TWI559615B - 多頻段天線 - Google Patents

Description

多頻段天線

本發明是有關於一種天線，且特別是有關於一種多頻段天線。

傳統五頻天線通常以平面倒F天線(Planar inverted-F antenna；PIFA)型作為主要設計原型，如圖1為平面倒F天線型的範例。請參照圖1，平面倒F天線100具有與接地面150連接的短路腳位110及接收饋入訊號135的饋入點130。

而隨著通訊技術的快速演進，近年來快速發展的第四代行動通訊系統長期演進(Long term evolution；LTE)技術所能支援頻段更多，其可支援頻率係自698百萬赫茲(MHz)至2690MHz，而包含將近八個頻段(700/850/900/1800/1900/2100/2300/2600)。然而，前述傳統五頻天線由於受到機構設計等限制(例如，天線配置空間有限等)，將難以透過習知延伸共振路徑長度之方法，來滿足長期演進技術的低頻頻段。例如，圖2為傳統五頻天線的返回損失(return loss) 圖。請參照圖2，透過圖2的返回損失曲線可知，此傳統五頻天線無法有效支援LTE技術的700/2300/2600MHz頻段。據此，有需要提出一種在機構設計限制中符合更多頻段的天線設計。

本發明提供一種多頻段天線，透過電容耦合方式增加低頻頻寬，並加入寄生元件來增加高頻頻段，藉以提昇頻寬並擴增支援頻段。

本發明的一種多頻段天線，包括輻射元件、第一寄生元件及第二寄生元件。輻射元件具有第一輻射區段、第二輻射區段、第三輻射區段及第四輻射區段。第一寄生元件具有第一接地點。第一寄生元件與第二輻射區段間具有第一耦合間距，並透過第一輻射區段及第二輻射區段而操作於第一頻段。第一寄生元件與第四輻射區段間具有第二耦合間距，並透過第一輻射區段、第三輻射區段及第四輻射區段而操作於第二頻段。第二寄生元件具有兩個第二接地點，且第二寄生元件與兩個第二接地點構成一”ㄇ”字形外觀。第二寄生元件與第三輻射區段間具有第三耦合間距，並透過第一輻射區段及第三輻射區段而操作於第三頻段。

在本發明的一實施例中，上述第一輻射區段的第一端具有饋入點，且第一輻射區段的第二端與第二輻射區段的第一端電性連結。第二輻射區段的第二端為開路端，且第二輻射區段的側邊相對於第一寄生元件。第一輻射區段及第二輻射區段構成L字 形外觀。

在本發明的一實施例中，上述第三輻射區段的第一端與第一輻射區段的側邊電性連結，第三輻射區段的第一端自第一輻射區段的側邊沿垂直方向延伸，第三輻射區段的第二端與第四輻射區段的第一端電性連結。第三輻射區段的側邊相對於第二寄生元件，第三輻射區段的另一面側邊相對於第二輻射區段。第四輻射區段的第二端為開路端並相對於第一寄生元件，且第三輻射區段及第四輻射區段構成L字形外觀。

在本發明的一實施例中，上述第一寄生元件的第一端具有第一接地端，且第一寄生元件的第二端為開路端並相對於第四輻射區段的第二端。第二寄生元件的第一端具有其中一個第二接地端並鄰近饋入點，且第二寄生元件的第二端具有另一個第二接地端。

在本發明的一實施例中，上述多頻段天線透過第一輻射區段、第二輻射區段及第一寄生元件形成第一電流路徑，透過第一輻射區段、第三輻射區段、第四輻射區段及第一寄生元件形成第二電流路徑，且透過第一輻射區段、第三輻射區段及第二寄生元件形成第三電流路徑。第三電流路徑的長度小於第一電流路徑的長度，且第一電流路徑的長度小於第二電流路徑的長度。

在本發明的一實施例中，上述第一頻段介於1700MHz頻段至2100MHz頻段之間，第二頻段介於700MHz頻段至900MHz頻段之間，且第三頻段介於2300MHz頻段至2600MHz頻段之間。

