圖式上顯示的反射係數(S11)均小於-10dB(S11<-10dB)，證明在低頻操作頻段(第一操作模態)以及高頻操作頻段(第三操作模態及第三操作模態)均具有良好的反射 係數，可以滿足2400~2500MHz、5150-5850MHz以及5925~7125MHz之WiFi 6E三頻段。
在一實施例中，請參閱圖7所示，在此寬頻天線結構10中，第二輻射部16之一端部具有至少一次彎折(朝向第一短側邊123之方向彎折)且沿著第一長側邊121設置之一第二彎折段161，第二輻射部16之另一端部更具有一次彎折(朝向第一短側邊123之方向彎折)且沿著第二長側邊122設置之一第三彎折段162，第三彎折段162連接第三輻射部22之第二凸緣222，使第三彎折段162、接地部18及第三輻射部22係形成U形部28。除了第二輻射部16之外，其餘之元件及結構係與前述圖1及圖2所示之實施例相同，故可參考前述說明，在此不再贅述。
接續，本案係以圖7之寬頻天線結構10的實際尺寸為例，探討各元件之長度或寬度變化會對寬頻天線結構10之何種操作模態造成影響。請參閱圖7所示，第一輻射部14包含第一彎折段141之第一長度L1為17.7mm，第二輻射部16包含第二彎折段161之第二長度L2為7.7mm，第二輻射部16包含第三彎折段162之第三長度L3為5.7mm，耦合部20之細長段202的第四長度L4為4mm，第三輻射部22之第五長度L5為30mm，第三彎折段162與第二凸緣222構成之第六長度L6為2mm。以圖7所示之寬頻天線結構10的結構與尺寸在低頻操作頻段及高頻操作頻段分別進行S參數(反射係數)的模擬分析，其反射係數(S11)的模擬結果如圖8所示，由圖8所顯示的曲線可知，寬頻天線結構10在低頻操作頻段(第一操作模態)以及高頻操 作頻段(第二操作模態及第三操作模態)均具有良好的反射係數，以此操作表現為基準，來探討第一長度L1至第六長度L6的各元件長度變化會對寬頻天線結構10之操作模態造成何種影響。
請參閱圖7及圖9所示，圖7所示之第一長度L1原本為17.7mm，改變第一長度L1，使第一長度L1分別為17.7mm、15.7mm及16.7mm，以這三種長度分別在低頻操作頻段及高頻操作頻段分別進行S參數(反射係數)的模擬分析，其反射係數(S11)的模擬結果如圖9所示，由圖9所顯示的曲線可知，改變第一長度L1之長度可以改變低頻操作模態(第一操作模態)，也可以改變高頻操作模態(第二操作模態及第三操作模態)。因此，在寬頻天線結構10中，本案可以藉由調整第一輻射部14包含第一彎折段141之第一長度L1來調整第一操作模態、第二操作模態及第三操作模態之頻率。
請參閱圖7及圖10所示，圖7所示之第二長度L2原本為7.7mm，改變第二長度L2，使第二長度L2分別為7.7mm、5.7mm及6.7mm，以這三種長度分別在低頻操作頻段及高頻操作頻段分別進行S參數(反射係數)的模擬分析，其反射係數(S11)的模擬結果如圖10所示，由圖10所顯示的曲線可知，改變第二長度L2之長度可以改變高頻操作模態(第二操作模態及第三操作模態)。因此，在寬頻天線結構10中，本案可以藉由調整第二輻射部16包含第二彎折段161之第二長度L2來調整第二操作模態及第三操作模態之頻率。
請參閱圖7及圖11所示，圖7所示之第三長度L3原本為5.7mm，改變第三長度L3，使第三長度L3分別為5.7mm、3.7mm 及4.7mm，以這三種長度分別在低頻操作頻段及高頻操作頻段分別進行S參數(反射係數)的模擬分析，其反射係數(S11)的模擬結果如圖11所示，由圖11所顯示的曲線可知，改變第三長度L3之長度可以改變高頻操作模態(第二操作模態及第三操作模態)。因此，在寬頻天線結構10中，本案可以藉由調整第二輻射部16包含第三彎折段162之第三長度L3來調整第二操作模態及第三操作模態之頻率。
請參閱圖7及圖12所示，圖7所示之第四長度L4原本為4mm，改變第四長度L4，使第四長度L4分別為4mm、3mm及5mm，以這三種長度分別在低頻操作頻段及高頻操作頻段分別進行S參數(反射係數)的模擬分析，其反射係數(S11)的模擬結果如圖12所示，由圖12所顯示的曲線可知，改變第四長度L4之長度可以改變低頻操作模態(第一操作模態)，也可以改變高頻操作模態(第二操作模態及第三操作模態)。因此，在寬頻天線結構10中，本案可以藉由調整耦合部20之細長段202的第四長度L4來調整第一操作模態、第二操作模態及第三操作模態之頻率。
請參閱圖7及圖13所示，圖7所示之第五長度L5原本為30mm，改變第五長度L5，使第五長度L5分別為30mm、1mm及10mm，以這三種長度分別在低頻操作頻段及高頻操作頻段分別進行S參數(反射係數)的模擬分析，其反射係數(S11)的模擬結果如圖13所示，由圖13所顯示的曲線可知，改變第五長度L5之長度可以改變低頻操作模態(第一操作模態)，也可以改變高頻操作模態(第二操作模態及第三操作模態)。因此，在寬頻天線結構10中，本案可以藉由調 整第三輻射部22之第五長度L5來調整第一操作模態、第二操作模態及第三操作模態之頻率。
