TWI481121B - 天線結構及其相關無線通訊裝置 - Google Patents

Description

天線結構及其相關無線通訊裝置

本發明係有關於天線結構及其相關無線通訊裝置，尤指一種另外設置一L型的接地元件來降低大面積的金屬面之耦合效應的天線結構及其相關無線通訊裝置。

隨著無線通訊的蓬勃發展以及行動通訊產品微型化之趨勢，天線的擺設位置與空間受到壓縮，相對地造成設計上的困難，一些內嵌式的微型天線因而被提出。一般而言，目前較普遍所使用的微型天線有晶片天線(chip antenna)以及平面式天線(planar antenna)等，這類型天線均具有體積小之特點。

平面式天線結構因為具備體積小、重量輕、製作容易、價格低廉、可信度高，同時可附著於任何物體之表面上，使得微帶天線與印刷式天線被大量應用於無線通訊系統中。像是利用微帶線饋入之單極天線(monopole antenna)或者偶極天線(dipole antenna)以供符合第三代行動通訊(Third Generation，3G)規格的收發器使用，而這些天線被廣範地應用於GSM、DCS、UMTS、WLAN與藍芽等無線終端設備，例如行動電話、筆記型電腦、無線區域網路等等。

由於目前的無線通訊產品(例如筆記型電腦)的殼體通常是由金屬材質(例如鋁鎂合金等)所構成，然而大面積的金屬面卻會影響到單極天線的收發訊號品質，使得天線在阻抗匹配上較困難。因此，如何縮小天線尺寸、增進天線效能、改善輻射場型及增加天線頻寬，即成為天線設計領域的重要課題。

因此，本發明的目的之一在於提出一種可降低大面積的金屬面之耦合效應的天線結構及其相關無線通訊裝置，以解決上述之問題。

本發明係揭露一種天線結構，其包含一輻射元件、一接地元件以及一饋入接點。該輻射元件具有一第一區段及一第二區段耦接於該第一區段。該接地元件具有一第三區段及一第四區段耦接於該第三區段，且該第三區段係大致上平行於該第一區段。該饋入接點係耦接於該輻射元件之該第二區段與該接地元件之該第四區段之間。

於一實施例中，該輻射元件之該第一區段與該接地元件之該第三區段係朝同一方向延伸。

於一實施例中，該輻射元件之該第一區段與該接地元件之該第三區段係朝不同方向延伸。

於一實施例中，該接地元件之該第三區段與該第四區段的交接處形成一直角、一斜角或者一圓弧。

本發明係揭露一種無線通訊裝置，其包含一殼體以及一天線結構。該天線結構係設置於該殼體中且與平行於該殼體之一第一面，該天線結構包含一輻射元件、一接地元件以及一饋入接點。該輻射元件具有一第一區段及一第二區段耦接於該第一區段。該接地元件具有一第三區段及一第四區段耦接於該第三區段，且該第三區段係大致上平行於該第一區段。該饋入接點係耦接於該輻射元件之該第二區段與該接地元件之該第四區段之間。

於一實施例中，該無線通訊裝置係為一筆記型電腦(notebook computer)。

請參考第1圖，第1圖為本發明天線結構之第一實施例的示意圖。天線結構100包含一輻射元件110、一接地元件120以及一饋入接點140。輻射元件110具有一第一區段112及一第二區段114耦接於第一區段112，且第一區段112未平行於第二區段114，兩者之交接處具有一夾角θ₁ 。接地元件120具有一第三區段122及一第四區段124耦接於第三區段122，第三區段122未平行於第四區段124，兩者之交接處具有一夾角θ₂ ，且接地元件120之第三區段122係大致上平行於輻射元件110之第一區段112，此外，饋入接點140係耦接於輻射元件110之第二區段114與接地元件120之第四區段124之間。

請繼續參考第1圖，呈L型之輻射元件100之第一區段112與第二區段114係各為一細長之長方形，其電流I₁ 在第一區段112之方向如圖中箭頭所示；同理，呈L型之接地元件120之第三區段122與第四區段124係各為一細長之長方形，其電流I₂ 在第三區段122之方向亦如圖中箭頭所示。由於接地元件120之第三區段122係大致上平行於輻射元件110之第一區段112，可以調整電流I₂ 之方向，使其大致上平行於電流I₁ 之方向，如此一來，可以改變天線結構的阻抗匹配以及輻射場型，使其達到調整能量朝上方(亦即＋Z軸)之目的，且不受到大面積之接地面的影響。通常，天線結構100係設置於一無線通訊裝置之殼體上，例如一筆記型電腦，假設筆記型電腦之殼體係由一導電材質所構成，例如鋁鎂合金板材，則該殼體會影響到天線結構100之效能。由於本發明將接地元件120之第三區段122設計成一細長之長方形，可以減低該殼體對於天線結構100的效能之影響。此外，接地元件120之第三區段122的長度L₃ 應視該殼體對於輻射元件110的效應來決定，接地元件120之第三區段122的長度L₃ 可設計成大於輻射元件110之第一區段112的長度L₁ (亦即L₃ >L₁ )。

