TWI823597B - 耦合式多支路天線系統 - Google Patents

Abstract

本案提供一種耦合式多支路天線系統，包含一介質基板及其上之接地部、第一寄生支路、第二寄生支路、第一金屬支路、第二金屬支路以及訊號源。接地部靠近第一短側邊且沿著第一長側邊設置。第一寄生支路靠近第二短側邊且具至少一彎折而沿著第二長側邊延伸。第二寄生支路一端連接接地部，另一端係平行該第一長側邊並朝向第一寄生支路的方向延伸。第一金屬支路之一端位於接地部一側，另一端朝向第二短側邊的方向延伸而使第一金屬支路位於第一寄生支路及第二寄生支路之間。第二金屬支路之一端連接第一金屬支路，另一端則朝向遠離第一金屬支路的方向延伸而沿著第二長側邊設置。訊號源連接第一金屬支路及接地部，以收發一射頻訊號。

Description

耦合式多支路天線系統

本案係有關一種可降低天線垂直軸高度來滿足窄邊框設計需求之耦合式多支路天線系統。

隨著技術的演進以及外觀的美觀設計，筆記型電腦對於窄邊框螢幕設計的機種也越來越多，在目前的天線設計上由於Wi-Fi 6E的加入，除了要支援原先2400~2500 MHz與5150~5850 MHz的頻段之外，在高頻也新增了5925~7125 MHz的頻段，所以為了符合天線效率的要求，設計在螢幕端的天線，其垂直軸（Y軸）的部分常常會需要大於6 mm以上的寬度才容易符合天線的效率規範，但是由於窄邊框的外觀設計需求，導致在螢幕周圍的垂直軸往往無法保留6 mm的空間給天線，因此天線只能更改設計在系統端中的手托（palm rest）前緣，但是由於系統端中的雜訊過高，RF人員常常需要增加吸波材、導電布、導電泡棉…等輔材來降低雜訊對於無線通訊的影響，卻也因此而增加成本，並且由於天線在系統端中離人體距離也較近，常常會因為SAR值過高而需要降低網卡的傳輸功率，但是降低傳輸功率也會使得傳輸量降低，進而影響無線通訊的吞吐量。

因此，如何設計同時滿足窄邊框、天線縮小化及頻寬需求，為當前天線設計之重點。

本案提供一種耦合式多支路天線系統，包含一介質基板、一接地部、一第一寄生支路、一第二寄生支路、一第一金屬支路、一第二金屬支路以及一訊號源。在耦合式多支路天線系統中，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。接地部位於介質基板上，接地部靠近第一短側邊且沿著第一長側邊設置。第一寄生支路係位於介質基板上，第一寄生支路靠近第二短側邊且具至少一彎折而沿著第二長側邊延伸。第二寄生支路位於介質基板上，第二寄生支路一端連接接地部，另一端係平行該第一長側邊並朝向第一寄生支路的方向延伸。第一金屬支路位於介質基板上，第一金屬支路具有一連接端及一開放端，連接端位於接地部一側，且開放端朝向第二短側邊的方向延伸而使第一金屬支路位於第一寄生支路及第二寄生支路之間。第二金屬支路位於介質基板上，第二金屬支路之一端連接連接端，另一端則朝向遠離第一金屬支路的方向延伸而沿著第二長側邊設置。訊號源位於介質基板上且連接第一金屬支路之連接端及接地部，以收發一射頻訊號。

綜上所述，本案係為一種耦合式多支路天線系統，其係利用耦合式多支路的堆疊設計，來降低天線的垂直軸高度，以符合窄邊框的設計需求，並可在天線縮小化之前提下，增加天線可操作頻寬，讓天線系統可以支援2.4、5、6 GHz（2400～2484 MHz、5150~7125 MHz）之頻段，以有效涵蓋最新Wi-Fi 6E所需之頻寬需求。

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，一耦合式多支路天線系統10係包含一介質基板12、一接地部14、一第一寄生支路16、一第二寄生支路18、一第一金屬支路20、一第二金屬支路22以及一訊號源24。

