TWI566467B - 無線電子穿戴式設備及其天線結構 - Google Patents

Description

無線電子穿戴式設備及其天線結構

本發明乃是關於一種無線電子設備及其天線結構，特別是指一種可穿戴式或可攜帶式的無線電子設備及其天線結構。

目前的無線電子可穿戴式設備由於需要和多種外部設備，例如：智慧型手機，進行無線通訊，所以至少需要一個以上的天線來進行訊號傳輸。然而，由於金屬殼體會屏蔽電磁波信號，所以一的無線電子可穿戴式設備只能採用不導電的塑膠材料作為殼體的設計，而不選擇採用相對而言較為結實耐用的金屬材料作為殼體的設計。

舉例來說，雖然目前市面上銷售的傳統手錶均採用金屬材料作為殼體的設計，以使得產品得以美觀、堅固、防水。但目前市面上銷售的智慧型手錶等智慧型無線電子可穿戴式設備均需具有無線通訊功能，因此於設備中便必須至少設置有一個天線，然而，出於天線輻射能量的考量，產品殼體(在天線部分)便必須設計成不導電也不會屏蔽天線信號的材料，如塑料、玻璃、陶瓷等，且於此情況下，用以使產品能穿戴於使用者身上的帶狀扣環便須以金屬材料製成，以作為產品之天線結構的開口部分。

本發明實施例提供一種無線電子穿戴式設備之天線結構，包 括金屬環狀天線、印刷電路板、底座與附加金屬環。金屬環狀天線係形成無線電子穿戴式設備之上殼體。印刷電路板之訊號源係透過饋入元件連接於金屬環狀天線，以將訊號源所發出之電磁波訊號傳送至金屬環狀天線，且金屬環狀天線係透過接地元件連接於印刷電路板之接地端。底座係由絕緣材料製成，以作為無線電子穿戴式設備之下殼體。附加金屬環係由印刷電路板延伸並嵌入底座。其中，金屬環狀天線與印刷電路板之間相隔一道縫隙，且縫隙之距離係大於0.1mm。

本發明實施例另提供一種無線電子穿戴式設備，包括有天線結構，用以與外部設備進行無線通訊。無線電子穿戴式設備之天線結構包括金屬環狀天線、印刷電路板、底座與附加金屬環。金屬環狀天線係形成無線電子穿戴式設備之上殼體。印刷電路板之訊號源係透過饋入元件連接於金屬環狀天線，以將訊號源所發出之電磁波訊號傳送至金屬環狀天線，且金屬環狀天線係透過接地元件連接於印刷電路板之接地端。底座係由絕緣材料製成，以作為無線電子穿戴式設備之下殼體。附加金屬環係由印刷電路板延伸並嵌入底座。其中，金屬環狀天線與印刷電路板之間相隔一道縫隙，且縫隙之距離係大於0.1mm。

綜上所述，本發明實施例提供之天線結構的設計使得無線電子穿戴式設備之外殼即便由金屬材料製成也能不受天線屏蔽現象的影響，既能保持訊號傳輸的品質，也能兼顧設備外觀設計上的美感。同時，本發明實施例提供之無線電子穿戴式設備之天線結構具有一個高頻操作頻段與一個低頻操作頻段，無論無線電子穿戴式設備與使用者人體接觸的部分是以金屬材料或絕緣體材料製成，無線電子穿戴式設備均可以穩定地於兩個使用頻帶之一下俱有良好的訊號傳輸品質。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用 來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

