TWI547006B - 共面波導結構 - Google Patents

Description

共面波導結構

本發明是有關於一種共面波導(coplanar waveguide)結構，且特別是一種具有高透光率的共面波導結構。

在透明電子元件的領域中，第一波技術提升潮為液晶顯示面板、觸控面板與薄膜太陽能電池的應用。在第一波技術提升潮的期間，對於透明導電薄膜(包含單層、雙層與多層結構等)的研究已有相當豐碩的成果。目前正邁入透明電子元件的第二波技術提升潮。在第二波技術提升潮的期間，最具指標性的代表包含次世代電子紙(electronic paper)、透明主動矩陣式有機發光二極體面板(transparent active rmatrix OLED panel)、透明平板電腦(transparent flat panel display)與透明太陽能電池等。在未來的第三波技術提升潮中，主要著重在透明積體電路、透明非接觸式智慧卡(non-contact smart card)與高解析度大尺寸透明顯示器等電子元件或裝置的開發。

就次世代電子紙與掌上型透明平板電腦等電子裝置而言，若要使電子裝置達到透明化的效果，通訊元件的透明化為必要條件之一。然而，習知射頻被動元件(passive components)，例如天線(antenna)和濾波器(filter)等，均不具備透光的效果。舉例而言，請參照圖1，圖1係繪示習知共面波導結構100的示意圖。共面波導結構100可應用在訊號的傳輸，且其包含基板110、中心導體120和接地導體130、140。共面波導結構100的特點在於，用以傳輸訊號的中心導體120和在中心導體120之相對二側的接地導體130、140均位於基板110的同一平面上。共面波導結構100具有可使電路元件之間的串聯和並聯更為容易、不需穿孔且可增加電路佈局的選擇性等優點。然而，因為共面波導結構100的透光率接近0，故不適合應用在透明化的電子裝置上。

本發明的目的是在於提供一種共面波導結構，藉由設計共面波導結構上的導體的透光區域，可在不影響頻率響應的前提下大幅提升透光性。將本發明的共面波導結構應用在電子裝置上，可利於電子裝置的透明化。

根據本發明之上述目的，提出一種共面波導結構，包含透明基板、中心導體、第一接地導體和第二接地導體。中心導體設置在透明基板上。中心導體具有第一透光區域，此些第一透光區域之總和佔中心導體之面積的80%以上。第一接地導體設置在透明基板上且位於相對中心導體的一側。第一接地導體具有至少一第二透光區域，此些第二透光區域之總和佔第一接地導體之面積的83%以上。第二接地導體設置在透明基板上且位於相對中心導體的另一側。第二 接地導體具有至少一第三透光區域，此些第三透光區域之總和佔第二接地導體之面積的83%以上。

依據本發明之一實施例，上述中心導體、第一接地導體與第二接地導體的結構為環形框架結構或具有多個中空多邊形之網狀結構。

依據本發明之又一實施例，上述第一透光區域、第二透光區域和第三透光區域係由多個導線所定義。每一個導線具有介於1微米與300微米之間的寬度和介於0.5微米與500微米之間的厚度。

依據本發明之又一實施例，上述中心導體、第一接地導體和第二接地導體包含選自金、銀、銅、鋁、錫、鎳所組成的族群中之至少一者。

依據本發明之又一實施例，上述透明基板為玻璃基板、聚苯乙烯基板、聚酯纖維基板、聚碳酸酯基板、聚酸甲酯基板、聚對苯二甲酸乙二酯基板或透明陶瓷基板。

根據本發明之上述目的，另提出一種共面波導結構，包含透明基板、中心導體、一對耦合導體和一對接地導體。中心導體設置在透明基板上。中心導體具有至少一第一透光區域，此些第一透光區域之總和佔中心導體之面積的35%以上。此些耦合導體設置在該透明基板上且分別位於相對中心導體的第一側和第二側。此些耦合導體具有至少一第二透光區域，此些第二透光區域之總和佔此些耦合導體之面積的60%以上。此些接地導體設置在透明基板上且分別位於相對中心導體的第三側和第四側。此些接地導體具有至少一 第三透光區域，此些第三透光區域之總和佔此些接地導體之面積的50%以上。

