TWI455404B - 調節電磁波穿透響應的結構與調節電磁波輻射特性的天線結構 - Google Patents

調節電磁波穿透響應的結構與調節電磁波輻射特性的天線結構 Download PDF

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Description

調節電磁波穿透響應的結構與調節電磁波輻射特性的天線結構
本發明是有關於一種抗電磁波結構，且特別是有關於一種調節電磁波穿透響應(EM wave penetration response)的結構與調節電磁波輻射特性的天線結構。
特定吸收率(specific absorption rate，SAR)是目前行動通訊裝置用來定量其輻射之電磁波對人體影響最常用的量化指標，SAR可由下列公式表示：
式中，σ代表組織導電率(S/m)，E 代表電場強度均方根值(V/m)，ρ代表組織密度。由上述公式可以明顯看出SAR值的大小與入射電場強度的大小成正相關。當行動通訊裝置的天線非常靠近人體時，天線所輻射的電磁波會使得SAR值變大，甚至超過規範，因此目前有很多研究單位以各式的方法來降低SAR值，以減少電磁波對人體的影響。
降低SAR值的方式有許多種，有的是直接改變天線的結構來使SAR值低於規範，如美國專利US6958737 B1是使用環狀天線(loop antenna)來使SAR值較低，但是此方法可能需要佔用較大的體積。
有的方式是加上外加元件來降低SAR值，如美國專利US6798168 B2在手機電池上加上銅條(copper strip)來降低SAR值；美國專利US7672698 B2則加上外加電路(filter)來降低SAR值；美國專利US6559803 B2則是加上介電套(dielectric sleeve)將低SAR值。但是在加入外加元件的同時，雖然具有降低SAR值之效果，卻往往使得原本天線的整體效能變差。
也有的方式是在人體與天線之間加上阻隔物來降低SAR值，例如使用鐵磁性物質(J. Wang,O. Fujiwara and T. Takagi,“Effects of ferrite sheet attachment to portable telephone in reducing electromagnetic absorption in human head,”IEEE Int. Symp. on Electromagnetic Compatibility,vol. 2,pp. 822-825,1999.)、或是採用電磁帶隙結構(electromagnetic band gap，EBG)結構(S. I. Kwak,D. U. Sim,J. H. Kwon and H. D. Choi,“SAR reduction on a mobile phone antenna using the EBG structures,”38th European Microw. Conf.,pp. 1308-1311,Oct. 2008.)以及特定之隙環共振器(split-ring resonator，SRR)結構(J. N. Hwang,and F. C. Chen,“Reduction of peak SAR in the human head with metamaterial,”IEEE Trans. Antennas Propag.,vol. 54,no. 12,pp. 3763-3770,Dec. 2006.)。以上三種手段雖然都可以降低SAR值，但是同時也會減損天線的效能。
另外，在美國專利US6421016B1提出一種配合感測器檢測人體接近與否並用開關來切換電流路徑以降低SAR值的方法，但是此種方式所需的架構複雜，也需要很大的體積來實現。
在美國專利公開號US 2010/0113111 A1中則採用引導的方式，將輻射能量分散並遠離人頭的方向，但是此技術並沒有針對實際接近人體時的鄰近效應做整體的設計，並無法得知其實際貼近人體使用時，降低SAR值的效果，而且在安裝此裝置後，天線的輻射場型受影響變成有較強的指向性，很有可能會影響手持通訊裝置的收訊效果。
本揭露提出一種調節電磁波穿透響應的結構，包括一介質基板與多個結構單元。介質基板具有一上表面及一下表面。結構單元則置於介質基板的上表面、下表面或上、下表面，其中結構單元是由多個蜿蜒金屬線、金屬片狀結構或是互補式縫隙或是其組合所構成，俾使上述調節電磁波穿透響應的結構的電磁波穿透響應具有一通帶(pass band)以及一止帶(stop band)，上述止帶緊鄰前述通帶，且止帶的頻率比通帶的頻率高。而且，若調節電磁波穿透響應的結構與一高介電常數的物體間的距離大於一設定距離時，所述通帶涵蓋一天線的輻射頻率；且若調節電磁波穿透響應的結構與上述高介電常數的物體間的距離在上述設定距離內時，所述止帶涵蓋上述天線之輻射頻率。
