TWM460421U - 具近接感測功能的天線模組 - Google Patents

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Description

具近接感測功能的天線模組
本創作關於一種應用於通訊電子裝置的具近接感測功能的天線模組，尤指一種可防止靜電放電(ESD)衝擊的具近接感測功能的天線模組。
攜帶式電子裝置憑藉其體積輕巧、操作方便、功能強大等眾多優點，在近年來漸受廣大消費者青睞，最為廣泛使用之行動電子裝置應屬智慧型手機及平板電腦(Tablet PC)，其中，平板電腦一族的崛起源自於美國蘋果公司最先推出的iPad，後更有更多科技廠商投入大量資源研發同類產品及相關週邊設備。
此類電子裝置因具備無線通訊功能，故在其內部會設置有一天線模組以實現無線信號收發。如圖8所示，於一平板電腦80的側邊係設置一天線模組81，當天線模組81進行無線收發作業時，若人體於此刻靠近該天線模組81恐會有吸收輻射電磁波而影響人體健康之虞，因此美國聯邦通信委員會(Federal Communications Commission,FCC)所制訂規定與歐盟國家的歐洲產品品質認證法規(Conformite European,CE)，係嚴格要求人體對電磁波吸收比值(Specific Absorption Rate,SAR)需在合理範圍之內，依據ECC規範則SAR值必須低於1.6W/Kg，依據CE規範則 SAR值必須低於2.0W/Kg。
為了符合前述SAR值的規範，該類電子裝置的天線模組81係設計有一功率抑制機制，於人體靠近天線模組81可自動調節其輸出功率。該功率抑制機制主要是在天線模組81內設置一感應板(Sensor Pad)來感測人體是否靠近，隨著人體逐漸接近感應板，例如使用者恰好握持在該設有天線模組81的所在側邊，人體與感應板之間的間隙會感應產生一電容訊號，該間隙越小則電容值越高，該電容訊號將被提供予該電子裝置的中央處理器(Central Processing Unit)，使中央處理器依據該電容訊號輸出一控制指令以降低天線模組81之射頻放大器的輸出功率，達到降低SAR值之目的。惟天線模組81大多是設置在電子裝置的邊緣，該位置相當容易與人體頻繁接觸而受到來自人體的靜電放電(ESD)衝擊，往往會使電子裝置性能不穩定或導致元件損壞。
請參考圖9，台灣專利公開第201240206號「具有用於基於近接射頻功率控制的整合近接感測器之天線」一案，係以一天線結構200收發射頻天線信號及感應人體是否靠近，該天線結構200具中正、負饋電端子，兩端子各分別經由一電容器CFP 、CFG 而連接至接地面。惟此案所揭示之結構係無法達到防止靜電放電衝擊的效果，當面臨異常瞬間高壓時，恐受到影響而導致電子裝置損壞。
請參考圖10，美國專利公開第2011/0012793號一案中，係揭示一感應板元件66與一電容器124並聯，該感應板元件66可偵測人體是否靠近以降低SAR值，但 此架構同樣無法達到防止靜電放電衝擊的效果。
有鑑於現有電子裝置之天線模組雖可感測人體是否接近電子裝置以降低SAR值，但仍無法有效避免因為靜電放電所導致之瞬間異常高壓衝擊問題，故創作人係研發出本創作具近接感測功能的天線模組，希藉此達到下述目的：本創作「具近接感測功能的天線模組」之主要目的，係提供一種不僅可進行資料無線收發、主動感測人體接近而降低SAR，更可進一步克服靜電放電所帶來的衝擊，確保電子裝置可正常運作。
為達成前述目的，本創作具近接感測功能的天線模組係供設置於一電子裝置內部，該具近接感測功能的天線模組包含：一接地面；一訊號饋入元件；一天線，經由該訊號饋入元件連接至該接地面，該天線負責資料的無線發射及接收；一電容式近接感測；一高頻阻斷元件；至少一感應元件，與該天線相距一間隙並經由該高頻阻斷元件連接至該電容式近接感測器，該至少一感應元件於感測有物體接近時係產生一電容訊號以經由該高頻阻斷元件傳輸至該電容式近接感測器；以及至少一靜電保護元件，係連接於該感應元件與該接地 面之間，該靜電保護元件係於高頻時呈現低阻抗，於低頻時呈現高阻抗，於面臨異常瞬時高壓時係呈現導通狀態而使瞬時高壓傳遞至接地面。