依據本發明之一實施例，上述中心導體、耦合導體與接地導體的結構為環形框架結構或具有多個中空多邊形之網狀結構。

依據本發明之又一實施例，上述第一透光區域、第二透光區域和第三透光區域係由多個導線所定義。每一個導線具有介於1微米與300微米之間的寬度和介於0.5微米與500微米之間的厚度。

依據本發明之又一實施例，上述中心導體、此些耦合導體和此些接地導體包含選自金、銀、銅、鋁、錫、鎳所組成的族群中之至少一者。

依據本發明之又一實施例，上述透明基板為玻璃基板、聚苯乙烯基板、聚酯纖維基板、聚碳酸酯基板、聚酸甲酯基板、聚對苯二甲酸乙二酯基板或透明陶瓷基板。

100‧‧‧共面波導結構

110‧‧‧基板

120‧‧‧中心導體

130、140‧‧‧接地導體

200‧‧‧共面波導結構

210‧‧‧透明基板

220‧‧‧中心導體

230、240‧‧‧接地導體

300‧‧‧共面波導結構

310‧‧‧透明基板

320‧‧‧中心導體

320A、330A、340A‧‧‧導線

320B、330B、340B‧‧‧透光區域

330、340‧‧‧接地導體

400‧‧‧共面波導結構

410‧‧‧透明基板

420‧‧‧中心導體

420A、430A、440A‧‧‧導線

420B、430B、440B‧‧‧透光區域

430、440‧‧‧接地導體

500‧‧‧共面波導結構

510‧‧‧透明基板

520‧‧‧中心導體

520A、530A、540A‧‧‧導線

520B、530B、540B‧‧‧透光區域

530、540‧‧‧接地導體

700‧‧‧共面波導結構

710‧‧‧透明基板

720‧‧‧中心導體

731、732‧‧‧耦合導體

741、742‧‧‧接地導體

800‧‧‧共面波導結構

810‧‧‧透明基板

820‧‧‧中心導體

820A、831A、832A、841A、842A‧‧‧導線

820B、831B、832B、841B、842B‧‧‧透光區域

831、832‧‧‧耦合導體

841、842‧‧‧接地導體

為了更完整了解實施例及其優點，現參照結合所附圖式所做之下列描述，其中：〔圖1〕係繪示習知共面波導結構的示意圖；〔圖2〕係繪示共面波導結構的示意圖；〔圖3〕至〔圖5〕係繪示本發明實施例共面波導結構的示意圖；〔圖6〕係繪示本發明實施例和比較例之頻率與S參數之關係的示意圖； 〔圖7〕係繪示共面波導結構的立體示意圖；〔圖8〕係繪示本發明實施例共面波導結構的示意圖；以及〔圖9〕係繪示本發明實施例與比較例頻率與S參數之關係的示意圖。

請參照圖2，圖2係繪示共面波導結構200的示意圖。共面波導結構200可作為一共面波導傳輸線，其包含透明基板210、中心導體220和接地導體230及240。中心導體220設置在透明基板210上，而接地導體230及240設置在透明基板210上且分別位於中心導體220之相對兩側。然而，中心導體220和接地導體230及240的材料通常為不透明的金屬，使得共面波導結構200的透光率接近0，其不利於電子裝置的透明化。

請參照圖3，圖3係繪示本發明實施例共面波導結構300的示意圖。共面波導結構300可作為一共面波導傳輸線，其包含透明基板310、中心導體320和接地導體330、340。透明基板310可以是玻璃基板、聚苯乙烯基板、聚酯纖維基板、聚碳酸酯基板、聚酸甲酯基板、聚對苯二甲酸乙二酯基板、透明陶瓷基板或其他類似的透明基板。

中心導體320設置在透明基板310上。中心導體320作為用於訊號傳輸的訊號導體，且其係由導線320A和透光區域320B所組成，其中導線320A形成環形框架結構，且此環形框架結構定義出透光區域320B。透光區域320B佔 中心導體320之面積的80%以上，以增加共面波導結構300的整體透光率。

