TW201507261A - 穿戴式裝置 - Google Patents
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Abstract
一種穿戴式裝置,具有無線通訊功能,並包括:一介質基板、一信號源,以及一天線結構。該介質基板具有一中央孔洞。該天線結構包括:一第一輻射部、一第二輻射部、一電容元件,以及一電感元件。該第一輻射部和該第二輻射部皆設置於該介質基板上。該第二輻射部係與該第一輻射部分離。該信號源和該電容元件係串聯耦接於該第一輻射部和該第二輻射部之間該電感元件係耦接於該第一輻射部和該第二輻射部之間。
Description
本發明係關於一種穿戴式裝置(Wearable Device),特別係關於具有無線通訊功能之穿戴式裝置。
隨著行動通訊技術的發達,行動裝置在近年日益普遍,常見的例如:手提式電腦、行動電話、多媒體播放器以及其他混合功能的攜帶型電子裝置。為了滿足人們的需求,行動裝置通常具有無線通訊的功能。有些涵蓋長距離的無線通訊範圍,例如:行動電話使用2G、3G、LTE(Long Term Evolution)系統及其所使用700MHz、850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz、2100MHz、2300MHz以及2500MHz的頻帶進行通訊,而有些則涵蓋短距離的無線通訊範圍,例如:Wi-Fi、Bluetooth以及WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)系統使用2.4GHz、3.5GHz、5.2GHz和5.8GHz的頻帶進行通訊。
依據各品牌大廠之研究方向,次世代新興之行動裝置很可能會是「穿戴式裝置(Wearable Device)」。例如,手錶、戒指、眼鏡,甚至是身上衣物,都有機會在未來具有無線通訊功能。然而,以穿戴式裝置中的戒指為例,其內部空間非常狹小,不足以容納用於無線通訊之天線。此將成為天線設計者之一大挑戰。
本發明提供一種穿戴式裝置,具有無線通訊功能,並包括:一介質基板,具有一中央孔洞;一信號源;以及一天線結構,包括:一第一輻射部,設置於該介質基板上;一第二輻射部,設置於該介質基板上,並與該第一輻射部分離;一電容元件,其中該信號源和該電容元件係串聯耦接於該第一輻射部和該第二輻射部之間;以及一電感元件,耦接於該第一輻射部和該第二輻射部之間。
100、400、500‧‧‧穿戴式裝置
110‧‧‧介質基板
111、411‧‧‧第一無金屬區域
112‧‧‧第二無金屬區域
115‧‧‧介質基板之中央孔洞
120、420、520‧‧‧天線結構
130、430‧‧‧第一輻射部
131‧‧‧第一輻射部之第一端
132‧‧‧第一輻射部之第二端
140、440‧‧‧第二輻射部
141‧‧‧第二輻射部之第一端
142‧‧‧第二輻射部之第二端
150、550‧‧‧電容元件
160、460‧‧‧電感元件
170‧‧‧短路部
190‧‧‧信號源
FB1‧‧‧操作頻帶
第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置之立體圖;第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置之俯視圖;第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置之天線結構之返回損失圖;第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置之天線結構之天線效率圖;第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置之俯視圖;以及第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置之俯視圖。
為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂,
下文特舉出本發明之具體實施例,並配合所附圖式,作詳細說明如下。
第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式
裝置(Wearable Device)100之立體圖。第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置100之俯視圖。穿戴式裝置100可以是具有無線通訊功能之一智慧型穿戴式裝置(Smart Wearable Device),而該智慧型穿戴式裝置更可與一行動裝置(例如:一智慧型手機、一平板電腦,或是一筆記型電腦)(未顯示)建立一無線連結,例如:Wi-Fi連線或是Bluetooth連線。請一併參考第1A、1B圖。如第1A、1B圖所示,穿戴式裝置100至少包括:一介質基板110、一天線結構120,以及一信號源190。介質基板110可以是一系統電路板或是一FR4(Flame Retardant 4)基板。介質基板110具有一中央孔洞115。在一些實施例中,介質基板110可以大致為一圓形,而介質基板110之中央孔洞115可以大致為較小之另一圓形,其中此二圓形具有一共同圓心。在其他實施例中,介質基板110可以大致為一正方形,而介質基板110之中央孔洞115可以大致為較小之另一正方形。一使用者之一特定部位(例如:手指、手腕)可以穿過介質基板110之中央孔洞115,使得該使用者能簡易地佩戴上穿戴式裝置100。在一些實施例中,穿戴式裝置100更可包括一非導體外殼(未顯示)。該非導體外殼可以包覆住介質基板110、天線結構120,以及信號源190,其中該非導體外殼可用於避免該使用者直接接觸到天線結構120。信號源190可以是一射頻(Radio Frequency)模組,其用於激發天線結構120。必須注意的是,穿
戴式裝置100之樣式、形狀、尺寸、顏色均非為本發明之限制條件。在本發明較佳實施例中,穿戴式裝置100可以是具有無線通訊功能之一戒指。在其他實施例中,穿戴式裝置100亦可為具有無線通訊功能之一手腕環圈。穿戴式裝置100更可包括其他元件,例如:一處理器、一生理信號感測模組、一電池模組、一金屬花飾,一鑽石,或(且)一紅寶石。
