TWI589061B - 天線裝置 - Google Patents

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TWI589061B
TWI589061B TW103140624A TW103140624A TWI589061B TW I589061 B TWI589061 B TW I589061B TW 103140624 A TW103140624 A TW 103140624A TW 103140624 A TW103140624 A TW 103140624A TW I589061 B TWI589061 B TW I589061B
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陳俊啓
鄭鴻文
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惠普發展公司有限責任合夥企業
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Description

天線裝置
本發明係有關於天線裝置。
諸如行動電話之可攜式通訊裝置，一般而言設置有諸如IEEE 802.11(Wi-Fi)、3G、LTE及GPS天線之多個天線。此等裝置之製造商目標鎖定在使裝置儘可能地縮小，並且因此造成用於天線的空間遭到限制。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種天線裝置，用於具有在一操作頻帶內之一頻率的一信號，該天線裝置包含一接地組件；短路連接於該接地組件之一輻射組件；藉一電容式組件耦接至該接地組件的一接地饋入端，該電容式組件對於具有低於該操作頻帶之一頻率的信號係為一實質上開路電路，以及該電容式組件對於具有在該操作頻帶內或更高的一頻率的信號係為一實質上短路電路；以及一近接感測器，其耦接至該接地組件，以使得該接地組件形成一電極以允許該近接感測器電容式地感測一物體是否靠近該電極。
100、500‧‧‧通訊裝置
102、200‧‧‧天線裝置
104‧‧‧接地組件/偶極組件
106‧‧‧輻射組件/偶極組件
108、206‧‧‧短路銷腳
110‧‧‧天線纜線
112‧‧‧電子模組
114、210‧‧‧信號導體
116‧‧‧屏蔽體/纜線接地/天線接地
118‧‧‧饋入輸入/正向饋入端
120‧‧‧饋入接地/負向饋入端
122‧‧‧耦合件
124、218、502‧‧‧近接感測器
202‧‧‧接地組件
204‧‧‧輻射組件
208‧‧‧正向饋入端
212‧‧‧接地饋入端
214‧‧‧纜線接地
216‧‧‧電容式組件/電容器
300、310‧‧‧頻率範圍
302‧‧‧第一信號頻帶
304‧‧‧第二信號頻帶
306、308‧‧‧點
400‧‧‧方法
402、404、406、408‧‧‧步驟
504‧‧‧感測電極
506‧‧‧Wi-Fi天線
508‧‧‧3G/LTE主要天線
510‧‧‧前攝像機
512‧‧‧3G/LTE輔助天線
514‧‧‧後攝像機
516‧‧‧X軸方向
藉著非限制性的範例，根據本發明所揭露的天線裝置、通訊裝置以及用於無線通訊的方法將配合以下圖式來說明，其中：圖1係一通訊裝置之一平面圖。
圖2係一天線裝置之一平面圖。
圖3繪示一頻率範圍的例子。
圖4繪示用於無線通訊的一方法。
圖5係一通訊裝置中的組件之一方塊圖。
本說明書揭露內容描述用於具有在一操作頻帶內之一頻率的一信號的一天線裝置。此天線裝置包含一接地組件、短路連接至接地組件之一輻射組件、連接至輻射組件之一正向饋入端、及一接地饋入端。接地饋入端係藉一電容式組件耦接至接地組件。電容式組件對於具有低於該操作頻帶之一頻率的信號係為實質上開路電路。電容式組件對於具有在該操作頻帶內或更高之頻率的信號係為實質上短路電路。
