TWI638485B

TWI638485B - 穿戴式裝置

Info

Publication number: TWI638485B
Application number: TW106134342A
Authority: TW
Inventors: 曾智聰; 洪崇庭
Original assignee: 廣達電腦股份有限公司
Priority date: 2017-10-05
Filing date: 2017-10-05
Publication date: 2018-10-11
Also published as: CN109613817A; CN109613817B; TW201916465A; US20190109367A1

Abstract

一種穿戴式裝置，包括：一非導體背蓋、一金屬環圈、一印刷電路板、一饋入部，以及一短路部。非導體背蓋呈現一中空結構。金屬環圈係設置於非導體背蓋之上，其中金屬環圈具有一饋入點和一接地點。印刷電路板係設置於非導體背蓋之內，其中印刷電路板包括一接地面。一信號源係經由饋入部耦接至金屬環圈之饋入點。金屬環圈之接地點係經由短路部耦接至接地面。金屬環圈、饋入部，以及短路部共同形成一天線結構。

Description

穿戴式裝置

本發明係關於一種穿戴式裝置(Wearable Device)，特別係關於一種穿戴式裝置及其天線結構。

隨著行動通訊技術的發達，行動裝置在近年日益普遍，常見的例如：手提式電腦、行動電話、多媒體播放器以及其他混合功能的攜帶型電子裝置。為了滿足人們的需求，行動裝置通常具有無線通訊的功能。有些涵蓋長距離的無線通訊範圍，例如：行動電話使用2G、3G、LTE(Long Term Evolution)系統及其所使用700MHz、850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz、2100MHz、2300MHz以及2500MHz的頻帶進行通訊，而有些則涵蓋短距離的無線通訊範圍，例如：Wi-Fi、Bluetooth系統使用2.4GHz、5.2GHz和5.8GHz的頻帶進行通訊。

依據各品牌大廠之研究方向，次世代新興之行動裝置很可能會是「穿戴式裝置(Wearable Device)」。例如，手錶、眼鏡，甚至是身上衣物，都有機會在未來具有無線通訊功能。然而，以穿戴式裝置中的手錶為例，其內部空間非常狹小，不足以容納用於無線通訊之天線。此將成為天線設計者之一大挑戰。

在較佳實施例中，本發明提供一種穿戴式裝置，包括：一非導體背蓋，呈現一中空結構；一金屬環圈，設置於該非導體背蓋之上，其中該金屬環圈具有一饋入點和一接地點；一印刷電路板，設置於該非導體背蓋之內，並包括一接地面；一饋入部，其中一信號源係經由該饋入部耦接至該金屬環圈之該饋入點；以及一短路部，其中該金屬環圈之該接地點係經由該短路部耦接至該接地面；其中該金屬環圈、該饋入部，以及該短路部共同形成一天線結構。

在一些實施例中，該穿戴式裝置為一手錶，而該金屬環圈為一手錶邊框。

在一些實施例中，該饋入部和該短路部各自為一金屬彈片、一金屬螺絲，或是一金屬頂針。

在一些實施例中，該非導體背蓋大致為一無蓋箱型，而該金屬環圈係位於該無蓋箱型之一開口側。

在一些實施例中，該穿戴式裝置更包括：一透明元件，由該金屬環圈所包圍。

在一些實施例中，該穿戴式裝置更包括：一寄生部，耦接至該接地面，並形成該天線結構之一延伸部份。

在一些實施例中，該天線結構涵蓋一第一頻帶、一第二頻帶，以及一第三頻帶。

在一些實施例中，該第一頻帶係介於746MHz至787MHz之間，該第二頻帶係介於2400MHz至2500MHz之間，而該第三頻帶係位於1575MHz處。

在一些實施例中，該第一頻帶和該第二頻帶皆由該金屬環圈所激發產生。

在一些實施例中，該第三頻帶係由該寄生部所激發產生。

100、300、500、600‧‧‧穿戴式裝置

110‧‧‧非導體背蓋

111‧‧‧非導體背蓋之開口側

120‧‧‧金屬環圈

128‧‧‧第一共振路徑

129‧‧‧第二共振路徑

130‧‧‧印刷電路板

135‧‧‧接地面

140‧‧‧饋入部

150‧‧‧短路部

160‧‧‧旋鈕

170‧‧‧錶帶

180‧‧‧透明元件

190‧‧‧信號源

320‧‧‧寄生部

321‧‧‧寄生部之第一端

322‧‧‧寄生部之第二端

330‧‧‧非金屬淨空區間

541‧‧‧第一匹配電路

542‧‧‧第二匹配電路

543‧‧‧第三匹配電路

650‧‧‧承載元件

FB1‧‧‧第一頻帶

FB2‧‧‧第二頻帶

FB3‧‧‧第三頻帶

FP‧‧‧饋入點

GP‧‧‧接地點

W1、W2‧‧‧寬度

第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置之俯視圖；第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置之側視圖；第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置之天線結構之電壓駐波比圖；第3A圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置之俯視圖；第3B圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置之側視圖；第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置之天線結構之電壓駐波比圖；第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置之俯視圖；以及第6圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置之側視圖。