藉由前述結構，當人體接近該至少一感應元件時會產生一電容訊號時，因為操作在較低頻的頻率，此時該靜電保護元件本身是處於高阻抗狀態而趨近開路，可有效發揮隔絕效果以防止電容訊號被導入至接地面，該電容訊號則順利傳遞至電容式近接感測器，以有效控制SAR值。
當操作在高頻時，該至少一靜電保護元件呈現低阻抗並近似短路，而該高頻阻斷元件呈現高阻接近開路狀態，可防止高頻訊號進入至該電容式近接感測器。
若面臨異常之瞬時電壓及瞬時電流時，該靜電保護元件轉為超低阻抗狀態以提供一導通路徑至該接地面，令瞬時電流快速通過該至少一靜電保護元件而導入至該接地面，達到防止靜電放電衝擊的保護功效。
本創作之另一目的係提供一種以單一元件而可同時達到天線及感應元件之具近接感測功能的天線模組，且同樣可進行資料無線收發、主動感測人體接近而降低SAR，並克服靜電放電所帶來的衝擊。
為達成上述目的，本創作具近接感測功能的天線模組係含有：一接地面；一匹配電路；一訊號饋入元件；一耦合元件，經由該匹配電路及該訊號饋入元件連接 至該接地面；一電容式近接感測器；一高頻阻斷元件，係連接於該耦合元件與該電容式近接感測器之間；以及一靜電保護元件，係連接於該耦合元件與該接地面之間，該靜電保護元件係於高頻時呈現低阻抗，於低頻時呈現高阻抗，於面臨異常瞬時高壓時係呈現導通狀態而使瞬時高壓傳遞至該接地面；其中，該耦合元件於高頻操作時係作為用以收發資料之一天線，於低頻操作時係作為一感應元件以在感測到物體接近時產生一電容訊號。
10‧‧‧接地面
11‧‧‧天線
12‧‧‧訊號饋入元件
13、13a、13b‧‧‧感應元件
14‧‧‧高頻阻斷元件
15‧‧‧電容式近接感測器
16、16a、16b‧‧‧靜電保護元件
17‧‧‧匹配電路
21‧‧‧耦合元件
80‧‧‧平板電腦
81‧‧‧天線模組
圖1：本創作第一較佳實施例之結構示意圖。
圖2：本創作第二較佳實施例之結構示意圖。
圖3：本創作第三較佳實施例之結構示意圖。
圖4：本創作採用彎曲延伸之天線之示意圖。
圖5：本創作感應元件具有多個分支之示意圖
圖6：二極體P-N接面示意圖。
圖7：二極體之電壓-電流特性曲線圖。
圖8：現有平板電腦內部設置一天線模組之構造示意圖。
圖9：台灣專利公開第201240206號「具有用於基於近接射頻功率控制的整合近接感測器之天線」所揭示之天線模組構造示意圖。
圖10：美國專利公開第2011/0012793號之天線模組構 造示意圖。
本創作具近接感測功能的天線模組係可應用於執行無線通訊的各種攜帶式電子裝置，例如平板電腦、智慧型手機等。請參考圖1所示，本創作第一較佳實施例主要包含一接地面10、一天線11、一訊號饋入元件12、一感應元件13、一高頻阻斷元件14、一電容式近接感測器15及一靜電保護元件16；而該靜電保護元件16可再進一步並聯一調整電容17。
該天線11係經由該訊號饋入元件12連接到該接地面10，用以發射或接收資料。該感應元件13係經由該高頻阻斷元件14連接到該電容式近接感測器15。該靜電保護元件16則連接於該感應元件13與該接地面10之間。
本創作之電路動作可依據不同情況說明如後。首先，當人體接近該感應元件13時，人體與該感應元件13之間會產生一感應電容，人體與該感應元件13之間的距離決定了該感應電容的電容訊號大小，距離越近則產生的電容訊號將越大，因為操作在較低頻的頻率，此時該靜電保護元件16本身是處於高阻抗狀態而趨近開路，可有效發揮隔絕效果以防止電容訊號被導入至該接地面10。因為該高頻阻斷元件14在低頻操作時係呈現低阻抗狀態而呈現短路，感應產生的電容訊號可通過該高頻阻斷元件14而傳遞到該電容式近接感測器15，由該電容式近接感測器15將電容訊號轉換為一數位訊號，此數位訊號可提供予電子裝置內部的控制電路或中央處理器(CPU)，以調低射頻放 大器端的功率輸出，減少人體電磁波吸收比值(SAR)。與該靜電保護元件16並聯之該調整電容17則可供調整人體與該感應元件13之間的感測距離。
其次，當該天線11操作在高頻而產生共振模態時，該靜電保護元件16呈現低阻抗並近似短路，而該高頻阻斷元件14呈現高阻接近開路狀態，可防止高頻訊號進入至該電容式近接感測器15。該感應元件13係等效為一個四分之一波長的微帶線(microstrip line)，當該訊號饋入元件12饋入能量，該天線11激發共振模態頻率發射電磁波能量，因該天線11與該感應元件13之間相距有一間隙，電磁波能量可經該間隙而耦合到該感應元件13，使該感應元件13能激發產生新的共振模態，實現多頻天線的功能。
