TW202121585A - 應用於建築部件以增加射頻訊號穿透率之介電體結構及其設置方法 - Google Patents

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Abstract

提供一種應用於建築部件以增加射頻訊號之穿透率的介電體結構，該介電體結構包含結構體以及定位部件，結構體包含至少一介電材料層，且各層之介電常數值介於1~10000之間，定位部件將結構體與接合物進行接合，介電體結構與建築部件接合後的複合結構可使工作頻率f0 的射頻訊號通過並降低反射損失，介電體結構於射頻訊號通過的表面在接合物表面之投影面的最小等效直徑不小於與工作頻率f0 對應的工作波長λ0 的八分之一。

Description

應用於建築部件以增加射頻訊號穿透率之介電體結構及其設置方法
本案涉及一種介電體結構及其設置方法，介電體結構與介電性建築物部件接合後可提升特定頻譜的射頻訊號於介電性建築部件的穿透性。
因應市場對於資訊傳輸高速化的需求，通信產業逐步採用高頻電磁波以進行訊號傳輸。因使用頻段提升至高頻率頻譜，故建築用材料及其建築部件對於通信傳輸的影響更顯重要。於眾多的建築材料中，介電材料像是玻璃、水泥、木材、陶瓷及塑料等材料都可納入此範疇。部分的介電材料即便有較低的介電損失參數，對於通過的電磁波有極低的介電損失；但在特定電磁波頻譜中仍會因材料自身與外界介電常數的不匹配而造成反射損失。以沒有任何鍍膜的玻璃在空氣中使用為例，一般玻璃在高頻通信的使用環境下會產生2~4 dB的反射損失，意即電磁波於傳輸過程中有50%的能量將會因玻璃的屏蔽而轉為反射損失。
為了解決訊號通過建築材料或建築部件所產生的衰減問題，已研究了若干實例並可歸納為數種方案，其中包含內天線、內外天線含引線、介質天線及週期性導電結構等。設置內天線、內外天線含引線等方案廣泛應用於車載通信及建築環境中，這類方案透過天線接收訊號，依其系統設計對接收的訊號進行放大，或是不放大訊號，將其以引線或天線傳送出去，具體的實例像是專利申請US 6,661,386、US 7,091,915、US 8,009,107及EP 1343221。在介質天線的方案中，介電物體表面用作為天線基板，透過圖形化導電層以製備收發天線，相關實例像是申請案CN 104685578B。在週期性金屬結構的方案中，則是在介電體上製作週期性金屬結構，利用調整金屬結構的尺寸以使整體結構對特定波長的電磁波產生選擇性穿透的表現，這種週期性的金屬結構也因此被稱之為頻率選擇性表面，相關的實例則像是申請案JP2004053466、JP2011254482、US4,125,841、US6,730,389、以及US2018/0159241。然而，以上所述的所有方案，均需要有導電結構以收發電磁波訊號或濾波。
有鑑於上述習之技術的問題，本發明的技術目的是解決現有通信技術中存在的問題，提供一種可提升既有介電材料所製成的建築部件的電磁波穿透度的裝置及其設置方法。由於不需要製作圖形化導電層且不需要電力及訊號接點，故具備易於生產、成本低及安裝簡便等優點。
根據本發明一實施例，提供一種應用於建築部件以增加射頻訊號之穿透率的介電體結構，該介電體結構包含結構體以及定位部件，結構體包含介電材料層，定位部件將結構體與接合物(建築部件)進行接合，且介電材料層之介電常數值介於1~10000之間，定位部件將介電體結構與建築部件接合後的複合結構可使工作頻率f0 的射頻訊號通過並降低反射損失，介電體結構於射頻訊號通過的表面在接合物表面之投影面的最小等效直徑不小於與工作頻率f0 對應的工作波長λ0 的八分之一。
較佳地，定位部件可以進一步包含介電材料層，其介電常數值介於1~10000之間。
較佳地，定位部件可以是介於結構體以及接合物之間。
較佳地，介電體結構可以進一步包含空間隙區。
較佳地，空間隙區可以介於結構體以及接合物之間。
較佳地，空間隙區可以設置於結構體內部，而不接觸接合物。
根據本發明另一實施例，提供一種介電體結構的設置方法，介電體結構係應用於建築部件，以增加射頻訊號之穿透率，該方法包含了以定位部件接合結構體以及接合物，且結構體由介電材料層所構成，定位部件於射頻信號設定可通過的區域由介電材料層所構成，基於導納補償技術，結構體與定位部件之介電材料層之介電常數值介於1~10000之間，定位部件將介電體結構與建築部件接合後的複合結構可使工作頻率f0 的射頻訊號通過並降低反射損失，介電體結構於射頻訊號通過的表面在接合物表面之投影面的最小等效直徑不小於與工作頻率f0 對應的工作波長λ0 的八分之一。
