CN109802229A - 光穿透辐射元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光穿透辐射元件。其包含基板、至少一个透明导电膜结构以及辐射结构。至少一个透明导电膜结构配置于基板的至少一个表面，至少一个透明导电膜结构的电阻值小于0.1mΩ，且至少一个透明导电膜结构在光波长为440纳米处的光穿透度大于50％；辐射结构用以产生第一射频信号，第一射频信号通过基板电性耦合于至少一个透明导电膜结构，借以产生第二射频信号，第一射频信号与第二射频信号的频率位置、返回损失、电压驻波比及谐波模态均为相异。本发明的光穿透辐射元件可用于转换射频信号的频率响应以增强天线的效能，进而改善含有天线的无线通讯产品的效能。

Description

光穿透辐射元件

技术领域

本发明是有关于一种光穿透辐射元件，且特别是有关于一种具有透明且 导电特性的薄膜结构的光穿透辐射元件，其可以耦合方式转换射频信号为响 应相异的另一射频信号，可用以调整天线的频率响应，借以改善含有天线的 无线通讯产品的效能。此光穿透辐射元件具有高透光度，故在与无线通讯产 品的整合上具有极高弹性。

背景技术

一般而言，天线装置广泛应用于现今无线通讯产品中，例如笔记本电脑、 手机等包含天线的无线通讯产品。然而，经由机壳封装后，通讯电子产品的 信号收发能力会降低。针对上述问题，公知解决方法为采用整合于保护盖上 的天线以增强信号收发能力，且调整无线通讯产品中的天线辐射信号。然而， 此解决方法是采用金属做为无线通讯产品外部的耦合天线材料，为达到天线 效能，无法采用透明导电材料(例如透明导电膜)制作，故无法将耦合天线 透明化。另一方面，公知透明导电元件是采用透明导电膜进行制作，然而， 现今的透明导电膜的量产方式是采用溅镀设备(sputter)，此溅镀设备生产透 明导电膜的速度极慢；若用于制作射频被动元件，需考量到薄膜厚度需要大 于元件操作频率的集肤深度(skin effect)，亦即特定频率电磁波在金属导体表 面传播时所需厚度，故采用透明导电膜生产被动元件不符合经济效益。有鉴 于此，有必要开发一种光穿透辐射元件，其通过耦合方式改善无线通讯产品 信号收发效能，且其具备高透明度的特性，以易于与无线通讯产品外观结合。

参照中国台湾专利公告号M458059的新型专利，其公开了一种手机保护 壳结构，其为一种加强手机信号的手机保护壳结构，利用应用非接触式的方 法将设置于保护壳上的金属片与手机的天线耦合，借以达到增加无线通讯装 置的效果。然而，金属片的色泽无法整合于透明保护壳上，而势必采用有色 保护壳以遮蔽金属片，导致影响手机本身外观的显现。

职是之故，申请人乃细心试验与研究，并一本锲而不舍的精神，终于研 究出一种光穿透辐射元件，特别是有关于一种可转换射频信号频率响应的光 穿透辐射元件，且其具有高透明度的特性。通过此光穿透辐射元件，可转换 既有天线的频率响应，改善配置天线的无线通讯产品的效能，以及调整使用 频段以扩展用途的功效。此外，因本光穿透辐射元件具有高透光度，故其在 与无线通讯产品的整合上具有高度弹性。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种光穿透辐射元件，通过其以耦合方式转 换射频信号为响应相异的另一射频信号，可用以调整天线的频率响应，借以 改善含有此天线的无线通讯产品的效能，且因其具有高透光度，故在与无线 通讯产品的整合上具有高度弹性。

为达上述目的，本发明提出一种光穿透辐射元件，其包含有基板、至少 一个透明导电膜结构和辐射结构。透明导电膜结构配置于基板的至少一个表 面，其电阻值小于0.1mΩ，且其在光波长440纳米处的光穿透度大于50％。 辐射结构用以产生第一射频信号，此第一射频信号通过基板电性耦合于透明 导电膜结构，借以产生第二射频信号。第一射频信号与第二射频信号的频率 位置、返回损失(return loss)、电压驻波比及谐波模态均为相异。