接地導體330、340設置在透明基板310上，且接地導體330、340分別位於中心導體320之相對兩側。接地導體330係由導線330A和透光區域330B所組成，其中導線330A形成環形框架結構，且此環形框架結構定義出透光區域330B。透光區域330B佔接地導體330之面積的83%以上，以增加共面波導結構300的整體透光率。相似地，接地導體340係由導線340A和透光區域340B所組成，其中導線340A形成環形框架結構，且此環形框架結構定義出透光區域340B。透光區域340B亦佔接地導體340之面積的83%以上，以增加共面波導結構300的整體透光率。接地導體330與340的結構形狀可為相同或不相同。

在共面波導結構300中，導線320A、330A、340A的寬度介於1微米與300微米之間，且其厚度介於0.5微米與500微米之間。導線320A、330A、340A可包含金、銀、銅、鋁、錫、鎳等金屬，或是包含上述金屬的合金，但不限於此。在一些實施例中，導線320A、330A、340A包含透明導電氧化物(transparent conductive oxide；TCO)，例如氧化銦(indium oxide；In₂O₃)、氧化錫(tin oxide；SnO₂)、氧化鋅(zinc oxide；ZnO)、氧化銦錫(indium tin oxide；ITO)、氧化銦鋅(indium zinc oxide；IZO)、氧化氟錫(fluorine-doped tin oxide；FTO)、氧化銻錫(antimony-doped tin oxide；ATO)、 氧化鋁鋅(aluminum-doped zinc oxide；AZO)或其他類似材料。較佳地，導線320A、330A、340A的導電度高於10^-6Ω^-1m^-1。

圖4係繪示本發明又一實施例共面波導結構400的示意圖。共面波導結構400可作為一共面波導傳輸線，其包含透明基板410、中心導體420和接地導體430、440。中心導體420設置在透明基板410上，而接地導體430、440設置在透明基板410上，且接地導體430、440分別位於中心導體420之相對兩側。透明基板410可以是玻璃基板、聚苯乙烯基板、聚酯纖維基板、聚碳酸酯基板、聚酸甲酯基板、聚對苯二甲酸乙二酯基板、透明陶瓷基板或其他類似的透明基板。

中心導體420作為用於訊號傳輸的訊號導體，且其係由導線420A和透光區域420B所組成，其中導線420A形成環形框架結構，且此環形框架結構定義出透光區域420B。透光區域420B佔中心導體420之面積的80%以上，以增加共面波導結構400的整體透光率。

接地導體430係由導線430A和透光區域430B所組成，其中導線430A形成網狀結構，且此網狀結構定義出透光區域430B。在圖4中，透光區域430B具有多個中空矩形，此些中空矩形排列成多行單列之陣列。透光區域430B佔接地導體430之面積的83%以上，以增加共面波導結構400的整體透光率。相似地，接地導體440係由導線440A和透光區域440B所組成，其中導線440A形成網狀結構，且此 網狀結構定義出透光區域440B。在圖4中，透光區域440B具有多個中空矩形，此些中空矩形排列成多行單列之陣列。透光區域440B亦佔接地導體440之面積的83%以上，以增加共面波導結構400的整體透光率。接地導體430與440的形狀可為相同或不相同。

在共面波導結構400中，導線420A、430A、440A的寬度介於1微米與300微米之間，且其厚度介於0.5微米與500微米之間。導線420A、430A與440A的可具有不同的寬度和/或厚度。導線420A、430A、440A可包含金、銀、銅、鋁、錫、鎳等金屬，或是包含上述金屬的合金，但不限於此。在一些實施例中，導線420A、430A、440A包含透明導電氧化物，例如氧化銦、氧化錫、氧化鋅、氧化銦錫、氧化銦鋅、氧化氟錫、氧化銻錫、氧化鋁鋅或其他類似材料。較佳地，導線420A、430A、440A的導電度高於10^-6Ω^-1m^-1。