較佳地，該方法可以進一步包含在介電體結構內設置空間隙區。
根據本發明概念提出之介電體結構及其設置方法至少具有如下的優點：(1)可用介電材料製作，具有簡單的結構及工藝，故有利於大量生產製造；(2)不需導入外部電力及訊號，安裝方便且使用方便；(3)不需要電力即可運作，可節約電力及運營成本；(4)介電體結構不是訊號發射源，沒有電磁波輻射生物安全之隱患。
為利貴審查委員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合所附圖式，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的申請專利範圍，合先敘明。
參照第1圖，其繪示根據習知技術之導納圖。以
Figure 02_image001
=
Figure 02_image003
= 6 的接合物(以位置101示意)置放於
Figure 02_image003
= 1的環境(以位置102示意)中為例，隨著接合物厚度由0逐步增加至
Figure 02_image005
，則導納值
Figure 02_image007
會由位置102以順時鐘方向移動至位置103。接下來，選用由介電係數為
Figure 02_image009
=
Figure 02_image003
= 6的第一介電材料所構成的結構體接合上述接合物以形成一複合結構，隨著該裝置的厚度由0逐步增加至
Figure 02_image011
，該複合結構的導納值
Figure 02_image007
+
Figure 02_image013
由圖中所示位置103經過實數軸的相位厚度
Figure 02_image015
位置104後與實數軸的相位厚度
Figure 02_image017
位置105再相交，則對應相位厚度
Figure 02_image017
的
Figure 02_image011
為該裝置的最佳厚度，使得該複合結構於特定電磁波頻譜具有提升的穿透度，其中，前述二式的n值為非零正整數。對於多層結構或定位部件為介電體且位於射頻信號設定可通過的區域，則其補償分析方法與上述方法相同。另外，對於實際應用狀態下的頻寬及生產製程考量，將+/-25%以內視為可接受的厚度變異範圍。
基於第1圖所示的導納補償技術來決定該裝置的厚度，接下來請參照第2A圖~第2D圖，第2A圖~第2D圖係以剖面圖分別繪示根據本發明不同實施例之介電體結構示例。
其中，第2A圖中的介電體結構200A包括由第一介電材料層201所構成的結構體以及定位部件220。利用定位部件220將結構體與接合物250進行接合。介電體結構200A與接合物250接合後的複合結構在工作頻率為f0 且對應波長為λ0 的射頻訊號傳遞狀態下，第一介電材料層201的介電常數值的範圍是1~10000，介電體結構200A於射頻訊號通過的表面在接合物表面之投影面的最小等效直徑不小於λ0 /8。
根據本發明另一實施例，第2B圖中的介電體結構200B包括由第一介電材料層201所構成的結構體以及由第二介電材料層所構成的定位部件220，利用定位部件220將結構體與接合物250進行接合。介電體結構200B與接合物250 接合後的複合結構在工作頻率為f0 且其對應波長為λ0 的射頻訊號傳遞狀態下，第一介電材料層的介電常數值的範圍是1~10000，第二介電材料層的介電常數值的範圍是1~10000，介電體結構200B於射頻訊號通過的表面在接合物表面之投影面的最小等效直徑不小於λ0 /8。介電體結構200B與介電體結構200A不同在於，定位部件220介於結構體以及接合物250之間。
根據本發明另一實施例，第2C圖中的介電體結構200C包括由第一介電材料層201及第二介電材料層202所構成的結構體以及定位部件220，利用定位部件220將結構體與接合物250進行接合。第二介電材料層202可部分覆蓋第一介電材料層201。介電體結構200C與接合物250接合後的複合結構在工作頻率為f0 且其對應波長為λ0 的射頻訊號傳遞狀態下，第一介電材料層201及第二介電材料層202的介電常數值的範圍皆是1~10000。介電體結構200C於射頻訊號通過的表面在接合物表面之投影面的最小等效直徑不小於λ0 /8。