當瞬時高壓及瞬時電流干擾產生時，將高於該靜電保護元件16本身的一臨界電壓，則該靜電保護元件16轉為超低阻抗狀態，提供給瞬時電流一導通路徑，令瞬時電流通過該靜電保護元件16再導入至該接地面10，如此一來防止異常瞬時電壓或電流對電子裝置產生破壞，達到防止靜電放電衝擊的保護功效。舉例而言，該瞬時高壓可能發生於人體接觸電子裝置時將靜電傳遞至電子裝置產生靜電放電衝擊，在瞬間產生極大的電壓及電流而超過該臨界電壓。但一旦該瞬時電壓或電流結束之後，該靜電保護元件16恢復為原始的阻抗狀態。該靜電保護元件16的臨界電壓取決於所選用的該靜電保護元件16其種類或型號規格，在決定要選用何種臨界電壓時，可參考電子裝置其平常的工作電壓值，例如電子裝置的工作電壓若為3.3V，則 可選用臨界電壓高於該3.3V的該靜電保護元件。
請參考圖2，在本創作第二較佳實施例中，係使用多數個感應元件13a、13b及多個靜電保護元件16a、16b。各個該感應元件13a、13b經由一對應的該靜電保護元件16a、16b連接到該高頻阻斷元件14。本實施例除了具有前述各種電路操作功能之外，藉由提高該感應元件13a、13b的數量，可增加感應面積，且因為各個該感應元件13a、13b與該天線11之間係相隔有一間隙，電磁波能量可經此間隙而耦合到該感應元件13，使每個感應元件13能激發產生各自新的共振模態，提供更多的共振頻率點，實現多頻率共振模態。
在前述說明的各實施例中，該天線11及該感應元件13、13a、13b皆為獨立的耦合元件，惟亦可單獨使用單一元件而兼具天線與感應元件的功能，例如圖3所示之第三較佳實施例，係使用單一個耦合元件21，該耦合元件21設計為一平面倒F天線(planar inverted F antenna,PIFA)，具有一第一分支211與一第二分支212，該第一分支211係透過該靜電保護元件16連接到接地面10，且第一分支211亦連接該高頻阻斷元件14，再經由該高頻阻斷元件14連接到該電容式近接感測器16。該第二分支212係經由一匹配電路18連接到該訊號饋入元件12。當操作在高頻時，該靜電保護元件16為低阻抗而近似短路，該高頻阻斷元件14為高阻抗而近似開路，此時該耦合元件21係作為天線使用以進行資料發射、接收。相反的，在低頻情況時，由於該靜電保護元件16為高阻抗而近似開路，該高頻阻斷 元件14為低阻抗而近似短路，該耦合元件21係作為一感應元件，可用以感測是否有人體接近電子裝置，藉以調整SAR值。
在本創作的前述各實施例中，該接地面10係為一金屬接地面。該天線11採用的種類可以是單極天線(rmonopole antenna)、雙極天線(dipole antenna)、平面倒F天線(planar inverted F antenna)、迴圈天線(loop antenna)、槽孔天線(slot antenna)或可激發出共振模態的天線。如圖4所示，該天線11本身可形成有一或多個分支，或是彎曲延伸，以提供多頻率或寬頻率共振模態。該感應元件13、13a、13b可為一片體，由金屬或導體材料構成，參考圖5所示，該感應元件13、13a、13b可具有單個或多個分支，或是彎折延伸，以提供多頻率或寛頻率共振模態。
關於本創作中所使用的該靜電保護元件16、16a、16b，其特性為高頻率呈現低阻抗，低頻率呈現高阻抗，而在面臨大於正常工作的瞬時電壓或瞬時電流時更進一步呈現超低阻抗特性，於瞬時電壓或瞬時電流。具有前述電氣特性的元件包含但不限於例如暫態電壓抑制二極體(transient voltage suppression diode,TVS diode)、齊納二極體(zener diode)、矽雪崩二極體(SAD)、二極體陣列(diode array)、變阻器(varistor)等。例如請參考圖6所示之二極體接面，N型半導體與P型半導體二者之間為空泛區，這二種材料的接面相當效於一個平行板電容器，稱作接面電容(Junction Capacitance，Cj)或稱空泛電容(Depletion Capacitance，Cd)，該平行板距離為空乏區寛度W，平行板 間之介電質為半導體材料εs ，平行板面積為材料之有效接面面積A，則接面電定Cj則可由以下公式定義：
