TWI848578B - 天線結構及電子裝置 - Google Patents

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李勇廷
陳孟廉
謝智森
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Abstract

一種天線結構，包含導電單元及介電單元，導電單元設置於介電單元的表面並包含信號饋入點、接地饋入點、第一輻射部、第二輻射部、信號通孔及接地通孔。第一輻射部電性連接信號饋入點並具有第一操作頻率。第二輻射部具有第二操作頻率。信號通孔穿過介電單元，信號通孔的一端電性連接信號饋入點，信號通孔的另一端電性連接第二輻射部。接地通孔穿過介電單元，接地通孔的一端電性連接接地饋入點，接地通孔的另一端電性連接第二輻射部。藉此，有助實現天線結構的小型化。

Description

天線結構及電子裝置
本揭示內容是有關於一種天線結構及電子裝置，且特別是有關於具有多個操作頻率的天線結構及電子裝置。
在人類追求便利生活的驅動下，遂發展出多樣的無線通信系統，其分別具有多個操作頻帶。然而，在發展多樣的無線通信系統的同時，也意味著電子裝置及其天線結構的體積、成本及設計複雜度將對應地提高。
有鑑於此，如何降低應用於多個無線通信系統的電子裝置及其天線結構的體積、成本及設計複雜度，同時能夠滿足各無線通信系統的輻射特性要求，遂成為市場上所關心的議題。
本揭示內容提供一種天線結構及電子裝置，天線結構的導電單元包含第一輻射部、第二輻射部、信號通孔及接地通孔。通過第一輻射部及第二輻射部分別電性連接於信號通孔及接地通孔的二端，信號通孔及接地通孔的同一端連接第二輻射部，除可實現雙頻操作頻段，亦有助改善場型及達成天線小型化。
依據本揭示內容一實施方式提供一種天線結構，包含導電單元及介電單元，導電單元設置於介電單元的表面並包含信號饋入點、接地饋入點、第一輻射部、第二輻射部、信號通孔及接地通孔。接地饋入點鄰近信號饋入點。第一輻射部電性連接信號饋入點並具有第一操作頻率。第二輻射部具有第二操作頻率。信號通孔穿過介電單元，信號通孔的一端電性連接信號饋入點，信號通孔的另一端電性連接第二輻射部。接地通孔穿過介電單元，接地通孔的一端電性連接接地饋入點，接地通孔的另一端電性連接第二輻射部。
依據本揭示內容另一實施方式提供一種電子裝置，包含前述實施方式的天線結構及至少一射頻通信模組。射頻通信模組電性連接天線結構且具有第一操作頻率及第二操作頻率。
第1圖繪示本揭示內容第一實施例的天線結構100的立體圖，第2圖繪示第1圖中天線結構100的另一立體圖，且為清楚揭示，本揭示內容各圖式皆標示具有第一方向x、第二方向y及第三方向z的直角坐標系。請參照第1圖及第2圖，天線結構100包含導電單元107及介電單元108，導電單元107設置於介電單元108的表面，例如導電單元107為設置於介電單元108表面的金屬薄片，導電單元107包含信號饋入點(Feed Point)143、接地饋入點153、第一輻射部110、第二輻射部120、信號通孔145及接地通孔155。依據本揭示內容的實施例中，介電單元可為電路板、任意形狀或不規則形狀的介電元件(如塑膠元件)，且不以此為限。
第3圖繪示第1圖中天線結構100的前視圖，第4圖繪示第1圖中天線結構100的後視圖，第5圖繪示第1圖中天線結構100的俯視圖，第6圖繪示第1圖中天線結構100的側視圖，且第3圖至第6圖以虛線繪示視圖中被介電單元108遮擋的導電單元107。請參照第1圖至第6圖，接地饋入點153鄰近信號饋入點143。第一輻射部110電性連接信號饋入點143並具有第一操作頻率，第二輻射部120具有第二操作頻率。信號通孔145穿過介電單元108，信號通孔145的端146電性連接信號饋入點143，信號通孔145的端147電性連接第二輻射部120。接地通孔155穿過介電單元108，接地通孔155的端156電性連接接地饋入點153，接地通孔155的端157電性連接第二輻射部120。藉此，通過第一輻射部110及第二輻射部120分別電性連接於信號通孔145的二端146、147(或接地通孔155的二端156、157)，天線結構100為一種雙面耦合式平面倒F型天線(Planar Inverted-F antenna，簡稱PIFA)，除可實現雙頻操作頻段，亦有助改善場型及達成天線小型化。