圖5係繪示本發明又一實施例共面波導結構500的示意圖。共面波導結構500可作為一共面波導傳輸線，其包含透明基板510、中心導體520和接地導體530、540。中心導體520設置在透明基板510上，而接地導體530、540設置在透明基板510上，且接地導體530、540分別位於中心導體520之相對兩側。透明基板510可以是玻璃基板、聚苯乙烯基板、聚酯纖維基板、聚碳酸酯基板、聚酸甲酯基板、聚對苯二甲酸乙二酯基板、透明陶瓷基板或其他類似的透明基板。

中心導體520作為用於訊號傳輸的訊號導體，且其係由導線520A和透光區域520B所組成，其中導線520A形成網狀結構，且此網狀結構定義出透光區域520B。在圖5中，透光區域520B具有多個中空矩形，此些中空矩形排列成單行多列之陣列。透光區域520B佔中心導體520之面積的80%以上，以增加共面波導結構500的整體透光率。

接地導體530係由導線530A和透光區域530B所組成，其中導線530A形成網狀結構，且此網狀結構定義出透光區域530B。在圖5中，透光區域530B具有多個中空矩形，此些中空矩形排列成多行多列之陣列。透光區域530B佔接地導體530之面積的83%以上，以增加共面波導結構500的整體透光率。相似地，接地導體540係由導線540A和透光區域540B所組成，其中導線540A形成網狀結構，且此網狀結構定義出透光區域540B。在圖5中，透光區域540B具有多個中空矩形，此些中空矩形排列成多行多列之陣列。透光區域540B亦佔接地導體540之面積的83%以上，以增加共面波導結構500的整體透光率。接地導體530與540的形狀可為相同或不相同。

在共面波導結構500中，導線520A、530A、540A的寬度介於1微米與300微米之間，且其厚度介於0.5微米與500微米之間。導線520A、530A與540A的可具有不同的寬度和/或厚度。導線520A、530A、540A可包含金、銀、銅、鋁、錫、鎳等金屬，或是包含上述金屬的合金，但不限於此。在一些實施例中，導線520A、530A、540A包 含透明導電氧化物，例如氧化銦、氧化錫、氧化鋅、氧化銦錫、氧化銦鋅、氧化氟錫、氧化銻錫、氧化鋁鋅或其他類似材料。較佳地，導線520A、530A、540A的導電度高於10^-6Ω^-1m^-1。

圖6係繪示本發明實施例和比較例之頻率與S參數之關係的示意圖。在圖6中，比較例以共面波導結構200為例；實施例1以共面波導結構300為例，且其整體透光率為85%；實施例2以共面波導結構400為例，且其整體透光率為82%；實施例3以共面波導結構500為例，且其整體透光率為91%。在實施例1~3中，使用的基板為FR4基板(介電常數為4.4Fm^-1)，導線的寬度為300微米，中心導體的寬度均為4mm，且中心導體與任一接地導體之間的間距均為0.3mm，使共面波導結構的特性阻抗為50Ω。同樣地，在比較例之共面波導結構中，使用的基板為FR4基板(介電常數為4.4Fm^-1)，中心導體的寬度為4mm，且中心導體與任一接地導體之間的間距均為0.3mm，使共面波導結構的特性阻抗為50Ω。

由圖6可知，在傳輸訊號的頻率為1GHz~4.7GHz時，實施例1~3的反射損失(return loss)S11均低於-10dB且與比較例之反射損失S11的差距均小於10dB。進一步地，在特定的頻率之下，實施例1或實施例2的反射損失S11可低於比較例的反射損失S11(例如，在傳輸訊號的頻率大約為4.5GHz時，實施例1的反射損失S11低於比較例的反射損失S11)。另一方面，實施例1~3的插 入損失(insertion loss)S21均在-0.5dB~0dB之間且與比較例之插入損失S21的差距均小於0.5dB。

由上述可知，作為共面波導傳輸線的共面波導結構300、400和500具有高透光率，且可維持適合訊號傳輸的頻率響應。因此，將共面波導結構300、400或500應用在電子裝置上，可利於電子裝置的透明化。

