TWI857230B

TWI857230B - 天線結構及具有該天線結構之電子設備

Info

Publication number: TWI857230B
Application number: TW110121267A
Authority: TW
Inventors: 許倬綱; 賀敏慧
Original assignee: 群邁通訊股份有限公司
Priority date: 2021-06-10
Filing date: 2021-06-10
Publication date: 2024-10-01
Also published as: TW202249345A

Abstract

本申請提供一種電子設備之天線結構，包括第一輻射部、第二輻射部及天線模組，第一輻射部及第二輻射部間隔設置，且均由電子設備之部分金屬邊框構成，天線模組設置於金屬邊框之內側，且與金屬邊框，第一輻射部及第二輻射部間隔設置，天線模組於預設方向之投影與第一輻射部與/或所述第二輻射部於預設方向之投影至少部分重疊，天線模組，第一輻射部及第二輻射部共同激發多個輻射模態。本申請還提供一種具有該天線結構之電子設備。

Description

天線結構及具有該天線結構之電子設備

本申請涉及通訊技術領域，尤其涉及天線結構及電子設備。

隨著無線通訊技術之進步，行動電話、個人數位助理等電子裝置不斷朝向功能多樣化、輕薄化、以及資料傳輸更快、更有效率等趨勢發展。然而其相對可容納天線之空間亦就越來越小，且隨著無線通訊技術之不斷發展，天線之頻寬需求不斷增加。因此，如何於有限之空間內設計出具有較寬頻寬及較佳效率之天線，係天線設計面臨之一項重要課題。

本申請提供一種天線結構及具有該天線結構之電子設備，能夠提高提升頻寬並兼具最佳天線效率。

一種電子設備之天線結構，包括第一輻射部、第二輻射部及天線模組，所述第一輻射部及所述第二輻射部間隔設置，且均由所述電子設備之部分金屬邊框構成，所述天線模組設置於所述金屬邊框之內側，且與所述金屬邊框，所述第一輻射部及所述第二輻射部間隔設置，所述天線模組於預設方向之投影與所述第一輻射部與/或所述第二輻射部於所述預設方向之投影至少部分重疊，所述天線模組，所述第一輻射部及所述第二輻射部共同激發多個輻射模態。

一種電子設備，包括上述所述之天線結構。

上述天線結構及具有該天線結構之電子設備可激發出多個輻射模態，且可不受限於高屏占比螢幕及高金屬包覆率等金屬環境影響，進而可有效大幅地提升頻寬及效率。

100:天線結構

11:天線模組

12:第一饋入源

13:連接部

14:切換單元

15:第二饋入源

16:接地部

200:電子設備

200a:區域

200b:縫隙

201:殼體

202:顯示單元

203:邊框

204:背板

205:缺口

206:容置空間

207:第一部分

208:第二部分

209:接地面

210:中框

圖1為本申請實施例提供之天線結構應用至電子設備之示意圖；圖2為本申請實施例提供之天線結構應用至另一電子設備之示意圖；圖3為本申請實施例提供之天線結構應用至另一電子設備之示意圖；圖4為本申請實施例提供之電子設備之側面示意圖；圖5為本申請實施例提供之電子設備之另一側面示意圖；圖6為圖5所示電子設備於另一角度下之示意圖；圖7為圖5所示天線結構之截面示意圖；圖8為圖5所示電子設備之另一示意圖；圖9為本申請實施例提供之天線結構之電流走向示意圖；圖10為本申請實施例提供之天線結構中第一輻射部及第二輻射部之S參數(散射參數)曲線圖；圖11為本申請實施例提供之天線結構中第一輻射部及第二輻射部之總效率曲線圖；圖12為本申請實施例提供之天線結構中天線模組之S參數(散射參數)曲線圖；圖13為本申請實施例提供之天線結構中天線模組之總效率曲線圖；圖14為本申請實施例提供之天線結構中天線模組工作於28GHz模態時之 2D輻射場型圖；圖15為本申請實施例提供之天線結構中天線模組工作於28GHz模態時之3D輻射場型圖；圖16為本申請實施例提供之天線結構中天線模組工作於39GHz模態時之2D輻射場型圖；圖17為本申請實施例提供之天線結構中天線模組工作於39GHz模態時之3D輻射場型圖；圖18為本申請實施例提供之天線結構中天線模組之實測增益(Realized Gain)累積分佈函數(Cumulative Distribution Function)曲線圖。