根據本發明另一實施例，第2D圖中的介電體結構200D包括第一介電材料層201及第二介電材料層202所構成的結構體以及由第三介電材料層所構成的定位部件220，利用定位部件220將結構體與接合物250進行接合。第二介電材料層可部分覆蓋第一介電材料層。介電體結構200D與接合物250接合後的複合結構在工作頻率為f0 且其對應波長為λ0 的射頻訊號傳遞狀態下，第一介電材料層201、第二介電材料層202及由第三介電材料層所構成定位部件220的介電常數值的範圍皆是1~10000。介電體結構200D於射頻訊號通過的表面在接合物表面之投影面的最小等效直徑不小於λ0 /8。
接下來請參照第3A圖~第3D圖，第3A圖~第3D圖係以剖面圖分別繪示根據本發明實施例之介電體結構。不同於第2A圖~第2D圖所示實施例，第3A圖~第3D圖所示實施例之介電體結構包含了空間隙區。
其中，第3A圖中的介電體結構300A包括第一介電材料層301所構成的結構體、空間隙區320及定位部件330，利用定位部件330將結構體與接合物350進行接合。介電體結構300A與接合物350接合後的複合結構在工作頻率為f0 且其對應波長為λ0 的射頻訊號傳遞狀態下，第一介電材料層301的介電常數值的範圍是1~10000，介電體結構300A於射頻訊號通過的表面在接合物表面之投影面的最小等效直徑不小於λ0 /8。
根據本發明另一實施例，第3B圖中的介電體結構300B包括第一介電材料層301所構成的結構體、空間隙區320及定位部件330，利用定位部件330將結構體與接合物350進行接合。介電體結構300B與接合物350接合後的複合結構在工作頻率為f0 且其對應波長為λ0 的射頻訊號傳遞狀態下，第一介電材料層301的介電常數值的範圍是1~10000，介電體結構300B於射頻訊號通過的表面在接合物表面之投影面的最小等效直徑不小於λ0 /8。
根據本發明另一實施例，第3C圖中的介電體結構300C包括第一介電材料層301所構成的結構體、空間隙區320及第二介電材料層所構成的定位部件330，定位部件330可為介電常數值1~10000範圍內的第二介電材料且於結構體及接合物350間填充至少一部分空隙，並使結構體與接合物350進行接合。介電體結構300C與接合物350接合後的複合結構在工作頻率為f0 且其對應波長為λ0 的射頻訊號傳遞狀態下，第一介電材料層301的介電常數值的範圍是1~10000，介電體結構300C於射頻訊號通過的表面在接合物表面之投影面的最小等效直徑不小於λ0 /8。
根據本發明另一實施例，第3D圖中的介電體結構300D包括第一介電材料層301所構成的結構體、空間隙區320及第二介電材料所構成的定位部件330，定位部件330可為介電常數值1~10000範圍內的第二介電材料且於結構體及接合物350間填充至少一部分空隙，並使結構體與接合物350進行接合。介電體結構300D與接合物350接合後的複合結構在工作頻率為f0 且其對應波長為λ0 的射頻訊號傳遞狀態下，第一介電材料層301的介電常數值的範圍是1~10000，介電體結構300D於射頻訊號通過的表面在接合物表面之投影面的最小等效直徑不小於λ0 /8。
請參照第4圖，其繪示根據本發明實施例之接合物401透過定位部件402接合結構體403之接合狀態示意圖。上述的接合物401可以是例如玻璃、水泥、木材、陶瓷、塑料以及其他介電材料之建築部件，但是本發明不限於此，接合物可以是任何需要增強射頻訊號於其上的穿透率的任何部件。
除此之外，由於介電常數會因工作頻率而改變，所以具體的材料種類需要視接合物於工作頻譜內的介電常數值進行對應調整。以下為可使用的代表性材料且不僅限於這些材料，這些材料包括低介電常數材料：PTFE、PE、PC、PVC、Acrylic、PU、Epoxy、Silicone等；中介電常數材料：石英、玻璃、氧化鋁晶體及陶瓷、氮化鋁晶體及陶瓷、氧化鎂晶體及陶瓷、碳化矽晶體及陶瓷、氧化鋯晶體及陶瓷等；高介電常數材料：氧化鈦晶體及陶瓷、鈦酸鋇高分子複合材料等。
請參照第5A圖及第5B圖，其以曲線圖分別繪示3 GHz~5 GHz電磁波穿透8 mm厚且介電常數為6的玻璃時的反射度及透射度。如圖所示，在工作頻率3.75 GHz處的反射度為-2.925 dB，穿透度則因反射而降低-3.098 dB。
請參照第6A圖及第6B圖，其以曲線圖分別繪示3 GHz~5 GHz電磁波穿透8 mm厚且介電常數為6的玻璃以及其上接合如第2A圖所示介電體結構時的反射率及透射率。其中，介電體結構的厚度為8.33 mm，且其介電常數為6。透過模擬，得到在工作頻率3.75 GHz條件下，反射度降為-97.44 dB，穿透度則為-7.829e-10 dB。此結果顯示穿透度有顯著的提升。