請參照圖7，圖7係繪示共面波導結構700的立體示意圖。共面波導結構700可作為一共面波導濾波器，其包含透明基板710、中心導體720、耦合導體731、732及接地導體741、742。中心導體720設置在透明基板710上，耦合導體731及732設置在透明基板710上且分別位於中心導體720之左右兩側，而接地導體741及742設置在透明基板710上且分別位於中心導體720之上下兩側。然而，中心導體720、耦合導體731、732和接地導體741、742的材料通常為不透明的金屬，使得共面波導結構700的透光率接近0，其不利於電子裝置的透明化。

請參照圖8，圖8係繪示本發明實施例共面波導結構800的示意圖。共面波導結構800可作為一共面波導濾波器，其包含透明基板810、中心導體820、耦合導體831、832和接地導體841、842。透明基板810可以是玻璃基板、聚苯乙烯基板、聚酯纖維基板、聚碳酸酯基板、聚酸甲酯基板、聚對苯二甲酸乙二酯基板、透明陶瓷基板或其他類似的透明基板。

中心導體820設置在透明基板810上。中心導體820作為用於濾波響應共振的導體，且其係由導線820A和透光區域820B所組成，其中導線820A形成框架結構，且此框架結構定義出透光區域820B。透光區域820B佔中心導體820之面積的35%以上，以增加共面波導結構800的整體透光率。

耦合導體831、832設置在透明基板810上，其作為用於訊號耦合傳導的導體。耦合導體831、832分別位於中心導體820之左右兩側，且均與中心導體820實體分離。耦合導體831係由導線831A和透光區域831B所組成，且耦合導體832係由導線832A和透光區域832B所組成，其中導線831A、832A形成環形框架結構，且此些環形框架結構分別定義出透光區域831B和832B。透光區域831B和832B各佔耦合導體831和832之面積的60%以上，以增加共面波導結構800的整體透光率。

接地導體841、842設置在透明基板810上。接地導體841、842分別位於中心導體820之上下兩側，且均耦接於中心導體820。接地導體841係由導線841A和透光區域841B所組成，且接地導體842係由導線842A和透光區域842B所組成，其中導線841A、842A形成網狀結構，且此些網狀結構分別定義出透光區域841B和842B。在圖8中，透光區域841B和842B包含多個中空矩形。透光區域841B和842B各佔接地導體841和842之面積的50%以上，以增加共面波導結構800的整體透光率。

在共面波導結構800中，導線820A、831A、832A、841A、842A的寬度介於1微米與300微米之間，且其厚度介於0.5微米與500微米之間。導線820A、831A、832A、841A、842A可包含金、銀、銅、鋁、錫、鎳等金屬，或是包含上述金屬的合金，但不限於此。在一些實施例中，導線820A、831A、832A、841A、842A包含透明導電氧化物，例如氧化銦、氧化錫、氧化鋅、氧化銦錫、氧化銦鋅、氧化氟錫、氧化銻錫、氧化鋁鋅或其他類似材料。較佳地，導線820A、831A、832A、841A、842A的導電度高於10^-6Ω^-1m^-1。

圖9係繪示本發明實施例和比較例之頻率與S參數之關係的示意圖。在圖9中，比較例以共面波導結構700為例，且實施例以共面波導結構800為例。在實施例之共面波導結構中，使用的基板為FR4基板(介電常數為4.4Fm^-1)，導線的寬度為300微米，且中心導體與任一耦合導體之間的間距均為0.3mm。在比較例之共面波導結構中，使用的基板為FR4基板(介電常數為4.4Fm^-1)，且中心導體與任一耦合導體之間的間距均為0.3mm。比較例與實施例的中心頻率均為5.2GHz。

由圖9可知，比較例與實施例的帶通頻率範圍均大約為4.6GHz~5.5GHz。在4.6GHz~5.5GHz的帶通頻率範圍中，實施例之反射損失S11與比較例之反射損失S11的差距小於10dB，且實施例之反射損失S11最低可至-20dB以下。另一方面，實施例之插入損失S21與比較例之插入損 失S21的差距小於2dB，且實施例之插入損失S21最高可在-2dB~0dB之間。

由上述可知，作為共面波導濾波器的共面波導結構800具有高透光率，且可維持適合訊號濾波的頻率響應。因此，將共面波導結構800應用在電子裝置上，可利於電子裝置的透明化。

