TWI488364B - 手持式裝置以及輻射場型調整方法 - Google Patents

Description

手持式裝置以及輻射場型調整方法

本發明係關於一種手持式裝置以及輻射場型調整方法。更詳細地說，本發明係關於一種改善天線輻射場型之手持式裝置以及輻射場型調整方法。

隨著無線通訊技術的蓬勃發展，以及無線通訊設備的普及，各種行動通訊裝置已成為現代人生活不可或缺的電子產品。行動通訊裝置除了具備基本的通訊功能外，更發展出許多的附加功能以及應用，其中以又全球座標系統(Global Positioning System,GPS)定位功能最受到重視。

一般而言，GPS定位所需收發的訊號主要來自衛星訊號，在各式行動通訊裝置中，又以搭配使用者使用習慣的手持式裝置居多，而配置於手持式裝置中的天線，為了便於接收基地台的訊號，皆係設計為於水平面(xy平面)上具有全向性(omni-directional)的天線輻射場型，但相對地於垂直方向上(+z方向)的訊號接收能力便較弱，因此當手持式裝置使用GPS定位功能而欲接收來自天空方向(即+z方向)的衛星訊號時，便具有收訊不佳的缺點。

為了改善手持式裝置於+z方向上收訊不佳的缺點，常見的作法是使用如電阻、電感或電容等集成元件(lumped element)來改善天線的阻抗匹配，利用改善阻抗匹配的方式來改善天線的輻射增益，進而加強天線的 收訊能力。然而，這樣的作法僅是改善天線場型的平均增益(average gain)，並無法改變天線的輻射場型，因此對於改善+z方向上收訊能力之效果仍相當有限。

綜上所述，如何設計一用於手持式裝置之天線，使其於+z方向上具有較佳的收訊能力，實為該領域之技術者亟需解決之課題。

本發明之一目的在於提供一種手持式裝置，該手持式裝置具有一頂部方向以及一底部方向，且包含一輻射體以及一導向體，該輻射體具有一輻射場型，該導向體浮接設置於該輻射體之該底部方向，與該輻射體相距一間隙，可與該輻射體產生一耦合效應，並用以根據該耦合效應調整該輻射場型，俾該輻射場型可指向該頂部方向。

本發明之另一目的在於提供一種一手持式裝置之輻射場型調整方法，該手持式裝置具有一頂部方向以及一底部方向，且包含一輻射體，該輻射體具有一輻射場型以及一輸入阻抗，該輻射場型調整方法包含下列步驟：(a)於該輻射體之該底部方向浮接設置一導向體，俾該導向體可與該輻射體產生一耦合效應，以使該輻射場型指向該頂部方向；其中，該導向體與該輻射體相距一間隙，且該導向體具有一長度；(b)改變該間隙之大小以調整該輻射場型以及該輸入阻抗；以及(c)改變該長度以調整該輻射場型以及該輸入阻抗。

本發明之手持式裝置透過於輻射體之底部方向浮接 設置導向體，並使導向體與輻射體相距一間隙，以使導向體可與輻射體產生耦合效應，俾透過耦合效應可使輻射體之輻射場型指向手持式裝置之頂部方向。藉此，本發明係可克服習知技術中，手持式裝置於頂部方向收訊不佳的缺點，同時具有改善手持式裝置之平均增益的優點。

在參閱圖式及隨後描述之實施方式後，該技術領域具有通常知識者便可瞭解本發明之其他目的，以及本發明之技術手段及實施態樣。

以下將透過實施例來解釋本發明之內容，本發明的實施例並非用以限制本發明須在如實施例所述之任何特定的環境、應用或特殊方式方能實施。因此，關於實施例之說明僅為闡釋本發明之目的，而非用以限制本發明。須說明者，以下實施例及圖式中，與本發明非直接相關之元件已省略而未繪示，且圖式中各元件間之尺寸關係僅為求容易瞭解，非用以限制實際比例。

本發明之第一實施例為一手持式裝置1，其示意圖描繪於第1圖。為方便後續說明，茲先定義手持式裝置1之相對方向，請參閱第1圖，於本說明書中，定義手持式裝置1之頂部方向為+z方向，手持式裝置1之底部方向為-z方向，且手持式裝置1垂直於xy平面，其中，+z方向係為朝向天空之方向，即朝向衛星之方向，xy平面係為與地平面平行之平面。本說明書所定義之方向僅為闡釋本發明之目的，手持式裝置1之相對方向得視實際使用情況而 有所不同，並不用以限制本發明之範圍。