11‧‧‧金屬環狀天線

12‧‧‧印刷電路板

21‧‧‧底座

22‧‧‧附加金屬環

23‧‧‧餽入元件

24‧‧‧接地元件

4‧‧‧無線電子穿戴式設備

41‧‧‧金屬環狀天線

42‧‧‧印刷電路板

43‧‧‧饋入元件

44‧‧‧接地元件

45‧‧‧附加金屬環

46‧‧‧底座

47‧‧‧帶狀扣環

G‧‧‧縫隙

圖1是本發明實施例中無線電子穿戴式設備之天線核心結構的示意圖。

圖2是本發明實施例中無線電子穿戴式設備之天線結構的剖面圖。

圖3是本發明實施例中無線電子穿戴式設備之天線結構中餽入元件與接地元件之設置位置的示意圖。

圖4A是本發明實施例中無線電子穿戴式設備的剖面圖。

圖4B是本發明實施例中無線電子穿戴式設備的示意圖。

圖5是本發明實施例中無線電子穿戴式設備之天線結構的反射損失的曲線圖。

圖6是本發明實施例中無線電子穿戴式設備之天線結構的輻射效率的曲線圖。

在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸圖式中，可為了清楚而誇示層及區之大小及相對大小。類似數字始終指示類似元件。

應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件，但此等元件不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件。因此，下文論述之第一元件可稱為第二元件而不偏離本發明概念之教示。如本文中所使用，術語「及/或」 包括相關聯之列出項目中之任一者及一或多者之所有組合。

以下將以多種實施例配合圖式來說明所述無線電子穿戴式設備及其天線結構，然而，下述實施例並非用以限制本發明。

〔無線電子穿戴式設備之天線結構的實施例〕

請參照圖1，圖1是本發明實施例中無線電子穿戴式設備之天線核心結構的示意圖。如圖1所示，於本實施例中，無線電子穿戴式設備之天線的核心結構包括有金屬環狀天線11與印刷電路板12，且兩者以層疊方式設置。進一步說明，印刷電路板12之訊號源(未圖示)係透過饋入元件連接於金屬環狀天線11，以將訊號源所發出之電磁波訊號傳送至金屬環狀天線11，且金屬環狀天線11係透過接地元件24連接於印刷電路板12之接地端(未圖示)。值得注意的是，金屬環狀天線11具有圓形閉合結構，且金屬環狀天線11與印刷電路板12之間相隔有一道縫隙G，且縫隙G之距離係大於0.1mm。

圖1所繪示之無線電子穿戴式設備之天線核心結構係可應用於多種無線電子穿戴式設備，例如：智慧型手錶，以使無線電子穿戴式設備與外部設備進行訊號傳輸時能具有良好的訊號傳輸品質。因此接下來便要進一步說明本發明實施例中無線電子穿戴式設備之天線結構於無線電子穿戴式設備上的設計。

請參照圖2,圖2是本發明實施例中無線電子穿戴式設備之天線結構的剖面圖。如圖2所示，除了金屬環狀天線11與印刷電路板12之外，無線電子穿戴式設備之天線結構更包括了由絕緣材料製成的底座21。於本實施例中，底座21係形成無線電子穿戴式設備之下殼體，且金屬環狀天線11係形成無線電子穿戴式設備之上殼體，使得無線電子穿戴式設備不僅得以具有金屬質感的美觀外型，更可以兼顧防水性與耐用性。

然而，需說明的是，就常理而言，由金屬材料製成之無線電子穿戴式設備的上殼體會屏蔽電磁波訊號，影響訊號傳輸的品 質，因此於傳統的設計上，為了不影響電磁波訊號的傳輸，均採用絕緣材料，如：塑膠，以製成無線電子穿戴式設備的上殼體。為解決上述問題，於本實施例中，無線電子穿戴式設備之天線結構又進一步地包括了附加金屬環22，附加金屬環22係由印刷電路板12延伸並嵌入由絕緣材料製成的底座21內，此種結構設計可以大大地降低無線電子穿戴式設備的金屬製上殼體所造成的天線屏蔽現象，如此一來，無線電子穿戴式設備便可採用金屬外殼的設計，不僅俱有金屬質感的美觀性，也具有金屬材質的堅固性與耐用性。

接著，請同時參照圖2與圖3，圖3是本發明實施例中無線電子穿戴式設備之天線結構中餽入元件與接地元件之設置位置的示意圖。首先，如圖2與圖3所示，印刷電路板12之訊號源(未圖示)係透過餽入元件23將電磁波訊號傳輸至用以形成無線電子穿戴式設備之外殼的金屬環狀天線11，且金屬環狀天線11另透過接地元件連接於印刷電路板12之接地端(未圖示)。尤其如圖3所示，饋入元件23連接於印刷電路板12之訊號源的位置與接地元件24連接於印刷電路板12之接地端的位置係位於同一圓上的兩個相對的位置，從而使得電路板12之訊號源的位置與印刷電路板12之接地端的位置之間的距離較遠，從於而有利於減少兩個位置之間的信號干擾。並且，接地元件24係為複數個之接地點，且該複數個接地點係設置於印刷電路板上之複數個特定位置，此種天線結構設計有助於提高天線的工作性能。

