TWM638590U - 穿戴式裝置 - Google Patents

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TWM638590U
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許景堯
洪崇庭
王俊元
唐竺佑
羅澺智
趙育晨
曾智聰
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廣達電腦股份有限公司
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Abstract

一種穿戴式裝置，包括一邊框元件和一介質基板。邊框元件包括一第一金屬部、一第二金屬部，以及一第三金屬部，其中第一金屬部和第二金屬部之間可具有一第一間隙，第二金屬部和第三金屬部之間可具有一第二間隙，而第三金屬部和第一金屬部之間可具有一第三間隙。介質基板可由第一金屬部、第二金屬部，以及第三金屬部所共同包圍。第一金屬部可形成一第一天線元件。第二金屬部可形成一第二天線元件。第三金屬部可形成一第三天線元件。

Description

穿戴式裝置
本創作係關於一種穿戴式裝置，特別係關於一種穿戴式裝置及其天線系統(Antenna System)。
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。
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，本創作提出一種穿戴式裝置，包括：一邊框元件，包括一第一金屬部、一第二金屬部，以及一第三金屬部，其中該第一金屬部和該第二金屬部之間具有一第一間隙，該第二金屬部和該第三金屬部之間具有一第二間隙，而該第三金屬部和該第一金屬部之間具有一第三間隙；以及一介質基板，由該第一金屬部、該第二金屬部，以及該第三金屬部所共同包圍；其中該第一金屬部係形成一第一天線元件；其中該第二金屬部係形成一第二天線元件；其中該第三金屬部係形成一第三天線元件。
在一些實施例中，該第一天線元件涵蓋一第一頻帶和一第二頻帶，該第一頻帶係介於3300MHz至4200MHz之間，而該第二頻帶係介於4400MHz至5000MHz之間。
在一些實施例中，該第一金屬部包括：一第一輻射區段；一第二輻射區段，具有一第一開孔，其中一第一饋入點係耦接於該第一輻射區段和該第二輻射區段之間；以及一第三輻射區段，其中一第一接地點係耦接於該第二輻射區段和該第三輻射區段之間。
在一些實施例中，該第一輻射區段之長度係小於或等於該第二頻帶之0.25倍波長，而該第二輻射區段之長度係小於或等於該第一頻帶之0.25倍波長。
在一些實施例中，該第二天線元件涵蓋一第三頻帶和一第四頻帶，該第三頻帶係介於2400MHz至2500MHz之間，而該第四頻帶係介於2500MHz至2680MHz之間。
在一些實施例中，該第二金屬部包括：一第四輻射區段；一第五輻射區段，具有一第二開孔，其中一第二饋入點係耦接於該第四輻射區段和該第五輻射區段之間；以及一第六輻射區段，其中一第二接地點係耦接於該第五輻射區段和該第六輻射區段之間。
在一些實施例中，該第四輻射區段之長度介於該第四頻帶之0.25倍至0.5倍波長之間，而該第五輻射區段之長度係大致等於該第三頻帶之0.25倍波長。
在一些實施例中，該穿戴式裝置更包括：一寄生金屬部，設置於該介質基板上，並耦接至該第五輻射區段，其中該寄生金屬部係用於增加該第三頻帶和該第四頻帶之頻寬。
在一些實施例中，該第三天線元件涵蓋一第五頻帶，而該第五頻帶係大致位於1575MHz處。
在一些實施例中，該第三金屬部之長度係小於或等於該第五頻帶之0.25倍波長。
為讓本創作之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本創作之具體實施例，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及/或標記。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及/或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圖係顯示根據本創作一實施例所述之穿戴式裝置(Wearable Device)100之正視圖。第1B圖係顯示根據本創作一實施例所述之穿戴式裝置100之背視圖。請一併參考第1A、1B圖。在一些實施例中，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至少包括一邊框元件(Frame Element)110和一介質基板(Dielectric Substrate)160。邊框元件110和介質基板160之形狀和樣式在本發明中並不特別作限制。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：一電池、一時針、一分針、一秒針、一信號處理模組、一計數器、一處理器、一溫度計、一氣壓計、一時間調整器、一連接帶、一防水外殼，或(且)一扣環等等。