手持式裝置1包含一輻射體11、一導向體13以及一系統接地面15，導向體13設置於輻射體11之底部方向(例如導向體13可配置或貼附於一絕緣承載件之上)，即輻射體11之-z方向，位於系統接地面15之一側邊，且與輻射體11及系統接地面15不相接觸(意即電性不連接)，即導向體13呈現浮接(floating)狀態。導向體13具有一長度L，且與輻射體11之間相距一間隙G，其中，輻射體11、導向體13以及系統接地面15皆以導電材質實現，最常使用的導電材質為金屬銅，但不以金屬銅為限。

須特別說明者，於本實施例中，導向體13係浮接設置系統接地面15之一側邊，於其它實施例中，導向體13亦可基於空間配置之考量，設置於其它位置，例如可設置於與系統接地面15重疊之上方或下方空間，但不與系統接地面15接觸，據此，導向體13的設置位置並不用以限制本發明之範圍。

輻射體11用以收發一射頻信號，其具有一第一電流共振路徑並操作於一第一中心頻率，該第一中心頻率由該第一電流共振路徑決定。輻射體11可於該第一中心頻率輻射以形成一輻射場型並具有一輸入阻抗。於本實施例中，輻射體11係為一印刷式天線，即輻射體11係印刷於一基板上，於其它實施例中，輻射體11亦可為一以金屬片切割而成之立體式天線，輻射體11的實現方式並不用以限制本發明之範圍。

輻射體11具有一饋入點11a以及一接地點11b，饋入點11a與一後端系統電路(圖未繪示)電性連接，用以傳遞並處理該射頻信號，接地點11b可透過貫穿孔(via)或導線與系統接地面15電性連接，用以提供輻射體11一接地特性，饋入點11a與接地點11b之位置可視實際應用情況進行調整，並不限定於如第1圖所示之位置。另須特別說明者，本實施例之輻射體11僅係用以例舉說明設置於手持式裝置1中之天線的一種實施態樣，於其它實施例中，輻射體亦可採用如平面倒F式(inverted-F)天線、單極(monopole)天線或其它可用以收發該射頻信號之天線架構，輻射體之實施態樣並不用以限制本發明之範圍。

導向體13可與輻射體11產生一耦合(coupling)效應，該耦合效應可改變系統接地面15上的電流分佈，同時，可於導向體13上產生一感應電流。具體而言，由於輻射體11具有該第一電流共振路徑並可於該第一中心頻率輻射，而導向體13僅與輻射體11相距一微小間隙G，因此導向體13與輻射體11之間相應地會產生該耦合效應，即由輻射體11所輻射之一部分電磁場被傳遞至導向體13，於是導向體13藉由該耦合效應產生該感應電流。由於導向體13具有一長度L，因而該感應電流便在導向體13上形成一第二電流共振路徑，該第二電流共振路徑可使輻射體11具有一第二中心頻率。

請同時參閱第2圖，其係為量測輻射體11之量測圖。橫軸表示頻率，單位為十億赫茲(GHz)，縱軸表示所量 測到的電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)。如第2圖所示，輻射體11於第一中心頻率201以及第二中心頻率202具有較佳的電壓駐波比，其中，第一中心頻率201由第一電流共振路徑所決定，第二中心頻率202由第二電流共振路徑所決定，此外，第二中心頻率202可藉由改變導向體13之長度L或間隙G的大小而調整。

由於該耦合效應，一部分的電磁場亦會傳遞至系統接地面15，進而改變系統接地面15上的電流分佈。具體而言，該耦合效應將會使得系統接地面15上的電流增加，換言之，將有更多的電流分佈於輻射體11的-z方向。

導向體13上的感應電流以及系統接地面15上所增加的電流同樣地會產生輻射，因此可用以改變輻射體11之該輻射場型。詳細來說，由輻射體11所輻射之一第一電磁波與導向體13及系統接地面15所輻射之一第二電磁波會在+z方向的遠場(far field)形成建設性干涉，亦即該第一電磁波與該第二電磁波在遠場形成疊加的效應，這樣的效應將可使得輻射體11之該輻射場型指向+z方向，亦即該輻射場型於+z方向具有較高的增益(gain)。如此一來，手持式裝置1於+z方向便具有較佳的信號收發能力，有助於接收來自+z方向的衛星訊號。

為了瞭解導向體13對輻射體11之該輻射場型的影響，以下列出該輻射場型之上半球增益的變化。為方便後續說明，以下將以第一上半球增益表示當未設置導向體13時輻射體11之該輻射場型的上半球增益，以第二上半球增益表示當設置導向體13時輻射體11之該輻射場型的 上半球增益，並且為了便於比較，定義一正歸化(nor-malized)上半球增益為第二上半球增益減去第一上半球增益。