本揭露還提出一種調節電磁波輻射特性的天線結構，包括一天線與上述調節電磁波穿透響應的結構。調節電磁波穿透響應的結構設置於天線的輻射路徑上，與天線具有小於1/4波長(相對天線輻射頻率之波長)的一間距。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1是依照一實施例的一種調節電磁波穿透響應的結構的剖面示意圖。
請參照圖1，本實施例的調節電磁波穿透響應的結構100包括一介質基板102與多個結構單元104。介質基板102具有一上表面106及一下表面108。結構單元104則置於介質基板102的上表面106，當然結構單元104還可選擇置於介質基板102的下表面108或者位在上、下表面106與108上，並不限於此。在本實施例中，結構單元104是由多個金屬線所構成(即，背對背的一第一非封閉迴圈110a與一第二非封閉迴圈110b)，俾使調節電磁波穿透響應的結構100的電磁波穿透響應具有至少一通帶(pass band)以及至少一止帶(stop band)，且止帶的頻率比通帶的頻率高。關於結構100的電磁波穿透響應將於下文搭配模擬結果詳細作說明。
在圖1中除調節電磁波穿透響應的結構100還顯示天線112的位置，當調節電磁波穿透響應的結構100配合天線112即可得到能調節電磁波輻射特性的天線結構。一般而言，調節電磁波穿透響應的結構100可設置在行動通訊裝置114的內部或外殼，且應於使用期間介於高介電常數的物體(如人體)與天線112之間，天線112在此實施例中為平面式倒F天線(planar inverted-F antenna，PIFA)。在相似的尺寸下，非封閉迴圈的第一階共振頻率通常比封閉迴圈來的低。因此在通常採用非封閉迴圈來縮減單元的尺寸。而根據頻率選擇面的基礎原理，單一個不相連接的線狀(strip)、片狀(patch)或是此實施例中的蜿蜒狀非封閉迴圈的週期性金屬結構，會產生帶止率波的頻率響應，在第一階共振時會頻率域上提供一個止帶。在有限的介質基板厚度、金屬線寬、單元大小等參數設計下，單一非封閉金屬迴圈的頻率響應變化太緩，較難在遠離以及接近高介電常數的物體時造成夠高的穿透損失的對比，因此本實施例中我們在結構單元加入另一個尺寸相近的非封閉金屬迴圈，在頻率域上形成另一個止帶，當兩個止帶相鄰時會在其間的頻率範圍內形成一個斜率陡峭的通帶。根據此設計概念，調節電磁波穿透響應的結構100，其單元包含第一非封閉迴圈110a與第二非封閉迴圈與110b。而第一與第二非封閉迴圈110a與110b之長度比在1.02:1~1.41:1之間，可能較佳是1.14:1，但並不限於此。
依照同樣的原理，可以再增加第三非封閉迴圈200，再增加一個止帶，使結構單元104具有兩個通帶或藉以增加止帶的寬度，如圖2所示。
另外，依據等效電路的分析，在連續的金屬面上開孔徑(aperture)、槽孔(slot)、非封閉迴圈的互補(complementary)結構─非封閉的縫隙(slit)，作為頻率選擇面(frequency selective surfaces，FSS)單元時，會產生帶通率波的頻率響應，第一階共振會提供一個通帶，因此結構單元104也可以由互補式非封閉縫隙(complementary apertures)所構成，或是混合槽孔以及片狀結構形成特定的頻率響應。以圖3A(分解圖)與圖3B(結合圖)為例，結構單元104是由兩層不同的金屬縫隙結構300a與300b所組成，上層300a包含了片狀結構，並其中有非封閉的縫隙；下層300b則是在連續的金屬面上有兩個非封閉的縫隙。300a與300b之間可以介質基板102間隔及支撐。另外，在300a與300b中心可以金屬柱302支撐，如此可不需要介質基板102，使設計更有彈性，如圖3C所示。