如圖1所示，在耦合式多支路天線系統10中，介質基板12係具有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連接第一長側邊121及第二長側邊122的另一同側。接地部14係位於介質基板12上，接地部14靠近介質基板12之第一短側邊123且沿著第一長側邊121設置。第一寄生支路16係位於介質基板12上，第一寄生支路16靠近第二短側邊124且具至少一彎折（朝向第一短側邊123之方向彎折）而沿著第二長側邊122延伸，並延伸至對應接地部14之位置。第二寄生支路18係位於介質基板12上，第二寄生支路18之一端連接至接地部14，另一端係平行介質基板12之第一長側邊121並朝向第一寄生支路16的方向延伸。第一金屬支路20係位於介質基板12上，第一金屬支路20的二端分別具有一連接端201及一開放端202，連接端201靠近接地部14且位於接地部14之一側，開放端202係朝向第二短側邊124的方向延伸而使第一金屬支路20位於第一寄生支路16及第二寄生支路18之間，其中，第一金屬支路20係分別平行第一寄生支路16及第二寄生支路18，使第一金屬支路20與第一寄生支路16之間具有一第一耦合間距D1，第一金屬支路20與第二寄生支路18之間具有一第二耦合間距D2。第二金屬支路22係位於介質基板12上，第二金屬支路22之一端連接第一金屬支路20之連接端201，第二金屬支路22之另一端則朝向遠離第一金屬支路20的方向彎折延伸而沿著第二長側邊122設置。訊號源24係位於介質基板12上，訊號源24之一端連接第一金屬支路20之連接端201，另一端連接至接地部14，以利用同軸傳輸線或微帶傳輸線等訊號傳輸媒介來收發一射頻訊號。

在一實施例中，如圖1所示，耦合式多支路天線系統10更包含一系統接地面26，系統接地面26係鄰接於介質基板12的第一長側邊121，使系統接地面26係緊沿著第一長側邊121設置，且接地部14及第一寄生支路16連接至此系統接地面26，以透過系統接地面26連接下地，此時，第二寄生支路18及系統接地面26之間係具有一第三耦合間距D3。在一實施例中，系統接地面26可為獨立之一金屬片或金屬層，或是位於一電子裝置之金屬平面，例如，系統接地面26可為電子裝置的金屬框或是電子裝置的機殼內部的金屬片或濺鍍的金屬部，但本案不以此為限。舉例來說，電子裝置為筆記型電腦時，系統接地面26可以為筆記型電腦螢幕的系統接地面或筆記型電腦螢幕機殼內的EMI鋁箔或濺鍍之金屬區域等金屬部。

如圖1所示，由於第一寄生支路16、第一金屬支路20、第二寄生支路18、接地部14及系統接地面26的緊密堆疊，可以有效縮減耦合式多支路天線系統10之垂直軸（Y軸）寬度，並且可藉由調整第一耦合間距D1、第二耦合間距D2及第三耦合間距D3之長度，來調整射頻訊號耦合至耦合式多支路天線系統10之耦合能量。在一實施例中，第一耦合間距D1係為1 mm～0.25 mm，第二耦合間距D2係為1 mm～0.25 mm，第三耦合間距D3係為1 mm～0.25 mm。在本實施例中，第一耦合間距D1、第二耦合間距D2及第三耦合間距D3係為0.5 mm，因此耦合式多支路天線系統10之垂直軸寬度可以縮小至3 mm。基此，本案之耦合式多支路天線系統10適合應用在極窄邊框之電子裝置上，此電子裝置可為一行動電話、一個人數位助理、平板電腦、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。

在一實施例中，如圖1所示，接地部14、第一寄生支路16、第二寄生支路18、第一金屬支路20及第二金屬支路22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。

在一實施例中，在此係以筆記型電腦為例，請同時參閱圖2及圖3所示，當耦合式多支路天線系統10安裝在筆記型電腦之蓋體（圖中未示）上時，介質基板12可以對齊至一顯示面板28（例如液晶顯示面板）之上邊緣，且系統接地面26與顯示面板28係間隔設置而於二者間存在一間隙，此時，耦合式多支路天線系統10與顯示面板28之金屬區域可以鄰近切齊，且顯示面板28不會影響到耦合式多支路天線系統10之效能。由於第二寄生支路18連接至接地部14，且與系統接地面26之距離亦相當接近，第二寄生支路18在此狀態下仍可正常工作，具有抵抗接地環境干擾的效果，所以當耦合式多支路天線系統10安裝位置與顯示面板28鄰近切齊時，耦合式多支路天線系統10仍可維持正常運作而不會影響其效能。