為使本申請實施例之目的、技術方案與優點更加清楚，下面將結合本申請實施例中之附圖，對本申請實施例中之技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述之實施例是本申請一部分實施例，而不是全部之實施例。基於本申請中之實施例，所屬領域具有通常知識者於沒有做出創造性勞動前提下所獲得之所有其他實施例，均屬於本申請保護之範圍。

需要說明的是，本申請實施例中“至少一個”係指一個或者多個，多個係指兩個或兩個以上。除非另有定義，本文所使用之所有之技術與科學術語與所屬領域具有通常知識者通常理解之含義相同。本申請之說明書中所使用之術語僅是為描述具體之實施例之目不是旨在於限制本申請。

應理解，本申請中除非另有說明，“/”表示或的意思。例如，A/B可表示A或B。本申請中之“A與/或B”僅僅係一種描述關聯物件之關聯關係，表示可存於僅存於A、僅存於B以及存於A與B這三種關係。

需要說明的是，本申請實施例中，“第一”、“第二”等詞彙，僅用於區分描述之目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性，亦不能理解為指示或暗示順序。限定有“第一”、“第二”之特徵可明示或者隱含地包括一個或者更多個所述特徵。於本申請實施例之描述中，“示例性的”或者“例如”等詞用於表示作例子、例證或說明。本申請實施例中被描述為“示例性的”或者“例如”之任何實施例或設計方案不應被解釋為比其它實施例或設計方案更優選或更具優勢。確切而言，使用“示例性的”或者“例如”等詞旨於以具體方式呈現相關概念。

需要說明的是，本申請實施例中，術語“高度”係指於垂直於參考地層之方向上之投影長度。術語“中心”、“上”、“下”、“前”、“後”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示之方位或位置關係為基於附圖所示之方位或位置關係，僅係為便於描述本申請與簡化描述，而不是指示或暗示所指之裝置或元件必須具有特定之方位、以特定之方位構造與操作，因此不能理解為對本申請之限制。

請一併參閱圖1至圖3，可理解，本申請實施例提供一種天線結構100，其可應用於一電子設備200，用以發射、接收無線電波以傳遞、交換無線訊號。所述電子設備200可為掌上型通訊裝置(例如行動電話)，折疊機，智慧穿戴裝置(例如手錶，耳機等)，平板電腦，個人數位助理(personal digital assistant，PDA)等，於此不做具體限制。

例如，如圖1，所述天線結構100可應用至電子設備200中，所述電子設備200為手機。如圖2，所述天線結構100可應用至電子設備200中，所述電子設備200為手錶。如圖3，所述天線結構100可應用至電子設備200中，所述電子設備200為平板電腦。如圖1至圖3，所述天線結構100可設置於圖中所示區域200a。所述區域200a為所述電子設備200設置有縫隙200b之位置或區域。

可理解，所述電子設備200可採用以下一種或多種通訊技術：藍牙(bluetooth，BT)通訊技術、全球定位系統(global positioning system，GPS)通訊技術、無線保真(wireless fidelity，Wi-Fi)通訊技術、全球移動通訊系統(global system for mobile communications，GSM)通訊技術、寬頻碼分多址(wideband code division multiple access，WCDMA)通訊技術、長期演進(long term evolution，LTE)通訊技術、5G通訊技術、SUB-6G通訊技術以及未來其他通訊技術等。

於本申請實施例中，以所述電子設備200為手機為例加以說明。

請一併參閱圖4，於其中一實施例中，所述電子設備200至少包括殼體201及顯示單元202。所述殼體201至少包括邊框203及背板204(參圖5)。所述邊框203由金屬或其他導電材料製成。所述邊框203上開設有缺口205。

請一併參閱圖5，所述背板204可由金屬或其他導電材料製成。所述邊框203設置於所述背板204之邊緣，並與所述背板204共同形成一容置空間206(參圖6)。所述邊框203相對所述背板204之一側設置有一開口(圖未標)，用於容置所述顯示單元202。所述顯示單元202具有一顯示平面，該顯示平面裸露於該開口。可理解，所述顯示單元202可結合觸摸感測器組合成觸控屏。觸摸感測器又可稱為觸控面板或觸敏面板。