詳細而言，請參照第2圖及第4圖，導電單元107可更包含接地支路(Stub)152，其電性連接於接地饋入點153及接地通孔155的端156之間，第一輻射部110及第二輻射部120中各者耦合接地支路152。藉此，有助天線結構100設計於有限空間中並改善場型。第一實施例中，天線結構100於第一方向x、第二方向y及第三方向z的長度分別約為10 mm、8mm及10 mm。
第一輻射部110可為帶狀(Strip-shaped)且包含信號饋入段111及第一輻射支路112，信號饋入段111電性連接於信號饋入點143及第一輻射支路112之間，且第一輻射支路112及接地支路152本質上平行。藉此，有助於設計及調整第一輻射部110與接地支路152之間的耦合效果。
導電單元107可更包含信號分支144、接地饋入段151及接地分支154。信號分支144電性連接於第一輻射支路112及信號通孔145的端146之間，接地饋入段151電性連接於接地饋入點153及接地支路152之間，接地分支154電性連接於接地支路152及接地通孔155的端156之間。藉此，通過信號饋入段111、信號分支144、接地分支154及接地饋入段151的設計，以及第一輻射部110與接地支路152之間的耦合，產生第一輻射部110的第一操作頻率。
信號饋入段111及信號分支144之間可以一信號夾角a4由第一輻射支路112朝向接地支路152延伸，信號夾角a4介於10度至60度，且信號饋入段111及信號分支144中至少信號分支144不垂直第一輻射支路112。接地饋入段151及接地分支154之間可以一接地夾角a5由接地支路152朝向第一輻射支路112延伸，接地夾角a5介於10度至60度，且接地饋入段151及接地分支154中至少接地分支154不垂直接地支路152。再者，信號夾角a4及接地夾角a5的差值介於0度至15度。藉此，通過信號饋入段111、信號分支144、接地分支154及接地饋入段151依序排列而成近似菱形或等腰三角形的形狀(如第2圖及第4圖所示)，以及第一輻射部110與接地支路152之間的耦合，產生第一輻射部110的第一操作頻率，且有助於第一操作頻率具有更寬的頻帶。再者，信號夾角a4及接地夾角a5中各者可介於20度至50度，信號夾角a4及接地夾角a5的差值可介於0度至5度，以利天線結構100以雷射直接成型製成時的模具考量，同時兼顧射頻特性要求。第一實施例中，第4圖所示的信號夾角a4為30度，接地夾角a5為30度，故信號夾角a4及接地夾角a5的差值為0度。
請參照第1圖、第3圖、第5圖及第6圖，導電單元107可更包含第三輻射部130。第三輻射部130電性連接信號通孔145的端147及接地通孔155的端157並具有第三操作頻率，第三輻射部130耦合接地支路152。第二輻射部120及第三輻射部130中各者為帶狀，且第二輻射部120及第三輻射部130分別由接地通孔155的端157的二相對位置(如第1圖及第3圖中端157上位於第一方向x的二端的位置)延伸並彎折。藉此，第一輻射部110及接地支路152皆位於天線結構100的一面，第二輻射部120及第三輻射部130皆位於天線結構100的相對一面，天線結構100可進一步達到三頻頻段，並利用接地支路152與第二輻射部120、第三輻射部130中各者相互耦合以改善場型。
請參照第1圖，第二輻射部120可包含垂直的二法線方向n21、n22，其中法線方向n21約平行第二方向y，且法線方向n22約平行第一方向x。第三輻射部130可包含垂直的二法線方向n31、n32，其中法線方向n31約平行第三方向z，且法線方向n32約平行第一方向x。藉此，天線結構100可為雷射直接成型(LDS)製成，以提升有限空間中的設計及製造便利性，並可降低生產成本及節省製作工時。