根据本发明的一实施例，上述透明导电膜结构的厚度介于0.5微米(μm) 与5微米之间。

根据本发明的又一实施例，上述透明导电膜结构的电阻率为可调整的， 其电阻值介于0.01mΩ与0.1mΩ之间。

根据本发明的又一实施例，上述基板在光波长为380纳米至780纳米处 的光穿透度大于88％。

根据本发明的又一实施例，上述基板的材质为玻璃、聚乙烯对苯二甲酸 酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、 环烯烃共聚物或透明陶瓷材料。

根据本发明的又一实施例，上述透明导电膜结构是步阶式阻抗共振器 (steppedimpedance resonator)、环形共振器(stepped impedance resonator)、 片型共振器(patch resonator)、四分之一波长共振器(quarter-wavelength resonator)、二分之一波长共振器(half-wavelength resonator)或槽孔式共振器 (slot resonator)。

根据本发明的又一实施例，上述辐射结构是单极天线(monopole antenna)、 偶极天线(monopole antenna)、槽孔天线(slot antenna)、回圈天线(loop antenna)、 螺线天线(spiral antenna)、倒F型天线(PIFA antenna)、平板天线(patch antenna)、 八木天线(Yagi antenna)或阵列天线(array antenna)。

根据本发明的又一实施例，上述透明导电膜结构包含第一透明导电膜结 构及第二透明导电膜结构，此第一透明导电膜结构与此第二透明导电膜结构 分别配置于基板的相对两表面上。

根据本发明的又一实施例，上述第一透明导电膜结构与上述第二透明导 电膜结构的透光度及电阻率均为相异。

根据本发明的又一实施例，上述第二射频信号与上述第一射频信号的频 率差异介于0.1MHz与10GHz之间，且上述第二射频信号与上述第一射频信 号的返回损失差异介于5dB与30dB之间。

本发明的光穿透辐射元件至少具有以下的功效。通过本发明的光穿透辐 射元件，可转换射频信号，且具有改善无线通讯产品信号收发能力的功效。 此外，本发明的光穿透辐射元件可整合至透明机壳上，改善先前技术无法制 作于透明机壳上的缺点。

为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举 数个优选实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更完整了解实施例及其优点，现参照结合所附附图所做的下列描述， 其中：

图1A为依据本发明一些实施例的光穿透辐射元件的结构示意图；

图1B为图1A的光穿透辐射元件的剖面视图；

图2为天线与结合光穿透辐射元件的天线的频率响应图；

图3A为依据本发明一些实施例的光穿透辐射元件的结构示意图；

图3B为图3A的光穿透辐射元件在不同耦合距离下的频率响应；

图4为图1A的光穿透辐射元件在不同厚度下的频率响应图；

图5A至图5C分别为光穿透辐射元件设置在无线通讯装置上的示例；

图6A和图6B分别为光穿透辐射元件设置在壳体上的示例；以及

图7为依据本发明一些实施例的光穿透辐射元件的结构示意图。

具体实施方式

虽然本发明可表现为不同形式的实施例，但附图所示的及在下文中说明 的为本发明的优选实施例，并请了解本文所公开的考量为本发明的范例，且 并非意图用以将本发明限制于图示及/或所描述的特定实施例中。

可理解的是，虽然在本文可使用“第一”和“第二”等用语来描述各种 元件、结构和/或部分，但这些用语不应限制这些元件、结构和/或部分。这些 用语仅用以区别一个元件、结构和/或部分与另一个元件、结构和/或部分。

现请参考图1A，其为依据本发明一些实施例的光穿透辐射元件100的结构 示意图。光穿透辐射元件100包含有基板110、透明导电膜结构120和辐射结构 130。基板110在光波长为380纳米至780纳米处的光穿透度大于88％。此外，基 板110的材质可以是玻璃、聚乙烯对苯二甲酸酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚氯乙 烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、环烯烃共聚物、透明陶瓷材料 或其他合适的材质。透明导电膜结构120是配置于基板110的表面111，此透明 导电膜结构120的厚度介于0.5微米(μm)与5微米之间。透明导电膜结构120的电阻值小于0.1mΩ。在一些实施例中，透明导电膜结构120的电阻率是可调 整的，其电阻值可介于0.01mΩ至0.1mΩ之间。透明导电膜结构120的电阻率的 调整可以是通过表面化学键结或静电作用(surface chemical binding or electrostatic interactions)、微探针或光学镊子(microprobes or optical tweezers)、 吹泡膜(blown bubble films)、朗缪尔和布劳杰特膜(Langmuir-Blodgett technique)、微流体与微通道(microfluidic andmicrochannels)、接触或滚印技 术(contact or roll printing)、介电泳或电场力(dielectrophoresis or electric fields)、磁场力(magnetic fields)技术、架桥技术(bridging method)、或静 电纺丝技术(electrospinning)来达成，其可参照文献ChemicalSociety Reviews， vol.41，no.12，2012，pp.4560-4580。