可理解，於本申請實施例中，所述顯示單元202具有高屏占比。即所述顯示單元202之顯示平面之面積大於70%之電子設備之正面面積，甚至可做到正面全螢幕。具體於本申請實施例中，所述全螢幕是指除了所述天線結構100上開設之必要之槽孔以外，所述顯示單元202之左側、右側、下側均可無縫隙地連接至所述邊框203。

請再次參閱圖4，於其中一個實施例中，所述天線結構100包括天線模組11。所述天線模組11設置於所述殼體201內，且對應所述缺口205設置。

可理解，於其中一個實施例中，所述天線模組11可為5G毫米波(mmWave)天線，其可激發28GHz模態之28GHz頻段(頻率範圍27.5-28.35GHz)及39GHz模態之39GHz頻段(頻率範圍37-40GHz)。

可理解，於其中一個實施例中，所述天線模組11與所述邊框203間隔設置。例如，於其中一個實施例中，所述天線模組11可與所述邊框203平行且間隔設置。又如，於另外一個實施例中，所述天線模組11可與所述邊框203不平行且間隔設置。可理解，所述天線模組11與所述邊框203之間之距離可依照所屬之頻率進行調整。

可理解，於其中一個實施例中，所述天線模組11對應所述缺口205設置，所述缺口205內可填充絕緣材料，例如塑膠、橡膠、玻璃、木材、陶瓷等，但不以此為限。另外，所述缺口205可遮蔽或部分遮蔽所述天線模組11。例如，於其中一個實施例中，所述缺口205之尺寸大於或等於所述天線模組11之尺寸，且所述缺口205於第一方向(例如圖中所示z軸方向)之投影完全遮蔽所述天線模組11於所述第一方向之投影。此時，所述邊框203之金屬部分(例如第一部分207與/或第二部分208)不遮蔽所述天線模組11。於另外一個實施例中，所述缺口205之尺寸小於所述天線模組11之尺寸，且所述缺口205於所述第一方向之投影部分遮蔽所述天線模組11於所述第一方向之投影。此時，所述邊框203之金屬部分(例如第一部分207與/或第二部分208)亦遮蔽部分所述天線模組11。或者，於另外之實施例中，雖所述缺口205之尺寸大於或等於所述天線模組11之尺寸，但所述缺口205於所述第一方向之投影僅部分遮蔽所述天線模組11於所述第一方向之投影。此時，所述邊框203之金屬部分(例如第一部分207與/或第二部分208)亦遮蔽部分所述天線模組11。

可理解，請再次參閱圖5，於本申請實施例中，所述邊框203上還開設有所述縫隙200b。所述縫隙200b隔斷所述邊框203，以將所述邊框203劃分為間隔設置之第一部分207及第二部分208。於其中一個實施例中，所述縫隙200b可與所述缺口205連通，並填充有絕緣材料，例如塑膠、橡膠、玻璃、木材、陶瓷等，但不以此為限。可理解，於其中一個實施例中，所述縫隙200b之寬度大致為1mm-2mm。

可理解，於本申請實施例中，所述第一部分207及第二部分208可不作為獨立之天線輻射體。當所述第一部分207及第二部分208不作為獨立之天線輻射體時，所述天線模組11可將訊號耦合至所述第一部分207及第二部分208，即所述第一部分207及第二部分208以耦合方式達到輻射。即所述第一部分207及第二部分208作為耦合輻射體。當然，於本申請實施例中，所述第一部分207及第二部分208與所述天線模組11之耦合距離可根據需要之阻抗進行調整，以達到最大頻寬與最佳效率。

可理解，於其他實施例中，所述第一部分207及第二部分208可設置相應之饋入源，以作為獨立之輻射體(參下詳述)，進而工作於相應之頻段。

當然，於其他實施例中，所述第一部分207及第二部分208亦可直接不作為輻射體，即不參與訊號之耦合及輻射。

請一併參閱圖6及圖7，其中，圖6為所述電子設備200於另一角度下之示意圖。圖7為所述電子設備200之截面示意圖。於本申請實施例中，所述電子設備200中之殼體201還包括接地面209及中框210。