在第1A、1B圖之實施例中,天線結構120至少包
括:一第一輻射部130、一第二輻射部140、一電容元件150,以及一電感元件160。第一輻射部130和第二輻射部140可以用金屬製成,例如:銅、銀、鋁,或鐵。第一輻射部130和第二輻射部140皆設置於介質基板110之一表面上,其中第二輻射部140係與第一輻射部130分離。更詳細地說,介質基板110更可具有一第一無金屬區域111和一第二無金屬區域112。第一無金屬區域111係介於第一輻射部130之一第一端131和第二輻射部140之一第一端141之間。第二無金屬區域112係介於第一輻射部130之一第二端132和第二輻射部140之一第二端142之間。在一些實施例中,第一無金屬區域111之面積係遠小於第二無金屬區域112之面積。電容元件150、信號源190,以及電感元件160皆可以設置於介質基板110之第一無金屬區域111內。另一方面,介質基板110之第二無金屬區域112可以用於配置較大型之其他電子元件,例如:一處理器、一生理信號感測模組,或(且)一電池模組(未顯示)。必須注意的是,第1A、1B圖所示之第一輻射部130和第二輻射部140之形狀並非為本發明之限制條件。在其他實施例中,第一輻射部130和第二輻射部140亦可
大致為其他形狀(例如:U字形,或是L字形),以與介質基板110之邊緣形狀相容(例如,介質基板110亦可大致為一矩形)。
在一些實施例中,電容元件150為一晶片電容器
(Chip Capacitor),而電感元件160為一晶片電感器(Chip Inductor)。信號源190和電容元件150係串聯耦接於第一輻射部130和第二輻射部140之間。更詳細地說,信號源190具有一正極和一負極。在一些實施例中,信號源190之該正極係經由電容元件150耦接至第二輻射部140之第一端141,而信號源190之該負極係直接耦接至第一輻射部130之第一端131。在其他實施例中,信號源190之該正極係直接耦接至第二輻射部140之第一端141,而信號源190之該負極係經由電容元件150耦接至第一輻射部130之第一端131。電感元件160係耦接於第一輻射部130和第二輻射部140之間。在一些實施例中,天線結構120更可包括一短路部170,其中短路部170係設置於介質基板110之第一無金屬區域111內。短路部170可以用金屬製成,例如:銅、銀、鋁,或鐵。短路部170和電感元件160係串聯耦接於第一輻射部130和第二輻射部140之間,其中短路部170和電感元件160之連接順序可以對調。短路部170並非為天線結構120之必要元件,在其他實施例中,短路部170亦可移除(例如,電感元件160之一第一端係直接耦接至第一輻射部130,而電感元件160之一第二端係直接耦接至第二輻射部140)。
在一些實施例中,穿戴式裝置100為一戒指,而其
元件尺寸可如下列所述。介質基板110之外半徑約為12.5mm,而介質基板110之內半徑(亦即,中央孔洞115之半徑)約為
10mm。介質基板110之厚度約為0.8mm。第一無金屬區域111之長度(亦即,第一輻射部130之第一端131和第二輻射部140之第一端141之間之最短距離)約為2mm。第二無金屬區域112之長度(亦即,第一輻射部130之第二端132和第二輻射部140之第二端142之間之最短距離)約為17mm。第一輻射部130之長度約為24mm,寬度約為2.5mm。第二輻射部140之長度約為24mm,寬度約為2.5mm。電容元件150之電容值約介於1pF至5pF之間,較佳為3pF。電感元件160之電感值約介於1nH至3nH之間,較佳為1.5nH。
第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式
裝置100之天線結構120之返回損失(Return Loss)圖,其中橫軸代表操作頻率(MHz),而縱軸代表返回損失(dB)。如第2圖所示,穿戴式裝置100之天線結構120係激發產生至少一操作頻帶FB1。在較佳實施例中,操作頻帶FB1約介於2400MHz至2484MHz之間。因此,穿戴式裝置100之天線結構120至少可涵蓋WLAN(Wireless Local Area Network)2.4GHz頻帶,並可用於支援IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)802.11通訊協定。
第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式
裝置100之天線結構120之天線效率(Antenna Efficiency)圖,其中橫軸代表操作頻率(MHz),而縱軸代表天線效率(%)。如第3圖所示,穿戴式裝置100之天線結構120於操作頻帶FB1中之天線效率約可達86%以上,可符合實際應用需求。
在本發明較佳實施例中,穿戴式裝置100之天線結
構120大致近似於一偶極天線(Dipole Antenna)。由於穿戴式裝置100之內部空間極為有限,故可將電感元件160加入天線結構120之第一金屬部130和第二金屬部140之間,以提供額外之一共振長度。在此情況下,天線結構120之一總電感值將會增加,因此更可將電容元件150加入天線結構120,以補償(增加)天線結構120之一總電容值。另一方面,短路部170則可用於調整天線結構120之一虛部阻抗值(非為必要設計)。在較佳實施例中,天線結構120之總長度僅約等於其中心操作頻率之0.35倍波長,小於傳統偶極天線所需之0.5倍波長。根據第3圖之實施例可知,即使天線結構120之整體尺寸較小,其仍可具有相當高之天線效率。本發明可兼得微縮天線整體尺寸和維持天線輻射效率之雙重優勢,非常適合應用於各種小型化之穿戴式裝置中。
第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式
裝置400之俯視圖。第4圖和第1A、1B圖相似。在第4圖之實施例中,穿戴式裝置400之一天線結構420包括:一第一輻射部430、一第二輻射部440、一電容元件150,以及一電感元件460。