邊框元件110包括一第一金屬部(Metal Element)120、一第二金屬部130，以及一第三金屬部140，其中第一金屬部120和第二金屬部130之間可具有一第一間隙(Gap)G1，第二金屬部130和第三金屬部140之間可具有一第二間隙G2，而第三金屬部140和第一金屬部120之間可具有一第三間隙G3。因此，可視為邊框元件110包括三個彼此互相分離之金屬部。
介質基板160可由邊框元件110之第一金屬部120、第二金屬部130，以及第三金屬部140所共同包圍。例如，介質基板160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)，但亦不僅限於此。
在較佳實施例中，第一金屬部120可形成一第一天線元件(Antenna Element)151，第二金屬部130可形成一第二天線元件152，而第三金屬部140可形成一第三天線元件153，其中第一天線元件151、第二天線元件152，以及第三天線元件153三者可涵蓋不同操作頻帶。第一天線元件151、第二天線元件152，以及第三天線元件153之形狀和種類於本創作中並不特別作限制。例如，第一天線元件151、第二天線元件152，以及第三天線元件153之任一者可為一單極天線(Monopole Antenna)、一偶極天線(Dipole Antenna)、一混合天線(Hybrid Antenna)，或是一倒F字形天線(Inverted-F Antenna，IFA)。由於前述之天線元件皆可與穿戴式裝置100之邊框元件110互相整合，故穿戴式裝置100可在不額外增加整體裝置尺寸之前提下，仍可涵蓋多重頻帶之寬頻操作。
以下實施例將介紹穿戴式裝置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，而非用於限制本創作之範圍。
第2圖係顯示根據本創作一實施例所述之第一天線元件151之立體圖。在第2圖之實施例中，第一天線元件151包括第一金屬部120，而第一金屬部120包括一第一輻射區段(Radiation Segment)124、一第二輻射區段125，以及一第三輻射區段126，其中一第一饋入點(Feeding Point)FP1係耦接於第一輻射區段124和第二輻射區段125之間。第一饋入點FP1更可耦接至一第一信號源(Signal Source)191。例如，第一信號源191可為一射頻(Radio Frequency，RF)模組，其可用於激發第一天線元件151。第二輻射區段125具有一第一開孔(Opening)128。例如，第一開孔128可大致呈現一圓形或一橢圓形，其可用於容納一實體按鍵(未顯示)。另外，一第一接地點(Grounding Point)GP1則耦接於第二輻射區段125和第三輻射區段126之間，其中第一接地點GP1更可耦接至一接地電位(Ground Voltage)VSS。例如，前述之接地電位VSS可由設置於介質基板160上之一系統接地面(System Ground Plane)所提供(未顯示)。
第3圖係顯示根據本創作一實施例所述之第一天線元件151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3圖之量測結果，第一天線元件151可涵蓋一第一頻帶(Frequency Band)FB1和一第二頻帶FB2。例如，第一頻帶FB1可介於3300MHz至4200MHz之間，而第二頻帶FB2可介於4400MHz至5000MHz之間。因此，第一天線元件151將至少可支援新世代5G通訊系統(5th Generation Wireless System)之sub-6GHz寬頻操作。
在一些實施例中，第一天線元件151之操作原理可如下列所述。第一輻射區段124可用於激發產生前述之第二頻帶FB2。第二輻射區段125可用於激發產生前述之第一頻帶FB1。另外，第三輻射區段126則可用於微調前述之第一頻帶FB1之阻抗匹配(Impedance Matching)。
在一些實施例中，第一天線元件151之元件尺寸可如下列所述。第一輻射區段124之長度L1可小於或等於第一天線元件151之第二頻帶FB2之0.25倍波長(λ/4)。第二輻射區段125之長度L2可小於或等於第一天線元件151之第一頻帶FB1之0.25倍波長(λ/4)。第三輻射區段126之長度L3可大於第一輻射區段124之長度L1。第三輻射區段126之長度L3亦可大於第二輻射區段125之長度L1。第一間隙G1之寬度可介於1mm至2mm之間。以上尺寸範圍係根據多次實驗結果而得出，其有助於最佳化第一天線元件151之操作頻寬(Operational Bandwidth)和阻抗匹配。