由公式得知當在高頻率時，該二極體的阻抗Zc為接近短路，而低頻率時二極體阻抗為接近開路Zc。再請參考圖7，某些特殊二極體本身的材料具有雪崩特性(Avalanche，又稱為累增)，當瞬時電壓超過電路正常工作電壓後，會產生雪崩特性而具有超低阻抗，如圖7所示之區域R，提供給瞬時電流一個超低阻抗的通路，當瞬時脈衝結束後二極體自動回覆原始阻抗狀態，因此可作為本創作中之該靜電保護元件16。
該高頻阻斷元件14可以由電感性元件構成，例如以多個磁珠(Ferrite Bead)串聯或是多個電感器串聯構成，其元件特性係在低頻時呈現低阻抗而近似短路，在高頻時呈現高阻抗而近似開路。
綜上所述，本創作具近接感測功能的天線模組不僅可維持天線之資料發射與接收功能之外，其感應元件結合靜電保護元件可達到防止靜電放電衝擊，當感測人體靠近電子裝置時，感應元件可產生一感應電容訊號，以降低天線模組的功率輸出及輻射電磁波，使電子裝置符合SAR值之規範。
10‧‧‧接地面
11‧‧‧天線
12‧‧‧訊號饋入元件
13‧‧‧感應元件
14‧‧‧高頻阻斷元件
15‧‧‧電容式近接感測器
16‧‧‧靜電保護元件
17‧‧‧調整電容

Claims (10)

  1. 一種具近接感測功能的天線模組，係供設置於一電子裝置內部，該具近接感測功能的天線模組包含：一接地面；一訊號饋入元件；一天線，經由該訊號饋入元件連接至該接地面，該天線負責資料的無線發射及接收；一電容式近接感測器；一高頻阻斷元件；至少一感應元件，與該天線相距一間隙並經由該高頻阻斷元件連接至該電容式近接感測器，該至少一感應元件於感測有物體接近時係產生一電容訊號並經由該高頻阻斷元件傳輸至該電容式近接感測器；以及至少一靜電保護元件，係連接於該感應元件與該接地面之間，該靜電保護元件係於高頻時呈現低阻抗，於低頻時呈現高阻抗，於高於該靜電保護元件之一臨界電壓的瞬時高壓發生時，該靜電保護元件係呈現導通狀態而使該瞬時高壓傳遞至該接地面。
  2. 如請求項1所述之具近接感測功能的天線模組，該靜電保護元件並聯一調整電容。
  3. 如請求項1或2所述之具近接感測功能的天線模組，該高頻阻斷元件係於低頻時呈現低阻抗，高頻時呈現高阻抗。
  4. 如請求項1或2所述之具近接感測功能的天線模組，該高頻阻斷元件為電感性元件。
  5. 如請求項1所述之具近接感測功能的天線模組，該感應元件及靜電保護元件之數目係為多個，各該感應元件與該天線皆相距一間隙且各該感應元件經由一各自的該靜電保護元件連接至該接地面。
  6. 一種具近接感測功能的天線模組，係供設置於一電子裝置內部，該具近接感測功能的天線模組包含：一接地面；一匹配電路；一訊號饋入元件；一耦合元件，經由該匹配電路及該訊號饋入元件連接至該接地面；一電容式近接感測器；一高頻阻斷元件，係連接於該耦合元件與該電容式近接感測器之間；以及一靜電保護元件，係連接於該耦合元件與該接地面之間，該靜電保護元件係於高頻時呈現低阻抗，於低頻時呈現高阻抗，於高於該靜電保護元件之一臨界電壓的一瞬時高壓發生時，該靜電保護元件係呈現導通狀態而使該瞬時高壓傳遞至該接地面；其中，該耦合元件於高頻操作時係作為用以收發資料之一天線，於低頻操作時係作為一感應元件以在感測到物體接近時產生一電容訊號。
  7. 如請求項6所述之具近接感測功能的天線模組，該耦合元件具有：一第一分支，係經由該靜電保護元件連接至接地面， 且同時連接該高頻阻斷元件；以及一第二分支，係經由該匹配電路及訊號饋入元件連接至該接地面。
  8. 如請求項6或7所述之具近接感測功能的天線模組，該靜電保護元件並聯一調整電容。
  9. 如請求項6或7所述之具近接感測功能的天線模組，該高頻阻斷元件係於低頻時呈現低阻抗，高頻時呈現高阻抗。
  10. 如請求項6或7所述之具近接感測功能的天線模組，該高頻阻斷元件係為電感性元件。
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