補充說明，前述本實施例的無線電子穿戴式設備之天線結構係屬於槽孔天線(slot antenna)的形式設計，然本發明於此並不限定。也就是說，本實施例的無線電子穿戴式設備之天線結構亦可採用切口天線(notch antenna)的形式設計，並且藉由調整天線結構之切口長度來設計特定的共振頻率。

另一方面，本實施例的無線電子穿戴式設備之天線結構亦可 採用一種雙環結構的設計。也就是說，除了利用前述之附加金屬環的設計來降低無線電子穿戴式設備的金屬製上殼體所造成的天線屏蔽現象外，於印刷電路板與附加金屬環的下層還可以設置一個第二附加金屬環(未圖示)，以作為寄生單元，達到增加操作頻段之頻寬的目的，但本發明於此並不限定。

此外，於本實施例的無線電子穿戴式設備之天線結構中，電磁波訊號係經由饋入元件直接饋入金屬環狀天線，但本發明於此並不限制，換句話說，於本實施例中，電磁波訊號亦可藉由耦合饋入或感應饋入的方式將訊號傳輸至金屬環狀天線。

〔無線電子穿戴式設備的實施例〕

本發明實施例提供之天線結構的設計主要係應用於多種無線電子穿戴式設備，例如：智慧型手錶或其他智慧型電子產品。因此，為方便說明本實施例中的無線電子穿戴式設備，本實施例係以智慧型手錶作為舉例，但本發明於此並不限制。

請參照圖4A與圖4B，圖4A是本發明實施例中無線電子穿戴式設備的剖面圖，且圖4B是本發明實施例中無線電子穿戴式設備的示意圖。

首先，由圖4A可以清楚的理解本發明實施例中無線電子穿戴式設備4中的天線結構。如圖4A所示，天線結構係包括有金屬環狀天線41、印刷電路板42、餽入元件43、接地元件44、附加金屬環45與底座46。為了進行電磁波訊號的傳輸，印刷電路板42之訊號源係透過饋入元件43連接於金屬環狀天線41，以將訊號源所發出之電磁波訊號傳送至金屬環狀天線41，且金屬環狀天線41係透過接地元件44連接於印刷電路板42之接地端。此外，金屬環狀天線41與印刷電路板42之間相隔一道縫隙G，且縫隙G之距離係大於0.1mm。天線結構之底座46係由絕緣材料(如：塑膠)製成，以作為無線電子穿戴式設備4之下殼體，同時，天線結構之金屬環狀天線41係形成無線電子穿戴式設備4之一上殼體。此 外，於天線結構中，附加金屬環45係由印刷電路板42延伸並嵌入底座46內。

接著，請同時參照圖4A與圖4B所示，於本實施例中，無線電子穿戴式設備(如：智慧型手錶)包含有前述實施例所述之無線電子穿戴式設備的天線結構，除此之外，無線電子穿戴式設備的天線結構更包含有帶狀扣環47，連接於底座21，用以使無線電子穿戴式設備能穿戴於使用者身上。

如前述，為避免屏蔽現象，傳統的無線電子穿戴式設備之上殼體均係以絕緣材料(如：塑膠)所製成，於此情況下，便需以金屬材料製成用以使無線電子穿戴式設備能穿戴於使用者身上的帶狀扣環，以作為天線結構之開口部分。然而，由於本實施例係以無線電子穿戴式設備4之天線結構的金屬環狀天線11來形成無線電子穿戴式設備4之上殼體，故不需如傳統的無線電子穿戴式設備必須以金屬材料製成用以使無線電子穿戴式設備能穿戴於使用者身上的帶狀扣環。也就是說，於本實施例中，用以使無線電子穿戴式設備能穿戴於使用者身上的帶狀扣環47係可選擇性地由金屬材料或絕緣材料製成，以搭配無線電子穿戴式設備之上殼體或下殼體的外觀設計。

