TWI813238B - 通訊裝置 - Google Patents

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TWI813238B
TWI813238B TW111112411A TW111112411A TWI813238B TW I813238 B TWI813238 B TW I813238B TW 111112411 A TW111112411 A TW 111112411A TW 111112411 A TW111112411 A TW 111112411A TW I813238 B TWI813238 B TW I813238B
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施凱
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啓碁科技股份有限公司
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Abstract

一種通訊裝置，包括：一介質基板、一天線層、一超材料層、一第一吸波元件、一第二吸波元件，以及一第三吸波元件。介質基板具有相對之一第一表面和一第二表面。天線層係設置於介質基板之第一表面。超材料層係鄰近於天線層。天線層和超材料層皆介於第一吸波元件和第二吸波元件之間。第三吸波元件係設置於介質基板之第二表面。

Description

通訊裝置
本發明係關於一種通訊裝置，特別係關於一種可降低環境干擾之通訊裝置。
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、850 MHz、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。
天線(Antenna)為無線通訊領域中不可缺少之元件。倘若用於接收或發射信號之天線受到週遭環境之干擾，則很容易造成相關裝置之通訊品質下降。因此，如何設計出可降低環境干擾之通訊裝置，對天線設計者而言是一項重要課題。
在較佳實施例中，本發明提出一種通訊裝置，包括：一介質基板，具有相對之一第一表面和一第二表面；一天線層，設置於該介質基板之該第一表面；一超材料層，鄰近於該天線層；一第一吸波元件；一第二吸波元件，其中該天線層和該超材料層皆介於該第一吸波元件和該第二吸波元件之間；以及一第三吸波元件，設置於該介質基板之該第二表面。
在一些實施例中，該天線層支援60GHz之一毫米波操作頻率。
在一些實施例中，該第一吸波元件、該第二吸波元件，以及該第三吸波元件之電磁波吸收頻率係介於10GHz至100GHz之間。
在一些實施例中，該第一吸波元件和該第二吸波元件係各自呈現一較小矩形，而該第三吸波元件係呈現一較大矩形。
在一些實施例中，該第一吸波元件、該第二吸波元件，以及該第三吸波元件之每一者之厚度皆介於0.5mm至2mm之間。
在一些實施例中，該天線層包括至少一天線元件。
在一些實施例中，該天線層包括四個貼片天線元件。
在一些實施例中，該超材料層包括：一承載基板，鄰近於該天線元件；以及複數個導體結構單元，週期性地排列於該承載基板上。
在一些實施例中，該天線元件係對應於9個導體結構單元。
在一些實施例中，該等導體結構單元之至少一者之垂直投影係與該天線元件至少部份重疊。
在一些實施例中，該等導體結構單元之每一者包括一第一C字形部份和一第二C字型部份，而該第二C字形部份係位於該第一C字型部份之內。
在一些實施例中，該第一C字形部份具有一第一開口，該第二C字型部份具有一第二開口，而該第一開口和該第二開口係朝著不同方向。
在一些實施例中，該等導體結構單元之每一者係各自為具有一中間缺口之一矩形板。
在一些實施例中，該等導體結構單元之相鄰二者之中心對中心間距係介於0.4mm至0.6mm之間。
在一些實施例中，該等導體結構單元之相鄰二者之中心對中心間距係大致等於0.53mm。
在一些實施例中，該等導體結構單元至該天線層之間距係介於0.05mm至0.15mm之間。
在一些實施例中，該等導體結構單元至該天線層之間距係大致等於0.102mm。
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。
以下的揭露內容提供許多不同的實施例或範例以實施本案的不同特徵。以下的揭露內容敘述各個構件及其排列方式的特定範例，以簡化說明。當然，這些特定的範例並非用以限定。例如，若是本揭露書敘述了一第一特徵形成於一第二特徵之上或上方，即表示其可能包含上述第一特徵與上述第二特徵是直接接觸的實施例，亦可能包含了有附加特徵形成於上述第一特徵與上述第二特徵之間，而使上述第一特徵與第二特徵可能未直接接觸的實施例。另外，以下揭露書不同範例可能重複使用相同的參考符號或(且)標記。這些重複係為了簡化與清晰的目的，並非用以限定所討論的不同實施例或(且)結構之間有特定的關係。