在本發明的一實施例中，上述饋入點、第一接地點及兩個第二接地點皆位於同側並以直線排列。

在本發明的一實施例中，上述第一耦合間距、第二耦合間距及第三耦合間距介於0.8毫米(mm)到1.2毫米之間。

在本發明的一實施例中，上述第一寄生元件、第二寄生元件及輻射元件皆位於相同平面。

在本發明的一實施例中，上述部份的第一寄生元件、部份的第二寄生元件及部份的輻射元件位於不同平面。

在本發明的一實施例中，上述第一寄生元件、第二寄生元件或及輻射元件係由印刷電路板之金屬層上的金屬層蝕刻而成。

基於上述，本發明透過輻射元件與第一寄生元件耦合操作於第一頻段及第二頻段，並透過輻射元件與第二寄生元件耦合操作於第三頻段。藉此，本發明實施例便能支援700MHz頻段至900MHz頻段、1700MHz頻段至2100MHz頻段及2300MHz頻段至2600MHz頻段，以符合現今LTE技術所支援的所有頻段。此外，本發明實施例更能依據機構設計需求，而將部份的輻射元件、第一寄生元件及第二寄生元件配置於立體基板的不同平面上，藉以提昇天線設計的彈性度。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧平面倒F天線

110‧‧‧短路腳位

130、FP‧‧‧饋入點

135‧‧‧饋入訊號

150‧‧‧接地面

30、60‧‧‧多頻段天線

300、600‧‧‧輻射元件

310、610‧‧‧第一輻射區段

311‧‧‧第一輻射區段的第一端

315‧‧‧第一輻射區段的第二端

317‧‧‧第一輻射區段的側邊

320、620‧‧‧第二輻射區段

321‧‧‧第二輻射區段的第一端

325‧‧‧第二輻射區段的第二端

327、329‧‧‧第二輻射區段的側邊

330、630‧‧‧第三輻射區段

331‧‧‧第三輻射區段的第一端

335‧‧‧第三輻射區段的第二端

337、339‧‧‧第三輻射區段的側邊

340、640‧‧‧第四輻射區段

341‧‧‧第四輻射區段的第一端

345‧‧‧第四輻射區段的第二端

360、660‧‧‧第一寄生元件

361‧‧‧第一寄生元件的第一端

365‧‧‧第一寄生元件的第二端

380、680‧‧‧第二寄生元件

381‧‧‧第二寄生元件的第一端

385‧‧‧第二寄生元件的第二端

390、690‧‧‧匹配元件

391‧‧‧匹配元件的第一端

395‧‧‧匹配元件的第二端

410‧‧‧第一電流路徑

430‧‧‧第二電流路徑

450‧‧‧第三電流路徑

510‧‧‧第二頻段

530‧‧‧第一頻段

550‧‧‧第三頻段

601‧‧‧第一平面

602‧‧‧第二平面

603‧‧‧第三平面

604‧‧‧第四平面

CG1、CG4‧‧‧第一耦合間距

CG2、CG5‧‧‧第二耦合間距

CG3、CG6‧‧‧第三耦合間距

DR1、DR2‧‧‧參考方向

GP1‧‧‧第一接地點

GP2‧‧‧第二接地點

圖1為平面倒F天線型的範例。

圖2為傳統五頻天線的返回損失(return loss)圖。

圖3是依據本發明一實施例之多頻段天線的結構示意圖。

圖4為第一電流路徑、第二電流路徑及第三電流路徑的示意範例。

圖5為依據本發明一實施例之多頻段天線的返回損失圖。

圖6A與6B是依據本發明另一實施例之多頻段天線的結構示意圖。

為了提昇天線所支援的頻寬以及彌補低頻頻段及高頻頻段的不足，本發明實施例係透過具有饋入點的輻射元件與第一寄生元件間的第一耦合間距及第二耦合間距，而耦合操作於第一頻段(例如，1700MHz頻段~2100MHz頻段)及第二頻段(例如，700MHz頻段~900MHz頻段)，且透過輻射元件與第二寄生元件間的第三耦合間距，而耦合操作於第三頻段(例如，2300MHz頻段~2600MHz頻段)，藉以達到長期演進(LTE)技術所使用到的8個頻段。此外，部份的輻射元件、第一寄生元件及第二寄生元件可配置於相同平面或不同平面上(例如，配置於立體基板)，以提昇設計路徑的彈性度。以下提出符合本發明之精神的多個實施 例，應用本實施例者可依其需求而對這些實施例進行適度調整，而不僅限於下述描述中的內容。