再者，為了加強接地效果，如圖4所示，本案更可利用一金屬板30連接耦合式多支路天線系統10、系統接地面26及顯示面板28，使耦合式多支路天線系統10具有足夠的接地面積，以確保耦合式多支路天線系統10接地的穩定性。

在另一實施例中，請同時參閱圖5及圖6所示，當耦合式多支路天線系統10安裝在筆記型電腦之蓋體（圖中未示）上時，介質基板12之部分更可以與顯示面板28互相重疊，也就是顯示面板28會覆蓋住部分的耦合式多支路天線系統10，且系統接地面26與顯示面板28係間隔設置而於二者之間存在一間隙，此間隙至少為0.5 mm，此時，顯示面板28之金屬區域會覆蓋住耦合式多支路天線系統10之部分接地部14，且顯示面板28亦不會影響到耦合式多支路天線系統10之效能，使耦合式多支路天線系統10亦能夠正常運作。

請同時參閱圖1及圖7所示，在耦合式多支路天線系統10中，第一金屬支路20耦合激發第一寄生支路16，以形成一環圈共振路徑，此環圈共振路徑係為操作頻率0.25倍波長的長度，故可在2.45 GHz附近形成第一共振模態涵蓋2.33～2.56 GHz，在第一共振模態下，耦合式多支路天線系統10之表面電流路徑分布如圖8所示。在接地部14一側增設第二寄生支路18，使第二寄生支路18位於第一金屬支路20與系統接地面26之間，利用此第二寄生支路18可以在不增加額外空間的情況下有效增加高頻之共振模態，故可藉由第一金屬支路20耦合激發第二寄生支路18，以形成一共振路徑，此共振路徑係為操作頻率0.25倍波長的長度，故可有效的在5.3 GHz產生第二共振模態，另外，由於第一金屬支路20的電流方向與第二寄生支路18的電流方向一致，因此可以加強第二寄生支路18對於鄰近金屬耦合的抵抗能力，也就是可以降低鄰近系統接地面26與顯示面板28對於第二寄生支路18的影響，在第二共振模態下，耦合式多支路天線系統10之表面電流路徑分布如圖9所示。第二金屬支路22於高頻操作時會形成一共振路徑，此共振路徑係為操作頻率0.25倍波長的長度，故可有效的在6.86 GHz產生第三共振模態，在第三共振模態下，耦合式多支路天線系統10之表面電流路徑分布如圖10所示。藉由第二共振模態及第三共振模態所合成之頻寬，本案可以在高頻涵蓋4.93~8.61 GHz。因此，綜合前述之第一共振模態、第二共振模態及第三共振模態，本案之耦合式多支路天線系統10之操作頻寬可以滿足Wi-Fi 6E（2400-2484 MHz、5150-7125 MHz）的頻段操作範圍。

本案提出之耦合式多支路天線系統10確實具有良好的反射係數。請同時參閱圖1及圖7所示，此耦合式多支路天線系統10於射頻訊號傳輸時，來進行S參數（反射係數）的模擬分析。當耦合式多支路天線系統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7所示，由圖7所顯示的曲線可知，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（S11）均小於-5 dB（S11＜-5 dB），證明在低頻操作頻段（第一共振模態）以及高頻操作頻段（第二共振模態及第三共振模態）均具有良好的反射係數，可以滿足WiFi 6E的頻段範圍。

本案主要是利用耦合式多支路，並且將接地部的寄生支路做堆疊設計來降低天線的垂直軸高度，大約僅需3 mm即可，因此大幅改善了天線設計在窄邊框螢幕端的限制。基此，本案具有三大優勢，第一，本案可以符合極致窄邊框螢幕的設計需求，適合應用在極窄邊框螢幕之電子裝置中；第二，由於天線遠離系統端，因此節省了用來降低雜訊的輔料成本；第三，由於天線設置在螢幕端離人體距離相當遠，可降低SAR值過高的問題，因此也大幅降低SAR值在認證時會失敗的問題，並且可以保持網卡設定在最高的傳輸功率的狀態，增加資料的傳輸速度，以改善無線通訊的吞吐量。

綜上所述，耦合式多支路天線系統，其係利用耦合式多支路的堆疊設計，來降低天線的垂直軸高度，以符合窄邊框的設計需求，並可在天線縮小化之前提下，增加天線可操作頻寬，讓天線系統可以支援2.4、5、6 GHz（2400～2484、5150~7125 MHz）之頻段，以有效涵蓋最新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:耦合式多支路天線系統 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:接地部 16:第一寄生支路 18:第二寄生支路 20:第一金屬支路 201:連接端 202:開放端 22:第二金屬支路 24:訊號源 26:系統接地面 28:顯示面板 30:金屬板 D1:第一耦合間距 D2:第二耦合間距 D3:第三耦合間距