举例来说，当透明导电膜结构120的电阻值为0.056mΩ且射频信号的频率 为30MHz至300GHz时，其对应的表面电阻值(surface resistivity)为0.079Ω至 7.868Ω；当透明导电膜结构120的电阻值为0.037mΩ且射频信号的频率为 30MHz至300GHz时，其对应的表面电阻值为0.066Ω至6.620Ω。表面电阻值(以 R_s表示)定义为

其中σ为导体的电导率，其单位为(S/m)，且δ_S为集肤深度(skin depth)， 其单位为公尺且定义为

其中f为操作频率(赫兹)，μ为导体的绝对磁导率，且σ为导体的电导 率(S/m)。透明导电膜结构120在光波长440纳米处的光穿透度大于50％。透 明导电膜结构120是由多个纳米结构所构成，这些纳米结构的直径范围介于 15nm与80nm之间，其长度范围介于5μm与50μm之间，且其电阻值介于0.01mΩ 与0.1mΩ之间。透明导电膜结构120在每平方毫米面积中的纳米结构数量低于 1500个，且这些纳米结构的长宽比小于10。在一些实施例中，这些纳米结构 包含金纳米线、镍铜纳米线、银纳米线、镍铁纳米线、钴纳米线、铜纳米线、 铅纳米线、镍纳米线或纳米碳管。在一些实施例中，这些纳米结构为纳米碳 管，其包含多层纳米碳管、双层纳米碳管、单层纳米碳管或纳米碳纤维。

透明导电膜结构120在温度-72℃至85℃以及湿度为85％的环境下的片电 阻变化不超过10％。

在其他实施例中，透明导电膜结构可以是自组装导电网路结构，其包含 导电材料和基板。基板具有一个或多个穿孔，且在穿孔的边缘具有金属接线。 导电材料与在穿孔的边缘处的金属接线电性连接。在一些实施例中，导电材 料为金属纳米颗粒，例如银纳米颗粒或其他纳米颗粒。导电材料在基板上的 区域覆盖率低于5％。在多个穿孔的例子中，穿孔至另一穿孔的距离可介于10 微米与10毫米之间。

在一些实施例中，导电材料为金属迹线，这些金属迹线可与穿孔形成径 向图案，即分布至穿孔外侧的金属迹线由外而内延伸并进入至穿孔。金属迹 线的平均宽度和平均高度可分别为小于5微米和介于3微米与5微米之间。

在一些实施例中，透明导电膜结构120为步阶式阻抗共振器(stepped impedanceresonator)、环形共振器(ring resonator)、片型共振器(patch resonator)、四分之一波长共振器(quarter-wavelength resonator)、二分之一波 长共振器(half-wavelengthresonator)、槽孔式共振器(slot resonator)、方形螺 旋状共振器(square-spiralresonator)、圆形螺旋状共振器(circular-spiral resonator)或槽孔式螺旋状共振器(slot-spiral resonator)。

在本发明实施例中，辐射结构130产生的第一射频信号140通过基板110电 性耦合于透明导电膜结构120，借以产生第二射频信号150。第一射频信号140 与第二射频信号150的频率位置、返回损失大小、电压驻波比及谐波模态均为 相异。在一些实施例中，第二射频信号150与第一射频信号140的频率差异介 于0.1MHz与10GHz之间，且第二射频信号150与第一射频信号140的返回损失 差异介于5dB与30dB之间。辐射结构130可以是单极天线(monopole antenna)、 偶极天线(dipole antenna)、槽孔天线(slot antenna)、回圈天线(loop antenna)、 螺线天线(spiral antenna)、倒F型天线(PIFA antenna)、平板天线(patch antenna)、八木天线(Yagi antenna)或阵列天线(array antenna)，但不限于此。在一些实施例中，辐射结构130具有馈入端131及接地端，此馈入端131是用以 输入第一射频信号140，且其与接地端形成单极天线。