請參閱第3圖，其係為正歸化上半球增益之折線圖，橫軸為導向體13之長度L之變化，單位為毫米(milli-meter)；縱軸為正歸化上半球增益，單位為dB；圖中列出了於各種不同長度L值與間隙G值時，正歸化上半球增益之數值。由圖可知，正歸化上半球增益之值皆大於0，即表示設置導向體13時，輻射體11之上半球增益高於未設置導向體13時輻射體11之上半球增益，並藉由調整長度L值與間隙G值可調整輻射體11之上半球增益。

一天線輻射場型的分佈尚可透過指向性(dir-ectivity)來衡量，為方便後續說明，以下將以第一指向性表示當未設置導向體13時輻射體11於+z方向之指向性，以第二指向性表示當設置導向體13時輻射體11於+z方向之指向性。為了清楚瞭解導向體13對輻射體11之該輻射場型的影響，以下定義一正歸化指向性為第二指向性除以第一指向性，透過正歸化指向性即可得知導向體13對輻射體11之指向性的影響。

請參閱第4圖，其係為正歸化指向性之折線圖，橫軸為導向體13之長度L之變化，單位為毫米；縱軸為正歸化指向性；圖中列出了於各種不同長度L值與間隙G值時，正歸化指向性之數值。由圖可知，歸一化指向性之值皆大於1，即表示設置導向體13時輻射體11之指向性優於未設置導向體13時輻射體11之指向性，並藉由調整長度L值 與間隙G值可調整輻射體11之指向性。

另一方面，導向體13與輻射體11之間的間隙G可形成一電容效應，導向體13之長度L可形成一電感效應，該電容效應與該電感效應皆會影響輻射體11之該輸入阻抗值。具體來說，該電容效應會增加輻射體11之該輸入阻抗的電容值，該電容效應則會增加輻射體11之該輸入阻抗的電感值，因此，藉由改變間隙G或長度L便可調整輻射體11之阻抗匹配，使輻射體11之該輸入阻抗匹配至一般常用的50歐姆(ohm)阻抗，良好的阻抗匹配將可提高輻射體11之輻射增益。

為了看出該電容效應與該電感效應對輻射體11之該輸入阻抗值的改善效果，可觀察輻射體11之平均增益(average gain)變化，輻射體11之平均增益值愈高代表輻射體11之阻抗匹配愈好。同理，為方便後續說明，以下將以第一平均增益表示當未設置導向體13時，輻射體11之該輻射場型的平均增益，以第二平均增益表示當設置導向體13時，輻射體11之該輻射場型的平均增益，並且為了便於比較，定義一正歸化(normalized)平均增益為第二平均增益減去第一平均增益。

請參閱第5圖，其係為正歸化平均增益之折線圖，橫軸為導向體13之長度L之變化，單位為毫米；縱軸為正歸化平均增益，單位為dB；圖中列出了於各種不同長度L值與間隙G值時，正歸化平均增益之數值。由圖可知，正歸化平均增益之值皆大於0，即表示設置導向體13時，輻射體11之平均增益高於未設置導向體13時輻射體11之平均 增益，並藉由調整長度L值與間隙G值可具有不同程度的改善效果。

綜上所述，藉由於輻射體11之-z方向設置導向體13，可使輻射體11之該輻射場型指向+z方向，同時亦可改善輻射體11之阻抗匹配，使輻射體11具有較高的平均增益值，而導向體13之長度L與間隙G則可適度地調整，以符合實際應用時的需求。於本實施例中，輻射體11係操作於一全球定位系統(Global Positioning Sys-tem,GPS)頻段，長度L的調整範約介於60mm至65mm之間，間隙G的調整範約介於0mm至5mm之間，惟長度L與間隙G的調整範得視輻射體11之操作頻段與實際應用時的需求而有所不同，並不以上述範圍為限，且輻射體11之操作頻段亦不限定於GPS頻段。

本發明之第二實施例為一手持式裝置6，其示意圖描繪於第6圖。手持式裝置6包含一本體6a以及一外殼6b，本體6a包含一輻射體61、一導向體63以及一系統接地面65。第二實施例與第一實施例之主要差異在於導向體63係設置於外殼6b之內表面上其中該外殼之內表面可具有一絕緣承載件(圖未繪示)，而該導向體63係貼附配置於該絕緣承載件上，當外殼6b覆蓋於本體6a時，導向體63便可位於輻射體61之-z方向，並與輻射體61相距一間隙。須說明的是，該絕緣承載件並非是必要之構件，只有當該外殼6b之內表面與導向體63所相互接觸之配置處為導體時，才需要該絕緣承載件，以達成前述所謂浮接之狀態。

除了上述差異，第二實施例之其他技術特徵及可變化之實施態樣皆與第一實施例所述之手持式裝置1相同，且第二實施例亦能執行第一實施例所描述之操作及功能，所屬技術領域具有通常知識者可直接瞭解第二實施例與第一實施例之間的差異，以及第二實施例如何基於上述第一實施例以執行此等操作及功能，故不贅述。