因為電容式組件對於具有在該操作頻帶內或更高之頻率的信號係為實質上短路電路，所以電容式組件不會負面地影響天線裝置在操作頻帶之效能。然而，電容式組件對於具有低於該操作頻帶之一頻率的信號係為實質上開路電路。在接地組件及接地饋入端之間會有一直流(DC)分離，並且因此，接地組件係浮動的。此方式有接地組件可以供一低頻應用使用而不會損害到天線裝置效能的好 處。
例如，接地組件可以耦接至一近接感測器以使接地組件形成一電極。這允許近接感測器來電容式地感測諸如使用者頭部之一移動物體是否接近電極。因為由移動中之物體所導致電容的改變與典型操作頻帶相比一般係較慢的，此低頻改變可以使用接地組件感測到。
諸如由美國聯邦通訊委員會(FCC)所制定的政府法規，限制了在使用諸如一行動電話之通訊裝置時被使用者人體所吸收的輻射能量的可允許劑量多寡。此能量一般以比吸收率(SAR：specific absorption rate)來測量。因為此限制，裝置要限制輸出功率大小，這時常引起諸如連接衰退、低資料率及接收不良等等之服務品質上的損失。
不過，裝置並非總是靠近諸如使用者耳朵之使用者身體。反而，現代的裝置時常以兩隻手且在使用者前方使用，好比瀏覽網際網路或閱讀電子郵件。因為使用者身體吸收的輻射量會隨著距離而大幅減少，在這些情境中便可讓輸出功率增加而仍保持所吸收能量在限制值以下。這將因為服務品質提升，而能增強使用者經驗。
為了適應性地控制輸出功率，裝置具有一近接感測器，其感測諸如使用者頭部之一物體是否接近該裝置，諸如在該裝置附近2公分內。
此近接感測器可以是發射紅外光線及感測反射紅外光線之一光學感測器。若一強度大於一臨界值之反射光被檢測到，該感測器向一功率調節器指出一物體出現且 功率調節器可以降低輸出功率。
光學感測器無法區分不同形式的物體，諸如一裝置蓋面或人體組織。
另種感測器形式係一電容式感測器，其測量兩個電極間之電容的改變。此電容取決於在由兩個電極間之電壓所產生的電場內之材料的介電常數ε。因為電場不會被侷限於裝置的內部，而會延伸到外部，一外部物體的出現會改變介電常數ε，因此電容也跟著改變。此種感測器檢測電容的改變並且指出一物體出現。
藉著區分不同的改變幅度，電容式近接感測器即可能可以區分人體組織及其它材料，諸如塑膠蓋面。
然而，電容式近接感測器使用至少一個難以整合進裝置的感測電極，該裝置一般沒有空餘空間可用。
利用裝置之天線中之一者的一組件作為一感測電極，會得到使近接感測器所需空間減少的好處。直接連接至諸如一纜線屏蔽體(cable shielding)的一固定接地電位的接地組件，不適於電容式測量，意即它們無法供一第二目的所使用。
圖1繪示一通訊裝置100，諸如一行動電話。通訊裝置100包含一天線裝置102，其包括一接地組件104及藉一短路銷腳108短路連結至接地組件104之一輻射組件106。
在沒有短路銷腳108的情況下，天線將作為具有兩個偶極組件104及106的一偶極而運作，而包括短路銷腳108時則會引進一額外的電感。改變短路銷腳108的長度及 寬度，天線的阻抗即可以匹配。
輻射組件106可能係適於各操作頻帶的具有一臂之一倒F型組件。一般來說，各臂之長度係該操作頻帶之四分之一波長(λ/4)。一操作頻帶係定義為天線裝置設計來運作之一頻率範圍。
例如，根據IEEE 802.11標準之Wi-Fi天線裝置一般具有從2.4GHz到2.5GHz的一操作頻帶。輻射組件106可能係設計給2.4GHz範圍的較低端使用，這致使λ=12.5cm之波長且λ/4=3.125cm。輻射組件106可能針對頻率在5GHz之一第二Wi-Fi操作頻帶(自4915MHz到5825MHz)內之信號另具有一第二臂，該第二操作頻帶致使λ=6cm且λ/4=1.5cm。
一天線纜線110連接天線裝置102至包括例如一天線放大器(未顯示)之一電子模組112。天線纜線110包含一信號導體114及一纜線接地或屏蔽體116。
天線纜線110包含連接至輻射組件106之一饋入輸入118以及信號導體114。饋入輸入118從信號導體114傳遞電氣信號至輻射組件106，以使得輻射組件106發送信號。