现请参照图2，其为本发明的具有光穿透辐射元件100的天线及具有光穿 透辐射元件的天线的频率响应图。天线的频率响是指第一射频信号140，而天 线结合光穿透辐射元件的频率响应是指第二射频信号150。第一射频信号140 相异于第二射频信号150，其相异之处在于中心频率由约4GHz偏移至约 5.2GHz，且中心频率的返回损失(return loss)(即图2的纵轴数值的绝对值) 增加约12dB。

现请参照图3A，其为依据本发明一些实施例的光穿透辐射元件200的结构 示意图。光穿透辐射元件200包含基板210、透明导电膜结构220以及辐射结构 230。在本实施例中，通过变化透明导电膜结构220与辐射结构230之间的耦合 距离d’(相似于图1B的透明导电膜结构120与辐射结构130之间的耦合距离d)， 使透明导电膜结构220对辐射结构230的频率响应产生影响。透明导电膜结构 220是配置于基板210的表面211，而辐射结构230是配置于基板210的另一表面 212，并量测辐射结构230的一端部231或另一端部232的返回损失。如图3B所 示，以耦合距离d为0mm为对照组，当耦合距离d增加至2mm时，共振频率由 约5.5GHz偏移至约5GHz，且返回损失(即图3A的纵轴数值的绝对值)增加约 10dB；当耦合距离d增加至4mm时，在频率为约5GHz处及约5.5GHz处时均产 生共振响应，且在频率为约5GHz处的返回损失增加约8dB。此外，当耦合距 离d分别增加至2mm与4mm时，位于1.8GHz的频率响应偏移至约2.5GHz。本实 施例显示透明导电膜结构220可通过耦合机制实施转换射频信号响应的功效。 此耦合机制可以是直接式耦合或间接式耦合，其中直接式耦合是指透明导电膜结构120与辐射结构130重叠或部分重叠，而间接式耦合是指透明导电膜结 构120与辐射结构130未重叠。

现请参照图1B，其为光穿透辐射元件100的剖面视图，并请参照图4，其 为通过变动透明导电膜结构120的厚度t(如图1B所示)来改变第二射频信号 150的频率响应。如图4所示，透明导电膜结构120在其厚度t为0.8微米时有最 高的返回损失(即图4的纵轴数值的绝对值)约10dB。

现请参照图5A，其为光穿透辐射元件100设置于无线通讯装置500的正面 501上的示例，使设置于无线通讯装置500内的天线改变其频率响应。在本实 施例中，光穿透辐射元件100必定部分重叠于无线通讯装置500。其中无线通 讯装置500可为平版电脑、行动电话或其它具无线通讯功能的装置。在本实施 例中，光穿透辐射元件100设置于无线通讯装置500的正面上，但不限于特定 方位。在其他实施例中，如图5B、图5C所示，光穿透辐射元件100另可设置于 无线通讯装置500的侧面502上或背面503上。

需注意的是，在本发明实施例中，无线通讯装置500可以是例如全球移动 通讯系统(Global System for Mobile Communications；GSM)、无线区域网路 (Wireless LAN)、第二代行动通讯系统(2G)、第三代行动通讯系统(3G) 或第四代行动通讯系统(4G)定义的工作站(STA)、用户装置(User Equipment； UE)或行动站(Mobile Station；MS)等，但本发明并不限于此。

现请参照图6A，其为光穿透辐射元件100设置于壳体600上的示例，此壳 体600适于容置无线通讯装置(例如图5A的无线通讯装置500)。壳体600具有 容置面601，且在此容置面601中具有槽体603，其用以放置光穿透辐射元件100。壳体600还包含固定面602，其用以在容置无线通讯装置后包覆无线通讯 装置。壳体600可为例如平版电脑或行动电话的保护壳。于其他实施例中，如 图6B所示，槽体603另可配置于固定面602中。