於本實施例中，輻射元件110之第一區段112與接地元件120之第三區段122係朝同一方向延伸(亦即如第1圖中的＋Y軸方向)，但本發明並不侷限於此。此外，輻射元件110係用來共振出一3G系統之操作頻段，例如GPS的操作頻帶1570~1580MHz，其長度L₁ 係為天線結構100所產生之一共振模態之訊號波長的四分之一(λ/4)，但並非本發明的限制條件，亦可擴充應用於其他種類的無線通訊系統上。

請注意，於本實施例中，呈L型之輻射元件110之第一區段112與第二區段114係各為一細長之長方形，但這並非本發明之限制條件，熟知此項技藝者應可了解，輻射元件110之各種變化皆是可行的，亦即，在符合本發明所揭露之天線結構的設計準則之下，輻射元件110之外觀形狀可依據設計需求來加以適當變化。請再注意，於本實施例中，夾角θ₁ 、θ₂ 皆為直角(亦即θ₁ ＝θ₂ ＝90°)。當然，第1圖所示之天線結構100僅為本發明之一實施例，而本領域具通常知識者當可據以做適當之變化。接下來，舉幾個實施例來說明天線結構100之各種設計變化。

請參考第2圖，第2圖為本發明天線結構之第二實施例的示意圖，其係為第1圖所示之天線結構100之一變化實施例。於第2圖中，天線結構200之架構與第1圖之天線結構100類似，係為天線結構100之變形，兩者不同之處在於天線結構200所包含之一接地元件220的一第三區段222與一第四區段224的交接處形成一斜角，亦即夾角θ₃ 並非90度(於本實施例中，θ₃ 係小於90度)。

請參考第3圖，第3圖為本發明天線結構之第三實施例的示意圖，其係為第1圖所示之天線結構100之一變化實施例。於第3圖中，天線結構300之架構與第1圖之天線結構100類似，係為天線結構100之變形，兩者不同之處在於天線結構300所包含之一接地元件320的一第三區段322與一第四區段324的交接處形成一弧形，亦即夾角θ₄ 為一弧角。

請參考第4圖，第4圖為本發明天線結構之第四實施例的示意圖。於第4圖中，天線結構400之架構與第1圖之天線結構100類似，兩者不同之處在於天線結構400所包含之一接地元件420的一第三區段422與輻射元件110之第一區段112係朝不同方向延伸，其中，接地元件420的第三區段422係朝－Y軸的方向延伸，而輻射元件110之第一區段112係朝＋Y軸的方向延伸。此外，輻射元件100的電流I₁₁ 在第一區段112以及接地元件420的電流I₂₂ 在第三區段422之方向如圖中箭頭所示，由第4圖可知，由於接地元件420之第三區段422係大致上平行於輻射元件110之第一區段112，則電流I₂₂ 之方向係大致上平行於電流I₁₁ 之方向。

請參考第5圖，第5圖為本發明天線結構之第五實施例的示意圖。於第5圖中，天線結構500之架構與第1圖之天線結構100類似，兩者不同之處在於天線結構500另包含一主動元件530，設置於輻射元件110之第二區段114與饋入接點140之間。於一實施例中，主動元件530係可為一低雜訊放大器(low－noise amplifier，LNA)或者一匹配電路，但非本發明之限制條件，熟知此項技藝者應可了解，在不違背本發明之精神下，輻射元件110之第二區段114與饋入接點140之間亦可依據設計需求而安置其他種類的主動元件，均屬本發明的範疇。

毫無疑問地，熟知此項技藝者應可了解，在不違背本發明之精神下，第1圖至第5圖所提到的天線結構之各種各樣的變化皆是可行的。舉例而言，可將第1圖至第5圖的天線結構任意排列組合成一個新的變化實施例，而上述之實施例僅為用來說明本發明之可行的設計變化，並非本發明之限制條件。

請參考第6圖至第7圖，第6圖與第7圖分別為第1圖之天線結構100與第4圖之天線結構400之電壓駐波比的示意圖。橫軸代表的是頻率(Hz)，分布於700MHz至2.5GHz，而縱軸代表的是電壓駐波比VSWR。於第6圖中，標示出一標點Mkr_1的頻率1.575GHz及電壓駐波比1.677，而於第7圖中，標示出一標點Mkr_2的頻率1.575GHz及電壓駐波比1.661。由第6圖與第7圖可知，於頻率1570~1580MHz附近，電壓駐波比均落在2以下，故可滿足無線通訊之操作需求，例如GPS的應用。換言之，無論天線結構的輻射元件之第一區段以及接地元件之第三區段是否朝同一方向延伸，均屬本發明之範疇。