為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

在說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。本領域技術人員應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及申請專利範圍當中所提及的「包含」及「包括」一詞為開放式的用語，故應解釋成「包含但不僅限定於」。「大致」一詞則是指在可接受的誤差範圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題，達到所述基本之技術效果。此外，「耦接」一詞在本說明書中包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接至一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電性連接至該第二裝置，或經由其它裝置或連接手段而間接地電性連接至該第二裝置。

第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置(Wearable Device)100之俯視圖。第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置100之側視圖。請一併參考第1A、1B圖。在較佳實施例中，穿戴式裝置100為一手腕穿戴式裝置(Wrist-wearable Device)，例如：一智慧型手錶，或是一智慧型運動手環。如第1A、1B圖所示，穿戴式裝置100至少包括：一非導體背蓋(Nonconductive Back Cover)110、一金屬環圈(Metal Loop)120、一印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)130、一饋入部(Feeding Element)140，以及一短路部(Shorting Element)150。

非導體背蓋110可用塑膠材料所製成。非導體背蓋110大致呈現一中空結構(Hollow Structure)。金屬環圈120可用銅、銀、鋁、鐵，或其合金所製成。金屬環圈120可以呈現一圓形、一正方形、一矩形、一正三角形，或是一橢圓形。若穿戴式裝置100為一手錶(Watch)，則金屬環圈120可為一手錶邊框(Watch Bezel)。非導體背蓋110和金屬環圈120之外型、花紋、以及表面處理在本發明中皆不特別作限制。金屬環圈120係設置於非導體背蓋110之上，其中金屬環圈120具有位置彼此相異之一饋入點(Feeding Point)FP和一接地點(Grounding Point)GP。印刷電路板130亦可呈現一圓形、一正方形、一矩形、一正三角形，或是一橢圓形。印刷電路板130係設置於非導體背蓋110之內，並包括一接地面135，其中印刷電路板130上更可設置各種電子電路零件。例如，一信號源190可設置於印刷電路板130上。信號源190可以是一射頻模組(Radio Frequency Module)，並可用於產生一發射信號或是處理一接收信號。饋入部140和短路部150可以各自為一金屬彈片(Metal Spring)、一金屬螺絲(Metal Screw)，或是一金屬頂針(Metal Pogo Pin)，但亦不僅限於此。信號源190係經由饋入部140耦接至金屬環圈120之饋入點FP，而金屬環圈120之接地點GP係經由短路部150耦接至接地面135。在較佳實施例中，金屬環圈120、饋入部140，以及短路部150係共同形成穿戴式裝置100之一天線結構。

在一些實施例中，非導體背蓋110大致為一無蓋箱型(例如：近似一碗形，其具有一圓形開口)，而金屬環圈120係位於此無蓋箱型之一開口側111。非導體背蓋110可用於容納各種裝置零組件，例如：一電池、一時針、一分針、一秒針、一射頻模組、一信號處理模組、一計數器、一處理器、一溫度計，或(且)一氣壓計(未顯示)。在一些實施例中，金屬環圈120大致為一圓形環圈，用以搭配非導體背蓋110之一圓形開口。

在一些實施例中，穿戴式裝置100更包括一旋鈕(Knob)160、一錶帶170，以及一透明元件180。旋鈕160可內嵌於金屬環圈120之一側邊孔中，並可作為一時間調整器(Time Tuner)。錶帶170可以連接至金屬環圈120之相對二側，以利一使用者可藉由錶帶170來配掛穿戴式裝置100於其手腕上。透明元件180可以是一錶面玻璃或是一透明塑膠板。透明元件180可以設置於金屬環圈120中，並可由金屬環圈120所包圍。其他手錶元件，例如：一時針、一分針、一秒針，或是一數位顯示器，皆可設置於透明元件180之下方，以利一使用者進行觀察。必須理解的是，雖然未顯示於第1A、1B圖中，但穿戴式裝置100更可包括其他元件，例如：一防水外殼或一扣環。