請參照第1圖及第2圖，第三輻射部130的長度可大於第二輻射部120的長度，第二輻射部120的長度可大於第一輻射部110的長度。進一步而言，第三操作頻率小於第二操作頻率，第二操作頻率小於第一操作頻率。第一實施例中，介電單元108的相對介電常數約為4。第一輻射部110由信號饋入點143與信號饋入段111的交界至第一輻射支路112沿第三方向z延伸的開放端的長度約為9 mm，第二輻射部120由接地通孔155的端157延伸至平行第三方向z及第一方向x形成的T字形路徑的長度介於22 mm至25 mm之間，第三輻射部130由接地通孔155的端157延伸至其開放端的長度約為26 mm。或者，第一輻射部110、第二輻射部120、第三輻射部130的長度比約為1：2：2.9。
第7圖繪示第1圖中天線結構100的頻率響應圖，具體上為天線結構100的S11(反射損失係數)示意圖。請參照第7圖，第一操作頻率、第二操作頻率及第三操作頻率分別約為5.2 GHz、2.4 GHz及1.5 GHz附近的頻帶，因此天線結構100可通過第一操作頻率、第二操作頻率及第三操作頻率分別用於WiFi 5G、WiFi 2.4G、GPS的無線通信系統。
請參照第1圖及第6圖，第二輻射部120的部份128位於第三輻射部130的部份138及接地通孔155的端157之間，且第二輻射部120的部份128及第三輻射部130的部份138的間距s23介於0.5 mm至0.7 mm。具體而言，第二輻射部120及第三輻射部130分別由接地通孔155的端157的二相對位置繞相反時針方向延伸並彎折，且第三輻射部130繞至第二輻射部120的外側。藉此，進一步地通過第三輻射部130與接地支路152的耦合，有助第三輻射部130於第三操作頻率的場型上半球朝上(即第1圖中第三方向z朝上的方向有較大的增益)，可滿足若干射頻通信系統(例如GPS系統)所需的頻帶及場型，並且能夠通過場型朝上方式來改善電子裝置中射頻通信模組的雜訊問題，以具有同時提升GPS信號強度及通過認證的優勢。此外，間距s23亦為調整匹配的重要元素。第一實施例中，第6圖所標示的間距s23為0.65 mm。
請參照以下表1，其表列天線結構100於GPS頻帶的輻射場型的上半球(即第1圖中第三方向z朝上的方向)增益，表1顯示依據本揭示內容的天線結構100由第三輻射部130所貢獻的輻射場型的上半球具有高增益，可滿足GPS等射頻通信系統的要求。 表1
頻率(GHz) 場型的上半球增益(dBi)
1.575 -5.64
1.580 -5.79
1.585 -5.86
1.590 -5.99
1.595 -6.13
1.600 -6.26
第8圖繪示本揭示內容第二實施例的電子裝置200的立體圖。請參照第8圖，電子裝置200可為智慧型手機(但不以此為限)並包含前述第一實施例的天線結構100及至少一射頻通信模組(圖未繪示)，射頻通信模組電性連接天線結構100且具有第一操作頻率及第二操作頻率。藉此，通過天線結構100可實現至少二個操作頻段，亦有助改善場型及達成天線小型化，以滿足電子裝置200的無線通信特性要求。
詳細而言，天線結構100可以雷射直接成型製成，天線結構100的介電單元108為電子裝置200的電路基板或機構元件，且介電單元108露出或不露出於電子裝置200的外表面。藉此，天線結構100利用雷射直接成型的設計爭取天線空間，介電單元108可為電子裝置200的主板的至少一部份(不露出於電子裝置200的外表面)，作為多路徑輻射體(Radiator)的導電單元107設置於介電單元108的表面，可降低生產成本及節省製作工時。再者，通過電子裝置200中的傳輸線及接地線分別電性連接天線結構100的信號饋入點143及接地饋入點153，使得包含第一輻射部110的菱形或等腰三角形路徑具有較高的第一操作頻率(例如WiFi 5G頻段)，短臂路徑的第二輻射部120具有中間的第二操作頻率(例如WiFi 2.4G頻段)，長臂路徑的第三輻射部130具有較低第三操作頻率(例如GPS頻段)。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此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。
100:天線結構
107:導電單元
108:介電單元
110:第一輻射部
111:信號饋入段
112:第一輻射支路
120:第二輻射部
128,138:部份
130:第三輻射部