此處需注意，參照送出信號的動作來解說的原理，同樣適用於接收信號，這大致是因為天線的互反性(reciprocity)。
纜線接地116係連接至一饋入接地120。饋入接地120可能為一接線或其它導體，以及也可能相同於天線接地116。
一耦合件122係介於饋入接地120及接地組件104之間。耦合件122在饋入接地120及接地組件104之間形成一頻率選擇性連接。此允許接地組件104針對使用相當高頻率的輻射組件106被使用作為一天線接地，而同時此接地組件104係浮接的，並且因此可以供一第二低頻目的所使用。
該第二低頻目的之一範例為藉一近接感測器124執行近接感測。近接感測器124測量接地組件104之電容。在此電容改變時，近接感測器124即感測到一物體在裝置100的附近。電容的改變為緩慢的，且因此對於接地組件104，此為適當的第二用途。
在一範例中，近接感測器124係意法半導體(ST Microelectronics)公司型號STM8T143之一電容式感測器。在此範例中，近接感測器124使用阿左特克(Azoteq)公司推出的一種ProxSense(TM)電荷傳遞電容式擷取方法，其允許近接感測器124使用接地組件104作為一單獨電極來感測靠近狀況。在其它範例中，近接感測器124測量接地組件104及一第二電極(未顯示)間之一電容大小。
為了方便頻率選擇性連結，耦合件122抑制具有低於天線裝置102的操作頻帶之一頻率的信號，使之免於在饋入接地120及接地組件104之間被發送。同時，耦合件122發送具有在天線裝置102之操作頻帶內或更高之一頻率的信號。此種耦合可使用如下文配合圖2所解釋的電容器而實現。
圖2繪示用於具有在一操作頻帶內之一頻率的信 號之一天線裝置200，此操作頻帶諸如為根據IEEE 802.11的2.4GHz Wi-Fi頻帶。天線裝置200包含如前文所描述的一接地組件202以及一輻射組件204。輻射組件204係藉由短路銷腳206短路連結至接地組件202。
一正向饋入端208連接一信號導體210至輻射組件204。一接地饋入端212係連接至一纜線接地214藉由一電容式組件216耦接到接地組件。電容式組件216可能係一單一電容器、多個並接電容器或一較複雜的電容式濾波器網絡。
電容式組件216對於具有低於操作頻帶之一頻率的信號係為一實質開路電路。同時，電容式組件216對於具有在操作頻帶內或更高的一頻率的信號係為一實質短路電路。
天線裝置200另包含耦接至接地組件202的一近接感測器218。如此，接地組件202構成一電極以允許近接感測器218藉由諸如量測接地組件202的電容而電容式地感測一物體是否在該電極之附近。
電容性電抗(reactance)係反比於信號頻率f。因此，電容器對於無限高頻可作為一短路電路，以及對於諸如DC之靜態信號做為開路電路。在這兩個極端之間，電容器的表現行為可由頻率及電容之方程式予以特徵化描述。
電容器216之電容係選取成使得輻射組件204之功能性在天線裝置200的操作頻帶上獲確保，而同時能保持一DC或低頻分離作用。
電容器216對於具有該操作頻帶之下的一頻率的信號係為一實質開路電路，使得一小量的寄生電流可能在低頻下流經電容器216，但其大小就作為一浮接電極的接地組件202的運作係可忽略的。如此，由經過電容器216的寄生電流所導致接地組件的放電，係比由在天線裝置附近移動的一物體所導致的電容典型變化更慢得多的，諸如100秒。
類似地，電容器216對具有在操作頻帶內或更高的一頻率的信號係為一實質短路電路。可能會有因為電容器216而引生的小損失，但此損失就輻射組件204的運作而言為可忽略的。
當利用接地組件202於近接感測時，在物體附近的變化是緩慢的，且此等變化可以視為在接地組件202上的靜態DC準位。在沒有連接至近接感測器218之情況下，接地組件202基本上為浮接的，並且接地組件202未連接至一定義電位。此浮接特性接著藉由連接該接地組件202至近接感測器218而被利用。如此，接地組件202即構成用於電容感測的一電極。