圖1為根據本案一實施例之耦合式多支路天線系統的結構示意圖。 圖2為根據本案一實施例之耦合式多支路天線系統與顯示面板之間的示意圖。 圖3為根據本案一實施例之耦合式多支路天線系統與顯示面板之間的立體結構示意圖。 圖4為根據本案一實施例之耦合式多支路天線系統與顯示面板之間增設有金屬板的立體結構示意圖。 圖5為根據本案另一實施例之耦合式多支路天線系統與顯示面板之間的示意圖。 圖6為根據本案另一實施例之耦合式多支路天線系統與顯示面板之間的立體結構示意圖。 圖7為根據本案一實施例之耦合式多支路天線系統產生的反射係數（S11參數）模擬示意圖。 圖8為根據本案一實施例之耦合式多支路天線系統激發在2.45 GHz的表面電流路徑分布圖。 圖9為根據本案一實施例之耦合式多支路天線系統激發在5.3 GHz的表面電流路徑分布圖。 圖10為根據本案一實施例之耦合式多支路天線系統激發在6.86 GHz的表面電流路徑分布圖。

10:耦合式多支路天線系統

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:接地部

16:第一寄生支路

18:第二寄生支路

20:第一金屬支路

201:連接端

202:開放端

22:第二金屬支路

24:訊號源

26:系統接地面

D1:第一耦合間距

D2:第二耦合間距

D3:第三耦合間距

Claims (11)

1. 一種耦合式多支路天線系統，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；一接地部，位於該介質基板上，該接地部靠近該第一短側邊且沿著該第一長側邊設置；一第一寄生支路，位於該介質基板上，該第一寄生支路靠近該第二短側邊且具至少一彎折而沿著該第二長側邊延伸；一第二寄生支路，位於該介質基板上，該第二寄生支路一端連接該接地部，另一端係平行該第一長側邊並朝向該第一寄生支路靠近第二短側邊的方向延伸；一第一金屬支路，位於該介質基板上，該第一金屬支路具有一連接端及一開放端，該連接端位於該接地部一側，且該開放端朝向該第二短側邊的方向延伸而使該第一金屬支路位於該第一寄生支路及該第二寄生支路之間；一第二金屬支路，位於該介質基板上，該第二金屬支路之一端連接該連接端，另一端則朝向遠離該第一金屬支路的方向延伸而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連接端及該接地部，以收發一射頻訊號。
2. 如請求項1所述之耦合式多支路天線系統，其中該第一金屬支路係分別平行該第一寄生支路及該第二寄生支路，使該第一金屬 支路與該第一寄生支路之間具有一第一耦合間距，該第一金屬支路與該第二寄生支路之間具有一第二耦合間距。
3. 如請求項1所述之耦合式多支路天線系統，更包含一系統接地面，鄰接於該介質基板的該第一長側邊，且連接該接地部及該第一寄生支路。
4. 如請求項3所述之耦合式多支路天線系統，其中該第二寄生支路及該系統接地面之間係具有一第三耦合間距。
5. 如請求項2所述之耦合式多支路天線系統，其中該第一耦合間距係為1mm~0.25mm。
6. 如請求項2所述之耦合式多支路天線系統，其中該第二耦合間距係為1mm~0.25mm。
7. 如請求項4所述之耦合式多支路天線系統，其中該第三耦合間距係為1mm~0.25mm。
8. 如請求項1所述之耦合式多支路天線系統，其中該第一金屬支路耦合激發該第一寄生支路，以形成一環圈共振路徑，該環圈共振路徑係為操作頻率0.25倍波長的長度。
9. 如請求項1所述之耦合式多支路天線系統，其中該第一金屬支路耦合激發該第二寄生支路，以形成一共振路徑，該共振路徑係為操作頻率0.25倍波長的長度。
10. 如請求項1所述之耦合式多支路天線系統，其中該第二金屬支路於高頻操作時，形成一共振路徑，該共振路徑係為操作頻率0.25倍波長的長度。
11. 如請求項1所述之耦合式多支路天線系統，其中該第二寄生支路之電流方向與該第一金屬支路之電流方向為同向。