但值得注意的是，由於無線電子穿戴式設備之天線結構的帶狀扣環會與使用者的身體接觸，使得與使用者的身體接觸會影響到無線電子穿戴式設備之天線結構的性能或輻射效率。考慮到此點，本實施例分別就採用金屬材料製成的帶狀扣環之天線結構與採用絕緣材料製成的帶狀扣環之天線結構測試出其反射損失與輻射效率。

請同時參照圖5與圖6，圖5是本發明實施例中無線電子穿戴式設備之天線結構的反射損失的曲線圖，且圖6是本發明實施例中無線電子穿戴式設備之天線結構的輻射效率的曲線圖。

於圖5中，實線代表採用金屬材料製成的帶狀扣環之天線結 構的反射損失，而虛線代表採用絕緣材料製成的帶狀扣環之天線結構的反射損失(Return Loss；RL)，其中當反射損失趨近零即表示近乎為功率全反射，而當反射損失越大，即表示越少功率反射。其中，縱軸的10dB處係表示10%的功率反射與90%的功率發散，一般而言，這是天線結構可接受的工作範圍。也就是說，於反射損失大於10dB的部分所對應之頻率範圍係定義為天線結構的使用頻帶，或稱為工作頻寬。

於本實施例中，為了使設計者可以選擇性地採用包含金屬材料或絕緣材料製成的帶狀扣環之天線結構，無線電子穿戴式設備之天線結構中的印刷電路板上係設置有匹配電路(未圖示)，匹配電路係連接於印刷電路板之接地端，例如：複數個接地點，以調整天線結構之匹配負載係數，使採用包含金屬材料與絕緣材料製成的帶狀扣環之天線結構可以測試出相符合的反射損失曲線，以便取得本實施例之無線電子穿戴式設備之天線結構的使用頻帶。

將圖5所示之曲線對應於縱軸的10dB處，便可得知，不論是採用金屬材料或絕緣材料製成天線結構中的帶狀扣環，本實施例之無線電子穿戴式設備之天線結構均可良好的操作於兩個無線網路頻段，且其分別為一個高頻使用頻帶與一個低頻使用頻帶。如圖5所示，本實施例之無線電子穿戴式設備之天線結構的高頻使用頻帶約介於5GHz至5.5GHz之間，且低頻使用頻帶約介於2.3GHz至該2.5GHz之間。然而，須詳細地說明與解釋的是，天線之使用頻帶並不限定於Wi-Fi頻段，也就是說，在實際應用層面，於本實施例中，天線的使用頻帶也可以是例如GPS或GSM等其他種類型的頻率範圍。

另一方面，請同時參照圖6，圖6是本發明實施例中無線電子穿戴式設備之天線結構的輻射效率的曲線圖。於圖6中，實線代表採用金屬材料製成的帶狀扣環之天線結構的輻射效率，而虛線代表採用絕緣材料製成的帶狀扣環之天線結構的輻射效率。如圖6 所示，不論是採用金屬材料或絕緣材料製成天線結構中的帶狀扣環，本實施例之無線電子穿戴式設備之天線結構均在頻帶約介於5GHz至5.5GHz之處以及頻帶約介於2.3GHz至該2.5GHz之處表現出最佳的輻射效率。

〔實施例的可能功效〕

綜上所述，本發明實施例提供之天線結構的設計使得無線電子穿戴式設備之外殼即便由金屬材料製成也能不受天線屏蔽現象的影響，既能保持訊號傳輸的品質，也能兼顧設備外觀設計上的美感。同時，本發明實施例提供之無線電子穿戴式設備之天線結構具有一個高頻操作頻段與一個低頻操作頻段，無論無線電子穿戴式設備與使用者人體接觸的部分是以金屬材料或絕緣體材料製成，無線電子穿戴式設備均可以穩定地於兩個使用頻帶之一下俱有良好的訊號傳輸品質。