於天線裝置200的操作頻帶上諸如2.4GHz的頻率與天線裝置200附近移動的物體諸如為1Hz的頻率二者之間，有相當大的差異。因此，就設定恰好的電容值會有一相當大的頻率範圍。
圖3繪示一頻率範圍300的一範例。頻率範圍300包含第一信號頻帶302及第二信號頻帶304。在此範例中， 被抑制或者電容器216對其而言係為一開路電路之信號，可能係具有低於100Hz(如在點306處所指)的一頻率之信號。此外，被發送或者電容器216對其而言係為一短路電路之信號，可能係具有高於2GHz(如在點308處所指)的一頻率之信號。
在100Hz與2GHz間如此大的頻率範圍310內，電容器216的發送特性係不顯著的，並且因此就設定電容值而言即有一大的自由度。在一範例中，電容器216的電容為4pF。再有多個並聯電容器的範例中，所有電容器的電容值的和例如為4pF。
諸如小於100pF的較大電容值，就天線性能來說也可能是可接受的，但較低電容值會增加近接感測器的檢測範圍。在一範例中，近接感測器晶片可以驅動的最大電容值為60pF。因此，接地組件202及電容器216的組合電容值在此範例中係小於60pF。
如前文所述，近接感測器218係可耦接至接地組件202。在一範例中，一電感器係用在此耦接上，並且此電感器基本上以與電容器216相反的方式操作。此電感器就具有低於天線的操作頻帶之一頻率的信號而言係實質上短路電路，以及此電感器就具有在該操作頻帶內或以上的一頻率之信號而言為實質上開路電路。在一範例中，電感器之電感值為390 nH。
在一範例中，輻射組件204形成與接地組件202實質上相同之一平面，其可能導致一平面式倒F型天線 (PIFA)。此一天線裝置非常薄，其在空間有限時具有優點。例如，輻射組件204及接地組件202直接設於一行動電話背壁之下且與該壁平行。
圖4繪示用於使用一操作頻帶的無線通訊之一方法400。方法400也將配合圖1作說明。在步驟402，一輸入信號的一正向饋入端118係被饋入至短路連接至一接地組件104的一輻射組件106。在步驟404，輸入信號的一負向饋入端120係被饋入至接地組件104。
此等動作的執行係藉由在步驟406允許具有在操作頻帶內或更高的一頻率之信號於負向饋入端120及接地組件104之間被傳送，並且在步驟408抑制具有低於操作頻帶的一頻率之信號使之不會於負向饋入端120及接地組件104之間傳送，而得進行。
雖然使用天線接地作為一感測電極的技術概念於此係參考Wi-Fi天線來描述，但此概念同等適用於其它天線，以及特別來說，適用於根據藍牙特殊興趣小組規格操作在2400及2483.5MHz間之頻帶的藍牙天線、和操作在諸如1.57542GHz及1.2276GHz下的全球定位系統(GPS)天線。
圖5係一通訊裝置500中之構件的一方塊圖。通訊裝置500包含連接至一獨立的感測電極504與如前文所述連接至一Wi-Fi天線506的天線接地的一近接感測器502。通訊裝置500另包含一3G/LTE主要天線508、一前攝像機510、一3G/LTE輔助天線512及一後攝像機514。
除了近接感測器502之外的所有構件，沿著裝置 500的X軸方向516配置。諸如藉著使用Wi-Fi天線506兼作為一近接電極以減少沿著X軸方向的構件數量，便直接減少在X軸方向516上所佔據的空間。
在某些裝置中，3G/LTE天線508的性能規格是嚴格的並且為寬頻帶(700MHz~2.3GHz)。因此，將雙重使用(dual-use)的概念引入進3G/LTE天線508，可能導致3G/LTE天線508需要一更複雜及挑戰性的設計。
某些Wi-Fi或藍牙天線的範例則具有較不嚴格的性能規格，且這些天線於相對窄之頻帶中操作。另外，接地組件可能小於用於3G/LTE天線者。
因此，在這些範例中，Wi-Fi或藍牙天線可能用來作為一感測電極來感測使用者身體之一些部分，以及降低諸如3G/LTE天線的一不同天線的輸出功率，以便將SAR值降至諸如法定限制值的一預定臨界值之下。