143:信號饋入點
144:信號分支
145:信號通孔
146,147,156,157:端
151:接地饋入段
152:接地支路
153:接地饋入點
154:接地分支
155:接地通孔
200:電子裝置
a4:信號夾角
a5:接地夾角
n21,n22,n31,n32:法線方向
s23:間距
x:第一方向
y:第二方向
z:第三方向
第1圖繪示本揭示內容第一實施例的天線結構的立體圖； 第2圖繪示第1圖中天線結構的另一立體圖； 第3圖繪示第1圖中天線結構的前視圖； 第4圖繪示第1圖中天線結構的後視圖； 第5圖繪示第1圖中天線結構的俯視圖； 第6圖繪示第1圖中天線結構的側視圖； 第7圖繪示第1圖中天線結構的頻率響應圖；以及 第8圖繪示本揭示內容第二實施例的電子裝置的立體圖。
100:天線結構
107:導電單元
108:介電單元
110:第一輻射部
111:信號饋入段
112:第一輻射支路
143:信號饋入點
144:信號分支
145:信號通孔
146,156:端
151:接地饋入段
152:接地支路
153:接地饋入點
154:接地分支
155:接地通孔
x:第一方向
y:第二方向
z:第三方向

Claims (9)

  1. 一種天線結構，包含一導電單元及一介電單元，該導電單元設置於該介電單元的表面並包含：一信號饋入點；一接地饋入點，鄰近該信號饋入點；一第一輻射部，電性連接該信號饋入點並具有一第一操作頻率；一第二輻射部，具有一第二操作頻率；一信號通孔，穿過該介電單元，其中該信號通孔的一端電性連接該信號饋入點，該信號通孔的另一端電性連接該第二輻射部；一接地通孔，穿過該介電單元，其中該接地通孔的一端電性連接該接地饋入點，該接地通孔的另一端電性連接該第二輻射部；以及一接地支路，電性連接於該接地饋入點及該接地通孔的該端之間，其中該第一輻射部及該第二輻射部中各者耦合該接地支路。
  2. 如請求項1所述的天線結構，其中該第一輻射部為帶狀且包含一信號饋入段及一第一輻射支路，該信號饋入段電性連接於該信號饋入點及該第一輻射支路之間，且該第一輻射支路及該接地支路本質上平行。
  3. 如請求項2所述的天線結構，其中該導電單 元更包含：一信號分支，電性連接於該第一輻射支路及該信號通孔的該端之間；一接地饋入段，電性連接於該接地饋入點及該接地支路之間；以及一接地分支，電性連接於該接地支路及該接地通孔的該端之間。
  4. 如請求項3所述的天線結構，其中該信號饋入段及該信號分支之間以一信號夾角由該第一輻射支路朝向該接地支路延伸，該信號夾角介於10度至60度，且該信號饋入段及該信號分支中至少一者不垂直該第一輻射支路；其中，該接地饋入段及該接地分支之間以一接地夾角由該接地支路朝向該第一輻射支路延伸，該接地夾角介於10度至60度，且該接地饋入段及該接地分支中至少一者不垂直該接地支路；其中，該信號夾角及該接地夾角的差值介於0度至15度。
  5. 如請求項1所述的天線結構，其中該導電單元更包含：一第三輻射部，電性連接該信號通孔的該另一端及該接地通孔的該另一端並具有一第三操作頻率，其中該第三輻 射部耦合該接地支路；其中，該第二輻射部及該第三輻射部中各者為帶狀，且該第二輻射部及該第三輻射部分別由該接地通孔的該另一端的二相對位置延伸並彎折。
  6. 如請求項5所述的天線結構，其中該第二輻射部及該第三輻射部中各者包含垂直的二法線方向。
  7. 如請求項5所述的天線結構，其中該第三輻射部的長度大於該第二輻射部的長度，該第二輻射部的長度大於該第一輻射部的長度；其中，該第二輻射部的一部份位於該第三輻射部的一部份及該接地通孔的該另一端之間，且該第二輻射部的該部份及該第三輻射部的該部份的間距介於0.5mm至0.7mm。
  8. 一種電子裝置，包含：如請求項1所述的天線結構；以及至少一射頻通信模組，電性連接該天線結構且具有該第一操作頻率及該第二操作頻率。
  9. 如請求項8所述的電子裝置，其中該天線結構以雷射直接成型製成，該天線結構的該介電單元為該電子裝置的電路基板或機構元件，且該介電單元露出或不露 出於該電子裝置的外表面。
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