在此須強調的是，本發明的精神在於，藉由將共面波導結構中的導體設計為具有透光區域，以有效增加共面波導結構的透光率，同時也可應用在電子裝置上，以促進電子裝置的透明化。圖4、圖5和圖8所繪示之共面波導結構400、500、800僅為本發明之例示，而非用以限制本發明的範圍。舉例而言，圖5的透光區域520B、530B、540B可變更為具有多個不同形狀的中空多邊形。

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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

300‧‧‧共面波導結構

310‧‧‧透明基板

320‧‧‧中心導體

320A、330A、340A‧‧‧導線

320B、330B、340B‧‧‧透光區域

330、340‧‧‧接地導體

Claims (10)

1. 一種共面波導(coplanar waveguide)結構，包含：一透明基板；一中心導體，設置在該透明基板上，用以作為一訊號導體，其中該中心導體的結構定義出至少一第一透光區域，該至少一第一透光區域之總和佔該中心導體之面積的80%以上；一第一接地導體，設置在該透明基板上且位於相對該中心導體之一側，其中該第一接地導體的結構定義出至少一第二透光區域，該至少一第二透光區域之總和佔該第一接地導體之面積的83%以上；以及一第二接地導體，設置在該透明基板上且位於相對該中心導體之另一側，其中該第二接地導體的結構定義出至少一第三透光區域，該至少一第三透光區域之總和佔該第二接地導體之面積的83%以上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之共面波導結構，其中該中心導體、該第一接地導體與該第二接地導體的結構為環形框架結構或具有複數個中空多邊形之網狀結構。
3. 如申請專利範圍第1項所述之共面波導結構，其中該至少一第一透光區域、該至少一第二透光區域和該至少一第三透光區域係由複數個導線所定義，該些導 線之每一者具有介於1微米與300微米之間的寬度和介於0.5微米與500微米之間的厚度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之共面波導結構，其中該中心導體、該第一接地導體和該第二接地導體包含選自金、銀、銅、鋁、錫、鎳所組成的族群中之至少一者。
5. 如申請專利範圍第1項所述之共面波導結構，其中該透明基板為一玻璃基板、一聚苯乙烯基板、一聚酯纖維基板、一聚碳酸酯基板、一聚酸甲酯基板、一聚對苯二甲酸乙二酯基板或一透明陶瓷基板。
6. 一種共面波導結構，包含：一透明基板；一中心導體，設置在該透明基板上，其中該中心導體的結構定義出至少一第一透光區域，該至少一第一透光區域之總和佔該中心導體之面積的35%以上；一對耦合導體，設置在該透明基板上且分別位於相對該中心導體之一第一側和一第二側，其中該些耦合導體的結構定義出至少一第二透光區域，該至少一第二透光區域之總和佔該些耦合導體之面積的60%以上；以及一對接地導體，設置在該透明基板上且分別位於相對該中心導體之一第三側和一第四側，其中該些接地導體的 結構定義出至少一第三透光區域，該至少一第三透光區域之總和佔該些接地導體之面積的50%以上。
7. 如申請專利範圍第6項所述之共面波導結構，其中該中心導體、該些耦合導體與該些接地導體的結構為環形框架結構或具有複數個中空多邊形之網狀結構。
8. 如申請專利範圍第6項所述之共面波導結構，其中該至少一第一透光區域、該至少一第二透光區域和該至少一第三透光區域係由複數個導線所定義，該些導線之每一者具有介於1微米與300微米之間的寬度和介於0.5微米與500微米之間的厚度。
9. 如申請專利範圍第6項所述之共面波導結構，其中該中心導體、該些耦合導體和該些接地導體包含選自金、銀、銅、鋁、錫、鎳所組成的族群中之至少一者。
10. 如申請專利範圍第6項所述之共面波導結構，其中該透明基板為一玻璃基板、一聚苯乙烯基板、一聚酯纖維基板、一聚碳酸酯基板、一聚酸甲酯基板、一聚對苯二甲酸乙二酯基板或一透明陶瓷基板。