如第4圖所示,電感元件460包括彎折之一金屬線段,其中該金屬線段之一第一端係直接耦接至第一輻射部430,而該金屬線段之一第二端係直接耦接至第二輻射部440。該金屬線段可以包括互相連接之複數個U字形部份。第二輻射部440可以具有一角落缺口,其中該角落缺口可以大致為一矩形。對應地,介質基板110之一第一無金屬區域411可以大致為一L字形。第4圖之穿戴式裝置400之其餘特徵皆與第1A、1B圖之穿戴式裝置100
類似,故此二實施例均可達成相似之操作效果。
第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式
裝置500之俯視圖。第5圖和第1A、1B圖相似。在第5圖之實施例中,穿戴式裝置500之一天線結構520包括:一第一輻射部130、一第二輻射部140、一電容元件550、一電感元件160,以及一短路部170。如第5圖所示,電容元件550包括互相平行且分離之二金屬線段,其中該等金屬線段之間形成一耦合間隙。
更詳細地說,一第一金屬線段係直接耦接至第二輻射部140,一第二金屬線段係直接耦接至一信號源190之一正極,而信號源190之一負極係直接耦接至第一輻射部130。信號源190和電容元件550可以串聯耦接於第一輻射部130和第二輻射部140之間,其中信號源190和電容元件550之連接順序可以對調。電容元件550之該等金屬線段之一者可為第二輻射部140之一部份或為第一輻射部130之一部份。第5圖之穿戴式裝置500之其餘特徵皆與第1A、1B圖之穿戴式裝置100類似,故此二實施例均可達成相似之操作效果。
值得注意的是,以上所述之元件尺寸、元件參數、
元件形狀,以及頻率範圍皆非為本發明之限制條件。天線設計者可以根據不同需要調整這些設定值。另外,本發明之天線結構並不僅限於第1-5圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-5圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之,並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之行動裝置及其天線結構中。
在本說明書以及申請專利範圍中的序數,例如「第
一」、「第二」、「第三」等等,彼此之間並沒有順序上的先後關係,其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。
本發明雖以較佳實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明的範圍,任何熟習此項技藝者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可做些許的更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧穿戴式裝置
110‧‧‧介質基板
111‧‧‧第一無金屬區域
112‧‧‧第二無金屬區域
115‧‧‧介質基板之中央孔洞
120‧‧‧天線結構
130‧‧‧第一輻射部
131‧‧‧第一輻射部之第一端
132‧‧‧第一輻射部之第二端
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142‧‧‧第二輻射部之第二端
150‧‧‧電容元件
160‧‧‧電感元件
170‧‧‧短路部
190‧‧‧信號源
Claims (11)
- 一種穿戴式裝置,具有無線通訊功能,並包括:一介質基板,具有一中央孔洞;一信號源;以及一天線結構,包括:一第一輻射部,設置於該介質基板上;一第二輻射部,設置於該介質基板上,並與該第一輻射部分離;一電容元件,其中該信號源和該電容元件係串聯耦接於該第一輻射部和該第二輻射部之間;以及一電感元件,耦接於該第一輻射部和該第二輻射部之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置,其中該介質基板大致為一圓形,而該介質基板之該中央孔洞大致為較小之另一圓形。
- 如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置,更包括:一非導體外殼,包覆住該介質基板、該天線結構,以及該信號源,其中該非導體外殼係用於避免一使用者直接接觸到該天線結構。
- 如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置,其中該介質基板更具有一第一無金屬區域和一第二無金屬區域,該第一無金屬區域係介於該第一輻射部之一第一端和該第二輻射部之一第一端之間,該第二無金屬區域係介於該第一輻射部之一第二端和該第二輻射部之一第二端之間,而該第一無金屬區域之面積係遠小於該第二無金屬區域之面積。
- 如申請專利範圍第4項所述之穿戴式裝置,其中該電容元件和該電感元件皆設置於該第一無金屬區域內。
- 如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置,其中該信號源具有一正極和一負極,該正極係經由該電容元件耦接至該第二輻射部,而該負極係耦接至該第一輻射部。
- 如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置,其中該天線結構更包括一短路部,而該短路部和該電感元件係串聯耦接於該第一輻射部和該第二輻射部之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置,其中該電容元件為一晶片電容器,而該電感元件為一晶片電感器。
- 如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置,其中該電感元件包括彎折之一金屬線段。
- 如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置,其中該電容元件包括互相平行且分離之二金屬線段。
- 如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置,其中該天線結構係激發產生一操作頻帶,而該操作頻帶約介於2400MHz至2484MHz之間。
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