TWM648218U - 微型天線裝置 - Google Patents

Abstract

本案提供一種微型天線裝置，包含一介質基板、一超穎材料（metamaterial）輻射部、一耦合支路、一接地部以及一訊號源。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。超穎材料輻射部位於介質基板上且沿著第一短側邊、第一長側邊及第二短側邊設置，並在位於第一長側邊之超穎材料輻射部上設有複數叉指型電容結構。耦合支路位於介質基板上，耦合支路之一端連接第二長側邊且間隔沿著超穎材料輻射部設置。接地部係位於介質基板上且沿著第二長側邊設置。訊號源位於介質基板上且連接超穎材料輻射部及接地部，以收發一射頻訊號。

Description

微型天線裝置

本案係有關一種適用於2.4/5/6 GHz頻段之Wi-Fi 6E微型天線裝置。

由於高屏佔比、各種必需的電子元件及大電池，現有筆記型電腦內的天線設計非常有限，並且，隨著Wi-Fi 6E技術的發展，使6 GHz頻段中有額外的1200 MHz頻譜可供免許可使用，因此。天線設計除了覆蓋，Wi-Fi 6E技術的2.4 GHz及5 GHz頻段之外，還需要覆蓋6 GHz頻段。此些因素使現有筆記型電腦的天線設計極具挑戰性。

目前筆記型電腦使用之Wi-Fi 6E的天線設計都是基於傳統單極天線（monopole antenna）理論的工作原理，為了實現天線小型化，天線裝置通常採用集總元件的設計，但其卻會降低天線的整體效率，無法滿足現今之主流需求。

本案提供一種微型天線裝置，包含一介質基板、一超穎材料（metamaterial）輻射部、一耦合支路、一接地部以及一訊號源。介質基板係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。超穎材料輻射部位於介質基板上且沿著第一短側邊、第一長側邊及第二短側邊設置，且在位於第一長側邊之超穎材料輻射部上設有複數叉指型電容結構。耦合支路位於介質基板上，耦合支路之一端連接第二長側邊且間隔沿著超穎材料輻射部設置。接地部係位於介質基板上且沿著第二長側邊設置。訊號源位於介質基板上且連接超穎材料輻射部及接地部，以收發一射頻訊號。

綜上所述，本案係為一種微型天線裝置，其係利用超穎材料來作為天線之輻射部的結構設計，使微型天線裝置具有緊湊的結構輪廓和高天線輻射效率。因此，本案提出之微型天線裝置具有低姿勢（low-profile）及高度微型化的結構設計，並可在無使用集總元件的前提下，同時達到天線縮小化及提高整體天線輻射效率之功效。

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。

請參閱圖1所示，一微型天線裝置10係包含一介質基板12、一超穎材料（metamaterial）輻射部14、一耦合支路18、一接地部20以及一訊號源22。

如圖1所示，在微型天線裝置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則連接第一長側邊121及第二長側邊122的另一同側，此介質基板12可為硬板（例如FR4）或軟板（例如FPC），在一實施例中，介質基板12係為一厚度為0.8毫米的FR4基板，其相對電容率（介電常數）為4.4，損耗正切（loss tangent）為0.025。超穎材料（metamaterial）輻射部14係位於介質基板12上且沿著第一短側邊123、第一長側邊121及第二短側邊124設置，以呈現一ㄇ字形的平面迴圈結構，在位於第一長側邊121之超穎材料輻射部14上設有複數叉指型電容結構16，在此實施例係以三個叉指型電容結構16為例，但本案不以此為限。請同時參閱圖1及圖2所示，三個叉指型電容結構16都具有相同結構設計，每一叉指型電容結構16包含一彎折開槽161，貫穿超穎材料輻射部14，使彎折開槽161二側之超穎材料輻射部14邊緣分別形成複數第一金屬指162及複數第二金屬指163，且該些第一金屬指162與該些第二金屬指163係彼此交錯並排，其中每一彎折開槽161係具有相等的寬度，每一叉指型電容結構16係具有相同數量的第一金屬指162及第二金屬指163，在本實施例係以二個第一金屬指162及二個第二金屬指163為例，但本案不以此為限。