第4圖係顯示根據本創作一實施例所述之第二天線元件152之立體圖。在第4圖之實施例中，第二天線元件152包括第二金屬部130，而第二金屬部130包括一第四輻射區段134、一第五輻射區段135，以及一第六輻射區段136，其中一第二饋入點FP2係耦接於第四輻射區段134和第五輻射區段135之間。第二饋入點FP2更可耦接至一第二信號源192。例如，第二信號源192可為另一射頻模組，其可用於激發第二天線元件152。第五輻射區段135具有一第二開孔138。例如，第二開孔138可大致呈現一圓形或一矩形，其可用於容納一揚聲器(未顯示)。另外，一第二接地點GP2則耦接於第五輻射區段135和第六輻射區段136之間，其中第二接地點GP2更可耦接至接地電位VSS。
第5圖係顯示根據本創作一實施例所述之第二天線元件152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5圖之量測結果，第二天線元件152可涵蓋一第三頻帶FB3和一第四頻帶FB4。例如，第三頻帶FB3可介於2400MHz至2500MHz之間，而第四頻帶FB4可介於2500MHz至2680MHz之間。因此，第二天線元件152將至少可支援WLAN(Wireless Local Area Network)之寬頻操作。
在一些實施例中，第二天線元件152之操作原理可如下列所述。第四輻射區段134可用於激發產生前述之第四頻帶FB4。第五輻射區段135可用於激發產生前述之第三頻帶FB3。另外，第六輻射區段136則可用於微調前述之第三頻帶FB3之阻抗匹配。
在一些實施例中，第二天線元件152之元件尺寸可如下列所述。第四輻射區段134之長度L4可介於第二天線元件152之第四頻帶FB4之0.25倍至0.5倍波長之間(λ/4~λ/2)。第五輻射區段135之長度L5可大致等於第二天線元件152之第三頻帶FB3之0.25倍波長(λ/4)。第六輻射區段136之長度L6可大於第四輻射區段134之長度L4。第六輻射區段136之長度L6可小於第五輻射區段135之長度L5。第二間隙G2之寬度可介於1mm至2mm之間。以上尺寸範圍係根據多次實驗結果而得出，其有助於最佳化第二天線元件152之操作頻寬和阻抗匹配。
第6圖係顯示根據本創作一實施例所述之寄生金屬部(Parasitic Metal Element)170之俯視圖。在第6圖之實施例中，穿戴式裝置100更包括一寄生金屬部170，其可設置於介質基板160上。寄生金屬部170可視為第二天線元件152之一延伸部份。詳細而言，寄生金屬部170包括一連接部份174和一主要部份175，其中主要部份175可經由連接部份174耦接至第五輻射區段135。另外，寄生金屬部170之主要部份175更可具有一第三開孔178，其可用於容納一磁性元件(未顯示)。根據實際量測結果，寄生金屬部170之加入可增加第二天線元件152之第三頻帶FB3和第四頻帶FB4之頻寬。必須理解的是，寄生金屬部170僅為一選用元件(Optional Component)，在其他實施例中亦可移除之。
第7圖係顯示根據本創作一實施例所述之第三天線元件153之立體圖。在第7圖之實施例中，第三天線元件153包括第三金屬部140，其中一第三饋入點FP3係耦接至第三金屬部140之一端，而第三金屬部140之另一端可為一開路端(Open End)。第三饋入點FP3更可耦接至一第三信號源193。例如，第三信號源193可為再一射頻模組，其可用於激發第三天線元件153。
第8圖係顯示根據本創作一實施例所述之第三天線元件153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8圖之量測結果，第三天線元件153可涵蓋一第五頻帶FB5。例如，第五頻帶FB5可大致位於1575MHz處。因此，第三天線元件153將至少可支援GPS(Global Positioning System)之功能。
在一些實施例中，第三天線元件153之操作原理可如下列所述。第三金屬部140可用於激發產生前述之第五頻帶FB5。
在一些實施例中，第三天線元件153之元件尺寸可如下列所述。第三金屬部140之長度L7可小於或等於第三天線元件153之第五頻帶FB5之0.25倍波長(λ/4)。第三間隙G3之寬度可介於1mm至2mm之間。以上尺寸範圍係根據多次實驗結果而得出，其有助於最佳化第三天線元件153之操作頻寬和阻抗匹配。
本創作提出一種新穎之穿戴式裝置。相較於傳統設計方式，其至少具有下列優點：(1)利用穿戴式裝置之邊框元件來形成一天線系統；(2)不會額外佔用穿戴式裝置之內部空間；(3)縮小整體天線尺寸；以及(4)降低整體製造成本。因此，本創作很適合應用於各種小型化且具有通訊功能之穿戴式裝置當中。
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創作之限制條件。天線設計者可以根據不同需要調整這些設定值。本創作之穿戴式裝置並不僅限於第1-8圖所圖示之狀態。本創作可以僅包括第1-8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創作之穿戴式裝置當中。