所述接地面209可由金屬或其他導電材料製成。所述接地面209可設置於所述邊框203與所述背板204共同圍成之所述容置空間206內，且連接至所述背板204。

所述中框210由金屬或其他導電材料製成。所述中框210之形狀及尺寸可略小於所述接地面209。所述中框210疊設於所述接地面209上。於本實施例中，所述中框210為設置於所述顯示單元202與所述接地面209之間之金屬片。所述中框210用於支撐所述顯示單元202、提供電磁屏蔽、及提高所述電子設備200之機構強度。

可理解，於本實施例中，所述邊框203、所述背板204、所述接地面209及所述中框210可構成一體成型之金屬框體。所述背板204、所述接地面209及所述中框210為大面積金屬，因此可共同構成所述天線結構100之系統接地面(圖未標)。

可理解，於其他實施例中，所述電子設備200還可包括以下一個或多個元件，例如處理器、電路板、記憶體、電源元件、輸入輸出電路、音訊元件(例如麥克風及揚聲器等)、多媒體元件(例如前置攝像頭與/後置攝像頭)、感測器元件(例如接近感測器、距離感測器、環境光感測器、加速度感測器、陀螺儀、磁感測器、壓力感測器及/或溫度感測器等)等，於此不再贅述。

請一併參閱圖8，於本申請實施例中，所述天線結構100還至少包括第一饋入源12、連接部13、切換單元14、第二饋入源15及接地部16。

可理解，於本申請實施例中，所述第一饋入源12為單極天線饋入源。所述第一饋入源12設置於所述第一部分207之內側。所述第一饋入源12之一端可藉由彈片、微帶線、條狀線、同軸電纜等方式電連接至所述第一部分207，以饋入電流訊號至所述第一部分207，即使得所述第一部分207構成相應之天線輻射體。所述第一饋入源12之另一端電連接至所述系統接地面，即接地。

所述連接部13設置於所述第一部分207之內側。所述連接部13可為接地部或者高頻調節器(Middle Band Conditioner，MBC)。所述MBC可為電感與/或電容。所述連接部13設置於所述第一部分207靠近所述縫隙200b之位置。所述連接部13之一端電連接至所述第一部分207，另一端電連接至所述系統接地面，即接地。當所述連接部13為MBC時，其用以調整所述第一部分207之中頻頻段，並大幅提升其頻寬與天線效率。

所述切換單元14設置於所述第一部分207之內側。所述切換單元14與所述第一饋入源12及連接部13間隔設置，且設置於所述第一饋入源12遠離所述連接部13之一側。所述切換單元14之一端電連接至所述第一部分207。所述切換單元14之另一端電連接至所述系統接地面，即接地，用以切換所述第一部分207之各低頻模態。

所述第二饋入源15為單極天線饋入源。所述第二饋入源15設置於所述第二部分208之內側。所述第二饋入源15之一端可藉由彈片、微帶線、條狀線、同軸電纜等方式電連接至所述第二部分208，以饋入電流訊號至所述第二部分208，即使得所述第二部分208構成相應之天線輻射體。所述第二饋入源15之另一端電連接至所述系統接地面，即接地。

所述接地部16設置於所述第二部分208之內側。所述接地部16位於所述連接部13與所述第二饋入源15之間，其相比所述第二饋入源15更靠近所述縫隙200b。所述接地部16之一端電連接至所述第二部分208，另一端電連接至所述系統接地面(即接地)，用以為所述第二部分208提供接地。

可理解，於本申請實施例中，所述天線模組11於第二方向(所述第二方向與第一方向垂直，例如圖5中所示x軸方向)內之投影與所述第一部分207與/或第二部分208於所述第二方向內之投影至少部分重疊。例如，請一併參閱圖6，於其中一個實施例中，所述天線模組11於所述第二方向之投影與所述第二部分208於所述第二方向之投影完全重疊。請一併參閱圖8，於另外一個實施例中，所述天線模組11於所述第二方向之投影與所述第一部分207與第二部分208於所述第二方向內之投影重疊。亦就是說，於所述第二方向上，所述第一部分207與/或第二部分208可遮蔽所述天線模組11。