本發明之第三實施例係為一種用於一手持式裝置之輻射場型調整方法。該手持式裝置具有一頂部方向(即前述第一實施例中之+z方向)以及一底部方向(即前述第一實施例中之-z方向)，且包含一輻射體，該輻射體具有一輻射場型以及一輸入阻抗。

第三實施例之輻射場型調整方法包含下列步驟，首先，執行步驟(a)，於該輻射體之該底部方向浮接設置一導向體，俾該導向體可與該輻射體產生一耦合效應，以使該輻射場型指向該頂部方向；其中，該導向體與該輻射體相距一間隙，且該導向體具有一長度。接著，執行步驟(b)，改變該間隙之大小以調整該輻射場型以及該輸入阻抗；以及執行步驟(c)，改變該長度以調整該輻射場型以及該輸入阻抗。

除了上述步驟，第三實施例亦能執行第一實施例所描述之操作及功能，所屬技術領域具有通常知識者可直接瞭解第三實施例如何基於上述第一實施例以執行此等操作及功能，故不贅述。

綜上所述，本發明係透過於手持式裝置之輻射體之 底部方向設置導向體，並使導向體與輻射體相距一間隙，以使導向體可與輻射體產生耦合效應，俾透過耦合效應可使輻射體之輻射場型指向手持式裝置之頂部方向，同時，耦合效應亦可改善輻射體之阻抗匹配。藉此，本發明係可克服習知技術中，手持式裝置於頂部方向收訊不佳的缺點，同時具有改善手持式裝置之平均增益的優點。

上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利保護範圍應以申請專利範圍為準。

1‧‧‧手持式裝置

11‧‧‧輻射體

11a‧‧‧饋入點

11b‧‧‧接地點

13‧‧‧導向體

15‧‧‧系統接地面

201‧‧‧第一中心頻率

202‧‧‧第二中心頻率

6‧‧‧手持式裝置

6a‧‧‧本體

6b‧‧‧外殼

61‧‧‧輻射體

63‧‧‧導向體

65‧‧‧系統接地面

第1圖係為本發明第一實施例之示意圖；第2圖係為本發明第一實施例之輻射體之量測圖；第3圖係為正歸化上半球增益之折線圖；第4圖係為正歸化指向性之折線圖；第5圖係為正歸化平均增益之折線圖；以及第6圖係為本發明第二實施例之示意圖。

1‧‧‧手持式裝置

11‧‧‧輻射體

11a‧‧‧饋入點

11b‧‧‧接地點

13‧‧‧導向體

15‧‧‧系統接地面

Claims (8)

1. 一種手持式裝置，具有一頂部方向以及一底部方向，包含：一輻射體，具有一輻射場型；以及一導向體，浮接(floating)設置於該輻射體之該底部方向，與該輻射體相距一間隙，可與該輻射體產生一耦合(coupling)效應，並用以根據該耦合效應調整該輻射場型，俾該輻射場型可指向該頂部方向。
2. 如請求項1所述之手持式裝置，其中該輻射體更具有一輸入阻抗，該導向體具有一長度，該長度可形成一電感效應，該間隙可形成一電容效應，該導向體更用以根據該電感效應以及該電容效應調整該輸入阻抗。
3. 如請求項1所述之手持式裝置，其中該手持式裝置具有一系統接地面，該導向體係浮接設置於該系統接地面之一側邊。
4. 如請求項1所述之手持式裝置，其中該手持式裝置具有一外殼，該導向體係浮接設置於該外殼上。
5. 如請求項3所述之手持式裝置，其中該耦合效應係可改變該系統接地面之一電流分佈，該電流分佈可使該輻射場型指向該頂部方向。
6. 如請求項1所述之手持式裝置，其中該輻射體係操作於一全球定位系統(Global Positioning Svstem,GPS)頻段。
7. 一種用於一手持式裝置之輻射場型調整方法，該手持式裝置具有一頂部方向以及一底部方向，且包含一輻射體，該 輻射體具有一輻射場型，該輻射場型調整方法包含下列步驟：(a)於該輻射體之該底部方向浮接設置一導向體，俾該導向體可與該輻射體產生一耦合效應，以使該輻射場型指向該頂部方向；其中，該導向體與該輻射體相距一間隙。
8. 如請求項7所述之輻射場型調整方法，其中該輻射體更具有一輸入阻抗，該導向體具有一長度，該輻射場型調整方法更包含下列步驟：(b)改變該間隙之大小以調整該輻射場型以及該輸入阻抗；以及(c)改變該長度以調整該輻射場型以及該輸入阻抗。