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。
本創作雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本創作的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:穿戴式裝置 110:邊框元件 120:第一金屬部 124:第一輻射區段 125:第二輻射區段 126:第三輻射區段 128:第一開孔 130:第二金屬部 134:第四輻射區段 135:第五輻射區段 136:第六輻射區段 138:第二開孔 140:第三金屬部 151:第一天線元件 152:第二天線元件 153:第三天線元件 160:介質基板 170:寄生金屬部 174:寄生金屬部之連接部份 175:寄生金屬部之主要部份 178:第三開孔 191:第一信號源 192:第二信號源 193:第三信號源 FB1:第一頻帶 FB2:第二頻帶 FB3:第三頻帶 FB4:第四頻帶 FB5:第五頻帶 FP1:第一饋入點 FP2:第二饋入點 FP3:第三饋入點 G1:第一間隙 G2:第二間隙 G3:第三間隙 GP1:第一接地點 GP2:第二接地點 GP3:第三接地點 L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7:長度 VSS:接地電位
第1A圖係顯示根據本創作一實施例所述之穿戴式裝置之正視圖。 第1B圖係顯示根據本創作一實施例所述之穿戴式裝置之背視圖。 第2圖係顯示根據本創作一實施例所述之第一天線元件之立體圖。 第3圖係顯示根據本創作一實施例所述之第一天線元件之電壓駐波比圖。 第4圖係顯示根據本創作一實施例所述之第二天線元件之立體圖。 第5圖係顯示根據本創作一實施例所述之第二天線元件之電壓駐波比圖。 第6圖係顯示根據本創作一實施例所述之寄生金屬部之俯視圖。 第7圖係顯示根據本創作一實施例所述之第三天線元件之立體圖。 第8圖係顯示根據本創作一實施例所述之第三天線元件之電壓駐波比圖。
100:穿戴式裝置
110:邊框元件
120:第一金屬部
130:第二金屬部
140:第三金屬部
151:第一天線元件
152:第二天線元件
153:第三天線元件
160:介質基板
G1:第一間隙
G2:第二間隙
G3:第三間隙

Claims (10)

  1. 一種穿戴式裝置，包括： 一邊框元件，包括一第一金屬部、一第二金屬部，以及一第三金屬部，其中該第一金屬部和該第二金屬部之間具有一第一間隙，該第二金屬部和該第三金屬部之間具有一第二間隙，而該第三金屬部和該第一金屬部之間具有一第三間隙；以及 一介質基板，由該第一金屬部、該第二金屬部，以及該第三金屬部所共同包圍； 其中該第一金屬部係形成一第一天線元件； 其中該第二金屬部係形成一第二天線元件； 其中該第三金屬部係形成一第三天線元件。
  2. 如請求項1所述之穿戴式裝置，其中該第一天線元件涵蓋一第一頻帶和一第二頻帶，該第一頻帶係介於3300MHz至4200MHz之間，而該第二頻帶係介於4400MHz至5000MHz之間。
  3. 如請求項2所述之穿戴式裝置，其中該第一金屬部包括： 一第一輻射區段； 一第二輻射區段，具有一第一開孔，其中一第一饋入點係耦接於該第一輻射區段和該第二輻射區段之間；以及 一第三輻射區段，其中一第一接地點係耦接於該第二輻射區段和該第三輻射區段之間。
  4. 如請求項3所述之穿戴式裝置，其中該第一輻射區段之長度係小於或等於該第二頻帶之0.25倍波長，而該第二輻射區段之長度係小於或等於該第一頻帶之0.25倍波長。
  5. 如請求項1所述之穿戴式裝置，其中該第二天線元件涵蓋一第三頻帶和一第四頻帶，該第三頻帶係介於2400MHz至2500MHz之間，而該第四頻帶係介於2500MHz至2680MHz之間。
  6. 如請求項5所述之穿戴式裝置，其中該第二金屬部包括： 一第四輻射區段； 一第五輻射區段，具有一第二開孔，其中一第二饋入點係耦接於該第四輻射區段和該第五輻射區段之間；以及 一第六輻射區段，其中一第二接地點係耦接於該第五輻射區段和該第六輻射區段之間。
  7. 如請求項6所述之穿戴式裝置，其中該第四輻射區段之長度介於該第四頻帶之0.25倍至0.5倍波長之間，而該第五輻射區段之長度係大致等於該第三頻帶之0.25倍波長。
  8. 如請求項6所述之穿戴式裝置，更包括： 一寄生金屬部，設置於該介質基板上，並耦接至該第五輻射區段，其中該寄生金屬部係用於增加該第三頻帶和該第四頻帶之頻寬。
  9. 如請求項1所述之穿戴式裝置，其中該第三天線元件涵蓋一第五頻帶，而該第五頻帶係大致位於1575MHz處。
  10. 如請求項9所述之穿戴式裝置，其中該第三金屬部之長度係小於或等於該第五頻帶之0.25倍波長。
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