通篇說明書中，“具有”或者諸如“有”或“含有”等等的用語或其變化型態，應理解為和“包含”的用語有同樣意思，並且暗示包括所陳述之一組件、整數或步驟、或多個組件、整數或步驟的群組，但並不排除包括任何其它組件、整數或步驟、或多個組件、整數或步驟的群組。
熟於此技者將了解，對於前文所描述之實施例，在不偏離本發明的廣義揭露範圍之情形下，尚可做出多種變化及/或修改。因此，本文實施例係欲在各方面理解為例示性的而非限制性的。
100‧‧‧通訊裝置
102‧‧‧天線裝置
104‧‧‧接地組件/偶極組件
106‧‧‧輻射組件/偶極組件
108‧‧‧短路銷腳
110‧‧‧天線纜線
112‧‧‧電子模組
114‧‧‧信號導體
116‧‧‧屏蔽體/纜線接地/天線接地
118‧‧‧饋入輸入/正向饋入端
120‧‧‧饋入接地/負向饋入端
122‧‧‧耦合件
124‧‧‧近接感測器

Claims (15)

  1. 一種天線裝置，用於具有在一操作頻帶內之一頻率的一信號，該天線裝置包含：一接地組件；短路連接於該接地組件之一輻射組件；連接至該輻射組件之一正向饋入端；藉一電容式組件耦接至該接地組件的一接地饋入端，該電容式組件對於具有低於該操作頻帶之一頻率的信號為一實質上開路電路，以及該電容式組件對於具有在該操作頻帶內或更高的一頻率的信號為一實質上短路電路；以及一近接感測器，其耦接至該接地組件，以使得該接地組件形成一電極以允許該近接感測器電容式地感測一物體是否靠近該電極。
  2. 如請求項1之天線裝置，另包含一輸出功率控制器，用來於一物體被感測到時選擇性地降低施加於該正向饋入端之一信號的輸出功率。
  3. 如請求項2之天線裝置，其中該輸出功率控制器係用來降低該輸出功率以使得一比吸收率值係在一預定臨界值之下。
  4. 如請求項1之天線裝置，其中該操作頻帶係為依據IEEE 802.11之一Wi-Fi頻帶、一藍牙頻帶或一全球定位系統頻帶。
  5. 如請求項1之天線裝置，其中該輻射組件跟該接地組件形成一實質上相同平面。
  6. 如請求項5之天線裝置，其中該輻射組件及該接地組件形成一平面式倒F型天線。
  7. 如請求項1之天線裝置，其中該電容式組件之電容係少於100皮法拉(pF)。
  8. 如請求項7之天線裝置，其中該電容式組件之電容為4皮法拉。
  9. 一種通訊裝置，具有用於擁有在一操作頻帶內之一頻率的一信號之一第一天線裝置，該天線裝置包含：一接地組件；短路連接於該接地組件之一輻射組件；連接至該輻射組件之一饋入輸入；一饋入接地；及於該饋入接地及該接地組件之間的一耦合件，以使得：具有低於該天線的該操作頻帶之一頻率的信號被抑制，而無法在該饋入接地與該接地組件之間傳送，及具有在該操作頻帶內或更高的一頻率的信號在該饋入接地與該接地組件之間傳送。
  10. 如請求項9之通訊裝置，另包含一近接感測器，其耦接至該接地組件，以使得該接地組件形成一電極以允許該近接感測器電容式地感測一物體是否靠近該電極。
  11. 如請求項10之通訊裝置，另包含：一第二天線裝置，及 一輸出功率控制器，用來於一物體被感測到時選擇性地降低施加於該第二天線裝置的一信號之輸出功率。
  12. 如請求項11之通訊裝置，其中該第一天線裝置為一Wi-Fi天線裝置或一藍牙天線裝置；且該第二天線裝置為一3G/LTE天線裝置。
  13. 一種用於使用一操作頻帶的無線通訊之方法，該方法包含：將一輸入信號之一正向饋入端饋入至短路連接到一接地組件的一輻射組件；藉以下步驟，將該輸入信號的一負向饋入端饋入至該接地組件：允許具有在該操作頻帶內或更高的一頻率的信號在該負向饋入端與該接地組件之間傳送，以及抑制具有低於天線之該操作頻帶之一頻率的信號使之無法在該負向饋入端與該接地組件之間傳送。
  14. 如請求項13之方法，另包含：感測該接地組件之一電容；以及基於該感測到的電容判定一物體的存在。
  15. 如請求項14之方法，另包含：於判定該物體存在時，選擇性地降低一輸入信號功率。
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