本實施例之調節電磁波穿透響應的結構100在與高介電常數的物體的距離大於某一設定距離時，其電磁波穿透響應之通帶應涵蓋天線112的輻射頻率，以便維持天線112的總輻射功率(total radiated power，TRP)，如圖4A顯示自天線112傳出的電磁波能自由穿透輻射。但是當調節電磁波穿透響應的結構100與高介電常數的物體400的距離接近設定距離(如電抗近場範圍(reactive near-field region))時，調節電磁波穿透響應的結構100的電磁波穿透響應之止帶會逐漸涵蓋天線112之輻射頻率。所謂的電抗近場範圍一般以0.159倍波長為基準；以1.9GHz的電磁波為例，約為25.1mm。因此，當調節電磁波穿透響應的結構100與高介電常數的物體400的距離在所述設定距離內，則其電磁波穿透響應之止帶將會涵蓋天線112之輻射頻率，結果就是降低高介電常數的物體400的特定吸收率(SAR)。如圖4B顯示，介於高介電常數的物體(如人頭)400與天線112之間的調節電磁波穿透響應的結構100會反射電磁波。這是因為調節電磁波穿透響應的結構100(共振結構)在鄰近高介電常數介質負載時之頻率響應會偏移；也就是說，結構調節電磁波穿透響應的100在電容負載下穿透響應曲線往低頻偏移，讓原本操作在穿透頻帶的調節電磁波穿透響應的結構100在負載狀況下變成操作在截止頻帶。
以下列舉幾個模擬試驗來證明。
首先，進行材料參數與設定。因為降低SAR值以便減少電磁波對人體的影響是本揭露的目的之一，所以採用人體作為高介電常數的物體的模擬對象物。在以下的SAR值模擬等試驗中所用的人體模型是1.8GHz~2.0GHz的頻率範圍內，人體的等效介電常數εr 為53.3、組織導電率σ為1.52 S/m；人頭的等效介電常數εr 為40.0、組織導電率σ為1.40 S/m。
模擬一
使用圖5A與圖5B的裝置進行平面波正入射電磁波穿透之模擬，其中圖5A代表單一結構單元500的側面、圖5B代表單一結構單元500的正面，模擬結果之穿透量(以散射參數(S-parameter)的S21表示)顯示於圖6。從圖6可知，在1.8GHz~2.0GHz的頻率內有電磁波穿透響應之通帶，並且在更高頻率處(約2.2GHz)有止帶。
當圖5A的裝置靠近人頭的時候，如圖7顯示人頭組織電磁波近似材料700與皮膚組織電磁波近似材料702接近圖5A的結構單元500時，得到圖8的模擬結果。從圖8可知，結構單元500之穿透響應曲線往低頻偏移，因而使原本在較高頻率處的止帶往1.8GHz~2.0GHz的頻率偏移，使得穿透能量大幅減少，降低人體對電磁波的吸收。
模擬二
圖9是模擬用天線結構的正視圖，其中包括介質基板900、金屬接地面902、微帶天線904以及微帶天線饋入源906。
圖10顯示圖9的天線結構加上由兩個圖5B的結構單元(即500)構成之調節電磁波穿透響應的結構1000。圖11則顯示是圖10的立體圖，其中的調節電磁波穿透響應的結構1000距離圖9的天線結構約8.4mm。
圖12是模擬圖9與圖10之結構，在無負載(遠離高介電常數物體)狀況下，從天線饋入源906看進去的的電磁波反射量(以散射參數的S11表示)，由模擬軟體求解所得有無結構1000之回返損耗在操作頻率點都低於-10dB。而圖13A與圖13B分別為圖9與圖10之結構，在無負載狀況下的x-z平面輻射場型與y-z平面輻射場型，由模擬軟體求解所得有無調節電磁波穿透響應的結構1000之輻射場型圖幾乎相同。
圖14為模擬圖9的天線結構時SAR值的架構圖，此處的人頭組織電磁波近似材料1200的介電常數ε為40、組織導電率σ為1.4 S/m；皮膚組織電磁波近似材料1202的介電常數ε為3.7；人體組織的密度接近1 g/cm3 。模擬結果得到Peak SAR1g 值為2.23mW/g，高於目前的國際標準值1.6mW/g。
模擬三
圖15為模擬圖10的結構在有等效人頭材料負載時SAR值的架構圖，此時Peak SAR1g 值為1.3mW/g，與無調節電磁波穿透響應的結構1000時相比下降了約41.7%。
圖16A與圖16B分別為圖15的x-z平面輻射場型與y-z平面輻射場型，可看出天線往遠離人頭的方向輻射。
模擬四
針對圖9~10(無人頭負載)與圖14~15(有人頭負載)的情形量測其總輻射功率(TRP)，結果顯示於下表一。
從表一可知，有調節電磁波穿透響應的結構1000的情形下，無論在遠離或接近高介電常數的物體(如人頭)時，都可以維持天線的總輻射功率(TRP)。
模擬五
使用圖3B的頻率選擇面(FSS)結構單元104進行電磁波平面波正入射穿透量(S21)之模擬。其中介質基版102為0.8mm厚的FR-4，介電常數約為4.4，結構單元104的長寬各為13mm，上層300a包含了邊長為12mm的正方形片狀結構，並其中有外圍邊長為9mm的方形非封閉的縫隙；下層300b則是在連續的金屬面上有兩個方形非封閉的縫隙，其外圍邊長各為12mm與7mm。縫隙的寬度皆為1mm。模擬結果之穿透量顯示於圖17。從圖17可知，在無高介電常數物體的負載時，電磁波穿透響應之頻率響應於1.17GHz左右有通帶之響應，並且在略高頻率處(約1.32GHz)有止帶，並於2.47GHz有個寬頻的通帶。因此，圖3B的結構單元104經過適當的調整尺寸同樣能應用雙頻或於輻射頻率在1.0GHz~1.5GHz的設備中多頻的行動通訊裝置中，並預期於結合天線操作於第一個通帶的頻率時，具有接近高介電常數物體時降低電磁波穿透的功能。