此外，其與空間相關用詞。例如「在…下方」、「下方」、「較低的」、「上方」、「較高的」 及類似的用詞，係為了便於描述圖示中一個元件或特徵與另一個(些)元件或特徵之間的關係。除了在圖式中繪示的方位外，這些空間相關用詞意欲包含使用中或操作中的裝置之不同方位。裝置可能被轉向不同方位(旋轉90度或其他方位)，則在此使用的空間相關詞也可依此相同解釋。
第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之通訊裝置(Communication Device)100之立體圖。第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之通訊裝置100之側視圖。請一併參考第1A、1B圖。通訊裝置100可應用於一行動裝置(Mobile Device)當中，例如：一智慧型手機(Smart Phone)、一平板電腦(Tablet Computer)，或是一筆記型電腦(Notebook Computer)。在第1A、1B圖之實施例中，通訊裝置100至少包括：一介質基板(Dielectric Substrate)110、一天線層(Antenna Layer)120、一超材料層(Metamaterial Layer)130、一第一吸波元件(Absorber Element)141、一第二吸波元件142，以及一第三吸波元件143，其中天線層120可用金屬材質製成，例如：銅、銀、鋁、鐵，或是其合金。
介質基板110可為一FR4(Flame Retardant 4)基板、一印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)，或是一軟性電路板(Flexible Printed Circuit，FPC)。介質基板110具有相對之一第一表面E1和一第二表面E2。
天線層120係設置於介質基板110之第一表面E1。天線層120包括至少一天線元件(Antenna Element)。前述之天線元件之形狀和種類於本發明中並不特別作限制。舉例而言，前述之天線元件可為一單極天線(Monopole Antenna)、一偶極天線(Dipole Antenna)、一貼片天線(Patch Antenna)、一迴圈天線(Loop Antenna)、一平面倒F字形天線(Planar Inverted F Antenna，PIFA)，或是一混合天線(Hybrid Antenna)。在一些實施例中，天線層120可支援60GHz之一毫米波(Millimeter Wave，mmWave)操作頻率。
超材料層130係鄰近於天線層120，其中天線層120係設置於超材料層130和介質基板110之間。必須注意的是，本說明書中所謂「鄰近」或「相鄰」一詞可指對應之二元件間距小於一既定距離(例如：10mm或更短)，亦可包括對應之二元件彼此直接接觸之情況(亦即，前述間距縮短至0)。
第一吸波元件141和第二吸波元件142皆設置於介質基板110之第一表面E1，其中天線層120和超材料層130皆介於第一吸波元件141和第二吸波元件142之間。另外，第三吸波元件143係設置於介質基板110之第二表面E2。例如，第一吸波元件141和第二吸波元件142可各自呈現一較小矩形，而第三吸波元件143可呈現一較大矩形，但亦不僅限於此。在另一些實施例中，第一吸波元件141、第二吸波元件142，以及第三吸波元件143三者可為一體成形之設計，其可由介質基板110之第二表面E2延伸至第一表面E1上。在一些實施例中，第一吸波元件141、第二吸波元件142，以及第三吸波元件143之電磁波(Electromagnetic Wave)吸收頻率係介於10GHz至100GHz之間，可用於吸收介於10GHz至100GHz之間之電磁波，特別是那些來自天線層120之電磁波。
根據實際量測結果，所提之通訊裝置100有助於降低關於天線層120之折射與反射(亦即，多重路徑干擾，Multipath Interference)，使得週遭環境不致於對通訊裝置100之整體通訊品質造成太大之負面影響。以下實施例將介紹通訊裝置100之不同組態及細部結構特徵。必須理解的是，這些圖式和敘述僅為舉例，而非用於限制本發明之範圍。