圖3是依據本發明一實施例之多頻段天線的結構示意圖。請參照圖3，多頻段天線30包括輻射元件300、第一寄生元件360及第二寄生元件380。輻射元件300具有第一輻射區段310、第二輻射區段320、第三輻射區段330及第四輻射區段340。第一輻射區段310具有饋入點FP。第一輻射區段310與第二輻射區段320電性連結，第一輻射區段310與第三輻射區段330電性連結，且第三輻射區段330與第四輻射區段340電性連結。第一寄生元件360具有接地點GP1。第一寄生元件360與第二輻射區段320間具有第一耦合間距CG1。第一寄生元件360與第四輻射區段340間具有第二耦合間距CG2。第二寄生元件380具有兩個第二接地點GP2。第二寄生元件380與兩個第二接地點GP2構成一”ㄇ”字形外觀。第二寄生元件380與第三輻射區段330間具有第三耦合間距CG3。

在本實施例中，多頻段天線30透過第一輻射區段310及第二輻射區段320而操作於第一頻段，透過第一輻射區段310、第三輻射區段330及第四輻射區段340而操作於第二頻段，且透過第一輻射區段310及第三輻射區段330而操作於第三頻段。其中，第一頻段介於1700MHz頻段至2100MHz頻段之間(即，1700MHz~2170MHz)，第二頻段介於700MHz頻段至900MHz頻段之間(即，698MHz~960MHz)，且第三頻段介於2300MHz頻段至 2600MHz頻段之間(即，2300MHz~2690MHz)。而在一些實施例中，第一頻段可以是第二頻段的倍頻頻段。例如，第一頻段介於1800MHz頻段至1900MHz頻段之間，而第二頻段介於700MHz頻段至900MHz頻段之間。

就電流路徑而言，多頻段天線30透過第一輻射區段310、第二輻射區段320及第一寄生元件360形成第一電流路徑，透過第一輻射區段310、第三輻射區段330、第四輻射區段340及第一寄生元件360形成第二電流路徑，且透過第一輻射區段310、第三輻射區段330及第二寄生元件380形成第三電流路徑。其中，第三電流路徑的長度小於第一電流路徑的長度，且第一電流路徑的長度小於第二電流路徑的長度。換句話說，基於電流路徑(或是，共振路徑)的長度，第三頻段大於第一頻段，且第一頻段大於第二頻段。

以圖4為範例進行說明，圖4為第一電流路徑、第二電流路徑及第三電流路徑的示意範例。請參照圖4，在操作上，多頻段天線30透過第一輻射區段310的饋入點FP接收饋入訊號。而第一電流路徑410中，饋入訊號將流經第一輻射區段310及第二輻射區段320，並透過第一耦合間距CG1激發第一寄生元件360，以致使多頻段天線30可透過第一寄生元件360產生第一共振模態，進而可操作在第一頻段。在第二電流路徑430中，饋入訊號將流經第一輻射區段310、第三輻射區段330及第四輻射區段340，並透過第二耦合間距CG2激發第一寄生元件360，以致使多 頻段天線30可透過第一寄生元件360產生第二共振模態，進而可操作在第二頻段。此外，在第三電流路徑450中，饋入訊號將流經第一輻射區段310及第三輻射區段330，並透過第三耦合間距CG3激發第二寄生元件380，以致使多頻段天線30可透過第二寄生元件380產生第三共振模態，進而可操作在第三頻段。

換句話說，輻射元件300可分別與第一寄生元件360與第二寄生元件380產生電容耦合效應。如此，多頻段天線30除了可以透過第一寄生元件360產生第一共振模態及第二共振模態，還可透過第二寄生元件380產生第三共振模態。因此，多頻天線100可操作在三個頻段，進而可符合LTE技術支援的所有頻段。

舉例來說，圖5為依據本發明一實施例之多頻段天線30的返回損失圖。請參照圖5，多頻段天線30可操作在第二頻段510、第一頻段530及第三頻段550。第一頻段530可涵蓋1800MHz頻段至2100MHz頻段，第二頻段510可涵蓋700MHz頻段至900MHz頻段，而第三頻段550可涵蓋2300MHz頻段至2600MHz頻段。