請參閱圖7及圖14所示，圖7所示之第六長度L6原本為2mm，改變第六長度L6，使第六長度L6分別為2mm、1mm及0mm，以這三種長度分別在低頻操作頻段及高頻操作頻段分別進行S參數(反射係數)的模擬分析，其反射係數(S11)的模擬結果如圖14所示，由圖14所顯示的曲線可知，改變第六長度L6之長度可以改變高頻操作模態(第二操作模態及第三操作模態)。因此，在寬頻天線結構10中，本案可以藉由調整第二輻射部16之第三彎折段162與第三輻射部22之第二凸緣222構成之第六長度L6來調整第二操作模態及第三操作模態之頻率。
因此，本案可以藉由調整第一長度L1、第四長度L4及第五長度L5來調整第一操作模態之頻率，並藉由調整第一長度L1、第二長度L2、第三長度L3、第四長度L4、第五長度L5及第六長度L6來調整第二操作模態及第三操作模態之頻率。此外，本案更可調整耦合部20與第一輻射部14之相對位置及間距，以有效降低天線最低操作頻率(第一操作模態)及調整阻抗匹配，進而達到天線縮小化之目的，同時再藉由調整由第一輻射部14、接地部18、第二輻射部16及第三輻射部22所形成之U形部28的尺寸，可有效調整第二操作模態與第三操作模態之頻率及阻抗匹配，達到寬頻特性。
綜上所述，本案係為一種寬頻天線結構，其係利用三個輻射部及一耦合部的設計，增加天線共振模態，以在增加天線可操作頻寬 之前提下，達到天線縮小化之目的。因此，本案係為一種同時滿足窄邊寬、縮小化及寬頻天線的天線結構設計，可以有效支援2.4/5/6GHz(2400~2500/5150~7125MHz)之頻段，輕易滿足最新Wi-Fi 6E所需之頻寬需求，對現今行動通訊裝置而言，相當具有實際應用性及競爭力。
以上所述的實施例僅係為說明本案的技術思想及特點，其目的在使熟悉此項技術者能夠瞭解本案的內容並據以實施，當不能以之限定本案的專利範圍，即大凡依本案所揭示的精神所作的均等變化或修飾，仍應涵蓋在本案的申請專利範圍內。
10:寬頻天線結構
12:介質基板
121:第一長側邊
122:第二長側邊
123:第一短側邊
124:第二短側邊
14:第一輻射部
141:第一彎折段
16:第二輻射部
161:第二彎折段
18:接地部
181:第一側緣
182:第二側緣
20:耦合部
201:本體
202:細長段
22:第三輻射部
221:第一凸緣
222:第二凸緣
24:訊號源
26:開口
28:U形部
D1:第一間距
D2:第二間距

Claims (10)

  1. 一種寬頻天線結構，包含：一介質基板，具有相對之一第一長側邊與一第二長側邊以及相對之一第一短側邊與一第二短側邊；一第一輻射部，位於該介質基板上且靠近該第一短側邊，該第一輻射部具有至少一次彎折且沿著該第一長側邊之一第一彎折段；一第二輻射部，位於該介質基板上且靠近該第二短側邊，該第二輻射部具有至少一次彎折且沿著該第一長側邊之一第二彎折段，且該第一彎折段及該第二彎折段係形成一開口；一接地部，位於該介質基板上且沿著該第二長側邊設置，該接地部具有靠近該第一短側邊之一第一側緣及另一端的一第二側緣，該第一側緣連接該第一輻射部；一耦合部，位於該介質基板上，且位於該第一輻射部及該接地部之間；一第三輻射部，其一側邊係設有一第一凸緣及一第二凸緣，該第一凸緣連接該第二側緣，該第二凸緣連接該第二輻射部，使該第二輻射部、該接地部及該第三輻射部係形成一U形部；以及一訊號源，位於該介質基板上且連接該耦合部及該接地部，以收發一射頻訊號。
  2. 如請求項1所述之寬頻天線結構，其中該第三輻射部之部分係位於該介質基板上，其餘部分則延伸至該介質基板外面。
  3. 如請求項2所述之寬頻天線結構，其中該第三輻射部延伸至該介質基板外面的該其餘部分係位於一電子裝置內之一平面上。
  4. 如請求項3所述之寬頻天線結構，其中該平面係為一金屬平面，且該其餘部分係連接該金屬平面。
  5. 如請求項1所述之寬頻天線結構，其中該第三輻射部之延伸長度係為一最低操作頻率之0.25倍波長的長度。
  6. 如請求項1所述之寬頻天線結構，其中該第一輻射部、該接地部、該耦合部及該第三輻射部係可激發一第一操作模態，其中心頻率約在2.4GHz。
  7. 如請求項6所述之寬頻天線結構，其中該第二輻射部、該第三輻射部及該接地部係可激發一第二操作模態及一第三操作模態，其中心頻率分別在5.5GHz及7.5GHz。
  8. 如請求項1所述之寬頻天線結構，其中該耦合部與該第一輻射部之間係具有一第一間距，且該耦合部與該接地部之間係具有一第二間距，以藉由調整該第一間距及該第二間距來調整該射頻訊號之耦合能量。
  9. 如請求項8所述之寬頻天線結構，其中該耦合部更包含一本體及其一端朝向該第二短側邊延伸之一細長段，使該細長段與該第一輻射部之間具有該第一間距，該本體與該接地部之間具有該第二間距。
  10. 如請求項1所述之寬頻天線結構，其中該第二輻射部更具有一次彎折且沿著該第二長側邊之一第三彎折段，該第三彎折段連 接該第二凸緣，使該第三彎折段、該接地部及該第三輻射部係形成該U形部。
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