請參考第8圖，第8圖為本發明無線通訊裝置800之一實施例的示意圖。於本實施例中，無線通訊裝置800係為一筆記型電腦，但這並非本發明之限制條件，亦即，於其他實施例中，亦可為其它種類之無線通訊裝置。如圖8A所示，無線通訊裝置800包含一殼體810以及一天線830，其中，天線830係設置於殼體810中且平行於殼體810之一第一面820。當使用者啟用無線通訊裝置800時，殼體810之第一面820係位於一Y－Z平面上，而天線830係設置於第一面820的位置A1或者A2上。殼體810係可由一導電材質所構成，例如鋁鎂合金板材，但不侷限於此。如圖8B所示，天線830可由第1圖所示之天線結構100來實施，當然，天線830亦可由天線結構100的變形來實施，例如第2圖至第5圖所示之天線結構200~500或者各個天線結構之任意排列組合。

請注意，當使用者啟用無線通訊裝置800時，此時殼體810之第一面820係位於一Y－Z平面上，而天線830亦位於Y－Z平面上。由第1圖之天線結構100可知，由於接地元件120之第三區段122係大致上平行於輻射元件110之第一區段112，故可以調整電流I₂ 之方向使其大致上平行於電流I₁ 之方向，進而改變天線結構的阻抗匹配以及輻射場型，使得天線830之輻射場型與能量能夠更集中於＋Z軸的方向。

請參考第9圖至第11圖，第9圖至第11圖分別為第8圖所示之天線830位於無線通訊裝置800中之一輻射場型的示意圖。第9圖係為天線830於XZ平面之量測結果，第10圖係為天線830於YZ平面之量測結果，而第11圖則為天線830於XY平面之量測結果。由量測結果可知，將天線830(例如第1圖所示之天線結構100)設置於無線通訊裝置800之殼體810的第一面820中，即使殼體810係由鋁鎂合金等材質所構成，天線830之輻射場型以及效能仍不會受到殼體810之材質的影響。

此外，將本發明所揭露之天線結構與傳統的單極天線進行比較，以進一步闡述本發明之天線結構的各項優點。這裡所提到的傳統單極天線是指具有單一輻射體與一大面積的接地面之天線，例如包含第1圖所示之輻射元件110、饋入接點140以及一大面積的接地面的組合，亦即以一大面積的接地面來取代接地元件120。若是本發明所揭露之天線結構與傳統單極天線皆是設置於無線通訊裝置800之A1或者A2的位置，本發明所揭露之天線結構之CN值(Signal－to－noise ratio(C/No)00－99 dB－Hz，衛星的訊號雜訊比)為46，而傳統單極天線之CN值為42。由此可知，針對在無線通訊裝置800(如筆記型電腦)內，由殼體810所造成的耦合效應，會使得傳統單極天線受到大面積的接地面影響甚鉅，在阻抗匹配上較困難，而本發明所揭露之天線結構可將此種影響降到最低。

由上可知，本發明提供一種天線結構100~500及其相關無線通訊裝置800。透過額外設置一個呈L型的接地元件，可以調整電流I₂ 之方向，並降低大面積的金屬面之耦合效應。由第1圖與第8圖可得知，當使用者啟用無線通訊裝置800時，殼體810之第一面820係位於一Y－Z平面上，而天線830(由天線結構100來實施)亦位於Y－Z平面上。此時透過接地元件120之第三區段122可以改變天線結構的阻抗匹配以及輻射場型，使其達到調整能量朝上方(亦即＋Z軸)之目的，且不受到大面積之接地面的影響。相較於傳統的單極天線，本發明所揭露之天線結構，其輻射場型可以更集中在天線的正上方且具有更好的CN值，因此，十分適合應用在像是GPS等通訊系統上。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100~500．．．天線結構