請繼續參照圖3。就多頻段天線30的細部架構而言，第一輻射區段310的第一端311具有饋入點FP，且第一輻射區段310的第二端315與第二輻射區段320的第一端321電性連結。第二輻射區段320的第二端325為開路端，且第二輻射區段320的側邊327相對於第一寄生元件360。第一輻射區段310及第二輻射區段320構成L字形外觀。

第三輻射區段330的第一端331與第一輻射區段310的側邊317電性連結，第三輻射區段330的第一端331自第一輻射區段310的側邊317沿垂直方向延伸，第三輻射區段330的第二端335與第四輻射區段340的第一端341電性連結。換句話說，第三輻射區段330的第一端331延伸至其第二端335的方向，與第二輻射區段320的第一端321延伸至其第二端325的方向相同。例如，參考方向DR1。此外，第三輻射區段330的側邊337相對於第二寄生元件380，第三輻射區段330的另一個側邊339相對於第二輻射區段320(第二輻射區段320的側邊329)。也就是說，第三輻射區段330介於第二輻射區段320及第二寄生元件380之間。而第四輻射區段340的第二端345為開路端並相對於第一寄生元件360，且第三輻射區段330及第四輻射區段340構成L字形外觀。

第一寄生元件360的第一端361具有第一接地端GP1，且第一寄生元件360的第二端365為開路端並相對於第四輻射區段340的第二端345。其中，基於共振路徑長度，第四輻射區段340相對於第二輻射區段的方向(例如，參考方向DR1)，與第一寄生元件360的第一端361延伸至其第二端365的方向相同，以使第四輻射區段340與第一寄生元件360所耦合操作的第二頻段小於第二輻射區段320與第一寄生元件360所耦合操作的第一頻段。

此外，第二寄生元件380的第一端381具有其中一個第 二接地端GP2並鄰近饋入點FP，且第二寄生元件380的第二端385具有另一個第二接地端GP2。其中，饋入點FP、第一接地點GP1及兩個第二接地點GP2皆位於同側並以直線排列。而饋入點FP係介於第一接地點GP1及兩個第二接地點GP2之間。藉此，本實施例的饋入點FP、第一接地點GP1及兩個第二接地點GP2便可方便與饋入訊號來源端及接地面(或接地線、接地端等)連接。

另一方面，就電流路經的細部說明而言，第一電流路徑是自第一輻射區段310的第一端311至第二輻射區段320，並透過第一耦合間距CG1而到達第一寄生元件360的第一端361。而第二電流路徑是自第一輻射區段310的第一端311至第三輻射區段330及第四輻射區段340，並透過第二耦合間距CG2而經由第一寄生元件360的第二端365到達第一寄生元件360的第一端361。此外，第三電流路經是自第一輻射區段310的第一端311至第三輻射區段330，並透過第三耦合間距CG3而經由第二寄生元件380到達第二接地點GP2。其中，第一區間、第二區間及第三區間介於0.8毫米(mm)到1.2毫米之間。

此外，輻射元件300可進一步包括匹配元件390。匹配元件390的第一端391與第二輻射區段320的第一端321及/或第一輻射區段310的第二端315電性連結，自第二輻射區段320的第一端321而朝參考方向DR2延伸，並藉以對輻射元件300阻抗匹配。其中，參考方向DR2係與第二輻射區段320的第一端321朝向第二輻射區段320的第二端325的方向(例如，參考方向DR1) 相反。藉此，便可透過匹配元件390來對第一頻段或第二頻段的頻寬、頻率或輻射效益等特性參數進行細部微調。

需說明的是，依據設計需求，可透過輻射元件300、第一寄生元件360與第二寄生元件380之形狀的改變，來調整多頻段天線30的特性參數(例如，頻寬、增益或是輻射效率等)，本發明實施例不加以限制。

在前述實施例中，第一寄生元件360、第二寄生元件380及輻射元件300皆位於相同平面(例如，X-Y平面、X-Z平面等)。換句話說，多頻段天線30具有平面結構，並可同時配置在基板的一個表面上，例如，印刷電路板或是軟性印刷電路板(Flexible Printed Circuit Board，FPCB)。而在另一實施例中，部份的第一寄生元件、部份的第二寄生元件及部份的輻射元件位於不同平面，以下將舉實施例說明。