可理解，請一併參閱圖9，為所述天線結構100之電流路徑圖。其中，如上所述，所述天線模組11工作於28GHz模態及39GHz模態。具體地，所述天線模組11可設置14組掃描波束(beams)，例如，7組水平極化加7組垂直極化steer於0度，+/-15度，+/-30度與+/-45度，以使其工作於28GHz模態及39GHz模態。

所述第一部分207構成所述天線結構100之第一輻射部，所述第一輻射部為單極(monopole)天線。當電流自所述第一饋入源12饋入時，所述電流將經一第一匹配電路(圖未示)饋入所述第一部分207，其電流經由所述切換單元14流至所述縫隙200b(參路徑P1)，進而激發一第一工作模態以產生第一輻射頻段之輻射訊號。

當電流自所述第一饋入源12饋入時，所述電流將經所述第一匹配電路饋入所述第一部分207，其電流經由所述切換單元14流至所述連接部13(參路徑P2)，進而激發一第二工作模態以產生第二輻射頻段之輻射訊號。

當電流自所述第一饋入源12饋入時，所述電流將經所述第一匹配電路饋入所述第一部分207，並流經所述連接部13及切換單元14(參路徑P3)，進而激發一第三工作模態以產生第三輻射頻段之輻射訊號。

另外，當電流自所述第一饋入源12饋入時，所述電流將流經所述連接部13(參路徑P4)，進而激發一第四工作模態以產生第四輻射頻段之輻射訊號。

於本申請實施例中，所述第一工作模態為LTE-A低頻模態。所述第一輻射頻段之頻率為700-960MHz。所述第二工作模態包括LTE-A中頻模態及LTE-A高頻模態。所述第二輻射頻段之頻率包括1710-2170MHz及2300-2690MHz。所述第三工作模態包括超高頻模態，5G N77模態及5G N78模態。所述第三輻射頻段之頻率包括3400-3800MHz，3300-4200MHz，3300-3800MHz，即為3300-4200MHz。所述第四工作模態包括5G N79模態。所述第四輻射頻段之頻率包括4400-5000MHz。

即，於本申請實施例中，路徑P1為LTE-A低頻模態之輻射電流路徑。路徑P2為LTE-A中，高頻模態之輻射電流路徑。路徑P3為超高頻模態，5G N77模態及5G N78模態之輻射電流路徑。路徑P4為5G N79模態之輻射電流路徑。

可理解，請再次參閱圖8，所述第二部分208構成所述天線結構100之第二輻射部，所述第二輻射部為回路(Loop)天線。當電流自所述第二饋入源15饋入時，所述電流將經一第二匹配電路(圖未示)饋入所述第二部分208，且饋入電流經所述第二部分208之末端(例如圖中右側末端)流至所述縫隙200b (參路徑P5)，進而激發一第五工作模態以產生第五輻射頻段之輻射訊號。

當電流自所述第二饋入源15饋入時，所述電流將經所述第二匹配電路饋入所述第二部分208，所述第二部分208流經所述接地部16且流至所述縫隙200b(參路徑P6)，進而激發一第六工作模態以產生第六輻射頻段之輻射訊號。

當電流自所述第二饋入源15饋入時，所述電流將經所述第二匹配電路饋入所述第二部分208，且經所述第二部分208流至所述第二部分208之末端(例如圖中右側末端，參路徑P7)，進而激發一第七工作模態以產生第七輻射頻段之輻射訊號。

於本申請實施例中，所述第五工作模態包括全球定位系統(Global Positioning System，GPS)模態。所述第五輻射頻段之頻率為1575MHz。所述第六工作模態為WIFI 2.4GHz模態。所述第六輻射頻段之頻率為2400-2484MHz。所述第七工作模態為WIFI 5GHz模態。所述第七輻射頻段之頻率均為5150-5850MHz。即路徑P5為GPS模態之輻射電流路徑。路徑P6為WIFI 2.4GHz模態之輻射電流路徑。路徑P7為WIFI 5GHz模態之輻射電流路徑。

圖10為所述天線結構100中第一輻射部及第二輻射部之S參數(散射參數)曲線圖。其中，曲線S101為所述第一輻射部之S11值。曲線S102為所述第二輻射部之S11值。