第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置100之天線結構之電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz)，而縱軸代表電壓駐波比。根據第2圖之量測結果可知，當穿戴式裝置100之金屬環圈120由信號源190所饋入時，其天線結構可涵蓋一第一頻帶FB1和一第二頻帶FB2。例如，第一頻帶FB1可介於746MHz至787MHz之間，而第二頻帶FB2可介於2400MHz至2500MHz之間。因此，本發明之穿戴式裝置100至少可支援LTE(Long Term Evolution)Band 13和WLAN(Wireless Local Area Networks) 2.4GHz之雙頻帶操作。前述之頻帶範圍亦可根據不同需要進行調整。由於金屬環圈120可藉由一輕薄金屬元件來實施，並作為穿戴式裝置100之外觀元件之一部份，本發明將可兼得縮小天線尺寸、維持天線頻寬、降低成本，以及美化裝置外型等等優勢，故其很適合應用於各種小型化之智慧型穿戴式裝置。

請再次參考第1A、1B圖以理解本發明之天線原理和設計方式。因為金屬環圈120之饋入點FP和接地點GP之設計特性，穿戴式裝置100之天線結構將具有一第一共振路徑128和一第二共振路徑129，其中第一共振路徑128為金屬環圈120上由饋入點FP至接地點GP之間之一較短部份路徑，而第二共振路徑129為金屬環圈120上由饋入點FP至接地點GP之間之一較長部份路徑。詳細而言，第一共振路徑128可為角度小於180度之一第一圓弧形(例如：約120度)，而第二共振路徑129可為角度大於180度之一第二圓弧形(例如：約240度)。第一共振路徑128和第二共振路徑129之一組合可大致涵蓋完整之金屬環圈120(例如：約360度)。在天線原理方面，前述之第一頻帶FB1和第二頻帶FB2皆由金屬環圈120所激發產生。詳細而言，第一頻帶FB1係由金屬環圈120之第二共振路徑129所激發產生，而第二頻帶FB2係由金屬環圈120之第一共振路徑128所激發產生。因此，藉由適當地改變饋入點FP和接地點GP兩者之位置，設計者將能輕易地控制天線結構之操作頻帶範圍。在元件尺寸方面，第一共振路徑128之長度可大致等於第二頻帶FB2之0.25倍波長(λ/4)，第二共振路徑129之長度可大致等於第一頻帶FB1之0.25倍波長(λ/4)，而金屬環圈120之寬度W1可大致介於2mm 至3mm之間。以上尺寸範圍係根據多次實驗結果而得出，故其可最佳化天線結構之阻抗匹配(Impedance Matching)。

第3A圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置300之俯視圖。第3B圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置300之側視圖。第3A、3B圖和第1A、1B圖相似。在第3A、3B圖之實施例中，穿戴式裝置300更包括一寄生部(Parasitic Element)320，其係由金屬材質所製成。例如，寄生部320可大致呈現一L字形或是四分之一圓弧形，但不僅限於此。詳細而言，寄生部320具有一第一端321和一第二端322，其中寄生部320之第一端321係耦接至接地面135，而寄生部320之第二端322為一開路端(Open End)並大致沿著金屬環圈120作延伸。寄生部320係設置於金屬環圈120和印刷電路板130之間之一非金屬淨空區間330(Non-metal Clearance Region)內，其中此非金屬淨空區間330大致呈現一圓環形，而其寬度W2可約介於1mm至2mm之間。在較佳實施例中，寄生部320係形成穿戴式裝置300之天線結構之一延伸部份，並係由金屬環圈120所耦合激發，從而可增加天線結構之操作頻寬。