續如圖1所示，耦合支路18係位於介質基板12上，耦合支路18之一端連接介質基板12之第二長側邊122，另一端先朝第一長側邊121方向延伸並彎折再朝向第二短側邊124方向延伸，以間隔沿著超穎材料輻射部14設置，使超穎材料輻射部14與耦合支路18維持一間距，且在耦合支路18與超穎材料輻射部14之間係會產生一並聯電容。在一實施例中，此耦合支路18係為一L型金屬條，耦合支路18之長度係為操作頻率的0.20至0.25倍波長距離。接地部20係位於介質基板12上，接地部20之一端鄰近第二短側邊124，另一端朝向第一短側邊123方向延伸，以沿著第二長側邊122設置。訊號源22係位於介質基板12上，訊號源22之一端連接超穎材料輻射部14，另一端則連接至接地部20，以收發一射頻訊號。在一實施例中，訊號源22係透過一同軸傳輸線、一平板傳輸線或是前述二者結合之方式來連接至一電子裝置（圖中未示）之一系統通訊模組，以收發無線訊號。

請參閱圖3所示，微型天線裝置10係設置在電子裝置（圖中未示）之一顯示裝置的金屬邊框30上，其中，介質基板12之第二長側邊122係鄰接顯示裝置之金屬邊框30，使接地部20電性連接至金屬邊框30，超穎材料輻射部14之一端電性連接至金屬邊框30，耦合支路18之連接端亦電性連接至金屬邊框30。

在一實施例中，前述之電子裝置係為一行動電話、一個人數位助理、一平板電腦、一筆記型電腦等，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，如圖3所示，在此電子裝置係以一筆記型電腦為例，使微型天線裝置10之介質基板12及其上之各元件係鄰接在顯示裝置之金屬邊框30上。

在一實施例中，如圖1所示，耦合支路18以及接地部20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及圖2所示，在微型天線裝置10中，L型設計之耦合支路18係受超穎材料輻射部14耦合激發，以負責激發一第一操作模態，第一操作模態的中心頻率約在2.4 GHz，以藉由調整耦合支路18之尺寸（長度與寬度）及耦合支路18與超穎材料輻射部14之間的間距，即可調整第一操作模態之頻率與匹配。半波長迴圈設計之超穎材料輻射部14係負責激發一第三操作模態，其中心頻率分別在6.7 GHz。再輔以超穎材料輻射部14上之叉指型電容結構16設計，每一叉指型電容結構16可提供一串聯電容之作用，並配合超穎材料輻射部14本身線段的串電感作用以及耦合支路18與超穎材料輻射部14之間產生之並聯電容的作用，使超穎材料輻射部14可激發第二操作模態，其中心頻率約在5.6 GHz，以利用零磁導共振（mu-zero resonance，MZR）來涵蓋Wi-Fi 6E的5 GHz頻段範圍。由於第二操作模態之中心頻率約在5.6 GHz，第三操作模態之中心頻率約在6.7 GHz，故可涵蓋Wi-Fi 6E的5/6 GHz頻段範圍，並藉由調整超穎材料輻射部14之尺寸與搭配的叉指型電容結構16（包含彎折開槽161的寬度以及第一金屬指162及第二金屬指163的數量），即可調整第二操作模態及第三操作模態之頻率與匹配，並且第二操作模態又可與第三操作模態進一步合成為一寬頻範圍。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，在不增加天線尺寸之前提下，本案之微型天線裝置10之操作頻寬可以滿足Wi-Fi 6E（2.4/5/6 GHz，2400～2484/5150～5850/5925～7125 MHz）三頻段操作範圍。

本案提出之微型天線裝置10確實具有良好的反射係數（reflection coefficient）。請同時參閱圖1及圖4所示，在此微型天線裝置10中，位於介質基板12上的微型天線裝置10之長寬尺寸係為19.6 mm *5 mm，以此微型天線裝置10於射頻訊號傳輸時，來進行S參數（反射係數）的模擬分析。當微型天線裝置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4所示，由圖4所顯示的S參數曲線可知，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均小於-7.3 dB，證明在低頻操作頻段（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）均具有良好的阻抗匹配，可以滿足2400～2484 MHz、5150-5850 MHz以及5925～7125 MHz之WiFi 6E三頻段範圍。

再者，微型天線裝置10在2480 MHz的各平面2D場型示意圖係如圖5A、圖5B及圖5C所示，微型天線裝置10在5740 MHz的各平面2D場型示意圖係如圖6A、圖6B及圖6C所示，微型天線裝置10在6720 MHz的各平面2D場型示意圖係如圖7A、圖7B及圖7C所示，由這些圖式可知，微型天線裝置10在WiFi 6E操作的2.4/5/6 GHz頻段中，全電場的輻射場型是全向性的，表示在任何角度的表現皆相當良好。