110．．．輻射元件

112．．．第一區段

114．．．第二區段

120、220、320、420．．．接地元件

122、222、322、422．．．第三區段

124、224、324、424．．．第四區段

140．．．饋入接點

L₁ 、L₃ ．．．長度

θ₁ 、θ₂ 、θ₃ 、θ₄ ．．．夾角

I₁ 、I₂ 、I₁₁ 、I₂₂ ．．．電流

X、Y、Z．．．座標軸

530．．．主動元件

Mkr_1、Mkr_2．．．標點

800．．．無線通訊裝置

810．．．殼體

820．．．第一面

830．．．天線

A1、A2．．．位置

第1圖為本發明天線結構之第一實施例的示意圖。

第2圖為本發明天線結構之第二實施例的示意圖。

第3圖為本發明天線結構之第三實施例的示意圖。

第4圖為本發明天線結構之第四實施例的示意圖。

第5圖為本發明天線結構之第五實施例的示意圖。

第6圖為第1圖之天線結構之電壓駐波比的示意圖。

第7圖為第4圖之天線結構之電壓駐波比的示意圖。

第8圖為本發明無線通訊裝置之一實施例的示意圖。

第9圖為第8圖所示之天線位於無線通訊裝置中之第一種輻射場型的示意圖。

第10圖為第8圖所示之天線位於無線通訊裝置中之第二種輻射場型的示意圖。

第11圖為第8圖所示之天線位於無線通訊裝置中之第三種輻射場型的示意圖。

100．．．天線結構

110．．．輻射元件

112．．．第一區段

114．．．第二區段

120．．．接地元件

122．．．第三區段

124．．．第四區段

140．．．饋入接點

L₁ 、L₃ ．．．長度

θ₁ 、θ₂ ．．．夾角

I₁ 、I₂ ．．．電流

X、Y、Z．．．座標軸

Claims (17)

1. 一種天線結構，其包含有：一輻射元件，具有一第一區段及一第二區段耦接於該第一區段；一接地元件，具有一第三區段及一第四區段耦接於該第三區段，該第三區段係大致上平行於該第一區段；以及一饋入接點，耦接於該輻射元件之該第二區段與該接地元件之該第四區段之間；其中該接地元件之該第三區段的長度係大於該輻射元件之該第一區段的長度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該輻射元件之該第一區段與該接地元件之該第三區段係朝同一方向延伸。
3. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該輻射元件之該第一區段與該接地元件之該第三區段係朝不同方向延伸。
4. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其中該接地元件之該第三區段與該第四區段的交接處形成一直角。
5. 如申請專利範圍第1項所述之天線結構，其另包含一主動元件，設置於該輻射元件之該第二區段與該饋入接點之間。
6. 如申請專利範圍第5項所述之天線結構，其中該主動元件係為一 低雜訊放大器。
7. 一種天線結構，其包含有：一輻射元件，係呈L型，具有一第一區段及一第二區段耦接於該第一區段；一接地元件，係呈L型，具有一第三區段及一第四區段耦接於該第三區段；以及一饋入接點，耦接於該輻射元件之該第二區段與該接地元件之該第四區段之間；其中該接地元件之該第三區段的長度係大於該輻射元件之該第一區段的長度，且該第三區段係大致上平行於該第一區段。
8. 如申請專利範圍第7項所述之天線結構，其中該第一區段流經有一第一電流，該第三區段流經有一第二電流，該第一電流之方向係與該第二電流之方向相反。
9. 如申請專利範圍第8項所述之天線結構，其中該輻射元件之該第一區段與該接地元件之該第三區段係朝同一方向延伸。
10. 如申請專利範圍第7項所述之天線結構，其中該第一區段流經有一第一電流，該第三區段流經有一第二電流，該第一電流之方向係與該第二電流之方向相同。
11. 如申請專利範圍第10項所述之天線結構，其中該輻射元件之該第一區段與該接地元件之該第三區段係朝不同方向延伸。
12. 如申請專利範圍第7項所述之天線結構，其另包含一主動元件，設置於該輻射元件之該第二區段與該饋入接點之間。
13. 一種無線通訊裝置，其包含有：一殼體；以及一天線結構，設置於該殼體中且與平行於該殼體之一第一面，該天線結構包含：一輻射元件，具有一第一區段及一第二區段耦接於該第一區段；一接地元件，具有一第三區段及一第四區段耦接於該第三區段，該第三區段係大致上平行於該第一區段；以及一饋入接點，耦接於該輻射元件之該第二區段與該接地元件之該第四區段之間；其中該接地元件之該第三區段的長度係大於該輻射元件之該第一區段的長度。
14. 如申請專利範圍第13項所述之無線通訊裝置，其中該輻射元件之該第一區段與該接地元件之該第三區段係朝同一方向延伸。
15. 如申請專利範圍第13項所述之無線通訊裝置，其中該輻射元件之該第一區段與該接地元件之該第三區段係朝不同方向延伸。
16. 如申請專利範圍第13項所述之無線通訊裝置，其中該接地元件之該第三區段與該第四區段的交接處形成一直角。
17. 如申請專利範圍第13項所述之無線通訊裝置，其另包含一主動元件，設置於該輻射元件之該第二區段與該饋入接點之間。