第2A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線層120和超材料層130之立體圖。第2B圖係顯示根據本發明一實施例所述之超材料層130之立體圖(省略掉天線層120)。第2C圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線層120之立體圖(省略掉超材料層130)。請一併參考第2A、2B、2C圖。
在第2A、2B、2C圖之實施例中，天線層120包括四個貼片天線元件(Patch Antenna Element)121、122、123、124。該等貼片天線元件121、122、123、124之一者可作為發射天線(Transmission Antenna)，而該等貼片天線元件121、122、123、124之其餘三者可作為接收天線(Reception Antenna)。舉例而言，貼片天線元件121、122、123三者皆可作為接收天線，其中貼片天線元件121、122兩者之間距DA可大致等於前述之毫米波操作頻率之0.5倍波長(λ/2)，而貼片天線元件121、123兩者之間距DB亦可大致等於前述之毫米波操作頻率之0.5倍波長(λ/2)。另外，貼片天線元件124則可作為發射天線，其中貼片天線元件122、124兩者之間距DC可大於或等於前述之毫米波操作頻率之0.5倍波長(λ/2)。在另一些實施例中，天線層120還可包括更少個或更多個天線元件。
在第2A、2B、2C圖之實施例中，超材料層130包括一承載基板(Carrier Substrate)150和複數個導體結構單元(Conductive Structure Unit)160-1、160-2、…、160-N，其中N可為大於或等於9之一正整數。例如，承載基板150可為一FR4(Flame Retardant 4)基板。該等導體結構單元160-1、160-2、…、160-N係週期且對稱性地排列於承載基板150之一表面。承載基板150之相對另一表面則鄰近於天線層120之該等貼片天線元件121、122、123、124。在一些實施例中，前述之正整數N亦可根據超材料層130之不同尺寸而對稱性地增加或減少。
第3A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線層120和超材料層130之部份俯視圖(為簡化圖式，承載基板150顯示為一透明元件)。第3B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線層120和超材料層130之部份側視圖。請一併參考第3A、3B圖。
在第3A、3B圖之實施例中，承載基板150具有相對之一第三表面E3和一第四表面E4，其中9個導體結構單元160-1、160-2、…、160-9皆設置於承載基板150之第三表面E3，而貼片天線元件121則直接接觸承載基板150之第四表面E4。亦即，貼片天線元件121可對應於該等導體結構單元160-1、160-2、…、160-9。詳細而言，該等導體結構單元160-1、160-2、…、160-9之至少一者(例如：導體結構單元160-5)於承載基板150之第四表面E4上之垂直投影(Vertical Projection)可與貼片天線元件121至少部份重疊。另外，該等導體結構單元160-1、160-2、…、160-9之其餘者於承載基板150之第四表面E4上之垂直投影則可用於大致包圍住貼片天線元件121。
在另一些實施例中，其他貼片天線元件122、123、124亦可採取相似之方式作設計，並與該等導體結構單元160-1、160-2、…、160-N之其餘者互相對應，在此將不再贅述。
必須理解的是，超材料層130之該等導體結構單元160-1、160-2、…、160-N可用於改變鄰近環境之等效折射率(Refractive Index)，以避免環境因素對天線層120之輻射性能造成負面影響。
第4A圖係顯示根據本發明一實施例所述之單一導體結構單元160之立體圖。在第4A圖之實施例中，每一導體結構單元160皆包括一第一C字形部份161和一第二C字型部份162，其中第二C字形部份162係位於第一C字型部份161之內。詳細而言，在導體結構單元160當中，第一C字形部份161具有一第一開口(Opening)163，而第二C字型部份162具有一第二開口164，其中第一開口163和第二開口164可朝著不同方向。例如，第一開口163和第二開口164兩者可恰朝著相反方向。