圖6A與6B是依據本發明另一實施例之多頻段天線的結構示意圖。請同時參照圖6A與6B，多頻段天線60包括輻射元件600、第一寄生元件660及第二寄生元件680。輻射元件300具有第一輻射區段610、第二輻射區段620、第三輻射區段630及第四輻射區段640。第一寄生元件660與第二輻射區段620間具有第一耦合間距CG4。第一寄生元件660與第四輻射區段640間具有第二耦合間距CG5。第二寄生元件680具有兩個第二接地點GP2。第二寄生元件680與第三輻射區段630間具有第三耦合間距CG6。

輻射元件600、第一寄生元件660、第二寄生元件680、 第一耦合間距CG4、第二耦合間距CG5及第三耦合間距CG6可分別對應至圖3之輻射元件300、第一寄生元件360、第二寄生元件380、第一耦合間距CG1、第二耦合間距CG2及第三耦合間距CG3，而其細部結構、相對位置、電流路徑及連接方式請參照圖3及圖4之相關說明，於此不再贅述。與圖3不同的地方在於，基於硬體機構設計需求，部份的第一寄生元件660、部份的第二寄生元件680或部份的輻射元件600其中之一或其組合位於不同平面。

具體而言，請先參照圖6A，首先，為了使饋入點FP、第一接地點GP1及兩個第二接地點GP2方便與饋入訊號來源端及接地面(或接地線)連接，饋入點FP、第一接地點GP1及兩個第二接地點GP2可配置於第一平面601(例如，朝向-Y軸之X-Z平面)。而輻射元件600的第一輻射區段610、第二輻射區段620、第三輻射區段630及第四輻射區段、部份的第一寄生元件660及部份的第二寄生元件680配置於第二平面602(例如，朝向Z軸之X-Y平面)。請參照圖6B，部份的第一寄生元件660可彎折，以使部份的第一寄生元件660配置於第三平面603(例如，朝向Y軸的X-Z平面)及/或第四平面604(例如，朝向-Z軸的X-Y平面)。換句話說，多頻段天線60具有立體結構，並可同時配置在立體基板(例如，長方體等)上。藉此，便可進一步地降低多頻段天線60所耗費的硬體空間，並有助於天線微型化上的發展。

需說明的是，前述第一寄生元件(例如，圖3的第一寄生元件360、圖6A及圖6B的第一寄生元件660)、第二寄生元件 或(例如，圖3的第二寄生元件380、圖6A及圖6B的第二寄生元件680)及輻射元件(例如，圖3的輻射元件300、圖6A及圖6B的輻射元件600)係由印刷電路板之金屬層上的金屬層蝕刻而成。在其他一些實施例中，前述圖3及圖6之結構亦可採用軟性印刷電路板搭配塑膠載體(carrier)或鐵件(stamping)或其他任何建構天線之材料或元件，本發明實施例不加以限制。此外，圖3之多頻段天線30及圖6之多頻段天線60可適用於手機、平板、筆記型電腦等具備行動通訊模組之無線設備。

綜上所述，本發明實施例的多頻段天線，其可適於一般的電子裝置上內建使用，同時又具有較寬的頻寬，以使天線可在較寬的頻段中工作(700MHZ~2600MHZ)。其中，透過輻射元件分別與第一寄生元件及第二寄生元件產生電容耦合效應，可使多頻段天線可操作在介於1700頻段至2100頻段的第一頻段、介於700頻段至900頻段的第二頻段以及介於2300頻段至2600頻段的第三頻段，進而達到LTE技術所使用到的所有8個頻段。而本發明實施例所使用的電容耦合方式相較於平面倒F天線(PIFA)型，可調整至較大的頻寬、輻射效率更高且更容易的寬頻實現度。此外，本發明實施例更可將部份的輻射元件、第一寄生元件及第二寄生元件配置於立體基板的相同或不同平面上，並藉以提昇天線設計的彈性度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的 精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故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。