第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置300之天線結構之電壓駐波比圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz)，而縱軸代表電壓駐波比。根據第4圖之量測結果可知，當穿戴式裝置300之金屬環圈120由信號源190所饋入時，除了前述之第一頻帶FB1、第二頻帶FB2以外，其天線結構更可涵蓋一第三頻帶FB3。例如，第三頻帶FB3可位於1575MHz處。因此，本發明之穿戴式裝置300更可支援GPS(Global Positioning System)系統之功能應用。在天線原理和元件尺寸方面，第三頻帶FB3係由寄生部320所激發產生，其中寄生部320之長度(亦即，由第一端321至第二端322之長度)可大致等於第三頻帶FB3之0.25倍波長(λ/4)。第3A、3B圖之穿戴式裝置300之其餘特徵皆與第1A、1B圖之穿戴式裝置100類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置500之俯視圖。第5圖和第3A圖相似。在第5圖之實施例中，穿戴式裝置500更包括一第一匹配電路(Matching Circuit)541、一第二匹配電路542，以及一第三匹配電路543，其中信號源190係經由第一匹配電路541和饋入部140耦接至金屬環圈120之饋入點FP，金屬環圈120之接地點GP係經由短路部150和第二匹配電路542耦接至接地面135，而寄生部320之第一端321係經由第三匹配電路543耦接至接地面135。第一匹配電路541、第二匹配電路542，以及第三匹配電路543之每一者皆為被動式(Passive)元件，並可包括一或複數個電容器(Capacitor)或(且)一或複數個電感器(Inductor)，例如：晶片電容器(Chip Capacitor)或(且)晶片電感器(Chip Inductor)，以調整穿戴式裝置500之天線結構之共振路徑長度。例如，若使用第一匹配電路541、第二匹配電路542，以及第三匹配電路543，則金屬環圈120之長度和寄生部320之長度皆可縮短，從而可微縮穿戴式裝置500之整體尺寸。第5圖之穿戴式裝置500之其餘特徵皆與第3A、3B圖之穿戴式裝置300類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

第6圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置600之側視圖。第6圖和第3B圖相似。在第6圖之實施例中，穿戴式裝置600更包括一承載元件(Carrier Element)650，其可由非導體材質所製成，例如：塑膠材質。承載元件650可位於非導體背蓋110之內，並用於支撐及固定印刷電路板130，其中寄生部320可藉由雷雕技術(Laser Direct Structuring，LDS)而形成於承載元件650之側壁上。此種設計不會額外增加穿戴式裝置600之天線結構之整體尺寸。第6圖之穿戴式裝置600之其餘特徵皆與第3A、3B圖之穿戴式裝置300類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

本發明提供一種新穎之穿戴式裝置，其利用無斷口(No Fracture)之金屬環圈來形成一天線結構，此種設計可美化穿戴式裝置之外觀一致性。另一方面，由於天線結構無須使用主動式(Active)匹配電路來作調整，故不會佔用印刷電路板上之額外之淨空區間。因此，本發明至少具有小型化、低成本，以及改良外觀之優勢，在此同時亦能維持天線結構足夠之操作頻寬。

值得注意的是，以上所述之元件尺寸、元件形狀、以及頻率範圍均非為本發明之限制條件。天線設計者可以根據不同需要調整這些設定值。另外，本發明之穿戴式裝置及天線結構並不僅限於第1-6圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-6圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之，並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之穿戴式裝置及天線結構當中。

在本說明書以及申請專利範圍中的序數，例如「第一」、「第二」、「第三」等等，彼此之間並沒有順序上的先後關係，其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此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。

Claims

一種穿戴式裝置，包括：一非導體背蓋，呈現一中空結構；一金屬環圈，設置於該非導體背蓋之上，其中該金屬環圈具有一饋入點和一接地點；一印刷電路板，設置於該非導體背蓋之內，並包括一接地面；一饋入部，其中一信號源係經由該饋入部耦接至該金屬環圈之該饋入點；以及一短路部，其中該金屬環圈之該接地點係經由該短路部耦接至該接地面；其中該金屬環圈、該饋入部，以及該短路部共同形成一天線結構；其中該穿戴式裝置更包括：一寄生部，耦接至該接地面，並形成該天線結構之一延伸部份。
如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置，其中該穿戴式裝置為一手錶，而該金屬環圈為一手錶邊框。
如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置，其中該饋入部和該短路部各自為一金屬彈片、一金屬螺絲，或是一金屬頂針。
如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置，其中該非導體背蓋大致為一無蓋箱型，而該金屬環圈係位於該無蓋箱型之一開口側。
如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置，更包括：一透明元件，由該金屬環圈所包圍。
如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置，其中該天線結構涵蓋一第一頻帶、一第二頻帶，以及一第三頻帶。
如申請專利範圍第6項所述之穿戴式裝置，其中該第一頻帶係介於746MHz至787MHz之間，該第二頻帶係介於2400MHz至2500MHz之間，而該第三頻帶係位於1575MHz處。
如申請專利範圍第6項所述之穿戴式裝置，其中該第一頻帶和該第二頻帶皆由該金屬環圈所激發產生。
如申請專利範圍第6項所述之穿戴式裝置，其中該第三頻帶係由該寄生部所激發產生。