模擬六
使用圖2的結構單元(即104)進行電磁波平面波正入射穿透量(S21)之模擬。結果分別顯示於圖18與圖19，其中圖18為無負載時的模擬結果、圖19為有負載時的模擬結果。由模擬結果可知，無負載時在1.8GHz~2.0GHz的頻率內有電磁波穿透響應之通帶，並且在更高頻率處(約2.05GHz)有止帶。而在接近如圖7之人頭組織電磁波近似材料700與皮膚組織電磁波近似材料702後，得到穿透響應曲線往低頻偏移(如圖19)，因而使 原本在較高頻率處的止帶往1.8GHz~2.0GHz的頻率偏移，使得穿透能量大幅減少，降低人體對電磁波的吸收。
綜上所述，本揭露利用共振結構在接近高介電常數物體的負載效應，以自動調整由共振結構組成的結構之穿透以及反射的響應。因為本揭露的結構在電容負載下穿透響應曲線會往低頻偏移，所以能讓原本操作在穿透頻帶的結構在負載狀況下變成操作在截止頻帶，因而能達到維持天線的總輻射功率(TRP)，並在接近高介電常數的物體(如人體)時降低特定吸收率(SAR)。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故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、1000．．．調節電磁波穿透響應的結構
102、900．．．介質基板
104、500．．．結構單元
106．．．上表面
108．．．下表面
110a、110b、200．．．非封閉迴圈
112．．．天線
114．．．行動通訊裝置
300a、300b．．．金屬縫隙
302．．．金屬柱
400．．．高介電常數的物體
700、1200．．．人頭組織電磁波近似材料
702、1202．．．皮膚組織電磁波近似材料
902．．．金屬接地面
904．．．微帶天線
906．．．微帶天線饋入源
圖1是依照一實施例的一種調節電磁波穿透響應的結構的剖面示意圖。
圖2是依照另一實施例的調節電磁波穿透響應的結構的剖面示意圖。
圖3A是實施例中的一種結構單元之分解圖。
圖3B是圖3A之結構單元之之一例的結合圖。
圖3C是圖3A之結構單元之另一例的結合圖。
圖4A顯示圖1的行動通訊裝置在遠離高介電常數的物體時發出電磁波輻射的示意圖。
圖4B顯示圖1的行動通訊裝置在接近高介電常數的物體時發出電磁波輻射的示意圖。
圖5A是模擬一所用的結構單元之側面圖。
圖5B是模擬一所用的結構單元之正面圖。
圖6是圖5B的結構單元之電磁波穿透量(S21)之模擬曲線圖。
圖7是模擬一中假人頭、假頭殼接近圖5的結構單元之側面圖。
圖8是圖5的結構單元靠近人頭時之S21模擬曲線圖。
圖9是模擬二所用的天線結構的正視圖。
圖10顯示圖9的天線結構加上由兩個圖5的結構單元構成之結構的正視圖。
圖11顯示圖10的立體圖。
圖12是模擬圖9與圖10之結構的電磁波反射量(S11)模擬曲線圖。
圖13A為圖9與圖10之結構的x-z平面輻射場型。
圖13B為圖9與圖10之結構的y-z平面輻射場型。
圖14為模擬圖9的天線結構時SAR值的架構圖。
圖15為模擬圖10的結構有人頭負載時SAR值的架構圖。
圖16A為圖15的x-z平面輻射場型。
圖16B為圖15的y-z平面輻射場型。
圖17是圖3B的結構單元無人頭負載之S21模擬曲線圖。
圖18是圖2的結構單元之電磁波穿透量(S21)之模擬曲線圖。
圖19是圖2的結構單元有負載時之電磁波穿透量(S21)之模擬曲線圖。
100．．．調節電磁波穿透響應的結構
102．．．介質基板
104．．．結構單元
106．．．上表面
108．．．下表面
110a、110b．．．非封閉迴圈
112．．．天線
114．．．行動通訊裝置

Claims (16)