第4B圖係顯示根據本發明另一實施例所述之單一導體結構單元170之立體圖。在第4B圖之實施例中，每一導體結構單元170係各自為具有一中間缺口(Central Notch)172之一矩形板171。例如，複數個導體結構單元170可週期性地排列於承載基板150之第三表面E3，並可對應於貼片天線元件121。根據實際量測結果，導體結構單元160和導體結構單元170之不同形狀皆可提供相似之操作效果。第4C圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線層120和超材料層130之部份俯視圖(為簡化圖式，承載基板150顯示為一透明元件)。第4C圖和第3A圖相似。在第4C圖之實施例中，9個導體結構單元170-1、170-2、…、170-9皆設置於承載基板150上。
在一些實施例中，通訊裝置100之元件尺寸和元件參數可如下列所述。該等貼片天線元件121、122、123、124之每一者之長度可大致等於通訊裝置100之毫米波操作頻率之0.25倍波長(λ/4)。該等貼片天線元件121、122、123、124之每一者之寬度亦可大致等於通訊裝置100之毫米波操作頻率之0.25倍波長(λ/4)。第一吸波元件141之厚度H1、第二吸波元件142之厚度H2，以及第三吸波元件143之厚度H3皆可介於0.5mm至2mm之間。該等導體結構單元160-1、160-2、…、160-N之相鄰二者之中心對中心間距D1可介於0.4mm至0.6mm之間。例如，該等導體結構單元160-1、160-2、…、160-N之相鄰二者之中心對中心間距D1可大致等於0.53mm。該等導體結構單元160-1、160-2、…、160-N至天線層120之間距D2(抑或，承載基板150之第三表面E3至第三表面E4之間距D2)可介於0.05mm至0.15mm之間。例如，該等導體結構單元160-1、160-2、…、160-N至天線層120之間距D2可大致等於0.102mm。以上元件尺寸和元件參數之範圍係根據多次實驗結果而得出，其可最佳化通訊裝置100之整體通訊品質。
第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之通訊裝置100套用於一筆記型電腦500之立體圖。第6圖係顯示根據本發明一實施例所述之通訊裝置100與筆記型電腦500之週遭環境之部份剖面圖。在第5、6圖之實施例中，若通訊裝置100套用於筆記型電腦500，則通訊裝置100可由筆記型電腦500之一玻璃板(Glass Plate)680和一金屬側壁(Metal Sidewall)690所共同包圍。根據實際量測結果，前述之第一吸波元件141、第二吸波元件142，以及第三吸波元件143可用於消除因金屬側壁690所造成之多重路徑反射(Multipath Reflections)。另一方面，前述之超材料層130則可用於消除因玻璃板680所造成之非理想反射或折射，使得天線層120之主要波束(Main Beam)可大致沿著玻璃板680之一法線方向NT作延伸。
第7圖係顯示根據本發明一實施例所述之通訊裝置100套用於筆記型電腦500之輻射增益(Radiation Gain)圖，其係沿著筆記型電腦500之一水平切面HCUT來進行量測。如第7圖所示，一第一曲線CC1可代表當尚未使用第一吸波元件141、第二吸波元件142、第三吸波元件143，以及超材料層130時天線層120之輻射增益，而一第二曲線CC2可代表已經使用第一吸波元件141、第二吸波元件142、第三吸波元件143，以及超材料層130時天線層120之輻射增益。根據第7圖之量測結果，本發明之設計有助於提升通訊裝置100之輻射增益達10dB或更高，其足以降低關於通訊裝置100之各種多重路徑干擾。
本發明提出一種新穎之通訊裝置。相較於傳統設計，本發明可提供較高之通訊品質及較低之多重路徑干擾，故其很適合應用於各種各式之行動裝置當中。
值得注意的是，以上所述之元件尺寸、元件形狀，以及頻率範圍皆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。本發明之通訊裝置並不僅限於第1-7圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-7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通訊裝置當中。
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。
100:通訊裝置
110:介質基板
120:天線層
121,122,123,124:貼片天線元件
130:超材料層
141:第一吸波元件
142:第二吸波元件
143:第三吸波元件
150:承載基板
160,160-1,160-2,160-3,160-4,160-5,160-6,160-7,160-8,160-9,160-N,170,170-1,170-2,170-3,170-4,170-5,170-6,170-7,170-8,170-9:導體結構單元
161:第一C字形部份