以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

4‧‧‧無線電子穿戴式設備

41‧‧‧金屬環狀天線

42‧‧‧印刷電路板

43‧‧‧饋入元件

44‧‧‧接地元件

45‧‧‧附加金屬環

46‧‧‧底座

47‧‧‧帶狀扣環

G‧‧‧縫隙

Claims (13)

1. 一種無線電子穿戴式設備之天線結構，包括：一金屬環狀天線，具有一圓形閉合結構，用以形成該無線電子穿戴式設備之一上殼體；一印刷電路板，該印刷電路板之一訊號源透過一饋入元件連接於該金屬環狀天線，以將該訊號源所發出之電磁波訊號傳送至該金屬環狀天線，且該金屬環狀天線透過一接地元件連接於該印刷電路板之一接地端；一底座，由一絕緣材料製成，以作為該無線電子穿戴式設備之一下殼體；以及一附加金屬環，該附加金屬環係由該印刷電路板延伸並嵌入該底座，以降低該金屬環狀天線所造成的屏蔽現象；其中，該金屬環狀天線與該印刷電路板之間相隔一縫隙。
2. 如請求項第1項所述之天線結構，其中，該饋入元件連接於該印刷電路板之該訊號源的位置與該接地元件連接於該印刷電路板之該接地端的位置係位於同一圓上的兩個相對的位置。
3. 如請求項第1項所述之天線結構，其中，該接地元件係為複數個之接地點，且該複數個接地點係設置於該印刷電路板上之複數個特定位置。
4. 一種無線電子穿戴式設備，包括有一天線結構，以與一外部設備進行無線通訊，該天線結構包括：一金屬環狀天線，具有一圓形閉合結構，用以形成該無線電子穿戴式設備之一上殼體；一印刷電路板，該印刷電路板之一訊號源透過一饋入元件連接於該金屬環狀天線，以將該訊號源所發出之電磁波訊號傳送至該金屬環狀天線，且該金屬環狀天線透過一接地元件連接於該印刷電路板之一接地端；一底座，由一絕緣材料製成，以作為該無線電子穿戴式設 備之一下殼體；以及一附加金屬環，該附加金屬環係由該印刷電路板延伸並嵌入該底座，以降低該金屬環狀天線所造成的屏蔽現象；其中，該金屬環狀天線與該印刷電路板之間相隔一縫隙。
5. 如請求項第4項所述之無線電子穿戴式設備，其中，該無線電子穿戴式設備更包括一帶狀扣環，連接於該底座，由一金屬材料或一絕緣材料製成。
6. 如請求項第5項所述之無線電子穿戴式設備，其中，該天線結構之該印刷電路板上係設置有一匹配電路，該匹配電路連接於該印刷電路板之該接地端，以調整該天線結構之匹配負載係數。
7. 如請求項第4項所述之無線電子穿戴式設備，其中，該饋入元件連接於該印刷電路板之該訊號源的位置與該接地元件連接於該印刷電路板之該接地端的位置係位於同一圓上的兩個相對的位置。
8. 如請求項第4項所述之無線電子穿戴式設備，其中，該接地元件係為複數個之接地點，且該複數個接地點係設置於該印刷電路板上之複數個特定位置。
9. 如請求項第4項所述之無線電子穿戴式設備，其中，該無線電子穿戴式設備係為一智慧型手錶。
10. 如請求項第4項所述之無線電子穿戴式設備，其中，該無線電子穿戴式設備係為一智慧型電子產品。
11. 如請求項第4項所述之無線電子穿戴式設備，其中，該訊號源所發出之電磁波訊號係透過耦合饋入或感應饋入傳送至該金屬環狀天線。
12. 如請求項第6項所述之無線電子穿戴式設備，其中，該天線結構係具有一高頻使用頻帶與一低頻使用頻帶，該高頻使用頻帶約介於5GHz至5.5GHz之間，且該低頻使用頻帶約介於 2.3GHz至該2.5GHz之間。
13. 如請求項第6項所述之無線電子穿戴式設備，其中，該天線結構係具有至少一使用頻帶，且該使用頻帶係屬於GPS頻帶或GSM頻帶。