請參照第7A圖及第7B圖，其以曲線圖分別繪示3 GHz~5 GHz電磁波穿透8 mm厚且介電常數為6的玻璃以及其上接合如第3A圖所示介電體結構時的反射率及透射率。其中，介電體結構的厚度為6 mm，且其介電常數為6，空間隙區的厚度為2.1 mm，且其中的介質為空氣。透過模擬，得到在工作頻率3.75 GHz條件下，反射度為-24.04 dB，穿透度則為-0.01716 dB。此結果顯示穿透度有顯著的提升。
可以對介電材料所構成的結構分析其在工作頻譜的導納，本案所揭示的介電體結構與建築部件接合後所產生的複合結構體可以對導納值進行調整，從而可以提升工作頻譜訊號於此複合結構體的穿透性。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
101,102,103,104,105:位置 200A,200B,200C,200D,300A,300B,300C,300D:介電體結構 201,202,301:介電材料層 220,330,402:定位部件 250,350,401:接合物 320:空間隙區 403:結構體
第1圖係繪示根據習知技術之導納圖。 第2A圖~第2D圖係以剖面圖分別繪示根據本發明實施例之介電體結構。 第3A圖~第3D圖係以剖面圖分別繪示根據本發明實施例之介電體結構。 第4圖係繪示根據本發明實施例之介電體結構與接合物接合使用之示意圖。 第5A圖及第5B圖係以曲線圖分別繪示3 GHz~5 GHz電磁波穿透8 mm厚且介電常數為6的玻璃時的反射度及透射度。 第6A圖及第6B圖係以曲線圖分別繪示3 GHz~5 GHz電磁波穿透8 mm厚且介電常數為6的玻璃以及其上接合根據本發明一實施例之介電體結構時的反射度及透射度。 第7A圖及第7B圖係以曲線圖分別繪示3 GHz~5 GHz電磁波穿透8 mm厚且介電常數為6的玻璃以及其上接合根據本發明一實施例之介電體結構時的反射度及透射度。
401:接合物
402:定位部件
403:結構體

Claims (8)

  1. 一種介電體結構，應用於建築部件，以增加射頻訊號之穿透率，該介電體結構包含： 一結構體，包含一介電材料層；以及 一定位部件，設置以將該結構體與一接合物進行接合； 其中該結構體包含之該介電材料層之介電常數值係介於1~10000之間，該定位部件將該介電體結構與該接合物接合後的複合結構具有一工作頻率，該介電體結構於射頻訊號通過的表面在該接合物表面之投影面的最小等效直徑不小於與該工作頻率對應之一工作波長的八分之一。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之介電體結構，其中該定位部件進一步包含一介電材料層，該定位部件之該介電材料層之介電常數值係介於1~10000之間。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之介電體結構，其中該定位部件係介於該結構體以及該接合物之間。
  4. 如申請專利範圍第2或3項所述之介電體結構，進一步包含一空間隙區。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之介電體結構，其中該空間隙區係介於該結構體以及該接合物之間。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之介電體結構，其中該空間隙區係設置於該結構體內部，而不接觸該接合物。
  7. 一種介電體結構之設置方法，該介電體結構應用於建築部件，以增加射頻訊號之穿透率，該方法包含： 以一定位部件接合一結構體以及一接合物； 其中該結構體由一介電材料層所構成，該定位部件於射頻信號設定可通過的區域由一介電材料層所構成，基於導納補償技術，該結構體與該定位部件之該介電材料層之介電常數值係介於1~10000之間，該定位部件將該介電體結構與該接合物接合後的複合結構具有一工作頻率，該介電體結構於射頻訊號通過的表面在該接合物表面之投影面的最小等效直徑不小於與該工作頻率對應之一工作波長的八分之一。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之設置方法，進一步包含在該介電體結構內設置一空間隙區。
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