在本发明的其他实施例中，光穿透辐射元件可包含第一透明导电膜结构 及第二透明导电膜结构，其分别配置于光穿透辐射元件的基板的相对两表面 上，亦即第二透明导电膜结构配置于与前述实施例中的辐射结构130、230同 侧。举例而言，请参照图7，其为依据本发明一些实施例的光穿透辐射元件300 的结构示意图。光穿透辐射元件300包含基板310、第一透明导电膜结构321、 第二透明导电膜结构322以及辐射结构330，其中第一透明导电膜结构321位于 基板310的表面311上，而第二透明导电膜结构322与辐射结构330均位于基板 310的另一表面312上。基板310、第一透明导电膜结构321和辐射结构330分别 对应光穿透辐射元件100的基板110、第一透明导电膜结构120和辐射结构130。 相较于光穿透辐射元件100，光穿透辐射元件300还包含与辐射结构330位于基 板310的同一表面312上的第二透明导电膜结构322。第一透明导电膜结构321 与第二透明导电膜结构322的透光度与电阻率可相异。通过增加第二透明导电 膜结构322的的设置，可调整光穿透辐射元件的频率响应，包含共振频率位置 及返回损失等。

综上所述，本发明的光穿透辐射元件至少具有以下的功效。通过本发明 的光穿透辐射元件，可转换射频信号，且具有可改善无线通讯产品信号收发 能力的功效。此外，本发明的光穿透辐射元件可整合至透明机壳上，改善先 前技术无法制作于透明机壳上的缺点。

虽然本发明已以前述优选实施例公开，然其并非用以限定本发明，任何 所属领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动 与修改。如上述的解释，都可以作各种形式的修正与变化，而不会破坏此创 作的精神。因此本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。

Claims (10)

1.一种光穿透辐射元件，其特征在于，包含：

基板；

至少一个透明导电膜结构，配置于所述基板的至少一个表面，所述至少一个透明导电膜结构的电阻值小于0.1mΩ，且所述至少一个透明导电膜结构在光波长为440纳米处的光穿透度大于50％；以及

辐射结构，用以产生第一射频信号，所述第一射频信号通过所述基板电性耦合于所述至少一个透明导电膜结构，借以产生第二射频信号，所述第一射频信号与所述第二射频信号的频率位置、返回损失、电压驻波比及谐波模态均为相异。

2.如权利要求1所述的光穿透辐射元件，其特征在于，所述至少一个透明导电膜结构的厚度介于0.5微米与5微米之间。

3.如权利要求1所述的光穿透辐射元件，其特征在于，所述至少一个透明导电膜结构的电阻率为能调整的，其电阻值介于0.01mΩ与0.1mΩ之间。

4.如权利要求1所述的光穿透辐射元件，其特征在于，所述基板的材质为玻璃、聚乙烯对苯二甲酸酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、环烯烃共聚物或透明陶瓷材料。

5.如权利要求1所述的光穿透辐射元件，其特征在于，所述至少一个透明导电膜结构是步阶式阻抗共振器、环形共振器、片型共振器、四分之一波长共振器、二分之一波长共振器或槽孔式共振器。

6.如权利要求1所述的光穿透辐射元件，其特征在于，所述辐射结构是单极天线、偶极天线、槽孔天线、回圈天线、螺线天线、倒F型天线、平板天线、八木天线或阵列天线。

7.如权利要求1所述的光穿透辐射元件，其特征在于，所述至少一个透明导电膜结构包含第一透明导电膜结构及第二透明导电膜结构，所述第一透明导电膜结构与所述第二透明导电膜结构配置于所述基板的相对两表面上。

8.如权利要求7所述的光穿透辐射元件，其特征在于，所述第一透明导电膜结构与所述第二透明导电膜结构的透光度及电阻率均为相异。

9.如权利要求1所述的光穿透辐射元件，其特征在于，所述第二射频信号与所述第一射频信号的频率差异介于0.1MHz与10GHz之间，且所述第二射频信号与所述第一射频信号的返回损失差异介于5dB与30dB之间。

10.如权利要求1所述的光穿透辐射元件，其特征在于，所述透明导电膜材料包含金纳米线、镍铜纳米线、银纳米线、镍铁纳米线、钴纳米线、铜纳米线、铅纳米线、镍纳米线或纳米碳管。