162:第二C字形部份
163:第一開口
164:第二開口
171:矩形板
172:中間缺口
500:筆記型電腦
680:玻璃板
690:金屬側壁
CC1:第一曲線
CC2:第二曲線
D1,D2,DA,DB,DC:間距
E1:第一表面
E2:第二表面
E3:第三表面
E4:第四表面
H1,H2,H3:厚度
HCUT:水平切面
NT:法線方向
第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之通訊裝置之立體圖。 第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之通訊裝置之側視圖。 第2A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線層和超材料層之立體圖。 第2B圖係顯示根據本發明一實施例所述之超材料層之立體圖。 第2C圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線層之立體圖。 第3A圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線層和超材料層之部份俯視圖。 第3B圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線層和超材料層之部份側視圖。 第4A圖係顯示根據本發明一實施例所述之單一導體結構單元之立體圖。 第4B圖係顯示根據本發明另一實施例所述之單一導體結構單元之立體圖。 第4C圖係顯示根據本發明另一實施例所述之天線層和超材料層之部份俯視圖。 第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之通訊裝置套用於筆記型電腦之立體圖。 第6圖係顯示根據本發明一實施例所述之通訊裝置與筆記型電腦之週遭環境之部份剖面圖。 第7圖係顯示根據本發明一實施例所述之通訊裝置套用於筆記型電腦之輻射增益圖。
100:通訊裝置
110:介質基板
120:天線層
130:超材料層
141:第一吸波元件
142:第二吸波元件
143:第三吸波元件

Claims (14)

  1. 一種通訊裝置，包括：一介質基板，具有相對之一第一表面和一第二表面；一天線層，設置於該介質基板之該第一表面；一超材料層，鄰近於該天線層；一第一吸波元件；一第二吸波元件，其中該天線層和該超材料層皆介於該第一吸波元件和該第二吸波元件之間；以及一第三吸波元件，設置於該介質基板之該第二表面；其中該天線層包括至少一天線元件；其中該超材料層包括：一承載基板，鄰近於該天線元件；以及複數個導體結構單元，週期性地排列於該承載基板上；其中該天線元件係對應於9個導體結構單元。
  2. 如請求項1所述之通訊裝置，其中該天線層支援60GHz之一毫米波操作頻率。
  3. 如請求項1所述之通訊裝置，其中該第一吸波元件、該第二吸波元件，以及該第三吸波元件之電磁波吸收頻率係介於10GHz至100GHz之間。
  4. 如請求項1所述之通訊裝置，其中該第一吸波元件和該第二吸波元件係各自呈現一較小矩形，而該第三吸波元件係呈現一較大矩形。
  5. 如請求項1所述之通訊裝置，其中該第一吸波元件、該第二吸波元件，以及該第三吸波元件之每一者之厚度皆介於0.5mm至2mm之間。
  6. 如請求項1所述之通訊裝置，其中該天線層包括四個貼片天線元件。
  7. 如請求項1所述之通訊裝置，其中該等導體結構單元之至少一者之垂直投影係與該天線元件至少部份重疊。
  8. 如請求項1所述之通訊裝置，其中該等導體結構單元之每一者包括一第一C字形部份和一第二C字型部份，而該第二C字形部份係位於該第一C字型部份之內。
  9. 如請求項8所述之通訊裝置，其中該第一C字形部份具有一第一開口，該第二C字型部份具有一第二開口，而該第一開口和該第二開口係朝著不同方向。
  10. 如請求項1所述之通訊裝置，其中該等導體結構單元之每一者係各自為具有一中間缺口之一矩形板。
  11. 如請求項1所述之通訊裝置，其中該等導體結構單元之相鄰二者之中心對中心間距係介於0.4mm至0.6mm之間。
  12. 如請求項1所述之通訊裝置，其中該等導體結構單元之相鄰二者之中心對中心間距係大致等於0.53mm。
  13. 如請求項1所述之通訊裝置，其中該等導體結構單元至該天線層之間距係介於0.05mm至0.15mm之間。
  14. 如請求項1所述之通訊裝置，其中該等導體結構單 元至該天線層之間距係大致等於0.102mm。
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