60‧‧‧多頻段天線

600‧‧‧輻射元件

610‧‧‧第一輻射區段

620‧‧‧第二輻射區段

630‧‧‧第三輻射區段

640‧‧‧第四輻射區段

660‧‧‧第一寄生元件

680‧‧‧第二寄生元件

690‧‧‧匹配元件

601‧‧‧第一平面

602‧‧‧第二平面

CG4‧‧‧第一耦合間距

CG5‧‧‧第二耦合間距

CG6‧‧‧第三耦合間距

FP‧‧‧饋入點

GP1‧‧‧第一接地點

GP2‧‧‧第二接地點

Claims (9)

1. 一種多頻段天線，包括：一輻射元件，具有一第一輻射區段、一第二輻射區段、一第三輻射區段及一第四輻射區段；一第一寄生元件，具有一第一接地點，其中該第一寄生元件與該第二輻射區段間具有一第一耦合間距，並透過該第一輻射區段及該第二輻射區段而操作於一第一頻段，且該第一寄生元件與該第四輻射區段間具有一第二耦合間距，並透過該第一輻射區段、該第三輻射區段及該第四輻射區段而操作於一第二頻段；以及一第二寄生元件，具有二第二接地點，其中該第二寄生元件與該些第二接地點構成一”ㄇ”字形外觀，且該第二寄生元件與該第三輻射區段間具有一第三耦合間距，並透過該第一輻射區段及該第三輻射區段而操作於一第三頻段，其中該第一輻射區段的第一端具有一饋入點，該第一輻射區段的第二端與該第二輻射區段的第一端電性連結，該第二輻射區段的第二端為一開路端，該第二輻射區段的一側邊相對於該第一寄生元件，且該第一輻射區段及該第二輻射區段構成一L字形外觀，其中該第三輻射區段的第一端與該第一輻射區段的一側邊電性連結，該第三輻射區段的第一端自該第一輻射區段的該側邊沿垂直方向延伸，該第三輻射區段的第二端與該第四輻射區段的第 一端電性連結，該第三輻射區段的一側邊相對於該第二寄生元件，該第三輻射區段的另一側邊相對於該第二輻射區段，該第四輻射區段的第二端為一開路端並相對於該第一寄生元件，且該第三輻射區段及該第四輻射區段構成一L字形外觀。
2. 如申請專利範圍第1項所述的多頻段天線，其中該第一寄生元件的第一端具有該第一接地端，且該第一寄生元件的第二端為一開路端並相對於該第四輻射區段的第二端，而該第二寄生元件的第一端具有該些第二接地端之中的一者並鄰近該饋入點，且該第二寄生元件的第二端具有該些第二接地端之中的另一者。
3. 如申請專利範圍第1項所述的多頻段天線，其中該多頻段天線透過該第一輻射區段、該第二輻射區段及該第一寄生元件形成一第一電流路徑，透過該第一輻射區段、該第三輻射區段、該第四輻射區段及該第一寄生元件形成一第二電流路徑，且透過該第一輻射區段、該第三輻射區段及該第二寄生元件形成一第三電流路徑，其中該第三電流路徑的長度小於該第一電流路徑的長度，且該第一電流路徑的長度小於該第二電流路徑的長度。
4. 如申請專利範圍第1項所述的多頻段天線，其中該第一頻段介於1700(百萬赫茲；MHz)頻段至2100MHz頻段之間，該第二頻段介於700MHz頻段至900MHz頻段之間，且該第三頻段介於2300MHz頻段至2600MHz頻段之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述的多頻段天線，其中該饋入點、該第一接地點及該些第二接地點皆位於同側並以直線排列。
6. 如申請專利範圍第1項所述的多頻段天線，其中該第一耦合間距、該第二耦合間距及該第三耦合間距介於0.8毫米(mm)到1.2毫米之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述的多頻段天線，其中該第一寄生元件、該第二寄生元件及該輻射元件皆位於相同平面。
8. 如申請專利範圍第1項所述的多頻段天線，其中部份的該第一寄生元件、部份的該第二寄生元件及部份的該輻射元件位於不同平面。
9. 如申請專利範圍第1項所述的多頻段天線，其中該第一寄生元件、該第二寄生元件或及該輻射元件係由一印刷電路板之金屬層上的一金屬層蝕刻而成。