綜上所述，本案係為一種微型天線裝置，其係利用負μ值（mu-negative）超穎材料（metamaterial，MTM）來作為天線之輻射部的結構設計，使微型天線裝置具有緊湊的結構輪廓和高天線輻射效率。因此，本案提出之微型天線裝置具有低姿勢（low-profile）及高度微型化的結構設計，並可在無使用集總元件的前提下，同時達到天線縮小化及提高整體天線輻射效率之功效。基此，本案之微型天線裝置可以有效支援2.4/5/6 GHz（2400～2484/5150～5850/5925～7125 MHz）之頻段，輕易滿足最新Wi-Fi 6E所需之頻寬需求。

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:微型天線裝置 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:超穎材料輻射部 16:叉指型電容結構 161:彎折開槽 162:第一金屬指 163:第二金屬指 18:耦合支路 20:接地部 22:訊號源 30:金屬邊框

圖1為根據本案一實施例之微型天線裝置的結構示意圖。 圖2為根據本案一實施例之微型天線裝置使用之超穎材料輻射部的結構示意圖。 圖3為根據本案一實施例之微型天線裝置安裝在顯示裝置上的結構示意圖。 圖4為根據本案一實施例之微型天線裝置於操作狀態下的S參數模擬示意圖。 圖5A為根據本案一實施例之微型天線裝置在2480 MHz下之x-y平面的2D場型示意圖。 圖5B為根據本案一實施例之微型天線裝置在2480 MHz下之x-z平面的2D場型示意圖。 圖5C為根據本案一實施例之微型天線裝置在2480 MHz下之y-z平面的2D場型示意圖。 圖6A為根據本案一實施例之微型天線裝置在5740 MHz下之x-y平面的2D場型示意圖。 圖6B為根據本案一實施例之微型天線裝置在5740 MHz下之x-z平面的2D場型示意圖。 圖6C為根據本案一實施例之微型天線裝置在5740 MHz下之y-z平面的2D場型示意圖。 圖7A為根據本案一實施例之微型天線裝置在6720 MHz下之x-y平面的2D場型示意圖。 圖7B為根據本案一實施例之微型天線裝置在6720 MHz下之x-z平面的2D場型示意圖。 圖7C為根據本案一實施例之微型天線裝置在6720 MHz下之y-z平面的2D場型示意圖。

10:微型天線裝置

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:超穎材料輻射部

16:叉指型電容結構

161:彎折開槽

162:第一金屬指

163:第二金屬指

18:耦合支路

20:接地部

22:訊號源

Claims (12)

1. 一種微型天線裝置，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； 一超穎材料（metamaterial）輻射部，位於該介質基板上且沿著該第一短側邊、該第一長側邊及該第二短側邊設置，在位於該第一長側邊之該超穎材料輻射部上設有複數叉指型電容結構； 一耦合支路，位於該介質基板上，該耦合支路之一端連接該第二長側邊且間隔沿著該超穎材料輻射部設置； 一接地部，位於該介質基板上且沿著該第二長側邊設置；以及 一訊號源，位於該介質基板上且連接該超穎材料輻射部及該接地部，以收發一射頻訊號。
2. 如請求項1所述之微型天線裝置，其中每一該叉指型電容結構包含：一彎折開槽，貫穿該超穎材料輻射部，使該彎折開槽二側之該超穎材料輻射部分別形成彼此交錯的複數第一金屬指及複數第二金屬指。
3. 如請求項2所述之微型天線裝置，其中該彎折開槽係具有等寬的間隙。
4. 如請求項2所述之微型天線裝置，其中每一該叉指型電容結構係具有相同數量的該第一金屬指及該第二金屬指。
5. 如請求項1所述之微型天線裝置，其中該耦合支路係為一L型金屬條。
6. 如請求項1所述之微型天線裝置，其中該耦合支路之長度係為操作頻率的0.20至0.25倍波長距離。
7. 如請求項1所述之微型天線裝置，其中該介質基板之該第二長側邊係鄰接一顯示裝置之一金屬邊框，使該接地部電性連接至該金屬邊框。
8. 如請求項7所述之微型天線裝置，其中該耦合支路之該端係電性連接該金屬邊框。
9. 如請求項7所述之微型天線裝置，其中該超穎材料輻射部之一端係電性連接至該金屬邊框。
10. 如請求項1所述之微型天線裝置，其中該耦合支路係可激發一第一操作模態，其中心頻率約在2.4 GHz。
11. 如請求項1所述之微型天線裝置，其中該超穎材料輻射部係可激發一第二操作模態及一第三操作模態，其中心頻率分別約在5.6 GHz及6.7 GHz。
12. 如請求項1所述之微型天線裝置，其中該訊號源係透過一同軸傳輸線、一平板傳輸線或是前述二者結合之方式來連接至一電子裝置之一系統通訊模組。

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