圖11為所述天線結構100中第一輻射部及第二輻射部之總效率曲線圖。其中，曲線S111為所述第一輻射部之總效率值。曲線S112為所述第二輻射部之總效率值。

圖12為所述天線結構100中天線模組11之S參數(散射參數) 曲線圖。其中，曲線S121為所述天線模組11工作於28GHz模態時之S11值。曲線S122為所述天線模組11工作於39GHz模態時之S11值。

圖13為所述天線結構100中天線模組11之總效率曲線圖。其中，曲線S131為所述天線模組11工作於28GHz模態時之總效率值。曲線S132為所述天線模組11工作於39GHz模態時之總效率值。

請一併參閱圖14及圖15，分別為所述天線結構100中天線模組11工作於28GHz模態時之2D輻射場型圖及3D輻射場型圖。

請一併參閱圖16及圖17，分別為所述天線結構100中天線模組11工作於39GHz模態時之2D輻射場型圖及3D輻射場型圖。

請一併參閱圖18，為所述天線結構100中天線模組11之實測增益(Realized Gain)累積分佈函數(Cumulative Distribution Function，CDF)曲線圖。其中，曲線S181為所述天線結構100中天線模組11工作於28GHz模態時之實測增益(Realized Gain)累積分佈函數(Cumulative Distribution Function)曲線圖。曲線S182為所述天線結構100中天線模組11工作於39GHz模態時之實測增益(Realized Gain)累積分佈函數(Cumulative Distribution Function)曲線圖。

顯然，所述天線結構100可有效提升頻寬並兼具最佳天線效率。所述天線結構100可涵蓋低、中、高頻、超高頻、5G N77、5G N78、5G N79、GPS、Wi-Fi 2.4G、Wi-Fi 5G、5G 28GHz與5G 39GHz頻段，並大幅提升其頻寬與天線效率，亦可涵蓋全球頻段之應用，以及支援LTE-A之載波聚合應用(Carrier Aggregation，CA)要求。

亦就是說，所述天線結構100可產生各種不同之工作模態，例如低頻模態、中頻模態、高頻模態、超高頻模態、5G N77、5G N78、5G N79、GPS、Wi-Fi 2.4G、Wi-Fi 5G、5G 28GHz與5G 39GHz模態，涵蓋全球常用之通訊頻段。具體而言，所述天線結構100於低頻可涵蓋GSM850/900/WCDMA Band5/Band8/Band13/Band17/Band20，中頻可涵蓋GSM 1800/1900/WCDMA 2090(1710-2170MHz)，高頻涵蓋LTE-A Band7、Band40、Band41(2300-2690MHz)，超高頻涵蓋3400-3800MHz、以及5G之新頻譜範圍包括N77(3300-4200MHz)、N78(3300-3800MHz)與N79(4400-5000MHz)。另可涵蓋GPS(1575MHz)、Wi-Fi 2.4G(2400-2484MHz)及Wi-Fi 5G(5150-5850MHz)。所述天線結構100之設計頻段可應用於GSM Qual-band、UMTS Band I/II/V/VIII頻段以及全球常用LTE 850/900/1800/1900/2090/2300/2500頻段之操作。所述天線結構100還結合毫米波(mmWave)之天線模組11，將5GmmWave之天線模組11放置於兩天線輻射體(即第一部分207及第二部分208)之間之中斷點(即縫隙200b)內側區域，並使得所述天線模組11於某一方向之投影與所述第一部分207與/或第二部分208於所述方向之投影至少部分重疊，即所述第一部分207與/或第二部分208遮蔽所述天線模組11。所述天線模組11可涵蓋28GHz頻段與39GHz頻段(頻率範圍27.5-28.35GHz與37-40GHz)，且可不受限於高屏占比螢幕及高金屬包覆率等金屬環境影響，進而可有效大幅地提升頻寬及效率。

當然，於本申請實施例中，所述天線結構100不局限於上述所述頻段。具體地，所述天線結構100之外形，長度與/或寬度等，可依據所需之頻率做調整。即所述天線結構100之工作頻段可根據具體需求，藉由調節其外形，長度與/或寬度等參數來實現。

以上所述，僅為本發明的較佳實施例，並非是對本發明作任何形式上的限定。另外，本領域技術人員還可在本發明精神內做其它變化，當然，這些依據本發明精神所做的變化，都應包含在本發明所要求保護的範圍之內。