  1. 一種調節電磁波穿透響應的結構，設置在行動通訊裝置的內部，該結構包括：一介質基板，具有一上表面及一下表面；以及多個結構單元，置於該介質基板的該上表面、該下表面或該上表面與該下表面，其中該些結構單元是由多個蜿蜒金屬線、金屬片狀結構或是互補式縫隙或是其組合所構成，俾使該調節電磁波穿透響應的結構的電磁波穿透響應至少具有一通帶以及一止帶，該止帶緊鄰該通帶，且該止帶的頻率比該通帶的頻率高，若該調節電磁波穿透響應的結構與一高介電常數的物體間的距離大於一設定距離時，該通帶涵蓋一天線的輻射頻率；以及若該調節電磁波穿透響應的結構與該高介電常數的物體間的距離在該設定距離內時，該止帶涵蓋該天線之輻射頻率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之調節電磁波穿透響應的結構，其中該高介電常數的物體包括人體。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之調節電磁波穿透響應的結構，其中該天線之輻射頻率介於1.8GHz~2.0GHz之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之調節電磁波穿透響應的結構，其中當該調節電磁波穿透響應的結構與該高介電 常數的物體的距離接近該設定距離時，該調節電磁波穿透響應的結構的電磁波穿透響應之該止帶逐漸涵蓋該天線之輻射頻率。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之調節電磁波穿透響應的結構，其中各該結構單元是由背對背的一第一非封閉迴圈與一第二非封閉迴圈所構成。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之調節電磁波穿透響應的結構，其中該第一非封閉迴圈與該第二非封閉迴圈之長度比在1.02：1~1.41：1之間。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之調節電磁波穿透響應的結構，其中該第一非封閉迴圈與該第二非封閉迴圈之長度比是1.14：1。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之調節電磁波穿透響應的結構，其中該天線包括平面式倒F天線。
  9. 一種調節電磁波輻射特性的天線結構，設置在行動通訊裝置的內部，該天線結構包括：一天線；以及一調節電磁波穿透響應的結構，裝置於該天線的輻射路徑上，與該天線具有小於該天線輻射頻率之1/4波長的一間距，該調節電磁波穿透響應的結構包括：一介質基板，具有一上表面及一下表面；以及多個結構單元，置於該介質基板的該上表面、該下表面或該上表面與該下表面，其中該些結構單元是 由多個蜿蜒金屬線、金屬片狀結構或是互補式縫隙或是其組合所構成，俾使該調節電磁波穿透響應的結構的電磁波穿透響應至少具有一通帶以及一止帶，該止帶緊鄰該通帶，且該止帶的頻率比該通帶的頻率高，若該天線結構與一高介電常數的物體間的距離大於一設定距離時，該通帶涵蓋該天線的輻射頻率；以及若該天線結構與該高介電常數的物體間的距離在該設定距離內時，該止帶涵蓋該天線之輻射頻率。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之調節電磁波輻射特性的天線結構，其中該高介電常數的物體包括人體。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之調節電磁波輻射特性的天線結構，其中該天線之輻射頻率介於1.8GHz~2.0GHz之間。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之調節電磁波輻射特性的天線結構，其中當該調節電磁波穿透響應的結構與該高介電常數的物體的距離接近該設定距離時，該調節電磁波穿透響應的結構的電磁波穿透響應之該止帶逐漸涵蓋該天線之輻射頻率。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之調節電磁波輻射特性的天線結構，其中該天線包括平面式倒F天線。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之調節電磁波輻射特性的天線結構，其中各該結構單元是由背對背的一第一非 封閉迴圈與一第二非封閉迴圈所構成。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之調節電磁波輻射特性的天線結構，其中該第一非封閉迴圈與該第二非封閉迴圈之長度比在1.02：1~1.41：1之間。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之調節電磁波輻射特性的天線結構，其中該第一非封閉迴圈與該第二非封閉迴圈之長度比是1.14：1。
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